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            電阻焊機(jī)用7100A/400V整流二極管的參數(shù)解析

            電阻焊機(jī)用7100A/400V整流二極管的參數(shù)解析

            • 分類:企業(yè)新聞
            • 作者:
            • 來源:
            • 發(fā)布時(shí)間:2022-01-25 16:13
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            【概要描述】關(guān)于大電流整流二極管,我國已有兩個(gè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn),一個(gè)是最大正向平均電流僅為IFAV=1600A[3] ,另一個(gè)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(dá)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(jī)整流,故又稱電阻焊機(jī)用超大電流整流二極。

            電阻焊機(jī)用7100A/400V整流二極管的參數(shù)解析

            【概要描述】關(guān)于大電流整流二極管,我國已有兩個(gè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn),一個(gè)是最大正向平均電流僅為IFAV=1600A[3] ,另一個(gè)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(dá)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(jī)整流,故又稱電阻焊機(jī)用超大電流整流二極。

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              關(guān)于大電流整流二極管,我國已有兩個(gè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn),一個(gè)是最大正向平均電流僅為IFAV=1600A[3] ,另一個(gè)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(dá)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(jī)整流,故又稱電阻焊機(jī)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(gè)器件的參數(shù)研究解析明白了,其它各種規(guī)格超大電流二極管(如12000A、13500A、16000A)的電、熱參數(shù)就都迎刃而解了。

              超大電流整流二極管是ABB、EUPEC等領(lǐng)先研發(fā)生產(chǎn)的,故這里就以ABB應(yīng)用最廣的5SDD71X0400的參數(shù)規(guī)格書[4]做實(shí)例加以說明,這也是對(duì)客戶要求的響應(yīng)。

              一、阻斷特性(Blocking即阻斷特性參數(shù))

              ABB的5SDD71X0400的阻斷特性參數(shù)如下:

              解析:

              1、VRRM是反向重復(fù)峰值電壓,即最高允許工作電壓。一般電阻焊機(jī)用二極管的反向重復(fù)峰值電壓VRRM,大都是200V,個(gè)別有400V。就是說,這是一個(gè)低電壓范圍內(nèi)的超大電流(幾萬~幾十萬安培)的應(yīng)用領(lǐng)域。

              2、VRRM是反向不重復(fù)峰值電壓,往往是指轉(zhuǎn)折電壓。站在測試的角度,在這一點(diǎn)不允許停留時(shí)間長,故稱不重復(fù);站在應(yīng)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(fù)峰值電壓VRRM數(shù)值上的定量關(guān)系為:VRRM=VRRM-100V(或VRRM乘0.8、或乘0.9)。 這里用: VRRM=VRRM-50V。 對(duì)電阻焊機(jī),50V的余量已足夠。

              3、站在高可靠的角度,還應(yīng)將二極管做成雪崩二極管[5],即必須測定轉(zhuǎn)折時(shí)的瞬時(shí)脈沖方波最大電流Ippm[6]。如是,則將二極管置于高可靠狀態(tài)。此時(shí)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(shí)將二極管都做成雪崩二極管,因其箝位作用,就能嚴(yán)格避免過電壓了。

              4、反向重復(fù)峰值電流IRRM,即所謂的漏電流,給出額定結(jié)溫下的漏電流就足夠了,這里僅給出額定結(jié)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(diǎn)應(yīng)該引起我們整機(jī)廠技術(shù)人員注意,參看這里的漏電流數(shù)量級(jí),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(duì)通態(tài)電流特性的提高是有影響的。對(duì)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(yīng)差些。即電壓提高的設(shè)計(jì)必然導(dǎo)致電流特性的降低。所以VRRM低了不行,但高了也不好。能夠?qū)㈦妷核娇刂圃谧钚∽兓秶瞧骷圃焖降捏w現(xiàn)。所以高二、三百伏還勉強(qiáng)說得過去,如果高出500V,就會(huì)因小失大,請(qǐng)萬不要采用!

