于明

(江蘇宏微科技有限公司，江蘇 常州 213022)

IGBT在逆變焊機(jī)中的正確選擇和使用

于明

(江蘇宏微科技有限公司，江蘇 常州 213022)

研究了逆變焊機(jī)中核心開(kāi)關(guān)器件IGBT主要參數(shù)的選擇，分析逆變硬開(kāi)關(guān)電路拓?fù)?，移相軟開(kāi)關(guān)和雙零軟開(kāi)關(guān)電路拓?fù)渲蠭GBT的應(yīng)用特點(diǎn)，根據(jù)其特點(diǎn)選擇合適額定電壓、額定電流和開(kāi)關(guān)參數(shù)。以及優(yōu)化設(shè)計(jì)柵電壓，克服Miller效應(yīng)的影響，確保在IGBT應(yīng)用過(guò)程中的可靠性。

IGBT；逆變拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；柵電壓；Miller效應(yīng)

0 前言

在逆變焊機(jī)領(lǐng)域，IGBT是目前使用的主流開(kāi)關(guān)器件，也在逆變結(jié)構(gòu)中起核心作用，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，IGBT在應(yīng)用領(lǐng)域的占有量也與日巨增。采用IGBT進(jìn)行功率變換，能夠提高用電效率，改善用電質(zhì)量。新型IGBT逆變技術(shù)是推動(dòng)我國(guó)低碳經(jīng)濟(jì)發(fā)展戰(zhàn)略的突破口，新型逆變技術(shù)取代傳統(tǒng)變壓器技術(shù)，能緩解能源、資源和環(huán)境等方面的壓力，加快轉(zhuǎn)變經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)方式，促進(jìn)信息化帶動(dòng)工業(yè)化發(fā)展，提高國(guó)家經(jīng)濟(jì)安全性，起著重要作用，因此，IGBT在逆變焊機(jī)中的正確選擇與使用，有著舉足輕重的作用。

逆變技術(shù)對(duì)IGBT的參數(shù)要求并不是一成不變的，逆變技術(shù)已從硬開(kāi)關(guān)技術(shù)、移相軟開(kāi)關(guān)技術(shù)發(fā)展到雙零軟開(kāi)關(guān)技術(shù)，各技術(shù)之間存在相輔相成的紐帶關(guān)系，同時(shí)具有各自的應(yīng)用電路要求特點(diǎn)，因而，對(duì)開(kāi)關(guān)器件的IGBT的要求各不相同。而IGBT正確選擇與使用尤為重要。

1 典型逆變電路拓?fù)?/h2>

1.1 硬開(kāi)關(guān)電路拓?fù)浜虸GBT的選擇

硬開(kāi)關(guān)電路拓?fù)浜凸ぷ鞣绞饺鐖D1所示。UDC為直流母線電壓，IGBT1～I(xiàn)GBT4為功率器件IGBT，R1～R4與C1～C4對(duì)應(yīng)串聯(lián)組成IGBT1～I(xiàn)GBT4的RC吸收網(wǎng)絡(luò)，TX1為逆變中頻變壓器，VD1和VD2為輸出全波整流二極管FRED，R5、R6與C5、C6對(duì)應(yīng)串聯(lián)組成VD1和VD2的吸收網(wǎng)絡(luò)，L為輸出濾波電感，R為輸出等效阻抗。

根據(jù)硬開(kāi)關(guān)電路的工作方式，IGBT1和IGBT4同時(shí)開(kāi)通和關(guān)斷，IGBT2和IGBT3同時(shí)開(kāi)通和關(guān)斷，產(chǎn)生開(kāi)關(guān)損耗，在損耗的組成中，關(guān)斷損耗所占比例更大。因此選擇IGBT時(shí)，選擇快速型IGBT，尤其關(guān)斷時(shí)間較短者為佳。

1.2 移相軟開(kāi)關(guān)電路拓?fù)浜虸GBT的選擇

移相軟開(kāi)關(guān)電路拓?fù)浜凸ぷ鞣绞饺鐖D2所示。與硬開(kāi)關(guān)電路拓?fù)涞膮^(qū)別在于：逆變主變壓器的一次側(cè)增加諧振電感，使用負(fù)載特性時(shí)不會(huì)導(dǎo)致輸出電壓波形的畸變。

在工作方式中，IGBT1和IGBT2輪流導(dǎo)通，各導(dǎo)通180°，IGBT3和IGBT4也是如此，但I(xiàn)GBT1和IGBT4不同時(shí)導(dǎo)通，若IGBT1先導(dǎo)通，則IGBT4后導(dǎo)通，兩者間存在一定的相位角，同組IGBT的開(kāi)通和關(guān)斷存在一定的相位。因此，IGBT的開(kāi)關(guān)損耗小，但是導(dǎo)通損耗大，且IGBT續(xù)流二極管的工作時(shí)間長(zhǎng)，選擇IGBT時(shí)選擇低通態(tài)型IGBT，而且要求續(xù)流二極管的通流能力強(qiáng)。

圖1 硬開(kāi)關(guān)電路拓?fù)浜凸ぷ鞣绞?/p>

圖2 移相軟開(kāi)關(guān)電路拓?fù)浜凸ぷ鞣绞?/p>

1.3 雙零軟開(kāi)關(guān)電路拓?fù)浜虸GBT的選擇

雙零軟開(kāi)關(guān)電路拓?fù)浜虸GBT的選擇如圖3所示。在AB段串入飽和電感Ls和阻斷電容C，IGBT1和IGBT4同時(shí)開(kāi)通，不同時(shí)關(guān)斷，IGBT2和IGBT3也是如此。根據(jù)雙零軟開(kāi)關(guān)電路拓?fù)涞奶攸c(diǎn)，零電壓開(kāi)通和零電流關(guān)斷，IGBT的開(kāi)關(guān)損耗非常小，因此，在IGBT的損耗組成中，通態(tài)損耗所占比例較大，在選在IGBT時(shí)，選擇低通態(tài)型IGBT為佳[1]。

