新一代SiC MOSFET脈沖MIG逆變焊接電源研制

吳健文 ，范文艷，謝芳祥 ，葉春顯 ，王振民

（1.華南理工大學機械與汽車工程學院，廣東廣州510640；2.深圳市鵬源電子有限公司，廣東深圳518034）

0 前言

脈沖MIG逆變焊接電源適用于鋁、鎂和不銹鋼等多種金屬焊材，它通過精確控制恒電流外特性的電流波形來實現高效焊接以及低熱輸入控制[1-2]。目前工業級焊接電源普遍采用技術較成熟的IGBT功率器件[3]，逆變頻率一般為20 kHz。在核電能源、航空航天、軌道交通、船舶等高端裝備的智能制造過程中面臨制造材料的多樣性、形位約束的復雜性、制造尺寸的極端性和施工環境的嚴酷性等，現有工業級焊接電源難以滿足智能制造提出的高效化、小型化、模塊化和精細化等方面要求。

現有逆變式焊接電源幾乎全部采用Si基功率器件（包括MOSFET/IGBT/SBD/FRD等），Si基功率器件的開關性能已接近其材料特性決定的理論極限，難以有效解決功率器件開關損耗大、轉換效率低、整機笨重等問題。以SiC為代表的寬禁帶器件具有寬帶隙、耐高溫、抗輻射以及高飽和電子漂移速率等優點，能提高開關頻率，達到提高焊機系統性能、減少損耗以及縮減磁性器件體積和質量的目的[4-6]。

為此，本研究研制了一套400A級SiC MOSFET脈沖MIG逆變焊接電源，逆變頻率高達200 kHz，主要包括電源主電路、控制系統硬件、控制系統軟件三大部分。電源采用內核為Cortex-M4的STM32微處理器精密控制脈沖焊接流程，結合高頻驅動技術以及與焊接機器人的數字化協同控制，實現穩定的焊接過程，確保獲得優良的焊縫成形。

1 電源主電路

1.1 SiC MOSFET性能特點

在逆變焊接電源中經常使用的開關功率器件為Si MOSFET和Si IGBT。Si MOSFET普遍耐壓較低，應用拓撲復雜；Si IGBT具有拖尾電流，開關損耗大。SiC MOSFET無可比擬的優勢主要體現在耐高壓、高溫性能穩定、高頻特性好等方面[7-8]。與Si材料的熱導率（1.5 W/cmK）和禁帶寬度（1.1 eV）相比，碳化硅材料較高的熱導率（3.3 W/cmK）決定了其高電流密度的特性，較高的禁帶寬度（3.2 eV）又決定了SiC器件的高擊穿場強和高工作溫度。與相同功率等級的Si MOSFET相比，SiC MOSFET導通電阻、開關損耗大幅降低，適用于更高的工作頻率。為了便于進一步比較，列出兩種耐壓相同（耐壓為1700V）、容量相近的Si MOSFET和SiC MOSFET的性能參數如表1所示，具體分析如下：

（1）SiC MOSFET（C2M0045170D）導通電阻約為 Si BiMOSFET（IXBH42N170）的一半，這意味著SiC MOSFET導通損耗大大減小。

表1 SiC MOSFET與Si BiMOSFET主要參數

（2）SiCMOSFET（C2M0045170D）和 Si BiMOSFET（IXBH42N170）開通延遲時間數值上相差不大，但SiC MOSFET（C2M0045170D）的關斷延遲時間遠遠小于 SiBiMOSFET（IXBH42N170），這意味著 Si BiMOSFET在硬開關電路中必然會造成較大的關斷損耗，因此SiC MOSFET開關性能更佳。

（3）SiC MOSFET（C2M0045170D）的開關損耗比Si BiMOSFET（IXBH42N170）的減少約 90%，這表明SiC MOSFET（C2M0045170D）更適用于設計體積小、效率高的高頻逆變電源。