              二、 通態(tài)特性參數(shù) 通態(tài)特性參數(shù)是電阻焊機(jī)用超大電流二極管的主要參數(shù),我們研究討論的重點(diǎn)也在這里。

              ABB的5SDD71X0400的通態(tài)特性參數(shù)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(duì)應(yīng)的電壓。依據(jù)國際標(biāo)準(zhǔn):值可取為3[7]。

              整流二極管的正向電壓, 一般是由構(gòu)成器件的PN結(jié) 電壓、半導(dǎo)體體內(nèi)電壓、接觸電壓組成。其函數(shù)形式有常數(shù)項(xiàng)、對(duì)數(shù)項(xiàng)、0.5次和1次冪指數(shù)項(xiàng),可寫成典型函數(shù)的形式: V=A+BlnI+CI0.5+DI,式中:A、B、C、D都是待定常數(shù)。在工作點(diǎn)附近,可以對(duì)這樣一個(gè)復(fù)雜的函數(shù)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(diǎn),可以通過實(shí)際測試,也可以理論計(jì)算得到其對(duì)應(yīng)的峰值電壓,分別記為V1和V2。有了V1和V2值則就會(huì)很方便得出所有通態(tài)特性參數(shù)了。

              從圖2經(jīng)過簡單推導(dǎo)[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(diǎn)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(diǎn)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(gè)周期內(nèi)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(tài)峰值電流IFM=10000A為中心點(diǎn),在IF=5~15kA范圍內(nèi)的通態(tài)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(jìn)一步再由額定結(jié)溫TJM=170℃、規(guī)定客溫TC=85℃、結(jié)殼熱阻Rthj-c=0.01℃/W,經(jīng)計(jì)算而得到。過程如下:

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

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

              (2)當(dāng)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(gè)電流剛好對(duì)應(yīng)5π倍的浪涌電流能力。文獻(xiàn)[9]和ABB的5SDD71平均電流標(biāo)稱的不同就是這個(gè)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(gè)完整周期的方均根值就是正向方均根電流IFRMS[7]。對(duì)整流二極管,依據(jù)正向方均根電流(又稱有效值電流)IFRMS和通態(tài)平均電流IFAV的關(guān)系[10]:

              IFRMS=IFAV

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

              IFRMS=11168A≈11200A。

              注意到平均電流和峰值電流的關(guān)系:IFM=IFAV

              則:IFM=22300A。

              從表中數(shù)據(jù)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(xiàn)[9] 的我國習(xí)慣的標(biāo)稱方法就一致起來,即:當(dāng)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(xù)時(shí)間短并規(guī)定波形的正向脈沖電流[7]??梢詫⑵湔J(rèn)為是工作過程中的必然發(fā)生的故障電流,也是要限制其發(fā)生次數(shù)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(dāng)然也可用曲線的形式來表征。

              依據(jù)我國機(jī)械行業(yè)普通整流二極管標(biāo)準(zhǔn),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(biāo)準(zhǔn):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(yīng)用的二極管。

              所謂I2t值就是正向浪涌電流的平方對(duì)其持續(xù)時(shí)間的積分值[7]。即:

              I2t=∫I2dt

              對(duì)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(jù)發(fā)熱相等的原則[10],可以計(jì)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(jì)算方法如下,運(yùn)用:   I2t=0.005I2FSM

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

              按發(fā)熱相等原理,當(dāng)取工頻60H z 時(shí),其I2t在數(shù)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(shí)的浪涌電流為:IFSM=60000A。

              這里,對(duì)工頻50Hz,IFSM=55000A,其浪涌電流是正向平均電流的倍數(shù)為:55000/7110=7.7356,再除以π僅得:2.46倍。表明這是一種特殊應(yīng)用的二極管,即電流持續(xù)率(或曰占空比)比較小的那種應(yīng)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(jīng)過上面的討論,不難理解為什么ABB公司將其標(biāo)注為IFAVM=7110A,而不是IFAV=7110A了。

              5、通態(tài)電壓、浪涌電流、I2t的范圍要求

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

              所以有圖3,是因電阻焊機(jī)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(lián),為此對(duì)二極管的通態(tài)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(jù)前面對(duì)浪涌電流、I2t的說明,不難得出在(3~20)ms周期內(nèi),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(shù)

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

              1、溫度

              Tj:PN結(jié)溫度。溫度范圍為:-40…170℃;

              Tstg :儲(chǔ)存溫度:-40…170℃;

