一种基于SiC模块的快频变极性TIG焊接电源及系统

一种基于sic模块的快频变极性tig焊接电源及系统
技术领域
1.本发明涉及焊接设备技术领域，更具体地说，涉及一种基于sic模块的快频变极性tig焊接电源及系统。


背景技术：

2.变极性焊接电源在镁、铝合金焊接工艺中扮演了重要角色。由于镁合金、铝合金等合金热导率高、热膨胀系数大且表层易发生氧化形成氧化膜，采用dcen(直流正接)或dcep(直流反接)的直流钨极惰性气体保护焊(tungsten inert gas，tig)容易产生晶粒粗大、夹渣、钨极烧损、热裂纹等缺陷。变极性钨极惰性气体保护焊(variable polarity tig,vptig)工艺具有阴极清理的作用，可将金属表层的氧化膜破碎并进行清理。目前，市面上的vptig焊接电源尚存在控制精度低、响应速度慢、输出电流波形不规整、热输入量过大、变极性过零点速率慢、易断弧等问题，例如，中国发明专利《焊接电源及交直流氩弧焊机》(公开号：cn105817740a)和《短路型交流焊接控制电路及焊接电源》(公开号：cn111001901a)仍然在逆变主电路采用si基igbt模块作为开关功率管，其逆变频率通常不能超过20khz，因此其响应速度和控制精度也难以得到比较大的改善。
3.另一方面，由于si基功率器件的各项性能参数已接近由其材料特性和制造工艺决定的理论极限，依靠si基功率器件来提升焊接电源的综合性能也非常困难。si igbt具有拖尾效应并拖尾关断时间长，会存在开关损耗大的问题，很难进一步提升焊接电源的换流效率和换流速度。si mosfet虽然在关断延迟时间和关断损耗上稍有改善，但其耐压和通流能力普遍较低，不适用于大功率应用场合。sic功率模块作为宽禁带半导体器件，相比同功率等级的si mosfet和si igbt，其导通电阻更低、开关延迟时间与开关时间更短、开关损耗更低，更适用于高频大功率逆变场景。因此，利用sic功率模块更容易提高焊接电源系统的开关频率、换流效率及控制精度，推动焊接电源系统向高频化、高效化、精密化发展。现阶段需要设计出一种基于sic功率模块的快频变极性tig焊接电源。


技术实现要素：

4.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模块的快频变极性tig焊接电源及系统；该焊接电源可缩小体积，动态响应速度快，开关损耗低，能效高，输出波形稳定不失真，可提高焊接质量。
5.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模块的快频变极性tig焊接电源，其特征在于：包括双路并联功率主电路、控制电路和人机交互系统；
6.所述双路并联功率主电路包括三相整流滤波电路、快频脉冲电流主电路和变极性电流主电路；所述快频脉冲电流主电路和变极性电流主电路均包括依次连接的初级逆变电路、高频变压器和超快恢复整流平滑电路；快频脉冲电流主电路还包括依次连接在超快恢复整流平滑电路之后的滤波电感和高频切换电路；变极性电流主电路还包括依次连接在超快恢复整流平滑电路之后的耦合电感和次级逆变换流电路；其中，快频脉冲电流主电路和
变极性电流主电路的初级逆变电路分别与三相整流滤波电路；快频脉冲电流主电路的高频切换电路和变极性电流主电路的次级逆变换流电路分别与焊接负载连接；
7.快频脉冲电流主电路的初级逆变电路和高频切换电路，以及变极性电流主电路的初级逆变电路和次级逆变换流电路分别与全数字控制电路连接；全数字控制电路还与人机交互系统连接。
8.优选地，所述快频脉冲电流主电路和变极性电流主电路的初级逆变电路均采用由四个sic开关管组成的全桥逆变拓扑结构；各个sic开关管分别带有sic吸收电路；各个sic开关管分别与控制电路的sic驱动电路连接。
