基于SiC的超高频逆变式手工焊接电源制造技术

本实用新型专利技术提供了一种基于SiC的超高频逆变式手工焊接电源，其特征在于：包括主电路和数字控制电路；所述主电路包括依次连接的电磁噪声抑制模块、工频整流滤波模块、超高频逆变换流模块、超高频功率变压器和高频快速整流平滑模块；所述数字控制电路包括负载电流电压检测模块、基于DSC的人机交互模块、DSC控制器、超高频驱动模块和安全保护模块；所述DSC控制器与超高频驱动模块连接；超高频驱动模块还与超高频逆变换流模块相连。该焊接电源可实现超过200kHz超高频逆变，时间常数小，动态响应快，具备优异工艺适应性，实现对电弧负载的精细设计与控制，有效提升焊接工艺质量。

【技术实现步骤摘要】

本技术涉及弧焊逆变电源
，更具体地说，涉及一种基于SiC的超高频逆变式手工焊接电源。
技术介绍
无论是民用领域还是工业领域，手工焊接方法均得到了十分广泛的应用。目前，手工焊接电源已普遍采用高效节能的逆变式焊接电源；其中，小功率应用领域普遍以MOSFET弧焊逆变电源为主，而在中大功率领域普遍采用IGBT弧焊逆变电源。无论是MOSFET弧焊逆变电源还是IGBT弧焊逆变电源，其效率和性能均比整流式电源有了较大程度的提高，技术已经日趋成熟。这两种逆变电源的功率器件均为Si基功率器件，包括MOFET、IGBT、SBD和FRD。传统硅(Si)半导体器件已接近其材料本征极限，现有的Si基MOSFET虽然开关速度快，能够减小弧焊逆变器的体积和重量，但管功率和耐压较低，一般应用于中小功率的场合。Si基的IGBT具有导通电阻小、电流容量大、耐压较高等特点，在大功率弧焊逆变器中得到广泛应用，但它的开关频率低，开关损耗较高。具体说来，目前的逆变式手工焊接电源还存在以下几个方面的问题：(1)逆变频率仍不够高。限于开关过程载流子的调制效应以及寄生效应，同时其饱和导通压降较高，开关过程能耗较高，使得Si基功率器件的开关速度受到限制，逆变频率难以进一步提高；由于逆变频率的限制，使得主回路的时间常数难以进一步降低，导致控制周期较长，焊接电源的动态响应性能也无法进一步提高；(2)效率不够高；由于Si基功率器件的通态电阻较大，导通压降大，使得功率管在导通过程的功率损耗比较大；开关时间较长，也导致器件在开通和关断过程的交流损耗也较大；随着逆变频率的提高，器件的交流损耗迅速增加；这几个原因导致能效难以进一步提高；(3)环境适应性有待提高；手工焊接电源的使用环境恶劣，有些焊接现场是二十四小时连续作业，长时间持续工作导致对功率器件的热耐受性以及散热通道设计提出了很高的要求；由于存在电导调制过程，Si基功率器件存在反向恢复效应；在较高逆变频率情况下的交流损耗急剧增加，导致器件温升上升较快；由于高频寄生振荡、负载频繁复杂变化、电磁干扰、偏磁等原因，特别是大功率焊接条件下，弧焊电源存在可靠性偏弱等问题；(4)不易实现大功率焊接电源的小型化、轻量化和低成本化。由于能效还不够高，功率器件的散热器件体积和重量较大；同时，逆变频率相对较低，使得主回路的磁性器件以及滤波平滑部件的重量和体积也难以进一步降低；这两个因素导致大功率焊接电源的功率密度难以提高，体积较大，消耗的制造原材料较多，综合制造成本高。
技术实现思路
本技术的目的在于克服现有技术中的缺点与不足，提供一种基于SiC、可实现超过200kHz超高频逆变、时间常数小、动态响应快、具备优异工艺适应性、实现对电弧负载的精细设计与控制、有效提升焊接工艺质量的超高频逆变式手工焊接电源。为了达到上述目的，本技术通过下述技术方案予以实现：一种基于SiC的超高频逆变式手工焊接电源，其特征在于：包括主电路和数字控制电路；所述主电路包括依次连接的电磁噪声抑制模块、工频整流滤波模块、超高频逆变换流模块、超高频功率变压器和高频快速整流平滑模块；其中，所述电磁噪声抑制模块与外部三相/单相交流输入电源连接；所述高频快速整流平滑模块与外部电弧负载连接；所述数字控制电路包括负载电流电压检测模块、基于DSC的人机交互模块、DSC控制器、超高频驱动模块和安全保护模块；其中，所述负载电流电压检测模块一端与电弧负载连接，另一端与DSC控制器连接；所述安全保护模块的输入端分别与三相/单相交流输入电源和超高频逆变换流模块连接，输出端与DSC控制器连接；所述基于DSC的人机交互模块与DSC控制器连接；所述DSC控制器与超高频驱动模块连接；超高频驱动模块还与超高频逆变换流模块相连。