CN107745174A - 基于SiC IGBT的数字化变极性焊接电源 - Google Patents

基于SiC IGBT的数字化变极性焊接电源 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种基于SiC IGBT的数字化变极性焊接电源，其特征在于：包括主电路与控制电路；主电路包括依次连接的三相整流滤波电路、SiC IGBT一次逆变电路、高频变压器、SiC超高频整流滤波输出电路、SiC IGBT二次逆变电路和高压稳弧电路；控制电路包括控制器和控制供电模块，以及分别与控制器信号连接的数字面板、SiC一次逆变驱动模块和SiC二次逆变驱动模块；数字面板、SiC一次逆变驱动模块和SiC二次逆变驱动模块分别与控制供电模块电连接；SiC一次逆变驱动模块还与SiC IGBT一次逆变电路连接；SiC二次逆变驱动模块还与SiC IGBT二次逆变电路连接。该变极性焊接电源可使电弧熄灭后易于复燃，体型小，转换效率高，工作可靠稳定。

Description

基于SiC IGBT的数字化变极性焊接电源
技术领域
本发明涉及焊接电源技术领域，更具体地说，涉及一种基于SiC IGBT的数字化变极性焊接电源。
背景技术
变极性焊接电源最初是美国航天局为研制航天飞机而发明研制的一种新型焊接电源，现被广泛应用于航空航天、汽车、列车、船舶等工业制造领域。铝、镁及其合金具有密度小，比刚度高，电磁屏蔽能力强，节能环保等优点，在以上工业制造领域中被广泛应用，变极性焊接电源在铝镁及其合金的焊接中具有去氧化膜，搅拌熔池，气孔极少，减少钨极烧损以及焊接电弧稳定等众多优点，在多种焊接方法中优势明显，是镁铝及其合金焊接的理想电源。
现阶段，国内外的变极性焊接电源仍存在诸多问题，关键问题在于焊接过程中，变极性瞬间电弧熄灭重燃的问题。因此，焊接电源二次逆变的稳弧电路成了人们研究的重点。目前，最常用的二次逆变稳弧方法有两种。一种是全桥结构电路拓扑稳弧策略，采用“共同导通”或“共同截止”的方法，使输出滤波电感与电容充放电，在电流换向瞬间给电弧提供一个高压脉冲，使电弧熄灭后能够立即再次引燃。但该方法只适用于小电流焊接的情况，大电流焊接时，过高的稳弧脉冲电压会造成二次逆变的IGBT击穿损坏，该方法适用范围有限，且需要4个IGBT中同时导通2个，总的开关损耗大，系统庞杂、成本高。另一种是半桥结构电路拓扑稳弧策略，该二次逆变电路的输出滤波电感中的电流在变极性过程总是减小的，这样减慢了电源变极性时电流方向切换的速度，不利于电弧的稳定。
发明内容
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 IGBT、可解决变极性瞬间电弧熄灭重燃问题、体型小、转换效率高、工作可靠稳定的数字化变极性焊接电源。
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 IGBT的数字化变极性焊接电源，其特征在于：包括主电路与控制电路；所述主电路包括依次连接的三相整流滤波电路、SiC IGBT一次逆变电路、高频变压器、SiC超高频整流滤波输出电路、SiCIGBT二次逆变电路和高压稳弧电路；其中，三相整流滤波电路与三相交流电源连接，高压稳弧电路与负载连接；
所述控制电路包括控制器和控制供电模块，以及分别与控制器信号连接的数字面板、SiC一次逆变驱动模块和SiC二次逆变驱动模块；所述数字面板、SiC一次逆变驱动模块和SiC二次逆变驱动模块分别与控制供电模块电连接；所述SiC一次逆变驱动模块还与SiCIGBT一次逆变电路连接；所述SiC二次逆变驱动模块还与SiC IGBT二次逆变电路连接。