9.优选地，所述快频脉冲电流主电路中，超快恢复整流平滑电路包括二极管vd1和二极管vd2；
10.二极管vd1和二极管vd2分别连接在高频变压器的次级，组成全波整流电路；二极管vd1和二极管vd2连接处通过串联的滤波电感l1和高频切换电路与高频变压器的次级中间抽头连接；所述二极管vd1和二极管vd2分别并联有整流吸收电路一。
11.优选地，所述变极性电流主电路中，超快恢复整流平滑电路包括二极管vd3～二极管vd6；二极管vd3～二极管vd6组成全桥整流拓扑结构；二极管vd3～二极管vd6分别并联有整流吸收电路二。
12.优选地，所述整流吸收电路二由rc串联单元和压敏电阻并联组成。
13.优选地，所述变极性电流主电路中，耦合电感由电感l2和电感l3组成。
14.优选地，所述快频脉冲电流主电路中，高频切换电路包括igbt开关管q1和igbt开关管q2；igbt开关管q1的一端与滤波电感l1连接，另一端与高频变压器的次级中间抽头连接；igbt开关管q1的一端还通过串联的igbt开关管q2和防反灌二极管vd7与焊接负载连接；
15.所述变极性电流主电路中，次级逆变换流电路包括igbt开关管q3～igbt开关管q6；igbt开关管q3和igbt开关管q5串联组成的igbt模块一，igbt开关管q4和igbt开关管q6串联组成的igbt模块二；igbt模块一和igbt模块二分别与耦合电感连接；igbt开关管q3和igbt开关管q4并联，igbt开关管q5和igbt开关管q6并联，构成半桥逆变换流拓扑结构；igbt开关管q4和igbt开关管q6连接处经由高频起弧电路与焊接负载连接。
16.优选地，所述igbt开关管q1和igbt开关管q2分别并联有切换吸收电路；所述igbt开关管q4和igbt开关管q6分别并联有换流吸收电路。
17.优选地，所述igbt开关管q1～igbt开关管q6分别与控制电路的igbt驱动电路连接，以实现分别向igbt开关管q1～igbt开关管q6输出igbt驱动信号；
18.当igbt开关管q3和igbt开关管q4导通、igbt开关管q5和q6关断时，igbt开关管q1与igbt开关管q2以超高频率切换；当igbt开关管q3和igbt开关管q4关断、igbt开关管q5和igbt开关管q6导通时，igbt开关管q1保持导通，igbt开关管q2保持关断。
19.一种焊接系统，其特征在于：包括上述基于sic模块的快频变极性tig焊接电源。
20.与现有技术相比，本发明具有如下优点与有益效果：
21.1、与主要采用si基igbt或者mosfet作为主要换流器件的传统tig焊接电源相比，本发明焊接电源的功率开关器件采用了新型的sic开关管，逆变频率可高达100khz以上，相对比目前较常用的igbt提高了近五倍，不仅整机尺寸大幅减小，动态响应速度也更为理想。由于sic开关管自身的优异性能，其开关损耗和导通损耗均较小，极大地提高了tig焊接电
源的能效；
22.2、本发明焊接电源可以加强输出电流的控制效果，稳定输出直流、方波、变极性方波、阶梯式变极性、快频变极性、阶梯式快频变极性、双脉冲快频变极性等任意电流波形，焊接过程中波形稳定不失真，有利于推动快频变极性tig焊接的发展；
23.3、本发明焊接电源可在变极性电流主电路输出正极性电流时，快频脉冲电流主电路输出大于20khz的快频脉冲电流，二者叠加形成快频变极性电流，且不会造成电流反灌；而当变极性电流主电路输出负极性电流时，快频脉冲电流主电路不会输出电流到输出端，以此保证阴极清理作用的有效和避免电流反灌；可实现大于20khz的快频脉冲电流和小于100hz的变极性电流的叠加，输出快频变极性电流，通过快频脉冲电流的高频搅拌作用，有效改善铝合金、镁合金等轻质合金的焊接过程中普遍存在的严重的焊缝气孔情况，同时减少焊缝缺陷，提高机械性能；