1.2 主電路

電源主電路如圖1所示，主要由整流濾波電路、全橋逆變電路、高頻變壓器和全橋整流電路組成。380 V AC市電經由三相共模濾波電路后進行整流，變成540 V DC（Uin）后供給全橋逆變電路，逆變頻率可高達200 kHz；電源主電路采用SiC MOSFET和Si SBD搭配的解決方案，全橋逆變電路為了滿足400 A輸出電流要求，開關管Q1和Q2組成半橋，Q3和Q4組成另一半橋，其中每個開關管均使用兩個SiC MOSFET（型號為C3M0065100K）并聯的方式組成，Cb是加在變壓器一次側的隔直電容；全橋整流電路中每個整流二極管均采用兩個Si SBD（型號為DSA300I200NA）并聯的方式組成，全橋整流結構有利于降低整流二極管的電壓應力。

2 控制系統硬件設計

2.1 系統總體結構

圖1 主電路拓撲結構

SiC MOSFET脈沖MIG逆變焊接電源總體結構如圖2所示，主要由功率轉換主電路、控制系統和通信交互系統組成?？刂葡到y主要包括ARM最小系統、電源、SiC MOSFET驅動電路、焊接過程電流電壓采樣及調制電路等。為了實現精密焊接，ARM最小系統采用內核為Cortex-M4的STM32微處理器[9]。最小系統外圍電路能產生基本的PWM信號，通過帶保護的驅動電路輸出具有特定幅值的脈沖信號，控制SiC MOSFET的通斷。高頻控制系統采用閉環控制及增量式PID調控方式，反饋調節輸出電流電壓采樣。通信交互系統主要包括人機交互界面、送絲機與控制系統間的通信以及數字化機器人與控制系統間的通信。

圖2 SiC MOSFET脈沖MIG焊接電源整體結構

2.2 SiC MOSFET驅動電路設計

由于SiC MOSFET具有低導通電阻以及高頻、高壓等工作特性，SiC MOSFET對漏源極電壓和電流的變化率（du/dt和di/dt）比Si MOSFET更為敏感，導致串擾問題在SiC MOSFET驅動電壓中尤為突出，降低其驅動可靠性[10]。針對該現象，提出一種帶保護機制的SiC MOSFET驅動電路設計方案如圖3所示，其保護功能主要包括短路保護、欠電壓保護、米勒箝位等。

驅動電路需要合適的驅動電壓，其自帶DC-DC電源可以提供+15 V/-3 V的柵極驅動電壓，以滿足SiC MOSFET對柵極驅動電壓的要求。

3 控制系統軟件設計

3.1 主程序設計

圖3 SiC MOSFET驅動電路

焊接控制系統軟件由脈沖MIG焊接任務、中斷處理任務、開關檢測任務組成。脈沖MIG焊接任務流程為較低優先級，是系統的核心任務。故障處理任務在控制系統中具有最高優先級，一旦發生故障其服務程序可終止焊接流程。中斷處理任務和開關檢測任務嵌入整套控制系統中，利用中斷處理和開關檢測服務程序保證焊接控制程序準確高效運行。

脈沖MIG焊接控制程序流程如圖4所示。首先通過人機交互觸摸屏設置并發送焊接參數進入控制系統。進行焊絲檢測后，等待機器人按槍同步信號，產生基本PWM信號經SiC驅動電路輸出SiC MOSFET驅動信號進行空載引弧。起弧成功后先進入穩弧預熱階段，完成后利用定時中斷程序進入正常焊接階段，同時發送機器人同步信號使機器人末端開始運動進入正常焊接流程。機器人運動到焊接軌跡終點后完成焊接，送絲機逐漸減慢送絲速度進入收弧填坑階段。收弧填坑階段結束后送絲機停止送絲并采取電流去小球處理去除焊絲末端溶滴小球，保證進行下一次焊接能夠正常起弧。最后延時關閉保護氣，控制程序重新進入焊接等待流程。

