英飞凌CoolSiC™ MOSFET满足高性能三相逆变焊机的设计需求

引言

逆变型焊机广泛采用IGBT和Si基MOSFET为逆变功率开关器件。

在220V单相家用便携式焊机应用中，大部分设计是使用650V IGBT单管制作逆变电源，开关频率最高可以到50kHz，如果采用软开关技术，开关频率还能更高，也有使用650V硅基MOSFET为功率器件可以把开关频率提升到100kHz左右的，得益于IGBT技术进步和软开关技术应用，家用的逆变焊机功率密度高，焊机重量轻体积小，真正实现便携式。

在380V三相工业级焊机应用中，焊接电源普遍采用技术成熟的1200V IGBT为功率器件，逆变频率范围一般为10kHz到30kHz。在核电能源、航空航天、轨道交通、船舶等高端设备的智能制造过程中面临制造材料的多样性、行位约束的复杂性、制造尺寸的极端性等，现有普通工业级焊机电源难以满足当代制造提出的高动态电流响应，低纹波电流、高效率等方面要求。

1200V SiC MOSFET其开关损耗低，在逆变焊机设计中，可以将开关频率提升到100kHz甚至更高，就可以提高焊机的性能，符合上述应用的需要。

采用SiC MOSFET的逆变焊机特点

采用SiC MOSFET作为逆变开关功率器件，相对于IGBT，对逆变焊机综合性能的提升主要体现在以下几个方面：

1. 动态性能更好。逆变焊机的基本特点是工作频率高。随着逆变频率的提高，逆变焊机可以采用更小的滤波电抗，主电路的时间常数更小，使得逆变焊机的动态性能更好，输出电流的纹波更小，电流控制响应速度更快（比传统Si基IGBT电源快5倍以上），电弧稳定，焊缝成形美观，适合与机器人结合，组成自动焊接生产系统，对焊接工艺过程的精细控制成为可能。

2. 效率更高。这完全得益于SiC器件的动态损耗极低，传统的IGBT弧焊逆变器，其额定效率一般为85%-90%；而采用SiC功率器件，可以把系统效率提高到93%以上，这使逆变焊机具有更高的能效。

3. 更为小巧轻便。由于逆变频率的提高，使得回路中的磁性器件的体积和重量大幅度降低；与此同时，在同等工况下能够采用更小体积的散热器和散热风扇。

采用SiC MOSFET设计逆变焊机，能同时使焊机动态性能更好，效率更高，更为小巧轻便：

图1. 典型高频逆变焊机H全桥电路拓扑

如图1是典型的全桥型焊机逆变电路拓扑，三相交流电如果经过不控整流后得到大约540V直流，再经过H全桥逆变成高频交流电源，通过高频变压器进行隔离，变压器二次侧再进行整流得到恒定的电流输出。

焊机输出电流大小的控制，是通过负反馈调节H桥逆变的占空比进行的，逆变开关频率越高，变压器可以设计的越小，为了把输出电流纹波控制在一定范围内，用于稳定输出电流的电感L也可以设计的更小，因而对电流指令的响应也可以更快。对电流指令的响应速度跟开关频率几乎成正比，现在高端焊机的开关频率要求甚至达到200kHz以上，是现在主流用Si基IGBT开关频率的5倍以上。

英飞凌CoolSiC™ MOSFET高开关频率，需要极低的开关损耗作为保障，如图2中的数据比较了英飞凌45mΩ 1200V CoolSiC™ MOSFET （IMW120R045M1）和40A 1200V highspeed3 IGBT （IKW40N120H3）这两款产品的开关损耗关系。

Highspeed3这款芯片导通压降在2.05V （25℃）-2.7V（175℃） 之间，开关损耗4.4mJ（600Vdc，25℃，40A，Rg=12Ω，Vge=15V）［5］，是英飞凌在1200V电压等级中，开关损耗最低，开关频率最快的IGBT芯片，封装成的单管和模块产品，被广泛应用在焊机行业。

在基于175℃情况下，在相同条件下的开关损耗的对比，从图2中可以看出英飞凌CoolSiC™ MOSFET的开关损耗是极低的，和IGBT相比几乎是一个数量级的差异。这就为英飞凌CoolSiC™ MOSFET在焊机应用中，200kHz的高开关频率（硬开关条件下）成为可能。

图2同时对比了这两个器件分别在25℃和175℃两种条件下的对比，可以看出开关损耗巨大差异的同时，还可以看出，英飞凌CoolSiC™ MOSFET的开关损耗，几乎不随温度的变化而变化，而IGBT的Eoff随温度的上升而上升，且差异巨大。

图2. 英飞凌45mΩ 1200V CoolSiC™ MOSFET和40A 1200V IGBT在同等条件下测试的开关损耗对比

以下是两者在不同开关频率下的损耗分析，设定直流母线电流20A，结温175摄氏度，Si基IGBT开关频率30kHz，CoolSiC™ MOSFET开关频率100kHz，即使这样，SiC的损耗也比IGBT少很多，H桥逆变效率提升了1%。

表1. 英飞凌45mΩ 1200V CoolSiC™ MOSFET和40A 1200V IGBT在不同开关频率下的损耗对比

使用SiC器件设计焊机逆变电源，主要目的是为了得到更好的电流动态性能。所以往往开关频率都在100kHz以上，这使得高频变压器和二次侧电感的重量，体积和成本大大降低。从表1可以看出，SiC MOS开关频率即使提升到100kHz以上，总损耗也比IGBT低，这意味着需要的散热量也少，散热器和风扇自然可以缩小体积压缩成本，由于本文没有具体的实验结果，计算值分析供大家参考。

英飞凌有哪些1200V CoolSiC™ MOSFET产品适用于高频焊机设计

英飞凌于2年前开始推出基于TO-247封装和Easy封装的1200V CoolSiC™ MOSFET产品，这几年产品系列逐渐丰富，后续还会继续推出更多的封装形式，如62mm和XHP封装。

针对焊机设计，这里主要推荐TO-247单管产品（30mΩ和45mΩ），Easy半桥拓扑（6mΩ-45mΩ，共6个型号），以及Easy封装的H桥拓扑（23mΩ）。

表2. 适合在高频焊机电源中使用的英飞凌1200V CoolSiC™ MOSFET产品型号

总结

现代工业智能制造，需要高端高性能焊机和机器人组成自动焊接生产系统，对焊接工艺过程进行精细控制，传统基于IGBT设计的工业三相逆变焊机，开关频率停留在10-30kHz，已经不能满足设计需要，提高开关频率到100kHz以上，SiC器件目前是唯一选择。英飞凌已经推出一系列1200V CoolSiC™ MOSFET产品，能很好的满足高性能三相逆变焊机的设计需求。

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