CN110076421A - 基于SiC的快频脉冲TIG焊接电源数字化控制电路 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于SiC的快频脉冲TIG焊接电源数字化控制电路，其特征在于：包括控制系统、电信号采样反馈模块和驱动模块；驱动模块包括SiC高频驱动电路和调制开关管驱动电路；控制系统通过隔离一与SiC高频驱动电路连接，SiC高频驱动电路分别与直流电源一和直流电源二的SiC功率开关管连接；控制系统通过隔离二与调制开关管驱动电路连接，调制开关管驱动电路与调制电路的IGBT开关管连接；控制系统还与电信号采样反馈模块连接。该控制电路采用隔离保护，有效防止开关管发生损坏，可避免电磁干扰，避免产生电压尖峰而引起误触发，具有良好驱动效果。
Description
技术领域
本发明涉及焊接设备技术领域，更具体地说，涉及基于SiC的快频脉冲TIG焊接电源数字化控制电路。
背景技术
近年来，快频脉冲TIG焊接技术成为国内外脉冲TIG焊接领域的研究重点。快频脉冲TIG焊能够提高脉冲TIG焊的电弧收缩程度，改善电弧能量密度和提高电弧挺度，细化焊缝晶粒，提高焊缝力学性能。
采用SiC功率器件研制的快频脉冲TIG焊接电源的逆变频率可达200kHz，损耗低且控制精度高，可稳定输出20kHz及以上的规整快频脉冲电流波形。快频脉冲TIG焊技术由于加入了高频电流的调制，会对焊接电源产生的强烈电磁干扰，特别是对SiC功率器件的影响更甚。基于SiC MOSFET的快频脉冲TIG焊接电源具有高频高压的工作状态、快速的响应速度、高的脉冲频率电流输出等优势，但同时存在的干扰因素多、控制难度大、功率开关管容易因电压尖峰而损坏等技术问题。
发明内容
为克服现有技术中的缺点与不足，本发明的目的在于提供一种基于SiC、采用隔离保护、有效防止开关管发生损坏、可避免电磁干扰、避免产生电压尖峰而引起误触发、具有良好驱动效果的快频脉冲TIG焊接电源数字化控制电路。
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的快频脉冲TIG焊接电源数字化控制电路，快频脉冲TIG焊接电源包括直流电源一、直流电源二和调制电路；其特征在于：包括控制系统、电信号采样反馈模块和驱动模块；所述驱动模块包括SiC高频驱动电路和调制开关管驱动电路；所述控制系统通过隔离一与SiC高频驱动电路连接，SiC高频驱动电路分别与直流电源一和直流电源二的SiC功率开关管连接，以实现控制系统驱动直流电源一和直流电源二的SiC功率开关管；所述控制系统通过隔离二与调制开关管驱动电路连接，调制开关管驱动电路与调制电路的IGBT开关管连接，以实现控制系统驱动调制电路的IGBT开关管；所述控制系统还与电信号采样反馈模块连接。
本发明控制电路中，SiC高频驱动电路接收控制系统输出的PWM信号，实现对直流电源一和直流电源二的SiC功率开关管的驱动控制；调制开关管驱动电路接收控制系统输出的PWM信号，实现对调制电路的IGBT开关管的驱动控制，从而调控快频脉冲TIG焊接电源的输出特性。电信号采样反馈模块采样电流和电压，输入控制系统进行数字滤波以及PID控制处理。采样隔离方式实现控制系统与SiC高频驱动电路，以及控制系统与调制开关管驱动电路连接；具有多种保护功能，在有效驱动开关管的同时可防止开关管发生损坏；可抑制SiC功率开关管驱动过程中出现瞬态电压和瞬态电流过高、产生电磁干扰的问题，防止产生电压尖峰而引起误触发，具有良好的驱动效果。
优选地，所述控制系统通过隔离一与SiC高频驱动电路连接，SiC高频驱动电路与直流电源一和直流电源二的SiC功率开关管连接，是指：
控制系统通过型号为ISO5451的隔离驱动芯片与SiC高频驱动电路连接，隔离驱动芯片还连接有驱动供电电路一；SiC高频驱动电路与直流电源一和直流电源二的SiC功率开关管连接。
