SiC MOSFET在感應加熱電源中的應用

彭詠龍，史孟，李亞斌，江濤

（華北電力大學電氣與電子工程學院，河北保定071003）

0 引 言

高頻感應加熱是利用電磁感應原理在通以交變電流的環(huán)形線圈內(nèi)產(chǎn)生高頻感應渦流熱效應來進行加熱的一種高效、節(jié)能、環(huán)保的新型加熱技術［1-2］。目前，應用Si材料MOSFET作為開關管的感應加熱電源，因為自身材料物理特性的限制，即便采用軟開關技術實現(xiàn)了ZCS或ZVS，最高工作頻率仍不超過800 kHz［1-2］。故在半導體單晶硅制造、細微工件的表面淬火，介質(zhì)加熱及金屬高頻濺射，以及食品、藥材、木材加工等要求加熱電源頻率必須在1 MHz以上時就不得不繼續(xù)使用高耗能的電子管電源［2］。

SiC MOSFET作為近幾年興起的第三代半導體器件，具有寬禁帶、高載流子漂移率、低介電常數(shù)等獨特優(yōu)點［3］，逐漸開始在高頻應用場合展現(xiàn)出巨大的優(yōu)勢，國外諸多研究機構對SiC MOSFET在高頻逆變器中的應用展開了廣泛研究［4-8］。德國弗勞恩霍夫研究所將SiCMOSFET應用于光伏逆變器中，結果表明其可以實現(xiàn)單相和三相光伏逆變器功率密度和效率的極大提高［4］。文獻［5-6］比較了分別由 Si MOSFET和SiC MOSFET作為開關管的感應加熱諧振逆變器的性能，驗證了SiC器件的應用對感應加熱電源節(jié)能效率有一定的提高。文獻［7］應用1200 V SiCMOSFET器件成功的搭建了一個半橋并聯(lián)諧振逆變器，開關頻率可達1 MHz，但最大功率只有1.2kW。在文獻［8］中，某大學應用 SiC MOSFET器件搭建了一個15 kW，70 kHz感應加熱全橋逆變電源，額定功率運行時的逆變轉(zhuǎn)換效率高達98.5%，然而其容量和頻率遠未達到工業(yè)應用的要求。

本文以新型SiCMOSFET作為開關管，開發(fā)出了頻率超過800 kHz，單逆變橋功率超過50 kW的新型感應加熱電源；通過并橋處理，電源單機容量可達200 kW。本文設計的電源在頻率和容量上具備工業(yè)應用的價值，在一定程度上填補了將新型SiC MOSFET器件應用于感應加熱領域的空白。

1 串聯(lián)諧振逆變器設計

如圖1所示，固態(tài)感應加熱電源主要由整流器、逆變器、負載及控制和保護電路組成。整流器采用三相可控整流，將三相工頻交流電轉(zhuǎn)換為直流電后經(jīng)濾波器濾除雜波后送到逆變器［1］。整流部分和控制部分和傳統(tǒng)以Si MOSFET作為開關管設備相差不大，故不作詳細介紹；接下來著重分析逆變部分的工作原理、驅(qū)動、功率容量擴展。

圖1 固態(tài)感應加熱電源的電路結構Fig.1 Circuit structure of solid state induction heating power supply

為了避免設備制造的難度，以及降低因拓撲結構所引起的設備故障率，容量較大的感應加熱電源多采用技術成熟且結構簡單的H橋結構。本文采用H橋串聯(lián)諧振逆變器，即電壓型逆變器，如圖2所示。由于逆變器工作頻率近似等于串聯(lián)諧振電路固有頻率，因此在負載回路產(chǎn)生高頻方波電壓和高頻正弦波電流。

圖2 串聯(lián)諧振逆變器基本拓撲結構Fig.2 Basic topology of series resonant inverter

本文采用的SiCMOSFET（IXFN50N120SiC）器件和感應加熱常用的 Si MOSFET（IXFN38N100Q2）參數(shù)對比如表1。

表1 Si MOS和SiC MOS器件主要參數(shù)對比Tab.1 Comparison of main parameters between SiMOS and SiC MOS

從表1中數(shù)據(jù)可以看到，SiC MOSFET器件的導通電阻僅為Si MOSFET器件的1／6，因此導通損耗相應會得到減??；SiC MOSFET內(nèi)部的寄生電容與Si MOSFET相比都有極大減小，反向傳輸（米勒）電容僅為原來的1／13，所以SiC器件的開關速度快，開關損耗得到極大降低，而電源總損耗的80%以上來自于器件的開關損耗［2］。

