分布式IGBT整流器在汽車涂裝電泳生產(chǎn)線中的應(yīng)用

陳水平 ，李飛，卜洪濤，付長宇，劉洪濤，劉斌，劉杰

（1.中國汽車工業(yè)工程有限公司，天津 300113；2.吉利汽車集團(tuán)有限公司，浙江 寧波 315336）

IGBT(insulated gate bipolar transistor)即絕緣柵雙極型晶體管，是由BJT(雙極型三極管)和MOS(絕緣柵型場效應(yīng)管)組成的復(fù)合全控型電壓驅(qū)動式功率半導(dǎo)體器件[1]。近年來，IGBT分布式整流電源逐漸成為汽車陰極電泳整流設(shè)備的主流，被越來越多的業(yè)主選用。本文以某70臺/h的汽車電泳涂裝線為例，詳述IGBT的使用效果，以及與以往傳統(tǒng)陰極電泳方式(三段陰極銅排、共陽極)整流電源的對比。

1 電泳線概述

該涂裝線生產(chǎn)中高檔轎車，采用陰極電泳，分布式IGBT整流模塊供電。

生產(chǎn)線設(shè)計的最大車身外形尺寸為長4 700 mm、寬1 900 mm(開門2 200 mm)、高1 500 mm(開門1 800 mm)，最大白車身質(zhì)量600 kg，生產(chǎn)節(jié)拍70臺/h，單車電泳面積120 m2，電泳時間300 s。

擺桿鏈輸送鏈速7.29 m/min，白車身節(jié)距6.25 m，鏈節(jié)距250 mm。

2 整流電源電路

如圖1所示，銅排為陰極，分為兩段，車身通過安裝在后擺桿上的導(dǎo)電刷與銅排導(dǎo)通接入整流電路。過渡銅排(一段銅排)的作用是防止車身帶電入槽，以及避免導(dǎo)電刷刷住陰極銅排(二段銅排，帶電)時打火。兩段銅排切口分開處是車身剛?cè)氩酆髮?dǎo)電刷的位置。

圖1 整流電源電路Figure 1 Circuit of rectifier

一段銅排不單獨與整流電源連接，但與二段銅排之間設(shè)置有單向可控硅，按設(shè)定程序過一臺車可控硅導(dǎo)通一次，兩段銅排接通，導(dǎo)電刷在帶電狀態(tài)下隨擺桿向前移動，平滑跨過銅排切口[2]。

3 電泳過程

本案例共設(shè)154對側(cè)面陽極、25根底部陽極，其分布如圖2所示。

圖2 銅排及陽極布置示意圖Figure 2 Schematic diagram showing the distribution of copper bars and anodes

車身固定在擺桿上，車頭向前從圖2左側(cè)進(jìn)入電泳槽，導(dǎo)電刷在后擺桿上。當(dāng)擺桿載著車身向前行進(jìn)，導(dǎo)電刷刷住一段銅排行走到銅排切口左側(cè)時，車身已全部浸入電泳槽液面以下，銅排分段間的可控硅導(dǎo)通，兩段銅排接通，一段銅排也接入整流電路，同時入口端20對側(cè)部陽極(以一個車身長度)和此處的底部陽極通電，開始電泳。隨著車身向前行走，車頭前方的陽極逐個加電，車尾的陽極逐個斷電。

導(dǎo)電刷走過銅排切口后，可控硅斷開，此時第一臺車向前行走繼續(xù)電泳，后續(xù)第二臺車后擺桿上的電刷刷住一段銅排，車身緩慢進(jìn)入電泳槽。因一段銅排此時未接入整流電源回路，入槽過程無電泳發(fā)生。

4 電泳電壓的確定

每根陽極的電壓先按經(jīng)驗設(shè)定，調(diào)試過程中根據(jù)膜厚及粗糙度的測量值與均勻性予以調(diào)整[3-4]，達(dá)到最優(yōu)效果。本案例最終的陽極電壓、電流如圖3所示。

