逆變弧焊機(jī)igb模塊選型設(shè)計(jì)

逆變弧焊機(jī)igb模塊選型設(shè)計(jì)

0逆變焊治療igbtigtl（國(guó)際電源制造商）作為第一個(gè)功率模塊，結(jié)合了mosbot和gtr的優(yōu)點(diǎn)。輸出延遲幅度大，輸出延遲小，電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，開關(guān)損失小，誤差小，誤差速度快，操作頻率高，抗壓能力高，容量大，穩(wěn)定性好。適合于逆變器的逆變器專用于這方面，因此在國(guó)際電焊機(jī)行業(yè)得到了廣泛應(yīng)用。目前國(guó)內(nèi)電焊機(jī)企業(yè)設(shè)計(jì)生產(chǎn)的逆變焊機(jī)中IGBT也是應(yīng)用最為廣泛的。IGBT的正確選擇和使用是逆變焊機(jī)能否可靠工作的基礎(chǔ)和關(guān)鍵，在此從實(shí)踐工程角度探討了IGBT選擇和使用中的注意事項(xiàng)。1功率mosfig耐高壓化的原理IGBT是用雙極型晶體管GTR與MOSFET組成的達(dá)林頓結(jié)構(gòu)，相當(dāng)于一個(gè)由MOSFET驅(qū)動(dòng)的厚基區(qū)晶體管。以GTR劃分IGBT的種類，如GTR為PNP型則IGBT稱為N-IGBT，即N溝道增強(qiáng)型IGBT，N-IGBT是在電焊機(jī)領(lǐng)域應(yīng)用最多的類型。功率MOSFET由于源極和漏極是以溝道為媒介進(jìn)行導(dǎo)通的，所以MOSFET的漏極-源極之間形成了單一的半導(dǎo)體。它的電特性也就成了單純的電阻，該電阻越低，通態(tài)電壓也就越低，但是，在MOSFET進(jìn)行耐高壓化的同時(shí)，漏、源極所在區(qū)的區(qū)層需要加厚，區(qū)層越厚，元件的耐壓性能越高，漏極和源極之間的電阻也就增加。正因?yàn)槿绱?，高耐壓的功率MOSFET的通態(tài)電阻變大，無法使大量的電流通過，實(shí)現(xiàn)高壓、大容量化非常困難。IGBT為克服上述MOSFET的缺點(diǎn)，在漏極追加了p+注入?yún)^(qū)，使得IGBT導(dǎo)通時(shí)由p+注入?yún)^(qū)向N基區(qū)發(fā)射電子，從而對(duì)漂移區(qū)導(dǎo)電率進(jìn)行調(diào)制，得到極低的通態(tài)電阻，使IGBT具有很強(qiáng)的通流能力，使高耐壓、大容量成為可能，如圖1所示。1ac與igbt、ues的關(guān)系使用IGBT時(shí)，可根據(jù)生產(chǎn)廠家提供的規(guī)格書上的參數(shù)進(jìn)行選定。集電極-發(fā)射極的阻斷電壓UCES和集電極電流IC是兩個(gè)相對(duì)重要的參數(shù)。UCES是柵極-發(fā)射極短路時(shí)集電極-發(fā)射極允許外加的最高電壓，也稱為IGBT的最大額定電壓，UCES的選擇主要取決于焊機(jī)接入的電網(wǎng)電壓。按照目前國(guó)內(nèi)電網(wǎng)情況，AC380V/220V是常用工業(yè)電壓，結(jié)合成本因素，對(duì)于380V電網(wǎng)一般選取UCES=1200V，220V電網(wǎng)則選取UCES=600V的IGBT。IC是集電極允許流過的最大直流電流，也稱為IGBT的最大額定電流。IC的選定是非常重要的，直接決定了IGBT的耐固性，其選擇過程也比較復(fù)雜，必須根據(jù)實(shí)際溫升測(cè)試來決定，也與IGBT本身特性、實(shí)際工作頻率、風(fēng)道設(shè)計(jì)等因素有關(guān)，但通常IC應(yīng)小于等于實(shí)際焊機(jī)額定工作時(shí)的電流值。1.2靜態(tài)特性參數(shù)(1)過額定電流UCE(sat)是在指定的電壓UGE下，集電極流過額定電流時(shí)的UCE，也是影響IGBT通態(tài)損耗的重要參數(shù)。UCE(sat)越大，IGBT通態(tài)損耗就越大，一般應(yīng)選取具有較小UCE(sat)的IGBT。(2)uge是柵極發(fā)射極之間的極限電壓ugeth集電極-發(fā)射極間有較明顯電流開始流過時(shí)的UGE，作為衡量IGBT開始導(dǎo)通的尺度。(3)coes和cresQg是指柵極充電總電荷；Cies是指柵極～發(fā)射極間的輸入電容；Coes是指集電極-發(fā)射極間的輸出電容；Cres是指集電極～柵極間的反向傳輸電容。這些都是很容易忽略的參數(shù)，但對(duì)驅(qū)動(dòng)回路、溫升以及IGBT抗干擾設(shè)計(jì)等方面有一定的影響。1igbt的動(dòng)態(tài)特性(1)開通時(shí)間ton。IGBT開通時(shí)，UGE上升到0V后，UCE下降到最大值的10%時(shí)為止的時(shí)間。(2)下降時(shí)間toff。