英飞凌第四代IGBT—T4在软开关逆变焊机中的应用

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摘要:逆变焊机由于其自身多种优点已被越来越广泛应用于各种焊接场合,而软开关技术由于能显著降低功率开关管开关损耗和EMI已被广泛运用于逆变焊机中。为了得到更低整体损耗,软开关逆变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能很好地满足这一要求,本文主要介绍T4芯片及其在软开关逆变焊机中的应用。
关键词:IGBT, T4, 软开关,逆变焊机
中图分类号:TG434.1
Infineon 4th generation IGBT—T4’s application
in soft-switching inverter welding machine
Wen Yongping1, Zhou Yizheng1

(1.Infineon Technologies China Co., Ltd, Shanghai,201203)
Abstract :Inverter welding machines are more and more widely used in different kinds of welding area because of their own advantages, while soft-switching technology is widely accepted in inverter welding machine because it can reduce switching loss and EMI. In order to reduce much more total loss, soft-switching inverter welding machine need one IGBT with lower saturation voltage and high switching speed. Infineon’s newly developed IGBT4—T4 can satisfy this need very well, T4 chip and its application in soft-switching inverter welding machine will be introduced in this paper.
Key words: IGBT, T4, soft-switching, inverter welding machine

引言
逆变焊机具有优良的电气性能和焊接工艺性能,显著的节能节材特点及体积小、重量轻等一系列优点,因此这种“革命化”的焊机在国内外都越来越受到焊接行业各方面的高度重视。在国际上逆变焊机已成为焊接设备的主流产品之一,而国内对其的研究,生产及推广应用也迅猛发展,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一些IGBT芯片,英飞凌公司根据软开关逆变焊机开关特性开发的T4芯片就是一款非常适合高频软开关应用的IGBT芯片。
1 逆变焊机逆变技术
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实用化,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)




                                图1  FB-Hard-switching-PWM拓扑
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,其主要存在以下缺点:
(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)由于换流回路中存在杂散电感(如引线电感、变压器漏感等寄生电感或实体电感),当开关器件关断时,器件关断时的di/dt会在杂散电感上形成电压尖峰,这导致开关器件关断时有很高的尖峰电压,并伴随振荡,容易造成开关器件的过压而击穿,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,这些能量将瞬时全部耗散在开关器件内,从而增加开关器件的开通损耗,而且du/dt很大,将产生严重的开关噪声,这会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地应用着。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。
1.2 全桥零电压脉宽调制(FB-ZVS-PWM)



                                             图2  FB-ZVS-PWM 拓扑
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。超前臂换流过程中,输出滤波电感Lf与谐振电感Lr串联,原边电流类似于一个恒流源,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还存在副边占空比丢失等问题。但是由于这种控制还是在一定程度上实现了软开关,相对硬开关方式减小了开关损耗。
1.3 全桥零电压零电流脉宽调制(FB-ZVZCS-PWM)




                                              图3  FB-ZVZCS-PWM拓扑
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。目前在逆变焊机中研究并已产品化的FB-ZVZCS-PWM拓扑主要为原边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(即Eon和 Eoff接近于零),滞后桥臂实现零电流关断(即Eoff=0)。
       上述方案能解决FB-ZVS-PWM的固有缺陷,如减少副边的占空比丢失,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,使整机的轻量化,小型化成为可能,可进一步提高整机的功率变换密度,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,并已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。
  2  IGBT芯片的发展
英飞凌公司(其工业电力事业部即为原Eupec公司)是最早在逆变焊机中推广IGBT模块的半导体公司之一,在逆变焊机市场中占有非常大的市场份额。
图4是英飞凌IGBT芯片发展图,理论上一共有四代IGBT产品,但是实际生产投入市场的是从第二代IGBT开始。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技术能使IGBT的关断损耗有明显的降低,并且使IGBT具有正温度系数特性,更适用于并联。在逆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。
 