本技术焊接电源中，由三相/单相交流输入电源电流首先经过电磁噪声抑制模块后通过工频整流滤波模块转变成较平滑的直流电；然后经过超高频逆变换流模块转换成超高频的交流方波脉冲；之后通过超高频功率变压器进行电气隔离、电压变换和功率传递，最后经过高频整流平滑模块整流平滑之后提供给电弧负载。数字控制电路采用了双DSC控制架构；其中，DSC控制器主要完成闭环控制算法、任务流程控制、数字PWM产生与调制等任务，另一个DSC主要实现人机交互的数字化控制。DSC控制器根据负载电流电压检测模块检测的负载电流、电压信号与基于DSC的人机交互模块给定的参数进行比较，按照DSC内嵌的控制算法运算，产生所需脉宽的多路数字PWM信号，并通过超高频驱动模块隔离和放大后去控制超高频逆变换流模块开关管的开通和关断，从而得到200KHz以上的高频高压电，然后通过超高频功率变压器转换成大电流低电压波形，最后经过高频整流平滑后转变为焊接工艺所需的波形，这就是基于SiC的超高频逆变式手工焊接电源的闭环控制过程。本技术焊接电源的逆变频率超过200kHz，可实现超高频逆变；主电路时间常数非常小，动态响应快，能够实现对电弧负载的精细设计与控制，有效提升焊接工艺质量。优选地，所述超高频逆变换流模块包括电容C10、电容C11、电容C12、电容C13、电容C14、SiC功率开关管Q1、SiC功率开关管Q2、二极管D7和二极管D8；电容C10和电容C11串联后连接到工频整流滤波模块上；SiC功率开关管Q1分别与二极管D7和电容C12并联后与SiC功率开关管Q2串联，之后连接到工频整流滤波模块上；SiC功率开关管Q2还分别与二极管D8和电容C13并联；所述电容C10与电容C11的连接处与超高频功率变压器的初级第一输入端连接；SiC功率开关管Q1与SiC功率开关管Q2的连接处与超高频功率变压器的初级第二输入端连接；SiC功率开关管Q1和SiC功率开关管Q2分别与超高频驱动模块连接。超高频逆变换流模块采用SiC功率开关管Q1和SiC功率开关管Q2作为开关管；SiC功率器件的热耐受性好，使散热器体积可大幅度减小；SiC功率器件的逆变频率更高，使得主电路磁性器件的体积重量也大幅度减少；相比Si基逆变焊接电源，本技术焊接电源在同等功率情况下的重量更轻，功率密度更高，体积更小巧，综合制造成本低25％以上，具有更高的性价比。优选地，所述高频整流平滑模块包括SiC快速整流二极管DR1、SiC快速整流二极管DR2和电容C15；超高频功率变压器的次级第一输出端、SiC快速整流二极管DR1、电容C15和超高频功率变压器的次级第二输出端依次连接；SiC快速整流二极管DR1与电容C15的连接处通过SiC快速整流二极管DR2与超高频功率变压器的次级第三输出端连接；电容C15与电弧负载并联。优选地，所述超高频驱动模块包括供电电源电路、推挽输出电路、磁隔离电路和信号整形电路。优选地，所述供电电源电路由型号为LM2596s的开关电压调节器及其外围电路组成。优选地，所述推挽输出电路包括型号为IXDN609PI的开关放大器U1及其外围电路，以及型号为IXDN609PI的开关放大器U2及其外围电路；开关放大器U1和开关放大器U2的输入端分别与超高频逆变换流模块连接，输出端分别与所述磁隔离电路连接。优选地，所述磁隔离电路由脉冲变压器T101组成；所述信号整形电路包括两组结构相同的信号整形单元一和信号整形单元二；信号整形单元一和本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于SiC的超高频逆变式手工焊接电源，其特征在于：包括主电路和数字控制电路；所述主电路包括依次连接的电磁噪声抑制模块、工频整流滤波模块、超高频逆变换流模块、超高频功率变压器和高频快速整流平滑模块；其中，所述电磁噪声抑制模块与外部三相/单相交流输入电源连接；所述高频快速整流平滑模块与外部电弧负载连接；所述数字控制电路包括负载电流电压检测模块、基于DSC的人机交互模块、DSC控制器、超高频驱动模块和安全保护模块；其中，所述负载电流电压检测模块一端与电弧负载连接，另一端与DSC控制器连接；所述安全保护模块的输入端分别与三相/单相交流输入电源和超高频逆变换流模块连接，输出端与DSC控制器连接；所述基于DSC的人机交互模块与DSC控制器连接；所述DSC控制器与超高频驱动模块连接；超高频驱动模块还与超高频逆变换流模块相连。

