SiC逆变式等离子切割电源的制作方法

本发明涉及高频逆变热切割技术领域，更具体地说，涉及一种SiC逆变式等离子切割电源。

背景技术：

目前，在小功率切割电源领域已经普遍采用高效节能、体积小巧的MOSFET或者IGBT逆变式等离子切割电源；而在中大功率领域，由于其工艺所需要的电压高、功率强，目前仍以整流或者斩波方式的等离子切割电源为主，虽然工作相对可靠，技术上也比较成熟，但设备体积庞大、笨重、能耗低、效率低，且由于其结构原因，动静态特性均不够理想，限制了切割质量的进一步提高；同时，Si基功率整流二极管存在电导调制效应，在关断过程存在非常明显的反向恢复效应，易于出现很高的电压尖峰，危及主电路的工作安全；此外，等离子弧切割电源的空载电压很高，在引弧切割瞬间的瞬态电流冲击非常大；上述因素导致大功率逆变式等离子切割电源的可靠性还未能得到很好的解决，工业生产中还非常缺乏中大功率的逆变式等离子切割电源。

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SiC逆变式等离子切割电源。该电源逆变频率高，体积小巧，重量轻，节约制造原材料，能效高，节能效果明显，并具有优异的动特性，既可以应用于小功率场合，也能稳定可靠地应用于中大功率切割场合。

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SiC逆变式等离子切割电源，其特征在于：包括主电路和闭环控制电路；所述主电路包括依次连接的噪声抑制模块、工频整流滤波模块、SiC逆变换流模块、功率变压器和SiC整流与平滑模块，以及非接触引弧模块；其中，噪声抑制模块与交流输入电源连接；SiC整流与平滑模块和非接触引弧模块分别与负载连接；

所述闭环控制电路包括人机交互模块、DSC控制器、故障诊断保护模块、SiC高频驱动模块以及负载电信号检测模块；所述人机交互模块、故障诊断保护模块、SiC高频驱动模块、负载电信号检测模块和非接触引弧模块分别与DSC控制器连接；所述故障诊断保护模块还分别与SiC逆变换流模块和功率变压器连接；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SiC整流与平滑模块连接。

优选地，所述工频整流滤波模块包括整流器BR1、电感L1和电容C11；

所述SiC逆变换流模块包括SiC功率开关器件Q1、SiC功率开关器件Q2、SiC功率开关器件Q3、SiC功率开关器件Q4、电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电容C1、电容C2、电容C3、电容C4和电容Cr；

所述功率变压器包括变压器T1、电容C12和电阻R12；

所述SiC整流与平滑模块包括SiC整流二极管D1、SiC整流二极管D2、SiC整流二极管D3、SiC整流二极管D4、电容C5、电容C6、电容C7、电容C8、电容C9、电容C10、电阻R5、电阻R6、电阻R7、电阻R8、电阻R9、压敏电阻YR1、压敏电阻YR2、压敏电阻YR3、压敏电阻YR4和电感L2；

所述噪声抑制模块与整流器BR1的输入端连接；电感L1和电容C11串联，之后并联在整流器BR1的输出端；

电容C11与SiC功率开关器件Q1和SiC功率开关器件Q2组成的串联电路并联，并且与SiC功率开关器件Q3和SiC功率开关器件Q4组成的串联电路并联；电阻R1和电容C1串联后并联在SiC功率开关器件Q1上；电阻R2和电容C2串联后并联在SiC功率开关器件Q2上；电阻R3和电容C3串联后并联在SiC功率开关器件Q3上；电阻R4和电容C4串联后并联在SiC功率开关器件Q4上；SiC功率开关器件Q1和SiC功率开关器件Q2的连接点通过电容Cr和变压器T1初级与SiC功率开关器件Q3和SiC功率开关器件Q4的连接点连接；电容C12和电阻R12串联后并联在变压器T1初级上；变压器T1次级与SiC整流二极管D1和SiC整流二极管D2组成的串联电路并联，并且与SiC整流二极管D3和SiC整流二极管D4组成的串联电路并联；电容C5和电阻R5串联后分别与SiC整流二极管D1和压敏电阻YR1并联；电阻R6和电容C6串联后分别与SiC整流二极管D2和压敏电阻YR2并联；电容C7和电阻R7串联后分别与SiC整流二极管D3和压敏电阻YR3并联；电阻R8和电容C8串联后分别与SiC整流二极管D4和压敏电阻YR4并联；SiC整流二极管D1和SiC整流二极管D2的连接点通过电感L2和电容C9与SiC整流二极管D3和SiC整流二极管D4的连接点连接；电阻R9和电容C10分别并联在电容C9上；电容C10的一端与负载的正端连接，电容C10的另一端通过耦合变压器器T2初级与负载的负端连接；耦合变压器器T2次级与非接触引弧模块连接。