IGBT關(guān)斷時(shí)，從UGE下降到最大值的90%開始，到集電極電流在下降電流的切線上下降到10%為止的時(shí)間。動(dòng)態(tài)特性IGBT在開通過程中，大部分時(shí)間是作為MOSFET來運(yùn)行的，只是在UCE下降過程后期，PNP晶體管由放大區(qū)至飽和狀態(tài)時(shí)，多增加了一段延遲時(shí)間。td(on)為開通延遲時(shí)間，tr為開通上升時(shí)間，tri為集電極電流IC上升時(shí)間。(3)開通時(shí)間ton=td(on)+tr。在IGBT關(guān)斷過程中，集電極電流的波形分為兩段。因?yàn)镸OSFET關(guān)斷后，PNP晶體管的存儲(chǔ)電荷難以迅速消除，所以造成集電極電流較長(zhǎng)的拖尾時(shí)間。td(off)為關(guān)斷延遲時(shí)間，tf為關(guān)斷下降時(shí)間，trv為UCE上升時(shí)間。(4)關(guān)斷時(shí)間toff=td(off)+tf。ton和toff也是比較重要的參數(shù)，直接影響IGBT的開關(guān)損耗，通常越小越好。過長(zhǎng)的開關(guān)時(shí)間還增加了驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)難度(容易直通)。開關(guān)時(shí)間示意如圖2所示。1熱阻測(cè)定Rth(j-c)是IGBT(包括內(nèi)制二極管)結(jié)同外殼之間的熱阻最大值。Rth(c-f)是指IGBT(包括內(nèi)制二極管)在按照說明使用導(dǎo)熱硅脂并按規(guī)定力矩值安裝條件下外殼同散熱器之間的熱阻最大值。2試驗(yàn)前的準(zhǔn)備工作及方法大多數(shù)情況下考慮成本因素，在使用前首先選擇生產(chǎn)商和品牌，然后再根據(jù)焊機(jī)的使用電壓、功率、工作頻率、封裝型式來選取具體型號(hào)。目前國(guó)內(nèi)大多數(shù)逆變焊機(jī)使用的都是2單元封裝的N溝道IGBT(以下討論和研究的)，其拓?fù)潆娐芬话悴捎冒霕蚧蛉珮蚴?。以下討論是建立在電網(wǎng)電壓AC380V，全橋逆變硬開關(guān)電路的基礎(chǔ)之上。在選定了某個(gè)具體型號(hào)后，也僅僅只是選擇了試驗(yàn)品，遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有達(dá)到可以正式使用的程度，還需要通過大量的相關(guān)試驗(yàn)來確認(rèn)。試驗(yàn)?zāi)康氖遣粩嗤晟菩拚O(shè)計(jì)方案(除非偏離目標(biāo)很遠(yuǎn))，否則反復(fù)更換IGBT廠家，輕易改變系列型號(hào)或提高容量是不可取的，這不僅會(huì)對(duì)焊機(jī)成本造成影響，還會(huì)掩蓋一些技術(shù)隱患。在進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn)前，購(gòu)買樣品是必須的步驟，如果有條件，最好讓生產(chǎn)商提供具有極限參數(shù)的樣品，因?yàn)樯a(chǎn)工藝中IGBT的各參數(shù)具有離散性，所以應(yīng)該采用允許離散范圍內(nèi)最差參數(shù)的樣品，如開、關(guān)時(shí)間最長(zhǎng)，飽和壓降最大。也可以采取小批量購(gòu)買，然后自己進(jìn)行測(cè)試的方式，比較容易測(cè)試的參數(shù)是飽和壓降和開、關(guān)時(shí)間等。雖然這個(gè)工作很繁瑣，但確實(shí)有必要，會(huì)對(duì)IGBT的離散性有一定的把握，也會(huì)對(duì)以后的試驗(yàn)提供一定的基準(zhǔn)。如果小批量的離散性較大，那應(yīng)該考慮選擇別的生產(chǎn)商。2.1.確認(rèn)igt的安全區(qū)域?yàn)閟oasaf準(zhǔn)備好實(shí)驗(yàn)用逆變焊機(jī)，確認(rèn)IGBT的安全工作區(qū)。(1)作區(qū)工作原理IGBT開通時(shí)為正向偏置，此時(shí)UCE和IC的安全工作范圍稱為正向安全工作區(qū)，簡(jiǎn)稱FBSOA(ForwordBiasSafeOperationArea)，是指電子和空穴電流在導(dǎo)通瞬態(tài)時(shí)流過的區(qū)域。當(dāng)IC處于飽和狀態(tài)時(shí)，IGBT所能承受的最大電壓是器件的物理極限，即擊穿電壓。(2)rbsoa安全工作區(qū)IGBT關(guān)斷時(shí)為反向偏置，此時(shí)UCE和IC的安全工作范圍稱為反向安全工作區(qū)，簡(jiǎn)稱RBSOA(ReverseBiasSafeOperationArea)。這個(gè)區(qū)域表示柵偏壓為零或負(fù)值，但因空穴電流沒有消失而IC依然存在時(shí)的關(guān)斷瞬態(tài)。