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光伏发电系统用逆变器的基本知识
光伏发电系统用逆变器的基本知识
　　逆变器的概念
　　通常，把将交流电能变换成直流电能的过程称为整流，把完成整流功能的电路称为整流电路，把实现整流过程的装置称为整流设备或整流器。与之相对应，把将直流电能变换成交流电能的过程称为逆变，把完成逆变功能的电路称为逆变电路，把实现逆变过程的装置称为逆变设备或逆变器。
　　现代逆变技术是研究逆变电路理论和应用的一门科学技术。它是建立在工业电子技术、半导体器件技术、
　　逆变器的概念
　　通常，把将交流电能变换成直流电能的过程称为整流，把完成整流功能的电路称为整流电路，把实现整流过程的装置称为整流设备或整流器。与之相对应，把将直流电能变换成交流电能的过程称为逆变，把完成逆变功能的电路称为逆变电路，把实现逆变过程的装置称为逆变设备或逆变器。
　　现代逆变技术是研究逆变电路理论和应用的一门科学技术。它是建立在工业电子技术、半导体器件技术、现代控制技术、现代电力电子技术、半导体变流技术、脉宽调制（ＰＷＭ）技术等学科基础之上的一门实用技术。它主要包括半导体功率集成器件及其应用、逆变电路和逆变控制技术３大部分。
　　逆变器的分类
　　逆变器的种类很多，可按照不同的方法进行分类。
　　１．按逆变器输出交流电能的频率分，可分为工频逆变器、中频逆器和高频逆变器。工频逆变器的频率为５０～６０Ｈｚ的逆变器；中频逆变器的频率一般为４００Ｈｚ到十几ｋＨｚ；高频逆变器的频率一般为十几ｋＨｚ到ＭＨｚ。
　　２．按逆变器输出的相数分，可分为单相逆变器、三相逆变器和多相逆变器。
　　３．按照逆变器输出电能的去向分，可分为有源逆变器和无源逆变器。凡将逆变器输出的电能向工业电网输送的逆变器，称为有源逆变器；凡将逆变器输出的电能输向某种用电负载的逆变器称为无源逆变器。
　　４．按逆变器主电路的形式分，可分为单端式逆变器，推挽式逆变器、半桥式逆变器和全桥式逆变器。
　　５．按逆变器主开关器件的类型分，可分为晶闸管逆变器、晶体管逆变器、场效应逆变器和绝缘栅双极晶体管（ＩＧＢＴ）逆变器等。又可将其归纳为&半控型&逆变器和&全控制&逆变器两大类。前者，不具备自关断能力，元器件在导通后即失去控制作用，故称之为&半控型&普通晶闸管即属于这一类；后者，则具有自关断能力，即无器件的导通和关断均可由控制极加以控制，故称之为&全控型&，电力场效应晶体管和绝缘栅双权晶体管（ＩＧＢＴ）等均属于这一类。
　　６．按直流电源分，可分为电压源型逆变器（ＶＳＩ）和电流源型逆变器（ＣＳＩ）。前者，直流电压近于恒定，输出电压为交变方波；后者，直流电流近于恒定，输也电流为交变方波。
　　７．按逆变器输出电压或电流的波形分，可分为正弦波输出逆变器和非正弦波输出逆变器。
　　８．按逆变器控制方式分，可分为调频式（ＰＦＭ）逆变器和调脉宽式（ＰＷＭ）逆变器。
　　９．按逆变器开关电路工作方式分，可分为谐振式逆变器，定频硬开关式逆变器和定频软开关式逆变器。
　　１０．按逆变器换流方式分，可分为负载换流式逆变器和自换流式逆变器。
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　　逆变器的基本结构
　　逆变器的直接功能是将直流电能变换成为交流电能，其示意图如图１所示。
　　逆变装置的核心，是逆变开关电路，简称为逆变电路。该电路通过电力电子开关的导通与关断，来完成逆变的功能。电力电子开关器件的通断，需要一定的驱动脉冲，这些脉冲可能通过改变一个电压信号来调节。产生和调节脉冲的电路。通常称为控制电路或控制回路。逆变装置的基本结构，除上述的逆变电路和控制电路外，还有保护电路、输出电路、输入电路、输出电路等，如图２所示。　　
　　逆变器的工作原理
　　１．全控型逆变器工作原理：图３所示，为通常使用的单相输出的全桥逆变主电路，图中，交流元件采用ＩＧＢＴ管Ｑ１１、Ｑ１２、Ｑ１３、Ｑ１４。并由ＰＷＭ脉宽调制控制ＩＧＢＴ管的导通或截止。
　　当逆变器电路接上直流电源后，先由Ｑ１１、Ｑ１４导通，Ｑ１、Ｑ１３截止，则电流由直流电源正极输出，经Ｑ１１、Ｌ或感、变压器初级线圈图１－２，到Ｑ１４回到电源负极。当Ｑ１１、Ｑ１４截止后，Ｑ１２、Ｑ１３导通，电流从电源正极经Ｑ１３、变压器初级线圈２－１电感到Ｑ１２回到电源负极。此时，在变压器初级线圈上，已形成正负交变方波，利用高频ＰＷＭ控制，两对ＩＧＢＴ管交替重复，在变压器上产生交流电压。由于ＬＣ交流滤波器作用，使输出端形成正弦波交流电压。
　　当Ｑ１１、Ｑ１４关断时，为了释放储存能量，在ＩＧＢＴ处并联二级管Ｄ１１、Ｄ１２，使能量返回到直流电源中去。　　
　　２．半控型逆变器工作原理：半控型逆变器采用晶闸管元件。改进型并联逆变器的主电路如图４所示。图中，Ｔｈ１、Ｔｈ２为交替工作的晶闸管，设Ｔｈ１先触发导通，则电流通过变压器流经Ｔｈ１，同时由于变压器的感应作用，换向电容器Ｃ被充电到大的２倍的电源电压。按着Ｔｈ２被触发导通，因Ｔｈ２的阳极加反向偏压，Ｔｈ１截止，返回阻断状态。这样，Ｔｈ１与Ｔｈ２换流，然后电容器Ｃ又反极性充电。如此交替触发晶闸管，电流交替流向变压器的初级，在变压器的次级得到交流电。
　　在电路中，电感Ｌ可以限制换向电容Ｃ的放电电流，延长放电时间，保证电路关断时间大于晶闸管的关断时间，而不需容量很大的电容器。Ｄ１和Ｄ２是２只反馈二极管，可将电感Ｌ中的能量释放，将换向剩余的能量送回电源，完成能量的反馈作用。　　
　　逆变器的主要技术性能及评价选用
　　技术性能
　　表征逆变器性能的基本参数与技术条件内容很多，下面仅就评价时常用的参数做一简要说明。
　　１．额定输出电压
　　在规定的输入直流电压允许的波动范围内，它表示逆变器应能输出的额定电压值。对输出额定电压值的稳定准确度一般有如下规定：
　　（１）在稳态运行时，电压波动范围应有一个限定，例如其偏差不超过额定值的&３％或&５％。
　　（２）在负载突变（额定负载０％&５０％&１００％）或有其他干扰因素影响的动态情况下，其输出电压偏差不应超过额定值的&８％或&１０％。
　　２．输出电压的不平衡度
　　在正常工作条件下，逆变器输出的三相电压不平衡度（逆序分量对正序分量之比）应不超过一个规定值，一般以％表示，如５％或８％。
　　３．输出电压的波形失真度
　　当逆变器输出电压为正弦度时，应规定允许的最大波形失真度（或谐波含量）。通常以输出电压的总波形失真度表示，其值不应超过５％（单相输出允许１０％）。
　　４．额定输出频率
　　逆变器输出交流电压的频率应是一个相对稳定的值，通常为工频５０Ｈｚ。正常工作条件下其偏差应在&１％以内。
　　５．负载功率因数
　　表征逆变器带感性负载或容性负载的能力。在正弦波条件下，负载功率因数为０．７～０．９（滞后），额定值为０．９。
