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            電阻焊機用7100A/400V整流二極管的參數解析

            電阻焊機用7100A/400V整流二極管的參數解析

            • 分類:企業新聞
            • 作者:
            • 來源:
            • 發布時間:2022-01-25 16:13
            • 訪問量:

            【概要描述】關于大電流整流二極管,我國已有兩個行業標準,一個是最大正向平均電流僅為IFAV=1600A[3] ,另一個是最大正向平均電流IFAV3000A[2]。而我們這里解析的最小容量已為IFAV=7100A,而最大的已達IFAV=16000A[1] ,故稱謂超大電流整流二極管。這類器件由于主要用于新型電阻焊機整流,故又稱電阻焊機用超大電流整流二極。

            電阻焊機用7100A/400V整流二極管的參數解析

            【概要描述】關于大電流整流二極管,我國已有兩個行業標準,一個是最大正向平均電流僅為IFAV=1600A[3] ,另一個是最大正向平均電流IFAV3000A[2]。而我們這里解析的最小容量已為IFAV=7100A,而最大的已達IFAV=16000A[1] ,故稱謂超大電流整流二極管。這類器件由于主要用于新型電阻焊機整流,故又稱電阻焊機用超大電流整流二極。

            • 分類:企業新聞
            • 作者:
            • 來源:
            • 發布時間:2022-01-25 16:13
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            詳情

              關于大電流整流二極管,我國已有兩個行業標準,一個是最大正向平均電流僅為IFAV=1600A[3] ,另一個是最大正向平均電流IFAV3000A[2]。而我們這里解析的最小容量已為IFAV=7100A,而最大的已達IFAV=16000A[1] ,故稱謂超大電流整流二極管。這類器件由于主要用于新型電阻焊機整流,故又稱電阻焊機用超大電流整流二極。

              直徑ф48/7100A整流二極管是容量最小的超大電流二極管。把這個器件的參數研究解析明白了,其它各種規格超大電流二極管(如12000A、13500A、16000A)的電、熱參數就都迎刃而解了。

              超大電流整流二極管是ABB、EUPEC等領先研發生產的,故這里就以ABB應用最廣的5SDD71X0400的參數規格書[4]做實例加以說明,這也是對客戶要求的響應。

              一、阻斷特性(Blocking即阻斷特性參數)

              ABB的5SDD71X0400的阻斷特性參數如下:

              解析:

              1、VRRM是反向重復峰值電壓,即最高允許工作電壓。一般電阻焊機用二極管的反向重復峰值電壓VRRM,大都是200V,個別有400V。就是說,這是一個低電壓范圍內的超大電流(幾萬~幾十萬安培)的應用領域。

              2、VRRM是反向不重復峰值電壓,往往是指轉折電壓。站在測試的角度,在這一點不允許停留時間長,故稱不重復;站在應用的角度,加在二極管上的電壓是萬萬不可超過VRRM,故都打有很大余量。(見圖1)它和反向重復峰值電壓VRRM數值上的定量關系為:VRRM=VRRM-100V(或VRRM乘0.8、或乘0.9)。 這里用: VRRM=VRRM-50V。 對電阻焊機,50V的余量已足夠。

              3、站在高可靠的角度,還應將二極管做成雪崩二極管[5],即必須測定轉折時的瞬時脈沖方波最大電流Ippm[6]。如是,則將二極管置于高可靠狀態。此時有:VRRM=VRSM。注意到雪崩VRRM=VRSM隨溫度升高而增大,并滿足線形正溫度特性。如果焊接時將二極管都做成雪崩二極管,因其箝位作用,就能嚴格避免過電壓了。

              4、反向重復峰值電流IRRM,即所謂的漏電流,給出額定結溫下的漏電流就足夠了,這里僅給出額定結溫TJM=170℃以及VRRM下的漏電流IRRM,如這里IRRM=50mA。(完全沒有必要再給常溫下的漏電流,即常溫下的功耗可以忽略)這一點應該引起我們整機廠技術人員注意,參看這里的漏電流數量級,完全沒有必要去追求更小的漏電流。

              5、電阻焊用二極管,主要特性就是電流特性,但反向電壓對通態電流特性的提高是有影響的。對雪崩二極管,其VRRM=VRSM大,電阻率就要高,硅片就要加厚,通流能力就相應差些。即電壓提高的設計必然導致電流特性的降低。所以VRRM低了不行,但高了也不好。能夠將電壓水平控制在最小變化范圍是器件制造水平的體現。所以高二、三百伏還勉強說得過去,如果高出500V,就會因小失大,請萬不要采用!

