中科君芯650V系列IGBT在家用焊机电源应用

0  前言
       家用逆变焊机因其体较小，操作方便，市场接受度逐步提高。因市电220V输入的特点，一般采用600V/650V规格的IGBT作为逆变主功率器件。
      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。
      本文针对国内家用焊机应用电路特点，实际应用工况，分析对IGBT的参数要求，并在实际焊机上进行带载和冲击测试，比较不同IGBT的性能优劣。
1  电路特点
      家用焊机相对工业焊机而言输出焊接电流较小(一般<315A)，国内以半桥电路拓扑为主，且多以每桥臂2颗并联方式实现。

      输入220V市电经输入整流桥整流和滤波电感滤波形成311V左右的直流电，考虑IGBT关断过程中回路寄生电感和安全余量需要IGBT耐压为560V(1.8倍)左右，因此选用600V/650V耐压等级IGBT可满足需求。考虑散热和安全性，选取IGBT电流一般按照2倍安全余量进行选取，电路拓扑见图1。

2  IGBT芯片技术
      高频化是逆变焊机的一个趋势，因650V器件的芯片厚度较1200V器件更薄，因此同等规格电流输出其损耗更低，因此在家用焊机上更易实现高频化。
      在焊机杂志前一期中有过介绍，沟槽栅场截止设计是目前IGBT最新一代技术，国外主流厂家针对小焊机开发的IGBT产品均采用这一技术，中科君芯科技有限公司(下称中科君芯)是最先在国内实现该技术的IGBT芯片设计公司，同时针对超薄芯片(65um)封装中碎片率高的特点进行封装优化，实现从设计、流片、封装和测试的国产化。

3  家用焊机IGBT设计要求
      家用焊机频率普遍较高(目前国内主流频率为28KHz和35KHz)，设计中针对高频需求进一步优化IGBT开关参数(关断损耗低至0.87mJ@25℃)，而使饱和压降略有升高(较前期产品Vce(sat)增加0.15V)。
      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650V器件的实际耐压值800V左右)。
      因焊机经常处于空载-短路-带载的工作状态，同时焊接中的电弧为动态负载，电流处于不断变化中。针对负载短路这一情况，设计IGBT时使其短路承受时间达到10us及以上，这样即使保护电路在精度和响应时间上有时延，在短路期间，IGBT本身能承受过电流(一般保护电路在3~5us就能进行动作)；针对实际焊接过程中电弧电流波动通过变压器耦合到IGBT输入端的情况，在IGBT设计时通过提高器件的峰值电流ICM，提高IGBT的正向安全工作区(FBSOA)这两种方式提高器件的抗干扰性能。
      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，提高整体性能。
4  参数比对
对家用焊机领域国外主流IGBT及中科君芯器件在同一设备下参数对比如下：

 通过表一，除漏电流ICES稍大外，中科君芯IGBT在耐压，饱和压降及关断损耗(更适合软开关应用)方面都具竞争优势。
5  焊机实测
仅有参数比对不能完全突出IGBT性能优劣，还需看器件在焊机上的实测表现。
      测试所用焊机型号及工况如下：机型ZX7-200G。该机型输入220V，50Hz；输出电压25V，电流200A；焊机频率28KHz，占空比为20%，IGBT驱动栅极电阻10Ω。半桥电路每桥臂采用两颗50A器件并联。
      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冲击电流三方面进行。测试系统与上期1200V器件测试系统基本类似，不再重复。
5.1 壳温比测
测试按照满载下负载持续率60%进行测试，每颗器件测试3个周期取平均值。

从壳温测试结果看，中科君芯器件温升表现稍优于国外两款器件。
5.2 栅极波形对比

因栅极驱动信号直接通过变压器变压后获取，未经过稳压和滤波电路因此栅极都会有部分振荡，但是该振荡越小，IGBT抗干扰能力越强。从栅极振荡来看，君芯和I公司相当，优于F公司。
5.3 冲击实验
该实验主要考核焊机在点焊瞬间IGBT和FRD承受冲击电流的能力。该实验连续点焊1h，要求测试中焊机无异常，点焊后焊机工作正常，三款器件均通过冲击实验。
6  总结
从IGBT的参数特性，以及在焊机上的实测壳温、波形和冲击实验来看，君芯国产器件和国外器件性能相当，均满足焊机需求。