逆變焊機中IGBT散熱及過熱保護技術(shù)的研究
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摘 要 焊機的可靠性和耐用性在很大水平上取決于IGBT的散熱和過熱維護技能。本文闡述了如何設(shè)計IGBT散熱器，以進步其耗散功率，同時介紹了IGBT過熱檢測維護電路。
要害詞 IGBT；過熱維護；熱阻；耗散功率
中圖分類號：TG434 文獻標(biāo)識碼：A
文章編號：1005-2763(2000)03-0027-02
Research on the Techniques for IGBT Radiating and Overheat Protection of Inverter Welder
REN Zhi-yuan
(Changsha Institute of Mining Research,Changsha,Hunan 410012,China）
WANG Qi
（Panzhihua Iron & Steel Group Corp.Panzhihua city,Sichuan 617000,China)
Abstract The reliability and durability of welder depend on the techniques for IGBT radiating and overheat protection to a considerable degree.This paper discussed that how to design IGBT radiator to improve its radiating capability and introduced the protective circuits for IGBT overheat check.
Key Words IGBT;Overheat protection;Heat resistance;Radiating capability
新型功率開關(guān)器件絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)集MOSFET的輸入阻抗高，驅(qū)動容易，開關(guān)速度快，無二次擊穿和GTR的通態(tài)壓下降，高壓大電流化容易等長處于一身，是目前逆變焊機中廣為利用的功率器件。IGBT的可靠性是逆變焊機穩(wěn)固可靠工作的根基。在IGBT的維護中，散熱技能及過熱維護是其中之一。逆變焊機能否在炎熱的夏天長光陰持續(xù)可靠工作，很大水平上取決于散熱及過熱檢測維護電路設(shè)計的優(yōu)劣。
1 IGBT散熱及過熱維護請求
當(dāng)逆變焊機輸出電流提供焊接工作時，功率開關(guān)器件IGBT本身也要耗費功率。其耗散功率重要包含通態(tài)損耗和開關(guān)損耗，其成果使基板溫度Tc和工作結(jié)溫Tj上升。圖1為IGBT耗散功率P與模塊基板溫度Tc的關(guān)系曲線；圖2為IGBT集電極電流Ic與模塊基板溫度Tc的關(guān)系曲線。可以看出隨著IGBT基板溫度Tc的上升，IGBT的耗散功率和集電極電流急劇降落。因此其最高基板溫度Tcmax不能超過80℃，否則工作結(jié)溫Tj會超過125℃，造成管子的過熱銷毀。為了能使IGBT穩(wěn)固可靠工作，必需采用恰當(dāng)?shù)纳徂k法，增強IGBT過熱檢測維護。
圖1 IGBT耗散功率與基板溫度曲線
圖2 IGBT集電極電流與基板溫度曲線
2 散熱器設(shè)計
IGBT滿負(fù)荷工作時，將發(fā)生較高的功率損耗密度。散熱器設(shè)計請求將IGBT功耗轉(zhuǎn)化的熱量敏捷而可靠地從基板傳送到散熱器上散掉，確保IGBT的最高工作結(jié)溫Tj不超過最高容許溫度125℃。散熱才能越強，器件所能蒙受的功率就越大，而器件的散熱才能取決于它的熱傳導(dǎo)特征。為了更明白地闡明IGBT散熱器的設(shè)計，介紹以下幾個表達(dá)式。
