高功率密度高效率WBG弧焊逆变器的制作方法

本发明涉及弧焊逆变技术领域，更具体地说，涉及一种高功率密度高效率WBG弧焊逆变器。

背景技术：

焊接电源为焊接电弧提供能量，它的性能优劣直接影响到焊接工艺效果。据统计，弧焊逆变电源已成为国内电焊机市场的主流产品，并朝着大容量、轻量化、高效率、模块化、智能化等方向发展。目前，弧焊逆变电源广泛采用的功率器件(包括MOSFET、IGBT、SBD、FRD等)均为硅半导体器件。这些硅功率器件的开关性能已随其结构设计和制造工艺的完善而接近由其材料特性决定的理论极限，依靠硅功率器件继续完善和提高弧焊逆变电源性能的潜力已十分有限，迫切需要依靠新材料来满足新一代焊接电源对器件性能的更高要求。

宽禁带(Wide Band Gap-WBG)半导体主要是指禁带宽度(导带最低点与价带最高点之间的能量差)大于2.2eV的半导体材料。宽禁带半导体是一种革命性的电力电子材料，它的带隙远大于硅半导体，能够显著减少电子跨越的鸿沟，更容易控制电流和减少能耗。以GaN、SiC为代表的宽禁带半导体材料具有高击穿电场强度、高截止频率、高热传导率、高结温和良好的热稳定性、强抗辐射能力等特点。半导体材料的这些特点使得WBG功率器件能够在传统器件所不能胜任的高温、强辐射环境中得到应用。

弧焊逆变电源需要在高压、大电流、强功率甚至频繁高空载-短路燃弧的严酷工艺环境下长时间工作，WBG功率器件要经受高电压、大电流、高温度、高频率、以及很高的di/dt、du/dt等多参数复杂应力的共同作用，它们的运行可靠性已成为WBG功率器件可否成功应用于弧焊逆变电源所需解决的关键问题。相比Si功率器件，WBG功率器件的正向导通曲线与反向恢复曲线存在明显差异，通态特性(如伏安特性、正向压降、开启电压阀值的温度特性)、阻态特性(如反向阻断能力、反向恢复特性及其热稳定性)和开关过程(如内部寄生效应导致的电压过冲和电流尖峰以及与温度变化的相关性)均有其特殊性，在运行过程中的高频电磁脉冲能量作用下的损耗分布(导通损耗、阻态损耗和反向恢复损耗)也跟Si基功率器件有巨大差异。因此，WBG功率器件并不能直接替代Si基功率器件应用到弧焊逆变电源中，而需要进一步建立WBG功率器件的电气模型，进行动态电热耦合的仿真研究，从而为拓扑结构和驱动电路的优化设计奠定基础。

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，提供一种的高功率密度高效率、具有优异的动态响应性能和工艺性能、具有良好可靠性和稳定性的WBG弧焊逆变器。

为了达到上述目的，本发明通过下述技术方案予以实现：一种高功率密度高效率WBG弧焊逆变器，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电磁兼容模块、工频整流滤波模块、WBG高频换流模块、高频功率变压器和高频整流滤波模块；其中，电磁兼容模块外接三相/单相交流输入电源，高频整流滤波模块外接电弧负载；

所述闭环控制电路包括电信号实时检测模块、人机交互模块、故障诊断模块、控制器和WBG高频驱动与保护模块；

所述WBG高频驱动与保护模块分别与WBG高频换流模块、故障诊断模块、电信号实时检测模块和控制器连接；所述故障诊断模块还分别与三相/单相交流输入电源、WBG高频换流模块、高频功率变压器和控制器连接；所述电信号实时检测模块还分别与高频功率变压器、电弧负载、控制器和人机交互模块连接；所述人机交互模块还与控制器连接。

优选地，所述WGB高频换流模块包括WBG功率器件Q1、WBG功率器件Q2、WBG功率器件Q3、WBG功率器件Q4、续流二极管D7、续流二极管D8、续流二极管D9、续流二极管D10、电容C12、电容C13、电容C14、电容C15、电容C16和电感Lr；所述高频功率变压器包括电感Lm和变压器T1；所述高频整流滤波模块包括WBG功率整流管DR1、WBG功率整流管DR2、电感Lo和电容C17；