(3)其他方面的故障短路安全工作區(qū)SCSOA(ShortCircuitSafeOperationArea)，指系統(tǒng)輸出短路時(shí)，UCE和IC的安全工作范圍，即輸出短路條件下的FBSOA和RBSOA。焊機(jī)輸出包含多種狀態(tài)，如待機(jī)、空載、焊接等。處于焊接狀態(tài)時(shí)，電弧是一個(gè)變化很大的不穩(wěn)定的動(dòng)態(tài)負(fù)載，尤其是熔化極焊機(jī)，又包含了很多種過渡狀態(tài)，如短路、大顆粒、射流過渡等。逆變焊機(jī)二次輸出大都采用了二極管全波整流的拓?fù)潆娐沸问?，二極管的反向恢復(fù)過程又會(huì)造成“二次短路效應(yīng)”，變壓器二次側(cè)被二極管短路，此時(shí)流過較大的短路電流，造成IGBT開通電流尖峰。另外，電焊機(jī)實(shí)際使用現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境惡劣、復(fù)雜，因此電焊機(jī)二次輸出發(fā)生偶爾短路故障是不可避免的，這就要求逆變焊機(jī)的開關(guān)器件能經(jīng)受上述條件下的短路輸出，且不能造成損傷?？傊瑧?yīng)確保在允許的各種惡劣條件下，IGBT不發(fā)生損壞，處于安全工作區(qū)之內(nèi)。主要通過測(cè)試SCSOA來確認(rèn)，并通過各種措施來完善、改進(jìn)。2igbt的scsoa按照GB要求，當(dāng)電網(wǎng)電壓±10%變化時(shí)，焊機(jī)應(yīng)能滿足正常使用要求，實(shí)際輸出應(yīng)沒有變化。當(dāng)電網(wǎng)電壓變化超過±10%時(shí)，允許輸出有較大變化但應(yīng)能使用，且保證不被損壞。一般該范圍設(shè)定為正常電壓的±20%，AC380V是456V和304V，而AC220V是264V和176V。測(cè)試SCSOA，焊機(jī)電網(wǎng)電壓一般取+20%。SCSOA應(yīng)在苛刻條件下進(jìn)行測(cè)試，如表1所示。SCSOA分為兩種情況：a．焊機(jī)輸出先短路，然后開通IGBT；b．IGBT先開通(即焊機(jī)空載)，然后將焊機(jī)輸出短路。(1)第一種情況。隨著IGBT的開通，電流IC的初始上升速度取決于驅(qū)動(dòng)參數(shù)(驅(qū)動(dòng)電壓、柵極電阻)和線路寄生電感。當(dāng)電感充電時(shí)，UCE下降至電源電壓UCC以下的某個(gè)值，但很快UCE就恢復(fù)到接近UCC，此期間電壓變化du/dt會(huì)通過柵極-集電極電容產(chǎn)生位移電流，并造成柵極電壓瞬時(shí)升高。這一外加的柵極電壓使IGBT結(jié)構(gòu)中的電子和空穴等離子迅速增加，幾微秒內(nèi)集電極峰值電流增大，如圖3所示。(2)第二種情況。焊機(jī)處于空載狀態(tài)，此時(shí)IGBT已經(jīng)導(dǎo)通，但I(xiàn)C很小，如果此時(shí)將焊機(jī)輸出短路，則增加的短路電流將使IGBT的集電極～發(fā)射極電壓迅速?gòu)腢CE(sat)增加到總電壓UCC，力圖使IGBT退出飽和區(qū)實(shí)現(xiàn)關(guān)斷。此期間的電壓變化du/dt會(huì)比第一種情況下高很多，又因UCE越低，柵極～集電極電容量越大，產(chǎn)生的位移電流越大，造成柵極電壓升得更高。第二種情況下的短路電流比第一種情況要高得多，如圖4所示。當(dāng)IGBT關(guān)斷時(shí)，由于線路電感、變壓器漏感的存在，集電極短路電流的陡降，都會(huì)引起UCE的急劇增加，產(chǎn)生電壓尖峰，即關(guān)斷浪涌電壓Ldi/dt。與IGBT并聯(lián)的續(xù)流二極管在反向恢復(fù)時(shí)也會(huì)產(chǎn)生浪涌電壓Ldi/dt。兩者均有可能超過規(guī)格值，造成IGBT損壞。在第二種情況下(空載～短路)，集電極短路電流較大，di/dt也較高，引起的關(guān)斷浪涌電壓尖峰也較大，因此主要在這種情況下確定IGBT的SCSOA。IGBT的SCSOA具有脆弱性，且不可逆，要求實(shí)際使用時(shí)的允許值必須較規(guī)定值有一定安全裕量，以100A的IGBT為例，如表2所示。表2IGBT安全工作區(qū)允許值2.1.2為確保短路安全區(qū)域的對(duì)策(1)igbt關(guān)斷時(shí)浪涌電壓UCE超出IGBT的集電極-發(fā)射極間耐壓允許值，就可能損壞IGBT。解決的辦法主要有：a．選取IGBT時(shí)應(yīng)設(shè)計(jì)裕量，對(duì)于電網(wǎng)電壓AC380V，考慮成本因素一般選取1200V，建議不要輕易選取更高耐壓值的IGBT。b．增大IGBT驅(qū)動(dòng)電阻RG，可以減小開通(FWD反向恢復(fù)時(shí))和關(guān)斷時(shí)的浪涌電壓，但會(huì)增加IGBT開關(guān)損耗。