与现有的快频脉冲TIG焊接电源技术相比，本发明采用SiC功率开关管作为主要功率器件面临着高频振荡尖峰的问题,容易使SiC功率开关管误导通或者被击穿，这是影响SiC功率开关管栅极驱动可靠性的关键所在。型号为ISO5451的隔离驱动芯片具有磁隔离特性，可为SiC高频驱动电路提供短路保护、欠压保护、米勒钳位保护等功能，能有效低减少或消除振荡电压尖峰，保证了SiC焊接电源的工作可靠性。
优选地，所述SiC高频驱动电路包括电容C304、电容C305、稳压管ZD301、二极管D302、二极管D303、电阻R310、电阻R311、电阻R312和电阻R313；
隔离驱动芯片的引脚CLAMP与SiC功率开关管栅极连接；SiC功率开关管栅极通过并联的电阻R313和电容C305接地；隔离驱动芯片的引脚OUT通过电阻R312与SiC功率开关管栅极连接；二极管D303和电阻R311串联后并联在电阻R312上；隔离驱动芯片的引脚OUT通过串联的电阻R310和二极管D302与SiC功率开关管漏极连接；隔离驱动芯片的引脚OUT还通过并联的电容C304和稳压二极管ZD301接地；隔离驱动芯片的引脚DESAT与隔离驱动芯片的引脚OUT连接。SiC高频驱动电路对SiC功率开关管栅极有保护作用。
优选地，所述控制系统通过隔离二与调制开关管驱动电路连接，调制开关管驱动电路与调制电路的IGBT开关管连接，是指：控制系统通过光耦隔离芯片与调制开关管驱动电路连接，调制开关管驱动电路与调制电路的IGBT开关管连接。
优选地，所述调制开关管驱动电路包括NPN三极管Q401、NPN三极管Q402、NPN三极管Q404、PNP三极管Q403和驱动供电电路二；
光耦隔离芯片的输出端通过依次连接的电阻R402、电阻R403和二极管D402与NPN三极管Q401基极连接；电阻R403并联有电容C401；二极管D402反向并联有二极管D403；电阻R403和二极管D402连接处通过二极管D401与NPN三极管Q401集电极连接；NPN三极管Q401集电极还通过电阻R404与驱动供电电路二正极连接；
电阻R402和电阻R403连接处通过依次连接的电阻R408和二极管D408与NPN三极管Q402基极连接；电阻R408并联有电容C403；二极管D408反向并联有二极管D409；电阻R408和二极管D408连接处通过二极管D407与NPN三极管Q402集电极连接；NPN三极管Q402集电极还通过电阻R409与驱动供电电路二正极连接；NPN三极管Q401发射极和NPN三极管Q402发射极分别与驱动供电电路二负极连接；
NPN三极管Q401集电极通过依次连接的电阻R405和二极管D405与PNP三极管Q403基极连接；电阻R405并联有电容C402；二极管C405反向并联有二极管D404；电阻R405和二极管D405连接处通过二极管D406与PNP三极管Q403集电极连接；PNP三极管Q403基极通过电阻R406与驱动供电电路二正极连接；PNP三极管Q403发射极通过电阻R407与驱动供电电路二正极连接；
NPN三极管Q402集电极通过依次连接的电阻R410和二极管D411与NPN三极管Q404基极连接；电阻R410并联有电容C404；二极管D411反向并联有二极管D412；电阻R410和二极管D411连接处通过二极管D410与NPN三极管Q404集电极连接；NPN三极管Q404集电极与PNP三极管Q403集电极连接；NPN三极管Q404发射极通过电阻R411与驱动供电电路二负极连接；NPN三极管Q404集电极通过电阻R412与驱动供电电路二负极连接；NPN三极管Q404集电极与调制电路的IGBT开关管连接。该设置的好处是：具有体积小、开关速度高以及抗冲击能力强的优点，满足驱动设计要求。
优选地，所述光耦隔离芯片是指型号为HCPL-3120的光耦隔离芯片。
优选地，所述电信号采样反馈模块包括用于分别采集直流电源一和直流电源二输出电压电流的两路输出电压电流采样反馈电路；两路输出电压电流采样反馈电路分别通过隔离三与控制系统连接。
