針對(duì)電焊機(jī)和等離子體切割機(jī)應(yīng)用的IGBT模塊開發(fā)

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(duì)電焊機(jī)和等離子體切割機(jī)應(yīng)用的IGBT模塊開發(fā)

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(yōu)化電焊機(jī)/等離子切割機(jī)用IGBT模塊為例，闡述針對(duì)特定應(yīng)用開發(fā)IGBT模塊的概念。針對(duì)IGBT模塊在該行業(yè)應(yīng)用中存在的問題，從兩個(gè)方向優(yōu)化模塊，一方面通過優(yōu)化IGBT芯片厚度和少數(shù)載流子濃度分布，IGBT芯片的關(guān)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(yōu)化模塊內(nèi)部柵極布線解決了模塊的自激振蕩和切割機(jī)起弧時(shí)存在的電壓電流振蕩問題。優(yōu)化后的模塊帶負(fù)載（滿載的75％）穩(wěn)定工作5 min的溫升僅為24.6℃。與優(yōu)化前相比，優(yōu)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(yōu)化后的模塊溫升分別降低了0.9℃和16℃。優(yōu)化后的模塊自激振蕩測(cè)試時(shí)和切割機(jī)應(yīng)用中起弧時(shí)的振蕩明顯降低。

IGBT模塊開發(fā)；IGBT芯片優(yōu)化；模塊應(yīng)用

0 前言

杭州士蘭微電子股份有限公司（士蘭微）利用現(xiàn)有生產(chǎn)線成功開發(fā)出耐壓在600～1 200 V內(nèi)的多個(gè)IGBT產(chǎn)品。近年也開始涉足PIM模塊封裝業(yè)務(wù)，截止目前已成功開發(fā)多款PIM模塊產(chǎn)品①http://www.silan.com.cn.，這些產(chǎn)品被廣泛應(yīng)用于電焊機(jī)、感應(yīng)加熱和變頻器等行業(yè)。

在此主要闡述基于特定應(yīng)用開發(fā)模塊的概念。傳統(tǒng)的模塊開發(fā)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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等方面，而模塊的后端應(yīng)用很少被關(guān)注。這可能造成模塊不能很好地匹配一些特定的應(yīng)用，繼續(xù)改進(jìn)模塊會(huì)使得模塊的開發(fā)周期變長，開發(fā)成本增加。但是如果在

模塊開發(fā)的初始設(shè)計(jì)階段就把模塊的后端應(yīng)用環(huán)境考慮進(jìn)來，針對(duì)這些特定的應(yīng)用做定制型的模塊仿真優(yōu)化和測(cè)試優(yōu)化，開發(fā)出的模塊將能很好地匹配這些特定的應(yīng)用，并且縮短開發(fā)周期降低開發(fā)成本。這正是本研究基于特定應(yīng)用開發(fā)IGBT模塊的思路。

1 氬弧焊和等離子切割及其對(duì)IGBT模塊的需求

為了適應(yīng)大工程建設(shè)、特殊環(huán)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(jī)功能融合為一體的需求正在增加，這意味著設(shè)備的焊接和切割用電源需要合二為一。這對(duì)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(shù)參數(shù)比較。氬弧焊機(jī)與等離子體切割機(jī)的主要區(qū)別在于輸出電壓、輸出電流的不同，切割機(jī)輸出電壓高、輸出電流低，但如果同時(shí)使用兩個(gè)或兩個(gè)以上的焊接電源，通過并聯(lián)和串聯(lián)的轉(zhuǎn)換，便可方便地實(shí)現(xiàn)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(shù)比較

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

圖1 變壓器耦合的電弧焊機(jī)電源

為了降低電焊機(jī)中變壓器磁體本身的體積和質(zhì)量，電焊機(jī)的功率電路需要高頻工作。因此面向電焊機(jī)應(yīng)用的IGBT芯片對(duì)于降低開關(guān)損耗變得非常重要，即便這可能以一個(gè)相對(duì)高一點(diǎn)的通態(tài)壓降為代價(jià)[2]。文獻(xiàn)[3]中提到一種面向電焊機(jī)應(yīng)用的IGBT芯片的優(yōu)化方法，優(yōu)化后的芯片在通態(tài)壓降和開關(guān)損耗兩者中做了很好的折中。