圖3 側(cè)部陽極的電壓和電流Figure 3 Voltages and currents of side anodes

底部陽極電壓比附近側(cè)部陽極電壓高0 ～ 40 V，按需調(diào)整。

根據(jù)陽極電流高低，確定1個IGBT模塊匹配1根或2根陽極。對于本案例而言，電泳電流較高的第21、23、25、27、28、32、33、34、37和44這10對陽極位于電壓升高突變處，電流較大，每根陽極匹配一個IGBT模塊，其余都是每對(2根)陽極匹配一個IGBT模塊。每根底部陽極匹配一個IGBT模塊。

按允許直流電流容量劃分，IGBT模塊有35 A、50 A、75 A和100 A四種規(guī)格，在設(shè)計時根據(jù)投資要求來確定采用何種規(guī)格。IGBT模塊越多，發(fā)生故障的容錯率越高，但投資越大。本案例選35 A和50 A兩種。

設(shè)計時，IGBT模塊和陽極的允許電流值需互相匹配，避免投資浪費。

IGBT設(shè)計有限流措施，防止模塊長時間在超過額定電流的情況下運行。限流方式有以下兩種：

(1) 當(dāng)電泳電流值超出設(shè)定的限流值，系統(tǒng)轉(zhuǎn)入限流狀態(tài)，電泳電壓不再往設(shè)定值上升，保證系統(tǒng)輸出電流不超過限定值。該方式實際上是通過控制電泳反應(yīng)強(qiáng)度來限流。

(2) 當(dāng)電泳電流值超出設(shè)定的限流值，IGBT模塊仍按設(shè)計值輸出電壓，但輸出電流控制在限定值，保證模塊不會出故障。發(fā)生限流時，模塊會發(fā)出報警信陽，限流解除后報警消失。這種方式不控制電泳實際反應(yīng)強(qiáng)度，而是通過控制模塊的反饋來保護(hù)模塊。

限流一般發(fā)生在模塊容量偏小的情況下。當(dāng)出現(xiàn)限流時，可減少該模塊匹配的陽極數(shù)量，例如將一個模塊匹配2個陽極改為匹配1個陽極。同時調(diào)整模塊布局，讓其他電流較低的模塊多匹配幾個陽極，在不增加模塊總數(shù)的前提下解決限流問題。

最終調(diào)試結(jié)束后，正常情況下不允許有限流現(xiàn)象發(fā)生。當(dāng)電網(wǎng)波動時，限流措施可以保證電泳生產(chǎn)正常進(jìn)行。

5 與常規(guī)陰極電泳的對比

5.1 車身電位比較

使用潛水艇電位記錄儀測量了本案例(使用IGBT)與另兩例常規(guī)三段式陰極電泳時的車身電位。通常高壓區(qū)電泳時間比較長，因此比較了上述3例的高壓區(qū)電位。從表1可看出，IGBT的電位損失比較小。

表1 不同電源分布方式下車身電位的比較Table 1 Comparison of car body potential under different rectifier distributions

電位損失與油漆性能、溫度、車身結(jié)構(gòu)等密切相關(guān)，但這3條涂裝線所用的電泳漆均是歐美一線品牌，上述數(shù)據(jù)有一定的參考價值。

5.2 電泳膜厚比較

比較了5.1節(jié)所述3條電泳線的車身外表面與內(nèi)腔的膜厚，結(jié)果見表2和表3。這3條涂裝線均屬于同一個汽車集團(tuán)，外表面膜厚、內(nèi)腔膜厚的合格標(biāo)準(zhǔn)一樣，表2和表3中的電泳膜厚均屬于合格，但 IGBT電泳車身外表面及內(nèi)腔的膜厚顯著低于其他兩例，且外表面膜厚均勻性較好。推測IGBT方式更容易控制膜厚，節(jié)約油漆。

表2 車身外表面電泳膜厚Table 2 Thickness of electrodeposition coating on external surface of vehicle body（單位：μm）

表3 車身內(nèi)腔電泳膜厚Table 3 Thickness of electrodeposition coating on internal surface of vehicle body（單位：μm）