三相整流滤波电路用于将三相交流电整流滤波为平滑直流电；SiC IGBT一次逆变电路用于将直流电调制成高电压、低电流的高频交流方波；高频变压器用于隔离变压器前后电路且调制出低电压、高电流的高频交流方波；SiC超高频整流滤波输出电路用于将高频交流方波整流滤波成直流电；SiC IGBT二次逆变电路用于转换SiC超高频整流滤波输出电路输出的直流电的极性以形成焊接所需的变极性电流；高压稳弧电路用于焊接电流变极性时为电弧空间提供一个反向高压，保证电流过零点瞬间电弧熄灭后可靠再引燃；SiC一次逆变驱动模块用于驱动主电路中一次逆变电路中SiC IGBT的开通与关断，实现恒流或恒压控制；SiC二次逆变驱动模块用于驱动主电路中二次逆变电路中SiC IGBT的开通与关断，实现电流极性转变。
本发明变极性焊接电源的功率器件采用新一代SiC IGBT，使得开关速度快，开关损耗少，一次逆变频率可达100kHz以上，电源的转换效率高达93％以上，能效比现有的IGBT焊接电源节能10％左右；同时，由于逆变频率的大幅度提升，高频变压器与各滤波器件均可采用较小型号，电源整体体积变小，重量轻；通过合理的设定正值脉冲电流和负值电流的大小及占空比，可以精准控制焊接电弧的热输入量，避免了镁、铝及其合金在焊接过程易出现的熔池下榻、变形、烧穿、焊接飞溅等问题。主电路中加入静态反向高压稳弧电路，加快电极转换速度；电流极性切换前，叠加脉冲稳弧电流，增加电弧空间电离度，使电弧熄灭后更易引燃。
优选地，所述三相整流滤波电路包括相连接的三相整流模块BR101和LC滤波模块；所述SiC IGBT一次逆变电路包括SiC IGBT模块TR101、SiC IGBT模块TR102和RC吸收保护电路；所述SiC超高频整流滤波输出电路包括SiC二极管D101、SiC二极管D102、SiC二极管D103、SiC二极管D104和滤波保护电路；SiC二极管D102和SiC二极管D104串联后并联到由SiC二极管D101和SiC二极管D103组成的串联电路上；所述SiC IGBT二次逆变电路包括SiCIGBT模块TR103、SiC IGBT模块TR104和RCD吸收保护电路；所述高压稳弧电路包括二极管D105、二极管D108、管型陶瓷电阻R117、输出滤波电感L102和高频耦合电感T102；
所述SiC IGBT模块TR101和SiC IGBT模块TR102分别并联到LC滤波模块上；高频变压器的初级分别与SiC IGBT模块TR101和SiC IGBT模块TR102连接，高频变压器的次级输出端一与SiC二极管D101和SiC二极管D103连接点连接，高频变压器的次级输出端三与SiC二极管D102和SiC二极管D104连接点连接；
SiC IGBT模块TR103和SiC IGBT模块TR104分别并联到由SiC二极管D101和SiC二极管D103组成的串联电路上；所述SiC IGBT模块TR103还通过依次连接的二极管D105、二极管D108、管型陶瓷电阻R117和输出滤波电感L102与高频耦合电感T102连接；高频变压器的次级输出端二与管型陶瓷电阻R117和输出滤波电感L102连接点连接；所述SiC IGBT模块TR103与负载的正极连接；高频耦合电感T102与负载的负极连接；管型陶瓷电阻R117和输出滤波电感L102连接点与负载的正极之间还连接有输出旁路滤波电路；
SiC IGBT模块TR101和SiC IGBT模块TR102分别与SiC一次逆变驱动模块连接；SiCIGBT模块TR103和SiC IGBT模块TR104分别与SiC二次逆变驱动模块连接。
本发明数字化变极性焊接电源的工作原理是：三相交流电源经过三相整流滤波电路形成直流电，通过SiC IGBT一次逆变电路转换成100kHz以上高频的高电流低电压交流方波，经过SiC超高频整流滤波电路整流滤波成直流电，高频变压器将高频高压交流方波转换成高频高电流的交流方波，最后经SiC IGBT二次逆变电路切换平滑直流电的传输方向，达到电流变极性的目的；高压稳弧电路将高压交流电整流滤波生成高压直流电通过管型陶瓷电阻加载于负载的负极，电流从正向转向负向时，给电弧空间一个反向高压，起到稳弧的作用，该高压稳弧电路可避免引入高压、高频干扰，保障了电源的可靠性；因此本发明变极性焊接电源可以达到电弧稳定，近零飞溅，高质量焊缝的工艺效果。
