IGBT在逆變焊機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)

IGBT在逆變焊機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)

研究了逆變焊機中核心開關器件IGBT主要參數的選擇，分析逆變硬開關電路拓撲，移相軟開關和雙零軟開關電路拓撲中IGBT的應用特點，根據其特點選擇合適額定電壓、額定電流和開關參數。以及優化設計柵電壓，克服Miller效應的影響，確保在IGBT應用過程中的可靠性。

IGBT；逆變拓撲結構；柵電壓；Miller效應

0 前言

在逆變焊機領域，IGBT是目前使用的主流開關器件，也在逆變結構中起核心作用，隨著科學技術的發展，IGBT在應用領域的占有量也與日巨增。采用IGBT進行功率變換，能夠提高用電效率，改善用電質量。新型IGBT逆變技術是推動我國低碳經濟發展戰略的突破口，新型逆變技術取代傳統變壓器技術，能緩解能源、資源和環境等方面的壓力，加快轉變經濟增長方式，促進信息化帶動工業化發展，提高國家經濟安全性，起著重要作用，因此，IGBT在逆變焊機中的正確選擇與使用，有著舉足輕重的作用。

逆變技術對IGBT的參數要求并不是一成不變的，逆變技術已從硬開關技術、移相軟開關技術發展到雙零軟開關技術，各技術之間存在相輔相成的紐帶關系，同時具有各自的應用電路要求特點，因而，對開關器件的IGBT的要求各不相同。而IGBT正確選擇與使用尤為重要。

1 典型逆變電路拓撲

1.1 硬開關電路拓撲和IGBT的選擇

硬開關電路拓撲和工作方式如圖1所示。UDC為直流母線電壓，IGBT1～IGBT4為功率器件IGBT，R1～R4與C1～C4對應串聯組成IGBT1～IGBT4的RC吸收網絡，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對應串聯組成VD1和VD2的吸收網絡，L為輸出濾波電感，R為輸出等效阻抗。

根據硬開關電路的工作方式，IGBT1和IGBT4同時開通和關斷，IGBT2和IGBT3同時開通和關斷，產生開關損耗，在損耗的組成中，關斷損耗所占比例更大。因此選擇IGBT時，選擇快速型IGBT，尤其關斷時間較短者為佳。

1.2 移相軟開關電路拓撲和IGBT的選擇

移相軟開關電路拓撲和工作方式如圖2所示。與硬開關電路拓撲的區別在于：逆變主變壓器的一次側增加諧振電感，使用負載特性時不會導致輸出電壓波形的畸變。

在工作方式中，IGBT1和IGBT2輪流導通，各導通180°，IGBT3和IGBT4也是如此，但IGBT1和IGBT4不同時導通，若IGBT1先導通，則IGBT4后導通，兩者間存在一定的相位角，同組IGBT的開通和關斷存在一定的相位。因此，IGBT的開關損耗小，但是導通損耗大，且IGBT續流二極管的工作時間長，選擇IGBT時選擇低通態型IGBT，而且要求續流二極管的通流能力強。

圖1 硬開關電路拓撲和工作方式

圖2 移相軟開關電路拓撲和工作方式

1.3 雙零軟開關電路拓撲和IGBT的選擇

雙零軟開關電路拓撲和IGBT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同時開通，不同時關斷，IGBT2和IGBT3也是如此。根據雙零軟開關電路拓撲的特點，零電壓開通和零電流關斷，IGBT的開關損耗非常小，因此，在IGBT的損耗組成中，通態損耗所占比例較大，在選在IGBT時，選擇低通態型IGBT為佳[1]。

圖3 雙零軟開關電路拓撲和IGBT的選擇

2 IGBT額定電壓的選擇

三相380 V輸入電壓經過整流和濾波后，直流母線電壓的最大值

硬開關工作的情況下，IGBT的額定電壓一般要求高于直流母線電壓的兩倍，而軟開關的工作條件下，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

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

選擇IGBT時，額定電流IC＝100 A，考慮增強引弧和推力功能，最大值為500 A。變壓器一次側電流為500 A／K＝67.6 A，這也是IGBT中流過的最大電流ICPULSE，而且維持時間小于1 ms，使用時考慮兩倍的余量，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柵驅動示意如圖4所示。IGBT工作時，必須有正向柵電壓，常用的柵驅動電壓值15～18 V，最高用到20 V，而柵電壓與柵極電阻Rg有很大關系，在設計IGBT驅動電路時，參考IGBT Datasheet中的額定Rg值，設計合適驅動參數，保證合理正向柵電壓。因為IGBT的工作狀態與正向柵電壓有很大關系，正向柵電壓越高，開通損耗越小，正向壓降也略小。

圖4 IGBT柵驅動示意

在橋式電路和大功率應用情況下，為了避免干擾，在IGBT關斷時，柵極加負電壓，一般在-5～-15V，保證IGBT的關斷，避免Miller效應影響。

4.2 Miller效應

Miller效應電路如圖5所示。圖5中IGBT1導通時，IGBT2兩端的電壓產生突變，高du／dt通過Miller電容將產生一個電流，如果該電流在IGBT2的柵極產生的電壓超過IGBT2的閾值電壓，則IGBT2導通，導致橋臂直通，這種現象在高溫條件下尤為突出。

為了降低Miller效應的影響，在IGBT柵驅動電路中采用改進措施：(1)開通和關斷采用不同柵電阻Rg，on和 Rg，off，確保IGBT的有效開通和關斷如圖6所示；(2)柵源間加電容C，對Miller效應產生的電壓進行能量泄放，如圖7所示；(3)關斷時加負柵壓U，如圖8所示。在實際設計中，采用三者合理組合，對改進Miller效應的效果更佳。

圖5 Miller效應

圖6 開通和關斷采用不同柵電阻

圖7 柵源間加電容

圖8 關斷時加負柵壓

5 結論

(1)IGBT是逆變焊機領域主要使用的功率開關器件，也是逆變焊機工作的主要器件，合理選擇IGBT是保證其可靠工作的前提，同時，要根據電路結構的特點，選擇低通態型或者快速型IGBT。

(2)根據IGBT的柵特性。合理設計柵驅動結構，保證IGBT有效的開通和關斷，降低Miller效應的影響。

[1]阮新波，嚴仰光.脈寬調制DC／DC全橋變換器的軟開關技術[M].北京：科學出版社，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計和功率半導體器件的應用分析工作。