英飞凌第四代IGBT_T4在软开关逆变焊机中的应用
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英飞凌 IGBT 在焊机中应用的 DN2、KS4 和 T4
图 5 DN2、KS4、T4 芯片参数特性分布
T4 芯片是英飞凌第四代 IGBT 芯片，它是针对 中小功率高频应用场合而优化的。相对于其他芯片， 它具有极低的饱和压降，开关损耗也相对较小，开 关速度也比较快，适合高频软开关应用，在软开关 逆变焊机 20 kHz 开关频率下具有最小的总损耗。 另外它最高允许工作结温达到 150 ℃，比 DN2 和 KS4 提高了 25 ℃，可以大幅提高温度安全裕量，是目前 最适合软开关逆变焊机应用的 IGBT 芯片，可在软
1 逆变焊机逆变技术
术
种“革命化”的焊机在国内外受到了焊接行业各方
面的高度重视。在国际上逆变焊机已成为焊接设备
在功率器件发展领域，IGBT 以其优越的性价
的主流产品之一，而国内对它的研究、生产和推广
比，在中大功率的应用场合已普遍使用。除了少数
应用也迅猛发展，近几年逆变焊机的产量年增长率
便携式小功率逆变焊机外，目前绝大多数逆变焊机
芯片的封装模块
逆变焊机的污染等级比较高，目前用于逆变焊 机的采用 KS4 和 T4 芯片的封装模块只有 Econo
DUAL2 和 62 mm 两种，如图 6 所示。
62 mm 封装主要用于大功率焊机，其特点是：
专 题
壳到结的热阻 RthJC 比较小，散热较好。EconoDUAL2
讨
封装主要用于中小功率焊机，其特点是：寄生电感
一定程度上实现了软开关，相对于硬开关方式减
小了开关损耗。
1．3 全桥零电压零电流脉宽调制(FB-ZVZCS
-PWM)
针对 FB－ZVS－PWM 存在的问题，各种 FB－ZVZCS
－PWM 软开关的方案应运而生。目前在逆变焊机中
·78· Electric Welding Machine
图 2 FB－ZVS－PWM 拓扑
目前软开关技术已逐渐运用于逆变焊机中，并 逐渐成为市场主流和未来逆变焊机的发展方向，因 此寻找一款适合软开关 IGBT 开关特性的低饱和压 降的 IGBT 芯片显得尤为迫切。
2 IGBT 芯片的发展
英飞凌 IGBT 芯片发展如图 4 所示。英飞凌公司 是最先采用 NPT(非穿通)技术的半导体生产厂商， 这种 NPT 技术能明显降低 IGBT 的关断损耗，并且 使 IGBT 具有正温度系数特性，更适合于并联。在逆 变焊机中广泛应用的 DN2 芯片和 KS4 芯片就属于 这种第二代芯片。
迅速增长，IGBT 芯片制造厂商开始重视这些高频
-PWM)
应用领域，并根据这些高频应用的特点专门开发了
FB－Hard－switching－PWM 电路拓扑如图 1 所
一些 IGBT 芯ching－PWM 控制使功率开关器件
收 稿 日 期 ：2009－01－10 作 者 简 介：温永平(1981—)，男，江苏扬州人，硕士，主要从事
文献标识码：B
文章编号：10 01－2303(2009)02－0077－05
专
Infineon 4th generation IGBT—T4's application in soft-switching inverter welding machine
题
WEN Yong-ping，ZHOU Yi-zheng
字
Key words：IGBT；T4；soft-switching；inverter welding machine
化 焊
接
0 前言
开关特性开发的 T4 芯片就是一款适合于高频软开 电
逆变焊机具有电气性能和焊接工艺性能优良、 关应用的 IGBT 芯片。
源 技
节能节材、体积小、质量轻等一系列优点，因此这
讨
(Infineon Technologies China Co．， Ltd．，Shanghai 201203，China)
论 ︱
Abstract：Inverter welding machines are more and more widely used in different kinds of welding area because of their own
在高电压下开通，大电流时关断，是一种强迫开关 过程，即所谓的硬开关，主要存在以下缺点：
IGBT 应用及高频开关电源的研究。
(1)功率器件在开通和关断过程中，产生较大开
Electric Welding Machine ·77·
专题讨论
第 39 卷
图 1 FB－Hard－switching－PWM 拓扑
从图中可以看出，第四代 IGBT(T4)芯片明显比第 二代 IGBT(DN2，KS4)更靠近原点，这主要得益于芯
