本實用新型涉及弧焊逆變技術(shù)領(lǐng)域，更具體地說，涉及一種高功率密度高效率WBG弧焊逆變器。

背景技術(shù)：

焊接電源為焊接電弧提供能量，它的性能優(yōu)劣直接影響到焊接工藝效果。據(jù)統(tǒng)計，弧焊逆變電源已成為國內(nèi)電焊機市場的主流產(chǎn)品，并朝著大容量、輕量化、高效率、模塊化、智能化等方向發(fā)展。目前，弧焊逆變電源廣泛采用的功率器件(包括MOSFET、IGBT、SBD、FRD等)均為硅半導(dǎo)體器件。這些硅功率器件的開關(guān)性能已隨其結(jié)構(gòu)設(shè)計和制造工藝的完善而接近由其材料特性決定的理論極限，依靠硅功率器件繼續(xù)完善和提高弧焊逆變電源性能的潛力已十分有限，迫切需要依靠新材料來滿足新一代焊接電源對器件性能的更高要求。

寬禁帶(Wide Band Gap-WBG)半導(dǎo)體主要是指禁帶寬度(導(dǎo)帶最低點與價帶最高點之間的能量差)大于2.2eV的半導(dǎo)體材料。寬禁帶半導(dǎo)體是一種革命性的電力電子材料，它的帶隙遠大于硅半導(dǎo)體，能夠顯著減少電子跨越的鴻溝，更容易控制電流和減少能耗。以GaN、SiC為代表的寬禁帶半導(dǎo)體材料具有高擊穿電場強度、高截止頻率、高熱傳導(dǎo)率、高結(jié)溫和良好的熱穩(wěn)定性、強抗輻射能力等特點。半導(dǎo)體材料的這些特點使得WBG功率器件能夠在傳統(tǒng)器件所不能勝任的高溫、強輻射環(huán)境中得到應(yīng)用。

弧焊逆變電源需要在高壓、大電流、強功率甚至頻繁高空載-短路燃弧的嚴(yán)酷工藝環(huán)境下長時間工作，WBG功率器件要經(jīng)受高電壓、大電流、高溫度、高頻率、以及很高的di/dt、du/dt等多參數(shù)復(fù)雜應(yīng)力的共同作用，它們的運行可靠性已成為WBG功率器件可否成功應(yīng)用于弧焊逆變電源所需解決的關(guān)鍵問題。相比Si功率器件，WBG功率器件的正向?qū)ㄇ€與反向恢復(fù)曲線存在明顯差異，通態(tài)特性(如伏安特性、正向壓降、開啟電壓閥值的溫度特性)、阻態(tài)特性(如反向阻斷能力、反向恢復(fù)特性及其熱穩(wěn)定性)和開關(guān)過程(如內(nèi)部寄生效應(yīng)導(dǎo)致的電壓過沖和電流尖峰以及與溫度變化的相關(guān)性)均有其特殊性，在運行過程中的高頻電磁脈沖能量作用下的損耗分布(導(dǎo)通損耗、阻態(tài)損耗和反向恢復(fù)損耗)也跟Si基功率器件有巨大差異。因此，WBG功率器件并不能直接替代Si基功率器件應(yīng)用到弧焊逆變電源中，而需要進一步建立WBG功率器件的電氣模型，進行動態(tài)電熱耦合的仿真研究，從而為拓撲結(jié)構(gòu)和驅(qū)動電路的優(yōu)化設(shè)計奠定基礎(chǔ)。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本實用新型的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)中的缺點與不足，提供一種的高功率密度高效率、具有優(yōu)異的動態(tài)響應(yīng)性能和工藝性能、具有良好可靠性和穩(wěn)定性的WBG弧焊逆變器。

為了達到上述目的，本實用新型通過下述技術(shù)方案予以實現(xiàn)：一種高功率密度高效率WBG弧焊逆變器，其特征在于：包括主電路和閉環(huán)控制電路；所述主電路包括依次連接的電磁兼容模塊、工頻整流濾波模塊、WBG高頻換流模塊、高頻功率變壓器和高頻整流濾波模塊；其中，電磁兼容模塊外接三相/單相交流輸入電源，高頻整流濾波模塊外接電弧負載；

所述閉環(huán)控制電路包括電信號實時檢測模塊、人機交互模塊、故障診斷模塊、控制器和WBG高頻驅(qū)動與保護模塊；

所述WBG高頻驅(qū)動與保護模塊分別與WBG高頻換流模塊、故障診斷模塊、電信號實時檢測模塊和控制器連接；所述故障診斷模塊還分別與三相/單相交流輸入電源、WBG高頻換流模塊、高頻功率變壓器和控制器連接；所述電信號實時檢測模塊還分別與高頻功率變壓器、電弧負載、控制器和人機交互模塊連接；所述人機交互模塊還與控制器連接。

