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如何用英飛凌D2PAK超大功率密度650V IGBT設計160ADC MMA手提式焊機

發布時間:2018-08-18 13:13          

逆變焊機技術在在過去二十多年,經歷了晶閘管,大功率晶體管,MOSFET場效應管,最終IGBT方案占據了主導地位,在單相手提式逆變焊機中,600V (650V) IGBT成為設計主流,各大焊機廠商也想方設法利用IGBT方案提高焊機功率密度,降低成本,減輕焊機重量。在單管IGBT中,尤其以TO-247封裝650V單管產品為主流,各大廠商都推出了相應的適用于焊機應用的產品,其中英飛凌的上一代600V H3和T系列產品已經在焊機市場上占有很大的份額,英飛凌最新一代的TrenchstopTM 5系列產品中,H5(適合開關頻率30-70KHz)和S5(適合開關頻率15-40KHz)系列產品又在上一代600V IGBT芯片技術上進一步性能優化,設計也逐漸占據焊機市場主流。

D2PAK貼片式封裝的應用,在各種設計中也非常流行,非常適合大規模自動化生產。另外,由于是表貼式焊接,IGBT芯片到散熱器的熱阻Rthj-h比TO-247傳統封裝采用導熱硅脂和散熱器安裝的方式Rthj-h要小很多。下圖1是IMS(絕緣金屬基板)的典型三層結構,由于在上下兩層金屬之間,已經包含有絕緣材料,兼具導熱功能, 所以D2PAK用回流焊方式表貼焊接在IMS板上的散熱要好很多,這樣也能節省散熱器的體積和重量,見圖4。成本方面,同等電流的D2PAK封裝比TO-247封裝要便宜,另外由于其管腳短,雜散電感要比TO-247封裝低得多。

圖1. IMS(絕緣金屬基板)材料典型三層結構

下圖2對比了IKB40N65EH5(D2PAK)和IKW40N65H5(TO-247)的關斷電壓波形.由于D2PAK封裝雜散電感(5nH)要比TO-247封裝(15nH)低得多,因此IKB40N65EH5在關斷時候,電壓過沖小了很多(VCE控制在500V之內),大大降低了關斷過程中由于VCE電壓過沖太高引起IGBT失效的風險。同時相比TO-247封裝,開關損耗也降低了,進一步降低了散熱器重量,提升了功率密度。

圖2. D2PAK和TO247封裝IGBT,在關斷過程中VCE電壓過沖對比

英飛凌繼650V TrenchstopTM 5 IGBT推出后,適時的把650V TrenchstopTM 5 IGBT芯片和Rapid1二極管封裝在D2PAK中,是目前市場上功率密度最大的650V D2PAK產品。例如,帶滿電流續流二極管的產品,標稱電流達到40A,不帶續流二極管的單IGBT產品,標稱電流最大達到50A?;赥renchstopTM5系列芯片封裝在D2PAK中的新產品,在英飛凌工業半導體官方微信公眾號上已經有過介紹(),這里就不再贅述,或者參考英飛凌官網鏈接:(-discretes/trenchstop-5/trenchstop-5-in-d2pak/)

下面介紹一種用40A/650V D2PAK封裝產品(帶滿電流續流二極管)設計的160ADC MMA手提式單相焊機。

下圖3為焊機電路拓撲,采用半橋式逆變。

圖3. 160ADC MMA手提式單相焊機拓撲

圖4為焊機逆變功率部分(135*50*40mm),是由2片40A/650V D2PAK封裝IGBT IKB40N65EH5直接焊接在IMS電路板上。圖5為整個160ADC MMA手提式焊機的樣機設計,非常輕巧便攜!

圖4. 利用40A/650V D2PAK (IKB40N65EH5)設計的半橋逆變功率部分(貼片安裝在IMS板上),以及散熱器尺寸

圖5. 用40A/650V D2PAK (IKB40N65EH5)設計的160ADC MMA手提式焊機樣機

英飛凌推出的基于650V TrenchstopTM5 IGBT技術封裝在D2PAK中,是目前市面上電流等級最高的產品,帶二極管封裝,IGBT標稱電流40A,不帶二極管封裝,IGBT標稱電流達到50A。

D2PAK封裝相比于TO-247封裝,雜散電感小, 開關損耗小,電壓過沖低,價格便宜,表貼安裝于IMS材料上,熱阻低,易于自動化焊接生產,故障率低,可靠性高。非常適合做小巧,輕便,低價,高可靠性的單相手提式焊機。

來源:英飛凌工業半導體

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