              2、Rth:熱阻即整流二極管的PN結(jié)和基準(zhǔn)點(diǎn)之間的熱阻[5]。按照標(biāo)準(zhǔn),這個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)最好選在管殼上,其熱阻就是結(jié)-殼熱阻,記為:Rth(j-c) [5]。顯然:

              結(jié)到環(huán)境的熱阻=結(jié)到殼的熱阻+殼到環(huán)境的熱阻,即:

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

              3、熱阻既可以計(jì)算,也可以通過測試而得到。計(jì)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(shù)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(cè)和陰極側(cè)的熱阻,再將二者并聯(lián)而得到該器件的熱阻。如上面表格中的陽極側(cè)和陰極側(cè)的熱阻均為0.02℃/W,即0.02K/KW,將二者并聯(lián)得該二極管的結(jié)-殼熱阻為Rth(j-c)=0.01℃/W。

              4、瞬態(tài)熱阻抗Zth(t)

              所謂瞬態(tài)熱阻抗Zth(t)就是指PN結(jié)和基準(zhǔn)點(diǎn)(最好在管殼上)之間的瞬態(tài)熱阻抗[5]。實(shí)質(zhì)上,它就是一個(gè)隨時(shí)間變化的熱阻。

              參見圖2(即Fig.2):Ri是穩(wěn)態(tài)熱阻,τi是時(shí)間常數(shù)。

              τi=Ri•Cth,Cth是穩(wěn)態(tài)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(guān)電熱學(xué)性質(zhì)表[11]。

              相關(guān)材料的電熱學(xué)性質(zhì)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(guān)材料的熱阻率和體熱容率代入熱阻、熱容公式,不難計(jì)算出圖2的相關(guān)數(shù)據(jù)。

              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(shù)n 、頻率f

              圖5~圖7表明電阻焊機(jī)工作在方波狀態(tài),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(fù)的二極管。 方波下的各電參數(shù)間的換算關(guān)系表示如下。

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

              對(duì)方波:α=180O=π時(shí)

                  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(dǎo)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(shù)F1=。

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

              當(dāng)α=π時(shí):

              PAV= VTO IAV +2rTI2AV

              有了上述關(guān)于方波和正弦波的關(guān)系,結(jié)合圖7,不難通過實(shí)驗(yàn)得到圖5和圖6的數(shù)據(jù)。

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

              五、機(jī)械參數(shù)

              關(guān)于機(jī)械參數(shù)(Mechanical),除去尺寸外,重點(diǎn)要關(guān)注加裝壓力(Mounting force)。一定要完全符合產(chǎn)品規(guī)格書的壓力要求。按中心頂壓,如對(duì)本規(guī)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(dǎo)通面積換算成壓強(qiáng)表示),否則會(huì)造成器件損壞。許多應(yīng)用廠家往往在這方面注意不夠,發(fā)生不該發(fā)生的錯(cuò)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(chǎn)品,那么電阻焊機(jī)全部采用中國的超大電流整流二極管產(chǎn)品的日子還會(huì)遠(yuǎn)嗎?!

              主要參考文獻(xiàn):

              [1]機(jī)械行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JB 8949.2-1999:電流大于100A普通整流管[S]

              [2]機(jī)械行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)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(fā)明專利:16000A/400 V高電流密度電阻焊機(jī)專用雪崩整流二極管[P] 專利號(hào):ZL2009 1 0303951.5

              [4]ABB產(chǎn)品規(guī)格書[R]:Rectifier Diode 5SDD71X0400

              [5](瑞士)林德:功率半導(dǎo)體器件---器件與應(yīng)用 [M](第三章3.3),肖曦、李虹譯,機(jī)械工業(yè)出版社,2009年2月

              [6]游佩武 王毅 汪良恩 關(guān)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(shù)應(yīng)用,2010第5期56頁

              [7]國際標(biāo)準(zhǔn):半導(dǎo)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(gè)器件并聯(lián)中的均流匹配問題[J],變頻技術(shù)應(yīng)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(shè)計(jì)制造[J],電力電子技術(shù),2008. 12 P16

              [10]秦賢滿:電力半導(dǎo)體器件標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用指南[M],中國標(biāo)準(zhǔn)出版社,2000.11

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

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