引言

低成本便攜式焊機需求日益增長，尤其在發展中國家更是如此。分立式IGBT和MOSFET廣泛應用于功率范圍在 1.5kW至6kW的手動金屬電弧焊(MMA)和鎢極惰性氣體保護焊(TIG)。這些焊機主要采用電流模式PWM控制和簡單的技術，例如雙管正激(TTF)、半橋(HB)式和全橋(FB)式，通常開通采用零電流開關（ZCS）且關斷采用硬開關。對于這些配置，為了提高性能和降低系統成本，高頻率是最重要的設計趨勢之一。由于關斷損耗大大減少，英飛凌的TRENCHSTOP 5 IGBT技術成為最有前景的選擇，因為完全有能力滿足焊機強大的技術要求。

相對于前代IGBT，TRENCHSTOP 5 IGBT提高了性能，且能夠在高開關頻率下運行。同時還適用于在適當的布局中直接替換開關頻率達100kHz的傳統高電壓MOSFET。在較高的開關頻率下運行能夠減少磁性元件的尺寸和電容器的數量。然而，由于較高的di/dt和dv/dt可能引發關斷時高壓過沖、導通時振蕩或EMI數據降級等問題，舊款 IGBT并不總能找到簡單的“即插即用”替代品。

改善半橋拓撲結構

關斷損耗大幅度減少可能導致轉換器初級側發生巨大的機構變化，從而簡化了機構解決方案。這甚至會導致 PCB布局和柵極驅動器設計的進一步改進。因此，可以明顯減少機器的尺寸和重量。圖1顯示了為此設計的焊機示范產品。這是一個單相4.5kW半橋MMA/TIG焊機。由于電源環路和單回路的布局均得到適當的改善，在這種情況下，可在每個開關中用一個IKW50N65H5 TRENCHSTOP 5 IGBT替代兩個40A/600V IGBT。

此外，由于開關和導通損耗降低，器件溫度也明顯下降，甚至可以使用絕緣箔片。顯示了英飛凌IGBT不同技術的外殼溫度輪廓。從圖中可以看到不同技術的外殼溫度之間存在顯著差異。尤其是TRENCHSTOP 5，外殼溫度比以前的TRENCHSTOP硅低了40K。

進行的測試用于確定將關斷時電壓過沖保持在擊穿電壓80%以內的柵極電阻RG(off)，從而將集電極－發射極電壓限制在最大值VCE=520V。電路板的雜散電感越低，為滿足限值所能選擇的RG(off) 就越低。該測試同時考慮了最大集電極－發射極電壓的振蕩。事實上，本測試在低于200ns時的可接受值是-25V

或者，可通過調整無源柵極網絡在未經優化的布局中使用TRENCHSTOP 5。在這種情況下，通過引入關斷大柵電阻和CGE/RCE柵極拑位結構，可再次將VCE與VGE過沖保持在可接受值的范圍內。但是，這樣做會明顯減少使用 TRENCHSTOP 5 IGBT帶來的好處。由此也突顯出適當布局的重要性。

若要進一步減少電源板的雜散電感，可以在絕緣襯底的表面貼裝組裝中使用TRENCHSTOP 5 IGBT技術。這樣得到的是更緊湊的解決方案，即高壓側和低壓側共用一個散熱區。因此，諸如IMS或Al2O3陶瓷等特殊的IGBT絕緣需要額外的加強絕緣。引進的這些技術變化導致整個機器的尺寸和重量實現大幅度減少。圖3是一個實例。在圖中，新的設計使半橋MMA焊機示范產品比以前的示范產品尺寸減少了35%，重量減少了15%。

這種理念使得整體雜散電感能夠達到40nH，如果采用不同的封裝組裝組合和全橋拓撲結構設計，則還可以進一步減少20nH。雜散電感的降低可使系統在超過100kHz的開關頻率下運行，這意味著可以使用單個散熱區提高功率密度并降低變壓器尺寸，同時保證所需的直流母線電容器數量。

改善全橋拓撲結構

圖4顯示了另一個設計實例——3.5kW全橋高頻率焊機。圖中實例的設計目的是顯示用全橋拓撲結構的 TRENCHSTOP 5替換傳統的MOSFET，從而實現更低的成本、更佳的可制造性以及更高的可靠性。

TRENCHSTOP 5 IGBT技術的低關斷損耗同樣是新設計系統結構改進的關鍵促成因素。與MOSFET相比，有了這種功能再加上IGBT更高的載流能力，即可使用1個IGBT設備代替3個傳統的高壓MOSFET。由于需要的設備較少，可輕松地將功率級和驅動級集成到較小的電路板上，以此取代電源板上的驅動板。與這種常見的方法相比，新方法所需的總電路板面積比以前少了三分之一。而且，明顯減少的電源環路寄生電感能夠在較高的di/dt下關斷 TRENCHSTOP 5，并將電壓過沖保持在建議的規范內。

開發這種示范產品是為了簡化結構并提高功率密度。有了這種硬件，就可以顯示如何減少組裝過程的工作量，這能夠顯著提高可制造性從而實現批量生產并降低系統成本。減少組件和布局優化意味著與商業解決方案相比，材料成本可減少30%左右，尺寸可減少30%而且重量可減少35%。