一种大功率SiC埋弧焊接电源的制作方法

本实用新型涉及埋弧焊接电源技术领域，更具体地说，涉及一种大功率SiC埋弧焊接电源。

背景技术：

目前，在埋弧焊领域，由于其工艺所需要的大电流、大功率，国内外普遍采用硅整流和晶闸管整流式电源，可靠性较好，技术上也比较成熟，但设备体积庞大、笨重、能耗低、效率低，且由于结构其原因，动静态特性方面也不够理想。近年来，基于MOSFET或者IGBT的逆变焊接电源由于具有较高的逆变频率，能效得到较大幅度的提高，体积更小巧，重量更轻，动特性更好。但MOSFET的单管容量较小，通态损耗较高，器件耐压不高，很少在大功率埋弧焊逆变电源中应用；大功率埋弧焊逆变电源普遍采用IGBT功率管，但是开关频率较低，还存在着一定的不足之处：

(1)逆变频率较低；应用于弧焊逆变领域时，大功率的IGBT功率管的开关频率一般在20kHz左右，很少有能超过50kHz，使得电源的体积和重量难以进一步降低，功率密度不高，同时电源的动特性难以提高；

(2)效率不够高；由于IGBT存在拖尾效应，并且通态损耗也较高，IGBT逆变式埋弧焊接电源的能效一般在85％以下，很难超过90％；

(3)IGBT的热耐受性能较弱；由于大功率埋弧焊接电源的应用环境极其恶劣，有的焊缝长达40-50米，要求100％暂载率长时间大电流持续工作，功率开关器件的热损较高，对散热设计提出了很高的要求；

(4)限于IGBT器件的开关速度，逆变频率难以提高，不易实现大功率埋弧焊接电源的小型化、轻量化和模块化。

因此，亟待设计出一种新的埋弧焊接电源以解决上述问题。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于克服现有技术中的缺点与不足，提供一种大功率SiC埋弧焊接电源。该埋弧焊接电源可将SiC功率开关管应用到埋弧焊接电源中，大幅提升逆变频率，效率高，体积小，提升焊接质量。

为了达到上述目的，本实用新型通过下述技术方案予以实现：一种大功率SiC埋弧焊接电源，其特征在于：包括至少一个主电路，以及数字控制电路；每个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、SiC逆变换流模块、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三相交流输入电源连接；高频快速整流平滑模块与电弧负载连接；

所述数字控制电路包括DSC控制系统，以及分别与DSC控制系统连接的人机交互模块、安全保护模块、超高频驱动模块和电信号检测模块；所述超高频驱动模块还与SiC逆变换流模块连接；安全保护模块还与SiC逆变换流模块连接；电信号检测模块还分别与高频功率变压器和高频快速整流平滑模块连接。

优选地，所述主电路与数字控制电路的设置采用如下两种方案之一：

一、主电路为一个；DSC控制系统、人机交互模块、安全保护模块、超高频驱动模块和电信号检测模块分别为一个；人机交互模块、安全保护模块、超高频驱动模块和电信号检测模块分别与DSC控制系统连接；超高频驱动模块与SiC逆变换流模块连接；安全保护模块与SiC逆变换流模块连接；电信号检测模块分别与高频功率变压器和高频快速整流平滑模块连接；

二、主电路为两个以上；DSC控制系统、人机交互模块和安全保护模块分别为一个；超高频驱动模块和电信号检测模块的数量分别与主电路的数量相同；人机交互模块、安全保护模块、超高频驱动模块和电信号检测模块分别与DSC控制系统连接；所述安全保护模块分别与各个超高频驱动模块连接；各个超高频驱动模块还分别与SiC逆变换流模块一对一连接；同一主电路中，高频功率变压器和高频快速整流平滑模块分别与同一电信号检测模块连接。

优选地，所述SiC逆变换流模块包括SiC功率开关管G1、SiC功率开关管G2、SiC功率开关管G3、SiC功率开关管G4、电容C11、电容C12、电容C13、电容C14、电阻R5、电阻R6、电阻R7、电阻R8、电容C27和电容C29；高频功率变压器包括变压器T1；高频快速整流平滑模块包括电阻R1、电阻R2、电容C15、电容C16、SiC快速整流二极管D1、SiC快速整流二极管D2、SiC快速整流二极管D3、SiC快速整流二极管D4和电感L1；

