採用SiC MOSFET的高性能逆變焊機設計要點

逆變焊機通常是通過IGBT功率模塊解決方案設計來實現更高輸出功率，從而幫助降低節能焊機的成本、重量和尺寸[1]。

在焊機行業，諸如提高效率、降低成本和增強便攜性（即，縮小尺寸並減輕重量）等趨勢一直是促進持續發展的推動力。譬如，多個標準法規已經或即將強制規定焊機的電源效率達到特定水平。其中一個例子是，2023年1月1日生效的針對焊接設備的歐盟（EU）最新法規[2]。因此，對於使用功率模塊作為典型解決方案的10kW至40kW中等功率焊機，順應這些趨勢現在已變得非常困難。

英飛凌CoolSiC™ MOSFET 1200V採用基於.XT擴散焊技術的TO-247封裝，大大提升了器件的熱性能和可靠性。結合特定的冷卻設計（“為了增加散熱，將器件單管直接貼裝在散熱片上，而未進行任何電氣隔離”[3]），它提供了更出色的器件單管解決方案（圖1）。它可實現更高輸出功率，提高效率和功率密度，並降低中功率焊機的成本。


圖1：採用未與散熱片隔離的1200V CoolSiC™ MOSFET單管的焊機電源

採用CoolSiC™ MOSFET器件單管的500A逆變焊機功率變換器設計

一家大型製造商的焊機，其獨特的500A功率變換器設計展示基於.XT擴散焊技術TO-247封裝的CoolSiC™ MOSFET 1200V，用於中等功率焊機的改良型解決方案。它使用了前文探討的冷卻概念，如圖1所示，器件貼裝在散熱片上而不進行電氣隔離。此外，為了證實其具備更好的性能，在相同的測試條件下，將其與主要競爭對手的SiC MOSFET進行了對比。

焊機電源由一個三相輸入，全橋拓撲逆變器構成，使用了英飛凌提供的4顆TO-247 4引腳封裝的基於.XT互連技術（IMZA120R020M1H）的20mΩ 1200V CoolSiC™ MOSFET。表1列出了逆變焊接的基本技術規格：

表1：焊機電源逆變器基本技術規格

請注意，相比於在10kHz至20kHz開關頻率下工作的中等功率焊機所用的典型IGBT模塊解決方案，SiC MOSFET的超高開關速度能夠顯著提高典型工作開關頻率。這有助於縮小磁性元件和無源器件的尺寸，從而縮小逆變器尺寸。

此外，為了滿足表1所列要求，選擇了適當的散熱片和空氣流，以提供適當的熱時間常數。所有散熱片均在大約5分鐘後達到熱穩態條件，冷卻系統設計亦隨之達到熱穩態條件（圖3）。這樣一來，在最大運行要求的60%焊接占空比內，SiC MOSFET器件即已達到熱穩態條件。

電源逆變器測試條件如下：

▪　輸出功率：408A、47.7V、~19.5kW。目標輸出功率：20kW、500A、40V

▪ 　暫載率：60%，6分鐘開、4分鐘關

▪ 　逆變器DC母線電壓：530 VDC

▪ 　開關頻率：50kHz

▪ 　VGS（20mΩ CoolSiC™ MOSFET）：18/-3V

▪ 　VGS（競品20mΩ SiC MOSFET）：20/-4V

▪ 　上橋臂散熱片Rth：~0.36K/W

▪ 　下橋臂散熱片Rth：~0.22K/W

▪ 　導熱膏導熱率：6.0W/mK

▪ 　貼裝夾持力：60N（13.5磅）

▪ 　環境溫度：室溫

▪ 　強制空氣冷卻

▪ 　RCL負載

正如預期的那樣，由於適當的柵極驅動器、RC緩衝器和PCB布局設計，英飛凌CoolSiC™ MOSFET與競品SiC MOSFET之間沒有顯著差異，二者都表現出相似的波形性能（圖4）。

圖4：焊機電源逆變器工作期間的典型SiC MOSFET波形

然而，散熱和功率損耗測試結果則表明，CoolSiC™ MOSFET的性能更加出色。溫度曲線圖（圖5）顯示，20mΩ IMZA120R020M1H CoolSiC™ MOSFET的性能明顯優於競品器件。平均而言，相比於競品器件，CoolSiC™ MOSFET的散熱片溫度降低了約6%，估算的功率損耗降低了17%，殼溫降低了14%。

此外，CoolSiC™ MOSFET在運行5鍾後即達到熱穩態條件，符合基於冷卻設計數據的預計。另一方面，競品SiC MOSFET一直未達到熱穩態條件，這意味著其功率損耗在系統運行6分鐘後仍在增加。


圖5：20mΩ 1200V SiC MOSFET在60%暫載率工作狀態下的散熱和功率損耗——英飛凌CoolSiC™ MOSFET IMZA120R020M1H較之於主要競爭對手的器件

最後，哪怕考慮到最高40°C環境溫度，這種SiC MOSFET單管解決方案亦可輕鬆滿足最高80°C散熱片溫度要求。

總而言之，測試結果證實並證明，CoolSiC™ MOSFET單管解決方案通過採用直接將器件貼裝在散熱片上而不進行電氣隔離的冷卻概念，可助力實現通常選用功率模塊解決方案的20kW及以上中功率焊機的逆變器設計。

結語 

測試證實，採用基於.XT擴散焊技術的TO-247封裝的CoolSiC™ MOSFET 1200V，結合知名非常規冷卻設計，實現更出色的焊機電源。這種設計大大提高了散熱性能，實現比功率模塊解決方案更高輸出功率水平。英飛凌.XT互連技術的優點，有助於提高散熱性能，從而提高逆變器的可靠性和使用壽命。文中提出的單管解決方案能夠實現更高效率和功率密度，幫助滿足對更高能效焊機的需求，同時順應焊機行業發展趨勢，如降低成本、重量和尺寸。