英飞凌第四代IGBT_T4在软开关逆变焊机中的应用

第39卷第2期2009年2月

ElectricWeldingMachine

Vol．39No．2Feb．2009

英飞凌第四代IGBT———T4在软开关

逆变焊机中的应用

温永平，周益铮

(英飞凌科技(中国)有限公司，上海201203)

逆变焊机由于其自身多种优点已越来越广泛地应用于各种焊接场合，而由于软开关技术能够显摘要：被广泛运用于逆变焊机中。为了得到更低的整体损耗，软开关逆变著降低功率开关管开关损耗和EMI，

焊机需要一种低饱和压降并且开关速度快的IGBT，英飞凌公司开发的第四代IGBT———T4能够满足这一要求。介绍了T4芯片及其在软开关逆变焊机中的应用。IGBT；T4；软开关；逆变焊机关键词：

TG434；TP21

B中图分类号：文献标识码：

th

1001－2303(2009)02－0077－05文章编号：

Infineon4generationIGBT—T4'sapplicationinsoft-switchinginverterweldingmachine

WENYong-ping，ZHOUYi-zheng

(InfineonTechnologiesChinaCo．，Ltd．，Shanghai201203，China)

Abstract：Inverterweldingmachinesaremoreandmorewidelyusedindifferentkindsofweldingareabecauseoftheirown

advantages，whilesoft-switchingtechnologyiswidelyacceptedininverterweldingmachinebecauseitcanreduceswitchinglossandEMI．Inordertoreducemuchmoretotalloss，soft-switchinginverterweldingmachineneedanIGBTwithlowersaturationvoltageandT4chipanditsapplicationinsoft-highswitchingspeed．Infineon'snewlydevelopedIGBT4—T4cansatisfythisneedverywell，switchinginverterweldingmachinewillbeintroducedinthispaper．

Keywords：IGBT；T4；soft-switching；inverterweldingmachine

0前言

逆变焊机具有电气性能和焊接工艺性能优良、

节能节材、体积小、质量轻等一系列优点，因此这种“革命化”的焊机在国内外受到了焊接行业各方

在国际上逆变焊机已成为焊接设备面的高度重视。

生产和推广的主流产品之一，而国内对它的研究、

应用也迅猛发展，近几年逆变焊机的产量年增长率都在50％以上，已引起了逆变焊机关联产业的高度重视。

对逆变焊机可靠性影响最大的就是功率半导体器件(如IGBT)，由于逆变焊机等高频应用产品的迅速增长，IGBT芯片制造厂商开始重视这些高频应用领域，并根据这些高频应用的特点专门开发了

英飞凌公司根据软开关逆变焊机一些IGBT芯片。

收稿日期：2009－01－10

作者简介：温永平(1981—)，男，江苏扬州人，硕士，主要从事

IGBT应用及高频开关电源的研究。

开关特性开发的T4芯片就是一款适合于高频软开关应用的IGBT芯片。

1逆变焊机逆变技术

专题讨论︱︱逆变与数字化焊接电源技术

在功率器件发展领域，IGBT以其优越的性价比，在中大功率的应用场合已普遍使用。除了少数便携式小功率逆变焊机外，目前绝大多数逆变焊机都使用IGBT模块，主电路拓扑主要为全桥硬开关脉宽调制、全桥零电压脉宽调制和全桥零电压零电流脉宽调制三种。

1．1全桥硬开关脉宽调制(FB-Hard-Switching-PWM)

FB－Hard－switching－PWM电路拓扑如图1所示。FB－Hard－switching－PWM控制使功率开关器件在高电压下开通，大电流时关断，是一种强迫开关过程，即所谓的硬开关，主要存在以下缺点：

(1)功率器件在开通和关断过程中，产生较大开

专题讨论

第39卷

图2

图1

FB－Hard－switching－PWM拓扑

FB－ZVS－PWM拓扑

专题讨论︱︱逆变与数字化焊接电源技术

关损耗，而且随着频率的提高而增加，散热相对比较困难。

(2)由于换相回路中存在杂散电感(如引线电变压器漏感等寄生电感或实体电感)，当开关器感、

件关断时，器件关断时的di／dt会在杂散电感上形成电压尖峰，导致开关器件关断时有很高的尖峰电压，并伴随振荡，容易造成开关器件因过电压而击穿，一般电路中需要加很大的RC吸收电路。

