針對電焊機和等離子體切割機應用的IGBT模塊開發

張茂盛，顧悅吉，胡旭偉，吳秋秋

（杭州士蘭微電子股份有限公司，浙江杭州310012）

針對電焊機和等離子體切割機應用的IGBT模塊開發

張茂盛，顧悅吉，胡旭偉，吳秋秋

（杭州士蘭微電子股份有限公司，浙江杭州310012）

以優化電焊機/等離子切割機用IGBT模塊為例，闡述針對特定應用開發IGBT模塊的概念。針對IGBT模塊在該行業應用中存在的問題，從兩個方向優化模塊，一方面通過優化IGBT芯片厚度和少數載流子濃度分布，IGBT芯片的關斷損耗（Eoff）降低至1.97 mJ，而飽和壓降（Vce（sat））和開通損耗基本維持不變；另一方面通過優化模塊內部柵極布線解決了模塊的自激振蕩和切割機起弧時存在的電壓電流振蕩問題。優化后的模塊帶負載（滿載的75％）穩定工作5 min的溫升僅為24.6℃。與優化前相比，優化后的模塊溫升降低了9.5℃；和試封的參照模塊M3（RQ）、M4（RL）相比，優化后的模塊溫升分別降低了0.9℃和16℃。優化后的模塊自激振蕩測試時和切割機應用中起弧時的振蕩明顯降低。

IGBT模塊開發；IGBT芯片優化；模塊應用

0 前言

杭州士蘭微電子股份有限公司（士蘭微）利用現有生產線成功開發出耐壓在600～1 200 V內的多個IGBT產品。近年也開始涉足PIM模塊封裝業務，截止目前已成功開發多款PIM模塊產品①http://www.silan.com.cn.，這些產品被廣泛應用于電焊機、感應加熱和變頻器等行業。

在此主要闡述基于特定應用開發模塊的概念。傳統的模塊開發中，更多的注意力被放在了模塊的散熱、均流、減小寄生電感和模塊結構設計等方面，而模塊的后端應用很少被關注。這可能造成模塊不能很好地匹配一些特定的應用，繼續改進模塊會使得模塊的開發周期變長，開發成本增加。但是如果在

模塊開發的初始設計階段就把模塊的后端應用環境考慮進來，針對這些特定的應用做定制型的模塊仿真優化和測試優化，開發出的模塊將能很好地匹配這些特定的應用，并且縮短開發周期降低開發成本。這正是本研究基于特定應用開發IGBT模塊的思路。

1 氬弧焊和等離子切割及其對IGBT模塊的需求

為了適應大工程建設、特殊環境（窄或交通不便等）的需求，近年來將氬弧焊和等離子體切割機功能融合為一體的需求正在增加，這意味著設備的焊接和切割用電源需要合二為一。這對電源用IGBT模塊也提出了更高的要求。

表1為目前主流的氬弧焊與等離子體切割電源技術參數比較。氬弧焊機與等離子體切割機的主要區別在于輸出電壓、輸出電流的不同，切割機輸出電壓高、輸出電流低，但如果同時使用兩個或兩個以上的焊接電源，通過并聯和串聯的轉換，便可方便地實現輸出電壓、電流的變換。

表1 氬弧焊和等離子體切割電源參數比較

兩種設備的電源控制部分都存在高壓高頻電路部分。以電焊機為例，圖1為一個200 V的電焊機電源用IGBT模塊[1]，兩個RC-IGBT串聯到直流母線作為有源PWM開關，IGBT全橋逆變器的高頻輸出接到變壓器一次側，變壓器二次側的AC輸出經過二極管整流后作為產生電弧的電源。

圖1 變壓器耦合的電弧焊機電源

為了降低電焊機中變壓器磁體本身的體積和質量，電焊機的功率電路需要高頻工作。因此面向電焊機應用的IGBT芯片對于降低開關損耗變得非常重要，即便這可能以一個相對高一點的通態壓降為代價[2]。文獻[3]中提到一種面向電焊機應用的IGBT芯片的優化方法，優化后的芯片在通態壓降和開關損耗兩者中做了很好的折中。

另一方面，等離子體切割機起弧時電壓電流存在振蕩現象，而起弧后正常工作中該振蕩現象自動消失，該振蕩無法通過改變柵極電阻抑制住。圖2為切割機LGK-100起弧時測得的電壓振蕩現象，圖2a和圖2b分別為測得的Vce和Vge電壓波形，Vce振蕩的尖峰電壓達1 556 V，Vge振蕩的尖峰電壓達到了122 V。如此高的尖峰電壓對于切割機的正常工作來說是一個很大的安全隱患，嚴重時會造成模塊在起弧過程中“炸機”。