【技术特征摘要】
1.一种基于SiC的超高频逆变式手工焊接电源，其特征在于：包括主电路和数字控制电路；所述主电路包括依次连接的电磁噪声抑制模块、工频整流滤波模块、超高频逆变换流模块、超高频功率变压器和高频快速整流平滑模块；其中，所述电磁噪声抑制模块与外部三相/单相交流输入电源连接；所述高频快速整流平滑模块与外部电弧负载连接；所述数字控制电路包括负载电流电压检测模块、基于DSC的人机交互模块、DSC控制器、超高频驱动模块和安全保护模块；其中，所述负载电流电压检测模块一端与电弧负载连接，另一端与DSC控制器连接；所述安全保护模块的输入端分别与三相/单相交流输入电源和超高频逆变换流模块连接，输出端与DSC控制器连接；所述基于DSC的人机交互模块与DSC控制器连接；所述DSC控制器与超高频驱动模块连接；超高频驱动模块还与超高频逆变换流模块相连。2.根据权利要求1所述的基于SiC的超高频逆变式手工焊接电源，其特征在于：所述超高频逆变换流模块包括电容C10、电容C11、电容C12、电容C13、电容C14、SiC功率开关管Q1、SiC功率开关管Q2、二极管D7和二极管D8；电容C10和电容C11串联后连接到工频整流滤波模块上；SiC功率开关管Q1分别与二极管D7和电容C12并联后与SiC功率开关管Q2串联，之后连接到工频整流滤波模块上；SiC功率开关管Q2还分别与二极管D8和电容C13并联；所述电容C10与电容C11的连接处与超高频功率变压器的初级第一输入端连接；SiC功率开关管Q1与SiC功率开关管Q2的连接处与超高频功率变压器的初级第二输入端连接；SiC功率开关管Q1和SiC功率开关管Q2分别与超高频驱动模块连接。3.根据权利要求1所述的基于SiC的超高频逆变式手工焊接电源，其特征在于：所述高频整流平滑模块包括SiC快速整流二极管DR1、SiC快速整流二极管DR2和电容C15；超高频功率变压器的次级第一输出端、SiC快速整流二极管DR1、电容C15和超高频功率变压器的次级第二输出端依次连接；SiC快速整流二极管DR1与电容C15的连接处通过SiC快速整流二极管DR2与超高频功率变压器的次级第三输出端连接；电容C15与电弧负载并联。4.根据权利要求1所述的基于SiC的超高频逆变式手工焊接电源，其特征在于：所述超高频驱动模块包括供电电源电路、推挽输出电路、磁隔离电路和信号整形电路。5.根据权利要求4所述的基于SiC的超高频逆变式手工焊接电源，其特征在于：所述供电电源电路由型号为L...

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