PDF《大功率半导体的基本应用》

大功率半导体的基本应用 ((( 专为逆变焊机设计 ))) 2006.

5 DAWIN ELECTRONICS. Co. Ltd. 应用工程师 Y.J KIM 1/54 内容 ?在 逆变系统中的应用

3 ? 大功率半导体应用领域

4 - -工业及消费类 ? 介绍逆变焊机结构图

6 ? 关于逆变焊机拓扑种类

7 - 全桥, 半桥 直流 ARC焊机 &

交直流 TIG焊机&

焊机用600V-IGBT ? IGBT的应用

12 - 从 (什么是IGBT? ) 到(开关应用) ? 主变压器和镇流器应用

28 ? 链接电容的应用

29 ? 二极管的应用

31 - 吸收回路的应用 ? 半导体的损耗

43 ? 散热

45 ? DW的大功率模块的应用方案

46 - 二极管和IGBT产品 2/54 3/54 逆变系统的应用 模块 &

单管 ?自动设备 - 转换器, 交流伺服, 机器人 ?电源- 不间断电源, 开关电源 ?电梯 工业应用 ?运输 -点火控制, 充电机 ?电焊机 大功率半导体的应用领域 4/54 电磁炉 电饭煲 4|00 微波炉 12:30 模块&

单管 逆变空调 消费类领域 洗衣机 照相机 5/54 逆变焊机的基本组成部分 ? ? 主要参数 主要参数 整流 低正向压降, 高脉冲电流,较低的漏电流… 链接电容. 高质量, 使用寿命长… 绝缘栅型晶体管 低饱和电压, Rugged Type, High BVces, 低漏电流, 高速 &

软开关, 安全工作区宽 … * 解决方案 =>

全桥 &

半桥 主变压器 高度电压绝缘, 低噪音… 二极管 软开关, 恢复时间快, 正向压降低, 雪崩耐量高… FRD FRD高速整流模块 高速整流模块 二极管整流模块 二极管整流模块 链接电容电压 链接电容电压 IGBT IGBT逆变控制模块 逆变控制模块 主变压器 主变压器 镇流器 镇流器 转换部分 转换部分 逆变部分 逆变部分 高频转换 高频转换 6/54 用于直流氩弧焊机-全桥拓扑结构 交流输入 R S T 输出 二极管模块 2单元的IGBT模块

3 相整流器模块 单相整流器模块 逆变焊机拓朴结构种类 7/54 直流氩弧焊机-全桥拓扑结构 交流输入 R S T 输出 二极管模块 二单元IGBT模块

3 相整流器模块 单相整流器模块 8/54 R S T 用于交流TIG焊机-全桥拓扑结构 共阴型的快恢复二极管模块 共阴型的快恢复二极管模块 共阳型的快恢复二极管模块 共阳型的快恢复二极管模块 HVG 9/54 R S T 输出

3 2

1 4 焊机电路-220V交流输入 利用600V IGBT模块

1 2

3 4

2 3 连结 : 连结: 断开 : 您必须检查控制板的电源,. 因为交流电源是不一样的 (220V, 380V 模式) 220V 模式 : 请看红线 10/54 R S T Output

3 2

1 4 用600V的IGBT模块

1 2

3 4

2 3 断开 : 断开 : 连结 : 您必须查看控制板电源. 因为交流电源是不同的 (220V, 380V(440V) 模式)) 380,440V 模式: 请看一下红线 焊机电路- 380V 交流输入 11/54 IGBT应用 12/54 IGBT(绝缘栅型晶体管) 是电压控制的功率管, 其结构与运用和场效应管相似. 双极型晶体管具有 良好的性能,是大功率产品上最经济的选择, 可广泛应用于多种频率. I G B T 电杖 低 简单 低中中MOSFET 电压 低 简单 高快低TR电流 高 复杂 低慢高SYMBOL 项目 控制参数 控制功率 控制电路 导通电阻 开关速度 开关损耗 对照表 什么是 IGBT ? 13/54 IGBT的结构和应用 门极 发射极 集电极 N N P P N- P+ N+ IGBT的结构 集电极 门极 发射极 等效电路 IGBT的作用可以简单分割为一个N沟道的场效应管和一个PNP型的双极晶体管.IGBT的功能可以看 作通过一个场效应管提供基电流的双极晶体管. 14/54 IGBT的结构 PT (Punch Through) NPT (Non Punch Through) p base n-Layer n+ buffer p+ collector Epitaxial (100uM) 发射极 门极 集电极 p base n-Layer p+ collector 发射极r 门极 集电极 >