圖2 切割機起弧測試時的振蕩現象

綜上所述，針對電焊機/等離子切割機應用的模塊開發主要解決兩個問題：一個是高頻工作時的功耗，另一個是起弧時電壓電流的振蕩。

2 模塊優化

針對第一個問題，主要從芯片角度進行優化；針對第二個問題，主要從模塊設計的角度進行優化。

2.1 芯片優化

士蘭微自2009年開始投入IGBT產品研發以來，先后開發出了適用于電機驅動的穿通型IGBT（PT-IGBT）、非穿通型IGBT（NPT-IGBT）芯片以及適用于高頻應用的場截止型IGBT（FS-IGBT）芯片。其芯片元胞橫截面結構示意如圖3所示。FS-IGBT在器件背面P+注入區上方引入N型緩沖層作為場截止層，以終止耗盡層且不影響電導調制效應，保持了NPT-IGBT低空穴注入效率、高載流子壽命和正溫度系數飽和壓降的優點。FS-IGBT芯片厚度較相同規格NPT-IGBT要減小約1/3，也降低了通態損耗和開關損耗。

圖3 士蘭微開發的IGBT

為了進一步降低IGBT芯片損耗，士蘭微優化了IGBT芯片厚度和少數載流子濃度分布。通過這些改善措施，芯片在保持飽和壓降和開通損耗穩定不變的前提下關斷損耗明顯降低。如表2所示，改善②的關斷損耗降低至1.97 mJ，相比改善前降低了39.4％。

表2 氬弧焊和等離子體切割電源參數比較

2.2 模塊結構設計優化

針對前面提到的振蕩問題，一種解釋[4]是模塊工作時來自模塊的輸出信號反饋到模塊輸入端，其反饋路徑主要與模塊內部柵極布線有關。如果反饋的信號和輸入信號相比存在相移則產生振蕩。另一種解釋是文獻[5]中提到的直流母線和開關器件之間流動的高頻環流對IGBT驅動回路產生干擾，從而產生振蕩；降低高頻環流回路與IGBT驅動回路之間的耦合互感可以抑制相互之間的干擾。

無論哪種解釋，振蕩都和模塊的內部設計有很大關系，特別是IGBT柵極引線的布局布線?；诖?，優化了柵極引線布線，將上橋臂IGBT柵極驅動回路遠離模塊內部的高頻回路布線。模塊內部的高頻環流回路由兩功率電極（+DC和-DC）、上橋臂IGBT、下橋臂FRD芯片和DBC組成。

模塊內部布線示意如圖4所示，優化后柵極驅動回路遠離了高頻環流回路。

圖4 模塊內部布線

優化后模塊內部柵極驅動引線遠離功率電極，上橋臂IGBT驅動回路也遠離了高頻環流回路。使用Q3D軟件提取該高頻環流回路和上橋臂IGBT柵極驅動回路之間的互感，互感系數如表3所示。

表3 高頻回路和柵極驅動回路的互感參數

由表3可知，通過優化上橋臂IGBT柵極驅動回路，模塊內部高頻環流回路和上橋臂驅動回路之間的互感由2.96 nH降低至1.8 nH，降低約39％。理論上，因高頻環流回路和柵極驅動回路相互干擾而產生的振蕩也會大大降低。

優化后測得的電流電壓波形如圖5所示。圖5a為使用12 Ω柵極電阻的波形，振蕩仍然存在，但是和優化之前的波形相比，已有很大的降低；圖5b為使用26 Ω柵極電阻的波形，振蕩徹底消失。也就是說通過模塊內部的優化設計和選擇合適的柵極電阻選擇，電流電壓振蕩被抑制，消除了整機工作中因電流電壓振蕩存在的安全隱患。

圖5 模塊優化后電流電壓波形

3 模塊試封及整機測試

基于芯片的改進和模塊設計的優化，完成了優化后模塊的試封。為了驗證和對比優化后模塊的性能，一共試封了4種模塊。4種模塊的編號分別是M1（改善前）、M2（改善后）、M3（RQ）、M4（RL）。M1（改善前）模塊中的IGBT芯片是未經過改善的自制芯片；M2（改善后）模塊使用的IGBT芯片做了如2.1節的改善。M3（RQ）和M4（RL）為參照模塊，其中M3（RQ）模塊使用開關速度較快的競品芯片，M4（RL）模塊使用開關速度較慢的競品芯片。

整機應用中評估IGBT模塊性能的關鍵測試項目主要有靜態自激、模塊開關波形和模塊溫升測試等。本研究對模塊進行了靜態自激測試和使用逆變焊機NB-500進行了開關波形和溫升的測試。

