盡管電阻焊并不是一個(gè)備受關(guān)注的電力電子應(yīng)用，但其特殊要求促使一系列專用設(shè)備不斷發(fā)展。在本文中，我們將仔細(xì)研究該應(yīng)用本身、功率半導(dǎo)體必須滿足的負(fù)載循環(huán)測(cè)試要求以及為滿足這些要求而開發(fā)的組件。，我們將討論近期新產(chǎn)品發(fā)布的趨勢(shì)。
　　電阻焊
　　電阻焊接是一種主要用于連接金屬板的技術(shù)。它涉及通過電流通過金屬表面之間的接觸電阻產(chǎn)生熱量。當(dāng)高電流通過時(shí)，焊接區(qū)域會(huì)形成小熔化金屬池。

　　一旦該區(qū)域冷卻下來(lái)，就會(huì)形成牢固的接合。圖 1 顯示了焊接變壓器次級(jí)回路中的主要實(shí)際電阻和寄生電阻。它證明了出色的二極管正向特性的重要性。焊接二極管在電路中必須具有低電阻率才能在效率和壽命方面取得成功。任何額外的損耗都會(huì)導(dǎo)致應(yīng)用中更高的二極管應(yīng)力。

　
　　圖 1：焊接電路電阻。顏色代表不同部分及其各自的電阻
　　與其他焊接方法相比，電阻焊效率極高，污染少，工件變形小。生產(chǎn)率高，易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，無(wú)需填充材料。因此，它在汽車行業(yè)得到廣泛應(yīng)用，因?yàn)榇蠖鄶?shù)汽車都有數(shù)千個(gè)由工業(yè)機(jī)器人完成的點(diǎn)焊。
　　焊接電路原理
　　電阻焊系統(tǒng)電氣電路由4部分組成，如圖2所示：
　　變頻器，從三相正弦波生成所需頻率的單相準(zhǔn)方波電壓和電流。通常，焊接單元與IGBT 逆變器組裝在一起。逆變器的輸出連接到變壓器的初級(jí)側(cè)。波形為 PWM 矩形脈沖模式，典型頻率為 1 kHz，幅度為 560 V。
　　變壓器的二次電壓范圍為 6 – 20 V，其中 10 V 為常見。二次電流范圍通常為 10 – 20 kA，但對(duì)于鋁焊接來(lái)說，二次電流可能更高。
　　二極管整流器將準(zhǔn)方波電流轉(zhuǎn)換為直流電流。這樣做是因?yàn)槭褂弥绷麟姸皇墙涣麟姇r(shí)焊接質(zhì)量要好得多。選擇的連接類型是 M2，以減少整流所需的二極管數(shù)量。當(dāng)需要更高的電流時(shí)，通過并聯(lián)兩個(gè)或多個(gè)二極管可以提高能力。

　　帶有水冷電極的焊槍，需要連接的金屬板被壓在焊槍之間。

　
　　圖2：典型的焊接電路
　　焊接應(yīng)用所需的二極管性能
　　針對(duì)每種車型，我們都會(huì)設(shè)計(jì)一套定制的焊接系統(tǒng)。在汽車行業(yè)，變壓器、整流器和焊槍通常都放在機(jī)器人手臂上。因此，尺寸和重量非常重要。由于頻率的提高會(huì)在相同功率下減小變壓器的尺寸，因此趨勢(shì)是將頻率從目前使用的 1 kHz 提高到大約 10 kHz 甚至 20 kHz。
　　特定材料也需要特定的焊接順序和要求。每種材料都有所謂的塑性溫度范圍，在施加力的作用下，材料可輕松變形、熔化和接合。鋼材和合金具有廣泛的塑性溫度范圍，因此易于熔焊。
　　另一方面，銅和鋁等純金屬具有高導(dǎo)熱性和高電導(dǎo)性，塑性溫度范圍較窄。它們需要更的計(jì)時(shí)、更短的焊接時(shí)間和更高的電流水平（見圖 3）。因此，開發(fā)了新的 10 kHz 焊接系統(tǒng)。所有介紹的應(yīng)用方面都反映在 ABB 焊接二極管的功能中。