(1)
式中：Q——總熱阻；
ΔT——基板結(jié)溫與環(huán)境溫度之差；
P——器件的功耗。
外加散熱器后，總熱阻Q包含以下幾部分：
Q=Qjc+Qcs+QαA
(2)
式中：Qjc——結(jié)到基板的熱阻；
Qcs——基板到散熱器界面的熱阻；
QαA——散熱器到周圍空氣的熱阻。
器件所容許的功耗為：
(3)
式中：Tj——器件的結(jié)溫；
TA——周圍環(huán)境的溫度。
依據(jù)逆變焊機長光陰大電流工作的情形，選定最惡劣情形時的環(huán)境溫度TA和IGBT額定功耗P，從上式可求得所設(shè)計的散熱器到周圍空氣的熱阻QαA，而Qjc和Qcs都是判斷的。從散熱器手冊中依據(jù)求得的熱阻QαA選定散熱器的尺寸和散熱面積。為減小熱阻，通常在IGBT模塊基板與散熱器界面之間涂上導(dǎo)熱硅脂，外加軸流風(fēng)機來輔助散熱，進步IGBT的耗散功率。
3 過熱檢測維護電路
散熱器的設(shè)計是保證IGBT在正常情形下可靠工作的要害。但如果周圍環(huán)境溫度極度惡劣，軸流風(fēng)機失效或IGBT與散熱器之間安裝接觸不良等情形，照樣能造成IGBT過熱毀壞，為了防止在不正常情形下燒壞IGBT，我們在操縱電路上加了過熱檢測維護電路(如圖3所示)。
圖3 過熱檢測維護電路
RL為正溫度系數(shù)熱敏電阻，由于中頻焊接變壓器原側(cè)繞組通過的電流即為IGBT集電極電流，在正常工作情形下，原側(cè)繞組的溫升與IGBT結(jié)溫有必定關(guān)系，前者能間接反應(yīng)后者，因此將RL安裝在中頻焊接變壓器原側(cè)繞組之中。隨著變壓器繞組溫度的上升，熱敏電阻RL阻值增大，A點電壓也逐漸增大，而電壓對比器同相端B點上電壓固定為+5 V。當(dāng)繞組溫度低于某一預(yù)定值(對應(yīng)IGBT結(jié)溫容許設(shè)定值)時，B點電位高于A點電位，電壓對比器輸出呈高阻狀況。因此E點為高電平，T管不導(dǎo)通，發(fā)光二極管的過載唆使燈DR不亮。同時，F(xiàn)點也輸出高電平，而IGBT驅(qū)動模塊的驅(qū)動封鎖信號是低電平有效，正常輸出，所以IGBT正常工作。當(dāng)變壓器繞組溫度超過預(yù)定值，即對應(yīng)的IGBT結(jié)溫超過容許值時，A點電位高于B點電位，電壓對比器輸出(E點)為低電平，T管導(dǎo)通，發(fā)光二極管DR點亮。同時，F(xiàn)點輸出低電平，使IGBT的驅(qū)動模塊封鎖驅(qū)動信號，IGBT關(guān)斷，焊機這時沒有電流輸出。由于軸流風(fēng)機一直處于工作狀況，IGBT通過散熱器散熱，結(jié)溫逐漸降落，熱敏電阻RL阻值逐漸減小。當(dāng)回到容許值范疇內(nèi)時，B點電位又高于A點，驅(qū)動模塊恢復(fù)正常輸出，IGBT工作，過載唆使燈滅，焊機輸出給定電流。這樣就到達(dá)了IGBT過熱檢測維護的目標(biāo)。
4 結(jié) 論
由于采納了IGBT散熱及過熱維護技能，長沙礦山鉆研院電焊機廠生產(chǎn)的逆變焊機在不同規(guī)格的額定電流下能夠長光陰穩(wěn)固地工作。在南方夏季高溫酷暑的環(huán)境下，到達(dá)了息焊工不息焊機的持續(xù)焊接請求，焊機經(jīng)受住了滿負(fù)荷長光陰的考驗。同時也避免了在非正常情形下，焊機因IGBT結(jié)溫過高而被銷毀的情形，大大進步了焊機的可靠性和耐用性。
任志遠(yuǎn)（1965-），男，天津人，高檔工程師，重要從事工業(yè)主動化和電力電子技能鉆研和開發(fā)．
任志遠(yuǎn)（長沙礦山鉆研院，湖南 長沙 410012）
王琪（攀枝花鋼鐵團體公司，四川 攀枝花市 617000）
參考文獻
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