3.1 靜態自激測試對比

靜態自激測試不是在整機上測試，而是單獨對模塊進行測試（見圖6），主要是對比模塊的開關速度、自激振蕩情況、短路電流等。若模塊在靜態自激測試中表現出較嚴重的自激振蕩或較小的短路電流，則整機在工作過程中模塊很容易損壞。因此通過靜態自激測試可以預先獲取模塊的特性，同時也避免模塊在整機測試時“炸機”造成的損壞。

由圖6可知，未改善前模塊在Vge=11 V就開始出現振蕩，改善后Vge=17 V模塊也未出現明顯振蕩；參照模塊M3（RQ）在Vge=16 V時出現明顯振蕩，M4（RL）類似于改善后的模塊，Vge=17 V也未出現明顯振蕩。

3.2 整機測試開關波形對比

模塊整機工作時的開關波形如圖7所示。與M1（改善前）模塊相比，優化后模塊M2（改善后）開通時電流上升變快，關斷時電流下降變慢，如圖7a所示。優化后模塊M2（改善后）的開關波形整體上與M3（RQ）模塊基本一致，差別僅在于M2（改善后）模塊關斷時關斷電流拖尾稍微略大，如圖7b所示。

3.3 整機測試溫升對比

溫升測試時NB－500逆變器焊機直流電壓約560 V，輸出三相400 V AC，50 A模塊對應滿載輸出電流為350 A，使用可變電阻箱作負載。焊機工作頻率18 kHz，使用熱電偶測量模塊正常工作5 min后的溫升，模塊工作時的環境溫度為25℃。測試得到的溫升對比數據如圖8所示。

優化后模塊溫升大幅度降低，帶負載（滿載的75％）工作5 min的溫升數據顯示，優化后的模塊M1（改善后）溫升比M2（改善前）低9.5℃，比參照模塊M3（RQ）和M4（RL）分別低0.9℃和16℃。

4 結論

通過優化現有IGBT模塊的芯片和內部柵極連線，解決了模塊的自激振蕩問題和模塊在整機工作中起弧時的電壓電流振蕩現象。優化后模塊無明顯自激振蕩，整機測試的開關波形也非常接近M3（RQ）的波形。由于開關損耗的降低，優化后的模塊整機工作時的溫升明顯減小。M2（改善后）模塊溫升比M1（改善前）、M3（RQ）和M4（RL）分別低9.5℃、

0.9℃和16℃。

圖6 自激測試對比

圖7 整機測試開關波形對比

圖8 模塊溫升對比

[1]Morimoto K.Dual utility AC voltage line operated soft switching PWM DC-DC power converter with high frequency transformer link for arc welding equipment[C].IEEE Conference on Electrical Machines and Systems，2005：1084-1089.

[2]Jayant Baliga B.The IGBT Device：Physics，Design and Applications of the Insulated Gate Bipolar Transistor[M]. Lgbt Device：2015.

[3]Majumdar G.Advanced IGBT technologies for HF operation[C]:IEEE European Conferenceon Power Electronics and Applications，2009：1-26.

[4]Andreas Volke，Michael Hornkamp.IGBT Module:Technology，Driver and Application，Second Edition[M].北京：機械工業出版社，2012：349-351.

[5]Zeng Xiangjun，Wang Xiaobao.Research on EMI Shielding Inside Hybrid Intergrated Power Electronic Module[J].Power Elrctronics，2004，38（1）：33-36.

Development of IGBT module for the specific applications of arc welding machine and plasma cutter

ZHANG Maosheng，GU Yueji，HU Xuwei，WU Qiuqiu
（Hangzhou Silan Integrated Co.，Ltd.，Hangzhou 310012，China）

The concept of IGBT power module development for a specific application has been illustrated by optimizing IGBT power module based on the application of arc welding machine and plasma cutter.Given that the current problems still exists in this application of IGBT power module，the module optimization has been carried out from the following aspects.One is optimizing the thickness of IGBT chips，the concentration distribution of minority carrier，as a result that the turn-off loss reduces to 1.97 mJ whereas both the saturation voltage drop and turn-on loss almost keep invariable.The other is optimizing the routing of gate wire inside module to deal with the self-oscillation for IGBT module and the oscillation issue at starting arc for plasma cutter application.The increased temperature of the optimized module after a 5-minute operating with 75％load is just 24.6℃.This increased temperature is lower than that of M1，M3（RQ）and M4（RL）by 9.5℃，0.9℃and 16℃respectively.Both of the self-oscillation for the optimized module and the oscillation generating at starting arcing for plasma cutter have been decreased prominently.

IGBT module development；IGBT Chip optimization；module application

TG434.1

B

1001－2303（2016）09－0037-05

10.7512/j.issn.1001-2303.2016.09.09

2016-06-16；

2016-07-05

張茂盛（1985—），男，云南陸良人，碩士，主要從事硅IGBT模塊相關的研究開發工作。