河北大学：基于碳化硅功率器件的高频感应焊机设计

文章来源：电源学报

河北大学电子信息工程学院：柴艳鹏，王培光，宗晓萍，王贺瑞

摘要：高频感应焊机可用于钢管直缝焊接，主要特点为开关频率高和设备功率大，功率器件为硅MOSFET 和硅快恢复二极管。由于硅基功率器件的特性限制，高频感应焊机的效率、容量和成本受到了一定制约。随着碳化硅功率器件技术的不断成熟，其性能特点尤其适用于大功率高频感应焊机设备。通过对硅和碳化硅功率器件参数进行对比分析，使用碳化硅功率器件对现有串联型高频感应焊机主电路进行优化，并设计了适用于多器件并联的SiC MOSFET驱动电路和功率单元。最后，搭建了1台100 kW/500 kHz的SiC MOSFET串联型高频感应焊机样机，进行实验测试。实验结果表明，所设计的高频感应焊机性能和焊接效率均高于现有设备。

关键词：SiC MOSFET；高频；逆变器；感应焊机

随着我国经济的快速发展和感应加热技术的不断进步，高频感应焊管在钢管生产行业占有越来越高的比重。作为高频感应焊管的核心设备，高频感应焊机技术受到国内外学者的广泛关注。目前市场上，高频感应焊机主要分为串联型和并联型2种形式，逆变器部分分别由电压型串联谐振逆变器和电流型并联谐振逆变器组成。由于串联谐振逆变器在直流侧和逆变侧均可实现功率调节，且大功率设备多功率单元之间可以利用高频匹配变压器均流，因此串联型高频感应焊机具有更高的市场占有率。

串联型高频感应焊机功率范围为100~2000 kW，频率范围为100~800 kHz，主要功率器件硅MOSFET和硅快恢复二极管由于耐压和容量限制， 大功率化和高频化受到较大制约。碳化硅（SiC）功率器件作为一种新型宽禁带半导体材料，因其出色的高频高压等特性，被广泛应用于现代电力电子产品中。本文分析了串联型高频感应焊机的工作原 理，利用碳化硅功率器件的优点，使用SiC MOSFET 替代传统的硅功率器件，对碳化硅高频感应焊机的主回路、功率单元、驱动电路和控制电路进行了研 究，设计了1台基于碳化硅功率器件的高频感应焊机样机，并进行了实验验证。

1逆变器原理分析

串联型高频感应焊机主电路结构如图1所示， 整流器采用三相桥式晶闸管全控整流电路，用于调节感应焊机的输出功率；整流器输出侧采用电容滤波，为串联谐振逆变器（电压型逆变器）提供平滑的直流电压源；逆变部分采用大功率单相H桥串联谐振逆变器；谐振槽路为L、C和R组成的串联谐 振电路。

串联型高频感应焊机的电路拓扑和逆变器输出波形如图2所示，其中S1.S2.S3和S4为多只并联的关功率器件，P1~P 4为S1~S4的触发脉冲，P1与P2、P3与P4之间设置有死区，由于槽路负载为电感 Lr和电容Cr的串联，所以在开关频率略大于谐振频率时，逆变器工作在输出电压uH超前于输出电流iH的小感性工作状态，此时MOSFET导通属于自然换流，开通损耗理论上基本为0；根据电压电流角度差，MOSFET关断属于小电流强迫换流，有一定的关断损耗，功率器件S1~S4具体换流时序及工作状态如下。