优选地，所述SiC一次逆变驱动模块包括由电阻R201、电阻R202、P沟道功率场效应管M201和N沟道功率场效应管M202组成的推挽输出电路一，由电阻203、电阻R204、P沟道功率场效应管M203和N沟道功率场效应管204组成的推挽输出电路二，以及高频脉冲变压器T201、高频脉冲变压器T202和四路驱动信号产生电路。
优选地，所述SiC二次逆变驱动模块包括光耦U301、光耦U302、稳压二极管D301、稳压二极管D302、栅极驱动电阻R302、栅极驱动电阻R305，压敏电阻R303和压敏电阻R306。
优选地，所述控制供电模块包括依次连接的滤波浪涌限制单元、整流滤波单元、反激变换器和若干稳压模块，以及与反激变换器连接的驱动单元。
优选地，用于采样输出的焊接电流并反馈到控制器进行PID调节完成恒流输出控制的电流反馈模块；
用于采样输出的焊接电压并反馈到控制器进行PID调节完成恒压输出控制的电压反馈模块；
用于输出控制器产生的开关信号的开关量模组；
用于对焊接电源的工作状态进行实时监测判断并进行保护的异常检测保护电路；
所述数字面板通过CAN通信接口与控制器连接，用于完成焊接参数设定、焊接电流电压的实时显示；
所述电流反馈模块、电压反馈模块、开关量模组分别与控制器连接；控制器用于根据数字面板设定的焊接参数与电流反馈模块和电压反馈模块提供的电流电压值进行比较来产生数字PWM信号。
优选地，所述异常检测保护电路包括过流保护电路、欠压过压保护电路。
优选地，所述过流保护电路包括整流器D401、整流器D402、整流器D403、整流器D404、电阻R401、电容C401、比较器U401、高速光耦U402、光耦U403和光耦U404。
优选地，所述欠压过压保护电路包括由分压电阻R501、分压电阻R502、分压电阻R503和分压电阻R504组成的分压电路，以及比较器U501。
优选地，所述控制器包括基于ARM Cortex-M4内核的高性能DSC微处理器。
与现有技术相比，本发明具有如下优点与有益效果：
1、焊接电源性能好，安全性高：本发明采用基于ARM Cortex-M4内核的高性能DSC微处理器，其配有专用的DSP指令和浮点运算单元(FPU)，数据处理速度高达210DMIPS，整机具备更优异的动特性，可以实现焊接电弧的分段分级精细设计和实时控制，对焊接电源状态实时监控与反馈；
2、能量利用率更高，节能环保，工艺效果好：本发明所有功率器件均采用新一代SiC IGBT，使得开关速度快，开关损耗少，一次逆变频率可达100kHz以上，电源的转换效率高达93％以上，能效比现有的IGBT焊接电源节能10％左右；同时，由于逆变频率的大幅度提升，高频变压器与各滤波器件均可采用较小型号，电源整体体积变小，重量轻；通过合理的设定正值脉冲电流和负值电流的大小及占空比，可以精准控制焊接电弧的热输入量，避免了镁、铝及其合金在焊接过程易出现的熔池下榻、变形、烧穿、焊接飞溅等问题；
3、电弧稳定性好：主电路中加入静态反向高压稳弧电路，加快电极转换速度；电流极性切换前，叠加脉冲稳弧电流，增加电弧空间电离度，使电弧熄灭后更易引燃；不仅能用于铝合金焊接，还能用于钛合金、镁合金等多种合金材料的高性能焊接；
4、可靠性更高：本发明的功率器件为新一代SiC IGBT，比普通IGBT功率器件具有更好的热耐受性、耐压性能和耐高频性，适应大电流输出，也可以用于小电流焊接。在更高的工作频率下，较高功耗产生更多的自热，导致更高的工作结温(225℃左右)，SiC IGBT的功率处理能力和开关频率能力得到提高。禁带范围宽，器件开关过程不存在反向恢复效应，可靠性更易于得到保障。
