[发明专利]基于SiC的超高频逆变式手工焊接电源

说明书

本发明提供了一种基于SiC的超高频逆变式手工焊接电源，其特征在于：包括主电路和数字控制电路；所述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、超高频逆变换流模块、超高频功率变压器和高频快速整流平滑模块；所述数字控制电路包括负载电流电压检测模块、基于DSC的人机交互模块、DSC控制器、超高频驱动模块和安全保护模块；所述DSC控制器与超高频驱动模块连接；超高频驱动模块还与超高频逆变换流模块相连。该焊接电源可实现超过200kHz超高频逆变，时间常数小，动态响应快，具备优异工艺适应性，实现对电弧负载的精细设计与控制，有效提升焊接工艺质量。

技术领域

本发明涉及弧焊逆变电源技术领域，更具体地说，涉及一种基于SiC的超高频逆变式手工焊接电源。

背景技术

无论是民用领域还是工业领域，手工焊接方法均得到了十分广泛的应用。目前，手工焊接电源已普遍采用高效节能的逆变式焊接电源；其中，小功率应用领域普遍以MOSFET弧焊逆变电源为主，而在中大功率领域普遍采用IGBT弧焊逆变电源。无论是MOSFET弧焊逆变电源还是IGBT弧焊逆变电源，其效率和性能均比整流式电源有了较大程度的提高，技术已经日趋成熟。这两种逆变电源的功率器件均为Si基功率器件，包括MOFET、IGBT、SBD和FRD。传统硅(Si)半导体器件已接近其材料本征极限，现有的Si基MOSFET虽然开关速度快，能够减小弧焊逆变器的体积和重量，但管功率和耐压较低，一般应用于中小功率的场合。Si基的IGBT具有导通电阻小、电流容量大、耐压较高等特点，在大功率弧焊逆变器中得到广泛应用，但它的开关频率低，开关损耗较高。具体说来，目前的逆变式手工焊接电源还存在以下几个方面的问题：

(1)逆变频率仍不够高。限于开关过程载流子的调制效应以及寄生效应，同时其饱和导通压降较高，开关过程能耗较高，使得Si基功率器件的开关速度受到限制，逆变频率难以进一步提高；由于逆变频率的限制，使得主回路的时间常数难以进一步降低，导致控制周期较长，焊接电源的动态响应性能也无法进一步提高；

(2)效率不够高；由于Si基功率器件的通态电阻较大，导通压降大，使得功率管在导通过程的功率损耗比较大；开关时间较长，也导致器件在开通和关断过程的交流损耗也较大；随着逆变频率的提高，器件的交流损耗迅速增加；这几个原因导致能效难以进一步提高；

(3)环境适应性有待提高；手工焊接电源的使用环境恶劣，有些焊接现场是二十四小时连续作业，长时间持续工作导致对功率器件的热耐受性以及散热通道设计提出了很高的要求；由于存在电导调制过程，Si基功率器件存在反向恢复效应；在较高逆变频率情况下的交流损耗急剧增加，导致器件温升上升较快；由于高频寄生振荡、负载频繁复杂变化、电磁干扰、偏磁等原因，特别是大功率焊接条件下，弧焊电源存在可靠性偏弱等问题；

(4)不易实现大功率焊接电源的小型化、轻量化和低成本化。由于能效还不够高，功率器件的散热器件体积和重量较大；同时，逆变频率相对较低，使得主回路的磁性器件以及滤波平滑部件的重量和体积也难以进一步降低；这两个因素导致大功率焊接电源的功率密度难以提高，体积较大，消耗的制造原材料较多，综合制造成本高。

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、可实现超过200kHz超高频逆变、时间常数小、动态响应快、具备优异工艺适应性、实现对电弧负载的精细设计与控制、有效提升焊接工艺质量的超高频逆变式手工焊接电源。

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的超高频逆变式手工焊接电源，其特征在于：包括主电路和数字控制电路；

所述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、超高频逆变换流模块、超高频功率变压器和高频快速整流平滑模块；其中，所述电磁噪声抑制模块与外部三相/单相交流输入电源连接；所述高频快速整流平滑模块与外部电弧负载连接；