焊接是一种常用的连接金属的方法，应用广泛。焊接电源是提供并调节进行弧焊的电流的装置。一个低成本，入门级的焊机是所谓的“嗡嗡箱”焊机，如下图所示，它是一个包含可饱和电感或电流控制电路的简单变压器。变压器的两个端子连接着基底金属（工件）和电焊条。当电焊条撞击基底金属时，短路引起较大的电流并引发电弧，使电焊条熔化并填充基底金属的空隙。由于这种“电焊机”的控制有限，焊接质量在很大程度上取决于焊工的操作水平。质量重和噪音高是这种焊接机的另外缺点。随着功率半导体开关的出现，先进的逆变焊机被发明。采用高频开关技术和闭环控制，使焊机变得更轻、更容易使用。低功率逆变焊机的框图如下所示。

焊枪和工件可以通过两种不同的方式与焊机输出连接。当焊枪连接到直流负输出上时，称为“直”焊(电子从焊枪流出)，反之则称为“反向”焊。 其中，“反向”焊接现在使用得更多。用于桥梁、船舶、建筑的金属结构，具有良好的焊缝形状、深熔度和良好的焊接性能(弯曲性、耐久性、气孔率等)。一般来说，在高强度和低合金钢上的焊接只采用直流“反向”焊接。直流“直”焊用于薄金属板，以防止材料烧穿，或用于不能忍受温度激剧变化的或有害水汽的金属。通常使用的电焊机是恒直流输出，但对于铝的焊接，则需要在一定频率和模式下的交流输出 (交流焊接)。这是因为铝件基本上有两层，基铝和氧化铝。当金属铝暴露在空气中时，氧化物就会形成，它的熔点比铝高得多，约为3600华氏度。例如，纯铝基熔点为1200华氏度。氧化铝必须在母材开始熔化之前清除掉。如果不这样做，基底金属就不能很好熔合在一起；在焊薄板上，电弧在穿透氧化物之前，基底金属可能会已过热液化。在这些地方，交流焊接的清洁效能发挥了作用。

通过控制直流输出极性和持续时间，可以获得高质量的焊接效果。下面是一个用于交流高频TIG或交流升频TIG模式下铝焊接的波形平衡例子。

交流TIG波平衡

为了能够输出正直流、负直流和交流输出，逆变焊机需要在输出端增加一个极性开关电路。以下是通用大功率焊机电路框图和电流控制轮廓图。

基于SiC器件的通用逆变焊机电源电路框图

逆变焊机电流控制轮廓图

脉冲电源是一种能在微秒或纳秒级产生瞬间高功率的设备。脉冲电源通常配置有电容充电器和带有半导体开关和/或磁脉冲压缩(MPC)电路系统(饱和电抗器)的脉冲产生电路。它们能够高精度和稳定的重复驱动脉冲产生。

MPC电路系统采用磁开关，一种饱和电感，利用了铁磁材料的磁化曲线的非线性。正确理解磁开关的饱和现象、磁特性、伏秒平衡和开关特性是设计磁脉冲压缩机的必要条件。MPCs能在纳秒级输出MW功率，它广泛应用于水处理、细菌灭活、高能粒子束、高能激光器、强x射线源等领域。随着先进SiC MOSFET的商业化，高度紧凑的高功率MPC设计成为可能。下面是一个基于SiC器件的MPC电源电路。

基于SiC 器件的10s MW MPC的电源电路图

通常，C1 = N2∙C2和C2=C3。L1和L2为漏电感。饱和前后的电感比为1:1000s -10000s[1]。

Ʈ 2 < 200 ns, I2max≈几kA和Vc3max≈20 kv - 140 kv,峰值功率Pmax≈10 MW。

另一类是带有半导体开关的脉冲电源，通常用于微秒级脉冲的产生。基于半导体的脉冲电源有两种。一种是高电压脉冲电源，另一种是高电流脉冲电源。高压脉冲电源的一个常见用途是空气污染处理(家庭净化，工厂产生的烟道气体和汽车尾气)。功率电路根据功率水平变化(从家庭应用的100s W到工厂应用的MW)，输入 PFC级是任何系统都需要的。下面是一个谐振型高压发生器电路和典型的输出电压波形[2]。

