如何利用英飛凌最新一代1200V TRENCHSTOP?IGBT6單管設(shè)計(jì)400ADC三相便攜式逆變焊機(jī)

焊接工藝依靠焊接設(shè)備來實(shí)現(xiàn)，號稱“工業(yè)縫紉機(jī)”的焊接設(shè)備（又稱電焊機(jī)）廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代工業(yè)如造船、化工、冶金、建筑、機(jī)械、汽車、輕工、電力等焊接領(lǐng)域。

逆變電焊機(jī)的電路結(jié)構(gòu)一般采用交流輸入--整流--逆變方波交流--輸出再整流的過程。由于逆變過程中工作頻率提高，與常規(guī)焊機(jī)比，可節(jié)省硅鋼片90%左右，節(jié)省銅線90%左右，逆變焊機(jī)體積明顯減小、重量減輕、逆變頻率提高，控制過程的動(dòng)態(tài)響應(yīng)及焊接性能得到改善提高。

最近幾年逆變焊機(jī)的開關(guān)頻率逐漸提升，用1200V IGBT模塊做的逆變焊機(jī)，一般是輸出電流在400ADC以上的三相焊機(jī)，開關(guān)頻率在10-30KHz；如果是用600V（650V） IGBT單管設(shè)計(jì)的單相逆變焊機(jī)，一般開關(guān)頻率可以高達(dá)30-70KHz。隨著市場上SiC MOSFET產(chǎn)品的推出和技術(shù)的成熟，甚至一些焊機(jī)廠商在嘗試用SiC MOSFET去設(shè)計(jì)開關(guān)頻率在100KHz以上的焊機(jī)，進(jìn)一步提高焊接和焊縫的質(zhì)量。

用IGBT模塊設(shè)計(jì)焊機(jī)是多數(shù)焊機(jī)廠商的選擇，尤其是設(shè)計(jì)輸出大電流的焊機(jī)，單管并聯(lián)個(gè)數(shù)太多會(huì)對焊機(jī)的可靠性產(chǎn)生影響。但是對于400ADC及以下輸出電流的逆變焊機(jī)，用IGBT單管設(shè)計(jì)成本上有很大的優(yōu)勢，而且400ADC及以下功率等級的焊機(jī)占市場份額超過了50%，推廣單管IGBT在逆變焊機(jī)中的應(yīng)用，對降低整個(gè)逆變焊機(jī)，尤其是便攜式逆變焊機(jī)的系統(tǒng)成本有很大幫助。

本文介紹的就是如何利用英飛凌最新一代1200V TRENCHSTOP?IGBT6單管設(shè)計(jì)400ADC三相便攜式逆變（MAG/MIG/MMA）焊機(jī)。

對于英飛凌最新一代1200V TRENCHSTOP? IGBT6，可以參考英飛凌官網(wǎng)鏈接（文末點(diǎn)擊“閱讀原文”），在英飛凌工業(yè)半導(dǎo)體官方微信公眾號文章 新一代1200V TRENCHSTOP? IGBT6為高頻應(yīng)用帶來更高能效 也已經(jīng)有過介紹，這里就不再贅述。下圖1是1200V IGBT6的兩個(gè)子系列S6和H6的導(dǎo)通壓降和開關(guān)損耗，并和上一代的H3和T2系列做了比較，拿S6來說，可以看出，比H3導(dǎo)通壓降低15%，比T2開關(guān)損耗降低了50%，性能提升非常明顯：

圖1. 1200V TRENCHSTOP? IGBT6導(dǎo)通壓降和開關(guān)損耗

下圖2是由英飛凌設(shè)計(jì)的利用1200V TRENCHSTOP? IGBT6單管產(chǎn)品設(shè)計(jì)的400ADC三相便攜式MAG/MIG/MMA逆變焊機(jī)參考設(shè)計(jì)，三維模型如下

圖2. 400ADC三相便攜式MAG/MIG/MMA逆變焊機(jī)參考設(shè)計(jì)

實(shí)物樣機(jī)已經(jīng)在2018年紐倫堡和上海PCIM展出，詳見圖3：

圖3. 400ADC三相便攜式MAG/MIG/MMA逆變焊機(jī)實(shí)物樣機(jī)