c．改變柵極驅(qū)動(dòng)電壓UGE(+UGE、-UGE)。+UGE越低，開通時(shí)對(duì)應(yīng)支路的IGBT產(chǎn)生的浪涌電壓越小。-UGE越低，IGBT關(guān)斷時(shí)的浪涌電壓越小。+UGE推薦值為15V±10%，能夠使IGBT完全飽和導(dǎo)通，通態(tài)損耗也小。-UGE推薦值為-5V～-15V，為避免誤觸發(fā)應(yīng)在-5V以上，尤其是柵極驅(qū)動(dòng)線較長(zhǎng)時(shí)，更應(yīng)注意。d．關(guān)斷浪涌電壓(Ldi/dt)和線路電感關(guān)系密切，IGBT附近連線應(yīng)盡量短、粗，多用銅排連接，以減小寄生電感。e．改進(jìn)變壓器生產(chǎn)工藝，盡量減小變壓器一次側(cè)漏感；如果變壓器一次側(cè)電感量過大，也會(huì)產(chǎn)生較高的浪涌電壓。f．在變壓器一次側(cè)上套裝吸收鐵氧體磁環(huán)(錳鋅或鎳鋅)也能有效抑制電壓尖峰(尤其是對(duì)環(huán)形非晶態(tài)磁心的變壓器)。如果材料選擇不適當(dāng)，則非常容易造成磁環(huán)溫度超標(biāo)。g．改善電壓緩沖保護(hù)電路。(2)長(zhǎng)絲緩沖機(jī)的改進(jìn)過電壓緩沖保護(hù)電路對(duì)IGBT的安全工作起著很重要的作用，同時(shí)通過改善緩沖保護(hù)電路來解決過電壓?jiǎn)栴}。IGBT過電壓緩沖保護(hù)電路如圖5所示。過電壓保護(hù)緩沖電路分兩種：一種是和IGBT一一對(duì)應(yīng)的個(gè)別緩沖電路；另一種是針對(duì)每個(gè)模塊(包含兩個(gè)IGBT)的集中式緩沖電路。a.單個(gè)緩沖區(qū)電路(1)rc吸收電路使用大容量IGBT時(shí)，應(yīng)增大緩沖電阻。否則開通時(shí)集電極電流過大，增加IGBT負(fù)擔(dān)。RC吸收電路因電容C的充電電流在電阻R上產(chǎn)生壓降，還會(huì)造成過沖電壓。RC緩沖電路的損耗較大，電阻功率一般達(dá)幾十W，因此高頻場(chǎng)合應(yīng)用時(shí)需注意。(2)緩沖電阻，控制igbt的負(fù)荷與RC緩沖電路相比其特點(diǎn)是：IGBT關(guān)斷時(shí)電流通過快速二極管給電容充電，開通時(shí)通過電阻放電，這樣緩沖電阻可以取較大值，減小了開通時(shí)IGBT的負(fù)擔(dān)。RCD電路因用二極管旁路了電阻上的充電電流，從而克服了過沖電壓。RCD緩沖電路發(fā)生的損耗(主要是電阻損耗)較大，高頻時(shí)需考慮。(3)吸收電容關(guān)斷前，電容義務(wù)豐富與充放電型RCD緩沖電路相比，產(chǎn)生的損耗較小，更適合于高頻。放電阻止型緩沖電路中吸收電容的放電電壓為直流電源電壓，每次關(guān)斷前，電容僅將上次關(guān)斷電壓的過沖部分能量通過電阻回饋到直流電源，減小了吸收電路的損耗。由于電容電壓在IGBT關(guān)斷時(shí)從電源電壓開始上升，它的過電壓吸收能力不如充放電型RCD緩沖電路。緩沖電路參數(shù)選擇(1)集中電容式緩沖電路采用高頻薄膜電容，靠近IGBT安裝，電容容量較大。特點(diǎn)是電路簡(jiǎn)單；缺點(diǎn)是電路中無阻尼元件，線路寄生電感及緩沖電容構(gòu)成LC諧振電路，易產(chǎn)生電壓振蕩，選擇無感電容，IGBT開通時(shí)集電極電流較大。(2)集中型RCD緩沖電路屬于放電阻止型緩沖電路，承擔(dān)著上下兩個(gè)IGBT的緩沖任務(wù)，對(duì)二極管的要求較高，但電阻不能太大。使用電壓保護(hù)緩沖電路的注意事項(xiàng)：根據(jù)實(shí)際選擇適當(dāng)?shù)木彌_保護(hù)電路，抑制關(guān)斷浪涌電壓。吸收電容應(yīng)采用無感電容，引線盡量短，直接接在IGBT端子上；吸收二極管應(yīng)選用快開通和快軟恢復(fù)二極管，以免產(chǎn)生開通過電壓和反向恢復(fù)引起較大的振蕩過電壓。裝配時(shí)盡量降低主電路和緩沖電路的寄生電感，配線應(yīng)短而粗。焊機(jī)工作環(huán)境惡劣，粉塵、鹽霧比較嚴(yán)重，多數(shù)是緩沖回路先損壞，繼而IGBT損壞。為降低緩沖回路故障率，減少故障點(diǎn)數(shù)，方便生產(chǎn)和維修，減小寄生電感，緩沖電路應(yīng)盡量簡(jiǎn)單、緊湊。根據(jù)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，不推薦將緩沖器件安裝在線路板上，因?yàn)橹麟娐分须娐钒迦菀追e塵短路，印刷板條易腐蝕。(3)其他工藝的配合應(yīng)用如果IC超過了允許值，也可能造成IGBT的損壞，解決辦法為：a．選擇大額定容量IGBT，如75A更換為100A，成本增加，應(yīng)盡量通過其他方法來解決。b．選擇飽和壓降大的產(chǎn)品，但損耗會(huì)增加。