24.4、本发明焊接系统结合了高频逆变、数字自动控制等技术，以及将系统各部分通过can总线进行协同运行，使得系统的集成度更高，控制更为精确。
附图说明
25.图1是本发明焊接电源的结构示意图；
26.图2是本发明焊接电源的主电路电路图；
27.图3是本发明焊接电源的变极性方波输出电流波形图；
28.图4是本发明焊接电源的快频变极性输出电流波形图；
29.图5是本发明焊接电源的阶梯式变极性输出电流波形图；
30.图6是本发明焊接电源的阶梯式快频变极性输出电流波形图；
31.图7是本发明焊接电源应用于焊接系统时的系统结构示意图。
具体实施方式
32.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。
33.实施例
34.如图1所示，本实施例一种基于sic模块的快频变极性tig焊接电源，包括双路并联功率主电路、控制电路和人机交互系统。
35.双路并联功率主电路包括三相整流滤波电路、快频脉冲电流主电路和变极性电流主电路；快频脉冲电流主电路和变极性电流主电路均包括依次连接的初级逆变电路、高频变压器和超快恢复整流平滑电路；快频脉冲电流主电路还包括依次连接在超快恢复整流平滑电路之后的滤波电感和高频切换电路；变极性电流主电路还包括依次连接在超快恢复整流平滑电路之后的耦合电感和次级逆变换流电路；其中，快频脉冲电流主电路和变极性电流主电路的初级逆变电路分别与三相整流滤波电路；快频脉冲电流主电路的高频切换电路和变极性电流主电路的次级逆变换流电路分别与焊接负载连接。
36.控制电路可采用全数字控制电路，包括控制最小系统、sic驱动电路、igbt驱动电路、电流采样反馈电路、电压采样反馈电路、过压欠压检测电路和过热检测电路等。人机交互系统和焊接机器人系统通过can总线与全数字控制电路进行通信，实现各自的设定功能。
37.控制最小系统优选采用32位的高速arm微处理器，其产生的全数字pwm控制信号，
分别作用于sic驱动电路和igbt驱动电路。sic驱动电路分别与快频脉冲电流主电路和变极性电流主电路的初级逆变电路连接；igbt驱动电路分别与快频脉冲电流主电路的高频切换电路和变极性电流主电路的次级逆变换流电路连接；sic驱动电路和igbt驱动电路均可采用现有电路。
38.电压采样反馈电路与外部焊接负载连接，电流采样反馈电路分别在快频脉冲电流主电路的滤波电感和变极性电流主电路的耦合电感之后进行电流采集。电流采样反馈电路和电压采样反馈电路可采用现有电路。
39.如图2所示，快频脉冲电流主电路中，初级逆变电路采用由四个sic开关管组成的全桥逆变拓扑结构；各个sic开关管分别带有sic吸收电路；各个sic开关管分别与控制电路的sic驱动电路连接。四个sic开关管为sic开关管m1～m4；sic吸收电路包括：二极管d1～d4、电阻r1～r4、电容c1～c4。
40.sic开关管m1和m3串联组成的一个sic模块与由sic开关管m2和m4串联组成的另一个sic模块一起并联到三相整流滤波电路上。电阻r1和电容c1串联后并联到开关管m1上，电阻r2和电容c2串联后并联到开关管m2上，电阻r3和电容c3串联后并联到开关管m3上，电阻r4和电容c4串联后并联到开关管m4上。
41.sic开关管m1～m4分别与控制电路的sic驱动电路连接。sic开关管m1、m4与sic开关管m2、m3的驱动信号互补，具有一定的死区，组成全桥逆变电路，驱动信号频率大于100khz，此时才能保证足够高的动态响应特性，实现后级输出电流的精确调控，为20khz快频脉冲电流的规整输出提供基础。
