引言

逆變型焊機(jī)廣泛采用IGBT和Si基MOSFET為逆變功率開關(guān)器件。

在220V單相家用便攜式焊機(jī)應(yīng)用中，大部分設(shè)計(jì)是使用650V IGBT單管制作逆變電源，開關(guān)頻率最高可以到50kHz，如果采用軟開關(guān)技術(shù)，開關(guān)頻率還能更高，也有使用650V硅基MOSFET為功率器件可以把開關(guān)頻率提升到100kHz左右的，得益于IGBT技術(shù)進(jìn)步和軟開關(guān)技術(shù)應(yīng)用，家用的逆變焊機(jī)功率密度高，焊機(jī)重量輕體積小，真正實(shí)現(xiàn)便攜式。

在380V三相工業(yè)級(jí)焊機(jī)應(yīng)用中，焊接電源普遍采用技術(shù)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(shè)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(fù)雜性、制造尺寸的極端性等，現(xiàn)有普通工業(yè)級(jí)焊機(jī)電源難以滿足當(dāng)代制造提出的高動(dòng)態(tài)電流響應(yīng)，低紋波電流、高效率等方面要求。

1200V SiC MOSFET其開關(guān)損耗低，在逆變焊機(jī)設(shè)計(jì)中，可以將開關(guān)頻率提升到100kHz甚至更高，就可以提高焊機(jī)的性能，符合上述應(yīng)用的需要。

采用SiC MOSFET的逆變焊機(jī)特點(diǎn)

采用SiC MOSFET作為逆變開關(guān)功率器件，相對(duì)于IGBT，對(duì)逆變焊機(jī)綜合性能的提升主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

1. 動(dòng)態(tài)性能更好。逆變焊機(jī)的基本特點(diǎn)是工作頻率高。隨著逆變頻率的提高，逆變焊機(jī)可以采用更小的濾波電抗，主電路的時(shí)間常數(shù)更小，使得逆變焊機(jī)的動(dòng)態(tài)性能更好，輸出電流的紋波更小，電流控制響應(yīng)速度更快（比傳統(tǒng)Si基IGBT電源快5倍以上），電弧穩(wěn)定，焊縫成形美觀，適合與機(jī)器人結(jié)合，組成自動(dòng)焊接生產(chǎn)系統(tǒng)，對(duì)焊接工藝過程的精細(xì)控制成為可能。

2. 效率更高。這完全得益于SiC器件的動(dòng)態(tài)損耗極低，傳統(tǒng)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(tǒng)效率提高到93%以上，這使逆變焊機(jī)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(shí)，在同等工況下能夠采用更小體積的散熱器和散熱風(fēng)扇。

采用SiC MOSFET設(shè)計(jì)逆變焊機(jī)，能同時(shí)使焊機(jī)動(dòng)態(tài)性能更好，效率更高，更為小巧輕便：

圖1. 典型高頻逆變焊機(jī)H全橋電路拓?fù)?/p>

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

焊機(jī)輸出電流大小的控制，是通過負(fù)反饋調(diào)節(jié)H橋逆變的占空比進(jìn)行的，逆變開關(guān)頻率越高，變壓器可以設(shè)計(jì)的越小，為了把輸出電流紋波控制在一定范圍內(nèi)，用于穩(wěn)定輸出電流的電感L也可以設(shè)計(jì)的更小，因而對(duì)電流指令的響應(yīng)也可以更快。對(duì)電流指令的響應(yīng)速度跟開關(guān)頻率幾乎成正比，現(xiàn)在高端焊機(jī)的開關(guān)頻率要求甚至達(dá)到200kHz以上，是現(xiàn)在主流用Si基IGBT開關(guān)頻率的5倍以上。

英飛凌CoolSiC? MOSFET高開關(guān)頻率，需要極低的開關(guān)損耗作為保障，如圖2中的數(shù)據(jù)比較了英飛凌45mΩ 1200V CoolSiC? MOSFET （IMW120R045M1）和40A 1200V highspeed3 IGBT （IKW40N120H3）這兩款產(chǎn)品的開關(guān)損耗關(guān)系。

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

在基于175℃情況下，在相同條件下的開關(guān)損耗的對(duì)比，從圖2中可以看出英飛凌CoolSiC? MOSFET的開關(guān)損耗是極低的，和IGBT相比幾乎是一個(gè)數(shù)量級(jí)的差異。這就為英飛凌CoolSiC? MOSFET在焊機(jī)應(yīng)用中，200kHz的高開關(guān)頻率（硬開關(guān)條件下）成為可能。

圖2同時(shí)對(duì)比了這兩個(gè)器件分別在25℃和175℃兩種條件下的對(duì)比，可以看出開關(guān)損耗巨大差異的同時(shí)，還可以看出，英飛凌CoolSiC? MOSFET的開關(guān)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(guān)損耗對(duì)比

以下是兩者在不同開關(guān)頻率下的損耗分析，設(shè)定直流母線電流20A，結(jié)溫175攝氏度，Si基IGBT開關(guān)頻率30kHz，CoolSiC? MOSFET開關(guān)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(guān)頻率下的損耗對(duì)比

使用SiC器件設(shè)計(jì)焊機(jī)逆變電源，主要目的是為了得到更好的電流動(dòng)態(tài)性能。所以往往開關(guān)頻率都在100kHz以上，這使得高頻變壓器和二次側(cè)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(guān)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(fēng)扇自然可以縮小體積壓縮成本，由于本文沒有具體的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，計(jì)算值分析供大家參考。

英飛凌有哪些1200V CoolSiC? MOSFET產(chǎn)品適用于高頻焊機(jī)設(shè)計(jì)

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(chǎn)品，這幾年產(chǎn)品系列逐漸豐富，后續(xù)還會(huì)繼續(xù)推出更多的封裝形式，如62mm和XHP封裝。

針對(duì)焊機(jī)設(shè)計(jì)，這里主要推薦TO-247單管產(chǎn)品（30mΩ和45mΩ），Easy半橋拓?fù)洌?mΩ-45mΩ，共6個(gè)型號(hào)），以及Easy封裝的H橋拓?fù)洌?3mΩ）。

表2. 適合在高頻焊機(jī)電源中使用的英飛凌1200V CoolSiC? MOSFET產(chǎn)品型號(hào)

總結(jié)

現(xiàn)代工業(yè)智能制造，需要高端高性能焊機(jī)和機(jī)器人組成自動(dòng)焊接生產(chǎn)系統(tǒng)，對(duì)焊接工藝過程進(jìn)行精細(xì)控制，傳統(tǒng)基于IGBT設(shè)計(jì)的工業(yè)三相逆變焊機(jī)，開關(guān)頻率停留在10-30kHz，已經(jīng)不能滿足設(shè)計(jì)需要，提高開關(guān)頻率到100kHz以上，SiC器件目前是唯一選擇。英飛凌已經(jīng)推出一系列1200V CoolSiC? MOSFET產(chǎn)品，能很好的滿足高性能三相逆變焊機(jī)的設(shè)計(jì)需求。

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