SiC功率开关管G1和SiC功率开关管G2串联，之后分别与SiC功率开关管G3和SiC功率开关管G4组成的串联电路、电容C29以及工频整流滤波模块并联；电容C11与电阻R5串联后与SiC功率开关管G1并联；电容C12与电阻R6串联后与SiC功率开关管G2并联；电容C13与电阻R7串联后与SiC功率开关管G3并联；电容C14与电阻R8串联后与SiC功率开关管G4并联；

SiC功率开关管G1和SiC功率开关管G2的连接点通过电容C27、变压器T1初级与SiC功率开关管G3和SiC功率开关管G4的连接点连接；变压器T1次级的第一输出端通过SiC快速整流二极管D1和SiC快速整流二极管D3与变压器T1次级的第三输出端连接；电容C15和电阻R1串联后分别与SiC快速整流二极管D1和SiC快速整流二极管D2并联；电容C18和电阻R2串联后分别与SiC快速整流二极管D3和SiC快速整流二极管D4并联；SiC快速整流二极管D1和SiC快速整流二极管D3的连接点通过电感L1连接到电弧负载的正端；电弧负载的负端与变压器T1次级的第二输出端连接。

优选地，所述工频整流滤波模块包括整流桥BR1、电容C5、电容C6、电容C7、电容C8、电阻R3和电阻R4；

所述整流桥BR1的输入端与电磁噪声抑制模块连接；电容C5、电容C7和电阻R3组成并联电路，然后与电容C6、电容C8和电阻R4组成的并联电路串联，之后并联到整流桥BR1的输出端。

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U105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U101及其外围电路，以及型号为IXDN609PI的开关放大器U102及其外围电路；开关放大器U101和开关放大器U102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，所述电信号检测模块包括高频功率变压器原边电流精密高速整流电路、电弧负载电流检测电路和电弧负载电压实时检测电路。

优选地，所述安全保护模块包括输入过压/欠压诊断电路和过热诊断电路。

本实用新型的设计原理为：本实用新型采用了新一代SiC超高频逆变换流新技术，SiC功率开关管不存在电导调制效应，几乎无反向恢复效应，器件工作环境得到改善，开关速度达到微秒级，热耐受性是IGBT的2倍以上，可缩小散热结构，有利于实现埋弧焊接电源小型化，耐压可达1700V以上，单管的电流容量可达300A，特别适合大功率埋弧焊接应用场合；根据具体输出功率需求，本实用新型的主电路可以有一个或者多个。三相交流输入电源首先经过电磁噪声抑制电路，然后经过工频整流滤波模块进行整流滤波，转换为较平滑的高压直流电，然后输入SiC逆变换流模块，通过SiC功率开关管的超高频开通与关断，转变成高频高压交流方波脉冲，然后通过高频功率变压器进行电气隔离、变压和功率传递，转变为低压大电流的交流方波脉冲，最后经过基于SiC快速整流二极管的高频快速整流平滑模块转换为低压直流电，提供给电弧负载。安全保护模块实时检测三相交流输入电源的电压和SiC功率开关管的温升，一旦出现过压、欠压、过热等情况，安全保护模块的输出将触发DSC控制系统的故障中断端口，调用故障保护任务，关闭PWM输出，确保主电路安全。

与现有技术相比，本实用新型具有如下优点与有益效果：

1、本实用新型首次在大功率埋弧焊接电源中采用了基于SiC功率器件的新一代超高频逆变换流技术，逆变频率比现有的IGBT埋弧焊接电源提高10倍以上，效率提高10％左右，体积更为小巧，重量更轻，节约大量的制造原材料，综合制造成本更低；

2、本实用新型首次在大功率埋弧焊接电源中采用了基于高速高精度微处理器DSC的全数字控制技术，结合超高频逆变换流技术，使得本实用新型具备了超高速的动态响应性能，引弧成功率高，对焊接电弧的调控更为精确，实时性更强，焊接工艺质量更易于得到保障，综合性能提高4倍以上。