[0~t1]阶段：输出电流未换向，S1和S4的反向二极管导通，在0时刻S1和S 4零电压和零电流开通；

[t1~t 2]阶段：输出电流已换向，S1和S4导通，并在t2时刻小电流关断；

[t2~t 3]阶段：输出电流未换向，S2和S3的反向二极管导通，在t2时刻S2和S3零电压和零电流开通；

[t3~t 4]阶段：输出电流已换向，S2和S3导通，并在t4时刻小电流关断。

串联型高频感应焊机正常情况下工作在逆变 电压超前于逆变电流的小感性工作状态，功率器件属于零电压开关ZVS（zero voltage switching）和零电流开关ZCS（zero current switching）换流，对于在感性角度内续流的反并联二极管性能要求不高。当高频感应焊机在实际运行中出现感应器开路或打火等异常情况时，有可能在保护电路动作之前处于逆变电流超前于逆变电压的容性工作状态，此时出现内部电流由二极管续流强迫切换到另外桥臂 MOSFET的情况。由于硅MOSFET反并联二极管为寄生的体二极管，反向恢复时间较长，此时易造成 二极管损耗过大或者逆变器出现桥臂直通短路的严重情况，威胁高频感应焊机的工作安全。目前串联谐振逆变器采取另外串、并联反向恢复时间更短的硅快恢复二极管的方式，将硅MOSFET的体二极 管屏蔽，来提高焊机对负载剧烈变化的适应性，但同时造成了功率器件增加、焊接效率降低和成本增 高等问题。

由图2（b）中逆变器输出波形可得，逆变输出 电压基波分量为

2功率单元设计

由第1节可知，硅基器件在串联型高频感应焊机的应用中已经受到严重制约，作为当前研究热点的宽禁带功率器件，SiC MOSFET高频、高压、大容量和耐高温的特性可以解决硅器件所面临的问题。选择IXYS公司2款相同封装（SOT-227，Mini BLOC） 的产品，SiC MOSFET功率器件IXFN50N120 SIC 和目前串联型高频感应焊机常用的硅MOSFET功 率器件IXFN38N100Q2进行比较，主要参数对比如表1所示。

由表1可以发现，与硅器件相比，所选SiC MOSFET导通阻抗低，因此导通损耗减小。SiC MOSFET输入电容小，开关损耗低，在高频率开关时驱动功率减小，但是更容易受到米勒效应等串扰的影响。SiC MOSFET反并联寄生体二极管正向压降比硅器件要高，但是反向恢复时间大大减小，可以达到同等功率等级硅快恢复二极管的水平。由于串联谐振逆变器续流二极管正常情况下只有在小感性角度内流过少量电流，压降增大不会造成大的导通损耗，在逆变输出电压、电流相位异常时，较短的反向恢 复时间可以保证逆变器的安全，因此不需要在SiC MOSFET外部再串、并联单独的快恢复二极管。SiC MOSFET在同样条件下直流耐压更高，漏极电流更大，同等功率下所需的SiC MOSFET器件数量可以减少。综合以上分析，碳化硅功率器件在串联谐振 逆变器电气和结构设计中具有明显优势。

单个高频感应焊机逆变功率单元设定为50 kW，频率100~800 kHz，逆变器输入直流电压最大值为整流器的输出电压500V，考虑负载不完全匹配的情况，逆变器直流电流最大为120A，直流电流裕度系数取2，选用5只SOT-227封装的SiC MOSFET 功率器件IXFN50N120SIC，4个桥臂共需20只。图3为高频感应焊机逆变功率单元结构示意图和3D 图，直流正极和负极母排安装有水冷铜管，同时为功率器件散热，直流母排之间加装直流电容板，电容板为PCB形式，焊接有多个小容量高频膜电容，用于吸收高频纹波电流，输出排A和B可通过利兹线或 铜排连接到高频匹配变压器的原边。

3电路设计

3.1驱动电路

高频感应焊机逆变功率单元每个桥臂各由5只SOT-227封装SiC MOSFET功率器件IXFN50N 120SIC并联组成，考虑器件的封装和功率单元的结构形式，设计了一种主板加门极板的分立PCB结构，即1块主板加5块门极板组成驱动电路，其原理框图和驱动主板、门极板实物如图4所示。

