一种基于SiC模块的快频变极性TIG焊接电源及系统技术方案

本发明专利技术提供了一种基于SiC模块的快频变极性TIG焊接电源及系统；其中焊接电源包括双路并联功率主电路、控制电路和人机交互系统；双路并联功率主电路包括三相整流滤波电路、快频脉冲电流主电路和变极性电流主电路；快频脉冲电流主电路和变极性电流主电路均包括依次连接的初级逆变电路、高频变压器和超快恢复整流平滑电路；快频脉冲电流主电路还包括依次连接在超快恢复整流平滑电路之后的滤波电感和高频切换电路；变极性电流主电路还包括依次连接在超快恢复整流平滑电路之后的耦合电感和次级逆变换流电路。该焊接电源可缩小体积，动态响应速度快，开关损耗低，能效高，输出波形稳定不失真，可提高焊接质量。可提高焊接质量。可提高焊接质量。

【技术实现步骤摘要】
一种基于SiC模块的快频变极性TIG焊接电源及系统


[0001]本专利技术涉及焊接设备
，更具体地说，涉及一种基于SiC模块的快频变极性TIG焊接电源及系统。

技术介绍

[0002]变极性焊接电源在镁、铝合金焊接工艺中扮演了重要角色。由于镁合金、铝合金等合金热导率高、热膨胀系数大且表层易发生氧化形成氧化膜，采用DCEN(直流正接)或DCEP(直流反接)的直流钨极惰性气体保护焊(Tungsten Inert Gas，TIG)容易产生晶粒粗大、夹渣、钨极烧损、热裂纹等缺陷。变极性钨极惰性气体保护焊(Variable Polarity TIG,VPTIG)工艺具有阴极清理的作用，可将金属表层的氧化膜破碎并进行清理。目前，市面上的VPTIG焊接电源尚存在控制精度低、响应速度慢、输出电流波形不规整、热输入量过大、变极性过零点速率慢、易断弧等问题，例如，中国专利技术专利《焊接电源及交直流氩弧焊机》(公开号：CN105817740A)和《短路型交流焊接控制电路及焊接电源》(公开号：CN111001901A)仍然在逆变主电路采用Si基IGBT模块作为开关功率管，其逆变频率通常不能超过20kHz，因此其响应速度和控制精度也难以得到比较大的改善。
[0003]另一方面，由于Si基功率器件的各项性能参数已接近由其材料特性和制造工艺决定的理论极限，依靠Si基功率器件来提升焊接电源的综合性能也非常困难。Si IGBT具有拖尾效应并拖尾关断时间长，会存在开关损耗大的问题，很难进一步提升焊接电源的换流效率和换流速度。Si MOSFET虽然在关断延迟时间和关断损耗上稍有改善，但其耐压和通流能力普遍较低，不适用于大功率应用场合。SiC功率模块作为宽禁带半导体器件，相比同功率等级的Si MOSFET和Si IGBT，其导通电阻更低、开关延迟时间与开关时间更短、开关损耗更低，更适用于高频大功率逆变场景。因此，利用SiC功率模块更容易提高焊接电源系统的开关频率、换流效率及控制精度，推动焊接电源系统向高频化、高效化、精密化发展。现阶段需要设计出一种基于SiC功率模块的快频变极性TIG焊接电源。