附图说明
图1为本发明变极性焊接电源的结构示意图；
图2为本发明变极性焊接电源的主电路的等效拓扑图；
图3为本发明变极性焊接电源的SiC一次逆变驱动模块结构示意图；
图4为本发明变极性焊接电源的SiC二次逆变驱动模块结构示意图；
图5为本发明变极性焊接电源的控制供电模块的结构框图；
图6为本发明变极性焊接电源的过流保护电路的结构示意图；
图7为本发明变极性焊接电源的欠压过压保护电路的结构示意图；
图8为本发明变极性焊接电源的数字面板的结构示意图；
图9为本发明变极性焊接电源的控制器的电路结构示意图。
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至图9所示，本实施例基于SiC IGBT的数字化变极性焊接电源，包括主电路与控制电路；主电路包括依次连接的三相整流滤波电路、SiC IGBT一次逆变电路、高频变压器、SiC超高频整流滤波输出电路、SiC IGBT二次逆变电路和高压稳弧电路；其中，三相整流滤波电路与三相交流电源连接，高压稳弧电路与负载连接；
控制电路包括控制器和控制供电模块，以及分别与控制器信号连接的数字面板、SiC一次逆变驱动模块和SiC二次逆变驱动模块；数字面板、SiC一次逆变驱动模块和SiC二次逆变驱动模块分别与控制供电模块电连接；SiC一次逆变驱动模块还与SiC IGBT一次逆变电路连接；SiC二次逆变驱动模块还与SiC IGBT二次逆变电路连接。
三相整流滤波电路用于将三相交流电整流滤波为平滑直流电；SiC IGBT一次逆变电路用于将直流电调制成高电压、低电流的高频交流方波；高频变压器用于隔离变压器前后电路且调制出低电压、高电流的高频交流方波；SiC超高频整流滤波输出电路用于将高频交流方波整流滤波成直流电；SiC IGBT二次逆变电路用于转换SiC超高频整流滤波输出电路输出的直流电的极性以形成焊接所需的变极性电流；高压稳弧电路用于焊接电流变极性时为电弧空间提供一个反向高压，保证电流过零点瞬间电弧熄灭后可靠再引燃；SiC一次逆变驱动模块用于驱动主电路中一次逆变电路中SiC IGBT的开通与关断，实现恒流或恒压控制；SiC二次逆变驱动模块用于驱动主电路中二次逆变电路中SiC IGBT的开通与关断，实现电流极性转变。
优选的方案是：控制电路还包括：用于采样输出的焊接电流并反馈到控制器进行PID调节完成恒流输出控制的电流反馈模块；用于采样输出的焊接电压并反馈到控制器进行PID调节完成恒压输出控制的电压反馈模块；用于输出控制器产生的开关信号的开关量模组；用于对焊接电源的工作状态进行实时监测判断并进行保护的异常检测保护电路；数字面板通过CAN通信接口与控制器连接，用于完成焊接参数设定、焊接电流电压的实时显示；电流反馈模块、电压反馈模块、开关量模组分别与控制器连接；控制器用于根据数字面板设定的焊接参数与电流反馈模块和电压反馈模块提供的电流电压值进行比较来产生数字PWM信号。
本发明变极性焊接电源，可以用于直流恒压特性焊接，也可以用于单脉冲、双脉冲、中值脉冲等任意波形的变极性脉冲TIG或MIG焊接。
主电路的具体结构是：三相整流滤波电路包括相连接的三相整流模块BR101和LC滤波模块；SiC IGBT一次逆变电路包括SiC IGBT模块TR101、SiC IGBT模块TR102和RC吸收保护电路；SiC超高频整流滤波输出电路包括SiC二极管D101、SiC二极管D102、SiC二极管D103、SiC二极管D104和滤波保护电路；SiC二极管D102和SiC二极管D104串联后并联到由SiC二极管D101和SiC二极管D103组成的串联电路上；SiC IGBT二次逆变电路包括SiC IGBT模块TR103、SiC IGBT模块TR104和RCD吸收保护电路；高压稳弧电路包括二极管D105、二极管D108、管型陶瓷电阻R117、输出滤波电感L102和高频耦合电感T102；
