碳化硅在电焊机中的应用

电焊机是利用正负两极在瞬间短路时产生的高温电弧来熔化电焊条上的焊料和被焊材料，使被接触物相结合的目的。其结构十分简单，就是一个大功率的变压器。一般按输出电源种类可分为两种，一种是交流电、一种是直流电。他们利用电感的原理，电感量在接通和断开时会产生巨大的电压变化，利用正负两极在瞬间短路时产生的高压电弧来熔化电焊条上的焊料，来使它们达到原子结合的目的。按用途可分为家用焊机和工业焊机。家庭型电焊机：为家庭实用性考虑设计，多以氩弧焊冷焊混合型为主，其特点：功率偏小、电源电压为220V。工业型电焊机：为工业实用考虑设计，功率大、电源电压一般采用380V/220V两用。焊接范围广，可连续十几小时不停工作。高度的可靠性，强大的散热功能，确保设备能承受高负荷恶劣工况。电焊机是由电源、变压器、整流器、输出电路和外壳等几个基本部分组成。通常电焊机有单向和三相两种电路拓扑，如下图：

单向逆变电路结构

三相逆变电路结构

逆变焊机通常是通过IGBT功率模块解决方案设计来实现更高输出功率，从而帮助降低节能焊机的成本、重量和尺寸。碳化硅（SiC）相对IGBT具备频率高（开关损耗小）、导通损耗小的特性，在节能方面具备较大的优势。它可实现更高输出功率，提高效率和功率密度，并降低中功率焊机的成本。

如下是英飞凌基于SiC的焊机方案:

英飞凌CoolSiC MOSFET 1200 V采用基于.XT扩散焊技术的TO-247封装，大大提升了器件的热性能和可靠性。结合特定的冷却设计（“为了增加散热，将器件单管直接贴装在散热片上，而未进行任何电气隔离”[3]），它提供了更出色的器件单管解决方案（图1）。它可实现更高输出功率，提高效率和功率密度，并降低中功率焊机的成本。增强型CoolSiC MOSFET 1200 V充分利用了基于英飞凌.XT扩散焊技术的改良型TO-247封装。这项技术采用先进的扩散焊工艺。如[4]中所作详细讨论，这种封装技术的主要优点是大幅减小焊接层的厚度（图2），其中，特定的金属合金结合可显著提高导热率。这一特性降低了器件的结-壳热阻（Rthj-case）和热阻抗（Zthj-case）。这种焊接工艺可避免芯片偏斜和焊料溢出，并实现几乎无空隙的焊接界面，从而提高器件的可靠性。此外，它提高了器件在热-机械应力下的性能，这意味着器件在主动和被动热循环测试条件下具有更出色的性能。总的来说，采用基于.XT扩散焊技术的TO-247封装的CoolSiC MOSFET 1200 V，可使焊机电源设计实现更好的热性能和可靠性。一家大型制造商的焊机，其独特的500 A电源逆变器设计展示基于.XT扩散焊技术TO-247封装的CoolSiC MOSFET 1200 V，用于中等功率焊机的改良型解决方案。它使用了前文探讨的冷却概念，如图1所示，器件贴装在散热片上而不进行电气隔离。此外，为了证实其具备更好的性能，在相同的测试条件下，将其与主要竞争对手的SiC MOSFET进行了对比。焊机电源由一个三相输入，全桥拓扑逆变器构成，使用了英飞凌提供的4颗TO-247 4引脚封装的基于.XT互连技术（IMZA120R020M1H）的20 mΩ 1200 V CoolSiC MOSFET。表1列出了逆变焊接的基本技术规格：请注意，相比于在10kHz至20kHz开关频率下工作的中等功率焊机所用的典型IGBT模块解决方案，SiC MOSFET的超高开关速度能够显著提高典型工作开关频率。这有助于缩小磁性元件和无源器件的尺寸，从而缩小逆变器尺寸。此外，为了满足表1所列要求，选择了适当的散热片和空气流，以提供适当的热时间常数。所有散热片均在大约5分钟后达到热稳态条件，冷却系统设计亦随之达到热稳态条件（图3）。这样一来，在最大运行要求的60%焊接占空比内，SiC MOSFET器件即已达到热稳态条件。

电源逆变器测试条件如下：

• 输出功率：408 A、47.7 V、~19.5 kW。目标输出功率：20kW、500A、40V
• 持续率：60%，6分钟开、4分钟关
• 逆变器DC母线电压：530 V_DC
• 开关频率：50 kHz
• V_GS（20 mΩ CoolSiC MOSFET）：18/-3 V
• V_GS（竞品20 mΩ SiC MOSFET）：20/-4 V
• 低边散热片R_th：~0.36 K/W
• 高边散热片R_th：~0.22 K/W
• 导热膏导热率：6.0 W/mK
• 贴装夹持力：60 N（13.5磅）
• 环境温度：室温
• 强制空气冷却
• RCL负载

正如预期的那样，由于适当的栅极驱动器、RC缓冲器和PCB布局设计，英飞凌CoolSiC MOSFET与竞品SiC MOSFET之间没有显著差异，二者都表现出相似的波形性能（图4）。然而，散热和功率损耗测试结果则表明，CoolSiC MOSFET的性能更加出色。温度曲线图（图5）显示，20 mΩ IMZA120R020M1H CoolSiC MOSFET的性能明显优于竞品器件。平均而言，相比于竞品器件，CoolSiC MOSFET的散热片温度降低了约6%，估算的功率损耗降低了17%，壳温降低了14%。此外，CoolSiC MOSFET在运行5分钟后即达到热稳态条件，符合基于冷却设计数据的预计。另一方面，竞品SiC MOSFET一直未达到热稳态条件，这意味着其功率损耗在系统运行6分钟后仍在增加。最后，哪怕考虑到最高40°C环境温度，这种SiC MOSFET单管解决方案亦可轻松满足最高80°C散热片温度要求。总而言之，测试结果证实并证明，CoolSiC MOSFET单管解决方案通过采用直接将器件贴装在散热片上而不进行电气隔离的冷却概念，可助力实现通常选用功率模块解决方案的20 kW及以上中功率焊机的逆变器设计。测试证实，采用基于.XT扩散焊技术的TO-247封装的CoolSiC MOSFET 1200 V，结合知名非常规冷却设计，实现更出色的焊机电源。这种设计大大提高了散热性能，实现比功率模块解决方案更高输出功率水平。英飞凌.XT互连技术的优点，有助于提高散热性能，从而提高逆变器的可靠性和使用寿命。文中提出的单管解决方案能够实现更高效率和功率密度，帮助满足对更高能效焊机的需求，同时顺应焊机行业发展趋势，如降低成本、重量和尺寸。

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