英飛凌全新34 mm Advantage系列IGBT模塊及其在逆變焊機(jī)中的應(yīng)用特點及優(yōu)勢

周利偉，張明丹

（1.英飛凌科技（中國）有限公司，上海201203；2.英飛凌科技（中國）有限公司，廣東深圳518048）

英飛凌全新34 mm Advantage系列IGBT模塊及其在逆變焊機(jī)中的應(yīng)用特點及優(yōu)勢

周利偉1，張明丹2

（1.英飛凌科技（中國）有限公司，上海201203；2.英飛凌科技（中國）有限公司，廣東深圳518048）

詳細(xì)介紹英飛凌公司針對逆變焊機(jī)應(yīng)用而推出的全新34 mm Advantage系列IGBT模塊，包括其電氣特性、開關(guān)特性及熱特性的特點及優(yōu)勢，通過參數(shù)性能對比及在終端客戶焊機(jī)上的實際溫升測試，證明英飛凌34 mm Advantage系列是焊機(jī)客戶的高性價比選擇，并提供了方便客戶設(shè)計的直流母排安裝方式。

Advantage系列；IGBT模塊；逆變焊機(jī)

0 前言

近年來，中國的逆變焊機(jī)技術(shù)已日趨成熟，逆變焊機(jī)本身的技術(shù)和性能不斷提高且得到各行業(yè)用戶的認(rèn)可，并逐漸進(jìn)入國際市場。英飛凌公司憑借豐富的經(jīng)驗和創(chuàng)新實力，重視中國本土客戶的需求，全新推出針對逆變焊機(jī)應(yīng)用的34 mm Advantage系列IGBT功率模塊，該系列產(chǎn)品包括1 200 V/50 A、75 A、100 A，具體型號如圖1所示，具有高性價比，且品質(zhì)和可靠性達(dá)到高標(biāo)準(zhǔn)。

電焊機(jī)廣泛應(yīng)用于各工業(yè)領(lǐng)域，如機(jī)械制造、造船、石油化工、電力建設(shè)、建筑業(yè)等。隨著焊機(jī)利用率的提高，這些領(lǐng)域?qū)ζ浜诵钠骷膲勖涂煽啃杂辛烁叩囊蟆Ｓw凌全新Advantage系列產(chǎn)

品采用最新一代超快速開關(guān)IGBT芯片，延長了焊機(jī)的使用壽命，提高了焊機(jī)的可靠性，為客戶提高了終端產(chǎn)品競爭力，為實現(xiàn)焊接自動化奠定基礎(chǔ)。34 mm Advantage系列產(chǎn)品是英飛凌公司針對焊接應(yīng)用而量身定制的一款新品，該產(chǎn)品全部在歐洲制造生產(chǎn)，不僅具有性能優(yōu)化的IGBT技術(shù)、成熟的品質(zhì)，更重視對逆變焊機(jī)系統(tǒng)層面理解，為客戶提供針對性的焊機(jī)解決方案和一站式服務(wù)。

圖1 英飛凌34 mm Advantage系列的典型外觀及量產(chǎn)型號

1 產(chǎn)品特點及優(yōu)勢

34 mm Advantage全新系列產(chǎn)品是英飛凌基于在逆變焊機(jī)市場的多年經(jīng)驗，并在貫徹“從產(chǎn)品到系統(tǒng)”戰(zhàn)略的實戰(zhàn)中從系統(tǒng)應(yīng)用需求的角度，一改以前英飛凌通用模塊適合多個應(yīng)用的局面，轉(zhuǎn)而根據(jù)具體應(yīng)用特點及需求開發(fā)的專用型模塊，如圖2所示。既保證了為客戶提供高品質(zhì)的產(chǎn)品，同時又能提供有競爭力的價格，給客戶帶來更多的實惠。

圖2 英飛凌34 mm Advantage系列產(chǎn)品專為逆變焊機(jī)應(yīng)用而優(yōu)化

該全新系列34 mm模塊相比之前的標(biāo)準(zhǔn)模塊在封裝端子、命名規(guī)則及內(nèi)部芯片上都有很大不同，專門針對逆變焊機(jī)的應(yīng)用特點進(jìn)行了優(yōu)化，其整體特性差異如圖3所示。

圖3 英飛凌34 mm Advantage系列產(chǎn)品的整體特性

1.1 電氣特性

全新Advantage系列IGBT芯片采用英飛凌的“Trench+Field Stop”（即溝槽柵+場終止）技術(shù)，相對于其他產(chǎn)品多采用的NPT技術(shù)而言，有以下優(yōu)勢：①更低的飽和壓降Ucesat；②超快速IGBT芯片；③更低的開關(guān)損耗。

由于34 mm Advantage系列主要針對硬開關(guān)的逆變焊機(jī)而設(shè)計，而在硬開關(guān)的應(yīng)用中，續(xù)流二極管的續(xù)流時間很短，且只在負(fù)載電流足夠大時才會出現(xiàn)一次側(cè)的二級續(xù)流。一次側(cè)的二極管續(xù)流主

要是消耗變壓器一次漏感Lleak上儲存的能量，而一次漏感Lleak值極小，通常在IGBT導(dǎo)通前，二極管的續(xù)流過程已經(jīng)結(jié)束，即變壓器一次電流Ic已經(jīng)為零，因此在實際應(yīng)用中IGBT的開通損耗Eon很小，模塊的總體損耗主要為IGBT的關(guān)斷損耗Eoff和導(dǎo)通損耗。所以在實際選型和計算時，需要更加關(guān)注IGBT器件數(shù)據(jù)手冊中的Ucesat和Eoff。