另一方面，等離子體切割機(jī)起弧時(shí)電壓電流存在振蕩現(xiàn)象，而起弧后正常工作中該振蕩現(xiàn)象自動(dòng)消失，該振蕩無法通過改變柵極電阻抑制住。圖2為切割機(jī)LGK-100起弧時(shí)測(cè)得的電壓振蕩現(xiàn)象，圖2a和圖2b分別為測(cè)得的Vce和Vge電壓波形，Vce振蕩的尖峰電壓達(dá)1 556 V，Vge振蕩的尖峰電壓達(dá)到了122 V。如此高的尖峰電壓對(duì)于切割機(jī)的正常工作來說是一個(gè)很大的安全隱患，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成模塊在起弧過程中“炸機(jī)”。

圖2 切割機(jī)起弧測(cè)試時(shí)的振蕩現(xiàn)象

綜上所述，針對(duì)電焊機(jī)/等離子切割機(jī)應(yīng)用的模塊開發(fā)主要解決兩個(gè)問題：一個(gè)是高頻工作時(shí)的功耗，另一個(gè)是起弧時(shí)電壓電流的振蕩。

2 模塊優(yōu)化

針對(duì)第一個(gè)問題，主要從芯片角度進(jìn)行優(yōu)化；針對(duì)第二個(gè)問題，主要從模塊設(shè)計(jì)的角度進(jìn)行優(yōu)化。

2.1 芯片優(yōu)化

士蘭微自2009年開始投入IGBT產(chǎn)品研發(fā)以來，先后開發(fā)出了適用于電機(jī)驅(qū)動(dòng)的穿通型IGBT（PT-IGBT）、非穿通型IGBT（NPT-IGBT）芯片以及適用于高頻應(yīng)用的場(chǎng)截止型IGBT（FS-IGBT）芯片。其芯片元胞橫截面結(jié)構(gòu)示意如圖3所示。FS-IGBT在器件背面P+注入?yún)^(qū)上方引入N型緩沖層作為場(chǎng)截止層，以終止耗盡層且不影響電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)，保持了NPT-IGBT低空穴注入效率、高載流子壽命和正溫度系數(shù)飽和壓降的優(yōu)點(diǎn)。FS-IGBT芯片厚度較相同規(guī)格NPT-IGBT要減小約1/3，也降低了通態(tài)損耗和開關(guān)損耗。

圖3 士蘭微開發(fā)的IGBT

為了進(jìn)一步降低IGBT芯片損耗，士蘭微優(yōu)化了IGBT芯片厚度和少數(shù)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(wěn)定不變的前提下關(guān)斷損耗明顯降低。如表2所示，改善②的關(guān)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(shù)比較

2.2 模塊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化

針對(duì)前面提到的振蕩問題，一種解釋[4]是模塊工作時(shí)來自模塊的輸出信號(hào)反饋到模塊輸入端，其反饋路徑主要與模塊內(nèi)部柵極布線有關(guān)。如果反饋的信號(hào)和輸入信號(hào)相比存在相移則產(chǎn)生振蕩。另一種解釋是文獻(xiàn)[5]中提到的直流母線和開關(guān)器件之間流動(dòng)的高頻環(huán)流對(duì)IGBT驅(qū)動(dòng)回路產(chǎn)生干擾，從而產(chǎn)生振蕩；降低高頻環(huán)流回路與IGBT驅(qū)動(dòng)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(nèi)部設(shè)計(jì)有很大關(guān)系，特別是IGBT柵極引線的布局布線。基于此，優(yōu)化了柵極引線布線，將上橋臂IGBT柵極驅(qū)動(dòng)回路遠(yuǎn)離模塊內(nèi)部的高頻回路布線。模塊內(nèi)部的高頻環(huán)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(nèi)部布線示意如圖4所示，優(yōu)化后柵極驅(qū)動(dòng)回路遠(yuǎn)離了高頻環(huán)流回路。

圖4 模塊內(nèi)部布線

優(yōu)化后模塊內(nèi)部柵極驅(qū)動(dòng)引線遠(yuǎn)離功率電極，上橋臂IGBT驅(qū)動(dòng)回路也遠(yuǎn)離了高頻環(huán)流回路。使用Q3D軟件提取該高頻環(huán)流回路和上橋臂IGBT柵極驅(qū)動(dòng)回路之間的互感，互感系數(shù)如表3所示。

表3 高頻回路和柵極驅(qū)動(dòng)回路的互感參數(shù)

由表3可知，通過優(yōu)化上橋臂IGBT柵極驅(qū)動(dòng)回路，模塊內(nèi)部高頻環(huán)流回路和上橋臂驅(qū)動(dòng)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(huán)流回路和柵極驅(qū)動(dòng)回路相互干擾而產(chǎn)生的振蕩也會(huì)大大降低。

