三代半导体功率器件促进弧焊电源技术的发展

编者按：弧焊电源技术发展较快，由于最新的半导体技术已可让其工作频率达到200kHz，可以对焊接过程做出非常快速的响应，意味着对过程的控制越来越精细，有利于提高焊接质量。该文对半导体技术对电弧焊电源技术的促进进行了展望。

三代半导体功率器件促进弧焊电源技术的发展

天津大学材料学院  吕小青

电弧焊技术的核心设备是弧焊电源，弧焊电源技术发展到现在，经历了机械调节式（如BX1系列）、电磁调节式（如磁放大器式）和电子控制式（如ZX5系列）等发展阶段，目前市场上主流的弧焊电源是属于电子控制式的逆变式弧焊电源。逆变式弧焊电源技术的发展在很大程度上取决于其内部的两个关键的半导体功率器件：一是逆变电源模块主功率开关管，二是变压器次级输出整流部分的快恢复二极管，可以说逆变技术是随着半导体功率器件技术的发展而发展。

目前市场主流的半导体功率器件采用的是硅基半导体，主要的半导体功率器件是IGBT（绝缘栅晶体管），在高铁、电动汽车、弧焊电源等领域广泛应用。近年来，半导体材料技术发展迅速，已发展到第三代，其应用将对弧焊电源技术产生极大的促进。

1、第三代碳化硅器件特点及优势

半导体行业发展至今，其所用半导体材料已发展至第三代，如表 1 所示。第一代半导体材料为以硅（Si）及锗（Ge）为主的半导体材料，第一代半导体材料奠定了半导体行业的基础，并以此为基础发展出了各式分立器件及集成电路芯片。在功率电子中，常见的硅材料功率开关器件为硅基场效应管、IGBT等，其中在我国广泛生产及应用的主要为 IGBT 器件。第二代半导体为化合物半导体材料，其中二元化合物主要以砷化镓（GaAs）、锑化铟（InSb）为主，三元化合物主要包括 GaAsAl 等材料。

第三代半导体材料主要包括碳化硅（SiC）、氮化镓（GaN），第三代半导体为宽禁带半导体，相比于硅 1.2eV 的禁带宽度，第三代宽禁带半导体材料的禁带宽度为 2.3eV 以上，同时具有更高的击穿电压、更高的导热率、更高的电子饱和速率以及更高的抗辐照能力，使得第三代宽禁带半导体材料相比于硅更适合于制作高频高压高温的大功率开关器件，常见的应用第三代半导体材料的功率开关器件有 SiC 场效应管及 GaN 高电子迁移率晶体管，用于高压高频应用环境下。

表1 三代半导体器件物理性能对比

SiC器件相较于GaN，其耐压程度更高，其在高压领域应用更广泛。SiC功率器件主要从以下几个方面提高电力电子系统性能：(1) SiC器件可以降低器件损耗，较低的导通损耗和开关损耗极大提升了变换器的效率。以三相逆变器为例，采用SiC器件可减少大约70%的功率损耗。(2) 减少功率变换的次数。比如使用10kV及以上SiC高电压器件，可以直接省略降压变换器，降低功率变换的次数。(3) 提高器件开关频率。通过提高开关器件的开关频率，降低了无源元件（电容、电感和变压器）的体积，减轻电力电子装置的重量。另一方面，提高了变换器的功率密度。(4) 降低变换器的散热要求。SiC器件的功率损耗更低，对于系统散热要求更低。(5) 特殊运行环境应用的需求。如高温运行环境下或是航天应用的强辐射应用环境下，需要开关器件具备足够高温运行能力和抗辐照能力。因此SiC功率器件已在电动车、光伏、轨道交通、充电桩等领域已获得了广泛的应用，在其它电力电子领域势必终究成为主流的功率开关器件。

2、碳化硅功率器件国内外的发展

目前，已经商业化的SiC器件包括SiC 场效应管、SiC结势垒肖特基（JBS）二极管、SiC 晶体管和SiC 结型场效应管。其中SiC JBS二极管和SiC 场效应管由于其优越性能，是目前应用最广泛、产业化成熟度最高的SiC器件。SiC 场效应管是一种易于驱动、驱动功率小的电压驱动器件，基本驱动方法和IGBT一样，被认为是取代Si基 IGBT的新一代功率器件。比较领先的代表性制造企业是美国的科锐（Cree）公司，现更名为Wolfspeed，专注于碳化硅和氮化镓材料、功率和射频应用的设备，是目前全球最大的碳化硅功率器件供应商。从2011年开始，该公司推出了市场上第一个商业化SiC 场效应管，到现在SiC 场效应管已经发展到第三代，推出了650V、900V、1200V和1700V几个电压等级的器件。SiC 场效应管分为平面栅结构（DMOS）和沟槽栅结构（UMOS）两种。目前，市场上大部分公司都是SiC DMOS 结构，如Wolfspeed、意法半导体（STMicroelectronics），而罗姆 （Rohm）和英飞凌（Infineon）公司的SiC 场效应管主要是沟槽栅结构，其中Infineon的SiC 场效应管是非对称沟槽栅结构。