              二、 通態特性參數 通態特性參數是電阻焊機用超大電流二極管的主要參數,我們研究討論的重點也在這里。

              ABB的5SDD71X0400的通態特性參數如下:

              1、正向峰值電壓VFM和門檻電壓VFO、斜率電阻rF。所謂正向峰值電壓VFM就是IFM所對應的電壓。依據國際標準:值可取為3[7]。

              整流二極管的正向電壓, 一般是由構成器件的PN結 電壓、半導體體內電壓、接觸電壓組成。其函數形式有常數項、對數項、0.5次和1次冪指數項,可寫成典型函數的形式: V=A+BlnI+CI0.5+DI,式中:A、B、C、D都是待定常數。在工作點附近,可以對這樣一個復雜的函數曲線做線形化近似。如圖2所示。

              IM是峰值電流,一般為3IFAV,這里為IFM=10000A。分別取0.5IFM和1.5IFM兩點,可以通過實際測試,也可以理論計算得到其對應的峰值電壓,分別記為V1和V2。有了V1和V2值則就會很方便得出所有通態特性參數了。

              從圖2經過簡單推導[8],就可立即方便地得出:

              也可以給出平均電壓的公式如下:

              公式(1)到(4)中:

              門檻電壓VFO:所謂門檻電壓VFO就是正向特性近似直線與電壓軸的交點確定的正向電壓值[7]。

              斜率電阻rF:所謂正向斜率電阻就是由正向特性近似直線的斜率確定的電阻值[7]。

              超低門檻電壓和斜率電阻是超大電流整流二極管的最大特點之一。

              2、正向平均電流IFAV

              所謂正向平均電流是指正向電流在一個周期內的平均值[7]。這里的正向平均電流IFAV是這樣確定的。

              以正向通態峰值電流IFM=10000A為中心點,在IF=5~15kA范圍內的通態伏安特性曲線做直線近似而得到表中的門檻電壓VFO=0.74V,斜率電阻rF=0.026 mΩ。進一步再由額定結溫TJM=170℃、規定客溫TC=85℃、結殼熱阻Rthj-c=0.01℃/W,經計算而得到。過程如下:

              這就是ABB的IFAV=7110A的來由。所以在角標上多了一個最大值字母M是由焊接用二極管應用時占空比小的特殊性所決定。 按同樣方法,由公式(5)(6)經迭代法可以算得:

              (1)當TC=55℃,可得:IFAV=8811A。

              (2)當TC=100℃,可得:IFAV=6169A。

              (3)若IFAV=10000A,用類似方法可得:TC=32℃。

              (4)若IFAV=3500A,用類似方法可得:TC=136℃。

              這個電流剛好對應5π倍的浪涌電流能力。文獻[9]和ABB的5SDD71平均電流標稱的不同就是這個原因。

              圖3:正弦波各電流示意圖

              3、正向方均根電流IFRMS

              正向電流在工作頻率的一個完整周期的方均根值就是正向方均根電流IFRMS[7]。對整流二極管,依據正向方均根電流(又稱有效值電流)IFRMS和通態平均電流IFAV的關系[10]:

              IFRMS=IFAV

              將IFAV =7110A代入上式就得到和表中完全相同的結果:

              IFRMS=11168A≈11200A。

              注意到平均電流和峰值電流的關系:IFM=IFAV

              則:IFM=22300A。

              從表中數據可以看到,其峰值電流為:IFM=10000A。反算回來,其正向平均電流IFAV=IFM≈3300A。這和文獻[9] 的我國習慣的標稱方法就一致起來,即:當殼溫TC=136℃,可近似給出IFAV =3500A。

              4、正向浪涌電流IFSM和I2 t值

              所謂正向浪涌電流就是一種持續時間短并規定波形的正向脈沖電流[7]??梢詫⑵湔J為是工作過程中的必然發生的故障電流,也是要限制其發生次數的過載電流。正向浪涌電流IFSM和I2 t值,是它的不同的兩種表示方式。當然也可用曲線的形式來表征。

