尽管电阻焊并不是一个备受关注的电力电子应用，但其特殊要求促使一系列专用设备不断发展。在本文中，我们将仔细研究该应用本身、功率半导体必须满足的负载循环测试要求以及为满足这些要求而开发的组件。，我们将讨论近期新产品发布的趋势。
电阻焊
电阻焊接是一种主要用于连接金属板的技术。它涉及通过电流通过金属表面之间的接触电阻产生热量。当高电流通过时，焊接区域会形成小熔化金属池。
一旦该区域冷却下来，就会形成牢固的接合。图 1 显示了焊接变压器次级回路中的主要实际电阻和寄生电阻。它证明了出色的二极管正向特性的重要性。焊接二极管在电路中必须具有低电阻率才能在效率和寿命方面取得成功。任何额外的损耗都会导致应用中更高的二极管应力。
图 1：焊接电路电阻。颜色代表不同部分及其各自的电阻
与其他焊接方法相比，电阻焊效率极高，污染少，工件变形小。生产率高，易于实现自动化，无需填充材料。因此，它在汽车行业得到广泛应用，因为大多数汽车都有数千个由工业机器人完成的点焊。
焊接电路原理
电阻焊系统电气电路由4部分组成，如图2所示：
变频器，从三相正弦波生成所需频率的单相准方波电压和电流。通常，焊接单元与IGBT 逆变器组装在一起。逆变器的输出连接到变压器的初级侧。波形为 PWM 矩形脉冲模式，典型频率为 1 kHz，幅度为 560 V。
变压器的二次电压范围为 6 – 20 V，其中 10 V 为常见。二次电流范围通常为 10 – 20 kA，但对于铝焊接来说，二次电流可能更高。
二极管整流器将准方波电流转换为直流电流。这样做是因为使用直流电而不是交流电时焊接质量要好得多。选择的连接类型是 M2，以减少整流所需的二极管数量。当需要更高的电流时，通过并联两个或多个二极管可以提高能力。
带有水冷电极的焊枪，需要连接的金属板被压在焊枪之间。
图2：典型的焊接电路
焊接应用所需的二极管性能
针对每种车型，我们都会设计一套定制的焊接系统。在汽车行业，变压器、整流器和焊枪通常都放在机器人手臂上。因此，尺寸和重量非常重要。由于频率的提高会在相同功率下减小变压器的尺寸，因此趋势是将频率从目前使用的 1 kHz 提高到大约 10 kHz 甚至 20 kHz。
特定材料也需要特定的焊接顺序和要求。每种材料都有所谓的塑性温度范围，在施加力的作用下，材料可轻松变形、熔化和接合。钢材和合金具有广泛的塑性温度范围，因此易于熔焊。
另一方面，铜和铝等纯金属具有高导热性和高电导性，塑性温度范围较窄。它们需要更的计时、更短的焊接时间和更高的电流水平（见图 3）。因此，开发了新的 10 kHz 焊接系统。所有介绍的应用方面都反映在 ABB 焊接二极管的功能中。
焊接参数、具体材料要求
图3：焊接参数、具体材料要求
负载循环能力
电阻焊接设备的应用成功在很大程度上取决于焊接二极管的正确选择及其正确操作。每个焊接周期代表二极管的一个负载周期，预期寿命通常为 1000 万次甚至更长。这意味着二极管的负载循环能力对于组件的选择至关重要，而这种能力取决于二极管在周期内经历的温度波动。
为了在焊接过程中尽可能降低温度波动，二极管必须设计成具有的损耗和热阻抗。在一个焊点中，二极管受到快速电流脉冲（1kHz 范围）的压力，电流脉冲从 10 到 50kA，持续时间为数百毫秒。
结温
此时结温快速上升，通常高达 Tjmax (180°C)。总之，焊接二极管操作是浪涌电流、快速换向和频率负载的组合。二极管寿命还很大程度上取决于二极管的结构、所用材料及其制造质量。
ABB 二极管结合了这种极端负载所需的所有特性，并为所有功率半导体器件创造了新的功率循环记录。
图 5：ABB 的焊接二极管
图 5：ABB 的焊接二极管
标准 WD（ 2 kHz）我FAVM (A)封装* (mm)
5SDD 71X0400711061 / 44
5SDD 71B0400711063 / 44
5SDD 0120C04001135075 / 57
5SDD 92Z0401925053 / 47
5SDD 0105Z04011050256 / 50
5SDD 0135Z04011350064 / 57
高频 WD（高达 10 kHz）我FAVM (A)封装* (mm)
5SDF 63X0400626661/44
5SDF 63B0400626663/44
5SDF 0102C04001015975/57
5SDF 90Z0401904153/47
5SDF 0103Z04011026656/50
5SDF 0131Z04011305864/57
VRRM = 400V
*注：直径/极片直径
表 1：ABB 焊接二极管产品组合
ABB 焊接二极管
ABB 开发了全面的焊接二极管系列，如下图 5 和表 1 所示。我们提供密封封装的标准焊接二极管，甚至更薄的版本（称为无外壳二极管）。在这种配置中，焊接二极管硅芯片与双面钼盘和顶部铜电极一起粘合在一个坚固的薄夹层中。这种薄外壳具有更低热阻的优势。另一个优点是二极管体积小、重量轻，这对于安装在机器人手臂上的设备来说是一个受欢迎的特点。
二极管夹层结构
二极管夹层结构已通过 ABB 研发测试实验室进行的多次功率循环测试以及与电阻焊接应用领域主要参与者的合作得到验证。成功的二极管测试已达到超过 10M 次循环，没有出现二极管故障或焊接参数退化。
为了满足更高频率的需求，我们开发了一组具有高电流能力和出色反向恢复特性的新型高频焊接二极管。这些新功能将使它们能够在 10 kHz 左右的频率下高效运行。
焊接二极管是应用中受力的组件。二极管的可靠性和使用寿命是应用成功的关键因素。ABB 焊接二极管被视为基准。