                                                                  图4 IGBT芯片发展图
第三代IGBT 芯片技术——Trench Fieldstop(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,这种结构可以大大减小IGBT的饱和压降。场终止技术指的是,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℃, 比前几代的IGBT提高了25℃,这使得模块的功率密度可以做得更高。
众所周知,功率半导体的总损耗主要是由通态损耗和开关损耗组成的,但IGBT芯片的饱和压降和关断损耗始终存在着一定的相互矛盾关系,一般IGBT芯片制造商根据不同的应用场合对这两个参数进行优化,如针对低频应用场合开关损耗占的比重小的特点开发出低饱和压降高关断损耗的IGBT芯片,如根据高频应用场合开关损耗占的比重大的特点开发出低关断损耗高饱和压降的IGBT芯片。
图5是英飞凌IGBT在焊机中应用的DN2,KS4和T4芯片的饱和压降和开关损耗分布图。图中的纵轴代表的是芯片的开关损耗,而横轴是芯片饱和压降,体现了芯片的通态损耗。理想的功率器件就是要求达到零开关损耗和通态损耗,即图中的原点。英飞凌公司一直在朝着这个方向努力着,从图中看出第四代IGBT(T4)芯片明显比第二代IGBT(DN2, KS4)更靠近原点,这个主要是得益于芯片结构、芯片技术的改进。


                                           图5  DN2,KS4,T4芯片参数特性分布图
T4芯片是英飞凌第四代IGBT芯片,它是针对中小功率高频应用场合而优化的。它位于图的左下角,相对于其他芯片它具有极低的饱和压降,开关损耗也相对较小,开关速度也比较快,适合高频软开关应用,在软开关逆变焊机20KHz开关频率下具有最小的总损耗。另外它最高允许工作结温达到150℃,比DN2和KS4提高了25℃,可以大幅提高温度安全裕量,是目前最适合软开关逆变焊机应用的IGBT芯片,可在软开关逆变焊机中应用的采用T4芯片的IGBT模块型号有FF100R12MT4,FF150R12MT4,FF200R12MT4, FF200R12KT4,   FF300R12KT4等。
    DN2芯片是在逆变焊机中使用比较广泛的一款IGBT芯片,这款芯片开发得比较早,从图5可以发现,DN2芯片位于图的右上角,相对于其他一些后续的芯片,它具有比较高的开关损耗和饱和压降,在20KHz的开关频率下,它的总损耗相对较大。KS4芯片是一款速度很快的IGBT芯片,它位于图的右下角,相对于其他芯片,它的饱和压降高,但它具有最小的开关损耗,在20KHz以上高频应用领域具有较大的优势,非常适合高频应用。
3  用于逆变焊机的采用KS4和T4芯片的模块的封装
逆变焊机的污染等级比较高,目前用于逆变焊机的采用KS4和T4芯片的模块的封装只有EconoDUAL2 和62mm两种。





              62mm封装                                                                                      EconoDUAL2封装
                                                          图6  62mm和EconoDUAL2封装
62mm封装主要用于大功率焊机,这种封装的特点是壳到结的热阻RthJC比较小,散热
比较好。EconoDUAL2封装主要用于中小功率焊机,这种封装的特点是寄生电感比较小,便于紧凑化设计,但壳到结的热阻RthJC相对较大。
4  KS4及T4芯片在焊机中的开关特性和损耗对比
4.1 开关特性对比
从IGBT芯片的开关特性图可以很好地看出IGBT的开关速度,开关损耗等开关特性参数,对于IGBT模块的实际应用具有非常大的指导意义。
图7是100A KS4芯片和100A T4芯片的开通实验对比,从图上可以看出,T4芯片开通速度快,电流Ic很快上升,所以T4开通损耗略小。




