基于DSC的全数字SiC逆变式多功能氩弧焊电源制造技术

本发明专利技术提供了一种基于DSC的全数字SiC逆变式多功能氩弧焊电源，其特征在于：包括主电路和DSC控制电路；主电路包括依次连接的共模噪声抑制模块、工频整流滤波模块、SiC逆变换流模块、功率变压器、SiC整流与平滑模块和非接触引弧模块组成；SiC整流与平滑模块和非接触引弧模块分别与外部电弧负载连接；DSC控制电路包括DSC最小系统、人机交互模块、故障诊断保护模块、SiC高频驱动模块和负载电信号检测模块；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电弧负载连接。该氩弧焊电源结构简单，控制精度高，响应速度快，体积小巧，高效节能，具有优异工艺适应性，可提升焊接工艺质量。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及高频弧焊逆变
，更具体地说，涉及一种基于DSC的全数字SiC逆变式多功能氩弧焊电源。
技术介绍
氩弧焊在不锈钢、钛合金、铝镁合金等材料的焊接生产中得到了广泛的应用。目前，氩弧焊电源普遍采用IGBT或者MOSFET高频逆变技术，该技术已经发展为成熟的技术手段，能满足大部分金属材料的焊接要求。但是随着科技发展，在海洋工程、核电、航空航天、汽车、风电、火电、船舶、轨道交通、石油化工等装备制造业，其设备日趋大型化、结构日益复杂化以及材料趋于多元化，多种更高性能的不锈钢、铝等黑色、有色金属及其合金不断出现，迫切需要更高性能的多功能氩弧焊电源设备。然而，限于功率器件的开关速度和开关损耗，现有的氩弧焊电源的逆变频率还不够高，导致动态响应速度难以进一步提高；同时，目前普遍采用模拟控制或者基于普通微处理器的简单数字控制，难以实现基于焊接电弧设计的氩弧焊接过程精细化控制，影响了焊接质量的进一步提高。
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，提供一种基于DSC、结构简单、控制精度高、响应速度快、体积小巧、高效节能、具有优异工艺适应性、可提升焊接工艺质量的全数字SiC逆变式多功能氩弧焊电源。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：一种基于DSC的全数字SiC逆变式多功能氩弧焊电源，其特征在于：包括主电路和DSC控制电路；所述主电路包括依次连接的共模噪声抑制模块、工频整流滤波模块、SiC逆变换流模块、功率变压器、SiC整流与平滑模块和非接触引弧模块组成；其中，共模噪声抑制模块与外部交流输入电源连接；SiC整流与平滑模块和非接触引弧模块分别与外部电弧负载连接；所述DSC控制电路包括DSC最小系统，以及分别与DSC最小系统连接的人机交互模块、故障诊断保护模块、SiC高频驱动模块和负载电信号检测模块；其中，故障诊断保护模块还分别与交流输入电源和SiC逆变换流模块连接；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电弧负载连接；非接触引弧模块与DSC最小系统连接。本专利技术为逆变式直流、脉冲氩弧焊电源；交流输入电源既可以是三相交流输入电源，也可以为单相交流输入电源，视实际输出功率而定。由DSC最小系统直接产生所需的数字PWM信号，经过SiC高频驱动模块隔离、放大、整形之后直接驱动SiC逆变换流模块，使其SiC功率管按照预设的时序快速导通与关闭，实现高频直流交流转变；在氩弧焊电源输出端检测负载电流电压，经信号调理后输入到DSC最小系统，与人机交互模块预设值进行比较之后，改变SiC功率管的导通与关断时间，实现占空比调节，获得所需的波形输出，完成闭环控制。本专利技术氩弧焊电源采用基于SiC的新一代电力电子功率器件，大幅度地提高逆变频率，使得功率变压器的体积和质量得到大幅减小；同时，由于SiC功率器件开关时间短，开关损耗极低，实现超高频开关状态工作，采用铁损极小的磁芯材料即可，可进一步缩小功率变压器等磁性器件的体积和重量，电能转换效率高。由于工作频率提升，使得主电路中的滤波电感值可以很小，从而氩弧焊电源的时间常数也大幅度降低，更易于获得优异的动特性；此外，高频快速整流电路也采用了SiC快速功率二极管，基本不存在反向恢复效应，使得氩弧焊电源产生的尖峰电压大幅度降低，提高了安全性；SiC功率器件的热耐受性远远超过了现有的MOSFET功率器件和IGBT功率器件，使得氩弧焊电源的可靠性进一步提高。另一方面，由于逆变频率提高，回路时间变小，采用高速精密的DSC最小系统能够实现对输出电流电压的数字化、高速化、精密化调控，输出特性可以任意调节和切换，易于实现基于焊接电弧设计的焊接工艺优化。优选地，所述SiC逆变换流模块包括电容C4、电容C5、电容C6、电容C7、SiC功率开关管Q1、SiC功率开关管Q2、电容R6、电容R7、二极管D4和二极管D5；电容C4和电容C5串联后，与SiC功率开关管Q1和SiC功率开关管Q2串联形成的电路一起并联到工频整流滤波模块上；电容C6和电阻R6串联后并联到SiC功率开关管Q1上，SiC功率开关管Q1还与二极管D4并联；电容C7和电阻R7串联后并联到SiC功率开关管Q2上，SiC功率开关管Q2还与二极管D5并联；所述电容C4与电容C5的连接处与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SiC高频驱动模块连接。优选地，所述SiC整流与平滑模块包括二极管D6A、二极管D6B、电阻R5、电阻R9、电阻R11、电容C9、电容C10、电容C11、电容C12、电容C17、压敏电阻YM1、压敏电阻YM2和电感L2；所述功率变压器的次级第一输出端依次通过二极管D6A、电阻R9、电感L2与功率变压器的次级第二输出端连接；电阻R5和电容C9串联后并联在二极管D6A上，二极管D6A还与压敏电阻YM1并联；电容C11与电容C12串联后并联在电阻R9上，电阻R9还与电容C10并联；电容C11与电容C12的连接处接地；二极管D6A与电阻R9的连接处通过二极管D6B与功率变压器的次级第三输出端连接；电容C17与电阻R11串联后与二极管D6B并联，二极管D6B还与压敏电阻YM2并联；电阻R9的两端分别与电弧负载连接。在主电路中，交流输入电源首先接入共模噪声抑制模块，然后接入工频整流滤波模块转换成平滑的直流电后输入到半桥式SiC逆变换流模块，通过SiC功率开关管Q1和SiC功率开关管Q2的交替导通与关断，转换成高压方波脉冲；之后经过功率变压器进行电气隔离、变压和功率传递；经过SiC整流与平滑模块转变成低压平滑的直流电输出。其中，二极管D6A和二极管D6B均为SiC快速/超快速整流功率二极管；电容C10、电容C11、电容C12和电阻R9不仅起到死负载的作用，还能实现对非接触高频引弧信号的旁路作用，提高系统的可靠性和稳定性。优选地，所述SiC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SiC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；信号整形单元一和信号整形单元二以相反方向分别与脉冲变压器T101次级的两个线圈连接。优选地，所述信号整形单元一包括二极管D113、二极管D117、稳压二极管D122、稳压二极管D125、稳压二极管D126、双二极管组DQ101、电阻R105、电阻R109、电阻R117、电阻R121和开关管Q101；所述脉冲变压器T101的次级第一线圈一端依次通过二极管D117、稳压二极管D122、稳压二极管D126、稳压二极管D125与二极管D113连接；二极管D113与磁隔离电路的次级第一线圈另一端连接；磁隔离电路的次级第一线圈一端还通过电阻109与二极本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于DSC的全数字SiC逆变式多功能氩弧焊电源，其特征在于：包括主电路和DSC控制电路；所述主电路包括依次连接的共模噪声抑制模块、工频整流滤波模块、SiC逆变换流模块、功率变压器、SiC整流与平滑模块和非接触引弧模块组成；其中，共模噪声抑制模块与外部交流输入电源连接；SiC整流与平滑模块和非接触引弧模块分别与外部电弧负载连接；所述DSC控制电路包括DSC最小系统，以及分别与DSC最小系统连接的人机交互模块、故障诊断保护模块、SiC高频驱动模块和负载电信号检测模块；其中，故障诊断保护模块还分别与交流输入电源和SiC逆变换流模块连接；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电弧负载连接；非接触引弧模块与DSC最小系统连接。