国内SiC功率器件起步较晚，但发展速度较快。以二极管为主的泰科天润公司是一家致力于碳化硅（SiC）功率器件研发和生产的企业。深圳基本半导体有限公司长期专注SiC功率器件研发，主要产品包括SiC二极管、SiC 场效应管及车规级全SiC 场效应管模块，广泛应用于新能源发电、新能源汽车、轨道交通和智能电网等领域。中电55所研究SiC功率器件时间长，经验丰富，已经形成了完整的SiC功率器件产业链，不仅提供SiC功率器件的生产设计，外延生长，而且还进行模块化的封装。目前国内SiC研发厂商还包括扬杰科技、瑞能半导体、上海瞻芯电子以及华为数字能源部等。说明SiC功率器件在国内地位越来越重要，但制约国内高性能SiC MOSFET发展的主要问题是SiC制造工艺，一旦SiC 场效应管工艺能够制成高可靠性，高电流密度的器件，那么第三代半导体将会在国内电力电子市场大放光彩。

3、碳化硅器件在焊接电源中的应用

SiC功率器件有着高开关速度和低损耗特性，焊接电源应用该类功率器件，就可以大大提升焊接逆变电源的频率，降低滤波电容、电感以及变压器的成本。而且SiC也有高的导热性，其功率器件的散热块体积也会大大减少。另一方面，随着开关频率的提高，其处理电源的开关周期越来越小，控制的精度越来越高，意味着可以实现更加灵活精细的工艺，可以促使焊接质量更进一步的提升。

目前，碳化硅功率器件在焊接电源中的研究主要停留在高校。华南理工大学研究相对较早，图1是华南理工大学研制的变极性的TIG焊接电源其开关器件为Wolfspeed公司SiC的功率模块CAS120M12BM2，逆变频率为50KHz；利用该电源 对镁合金焊接进行了工艺探索，分析了脉冲变极性各种波形参数的影响。还对水下焊接用的逆变电源进行了开发，功率开关为SiC 场效应管两管并联使用，其逆变频率达到了100KHz。国内外市场上以SiC为功率开关器件的电源产品几乎没有，只有唐山某电气设备有限公司在埃森展览会上展现过SiC模块的手工电弧焊产品，其逆变开关频率可达100KHz。该公司网站上宣传其逆变频率已达到了200KHz。图2是该公司进行的传统IGBT焊机同碳化硅焊机体积和重量的比较。但是该公司产品仅仅是局限于手工电弧焊。  

虽然第三代半导体功率器件SiC已出现十多年，并在很多行业获得了成功的应用，但在焊接电源上应用目前仍然存在三个方面的问题。其一，SiC模块成本相对于IGBT要高很多，应用SiC模块虽然可有效的减少变压器、滤波电感、电容以及散热块等成本，但整机的成本仍然比传统的IGBT要高，这是目前阻碍在焊接电源广泛应用的关键因素之一。其二，就电源本身的频率而言，笔者曾经应用SiC开发过200KHz的2KW太阳能最大功率跟踪器，提出SiC的开关频率有更高的提升可能性；有的行业基于第三代半导体已出现500KHz，甚至1MHz的逆变电源，意味着焊接电源在该方面发展是大有可为。其三，提高频率更重要的一个目的是提高弧焊电源的动态响应特性，促进焊接工艺的精细灵活，从而提高焊接质量，目前国内外该方面的研究都较少。探索新的精细控制工艺，需要对焊接材料、冶金、电弧机理以及电源都有着深入认识，这对高校、研究所甚至上市企业都是一个较大的挑战。

综上，随着技术的发展，SiC的制造成本必然会降低，焊接电源必将会走向以第三代半导体功率器件为主开关模块的时代，意味着焊机开关频率会进一步的提升。由此应抓住功率器件变换的良机，在提升高频率焊机的同时，推出新型的灵活精细焊接工艺，从而使我国在高端焊接电源市场上能占有一席之地。