中科君芯1200V系列IGBT在工业焊机电源中的应用

前言

相对传统工频焊机，逆变焊机在变压器体积、有效功率输出及焊机输出电压、电流稳定性方面都具先天优势，在可预见的未来将逐步占领焊机行业的主导地位。

IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor)全称为绝缘栅双极晶体管，作为逆变焊机中高频逆变的主要开关器件，其性能的优劣将直接影响焊机整体表现。随着国内工艺水平和设计能力的提升，国产IGBT开始进入焊机领域。

本文主要对江苏中科君芯科技有限公司(以下简称中科君芯)针对焊机领域开发1200V系列产品性能、和国外主流器件的参数比对、实际焊机测试比对展开讨论。

1  电路拓扑

工业用焊接电源电路拓扑有半桥和全桥(图1,图2)两种结构，相对于半桥结构全桥电路输出功率能力更强，半桥拓扑多用于焊机输出电流<280A的机型中，而全桥拓扑多用于焊机电流>315A的焊接电源中。

图1 三相输入半桥拓扑

图2 三相输入全桥结构

2  IGBT芯片技术

中科君芯IGBT芯片技术历经穿通型(PT) IGBT与非穿通(NPT)型IGBT(图3 a与b)，过渡到目前国际最新的沟槽栅场截止(Trench+FS)技术(图3 c)。针对焊机产品的1200V系列正是采用了这一最新技术。

相对于PT和NPT，最新技术的特点为正面采用沟槽栅结构可进一步减小正向导通时饱和压降值，同时背面采用场截止技术进一步优化器件的开关性能，在提高性能同时可使芯片做的更薄，这种结构特性对高压器件来说是重要的。

图3 中科君芯IGBT芯片技术进化图

3  1200V系列器件参数比对

焊机领域开关频率一般>=20KHz，为适应这一频率要求，特别针对开关特性和饱和压降进行折中优化，保证降低开关损耗的前提下导通压降值不能有显著增加。

因变压器漏感及引线电感的存在，当IGBT关断时， 在杂散电感上形成电压尖峰，针对这一特点，在设计IGBT耐压时进行优化处理(标称1200V器件的实际耐压值达到1400V左右)。

另外焊机中和IGBT反并联的FRD及吸收电容的存在，使得IGBT在开通时产生很大的，使得IGBT开通时流过IGBT的电流会出现较大的峰值。在设计IGBT时特别针对IGBT的集电极重复峰值电流进行特殊处理，使得峰值电流在额定值的4倍条件下进行安全工作，并考核在不同脉冲宽度下该器件承受峰值电流的能力。

除优化上述两个参数，该系列IGBT设计成正温度系数适合并联条件下使用，同时将IGBT和快恢复FRD集成在同一封装中提高整体性能。

表一为君芯1200V系列中40A器件和国外主流厂家同规格IGBT主要参数对比。关断损耗与饱和压降折中曲线如图4所示。

表一 主要参数对比

表一数据在同一动静态测试设备测试所得。

图4  Trade-off Characteristics

1200V-40A 常温数据

4  焊机实测对比

   测试所用焊机为深圳华意隆电气股份有限公司的主打手工焊焊机，机型ZX7-400A。该机型输入380V，50Hz；输出电压41.5V，电流400A；焊机频率20KHz，占空比为38.7%，IGBT驱动栅极电阻10Ω.

    图5为整个测试系统图，测试中加入国外主流厂家I和F的同规格器件进行比测。

图5 焊机测试系统

考核主要从IGBT壳温度、带载测试中的波形表现以及点焊瞬间IGBT是否出现过流冲击损坏等三方面进行。壳温度对比结果如图6所示，栅极驱动波形的稳定性参考图7与图8。

图6 同等条件下壳温度对比

             图7 竞争对手I波动v-pp=4.3V                                 图8 中科君芯v-pp=3.1V

5  总结

   在满载条件下模拟焊条和母材接触瞬间的点焊实验，连续点焊1h，测试中焊机无异常，点焊后焊机工作正正常。

    通过比测不同器件的壳温度及带载条件下的栅极驱动波形抖动来看，中科君芯器件满足焊机应用需求，实测与国外主流产品性能相当。