　　焊接參數(shù)、具體材料要求

　　圖3：焊接參數(shù)、具體材料要求
　　負(fù)載循環(huán)能力
　　電阻焊接設(shè)備的應(yīng)用成功在很大程度上取決于焊接二極管的正確選擇及其正確操作。每個(gè)焊接周期代表二極管的一個(gè)負(fù)載周期，預(yù)期壽命通常為 1000 萬(wàn)次甚至更長(zhǎng)。這意味著二極管的負(fù)載循環(huán)能力對(duì)于組件的選擇至關(guān)重要，而這種能力取決于二極管在周期內(nèi)經(jīng)歷的溫度波動(dòng)。
　　為了在焊接過程中盡可能降低溫度波動(dòng)，二極管必須設(shè)計(jì)成具有的損耗和熱阻抗。在一個(gè)焊點(diǎn)中，二極管受到快速電流脈沖（1kHz 范圍）的壓力，電流脈沖從 10 到 50kA，持續(xù)時(shí)間為數(shù)百毫秒。
　　結(jié)溫
　　此時(shí)結(jié)溫快速上升，通常高達(dá) Tjmax (180°C)?？傊附佣O管操作是浪涌電流、快速換向和頻率負(fù)載的組合。二極管壽命還很大程度上取決于二極管的結(jié)構(gòu)、所用材料及其制造質(zhì)量。
　　ABB 二極管結(jié)合了這種極端負(fù)載所需的所有特性，并為所有功率半導(dǎo)體器件創(chuàng)造了新的功率循環(huán)記錄。
　　圖 5：ABB 的焊接二極管
　　圖 5：ABB 的焊接二極管
　　標(biāo)準(zhǔn) WD（ 2 kHz）我FAVM (A)封裝* (mm)
　　5SDD 71X0400711061 / 44
　　5SDD 71B0400711063 / 44
　　5SDD 0120C04001135075 / 57
　　5SDD 92Z0401925053 / 47
　　5SDD 0105Z04011050256 / 50
　　5SDD 0135Z04011350064 / 57
　　高頻 WD（高達(dá) 10 kHz）我FAVM (A)封裝* (mm)
　　5SDF 63X0400626661/44
　　5SDF 63B0400626663/44
　　5SDF 0102C04001015975/57
　　5SDF 90Z0401904153/47
　　5SDF 0103Z04011026656/50
　　5SDF 0131Z04011305864/57
　　VRRM = 400V
　　*注：直徑/極片直徑
　　表 1：ABB 焊接二極管產(chǎn)品組合
　　ABB 焊接二極管
　　ABB 開發(fā)了全面的焊接二極管系列，如下圖 5 和表 1 所示。我們提供密封封裝的標(biāo)準(zhǔn)焊接二極管，甚至更薄的版本（稱為無(wú)外殼二極管）。在這種配置中，焊接二極管硅芯片與雙面鉬盤和頂部銅電極一起粘合在一個(gè)堅(jiān)固的薄夾層中。這種薄外殼具有更低熱阻的優(yōu)勢(shì)。另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是二極管體積小、重量輕，這對(duì)于安裝在機(jī)器人手臂上的設(shè)備來(lái)說是一個(gè)受歡迎的特點(diǎn)。
　　二極管夾層結(jié)構(gòu)
　　二極管夾層結(jié)構(gòu)已通過 ABB 研發(fā)測(cè)試實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行的多次功率循環(huán)測(cè)試以及與電阻焊接應(yīng)用領(lǐng)域主要參與者的合作得到驗(yàn)證。成功的二極管測(cè)試已達(dá)到超過 10M 次循環(huán)，沒有出現(xiàn)二極管故障或焊接參數(shù)退化。
　　為了滿足更高頻率的需求，我們開發(fā)了一組具有高電流能力和出色反向恢復(fù)特性的新型高頻焊接二極管。這些新功能將使它們能夠在 10 kHz 左右的頻率下高效運(yùn)行。
　　焊接二極管是應(yīng)用中受力的組件。二極管的可靠性和使用壽命是應(yīng)用成功的關(guān)鍵因素。ABB 焊接二極管被視為基準(zhǔn)。