　　６．额定输出电流（或额定输出容量）
　　表示在规定的负载功率因数范围内逆变器的额定输出电流。有些逆变器产品给出的是额定输出容量，其单位以ＶＡ或ｋＶＡ表示。逆变器的额定容量是当输出功率因数为１（即纯阻性负载）时，额定输出电压为额定输出电流的乘积。
　　７．额定输出效率
　　逆变器的效率是在规定的工作条件下，其输出功率对输入功率之比，以％表示。逆变器在额定输出容量下的效率为满负荷效率，在１０％额定输出容量的效率为低负荷效率。
　　８．保护
　　（１）过电压保护：对于没电压稳定措施的逆变器，应有输出过电压防护措施，以使负截免受输出过电压的损害。
　　（２）过电流保护：逆变器的过电流保护，应能保证在负载发生短路或电流超过允许值时及时动作，使其免受浪涌电流的损伤。
　　９．起动特性
　　表征逆变器带负载起动的能力和动态工作时的性能。逆变器应保证在额定负载下可靠起动。
　　１０．噪声
　　电力电子设备中的变压器、滤波电感、电磁开关及风扇等部件均会产生噪声。逆变器正常运行时，其噪声应不超过８０ｄＢ，小型逆变器的噪声应不超过６５ｄＢ。
　　逆变器的主要技术性能及评价选用
　　为正确选用光伏发电系统用的逆变器，应对逆变器的技术性能进行评价。根据逆变器对离网型主要光伏发电系统运行特性的影响和光伏发电系统对逆变器性能的要求，评价内容有如下几项：
　　１．额定输出容量
　　表征逆变器向负载供电的能力。额定输出容量值高的逆变器可带更多的用电负载。但当逆变器的负载不是纯阻性时，也就是输出功率小于１时，逆变器的负载能力将小于所给出的额定输出容量值。
　　２．输出电压稳定度
　　表征逆变器输出电压的稳压能力。多数逆变器产品给出的是输入直流电压在允许波动范围内该逆变器输出电压的偏差％，通常称为电压调整率。高性能的逆变器应同时给出当负载由０％&１００％变化时，该逆变器输出电压的偏差％，通常称为负载调整率。性能良好的逆变器的电压调整率应&&３％，负载调整率应&&６％。
　　３．整机效率
　　表征逆变器自身功率损耗的大小，通常以％表示。容量较大的逆变器还应给出满负荷效率值和低负荷效率值。ｋＷ级以下逆变器的效率应为８０％～８５％，１０ｋＷ级逆变器的效率应为８５％～９０％。逆变器效率的高低对光伏发电系统提高有效发电量和降低发电成本有重要影响。
　　４．保护功能
　　过电压、过电流及短路保护是保证逆变器安全运行的最基本措施。功能完美的正弦波逆变器还具有欠电压保护、缺相保护及温度越限报警等功能。
　　５．起动性能
　　逆变器应保证在额定负载下可靠起动。高性能的逆变器可做到连续多次满负荷起动而不损坏功率器件。小型逆变器为了自身安全，有时采用软起动或限流起动。
　　对于大功率光伏发电系统和联网型光伏发电系统逆变器的波形失真度和噪声水平等技术性能也十分重要。
　　在选用离网型光伏发电系统用的逆变器时，除依据上述５项基本评价内容外，还应注意以下几点：
　　（１）应具有足够的额定输出容量和负载能力。逆变器的选用，首先要考虑具有足够的额定容量，以满足最大负荷下设备对电功率的要求。对于以单一设备为负载的逆变器，其额定容量的选取较为简单，当用电设备为纯阻性负载或功率因数大于０．９时，选取逆变器的额定容量为电设备容量的１．１～１．１５倍即可。在逆变器以多个设备为负载时，逆变器容量的选取要考虑几个用电设备同时工作的可能性，即&负载同时系数&。
　　（２）应具有较高的电压稳定性能。在离网型光伏发电系统中均以蓄电池为储能设备。当标称电压为１２Ｖ的蓄电池处于浮充电状态时，端电压可达１３．５Ｖ，短时间过充电状态可达１５Ｖ。蓄电池带负荷放电终了时端电压可降至１０．５Ｖ或更低。蓄电池端电压的起伏可达标称电压的３０％左右。这就要求逆变器具有较好的调压性能，才能保证光伏发电系统以稳定的交流电压供电。
　　（３）在各种负载下具有高效率或较高效率。整机效率高是光伏发电用逆变器区别于通用型逆变器的一个显著特点。１０ｋＷ级的通用型逆变器实际效率只有７０％～８０％，将其用于光伏发电系统时将带来总发电量２０％～３０％的电能损耗。因此光伏发电系统专用逆变器在设计中应特别注意减少自身功率损耗，提高整机效率。因此这是提高光伏发电系统技术经济指标的一项重要措施。在整机效率方面对光伏发电专用逆变器的要求是：ｋＷ级以下逆变器额定负荷效率&８０％～８５％，低负荷效率&６５％～７５％；１０ｋＷ级逆变器额定负荷效率&８５％～９０％，低负荷效率&７０％～８０％。
　　（４）应具有良好的过电流保护与短路保护功能。光伏发电系统正常运行过程中，因负载故障、人员误操作及外界干扰等原因而引起的供电系统过电流或短路，是完全可能的。逆变器对外电路的过电电流及短路现象最为敏感，是光伏发电系统中的薄弱环节。因此，在选用逆变器时，必须要求具备有良好的对过电流及短路的自我保护功能。
　　（５）维护方便。高质量的逆变器在运行若干年后，因元器件失效而出现故障，应属于正常现象。除生产厂家需有良好的售后服务系统外，还要求生产厂家在逆变器生产工艺、结构及元器件选型方面具有良好的可维护性。例如，损坏元器件有充足的备件或容易买到，元器件的互换性好；在工艺结构上，元器件容易拆装，更换方便。这样，即使逆变器出现故障，也可迅速恢复正常。
　　光伏发电系统逆变器的操作使用与维护检修
　　操作使用
　　１．严格按照逆变器使用维护说明书的要求进行设备的连接和安装。在安装时，应认真检查：线径是否符合要求；各部件及端子在运输中有否松动；应绝缘处是否绝缘良好；系统的接地是否符合规定。
　　２．应严格按照逆变器使用维护说明书的规定操作使用。尤其是：在开机前要注意输入电压是否正常；在操作时要注意开关机的顺序是否正确，各表头和指示灯的指示是否正常。
　　３．逆变器一般均有断路、过电流、过电压、过热等项目的自动保护，因此在发生这些现象时，无需人工停机；自动保护的保护点，一般在出厂时已设定好，无需再行调整。
　　４．逆变器机柜内有高压，操作人员一般不得打开柜门，柜门平时应锁死。
　　５．在室温超过３０℃时，应采取散热降温措施，以防止设备发生故障，延长设备使用寿命。
　　维护检修
　　１．应定期检查逆变器各部分的接线是否牢固，有无松动现象，尤其应认真检查风扇、功率模块、输入端子、输出端子以及接地等。
　　２．一旦报警停机，不准马上开机，应查明原因并修复后再行开机，检查应严格按逆变器维护手册的规定步骤进行。
　　３．操作人员必须经过专门培训，能够判断一般故障的产生原因，并能进行排除，例如能熟练地更换保险丝、组件以及损坏的电路板等。未经培训的人员，不得上岗操作使用设备。
　　４．如发生不易排除的事故或事故的原因不清，应做好事故详细记录，并及时通知生产工厂给予解决。
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光伏逆变器的工作原理
