基于DSC的全数字SiC逆变式多功能氩弧焊电源的制作方法

本发明涉及高频弧焊逆变技术领域，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。

背景技术：

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。

技术实现要素：

本发明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，本发明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。

本发明为逆变式直流、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。

本发明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与二极管D113连接；稳压二极管D122通过电阻R113和双二极管组DQ101与二极管D113连接；稳压二极管D122还通过电阻R121和电阻R117与二极管D113连接；二极管D117与稳压二极管D122的连接处通过开关管Q101与二极管D113连接，电阻R109与二极管D117连接处与开关管Q101连接；电阻105并联在二极管D113两端；电容C115并联在稳压二极管D122两端。

优选地，所述负载电信号检测模块包括霍尔电流电压传感器、由型号为AD629的精密差动放大器及其外围电路构成的集成差动放大电路、由型号为OP177的芯片及其外围电路构成的二阶有源低通滤波电路和由型号为LF353的芯片及其外围电路构成的绝对值电路；所述霍尔电流电压传感器、集成差动放大电路、二阶有源低通滤波电路和绝对值电路依次连接。

优选地，所述非接触引弧模块包括升压变压器T1、放电器FD、高压充电电容C、输出耦合变压器T2、SiC功率开关管Q10和开关K；升压变压器T1的初级、SiC功率开关管Q10和开关K串联后与非接触引弧模块的供电模块连接；升压变压器T1的次级通过放电器FD与输出耦合变压器T2的初级连接；输出耦合变压器T2的次级与电弧负载连接；电容C并联在升压变压器T1的次级上；DSC最小系统分别与SiC功率开关管Q10和开关K连接。

与现有技术相比，本发明具有如下优点与有益效果：

1、与传统氩弧焊电源相比，本发明氩弧焊电源的功率开关器件全部采用新一代电力电子器件SiC功率管，开关频率更高，体积减小1/3以上，综合制造成本低25％以上，节能10％左右，综合性能大幅度提高；

2、本发明氩弧焊电源采用了基于DSC的高速高精度全数字化控制技术，控制精度更高，响应速度更快，实现了闭环控制，更易于实现对焊接电弧的精细化设计与控制，提高焊接工艺质量；

3、本发明氩弧焊电源采用的SiC功率器件具有更好的热耐受性，并且几乎没有电导调制效应，几乎不存在反向恢复时间，使得器件开关应力得到极大改善，进一步提高了整机的可靠性。

附图说明

图1是本发明氩弧焊电源的系统框图；

图2是本发明氩弧焊电源中主电路的电路图；

图3(A)～图3(C)是本氩弧焊焊接电源中SiC高频驱动模块的电路图；

图4是本发明氩弧焊电源中非接触引弧模块的电路图；

图5是本发明氩弧焊电源中负载电信号检测模块的电路图；

图6是本发明氩弧焊电源中DCS最小系统的电路图。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细的描述。

实施例

本实施例基于DSC的全数字SiC逆变式多功能氩弧焊电源，其结构如图1～图6所示；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；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。

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。

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；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。

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。

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。

本发明为逆变式直流、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。主电路可以采用半桥式拓扑或全桥逆变式拓扑；人机交互模块具备UART或者CAN或者ETHERNET等通讯接口，既可以是数码按键模式的数字面板，也可以是工业触摸屏交互界面。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。

本发明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。

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。

DSC最小系统包括DSC微处理器、精密3.3V电源模块、外部时钟振荡模块、复位模块、JTAG调试接口以及其他辅助外围电路。DSC微处理器内嵌了FREERTOS系统，能够完成氩弧焊电源内多控制任务的实时调度；负载电信号检测模块的输入连接到DSC微处理器的ADC端口；故障诊断模块的输出连接DSC微处理器的中断端口。

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。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。供电电源电路的输入电压可高达40V，输出1.2V～37V的可调电压，输出电流可达到3A，具有过热保护和限流保护功能，本实施例中，设定的输出电压为直流24V。

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，输出端分别与磁隔离电路连接。由DSC控制器产生的数字PWM信号A/B经过前隔离处理，之后直接驱动由IXDN609PI组成的推挽输出电路，得到两路推挽输出的驱动脉冲驱动信号OUT-A1和OUT-B1。

