李倩 發表於 2018-07-25 10:31:59
焊接工藝依靠焊接設備來實現，號稱「工業縫紉機」的焊接設備（又稱電焊機）廣泛應用於現代工業如造船、化工、冶金、建築、機械、汽車、輕工、電力等焊接領域。
逆變電焊機的電路結構一般採用交流輸入--整流--逆變方波交流--輸出再整流的過程。由於逆變過程中工作頻率提高，與常規焊機比，可節省矽鋼片90%左右，節省銅線90%左右，逆變焊機體積明顯減小、重量減輕、逆變頻率提高，控制過程的動態響應及焊接性能得到改善提高。
最近幾年逆變焊機的開關頻率逐漸提升，用1200V IGBT模塊做的逆變焊機，一般是輸出電流在400ADC以上的三相焊機，開關頻率在10-30KHz；如果是用600V（650V） IGBT單管設計的單相逆變焊機，一般開關頻率可以高達30-70KHz。隨著市場上SiC MOSFET產品的推出和技術的成熟，甚至一些焊機廠商在嘗試用SiC MOSFET去設計開關頻率在100KHz以上的焊機，進一步提高焊接和焊縫的質量。
用IGBT模塊設計焊機是多數焊機廠商的選擇，尤其是設計輸出大電流的焊機，單管並聯個數太多會對焊機的可靠性產生影響。但是對於400ADC及以下輸出電流的逆變焊機，用IGBT單管設計成本上有很大的優勢，而且400ADC及以下功率等級的焊機佔市場份額超過了50%，推廣單管IGBT在逆變焊機中的應用，對降低整個逆變焊機，尤其是可攜式逆變焊機的系統成本有很大幫助。
本文介紹的就是如何利用英飛凌最新一代1200V TRENCHSTOP™IGBT6單管設計400ADC三相可攜式逆變（MAG/MIG/MMA）焊機。
對於英飛凌最新一代1200V TRENCHSTOP™ IGBT6，可以參考英飛凌官網連結（文末點擊「閱讀原文」），在英飛凌工業半導體官方微信公眾號文章 新一代1200V TRENCHSTOP™ IGBT6為高頻應用帶來更高能效 也已經有過介紹，這裡就不再贅述。下圖1是1200V IGBT6的兩個子系列S6和H6的導通壓降和開關損耗，並和上一代的H3和T2系列做了比較，拿S6來說，可以看出，比H3導通壓降低15%，比T2開關損耗降低了50%，性能提升非常明顯：
圖1. 1200V TRENCHSTOP™ IGBT6導通壓降和開關損耗
下圖2是由英飛凌設計的利用1200V TRENCHSTOP™ IGBT6單管產品設計的400ADC三相可攜式MAG/MIG/MMA逆變焊機參考設計，三維模型如下
圖2. 400ADC三相可攜式MAG/MIG/MMA逆變焊機參考設計
實物樣機已經在2018年紐倫堡和上海PCIM展出，詳見圖3：
圖3. 400ADC三相可攜式MAG/MIG/MMA逆變焊機實物樣機
設計參數：
逆變IGBT: IKQ75N120CS6 TO247PLUS
額定輸出: 400ADC/ 30 VDC
輸入電壓: AC380 V ±15%, 50 Hz
尺寸:323 x 322 x 170 mm3
拓撲結構如圖4：
圖4. 400ADC三相可攜式MAG/MIG/MMA逆變焊機拓撲圖
利用H橋拓撲，由4顆IKQ75N120CS6單管IGBT組成逆變橋，和傳統的利用34mm IGBT模塊設計400ADC焊機不同，此方案是直接把單管IGBT安裝在散熱器上，這樣IGBT晶片的Rthj-c（晶片到外殼熱阻，0.17K/W）大大降低，有利於IGBT晶片的散熱，和傳統34mm IGBT模塊的Rthj-c (0.38K/W)相比，熱阻降低了50%以上（具體請參考IKQ75N120CS6和2A75HB12C1U的數據手冊）。
電氣隔離需要在散熱器和系統之間設計，在這4片單管IGBT之間的電氣隔離通過3片獨立的散熱器來進行（下橋臂共用一塊，上橋臂各一塊，見圖2右），即便這樣，系統成本也能得到很大的降低，同時功率密度卻能得到很大的提升，這就達成了可攜式焊機輕便、低成本、高功率密度的設計目標。
傳統的利用75A/1200V 34mm IGBT模塊設計400ADC三相焊機的方案，是目前各大焊機廠商常用的方案，市面上的34mm IGBT模塊，基本上是由第三代1200V 快速IGBT晶片構成，推薦開關頻率在30KHz左右。下面就拿英飛凌75A/1200V IKQ75N120CS6 IGBT6（S6推薦開關頻率H3更高）和75A/1200V Advantage 34mm IGBT模塊2A75HB12C1U（內含英飛凌第三代highspeed3 IGBT晶片）在相同的條件下IGBT的導通壓降和開關損耗做比較，如表1，雖然測試條件有細微差異，但還是很能說明問題的，可以看出，前者的導通壓降只有後者的85%，前者開關損耗幾乎只有後者的50%。
表1. IKQ75N120CS6和2A75HB12C1U參數對比
通過仿真和實測，IKQ75N120CS6單管方案在400ADC逆變焊機設計中，開關頻率fsw=30 kHz, 輸出電流=400 ADC/ 30 VDC, 輸入電壓=3Æ, 380 VRMS條件下，結溫只有130℃左右，還是有一定餘量的。可以預期，開關頻率還可以進一步提高，或者，利用傳統方案（通過絕緣墊片安裝IGBT單管，散熱器不用做系統隔離），設計350ADC-400ADC逆變焊機還是完全有可能的。
總 結
英飛凌最新推出的1200V IGBT6單管，在上一代1200V IGBT晶片（H3和T2）技術上，進一步優化了導通壓降和開關損耗，並且有TO247-Plus（不帶安裝孔）的封裝，使得設計大容量、低功耗、低成本、高功率密度、可攜式的400ADC逆變焊機成為了可能。
4顆75A/1200V IGBT單管IKQ75N120CS6和2顆75A/1200V34mm模塊的成本相比，得到大大降低，散熱器成本也進一步降低。
本文展示的方案是把IGBT單管直接安裝在散熱器上，可以做400ADC逆變焊機，如果按照傳統方案來設計（通過絕緣墊片安裝IGBT單管），4顆75A/1200V IGBT單管IKQ75N120CS6組成H橋，有望可以做350ADC-400ADC逆變焊機。
利用IGBT單管IKQ75N120CS6設計焊機，不僅自身重量降低，散熱器重量也大大降低，焊機系統結構更加緊湊，對於可攜式焊機來說，是很大的進步。
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