MOSFET漏源兩端一般均反并聯(lián)有寄生二極管，由表1可知，Si MOSFET器件的反向恢復時間是SiC MOSFET的近8倍，當工作在高頻時，其過長的反向恢復時間可能會導致上下橋臂在逆變器換向時發(fā)生短路，形成大的環(huán)流，開關管也因此而損壞。文獻［9］采用外部串、并聯(lián)快恢復二極管來克服這種影響，如圖3所示：在MOSFET的漏極串聯(lián)一個低壓Si肖特基二極管D1來防止體二極管導通；同時，在MOSFET的漏源極反并聯(lián)一個快恢復二極管D2來做為新的換流通路，但是由此會帶來額外的成本且導致逆變橋路體積增大。相反，SiC MOSFET的體二極管反向恢復時間極短，可為換流過程提供通路，不需要額外并聯(lián)快恢復二極管，因此可以極大降低電源的體積，提高其功率密度。

在頻率較高時，為了減小開關損耗，保證逆變器的安全，逆變器應工作在小感性的準諧振狀態(tài)，即開關頻率f應略大于負載諧振頻率。

圖3 典型不使用體二極管電路Fig.3 Typical circuit without using body diode

2 驅(qū)動電路設計

由表1可知，SiC MOSFET的寄生電容、門極充電電荷遠小于SiMOSFET，因此對驅(qū)動電路的寄生參數(shù)也更加敏感，所需驅(qū)動功率也有所減小。常規(guī)Si MOSFET的驅(qū)動電壓為0 V～＋15 V，但是對于SiC MOSFET當驅(qū)動電壓達到16 V時才能完全開通，驅(qū)動電壓?。? V～＋20 V合適［10］。所以用常規(guī)的驅(qū)動Si功率器件的驅(qū)動電路來直接驅(qū)動SiC器件是不合適的，需要專門設計。為了滿足SiC MOSFET對驅(qū)動電壓及驅(qū)動快速性的要求，本文設計了如圖4示光耦隔離驅(qū)動電路。

圖4 光耦隔離驅(qū)動電路原理圖Fig.4 Drive circuit principle diagram of optocoupler isolation

驅(qū)動芯片采用開關頻率可達1 MHz的BM6104FV，其I／0延遲時間為150 ns，最小輸入脈沖寬度為90 ns，隔離電壓為2 500 V，驅(qū)動電流可達5 A，能可靠實現(xiàn)主回路和控制信號的隔離，滿足高頻、高壓的要求。另外，由于SiC MOSFET的開關速度較快，d v／d t較大，而閾值電壓卻較低，同橋臂一個MOS管開通會通過米勒電容在另一個MOS的驅(qū)動門極產(chǎn)生虛高電位導致其誤開通從而造成橋臂直通，因此設計在門極電阻后端嵌位三極管來避免這一現(xiàn)象發(fā)生［10］。驅(qū)動芯片主要外圍電路如圖5所示。

圖5 驅(qū)動芯片外圍電路Fig.5 Peripheral circuit of driver chip

合適的門極電阻是影響影響功率器件在開關過程中是否振蕩的關鍵因素，本文Rg＝5Ω。同時，還需在每個SiCMOSFET器件兩端增加RC串聯(lián)緩沖吸收電路［11-12］。

3 功率容量擴展

大功率容量也是感應加熱電源追求的發(fā)展趨勢之一。

根據(jù)電工學原理，負載要想獲得的最大輸出功率，負載阻抗需要和電源的內(nèi)阻抗相等。因此，負載匹配是保證加熱電源獲得最大功率輸出，提高電源效率的一個重要手段。在加熱過程中，負載阻抗因溫度變化而變化；同時，不同的負載等效阻抗也有很大差異。本文采用高頻變壓器來使負載的等效阻抗和電源的阻抗相等或相近。

采用串、并聯(lián)功率器件提高容量。局限于單個MOSFET的容量限制，可以采用功率器件串、并聯(lián)的方式，以提高輸出電壓或電流［13］。本文單逆變橋采用5個SiCMOSFET并聯(lián)的方式，理論輸出電流可達5×47 A＝235 A，考慮安全裕量，150 A的輸出電流也是安全的；SiC MOSFET的額定電壓為1 200 V，降額使用600 V以內(nèi)的電壓是絕對安全的。因此，單橋功率可輕松達到50 kW以上。同時，為進一步提高設備容量，對多個逆變橋板進行并聯(lián)也是加熱電源常用的方法［13］。本文通過對4個逆變橋板進行并聯(lián)（見圖6），電源輸出功率最大可達200 kW；并且理論上通過進一步的并聯(lián)以獲取更大容量是可行的。

