2025/9/11 18:35:16 星(xing)期四 | English
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逆(ni)變(bian)型焊機(ji)廣泛采用IGBT和Si基MOSFET為逆(ni)變(bian)功率開關器件。
在220V單相家用(yong)便攜式焊機(ji)應用(yong)中(zhong)，大部(bu)分設(she)計是(shi)使用(yong)650V IGBT單管制(zhi)作逆變電源(yuan)，開關頻率最高可以(yi)到50kHz，如果采用軟開(kai)關技(ji)術，開(kai)關頻率還能更高(gao)，也有使用650V硅基MOSFET為(wei)功率器(qi)件可以把開關頻率提(ti)升到100kHz左右的，得益于(yu)IGBT技(ji)術(shu)進(jin)步和軟開關技(ji)術(shu)應(ying)用，家(jia)用的逆變焊機(ji)功率密度高，焊機(ji)重量輕體積小，真(zhen)正實現便(bian)攜式。
在380V三(san)相工業級(ji)焊(han)機應用(yong)中，焊(han)接(jie)電源普遍(bian)采用(yong)技(ji)術成熟的1200V IGBT為(wei)(wei)功(gong)率器(qi)件，逆變(bian)頻(pin)率范圍一般為(wei)(wei)10kHz到30kHz。在核電能(neng)(neng)源(yuan)、航空(kong)航天、軌道交通(tong)、船(chuan)舶等高(gao)(gao)端設備的智能(neng)(neng)制(zhi)造(zao)過程中面(mian)臨制(zhi)造(zao)材(cai)料的多樣性(xing)、行(xing)位約束的復雜性(xing)、制(zhi)造(zao)尺寸的極端性(xing)等，現有(you)普通(tong)工(gong)業級焊機電源(yuan)難(nan)以滿(man)足當代制(zhi)造(zao)提出的高(gao)(gao)動態(tai)電流響應，低紋波(bo)電流、高(gao)(gao)效(xiao)率等方(fang)面(mian)要求。
1200V SiC MOSFET其開關(guan)損耗低，在逆變焊機設計中，可以(yi)將開關(guan)頻率提升到100kHz甚至更高，就可以提高焊機的性能，符合(he)上述應用的需要。
采(cai)用SiC MOSFET的逆變焊機特(te)點
采用(yong)SiC MOSFET作為(wei)逆變開關功率(lv)器件(jian)，相對于IGBT，對(dui)逆變焊機綜(zong)合性能的提升主要體(ti)現(xian)在(zai)以下幾個方(fang)面：
1. 動態性能更好。逆(ni)(ni)變(bian)焊機(ji)的(de)基本特點(dian)是工作頻率(lv)高。隨著(zhu)逆(ni)(ni)變(bian)頻率(lv)的(de)提(ti)高，逆(ni)(ni)變(bian)焊機(ji)可(ke)以(yi)采(cai)用更(geng)小(xiao)的(de)濾波電抗(kang)，主電路的(de)時間常數更(geng)小(xiao)，使(shi)得逆(ni)(ni)變(bian)焊機(ji)的(de)動(dong)態性能更(geng)好，輸出電流(liu)的(de)紋波更(geng)小(xiao)，電流(liu)控制(zhi)響(xiang)應速度更(geng)快（比傳(chuan)統Si基IGBT電(dian)源快5倍以(yi)上）[2]，電(dian)弧穩定，焊縫成(cheng)形美觀，適合(he)與機器(qi)人結(jie)合(he)，組成(cheng)自動(dong)焊接生產系統，對焊接工藝過程(cheng)的精細控制成(cheng)為可能。
2. 效率更高。這完全得益(yi)于SiC器件(jian)的動態(tai)損耗極低，傳統的IGBT弧(hu)焊逆變器，其額定效率一般為85%-90%；而采(cai)用SiC功率(lv)器件，可(ke)以把系統效(xiao)率(lv)提高到93%以上，這(zhe)使逆變焊機(ji)具有更高的能效[2]。
3. 更(geng)為小巧輕(qing)便(bian)。由于逆變頻率(lv)的(de)提高，使得(de)回路中的(de)磁性器(qi)件(jian)的(de)體積和(he)重(zhong)量(liang)大幅度降低；與此同時，在同等工況下能夠采(cai)用更小體積的(de)散(san)熱器(qi)和(he)散(san)熱風扇。
采用SiC MOSFET設(she)計逆變焊機(ji)，能同時使焊機(ji)動態性能更(geng)好，效(xiao)率(lv)更(geng)高，更(geng)為小巧輕(qing)便：
圖1. 典型(xing)高頻逆變(bian)焊(han)機H全橋電路拓撲
如圖1是(shi)典型的全橋(qiao)型焊(han)機逆變電路拓撲(pu)，三相交流電如果經過不(bu)控整流后得(de)到大(da)約540V直流，再經過H全橋逆變成高頻(pin)交流(liu)電源，通過高頻(pin)變壓(ya)器進(jin)行隔離，變壓(ya)器二次側再(zai)進(jin)行整流(liu)得到(dao)恒定的電流(liu)輸出。
焊機輸出電(dian)流大小(xiao)的控(kong)制，是通過負反(fan)饋調節H橋逆變的(de)(de)占空比(bi)進行的(de)(de)，逆變開關頻(pin)率(lv)越高，變壓器可以設計(ji)的(de)(de)越小，為了(le)把(ba)輸出電流紋波控(kong)制在(zai)一定(ding)范圍內(nei)，用于穩定(ding)輸出電流的(de)(de)電感(gan)L也可(ke)以設(she)計的更小，因而(er)對電流指令(ling)的響應(ying)也可(ke)以更快。對電流指令(ling)的響應(ying)速度跟開(kai)關頻率(lv)幾乎成正(zheng)比(bi)，現在高端焊機的開(kai)關頻率(lv)要求甚至達到(dao)200kHz以上，是(shi)現在主(zhu)流用(yong)Si基(ji)IGBT開關頻率的5倍以上。