谐振型高压发生器电路图

典型输出电压波形

以工厂空气处理为例，高压脉冲发生器对静电除尘器施加直流电压，正极接地，如下图所示。当不带电的污染空气尘埃颗粒通过静电除尘器腔体过程中，会先被充上负电荷。这些颗粒带负电的颗粒然后会被带正电荷的尘埃收集板所吸附。在所有带电颗粒被吸附和“过滤”后，出口的空气就变得干净。

静电除尘器原理

一种电站静电除尘器空气处理系统

高电流脉冲电源常用于激光应用。以下是QCW激光二极管[3]的产品规格示例。

脉冲电源可输出500A/100V或50kW脉冲，平均输入功率仅为1kW。这种脉冲电源一般由隔离电容器充电器、电容器组和buck型脉冲发生器三部分组成，如下图所示。

A typical laser pulse power supply circuit diagram

一个典型的激光脉冲电源电路图

其他高压脉冲电源应用实例:

大电流脉冲电源应用实例:

[1]  Jaegu Choi, “Introduction of the Magnetic Pulse Compressor (MPC) - Fundamental Review and Practical Application” .

[2] A. B. Jorgensen, S.D. Sonderskov, “Power Supply Prototype using SiC MOSFETs for Energization of Electrostatic Precipitators” .

[3] http://www.quantel-laser.com/en/products/item/id-500-a-100-v-pulsed-power-supply-.html

感应加热是通过电磁感应加热导电物体(通常是金属)的过程，通过物体内部的涡流产生热量。感应加热器由电磁铁和电子振荡器组成，电子振荡器产生的高频交流电流通过电磁铁绕组。快速的交变磁场穿过金属体，在导体内部产生电流，称为涡流。涡流流过导体的电阻，做功产生热量。在铁磁性材料，如铁，热也可能由磁滞损失而产生。使用的电流频率取决于物体大小，材料类型，耦合(工作线圈和被加热物体之间)和穿透深度。

感应加热是提供快速、精确、清洁、节能、可控和可重复加热的最佳方法，适用于各种金属或其他导电材料的粘接或改变其性能的工艺制造过程。感应加热可以快速加热加工件，同时控制沾污。这个过程依赖于材料内部的感应电流产生的热量。感应加热为烹饪、钎焊、淬火、预热和后加热、收缩装配、退火、焊接等应用提供了可靠解决方案。

感应加热的功率可以从几百瓦到几十千瓦，取决于工件的尺寸。中频加热和高频加热的谐振频率分别在5-30kHz和100-450kHz之间。中频加热通常用于需要较深穿透深度的大型工件(如直径> 50mm)。高频加热适用于小尺寸或薄件。

例如，家用的电磁炉只有几千瓦，工作在中频。

目前感应炉的解决方案大多采用IGBTs。由于频率的限制和高导通损耗，炉具必须使用大型盘管和带风冷的散热片，这使得密封电源板防止油脂进入线路板内部和风扇内部变得很困难。高压SiC MOSFET可以运行在更高的开关频率，并减少线圈的铜使用量，为新一代产品的设计提供一个简洁的解决方案。更重要的是，由于功耗的降低，风扇可以省去，整个电源板可以装在一个密封铝盒里，这不仅降低成本，同时也提高了电器的可靠性。

SiC MOSFET旨在改进当前基于IGBT的解决方案

对于数十千瓦的感应加热，PFC电路是必须的。下面是一个典型的感应加热电源电路。

高功率感应加热方案

可以工作在高温和大电流下的碳化硅电子器件，可使系统无需特殊制冷冷却，这将使感应加热系统得到革命性的改进。SiC高功率固态开关也将使电力管理和控制的效率大大提高。碳化硅电子器件已经证明能够在极端高温、高频率和高功率下工作。碳化硅器件的应用将使高频大功率感应加热领域得到长足进步。