200uM p base n-Layer n+ buffer p+ collector 发射极 门极 集电极 >

105uM SDB (Silicon Direct Bonding) . 生产率高 .生产率高 .生产率低 .生产率一般 .成本高 .低成本 .成本高 .低成本 .并联效果不好 .易于并联 .No additional Increase .难于并联 Eoff @ HT .安全工作区好 .安全工作区好 .安全工作区好 .安全工作区一般 .拖尾电流长 . 拖尾电流短 .拖尾电流长 Trench P+ N- Al P- N+ P+ Al P- P+ Al P- P+ 15/54 高电压 高电压 大电流 大电流 高频 高频 GTO BJT IGBT MOSFET 频率 功率

1 70~200 1000KHZ IGBT的应用区域

25 KW

10 1 0.1 16/54 1) 考虑到绝对等级方面, 我们有必要设计一定的余量. 2) it is Wide RBSOA / SCSOA / FBSOA (Rugged Type) because it generally uses Half or Full Bridge topology methods. 3) 低饱和压降Low Vce(sat) 4) 拖尾电流短 5) War-page(Flatness) 6) 较低的漏电流 7) 快而软的开关特性 8) 原则上, 600VIGBT用在交流220V的电压上, 1200V 的IGBT 用于交流280V以上. 9) 确认IGBT至少有10us的短路承受时间. 10) 对于IGBT和MOSFET, 为了门级平稳驱动, 一般选用相对小一些的输入电容 ,因为它在门极充电时运行.但是,如果输入电容太低,就会出现太大的噪音 11)在IGBT,发射极和集电极之间,二极管在相反的方向连接,在系统中,二极管是用做平滑系统的,必须确保有 良好的快恢复特性. IGBT模块的电特性 17/54 问题: 600V/1200V的电压等级是怎么划分的? 答案 : * IGBT的电压等级被分为两个部分, 三相交流 220/240V 和400/440V. * 举例说明, 200V的IGBT用于低电压的不间断电源,1700V 的适用于580V的交流输入电源. 而2200/3300V 主要适用于各种铁路系统. * 工业上对于 400/600/1000/1200/1500V 的IGBT的需求越来越多. AC

220 =>

DC (220 *1.414=311V) =>

AC variation + 设计余量 ( 311*1.8 = 560V ) AC

380 =>

DC (400 *1.414=560V) =>

AC variation + 设计余量 ( 560*1.8 = 1008V ) For example : IGBT 电压等级 ( 桥式拓普 ) 18/54 1) IGBT 在+15V输入信号打开,-15V输入信号关断时,会运行在最侍工作状态. 2)IGBT可以在较小的输入信号下产生大的功率, 所以门级驱动电路必须优化设计,因为存在门级噪音,避免IGBT的上下臂 直通显现.并且,安装方法也很重要,它应该尽可能靠近IGBT门极. 3) 当主电源电压是不稳时,此时应关断门极信号. 4) 对于IGBT模块, 需将门极的金属线拉紧. 5) 对于IGBT模块, 在门级的终端用小的 PCB 较好. 并且在安装PCB时需要绝缘. 安装PCB时, IGBT模块中将有200V的的交 流电通过, 昂贵的IGBT 模块可能会被烧坏. 建议, IGBT内部的门电压60V为合适, 而标称 为±20V. 6) 导通 &

关断 一般来说, 导通时间应该按照下面设计,而关断时间一般要比导通时间快3倍Ex) 对于 600V IGBT 模块(20KHZ的开关频率), 电流高达 150A, 打开时间可被设计为700ns~1us. 如果输出超过了 150A, Rg 值应该被设成 1us ~ 1.5us. 7) IGBT门级驱动的PCB 厚度应高于 1.2mm. 8) 死区处理 : 对于现有的IGBT模块, 死区时间应大于3us. 9) 要注意门极的防静电措施. IGBT 门级驱动 19/54 IGBT 门极电路1 -在上图中,作为IGBT门级驱动的金属线太长. 因为没有加电容, 所以产生了20V的干扰导致直通现象. -推荐使用103M的电容. 或者缩短金属线来减少干扰. -运行不要干扰到 Vth. G1 E1 G2 E2 103M IGBT 模块 长度:30Cm 推荐 Cap.103 IGBT 门级驱动 E +15V E +15V Noise 20Vp-p 30Vp-p 20/54 G1 E1 G2 E2 IGBT 模块 IGBT 门级驱动 - 相对于IGBT的发射极,Vge波行会上升5倍Vp-p. -当有噪音干扰时,IGBT上下臂就会发生直通. 5Vp-p E E 理想的波形 直通 noise in IGBT 门极电路