圖4 焊接任務流程示意

3.2 數字PID控制

焊接過程是強非線性過程，采用傳統的模擬PID難以對不同的焊接工況做出合理的有效調節。而數字離散PID更加精細靈敏，能夠在不同焊接階段采用不同的PID參數改善脈沖電流波形，提高焊接過程的控制精度。成熟的增量式PID控制算法的時域表達式為

其中位置式PID控制算法通過對不同時刻的信號量進行疊加運算，對某一時間點k則

將公式代入PID控制時域表達式中可得其離散表達式為

位置式PID對每一個采樣點的誤差都進行累加，系統的誤差會逐漸增大，因此計算量也不斷增加。使用增量式PID控制算法能夠減少由于連續采樣帶來的計算量。增量式PID控制算法表達式為

由于增量式PID控制算法計算量大幅度減少，減輕ARM主控芯片的負擔，提升了焊接電源的動態響應，提高了電弧的穩定性。

4 工藝試驗

試驗采用自主研制的SiC MOSFET脈沖MIG逆變焊接電源，如圖5所示，集成有人機交互界面、主電路、控制系統以及通信接口等。試驗平臺由焊接電源、模擬負載、力科HDO4000系列高分辨率示波器以及焊接機器人等組成。

4.1 性能測試

逆變焊接電源采用全數字化控制，可實現多種特性輸出。采用恒電流輸出控制模式時實測的SiC MOSFET脈沖MIG逆變焊接電源外特性曲線如圖6所示。電流值在400 A以內均能實現非常陡降的恒電流外特性，控制精度高。

實測的焊接電源在模擬負載實驗時的輸出電流波形如圖7所示。給定脈沖頻率為100 Hz，基值穩弧電流為50 A，峰值電流為200 A，峰值電流占空比為32%。從測試結果分析，輸出電流值與設定值一致，電流波形穩定可控。該電源輸出電流從0 A上升到 150 A 的時間約為 119 μs，下降時間為 294 μs。同樣設定基值電流為50 A，峰值電流為200 A，與相關資料中的IGBT焊接電源脈沖上升時間約為590 μs、下降時間約為 560 μs 相比[11]，動態性能得到明顯改善，說明SiC MOSFET脈沖MIG逆變焊接電源的動態性能更好，在輸出電流電壓的精細控制上更為快速和精準。

圖5 SiC MOSFET脈沖MIG逆變焊接電源

圖6 焊接電源外特性曲線

圖7 焊接電源輸出電流波形

利用模擬負載和自制的測試平臺測試SiC MOSFET脈沖MIG逆變焊接電源的效率，結果如圖8所示。電源輸出功率在15～17 kW時的能效較高，最高可達93.4%，在50 A電流輸出時的能效也超過了90%。與相關資料中的IGBT弧焊逆變器效率一般為85%～90%相比[12]，研制的SiC逆變焊接電源在逆變頻率大幅提高的情況下，效率依然可以得到顯著提升。

圖8 焊接電源測試效率曲線

4.2 脈沖MIG水下焊接試驗

將SiC MOSFET脈沖MIG逆變焊接電源應用于對焊接電源綜合性能要求更高的水下機器人焊接實驗，以驗證該焊接電源的實際焊接效果。室內水下機器人焊接實驗平臺示意如圖9所示，焊機試板用304不銹鋼，焊接參數設置為：脈沖輸出頻率80 Hz，峰值電流312 A，基值電流100 A，峰值占空比30%，機器人焊接速度72 cm/min，保護氣流量18 L/min。焊接過程穩定，無斷弧，試驗結果如圖10所示，焊縫表面光滑，成形均勻，幾乎無飛濺。

圖9 水下焊接平臺實驗區

圖10 脈沖MIG水下焊接焊縫外觀

5 結論

（1）采用SiC MOSFET和Si SBD相結合的全橋拓撲方案，與基于ARM的數字化控制系統相結合，成功研制400 A級全數字化脈沖MIG逆變焊接電源，能效高達93.4%。

（2）SiC MOSFET脈沖MIG逆變焊接電源具有優異的動態響應性能和控制精度，水下焊接過程穩定，焊縫成形良好。