焊机的基本知识、电路拓扑与IGBT选择的建议

焊机的典型拓扑

焊机作为比较传统的行业，但是任何一个行业不可能是停滞不前的。俗话说：原地踏步就等于退步。所以，随着电子元器件的发展，各个行业也都在不停地迭代更新，推出新的设备，赢得行业地竞争。而今天我们主要聊聊焊机基本的一些知识。首先，我们来聊聊焊机的总体结构，如下图：

今天我们主要还是针对其中的逆变器部分以及IGBT的选择方面进行讨论。逆变技术从一开始的硬开关技术，到移相软开关技术再到双零软开关技术的发展，对IGBT都有着各自不同的要求，也正因为如此，IGBT的正确选择和使用显得很是重要。

硬开关拓扑

电路拓扑如下：

UDC为直流母线电压，R1~R4和C1~C4对应的串联组合形成IGBT1~IGBT4的RC吸收网络，TX1为逆变中频变压器，VD1和VD2为输出全波整流二极管，R5、R6和C5、C6对应串联组成VD1和VD2的吸收网络，L为输出滤波电感，R为输出等效负载。

硬开关电路的工作方式如下：

IGBT1和IGBT4同时开通和关断，IGBT2和IGBT3同时开通和关断，在开关损耗中，关断损耗占比较大。因此在选择IGBT时，选择快速型IGBT，尤其时关断时间较短的较好。因为 时硬开关，我们开到开关部分的波形存在较为严重的振荡。

移相软开关拓扑

电路拓扑如下：

与硬开关电路不同，逆变主变压器的一次侧增加了谐振电感，使用负载特性时不会导致输出电压波形畸变。

移相软开关工作方式如下：

IGBT1和IGBT2轮流导通，各导通180°，IGBT3和IGBT4也是如此。但是IGBT1和IGBT4不同时导通，若IGBT1先导通，则IGBT4后导通，两者之间存在一定的相位角，同组IGBT的开通和关断存在一定的相位。因此，开关损耗较小，但是导通损耗会大，且续流二极管的工作时间较长，选择IGBT时应选择低通态型IGBT，并且续流二极管的通流能力要强。

双零软开关拓扑

电路拓扑如下：

在AB段串入饱和电感Ls和阻断电容C，IGBT1和IGBT4同时开通，不同时关断，IGBT2和IGBT3亦是如此。根据双零软开关的电路特点，零电压开通和零电流关断，使得IGBT的开关损耗非常小，所以，在损耗中，通态损耗的占比较大，选择低通态型IGBT较好。

工作方式如下：

IGBT选择的几点建议

下面聊聊焊机的中IGBT的选择，因为焊机的负载较为特殊，具体选型建议如下：

①快速热能响应

该特性反映了IGBT在单脉冲作用下将结温传递给外壳的能力，对散热器尺寸有重要意义；

②IGBT寄生电容参数

输入电容Ciss，米勒电容Cres，输出电容Coss，对于驱动功率，米勒效应等有着重要意义，所以选择较小的米勒电容，输入电容的IGBT较为有利；

③尽可能选择导通压降较小的；

电压、电流等级

三相380V的输入电压，母线为√2*380=537V左右，硬开关的情况下，IGBT的额定电压一般要求高于直流母线电压的两倍，这是考虑到硬开关尖峰电压较高的原因；而软开关一般 1200V就可以了；

电流：如输出电流为400A，主变压器变比为K=37/5，变压器一次侧的平均电流为400A/K=54A。选择IGBT时，额定电流Ic=100A，考虑到增强引弧和推力功能，输出电流最大值 为500A.变压器一次侧为500A/K=67.6A，这也是IGBT中流过的最大电流ICM，而且维持时间小于1ms，使用时考虑两倍的裕量，选用额定ICM＞150A即可。

焊机的工作情况可能比较特殊，其工作在“空载——短路——负载”的变化中，因此比较在意电流参数方面。

关于其他的一些，如驱动电阻，保护电路等外部的今天我就不再这里再展开了。万变不离其宗，再结合具有情况具体分析才是正理。

目前好像部分厂家都在往高频率发展，有朋友跟我说他们正在考虑三电平的方案。高频率主要可以大大地减小主变压器的尺寸：

我们根据变压器的计算公式U=4.44f*N*B*S

其中，f为变压器的工作频率；N为一次线圈的匝数；B为磁通密度，S为铁心的截面积。

可以看出，开关频率做的越高，可以减少一次侧线圈匝数和贴心的截面积，从而降低变压器的尺寸，提高焊机整体的功率密度。

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