2 221/54 问题: 什么叫做短路承受时间? 答案 : - 因为某些情况的启动或噪音破坏,IGBT必须有过电流保护电路. 通常情况下,保护电路都有延迟时间(3~7uS),所以IGBT在短时间内能承受短路. - 通常 IGBT 模块必须有10us的 短路承受时间. 控制 &

驱动 过流检测 &

反馈 延迟时间: 3~7uS SC -->

检测到反常情况 -->

反馈 -->

门级关断 (Over Vce(sat),DC line current) (软关断) 22/54 电焊机中的直通波形 按比例增加 23/54 最大值-有效负载状态 Ic = +608A / -616A, Io = over 1020Apk L-Vce(pk) = 440V Io : 200A/div 400us/div L- Ic : 200A/div L-Vge : 5V/div L-Vce : 100V/div Fail point 焊机系统中的产品损坏后波形图 24/54 这是脉宽调制的反常波形. 如果以下现象频繁发生, 大功率管则会承受压力,持续不久就会损坏 电流波形 FRD 波行 焊机系统中存在的脉宽调制误差 25/54 吸收回路及特性 RC 吸收 RCD 充电型吸收 RCD 放电型吸收 电路 -低成本 -易于振荡 -不容易优化电容值 - 大功率 用-General Circuit -电路复杂 -成本高 -快速开关时 用 比较 Ic Vcc Vce Ic Vcc Vce Ic Vcc Vce 关断时 V vs. I 关系 26/54 问题 : 什么是关断能量What'

s Turn off Energy (Eoff) ? Answer : * 关断能量有助于设计者根据器件产生的开关损耗来处理散热. * 关断损耗即关断能量乘以工作频率 * 对设计者来说,关断能量比关断时间更重要 Ic Vce 关断波形 关断功率 (P=V*I) 关断能量 (E= P(t) ) S/W Loss=on loss+off loss =(Eon+Eoff) * f 27/54 Main Transformer and Reactor Application 1) 变压器初端不要饱和,电流应该呈上升趋势The current of primary side of the Transformer should not be saturated and the slope of the current should show increasing characteristics. 2) 高绝缘电压High Isolation Voltage 3) 漏电流越小越好The less leakage flux is, the better it is. 4) Line Regulation Characteristic(纹压低Low Ripple voltage) Ripple voltage management for stable operation in your system 5) 热特性Thermal Characteristic 6) 分流电阻的连接Discharge resistor connection 7) 连接线Wire connection : 越短越好as short as possible 8) 留出足够的设计余量Enough design margin 9) 根据电流选择粗细合适的线Choose the right thickness considering electricity on the coil. 10) 磁芯的选择要尽量减少噪音Select iron core carefully not to make noise in the coil. Main Transformer and Reactor Application 28/54 Link Capacitor Application 1) 重要参数必须检查:You have to check about key parameters as follows - 高绝缘电压High Isolation Voltage - 低漏电流Low Leakage Current - 线路调节特性Line Regulation Characteristic(低纹压Low Ripple voltage) - 热特性Thermal Characteristic 2) 安装方法Assembly Technique - Ripple voltage management for stable operation in your system - Discharge resistor connection - 线路连接Wire connection : 越短越好as short as possible - 充足的余量Enough design margin Output C2 C3 C1 V-Link V-Link/2 Link Capacitor Application 29/54 V-Link Ripple Voltage Waveform V-Link/2 Ripple Voltage Waveform 纹压测试Ripple Voltage Test - 不要超过20%Don'