優(yōu)化后測(cè)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(yōu)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(nèi)部的優(yōu)化設(shè)計(jì)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(jī)工作中因電流電壓振蕩存在的安全隱患。

圖5 模塊優(yōu)化后電流電壓波形

3 模塊試封及整機(jī)測(cè)試

基于芯片的改進(jìn)和模塊設(shè)計(jì)的優(yōu)化，完成了優(yōu)化后模塊的試封。為了驗(yàn)證和對(duì)比優(yōu)化后模塊的性能，一共試封了4種模塊。4種模塊的編號(hào)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(jīng)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(jié)的改善。M3（RQ）和M4（RL）為參照模塊，其中M3（RQ）模塊使用開關(guān)速度較快的競(jìng)品芯片，M4（RL）模塊使用開關(guān)速度較慢的競(jìng)品芯片。

整機(jī)應(yīng)用中評(píng)估IGBT模塊性能的關(guān)鍵測(cè)試項(xiàng)目主要有靜態(tài)自激、模塊開關(guān)波形和模塊溫升測(cè)試等。本研究對(duì)模塊進(jìn)行了靜態(tài)自激測(cè)試和使用逆變焊機(jī)NB-500進(jìn)行了開關(guān)波形和溫升的測(cè)試。

3.1 靜態(tài)自激測(cè)試對(duì)比

靜態(tài)自激測(cè)試不是在整機(jī)上測(cè)試，而是單獨(dú)對(duì)模塊進(jìn)行測(cè)試（見圖6），主要是對(duì)比模塊的開關(guān)速度、自激振蕩情況、短路電流等。若模塊在靜態(tài)自激測(cè)試中表現(xiàn)出較嚴(yán)重的自激振蕩或較小的短路電流，則整機(jī)在工作過程中模塊很容易損壞。因此通過靜態(tài)自激測(cè)試可以預(yù)先獲取模塊的特性，同時(shí)也避免模塊在整機(jī)測(cè)試時(shí)“炸機(jī)”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(xiàn)振蕩，改善后Vge=17 V模塊也未出現(xiàn)明顯振蕩；參照模塊M3（RQ）在Vge=16 V時(shí)出現(xiàn)明顯振蕩，M4（RL）類似于改善后的模塊，Vge=17 V也未出現(xiàn)明顯振蕩。

3.2 整機(jī)測(cè)試開關(guān)波形對(duì)比

模塊整機(jī)工作時(shí)的開關(guān)波形如圖7所示。與M1（改善前）模塊相比，優(yōu)化后模塊M2（改善后）開通時(shí)電流上升變快，關(guān)斷時(shí)電流下降變慢，如圖7a所示。優(yōu)化后模塊M2（改善后）的開關(guān)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(guān)斷時(shí)關(guān)斷電流拖尾稍微略大，如圖7b所示。

3.3 整機(jī)測(cè)試溫升對(duì)比

溫升測(cè)試時(shí)NB－500逆變器焊機(jī)直流電壓約560 V，輸出三相400 V AC，50 A模塊對(duì)應(yīng)滿載輸出電流為350 A，使用可變電阻箱作負(fù)載。焊機(jī)工作頻率18 kHz，使用熱電偶測(cè)量模塊正常工作5 min后的溫升，模塊工作時(shí)的環(huán)境溫度為25℃。測(cè)試得到的溫升對(duì)比數(shù)據(jù)如圖8所示。

優(yōu)化后模塊溫升大幅度降低，帶負(fù)載（滿載的75％）工作5 min的溫升數(shù)據(jù)顯示，優(yōu)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(jié)論

通過優(yōu)化現(xiàn)有IGBT模塊的芯片和內(nèi)部柵極連線，解決了模塊的自激振蕩問題和模塊在整機(jī)工作中起弧時(shí)的電壓電流振蕩現(xiàn)象。優(yōu)化后模塊無明顯自激振蕩，整機(jī)測(cè)試的開關(guān)波形也非常接近M3（RQ）的波形。由于開關(guān)損耗的降低，優(yōu)化后的模塊整機(jī)工作時(shí)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(cè)試對(duì)比

圖7 整機(jī)測(cè)試開關(guān)波形對(duì)比

圖8 模塊溫升對(duì)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(jī)械工業(yè)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(guān)的研究開發(fā)工作。