基于SiC的超高频逆变式手工焊接电源的制作方法

本发明涉及弧焊逆变电源技术领域，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。

背景技术：

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，本发明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。

本发明焊接电源中，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。

本发明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，本发明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，所述安全保护模块的输入端与三相/单相交流输入电源连接是指，安全保护模块的输入端分别通过霍尔传感器和交流变压器与三相/单相交流输入电源连接，以实现三相/单相交流输入电源的输入电流值和输入电压值检测；

所述安全保护模块的输入端与超高频逆变换流模块连接是指，安全保护模块的输入端与设置在超高频逆变换流模块上的热敏电阻连接，以实现温度检测。

安全保护模块检测三相/单相交流输入电源的输入电流值和输入电压值，判断是否存在过流、过压、欠压现象，同时还通过热敏电阻检测超高频逆变换流模块的温升情况，判断是否超过容许的温升范围；一旦出现过流、过压、欠压、过热等现象，安全保护模块将向DSC控制器发出中断信号，DSC控制器将调用安全保护任务，关闭数字PWM的输出，确保主电路的安全。

优选地，所述基于DSC的人机交互模块与DSC控制器之间采用总线通讯实现数字协同控制。

与现有技术相比，本发明具有如下优点与有益效果：

1、本发明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，具有优异的动态响应速度，具备优异的工艺适应性，可适应多种材料的高性能手工焊接；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；

2、本发明焊接电源采用SiC功率器件，SiC功率器件可靠性髙，热耐受性好，使散热器体积可大幅度减小；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，本发明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；

3、本发明焊接电源的功率器件全部采用新一代SiC电力电子器件，开关损耗低，能效可超过95％，约比现有的手工焊接电源节能10％左右，负载持续率髙达100％。

附图说明

图1是本发明焊接电源的系统框图；

图2是本发明焊接电源中主电路的电路图；

图3(A)～图3(C)是本发明焊接电源中超高频驱动模块的电路图；

图4是本发明焊接电源中安全保护模块的电路图；

图5是本发明焊接电源中负载电流电压检测模块的电路图；

图6是本发明焊接电源中基于DSC的人机交互模块的方框图；

图7是本发明焊接电源中DCS控制器的电路图。

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SiC的超高频逆变式手工焊接电源，其结构如图1～图7所示；包括主电路和数字控制电路。

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，电磁噪声抑制模块与外部三相/单相交流输入电源连接；高频快速整流平滑模块与外部电弧负载连接。

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，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；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；基于DSC的人机交互模块与DSC控制器连接；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。

本实施例焊接电源中，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。

具体地说，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；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。

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R0并联。

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。

本实施例焊接电源的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。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，使得焊接电源的逆变频率超过200kHz，可实现超高频逆变；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，本实施例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。

DSC控制器主要包括DSC微处理器一、由型号为AMS1117的芯片及其外围电路构成的低压差线性稳压电源模块、外部时钟电路、外部复位电路以及JTAG调试电路。其中，DSC微处理器一可以是DSC级的ARM微处理器STM32F405RGT6，也可以是其他的DSC级微处理器，此处仅以STM32F405RGT6为例进行介绍；由DSC微处理器一内部的高级控制定时器模块直接产生互补带死区的数字PWM信号；DSC微处理器一内嵌了相应的电流-电压双闭环控制算法，可以实现恒流、变斜率特性以及阶梯特性控制等功能。

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。其中，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的输入端分别与超高频逆变换流模块连接，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。

安全保护模块的输入端与三相/单相交流输入电源连接是指，安全保护模块的输入端分别通过霍尔传感器和交流变压器与三相/单相交流输入电源连接，以实现三相/单相交流输入电源的输入电流值和输入电压值检测；

安全保护模块的输入端与超高频逆变换流模块连接是指，安全保护模块的输入端与设置在超高频逆变换流模块上的热敏电阻连接，以实现温度检测。

在安全保护模块中，CN6连接安装于超高频逆变换流模块的SiC功率开关管散热器上的热敏电阻，该热敏电阻与电阻R211构成分压电路，一旦温度升高，热敏电阻的阻值会发生改变，导致该分压变化；该分压与U13A的同相端的参考电压值进行比较，导致U13A的输出电平信号发生反转。CN5连接霍尔电流传感器，霍尔传感器检测输入电流值，并与U13B的同相端电压进行比较，一旦过流，则U13B的输出电平也发生反转；利用交流变压器对三相/单相交流输入电源进行降压并整流，得到VC，该电压经过由电阻R209/R203、R210/R206构成的分压电路进行分压，并与预设的VREF值进行比较，一旦发生过压或者欠压情况，U12A或者U12B的输出电平也会发生反转。U12A/U12B/U13A/U13B的输出和三个与门逻辑电路以及反相器芯片ULN2003A相连接，通过ULN2003A的16脚与DSC控制器的中断端口相连接。一旦出现过流、过压、欠压、过热等现象，安全保护模块将向DSC控制器发出中断信号，DSC控制器将调用安全保护任务，关闭数字PWM的输出，确保主电路的安全。

负载电流电压检测模块包括由电阻R306、R307、R308、电容C300、C301、C302、二极管D304、D305和芯片U3构成的电弧负载电流检测电路，以及由电阻R309、R310、R311、R312、R313、R314、R315、电容C303、C304、C305、C306、C307、芯片U4、U5、U6和U7构成的电弧负载电压实时检测电路。其中I_o为电弧负载电流信号，U_o为电弧负载两端的电压信号。芯片U3、U4、U5和U6均为高速精密运算放大器集成电路，芯片U7为双输入双输出高隔离线性光耦。电弧负载电流信号和电弧负载两端的电压信号经过处理之后全部汇入电压信号变换器芯片U8，然后分别输送给DSC控制器。

基于DSC的人机交互模块包括DSC微处理器二、正交编码器、按键、LED指示灯、数码管以及输入滤波电路以及电流放大电路；人机交互模块采用DSC微处理器二作为控制核心完成所有信息的处理与控制功能。其中，正交编码器与DSC微处理器二的TIME模块相连，TIME模块具有编码器接口并带有数字信号滤波模块，正交编码器产生的两路正交信号输入到TIME模块，TIME模块根据两路信号相位的超前或滞后进行计数，通过软件编程获取计数值从而实现正交编码器动作时数字面板参数实时调整，保证数据调节准确。按键、LED和数码管与DSC微处理器二的GPIO模块相连，LED和数码管驱动电路均采用74HC595和ULN2003扩展IO口并放大LED和数码管的电流，以保证足够的显示亮度。基于DSC的人机交互模块与DSC控制器之间采用总线通讯实现数字协同控制。

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。