42.初级逆变电路通过隔直电容c13与高频变压器的初级连接。超快恢复整流平滑电路包括二极管vd1和二极管vd2；二极管vd1和二极管vd2分别连接在高频变压器的次级，组成全波整流电路；二极管vd1和二极管vd2连接处通过串联的滤波电感l1和高频切换电路与高频变压器的次级中间抽头连接；二极管vd1和二极管vd2分别并联有整流吸收电路一：电阻r21、电阻r22、电容c20、电容c21、二极管vd1、二极管vd2。
43.滤波电感l1起平滑输出电流的作用。高频切换电路包括igbt开关管q1和igbt开关管q2；igbt开关管q1的一端与滤波电感l1连接，另一端与高频变压器的次级中间抽头连接；igbt开关管q1的一端还通过串联的igbt开关管q2和防反灌二极管vd7与焊接负载连接；igbt开关管q1和igbt开关管q2优选分别并联有切换吸收电路：电容c18、电容c19、电阻r19、电阻r20。电容c18和电阻r19串联后并联到igbt开关管q1上，电容c19和电阻r20并联后并联到igbt开关管q2上。
44.变极性电流主电路中，初级逆变电路结构与快频脉冲电流主电路的初级逆变电路相同；四个sic开关管分别与控制电路的sic驱动电路连接，驱动原理与快频脉冲电流主电路的初级逆变电路相同。
45.超快恢复整流平滑电路包括二极管vd3～二极管vd6；二极管vd3～二极管vd6组成全桥整流拓扑结构。
46.二极管vd3～二极管vd6分别并联有整流吸收电路二。整流吸收电路二由rc串联单元(电阻r9、电阻r11、电阻r13、电阻r15、电容c9～c12)和压敏电阻(电阻r10、电阻r12、电阻r14、电阻r16)并联组成。
47.由二极管vd3和vd5组成的一个超快恢复整流二极管模块，由二极管vd4和vd6组成
的另一个超快恢复整流二极管模块，连接在高频变压器t2的次级；电容c9和电阻r9串联后，与二极管vd3、压敏电阻r10三者成并联关系；电容c10和电阻r11串联后，与二极管vd4、压敏电阻r12三者成并联关系；电容c11和电阻r13串联后，与二极管vd5、压敏电阻r4三者成并联关系；电容c12和电阻r15串联后，与二极管vd6、压敏电阻r16三者成并联关系。
48.耦合电感由电感l2和电感l3组成，为输出滤波电抗；不仅可对滤波电感在输出电流极性切换中存储的电流能量进行合理利用，还保证了变极性电流过零的快速切换，以避免断弧现象的发生。
49.次级逆变换流电路包括igbt开关管q3～igbt开关管q6；igbt开关管q3和igbt开关管q5串联组成的igbt模块一，igbt开关管q4和igbt开关管q6串联组成的igbt模块二；igbt模块一和igbt模块二分别与耦合电感连接；igbt开关管q3和igbt开关管q4并联，igbt开关管q5和igbt开关管q6并联，构成半桥逆变换流拓扑结构；igbt开关管q4和igbt开关管q6连接处经由高频起弧电路与焊接负载连接。igbt开关管q4和igbt开关管q6优选分别并联有换流吸收电路：电阻r17、电阻r18、电容c16、电容c17。电容c16和电阻r17串联后并联到igbt开关管q3和igbt开关管q4上，电容c17和电阻r18串联后并联到igbt开关管q5和igbt开关管q6上。
50.双路并联功率主电路的工作原理为：交流输入电源接入三相整流滤波电路转换成平滑的直流电；在快频脉冲电流主电路中，两路互补带死区的pwm信号控制初级全桥逆变电路对角的两个sic开关管同时高频开通或者关断，将直流电转换为高频交流电；之后经过高频变压器t1进行电气隔离、变压和功率传递；经过超快恢复整流平滑电路转变成低压平滑的直流电；经过滤波电感，接着经高频切换电路，两路互补不带死区的大于20khz的pwm信号控制两个igbt开关管一开一关，实现高频电流切换，再经由后级防反灌二极管vd7进行输出。
