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全橋硬開關逆變焊機分析

作者:東森微電子  轉載自:  發布日期:2019/8/8

本文以 IGBT 全橋硬開關逆變焊機為基礎,讓初學者能對模塊在全橋硬開關逆變焊機中的應用有一個初步的了解。

    全橋和半橋硬開關逆變焊機的區別:

硬開關逆變焊機主要有全橋和半橋兩種,如圖一所示。全橋和半橋架構的逆變原理、輸出電壓的調節和降壓變壓器相同,主要透過PWM 的占空比因數來控制輸出電壓。最基本的區別是全橋硬開關逆變焊機運用4 只開關管組成逆變電路。通常情況下,全橋硬開關逆變焊機都選用兩個由兩片IGBT 芯片封裝一個封裝內的半橋模塊來構架,(對于模塊的選用,可參考應用心得文章《東森微IGBT 模塊在電焊機應用中的選型》)。一般常見的是上下管交替導通,對管同步導通;半橋硬開關逆變焊機用兩只電容代替一組上下管,利用另一組上下管替換導通,兩電容上的電壓都是直流母線電壓的二分之一,故焊機的調壓范圍也只有二分之一的直流母線電壓,那么要設計最大輸出功率相同的焊機,半橋硬開關逆變焊機所需的模塊額定值是全橋的兩倍,所以半橋硬開關逆變焊機在實際應用時相對受限。

主電路結構:

主逆變電路原理圖如圖二所示,Vin 一般為市電進過整流、濾波、穩壓處理后的直流母線電壓,Q1、Q2、Q3、Q4 為功率開關管(IGBT),D1、D2、D3、D4 為IGBT反并聯續流二極管,C1、C2、C3、C4 為IGBT 內部自身電容,IGBT 和IGBT 反并聯續流二極管一般封在一個IGBT模塊中,直流母線電壓正極電壓加在模塊上管(Q1、Q3)的集電極,負極電壓加在下管(Q2、Q4)的發射極。Llk 等效為變壓器原邊的漏電感。變壓器二次側通常都采用中間抽頭的方法,有兩組輸出,D5、D6 為變壓器二次側部分的整流二極管,Lf 為變壓器二次側等效電感。R1 為變壓器二次側等效電阻,在實際操作中相當于焊機焊接端設備和焊料或焊條在焊接回路中所等效的電阻。

主逆變電路基本工作原理為:每個橋臂上的上開關管Q1(Q3)和下開關管Q2(Q4)在一對相位互差180°的驅動波作用下,輪流導通和關斷。Q1 和Q4 驅動波形同步,Q2 和Q3 驅動波形同步。輸出電壓的改變主要是通過調節各個IGBT 開關管的占空比D 來實現,即控制Q1Q4 和Q2Q3 在一個周期中的有效開通時間。在模塊上下管開通過程中,一般必須保證足夠的死區時間以避免直通。

通過上面的分析,我們可以得出下面的結論:

1.IGBT 全橋硬開關逆變焊機在關斷過程中,伴隨著諧振的存在,因為諧振頻率較高,成為除了開關瞬間以外,另一個產生EMI 的來源。選擇輸出電容較大的模塊雖然會伴隨較高的損耗,但卻有助于諧振頻率的降低,是設計工程師在應對EMI 時必須關注的地方。

2.IGBT 反并聯續流二極管的續流時間取決于負載電流、漏感、直流母線電壓和IGBT 內部電容的大小,但是對于同一焊機,續流時間最主要的影響是負載電流的大小,因續流的能量最終會消耗在一次側,造成效率的下降,所以反并聯續流二極管續流的時間長短,也是一個觀察IGBT 全橋硬開關逆變焊機滿載效率的指標之一。

3.應用于IGBT 全橋硬開關逆變焊機的模塊,因IGBT 反并聯續流二極管的續流時間遠低于IGBT,所以反并聯續流二極管的額定值可適當小于IGBT 的額定值;和IGBT 軟開關逆變焊機相比,反并聯續流二極管的額定值可以更低。

4.模塊只承受電流應力的階段為模塊開啟狀態階段和模塊內反并聯續流二極管續流狀態階段,只承受電壓應力的階段為模塊關斷狀態階段和焊機上電后未輸出PWM 階段。模塊關斷狀態下一般人認為模塊相對安全,但因為IGBT 和反并聯續流二極管的漏電流會隨著溫度升高而變大,在IGBT 關斷時必須特別注意模塊的溫升,避免進入正反饋狀態,進而燒毀模塊。

5.模塊同時承受電壓和電流應力的階段為開啟和關斷階段,但關斷瞬間的電流達到最大。關斷的電壓過沖也很容易超過直流母線電壓,從模塊安全操作區(SOA)的角度而言,是最可能發生模塊破壞的操作點。

6.一般人認為空載操作不容易發生模塊損壞也是一個誤區,事實上空載輸出時因所需輸出電壓最高,所以PWM 周期的脈寬也是最大。如果上下管設計不對稱,或初始設計時變壓器磁芯和圈數選擇不恰當,則很容易在這個工況下發生磁偏,進而產生很大的電磁電流燒毀模塊。
​IGBT模塊選型指導:

產品型號電壓集電極電流飽和壓降(Max)應用封裝
SGM10PA12A5TFD1200V10A2.1V逆變器;空調;電機驅動A5
SGM15PA12A5TFD1200V15A2.2V逆變器;空調;電機驅動A5
SGM25PA12A6TFD1200V25A2.1V逆變器;空調;電機驅動A6
SGM40PA12A6TFD1200V40A2.1V逆變器;空調;電機驅動A6
SGM50HF12A1TFD1200V50A2.2V逆變器;空調;電機驅動A1
SGM75HF12A1TFD1200V75A2.2V逆變器;空調;電機驅動A1
SGM100HF12A1TFD1200V100A2.2V逆變器;空調;電機驅動A1
SGM100HF12A3TFD1200V100A2.2V逆變器;空調;電機驅動A3
SGM150HF12A3TFD1200V150A2.3V逆變器;空調;電機驅動A3
SGM200HF12A3TFD1200V200A2.3V逆變器;空調;電機驅動A3
SGM300HF12A3TFD1200V300A2.3V逆變器;空調;電機驅動A3
SGM50HF12A1TLD1200V50A1.85V逆變器;空調;電機驅動A1
SGM75HF12A1TLD1200V75A1.85V逆變器;空調;電機驅動A1
SGM100HF12A1TLD1200V100A1.85V逆變器;空調;電機驅動A1
SGM100HF12A3TLD1200V100A1.85V逆變器;空調;電機驅動A3
SGM150HF12A3TLD1200V150A1.85V逆變器;空調;電機驅動A3
SGM200HF12A3TLD1200V200A1.85V逆變器;空調;電機驅動A3

                                 



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