              依據我國機械行業普通整流二極管標準,正向浪涌電流

              IFSM=(4.5~6)πIFAV

              取π=3,則有IFSM=(13~18)IFAV。

              按普通整流二極管標準:IFSM=18IFAV,將IFSM=55000A代入得:

              IFAV=3000A。還不到7110A的一半,故說明這是一種特殊應用的二極管。

              所謂I2t值就是正向浪涌電流的平方對其持續時間的積分值[7]。即:

              I2t=∫I2dt

              對工頻50H z,如表中所示:IFSM=55000A,這是半周期tp=10ms,將正弦半波近似為三角形,高為I2FSM,底寬為10•10-3秒的I2t值,即:

              I2t=0.005 I2FSM =15100kA2S

              依據發熱相等的原則[10],可以計算出任意半周期下的浪涌電流IFSM值,如60赫茲下的浪涌電流的計算方法如下,運用:   I2t=0.005I2FSM

              由IFSM=55000A,則I2t=15125 KA2s。

              按發熱相等原理,當取工頻60H z 時,其I2t在數值上仍相等,故仍近似有:I2t=15000 KA2s,代入工頻60H z的半周期,tp=8.3ms可以得到工頻60赫茲時的浪涌電流為:IFSM=60000A。

              這里,對工頻50Hz,IFSM=55000A,其浪涌電流是正向平均電流的倍數為:55000/7110=7.7356,再除以π僅得:2.46倍。表明這是一種特殊應用的二極管,即電流持續率(或曰占空比)比較小的那種應用的二極管。

              按照普通整流二極管的要求,由浪涌電流IFSM=55000A,也按6π倍過載換算,則有:IFAV=2920A。

              經過上面的討論,不難理解為什么ABB公司將其標注為IFAVM=7110A,而不是IFAV=7110A了。

              5、通態電壓、浪涌電流、I2t的范圍要求

              圖3是通態電壓的范圍,圖4是浪涌電流、I2t在(3~20)ms周期內的的變化范圍。

              所以有圖3,是因電阻焊機的出力電流要幾萬、十幾萬、幾十萬甚至上百萬安培,故必須用很多超大電流二極管并聯,為此對二極管的通態電壓的范圍必須要有極其相近的要求,大了不行,小了也不行。圖3的要求是必須的。

              依據前面對浪涌電流、I2t的說明,不難得出在(3~20)ms周期內,即頻率在(170~25)Hz的變化范圍,這就是圖4的由來。

              1、熱特性參數

              熱特性參數(Thermal characteristics)主要有熱阻和瞬態熱阻抗。下面是5SDD71X0400的熱阻參數表。

              1、溫度

              Tj:PN結溫度。溫度范圍為:-40…170℃;

              Tstg :儲存溫度:-40…170℃;

              2、Rth:熱阻即整流二極管的PN結和基準點之間的熱阻[5]。按照標準,這個基準點最好選在管殼上,其熱阻就是結-殼熱阻,記為:Rth(j-c) [5]。顯然:

              結到環境的熱阻=結到殼的熱阻+殼到環境的熱阻,即:

              Rth(j-a)=Rth(j-c)+Rth(c-a)

              3、熱阻既可以計算,也可以通過測試而得到。計算公式為:

              Rth=

              上式中:ρi,li,si分別是第I 種材料的熱阻率、厚度和面積。將組成二極管的各種材料(如硅、鋁、鉬、銅等,見后面的材料參數表)的熱阻率、厚度、面積分別代入,即可算得熱阻。

              最好是用測試方法而得到熱阻值。即分別測得陽極側和陰極側的熱阻,再將二者并聯而得到該器件的熱阻。如上面表格中的陽極側和陰極側的熱阻均為0.02℃/W,即0.02K/KW,將二者并聯得該二極管的結-殼熱阻為Rth(j-c)=0.01℃/W。

              4、瞬態熱阻抗Zth(t)

              所謂瞬態熱阻抗Zth(t)就是指PN結和基準點(最好在管殼上)之間的瞬態熱阻抗[5]。實質上,它就是一個隨時間變化的熱阻。

              參見圖2(即Fig.2):Ri是穩態熱阻,τi是時間常數。

              τi=Ri•Cth,Cth是穩態熱容。Cth=,i表示為第i種材料,Vi是第i種材料的體積,Ci是第i種材料的體熱容率。

              以下是常用二極管芯片組成材料的相關電熱學性質表[11]。

              相關材料的電熱學性質表

              材料

              熱阻率

              (℃·cm /W)