来源：朗拓新能源&&
更新时间： 14:05:35
　　1、全控型逆变器工作原理：为通常使用的单相输出的全桥逆变主电路，交流元件采用IGBT管Q11、Q12、Q13、Q14。并由PWM脉宽调制控制IGBT管的导通或截止。
　　当逆变器电路接上直流后，先由Q11、Q14导通，Q1、Q13截止，则电流由直流电源正极输出，经Q11、L或感、变压器初级线圈图1-2，到Q14回到电源负极。当Q11、Q14截止后，Q12、Q13导通，电流从电源正极经Q13、变压器初级线圈2-1电感到Q12回到电源负极。此时，在变压器初级线圈上，已形成正负交变方波，利用高频PWM控制，两对IGBT管交替重复，在变压器上产生交流电压。由于LC交流滤波器作用，使输出端形成正弦波交流电压。
　　 当Q11、Q14关断时，为了释放储存能量，在IGBT处并联二级管D11、D12，使能量返回到直流电源中去。
　　2、半控型逆变器工作原理：半控型逆变器采用晶闸管元件。Th1、Th2为交替工作的晶闸管，设Th1先触发导通，则电流通过变压器流经Th1，同时由于变压器的感应作用，换向电容器C被充电到大的2倍的电源电压。按着Th2被触发导通，因Th2的阳极加反向偏压，Th1截止，返回阻断状态。这样，Th1与Th2换流，然后电容器C又反极性充电。如此交替触发晶闸管，电流交替流向变压器的初级，在变压器的次级得到交流电。
　　在电路中，电感L可以限制换向电容C的放电电流，延长放电时间，保证电路关断时间大于晶闸管的关断时间，而不需容量很大的电容器。D1和D2是2只反馈二极管，可将电感L中的能量释放，将换向剩余的能量送回电源，完成能量的反馈作用。
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逆变弧焊电源IGBT模块的 设计和选型
第３８卷第１２期２００８年１２月ＥｌｅｃｔｒｉｃＷｅｌｄｉｎｇＭａｃｈｉｎｅＶｏｌ．３８Ｎｏ．１２Ｄｅｃ．２００８逆变弧焊电源ＩＧＢＴ模块的设计和选型杨学武，毕晓峰(唐山松下产业机器有限公司，河北唐山０６３０２０)影响逆变弧焊机可靠性的因素很多，开关元器件(如ＩＧＢＴ)的选型设计是其中的关键。根据实践摘要：经验，通过分析ＩＧＢＴ的结构特点、参数选择、缓冲电路、保护方法、散热设计、工作环境和保管运输等详细介绍了逆变弧焊机ＩＧＢＴ模块的选方面，阐述了ＩＧＢＴ在实际使用过程中可能造成损坏的原因；实际应用型设计原则和注意事项；重点给出了ＩＧＢＴ模块安全工作区和温升的设计原则及测试方法。结果表明，这些方法和途径十分有效，提高了逆变弧焊机的可靠性。逆变弧焊电源；ＩＧＢＴ；安全工作区；缓冲回路关键词：ＴＧ４３４．１Ａ１００１－２３０３(２００８)１２－００５０－１２中图分类号：文献标识码：文章编号：ＤｉｍｅｎｓｉｏｎｉｎｇａｎｄｓｅｌｅｃｔｉｏｎｏｆＩＧＢＴｍｏｄｕｌｅｓｉｎａｒｃｗｅｌｄｉｎｇｉｎｖｅｒｔｅｒｐｏｗｅｒＹＡＮＧＸｕｅ-ｗｕ，ＢＩＸｉａｏ-ｆｅｎｇ(ＰａｎａｓｏｎｉｃＷｅｌｄｉｎｇＳｙｓｔｅｍｓ(Ｔａｎｇｓｈａｎ)Ｃｏ．，Ｌｔｄ．，Ｔａｎｇｓｈａｎｇ０６３０２０，Ｃｈｉｎａ)ｔｈｅｓｅｌｅｃｔｉｖｅｕｓｅｏｆｐｏｗｅｒｓｗｉｔｃｈｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓＡｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅｒｅａｒｅｍａｎｙｆａｃｔｏｒｓｉｎｆｌｕｅｎｃｉｎｇｔｈｅｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙｏｆａｒｃｗｅｌｄｉｎｇｉｎｖｅｒｔｅｒｐｏｗｅｒ，ｔｈｅｒｅａｓｏｎｓｏｆＩＧＢＴｄａｍａｇｅｄｕｒｉｎｇｔｈｅｕｓｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓａｒｅｅｘｐｌａｉｎｅｄｂｙａｎａｌｙｚｉｎｇＩＧＢＴｉｓｔｈｅｋｅｙｏｆｔｈｅｐｒｏｄｕｃｔｄｅｓｉｇｎ．Ｉｎｔｈｉｓｐａｐｅｒ，ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ，ｐａｒａｍｅｔｅｒｃｈｏｏｓｉｎｇ，ｓｎｕｂｂｅｒｃｉｒｃｕｉｔ，ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎｔｅｃｈｎｉｑｕｅ，ｈｅａｔｒａｄｉａｔｉｏｎｄｅｓｉｇｎ，ｔｈｅｏｐｅｒａｔｉｎｇｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ，ｔｈｅｔｒａｎｓｐｏｒｔａｔｉｏｎ，ｔｈｅｓｔｏｒａｇｅａｎｄｓｏｏｎ，ａｎｄｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄｔｈｅｐｒｉｎｃｉｐｌｅｓｆｏｒｓｅｌｅｃｔｉｎｇＩＧＢＴ．ＡｌｓｏｄｉｍｅｎｓｉｏｎｉｎｇａｎｄｓｅｌｅｃｔｉｏｎｏｆＩＧＢＴｔｈｅｄｅｔａｉｌｄｅｓｉｇｎｉｎｇｐｒｉｎｃｉｐｌｅｄａｎｄｍｅｔｈｏｄａｂｏｕｔＳａｆｅＯｐｅｒａｔｉｏｎＡｒｅａａｎｄｍｏｄｕｌｅｓｉｎａｒｃｗｅｌｄｉｎｇｐｏｗｅｒｉｎｖｅｒｔｅｒａｒｅｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ，Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ－ＲｉｓｅｏｆＩＧＢＴｍｏｄｕｌｅｓａｒｅｇｉｖｅｎ．Ｔｈｅｐｒａｃｔｉｃａｌｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅｓｅｗａｙｓａｎｄｍｅｔｈｏｄｓａｒｅｖｅｒｙｅｆｆｅｃｔｉｖｅ，ａｎｄｇｒｅａｔｌｙｉｍｐｒｏｖｅｔｈｅｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙｏｆａｒｃｗｅｌｄｉｎｇｉｎｖｅｒｔｅｒｐｏｗｅｒ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ａｒｃｗｅｌｄｉｎｇｉｎｖｅｒｔｅｒｐｏｗｅｒ；ＩＧＢＴ；ｓａｆｅｏｐｅｒａｔｉｏｎａｒｅａ；ｓｎｕｂｂｅｒｃｉｒｃｕｉｔ０前言１ＩＧＢＴ的构造和特性ＩＧＢＴ(ＩｓｏｌａｔｅｄＧａｔｅＢｉｐｏｌａｒＴｒａｎｓｉｓｔｏｒ)作为第三代功率模块，综合了ＭＯＳＦＥＴ和ＧＴＲ的优点，采用电压型控制，输入阻抗大，驱动功率小，控制电路简单，开关损耗小，通断速度快，工作频率高，耐压高，容量大，热稳定性好，适合用于逆变焊机的逆变器部分使用，因此在国际电焊机领域得到了大量应用。目前国内电焊机企业设计生产的逆变焊机中ＩＧＢＴ也是应用最为广泛的。