[发明专利]高功率密度高效率WBG弧焊逆变器

说明书

本发明提供了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；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。该弧焊逆变器具有更高的功率密度和效率，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。

技术领域

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。

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，其中WBG是指宽禁带，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。