IGBT能承受很短的短路過電流，承受時(shí)間與IGBT的導(dǎo)通飽和壓降有關(guān)，隨著飽和導(dǎo)通壓降的增加而延長(zhǎng)。如飽和壓降小于2V的IGBT允許承受的短路時(shí)間小于5μs，3V時(shí)可達(dá)15μs，4～5V時(shí)可達(dá)30μs以上。c．減小+UGE，增大RG。d．增加過電流保護(hù)電路。(4)次側(cè)igbt4e保護(hù)IGBT的過電流保護(hù)電路主要有以下類型：a．電阻或電流互感器檢測(cè)過電流進(jìn)行保護(hù)。電阻或電流互感器與IGBT串聯(lián)，檢測(cè)流過IGBT集電極的電流。當(dāng)有過電流發(fā)生時(shí)，控制電路斷開IGBT的柵極輸入，達(dá)到保護(hù)IGBT的目的。b．通過IGBT的UCE(sat)檢測(cè)過電流進(jìn)行保護(hù)。因UCE(sat)=ICRCE(sat)，當(dāng)IC增大時(shí)，UCE(sat)也隨之增大，控制電路通過檢測(cè)UCE(sat)來保護(hù)IGBT。c．通過檢測(cè)輸出電流過電流進(jìn)行保護(hù)。此方法與a．檢測(cè)方法基本相同，a．屬直接法，此屬間接法。通過檢測(cè)焊機(jī)二次輸出電流來達(dá)到保護(hù)一次側(cè)IGBT的目的。d．柵極關(guān)斷保護(hù)方式。過電流保護(hù)電路對(duì)柵極的關(guān)斷主要有直接關(guān)斷和降低柵極電壓兩種方式。直接關(guān)斷指在過電流或短路時(shí)，直接關(guān)斷IGBT柵極輸入，其抗干擾能力差，一旦檢測(cè)到過電流信號(hào)就關(guān)斷，容易發(fā)生誤動(dòng)作。為提高電路的抗干擾能力，可增加延時(shí)電路，但短路電流會(huì)在這個(gè)延時(shí)內(nèi)迅速上升，IGBT劇烈發(fā)熱，往往是保護(hù)電路動(dòng)作了，IGBT仍然損壞。降低柵極電壓的方式是在檢測(cè)到IGBT過電流時(shí)，迅速降低柵極電壓，IGBT仍導(dǎo)通。降壓后設(shè)有延時(shí)，限制短路電流在較小值，延長(zhǎng)IGBT抗短路時(shí)間。若延時(shí)后短路依然存在，則徹底關(guān)斷器件，若短路消失，驅(qū)動(dòng)電路則自動(dòng)恢復(fù)到正常的工作狀態(tài)。(5)電流型dm控制器因?yàn)殡妷盒蚉WM控制器(如TL494、SG3525)的過電流采樣點(diǎn)一般取自焊機(jī)的輸出端，所以不可避免地存在延遲，過電流保護(hù)動(dòng)作時(shí)間延長(zhǎng)，不能及時(shí)對(duì)IGBT進(jìn)行過電流保護(hù)，容易誤動(dòng)作。實(shí)際情況是，采用電壓型PWM的焊機(jī)通常不設(shè)計(jì)IGBT過電流保護(hù)電路，而是通過加大安全裕量來保護(hù)IGBT。采用電流型PWM控制器(如UC3824/5)的焊機(jī)，過電流信號(hào)通常由高頻變壓器一次側(cè)通過電流互感器獲取。由于電流信號(hào)取自變壓器一次側(cè)，反應(yīng)速度快，一旦發(fā)生過電流，PWM立即關(guān)斷輸出脈沖，及時(shí)保護(hù)IGBT。電流型PWM控制器固有的逐個(gè)脈沖檢測(cè)瞬時(shí)電流值的控制方式對(duì)輸入電壓和負(fù)載變化響應(yīng)快，系統(tǒng)穩(wěn)定性好。在電流型PWM控制器控制下，全橋和推挽拓?fù)潆娐返钠努F(xiàn)象不復(fù)存在，主變連接時(shí)無需隔直電容。而電壓型PWM控制器則必須使用防偏磁隔直電容。2igbt的溫升設(shè)計(jì)正確選用IGBT有兩個(gè)關(guān)鍵因素：一是電壓、電流安全工作區(qū)；二是IGBT的工作結(jié)溫Tjmax。無論在穩(wěn)態(tài)或瞬態(tài)都不允許超過IGBT的最高允許結(jié)溫，否則將引起器件內(nèi)部電或熱不穩(wěn)定而導(dǎo)致器件失效。IGBT的溫升設(shè)計(jì)是影響其可靠工作的決定性因素。IGBT模塊由IGBT和FWD構(gòu)成，它們各自發(fā)生的損耗合計(jì)為IGBT整體的損耗，IGBT模塊損耗構(gòu)成如圖6所示。22.1損失估算溫升設(shè)計(jì)時(shí)為準(zhǔn)確保證安全裕量，應(yīng)使用參數(shù)最惡劣的IGBT樣品進(jìn)行試驗(yàn)、計(jì)算，如飽和壓降最大，開關(guān)時(shí)間最長(zhǎng)。(1)飽和壓降計(jì)算的模型逆變焊機(jī)中可以將IGBT集電極流過的電流波形近似認(rèn)為是矩形波，從而可以簡(jiǎn)單地進(jìn)行通態(tài)損耗的計(jì)算。IGBT通態(tài)損耗=飽和壓降×通態(tài)電流。