ＩＧＢＴ的正确选择和使用是逆变焊机能否可靠工作的基础和关键，在此从实践工程角度探讨了ＩＧＢＴ选择和使用中的注意事项。收稿日期：２００７－０８－２２；修回日期：２００８－１０－２２作者简介：杨学武(１９７４—)，男，河北唐山人，工程师，学士，主要从事逆变焊接电源的研究工作。ＩＧＢＴ是用双极型晶体管ＧＴＲ与ＭＯＳＦＥＴ组成的达林顿结构，相当于一个由ＭＯＳＦＥＴ驱动的厚基区晶体管。以ＧＴＲ划分ＩＧＢＴ的种类，如ＧＴＲ为ＰＮＰ型则ＩＧＢＴ称为Ｎ－ＩＧＢＴ，即Ｎ沟道增强型ＩＧＢＴ，Ｎ－ＩＧＢＴ是在电焊机领域应用最多的类型。功率ＭＯＳＦＥＴ由于源极和漏极是以沟道为媒介进行导通的，所以ＭＯＳＦＥＴ的漏极－源极之间形成了单一的半导体。它的电特性也就成了单纯的电阻，该电阻越低，通态电压也就越低，但是，在ＭＯＳＦＥＴ进行耐高压化的同时，漏、源极所在区的区层需要加厚，区层越厚，元件的耐压性能越高，漏极和源极之间的电阻也就增加。正因为如此，高耐压的功率ＭＯＳＦＥＴ的通态电阻变大，无法使大量的电流通过，研究与设计杨学武等：逆变弧焊电源ＩＧＢＴ模块的设计和选型第１２期实现高压、大容量化非常困难。ＩＧＢＴ为克服上述ＭＯＳＦＥＴ的缺点，在漏极追加使得ＩＧＢＴ导通时由ｐ＋注入区向Ｎ基区了ｐ＋注入区，发射电子，从而对漂移区导电率进行调制，得到极低的通态电阻，使ＩＧＢＴ具有很强的通流能力，使高大容量成为可能，如图１所示。耐压、ａＩＧＢＴ结构(Ｎ沟道)ｂＩＧＢＴ通用电气符号图１ＩＧＢＴ的结构示意和电气图形符号ｃＩＧＢＴ等效电路１．１最大额定参数ＵＣＥＳ和ＩＣ使用ＩＧＢＴ时，可根据生产厂家提供的规格书上的参数进行选定。集电极－发射极的阻断电压ＵＣＥＳ和集电极电流ＩＣ是两个相对重要的参数。ＵＣＥＳ是栅极－发射极短路时集电极－发射极允许外加的最高电压，也称为ＩＧＢＴ的最大额定电压，ＵＣＥＳ的选择主要取决于焊机接入的电网电压。按照目前国内电网情况，ＡＣ３８０Ｖ／２２０Ｖ是常用工业电压，结合成本因素，对于３８０Ｖ电网一般选取ＵＣＥＳ＝１２００Ｖ，２２０Ｖ电网则选取ＵＣＥＳ＝６００Ｖ的ＩＧＢＴ。ＩＣ是集电极允许流过的最大直流电流，也称为ＩＧＢＴ的最大额定电流。ＩＣ的选定是非常重要的，直接决定了ＩＧＢＴ的耐固性，其选择过程也比较复杂，必须根据实际温升测试来决定，也与ＩＧＢＴ本身特性、实际工作频率、风道设计等因素有关，但通常ＩＣ应小于等于实际焊机额定工作时的电流值。Ｑｇ是指栅极充电总电荷；Ｃｉｅｓ是指栅极～发射极间的输入电容；Ｃｏｅｓ是指集电极－发射极间的输出电容；Ｃｒｅｓ是指集电极～栅极间的反向传输电容。这些都温升以及ＩＧＢＴ是很容易忽略的参数，但对驱动回路、抗干扰设计等方面有一定的影响。１．３动态特性参数１．２静态特性参数(１)集电极－发射极间的通态饱和压降ＵＣＥ(ｓａｔ)。ＵＣＥ(ｓａｔ)是在指定的电压ＵＧＥ下，集电极流过额定电流时的ＵＣＥ，也是影响ＩＧＢＴ通态损耗的重要参数。ＵＣＥ(ｓａｔ)越大，ＩＧＢＴ通态损耗就越大，一般应选取具有较小ＵＣＥ(ｓａｔ)的ＩＧＢＴ。(２)栅极－发射极间的阈值电压ＵＧＥ(ｔｈ)。集电极－发射极间有较明显电流开始流过时的ＵＧＥ，作为衡量ＩＧＢＴ开始导通的尺度。(３)Ｑｇ、Ｃｉｅｓ、Ｃｏｅｓ、Ｃｒｅｓ。(１)开通时间ｔｏｎ。ＩＧＢＴ开通时，ＵＧＥ上升到０Ｖ后，ＵＣＥ下降到最大值的１０％时为止的时间。(２)下降时间ｔｏｆｆ。ＩＧＢＴ关断时，从ＵＧＥ下降到最大值的９０％开始，到集电极电流在下降电流的切线上下降到１０％为止的时间。动态特性ＩＧＢＴ在开通过程中，大部分时间是作为ＭＯＳＦＥＴ来运行的，只是在ＵＣＥ下降过程后期，ＰＮＰ晶体管由放大区至饱和状态时，多增加了一段ｔｄ(ｏｎ)为开通延迟时间，ｔｒ为开通上升时间，延迟时间。ｔｒｉ为集电极电流ＩＣ上升时间。(３)开通时间ｔｏｎ＝ｔｄ(ｏｎ)＋ｔｒ。在ＩＧＢＴ关断过程中，集电极电流的波形分为两段。因为ＭＯＳＦＥＴ关断后，ＰＮＰ晶体管的存储电荷难以迅速消除，所以造成集电极电流较长的拖尾时间。ｔｄ(ｏｆｆ)为关断延迟时间，ｔｆ为关断下降时间，ｔｒｖ为ＵＣＥ上升时间。(４)关断时间ｔｏｆｆ＝ｔｄ(ｏｆｆ)＋ｔｆ。ｔｏｎ和ｔｏｆｆ也是比较重要的参数，直接影响ＩＧＢＴ的开关损耗，通常越小越好。过长的开关时间还增加了驱动电路的设计难度(容易直通)。研究与设计第３８卷开关时间示意如图２所示。２．１确认ＩＧＢＴ的安全工作区ＳＯＡ(ＳａｆｅＯｐｅｒａｔｉｏｎＡｒｅａ)准备好实验用逆变焊机，确认ＩＧＢＴ的安全工作区。(１)正向安全工作区。ＩＧＢＴ开通时为正向偏置，此时ＵＣＥ和ＩＣ的安全工作范围称为正向安全工作区，简称ＦＢＳＯＡ(ＦｏｒｗｏｒｄＢｉａｓＳａｆｅＯｐｅｒａｔｉｏｎＡｒｅａ)，是指电子和空穴电流在导通瞬态时流过的区域。当ＩＣ处于饱和状态时，ＩＧＢＴ所能承受的最大电压是器件的物理极限，即击穿电压。(２)反向安全工作区。ＩＧＢＴ关断时为反向偏置，此时ＵＣＥ和ＩＣ的安全工作范围称为反向安全工作区，简称ＲＢＳＯＡ(ＲｅｖｅｒｓｅＢｉａｓＳａｆｅＯｐｅｒａｔｉｏｎＡｒｅａ)。这个区域表示栅偏压为零或负值，但因空穴电流没有消失而ＩＣ依然存在时的关断瞬态。(３)短路安全工作区。短路安全工作区ＳＣＳＯＡ(ＳｈｏｒｔＣｉｒｃｕｉｔＳａｆｅＯｐｅｒａｔｉｏｎＡｒｅａ)，指系统输出短路时，ＵＣＥ和ＩＣ的安全工作范围，即输出短路条件下的ＦＢＳＯＡ和ＲＢＳＯＡ。焊机输出包含多种状态，如待机、空载、焊接等。处于焊接状态时，电弧是一个变化很大的不稳定的动态负载，尤其是熔化极焊机，又包含了很多种过渡状态，如短路、大颗粒、射流过渡等。逆变焊机二次输出大都采用了二极管全波整流的拓扑电路形式，二极管的反向恢复过程又会造“二次短路效应”，变压器二次侧被二极管短路，成此时流过较大的短路电流，造成ＩＧＢＴ开通电流尖峰。另外，电焊机实际使用现场环境恶劣、复杂，因此电焊机二次输出发生偶尔短路故障是不可避免的，这就要求逆变焊机的开关器件能经受上述条件下的短路输出，且不能造成损伤。总之，应确保在允许的各种恶劣条件下，ＩＧＢＴ不发生损坏，处于安全工作区之内。主要通过测试ＳＣＳＯＡ来确认，并通过各种措施来完善、改进。２．１．１ＩＧＢＴ短路安全工作区的测试当电网电压±１０％变化时，焊机按照ＧＢ要求，应能满足正常使用要求，实际输出应没有变化。当电允许输出有较大变化但应网电压变化超过±１０％时，能使用，且保证不被损坏。一般该范围设定为正常电压的±２０％，ＡＣ３８０Ｖ是４５６Ｖ和３０４Ｖ，而ＡＣ２２０Ｖ是２６４Ｖ和１７６Ｖ。测试ＳＣＳＯＡ，焊机电网电压图２开关时间１．４热特性Ｒｔｈ(ｊ－ｃ)是ＩＧＢＴ(包括内制二极管)结同外壳之间的热阻最大值。Ｒｔｈ(ｃ－ｆ)是指ＩＧＢＴ(包括内制二极管)在按照说明使用导热硅脂并按规定力矩值安装条件下外壳同散热器之间的热阻最大值。