              體熱容率(W·s/℃·cm 3)

              Si

              0.69

              1.75

              Mo

              0.66

              2.75

              W

              0.6

              2.75

              Al

              0.43

              2.6

              Au

              0.34

              2.5

              Cu

              0.26

              3.37

              將相關材料的熱阻率和體熱容率代入熱阻、熱容公式,不難計算出圖2的相關數據。

              超大電流整流二極管不僅有特別低的電損耗功率,而且還必須有特別低的熱損耗功率,硅片特薄、管殼特薄、接觸材料和部位特考究的道理就在這里。

              四、 方波數n 、頻率f

              圖5~圖7表明電阻焊機工作在方波狀態,且在1KHz頻率附近,說明其所用的最普通的二極管都是快恢復的二極管。 方波下的各電參數間的換算關系表示如下。

              由圖7知; 并聯的兩個二極管: IAV=2IAV(單) ;IRMS= IRMS(單)

              對方波:α=180O=π時

                  IAV= IM

                  IRMS= IAV

              1、峰值電流Im=IM;

               峰值電壓VM=VTO+rTIM;

               峰值功率PM=IMVM

                    =VTO IM +rTI2M。

              2、導通角α;

              方波平均電流IAV=(α/2π)IM;

              方波方均根電流IRMS=IM;

              波形因數F1=。

              3、方波電流平均功率PAV= VTO IAV +F21rTI2AV

              當α=π時:

              PAV= VTO IAV +2rTI2AV

              有了上述關于方波和正弦波的關系,結合圖7,不難通過實驗得到圖5和圖6的數據。

              從圖5、圖6可以看出:其應用頻率必須最低保證在1KHz下的有效運用,說明其配套的超大電流二極管本身必須是快恢復的FRD整流二極管。它一般可以工作在3KHz以下,如需再提高應用頻率,如(10~30)KHz就必須采用特制的超大電流的FRD快恢復整流二極管了。

              五、機械參數

              關于機械參數(Mechanical),除去尺寸外,重點要關注加裝壓力(Mounting force)。一定要完全符合產品規格書的壓力要求。按中心頂壓,如對本規格器件,必須要保證(20~24)KN的壓力(也可按除以該器件的有效導通面積換算成壓強表示),否則會造成器件損壞。許多應用廠家往往在這方面注意不夠,發生不該發生的錯誤。

              最后,還必須特殊說明,國外超大電流二極管的鉬片、管殼大都已是中國江蘇的產品,那么電阻焊機全部采用中國的超大電流整流二極管產品的日子還會遠嗎?!

              主要參考文獻:

              [1]機械行業標準JB 8949.2-1999:電流大于100A普通整流管[S]

              [2]機械行業標準JB 5837-91:ZP系列2000A以上管殼額定整流二極管[S]

              [3]錦州市圣合電子科技有限公司發明專利:16000A/400 V高電流密度電阻焊機專用雪崩整流二極管[P] 專利號:ZL2009 1 0303951.5

              [4]ABB產品規格書[R]:Rectifier Diode 5SDD71X0400

              [5](瑞士)林德:功率半導體器件---器件與應用 [M](第三章3.3),肖曦、李虹譯,機械工業出版社,2009年2月

              [6]游佩武 王毅 汪良恩 關艷霞 潘福泉:二極管雪崩電壓線形正溫度特性研究[J],變頻技術應用,2010第5期56頁

              [7]國際標準:半導體器件第二部分:整流二極管IEC60747-2[S]:2000.03

              [8]高占成 楊占云 潘福泉:多個器件并聯中的均流匹配問題[J],變頻技術應用,2009第2期18頁

              [9]夏吉夫 郭永亮 潘福泉:3500A/400V高電流密度整流二極管的設計制造[J],電力電子技術,2008. 12 P16

              [10]秦賢滿:電力半導體器件標準應用指南[M],中國標準出版社,2000.11

              [11]S.K.格安迪著:功率半導體器件---工作原理和制造工藝[M],張光華、鐘士謙譯,機械工業出版社 1982.9,第245頁表6.4。

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