SiC逆变式等离子切割电源制造技术

本发明专利技术提供了一种SiC逆变式等离子切割电源，其特征在于：包括主电路和闭环控制电路；主电路包括依次连接的噪声抑制模块、工频整流滤波模块、SiC逆变换流模块、功率变压器和SiC整流与平滑模块，以及非接触引弧模块；其中，噪声抑制模块与交流输入电源连接；SiC整流与平滑模块和非接触引弧模块分别与负载连接；闭环控制电路包括人机交互模块、DSC控制器、故障诊断保护模块、SiC高频驱动模块以及负载电信号检测模块。该电源逆变频率高，体积小巧，重量轻，节约制造原材料，能效高，节能效果明显，并具有优异的动特性，既可以应用于小功率场合，也能稳定可靠地应用于中大功率切割场合。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及高频逆变热切割
，更具体地说，涉及一种SiC逆变式等离子切割电源。
技术介绍
目前，在小功率切割电源领域已经普遍采用高效节能、体积小巧的MOSFET或者IGBT逆变式等离子切割电源；而在中大功率领域，由于其工艺所需要的电压高、功率强，目前仍以整流或者斩波方式的等离子切割电源为主，虽然工作相对可靠，技术上也比较成熟，但设备体积庞大、笨重、能耗低、效率低，且由于其结构原因，动静态特性均不够理想，限制了切割质量的进一步提高；同时，Si基功率整流二极管存在电导调制效应，在关断过程存在非常明显的反向恢复效应，易于出现很高的电压尖峰，危及主电路的工作安全；此外，等离子弧切割电源的空载电压很高，在引弧切割瞬间的瞬态电流冲击非常大；上述因素导致大功率逆变式等离子切割电源的可靠性还未能得到很好的解决，工业生产中还非常缺乏中大功率的逆变式等离子切割电源。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术中的缺点与不足，提供一种SiC逆变式等离子切割电源。该电源逆变频率高，体积小巧，重量轻，节约制造原材料，能效高，节能效果明显，并具有优异的动特性，既可以应用于小功率场合，也能稳定可靠地应用于中大功率切割场合。为了达到上述目的，本专利技术通过下述技术方案予以实现：一种SiC逆变式等离子切割电源，其特征在于：包括主电路和闭环控制电路；所述主电路包括依次连接的噪声抑制模块、工频整流滤波模块、SiC逆变换流模块、功率变压器和SiC整流与平滑模块，以及非接触引弧模块；其中，噪声抑制模块与交流输入电源连接；SiC整流与平滑模块和非接触引弧模块分别与负载连接；所述闭环控制电路包括人机交互模块、DSC控制器、故障诊断保护模块、SiC高频驱动模块以及负载电信号检测模块；所述人机交互模块、故障诊断保护模块、SiC高频驱动模块、负载电信号检测模块和非接触引弧模块分别与DSC控制器连接；所述故障诊断保护模块还分别与SiC逆变换流模块和功率变压器连接；SiC高频驱动模块还与SiC逆变换流模块连接；负载电信号检测模块还与SiC整流与平滑模块连接。优选地，所述工频整流滤波模块包括整流器BR1、电感L1和电容C11；所述SiC逆变换流模块包括SiC功率开关器件Q1、SiC功率开关器件Q2、SiC功率开关器件Q3、SiC功率开关器件Q4、电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电容C1、电容C2、电容C3、电容C4和电容Cr；所述功率变压器包括变压器T1、电容C12和电阻R12；所述SiC整流与平滑模块包括SiC整流二极管D1、SiC整流二极管D2、SiC整流二极管D3、SiC整流二极管D4、电容C5、电容C6、电容C7、电容C8、电容C9、电容C10、电阻R5、电阻R6、电阻R7、电阻R8、电阻R9、压敏电阻YR1、压敏电阻YR2、压敏电阻YR3、压敏电阻YR4和电感L2；所述噪声抑制模块与整流器BR1的输入端连接；电感L1和电容C11串联，之后并联在整流器BR1的输出端；电容C11与SiC功率开关器件Q1和SiC功