所述工频整流滤波模块与WBG功率器件Q1和WBG功率器件Q3组成的串联电路并联，并且与WBG功率器件Q2和WBG功率器件Q4组成的串联电路并联；续流二极管D7和电容C12分别并联在WBG功率器件Q1上；续流二极管D8和电容C13分别并联在WBG功率器件Q2上；续流二极管D9和电容C14分别并联在WBG功率器件Q3上；续流二极管D10和电容C15分别并联在WBG功率器件Q4上；WBG功率器件Q1和WBG功率器件Q3的连接点与WBG功率器件Q2和WBG功率器件Q的连接点之间通过变压器T1初级、电容C16和电感Lr连接；电感Lm并联在变压器T1初级上；变压器T1次级的第一输出端通过WBG功率整流管DR1、电感Lo和电容C17与变压器T1次级的第二输出端连接；并且WBG功率整流管DR1和电感Lo的连接点通过WBG功率整流管DR2与变压器T1次级的第三输出端连接；所述电弧负载与电容C17并联。

优选地，所述WBG高频驱动与保护模块包括系统级故障检测处理电路、功率级故障检测处理电路、器件级故障检测处理电路、驱动模式选择电路、故障类型输出电路、双向磁脉冲隔离传输电路、信号逻辑处理电路、信号转换接口电路、信号重构电路、功率运放电路和高频高隔离型DC/DC供电电路；

所述双向磁脉冲隔离传输电路分别与信号逻辑处理电路、器件级故障检测处理电路和信号重构电路双向信号连接；系统级别故障检测处理电路、驱动模式选择电路、故障类型输出电路和信号转换接口电路分别与信号逻辑处理电路连接；双向磁脉冲隔离传输电路通过信号重构电路与功率运放电路连接；器件级故障检测处理电路与功率运放电路连接。

优选地，所述电信号实时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，所述故障诊断模块包括输入过压/欠压诊断电路和过热诊断电路。

优选地，所述工频整流滤波模块与WBG高频换流模块之间通过软启动电路模块连接；所述软启动电路模块还与控制器连接。

优选地，所述软启动电路模块包括定时触发器U201、继电器RLY201、继电器RLY202和限流电阻R201，以及其它外围辅助电路。

本发明弧焊逆变器的基本设计原理为：采用了新一代的超高频WBG高效高功率密度逆变新技术来研制高效高功率密度的新型弧焊逆变器；WGB高频换流模块中各个WBG功率器件，即WBG功率器件Q1、WBG功率器件Q2、WBG功率器件Q3和WBG功率器件Q4，既可以采用SiC器件，也可以采用GaN器件，其开关速度更快，开关损耗更低，耐压能力更强，耐高温能力更高。在本发明中，由三相/单相交流输入经过电磁兼容模块和工频整流滤波模块之后成为平滑直流电，然后进入WBG高频换流模块，之后通过高频功率变压器进行功率传递和变压，流入高频整流滤波模块转变成低压直流电，提供给电弧负载。与此同时，闭环控制电路的电信号实时检测模块一方面实时检测主电路的输出电流和电压波形，同时实时检测高频功率变压器的原边瞬态电流波形；电信号实时检测模块首先将检测到的三路电信号进行预处理，然后一方面输入控制器进行闭环控制，同时，电信号实时检测模块还会将处理之后的原边瞬态电流信号与预设的过流保护门槛值进行比较，将比较结果直接输入给WBG高频驱动与保护模块实现对WBG高频换流模块中各个WBG功率器件的机械超前保护；控制器根据人机交互模块发送的给定信息，将电信号实时检测模块发送的电信号按照预设的电流-电压双闭环控制算法进行处理，产生相应的PWM脉宽调制给定信号，输入给WBG高频驱动与保护模块，产生WBG高频换流模块中各WBG功率器件高频/超高频开通与关断所需要的PWM信号，以获得所需的输出波形及其电特性；电信号实时检测模块同时还将处理之后的主电路输出电流和电压信号传递给人机交互模块，用于显示弧焊逆变器的实时输出；故障诊断模块实时监测三相/单相交流输入电压值，实现过压和欠压监测，此外还实时监测WBG高频换流模块中WBG功率器件和高频功率变压器的实际温度，实现过热监测；一旦出现故障，故障诊断模块一方面将故障信息输入控制器，进行故障处理流程，同时将故障使能信号接入WBG高频驱动与保护模块，关断PWM信号，实现功率回路的保护。