【技术特征摘要】
1.一种基于DSC的全数字SiC逆变式多功能氩弧焊电源，其特征在于：包括主电路和DSC控制电路；所述主电路包括依次连接的共模噪声抑制模块、工频整流滤波模块、SiC逆变换流模块、功率变压器、SiC整流与平滑模块和非接触引弧模块组成；其中，共模噪声抑制模块与外部交流输入电源连接；SiC整流与平滑模块和非接触引弧模块分别与外部电弧负载连接；所述DSC控制电路包括DSC最小系统，以及分别与DSC最小系统连接的人机交互模块、故障诊断保护模块、SiC高频驱动模块和负载电信号检测模块；其中，故障诊断保护模块还分别与交流输入电源和SiC逆变换流模块连接；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电弧负载连接；非接触引弧模块与DSC最小系统连接。2.根据权利要求1所述的基于DSC的全数字SiC逆变式多功能氩弧焊电源，其特征在于：所述SiC逆变换流模块包括电容C4、电容C5、电容C6、电容C7、SiC功率开关管Q1、SiC功率开关管Q2、电容R6、电容R7、二极管D4和二极管D5；电容C4和电容C5串联后，与SiC功率开关管Q1和SiC功率开关管Q2串联形成的电路一起并联到工频整流滤波模块上；电容C6和电阻R6串联后并联到SiC功率开关管Q1上，SiC功率开关管Q1还与二极管D4并联；电容C7和电阻R7串联后并联到SiC功率开关管Q2上，SiC功率开关管Q2还与二极管D5并联；所述电容C4与电容C5的连接处与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SiC高频驱动模块连接。3.根据权利要求1所述的基于DSC的全数字SiC逆变式多功能氩弧焊电源，其特征在于：所述SiC整流与平滑模块包括二极管D6A、二极管D6B、电阻R5、电阻R9、电阻R11、电容C9、电容C10、电容C11、电容C12、电容C17、压敏电阻YM1、压敏电阻YM2和电感L2；所述功率变压器的次级第一输出端依次通过二极管D6A、电阻R9、电感L2与功率变压器的次级第二输出端连接；电阻R5和电容C9串联后并联在二极管D6A上，二极管D6A还与压敏电阻YM1并联；电容C11与电容C12串联后并联在电阻R9上，电阻R9还与电容C10并联；电容C11与电容C12的连接处接地；二极管D6A与电阻R9的连接处通过二极管D6B与功率变压器的次级第三输出端连接；电容C17与电阻R11串联后与二极管D6B并联，二极管D6B还与压敏电阻YM2并联；电阻R9的两端分别与电弧负载连接。4.根据权利要求1所述的基于DSC的全数字SiC逆变式多功能氩弧焊电源，其特征在于：所述SiC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DSC的全数字SiC逆变式多功能氩弧焊电源，其特征在于：所述供电电源电路由型...

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