附图说明

图1是本实用新型埋弧焊接电源的结构原理框图；

图2是本实用新型埋弧焊接电源的主电路原理图；

图3(a)～图3(c)是本实用新型埋弧焊接电源的超高频驱动模块的电路原理图；

图4是本实用新型埋弧焊接电源的数字控制电路的功能原理图；

图5是本实用新型埋弧焊接电源的电信号检测模块的电路原理图；

图6是本实用新型埋弧焊接电源的安全保护模块的电路原理图；

图7是本实用新型埋弧焊接电源的人机交互模块的结构原理图。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本实用新型作进一步详细的描述。

实施例一

如图1～图7所示，本实施例大功率SiC埋弧焊接电源，包括两个主电路，以及数字控制电路；每个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、SiC逆变换流模块、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三相交流输入电源连接；高频快速整流平滑模块与电弧负载连接。

数字控制电路包括DSC控制系统，以及分别与DSC控制系统连接的人机交互模块、安全保护模块、超高频驱动模块和电信号检测模块。DSC控制系统、人机交互模块和安全保护模块分别为一个；超高频驱动模块和电信号检测模块的数量分别为两个；安全保护模块分别与各个超高频驱动模块连接；各个超高频驱动模块还分别与SiC逆变换流模块一对一连接；同一主电路中，高频功率变压器和高频快速整流平滑模块分别与同一电信号检测模块连接。

主电路中，工频整流滤波模块包括整流桥BR1、电容C5、电容C6、电容C7、电容C8、电阻R3和电阻R4。整流桥BR1的输入端与电磁噪声抑制模块连接；电容C5、电容C7和电阻R3组成并联电路，然后与电容C6、电容C8和电阻R4组成的并联电路串联，之后并联到整流桥BR1的输出端。

SiC逆变换流模块包括SiC功率开关管G1、SiC功率开关管G2、SiC功率开关管G3、SiC功率开关管G4、电容C11、电容C12、电容C13、电容C14、电阻R5、电阻R6、电阻R7、电阻R8、电容C27和电容C29；高频功率变压器包括变压器T1；高频快速整流平滑模块包括电阻R1、电阻R2、电容C15、电容C16、SiC快速整流二极管D1、SiC快速整流二极管D2、SiC快速整流二极管D3、SiC快速整流二极管D4和电感L1。

SiC功率开关管G1和SiC功率开关管G2串联，之后分别与SiC功率开关管G3和SiC功率开关管G4组成的串联电路、电容C29以及工频整流滤波模块并联；电容C11与电阻R5串联后与SiC功率开关管G1并联；电容C12与电阻R6串联后与SiC功率开关管G2并联；电容C13与电阻R7串联后与SiC功率开关管G3并联；电容C14与电阻R8串联后与SiC功率开关管G4并联。

SiC功率开关管G1和SiC功率开关管G2的连接点通过电容C27、变压器T1初级与SiC功率开关管G3和SiC功率开关管G4的连接点连接；变压器T1次级的第一输出端通过SiC快速整流二极管D1和SiC快速整流二极管D3与变压器T1次级的第三输出端连接；电容C15和电阻R1串联后分别与SiC快速整流二极管D1和SiC快速整流二极管D2并联；电容C18和电阻R2串联后分别与SiC快速整流二极管D3和SiC快速整流二极管D4并联；SiC快速整流二极管D1和SiC快速整流二极管D3的连接点通过电感L1连接到电弧负载的正端；电弧负载的负端与变压器T1次级的第二输出端连接。

其中，电容C29为直流母线突波吸收电容；电容C27为隔直电容；电阻R5-R8为功率电阻，可根据SiC功率开关管G1-G4的不同换流模式设计为不同的阻值，也可为零电阻；当电阻R5-R8为零电阻时，电容C11-C14为SiC功率开关管G1-G4外并联电容与内部寄生电容的等效电容值；SiC逆变换流模块也可以采用半桥逆变结构，此时超高频驱动模块只需要提供半桥驱动即可。