储能系统的灵活性为大规模发电和输电系统的高效和可靠运行提供了一系列优势。储能系统提高了电网运行的效率，减少了在电网高峰时期的局部电量拥塞造成线路损耗。储能系统还可以减少为满足用电系统高峰需求而建造更多发电厂的需要。随着越来越多的太阳能光伏发电和风力发电的使用，能源存储与可再生能源的结合将有可能在未来十年改变我们生产、分配和使用能源的方式。这正大大推进太阳能光伏电站和风力发电机与储能系统(ESS)集成的需求和大规模发展。

电池储能系统市场预计将在2019年至2024年实现33%的复合年增长率。电池储能系统在住宅、非住宅和公用事业领域都有广阔的发展前景。这一市场的主要推动力是不断增长的并网解决方案的需求，和可再生能源行业对锂离子技术的高需求，以及锂电池价格的不断下降。

ESS的核心部件是双向DC/DC和DC/AC功率转换系统，它将所有的电网、光伏电池板、风力发电机、电动汽车和电池连接在一起，并实现它们之间的功率转换。

可再生能源集成电池储能一体机

对于大功率电池ESSs，为了减少铜损耗，母线电压通常设置在800V或更高；电压的选择是取决于系统的功率水平。SiC MOSFET具有优越的开关特性，目前在需要超过20kHz开关频率和800V运行电压的硬开关应用领域，还没有可以与之竞争的开关器件。 光伏升压转换器广泛采用碳化硅二极管和MOSFET来提高功率转换效率和增加开关频率。由于SiC MOSFET体二极管具有近零反向恢复的特性，SiC MOSFET是高效双向Buck-Boost(半桥)转换器和双向三相逆变/整流器的理想开关，这为系统集成铺平道路。安全可靠地将光伏板、电池和电力电子集成在一个紧凑的单一模块中，是为满足快速增长的地点分散的太阳能电站与电网的连接提供有效方法。这种集成不仅消除了对每个系统进行定制的需要，而且还将拓展其在电网直联系统和离网系统或便携式设备的应用范围。

离网储能系统的应用领域之一是带或不带太阳能光伏板的便携式电源。应用范围从几千瓦的露营房车到数百千瓦的灾难救援应急电源。蓄电池组和双向AC/DC变换器是便携式储能系统的两个关键部件。电池成本在系统BOM中占主导地位，而变流器的效率直接影响着ESSs的千瓦时的输出。新一代半导体开关SiC MOSFET取代IGBT，可将系统效率提高2%以上(达到99.3%以上)，这使得SiC MOSFET有很大的机会在这领域广泛应用。以下是一个电池便携式电力系统和一个60kW的碳化硅三相双向AC/DC (逆变器/PFC)变换器图。

便携式电池储能电源系统

60kW 基于SiC器件的三相双向AC/DC(逆变器/PFC)变换器图

这个60kW的三相双向AC/DC变换系统中的双向Buck/Boost级允许电池有更宽的电压摆动范围，而不影响交流输出电压和电池的充电。 这也使得系统可以输出208Vac和380Vac两个不同电平的交流电压。Buck/Boost变换器采用6相交错，每一相并联使用两个80 mohm 1200V SiC MOSFET和一个20A 1200V SiC二极管。逆变器PFC级采用T型三电平拓扑。其中快管的每个位置是由三个80 mohm 1200V SiC MOSFET并联组成，而慢管仍然使用IGBT与SiC二极管并联。所有的器件都是TO-247-4L封装。

SiC技术可以实现高压、高频和高效率的解决方案，这是所有储能系统的关键要求。随着电池价格和SiC材料成本的进一步下降，基于SiC器件的储能系统将在优化配电、稳定电网、平滑电力需求、更好地利用可再生能源等方面发挥更大作用。

[1]  "Battery Energy Storage System Market Report: Trends, Forecast and Competitive Analysis" , Research And Markets, Aug. 5, 2020

