电力半导体在弧焊电源中的应用——北京坤和总经理罗建坤在中国首届电力电子器件模块应用与失效分析高峰论坛上的发言
http://www.weld21.com 2014-06-28 13:34 文/北京坤和总经理 罗建坤


弧焊电源中IGBT驱动设计

驱动方式:高速光藕驱动、脉冲变压器驱动、HYBRID驱动、专用大功率驱动
驱动要求:
1、驱动电路内阻应当很小,保证足够的速度提供出电流
  Ip≈(Vge +∣-Vge∣) /Rg
  Iave=f*Qg+f*Cies*∣-Vge∣
  P=f*Qg*Vge+f*Cies*(-Vge)2
2、合适的高低电平及上升沿下降沿 高电平要求13.5~16.5V、低电平要求-5~-10V
 上升沿要求100~500nS、下降沿要求500~1000nS
3、调整合适的Rg保证关断时的电压尖峰不超过电源电压100~200V
4、必要的门极保护措施:引线尽量短并双绞,较长时应增加共模抑制电感;关断时,门极应该有负压或短路G、E;保护软关断功能,防止大电流突然关断导致电压击穿。


依据上表不难看出驱动参数设计是一个综合参数,应权衡大局而定。


弧焊电源中IGBT保护设计

门极保护:避免静电高压击穿门极。使用模块时,人体必须可靠接地;不能直接用手触及 IGBT门极;焊接门极时必须采用防静电烙铁防止烙铁头泄漏静电损坏门极。
过压保护:IGBT关断或FRD反向恢复di/dt引起回路寄生电感产生非常高的电压尖峰导致损坏。必须保证Vcesp处于RBSOA区域内或小于Vces。在IGBT上增加SNUBBER电容或其他吸收网络如RC、RCD;调整-Vge和Rg以减小di/dt;采用无感储能电容,尽量缩短回路引线、减小布线电感;主回路配线尽量加粗、缩短或并列平板分层布置。



本表中显示出:常规寄生电感下各模块采用的SNUBBER电容的大小,随着寄生电感和干线电感的增加,吸收电容应当增加。右图显示了电容的连接方式并指示出关断时期电流流过电容的波形图,因此要求此电容必须具备一定的通流能力一般要求不得小于15A-20A,同时寄生电感小于20nH。



最简易的吸收电路。
当电容太小或回路电感大时,可能引起LC谐振导致直流母线电压上升


必须选择专用SNUBBER二极管,否则会产生高的尖峰电压或二极管反向恢复时产生振荡导致更高的尖峰电压;适应长的母线回路,有利于防止产生振荡。一般情况下,C越大尖峰抑制效果越好,但R的功耗增大。R小,尖峰抑制较好,但易导致振荡并使开通电流尖峰增加。


过流保护:多重保护是非常必要的。

1、变压器原边流经IGBT电流峰值限定,一般限制在1.5~2Ic。
2、厚膜驱动采集Vcesat防止IGBT过流损坏,但准确采集各厂家的Vcesat显得尤为重要。因此出现了众多关于采集IGBT Vcesat的电路或提高灵敏度的相关电路。
3、最小脉宽限定,防止电路出现短路时损坏,保障电路可靠运行。
4、避免电路在大电流突然关断门极波形,应尽量软关断避免尖峰电压损坏器件。
5、适当的死区时间设定,防止桥臂直通。一般建议大于5微秒。
6、足够的-Vge保障器件可靠关断非常重要。


本图中指示出设定适当的死区时间是必须 的:右上图显示了恰当的死区时间在上下桥臂交替开通时干线上流过电流的幅值较小;右下图显示了死区时间偏短时上下桥臂交替开通时干线上流过电流的幅值较大,必须增加死区时间否则存在直通危险。


IGBT并联设计

保障电流均匀性是关键。Vcesat不均匀性、主回路配线电阻不均匀是主要克服的弊病。
U4系列很好的保证了并联,Vcesat不平衡度为12%,远小于15%的用户要求,不用分类可以直接并联。主回路配线尽量短(﹤10cm),而且要求垂直于器件端子并联排。相同的集电极引线和相同的发射极引线,且降额使用0.8~0.85。 门极驱动应双绞或采用同轴电缆各门极必须串联0.5~2欧姆,发射极串联0.5欧姆,多只采集Vcesat时必须串联47欧姆电阻以便采集平均值(采集Vcesat电路必须)



IGBT串联设计

保障电压均匀性是关键。静态不均衡由于IGBT静态阻断电阻不一致导致分压不均。动态不均衡由于IGBT开关时间差异所致。最先关断和最后开通将承受高压。尽量选择串联参数差异小的器件进行串联。在IGBT CE侧并联电阻可以减小不同的截止电流影响,通过电阻的电流一般确定为器件泄漏电流的3~5倍。无源吸收网络(RC/RCD 如四个600A/1200V串联采用3.3欧姆和15nF)可以有效的支持动态平衡。有源均衡办法达到理想状况。(开关时间校正—通过调整开关延迟时间实现、dv/dt 控制、有源电压限制/有源箝位、主从控 制)。


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