t over ± 20% - 纹压最小化Minimized ripple voltage of hysteresis characteristic V-Link V-Link/2 30/54 二极管模块的应用 31/54 1) 电焊机是大功率产品,尤其是由人近距离操作的机器,所以安全性能最重要.因此,使用绝缘型的模块是最理想的选 择.Welding Machine is a kind of High Power System. In particular it is a device to be used in the proximity of people and deals with high power. Therefore safety is the most important. Thus, it is desirable to use Isolation Type FRD Module. 2) 焊机上使用的二极管模块,雪崩特性是一项很重要的参数,雪崩特性值应在300mJ以上.In case of FRD Module used in Welding Machine, one of the most important items is Single Pulse Avalanche Energy(EAS) characteristics. It is desirable to use a product with more than 300mJ. 3) 对于20Khz的焊机,应使用快速二极管,恢复时间应在300ns以内.当开关频率达到100Khz时,二极管的恢复时间应 该在80ns以内. 4) 正向压降和漏电流也是重要的参数.If, Vf characteristics and Leakage item are important, too. 5) 考虑到二极管模块的反向电流特性,在设计时应该留有设计余量,因为其是焊机中的从动部分. 6) Wide VR 7) 反向脉冲电流大 8) 正向压降低Low Forward Voltage 9) War-page(Flatness) 10) 漏电流小Low Leakage Current 11) 软而快的开关特性Soft and High Speed Switching Electrical Characteristics of FRD Module 32/54

0 20

40 60

80 100

120 60

80 100

120 140

160 Forward Current Derating Curve Case Temperature Tc[℃] Average Forward Current I F(AVG) [A] DC Absolute Maximum Ratings @ Tj=25℃(Per Leg) Symbol Parameter Ratings Unit Conditions VRRM VR(DC) IF(AV) IFSM I2 t Tj Tstg Visol Pd - - - Repetitive Peak Reverse Voltage Reverse DC Voltage Average Forward Current @ Tc = 25℃ @ Tc = 100℃ Surge(non-repetitive) Forward Current I2t for Fusing Junction Temperature Storage Temperature Isolation Voltage Maximum Power Dissipation Mounting Torque Terminal Torque Weight Resistive Load One Half Cycle at 60Hz, Peak Value Value for One Cycle Current, tw = 8.3ms, Tj = 25℃ Start @ AC

1 minutes Typical Including Screws

600 480

200 100

2000 16.7*

103 -40 ~

150 -40 ~

125 2500

400 4.0 2.0

140 V V A A A A2s ℃ ℃ V W N.m N.m g Transient Thermal Impedance(Zthjc) Characteristics 0.001 0.01 0.1

1 0.00001 0.0001 0.001 0.01 0.1

1 Rectangular Pulse Duration[sec] T h e rm a l R e s p o n c e Z t h jc [ ℃ / w ] 33/54 快恢复二极管模块 快恢复二极管模块 电焊机的基本拓普电路Basic Topology of Welding Machine 吸收回 吸收回 路路吸收的应用Snubber Application 34/54 RC吸收回路的最佳设计Best Design of RC Snubber Circuit 10?

103 10?

103 10?

103 10?

103 10?

103 10?

103 Module #1 Module #2 Module #3 最好的方法是103 1KV电容和10 ?电阻. 35/54 RC吸收回路的第二选择Next best RC snubber Circuit 5?

153 5?

153 5?

153 5?

153 Module #1 Module #2 Module #3 如果前面的最佳方案并不容易连接,可以采用下面的方案: 在并联3个模块的情况下,至少要并联两阻RC吸收回路.In case of parallel connection of over

3 FRD modules, It is necessary to use minimum

2 RC snubber circuit. 36/54 Tc = 25℃, DAH100N4S 1EA, No Snubber 时Voltage Waveform Tc = 25℃, DAH100N4S 2EA Parallel Connection, No Snubber 时Voltage Waveform 下面波形的测试条件Test Condition for the all Waveforms - 测试设备: 200A DC ARC - 开关频率 : 20KHz - RFD型号 : DAH100N4S - 负载: 阻性负载 416V p-p 502V p-p Too bad : Over Vrrm Too bad : Over Vrrm 37/54 Tc = 25℃, DAH100N4S 1EA, RC Snubber(103 pF * 10?) 时Voltage Waveform Tc = 25℃, DAH100N4S 2EA Parallel Connection, RC Snubber (103 pF * 10? ) 时Voltage Waveform 182V p-p 198V p-p Very good Very good 38/54 Tc = 25℃, DAH100N4S 1EA, RC S..............