化 焊 接
片结构、芯片技术的改进。
电
芯片的沟槽栅场终止结构进行进一步优化，使芯
源
片在开关损耗和软特性上得到进一步优化。另外
技 术
它的最高允许工作结温达到了 150 ℃，较前几代
的 IGBT 提高了 25 ℃，这使得模块的功率密度可以
做得更高。
众所周知，功率半导体的总损耗主要由通态
损耗和开关损耗组成，但是 IGBT 芯片的饱和压 降和关断损耗始终存在着相互矛盾的关系，一般 IGBT 芯片制造商根据不同的应用场合对这两个参 数进行优化，如针对低频应用场合开关损耗占的 比重小的特点，开发出低饱和压降高关断损耗的 IGBT 芯片；如根据高频应用场合开关损耗占的比 重大的特点，开发出低关断损耗高饱和压降的 IGBT 芯片。
论
较小，便于紧凑化设计，但壳到结的热阻 RthJC 相对
b EconoDUAL2 封装
︱ 较大。 ︱
逆 变
4 KS4 及 T4 芯片在焊机中的开关特性
图 6 62 mm 和 EconoDUAL2 封装
对比如图 7 所示，由图可知，T4 芯片开通速度快， 电流 Ic 很快上升，所以 T4 开通损耗略小。
电感 Lf 与谐振电感 Lr 串联，一次电流类似于一个 恒电流源，因此超前臂很容易实现零电压开通，即
Eon＝0 ； 而 滞 后 臂 实 现 零 电 压 开 通 只 能 依 赖 谐 振 电感 Lr，故特别是在轻载和空载状态下较难实 现零电压开通，而且 FB－ZVS－PWM 还存在变压器
二次侧占空比丢失等问题。但是由于这种控制在
变
轴代表的是芯片的开关损耗，而横轴是芯片饱和压
与
集电极的 P 层上集成了一层较高浓度掺杂的 n 层， 降，体现了芯片的通态损耗。理想的功率器件就是 数
由于这层 n 层，使得器件在承受相同耐压的情况 下，芯片能做得更薄，从而减小了饱和压降和开关 能耗。
第四代 IGBT 芯片技术是基于第三代 IGBT
要求达到零开关损耗和通态损耗，即图中的原点。 字
化 制方式仍然被广泛应用。由于功率器件开关损耗比
焊
较大，这种控制方式在一定程度上制约了逆变焊机
接 电
的高频化。
源 1．2 全桥零电压脉宽调制(FB－ZVS－PWM)
技
FB －ZVS －PWM 电 路 拓 朴 如 图 2 所 示 。 FB －
术
ZVS－PWM 变换器超前臂和滞后臂实现零电压开
通的机理是不同的。超前臂换相过程中，输出滤波
与
high switching speed．Infineon's newly developed IGBT4—T4 can satisfy this need very well，T4 chip and its application in soft-
数
switching inverter welding machine will be introduced in this paper．
第三代 IGBT 芯片技术——Trench Fieldstop (沟槽栅＋场终止)技术是两种技术的总称：沟槽栅技 术是指采用垂直沟道的门极结构，这种结构可以
专题讨论
温永平等：英飞凌第四代 IGBT— ——T4 在软开关逆变焊机中的应用
第2期
专
题
讨
论
︱ ︱
图 4 IGBT 芯片发展
逆
大大减小 IGBT 的饱和压降；场终止技术是指在
芯片的饱和压降和开关损耗分布如图 5 所示。纵
开关逆变焊机中应用的采用 T4 芯片的 IGBT 模块
Electric Welding Machine ·79·
专题讨论
第 39 卷
型号有 FF100R12MT4，FF150R12MT4，FF200R12MT4，
FF200R12KT4 和 FF300R12KT4 等。 DN2 芯片是在逆变焊机中使用比较广泛的一
都在 50％以上，已引起了逆变焊机关联产业的高度
都使用 IGBT 模块，主电路拓扑主要为全桥硬开关
重视。
脉宽调制、全桥零电压脉宽调制和全桥零电压零电
对逆变焊机可靠性影响最大的就是功率半导
流脉宽调制三种。
体器件(如 IGBT)，由于逆变焊机等高频应用产品的
1．1 全桥硬开关脉宽调制(FB-Hard-Switching
讨 穿，一般电路中需要加很大的 RC 吸收电路。
论
(3)由于吸收电容的使用，当开关管突然开通
︱ ︱
时，这些能量将瞬间全部耗散在开关器件内，从而
逆 增加开关器件的开通损耗，而且 du／dt 很大，将产生
变 严重的开关噪声，影响开关器件驱动电路，使电路
与 数
工作不稳定。
字
但是由于其控制简单，电路成熟，目前这种控
研究并已产品化的 FB－ZVZCS－PWM 拓扑主要为 变压器一次侧串饱和电感和阻断电容的 FB－ZVZCS－ PWM 拓扑，如图 3 所示。超前桥臂实现零电压开 关(Eon 和 Eoff 接近于零)，滞后桥臂实现零电流关断 (Eoff＝0)。
