IGBT在逆变焊机中的正确选择和使用

于明

(江苏宏微科技有限公司，江苏 常州 213022)

IGBT在逆变焊机中的正确选择和使用

于明

(江苏宏微科技有限公司，江苏 常州 213022)

研究了逆变焊机中核心开关器件IGBT主要参数的选择，分析逆变硬开关电路拓扑，移相软开关和双零软开关电路拓扑中IGBT的应用特点，根据其特点选择合适额定电压、额定电流和开关参数。以及优化设计栅电压，克服Miller效应的影响，确保在IGBT应用过程中的可靠性。

IGBT；逆变拓扑结构；栅电压；Miller效应

0 前言

在逆变焊机领域，IGBT是目前使用的主流开关器件，也在逆变结构中起核心作用，随着科学技术的发展，IGBT在应用领域的占有量也与日巨增。采用IGBT进行功率变换，能够提高用电效率，改善用电质量。新型IGBT逆变技术是推动我国低碳经济发展战略的突破口，新型逆变技术取代传统变压器技术，能缓解能源、资源和环境等方面的压力，加快转变经济增长方式，促进信息化带动工业化发展，提高国家经济安全性，起着重要作用，因此，IGBT在逆变焊机中的正确选择与使用，有着举足轻重的作用。

逆变技术对IGBT的参数要求并不是一成不变的，逆变技术已从硬开关技术、移相软开关技术发展到双零软开关技术，各技术之间存在相辅相成的纽带关系，同时具有各自的应用电路要求特点，因而，对开关器件的IGBT的要求各不相同。而IGBT正确选择与使用尤为重要。

1 典型逆变电路拓扑

1.1 硬开关电路拓扑和IGBT的选择

硬开关电路拓扑和工作方式如图1所示。UDC为直流母线电压，IGBT1～IGBT4为功率器件IGBT，R1～R4与C1～C4对应串联组成IGBT1～IGBT4的RC吸收网络，TX1为逆变中频变压器，VD1和VD2为输出全波整流二极管FRED，R5、R6与C5、C6对应串联组成VD1和VD2的吸收网络，L为输出滤波电感，R为输出等效阻抗。

根据硬开关电路的工作方式，IGBT1和IGBT4同时开通和关断，IGBT2和IGBT3同时开通和关断，产生开关损耗，在损耗的组成中，关断损耗所占比例更大。因此选择IGBT时，选择快速型IGBT，尤其关断时间较短者为佳。

1.2 移相软开关电路拓扑和IGBT的选择

移相软开关电路拓扑和工作方式如图2所示。与硬开关电路拓扑的区别在于：逆变主变压器的一次侧增加谐振电感，使用负载特性时不会导致输出电压波形的畸变。

在工作方式中，IGBT1和IGBT2轮流导通，各导通180°，IGBT3和IGBT4也是如此，但IGBT1和IGBT4不同时导通，若IGBT1先导通，则IGBT4后导通，两者间存在一定的相位角，同组IGBT的开通和关断存在一定的相位。因此，IGBT的开关损耗小，但是导通损耗大，且IGBT续流二极管的工作时间长，选择IGBT时选择低通态型IGBT，而且要求续流二极管的通流能力强。

图1 硬开关电路拓扑和工作方式

图2 移相软开关电路拓扑和工作方式

1.3 双零软开关电路拓扑和IGBT的选择

双零软开关电路拓扑和IGBT的选择如图3所示。在AB段串入饱和电感Ls和阻断电容C，IGBT1和IGBT4同时开通，不同时关断，IGBT2和IGBT3也是如此。根据双零软开关电路拓扑的特点，零电压开通和零电流关断，IGBT的开关损耗非常小，因此，在IGBT的损耗组成中，通态损耗所占比例较大，在选在IGBT时，选择低通态型IGBT为佳[1]。

图3 双零软开关电路拓扑和IGBT的选择

2 IGBT额定电压的选择

三相380 V输入电压经过整流和滤波后，直流母线电压的最大值

硬开关工作的情况下，IGBT的额定电压一般要求高于直流母线电压的两倍，而软开关的工作条件下，额定电压值可以降低一些，可以选额定电压值1 200 V。

3 IGBT额定电流的选择

逆变焊机的输出电流400 A，逆变主变压器变比K＝37／5，变压器一次侧的平均电流为

选择IGBT时，额定电流IC＝100 A，考虑增强引弧和推力功能，最大值为500 A。变压器一次侧电流为500 A／K＝67.6 A，这也是IGBT中流过的最大电流ICPULSE，而且维持时间小于1 ms，使用时考虑两倍的余量，可以选用的 IGBT额定ICPULSE＞150 A。

4 影响IGBT可靠性因素

4.1 栅电压

IGBT栅驱动示意如图4所示。IGBT工作时，必须有正向栅电压，常用的栅驱动电压值15～18 V，最高用到20 V，而栅电压与栅极电阻Rg有很大关系，在设计IGBT驱动电路时，参考IGBT Datasheet中的额定Rg值，设计合适驱动参数，保证合理正向栅电压。因为IGBT的工作状态与正向栅电压有很大关系，正向栅电压越高，开通损耗越小，正向压降也略小。

图4 IGBT栅驱动示意

在桥式电路和大功率应用情况下，为了避免干扰，在IGBT关断时，栅极加负电压，一般在-5～-15V，保证IGBT的关断，避免Miller效应影响。

4.2 Miller效应

Miller效应电路如图5所示。图5中IGBT1导通时，IGBT2两端的电压产生突变，高du／dt通过Miller电容将产生一个电流，如果该电流在IGBT2的栅极产生的电压超过IGBT2的阈值电压，则IGBT2导通，导致桥臂直通，这种现象在高温条件下尤为突出。

为了降低Miller效应的影响，在IGBT栅驱动电路中采用改进措施：(1)开通和关断采用不同栅电阻Rg，on和 Rg，off，确保IGBT的有效开通和关断如图6所示；(2)栅源间加电容C，对Miller效应产生的电压进行能量泄放，如图7所示；(3)关断时加负栅压U，如图8所示。在实际设计中，采用三者合理组合，对改进Miller效应的效果更佳。

图5 Miller效应

图6 开通和关断采用不同栅电阻

图7 栅源间加电容

图8 关断时加负栅压

5 结论

(1)IGBT是逆变焊机领域主要使用的功率开关器件，也是逆变焊机工作的主要器件，合理选择IGBT是保证其可靠工作的前提，同时，要根据电路结构的特点，选择低通态型或者快速型IGBT。

(2)根据IGBT的栅特性。合理设计栅驱动结构，保证IGBT有效的开通和关断，降低Miller效应的影响。

[1]阮新波，严仰光.脉宽调制DC／DC全桥变换器的软开关技术[M].北京：科学出版社，1999.

Effective application and selection of IGBT in welding inverter

YU Ming
(MacMic Science＆Technology Co.，Ltd.，Changzhou 213022，China)

Based on the chief parameter section of IGBT in the welding inverter，some application characteristics were analyzed，that included hard-switch，phase shift and ZVZCS circuit topology.According to analysis，choose IGBT＇s rating parameters.That is important to design gate voltage and overcome the Miller effect，to ensure that IGBT＇s high reliability in application process.

IGBT；inverter topology；gate voltage；miller effect

TG434.1

B

1001-2303(2011)05-0014-03

2010-06-23；

2011-03-08

于 明(1979—)，男，黑龙江齐齐哈尔人，工程师，硕士，主要从事逆变电源的设计和功率半导体器件的应用分析工作。