優(yōu)選地，所述WBG高頻換流模塊包括WBG功率器件Q1、WBG功率器件Q2、WBG功率器件Q3、WBG功率器件Q4、續(xù)流二極管D7、續(xù)流二極管D8、續(xù)流二極管D9、續(xù)流二極管D10、電容C12、電容C13、電容C14、電容C15、電容C16和電感Lr；所述高頻功率變壓器包括電感Lm和變壓器T1；所述高頻整流濾波模塊包括WBG功率整流管DR1、WBG功率整流管DR2、電感Lo和電容C17；

所述工頻整流濾波模塊與WBG功率器件Q1和WBG功率器件Q3組成的串聯(lián)電路并聯(lián)，并且與WBG功率器件Q2和WBG功率器件Q4組成的串聯(lián)電路并聯(lián)；續(xù)流二極管D7和電容C12分別并聯(lián)在WBG功率器件Q1上；續(xù)流二極管D8和電容C13分別并聯(lián)在WBG功率器件Q2上；續(xù)流二極管D9和電容C14分別并聯(lián)在WBG功率器件Q3上；續(xù)流二極管D10和電容C15分別并聯(lián)在WBG功率器件Q4上；WBG功率器件Q1和WBG功率器件Q3的連接點與WBG功率器件Q2和WBG功率器件Q的連接點之間通過變壓器T1初級、電容C16和電感Lr連接；電感Lm并聯(lián)在變壓器T1初級上；變壓器T1次級的第一輸出端通過WBG功率整流管DR1、電感Lo和電容C17與變壓器T1次級的第二輸出端連接；并且WBG功率整流管DR1和電感Lo的連接點通過WBG功率整流管DR2與變壓器T1次級的第三輸出端連接；所述電弧負載與電容C17并聯(lián)。

優(yōu)選地，所述WBG高頻驅(qū)動與保護模塊包括系統(tǒng)級故障檢測處理電路、功率級故障檢測處理電路、器件級故障檢測處理電路、驅(qū)動模式選擇電路、故障類型輸出電路、雙向磁脈沖隔離傳輸電路、信號邏輯處理電路、信號轉(zhuǎn)換接口電路、信號重構(gòu)電路、功率運放電路和高頻高隔離型DC/DC供電電路；

所述雙向磁脈沖隔離傳輸電路分別與信號邏輯處理電路、器件級故障檢測處理電路和信號重構(gòu)電路雙向信號連接；系統(tǒng)級別故障檢測處理電路、驅(qū)動模式選擇電路、故障類型輸出電路和信號轉(zhuǎn)換接口電路分別與信號邏輯處理電路連接；雙向磁脈沖隔離傳輸電路通過信號重構(gòu)電路與功率運放電路連接；器件級故障檢測處理電路與功率運放電路連接。