以英飛凌1 200 V、75 A產(chǎn)品2A75HB12C1U為例，與某競品數(shù)據(jù)表的直接對比如表1所示。

表1 數(shù)據(jù)參數(shù)對比

為了更直觀地比較IGBT總體損耗，假定1 200 V/ 75 A的IGBT模塊應(yīng)用在一臺500 A逆變式手工弧焊機(jī)上：

a.變壓器一次峰值電流為Ic1_pk=60 A，平均電流Ic1_avg=30A。

b.占空比D=0.5。

c.開關(guān)頻率fsw=20 kHz。

d.為了簡化計算，忽略IGBT的開通損耗Eon和二極管的損耗。

基于上述實際工況的假定條件，得到的損耗對比結(jié)果如表2所示。

表2 基于實際工況下的損耗對比

由表2可知，英飛凌34 mm Advantage系列模塊相比競品在相同的電壓、電流等級下，其整體損耗明顯降低，從而可以提供更高的安全裕量及系統(tǒng)可靠性。

1.2 開關(guān)特性

英飛凌34 mm Advantage系列模塊具有低損耗特性的同時，還保證了較軟的開關(guān)特性，避免了EMI問題。以1 200 V、100 A模塊2A100HB12C1U為例，其典型開關(guān)特性如圖4所示。

圖4 模塊2A100HB12C1U在雙脈沖測試下的典型開關(guān)波形

如前所述，在硬開關(guān)的逆變焊機(jī)設(shè)計中，由于二極管的續(xù)流過程在IGBT開通之前已經(jīng)結(jié)束，所以在實際中并不會出現(xiàn)如圖4b示例的開通電流尖峰，實際中的開通損耗Eon相較于關(guān)斷損耗Eoff而言很小，一般可以忽略。因此，生產(chǎn)廠家數(shù)據(jù)手冊中給出的Eon值不宜直接用于評估硬開關(guān)的逆變焊機(jī)應(yīng)用中的損耗，如果客戶需要準(zhǔn)確評估開通損耗，則只能在實際應(yīng)用平臺上實測IGBT的開通波形，再積分計算出實際損耗Eon。

1.3 熱特性

在逆變焊機(jī)的實際應(yīng)用中，客戶為了直觀地比較模塊的損耗及熱特性，通常都會將模塊安裝在實

際的焊機(jī)系統(tǒng)中，然后在模塊底板周邊放置熱電偶，對焊機(jī)做帶載測試，通過測量模塊正常工作時底板周邊的殼溫Tc來觀測模塊的熱特性。

為此，在500 A逆變式直流手工弧焊機(jī)上進(jìn)行了熱性能的對比測試，該焊機(jī)一次側(cè)為全橋硬開關(guān)拓?fù)洌麟娐凡捎?顆1 200 V/75 A的34 mm半橋模塊實現(xiàn)。在該機(jī)型上分別安裝英飛凌2A75HB12C1U模塊和某競品對應(yīng)的1 200 V/75 A模塊，然后在相同的負(fù)載和驅(qū)動參數(shù)下測量模塊的底板周邊的殼溫Tc。其測試裝置、具體溫度測試點及測試結(jié)果分別如圖5～圖7所示。

圖5 熱測試實驗裝置

圖6 溫度測試點

圖7 熱測試結(jié)果對比

由圖7可知，相同工況下，英飛凌模塊的殼溫Tc比競品大約降低約7℃。

在IGBT的應(yīng)用中，直流母線的寄生電感Ls和關(guān)斷時的di/dt會導(dǎo)致關(guān)斷時的電壓尖峰，其過沖幅值ΔU=Ls·di/dt。而在逆變焊機(jī)的應(yīng)用中，發(fā)展趨勢是小型化及輕量化，因此需要提高開關(guān)頻率來不斷提升系統(tǒng)的功率密度及降低磁性原件的體積，而更高的開關(guān)頻率則需要更低的開關(guān)損耗，從而要求更高的di/dt，從這個角度看，為了保證關(guān)斷時電壓過沖值ΔU在合理范圍內(nèi)，則必須盡可能的降低直流母排寄生電感Ls。

圖8 推薦的直流母排結(jié)構(gòu)及安裝方式

因此，推薦采用疊層母排的結(jié)構(gòu)與模塊連接。兩種疊層母排的結(jié)構(gòu)與安裝方式如圖8所示，圖8a可以十分有效地減少電感，但安裝復(fù)雜；圖8b雖然不

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Infineon new 34 mm Advantage series IGBT Modules and its application features and benefits in welding inverter

ZHOU Liwei1，ZHANG Mingdan2
（1.Infineon Technologies China Co.，Ltd.，Shanghai 201203，China；2.Infineon Technologies China Co.，Ltd.，Shenzhen 518048，China）

In this paper the characteristics of Infineon new 34 mm Advantage series IGBT modules，which is specially optimized for welding inverter application，are introduced in detail，including its benefits and advantages in electrical static and dynamic features，and as well in thermal features.The thermal advantages over competitor are verified by real test results on end customer's welding prototype，which also proves that Infineon new 34 mm IGBT modules provide customer a high cost-performance choice of power device in welding inverter application.In addition，for customer easy use and design-in of the new IGBT modules here also present the reference design and assembly mode of DC-link bus bar.

Advantage series；IGBT modules；welding inverter

TG434.1

B

1001-2303（2016）08-0067-05

10.7512/j.issn.1001-2303.2016.08.16

2016-04-12；

2016-05-16

周利偉（1982—），男，高級工程師，主要從事功率IGBT模塊相關(guān)應(yīng)用研究及技術(shù)支持工作。