优选地，所述非接触引弧模块包括型号为IC1555的触发器、SiC型场效应晶体管Q110、升压变压器T103、整流桥B101、放电器101、放电器102和高压充电电容C106，以及其它外围辅助电路。

优选地，所述SiC高频驱动模块包括场效应管M201、场效应管M202、场效应管M203、场效应管M204、变压器T201、变压器T202和四个SiC驱动电路，以及其它外围辅助电路。

优选地，所述负载电信号检测模块包括电流采样电路和电压分压采样电路；所述电流采样电路包括包括霍尔电流传感器、型号为AD629的芯片U301和型号为OP177的芯片U302，以及其它外围辅助电路；所述电压分压采样电路包括由电阻R401和电阻402组成的分压单元、型号为LF353的芯片U401和型号为HCNR201的芯片U402，以及其它外围辅助电路。

优选地，所述故障诊断保护模块包括过压欠压监测电路、缺相检测电路和过热检测电路；所述过压欠压监测电路包括由电阻R513、电阻R514、电阻R517和电阻R518组成的桥式电路、VCC直流源、比较器U501、比较器U502、光耦U515和光耦U516，以及其它外围辅助电路；所述缺相检测电路包括比较器U503和光耦U514，以及其它外围辅助电路。

优选地，所述噪声抑制模块包括三相共模电感Lcm、三相差模电感L_dm、X电容、Y电容和泄放电阻。

优选地，所述DSC控制器包括内嵌FREERTOS系统的DSC微处理器、电源单元、外部时钟振荡单元、复位单元和JTAG调试接口。

本发明电源创新设计的基础原理为：首先，SiC功率器件的开关速度快，开关损耗低，因此基于SiC功率器件的超高频逆变技术能够大幅度地提高电源的逆变频率，从而使得电源主电路的磁性功率器件以及平滑滤波器件的体积和重量大幅降低，能量传递效率进一步提高；其次，由于SiC功率器件几乎不存在电导调制效应，使得它在开关过程不存在反向恢复效应，不易产生大的电压电流尖峰，器件工作应力环境大为改善，提高了可靠性；然后，SiC功率器件具有更好的热耐受性，不仅可靠性提高，而且散热器的体积和重量也可以大幅度地降低，体积更小，重量更轻，功率密度更高，综合制造成本更低；最后，由于工作频率提高，电源的动特性得到了明显提高，使得电源对切割电流的控制更为精细化，易于提高切割质量。

本发明电源的工作原理为：三相/单相交流输入电源经工频整流滤波模块实现整流滤波形成直流电，通过SiC逆变换流模块进行超高频开关，转换成200kHz以上的高频交流方波脉冲，经功率变压器高频变换隔离后由SiC整流与平滑模块进行整流平滑为适合于等离子切割用的直流电源。

非接触引弧模块用于产生高频高压电脉冲，击穿等离子切割枪与工件之间的空气间隙，实现可靠引弧；负载电信号检测模块主要用于实时检测等离子切割电源输出的电流和电压波形，并提供给DSC控制器；人机交互模块主要实现工艺参数的预设、状态的显示等功能；DSC控制器主要根据人机交互模块的预设值与负载电信号检测模块提供的反馈电流电压值，产生合适的PWM控制信号，并通过SiC高频驱动模块转换成适合SiC逆变换流模块中SiC功率开关器件的PWM驱动信号，实现超高频驱动调制；故障诊断保护模块主要检测主电路的过热、过压、欠压、缺相等故障，并将状态信息反馈给DSC控制器，实现电源的安全保护。

与现有技术相比，本发明具有如下优点与有益效果：

1、本发明电源切割质量更好；所有功率开关器件全部采用基于SiC的新一代电力电子器件，逆变频率超过200kHz，是现有IGBT逆变式等离子切割电源的十倍以上，整机具备更优异的动特性，可以实现等离子切割弧的精细控制，切割质量更好；既可以应用于小功率场合，也能稳定可靠地应用于中大功率切割场合；