優(yōu)選地，所述電信號實時檢測模塊包括高頻功率變壓器原邊電流精密高速整流電路、電弧負載電流檢測電路和電弧負載電壓實時檢測電路。

優(yōu)選地，所述故障診斷模塊包括輸入過壓/欠壓診斷電路和過熱診斷電路。

優(yōu)選地，所述工頻整流濾波模塊與WBG高頻換流模塊之間通過軟啟動電路模塊連接；所述軟啟動電路模塊還與控制器連接。

優(yōu)選地，所述軟啟動電路模塊包括定時觸發(fā)器U201、繼電器RLY201、繼電器RLY202和限流電阻R201，以及其它外圍輔助電路。

本實用新型弧焊逆變器的基本設(shè)計原理為：采用了新一代的超高頻WBG高效高功率密度逆變新技術(shù)來研制高效高功率密度的新型弧焊逆變器；WGB高頻換流模塊中各個WBG功率器件，即WBG功率器件Q1、WBG功率器件Q2、WBG功率器件Q3和WBG功率器件Q4，既可以采用SiC器件，也可以采用GaN器件，其開關(guān)速度更快，開關(guān)損耗更低，耐壓能力更強，耐高溫能力更高。在本實用新型中，由三相/單相交流輸入經(jīng)過電磁兼容模塊和工頻整流濾波模塊之后成為平滑直流電，然后進入WBG高頻換流模塊，之后通過高頻功率變壓器進行功率傳遞和變壓，流入高頻整流濾波模塊轉(zhuǎn)變成低壓直流電，提供給電弧負載。與此同時，閉環(huán)控制電路的電信號實時檢測模塊一方面實時檢測主電路的輸出電流和電壓波形，同時實時檢測高頻功率變壓器的原邊瞬態(tài)電流波形；電信號實時檢測模塊首先將檢測到的三路電信號進行預(yù)處理，然后一方面輸入控制器進行閉環(huán)控制，同時，電信號實時檢測模塊還會將處理之后的原邊瞬態(tài)電流信號與預(yù)設(shè)的過流保護門檻值進行比較，將比較結(jié)果直接輸入給WBG高頻驅(qū)動與保護模塊實現(xiàn)對WBG高頻換流模塊中各個WBG功率器件的機械超前保護；控制器根據(jù)人機交互模塊發(fā)送的給定信息，將電信號實時檢測模塊發(fā)送的電信號按照預(yù)設(shè)的電流-電壓雙閉環(huán)控制算法進行處理，產(chǎn)生相應(yīng)的PWM脈寬調(diào)制給定信號，輸入給WBG高頻驅(qū)動與保護模塊，產(chǎn)生WBG高頻換流模塊中各WBG功率器件高頻/超高頻開通與關(guān)斷所需要的PWM信號，以獲得所需的輸出波形及其電特性；電信號實時檢測模塊同時還將處理之后的主電路輸出電流和電壓信號傳遞給人機交互模塊，用于顯示弧焊逆變器的實時輸出；故障診斷模塊實時監(jiān)測三相/單相交流輸入電壓值，實現(xiàn)過壓和欠壓監(jiān)測，此外還實時監(jiān)測WBG高頻換流模塊中WBG功率器件和高頻功率變壓器的實際溫度，實現(xiàn)過熱監(jiān)測；一旦出現(xiàn)故障，故障診斷模塊一方面將故障信息輸入控制器，進行故障處理流程，同時將故障使能信號接入WBG高頻驅(qū)動與保護模塊，關(guān)斷PWM信號，實現(xiàn)功率回路的保護。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實用新型具有如下優(yōu)點與有益效果：

1、本實用新型弧焊逆變器具有更高的功率密度和效率：由于采用了新一代高效WBG換流技術(shù)，效率可達95％以上，高效節(jié)能，相比目前廣泛使用的IGBT和MOSFET弧焊逆變逆變器，節(jié)能10％左右，功率密度提高30％以上，負載持續(xù)率髙達100％；

2、本實用新型弧焊逆變器具備優(yōu)異的動態(tài)響應(yīng)性能：采用的WBG功率器件的開關(guān)時間可達到微秒級，逆變頻率可高達500KHz以上，主電路的時間常數(shù)非常小，動態(tài)響應(yīng)性能優(yōu)異，焊接過程穩(wěn)定性更好；

3、本實用新型弧焊逆變器具有優(yōu)異的工藝性能：由于本實用新型的逆變頻率更高，動態(tài)性能更好，控制周期更短，使得本實用新型更易于實現(xiàn)對焊接電弧以及熔滴動態(tài)行為的精密快速調(diào)控，易于得到更好的焊接工藝質(zhì)量；

4、本實用新型弧焊逆變器具有更好的可靠性和穩(wěn)定性：由于本實用新型采用的WBG功率器件開關(guān)損耗更低，耐高溫能力更強，因此具有更好的熱穩(wěn)定性和可靠性；同時，本實用新型設(shè)置了多種具備機械超前保護能力的故障檢測與保護措施，使得本實用新型在嚴(yán)酷弧焊環(huán)境下的可靠性得到了進一步的保障。

附圖說明

圖1是本實用新型弧焊逆變器的系統(tǒng)原理方框圖；

圖2是本實用新型弧焊逆變器的主電路原理圖；

圖3是本實用新型弧焊逆變器的WBG高頻驅(qū)動與保護模塊原理方框圖；

圖4是本實用新型弧焊逆變器的WBG高頻驅(qū)動與保護模塊電路原理圖；

圖5是本實用新型弧焊逆變器的電信號實時檢測模塊原理圖；

圖6是本實用新型弧焊逆變器的故障診斷模塊原理圖；

圖7是本實用新型弧焊逆變器的人機交互模塊原理圖；

圖8是實施例二弧焊逆變器的系統(tǒng)原理方框圖；

圖9是實施例二弧焊逆變器的軟啟動電路原理圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖與具體實施方式對本實用新型作進一步詳細的描述。

實施例一

如圖1～圖7所示；高功率密度高效率WBG弧焊逆變器包括主電路和閉環(huán)控制電路。主電路包括依次連接的電磁兼容模塊、工頻整流濾波模塊、WBG高頻換流模塊、高頻功率變壓器和高頻整流濾波模塊；其中，電磁兼容模塊外接三相/單相交流輸入電源，高頻整流濾波模塊外接電弧負載。