                      KS4开通(Rg=10Ω)                                                            T4开通 (Rg=10Ω)
                                                图7  100A KS4和T4芯片开通实验对比
图8是100A KS4芯片和100A T4芯片的关断实验对比,从图上可以看出,KS4芯片关断速度快,关断损耗小,但关断时的di/dt较大,造成较大的电压尖峰;T4芯片关断相对于KS4芯片要软很多,没有明显的电流振荡而且电压尖峰也比较低,但其关断损耗略微大一些。

  





    KS4关断(Rg=10Ω)                                                            T4关断(Rg=10Ω)
                                                图8  100A KS4和T4芯片关断实验对比
4.2 损耗及温升对比
IGBT模块的温升不仅取决于IGBT模块的总损耗,而且与IGBT模块的封装有关,封装大小直接决定热阻大小,从而影响温升,为了便于对比,取同样62mm封装的FF300R12KS4和FF300R12KT4进行对比。
以国内某品牌焊机厂家的1250A软开关逆变焊机为例(零电压开通,软关断,计入1/3的关断损耗),原边电流有效值Irms=170A, 开关频率fsw=20KHz,单个IGBT最大占空比D=40%,分别选取FF300R12KS4和FF300R12KT4做对比,根据已知条件对照这两种模块的datasheet分别获取参数并计算损耗和温升情况。
   
表1  FF300R12KS4和FF300R12KT4 在1250A焊机中的损耗及温升计算
注:Vcesat:饱和压降;Eon:开通损耗;Eoff:关断损耗;Pcond:通态损耗;Psw:开关损耗;Ptot:总损耗;RthJC:结到壳的热阻;RthCH:壳到散热器的热阻;ΔTJH:结到散热器的温度差。
Pcon=Vcesat*Irms*D, 即通态损耗为饱和压降和、电流、占空比的乘积;
Psw=(Eon+Eoff)*fsw,即开关损耗等于开通损耗和关断损耗之和乘以开关频率 ;
Ptot=Pcon+Psw,即总损耗等于通态损耗与开关损耗之和;
ΔTJH=Ptot*(RthJC+RthCH),即结到散热器的温差等于总损耗乘以结到散热器的热阻。

由表1可知由于FF300R12KT4饱和压降非常低,导通损耗很小,尽管开关损耗比较大,但在20kHz开关频率下,软开关模式中通态损耗占的比例更大,FF300R12KT4总损耗比FF300R12KS4小23.4%, 所以用同样的散热器,会使散热器温度降低,由于FF300R12KT4结到散热器的热阻比FF300R12KS4的大,所以结到散热器的温升几乎一样。
图9是利用r-tools热仿真软件得到的这两种IGBT模块在实际工作条件下散热器表面热温度场分布仿真图,由图9可以看出,FF300R12KS4的散热器最高温度为74.5℃,FF300R12KT4的散热器最高温度为64.1℃,FF300R12KT4的散热器最高温度要比FF300R12KS4低10℃左右(与实验室实测结果基本一致),又由于FF300R12KT4最高工作结温比FF300R12KS4高25℃,所以这时FF300R12KT4的结温安全裕量比FF300R12KS4高35℃,IGBT工作可靠性大大提高,并且有进一步提升功率密度的可能。
     





                        FF300R12KS4                                                                 FF300R12KT4
                          图9  FF300R12KS4和FF300R12KT4散热器表面温度场分布仿真图
5 结论
软开关逆变焊机正成为逆变焊机未来的主流方向,在20KHz的软开关模式下IGBT的通态损耗大于开关损耗,因此寻找一款满足软开关逆变焊机低饱和压降要求的高速IGBT芯片显得非常迫切,英飞凌公司的第四代IGBT—T4很好地满足了这一要求,仿真和实验结果表明散热器温度明显降低,结温安全裕量大大增加,IGBT可靠性显著提高,目前采用这款IGBT芯片的模块正被越来越多的软开关逆变焊机客户所使用。

参考文献
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作者简介:温永平(1981—),男,江苏扬州人,硕士,研究方向为IGBT应用及高频开关电源的研究。
Email:yongping.wen@infineon.com
电话:15901669820
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邮编:201203