IGBT在逆变焊机、UPS等应用中的技术问题分析
责任编辑：editor006 | 2014-11-20 17:07:53本文摘自：胡少伟
0 前言
IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor)全称为绝缘栅双极晶体管，作为电力电子转换主要开关器件，其性能优劣将直接影响整机整体表现。随着国内工艺水平和设计能力的提升，国产IGBT开始在一些领域得到规模应用。
江苏中科君芯科技有限公司(以下简称中科君芯) 作为国内IGBT行业的领军企业，一直致力于IGBT芯片的自主研发和生产，是目前国内真正实现国产IGBT芯片自主研发和规模化量产的企业。
本文主要对中科君芯IGBT在工业类(逆变焊机及UPS)的性能表现进行介绍并加入国外主流器件进行对比测试，文章最后对中科君芯的高压器件的性能进行简要的介绍。
1 逆变焊机
1.1 焊机电路拓扑
工业用焊接电源电路拓扑有半桥和全桥(图1,图2)两种结构，相对于半桥结构全桥电路输出功率能力更强，半桥拓扑多用于焊机输出电流<280A的机型中，而全桥拓扑多用于焊机电流>315A的焊接电源中。
1.2 IGBT芯片技术
中科君芯IGBT芯片技术历经穿通型(PT) IGBT与非穿通(NPT)型IGBT(图3 a与b)，过渡到目前国际最新的技术(图3 c)。针对焊机产品的1200V系列正是采用了这一最新技术。
相对于PT和NPT，最新技术的特点为正面采用沟栅结构可进一步减小正向导通时饱和压降值 ，同时背面采用场技术进一步优化器件的开关性能，在提高性能同时可使芯片做的更薄，这种结构特性对高压器件来说是重要的。
1.3 1200V系列器件参数比对
焊机领域开关频率一般>=20KH*********，为适应这一频率要求，特别针对开关特性和饱和压降进行折中优化，保证降低开关损耗的前提下导通压降值不能有显著增加。
因变压器漏感及引线电感的存在，当IGBT关断时， 在杂散电感上形成电压尖峰，针对这一特点，在设计IGBT耐压时进行优化处理(标称1200V器件的实际耐压值达到1400V左右)。
另外焊机中和IGBT反并联的FRD及吸收电容的存在，使得IGBT在开通时产生很大的 ，使得IGBT开通时流过IGBT的电流会出现较大的峰值。在设计IGBT时特别针对IGBT的集电极重复峰值电流 进行特殊处理，使得峰值电流在额定值的4倍条件下进行安全工作，并考核在不同脉冲宽度下该器件承受峰值电流的能力。
除优化上述两个参数，该系列IGBT设计成正温度系数适合并联条件下使用，同时将IGBT和快恢复FRD集成在同一封装中提高整体性能。
表一为君芯1200V系列中40A器件和国外主流厂家同规格IGBT主要参数对比。关断损耗与饱和压降折中曲线如图4所示。
表一 主要参数对比
1.4 焊机实测对比
测试所用焊机为深圳华意隆电气股份有限公司的主打手工焊焊机，机型ZX7-400A。该机型输入380V，50H*********;输出电压41.5V，电流400A;焊机频率20KH*********，占空比为38.7%，IGBT驱动栅极电阻10Ω。
图5为整个测试系统图，测试中加入国外主流厂家I和F的同规格器件进行比测。
考核主要从IGBT壳温度、带载测试中的波形表现以及点焊瞬间IGBT是否出现过流冲击损坏等三方面进行。壳温度对比结果如图6所示，栅极驱动波形的稳定性参考图7与图8。
在满载条件下模拟焊条和母材接触瞬间的点焊实验，连续点焊1h，测试中焊机无异常，点焊后焊机工作正常。
2 UPS
2.1工作原理
不间断电源用于改善电能质量及突然掉电时提供持续功率，功率范围从1KVA~几百KVA 。市电正常时通过整流桥整流成直流，然后通过IGBT高频逆变成交流电，最终通过工频变压器变化为50H*********的交流电。
在市电异常时电池模式提供DC-DC升压功能将几十伏直流电升压到400V左右，供IGBT逆变最终经过工频变压器形成与市电同频率同幅值的交流电。
图9 UPS工作示意图
2.2电路拓扑
1~3KVA功率UPS以半桥电路为主，3KVA~6KVA半桥和全桥电路都有采用，对于三相输出基本为三相半桥电路。国内UPS还是以硬开关电路为主，开关频率一般在16KH*********~20KH*********，功率越大，开关频率值相应减小。
2.3实测比对
上图是实验测试平台，主要用于测试UPS带载时流过IGBT的电压电流波形值，以及长时间满载条件下的壳温结果。
2.3.1 波形测试
其中绿色和红色为上下对称的栅极波形，蓝色为电流波形，淡黄色为电压波形，从波形看均无异常。
2.3.2壳温对比
满载条件(3KVA)下，中科君芯40A器件和国外两家主流器件的壳温对比如上表所示，从温升结果看，君芯器件表现良好。
2.3.3 瞬投实验
该实验通过一个继电器使得UPS负载瞬间接入和瞬间断开，考验IGBT的承受能力及IGBT的可靠性。所用断路器如下所示。
按照客户企业内部标准，在满载条件下连续瞬投30分钟，UPS工作正常均无出现损坏。
2 高压器件
3.1 背景介绍
IGBT高压器件因对设计及工艺要求更高，国内鲜有厂家能有产品推出，中科君芯高压器件经过近6年时间的积累目前在1700V和3300V两个电压等级有较为成熟的样品。
当前高压器件虽未进行规模量产，但高压IGBT在光伏斩波、高压变频器，柔性直流输电方面都收到了客户不错的反响。
该部分将介绍在柔性直流输电上中科君芯1700V/300A及3300V/1200A的性能表现。
3.2 电路拓扑
柔性直流输电的常见电路拓扑如图1)。
1)电路拓扑来源：北极星电力
图中用红色圈标注部分采用IGBT功率模块，母线电压较高，通过母排将多个IGBT串联达到所需电压。
3.3 实测数据
测试系统功率为20MW，电压±10KV,采用24颗1700V/300A器件为一换流阀，开关频率1.35KH*********，所测波形如下。
3.3.1 栅极波形
备注：栅极在上升及下降沿有轻微振荡，但幅值
小不影响正常工作
3.3.2 动态数据
测试中加入国外主流器件进行比测，下面两幅图简要列出对比波形。
3.3.3 壳温数据
因在实际带载测试中，IGBT的电流裕量选择很大(300A器件实际额定电流为100A)，测试过程中将IGBT过温保护上限从原来的 85℃降低到65℃后进行带载测试，连续考级1小时，系统运行正常，为出现过温保护。
2 总结
通过上述对中科君芯器件在工业焊机和UPS以及在高压器件应用领域的介绍及对比测试看，虽然国产器件和国外主流IGBT相比还存在一些差距(温升稍高、波形波动及毛刺较多)，但均能在不同应用系统中正常运行，具备竞争实力。
中科君芯低压产品(<=1700V)除UPS及逆变焊机外，在感应加热、光伏逆变、中低压变频器领域均有成熟产品进行使用;在高压IGBT(1700V-6500V)应用领域，除本文介绍的柔性直流输电领域，也有相应产品满足在光伏斩波、光伏、风电领域的应用，限于篇幅，未能一一介绍。