設(shè)計(jì)參數(shù)：

逆變IGBT: IKQ75N120CS6 TO247PLUS

額定輸出: 400ADC/ 30 VDC

輸入電壓: AC380 V ±15%, 50 Hz

尺寸:323 x 322 x 170 mm3

拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖4：

圖4. 400ADC三相便攜式MAG/MIG/MMA逆變焊機(jī)拓?fù)鋱D

利用H橋拓?fù)?，?顆IKQ75N120CS6單管IGBT組成逆變橋，和傳統(tǒng)的利用34mm IGBT模塊設(shè)計(jì)400ADC焊機(jī)不同，此方案是直接把單管IGBT安裝在散熱器上，這樣IGBT芯片的Rthj-c（芯片到外殼熱阻，0.17K/W）大大降低，有利于IGBT芯片的散熱，和傳統(tǒng)34mm IGBT模塊的Rthj-c (0.38K/W)相比，熱阻降低了50%以上（具體請參考IKQ75N120CS6和2A75HB12C1U的數(shù)據(jù)手冊）。

電氣隔離需要在散熱器和系統(tǒng)之間設(shè)計(jì)，在這4片單管IGBT之間的電氣隔離通過3片獨(dú)立的散熱器來進(jìn)行（下橋臂共用一塊，上橋臂各一塊，見圖2右），即便這樣，系統(tǒng)成本也能得到很大的降低，同時(shí)功率密度卻能得到很大的提升，這就達(dá)成了便攜式焊機(jī)輕便、低成本、高功率密度的設(shè)計(jì)目標(biāo)。

傳統(tǒng)的利用75A/1200V 34mm IGBT模塊設(shè)計(jì)400ADC三相焊機(jī)的方案，是目前各大焊機(jī)廠商常用的方案，市面上的34mm IGBT模塊，基本上是由第三代1200V 快速IGBT芯片構(gòu)成，推薦開關(guān)頻率在30KHz左右。下面就拿英飛凌75A/1200V IKQ75N120CS6 IGBT6（S6推薦開關(guān)頻率H3更高）和75A/1200V Advantage 34mm IGBT模塊2A75HB12C1U（內(nèi)含英飛凌第三代highspeed3 IGBT芯片）在相同的條件下IGBT的導(dǎo)通壓降和開關(guān)損耗做比較，如表1，雖然測試條件有細(xì)微差異，但還是很能說明問題的，可以看出，前者的導(dǎo)通壓降只有后者的85%，前者開關(guān)損耗幾乎只有后者的50%。

表1. IKQ75N120CS6和2A75HB12C1U參數(shù)對比

通過仿真和實(shí)測，IKQ75N120CS6單管方案在400ADC逆變焊機(jī)設(shè)計(jì)中，開關(guān)頻率fsw=30 kHz, 輸出電流=400 ADC/ 30 VDC, 輸入電壓=3?, 380 VRMS條件下，結(jié)溫只有130℃左右，還是有一定余量的。可以預(yù)期，開關(guān)頻率還可以進(jìn)一步提高，或者，利用傳統(tǒng)方案（通過絕緣墊片安裝IGBT單管，散熱器不用做系統(tǒng)隔離），設(shè)計(jì)350ADC-400ADC逆變焊機(jī)還是完全有可能的。

總 結(jié)

英飛凌最新推出的1200V IGBT6單管，在上一代1200V IGBT芯片（H3和T2）技術(shù)上，進(jìn)一步優(yōu)化了導(dǎo)通壓降和開關(guān)損耗，并且有TO247-Plus（不帶安裝孔）的封裝，使得設(shè)計(jì)大容量、低功耗、低成本、高功率密度、便攜式的400ADC逆變焊機(jī)成為了可能。

4顆75A/1200V IGBT單管IKQ75N120CS6和2顆75A/1200V34mm模塊的成本相比，得到大大降低，散熱器成本也進(jìn)一步降低。

本文展示的方案是把IGBT單管直接安裝在散熱器上，可以做400ADC逆變焊機(jī)，如果按照傳統(tǒng)方案來設(shè)計(jì)（通過絕緣墊片安裝IGBT單管），4顆75A/1200V IGBT單管IKQ75N120CS6組成H橋，有望可以做350ADC-400ADC逆變焊機(jī)。

利用IGBT單管IKQ75N120CS6設(shè)計(jì)焊機(jī)，不僅自身重量降低，散熱器重量也大大降低，焊機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更加緊湊，對于便攜式焊機(jī)來說，是很大的進(jìn)步。