圖6 逆變橋并聯(lián)結構框圖Fig.6 Block diagram of parallel inverter bridge

4 實驗結果與分析

4.1 驅(qū)動板可靠性實驗

為了檢驗驅(qū)動板是否安全可靠，能否經(jīng)得起長時間的高溫運行，如圖7所示，由控制板給驅(qū)動板加上脈沖信號，放入烤箱中（設定溫度70℃），連續(xù)運行72 h，期間每隔6 h測定一次脈沖信號；結果驅(qū)動板總能穩(wěn)定發(fā)出正確可靠的脈沖信號，表明該驅(qū)動可以長時間無故障驅(qū)動SiC MOSFET，且有一定的耐高溫性能。

圖7 驅(qū)動板可靠性測試Fig.7 Reliability test of drive board

4.2 單橋逆變實驗

圖8～圖9為逆變橋板的驅(qū)動波形。圖8為其中一橋臂上下兩個MOS管的驅(qū)動波形：Vgs開通電壓為18 V，關斷期間負壓為4 V；一個開關周期 T為1 200 ns，即頻率為830 kHz；上下開關管先關斷后開通，留有130 ns的死區(qū)時間。由于逆變橋板是由4塊驅(qū)動板來進行驅(qū)動，鑒于器件的差異，PCB板印制的工藝等，需要確保構成交替導通回路的S1，S3和S2，S4觸發(fā)脈沖的一致性，本文通過電位器在逆變控制側(cè)補償延時的方法來使兩種情況下驅(qū)動脈沖盡量做到一致，如圖9所示，兩路觸發(fā)信號相差最大處不足10 ns。

圖8 同橋臂驅(qū)動波形Fig.8 Drive waveform of the same bridge arm

圖9 同回路驅(qū)動波形Fig.9 Drive waveform of the same loop circuit

圖10所示為單逆變橋板輸出的電壓和電流波形。其中電壓波形由無源探頭衰減測得；因為輸出電流最大可達130 A，而測量探頭Tektronix TCP2020額定電流為20 A，所以通過在逆變輸出側(cè)并聯(lián)導線（電流比13：1）測得。

圖10 逆變輸出電壓、電流波形Fig.10 Inverter output voltage and current waveform

由圖8可知：經(jīng)負載匹配后，輸出電壓、電流一個周期T為1 230 ns，即810 kHz；小感性角度θ＝（50*360）／1230＝14.6°，逆變輸出電壓 U＝450 V，電流有效值：

功率：

由于實驗負載經(jīng)不起大功率長時間加熱，所以由2個延時繼電器設計了自動啟停電路，讓逆變回路工作加熱4 s，停2 s，如此反復啟停4小時2 400次，期間加熱負載運行無故障，驗證了該逆變橋板可以長時間穩(wěn)定輸出50 kW以上的功率，且經(jīng)得起一定的沖擊運行。

5 結束語

新型SiCMOSFET憑借其低導通電阻、高開關速度、易驅(qū)動等優(yōu)點，正逐步廣泛應用于電機驅(qū)動、光伏逆變器、感應加熱等工業(yè)領域。

文章通過5個SiC MOSFET并聯(lián)的方式，結合傳統(tǒng)Si MOSFET感應加熱電源的控制方法，開發(fā)出了單橋?qū)嶒灩β士蛇_到57.6 kW，工作頻率可超800 kHz的新型加熱電源；經(jīng)過4塊相同逆變橋板并聯(lián)，單臺加熱電源設備功率容量可達200 kW以上。相比傳統(tǒng)SiMOSFET感應加熱電源，該電源在頻率、功率密度方面都有相當大的提高；這對把新型 SiC MOSFET器件應于感應加熱領域，將其器件級的優(yōu)勢早日轉(zhuǎn)換為工業(yè)效益是一次有益的嘗試；后期可針對相關驅(qū)動電路、雜散電感、控制方法等做進一步優(yōu)化，使得感應加熱電源朝著更高頻率、更大容量做進一步的提高。