电能质量是当今电力系统和终端电子设备关注的焦点之一。非线性负载，如整流输入(无PFC)、电子镇流器、基于可控硅的转换器和电机驱动器、电焊机、家用电器等的广泛使用，造成交流电力网的电流畸变和电压波形扰动。受污染的交流电源会导致一些敏感的电子设备如数据中心、通信系统、雷达系统、半导体制造设备等发生故障甚至关机。大量的电感性或电容性负载,如大量交流电直接驱动的感应电动机,会增加电力系统的无功功率,造成交流电流和交流电压的相位差,这会增加系统的功率损耗和容量负荷。

传统的解决方案是增设电力系统的无源滤波器和无功电力补偿器。整体滤波器和补偿器体积占变电站面积的很大比例，如下图所示。补偿器只能分阶段添加或移除，响应慢，对电力系统本身会造成一定的扰动。

有源谐波电流补偿                                                             有源无功补偿

随着电力半导体技术和数字控制技术的发展，电力线路电流可以实时监测，无功功率和谐波电流可以实现最优实时补偿。无功补偿器、所谓的静态无功发生器(SVG)和有源谐波滤波器（AHF）都是基于逆变器的系统。SVG将具有所需振幅的工频电流注入电力网络。为了输出高的无功功率，一般是将SVG并网，直接连接到电源线上，如下图所示:

三电平静态无功发生器并网电路

AHF本质上是一个逆变器，它能够注入反向电流来抵消不需要的谐波。与SVG相比，AHF输出相对较小的电流，但谐波阶数高。为了能够“过滤”掉40阶谐波，AHF逆变器需要更高的开关频率。对于50Hz的工频频率，40阶谐波是2kHz，这一般需要PWM频率超过40kHz，以有效地整平2kHz谐波电流分量。对于运行开关频率超过20kHz以上的（硬开关）应用，SiC MOSFET是目前唯一有效的选择，。AHF可与电网线并联或串联。

串联并网两电平有源谐波电流滤波电路

从上面的框图可以看出，SVG和AHF都采集负载线电流，然后使用逆变器产生所需的电流，以补偿无功和谐波电流。为了充分利用设备硬件，降低系统成本，可以将SVG和AHF结合在一起设计。具有SVG和AHF功能的设备称为电能质量补偿器(PQC)。

[1]  P. M. Balasubramaniam , S. U. Prabha “Power Quality Issues, Solutions and Standards: A Technology Review,” Journal of Applied Science and Engineering, Vol. 18, No. 4, pp. 371380 (2015)

变频调速(VFD)在工业和汽车领域得到了广泛的应用。其关键技术是利用半导体开关实现高频脉宽调制(PWM)。主要是在4到16khz的开关频率范围内工作的两电平逆变器产生三相正弦基波电压或电流来驱动电机。对于400V及以上的母线电压，IGBT占主导地位。随着宽频带间隙SiC MOSFET的出现，其优越的开关性能迅速引起电机驱动发展的高度关注。SiC MOSFET能够将开关损耗降低70%左右，或者在接近3倍的开关频率下达到同样的效率。SiC MOSFET，更像一个电阻，没有IGBTs的PN结电压降，这减少了导通损失，特别是在轻负载。随着更高的PWM频率和更高的电机驱动的基本频率的实现，电机可以设计成更多的极数，以减少电机的尺寸。在相同的输出功率下，8极电机的体积可以比2极电机缩小40%。高开关频率使得高密度电机设计能够实现。这些表现显示了SiC MOSFET在高速、高效、高密度电机驱动方面的巨大潜力。SiC MOSFET在特斯拉Model 3上的成功应用，标志着基于SiC的电机驱动时代的开始。SiC MOSFET将主导汽车牵引应用的趋势是毋容置疑的，特别是在800V电池汽车和在工业高端应用获得更多的份额。

