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電力半導體在弧焊電源中的應用
發布時間:2015-6-24  瀏覽次數:4975

        ——北京坤和總經理羅建坤在中國首屆電力電子器件模塊應用與失效分析高峰論壇上的發言(轉自焊接21世紀)
重點介紹:

       常用電力半導體型普及應用領域
       電力半導體在傳統弧焊電源中的應用
       逆變弧焊電源常用拓撲電路分析
       基于弧焊電源電力電子選型
       IGBT的驅動設計和保護設計
       IGBT的串并聯技術

常用電力電子產品型譜圖

整流橋、IGBTFRD依據不同的使用場景和要求均具有不同的電壓等級、電流等級以及封裝形式。

       

         

IGBT模塊型譜


          

FRD型譜

        

                     

電力電子的應用領域


電力電子產品廣泛應用于開關電源、汽車、感應加熱、馬達驅動、洗衣機、空調、電磁盤等家電行業、機械手、UPS、機車驅動、輸變電等。
                       

                     
電力電子在能源領域起到關鍵性作用,包括發電設備、輸變電以及用電設備。比如:逆變系統(風力發電、太陽能發電、燃料電池發電)、用電設備(泵驅動、傳送設備驅動、機械手等)

                   電力電子在各種新能源領域起到關鍵作用
                    
         
                   可控整流或不可控整流在傳統弧焊電源中的作用
         

傳統弧焊電源主要基于變壓器整流技術完成穩定電流電壓輸出控制從而實現穩定的焊接過程,廣泛采用橋臂整流模塊、三相可控硅橋臂、三相不可控橋臂、三相整流橋模塊以及單相/三相整流組件等。



弧焊電源主回路基本結構

              

弧焊電源常用拓撲電路分析

             


常規的小焊機或小切割機采用三個全橋單管并聯,原用戶大多采用MOS管結構,若采用單管IGBT無論可靠性和經濟性均有提高。



                  


                  

                 

                 

                 

                 

                         
                 

原邊采用兩個半橋電路并聯,副邊采用串聯模式


                 

原邊采用兩個全橋電路并聯,副邊采用串聯模式

                 

采用主從并聯結構實現大功率自動焊機設計,目前國內擁有成熟技術規格包括600A/800A/1000A/1250A/1500A,功率最大達到70kW左右。


                  

二次逆變采用全橋結構


                  

二次逆變采用半橋結構

      

   
       



弧焊電源整流橋選型

電壓額定值的確定(應以工作場景峰值電壓為選型依據)
    180VAC~220VAC:選用Vces=600V器件
     380VAC~440VAC:選用Vces=1000~1200V器件
     460VAC~575VAC:選用Vces=1400器件
     575VAC~690VAC:選用Vces=1700V器件

電流額定值的確定
  一般依據電源的轉換效率,確定出額定輸入電流后計算出電流峰值再折算設計裕度而獲得。
  Ic=輸出容量*過載系數/{η*[Uac*SQRT3)  *紋波系數]}



弧焊電源FRD選型(應以常用全波整流為選型依據)

電壓額定值的確定
電源輸出空載峰值電壓*SQRT2*Lpeak

電流額定值的確定
依據等效熱效應原理計算二極管電流并選型。 ID2=Ic2*D+(Ic*0.5)2*(1-D)
二極管選型規格為:ID*裕度系數,查詢廠家標準序列進行選擇。(注意:二極管標稱參數為整個模塊輸出電流值,而每個腿的電流為一半。如MURP20040CT
熱態反向恢復時間是非常重要的參數。(依據系統開關頻率或所選IGBT活輪二極管恢復速度有關)


弧焊電源中IGBT選型

電壓額定值的確定
     180VAC~220VAC:選用Vces=600V器件
     380VAC~440VAC:選用Vces=1000~1200V器件
     460VAC~575VAC:選用Vces=1400器件
     575VAC~690VAC:選用Vces=1700V器件

電流額定值的確定
    一般依據電源的轉換效率,確定出額定輸入電流后
    計算出電流峰值再折算設計裕度而獲得。
    Ic=輸出容量*過載系數*SQRT2/Uac*SQRT3) 
       *紋波系數)

                   

                  

弧焊電源中IGBT驅動設計

驅動方式:高速光藕驅動、脈沖變壓器驅動、HYBRID驅動、專用大功率驅動
驅動要求:
1
、驅動電路內阻應當很小,保證足夠的速度提供出電流 
  Ip≈Vge +-Vge /Rg
  Iave=f*Qg+f*Cies*-Vge
  P=f*Qg*Vge+f*Cies*-Vge2
2
、合適的高低電平及上升沿下降沿 高電平要求13.5~16.5V、低電平要求-5~-10V
 上升沿要求100~500nS、下降沿要求500~1000nS
3
、調整合適的Rg保證關斷時的電壓尖峰不超過電源電壓100~200V
4
、必要的門極保護措施:引線盡量短并雙絞,較長時應增加共模抑制電感;關斷時,門極應該有負壓或短路GE;保護軟關斷功能,防止大電流突然關斷導致電壓擊穿。