与现有技术相比，本发明具有如下优点与有益效果：

1、本发明弧焊逆变器具有更高的功率密度和效率：由于采用了新一代高效WBG换流技术，效率可达95％以上，高效节能，相比目前广泛使用的IGBT和MOSFET弧焊逆变逆变器，节能10％左右，功率密度提高30％以上，负载持续率髙达100％；

2、本发明弧焊逆变器具备优异的动态响应性能：采用的WBG功率器件的开关时间可达到微秒级，逆变频率可高达500KHz以上，主电路的时间常数非常小，动态响应性能优异，焊接过程稳定性更好；

3、本发明弧焊逆变器具有优异的工艺性能：由于本发明的逆变频率更高，动态性能更好，控制周期更短，使得本发明更易于实现对焊接电弧以及熔滴动态行为的精密快速调控，易于得到更好的焊接工艺质量；

4、本发明弧焊逆变器具有更好的可靠性和稳定性：由于本发明采用的WBG功率器件开关损耗更低，耐高温能力更强，因此具有更好的热稳定性和可靠性；同时，本发明设置了多种具备机械超前保护能力的故障检测与保护措施，使得本发明在严酷弧焊环境下的可靠性得到了进一步的保障。

附图说明

图1是本发明弧焊逆变器的系统原理方框图；

图2是本发明弧焊逆变器的主电路原理图；

图3是本发明弧焊逆变器的WBG高频驱动与保护模块原理方框图；

图4是本发明弧焊逆变器的WBG高频驱动与保护模块电路原理图；

图5是本发明弧焊逆变器的电信号实时检测模块原理图；

图6是本发明弧焊逆变器的故障诊断模块原理图；

图7是本发明弧焊逆变器的人机交互模块原理图；

图8是实施例二弧焊逆变器的系统原理方框图；

图9是实施例二弧焊逆变器的软启动电路原理图。

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。

实施例一

如图1～图7所示；高功率密度高效率WBG弧焊逆变器包括主电路和闭环控制电路。主电路包括依次连接的电磁兼容模块、工频整流滤波模块、WBG高频换流模块、高频功率变压器和高频整流滤波模块；其中，电磁兼容模块外接三相/单相交流输入电源，高频整流滤波模块外接电弧负载。

闭环控制电路包括电信号实时检测模块、人机交互模块、故障诊断模块、控制器和WBG高频驱动与保护模块。

WBG高频驱动与保护模块分别与WBG高频换流模块、故障诊断模块、电信号实时检测模块和控制器连接；故障诊断模块还分别与三相/单相交流输入电源、WBG高频换流模块、高频功率变压器和控制器连接；电信号实时检测模块还分别与高频功率变压器、电弧负载、控制器和人机交互模块连接；人机交互模块还与控制器连接。

主电路既可以采用单相交流输入供电模式，也可以采用三相交流输入供电模式，既可以采用半桥电路，也可以采用全桥电路。如图2所示，本实施例仅以三相交流输入供电模式、全桥电路为例进行介绍。

WGB高频换流模块包括WBG功率器件Q1、WBG功率器件Q2、WBG功率器件Q3、WBG功率器件Q4、续流二极管D7、续流二极管D8、续流二极管D9、续流二极管D10、电容C12、电容C13、电容C14、电容C15、电容C16和电感Lr；高频功率变压器包括电感Lm和变压器T1；高频整流滤波模块包括WBG功率整流管DR1、WBG功率整流管DR2、电感Lo和电容C17。