图 5 DN2、KS4、T4 芯片参数特性分布
T4 芯片是英飞凌第四代 IGBT 芯片，它是针对 中小功率高频应用场合而优化的。相对于其他芯片， 它具有极低的饱和压降，开关损耗也相对较小，开 关速度也比较快，适合高频软开关应用，在软开关 逆变焊机 20 kHz 开关频率下具有最小的总损耗。 另外它最高允许工作结温达到 150 ℃，比 DN2 和 KS4 提高了 25 ℃，可以大幅提高温度安全裕量，是目前 最适合软开关逆变焊机应用的 IGBT 芯片，可在软
1 逆变焊机逆变技术
术
种“革命化”的焊机在国内外受到了焊接行业各方
面的高度重视。在国际上逆变焊机已成为焊接设备
在功率器件发展领域，IGBT 以其优越的性价
的主流产品之一，而国内对它的研究、生产和推广
比，在中大功率的应用场合已普遍使用。除了少数
应用也迅猛发展，近几年逆变焊机的产量年增长率
便携式小功率逆变焊机外，目前绝大多数逆变焊机
芯片的封装模块
逆变焊机的污染等级比较高，目前用于逆变焊 机的采用 KS4 和 T4 芯片的封装模块只有 Econo
DUAL2 和 62 mm 两种，如图 6 所示。
62 mm 封装主要用于大功率焊机，其特点是：
专 题
壳到结的热阻 RthJC 比较小，散热较好。EconoDUAL2
讨
封装主要用于中小功率焊机，其特点是：寄生电感
一定程度上实现了软开关，相对于硬开关方式减
小了开关损耗。
1．3 全桥零电压零电流脉宽调制(FB-ZVZCS
-PWM)
针对 FB－ZVS－PWM 存在的问题，各种 FB－ZVZCS
－PWM 软开关的方案应运而生。目前在逆变焊机中
·78· Electric Welding Machine
图 2 FB－ZVS－PWM 拓扑
目前软开关技术已逐渐运用于逆变焊机中，并 逐渐成为市场主流和未来逆变焊机的发展方向，因 此寻找一款适合软开关 IGBT 开关特性的低饱和压 降的 IGBT 芯片显得尤为迫切。
2 IGBT 芯片的发展
英飞凌 IGBT 芯片发展如图 4 所示。英飞凌公司 是最先采用 NPT(非穿通)技术的半导体生产厂商， 这种 NPT 技术能明显降低 IGBT 的关断损耗，并且 使 IGBT 具有正温度系数特性，更适合于并联。在逆 变焊机中广泛应用的 DN2 芯片和 KS4 芯片就属于 这种第二代芯片。
迅速增长，IGBT 芯片制造厂商开始重视这些高频
-PWM)
应用领域，并根据这些高频应用的特点专门开发了
FB－Hard－switching－PWM 电路拓扑如图 1 所
一些 IGBT 芯ching－PWM 控制使功率开关器件
收 稿 日 期 ：2009－01－10 作 者 简 介：温永平(1981—)，男，江苏扬州人，硕士，主要从事
文献标识码：B
文章编号：10 01－2303(2009)02－0077－05
专
Infineon 4th generation IGBT—T4's application in soft-switching inverter welding machine
题
WEN Yong-ping，ZHOU Yi-zheng
字
Key words：IGBT；T4；soft-switching；inverter welding machine
化 焊
接
0 前言
开关特性开发的 T4 芯片就是一款适合于高频软开 电
逆变焊机具有电气性能和焊接工艺性能优良、 关应用的 IGBT 芯片。
源 技
节能节材、体积小、质量轻等一系列优点，因此这
讨
(Infineon Technologies China Co．， Ltd．，Shanghai 201203，China)
论 ︱
Abstract：Inverter welding machines are more and more widely used in different kinds of welding area because of their own
在高电压下开通，大电流时关断，是一种强迫开关 过程，即所谓的硬开关，主要存在以下缺点：
IGBT 应用及高频开关电源的研究。
(1)功率器件在开通和关断过程中，产生较大开
Electric Welding Machine ·77·
专题讨论
第 39 卷
图 1 FB－Hard－switching－PWM 拓扑
从图中可以看出，第四代 IGBT(T4)芯片明显比第 二代 IGBT(DN2，KS4)更靠近原点，这主要得益于芯
化 焊 接
片结构、芯片技术的改进。
电
芯片的沟槽栅场终止结构进行进一步优化，使芯