SiC IGBT模块TR101和SiC IGBT模块TR102分别并联到LC滤波模块上；高频变压器的初级分别与SiC IGBT模块TR101和SiC IGBT模块TR102连接，高频变压器的次级输出端一与SiC二极管D101和SiC二极管D103连接点连接，高频变压器的次级输出端三与SiC二极管D102和SiC二极管D104连接点连接；
SiC IGBT模块TR103和SiC IGBT模块TR104分别并联到由SiC二极管D101和SiC二极管D103组成的串联电路上；SiC IGBT模块TR103还通过依次连接的二极管D105、二极管D108、管型陶瓷电阻R117和输出滤波电感L102与高频耦合电感T102连接；高频变压器的次级输出端二与管型陶瓷电阻R117和输出滤波电感L102连接点连接；SiC IGBT模块TR103与负载的正极连接；高频耦合电感T102与负载的负极连接；管型陶瓷电阻R117和输出滤波电感L102连接点与负载的正极之间还连接有输出旁路滤波电路；输出旁路滤波电路包括电阻R115、电容C113、电容C114和电容C116；
SiC IGBT模块TR101和SiC IGBT模块TR102分别与SiC一次逆变驱动模块连接；SiCIGBT模块TR103和SiC IGBT模块TR104分别与SiC二次逆变驱动模块连接。
主电路的工作原理是：三相交流电经过三相整流滤波电路形成直流电，通过SiCIGBT一次逆变电路转换成100kHz以上高频的高电流低电压交流方波，经过SiC超高频整流滤波电路整流滤波成直流电，高频变压器将高频高压交流方波转换成高频高电流的交流方波，最后经SiC IGBT二次逆变电路切换平滑直流电的传输方向，达到电流变极性的目的；当焊接电流为正向时，SiC IGBT模块TR103和SiC IGBT模块TR104的正端Q105和Q106开通，SiCIGBT模块TR103和SiC IGBT模块TR104的负端Q107和Q108断开，流过管型陶瓷功率电阻R117的电流为零，此时稳弧高压对电弧空间不起作用；电流从正向转为负向的瞬间，SiC IGBT模块TR103和SiC IGBT模块TR104的正端Q105和Q106断开，SiC IGBT模块TR103和SiC IGBT模块TR104的负端Q107和Q108开通，电弧熄灭，电源为空载，高压稳弧电路形成回路，发生作用，给电弧空间一个高压脉冲，促使电弧重新引燃；当电弧重新引燃后，管型陶瓷功率电阻R117被电弧短路，流过管型陶瓷功率电阻R117的电流几乎为零，稳弧高压对电弧空间不起作用。高压稳弧电路将高压交流电整流滤波生成高压直流电通过管型陶瓷电阻加载于负载的负极，电流从正向转向负向时，给电弧空间一个反向高压，起到稳弧的作用。
更进一步优选的方案是：主电路还包括由整流模块B101、电阻R116与电容C115组成的RC整流输出滤波电路；整流模块B101的输入端连接三相/单相交流电源。
控制器包括基于ARM Cortex-M4内核的高性能DSC微处理器；例如DSC级的168M工作频率的ARM芯片STM32F405RGT6。控制器还包括由AMS1117(U2)及其外围电路构成的低压差线性稳压电源模块、由Y1、C1～C2以及R1构成的外部时钟电路、由S1、C1、R7构成的外部复位电路以及由R2-R5、R8以及CN1构成的JTAG调试电路等构成。DSC微处理器可以根据功率开关管工作时序与逻辑关系来产生多路脉宽、占空比、死区时间以及相位均可柔性调节的数字PWM信号；DSC微处理器内嵌了相应的电流-电压双闭环控制算法，可以实现恒压、恒流、变斜率特性以及多阶梯特性控制、多分段能量控制及变极性控制等功能。
