单管IGBT在逆变焊机中的选择与失效分析

 摘要：本文研究了逆变焊机中不同逆变拓扑的工作方式与输出特性以及关键开关功率器件单管IGBT在不同电路拓扑下的选择及IGBT的失效原因分析。

关键词：单管IGBT，逆变焊机，逆变电路拓扑，失效分析

0.   前言

随着半导体工艺技术不断提升，尤其是单管IGBT半导体技术的不断提升。逆变焊机的研究与生产又进入了一个更加节能，高效，功率密度高，控制简单，操作容易，动态响应快尤其是近几年国产IGBT技术的日渐成熟使得半导体器件的价格大幅度下降，在中小功率段逆变焊机单管IGBT已然成为焊接电源的又一个发展方向。

单管IGBT逆变焊机与MOSFET逆变焊机有其独特优点：之前由于单管IGBT的开关频率受限（20KHZ以下限制了变压器及磁元件的设计），在小功率民用市场被MOSFET逆变焊机所占据，但随着单管IGBT技术的发展国内外多家半导体生产厂家（如英飞凌，仙童，IR, Winsemi）已然能够开关频率达到50KHZ甚至更高的IGBT，在如此的开关频率下已然能够基本替代MOSFET逆变焊机了。在此背景下单管IGBT的参数选择与电路设计已经成为逆变焊机研发工作者关注点。

1.   逆变焊机电路拓扑分析

在逆变焊机电路拓扑中主要有三类：双管正激，全桥，半桥。

三种电路结构各有其特点：

双管正激电路如下

  工作方式为

a.    IGBT Q1与IGBT Q2同时开通时变压器原边电流流过Q1---变压器原边---Q2；变压器副边D3导通给负载供电并且给副边电感充能

b.    IGBT Q1与IGBT Q2同时关断变压器中未耦合到副边的能量通过D1，D2将返回到主回路电容；变压器副边D3关断，副边电感同D4续流继续给负载提供电流。

双管正激电路的优点是电路具有软过度，在开通与关断时不存在直通问题并且在关断时IGBT VCE电压被D1，D2的钳位在VCC+VF.

缺点在于占空比小于50%，大大降低了变压器的利用率，并且由于占空比小使得输出必须需要接输出电感，并且输出功率受限。在同开关频率下输出稳定性较其他两种结构要差。

器件参数选择开关速度快关断损耗小的IGBT。

全桥电路结构如下：

工作方式为

a.    Q1,Q4同时开通电流由Q1—变压器原边---Q4；变压器副边D3正向导通电流由D3---输出电抗---负载---回到变压器副边抽头。

b.    Q1，Q4同时关闭变压器原边通过C1，R1，C4，R4组成的吸收电路吸收漏感尖峰；变压器通过输出电抗续流继续给负载提供电流。

c.    Q3，Q2同时开通电流由Q3---变压器原边---Q4；变压器副边D4正向导通电流由D4—输出电抗—负载---回到变压器副边中心抽头。

d.    Q3，Q2同时关闭变压器原边通过C2，R2，C3，R3组成的吸收电路吸收漏感尖峰；变压器通过输出电抗续流继续给负载提供电流。

全桥电路的优点是占空比高可达90%以上，变压器双向导通利用率高.输出功率高。

缺点在于IGBT两端没有钳位电路电压尖峰高需要加吸收电路，受Miller效应的影响上下管存在直通风险，需要加隔直电路防止变压器偏磁。

器件参数选择耐压余量40%以上，关断损耗低IGBT。

半桥电路结构如下：

工作方式为

a.    Q1开通电流由C3—变压器原边---Q1；变压器副边D3正向导通电流由D3---输出电抗---负载---回到变压器副边抽头。

b.    Q1关闭变压器原边通过R1与C1组成的吸收电路吸收漏感尖峰；变压器通过输出电抗续流继续给负载提供电流。

c.    Q2同时开通电流由C4---变压器原边---Q2；变压器副边D4正向导通电流由D4—输出电抗—负载---回到变压器副边中心抽头。

d.    Q2关闭变压器原边通过R2与C2组成的吸收电路吸收漏感尖峰；变压器通过输出电抗续流继续给负载提供电流。

全桥电路的优点是占空比高可达90%以上，变压器双向导通利用率高.输出功率高。

缺点在于IGBT两端没有钳位电路电压尖峰高需要加吸收电路，受Miller效应的影响上下管存在直通风险，IGBT承受的电流为全桥两倍。

器件参数选择电流为全桥两倍，关断损耗低的IGBT。

随着半导体技术的发展IGBT的开关速度，开关损耗，寄生参数都有一个很大提升，使得上述的几种电路拓扑开关频率得以再次提升从而使得单管IGBT逆变焊机体积，重量，成本，相应速度都有了很好提升。

2.   IGBT的失效原因分析

2.1过流触发擎住效应导致IGBT 损坏

IGBT有一定瞬时抗过流能力，外部控制逻辑也能提供一定保护。最主要的是IGBT驱动电路保护措施的设计一定要严密。由于IGBT半导工艺结构上存在一个寄生晶体管，也就是寄存可控硅。IGBT的理想等效电路如图1所示。

 

图1  理想的等效电路

它是一个PNP双极晶体管和功率MOSFET采用达林顿连接而形成的单片BI-MOS晶体管。而实际的IGBT的等效电路却如图2所示。

IGBT 实际等效电路与理想等效电路相比不同之处在于T2 与T3 分别为可控硅与功率MOSFET 构成的。图中T2 是有条件的寄生存在的。正常使用不存在T2。但由于IGBT 制造工艺问题，存在一个低阻值扩散电阻Rd，在一般正常使用情况下，由于Ic 在 Rd 上的正向偏压不足以打开寄生NPN T2 晶体管，此时等于不存在T2。

当Ic 电流在Rd 上的压降大到能够使寄生NPN T2 导通，由于正反馈原因，使T2 和T3 快速处于全导通状态。这样在Ic 过流条件下，T2 的寄生晶体管存在，T2 和T3 晶体管已形成导通。门极控制作用失灵，失去控制作用，形成自锁现象，这就是擎住效应。一旦形成自锁，集电极电流增大，产生高热消耗，导致器件损坏。另外在IGBT 关断的动态过程中，dvce/dt 变化太快，在结电容中产生较大的位移电流，流过扩散电阻Rd，也会产生足以使NPN T2 晶体管导通的正向偏压，触发T2 的导通形成自锁。

2.2尖峰电压过高损坏

由于IGBT 的感性负载，在关断时产生尖峰电压，如果尖峰电压过高也会造成器件损坏。这时损坏往往为内置FWD 二极管被击穿

2.3栅驱动电路控制逻辑失灵导致桥臂直通

由于Miller效应，当IGBT关断时可能从主回路藕合过来一个电压到VGE。当VGE达到开启电压时可能照成栅驱动电路控制逻辑失灵导致桥臂直通，烧坏IGBT。

2.4长时间满负载运行导致IGBT过热超最大结温损坏。

IGBT 损坏的原因有多种多样，有由于制造工艺引起的潜在的问题，也有外围驱动电路设计不严密的问题。尤其是后者，我们可以设法避免。

结论：

      随着单管IGBT工艺技术的不断发展，单管IGBT逆变焊机在市场上的份额同样会不断增长。因而从IGBT的失效分析，不断完善电路设计提高单管IGBT逆变焊机的可靠同样是技术人员努力的方向。