此處的飽和壓降不是額定飽和壓降，而是實(shí)際飽和壓降(通常小于額定飽和壓降)，如果使用額定飽和壓降計(jì)算IGBT的通態(tài)損耗，可能造成誤導(dǎo)，增加成本。實(shí)際的飽和壓降通過查閱廠家提供的IC=f(UCE)關(guān)系圖(見圖7)可以得到。例如Tj=125℃，UGE=15V，IC=40A時(shí)，UCE(SAT)≈3V，考慮到離散性，UCE(SAT)=3V+(額定UCE(SAT)max-額定UCE(SAT)min)。導(dǎo)通狀態(tài)下IGBT的IC波形近似為矩形，頂部也接近水平，但存在一定的斜率，計(jì)算通態(tài)損耗時(shí)電流可取平均值，即(i2-i1)/2，如圖8所示。IGBT開通后(此時(shí)電壓已經(jīng)接近飽和壓降)，電流還沒有達(dá)到穩(wěn)定的這段上升時(shí)間(t0～t1)內(nèi)的IGBT的損耗估算綜上，IGBT的通態(tài)損耗為式中T為IGBT工作周期。(2)igbt模塊熱性能分析當(dāng)IGBT工作頻率高于5kHz時(shí)，IGBT開關(guān)損耗會(huì)顯著增加，隨頻率的提高在總損耗中所占比例也會(huì)大大增加。目前國(guó)內(nèi)主流逆變焊機(jī)的工作頻率為15～20kHz，開關(guān)損耗所占比例較大，有的甚至超過50%。開關(guān)損耗的計(jì)算比較復(fù)雜，較為精確的方法是測(cè)量IC和UCE在開關(guān)過程中的波形，將此波形逐點(diǎn)相乘、相加。鑒于實(shí)際波形的不規(guī)則性，所以實(shí)際工程上是采用將波形分段積分再相加的方法近似計(jì)算。在開關(guān)損耗中，主要為關(guān)斷損耗。IC的變化總是延遲于UCE的變化，造成開通時(shí)電壓較小，損耗較?。欢P(guān)斷時(shí)電流較大，損耗也較大。將UCE和IC波形近似分為四條直線段(U1～U4，I1～I(xiàn)4，線段數(shù)越多，計(jì)算越接近實(shí)際情況，一般為3～5條)，根據(jù)各線段的坐標(biāo)點(diǎn)求出各線段的直線方程，如圖9所示。電壓表達(dá)式：電流表達(dá)式：各部分功率計(jì)算：式中T為IGBT工作周期(頻率的倒數(shù))。IGBT總的關(guān)斷損耗為(3)開通損耗。IGBT開通損耗估算也可采用上述方法，開通時(shí)損耗很小，根據(jù)實(shí)際波形忽略不計(jì)，IGBT開通損耗估算波形如圖10所示。式中T為IGBT工作周期。(4)二極管FWD損耗。逆變焊機(jī)中IGBT負(fù)載為感性負(fù)載，可以近似地通過二極管正向壓降與二極管平均電流的乘積來計(jì)算功耗，而不再區(qū)分通態(tài)和開關(guān)損耗，二極管的功耗相對(duì)較小，忽略不計(jì)。續(xù)流二極管損耗估算波形如圖11所示。式中UF為二極管正向壓降；T為IGBT工作周期。(5)IGBT模塊總損耗Ptotal。對(duì)于2單元的IGBT(包括2個(gè)IGBT和2個(gè)二極管)，則總功耗為2Ptotal。根據(jù)損耗計(jì)算IGBT外殼允許溫度式中Tc為IGBT殼溫；Rth(j-c)為IGBT結(jié)對(duì)外殼的熱阻；Rth(j-c)D為二極管結(jié)對(duì)外殼的熱阻。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，計(jì)算出來的殼溫應(yīng)該留出20℃的安全裕量，即Tc-20(常用方案)；或留出20%的裕量，即Tc×80%。上述IGBT允許的殼溫，前提是焊機(jī)所處的環(huán)境溫度為40℃。(6)IGBT散熱器的選擇。選擇散熱器的關(guān)鍵是先求出IGBT外殼和散熱器之間的熱阻，再根據(jù)熱阻選擇合適的散熱器。為節(jié)省體積和成本，一塊散熱器上可安裝IGBT，也可安裝其他功率器件，如整流橋、二極管模塊等。在此為了方便計(jì)算，僅考慮IGBT(兩個(gè)2單元IGBT，全橋電路)安裝到散熱器上的情況。建立熱等效電路(見圖12)，列出熱方程式。則根據(jù)計(jì)算結(jié)果，參考熱阻曲線，選擇相應(yīng)材質(zhì)、形狀、體積的散熱器，如圖13所示。2殼溫測(cè)試點(diǎn)的選擇選定散熱器并確定IGBT的安裝位置后，即可實(shí)際測(cè)試IGBT的溫升，并推導(dǎo)出結(jié)溫是否滿足要求。利用熱電偶測(cè)試殼溫。理論上較準(zhǔn)確的殼溫測(cè)試點(diǎn)應(yīng)在IGBT銅基板的正中心，但實(shí)際測(cè)試時(shí)非常不方便，通用的測(cè)試方法是測(cè)試IGBT銅基板側(cè)面中間部位的溫度，且兩側(cè)都要測(cè)試。由于此處的溫度低于中心位置的溫度(相差約10℃)，所以在測(cè)量側(cè)面殼溫時(shí)要鉆深2mm，φ1．0mm的孔，再放入熱電偶測(cè)試，這樣測(cè)出的殼溫才比較接近中心的殼溫，如圖14所示。