SiC一次逆变驱动模块的具体结构是：包括由电阻R201、电阻R202、P沟道功率场效应管M201和N沟道功率场效应管M202组成的推挽输出电路一，由电阻203、电阻R204、P沟道功率场效应管M203和N沟道功率场效应管204组成的推挽输出电路二，以及高频脉冲变压器T201、高频脉冲变压器T202和四路驱动信号产生电路。由于SiC IGBT一次逆变电路功率器件的工作电流都比较小，且工作频率较高，因此SiC一次逆变驱动模块采用高频脉冲变压器隔离型驱动电路。由控制器产生的TTL型的PWM驱动信号，经过高速线性光耦器件进行隔离以后分别输入到P沟道功率场效应管M201、N沟道功率场效应管202、P沟道功率场效应管M203和N沟道功率场效应管204，其输出信号分别再经过高频脉冲变压器T201和T202进行放大及隔离后产生四路IGBT驱动信号，对相应的SiC IGBT模块进行驱动。
SiC二次逆变驱动模块的具体结构是：包括光耦U301、光耦U302、稳压二极管D301、稳压二极管D302、栅极驱动电阻R302、栅极驱动电阻R305，压敏电阻R303和压敏电阻R306。SiC二次逆变驱动模块采用光耦隔离式驱动电路。由控制器产生的TTL型的PWM驱动信号，经过高速线性光耦器件进行隔离以后分别输入到光耦U130、U302，产生两路互补的PWM信号，驱动双半桥SiC IGBT二次逆变电路的SiC IGBT模块。其中，稳压二极管D301、D302在IGBT关断状态时提供负偏压，保证SiC IGBT模块的快速、可靠关断。压敏电阻R303、R306为干扰的电压尖峰提供旁路通道，对SiC IGBT模块进行可靠保护。
控制供电模块的具体结构是：包括依次连接的滤波浪涌限制单元、整流滤波单元、反激变换器和若干稳压模块，以及与反激变换器连接的驱动单元。控制供电模块能够在很宽的输入电压变化范围内稳定的实现两路+12V、两路-12V以及三路+5V的直流输出，对网压波动的适应性好，进一步提高控制系统的可靠性。
优选的方案是：异常检测保护电路包括过流保护电路、欠压过压保护电路。
过流保护电路包括整流器D401、整流器D402、整流器D403、整流器D404、电阻R401、电容C401、比较器U401、高速光耦U402、光耦U403和光耦U404。过流保护电路通过交流互感线圈对高频变压器原边电流进行非接触式的检测采样，并按照200A:1A的电流转换比，将大电流转换为小电流信号，经过整流电路及采样电阻R402后，转换为成比例的直流电压信号Vf，输入至比较器U401反相输入端，而Vref为参考电压，当过流现象出现时，Vf＞Vref，比较器U401输出低电平，导致光耦U403和光耦U404构成自锁电路，同时高速光耦U402输出高电平，产生过流保护信号传输至控制器，执行相应的保护动作，过流故障LED指示灯D405亮起，表明焊接电源发生了IGBT过流现象。
欠压过压保护电路包括由分压电阻R501、分压电阻R502、分压电阻R503和分压电阻R504组成的分压电路，以及比较器U501。VOC为电网电压经过变压器降压、整流滤波后的直流采样电压，其通过由分压电阻R501～R504组成的电阻分压网络按比例降低至不同的电压值后，分别输入至两个比较器U501的反相、同相输入端，与参考电压Vref进行比较，当电阻分压值大于Vref时，比较器U501输出低电平信号，则认为此时发生过压故障；当另一路的电阻小于Vref时，另一路比较器U501输出高电平信号，认为此时发生欠压故障，该故障指示信号传输至芯片内部，触发焊枪关断，从而实现焊接电源的保护。
数字面板可以是数码管+数字按键模式的面板，也可以是工业控制触摸屏系统。此处以数码管+数字按键模式的人机交互面板为主进行介绍。主要包括DSC最小系统、反馈电路、正交编码器、按键、LED数码管、驱动电路、LED指示灯等构成；按键、LED和数码管与DSC最小系统的GPIO模块相连，LED和数码管驱动电路均采用74HC595和ULN2003扩展IO口和放大LED和数码管的电流，保证足够的显示亮度；该数字面板完成焊接参数设定、焊接电流电压的实时采集检测及显示、以及通过CAN BUS网络与焊接电源等进行信息数据共享与数字控制。