磁隔离电路由脉冲变压器T101组成；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。

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；

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与二极管D113连接；稳压二极管D122通过电阻R113和双二极管组DQ101与二极管D113连接；稳压二极管D122还通过电阻R121和电阻R117与二极管D113连接；二极管D117与稳压二极管D122的连接处通过开关管Q101与二极管D113连接，电阻R109与二极管D117连接处与开关管Q101连接；电阻105并联在二极管D113两端；电容C115并联在稳压二极管D122两端。信号整形电路产生正20V、负5.1V的SiC功率开关驱动电压信号，提升功率开关的开通和关断速度。

非接触引弧模块包括升压变压器T1、放电器FD、高压充电电容C、输出耦合变压器T2、SiC功率开关管Q10和开关K；升压变压器T1的初级、SiC功率开关管Q10和开关K串联后与非接触引弧模块的供电模块连接；升压变压器T1的次级通过放电器FD与输出耦合变压器T2的初级连接；输出耦合变压器T2的次级与电弧负载连接；电容C并联在升压变压器T1的次级上；DSC最小系统分别与SiC功率开关管Q10和开关K连接。

其中，DSC微处理器的GPIO口输出高低电平分别控制SiC功率开关管Q10与开关K的开通与关断。当焊枪开关闭合，DSC微处理器的其中一个GPIO口输出高电平，首先使开关K闭合，然后DSC微处理器的另一个GPIO口输出SiC功率开关管Q10的驱动信号，使得SiC功率开关管Q10快速开关，输入端直流电压U0经升压变压器T1升压之后对电容C充电，当电容C电压达到放电器FD的击穿电压，放电器FD的空气间隙被击穿而放电；放电器FD的等效电阻R、电容C、耦合变压器T2的初级电感L形成RLC振荡，产生高频高压信号，该信号通过耦合变压器T2的次级侧加载到钨极与工件之间，击穿间隙，引燃电弧。DSC微处理器根据检测到的输出电流和电压值判断引弧是否成功，如引弧成功，则DSC微处理器会关闭GPIO的输出，使开关K打开，非接触引弧模块停止工作。该非接触引弧模块的结构极其简单，引弧能力强，电磁干扰小，引弧成功率高。

负载电信号检测模块包括霍尔电流电压传感器、由型号为AD629的精密差动放大器及其外围电路构成的集成差动放大电路、由型号为OP177的芯片及其外围电路构成的二阶有源低通滤波电路和由型号为LF353的芯片及其外围电路构成的绝对值电路；霍尔电流电压传感器、集成差动放大电路、二阶有源低通滤波电路和绝对值电路依次连接。

采样负载电流时，霍尔电流电压传感器采用型号为HAS600-S的传感器；采样负载电压时，霍尔电流电压传感器采用型号为LV25-P的传感器。由霍尔电流电压传感器采样并经过转换后的电流电压信号经集成差动放大电路进行共模抑制，再通过二阶有源低通滤波电路进行滤波，再经过绝对值电路对测量信号进行整定，最后输入到DSC微处理器的ADC模块，转换成DSC微处理器所能识别处理的数字信号。为防止输入到DSC微处理器的电压过大或者输入负压，在输入管脚之前增加了二极管D250和二极管D251进行钳位，使输入的反馈信号保持在0～3.3V之间，保护DSC微处理器的芯片管脚。

本实施例氩弧焊电源，交流输入电源经过共模噪声抑制模块后进入工频整流滤波模块使工频交流电转换成平滑直流电；然后进入SiC逆变换流模块，DSC最小系统将从人机交互模块发送的预设值与负载电信号检测模块输入的实际电流电压值进行比较，并按照内嵌的算法运算，产生相应的数字PWM信号；经过SiC高频驱动模块进行隔离、放大和整形之后，驱动SiC逆变换流模块的SiC功率开关管，使之按照预设的占空比和频率高速开关，从而可得到高达400kHz的高频高压交流方波脉冲；然后经过功率变压器转换成低压高频方波脉冲，再经过SiC整流与平滑模块转变成氩弧焊接所需的直流电，从而完成完整的闭环控制过程。

DSC微处理器可根据焊枪开合状态来确定是否以及何时使能非接触引弧模块；故障诊断保护模块检测交流输入电源的实时电压和功率器件散热器的温度，以确定是否存在过压、欠压或者过热等情况，一旦出现过压/欠压/过热/过流等情况，则故障诊断保护模块的输出会触发DSC微处理器的中断，调用故障保护任务；DSC微处理器对负载电信号检测模块检测的平均电流值与预设的电流值进行比较，判断是否过流，一旦发生过流现象，也会立即调用故障保护任务，封锁数字PWM的输出，关闭SiC功率开关管，确保主电路的安全。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。