科技和医疗电源有着不同的应用领域和拓扑结构,因此在阻断电压、正向电流和开关特性方面,对功率半导体的要求也大不相同。

感应加热

用于熔化、退火、回火、焊接、锻造、汽化或半导体生产等工艺的感应加热要求电源的功率等级大约在 1kW 到 20MW 之间,不同电压等级的脉冲频率在 100Hz 到 3MHz 之间。

等离子设备

根据应用领域的不同,等离子设备电源使用纯直流电流或脉冲直流电流,最大为几十千赫兹。输出电压范围在 300V 到数千伏之间,功率等级在 1kW 到数百千瓦。主要应用包括表面涂层,例如太阳能电池,建筑玻璃和金属。

激光技术

对于激光技术,电源要求取决于光源原理和性能。例如,控制激光二极管的电流源必须产生 30V 50A 的脉冲,脉冲频率在 200kHz 和 1MHz 之间。

医疗诊断系统

最先进的医疗诊断系统,例如 MRI,CT 和 X 光设备,用电量非常大。对功率半导体的可靠性和开关特性方面有着极其严格的要求。例如 CT 单元要求的 120kV 高压,是通过 700V 到 800V 直流电使用谐振逆变器以 100kHz 转换产生的。随着转换速率的提高,诊断结果的改进,设备的重量和尺寸也在减少。

电弧焊和电阻焊拓扑结构

以下举例说明了所选标准拓扑结构。以及用于电弧焊和电阻焊电源的功率晶体管、晶闸管和二极管,对于这些部件最重要的要求是什么。

电焊

电焊是功率半导体在电 工学电源中的典型应用,需要以低输出电压输送高直流。根据工艺,对焊接电流的残余波纹和控制精度有不同要求,因此对使用的功率半导体的性能要求也不同。几乎所有情况下,焊接都是一种高电涌循环过程,通常对功率半导体的负载循环稳定性有着精确的要求。.

电弧焊的焊接电源

这个最简单的用于电弧焊焊接电源的拓扑结构,包含有一个单相或三相电源变压器,和一个与下游连接的带扼流圈的单相 (B2) 或三相 (B6) 焊接整流器。只有当整流器使用的是晶闸管,或在变压器上游另外连接一个交流开关时,电流控制才可实现。动态控制和电流波纹由电源频率指定。

使用不同的拓扑结构,可显著改进焊接质量,并大幅提高效率。使用输入或次级脉冲焊接电源,体积更小,重量更轻。这时的能量流由 IGBT,或是分立的或模块化结构的功率 MOSFET控制。这取决于高负载循环稳定性和低损耗等要求。最终,它们能够以脉冲频率在 10kHz 到 100kHz之间的最低冷却复杂度实现转换。焊接逆变器将从230V或400V的电网中得到的电源,通过一个缓冲直流总线电压电路转换为焊接电流。

二次侧脉冲焊接电源的方框图

副边脉冲焊接电源(斩波器)

对于焊接整流器,首先电源变压器的输出电压被整流,然后经直流母线电容器平波,最终从线路频率解耦。电流控制由输出侧直流斩波器实现,通常包含一个带续流二极管的功率MOSFET模块。MOSFET 的特性,最大反向恢复电压 200V,允许高脉冲频率(40Hz到100kHz),使焊接电流实现良好的动态控制和非常低的波纹,达到约1,000A@125m导通时间。

 

 

一次侧脉冲焊接电源的方框图

原边脉冲焊接电源(焊接逆变器)

同样的,电网电压使用一个不可控 B6 桥整流。然而,整流桥直接与电网连接,因此电源变压器,其优质材料、重量和体积要求都可以被免除。直流由直流母线电容器平波。由两个 IGBT 半桥模块构成的单相逆变器将直流电压转换为交流电压,脉冲频率为 20kHz 到 30kHz。电压经下游连接的变压器与焊接过程相适应——因为高转换率,比电源变压器更小、更轻、更低价。

中频电阻焊电源的方框图

电阻焊焊接电源

对于电阻焊,例如点焊,厚度为 0.5 到3.0mm 的重叠的单板被电极压紧,由短暂的电流冲击达到熔化温度,既而被焊接。今天,输出频率约 1kHz 的中频电阻焊的使用,事实上已将其他电阻焊工艺排除在外

与电弧焊相比,拓扑结构的最重要区别在于对极高的焊接电流的要求——高达120,000A@10%导通持续时间。相比 50Hz 焊接的主要优势仍然是变压器极轻的重量。例如在汽车工业领域,这决定了焊接设备能否安装在机械手臂上。

用于技术电源的赛米控产品