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100kW/500kHz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。
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100~2000kW，频率范围为100~800kHz，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。
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 currentswitching)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。
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，SiCMOSFET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，SiCMOSFET功率器件IXFN5ON120SIC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²9，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SiCMOSFET导通阻抗低，因此导通损耗减小。SiCMOSFET输人电容小，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。SiCMOSFET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SiCMOSFET外部再串、并联单独的快恢复二极管。SiCMOSFET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SiCMOSFET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50kW，频率100~800kHz，逆变器输人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SiCMOSFET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SiCMOSFET功率器件IXFN50N120SIC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IXFN5ON120SIC的器件手册，驱动电路的电源VCC选择21.9V，用于产生驱动负电压的稳压二极管D，型号选择1N4733(3.9V)，则SiC MOSFET栅极驱动脉冲电平为+18/-3.9V。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CycloneIV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。
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100kW/500kHz的碳化硅高频感应焊机，逆变部分由2个50kW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人交流电压380V、直流电压500V时，由于晶闸管全控整流电路基波因数为0.955，则功率因数入=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100kHz，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。
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