工频整流滤波模块与WBG功率器件Q1和WBG功率器件Q3组成的串联电路并联，并且与WBG功率器件Q2和WBG功率器件Q4组成的串联电路并联；续流二极管D7和电容C12分别并联在WBG功率器件Q1上；续流二极管D8和电容C13分别并联在WBG功率器件Q2上；续流二极管D9和电容C14分别并联在WBG功率器件Q3上；续流二极管D10和电容C15分别并联在WBG功率器件Q4上；WBG功率器件Q1和WBG功率器件Q3的连接点与WBG功率器件Q2和WBG功率器件Q的连接点之间通过变压器T1初级、电容C16和电感Lr连接；电感Lm并联在变压器T1初级上；变压器T1次级的第一输出端通过WBG功率整流管DR1、电感Lo和电容C17与变压器T1次级的第二输出端连接；并且WBG功率整流管DR1和电感Lo的连接点通过WBG功率整流管DR2与变压器T1次级的第三输出端连接；电弧负载R0与电容C17并联。

在主电路中，三相交流输入Ua、Ub、Uc接入由共模电感L_CMC、电阻R1-R6、电容C1-C9构成的电磁兼容模块，抑制电磁噪声和电磁污染，然后进入由二极管D1-D6、电感Lc以及电容C10-C11构成的工频整流滤波模块，转换成平滑的高压直流电。然后经过WBG高频换流模块，转换成高频/超高频的方波脉冲波形；该电压波形经过高频功率变压器进行功率传递、电压变换和电气隔离，得到电压值改变的交流方波脉冲波形；该电压波形再经过高频整流滤波模块，转换成工艺所需的平滑直流电，输出给电弧负载R0。电容C12-C15、电感Lr、电容C16可根据主电路的工作模式设定为不同的值；WBG功率器件Q1-Q4以及WBG功率整流管DR1-DR2可根据实际的工艺需求，既可以是SiC功率器件，也可以是GaN功率器件。

WBG高频驱动与保护模块包括系统级故障检测处理电路、功率级故障检测处理电路、器件级故障检测处理电路、驱动模式选择电路、故障类型输出电路、双向磁脉冲隔离传输电路、信号逻辑处理电路、信号转换接口电路、信号重构电路、功率运放电路和高频高隔离型DC/DC供电电路。双向磁脉冲隔离传输电路分别与信号逻辑处理电路、器件级故障检测处理电路和信号重构电路双向信号连接；系统级别故障检测处理电路、驱动模式选择电路、故障类型输出电路和信号转换接口电路分别与信号逻辑处理电路连接；双向磁脉冲隔离传输电路通过信号重构电路与功率运放电路连接；器件级故障检测处理电路与功率运放电路连接。

具体地说，双向磁脉冲隔离传输电路由双向双线缠绕低漏感结构的高频脉冲变压器T401和T402构成。信号逻辑处理电路包括信号互锁保护电路、微分电路和延时复位电路。其中，信号互锁保护电路包括电阻R400-R405、高频弱电流静电防护二极管D401-D406和与非门施密特触发器U401；微分电路包括MOSFET驱动放大器U403、电容C406-C409和电阻R415-R416；延时复位电路包括三极管Q401-Q405、电阻R407-R414、电容C401-C405和单稳态触发器U402。

系统级故障检测处理电路可以为现有的逆变器输入电压、电流以及功率器件温升检测电路；功率级故障检测处理电路可以为现有的逆变器输出电流和电压信号的检测反馈电路；器件级故障检测处理电路可以为现有的检测WBG功率器件瞬态开通电压的通用快速电压比较电路。此外，信号转换接口电路、信号重构电路、功率运放电路、驱动模式选择电路、故障类型输出电路和高频高隔离型DC/DC供电电路均可采用现有电路。