51.在变极性电流主电路中，两路互补带死区的pwm信号控制初级全桥逆变电路对角的两个sic开关管同时高频开通或者关断，将直流电转换为高频交流电；之后经过高频变压器t2进行电气隔离、变压和功率传递；经过超快恢复整流平滑电路转变成低压平滑的直流电；经过耦合电感，作为输出滤波电抗，不仅可对滤波电感在极性切换中存储的电流能量进行合理利用，还保证了变极性电流过零的快速切换，以避免断弧现象的发生；接着经次级逆变换流模块，两路互补不带死区的pwm信号控制上路或下路的两个igbt开关管同时开通或者关断，实现输出电流的极性可变。
52.igbt开关管q1～igbt开关管q6分别与控制电路的igbt驱动电路连接，以实现分别向igbt开关管q1～igbt开关管q6输出igbt驱动信号。igbt驱动信号的频率≥20khz。当igbt开关管q3和igbt开关管q4导通、igbt开关管q5和q6关断时，变极性电流主电路为正极性输出，此时igbt开关管q1与igbt开关管q2以超高频率切换，产生快频脉冲电流，与正极性电流叠加。当igbt开关管q3和igbt开关管q4关断、igbt开关管q5和igbt开关管q6导通时，变极性电流主电路为负极性输出，此时igbt开关管q1保持导通，igbt开关管q2保持关断，以防止负极性电流倒灌进快频脉冲电流主电路。
53.通过开关管驱动信号，保证变极性电流主电路输出正极性电流时，快频脉冲电流主电路输出大于20khz的快频脉冲电流，二者叠加形成快频变极性电流，且不会造成电流反灌；而当变极性电流主电路输出负极性电流时，快频脉冲电流主电路不会输出电流到输出
端，以此保证阴极清理作用的有效和避免电流反灌。
54.如图3所示，为变极性方波输出电流波形示意图；如图5所示，为阶梯式变极性输出电流波形示意图。在这两种电流输出模式，快频脉冲电流主电路输出直流电流或者低频脉冲电流，而不是大于20khz的快频脉冲电流，主要依赖变极性电流主电路输出变极性方波电流或者阶梯式变极性电流。
55.对应的，使快频脉冲电流主电路输出大于20khz的快频脉冲电流时，与变极性电流主电路输出的变极性方波电流或者阶梯式变极性电流叠加，可以得到如图4所示的快频变极性输出电流波形示意图，以及如图6所示的阶梯式快频变极性输出电流波形示意图。
56.因此，可实现大于20khz的快频脉冲电流和小于100hz的变极性电流的叠加，输出快频变极性电流，通过快频脉冲电流的高频搅拌作用，有效改善铝合金、镁合金等轻质合金的焊接过程中普遍存在的严重的焊缝气孔情况，同时减少焊缝缺陷，提高机械性能。
57.同时，将本发明焊接电源与采用相同主电路参数下的初级逆变频率为20khz的igbt逆变样机的动态响应进行了对比。在额定电流500a直流阶跃输出条件下，本发明焊接电源的电流上升时间相比于igbt逆变样机提升了60％以上，且前者输出电流无明显超调，电流波形更规整，电源的动态响应速度得到了大幅提升，电流控制精度更高。
58.本发明焊接电源可应用于焊接系统中，如图7所示；焊接系统的工作原理为：首先进行焊接路径规划，设定好工业机器人的运动路径后，运行到焊接起始点，等待焊接电源的同步信号；通过人机交互系统设定焊接参数输入到焊接电源；焊接电源控制启动送气装置后，焊接电源的双路并联功率主电路首先工作，利用高频引弧电路击穿焊枪的钨极和喷嘴间的气隙，在焊接工件和钨极之间将形成电弧；起弧成功之后，焊接电源将输出行走信号给工业机器人，焊枪则按照既定的路径和速度行走。其中工业机器人、人机交互系统、基于sic模块的快频变极性tig焊接电源均通过can网络进行高速数字协同，从而确保在整个焊接过程中，各组成能实现有机配合和高速协同，提高了快频变极性tig焊接过程的自动化和智能化水平。
59.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。