与现有技术相比，本发明具有如下优点与有益效果：
1、本发明适用于采用SiC功率开关管为主要功率器件的快频脉冲TIG焊接电源；采样隔离方式实现控制系统与SiC高频驱动电路，以及控制系统与调制开关管驱动电路连接；具有多种保护功能，在有效驱动开关管的同时可防止开关管发生损坏；
2、本发明可抑制SiC功率开关管驱动过程中出现瞬态电压和瞬态电流过高、产生电磁干扰的问题，防止产生电压尖峰而引起误触发，具有良好的驱动效果；
3、本发明采用了基于ARM的高速高精度全数字化控制技术，控制精度更高，响应速度更快，实现了闭环控制，更易于实现对快频脉冲TIG电弧的精细化设计与控制，提高焊接工艺质量。
附图说明
图1是快频脉冲TIG焊接电源拓扑电路示意图；
图2是本发明基于SiC的快频脉冲TIG焊接电源数字化控制电路的系统框图；
图3是本发明基于SiC的快频脉冲TIG焊接电源数字化控制电路中SiC高频驱动电路的电路图；
图4是本发明基于SiC的快频脉冲TIG焊接电源数字化控制电路中调制开关管驱动电路的电路图；
图5是本发明基于SiC的快频脉冲TIG焊接电源数字化控制电路中电信号采样反馈模块的电路图。
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
一种基于SiC的快频脉冲TIG焊接电源数字化控制电路，快频脉冲TIG焊接电源的拓扑电路如图1所示，包括直流电源一、直流电源二和调制电路。
如图2所示，本发明基于SiC的快频脉冲TIG焊接电源数字化控制电路包括控制系统、电信号采样反馈模块和驱动模块，还可以包括通信模块和接口模块。驱动模块包括SiC高频驱动电路和调制开关管驱动电路；控制系统通过隔离一与SiC高频驱动电路连接，SiC高频驱动电路分别与直流电源一和直流电源二的SiC功率开关管连接，以实现控制系统驱动直流电源一和直流电源二的SiC功率开关管；所述控制系统通过隔离二与调制开关管驱动电路连接，调制开关管驱动电路与调制电路的IGBT开关管连接，以实现控制系统驱动调制电路的IGBT开关管；所述控制系统还与电信号采样反馈模块连接。
本发明控制电路的工作原理是：直流电源一将380V输入交流电转变为低压平滑的直流电，然后输出到调制电路中。调制电路内的两个IGBT开关管以20kHz或更高的频率交替开关，将直流电转换为高频脉冲电流。高频脉冲电流与直流电源二输出的基值直流电流叠加，输出快频脉冲电流至外部电弧负载。在快频脉冲TIG焊接电源中直流电源一和直流电源二的输出电压电流采样反馈独立控制；通过霍尔传感器在直流电源一和直流电源二的输出端分别采集输出电流电压，经信号调理后输入到控制系统，由控制系统比较输出值和预设值，改变输出的PWM占空比，完成闭环控制。
本发明控制电路以控制系统为核心，结合外设电路实现电源焊接流程任务控制、硬件电路开关控制与电信号反馈调控、人机通信、引弧等功能。本发明控制电路中，SiC高频驱动电路接收控制系统输出的PWM信号，实现对直流电源一和直流电源二的SiC功率开关管的驱动控制；调制开关管驱动电路接收控制系统输出的PWM信号，实现对调制电路的IGBT开关管的驱动控制，从而调控快频脉冲TIG焊接电源的输出特性。电信号采样反馈模块采样电流和电压，输入控制系统进行数字滤波以及PID控制处理。通信模块包括人机交互界面和机器人通信，其中人机交互界面的作用为调节焊接参数，实时显示输出电流电压和焊接状态；机器人通信作用为设定焊接路径和控制焊接过程。
控制系统可采用现有技术，例如采用ARM最小控制系统，ARM最小控制系统包括型号为STM32F405RGT6的主控芯片、精密3.3V电源模块、外部时钟振荡模块、复位模块、JTAG调试接口以及其他辅助外围电路。主控芯片内嵌了FREERTOS系统，能够完成快频TIG焊接电源内多控制任务的实时调度；电信号采样反馈模块连接到主控芯片的ADC端口。