技术实现思路

[0004]为克服现有技术中的缺点与不足，本专利技术的目的在于提供一种基于SiC模块的快频变极性TIG焊接电源及系统；该焊接电源可缩小体积，动态响应速度快，开关损耗低，能效高，输出波形稳定不失真，可提高焊接质量。
[0005]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SiC模块的快频变极性TIG焊接电源，其特征在于：包括双路并联功率主电路、控制电路和人机交互系统；
[0006]所述双路并联功率主电路包括三相整流滤波电路、快频脉冲电流主电路和变极性电流主电路；所述快频脉冲电流主电路和变极性电流主电路均包括依次连接的初级逆变电路、高频变压器和超快恢复整流平滑电路；快频脉冲电流主电路还包括依次连接在超快恢复整流平滑电路之后的滤波电感和高频切换电路；变极性电流主电路还包括依次连接在超快恢复整流平滑电路之后的耦合电感和次级逆变换流电路；其中，快频脉冲电流主电路和
变极性电流主电路的初级逆变电路分别与三相整流滤波电路；快频脉冲电流主电路的高频切换电路和变极性电流主电路的次级逆变换流电路分别与焊接负载连接；
[0007]快频脉冲电流主电路的初级逆变电路和高频切换电路，以及变极性电流主电路的初级逆变电路和次级逆变换流电路分别与全数字控制电路连接；全数字控制电路还与人机交互系统连接。
[0008]优选地，所述快频脉冲电流主电路和变极性电流主电路的初级逆变电路均采用由四个SiC开关管组成的全桥逆变拓扑结构；各个SiC开关管分别带有SiC吸收电路；各个SiC开关管分别与控制电路的SiC驱动电路连接。
[0009]优选地，所述快频脉冲电流主电路中，超快恢复整流平滑电路包括二极管VD1和二极管VD2；
[0010]二极管VD1和二极管VD2分别连接在高频变压器的次级，组成全波整流电路；二极管VD1和二极管VD2连接处通过串联的滤波电感L1和高频切换电路与高频变压器的次级中间抽头连接；所述二极管VD1和二极管VD2分别并联有整流吸收电路一。
[0011]优选地，所述变极性电流主电路中，超快恢复整流平滑电路包括二极管VD3～二极管VD6；二极管VD3～二极管VD6组成全桥整流拓扑结构；二极管VD3～二极管VD6分别并联有整流吸收电路二。
[0012]优选地，所述整流吸收电路二由RC串联单元和压敏电阻并联组成。
[0013]优选地，所述变极性电流主电路中，耦合电感由电感L2和电感L3组成。
[0014]优选地，所述快频脉冲电流主电路中，高频切换电路包括IGBT开关管Q1和IGBT开关管Q2；IGBT开关管Q1的一端与滤波电感L1连接，另一端与高频变压器的次级中间抽头连接；IGBT开关管Q1的一端还通过串联的IGBT开关管Q2和防反灌二极管VD7与焊接负载连接；
[0015]所述变极性电流主电路中，次级逆变换流电路包括IGBT开关管Q3～IGBT开关管Q6；IGBT开关管Q3和IGBT开关管Q5串联组成的IGBT模块一，IGBT开关管Q4和IGBT开关管Q6串联组成的IGBT模块二；IGBT模块一和IGBT模块二分别与耦合电感连接；IGBT开关管Q3和IGBT开关管Q4并联，IGBT开关管Q5和IGBT开关管Q6并联，构成半桥逆变换流拓扑结构；IGBT开关管Q4和IGBT开关管Q6连接处经由高频起弧电路与焊接负载连接。
[0016]优选地，所述IGBT开关管Q1和IGBT开关管Q2分别并联有切换吸收电路；所述IGBT开关管Q4和IGBT开关管Q6分别并联有换流吸收电路。
[0017]优选地，所述IGBT开关管Q1～IGBT开关管Q6分别与控制电路的IGBT驱动电路连接，以实现分别向IGBT开关管Q1～IGBT开关管Q6输出IGBT驱动信号；
[0018]当IGBT开关管Q3和IGBT开关管Q4导通、IGBT开关管Q5和Q6关断时，IGBT开关管Q1与IGBT开关管Q2以超高频率切换；当IGBT开关管Q3和IGBT开关管Q4关断、IGBT开关管Q5和IGBT开关管Q6导通时，IGBT开关管Q1保持导通，IGBT开关管Q2保持关断。
[0019]一种焊接系统，其特征在于：包括上述基于SiC模块的快频变极性TIG焊接电源。
[0020]与现有技术相比，本专利技术具有如下优点与有益效果：
[0021]1、与主要采用Si基IGBT或者MOSFET作为主要换流器件的传统TIG焊接电源相比，本专利技术焊接电源的功率开关器件采用了新型的SiC开关管，逆变频率可高达100kHz以上，相对比目前较常用的IGBT提高了近五倍，不仅整机尺寸大幅减小，动态响应速度也更为理想。由于SiC开关管自身的优异性能，其开关损耗和导通损耗均较小，极大地提高了TIG焊接电
源的能效；
[0022]2、本专利技术焊接电源可以加强输出电流的控制效果，稳定输出直流、方波、变极性方波、阶本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于SiC模块的快频变极性TIG焊接电源，其特征在于：包括双路并联功率主电路、控制电路和人机交互系统；所述双路并联功率主电路包括三相整流滤波电路、快频脉冲电流主电路和变极性电流主电路；所述快频脉冲电流主电路和变极性电流主电路均包括依次连接的初级逆变电路、高频变压器和超快恢复整流平滑电路；快频脉冲电流主电路还包括依次连接在超快恢复整流平滑电路之后的滤波电感和高频切换电路；变极性电流主电路还包括依次连接在超快恢复整流平滑电路之后的耦合电感和次级逆变换流电路；其中，快频脉冲电流主电路和变极性电流主电路的初级逆变电路分别与三相整流滤波电路；快频脉冲电流主电路的高频切换电路和变极性电流主电路的次级逆变换流电路分别与焊接负载连接；快频脉冲电流主电路的初级逆变电路和高频切换电路，以及变极性电流主电路的初级逆变电路和次级逆变换流电路分别与全数字控制电路连接；全数字控制电路还与人机交互系统连接。2.根据权利要求1所述的基于SiC模块的快频变极性TIG焊接电源，其特征在于：所述快频脉冲电流主电路和变极性电流主电路的初级逆变电路均采用由四个SiC开关管组成的全桥逆变拓扑结构；各个SiC开关管分别带有SiC吸收电路；各个SiC开关管分别与控制电路的SiC驱动电路连接。3.根据权利要求1所述的基于SiC模块的快频变极性TIG焊接电源，其特征在于：所述快频脉冲电流主电路中，超快恢复整流平滑电路包括二极管VD1和二极管VD2；二极管VD1和二极管VD2分别连接在高频变压器的次级，组成全波整流电路；二极管VD1和二极管VD2连接处通过串联的滤波电感L1和高频切换电路与高频变压器的次级中间抽头连接；所述二极管VD1和二极管VD2分别并联有整流吸收电路一。4.根据权利要求1所述的基于SiC模块的快频变极性TIG焊接电源，其特征在于：所述变极性电流主电路中，超快恢复整流平滑电路包括二极管VD3～二极管VD6；二极管VD3～二极管VD6组成全桥整流拓扑结构；二极管VD3～二极管VD6分别并联有整流吸收电路二。5.根据权利要求4所述的基于SiC模块的快频变极性TIG焊接电源，其特征在于：所述整流吸收电路二由...

【专利技术属性】
技术研发人员：王振民，江东航，饶杰，徐孟嘉，张芩，吴祥淼，
申请(专利权)人：华南理工大学，
类型：发明
国别省市：