２ＩＧＢＴ的选取和使用大多数情况下考虑成本因素，在使用前首先选择生产商和品牌，然后再根据焊机的使用电压、功率、工作频率、封装型式来选取具体型号。目前国内大多数逆变焊机使用的都是２单元其拓扑电封装的Ｎ沟道ＩＧＢＴ(以下讨论和研究的)，路一般采用半桥或全桥式。以下讨论是建立在电网电压ＡＣ３８０Ｖ，全桥逆变硬开关电路的基础之上。在选定了某个具体型号后，也仅仅只是选择了试验品，远远没有达到可以正式使用的程度，还需要通过大量的相关试验来确认。试验目的是不断完否则反复更善修正设计方案(除非偏离目标很远)，换ＩＧＢＴ厂家，轻易改变系列型号或提高容量是不可取的，这不仅会对焊机成本造成影响，还会掩盖一些技术隐患。在进行相关试验前，购买样品是必须的步骤，如果有条件，最好让生产商提供具有极限参数的样品，因为生产工艺中ＩＧＢＴ的各参数具有离散性，所以应关时该采用允许离散范围内最差参数的样品，如开、间最长，饱和压降最大。也可以采取小批量购买，然后自己进行测试的方式，比较容易测试的参数是饱和压降和开、关时间虽然这个工作很繁琐，但确实有必要，会对ＩＧＢＴ等。的离散性有一定的把握，也会对以后的试验提供一定的基准。如果小批量的离散性较大，那应该考虑选择别的生产商。研究与设计杨学武等：逆变弧焊电源ＩＧＢＴ模块的设计和选型第１２期一般取＋２０％。ＳＣＳＯＡ应在苛刻条件下进行测试，如表１所示。表１项目电网电压焊接电压焊接电流推力电流脉冲有／无交流输出／直流输出ＳＣＳＯＡ苛刻测试条件ＳＣＳＯＡ测试条件＋２０％最大最大最大有交流备注焊机外接调压器——手工焊ＭＩＧ①ＴＩＧ②生的位移电流越大，造成栅极电压升得更高。第二种情况下的短路电流比第一种情况要高得多，如图４所示。注：①通过试验来确认，因为ＭＩＧ脉冲电流峰值最大值要大于焊机ＩＧＢＴ的损耗有可能更大一些；②对于逆变ＴＩＧ焊机，交流额定值，输出都是在变压器二次侧通过ＧＴＲ或ＩＧＢＴ进行二次逆变得到的，一次ＩＧＢＴ的功率损耗也更大些。图４第二种短路情况特性ＳＣＳＯＡ分为两种情况：ａ．焊机输出先短路，然ｂ．ＩＧＢＴ先开通(即焊机空载)，然后将后开通ＩＧＢＴ；焊机输出短路。(１)第一种情况。随着ＩＧＢＴ的开通，电流ＩＣ的初始上升速度取决于驱动参数(驱动电压、栅极电阻)和线路寄生电感。当电感充电时，ＵＣＥ下降至电源电压ＵＣＣ以下的某个值，但很快ＵＣＥ就恢复到接近ＵＣＣ，此期间电压变并化ｄｕ／ｄｔ会通过栅极－集电极电容产生位移电流，造成栅极电压瞬时升高。这一外加的栅极电压使ＩＧＢＴ结构中的电子和空穴等离子迅速增加，几微秒内集电极峰值电流增大，如图３所示。当ＩＧＢＴ关断时，由于线路电感、变压器漏感的存在，集电极短路电流的陡降，都会引起ＵＣＥ的急与剧增加，产生电压尖峰，即关断浪涌电压Ｌｄｉ／ｄｔ。ＩＧＢＴ并联的续流二极管在反向恢复时也会产生浪涌电压Ｌｄｉ／ｄｔ。两者均有可能超过规格值，造成ＩＧＢＴ损坏。在第二种情况下(空载～短路)，集电极短路电流ｄｉ／ｄｔ也较高，引起的关断浪涌电压尖峰也较较大，大，因此主要在这种情况下确定ＩＧＢＴ的ＳＣＳＯＡ。ＩＧＢＴ的ＳＣＳＯＡ具有脆弱性，且不可逆，要求实际使用时的允许值必须较规定值有一定安全裕量，以１００Ａ的ＩＧＢＴ为例，如表２所示。表２项目ＵＣＥＳ规定值１２００Ｖ３００Ａ２００ＡＩＧＢＴ安全工作区允许值实际允许值１０００Ｖ２４０Ａ(８０％)１６０Ａ备注或９６０Ｖ(８０％)冷态，壳温２５℃，１ｍｓ热态，壳温８０℃，１ｍｓ测试设备示波器示波器示波器ＩＣＲＭ图３第一种短路情况特性(２)第二种情况。焊机处于空载状态，此时ＩＧＢＴ已经导通，但ＩＣ很小，如果此时将焊机输出短路，则增加的短路电流将使ＩＧＢＴ的集电极～发射极电压迅速从ＵＣＥ(ｓａｔ)增加到总电压ＵＣＣ，力图使ＩＧＢＴ退出饱和区实现关此期间的电压变化ｄｕ／ｄｔ会比第一种情况下高断。很多，又因ＵＣＥ越低，栅极～集电极电容量越大，产２．１．２确保短路安全工作区的对策(１)过电压对策。ＵＣＥ超出ＩＧＢＴ的集电极－发射极间耐压允许值，就可能损坏ＩＧＢＴ。解决的办法主要有：ａ．选取ＩＧＢＴ时应设计裕量，对于电网电压ＡＣ考虑成本因素一般选取１２００Ｖ，建议不要轻３８０Ｖ，易选取更高耐压值的ＩＧＢＴ。ｂ．增大ＩＧＢＴ驱动电阻ＲＧ，可以减小开通(ＦＷＤ反向恢复时)和关断时的浪涌电压，但会增加ＩＧＢＴ开关损耗。ｃ．改变栅极驱动电压ＵＧＥ(＋ＵＧＥ、－ＵＧＥ)。研究与设计第３８卷＋ＵＧＥ越低，开通时对应支路的ＩＧＢＴ产生的浪涌电压越小。－ＵＧＥ越低，ＩＧＢＴ关断时的浪涌电压越＋ＵＧＥ推荐值为１５Ｖ±１０％，能够使ＩＧＢＴ完全饱和小。导通，通态损耗也小。－ＵＧＥ推荐值为－５Ｖ～－１５Ｖ，为避免误触发应在－５Ｖ以上，尤其是栅极驱动线较长时，更应注意。ｄ．关断浪涌电压(Ｌｄｉ／ｄｔ)和线路电感关系密切，ＩＧＢＴ附近连线应尽量短、粗，多用铜排连接，以减小寄生电感。ｅ．改进变压器生产工艺，尽量减小变压器一次侧漏感；如果变压器一次侧电感量过大，也会产生较高的浪涌电压。ｆ．在变压器一次侧上套装吸收铁氧体磁环(锰锌或镍锌)也能有效抑制电压尖峰(尤其是对环形非晶态磁心的变压器)。如果材料选择不适当，则非常容易造成磁环温度超标。ｇ．改善电压缓冲保护电路。(２)过电压保护缓冲电路。过电压缓冲保护电路对ＩＧＢＴ的安全工作起着很重要的作用，同时通过改善缓冲保护电路来解决过电压问题。ＩＧＢＴ过电压缓冲保护电路如图５所示。图５ＩＧＢＴ过电压保护缓冲回路类型过电压保护缓冲电路分两种：一种是和ＩＧＢＴ一一对应的个别缓冲电路；另一种是针对每个模块(包含两个ＩＧＢＴ)的集中式缓冲电路。ａ．个别缓冲电路。①ＲＣ缓冲电路。使用大容量ＩＧＢＴ时，应增大缓冲电阻。否则开通时集电极电流过大，增加ＩＧＢＴ负担。ＲＣ吸收电还路因电容Ｃ的充电电流在电阻Ｒ上产生压降，会造成过冲电压。ＲＣ缓冲电路的损耗较大，电阻功率一般达几十Ｗ，因此高频场合应用时需注意。②充放电型ＲＣＤ缓冲电路。与ＲＣ缓冲电路相比其特点是：ＩＧＢＴ关断时电流通过快速二极管给电容充电，开通时通过电阻放电，这样缓冲电阻可以取较大值，减小了开通时ＩＧＢＴ的负担。ＲＣＤ电路因用二极管旁路了电阻上的充电电流，从而克服了过冲电压。ＲＣＤ缓冲电路发生的损耗(主要是电阻损耗)较大，高频时需考虑。③放电阻止型ＲＣＤ缓冲电路。与充放电型ＲＣＤ缓冲电路相比，产生的损耗较放电阻止型缓冲电路中吸收电容小，更适合于高频。的放电电压为直流电源电压，每次关断前，电容仅将上次关断电压的过冲部分能量通过电阻回馈到直流电源，减小了吸收电路的损耗。由于电容电压在ＩＧＢＴ关断时从电源电压开始上升，它的过电压吸收能力不如充放电型ＲＣＤ缓冲电路。ｂ．集中式缓冲电路。①集中电容式缓冲电路采用高频薄膜电容，靠近ＩＧＢＴ安装，电容容量较大。特点是电路简单；缺点是电路中无阻尼元件，线路寄生电感及缓冲电容易产生电压振荡，选择无感电容，构成ＬＣ谐振电路，ＩＧＢＴ开通时集电极电流较大。