WBG高频驱动与保护模块既可以工作于半桥驱动模式，也可以工作于全桥驱动模式，由驱动模式选择电路输出的高低电平信号来决定；由控制器产生的数字/模拟PWM1信号和PWM2信号首先经过信号接口电路转换为合适电压范围的电信号，然后进入信号逻辑处理电路，将占空比宽范围变化的脉冲信号调制为宽度固定的窄脉冲信号，然后基于磁隔离型信号调制原理，通过脉冲边缘耦合方式经过双向磁脉冲隔离传输电路实现双向传递和电气绝缘隔离，然后信号重构电路会根据相位和逻辑关系进行重构，并通过功率放大电路获得期望的驱动功率和驱动波形；由于仅需传递固定宽度的窄脉冲信号，使得双向磁脉冲隔离传输电路的磁芯和绕组的值非常小，不仅避免了传统变压器驱动时易于出现的磁饱和现象，而且漏感和分布电容也极小，在宽占空比驱动时波形也不易振荡，隔离效果好，有效地解决了信号的高速双向传递和可靠隔离难题。

为提高WBG功率器件Q1-Q4在严酷焊接工况下的可靠性和环境适应性，WBG高频驱动与保护模块内集成了芯片级、功率级和系统级等三级机械超前保护体系。系统级故障检测处理电路主要是根据故障诊断模块输入的欠/过压、功率器件和高频功率变压器的过热等信号以及电信号实时检测模块检测到的输出过流和过压等信号情况，输出不同的电平信号，控制信号逻辑处理电路的使能；电信号实时检测模块实时检测高频功率变压器原边交流峰值电流波形，并经过高速精密整流之后与预设的阀值进行比较，该比较值输入功率故障检测处理电路，并控制信号逻辑处理电路的使能；而芯片级检测主要检测WBG功率器件Q1-Q4是否瞬时过流/短路/过压，一旦出现相应的故障，将直接控制功率运放电路，使之一直处于负压波形输出状态，直接关闭WBG功率器件，减少中间环节的处理延时，实现实时保护。

为确保驱动可靠性、稳定和驱动波形的准确性，本发明中WBG高频驱动与保护模块创造性地采用了100kHz推挽式高频隔离型DC/DC模块供电电路，只需两路24V单电源供电就可以满足驱动器所有的供电需求，包括两路大功率WBG功率器件开/关时所需的正/负驱动波形、驱动器基准电压源以及其他元器件供电需求，隔离耐压超过4500V。

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等构成。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WBG高频驱动与保护模块、控制器以及人机交互模块。

故障诊断模块也主要包括两部分，即由电阻R103、电阻R106、电阻R109、电阻R110、电阻R112、电阻R117、比较器U101、比较器U102、U104、电容C124和电容C125构成输入过压/欠压诊断电路，以及由电感L101、电感L102、电容C126、电容C127、电阻R111、电阻R113、二极管D101、二极管D102、比较器U103等构成过热诊断电路。其中，VC为三相/单向交流输入电压经过变压器降压整流之后的电压信号，通过经过电阻R103/R109与电阻R106/R110串联分压，所获得的分压值分别进入比较器U101和U102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U101和U102的输出发生反向。同理，过热检测端子直接连接安装在WBG功率器件Q1-Q4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R111串联分压；当温度升高时，其阻值会发生变化，使得比较器U103的反相端的电压发生改变，该电压值与比较器U103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U103的输出就会发生反转。U104和比较器U103的输出信号会经过反相器U105之后分别传输给控制器和WBG高频驱动与保护模块。

控制器既可以采用以SG3525、UC3846、UC3879等模拟集成PWM控制信号为核心的模拟控制器，也可以采用以MCU、DSC等微处理器为核心的数字控制器；还可以采用模拟集成PWM控制芯片与微处理器相结合的模数混合型控制器，本实施例仅以DSC级ARM微处理器为核心的控制器为例进行介绍。控制器主要由DSC级ARM芯片、芯片供电电源、ADC供电电源、晶振振荡电路、复位电路以及JTAG调制接口通过外围辅助电路互相连接组成。JTAG调制接口主要实现调试功能。DSC级ARM芯片为整个控制电路的中央处理器，是数字化控制的核心。DSC级ARM芯片内嵌电流-电压双闭环控制算法及其工艺流程控制软件，能够产生半桥、全桥、ZVS、ZVZCS等不同功率换流模式所需的多种PWM数字信号；完成输出参数和动态特性的数字化闭环调控；能够完成各种工艺流程切换；接收各类状态信息及故障信号处理；通过CAN或者UART接口与人机交互模块进行人机交互；还能通过GPIO口控制各类外围辅助部件或者机构的动作。