圖3 雙零軟開(kāi)關(guān)電路拓?fù)浜虸GBT的選擇

2 IGBT額定電壓的選擇

三相380 V輸入電壓經(jīng)過(guò)整流和濾波后，直流母線電壓的最大值

硬開(kāi)關(guān)工作的情況下，IGBT的額定電壓一般要求高于直流母線電壓的兩倍，而軟開(kāi)關(guān)的工作條件下，額定電壓值可以降低一些，可以選額定電壓值1 200 V。

3 IGBT額定電流的選擇

逆變焊機(jī)的輸出電流400 A，逆變主變壓器變比K＝37／5，變壓器一次側(cè)的平均電流為

選擇IGBT時(shí)，額定電流IC＝100 A，考慮增強(qiáng)引弧和推力功能，最大值為500 A。變壓器一次側(cè)電流為500 A／K＝67.6 A，這也是IGBT中流過(guò)的最大電流ICPULSE，而且維持時(shí)間小于1 ms，使用時(shí)考慮兩倍的余量，可以選用的 IGBT額定ICPULSE＞150 A。

4 影響IGBT可靠性因素

4.1 柵電壓

IGBT柵驅(qū)動(dòng)示意如圖4所示。IGBT工作時(shí)，必須有正向柵電壓，常用的柵驅(qū)動(dòng)電壓值15～18 V，最高用到20 V，而柵電壓與柵極電阻Rg有很大關(guān)系，在設(shè)計(jì)IGBT驅(qū)動(dòng)電路時(shí)，參考IGBT Datasheet中的額定Rg值，設(shè)計(jì)合適驅(qū)動(dòng)參數(shù)，保證合理正向柵電壓。因?yàn)镮GBT的工作狀態(tài)與正向柵電壓有很大關(guān)系，正向柵電壓越高，開(kāi)通損耗越小，正向壓降也略小。

圖4 IGBT柵驅(qū)動(dòng)示意

在橋式電路和大功率應(yīng)用情況下，為了避免干擾，在IGBT關(guān)斷時(shí)，柵極加負(fù)電壓，一般在-5～-15V，保證IGBT的關(guān)斷，避免Miller效應(yīng)影響。

4.2 Miller效應(yīng)

Miller效應(yīng)電路如圖5所示。圖5中IGBT1導(dǎo)通時(shí)，IGBT2兩端的電壓產(chǎn)生突變，高du／dt通過(guò)Miller電容將產(chǎn)生一個(gè)電流，如果該電流在IGBT2的柵極產(chǎn)生的電壓超過(guò)IGBT2的閾值電壓，則IGBT2導(dǎo)通，導(dǎo)致橋臂直通，這種現(xiàn)象在高溫條件下尤為突出。

為了降低Miller效應(yīng)的影響，在IGBT柵驅(qū)動(dòng)電路中采用改進(jìn)措施：(1)開(kāi)通和關(guān)斷采用不同柵電阻Rg，on和 Rg，off，確保IGBT的有效開(kāi)通和關(guān)斷如圖6所示；(2)柵源間加電容C，對(duì)Miller效應(yīng)產(chǎn)生的電壓進(jìn)行能量泄放，如圖7所示；(3)關(guān)斷時(shí)加負(fù)柵壓U，如圖8所示。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，采用三者合理組合，對(duì)改進(jìn)Miller效應(yīng)的效果更佳。

圖5 Miller效應(yīng)

圖6 開(kāi)通和關(guān)斷采用不同柵電阻

圖7 柵源間加電容

圖8 關(guān)斷時(shí)加負(fù)柵壓

5 結(jié)論

(1)IGBT是逆變焊機(jī)領(lǐng)域主要使用的功率開(kāi)關(guān)器件，也是逆變焊機(jī)工作的主要器件，合理選擇IGBT是保證其可靠工作的前提，同時(shí)，要根據(jù)電路結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，選擇低通態(tài)型或者快速型IGBT。

(2)根據(jù)IGBT的柵特性。合理設(shè)計(jì)柵驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)，保證IGBT有效的開(kāi)通和關(guān)斷，降低Miller效應(yīng)的影響。

[1]阮新波，嚴(yán)仰光.脈寬調(diào)制DC／DC全橋變換器的軟開(kāi)關(guān)技術(shù)[M].北京：科學(xué)出版社，1999.

Effective application and selection of IGBT in welding inverter

YU Ming
(MacMic Science＆Technology Co.，Ltd.，Changzhou 213022，China)

Based on the chief parameter section of IGBT in the welding inverter，some application characteristics were analyzed，that included hard-switch，phase shift and ZVZCS circuit topology.According to analysis，choose IGBT＇s rating parameters.That is important to design gate voltage and overcome the Miller effect，to ensure that IGBT＇s high reliability in application process.

IGBT；inverter topology；gate voltage；miller effect

TG434.1

B

1001-2303(2011)05-0014-03

2010-06-23；

2011-03-08

于 明(1979—)，男，黑龍江齊齊哈爾人，工程師，碩士，主要從事逆變電源的設(shè)計(jì)和功率半導(dǎo)體器件的應(yīng)用分析工作。