英飞凌 CoolSiC™ MOSFET 应用在高性能逆变焊机电源中的优势

时间:2020-03-31 13:49来源:21Dianyuan

摘要: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。

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)[2],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[2]。

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。

参考资料
1. 王振民,王鹏飞;新一代SiC功率器件及其在逆变焊机中的应用;《电焊机》第46卷,第6期;
2. 吴健文,范文艳等;新一代SiC MOSFET脉冲MIG逆变焊接电源研制;《电焊机》第48卷,第11期;
3. 姚河清,范兴辉等;逆变焊机中开关管的选择与应用;《电焊机》第37卷,第5期;
4. 徐德鸿,马皓,汪槱生;《电力电子技术》;科学出版社
5. 英飞凌IMW120R045M1和IKW40N120H3产品数据手册
6. Dr. Peter Friedrichs; CoolSiC™ MOSFET: a revolution for power conversion system;Infineon Technology
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