中科君芯1200V系列IGBT在工業焊機電源中的應用

0  前言
      相對傳統工頻焊機，逆變焊機在變壓器體積、有效功率輸出及焊機輸出電壓、電流穩定性方面都具先天優勢，在可預見的未來將逐步占領焊機行業的主導地位。
      IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor)全稱為絕緣柵雙極晶體管，作為逆變焊機中高頻逆變的主要開關器件，其性能的優劣將直接影響焊機整體表現。隨著國內工藝水平和設計能力的提升，國產IGBT開始進入焊機領域。
      本文主要對江蘇中科君芯科技有限公司(以下簡稱中科君芯)針對焊機領域開發1200V系列產品性能、和國外主流器件的參數比對、實際焊機測試比對展開討論。
1  電路拓撲

      工業用焊接電源電路拓撲有半橋和全橋(圖1,圖2)兩種結構，相對于半橋結構全橋電路輸出功率能力更強，半橋拓撲多用于焊機輸出電流<280A的機型中，而全橋拓撲多用于焊機電流>315A的焊接電源中。

2  IGBT芯片技術
      中科君芯IGBT芯片技術歷經穿通型(PT) IGBT與非穿通(NPT)型IGBT(圖3 a與b)，過渡到目前國際最新的溝槽柵場截止(Trench+FS)技術(圖3 c)。針對焊機產品的1200V系列正是采用了這一最新技術。
      相對于PT和NPT，最新技術的特點為正面采用溝槽柵結構可進一步減小正向導通時飽和壓降值，同時背面采用場截止技術進一步優化器件的開關性能，在提高性能同時可使芯片做的更薄，這種結構特性對高壓器件來說是重要的。

3  1200V系列器件參數比對
      焊機領域開關頻率一般>=20KHz，為適應這一頻率要求，特別針對開關特性和飽和壓降進行折中優化，保證降低開關損耗的前提下導通壓降值不能有顯著增加。
      因變壓器漏感及引線電感的存在，當IGBT關斷時， 在雜散電感上形成電壓尖峰，針對這一特點，在設計IGBT耐壓時進行優化處理(標稱1200V器件的實際耐壓值達到1400V左右)。
      另外焊機中和IGBT反并聯的FRD及吸收電容的存在，使得IGBT在開通時產生很大的，使得IGBT開通時流過IGBT的電流會出現較大的峰值。在設計IGBT時特別針對IGBT的集電極重復峰值電流進行特殊處理，使得峰值電流在額定值的4倍條件下進行安全工作，并考核在不同脈沖寬度下該器件承受峰值電流的能力。
      除優化上述兩個參數，該系列IGBT設計成正溫度系數適合并聯條件下使用，同時將IGBT和快恢復FRD集成在同一封裝中提高整體性能。
      表一為君芯1200V系列中40A器件和國外主流廠家同規格IGBT主要參數對比。關斷損耗與飽和壓降折中曲線如圖4所示。

4  焊機實測對比
   測試所用焊機為深圳華意隆電氣股份有限公司的主打手工焊焊機，機型ZX7-400A。該機型輸入380V，50Hz；輸出電壓41.5V，電流400A；焊機頻率20KHz，占空比為38.7%，IGBT驅動柵極電阻10Ω.
    圖5為整個測試系統圖，測試中加入國外主流廠家I和F的同規格器件進行比測。

考核主要從IGBT殼溫度、帶載測試中的波形表現以及點焊瞬間IGBT是否出現過流沖擊損壞等三方面進行。殼溫度對比結果如圖6所示，柵極驅動波形的穩定性參考圖7與圖8。

5  總結
      在滿載條件下模擬焊條和母材接觸瞬間的點焊實驗，連續點焊1h，測試中焊機無異常，點焊后焊機工作正正常。
      通過比測不同器件的殼溫度及帶載條件下的柵極驅動波形抖動來看，中科君芯器件滿足焊機應用需求，實測與國外主流產品性能相當。