閉環(huán)控制電路包括電信號實時檢測模塊、人機交互模塊、故障診斷模塊、控制器和WBG高頻驅(qū)動與保護模塊。

WBG高頻驅(qū)動與保護模塊分別與WBG高頻換流模塊、故障診斷模塊、電信號實時檢測模塊和控制器連接；故障診斷模塊還分別與三相/單相交流輸入電源、WBG高頻換流模塊、高頻功率變壓器和控制器連接；電信號實時檢測模塊還分別與高頻功率變壓器、電弧負載、控制器和人機交互模塊連接；人機交互模塊還與控制器連接。

主電路既可以采用單相交流輸入供電模式，也可以采用三相交流輸入供電模式，既可以采用半橋電路，也可以采用全橋電路。如圖2所示，本實施例僅以三相交流輸入供電模式、全橋電路為例進行介紹。

WBG高頻換流模塊包括WBG功率器件Q1、WBG功率器件Q2、WBG功率器件Q3、WBG功率器件Q4、續(xù)流二極管D7、續(xù)流二極管D8、續(xù)流二極管D9、續(xù)流二極管D10、電容C12、電容C13、電容C14、電容C15、電容C16和電感Lr；高頻功率變壓器包括電感Lm和變壓器T1；高頻整流濾波模塊包括WBG功率整流管DR1、WBG功率整流管DR2、電感Lo和電容C17。

工頻整流濾波模塊與WBG功率器件Q1和WBG功率器件Q3組成的串聯(lián)電路并聯(lián)，并且與WBG功率器件Q2和WBG功率器件Q4組成的串聯(lián)電路并聯(lián)；續(xù)流二極管D7和電容C12分別并聯(lián)在WBG功率器件Q1上；續(xù)流二極管D8和電容C13分別并聯(lián)在WBG功率器件Q2上；續(xù)流二極管D9和電容C14分別并聯(lián)在WBG功率器件Q3上；續(xù)流二極管D10和電容C15分別并聯(lián)在WBG功率器件Q4上；WBG功率器件Q1和WBG功率器件Q3的連接點與WBG功率器件Q2和WBG功率器件Q的連接點之間通過變壓器T1初級、電容C16和電感Lr連接；電感Lm并聯(lián)在變壓器T1初級上；變壓器T1次級的第一輸出端通過WBG功率整流管DR1、電感Lo和電容C17與變壓器T1次級的第二輸出端連接；并且WBG功率整流管DR1和電感Lo的連接點通過WBG功率整流管DR2與變壓器T1次級的第三輸出端連接；電弧負載R0與電容C17并聯(lián)。

在主電路中，三相交流輸入Ua、Ub、Uc接入由共模電感L_CMC、電阻R1-R6、電容C1-C9構(gòu)成的電磁兼容模塊，抑制電磁噪聲和電磁污染，然后進入由二極管D1-D6、電感Lc以及電容C10-C11構(gòu)成的工頻整流濾波模塊，轉(zhuǎn)換成平滑的高壓直流電。然后經(jīng)過WBG高頻換流模塊，轉(zhuǎn)換成高頻/超高頻的方波脈沖波形；該電壓波形經(jīng)過高頻功率變壓器進行功率傳遞、電壓變換和電氣隔離，得到電壓值改變的交流方波脈沖波形；該電壓波形再經(jīng)過高頻整流濾波模塊，轉(zhuǎn)換成工藝所需的平滑直流電，輸出給電弧負載R0。電容C12-C15、電感Lr、電容C16可根據(jù)主電路的工作模式設(shè)定為不同的值；WBG功率器件Q1-Q4以及WBG功率整流管DR1-DR2可根據(jù)實際的工藝需求，既可以是SiC功率器件，也可以是GaN功率器件。

WBG高頻驅(qū)動與保護模塊包括系統(tǒng)級故障檢測處理電路、功率級故障檢測處理電路、器件級故障檢測處理電路、驅(qū)動模式選擇電路、故障類型輸出電路、雙向磁脈沖隔離傳輸電路、信號邏輯處理電路、信號轉(zhuǎn)換接口電路、信號重構(gòu)電路、功率運放電路和高頻高隔離型DC/DC供電電路。雙向磁脈沖隔離傳輸電路分別與信號邏輯處理電路、器件級故障檢測處理電路和信號重構(gòu)電路雙向信號連接；系統(tǒng)級別故障檢測處理電路、驅(qū)動模式選擇電路、故障類型輸出電路和信號轉(zhuǎn)換接口電路分別與信號邏輯處理電路連接；雙向磁脈沖隔離傳輸電路通過信號重構(gòu)電路與功率運放電路連接；器件級故障檢測處理電路與功率運放電路連接。