②集中型ＲＣＤ缓冲电路属于放电阻止型缓冲对二极管电路，承担着上下两个ＩＧＢＴ的缓冲任务，的要求较高，但电阻不能太大。使用电压保护缓冲电路的注意事项：根据实际选择适当的缓冲保护电路，抑制关断浪涌电压。吸收电容应采用无感电容，引线尽量短，直接接在ＩＧＢＴ端子上；吸收二极管应选用快开通和快软恢复二极管，以免产生开通过电压和反向恢复引起装配时尽量降低主电路和缓冲较大的振荡过电压。研究与设计杨学武等：逆变弧焊电源ＩＧＢＴ模块的设计和选型第１２期电路的寄生电感，配线应短而粗。焊机工作环境恶劣，粉尘、盐雾比较严重，多数为降低缓冲回是缓冲回路先损坏，继而ＩＧＢＴ损坏。路故障率，减少故障点数，方便生产和维修，减小寄紧凑。生电感，缓冲电路应尽量简单、根据实际经验，不推荐将缓冲器件安装在线路板上，因为主电路中电路板容易积尘短路，印刷板条易腐蚀。(３)过电流对策。如果ＩＣ超过了允许值，也可能造成ＩＧＢＴ的损坏，解决办法为：ａ．选择大额定容量ＩＧＢＴ，如７５Ａ更换为１００Ａ，成本增加，应尽量通过其他方法来解决。ｂ．选择饱和压降大的产品，但损耗会增加。ＩＧＢＴ能承受很短的短路过电流，承受时间与ＩＧＢＴ的导通饱和压降有关，随着饱和导通压降的增加而如饱和压降小于２Ｖ的ＩＧＢＴ允许承受的短路延长。时间小于５μｓ，３Ｖ时可达１５μｓ，４～５Ｖ时可达３０μｓ以上。ｃ．减小＋ＵＧＥ，增大ＲＧ。ｄ．增加过电流保护电路。(４)过电流保护电路。ＩＧＢＴ的过电流保护电路主要有以下类型：ａ．电阻或电流互感器检测过电流进行保护。电阻或电流互感器与ＩＧＢＴ串联，检测流过ＩＧＢＴ集电极的电流。当有过电流发生时，控制电路断开ＩＧＢＴ的栅极输入，达到保护ＩＧＢＴ的目的。ｂ．通过ＩＧＢＴ的ＵＣＥ(ｓａｔ)检测过电流进行保护。因ＵＣＥ(ｓａｔ)＝ＩＣＲＣＥ(ｓａｔ)，当ＩＣ增大时，ＵＣＥ(ｓａｔ)也随之增大，控制电路通过检测ＵＣＥ(ｓａｔ)来保护ＩＧＢＴ。ｃ．通过检测输出电流过电流进行保护。此方法与ａ．检测方法基本相同，ａ．属直接法，此属间接法。通过检测焊机二次输出电流来达到保护一次侧ＩＧＢＴ的目的。ｄ．栅极关断保护方式。过电流保护电路对栅极的关断主要有直接关断和降低栅极电压两种方式。直接关断指在过电流其抗干扰能或短路时，直接关断ＩＧＢＴ栅极输入，力差，一旦检测到过电流信号就关断，容易发生误动作。为提高电路的抗干扰能力，可增加延时电路，ＩＧＢＴ剧烈但短路电流会在这个延时内迅速上升，发热，往往是保护电路动作了，ＩＧＢＴ仍然损坏。降低栅极电压的方式是在检测到ＩＧＢＴ过电流时，迅速降低栅极电压，ＩＧＢＴ仍导通。降压后设有延时，限制短路电流在较小值，延长ＩＧＢＴ抗短路时若延时后短路依然存在，则彻底关断器件，若短间。路消失，驱动电路则自动恢复到正常的工作状态。(５)ＰＷＭ控制芯片与过电流保护。因为电压型ＰＷＭ控制器(如ＴＬ４９４、ＳＧ３５２５)的过电流采样点一般取自焊机的输出端，所以不可避免地存在延迟，过电流保护动作时间延长，不能及容易误动作。实际情况时对ＩＧＢＴ进行过电流保护，是，采用电压型ＰＷＭ的焊机通常不设计ＩＧＢＴ过电流保护电路，而是通过加大安全裕量来保护ＩＧＢＴ。采用电流型ＰＷＭ控制器(如ＵＣ３８２４／５)的焊机，过电流信号通常由高频变压器一次侧通过电流互感器获取。由于电流信号取自变压器一次侧，反应速ＰＷＭ立即关断输出脉冲，度快，一旦发生过电流，及时保护ＩＧＢＴ。电流型ＰＷＭ控制器固有的逐个脉冲检测瞬时电流值的控制方式对输入电压和负载变化响应快，系统稳定性好。在电流型ＰＷＭ控制器控制下，全桥和推挽拓扑电路的偏磁现象不复存在，主变连接时无需隔直电容。而电压型ＰＷＭ控制器则必须使用防偏磁隔直电容。２．２ＩＧＢＴ的温升设计正确选用ＩＧＢＴ有两个关键因素：一是电压、电流无论在稳安全工作区；二是ＩＧＢＴ的工作结温Ｔｊｍａｘ。态或瞬态都不允许超过ＩＧＢＴ的最高允许结温，否则将引起器件内部电或热不稳定而导致器件失效。ＩＧＢＴ的温升设计是影响其可靠工作的决定性因素。ＩＧＢＴ模块由ＩＧＢＴ和ＦＷＤ构成，它们各自发生的损耗合计为ＩＧＢＴ整体的损耗，ＩＧＢＴ模块损耗构成如图６所示。图６ＩＧＢＴ模块损耗构成２．２．１损耗的估算温升设计时为准确保证安全裕量，应使用参数最恶劣的ＩＧＢＴ样品进行试验、计算，如饱和压降最大，开关时间最长。研究与设计第３８卷(１)通态损耗。逆变焊机中可以将ＩＧＢＴ集电极流过的电流波形近似认为是矩形波，从而可以简单地进行通态损耗的计算。ＩＧＢＴ通态损耗＝饱和压降×通态电流。此处的饱和压降不是额定饱和压降，而是实际饱和压降(通常小于额定饱和压降)，如果使用额定可能造成误导，饱和压降计算ＩＧＢＴ的通态损耗，增加成本。实际的饱和压降通过查阅厂家提供的ＩＣ＝ｆ(ＵＣＥ)关系图(见图７)可以得到。例如Ｔｊ＝１２５℃，ＵＧＥ＝１５Ｖ，ＩＣ＝４０Ａ时，ＵＣＥ(ＳＡＴ)≈３Ｖ，考虑到离散性，ＵＣＥ(ＳＡＴ)＝３Ｖ＋(额定ＵＣＥ(ＳＡＴ)ｍａｘ－额定ＵＣＥ(ＳＡＴ)ｍｉｎ)。图７集电极电流ＩＣ和饱和压降ＵＣＥ(ＳＡＴ)关系导通状态下ＩＧＢＴ的ＩＣ波形近似为矩形，顶部也接近水平，但存在一定的斜率，计算通态损耗时电流可取平均值，即(ｉ２－ｉ１)／２，如图８所示。ＩＧＢＴ开通后(此时电压已经接近饱和压降)，电流还没有达到稳定的这段上升时间(ｔ０～ｔ１)内的ＩＧＢＴ的损耗估算图８ＩＧＢＴ通态损耗估算波形Ｐ＝ｉ－ｉＵＣＥ(ＳＡＴ)ｔ－ｔ。综上，ＩＧＢＴ的通态损耗为Ｐ通态＝ｉ２－ｉ１ＵＣＥ(ＳＡＴ)ｔ２－ｔ１＋ｉ１－ｉ０ＵＣＥ(ＳＡＴ)ｔ１－ｔ０，Ｔ为ＩＧＢＴ工作周期。(２)开关损耗。当ＩＧＢＴ工作频率高于５ｋＨｚ时，ＩＧＢＴ开关损耗会显著增加，随频率的提高在总损耗中所占比例也式中会大大增加。目前国内主流逆变焊机的工作频率为１５～２０ｋＨｚ，开关损耗所占比例较大，有的甚至超过５０％。开关损耗的计算比较复杂，较为精确的方法是测量ＩＣ和ＵＣＥ在开关过程中的波形，将此波形逐点相乘、相加。鉴于实际波形的不规则性，所以实际工程上是采用将波形分段积分再相加的方法近似计算。在开关损耗中，主要为关断损耗。ＩＣ的变化总是延迟于ＵＣＥ的变化，造成开通时电压较小，损耗较小；而关断时电流较大，损耗也较大。研究与设计杨学武等：逆变弧焊电源ＩＧＢＴ模块的设计和选型第１２期将ＵＣＥ和ＩＣ波形近似分为四条直线段(Ｕ１～Ｕ４，Ｉ１～Ｉ４，线段数越多，计算越接近实际情况，一般为３～５条)，根据各线段的坐标点求出各线段的直线方程，如图９所示。图９ＩＧＢＴ关断损耗估算波形电压表达式：Ｕ１＝ｕ２－ｕ１(ｔ－ｔ１)＋ｕ１，２１Ｕ２＝ｕ３－ｕ２(ｔ－ｔ２)＋ｕ２，３２Ｕ３＝ｕ４－ｕ３(ｔ－ｔ３)＋ｕ３，４３Ｕ４＝ｕ－ｕ(ｔ－ｔ４)＋ｕ４。５４电流表达式：Ｉ１＝ｉ－ｉ(ｔ－ｔ１)＋ｉ１，２１Ｉ２＝ｉ－ｉ(ｔ－ｔ２)＋ｉ２，ｔ３－ｔ２Ｉ３＝(ｔ－ｔ３)＋ｉ３，ｔ４－ｔ３Ｉ４＝ｉ５－ｉ４(ｔ－ｔ４)＋ｉ４。