0 前言
IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor)全稱為絕緣柵雙極晶體管，作為電力電子轉(zhuǎn)換主要開關(guān)器件，其性能優(yōu)劣將直接影響整機整體表現(xiàn)。隨著國內(nèi)工藝水平和設(shè)計能力的提升，國產(chǎn)IGBT開始在一些領(lǐng)域得到規(guī)模應用。
江蘇中科君芯科技有限公司(以下簡稱中科君芯) 作為國內(nèi)IGBT行業(yè)的領(lǐng)軍企業(yè)，一直致力于IGBT芯片的自主研發(fā)和生產(chǎn)，是目前國內(nèi)真正實現(xiàn)國產(chǎn)IGBT芯片自主研發(fā)和規(guī)模化量產(chǎn)的企業(yè)。
本文主要對中科君芯IGBT在工業(yè)類(逆變焊機及UPS)的性能表現(xiàn)進行介紹并加入國外主流器件進行對比測試，文章最后對中科君芯的高壓器件的性能進行簡要的介紹。
1 逆變焊機
1.1 焊機電路拓撲
工業(yè)用焊接電源電路拓撲有半橋和全橋(圖1,圖2)兩種結(jié)構(gòu)，相對于半橋結(jié)構(gòu)全橋電路輸出功率能力更強，半橋拓撲多用于焊機輸出電流<280A的機型中，而全橋拓撲多用于焊機電流>315A的焊接電源中。
1.2 IGBT芯片技術(shù)
中科君芯IGBT芯片技術(shù)歷經(jīng)穿通型(PT) IGBT與非穿通(NPT)型IGBT(圖3 a與b)，過渡到目前國際最新的技術(shù)(圖3 c)。針對焊機產(chǎn)品的1200V系列正是采用了這一最新技術(shù)。
相對于PT和NPT，最新技術(shù)的特點為正面采用溝柵結(jié)構(gòu)可進一步減小正向?qū)〞r飽和壓降值 ，同時背面采用場技術(shù)進一步優(yōu)化器件的開關(guān)性能，在提高性能同時可使芯片做的更薄，這種結(jié)構(gòu)特性對高壓器件來說是重要的。
1.3 1200V系列器件參數(shù)比對
焊機領(lǐng)域開關(guān)頻率一般>=20KH*********，為適應這一頻率要求，特別針對開關(guān)特性和飽和壓降進行折中優(yōu)化，保證降低開關(guān)損耗的前提下導通壓降值不能有顯著增加。
因變壓器漏感及引線電感的存在，當IGBT關(guān)斷時， 在雜散電感上形成電壓尖峰，針對這一特點，在設(shè)計IGBT耐壓時進行優(yōu)化處理(標稱1200V器件的實際耐壓值達到1400V左右)。
另外焊機中和IGBT反并聯(lián)的FRD及吸收電容的存在，使得IGBT在開通時產(chǎn)生很大的 ，使得IGBT開通時流過IGBT的電流會出現(xiàn)較大的峰值。在設(shè)計IGBT時特別針對IGBT的集電極重復峰值電流 進行特殊處理，使得峰值電流在額定值的4倍條件下進行安全工作，并考核在不同脈沖寬度下該器件承受峰值電流的能力。
除優(yōu)化上述兩個參數(shù)，該系列IGBT設(shè)計成正溫度系數(shù)適合并聯(lián)條件下使用，同時將IGBT和快恢復FRD集成在同一封裝中提高整體性能。
表一為君芯1200V系列中40A器件和國外主流廠家同規(guī)格IGBT主要參數(shù)對比。關(guān)斷損耗與飽和壓降折中曲線如圖4所示。
表一 主要參數(shù)對比
1.4 焊機實測對比
測試所用焊機為深圳華意隆電氣股份有限公司的主打手工焊焊機，機型ZX7-400A。該機型輸入380V，50H*********;輸出電壓41.5V，電流400A;焊機頻率20KH*********，占空比為38.7%，IGBT驅(qū)動柵極電阻10Ω。
圖5為整個測試系統(tǒng)圖，測試中加入國外主流廠家I和F的同規(guī)格器件進行比測。
考核主要從IGBT殼溫度、帶載測試中的波形表現(xiàn)以及點焊瞬間IGBT是否出現(xiàn)過流沖擊損壞等三方面進行。殼溫度對比結(jié)果如圖6所示，柵極驅(qū)動波形的穩(wěn)定性參考圖7與圖8。
在滿載條件下模擬焊條和母材接觸瞬間的點焊實驗，連續(xù)點焊1h，測試中焊機無異常，點焊后焊機工作正常。