2、本发明电源可靠性更高；SiC功率开关器件几乎不存在电导调制效应，工作应力低，同时还拥有比目前通用的Si基MOSFET/IGBT更高的热耐受性、更强的耐压性能、禁带范围更宽，因此在高压等离子切割工况下的可靠性更易于得到保障；

3、本发明电源综合制造成本更低；本发明中功率开关器件损耗少，能效可超过96％以上，所需要的散热器体积更小；同时，随着逆变频率的提高，主电路磁性器件和平滑滤波器件的体积重量也大幅度减少；因此本发明的功率密度更高，综合制造成本低更低，性价比高。

附图说明

图1是本发明电源的系统原理方框图；

图2是本发明电源的主电路原理图；

图3是本发明电源的闭环控制电路原理框图；

图4是本发明电源中非接触引弧模块的电路原理图；

图5是本发明电源中SiC高频驱动模块的电路原理图；

图6(a)是本发明电源中负载电信号检测模块的电流采样电路的电路原理图；

图6(b)是本发明电源中负载电信号检测模块的电压分压采样电路的电路原理图；

图7(a)是本发明电源中故障诊断保护模块的过压欠压监测电路的电路原理图；

图7(b)是本发明电源中故障诊断保护模块的缺相检测电路的电路原理图；

图7(c)是本发明电源中故障诊断保护模块的过热检测电路的电路原理图；

图8是本发明电源中噪声抑制模块的电路原理图。

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

如图1～图8所示，本实施例SiC逆变式等离子切割电源，包括主电路和闭环控制电路。主电路包括依次连接的噪声抑制模块、工频整流滤波模块、SiC逆变换流模块、功率变压器和SiC整流与平滑模块，以及非接触引弧模块；其中，噪声抑制模块与交流输入电源连接；SiC整流与平滑模块和非接触引弧模块分别与负载连接。

闭环控制电路包括人机交互模块、DSC控制器、故障诊断保护模块、SiC高频驱动模块以及负载电信号检测模块；人机交互模块、故障诊断保护模块、SiC高频驱动模块、负载电信号检测模块和非接触引弧模块分别与DSC控制器连接；故障诊断保护模块还分别与SiC逆变换流模块和功率变压器连接；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SiC整流与平滑模块连接。

主电路中，工频整流滤波模块包括整流器BR1、电感L1和电容C11；SiC逆变换流模块包括SiC功率开关器件Q1、SiC功率开关器件Q2、SiC功率开关器件Q3、SiC功率开关器件Q4、电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电容C1、电容C2、电容C3、电容C4和电容Cr；功率变压器包括变压器T1、电容C12和电阻R12；SiC整流与平滑模块包括SiC整流二极管D1、SiC整流二极管D2、SiC整流二极管D3、SiC整流二极管D4、电容C5、电容C6、电容C7、电容C8、电容C9、电容C10、电阻R5、电阻R6、电阻R7、电阻R8、电阻R9、压敏电阻YR1、压敏电阻YR2、压敏电阻YR3、压敏电阻YR4和电感L2；

噪声抑制模块与整流器BR1的输入端连接；电感L1和电容C11串联，之后并联在整流器BR1的输出端；电容C11与SiC功率开关器件Q1和SiC功率开关器件Q2组成的串联电路并联，并且与SiC功率开关器件Q3和SiC功率开关器件Q4组成的串联电路并联；电阻R1和电容C1串联后并联在SiC功率开关器件Q1上；电阻R2和电容C2串联后并联在SiC功率开关器件Q2上；电阻R3和电容C3串联后并联在SiC功率开关器件Q3上；电阻R4和电容C4串联后并联在SiC功率开关器件Q4上；SiC功率开关器件Q1和SiC功率开关器件Q2的连接点通过电容Cr和变压器T1初级与SiC功率开关器件Q3和SiC功率开关器件Q4的连接点连接；电容C12和电阻R12串联后并联在变压器T1初级上；变压器T1次级与SiC整流二极管D1和SiC整流二极管D2组成的串联电路并联，并且与SiC整流二极管D3和SiC整流二极管D4组成的串联电路并联；电容C5和电阻R5串联后分别与SiC整流二极管D1和压敏电阻YR1并联；电阻R6和电容C6串联后分别与SiC整流二极管D2和压敏电阻YR2并联；电容C7和电阻R7串联后分别与SiC整流二极管D3和压敏电阻YR3并联；电阻R8和电容C8串联后分别与SiC整流二极管D4和压敏电阻YR4并联；SiC整流二极管D1和SiC整流二极管D2的连接点通过电感L2和电容C9与SiC整流二极管D3和SiC整流二极管D4的连接点连接；电阻R9和电容C10分别并联在电容C9上；电容C10的一端与负载的正端连接，电容C10的另一端通过耦合变压器器T2初级与负载的负端连接；耦合变压器器T2次级与非接触引弧模块连接。