如图3所示，控制系统通过型号为ISO5451的隔离驱动芯片与SiC高频驱动电路连接，隔离驱动芯片还连接有驱动供电电路一；SiC高频驱动电路与直流电源一和直流电源二的SiC功率开关管连接。驱动供电电路一可以由型号为QA121C2的DC-DC电源及其外围电路构成，也可采用其它现有供电电路。
控制系统提供了PWM驱动控制信号，控制信号经去抖电路后通过驱动隔离器，隔离后的信号由后级场效应管推挽放大输出。该电路设计的保护功能包括短路检测、米勒有源钳位、欠压保护等，其中短路检测DESAT通过采集SiC功率开关管漏源极电压，通过比较器产生短路保护信号，经由逻辑电路关断输出驱动信号，电阻R310和二极管D302可以防止漏极电流反灌；米勒有源钳位CLAMP可以实时监测SiC功率开关管栅极电压，将其电压值通过比较器，与2V参考电压进行比较后输入逻辑电路，当电压超过2V时开启钳位场效应管，利于栅源极内部寄生电容电荷的释放，从而减小或消除米勒效应；欠压输出锁定UVLO可以保证供电电压过低时，能将栅极驱动控制信号拉到低电平，从而使SiC功率开关管停止工作。
与现有的快频脉冲TIG焊接电源技术相比，本发明采用SiC功率开关管作为主要功率器件面临着高频振荡尖峰的问题,容易使SiC功率开关管误导通或者被击穿，这是影响SiC功率开关管栅极驱动可靠性的关键所在。型号为ISO5451的隔离驱动芯片具有磁隔离特性，可为SiC高频驱动电路提供短路保护、欠压保护、米勒钳位保护等功能，能有效低减少或消除振荡电压尖峰，保证了SiC焊接电源的工作可靠性。
SiC高频驱动电路包括电容C304、电容C305、稳压管ZD301、二极管D302、二极管D303、电阻R310、电阻R311、电阻R312和电阻R313；
隔离驱动芯片的引脚CLAMP与SiC功率开关管栅极连接；SiC功率开关管栅极通过并联的电阻R313和电容C305接地；隔离驱动芯片的引脚OUT通过电阻R312与SiC功率开关管栅极连接；二极管D303和电阻R311串联后并联在电阻R312上；隔离驱动芯片的引脚OUT通过串联的电阻R310和二极管D302与SiC功率开关管漏极连接；隔离驱动芯片的引脚OUT还通过并联的电容C304和稳压二极管ZD301接地；隔离驱动芯片的引脚DESAT与隔离驱动芯片的引脚OUT连接。该SiC高频驱动电路对SiC功率开关管栅极有保护作用。
如图4所示，控制系统通过光耦隔离芯片与调制开关管驱动电路连接，调制开关管驱动电路与调制电路的IGBT开关管连接。
调制开关管驱动电路包括NPN三极管Q401、NPN三极管Q402、NPN三极管Q404、PNP三极管Q403和驱动供电电路二；
光耦隔离芯片的输出端通过依次连接的电阻R402、电阻R403和二极管D402与NPN三极管Q401基极连接；电阻R403并联有电容C401；二极管D402反向并联有二极管D403；电阻R403和二极管D402连接处通过二极管D401与NPN三极管Q401集电极连接；NPN三极管Q401集电极还通过电阻R404与驱动供电电路二正极连接；
电阻R402和电阻R403连接处通过依次连接的电阻R408和二极管D408与NPN三极管Q402基极连接；电阻R408并联有电容C403；二极管D408反向并联有二极管D409；电阻R408和二极管D408连接处通过二极管D407与NPN三极管Q402集电极连接；NPN三极管Q402集电极还通过电阻R409与驱动供电电路二正极连接；NPN三极管Q401发射极和NPN三极管Q402发射极分别与驱动供电电路二负极连接；
NPN三极管Q401集电极通过依次连接的电阻R405和二极管D405与PNP三极管Q403基极连接；电阻R405并联有电容C402；二极管C405反向并联有二极管D404；电阻R405和二极管D405连接处通过二极管D406与PNP三极管Q403集电极连接；PNP三极管Q403基极通过电阻R406与驱动供电电路二正极连接；PNP三极管Q403发射极通过电阻R407与驱动供电电路二正极连接；