５４各部分功率计算：，乙ＴＰ＝乙，ＴＰ＝乙ＵＩｄｔ，Ｐ＝乙ＵＩｄｔ，ｔ２Ｐ１＝２ｔ１ｔ３ｔ２ｔ４３３３ｔ３ｔ５４４４ｔ４式中Ｔ为ＩＧＢＴ工作周期(频率的倒数)。ＩＧＢＴ总的关断损耗为Ｐ关断＝Ｐ１＋Ｐ２＋Ｐ３＋Ｐ４。(３)开通损耗。ＩＧＢＴ开通损耗估算也可采用上述方法，开通时ＩＧＢＴ开通损耗损耗很小，根据实际波形忽略不计，估算波形如图１０所示。图１０ＩＧＢＴ开通损耗估算波形Ｕ１＝ｕ２－ｕ１(ｔ－ｔ１)＋ｕ１，２１Ｉ１＝ｉ２－ｉ１(ｔ－ｔ１)＋ｉ１，２１Ｐ开通＝式中Ｔ为ＩＧＢＴ工作周期。(４)二极管ＦＷＤ损耗。逆变焊机中ＩＧＢＴ负载为感性负载，可以近似乙ｔ２ｔ１Ｕ１Ｉ１ｄｔ，地通过二极管正向压降与二极管平均电流的乘积来计算功耗，而不再区分通态和开关损耗，二极管研究与设计第３８卷的功耗相对较小，忽略不计。续流二极管损耗估算波形如图１１所示。图１１续流二极管损耗估算波形·Ｕ·(ｔ－ｔ)，ＰＦＷＤ＝(ｉ－ｉ)ｉ１＝ｉ２＝０式中ＵＦ为二极管正向压降；Ｔ为ＩＧＢＴ工作周期。(５)ＩＧＢＴ模块总损耗Ｐｔｏｔａｌ。ＰＩＧＢＴ＝Ｐ通态＋Ｐ关断＋Ｐ开通，Ｐｔｏｔａｌ＝ＰＩＧＢＴ＋ＰＦＷＤ。对于２单元的ＩＧＢＴ(包括２个ＩＧＢＴ和２个二极管)，则总功耗为２Ｐｔｏｔａｌ。根据损耗计算ＩＧＢＴ外壳允许温度Ｔｃ＝Ｔｊｍａｘ－２(ＰＩＧＢＴＲｔｈ(ｊ－ｃ)＋ＰＦＷＤＲｔｈ(ｊ－ｃ)Ｄ)，式中Ｔｃ为ＩＧＢＴ壳温；Ｒｔｈ(ｊ－ｃ)为ＩＧＢＴ结对外壳的热Ｒｔｈ(ｊ－ｃ)Ｄ为二极管结对外壳的热阻。阻；根据经验，计算出来的壳温应该留出２０℃的安全裕量，即Ｔｃ－２０(常用方案)；或留出２０％的裕量，即Ｔｃ×８０％。上述ＩＧＢＴ允许的壳温，前提是焊机所处的环境温度为４０℃。(６)ＩＧＢＴ散热器的选择。选择散热器的关键是先求出ＩＧＢＴ外壳和散热器之间的热阻，再根据热阻选择合适的散热器。为节省体积和成本，一块散热器上可安装ＩＧＢＴ，也可安装其他功率器件，如整流桥、二极管模块等。在此为了方便计算，仅考虑ＩＧＢＴ(两个２单元ＩＧＢＴ，全桥电路)安装到散热器上的情况。建立热等效电路(见图１２)，列出热方程式。Ｔｃ＝２ＰｔｏｔａｌＲｔｈ(ｆ－ａ)＋ＰｔｏｔａｌＲｔｈ(ｃ－ｆ)＋Ｔａ，则Ｒｔｈ(ｆ－ａ)＝。２Ｐｔｏｔａｌ根据计算结果，参考热阻曲线，选择相应材质、形状、体积的散热器，如图１３所示。Ｔａ—环境温度；Ｔｃ—ＩＧＢＴ壳温；Ｔｆ—散热器表面温度；Ｒｔｈ(ｃ－ｆ)—ＩＧＢＴ外壳和散热器之间的热阻；Ｒｔｈ(ｆ－ａ)—散热器和周围环境之间热阻(涂导热硅脂)。图１２图１３热阻和散热器长度、风速关系曲线２．２．２热等效电路实际温升测试(１)壳温测试。选定散热器并确定ＩＧＢＴ的安装位置后，即可实研究与设计杨学武等：逆变弧焊电源ＩＧＢＴ模块的设计和选型第１２期际测试ＩＧＢＴ的温升，并推导出结温是否满足要求。利用热电偶测试壳温。理论上较准确的壳温测但实际测试时非试点应在ＩＧＢＴ铜基板的正中心，常不方便，通用的测试方法是测试ＩＧＢＴ铜基板侧面中间部位的温度，且两侧都要测试。由于此处的温度低于中心位置的温度(相差约１０℃)，所以在测量侧面壳温时要钻深２ｍｍ，φ１．０ｍｍ的孔，再放入热电偶测试，这样测出的壳温才比较接近中心的壳温，如图１４所示。图１４ＩＧＢＴ壳温测试方法(２)降低ＩＧＢＴ温升的方法。ａ．选择更大容量的ＩＧＢＴ，如７５Ａ的模块变为１００Ａ。ｂ．选择开关速度更快，电流拖尾更小的ＩＧＢＴ。ｃ．将硬开关改为软开关控制，也是减小逆变焊机体积的有效方法。ｄ．减小ＩＧＢＴ驱动电阻ＲＧ。ｅ．降低栅极驱动电压ＵＧＥ(＋ＵＧＥ、－ＵＧＥ)。ｆ．降低关断时的浪涌电压，以减少关断损耗。如减小线路寄生电感，修改缓冲保护电路等。ｇ．改变散热器材料；加长或加宽散热器；选择耗散功率强的有效散热面积大(例如肋片数量多)、散热器。ｈ．在强制风冷的前提下，改善风道设计。①风道的影响。在焊机结构允许变更较大的前提下，焊机(风扇吹向)可由“卧式(前后吹风)”改为“立式(由上向下吹风)”，或“立式”变为“卧式”。结构中的“吹风式”(由后向前)变为“抽“卧式”，或相反。风式(由前向后)”②风力的影响(风扇与散热器的距离)。风扇与ＩＧＢＴ的距离不一定越近散热效果越好，可尝试不同的距离。③风向的影响。如果传统的电机加扇页的方式不能满足温升需求，可选择轴流风机替代，轴流风机体积小，安装轴流风机需方便，气流集中，散热的目标性比较强。“桶装”风道才能更好地发挥优势。配合利用挡风板使原来发散的气流更加集中地吹向ＩＧＢＴ。④风速、风量的影响。选择转速更快，风量更大的冷却风机；在焊机上增开或减少散热孔、百叶窗。(３)ＩＧＢＴ的过热保护。焊机可能超负载持续使用，也可能发生其他异常情况，如风扇损坏，都可能造成ＩＧＢＴ温升过高而常用的方法损坏，所以必须对ＩＧＢＴ进行过热保护。是加装温度继电器，当温度超过规定时，温度继电器动作使ＩＧＢＴ停止工作并报警。对于全桥电路，温度继电器一般先安装在两个ＩＧＢＴ的中间位置，然后根据试验结果适当调整。ａ．温度保护继电器的选择。温度继电器的动作温度不能过高也不能过低。过高则不能有效保护ＩＧＢＴ，过低则动作过早，影响焊机正常使用，尤其是在工作环境温度较高时。另外还需特别注意温度继电器的“延时”特性，即当温度继电器下面的散热器表面温度已经达到动作温度但温度继电器却不动作，而是再升高一定温度才动作，温差一般５℃～７℃，这是由结构、制造散热方式以及周围环境温度决定的。工艺、如果动作温度已经提前设定，那么应选择低于这个动作温度的继电器，否则继电器不会及时动作。温度继电器的选定还要综合考虑焊机变压器、电抗器、以及其他功率器件的温升，焊机负载持续率也是必须考虑的。温度继电器的动作温度应该在ＩＧＢＴ模块允许ＩＧＢＴ估算值以壳温之上(估算值再留出２０℃裕量)、所以估算值的准确性非常下，一般取中下值较好。重要，必须通过试验验证。在认为估算外壳温度(结温已经达到１５０℃)就是ＩＧＢＴ损坏温度的前提下进行ＩＧＢＴ过热爆破试验。ｂ．ＩＧＢＴ过热爆破试验。对于负载持续率不是１００％的焊机，将负载持续率提高到１００％，焊机设定为最大输出，拆除温度保记录当ＩＧＢＴ因过热而护继电器，监测ＩＧＢＴ壳温，损坏时的壳温，此温度和估算出的壳温(实际允许温度)误差应该在±５℃内。根据爆破温度可以进一步修正ＩＧＢＴ允许壳温和温度保护继电器动作值。ｃ．风扇停转试验。验证温度保护继电器是否及时动作的另一个然后焊机加电方法是人为将焊机风扇停转(不供电)，工作，监测ＩＧＢＴ壳温，记录温度继电器动作时ＩＧＢＴ研究与设计第３８卷壳温，此时ＩＧＢＴ的壳温必须小于爆破温度(即保证ＩＧＢＴ不能损坏)，并且尽量接近风扇正常运转时温度继电器动作时的壳温。ｄ．热循环能力的考虑。ＩＧＢＴ除最高结温限制外，还受温度循环变化的输出功率的变化、环限制，随着焊机的开通与关断、境温度的变化等，ＩＧＢＴ芯片温度也相应变化。