超高频驱动模块可以为半桥驱动工作模式，也可以由两个半桥驱动构成全桥驱动工作模式。图3(a)～图3(c)示出半桥驱动工作模式的电路原理图。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U105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U101及其外围电路，以及型号为IXDN609PI的开关放大器U102及其外围电路；开关放大器U101和开关放大器U102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。由DSC控制系统产生的数字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；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。

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。

如图4所示，本实用新型的数字控制电路以DSC控制系统为核心，包括电信号检测模块、人机交互模块、DSC控制系统、超高频驱动模块和安全保护模块。其中，电信号检测模块同时检测高频功率变压器的原边峰值电流与每个主电路的实际输出电流电压，实现内环与外环双环电信号检测，并将该双环信号输入DSC控制系统的ADC端口进行模数转换；DSC控制系统通过UART端口与人机交互模块进行数据通讯，获得预设的给定参数；DSC控制系统对预设参数、内环反馈值以及外环反馈值按照内嵌的双闭环模糊控制算法进行高速运算处理，一方面获得对应占空比和频率的数字PWM信号，该信号输入到超高频驱动模块经隔离放大之后驱动SiC功率开关管，另一方面判断焊接电源的输出是否超过容许的最大值，一旦处于过流状态则直接关闭数字PWM的输出；如此便形成一个双环调控与保护回路。DSC控制系统通过GPIO端口控制冷却水输入、埋弧焊接小车的启停、送丝启停以及其他外围辅助装置的控制；DSC控制系统通过UART端口与人机交互模块通讯，实现参数的显示、预设以及运行状态的显示与监控，此外还可以通过CAN通讯接口与配套的数字送丝装置或者其他的执行机构连接，从而实现整个埋弧焊接系统的全数字化。

电信号实时检测模块包括三大部分，即由电阻R300-R305、运算放大器U301-U302和二极管D300-D303构成的高频功率变压器原边电流精密高速整流电路、由电阻R306-R308、电容C300-C302、二极管D304-305和运算放大器U303构成的电弧负载电流检测电路、以及由电阻R309-R315、电容C303-C307、运算放大器U304-U306和光耦U307构成的电弧负载电压实时检测电路。其中，I_p为高频功率变压器的原边电流信号，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；这三个信号经过处理之后全部汇入电压信号变换器U308，然后分别输送给DSC控制系统。

安全保护模块包括输入过压/欠压诊断电路和过热诊断电路。

安全保护模块也主要包括两部分，即由电阻R203、电阻R206、电阻R209、电阻R210、电阻R212、电阻R217、比较器U201、比较器U202、U204、电容C224和电容C225构成输入过压/欠压诊断电路，以及由电感L201、电感L202、电容C226、电容C227、电阻R211、电阻R213、二极管D201、二极管D202、比较器U203等构成过热诊断电路。其中，VC为三相交流输入电源经过变压器降压整流之后的电压信号，通过经过电阻R203/R209与电阻R206/R210串联分压，所获得的分压值分别进入比较器U201和U202的同相端和反相端与预设的给定值进行比较，如果产生过压和欠压情况，则比较器U201和U202的输出发生反向。同理，过热检测端子直接连接安装在SiC功率开关管G1-G4散热器以及高频功率变压器初级线圈上的热敏电阻，该电阻与电阻R211串联分压；当温度升高时，其阻值会发生变化，使得比较器U203的反相端的电压发生改变，该电压值与比较器U203的同相端的参考电压值进行比较，一旦温升超过预设值，则比较器U203的输出就会发生反转。U204和比较器U203的输出信号会经过反相器U205之后分别传输给DSC控制系统，触发中断端口，调用内嵌于DSC控制系统内的中断保护程序，关闭数字PWM的输出，实现对主电路的保护。

如图7所示，本实用新型所述人机交互模块主要包括DSC微处理器、RA8875驱动器、TFT-LCD触摸屏、BOOST背光电源及其外围辅助电路连接组成。其中，DSC微处理器通过UART总线与DSC控制系统相连，实现人机交互模块与DSC控制系统的数字交互；DSC通过对RA8875内部寄存器的读写来实现相关图像信息在TFT-LCD的显示；调节RA8875的背光控制PWM信号可以调节BOOST背光光源，实现TFT-LCD背光的调整。