NPN三极管Q402集电极通过依次连接的电阻R410和二极管D411与NPN三极管Q404基极连接；电阻R410并联有电容C404；二极管D411反向并联有二极管D412；电阻R410和二极管D411连接处通过二极管D410与NPN三极管Q404集电极连接；NPN三极管Q404集电极与PNP三极管Q403集电极连接；NPN三极管Q404发射极通过电阻R411与驱动供电电路二负极连接；NPN三极管Q404集电极通过电阻R412与驱动供电电路二负极连接；NPN三极管Q404集电极与调制电路的IGBT开关管连接。
控制系统与调制开关管驱动电路之间采用选用光耦隔离式驱动，光耦采用IGBT或者MOSFET专用的高速光耦HCPL-3120，开关延迟时间在0.3us左右，有着小的体积、高的开关速度以及较强的抗冲击能力，足以满足驱动设计要求。由于调制开关管驱动电路产生两路互补且不带死区的驱动电信号，两路调制IGBT开关管的栅极驱动电路结构相同，截取其中一路，隔离光耦后接一个由两个MOSFET组成的半桥拓扑结构，最后输出+15V/-7V电压来驱动调制IGBT开关管。该设置的好处是：具有体积小、开关速度高以及抗冲击能力强的优点，满足驱动设计要求。
电信号采样反馈模块包括用于分别采集直流电源一和直流电源二输出电压电流的两路输出电压电流采样反馈电路；两路输出电压电流采样反馈电路分别通过隔离三与控制系统连接。如图5所示，输出电压电流采样反馈电路包括型号为HAS 200-P的200A电流霍尔传感器、由型号为AD629的差动放大器及其外围电路构成的集成差动放大电路、由型号为OP177的芯片及其外围电路构成的低通滤波电路；所述电流霍尔传感器、集成差动放大电路、低通滤波电路依次连接。
电流霍尔传感器转换回来的测量电压值需要经过电阻R501和R502分压，然后连接到集成差分放大电路，其中U501为具有低失调、低增益误差漂移和高共模抑制比的差动放大器AD629，放大倍数为1。再通过KRC有源低通滤波器进行滤波，本文采用通带内更为平坦的巴特沃兹滤波器作为模型，其中U502为高精度和低零漂的运算放大器OP177，U502结合外部电阻电容R503、R504、C505和C506数值匹配。
与现有的焊接电源目前普遍采用模拟控制方法或经典控制方法相比，本发明直接采用了性能强大、价格低廉的单个DSC级ARM微处理器，ARM芯片内固化有运行于FreeRTOS嵌入式实时操作系统的多功能数字波控软件系统，可以实现PWM数字信号的产生、状态监控、工艺过程的快速调控等功能，所有的人机交互也全部通过触摸屏来实现，主电路采用宽禁带功率器件进行逆变换流。
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 (7)
1.一种基于SiC的快频脉冲TIG焊接电源数字化控制电路，快频脉冲TIG焊接电源包括直流电源一、直流电源二和调制电路；其特征在于：包括控制系统、电信号采样反馈模块和驱动模块；所述驱动模块包括SiC高频驱动电路和调制开关管驱动电路；所述控制系统通过隔离一与SiC高频驱动电路连接，SiC高频驱动电路分别与直流电源一和直流电源二的SiC功率开关管连接，以实现控制系统驱动直流电源一和直流电源二的SiC功率开关管；所述控制系统通过隔离二与调制开关管驱动电路连接，调制开关管驱动电路与调制电路的IGBT开关管连接，以实现控制系统驱动调制电路的IGBT开关管；所述控制系统还与电信号采样反馈模块连接。
2.根据权利要求1所述的基于SiC的快频脉冲TIG焊接电源数字化控制电路，其特征在于：所述控制系统通过隔离一与SiC高频驱动电路连接，SiC高频驱动电路与直流电源一和直流电源二的SiC功率开关管连接，是指：
控制系统通过型号为ISO5451的隔离驱动芯片与SiC高频驱动电路连接，隔离驱动芯片还连接有驱动供电电路一；SiC高频驱动电路与直流电源一和直流电源二的SiC功率开关管连接。
