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电力半导体在弧焊电源中的应用
发布时间:2015-6-24  浏览次数:2710

        ——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(转自焊接21世纪)
重点介绍:

       常用电力半导体型普及应用领域
       电力半导体在传统弧焊电源中的应用
       逆变弧焊电源常用拓扑电路分析
       基于弧焊电源电力电子选型
       IGBT的驱动设计和保护设计
       IGBT的串并联技术

常用电力电子产品型谱图

整流桥、IGBTFRD依据不同的使用场景和要求均具有不同的电压等级、电流等级以及封装形式。

       

         

IGBT模块型谱


          

FRD型谱

        

                     

电力电子的应用领域


电力电子产品广泛应用于开关电源、汽车、感应加热、马达驱动、洗衣机、空调、电磁盘等家电行业、机械手、UPS、机车驱动、输变电等。
                       

                     
电力电子在能源领域起到关键性作用,包括发电设备、输变电以及用电设备。比如:逆变系统(风力发电、太阳能发电、燃料电池发电)、用电设备(泵驱动、传送设备驱动、机械手等)

                   电力电子在各种新能源领域起到关键作用
                    
         
                   可控整流或不可控整流在传统弧焊电源中的作用
         

传统弧焊电源主要基于变压器整流技术完成稳定电流电压输出控制从而实现稳定的焊接过程,广泛采用桥臂整流模块、三相可控硅桥臂、三相不可控桥臂、三相整流桥模块以及单相/三相整流组件等。



弧焊电源主回路基本结构

              

弧焊电源常用拓扑电路分析

             


常规的小焊机或小切割机采用三个全桥单管并联,原用户大多采用MOS管结构,若采用单管IGBT无论可靠性和经济性均有提高。



                  


                  

                 

                 

                 

                 

                         
                 

原边采用两个半桥电路并联,副边采用串联模式


                 

原边采用两个全桥电路并联,副边采用串联模式

                 

采用主从并联结构实现大功率自动焊机设计,目前国内拥有成熟技术规格包括600A/800A/1000A/1250A/1500A,功率最大达到70kW左右。


                  

二次逆变采用全桥结构


                  

二次逆变采用半桥结构

      

   
       



弧焊电源整流桥选型

电压额定值的确定(应以工作场景峰值电压为选型依据)
    180VAC~220VAC:选用Vces=600V器件
     380VAC~440VAC:选用Vces=1000~1200V器件
     460VAC~575VAC:选用Vces=1400器件
     575VAC~690VAC:选用Vces=1700V器件

电流额定值的确定
  一般依据电源的转换效率,确定出额定输入电流后计算出电流峰值再折算设计裕度而获得。
  Ic=输出容量*过载系数/{η*[Uac*SQRT3)  *纹波系数]}



弧焊电源FRD选型(应以常用全波整流为选型依据)

电压额定值的确定
电源输出空载峰值电压*SQRT2*Lpeak

电流额定值的确定
依据等效热效应原理计算二极管电流并选型。 ID2=Ic2*D+(Ic*0.5)2*(1-D)
二极管选型规格为:ID*裕度系数,查询厂家标准序列进行选择。(注意:二极管标称参数为整个模块输出电流值,而每个腿的电流为一半。如MURP20040CT
热态反向恢复时间是非常重要的参数。(依据系统开关频率或所选IGBT活轮二极管恢复速度有关)


弧焊电源中IGBT选型

电压额定值的确定
     180VAC~220VAC:选用Vces=600V器件
     380VAC~440VAC:选用Vces=1000~1200V器件
     460VAC~575VAC:选用Vces=1400器件
     575VAC~690VAC:选用Vces=1700V器件

电流额定值的确定
    一般依据电源的转换效率,确定出额定输入电流后
    计算出电流峰值再折算设计裕度而获得。
    Ic=输出容量*过载系数*SQRT2/Uac*SQRT3) 
       *纹波系数)

                   

                  

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*-Vge2
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GE;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RCRCD;调整-VgeRg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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