英飛(fei)凌CoolSiC? MOSFET高開(kai)關頻率(lv)，需要(yao)極低的開(kai)關損耗作為(wei)保障(zhang)，如圖2中(zhong)的(de)數(shu)據比較了英(ying)飛凌(ling)45mΩ 1200V CoolSiC? MOSFET （IMW120R045M1）和40A 1200V highspeed3 IGBT （IKW40N120H3）這兩(liang)款產品(pin)的開關損耗關系。
Highspeed3這款芯片導通壓降(jiang)在(zai)2.05V （25℃）-2.7V（175℃） 之間，開關損(sun)耗4.4mJ（600Vdc，25℃,40A，Rg=12Ω，Vge=15V）[5]，是英飛凌在(zai)1200V電壓等級中，開關損(sun)耗(hao)最低，開關頻率最快的IGBT芯片，封裝成(cheng)的單管(guan)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(kai)關(guan)損耗(hao)的對(dui)比(bi)，從圖2中可(ke)以(yi)看出英飛(fei)凌(ling)CoolSiC? MOSFET的開關損耗是極低的，和IGBT相比幾(ji)乎是(shi)一個(ge)數量級的差異。這就為英飛凌CoolSiC? MOSFET在焊(han)機(ji)應用中，200kHz的高(gao)開關頻率（硬(ying)開關條件(jian)下(xia)）成為(wei)可能。
圖2同時對比了這兩(liang)個器(qi)件(jian)分別在25℃和175℃兩(liang)種條(tiao)件下的對比，可以看出開關損耗巨(ju)大差異(yi)的同(tong)時，還可以看出，英飛凌CoolSiC? MOSFET的開關損耗，幾乎不隨溫(wen)度的變化(hua)而變化(hua)，而IGBT的Eoff隨溫度(du)的上升而上升，且差異(yi)巨大(da)。
圖(tu)2. 英飛凌45mΩ 1200V CoolSiC? MOSFET和40A 1200V IGBT在同等條件(jian)下測試的(de)開(kai)關(guan)損耗對(dui)比
以下(xia)是兩者在不同開(kai)關頻率下(xia)的損耗分(fen)析，設定直流(liu)母(mu)線電(dian)流(liu)20A，結溫175攝(she)氏度，Si基IGBT開關頻率30kHz，CoolSiC? MOSFET開關頻率100kHz，即(ji)使(shi)這樣，SiC的損耗也比IGBT少很(hen)多，H橋逆(ni)變效率提升了1%。
表(biao)1. 英飛(fei)凌45mΩ 1200V CoolSiC? MOSFET和40A 1200V IGBT在不同開關頻率下的(de)損耗對比(bi)
使(shi)用(yong)SiC器件(jian)設(she)計焊機逆變(bian)電(dian)源(yuan)，主要(yao)目的(de)是為了得(de)到更好的(de)電(dian)流動態性能。所以往(wang)往(wang)開關頻率都在100kHz以(yi)上(shang)，這使得高頻變壓(ya)器(qi)和二次(ci)側(ce)電(dian)感的重量(liang)，體積(ji)和成本大大降低(di)。從表1可以看出，SiC MOS開關頻率即使(shi)提升到100kHz以上，總損(sun)耗也比(bi)IGBT低，這意(yi)味著需要(yao)的(de)散(san)(san)熱量(liang)也少，散(san)(san)熱器(qi)和(he)風扇自(zi)然可以縮小體積壓(ya)縮成本，由于本文(wen)沒有具體的(de)實(shi)驗(yan)結果，計算(suan)值分(fen)析(xi)供大家參考。
英飛凌有哪些1200V CoolSiC? MOSFET產品適(shi)用(yong)于高頻(pin)焊機設計
英(ying)飛凌于2年前開(kai)始推出基于(yu)TO-247封裝和Easy封裝(zhuang)的1200V CoolSiC? MOSFET產(chan)品(pin)，這幾(ji)年產(chan)品(pin)系列逐漸(jian)豐富，后(hou)續(xu)還會繼續(xu)推(tui)出更多的封裝形式，如62mm和XHP封(feng)裝。
針對焊機設計(ji)，這里(li)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(tuo)撲（23mΩ）。
表2. 適合(he)在高頻焊機電(dian)源中使用(yong)的英飛凌1200V CoolSiC? MOSFET產品型號
總結(jie)
1、現代(dai)工業智能(neng)制造，需要高(gao)端高(gao)性能(neng)焊機和機器人組成自動(dong)焊接生產系統(tong)，對焊接工藝過程進(jin)行(xing)精細控制，傳統(tong)基于IGBT設(she)計的工業(ye)三相(xiang)逆變焊機(ji)，開關頻(pin)率停留在10-30kHz，已經不能滿足設計(ji)需要，提高開關頻率到100kHz以(yi)上(shang)，SiC器件目(mu)前是唯一(yi)選擇。
2、用SiC功率(lv)器件設計(ji)的逆變焊機(ji)，動態(tai)性能更(geng)(geng)好，效率(lv)更(geng)(geng)高，更(geng)(geng)小巧輕便。
3、英飛凌已(yi)經推出一系列1200V CoolSiC? MOSFET產(chan)品，能很(hen)好(hao)的(de)(de)滿(man)足(zu)高性能三相(xiang)逆變焊機的(de)(de)設(she)計(ji)需求。