源
片在开关损耗和软特性上得到进一步优化。另外
技 术
它的最高允许工作结温达到了 150 ℃，较前几代
的 IGBT 提高了 25 ℃，这使得模块的功率密度可以
做得更高。
众所周知，功率半导体的总损耗主要由通态
损耗和开关损耗组成，但是 IGBT 芯片的饱和压 降和关断损耗始终存在着相互矛盾的关系，一般 IGBT 芯片制造商根据不同的应用场合对这两个参 数进行优化，如针对低频应用场合开关损耗占的 比重小的特点，开发出低饱和压降高关断损耗的 IGBT 芯片；如根据高频应用场合开关损耗占的比 重大的特点，开发出低关断损耗高饱和压降的 IGBT 芯片。
论
较小，便于紧凑化设计，但壳到结的热阻 RthJC 相对
b EconoDUAL2 封装
︱ 较大。 ︱
逆 变
4 KS4 及 T4 芯片在焊机中的开关特性
图 6 62 mm 和 EconoDUAL2 封装
对比如图 7 所示，由图可知，T4 芯片开通速度快， 电流 Ic 很快上升，所以 T4 开通损耗略小。
电感 Lf 与谐振电感 Lr 串联，一次电流类似于一个 恒电流源，因此超前臂很容易实现零电压开通，即
Eon＝0 ； 而 滞 后 臂 实 现 零 电 压 开 通 只 能 依 赖 谐 振 电感 Lr，故特别是在轻载和空载状态下较难实 现零电压开通，而且 FB－ZVS－PWM 还存在变压器
二次侧占空比丢失等问题。但是由于这种控制在
变
轴代表的是芯片的开关损耗，而横轴是芯片饱和压
与
集电极的 P 层上集成了一层较高浓度掺杂的 n 层， 降，体现了芯片的通态损耗。理想的功率器件就是 数
由于这层 n 层，使得器件在承受相同耐压的情况 下，芯片能做得更薄，从而减小了饱和压降和开关 能耗。
第四代 IGBT 芯片技术是基于第三代 IGBT
要求达到零开关损耗和通态损耗，即图中的原点。 字
化 制方式仍然被广泛应用。由于功率器件开关损耗比
焊
较大，这种控制方式在一定程度上制约了逆变焊机
接 电
的高频化。
源 1．2 全桥零电压脉宽调制(FB－ZVS－PWM)
技
FB －ZVS －PWM 电 路 拓 朴 如 图 2 所 示 。 FB －
术
ZVS－PWM 变换器超前臂和滞后臂实现零电压开
通的机理是不同的。超前臂换相过程中，输出滤波
与
high switching speed．Infineon's newly developed IGBT4—T4 can satisfy this need very well，T4 chip and its application in soft-
数
switching inverter welding machine will be introduced in this paper．
第三代 IGBT 芯片技术——Trench Fieldstop (沟槽栅＋场终止)技术是两种技术的总称：沟槽栅技 术是指采用垂直沟道的门极结构，这种结构可以
专题讨论
温永平等：英飞凌第四代 IGBT— ——T4 在软开关逆变焊机中的应用
第2期
专
题
讨
论
︱ ︱
图 4 IGBT 芯片发展
逆
大大减小 IGBT 的饱和压降；场终止技术是指在
芯片的饱和压降和开关损耗分布如图 5 所示。纵
开关逆变焊机中应用的采用 T4 芯片的 IGBT 模块
Electric Welding Machine ·79·
专题讨论
第 39 卷
型号有 FF100R12MT4，FF150R12MT4，FF200R12MT4，
FF200R12KT4 和 FF300R12KT4 等。 DN2 芯片是在逆变焊机中使用比较广泛的一
都在 50％以上，已引起了逆变焊机关联产业的高度
都使用 IGBT 模块，主电路拓扑主要为全桥硬开关
重视。
脉宽调制、全桥零电压脉宽调制和全桥零电压零电
对逆变焊机可靠性影响最大的就是功率半导
流脉宽调制三种。
体器件(如 IGBT)，由于逆变焊机等高频应用产品的
1．1 全桥硬开关脉宽调制(FB-Hard-Switching
讨 穿，一般电路中需要加很大的 RC 吸收电路。
论
(3)由于吸收电容的使用，当开关管突然开通
︱ ︱
时，这些能量将瞬间全部耗散在开关器件内，从而
逆 增加开关器件的开通损耗，而且 du／dt 很大，将产生
变 严重的开关噪声，影响开关器件驱动电路，使电路
与 数
工作不稳定。
字
但是由于其控制简单，电路成熟，目前这种控
研究并已产品化的 FB－ZVZCS－PWM 拓扑主要为 变压器一次侧串饱和电感和阻断电容的 FB－ZVZCS－ PWM 拓扑，如图 3 所示。超前桥臂实现零电压开 关(Eon 和 Eoff 接近于零)，滞后桥臂实现零电流关断 (Eoff＝0)。