根据SiC功率开关器件Q1、SiC功率开关器件Q2、SiC功率开关器件Q3和SiC功率开关器件Q4的不同换流方式，电阻R1、电阻R2、电阻R3和电阻R4可以为零电阻。

DSC控制器包括内嵌FREERTOS系统的DSC微处理器、电源单元、外部时钟振荡单元、复位单元和JTAG调试接口。

本发明电源可以采用单一的主电路，也可以采用多个主电路并联方式进一步增强输出功率，如图3所示；图3为本发明采用双主电路并联输出时的闭环控制电路系统结构框图。闭环控制电路主要由DSC控制器、人机交互模块、故障诊断保护模块、负载电信号检测模块1、负载电信号检测模块2、SiC高频驱动模1和SiC高频驱动模2，以及扩展的继电器接口和CAN总线接口等构成；其中，扩展的继电器接口主要用于控制非接触引弧模块以及辅助的供气装置、冷却装置等的启动与停止；CAN总线接口主要用于与机器人等装置的数字协同通信控制；DSC控制器通过UART端口与人机交互模块进行数字通信，接收预设工艺参数信息，并将电源系统的实时状态信息在人机交互模块上显示；DSC控制器的高级定时器TIMER1同时产生多路数字PWM信号，输入给SiC高频驱动模1和SiC高频驱动模2，分别驱动主电路1和主电路2；负载电信号检测模块1和负载电信号检测模块2分别采集主电路1和主电路2的电流电压信号，并反馈回DSC控制器，从而对两个主电路分别形成了闭环控制回路；故障诊断保护模块同时检测过压、欠压、缺相以及每个主电路的过热情况，只要出现一种故障，故障诊断保护模块的输出电平就会发生翻转，并输入DSC控制器的GPIO端口，触发中断任务，关断PWM输出，实现电源整机的保护。

非接触引弧模块包括型号为IC1 555的触发器、SiC型场效应晶体管Q110、升压变压器T103、整流桥B101、放电器101、放电器102和高压充电电容C106，以及其它外围辅助电路。DSC控制器通过继电器接口控制整流桥B101的输入；型号为IC1 555的触发器为核心的脉冲触发电路控制SiC型场效应晶体管Q110的快速开关；使得升压变压器T103的原边得到高频脉冲信号，然后升压之后给C106充电，直到达到放电器P101和P102的击穿电压；空气间隙击穿后火花放电器放电，放电器P101和P102的等效电阻R、充放电电容C106、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T2-1和T2-2加载到电极与喷嘴之间，形成等离子弧引弧通路，进而实现非接触引弧。

SiC高频驱动模块包括场效应管M201、场效应管M202、场效应管M203、场效应管M204、变压器T201、变压器T202和四个SiC驱动电路，以及其它外围辅助电路。DSC控制器产生的PWM信号经隔离放大后输入连接器P201，经过限流电阻直接驱动由场效应管M201、场效应管M202、场效应管M203和场效应管M204组成的推挽输出电路。推挽输出电路驱动变压器T201和变压器T202，经过四路SiC驱动电路变换产生四路IGBT驱动信号。第一路SiC驱动电路中的电阻R227、电阻R235、二极管D217、电容C212构成了SiC的“慢开快关”网络；阻值较大的电阻R215限制SiC导通时的充电电流，从而增加SiC建立导通电压的时间，达到慢开的效果，抑制开通过程的du/dt；电容C217充电以及二极管D209、电阻R219构成的低阻回路加快了SiC关断时寄生电容电荷释放速度，实现SiC的快速关断；这种“慢开快关”的措施在一定程度上减少了SiC的开关损耗，而且SiC工作频率越高，这种积极作用越明显。电阻R246为SiC的栅极电阻，其引入避免了SiC在关断状态下栅极寄生电容的电荷储存而造成SiC的误触发，起到一种保护作用。

