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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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。
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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。
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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
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