英飛凌CoolSiC? MOSFET滿足高性能三相逆變焊機的設計需求

引言

逆變型焊機廣泛采用IGBT和Si基MOSFET為逆變功率開關器件。

在220V單相家用便攜式焊機應用中，大部分設計是使用650V IGBT單管制作逆變電源，開關頻率最高可以到50kHz，如果采用軟開關技術，開關頻率還能更高，也有使用650V硅基MOSFET為功率器件可以把開關頻率提升到100kHz左右的，得益于IGBT技術進步和軟開關技術應用，家用的逆變焊機功率密度高，焊機重量輕體積小，真正實現便攜式。

在380V三相工業級焊機應用中，焊接電源普遍采用技術成熟的1200V IGBT為功率器件，逆變頻率范圍一般為10kHz到30kHz。在核電能源、航空航天、軌道交通、船舶等高端設備的智能制造過程中面臨制造材料的多樣性、行位約束的復雜性、制造尺寸的極端性等，現有普通工業級焊機電源難以滿足當代制造提出的高動態電流響應，低紋波電流、高效率等方面要求。

1200V SiC MOSFET其開關損耗低，在逆變焊機設計中，可以將開關頻率提升到100kHz甚至更高，就可以提高焊機的性能，符合上述應用的需要。

采用SiC MOSFET的逆變焊機特點

采用SiC MOSFET作為逆變開關功率器件，相對于IGBT，對逆變焊機綜合性能的提升主要體現在以下幾個方面：

1. 動態性能更好。逆變焊機的基本特點是工作頻率高。隨著逆變頻率的提高，逆變焊機可以采用更小的濾波電抗，主電路的時間常數更小，使得逆變焊機的動態性能更好，輸出電流的紋波更小，電流控制響應速度更快（比傳統Si基IGBT電源快5倍以上），電弧穩定，焊縫成形美觀，適合與機器人結合，組成自動焊接生產系統，對焊接工藝過程的精細控制成為可能。

2. 效率更高。這完全得益于SiC器件的動態損耗極低，傳統的IGBT弧焊逆變器，其額定效率一般為85%-90%；而采用SiC功率器件，可以把系統效率提高到93%以上，這使逆變焊機具有更高的能效。

3. 更為小巧輕便。由于逆變頻率的提高，使得回路中的磁性器件的體積和重量大幅度降低；與此同時，在同等工況下能夠采用更小體積的散熱器和散熱風扇。

采用SiC MOSFET設計逆變焊機，能同時使焊機動態性能更好，效率更高，更為小巧輕便：

圖1. 典型高頻逆變焊機H全橋電路拓撲

如圖1是典型的全橋型焊機逆變電路拓撲，三相交流電如果經過不控整流后得到大約540V直流，再經過H全橋逆變成高頻交流電源，通過高頻變壓器進行隔離，變壓器二次側再進行整流得到恒定的電流輸出。

焊機輸出電流大小的控制，是通過負反饋調節H橋逆變的占空比進行的，逆變開關頻率越高，變壓器可以設計的越小，為了把輸出電流紋波控制在一定范圍內，用于穩定輸出電流的電感L也可以設計的更小，因而對電流指令的響應也可以更快。對電流指令的響應速度跟開關頻率幾乎成正比，現在高端焊機的開關頻率要求甚至達到200kHz以上，是現在主流用Si基IGBT開關頻率的5倍以上。

英飛凌CoolSiC? MOSFET高開關頻率，需要極低的開關損耗作為保障，如圖2中的數據比較了英飛凌45mΩ 1200V CoolSiC? MOSFET （IMW120R045M1）和40A 1200V highspeed3 IGBT （IKW40N120H3）這兩款產品的開關損耗關系。

Highspeed3這款芯片導通壓降在2.05V （25℃）-2.7V（175℃） 之間，開關損耗4.4mJ（600Vdc，25℃，40A，Rg=12Ω，Vge=15V）［5］，是英飛凌在1200V電壓等級中，開關損耗最低，開關頻率最快的IGBT芯片，封裝成的單管和模塊產品，被廣泛應用在焊機行業。

在基于175℃情況下，在相同條件下的開關損耗的對比，從圖2中可以看出英飛凌CoolSiC? MOSFET的開關損耗是極低的，和IGBT相比幾乎是一個數量級的差異。這就為英飛凌CoolSiC? MOSFET在焊機應用中，200kHz的高開關頻率（硬開關條件下）成為可能。

圖2同時對比了這兩個器件分別在25℃和175℃兩種條件下的對比，可以看出開關損耗巨大差異的同時，還可以看出，英飛凌CoolSiC? MOSFET的開關損耗，幾乎不隨溫度的變化而變化，而IGBT的Eoff隨溫度的上升而上升，且差異巨大。

圖2. 英飛凌45mΩ 1200V CoolSiC? MOSFET和40A 1200V IGBT在同等條件下測試的開關損耗對比

以下是兩者在不同開關頻率下的損耗分析，設定直流母線電流20A，結溫175攝氏度，Si基IGBT開關頻率30kHz，CoolSiC? MOSFET開關頻率100kHz，即使這樣，SiC的損耗也比IGBT少很多，H橋逆變效率提升了1%。

表1. 英飛凌45mΩ 1200V CoolSiC? MOSFET和40A 1200V IGBT在不同開關頻率下的損耗對比

使用SiC器件設計焊機逆變電源，主要目的是為了得到更好的電流動態性能。所以往往開關頻率都在100kHz以上，這使得高頻變壓器和二次側電感的重量，體積和成本大大降低。從表1可以看出，SiC MOS開關頻率即使提升到100kHz以上，總損耗也比IGBT低，這意味著需要的散熱量也少，散熱器和風扇自然可以縮小體積壓縮成本，由于本文沒有具體的實驗結果，計算值分析供大家參考。

英飛凌有哪些1200V CoolSiC? MOSFET產品適用于高頻焊機設計

英飛凌于2年前開始推出基于TO-247封裝和Easy封裝的1200V CoolSiC? MOSFET產品，這幾年產品系列逐漸豐富，后續還會繼續推出更多的封裝形式，如62mm和XHP封裝。

針對焊機設計，這里主要推薦TO-247單管產品（30mΩ和45mΩ），Easy半橋拓撲（6mΩ-45mΩ，共6個型號），以及Easy封裝的H橋拓撲（23mΩ）。

表2. 適合在高頻焊機電源中使用的英飛凌1200V CoolSiC? MOSFET產品型號

總結

現代工業智能制造，需要高端高性能焊機和機器人組成自動焊接生產系統，對焊接工藝過程進行精細控制，傳統基于IGBT設計的工業三相逆變焊機，開關頻率停留在10-30kHz，已經不能滿足設計需要，提高開關頻率到100kHz以上，SiC器件目前是唯一選擇。英飛凌已經推出一系列1200V CoolSiC? MOSFET產品，能很好的滿足高性能三相逆變焊機的設計需求。

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