如何利用英飞凌最新一代1200V TRENCHSTOP™IGBT6单管设计400ADC三相便携式逆变焊机

焊接工艺依靠焊接设备来实现，号称“工业缝纫机”的焊接设备（又称电焊机）广泛应用于现代工业如造船、化工、冶金、建筑、机械、汽车、轻工、电力等焊接领域。

逆变电焊机的电路结构一般采用交流输入--整流--逆变方波交流--输出再整流的过程。由于逆变过程中工作频率提高，与常规焊机比，可节省硅钢片90%左右，节省铜线90%左右，逆变焊机体积明显减小、重量减轻、逆变频率提高，控制过程的动态响应及焊接性能得到改善提高。

最近几年逆变焊机的开关频率逐渐提升，用1200V IGBT模块做的逆变焊机，一般是输出电流在400ADC以上的三相焊机，开关频率在10-30KHz；如果是用600V（650V） IGBT单管设计的单相逆变焊机，一般开关频率可以高达30-70KHz。随着市场上SiC MOSFET产品的推出和技术的成熟，甚至一些焊机厂商在尝试用SiC MOSFET去设计开关频率在100KHz以上的焊机，进一步提高焊接和焊缝的质量。

用IGBT模块设计焊机是多数焊机厂商的选择，尤其是设计输出大电流的焊机，单管并联个数太多会对焊机的可靠性产生影响。但是对于400ADC及以下输出电流的逆变焊机，用IGBT单管设计成本上有很大的优势，而且400ADC及以下功率等级的焊机占市场份额超过了50%，推广单管IGBT在逆变焊机中的应用，对降低整个逆变焊机，尤其是便携式逆变焊机的系统成本有很大帮助。

本文介绍的就是如何利用英飞凌最新一代1200V TRENCHSTOP™IGBT6单管设计400ADC三相便携式逆变（MAG/MIG/MMA）焊机。

对于英飞凌最新一代1200V TRENCHSTOP™ IGBT6，可以参考英飞凌官网链接（文末点击“阅读原文”），在英飞凌工业半导体官方微信公众号文章 新一代1200V TRENCHSTOP™ IGBT6为高频应用带来更高能效 也已经有过介绍，这里就不再赘述。下图1是1200V IGBT6的两个子系列S6和H6的导通压降和开关损耗，并和上一代的H3和T2系列做了比较，拿S6来说，可以看出，比H3导通压降低15%，比T2开关损耗降低了50%，性能提升非常明显：

图1. 1200V TRENCHSTOP™ IGBT6导通压降和开关损耗

下图2是由英飞凌设计的利用1200V TRENCHSTOP™ IGBT6单管产品设计的400ADC三相便携式MAG/MIG/MMA逆变焊机参考设计，三维模型如下

图2. 400ADC三相便携式MAG/MIG/MMA逆变焊机参考设计

实物样机已经在2018年纽伦堡和上海PCIM展出，详见图3：

图3. 400ADC三相便携式MAG/MIG/MMA逆变焊机实物样机

设计参数：

逆变IGBT: IKQ75N120CS6 TO247PLUS

额定输出: 400ADC/ 30 VDC

输入电压: AC380 V ±15%, 50 Hz

尺寸:323 x 322 x 170 mm3

拓扑结构如图4：

图4. 400ADC三相便携式MAG/MIG/MMA逆变焊机拓扑图

利用H桥拓扑，由4颗IKQ75N120CS6单管IGBT组成逆变桥，和传统的利用34mm IGBT模块设计400ADC焊机不同，此方案是直接把单管IGBT安装在散热器上，这样IGBT芯片的Rthj-c（芯片到外壳热阻，0.17K/W）大大降低，有利于IGBT芯片的散热，和传统34mm IGBT模块的Rthj-c (0.38K/W)相比，热阻降低了50%以上（具体请参考IKQ75N120CS6和2A75HB12C1U的数据手册）。

电气隔离需要在散热器和系统之间设计，在这4片单管IGBT之间的电气隔离通过3片独立的散热器来进行（下桥臂共用一块，上桥臂各一块，见图2右），即便这样，系统成本也能得到很大的降低，同时功率密度却能得到很大的提升，这就达成了便携式焊机轻便、低成本、高功率密度的设计目标。

传统的利用75A/1200V 34mm IGBT模块设计400ADC三相焊机的方案，是目前各大焊机厂商常用的方案，市面上的34mm IGBT模块，基本上是由第三代1200V 快速IGBT芯片构成，推荐开关频率在30KHz左右。下面就拿英飞凌75A/1200V IKQ75N120CS6 IGBT6（S6推荐开关频率H3更高）和75A/1200V Advantage 34mm IGBT模块2A75HB12C1U（内含英飞凌第三代highspeed3 IGBT芯片）在相同的条件下IGBT的导通压降和开关损耗做比较，如表1，虽然测试条件有细微差异，但还是很能说明问题的，可以看出，前者的导通压降只有后者的85%，前者开关损耗几乎只有后者的50%。

表1. IKQ75N120CS6和2A75HB12C1U参数对比

通过仿真和实测，IKQ75N120CS6单管方案在400ADC逆变焊机设计中，开关频率fsw=30 kHz, 输出电流=400 ADC/ 30 VDC, 输入电压=3Æ, 380 VRMS条件下，结温只有130℃左右，还是有一定余量的。可以预期，开关频率还可以进一步提高，或者，利用传统方案（通过绝缘垫片安装IGBT单管，散热器不用做系统隔离），设计350ADC-400ADC逆变焊机还是完全有可能的。

总 结

英飞凌最新推出的1200V IGBT6单管，在上一代1200V IGBT芯片（H3和T2）技术上，进一步优化了导通压降和开关损耗，并且有TO247-Plus（不带安装孔）的封装，使得设计大容量、低功耗、低成本、高功率密度、便携式的400ADC逆变焊机成为了可能。

4颗75A/1200V IGBT单管IKQ75N120CS6和2颗75A/1200V34mm模块的成本相比，得到大大降低，散热器成本也进一步降低。

本文展示的方案是把IGBT单管直接安装在散热器上，可以做400ADC逆变焊机，如果按照传统方案来设计（通过绝缘垫片安装IGBT单管），4颗75A/1200V IGBT单管IKQ75N120CS6组成H桥，有望可以做350ADC-400ADC逆变焊机。

利用IGBT单管IKQ75N120CS6设计焊机，不仅自身重量降低，散热器重量也大大降低，焊机系统结构更加紧凑，对于便携式焊机来说，是很大的进步。