                    
依據上表不難看出驅動參數設計是一個綜合參數,應權衡大局而定。


弧焊電源中IGBT保護設計

門極保護:避免靜電高壓擊穿門極。使用模塊時,人體必須可靠接地;不能直接用手觸及 IGBT門極;焊接門極時必須采用防靜電烙鐵防止烙鐵頭泄漏靜電損壞門極。
過壓保護:IGBT關斷或FRD反向恢復di/dt引起回路寄生電感產生非常高的電壓尖峰導致損壞。必須保證Vcesp處于RBSOA區域內或小于Vces。在IGBT上增加SNUBBER電容或其他吸收網絡如RCRCD;調整-VgeRg以減小di/dt;采用無感儲能電容,盡量縮短回路引線、減小布線電感;主回路配線盡量加粗、縮短或并列平板分層布置。

                    

本表中顯示出:常規寄生電感下各模塊采用的SNUBBER電容的大小,隨著寄生電感和干線電感的增加,吸收電容應當增加。右圖顯示了電容的連接方式并指示出關斷時期電流流過電容的波形圖,因此要求此電容必須具備一定的通流能力一般要求不得小于15A-20A,同時寄生電感小于20nH

                                  


最簡易的吸收電路。
當電容太小或回路電感大時,可能引起LC諧振導致直流母線電壓上升

                                  


必須選擇專用SNUBBER二極管,否則會產生高的尖峰電壓或二極管反向恢復時產生振蕩導致更高的尖峰電壓;適應長的母線回路,有利于防止產生振蕩。一般情況下,C越大尖峰抑制效果越好,但R的功耗增大。R小,尖峰抑制較好,但易導致振蕩并使開通電流尖峰增加。


過流保護:多重保護是非常必要的。

1
、變壓器原邊流經IGBT電流峰值限定,一般限制在1.5~2Ic
2
、厚膜驅動采集Vcesat防止IGBT過流損壞,但準確采集各廠家的Vcesat顯得尤為重要。因此出現了眾多關于采集IGBT Vcesat的電路或提高靈敏度的相關電路。 
3
、最小脈寬限定,防止電路出現短路時損壞,保障電路可靠運行。
4
、避免電路在大電流突然關斷門極波形,應盡量軟關斷避免尖峰電壓損壞器件。
5
、適當的死區時間設定,防止橋臂直通。一般建議大于5微秒。
6
、足夠的-Vge保障器件可靠關斷非常重要。

                     


本圖中指示出設定適當的死區時間是必須 的:右上圖顯示了恰當的死區時間在上下橋臂交替開通時干線上流過電流的幅值較小;右下圖顯示了死區時間偏短時上下橋臂交替開通時干線上流過電流的幅值較大,必須增加死區時間否則存在直通危險。


IGBT并聯設計

保障電流均勻性是關鍵。Vcesat不均勻性、主回路配線電阻不均勻是主要克服的弊病。
U4
系列很好的保證了并聯,Vcesat不平衡度為12%,遠小于15%的用戶要求,不用分類可以直接并聯。主回路配線盡量短(﹤10cm),而且要求垂直于器件端子并聯排。相同的集電極引線和相同的發射極引線,且降額使用0.8~0.85 門極驅動應雙絞或采用同軸電纜各門極必須串聯0.5~2歐姆,發射極串聯0.5歐姆,多只采集Vcesat時必須串聯47歐姆電阻以便采集平均值(采集Vcesat電路必須)



IGBT串聯設計

保障電壓均勻性是關鍵。靜態不均衡由于IGBT靜態阻斷電阻不一致導致分壓不均。動態不均衡由于IGBT開關時間差異所致。最先關斷和最后開通將承受高壓。盡量選擇串聯參數差異小的器件進行串聯。在IGBT CE側并聯電阻可以減小不同的截止電流影響,通過電阻的電流一般確定為器件泄漏電流的3~5倍。無源吸收網絡(RC/RCD 如四個600A/1200V串聯采用3.3歐姆和15nF)可以有效的支持動態平衡。有源均衡辦法達到理想狀況。(開關時間校正通過調整開關延遲時間實現、dv/dt 控制、有源電壓限制/有源箝位、主從控制)。

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