率开关器件Q2组成的串联电路并联，并且与SiC功率开关器件Q3和SiC功率开关器件Q4组成的串联电路并联；电阻R1和电容C1串联后并联在SiC功率开关器件Q1上；电阻R2和电容C2串联后并联在SiC功率开关器件Q2上；电阻R3和电容C3串联后并联在SiC功率开关器件Q3上；电阻R4和电容C4串联后并联在SiC功率开关器件Q4上；SiC功率开关器件Q1和SiC功率开关器件Q2的连接点通过电容Cr和变压器T1初级与SiC功率开关器件Q3和SiC功率开关器件Q4的连接点连接；电容C12和电阻R12串联后并联在变压器T1初级上；变压器T1次级与SiC整流二极管D1和SiC整流二极管D2组成的串联电路并联，并且与SiC整流二极管D3和SiC整流二极管D4组成的串联电路并联；电容C5和电阻R5串联后分别与SiC整流二极管D1和压敏电阻YR1并联；电阻R6和电容C6串联后分别与SiC整流二极管D2和压敏电阻YR2并联；电容C7和电阻R7串联后分别与SiC整流二极管D3和压敏电阻YR3并联；电阻R8和电容C8串联后分别与SiC整流二极管D4和压敏电阻YR4并联；SiC整流二极管D1和SiC整流二极管D2的连接点通过电感L2和电容C9与SiC整流二极管D3和SiC整流二极管D4的连接点连接；电阻R9和电容C10分别并联在电容C9上；电容C10的一端与负载的正端连接，电容C10的另一端通过耦合变压器器T2初级与负载的负端连接；耦合变压器器T2次级与非接触引弧模块连接。优选地，所述非接触引弧模块包括型号为IC1555的触发器、SiC型场效应晶体管Q110、升压变压器T103、整流桥B101、放电器101、放电器102和高压充电电容C106，以及其它外围辅助电路。优选地，所述SiC高频驱动模块包括场效应管M201、场效应管M202、场效应管M203、场效应管M204、变压器T201、变压器T202和四个SiC驱动电路，以及其它外围辅助电路。优选地，所述负载电信号检测模块包括电流采样电路和电压分压采样电路；所述电流采样电路包括包括霍尔电流传感器、型号为AD629的芯片U301和型号为OP177的芯片U302，以及其它外围辅助电路；所述电压分压采样电路包括由电阻R401和电阻402组成的分压单元、型号为LF353的芯片U401和型号为HCNR201的芯片U402，以及其它外围辅助电路。优选地，所述故障诊断保护模块包括过压欠压监测电路、缺相检测电路和过热检测电路；所述过压欠压监测电路包括由电阻R513、电阻R514、电阻R517和电阻R518组成的桥式电路、VCC直流源、比较器U501、比较器U502、光耦U515和光耦U516，以及其它外围辅助电路；所述缺相检测电路包括比较器U503和光耦U514，以及其它外围辅助电路。优选地，所述噪声抑制模块包括三相共模电感Lcm、三相差模电感Ldm、X电容、Y电容和泄放电阻。优选地，所述DSC控制器包括内嵌FREERTOS系统的DSC微处理器、电源单元、外部时钟振荡单元、复位单元和JTAG调试接口。本专利技术电源创新设计的基础原理为：首先，SiC功率器件的开关速度快，开关损耗低，因此基于SiC功率器件的超高频逆变技术能够大幅度地提高电源的逆变频率，从而使得电源主电路的磁性功率器件以及平滑滤波器件的体积和重量大幅降低，能量传递效率进一步提高；其次，由于SiC功率器件几乎不存在电导调制效应，使得它在开关过程不存在反向恢复效应，不易产生大的电压电流尖峰，器件工作应力环境大为改善，提高了可靠性；然后，SiC功率器件具有更好的热耐受性，不仅可靠性提高，而且散热器的体积和重量也可以大幅度地降低，体积更小，重量更轻，功率密度更高，综合制造成本更低；最后，由于工作频率提高，电源的动特性得到了明显提高，使得电源对切割电流的控制更为精细化，易于提高切割质量。本专利技术电源的工作原理为：三相/单相交流输入电源经工频整流滤波模块实现整流滤波形成直流电，通过SiC逆变换流模块进行超高频开关，转换成200kHz以上的高频交流方波脉冲，经功率变压器高频变换隔离后由SiC整流与平滑模块进行整流平滑为适合于等离子切割用的直流电源。