基于SiC的双丝交替高频脉冲MIG焊接电源及系统

本发明涉及焊接，特别涉及一种基于sic的双丝交替高频脉冲mig焊接电源及系统。

背景技术：

1、熔化极气体保护焊(metal inert-gas welding,mig)，作为一种高效的焊接技术在铝合金焊接工艺上扮演重要角色。随着数字电源的普及，脉冲mig焊(p-mig)通过对峰值和基值电流的控制，熔滴过渡和热输入的可控性较强，可用于铝合金薄板焊接。伴随着电力电子技术的发展以及工业技术水平的提高，在普通直流或低频脉冲电流基础上叠加高频脉冲电流，使电弧能量更集中，并且对熔池的高频搅拌作用能促进熔融金属流动，细化晶粒，提高焊接接头的力学性能。在此基础上，采用双丝的方式能够提高焊接速度和熔覆率，充分契合当下我国提出高效高质量发展的制造要求。

2、另一方面，si基igbt具有拖尾效应，存在开关损耗大的问题，很难进一步提升起焊接电源的电流切换频率。而si基的mosfet虽然有较高的开关频率，但其耐压以及通流能力均较小，不能满足大功率的焊接电源。sic相较于传统的si半导体器件，其导通电阻低，开关损耗小，更适用于高频大功率的应用场景。利用sic搭建焊接电源系统，更容易提升系统的开关频率、效率和控制精度，推动电源系统小型化、高效化发展。

3、双丝交替高频脉冲mig焊，若采用传统的直流斩波式和二次逆变式的双电源并联拓扑方案，产生两路交替高频脉冲电流，需要多台焊接电源，成本相对较高。

技术实现思路

1、为了达到稳定高效的双丝脉冲mig焊接工艺，本发明的目的在于提供一种基于sic的双丝交替高频脉冲mig焊接电源及系统，该电源系统采用的电源数量较少，缩小体积，能效高，输出高频脉冲稳定，动态响应速度快，适用于在双丝同步低频脉冲电流叠加两路幅值和频率可调的交替高频脉冲电流。

2、本发明在斩波电路的基础上，采用基于sic的mosfet和二极管，通过单一高频电源提供双路交替的高频脉冲输出，实现电源系统的高频化、低成本和高效化。

3、本发明的目的通过以下技术方案实现：

4、一种基于sic的双丝交替高频脉冲mig焊接电源，包括电源功率电路、数字控制系统及人机交互系统；

5、所述电源功率电路包括主机低频脉冲电源、从机低频脉冲电源和高频脉冲电源，所述主机低频脉冲电源及从机低频脉冲电源生成主从两路同步的低频脉冲电流，所述高频脉冲电源经高频斩波电路后生成两路交替的高频脉冲电流，再通过防倒灌sic二极管分别与主机低频脉冲电源及从机低频脉冲电源连接；

6、所述主机低频脉冲电源及从机低频脉冲电源的正极分别与主从丝端导电嘴相连，其负极接工件；

7、所述数字控制系统通过驱动电路分别与高频脉冲电源、高频斩波电路、主机低频脉冲电源及从机低频脉冲电源连接；

8、所述数字控制系统还与人机交互系统通过串口通信。

9、进一步，所述数字控制系统包括低频控制电路及高频控制电路，所述低频控制电路及高频控制电路通过io进行通信，两个控制电路的结构相同，包括stm32最小系统、电流电压采样反馈电路、故障检测电路、sic mosfet驱动电路、igbt驱动电路及送丝驱动电路。

10、进一步，所述stm32最小系统具体为32位的stm32作为处理器，其产生的数字pwm控制信号作用于sic mosfet驱动电路、igbt驱动电路和送丝驱动电路。

11、进一步，所述人机交互系统包括焊接参数给定、焊接参数显示和高频脉冲输出控制。

12、进一步，所述主机低频脉冲电源及从机低频脉冲电源均包括依次连接的输入整流滤波电路、igbt移相全桥软开关电路、变压器和输出整流滤波电路，所述igbt移相全桥软开关电路包括四个igbt开关管和谐振电感，每个igbt开关管分别与低频控制电路的驱动电路连接。

13、进一步，所述高频脉冲电源依次包括输入整流滤波电路、mosfet移相全桥软开关电路、变压器、输出整流滤波电路及高频斩波电路，所述mosfet移相全桥软开关电路包括四个sic mosfet的开关管、谐振电感和隔直电容。

14、进一步，所述四个sic mosfet的开关管的开关频率为80khz，其中两个sic mosfet的开关管为超前桥臂，两个sic mosfet的开关管为滞后桥臂，两个桥臂并联连接至输入整流滤波电路。

15、进一步，所述高频斩波电路由两个sic的mosfet开关管构成，并联连接。

16、进一步，所述数字控制系统协调各个开关管的驱动信号，保证低频脉冲电流输出同步相位的低频脉冲电流波形，并且根据人机交互系统程序设定在相应的脉冲电流的基值电流或峰值电流或全过程上叠加交替相位的高频脉冲电流，两者叠加形成双丝交替高频脉冲mig焊接电流，且不会造成倒灌。