(2)調(diào)整軟開關(guān)控制a．選擇更大容量的IGBT，如75A的模塊變?yōu)?00A。b．選擇開關(guān)速度更快，電流拖尾更小的IGBT。c．將硬開關(guān)改為軟開關(guān)控制，也是減小逆變焊機(jī)體積的有效方法。d．減小IGBT驅(qū)動(dòng)電阻RG。e．降低柵極驅(qū)動(dòng)電壓UGE(+UGE、-UGE)。f．降低關(guān)斷時(shí)的浪涌電壓，以減少關(guān)斷損耗。如減小線路寄生電感，修改緩沖保護(hù)電路等。g．改變散熱器材料；加長(zhǎng)或加寬散熱器；選擇有效散熱面積大(例如肋片數(shù)量多)、耗散功率強(qiáng)的散熱器。h．在強(qiáng)制風(fēng)冷的前提下，改善風(fēng)道設(shè)計(jì)。(1)可改“臥式”為“臥式”在焊機(jī)結(jié)構(gòu)允許變更較大的前提下，焊機(jī)(風(fēng)扇吹向)可由“臥式(前后吹風(fēng))”改為“立式(由上向下吹風(fēng))”，或“立式”變?yōu)椤芭P式”。“臥式”結(jié)構(gòu)中的“吹風(fēng)式”(由后向前)變?yōu)椤俺轱L(fēng)式(由前向后)”，或相反。(2)風(fēng)力影響風(fēng)扇和檢測(cè)器之間的距離風(fēng)扇與IGBT的距離不一定越近散熱效果越好，可嘗試不同的距離。(3)風(fēng)機(jī)替代風(fēng)機(jī)如果傳統(tǒng)的電機(jī)加扇頁(yè)的方式不能滿足溫升需求，可選擇軸流風(fēng)機(jī)替代，軸流風(fēng)機(jī)體積小，安裝方便，氣流集中，散熱的目標(biāo)性比較強(qiáng)。軸流風(fēng)機(jī)需配合“桶裝”風(fēng)道才能更好地發(fā)揮優(yōu)勢(shì)。利用擋風(fēng)板使原來發(fā)散的氣流更加集中地吹向IGBT。(4)影響速度和速度的影響選擇轉(zhuǎn)速更快，風(fēng)量更大的冷卻風(fēng)機(jī)；在焊機(jī)上增開或減少散熱孔、百葉窗。(3)溫度繼電器的選用焊機(jī)可能超負(fù)載持續(xù)使用，也可能發(fā)生其他異常情況，如風(fēng)扇損壞，都可能造成IGBT溫升過高而損壞，所以必須對(duì)IGBT進(jìn)行過熱保護(hù)。常用的方法是加裝溫度繼電器，當(dāng)溫度超過規(guī)定時(shí)，溫度繼電器動(dòng)作使IGBT停止工作并報(bào)警。對(duì)于全橋電路，溫度繼電器一般先安裝在兩個(gè)IGBT的中間位置，然后根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果適當(dāng)調(diào)整。a．溫度保護(hù)繼電器的選擇。溫度繼電器的動(dòng)作溫度不能過高也不能過低。過高則不能有效保護(hù)IGBT，過低則動(dòng)作過早，影響焊機(jī)正常使用，尤其是在工作環(huán)境溫度較高時(shí)。另外還需特別注意溫度繼電器的“延時(shí)”特性，即當(dāng)溫度繼電器下面的散熱器表面溫度已經(jīng)達(dá)到動(dòng)作溫度但溫度繼電器卻不動(dòng)作，而是再升高一定溫度才動(dòng)作，溫差一般5℃～7℃，這是由結(jié)構(gòu)、制造工藝、散熱方式以及周圍環(huán)境溫度決定的。如果動(dòng)作溫度已經(jīng)提前設(shè)定，那么應(yīng)選擇低于這個(gè)動(dòng)作溫度的繼電器，否則繼電器不會(huì)及時(shí)動(dòng)作。溫度繼電器的選定還要綜合考慮焊機(jī)變壓器、電抗器、以及其他功率器件的溫升，焊機(jī)負(fù)載持續(xù)率也是必須考慮的。溫度繼電器的動(dòng)作溫度應(yīng)該在IGBT模塊允許殼溫之上(估算值再留出20℃裕量)、IGBT估算值以下，一般取中下值較好。所以估算值的準(zhǔn)確性非常重要，必須通過試驗(yàn)驗(yàn)證。在認(rèn)為估算外殼溫度(結(jié)溫已經(jīng)達(dá)到150℃)就是IGBT損壞溫度的前提下進(jìn)行IGBT過熱爆破試驗(yàn)。b．IGBT過熱爆破試驗(yàn)。對(duì)于負(fù)載持續(xù)率不是100%的焊機(jī)，將負(fù)載持續(xù)率提高到100%，焊機(jī)設(shè)定為最大輸出，拆除溫度保護(hù)繼電器，監(jiān)測(cè)IGBT殼溫，記錄當(dāng)IGBT因過熱而損壞時(shí)的殼溫，此溫度和估算出的殼溫(實(shí)際允許溫度)誤差應(yīng)該在±5℃內(nèi)。根據(jù)爆破溫度可以進(jìn)一步修正IGBT允許殼溫和溫度保護(hù)繼電器動(dòng)作值。c．風(fēng)扇停轉(zhuǎn)試驗(yàn)。