2 UPS
2.1工作原理
不間斷電源用于改善電能質(zhì)量及突然掉電時提供持續(xù)功率，功率范圍從1KVA~幾百KVA 。市電正常時通過整流橋整流成直流，然后通過IGBT高頻逆變成交流電，最終通過工頻變壓器變化為50H*********的交流電。
在市電異常時電池模式提供DC-DC升壓功能將幾十伏直流電升壓到400V左右，供IGBT逆變最終經(jīng)過工頻變壓器形成與市電同頻率同幅值的交流電。
圖9 UPS工作示意圖
2.2電路拓撲
1~3KVA功率UPS以半橋電路為主，3KVA~6KVA半橋和全橋電路都有采用，對于三相輸出基本為三相半橋電路。國內(nèi)UPS還是以硬開關(guān)電路為主，開關(guān)頻率一般在16KH*********~20KH*********，功率越大，開關(guān)頻率值相應減小。
2.3實測比對
上圖是實驗測試平臺，主要用于測試UPS帶載時流過IGBT的電壓電流波形值，以及長時間滿載條件下的殼溫結(jié)果。
2.3.1 波形測試
其中綠色和紅色為上下對稱的柵極波形，藍色為電流波形，淡黃色為電壓波形，從波形看均無異常。
2.3.2殼溫對比
滿載條件(3KVA)下，中科君芯40A器件和國外兩家主流器件的殼溫對比如上表所示，從溫升結(jié)果看，君芯器件表現(xiàn)良好。
2.3.3 瞬投實驗
該實驗通過一個繼電器使得UPS負載瞬間接入和瞬間斷開，考驗IGBT的承受能力及IGBT的可靠性。所用斷路器如下所示。
按照客戶企業(yè)內(nèi)部標準，在滿載條件下連續(xù)瞬投30分鐘，UPS工作正常均無出現(xiàn)損壞。
2 高壓器件
3.1 背景介紹
IGBT高壓器件因?qū)υO(shè)計及工藝要求更高，國內(nèi)鮮有廠家能有產(chǎn)品推出，中科君芯高壓器件經(jīng)過近6年時間的積累目前在1700V和3300V兩個電壓等級有較為成熟的樣品。
當前高壓器件雖未進行規(guī)模量產(chǎn)，但高壓IGBT在光伏斬波、高壓變頻器，柔性直流輸電方面都收到了客戶不錯的反響。
該部分將介紹在柔性直流輸電上中科君芯1700V/300A及3300V/1200A的性能表現(xiàn)。
3.2 電路拓撲
柔性直流輸電的常見電路拓撲如圖1)。
1)電路拓撲來源：北極星電力
圖中用紅色圈標注部分采用IGBT功率模塊，母線電壓較高，通過母排將多個IGBT串聯(lián)達到所需電壓。
3.3 實測數(shù)據(jù)
測試系統(tǒng)功率為20MW，電壓±10KV,采用24顆1700V/300A器件為一換流閥，開關(guān)頻率1.35KH*********，所測波形如下。
3.3.1 柵極波形
備注：柵極在上升及下降沿有輕微振蕩，但幅值
小不影響正常工作
3.3.2 動態(tài)數(shù)據(jù)
測試中加入國外主流器件進行比測，下面兩幅圖簡要列出對比波形。
3.3.3 殼溫數(shù)據(jù)
因在實際帶載測試中，IGBT的電流裕量選擇很大(300A器件實際額定電流為100A)，測試過程中將IGBT過溫保護上限從原來的 85℃降低到65℃后進行帶載測試，連續(xù)考級1小時，系統(tǒng)運行正常，為出現(xiàn)過溫保護。
2 總結(jié)
通過上述對中科君芯器件在工業(yè)焊機和UPS以及在高壓器件應用領(lǐng)域的介紹及對比測試看，雖然國產(chǎn)器件和國外主流IGBT相比還存在一些差距(溫升稍高、波形波動及毛刺較多)，但均能在不同應用系統(tǒng)中正常運行，具備競爭實力。
中科君芯低壓產(chǎn)品(<=1700V)除UPS及逆變焊機外，在感應加熱、光伏逆變、中低壓變頻器領(lǐng)域均有成熟產(chǎn)品進行使用;在高壓IGBT(1700V-6500V)應用領(lǐng)域，除本文介紹的柔性直流輸電領(lǐng)域，也有相應產(chǎn)品滿足在光伏斬波、光伏、風電領(lǐng)域的應用，限于篇幅，未能一一介紹。
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