本发明创新设计的基础原理为：采用基于全数字控制技术和大功率SiC IGBT高频开关逆变技术构建高性能的带高压稳弧功能的全数字变极性焊接电源；利用数字面板通过CAN通信接口实现精确的人机交互。在此基础上，采用多种电流电压波形精密调控策略，精确控制焊接电弧热输入量及稳弧所需的叠加脉冲电流输出，从而制成能够体积小，重量轻，电弧稳定，焊缝质量好且节能环保的变极性焊接电源。
本发明的工作原理为：三相交流电经全桥整流滤波形成直流电，通过SiC IGBT一次逆变电路，转换成100KHz以上高频的高电流低电压交流方波，经过SiC超高频整流滤波电路整流滤波成直流电，最后经SiC IGBT二次逆变电路进行电流极性的转换，输出变极性的焊接电流；电流反馈模块和电压反馈模块主要用于实时检测焊接电源输出的电流值和电压值，并提供给控制器；数字面板主要实现工艺参数的预设、状态的显示等人机交互功能；控制器主要根据数字面板的预设值与电流反馈模块和电压反馈模块提供的电流电压值经过PID算法产生合适的数字PWM信号，并通过SiC一次逆变驱动模块、SiC二次逆变驱动模块换成适合SiC IGBT模块的PWM模拟驱动信号，实现超高频驱动调制，获得所需的精确电流电压波形；高压稳弧电路将高压交流电整流滤波生成高压直流电通过管型陶瓷电阻加载于输出端的负极，电流从正向转向负向时，给电弧空间一个反向高压，起到稳弧的作用；通过以上工作，本发明变极性焊接电源可以精确控制焊接电弧热输入量，达到电弧稳定，近零飞溅，高质量焊缝的工艺效果。
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。

Claims (10)

1.一种基于SiC IGBT的数字化变极性焊接电源，其特征在于：包括主电路与控制电路；所述主电路包括依次连接的三相整流滤波电路、SiC IGBT一次逆变电路、高频变压器、SiC超高频整流滤波输出电路、SiC IGBT二次逆变电路和高压稳弧电路；其中，三相整流滤波电路与三相交流电源连接，高压稳弧电路与负载连接；
所述控制电路包括控制器和控制供电模块，以及分别与控制器信号连接的数字面板、SiC一次逆变驱动模块和SiC二次逆变驱动模块；所述数字面板、SiC一次逆变驱动模块和SiC二次逆变驱动模块分别与控制供电模块电连接；所述SiC一次逆变驱动模块还与SiCIGBT一次逆变电路连接；所述SiC二次逆变驱动模块还与SiC IGBT二次逆变电路连接。
2.根据权利要求1所述的基于SiC IGBT的数字化变极性焊接电源，其特征在于：所述三相整流滤波电路包括相连接的三相整流模块BR101和LC滤波模块；所述SiC IGBT一次逆变电路包括SiC IGBT模块TR101、SiC IGBT模块TR102和RC吸收保护电路；所述SiC超高频整流滤波输出电路包括SiC二极管D101、SiC二极管D102、SiC二极管D103、SiC二极管D104和滤波保护电路；SiC二极管D102和SiC二极管D104串联后并联到由SiC二极管D101和SiC二极管D103组成的串联电路上；所述SiC IGBT二次逆变电路包括SiC IGBT模块TR103、SiC IGBT模块TR104和RCD吸收保护电路；所述高压稳弧电路包括二极管D105、二极管D108、管型陶瓷电阻R117、输出滤波电感L102和高频耦合电感T102；
所述SiC IGBT模块TR101和SiC IGBT模块TR102分别并联到LC滤波模块上；高频变压器的初级分别与SiC IGBT模块TR101和SiC IGBT模块TR102连接，高频变压器的次级输出端一与SiC二极管D101和SiC二极管D103连接点连接，高频变压器的次级输出端三与SiC二极管D102和SiC二极管D104连接点连接；