驗(yàn)證溫度保護(hù)繼電器是否及時(shí)動(dòng)作的另一個(gè)方法是人為將焊機(jī)風(fēng)扇停轉(zhuǎn)(不供電)，然后焊機(jī)加電工作，監(jiān)測(cè)IGBT殼溫，記錄溫度繼電器動(dòng)作時(shí)IGBT殼溫，此時(shí)IGBT的殼溫必須小于爆破溫度(即保證IGBT不能損壞)，并且盡量接近風(fēng)扇正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)溫度繼電器動(dòng)作時(shí)的殼溫。d．熱循環(huán)能力的考慮。IGBT除最高結(jié)溫限制外，還受溫度循環(huán)變化的限制，隨著焊機(jī)的開通與關(guān)斷、輸出功率的變化、環(huán)境溫度的變化等，IGBT芯片溫度也相應(yīng)變化。在實(shí)際使用中，IGBT的結(jié)溫將隨著焊機(jī)的工作狀態(tài)而循環(huán)變化，其溫度變化范圍ΔTj是熱設(shè)計(jì)最后需要考慮的，往往容易被忽視。IGBT溫度變化ΔTj和循環(huán)次數(shù)關(guān)系如圖15所示。IGBT芯片是用焊料焊在基座上的，芯片、焊料、基座等各種材料具有不同的膨脹系數(shù)，隨著IGBT的加熱、冷卻，會(huì)引起結(jié)合面之間的機(jī)械應(yīng)力，不同膨脹系數(shù)的材質(zhì)將使中間層處于彎曲應(yīng)力和剪切應(yīng)力狀態(tài)下。這種應(yīng)力循環(huán)累積，會(huì)使內(nèi)部結(jié)構(gòu)逐漸變差，最終導(dǎo)致破壞。因此IGBT最好不要處于溫差較大、驟冷驟熱的溫度循環(huán)狀態(tài)下，這樣容易造成IGBT機(jī)械損傷，這種損壞一般在焊機(jī)使用較長(zhǎng)一段時(shí)間后才易出現(xiàn)。當(dāng)焊機(jī)使用高轉(zhuǎn)速、大風(fēng)量散熱時(shí)應(yīng)注意。ΔTj的大小并不一定拘泥于廠家提供的數(shù)據(jù)(如有的廠家給出ΔTj=30℃)，焊機(jī)的工作狀態(tài)和廠家的測(cè)試狀態(tài)區(qū)別較大，ΔTj是影響IGBT壽命的一個(gè)因素，尤其是當(dāng)使用較長(zhǎng)時(shí)間后IGBT開始不明原因的批量損壞時(shí)，應(yīng)該考慮是ΔTj的原因。e．海拔對(duì)IGBT溫升的影響。隨著海拔的升高，散熱條件變差，會(huì)造成IGBT溫升增加，所以當(dāng)焊機(jī)在高原地區(qū)使用時(shí)(如我國(guó)西北地區(qū))，IGBT的溫升設(shè)計(jì)要留夠裕量，否則容易發(fā)生溫度保護(hù)繼電器頻繁動(dòng)作，影響焊機(jī)的正常使用。海拔1000m以下可不作考慮。2igbt材料IGBT多應(yīng)用于高壓回路，對(duì)使用環(huán)境的要求更苛刻。由于焊機(jī)工作環(huán)境的復(fù)雜性和惡劣性，所處的環(huán)境往往存在高粉塵(很多都是金屬粉塵)或腐蝕性氣體(海邊或海上作業(yè)時(shí)的鹽霧問題)，所以只能加強(qiáng)焊機(jī)本身的防塵和防鹽霧性能。IGBT為單面散熱的器件，這給防塵、防鹽霧提供了前提條件，現(xiàn)在很多逆變焊機(jī)的散熱結(jié)構(gòu)由兩塊散熱片組成，其中一塊安裝IGBT和一次整流橋，另一塊安裝二次二極管，兩塊散熱器散熱肋片相對(duì)安裝組成桶裝風(fēng)道，從而進(jìn)行散熱。IGBT的正面幾乎不具備散熱功能，但卻很容易積塵短路，最好完全隔離于風(fēng)道，常用鈑金做成相對(duì)獨(dú)立的腔體將整個(gè)IGBT散熱器正面封閉起來，IGBT附近也不要開設(shè)散熱孔或百頁(yè)窗(防塵、防腐、防水)。如因焊機(jī)整體結(jié)構(gòu)的原因，IGBT不得不處于風(fēng)道之中，也需采取相應(yīng)措施，如利用一片阻燃的PET薄膜將IGBT順著風(fēng)道方向罩起來，也能取得一定的防塵效果?？紤]到防鹽霧腐蝕，IGBT端子還需進(jìn)行如涂膠等防腐處理。另外，“臥式”結(jié)構(gòu)焊機(jī)的風(fēng)向設(shè)計(jì)也需慎重考慮，現(xiàn)場(chǎng)大多情況是焊接施工工位位于焊機(jī)前方，如果采用“抽風(fēng)”式的氣流設(shè)計(jì)，氣流從焊機(jī)前部吸入，后面吹出，焊接過程中的飛濺或打磨的金屬粉塵更易被吸入焊機(jī)內(nèi)部，所以“臥式”結(jié)構(gòu)的焊機(jī)不提倡采用“抽風(fēng)”式設(shè)計(jì)。24igrt的安裝(1)考慮到溫度和壓力的因素，安裝應(yīng)注意以下幾點(diǎn)社區(qū)器上安裝igbt由于熱阻隨IGBT安裝位置的不同而不同，因此，當(dāng)散熱器上僅安裝一個(gè)IGBT時(shí)，應(yīng)將其安裝在正中間，以使熱阻最??；當(dāng)要安裝幾個(gè)IGBT時(shí)，應(yīng)根據(jù)每個(gè)IGBT的發(fā)熱情況留出相應(yīng)的散熱空間。著采用不