非接触引弧模块用于产生高本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种SiC逆变式等离子切割电源，其特征在于：包括主电路和闭环控制电路；所述主电路包括依次连接的噪声抑制模块、工频整流滤波模块、SiC逆变换流模块、功率变压器和SiC整流与平滑模块，以及非接触引弧模块；其中，噪声抑制模块与交流输入电源连接；SiC整流与平滑模块和非接触引弧模块分别与负载连接；所述闭环控制电路包括人机交互模块、DSC控制器、故障诊断保护模块、SiC高频驱动模块以及负载电信号检测模块；所述人机交互模块、故障诊断保护模块、SiC高频驱动模块、负载电信号检测模块和非接触引弧模块分别与DSC控制器连接；所述故障诊断保护模块还分别与SiC逆变换流模块和功率变压器连接；SiC高频驱动模块还与SiC逆变换流模块连接；负载电信号检测模块还与SiC整流与平滑模块连接。

【技术特征摘要】
1.一种SiC逆变式等离子切割电源，其特征在于：包括主电路和闭环控制电路；所述主电路包括依次连接的噪声抑制模块、工频整流滤波模块、SiC逆变换流模块、功率变压器和SiC整流与平滑模块，以及非接触引弧模块；其中，噪声抑制模块与交流输入电源连接；SiC整流与平滑模块和非接触引弧模块分别与负载连接；所述闭环控制电路包括人机交互模块、DSC控制器、故障诊断保护模块、SiC高频驱动模块以及负载电信号检测模块；所述人机交互模块、故障诊断保护模块、SiC高频驱动模块、负载电信号检测模块和非接触引弧模块分别与DSC控制器连接；所述故障诊断保护模块还分别与SiC逆变换流模块和功率变压器连接；SiC高频驱动模块还与SiC逆变换流模块连接；负载电信号检测模块还与SiC整流与平滑模块连接。2.根据权利要求1所述的SiC逆变式等离子切割电源，其特征在于：所述工频整流滤波模块包括整流器BR1、电感L1和电容C11；所述SiC逆变换流模块包括SiC功率开关器件Q1、SiC功率开关器件Q2、SiC功率开关器件Q3、SiC功率开关器件Q4、电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电容C1、电容C2、电容C3、电容C4和电容Cr；所述功率变压器包括变压器T1、电容C12和电阻R12；所述SiC整流与平滑模块包括SiC整流二极管D1、SiC整流二极管D2、SiC整流二极管D3、SiC整流二极管D4、电容C5、电容C6、电容C7、电容C8、电容C9、电容C10、电阻R5、电阻R6、电阻R7、电阻R8、电阻R9、压敏电阻YR1、压敏电阻YR2、压敏电阻YR3、压敏电阻YR4和电感L2；所述噪声抑制模块与整流器BR1的输入端连接；电感L1和电容C11串联，之后并联在整流器BR1的输出端；电容C11与SiC功率开关器件Q1和SiC功率开关器件Q2组成的串联电路并联，并且与SiC功率开关器件Q3和SiC功率开关器件Q4组成的串联电路并联；电阻R1和电容C1串联后并联在SiC功率开关器件Q1上；电阻R2和电容C2串联后并联在SiC功率开关器件Q2上；电阻R3和电容C3串联后并联在SiC功率开关器件Q3上；电阻R4和电容C4串联后并联在SiC功率开关器件Q4上；SiC功率开关器件Q1和SiC功率开关器件Q2的连接点通过电容Cr和变压器T1初级与SiC功率开关器件Q3和SiC功率开关器件Q4的连接点连接；电容C12和电阻R12串联后并联在变压器T1初级上；变压器T1次级与SiC整流二极管D1和SiC整流二极管D2组成的串联电路并联，并且与SiC整流二极管D3和SiC整流二极管D4组成的串联电路并联；电容C5和电阻R...

【专利技术属性】
技术研发人员：王振民，朱磊，范文艳，
申请(专利权)人：华南理工大学，
类型：发明
国别省市：广东;44