(3)由于吸收电容的使用，当开关管突然开通时，这些能量将瞬间全部耗散在开关器件内，从而

将产生增加开关器件的开通损耗，而且du／dt很大，

严重的开关噪声，影响开关器件驱动电路，使电路工作不稳定。

但是由于其控制简单，电路成熟，目前这种控制方式仍然被广泛应用。由于功率器件开关损耗比较大，这种控制方式在一定程度上制约了逆变焊机的高频化。

研究并已产品化的FB－ZVZCS－PWM拓扑主要为变压器一次侧串饱和电感和阻断电容的FB－ZVZCS－PWM拓扑，如图3所示。超前桥臂实现零电压开关(Eon和Eoff接近于零)，滞后桥臂实现零电流关断(Eoff＝0)。

图3FB－ZVZCS－PWM拓扑

1．2全桥零电压脉宽调制(FB－ZVS－PWM)

FB－ZVS－PWM电路拓朴如图2所示。FB－ZVS－PWM变换器超前臂和滞后臂实现零电压开通的机理是不同的。超前臂换相过程中，输出滤波

一次电流类似于一个电感Lf与谐振电感Lr串联，

恒电流源，因此超前臂很容易实现零电压开通，即Eon＝0；而滞后臂实现零电压开通只能依赖谐振电感Lr，故特别是在轻载和空载状态下较难实现零电压开通，而且FB－ZVS－PWM还存在变压器二次侧占空比丢失等问题。但是由于这种控制在一定程度上实现了软开关，相对于硬开关方式减小了开关损耗。

上述方案能够解决FB－ZVS－PWM的固有缺陷，如减少变压器二次侧的占空比丢失，提高最大占空比的利用率；软开关实现范围基本不受电源电压和负载变化的影响，实现全负载范围内的高变换效率。为提高电路的开关频率准备了条件，使整机

小型化成为可能，可进一步提高整机的的轻量化、

功率变换密度，符合电力电子行业的发展方向。

目前软开关技术已逐渐运用于逆变焊机中，并逐渐成为市场主流和未来逆变焊机的发展方向，因此寻找一款适合软开关IGBT开关特性的低饱和压降的IGBT芯片显得尤为迫切。

2IGBT芯片的发展

英飞凌IGBT芯片发展如图4所示。英飞凌公司是最先采用NPT(非穿通)技术的半导体生产厂商，这种NPT技术能明显降低IGBT的关断损耗，并且

更适合于并联。在逆使IGBT具有正温度系数特性，

变焊机中广泛应用的DN2芯片和KS4芯片就属于这种第二代芯片。

第三代IGBT芯片技术——TrenchFieldstop(沟槽栅＋场终止)技术是两种技术的总称：沟槽栅技术是指采用垂直沟道的门极结构，这种结构可以

1．3全桥零电压零电流脉宽调制(FB-ZVZCS

-PWM)

针对FB－ZVS－PWM存在的问题，各种FB－ZVZCS－PWM软开关的方案应运而生。目前在逆变焊机中

专题讨论

温永平等：英飞凌第四代IGBT———T4在软开关逆变焊机中的应用第2期

图4IGBT芯片发展

大大减小IGBT的饱和压降；场终止技术是指在

集电极的P层上集成了一层较高浓度掺杂的n层，由于这层n层，使得器件在承受相同耐压的情况下，芯片能做得更薄，从而减小了饱和压降和开关能耗。

第四代IGBT芯片技术是基于第三代IGBT芯片的沟槽栅场终止结构进行进一步优化，使芯片在开关损耗和软特性上得到进一步优化。另外它的最高允许工作结温达到了150℃，较前几代

这使得模块的功率密度可以的IGBT提高了25℃，

做得更高。

众所周知，功率半导体的总损耗主要由通态损耗和开关损耗组成，但是IGBT芯片的饱和压降和关断损耗始终存在着相互矛 …… 此处隐藏：4889字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……