SiC IGBT模块TR103和SiC IGBT模块TR104分别并联到由SiC二极管D101和SiC二极管D103组成的串联电路上；所述SiC IGBT模块TR103还通过依次连接的二极管D105、二极管D108、管型陶瓷电阻R117和输出滤波电感L102与高频耦合电感T102连接；高频变压器的次级输出端二与管型陶瓷电阻R117和输出滤波电感L102连接点连接；所述SiC IGBT模块TR103与负载的正极连接；高频耦合电感T102与负载的负极连接；管型陶瓷电阻R117和输出滤波电感L102连接点与负载的正极之间还连接有输出旁路滤波电路；
SiC IGBT模块TR101和SiC IGBT模块TR102分别与SiC一次逆变驱动模块连接；SiCIGBT模块TR103和SiC IGBT模块TR104分别与SiC二次逆变驱动模块连接。
3.根据权利要求1所述的基于SiC IGBT的数字化变极性焊接电源，其特征在于：所述SiC一次逆变驱动模块包括由电阻R201、电阻R202、P沟道功率场效应管M201和N沟道功率场效应管M202组成的推挽输出电路一，由电阻203、电阻R204、P沟道功率场效应管M203和N沟道功率场效应管204组成的推挽输出电路二，以及高频脉冲变压器T201、高频脉冲变压器T202和四路驱动信号产生电路。
4.根据权利要求1所述的基于SiC IGBT的数字化变极性焊接电源，其特征在于：所述SiC二次逆变驱动模块包括光耦U301、光耦U302、稳压二极管D301、稳压二极管D302、栅极驱动电阻R302、栅极驱动电阻R305，压敏电阻R303和压敏电阻R306。
5.根据权利要求1所述的基于SiC IGBT的数字化变极性焊接电源，其特征在于：所述控制供电模块包括依次连接的滤波浪涌限制单元、整流滤波单元、反激变换器和若干稳压模块，以及与反激变换器连接的驱动单元。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的基于SiC IGBT的数字化变极性焊接电源，其特征在于：所述控制电路还包括：
用于采样输出的焊接电流并反馈到控制器进行PID调节完成恒流输出控制的电流反馈模块；
用于采样输出的焊接电压并反馈到控制器进行PID调节完成恒压输出控制的电压反馈模块；
用于输出控制器产生的开关信号的开关量模组；
用于对焊接电源的工作状态进行实时监测判断并进行保护的异常检测保护电路；
所述数字面板通过CAN通信接口与控制器连接，用于完成焊接参数设定、焊接电流电压的实时显示；
所述电流反馈模块、电压反馈模块、开关量模组分别与控制器连接；控制器用于根据数字面板设定的焊接参数与电流反馈模块和电压反馈模块提供的电流电压值进行比较来产生数字PWM信号。
7.根据权利要求6所述的基于SiC IGBT的数字化变极性焊接电源，其特征在于：所述异常检测保护电路包括过流保护电路、欠压过压保护电路。
8.根据权利要求7所述的基于SiC IGBT的数字化变极性焊接电源，其特征在于：所述过流保护电路包括整流器D401、整流器D402、整流器D403、整流器D404、电阻R401、电容C401、比较器U401、高速光耦U402、光耦U403和光耦U404。
9.根据权利要求7所述的基于SiC IGBT的数字化变极性焊接电源，其特征在于：所述欠压过压保护电路包括由分压电阻R501、分压电阻R502、分压电阻R503和分压电阻R504组成的分压电路，以及比较器U501。
10.根据权利要求1至5中任一项所述的基于SiC IGBT的数字化变极性焊接电源，其特征在于：所述控制器包括基于ARM Cortex-M4内核的高性能DSC微处理器。
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