中科君芯650V系列IGBT在家用焊機電源應用

0  前言
       家用逆變焊機因其體較小，操作方便，市場接受度逐步提高。因市電220V輸入的特點，一般采用600V/650V規格的IGBT作為逆變主功率器件。
      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。
      本文針對國內家用焊機應用電路特點，實際應用工況，分析對IGBT的參數要求，并在實際焊機上進行帶載和沖擊測試，比較不同IGBT的性能優劣。
1  電路特點
      家用焊機相對工業焊機而言輸出焊接電流較小(一般<315A)，國內以半橋電路拓撲為主，且多以每橋臂2顆并聯方式實現。

      輸入220V市電經輸入整流橋整流和濾波電感濾波形成311V左右的直流電，考慮IGBT關斷過程中回路寄生電感和安全余量需要IGBT耐壓為560V(1.8倍)左右，因此選用600V/650V耐壓等級IGBT可滿足需求?？紤]散熱和安全性，選取IGBT電流一般按照2倍安全余量進行選取，電路拓撲見圖1。

2  IGBT芯片技術
      高頻化是逆變焊機的一個趨勢，因650V器件的芯片厚度較1200V器件更薄，因此同等規格電流輸出其損耗更低，因此在家用焊機上更易實現高頻化。
      在焊機雜志前一期中有過介紹，溝槽柵場截止設計是目前IGBT最新一代技術，國外主流廠家針對小焊機開發的IGBT產品均采用這一技術，中科君芯科技有限公司(下稱中科君芯)是最先在國內實現該技術的IGBT芯片設計公司，同時針對超薄芯片(65um)封裝中碎片率高的特點進行封裝優化，實現從設計、流片、封裝和測試的國產化。

3  家用焊機IGBT設計要求
      家用焊機頻率普遍較高(目前國內主流頻率為28KHz和35KHz)，設計中針對高頻需求進一步優化IGBT開關參數(關斷損耗低至0.87mJ@25℃)，而使飽和壓降略有升高(較前期產品Vce(sat)增加0.15V)。
      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650V器件的實際耐壓值800V左右)。
      因焊機經常處于空載-短路-帶載的工作狀態，同時焊接中的電弧為動態負載，電流處于不斷變化中。針對負載短路這一情況，設計IGBT時使其短路承受時間達到10us及以上，這樣即使保護電路在精度和響應時間上有時延，在短路期間，IGBT本身能承受過電流(一般保護電路在3~5us就能進行動作)；針對實際焊接過程中電弧電流波動通過變壓器耦合到IGBT輸入端的情況，在IGBT設計時通過提高器件的峰值電流ICM，提高IGBT的正向安全工作區(FBSOA)這兩種方式提高器件的抗干擾性能。
      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，提高整體性能。
4  參數比對
對家用焊機領域國外主流IGBT及中科君芯器件在同一設備下參數對比如下：

 通過表一，除漏電流ICES稍大外，中科君芯IGBT在耐壓，飽和壓降及關斷損耗(更適合軟開關應用)方面都具競爭優勢。
5  焊機實測
僅有參數比對不能完全突出IGBT性能優劣，還需看器件在焊機上的實測表現。
      測試所用焊機型號及工況如下：機型ZX7-200G。該機型輸入220V，50Hz；輸出電壓25V，電流200A；焊機頻率28KHz，占空比為20%，IGBT驅動柵極電阻10Ω。半橋電路每橋臂采用兩顆50A器件并聯。
      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沖擊電流三方面進行。測試系統與上期1200V器件測試系統基本類似，不再重復。
5.1 殼溫比測
測試按照滿載下負載持續率60%進行測試，每顆器件測試3個周期取平均值。

從殼溫測試結果看，中科君芯器件溫升表現稍優于國外兩款器件。
5.2 柵極波形對比

因柵極驅動信號直接通過變壓器變壓后獲取，未經過穩壓和濾波電路因此柵極都會有部分振蕩，但是該振蕩越小，IGBT抗干擾能力越強。從柵極振蕩來看，君芯和I公司相當，優于F公司。
5.3 沖擊實驗
該實驗主要考核焊機在點焊瞬間IGBT和FRD承受沖擊電流的能力。該實驗連續點焊1h，要求測試中焊機無異常，點焊后焊機工作正常，三款器件均通過沖擊實驗。
6  總結
從IGBT的參數特性，以及在焊機上的實測殼溫、波形和沖擊實驗來看，君芯國產器件和國外器件性能相當，均滿足焊機需求。