在实际使用中，ＩＧＢＴ的结温将随着焊机的工作状态而循环变化，其温度变化范围ΔＴｊ是热设计最后需要考虑的，往往容易被忽视。ＩＧＢＴ温度变化ΔＴｊ和循环次数关系如图１５所示。发生温度保护继电器频繁动作，影响焊机的正常使海拔１０００ｍ以下可不作考虑。用。２．３ＩＧＢＴ的防尘和防腐图１５ΔＴｊ和循环次数的关系ＩＧＢＴ芯片是用焊料焊在基座上的，芯片、焊料、基座等各种材料具有不同的膨胀系数，随着ＩＧＢＴ的冷却，会引起结合面之间的机械应力，不同膨加热、胀系数的材质将使中间层处于弯曲应力和剪切应这种应力循环累积，会使内部结构逐渐变力状态下。差，最终导致破坏。因此ＩＧＢＴ最好不要处于温差较大、骤冷骤热的温度循环状态下，这样容易造成ＩＧＢＴ机械损伤，这种损坏一般在焊机使用较长一段时间后才易出现。当焊机使用高转速、大风量散热时应注意。ΔＴｊ的大小并不一定拘泥于厂家提供的数据(如有的厂家给出ΔＴｊ＝３０℃)，焊机的工作状态和厂家的测试状态区别较大，ΔＴｊ是影响ＩＧＢＴ寿命的一个因素，尤其是当使用较长时间后ＩＧＢＴ开始不明原因的批量损坏时，应该考虑是ΔＴｊ的原因。ｅ．海拔对ＩＧＢＴ温升的影响。随着海拔的升高，散热条件变差，会造成ＩＧＢＴ温升增加，所以当焊机在高原地区使用时(如我国西北地区)，ＩＧＢＴ的温升设计要留够裕量，否则容易ＩＧＢＴ多应用于高压回路，对使用环境的要求更苛刻。由于焊机工作环境的复杂性和恶劣性，所处的环境往往存在高粉尘(很多都是金属粉尘)或腐蚀性气体(海边或海上作业时的盐雾问题)，所以只能加强焊机本身的防尘和防盐雾性能。ＩＧＢＴ为单面散热的器件，这给防尘、防盐雾提供了前提条件，现在很多逆变焊机的散热结构由两块散热片组成，其中一块安装ＩＧＢＴ和一次整流桥，另一块安装二次二极管，两块散热器散热肋片相对安装组成桶装风道，从而进行散热。ＩＧＢＴ的正面几乎不具备散热功能，但却很容易积尘短路，最好完全隔离于风道，常用钣金做成相对独立的腔体将整个ＩＧＢＴ散热器正面封闭起来，ＩＧＢＴ附近也不要开设散热孔或百页窗(防尘、防腐、防水)。如因焊机整体结构的原因，ＩＧＢＴ不得不处于风道之中，也需采取相应措施，如利用一片阻燃的ＰＥＴ薄膜将ＩＧＢＴ顺着风道方向罩起来，也能取得一考虑到防盐雾腐蚀，ＩＧＢＴ端子还需定的防尘效果。进行如涂胶等防腐处理。另外，“卧式”结构焊机的风向设计也需慎重考虑，现场大多情况是焊接施工工位位于焊机前方，如果采用“抽风”式的气流设计，气流从焊机前部吸入，后面吹出，焊接过程中的飞溅或打磨的金属粉尘更易被吸入焊机内部，所以“卧式”结构的焊机不提倡采用“抽风”式设计。２．４ＩＧＢＴ的安装(１)考虑温升和应力的因素，在安装时应注意以下几点。ａ．ＩＧＢＴ的安装位置。由于热阻随ＩＧＢＴ安装位置的不同而不同，因此，当散热器上仅安装一个ＩＧＢＴ时，应将其安装在应正中间，以使热阻最小；当要安装几个ＩＧＢＴ时，根据每个ＩＧＢＴ的发热情况留出相应的散热空间。ｂ．ＩＧＢＴ的安装方向。使用带纹路的散热器时，应将ＩＧＢＴ较宽的方向顺着散热器的纹路，以减少散热器的变形；将ＩＧＢＴ安装在由挤压模具制作的散热器时，模块的安装方向与散热器挤压方向最好平行，以减小散热器变形的影响。研究与设计杨学武等：逆变弧焊电源ＩＧＢＴ模块的设计和选型第１２期方式预紧正式紧固力矩规定力矩图１６顺序②→①(④→③→②→①)规定力矩的１／３(参考)①→②(①→②→③→④)ＩＧＢＴ螺栓固定顺序ｃ．散热器表面处理。散热器的安装表面粗糙度应小于等于１０μｍ，如果散热器的表面不平，将大大增加散热器与器件的接触热阻。ｄ．导热硅脂的涂敷。为了减少接触热阻，最好在散热器与ＩＧＢＴ间涂抹导热硅脂，且一定要均匀，但不必太厚，涂敷良好的导热硅脂能有效降低热阻２０％～３０％。ｅ．ＩＧＢＴ模块的固定。为了保证ＩＧＢＴ不受应力的影响，ＩＧＢＴ的固定螺栓安装时需按照一定的顺序，如图１６所示。最终紧固时必须按照厂家规定的力矩进行紧固，过大的力矩将会损坏ＩＧＢＴ壳体或绝缘层；过小的力矩则会增大热阻，影响散热，也会使ＩＧＢＴ在运输或使用中松动。ＩＧＢＴ功率端子和铜排或电缆连接时也应注意力矩大小，连接用螺栓不要过长，以免破坏ＩＧＢＴ内部锡焊配线。(２)ＩＧＢＴ栅极防静电措施。ＩＧＢＴ栅极比较脆弱，对静电非常敏感，静电是ＩＧＢＴ损坏的一个重要原因。这是因为ＩＧＢＴ栅极输入阻抗非常大，输入电容很小，很小的电荷积聚就能引起较高的电压(Ｕ＝Ｑ／Ｃ)；另外，栅极只通过一层氧化膜与发射极实现电隔离，该氧化膜较薄，耐压所以需要对ＩＧＢＴ进行防静电。也很低(２０～３０Ｖ)。安装使用ＩＧＢＴ时，应穿着防静电服和防静电取用ＩＧＢＴ时，鞋，并在接地的导电垫板上进行操作。要拿封装壳体，不要直接触碰端子，尤其是驱动端子。插接驱动端子时要佩带防静电手镯，如需焊接(尽可能不用焊接方式)，电烙铁必须接地并且在加热断绝对不能带电电后才能焊接，焊接温度也不能过高。插拔驱动端子。栅极和发射极之间的导电泡沫塑料或短路金属环不可随意取下，装配时也不可用手指生产线上直接接触，直到栅极管脚进行永久性连接。ＩＧＢＴ的安装还需注意保证空气湿度，必要时安装加湿器，以防止静电积聚，尤其在北方干燥的冬春季节更应当注意该问题。２．５ＩＧＢＴ的保管与运输(１)保管。ａ．ＩＧＢＴ的存储温度理论上范围很宽(－４０℃～＋１５０℃)，但半导体电子设备的保管以温度５℃～湿度４５％～７５％为宜，所以ＩＧＢＴ的存储场所３５℃，需注意保持温度和湿度，必要时可架设空调器、加湿器。ｂ．避开产生腐蚀性气体和粉尘多的场所。ｃ．避免温度积聚变化的场所。ｄ．不要在ＩＧＢＴ包装箱上施加外力或负荷，避免过度叠放。ｅ．对于脱离原包装的ＩＧＢＴ，应选择不易产生静电的容器放置。(２)运输。ａ．搬运时不要受到外力冲击或使其跌落。ｂ．拆除包装的ＩＧＢＴ搬运时相互间应用柔软的防静电衬垫间隔，以免碰伤。ｃ．使用防静电容器搬运。ｄ．防止运输振动，以免栅极和发射极之间的导电泡沫塑料或短路金属环脱落。３结论ＩＧＢＴ模块的综合性能非常优秀，已成为当今逆ＩＧＢＴ模块工作在变弧焊机中逆变器的主流器件。高频状态，使用时更要注意器件容量的选择，严格考核安全工作区和进行温升设计，并提供完善的保护电路和抗干扰措施，只有这样才能确保其使用中的安全性和可靠性。→→→→→→→→→→→→→→→→→→→→→→→→→→→→→→→→→→→→→→→→→→→→→Ｐａｇｅ１７焊、背面应用陶瓷衬垫＋正面大能量输入的双细丝单面埋弧焊焊接，焊缝正反面一次成形，性能完全达《焊接与材料》规范要求。实现了在使到中国船级社用普通埋弧焊方法时得到的ＦＣＢ专机效果，可用于提高焊板厚１２～１８ｍｍ的船体结构或曲面外板拼接，接效率１０倍以上，焊接质量稳定，应用前景良好。
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