利用英飞凌IGBT单管设计手提式焊机

逆变焊机技术在在过去二十多年，经历了晶闸管，大功率晶体管，MOSFET场效应管，最终IGBT方案占据了主导地位，在单相手提式逆变焊机中，600V (650V) IGBT成为设计主流，各大焊机厂商也想方设法利用IGBT方案提高焊机功率密度，降低成本，减轻焊机重量。在单管IGBT中，尤其以TO-247封装650V单管产品为主流，各大厂商都推出了相应的适用于焊机应用的产品，其中英飞凌的上一代600V H3和T系列产品已经在焊机市场上占有很大的份额，英飞凌最新一代的TrenchstopTM 5系列产品中，H5（适合开关频率30-70KHz）和S5（适合开关频率15-40KHz）系列产品又在上一代600V IGBT芯片技术上进一步性能优化，设计也逐渐占据焊机市场主流。

D2PAK贴片式封装的应用，在各种设计中也非常流行，非常适合大规模自动化生产。另外，由于是表贴式焊接，IGBT芯片到散热器的热阻Rthj-h比TO-247传统封装采用导热硅脂和散热器安装的方式Rthj-h要小很多。下图1是IMS（绝缘金属基板）的典型三层结构，由于在上下两层金属之间，已经包含有绝缘材料，兼具导热功能， 所以D2PAK用回流焊方式表贴焊接在IMS板上的散热要好很多，这样也能节省散热器的体积和重量，见图4。成本方面，同等电流的D2PAK封装比TO-247封装要便宜，另外由于其管脚短，杂散电感要比TO-247封装低得多

图1. IMS（绝缘金属基板）材料典型三层结构

下图2对比了IKB40N65EH5（D2PAK）和IKW40N65H5（TO-247）的关断电压波形.由于D2PAK封装杂散电感（5nH）要比TO-247封装（15nH）低得多，因此IKB40N65EH5在关断时候，电压过冲小了很多（VCE控制在500V之内），大大降低了关断过程中由于VCE电压过冲太高引起IGBT失效的风险。同时相比TO-247封装，开关损耗也降低了，进一步降低了散热器重量，提升了功率密度。

图2. D2PAK和TO247封装IGBT，在关断过程中VCE电压过冲对比

英飞凌继650V TrenchstopTM 5 IGBT推出后，适时的把650V TrenchstopTM 5 IGBT芯片和Rapid1二极管封装在D2PAK中，是目前市场上功率密度最大的650V D2PAK产品。例如，带满电流续流二极管的产品，标称电流达到40A，不带续流二极管的单IGBT产品，标称电流最大达到50A。基于TrenchstopTM 5系列芯片封装在D2PAK中的新产品，在英飞凌工业半导体官方微信公众号上已经有过介绍（650V IGBT采用表面贴装D2PAK封装实现超大功率密度），这里就不再赘述，或者参考英飞凌官网链接：（https://www.infineon.com/cms/en/product/power/igbt/igbt-discretes/trenchstop-5/trenchstop-5-in-d2pak/）

下面介绍一种用40A/650V D2PAK封装产品（带满电流续流二极管）设计的160ADC MMA手提式单相焊机。

下图3为焊机电路拓扑，采用半桥式逆变。

图3. 160ADC MMA手提式单相焊机拓扑

图4为焊机逆变功率部分（135*50*40mm），是由2片40A/650V D2PAK封装IGBT IKB40N65EH5直接焊接在IMS电路板上。图5为整个160ADC MMA手提式焊机的样机设计，非常轻巧便携！

图4. 利用40A/650V D2PAK （IKB40N65EH5）设计的半桥逆变功率部分（贴片安装在IMS板上），以及散热器尺寸

图5. 用40A/650V D2PAK （IKB40N65EH5）设计的160ADC MMA手提式焊机样机

总结

英飞凌推出的基于650V TrenchstopTM5 IGBT技术封装在D2PAK中，是目前市面上电流等级最高的产品，带二极管封装，IGBT标称电流40A，不带二极管封装，IGBT标称电流达到50A。

D2PAK封装相比于TO-247封装，杂散电感小， 开关损耗小，电压过冲低，价格便宜，表贴安装于IMS材料上，热阻低，易于自动化焊接生产，故障率低，可靠性高。非常适合做小巧，轻便，低价，高可靠性的单相手提式焊机。