5.3 電泳車身表面粗糙度比較

從表4可知，兩例電泳線的車身外表面粗糙度都是合格的，而且IGBT電泳車身各部位粗糙度的平均值比傳統(tǒng)方式要低很多[5]。

表4 車身外表面電泳粗糙度(Ra)Table 4 Roughness (Ra) of electrodeposition coating on external surface of vehicle body（單位：μm）

5.4 電泳能耗比較

比較了3條線的單車能耗，結(jié)果見表5，看不出IGBT有什么明顯的節(jié)能優(yōu)勢。

表5 單車能耗Figure 5 Power consumption per vehicle

6 整流電源間的散熱分析

IGBT整流電源包括整流單元、IGBT、二極管、變壓器等電子元件和散熱元件(帶熱管冷卻的鋁合金散熱片+風(fēng)機(jī))，這些元件整合在一起組裝成一個外形長586 mm、寬600 mm、高200 mm的整流模塊(MAC)，8個MAC模塊組裝到一個MAC柜內(nèi)。本案例共189個模塊，24個MAC柜。

24個MAC柜、1個主控柜和2個電源分配柜放置在長11.5 m、寬6.5 m、高7 m的封閉房間內(nèi)，車身電泳時MAC發(fā)出的熱量通過散熱風(fēng)機(jī)散入房間內(nèi)。該房間需設(shè)置環(huán)境溫控裝置。

6.1 電泳電流的計算

電泳的平均電流I(單位：A)可按式(1)計算。

式中：S——涂裝線面積生產(chǎn)率(單位：m2/h)，本案例為8 400 m2/h；

δ——干膜厚度(單位：μm)，本案例以20 μm進(jìn)行計算；

ρ——干膜密度(單位：g/cm3)，本案例取1.45 g/cm3；

q——電泳漆的庫侖效率(單位：mg/C)，本案例取30 mg/C。

整流模塊總輸出平均功率按式(2)計算。

式中U為平均電壓(本案例是220 V)，Φ為整流模塊功率因數(shù)(取0.98)。

本案例的生產(chǎn)節(jié)拍是70臺/h，按實測平均電耗量7.83 kW·h/臺來計算，總耗電量應(yīng)為70× 7.83 = 5 48.1(kW)。

計算值與實測值比較接近，說明計算結(jié)果可信。

6.2 MAC發(fā)熱量的計算

發(fā)熱元件包括整流單元、IGBT、二極管、變壓器、散熱風(fēng)機(jī)等。整流電源間設(shè)計的散熱量需大于發(fā)熱量。

整流模塊的發(fā)熱量Q(單位：kW)按式(3)計算。

式中的a是變?yōu)闊崮艿碾娔鼙嚷?，一般?.05 ～ 0.10。根據(jù)實測，本案例取0.10較合適。

因此，Q= 5 06 × 0.10 = 5 0.6(kW)。

7 結(jié)語

與傳統(tǒng)三段陰極銅排、共陽極的陰極電泳整流電源供電方式相比，IGBT整流在控制車身外表面及內(nèi)腔膜厚及漆膜粗糙度上有一定優(yōu)勢，但在單車能耗上未見明顯降低。

IGBT的優(yōu)勢也體現(xiàn)在電源故障容錯率上。據(jù)測試，當(dāng)連續(xù)10%的IGBT模塊或非連續(xù)20%的IGBT模塊不工作時，車身電泳質(zhì)量同樣滿足控制要求。

整流電源間的散熱問題必須在工程設(shè)計時予以重視。

電泳膜厚、表面粗糙度、電泳電位、單車能耗等參數(shù)與油漆性能、溫度、電源分布、白車身材質(zhì)及結(jié)構(gòu)形式等因素相關(guān)，需在實驗室條件下鎖定其他變量進(jìn)行對比測試，方有可能得出定量的分析結(jié)果。條件所限，本文只對現(xiàn)有涂裝線實測數(shù)據(jù)進(jìn)行了整理，希望對同行有所參考、借鑒。