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  • 2018-07-27 09:47
主题:  如何使用英飞凌最新一代1200V TRENCHSTOP™ IGBT6单管设计400ADC高功率密度便携式逆变焊机

焊接工艺依靠焊接设备来实现,号称“工业缝纫机”的焊接设备(又称电焊机)广泛应用于现代工业如造船、化工、冶金、建筑、机械、汽车、轻工、电力等焊接领域。


逆变电焊机的电路结构一般采用交流输入--整流--逆变方波交流--输出再整流的过程。由于逆变过程中工作频率提高,与常规焊机比,可节省硅钢片90%左右,节省铜线90%左右,逆变焊机体积明显减小、重量减轻、逆变频率提高,控制过程的动态响应及焊接性能得到改善提高。


最近几年逆变焊机的开关频率逐渐提升,用1200V IGBT模块做的逆变焊机,一般是输出电流在400ADC以上的三相焊机,开关频率在10-30KHz;如果是用600V(650V) IGBT单管设计的单相逆变焊机,一般开关频率可以高达30-70KHz。随着市场上SiC MOSFET产品的推出和技术的成熟,甚至一些焊机厂商在尝试用SiC MOSFET去设计开关频率在100KHz以上的焊机,进一步提高焊接和焊缝的质量。


用IGBT模块设计焊机是多数焊机厂商的选择,尤其是设计输出大电流的焊机,单管并联个数太多会对焊机的可靠性产生影响。但是对于400ADC及以下输出电流的逆变焊机,用IGBT单管设计成本上有很大的优势,而且400ADC及以下功率等级的焊机占市场份额超过了50%,推广单管IGBT在逆变焊机中的应用,对降低整个逆变焊机,尤其是便携式逆变焊机的系统成本有很大帮助。


本文介绍的就是如何利用英飞凌最新一代1200V TRENCHSTOP™IGBT6单管设计400ADC三相便携式逆变(MAG/MIG/MMA)焊机。

下图1是1200V IGBT6的两个子系列S6和H6的导通压降和开关损耗,并和上一代的H3和T2系列做了比较,拿S6来说,可以看出,比H3导通压降低15%,比T2开关损耗降低了50%,性能提升非常明显:


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图1. 1200V TRENCHSTOP™ IGBT6导通压降和开关损耗


下图2是由英飞凌设计的利用1200V TRENCHSTOP™ IGBT6单管产品设计的400ADC三相便携式MAG/MIG/MMA逆变焊机参考设计, 三维模型如下


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图2. 400ADC三相便携式MAG/MIG/MMA逆变焊机参考设计


实物样机已经在2018年纽伦堡和上海PCIM展出,详见图3:

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图3. 400ADC三相便携式MAG/MIG/MMA逆变焊机实物样机


设计参数:

逆变IGBT: IKQ75N120CS6 TO247PLUS

额定输出: 400ADC/ 30 VDC

输入电压: AC380 V ±15%, 50 Hz

尺寸:323 x 322 x 170 mm3

拓扑结构如图4:


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图4. 400ADC三相便携式MAG/MIG/MMA逆变焊机拓扑图

利用H桥拓扑,由4颗IKQ75N120CS6单管IGBT组成逆变桥,和传统的利用34mm IGBT模块设计400ADC焊机不同,此方案是直接把单管IGBT安装在散热器上,这样IGBT芯片的Rthj-c(芯片到外壳热阻,0.17K/W)大大降低,有利于IGBT芯片的散热,和传统34mm IGBT模块的Rthj-c (0.38K/W)相比,热阻降低了50%以上(具体请参考IKQ75N120CS6和2A75HB12C1U的数据手册)。

电气隔离需要在散热器和系统之间设计,在这4片单管IGBT之间的电气隔离通过3片独立的散热器来进行(下桥臂共用一块,上桥臂各一块,见图2右),即便这样,系统成本也能得到很大的降低,同时功率密度却能得到很大的提升,这就达成了便携式焊机轻便、低成本、高功率密度的设计目标。

 传统的利用75A/1200V 34mm IGBT模块设计400ADC三相焊机的方案,是目前各大焊机厂商常用的方案,市面上的34mm IGBT模块,基本上是由第三代1200V 快速IGBT芯片构成,推荐开关频率在30KHz左右。下面就拿英飞凌75A/1200V IKQ75N120CS6 IGBT6(S6推荐开关频率H3更高)和75A/1200V Advantage 34mm IGBT模块2A75HB12C1U(内含英飞凌第三代highspeed3 IGBT芯片)在相同的条件下IGBT的导通压降和开关损耗做比较,如表1,虽然测试条件有细微差异,但还是很能说明问题的,可以看出,前者的导通压降只有后者的85%,前者开关损耗几乎只有后者的50%。

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表1. IKQ75N120CS6和2A75HB12C1U参数对比


通过仿真和实测,IKQ75N120CS6单管方案在400ADC逆变焊机设计中,开关频率fsw=30 kHz, 输出电流=400 ADC/ 30 VDC, 输入电压=3Æ, 380 VRMS条件下,结温只有130℃左右,还是有一定余量的。可以预期,开关频率还可以进一步提高,或者,利用传统方案(通过绝缘垫片安装IGBT单管,散热器不用做系统隔离),设计350ADC-400ADC逆变焊机还是完全有可能的。


总  结


英飞凌***的1200V IGBT6单管,在上一代1200V IGBT芯片(H3和T2)技术上,进一步优化了导通压降和开关损耗,并且有TO247-Plus(不带安装孔)的封装,使得设计大容量、低功耗、低成本、高功率密度、便携式的400ADC逆变焊机成为了可能。


4颗75A/1200V IGBT单管IKQ75N120CS6和2颗75A/1200V34mm模块的成本相比,得到大大降低,散热器成本也进一步降低。


本文展示的方案是把IGBT单管直接安装在散热器上,可以做400ADC逆变焊机,如果按照传统方案来设计(通过绝缘垫片安装IGBT单管),4颗75A/1200V IGBT单管IKQ75N120CS6组成H桥,有望可以做350ADC-400ADC逆变焊机。

利用IGBT单管IKQ75N120CS6设计焊机,不仅自身重量降低,散热器重量也大大降低,焊机系统结构更加紧凑,对于便携式焊机来说,是很大的进步。



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