负载电信号检测模块包括电流采样电路和电压分压采样电路。电流采样电路包括包括霍尔电流传感器、型号为AD629的芯片U301和型号为OP177的芯片U302，以及其它外围辅助电路。霍尔电流直接输入连接器P301。电压分压采样电路包括由电阻R401和电阻402组成的分压单元、型号为LF353的芯片U401和型号为HCNR201的芯片U402，以及其它外围辅助电路。

故障诊断保护模块包括过压欠压监测电路、缺相检测电路和过热检测电路。过压欠压监测电路包括由电阻R513、电阻R514、电阻R517和电阻R518组成的桥式电路、VCC直流源、比较器U501、比较器U502、光耦U515和光耦U516，以及其它外围辅助电路。VCC直流源为变压器降压整流滤波后的直流电压信号，再经过电阻R513、电阻R514、电阻R517和电阻R518组成的桥式电路按比例降低至不同电压值后，分别输入至比较器U501和比较器U502的反相、同相输入端，并与设定的参考电压VREF比较，一旦出现过压欠压情况，则光耦导通，触发DSC微处理器的中断端口，调用故障处理任务。

缺相检测电路包括比较器U503和光耦U514，以及其它外围辅助电路。三相平衡时，电阻R569和电阻R570两端都有高电压，光耦U514输入端经过D512被稳压为15V，此时输出高电平，再经过电阻R568和R512分压后与VREF进行比较，比较器U503输出高电平信号。当其中一相电路缺相时，光耦U514不工作，输出近似零电平，此时比较器U503输出低电平信号，低电平信号再经过光耦隔离电路输入到DSC控制器的中断端口，触发故障保护中断子程序，关闭PWM输出，使切割电源停止运行，起到保护目的。

过热检测电路主要由温控开关、电阻R541、电阻R550、电容C547、电容C548、电感L502以及光耦U510组成。其中，温控开关输入连接器P504；温控开关实时检测功率变压器和SiC功率开关器件的散热器的温度；当实际温度超过预设的阀值时，温控开关闭合，光耦U510导通，DSC控制器的GPIO口管脚(PC3-IN-OH-2)电平信号被拉低，触发过热保护中断子程序，实现过热保护。

噪声抑制模块包括三相共模电感Lcm、三相差模电感L_dm、X电容C_x、Y电容C_y和泄放电阻R。其中，A、B、C接交流输入电源，A’、B’、C’接工频整流滤波模块；X电容C_x主要用于滤除共模噪声，Y电容C_y主要用于滤除差模噪声；三相共模电感L_cm主要用来滤除共模噪声，三相差模电感L_dm主要用来滤除差模噪声。

本发明电源创新设计的基础原理为：首先，SiC功率器件的开关速度快，开关损耗低，因此基于SiC功率器件的超高频逆变技术能够大幅度地提高电源的逆变频率，从而使得电源主电路的磁性功率器件以及平滑滤波器件的体积和重量大幅降低，能量传递效率进一步提高；其次，由于SiC功率器件几乎不存在电导调制效应，使得它在开关过程不存在反向恢复效应，不易产生大的电压电流尖峰，器件工作应力环境大为改善，提高了可靠性；然后，SiC功率器件具有更好的热耐受性，不仅可靠性提高，而且散热器的体积和重量也可以大幅度地降低，体积更小，重量更轻，功率密度更高，综合制造成本更低；最后，由于工作频率提高，电源的动特性得到了明显提高，使得电源对切割电流的控制更为精细化，易于提高切割质量。

应用本发明时，交流输入电源首先经过噪声抑制模块、工频整流滤波模块转换成平滑的直流电，DSC控制器将人机交互模块传送的预设值与负载电信号检测模块检测到的实际输出值进行比较，按照预设的算法进行运算，获得相应占空比和频率的数字PWM信号，并经SiC高频驱动模块的隔离放大后去驱动SiC逆变换流模块中SiC功率开关器件按照预设的换流模式进行高频开关，将直流电转换成超高频交流方波脉冲，并经过功率变压器隔离、降压和传递功率，然后经过SiC整流与平滑模块转换成平滑的直流电，输送给电弧负载。DSC控制器一旦检测到切割启动指令，会首先控制非接触引弧模块动作，实现非接触引弧，引弧成功后关闭非接触引弧模块，切割电源进入正常的控制流程；故障诊断保护模块实时检测电源的工作状态，一旦出现过压、欠压、缺相、过热等故障，则触发DSC控制器的故障中断任务，实现系统的安全保护。

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。