利用 TRENCHSTOP 5 IGBT 提高焊機(jī)功率密度

引言

低成本便攜式焊機(jī)需求日益增長(zhǎng)，尤其在發(fā)展中國(guó)家更是如此。分立式IGBT和MOSFET廣泛應(yīng)用于功率范圍在 1.5kW至6kW的手動(dòng)金屬電弧焊(MMA)和鎢極惰性氣體保護(hù)焊(TIG)。這些焊機(jī)主要采用電流模式PWM控制和簡(jiǎn)單的技術(shù)，例如雙管正激(TTF)、半橋(HB)式和全橋(FB)式，通常開通采用零電流開關(guān)（ZCS）且關(guān)斷采用硬開關(guān)。對(duì)于這些配置，為了提高性能和降低系統(tǒng)成本，高頻率是最重要的設(shè)計(jì)趨勢(shì)之一。由于關(guān)斷損耗大大減少，英飛凌的TRENCHSTOP 5 IGBT技術(shù)成為最有前景的選擇，因?yàn)橥耆心芰M足焊機(jī)強(qiáng)大的技術(shù)要求。

相對(duì)于前代IGBT，TRENCHSTOP 5 IGBT提高了性能，且能夠在高開關(guān)頻率下運(yùn)行。同時(shí)還適用于在適當(dāng)?shù)牟季种兄苯犹鎿Q開關(guān)頻率達(dá)100kHz的傳統(tǒng)高電壓MOSFET。在較高的開關(guān)頻率下運(yùn)行能夠減少磁性元件的尺寸和電容器的數(shù)量。然而，由于較高的di/dt和dv/dt可能引發(fā)關(guān)斷時(shí)高壓過(guò)沖、導(dǎo)通時(shí)振蕩或EMI數(shù)據(jù)降級(jí)等問(wèn)題，舊款 IGBT并不總能找到簡(jiǎn)單的“即插即用”替代品。

改善半橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

關(guān)斷損耗大幅度減少可能導(dǎo)致轉(zhuǎn)換器初級(jí)側(cè)發(fā)生巨大的機(jī)構(gòu)變化，從而簡(jiǎn)化了機(jī)構(gòu)解決方案。這甚至?xí)?dǎo)致 PCB布局和柵極驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)的進(jìn)一步改進(jìn)。因此，可以明顯減少機(jī)器的尺寸和重量。圖1顯示了為此設(shè)計(jì)的焊機(jī)示范產(chǎn)品。這是一個(gè)單相4.5kW半橋MMA/TIG焊機(jī)。由于電源環(huán)路和單回路的布局均得到適當(dāng)?shù)母纳?，在這種情況下，可在每個(gè)開關(guān)中用一個(gè)IKW50N65H5 TRENCHSTOP 5 IGBT替代兩個(gè)40A/600V IGBT。

此外，由于開關(guān)和導(dǎo)通損耗降低，器件溫度也明顯下降，甚至可以使用絕緣箔片。圖2顯示了英飛凌IGBT不同技術(shù)的外殼溫度輪廓。從圖中可以看到不同技術(shù)的外殼溫度之間存在顯著差異。尤其是TRENCHSTOP 5，外殼溫度比以前的TRENCHSTOP硅低了40K。

進(jìn)行的測(cè)試用于確定將關(guān)斷時(shí)電壓過(guò)沖保持在擊穿電壓80%以內(nèi)的柵極電阻RG(off)，從而將集電極－發(fā)射極電壓限制在最大值VCE=520V。電路板的雜散電感越低，為滿足限值所能選擇的RG(off) 就越低。該測(cè)試同時(shí)考慮了最大集電極－發(fā)射極電壓的振蕩。事實(shí)上，本測(cè)試在低于200ns時(shí)的可接受值是-25V

或者，可通過(guò)調(diào)整無(wú)源柵極網(wǎng)絡(luò)在未經(jīng)優(yōu)化的布局中使用TRENCHSTOP 5。在這種情況下，通過(guò)引入關(guān)斷大柵電阻和CGE/RCE柵極拑位結(jié)構(gòu)，可再次將VCE與VGE過(guò)沖保持在可接受值的范圍內(nèi)。但是，這樣做會(huì)明顯減少使用 TRENCHSTOP 5 IGBT帶來(lái)的好處。由此也突顯出適當(dāng)布局的重要性。