3.根据权利要求2所述的基于SiC的快频脉冲TIG焊接电源数字化控制电路，其特征在于：所述SiC高频驱动电路包括电容C304、电容C305、稳压管ZD301、二极管D302、二极管D303、电阻R310、电阻R311、电阻R312和电阻R313；
隔离驱动芯片的引脚CLAMP与SiC功率开关管栅极连接；SiC功率开关管栅极通过并联的电阻R313和电容C305接地；隔离驱动芯片的引脚OUT通过电阻R312与SiC功率开关管栅极连接；二极管D303和电阻R311串联后并联在电阻R312上；隔离驱动芯片的引脚OUT通过串联的电阻R310和二极管D302与SiC功率开关管漏极连接；隔离驱动芯片的引脚OUT还通过并联的电容C304和稳压二极管ZD301接地；隔离驱动芯片的引脚DESAT与隔离驱动芯片的引脚OUT连接。
4.根据权利要求1所述的基于SiC的快频脉冲TIG焊接电源数字化控制电路，其特征在于：所述控制系统通过隔离二与调制开关管驱动电路连接，调制开关管驱动电路与调制电路的IGBT开关管连接，是指：控制系统通过光耦隔离芯片与调制开关管驱动电路连接，调制开关管驱动电路与调制电路的IGBT开关管连接。
5.根据权利要求4所述的基于SiC的快频脉冲TIG焊接电源数字化控制电路，其特征在于：所述调制开关管驱动电路包括NPN三极管Q401、NPN三极管Q402、NPN三极管Q404、PNP三极管Q403和驱动供电电路二；
光耦隔离芯片的输出端通过依次连接的电阻R402、电阻R403和二极管D402与NPN三极管Q401基极连接；电阻R403并联有电容C401；二极管D402反向并联有二极管D403；电阻R403和二极管D402连接处通过二极管D401与NPN三极管Q401集电极连接；NPN三极管Q401集电极还通过电阻R404与驱动供电电路二正极连接；
电阻R402和电阻R403连接处通过依次连接的电阻R408和二极管D408与NPN三极管Q402基极连接；电阻R408并联有电容C403；二极管D408反向并联有二极管D409；电阻R408和二极管D408连接处通过二极管D407与NPN三极管Q402集电极连接；NPN三极管Q402集电极还通过电阻R409与驱动供电电路二正极连接；NPN三极管Q401发射极和NPN三极管Q402发射极分别与驱动供电电路二负极连接；
NPN三极管Q401集电极通过依次连接的电阻R405和二极管D405与PNP三极管Q403基极连接；电阻R405并联有电容C402；二极管C405反向并联有二极管D404；电阻R405和二极管D405连接处通过二极管D406与PNP三极管Q403集电极连接；PNP三极管Q403基极通过电阻R406与驱动供电电路二正极连接；PNP三极管Q403发射极通过电阻R407与驱动供电电路二正极连接；
NPN三极管Q402集电极通过依次连接的电阻R410和二极管D411与NPN三极管Q404基极连接；电阻R410并联有电容C404；二极管D411反向并联有二极管D412；电阻R410和二极管D411连接处通过二极管D410与NPN三极管Q404集电极连接；NPN三极管Q404集电极与PNP三极管Q403集电极连接；NPN三极管Q404发射极通过电阻R411与驱动供电电路二负极连接；NPN三极管Q404集电极通过电阻R412与驱动供电电路二负极连接；NPN三极管Q404集电极与调制电路的IGBT开关管连接。
6.根据权利要求4所述的基于SiC的快频脉冲TIG焊接电源数字化控制电路，其特征在于：所述光耦隔离芯片是指型号为HCPL-3120的光耦隔离芯片。
7.根据权利要求1所述的基于SiC的快频脉冲TIG焊接电源数字化控制电路，其特征在于：所述电信号采样反馈模块包括用于分别采集直流电源一和直流电源二输出电压电流的两路输出电压电流采样反馈电路；两路输出电压电流采样反馈电路分别通过隔离三与控制系统连接。
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