本实用新型的设计原理为：本实用新型采用了新一代SiC超高频逆变换流新技术，SiC功率开关管不存在电导调制效应，几乎无反向恢复效应，器件工作环境得到改善，开关速度达到微秒级，热耐受性是IGBT的2倍以上，耐压可达1700V以上，单管的电流容量可达300A，特别适合大功率埋弧焊接应用场合。三相交流输入电源首先经过电磁噪声抑制电路，然后经过工频整流滤波模块进行整流滤波，转换为较平滑的高压直流电，然后输入SiC逆变换流模块，通过SiC功率开关管的超高频开通与关断，转变成高频高压交流方波脉冲，然后通过高频功率变压器进行电气隔离、变压和功率传递，转变为低压大电流的交流方波脉冲，最后经过基于SiC快速整流二极管的高频快速整流平滑模块转换为低压直流电，提供给电弧负载。在SiC逆变换流模块的功率变换过程中，DSC控制系统将电信号检测模块检测到的负载电流、负载电压以及变压器原边峰值电流信号与人机交互模块预设的参数构成双反馈环，并根据内嵌于DSC控制系统内部的模糊闭环控制算法进行高速运算，输出相应占空比的200KHz以上的数字PWM信号，并经过超高频驱动模块隔离放大之后去控制SiC功率开关管的开通和关断，得到超高频交流方波脉冲，并经高频功率变压器和高频快速整流平滑模块转换成符合埋弧焊接工艺要求的输出波形，这就是本实用新型的大功率埋弧焊接电源的闭环控制过程；安全保护模块实时检测三相交流输入电源的电压和SiC功率开关管的温升，一旦出现过压、欠压、过热等情况，安全保护模块的输出将触发DSC控制系统的故障中断端口，调用故障保护任务，关闭PWM输出，确保主电路安全。

本实用新型的优点在于：

1、本实用新型首次在大功率埋弧焊接电源中采用了基于SiC功率器件的新一代超高频逆变换流技术，逆变频率比现有的IGBT埋弧焊接电源提高10倍以上，效率提高10％左右，体积更为小巧，重量更轻，节约大量的制造原材料，综合制造成本更低；

2、本实用新型首次在大功率埋弧焊接电源中采用了基于高速高精度微处理器DSC的全数字控制技术，结合超高频逆变换流技术，使得本实用新型具备了超高速的动态响应性能，引弧成功率高，对焊接电弧的调控更为精确，实时性更强，焊接工艺质量更易于得到保障，综合性能提高4倍以上。

实施例二

本实施例大功率SiC埋弧焊接电源与实施例一的区别在于：本实施例中，主电路为一个；DSC控制系统、人机交互模块、安全保护模块、超高频驱动模块和电信号检测模块分别为一个；人机交互模块、安全保护模块、超高频驱动模块和电信号检测模块分别与DSC控制系统连接；超高频驱动模块与SiC逆变换流模块连接；安全保护模块与SiC逆变换流模块连接；电信号检测模块分别与高频功率变压器和高频快速整流平滑模块连接。本实施例的其余结构与实施例一相同。

实施例三

本实施例大功率SiC埋弧焊接电源与实施例一的区别在于：本实施例中，主电路为三个以上，主电路的数量可根据具体输出功率需求设定。DSC控制系统、人机交互模块和安全保护模块分别为一个；超高频驱动模块和电信号检测模块的数量分别与主电路的数量相同；人机交互模块、安全保护模块、超高频驱动模块和电信号检测模块分别与DSC控制系统连接；所述安全保护模块分别与各个超高频驱动模块连接；各个超高频驱动模块还分别与SiC逆变换流模块一对一连接；同一主电路中，高频功率变压器和高频快速整流平滑模块分别与同一电信号检测模块连接。本实施例的其余结构与实施例一相同。

上述实施例为本实用新型较佳的实施方式，但本实用新型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实用新型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，都包含在本实用新型的保护范围之内。