高焊機功率密實現 還得看大功率IGBT

　　電源工程師們多少都能了解分立式IGBT和MOSFET廣泛應用於功率范圍在1.5kW至6kW的手動金屬電弧焊(MMA)和鎢極惰性氣體保護焊(TIG)。這些焊機主要采用電流模式PWM控制和簡單的技術，例如雙管正激(TTF)、半橋(HB)式和全橋(FB)式，通常開通采用零電流開關(ZCS)且關斷采用硬開關。對於這些配置，為了提高性能和降低系統成本，高頻率是最重要的設計趨勢之一。由於關斷損耗大大減少，英飛淩TRENCHSTOP5的IGBT技氬焊機術成為最有前景的選擇，因為完全有能力滿足焊機強大的技術要求。相對於前代IGBT，TRENCHSTOP5的IGBT提高了性能，且能夠在高開關頻率下運行。同時還適用於在適當的布局中直接替換開關頻率達100kH*********的傳統高電壓MOSFET。在較高的開關頻率下運行能夠減少磁性元件的尺寸和電容器的數量。然而，由於較高的di/dt和dv/dt可能引發關斷時高壓過沖、導通時振蕩或EMI數據降級等問題，舊款IGBT並不總能找到簡單的“即插即用”替代品。

　　一般來說關斷損耗大幅度減少可能導致轉換器初級側發生巨大的機構變化，從而簡化了機構解決方案。這甚至會導致PCB布局和柵極驅動器設計的進一步改進。因此，可以明顯減少機器的尺寸和重量。由於電源環路和單回路的布局均得到適當的改善，在這種情況下，可在每個開關中用一個IKW50N65H5 TRENCHSTOP5的IGBT替代兩個40A/600V IGBT。此外，由於開關和導通損耗降低，器件溫度也明顯下降，甚至氬焊機可以使用絕緣箔片。進行的測試用於確定將關斷時電壓過沖保持在擊穿電壓80%以內的柵極電阻RG(off)，從而將集電極-發射極電壓限制在最大值VCE=520V。電路板的雜散電感越低，為滿足限值所能選擇的RG(off) 就越低。該測試同時考慮了最大集電極-發射極電壓的振蕩。事實上，本測試在低於200ns時的可接受值是-25V或者，可通過調整無源柵極網絡在未經優化的布局中使用TRENCHSTOP5。在這種情況下，通過引入關斷大柵電氬焊機阻和CGE/RCE柵極拑位結構，可再次將VCE與VGE過沖保持在可接受值的范圍內。但是，這樣做會明顯減少使用 TRENCHSTOP5的IGBT帶來的好處。由此也突顯出適當布局的重要性。

　　在設計中若要進一步減少電源板的雜散電感，可以在絕緣襯底的表面貼裝組裝中使用TRENCHSTOP5的IGBT技術。這樣得到的是更緊湊的解決方案，即高壓側和低壓側共用一個散熱區。因此，諸如IMS或Al2O3陶瓷等特殊的IGBT絕緣需要額外的加強絕氬焊機緣。引進的這些技術變化導致整個機器的尺寸和重量實現大幅度減少。這種理念使得整體雜散電感能夠達到40nH，如果采用不同的封裝組裝組合和全橋拓撲結構設計，則還可以進一步減少20nH。雜散電感的降低可使系統在超過100kH*********的開關頻率下運行，這意味著可以使用單個散熱區提高功率密度並降低變壓器尺寸，同時保證所需的直流母線電氬焊機容器數量。開發這種示范產品是為了簡化結構並提高功率密度。有了這種硬件，就可以顯示如何減少組裝過程的工作量，這能夠顯著提高可制造性從而實現批量生產並降低系統成本。減少組件和布局優化意味著與商業解決方案相比，材料成本可減少30%左右，尺寸可減少30%而且重量可減少35%。