按照IXFN50N120SIC的器件手册，驱动电路的电源VCC选择21.9 V，用于产生驱动负电压的稳压二极管D2型号选择1N4733（3.9 V），则SiC MOSFET 栅极驱动脉冲电平为+18/-3.9 V。逆变控制系统发出的PWM信号经过高频变压器隔离后由缓冲器CD4041滤波整形，作为大功率推挽芯片IXDD630的 触发信号。IXDD630的输出即为SiC MOSFET栅极 触发脉冲，经过各自对应的栅极电阻传输到SiC MOSFET的栅极。栅极电阻采用开通电阻和关断电阻分立设置的方式，放置在门极PCB板上。相比于传统的双绞线等物理连接方式，门极PCB板可以用地平面覆盖整个PCB板，从而缩短了多器件并联驱动器的线路路径，减小了驱动回路的引线电感，有利于同一桥臂并联的SiC MOSFET驱动脉冲 一致，提高了SiC MOSFET多器件并联驱动器的抗扰性和可靠性。

3.2控制电路

高频感应焊机逆变控制系统主要由74HC4046 锁相环电路和FPGA控制器2个部分组成，具体描 述如下。

（1）74HC4046锁相环电路，实现对逆变槽路谐振频率的自动跟踪，通过对逆变器输出电流相位的检测，与输出脉冲相位做闭环控制，可实时跟踪负载状态引起的谐振频率变化，保证逆变器始终工 作在ZVS和ZCS状态；

（2）FPGA控制器，选择ALTERA公司Cyclone Ⅳ系列EP4CE6E22I7N芯片，使用QuartusⅡ13.0软 件编写Verilog控制程序，主要功能为产生逆变器触发脉冲，同时实时检测逆变器工作状态，包括逆变电压和逆变电流相位以及其他外围故障保护等。

4实验测试

对所设计的50 kW碳化硅逆变功率单元进行了功能测试，串联谐振负载L=0.3μH、C=0.34μF， 谐振频率为498.6 kHz，逆变器工作频率为500.7 kHz，属于感性ZVS和ZCS换流，驱动电路栅极电阻Ron=Roff=5.1Ω，死区时间设定为130ns。图6（a） 为逆变功率单元静态时上.下桥臂的SiC MOSFET 栅极波形，图6（b）为直流电压Udc=500 V、直流电流 Idc=100 A时，逆变器输出电压和输出电流波形。由 图中可以看出，SiC MOSFET功率器件驱动波形的上升和下降无明显过冲，逆变器工作在电压超前于电流的小感性状态，没有产生关断尖峰。

搭建了1台100 k W/500 kHz的碳化硅高频感应焊机，逆变部分由2个50 kW功率单元并联组成，在某高频焊管厂进行了带载实验。选择2种Q195材质不同型号的钢管进行测试，分别记录硅器件和碳化硅器件高频感应焊机运行参数，如表2 所示，并对数据进行分析。从2种焊机运行数据对比可以看出，当碳化硅高频感应焊机输入交流电压380 V、直流电压500 V时，由于晶闸管全控整流电路基波因数为0.955，则功率因数λ=0.955cos α= 0.93，保证了设备的功率因数在0.92以上；逆变频率高出约100 kHz，提高了焊接效率；焊接速度一致时，碳化硅焊机需要的直流功率更小，从而节约了电能，同时也提高了产线的生产能力。

5结语

使用分立SiC MOSFET功率器件搭建了1台串联型高频感应焊机，设计了多器件并联驱动器和功率单元，通过实际测试证明，与硅器件焊机相比， 碳化硅高频感应焊机提高了焊接效率，节约了电能。如果逆变功率单元功率密度想进一步提高，或者逆变频率提高，则应该选用大功率SiC MOSFET模块，以提高功率单元的集成度，但是目前市场上碳化硅模块比分立器件价格高出太多，性价比需要评估。所提设计方案综合考虑了器件性能和工业可实现性，具有一定的工程应用价值。

来源： 电源学报

*声明：本文由作者原创。文章内容系作者个人观点，宽禁带半导体技术创新联盟转载仅为了传达一种不同的观点，不代表本联盟对该观点赞同或支持，如果有任何异议，欢迎联系我们。