17、一种焊接系统，包括所述的基于sic的双丝交替高频脉冲mig焊接电源。

18、与现有技术相比，本发明具有以下优点和有益效果：

19、(1)本发明的高频脉冲电源采用sic作为主要的开关器件，逆变电路的频率能够达到80khz，相较于igbt频率提升较高，且电源尺寸较小，动态响应更为理想；并且由于sic器件的开关损耗和导通损耗较小，提高了电源的能效；

20、(2)本发明的高频脉冲电源所使用的高频斩波电路，能够单一电源输出两路交替高频脉冲电流，由一台高频脉冲电源实现双丝的高频脉冲电流交替输出，简化系统，进一步减小了电源尺寸及成本，并且能够一定程度上降低高频脉冲切换时的电流爬升时造成的电流过冲以及关断时的尖峰电压。

21、(3)本发明的主从低频脉冲电源采用移相全桥软开关电路，降低了开关损耗，并且通过pi算法的数字控制，能够稳定输出直流、脉冲电流、中值电流、双脉冲等电流波形，焊接过程稳定不失真，有利于推动双丝mig焊接的发展；

22、(4)本发明的焊接系统结合了数字控制系统、移相全桥、高频斩波等技术，系统的集成度高且控制更加精确。

技术特征：

1.一种基于sic的双丝交替高频脉冲mig焊接电源，其特征在于，包括电源功率电路、数字控制系统及人机交互系统；

2.根据权利要求1所述的双丝交替高频脉冲mig焊接电源，其特征在于，所述数字控制系统包括低频控制电路及高频控制电路，所述低频控制电路及高频控制电路通过io进行通信，两个控制电路的结构相同，包括stm32最小系统、电流电压采样反馈电路、故障检测电路、sic mosfet驱动电路、igbt驱动电路及送丝驱动电路。

3.根据权利要求1所述的双丝交替高频脉冲mig焊接电源，其特征在于，所述stm32最小系统具体为32位的stm32作为处理器，其产生的数字pwm控制信号作用于sic mosfet驱动电路、igbt驱动电路和送丝驱动电路。

4.根据权利要求1所述的双丝交替高频脉冲mig焊接电源，其特征在于，所述人机交互系统包括焊接参数给定、焊接参数显示和高频脉冲输出控制。

5.根据权利要求1所述的双丝交替高频脉冲mig焊接电源，其特征在于，所述主机低频脉冲电源及从机低频脉冲电源均包括依次连接的输入整流滤波电路、igbt移相全桥软开关电路、变压器和输出整流滤波电路，所述igbt移相全桥软开关电路包括四个igbt开关管和谐振电感，每个igbt开关管分别与低频控制电路的驱动电路连接。

6.根据权利要求1所述的双丝交替高频脉冲mig焊接电源，其特征在于，所述高频脉冲电源依次包括输入整流滤波电路、mosfet移相全桥软开关电路、变压器、输出整流滤波电路及高频斩波电路，所述mosfet移相全桥软开关电路包括四个sic mosfet的开关管、谐振电感和隔直电容。

7.根据权利要求6所述的双丝交替高频脉冲mig焊接电源，其特征在于，所述四个sicmosfet的开关管的开关频率为80khz，其中两个sic mosfet的开关管为超前桥臂，两个sicmosfet的开关管为滞后桥臂，两个桥臂并联连接至输入整流滤波电路。

8.根据权利要求1所述的双丝交替高频脉冲mig焊接电源，其特征在于，所述高频斩波电路由两个sic mosfet的开关管构成，两个开关管并联连接。

9.根据权利要求1-8任一项所述的双丝交替高频脉冲mig焊接电源，其特征在于，所述数字控制系统协调各个开关管的驱动信号，保证低频脉冲电流输出同步相位的低频脉冲电流波形，并且根据人机交互系统程序设定在相应的脉冲电流的基值电流或峰值电流或全过程上叠加交替相位的高频脉冲电流，两者叠加形成双丝交替高频脉冲mig焊接电流，且不会造成倒灌。

10.一种焊接系统，其特征在于，包括权利要求1-9任一项所述的基于sic的双丝交替高频脉冲mig焊接电源。

技术总结
本发明公开了一种基于SiC的双丝交替高频脉冲MIG焊接电源及系统，其中焊接电源包括电源功率电路、数字控制系统、人机交互系统；所述电源功率电路，包括主机、从机低频脉冲电源和高频脉冲电源，由主机、从机低频脉冲电源生成主从两路同步的低频脉冲电流，由高频脉冲电源通过高频斩波电路生成两路交替的高频脉冲电流，通过并联输出实现双丝交替高频脉冲MIG焊接电流。该焊接电源仅使用单一高频电源，并采用SiC器件，可缩小体积、简化系统，开关损耗小，动态响应快，输出波形稳定且成本相对较低，可提高焊接接头质量。

技术研发人员：吴开源,林京,杨浩然,王毅飞,曾敏
受保护的技术使用者：华南理工大学
技术研发日：
技术公布日：2024/5/29