若要進(jìn)一步減少電源板的雜散電感，可以在絕緣襯底的表面貼裝組裝中使用TRENCHSTOP 5 IGBT技術(shù)。這樣得到的是更緊湊的解決方案，即高壓側(cè)和低壓側(cè)共用一個(gè)散熱區(qū)。因此，諸如IMS或Al2O3陶瓷等特殊的IGBT絕緣需要額外的加強(qiáng)絕緣。引進(jìn)的這些技術(shù)變化導(dǎo)致整個(gè)機(jī)器的尺寸和重量實(shí)現(xiàn)大幅度減少。圖3是一個(gè)實(shí)例。在圖中，新的設(shè)計(jì)使半橋MMA焊機(jī)示范產(chǎn)品比以前的示范產(chǎn)品尺寸減少了35%，重量減少了15%。

這種理念使得整體雜散電感能夠達(dá)到40nH，如果采用不同的封裝組裝組合和全橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，則還可以進(jìn)一步減少20nH。雜散電感的降低可使系統(tǒng)在超過(guò)100kHz的開關(guān)頻率下運(yùn)行，這意味著可以使用單個(gè)散熱區(qū)提高功率密度并降低變壓器尺寸，同時(shí)保證所需的直流母線電容器數(shù)量。

改善全橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

圖4顯示了另一個(gè)設(shè)計(jì)實(shí)例——3.5kW全橋高頻率焊機(jī)。圖中實(shí)例的設(shè)計(jì)目的是顯示用全橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的 TRENCHSTOP 5替換傳統(tǒng)的MOSFET，從而實(shí)現(xiàn)更低的成本、更佳的可制造性以及更高的可靠性。

TRENCHSTOP 5 IGBT技術(shù)的低關(guān)斷損耗同樣是新設(shè)計(jì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)改進(jìn)的關(guān)鍵促成因素。與MOSFET相比，有了這種功能再加上IGBT更高的載流能力，即可使用1個(gè)IGBT設(shè)備代替3個(gè)傳統(tǒng)的高壓MOSFET。由于需要的設(shè)備較少，可輕松地將功率級(jí)和驅(qū)動(dòng)級(jí)集成到較小的電路板上，以此取代電源板上的驅(qū)動(dòng)板。與這種常見的方法相比，新方法所需的總電路板面積比以前少了三分之一。而且，明顯減少的電源環(huán)路寄生電感能夠在較高的di/dt下關(guān)斷 TRENCHSTOP 5，并將電壓過(guò)沖保持在建議的規(guī)范內(nèi)。

開發(fā)這種示范產(chǎn)品是為了簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)并提高功率密度。有了這種硬件，就可以顯示如何減少組裝過(guò)程的工作量，這能夠顯著提高可制造性從而實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)并降低系統(tǒng)成本。減少組件和布局優(yōu)化意味著與商業(yè)解決方案相比，材料成本可減少30%左右，尺寸可減少30%而且重量可減少35%。

還進(jìn)行了一次簡(jiǎn)單的基準(zhǔn)測(cè)試，在100kHz時(shí)運(yùn)行全橋電焊平臺(tái)，以檢查其在高頻率運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的性能。測(cè)試范圍是在保持IGBT外殼與周圍環(huán)境之間的相同溫度波動(dòng)的同時(shí)，測(cè)量最大輸出電流。與此同時(shí)還監(jiān)測(cè)系統(tǒng)效率和最大的集電極－發(fā)射極和柵極－發(fā)射極電壓過(guò)沖。為了進(jìn)行正確的比較，驅(qū)動(dòng)設(shè)置始終保持不變，直至系統(tǒng)不穩(wěn)定或引發(fā)故障。表1對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行了總結(jié)。

在100kHz的工作頻率下，TRENCHSTOP 5表現(xiàn)出任何其他類似設(shè)備均無(wú)法達(dá)到的性能。H5 IGBT提供的輸出電流比最好的替代品高出30%，提供的輸出直流電流比排名第二好的方案高出70%，同時(shí)避免了平滑驅(qū)動(dòng)波形所需的額外工作。

在焊機(jī)達(dá)到最大輸出電流時(shí)，H5 IGBT表現(xiàn)出比任何其他選擇的性能高出1%至3%。這使得焊機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)更高的能效等級(jí)。