人机交互模块既可以采用按键输入+LED数码管显示模式，也可以是工业触摸屏人机交互模式，还可以是简单的电位器+指针式仪表显示等方式。本实施例仅以对DSC微处理器+工业触摸屏驱动器+工业触摸屏的模式进行原理介绍。如图7所示，人机交互模块具备“DSC+驱动器+触摸屏”三级结构，以DSC级ARM微处理器为控制核心，完成各类数据的集中处理；采用內建硬件加速功能的工业触摸屏驱动器芯片，减少数据传输时间和DSC微处理器的资源占用，实现触摸屏文字/图形的高速扫描和稳定显示；同时采用工业级液晶触摸屏TFT-LCD为人机交互界面，实现直观的信息显示和交互。人机交互模块还具有丰富的外设通信接口，包括RS-232/485、SSI、CAN等，可以跟其它设备进行多种方式的数据通信；人机交互模块扩展了SD卡接口和USB接口，可以方便地实现数据的存储和交换；人机交互模块还具有自带的ADC转换模块，可以直接接收来自于电信号实时检测模块输出的电流和电压信号并进行显示，而不需要从控制器中转，因此信息动态显示的实时性会更强。

应用本发明时，三相/单相工频交流电经过电磁兼容模块、工频整流滤波模块后成为平滑直流电；然后流入WBG高频换流模块后转换成高频/超高频的交流方波脉冲波形；经过高频功率变压器转变成适合焊接工艺需求的低压高频方波脉冲信号，实现电气隔离和功率传输；最后流入高频整流滤波模块，得到低压大电流的直流波形。控制器将电信号实时检测模块检测到的负载电流、电压信号与人机交互模块给定的焊接参数进行比较，并按预设的控制算法进行处理之后产生所需的PWM信号，该信号通过WBG高频驱动与保护模块隔离/功率放大去控制WBG功率器件的开通和关断，从而使主电路的电压波形经过WBG高频换流模块之后转换成高频高压电，实现闭环控制。故障诊断模块检测交流输入的工频电压值、WBG功率器件温升和高频功率变压器的温升，同时电信号实时检测模块检测高频功率变压器的原边瞬态峰值电流，并把检测到的信号分别输送给控制器和WBG高频驱动与保护模块，一旦出现输入过压、欠压、过热或者输出过流、过压等现象，WBG高频驱动与保护模块的保护动作使能，关闭PWM信号从而关闭WBG功率器件的开通，确保主电路的安全。

实施例二

本实施例高功率密度高效率WBG弧焊逆变器，与实施例一的区别在于：本实施例中，工频整流滤波模块与WBG高频换流模块之间通过软启动电路模块连接；软启动电路模块还与控制器连接，如图8和图9所示。软启动电路模块包括定时触发器U201、继电器RLY201、继电器RLY202和限流电阻R201，以及其它外围辅助电路。

当电源上电时，三相/单相交流输入经过整流桥和大功率限流电阻R201开始对电解电容进行充电；同时，控制板电源信号VCC通过定时电阻R211开始对定时电容C207进行充电，经过短暂延时后，定时触发器U201的2脚电压低于阀值电压VCC/2，此时3脚输出高电平信号，三极管Q201开始导通，继电器RLY201和继电器RLY202动作闭合，限流电阻R201被旁路，整流后的直流信号对电解电容继续充电并且缓慢达到其额定值，电源此时开始正常工作。软启动电路中RC元件主要起到延时作用，并结合定时触发器U201构成了单稳态触发电路，进一步提高了继电器的可靠性和稳定性，确保该电路能更有效地抑制浪涌电流，防止其对电源造成冲击。

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。