基于IGBT技術(shù)的逆變焊機設(shè)計方案

1引言

從金屬加工到汽車制造，從鐵路建設(shè)到輪船建造，人們利用焊接技術(shù)和焊接設(shè)備將各種材料連接拼合，打造出一件件工業(yè)藝術(shù)品，因此，電焊機也被工業(yè)從業(yè)者們稱為"鋼鐵縫紉機"。然而，在進(jìn)行工業(yè)焊接時，也會伴隨著大量能源消耗。預(yù)估到2040年，全球工業(yè)領(lǐng)域的能源消耗量將翻一番。秉承著綠色環(huán)保、物盡其能的理念，市場更青睞于工作更加輕便快捷、用電更加節(jié)能高效的焊機產(chǎn)品。

圖1 工業(yè)逆變焊機實物圖

2逆變焊機市場介紹

逆變焊機在工作時先將電網(wǎng)中的交流電整流成直流電，再逆變成交流電，經(jīng)過逆變后的交流電頻率很高，所以只需要很小的主變壓器的鐵心截面積和較少的線圈匝數(shù)就可以實現(xiàn)這一過程，使逆變焊機的制造過程中不需要使用過多的金屬材料，相較于傳統(tǒng)焊機在尺寸、重量、電能損耗等方面有著難以超越的優(yōu)勢。不僅如此，逆變焊機對輸出電流調(diào)整的精度控制在微秒級，更高的精度帶來了更滿意的焊接效果。這些優(yōu)勢令逆變焊機在我國焊接切割市場的占有率提升迅猛。

根據(jù)前瞻產(chǎn)業(yè)研究院《中國焊割設(shè)備行業(yè)產(chǎn)銷需求與轉(zhuǎn)型升級分析報告》顯示，近年來我國焊接切割設(shè)備行業(yè)市場規(guī)模總體保持穩(wěn)定，2020年達(dá)到497.02億元，而逆變焊機約占其中的一半左右，市場規(guī)模超過200億元且保持較高增長態(tài)勢。圖2.1和圖2.2分別反映了我國焊割設(shè)備市場發(fā)展情況和分布情況。

從上述市場情況可以了解到，逆變焊機市場需求量巨大，這也是很多電子制造業(yè)都瞄準(zhǔn)的重要市場領(lǐng)域。

3逆變焊機主流方案介紹

從傳統(tǒng)焊機到逆變焊機，設(shè)計發(fā)生了巨大變化，主要包括一次整流電路、逆變電路、二次整流電路、輔助電源電路和PWM控制電路。

在逆變焊機中，全橋電路拓?fù)浜桶霕螂娐吠負(fù)渥顬槌Ｓ?。圖3.1和圖3.2展示了兩種結(jié)構(gòu)的電路拓?fù)洹?/p>

半橋電路被廣泛應(yīng)用于中小功率逆變電源。變壓器原邊繞組通過交替開關(guān)在兩個方向上對稱地被驅(qū)動，導(dǎo)致變壓器的完全復(fù)位并實現(xiàn)磁芯最大化利用。與全橋電路相比，半橋電路僅使用了兩個功率開關(guān)管，在節(jié)省成本的同時為器件帶來了一定的抗偏磁能力。

全橋電路結(jié)構(gòu)有四個功率開關(guān)管，當(dāng)所有開關(guān)管工作在相同的電流大小時，全橋拓?fù)淠軌蛱峁┫鄬τ诎霕螂娐穬杀兜妮敵龉β?。全橋電路的變壓器磁芯利用率最高。通常情況下，全橋拓?fù)湟话銘?yīng)用于輸出電流在 400A 以上的弧焊電源。

圖3.1 半橋電路拓?fù)?/span>

圖3.2 全橋電路拓?fù)?/span>

4上海貝嶺1200V/40A IGBT技術(shù)特點

上海貝嶺一直在積極研發(fā)新一代的IGBT技術(shù)，努力為逆變焊機設(shè)計提供性能更好和更加可靠的IGBT產(chǎn)品，助力逆變焊機裝備的高效設(shè)計，滿足市場終端需求，同時也為國家的低碳目標(biāo)做出重要貢獻(xiàn)。

針對三相逆變焊機的普遍需求，上海貝嶺推出了型號為BLG40T120FUK的1200V/40A高速IGBT器件。該器件具有開關(guān)速度快、關(guān)斷損耗小等特點，可滿足客戶大功率和高效率設(shè)計要求。目前，該IGBT產(chǎn)品已在國內(nèi)部分焊機客戶批量使用。

4.1 器件技術(shù)

上海貝嶺1200V/40A IGBT產(chǎn)品BLG40T120FUK采用了溝槽柵場終止結(jié)構(gòu)和特殊工藝控制，優(yōu)化了VCE(on)和Eoff參數(shù)，提升了產(chǎn)品的可靠性。

4.2 器件參數(shù)性能

BLG40T120FUK具有較小的寄生電容，這保證了器件有更高的開關(guān)速度。

較小的IGBT器件關(guān)斷損耗和通態(tài)損耗，搭配正向壓降較低的續(xù)流二極管，顯著減小了器件的總損耗。開關(guān)損耗的減小可間接提高開關(guān)頻率。

此外，較低的Qg 有助于降低對柵極驅(qū)動的功率能力的要求，驅(qū)動更容易。

4.3 系統(tǒng)優(yōu)勢

IGBT器件總損耗的減小，可在大功率輸出工況下大大提升逆變焊機的工作效率，顯著降低正常工作時器件的溫升。

更高的器件開關(guān)頻率也會顯著提升逆變焊機在實際應(yīng)用中的控制精度。

上海貝嶺BLG40T120FUK基于優(yōu)異的器件性能，為工業(yè)逆變焊機系統(tǒng)順利通過溫升、輸出短路等測試提供了保障。

4.4 可靠性測試

BLG40T120FUK產(chǎn)品符合工業(yè)級品控，耐受嚴(yán)酷的使用環(huán)境，已通過的主要可靠性項目如下：

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原文標(biāo)題：上海貝嶺1200V/40A IGBT助力高效率逆變焊機設(shè)計

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審核編輯：湯梓紅