为了充分利用SiC MOSFET的优点，开关速度(dv/dt)和开关频率应该比目前基于IGBT的解决方案提高一个数量级或更多。尽管SiC MOSFET具有巨大的潜力，但其应用仍受到现有电机技术和驱动系统结构的限制。大多数电机绕组电感高，寄生电容大。三相电缆连接电机和逆变器基本上形成了LC电路，如下图所示。在逆变器输出端的高dv/dt电压可以激发LC电路振荡，而在电机末端的电压尖峰可高达逆变器输出电压的两倍。这会在电机绕组上增加不少的电压应力。

当逆变器直接连接到电机，电缆电压振荡不再存在。然而，如图所示，高的dv/dt电压变化会直接施加到绕组上，导致绕组老化加速。此外，高dv/dt电压会诱发轴承电流，导致轴承腐蚀和早期失效。

绕组匝间高dv/dt偏压                                       高的dv/dt会诱发轴承电流

另一个潜在的问题是EMI问题。高的dv/dt和高的di/dt会诱发更高的电磁干扰辐射。所有IGBT和SiC解决方案的设计都需要考虑这些影响。

为了缓解这些问题，开发了不同的技术。如果电机和逆变器驱动器必须分离，dv/dt边缘滤波器或正弦滤波器是一种有效的解决方案，但会增加一些成本。自从IGBT逆变器上市以来，电机的设计一直在改进。通过使用更好的绝缘漆包线，改进电机线圈绕组结构和屏蔽方法，电机抗dv/dt能力从最初的几个V/ns有了很大提高，最终将达到40-50V/ns的目标。基于SiC器件的逆变器效率很高，在40kHz时效率通常达到98.5%，在20kHz时效率通常达到99%。由于驱动器损耗小，集成电机驱动器成为可行的和有吸引力的系统解决方案，它消除了所有电缆和终端连接，并降低了系统体积和成本。全封闭变频器驱动电机是减少电磁干扰的有效途径。通过接地弹簧或电刷使电机的轴与定子短路，可以旁路轴承电流。紧凑高效、重量轻、集成化的电机驱动广泛应用于工业机器人、机载、水下无人机等领域。

除了驱动系统尺寸的减少，SiC MOSFET也使高速驱动成为可能。高速驱动器在汽车、航空航天、搅拌、泵和压缩机方面应用获得了越来越多的关注。高速驱动器已经成为一些上述应用的最新技术，而在一些小众应用中，高速驱动器的采用提高了产品的性能、质量和创新性。

集成驱动应用

为了提供平滑的正弦波驱动，VFD开关频率需要至少比交流电流频率高50倍。开关频率、极对和电机转速之间存在如下关系:

f_PWM = 50∙ Pole-Pair ∙ rpm /60

即对于普通四极电机，要达到10 krpm, f_PWM需要为16.6kHz，这大约是IGBT的极限开关频率。因此，对于任何电机速度超过10 krpm, SiC MOSFET成为了首选或唯一有效的选择。为了提高电机功率密度，通常需要增加极对数，这就需要更高的PWM开关频率。碳化硅的使用将推进新一轮的电机设计的改良和创新。

[1] R. Abebe, M D. Nardo, D. Gerada, G. L. Calzo, L. Papini, C. Cerada, “High Speed Drives Review: Machines, Converters and Applications,” IECON 2016 - 42nd Annual Conference of the IEEE Industrial Electronics Society.

[2]“Effect of Variable Frequency Drive on motor insulation,” http://www.vfds.org/effect-of-vfd-on-motor-insulation-745078.html.

[3] “Effects of AC Drives on Motor Insulation,” ABB Group.

[4] E. Velander  , G. Bohlin ; Å. Sandberg , T. Wiik , F. Botling ,M. Lindahl ,G. Zanuso ,H.-P. Nee  “An Ultralow Loss Inductorless dv/dt Filter Concept for Medium-Power Voltage Source Motor Drive Converters With SiC Devices,” IEEE Transactions on Power Electronics ( Volume: 33 , Issue: 7 , July 2018 )