具體地說，雙向磁脈沖隔離傳輸電路由雙向雙線纏繞低漏感結(jié)構(gòu)的高頻脈沖變壓器T401和T402構(gòu)成。信號邏輯處理電路包括信號互鎖保護電路、微分電路和延時復(fù)位電路。其中，信號互鎖保護電路包括電阻R400-R405、高頻弱電流靜電防護二極管D401-D406和與非門施密特觸發(fā)器U401；微分電路包括MOSFET驅(qū)動放大器U403、電容C406-C409和電阻R415-R416；延時復(fù)位電路包括三極管Q401-Q405、電阻R407-R414、電容C401-C405和單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器U402。

系統(tǒng)級故障檢測處理電路可以為現(xiàn)有的逆變器輸入電壓、電流以及功率器件溫升檢測電路；功率級故障檢測處理電路可以為現(xiàn)有的逆變器輸出電流和電壓信號的檢測反饋電路；器件級故障檢測處理電路可以為現(xiàn)有的檢測WBG功率器件瞬態(tài)開通電壓的通用快速電壓比較電路。此外，信號轉(zhuǎn)換接口電路、信號重構(gòu)電路、功率運放電路、驅(qū)動模式選擇電路、故障類型輸出電路和高頻高隔離型DC/DC供電電路均可采用現(xiàn)有電路。

WBG高頻驅(qū)動與保護模塊既可以工作于半橋驅(qū)動模式，也可以工作于全橋驅(qū)動模式，由驅(qū)動模式選擇電路輸出的高低電平信號來決定；由控制器產(chǎn)生的數(shù)字/模擬PWM1信號和PWM2信號首先經(jīng)過信號接口電路轉(zhuǎn)換為合適電壓范圍的電信號，然后進入信號邏輯處理電路，將占空比寬范圍變化的脈沖信號調(diào)制為寬度固定的窄脈沖信號，然后基于磁隔離型信號調(diào)制原理，通過脈沖邊緣耦合方式經(jīng)過雙向磁脈沖隔離傳輸電路實現(xiàn)雙向傳遞和電氣絕緣隔離，然后信號重構(gòu)電路會根據(jù)相位和邏輯關(guān)系進行重構(gòu)，并通過功率放大電路獲得期望的驅(qū)動功率和驅(qū)動波形；由于僅需傳遞固定寬度的窄脈沖信號，使得雙向磁脈沖隔離傳輸電路的磁芯和繞組的值非常小，不僅避免了傳統(tǒng)變壓器驅(qū)動時易于出現(xiàn)的磁飽和現(xiàn)象，而且漏感和分布電容也極小，在寬占空比驅(qū)動時波形也不易振蕩，隔離效果好，有效地解決了信號的高速雙向傳遞和可靠隔離難題。

為提高WBG功率器件Q1-Q4在嚴(yán)酷焊接工況下的可靠性和環(huán)境適應(yīng)性，WBG高頻驅(qū)動與保護模塊內(nèi)集成了芯片級、功率級和系統(tǒng)級等三級機械超前保護體系。系統(tǒng)級故障檢測處理電路主要是根據(jù)故障診斷模塊輸入的欠/過壓、功率器件和高頻功率變壓器的過熱等信號以及電信號實時檢測模塊檢測到的輸出過流和過壓等信號情況，輸出不同的電平信號，控制信號邏輯處理電路的使能；電信號實時檢測模塊實時檢測高頻功率變壓器原邊交流峰值電流波形，并經(jīng)過高速精密整流之后與預(yù)設(shè)的閥值進行比較，該比較值輸入功率故障檢測處理電路，并控制信號邏輯處理電路的使能；而芯片級檢測主要檢測WBG功率器件Q1-Q4是否瞬時過流/短路/過壓，一旦出現(xiàn)相應(yīng)的故障，將直接控制功率運放電路，使之一直處于負壓波形輸出狀態(tài)，直接關(guān)閉WBG功率器件，減少中間環(huán)節(jié)的處理延時，實現(xiàn)實時保護。

為確保驅(qū)動可靠性、穩(wěn)定和驅(qū)動波形的準(zhǔn)確性，本實用新型中WBG高頻驅(qū)動與保護模塊創(chuàng)造性地采用了100kHz推挽式高頻隔離型DC/DC模塊供電電路，只需兩路24V單電源供電就可以滿足驅(qū)動器所有的供電需求，包括兩路大功率WBG功率器件開/關(guān)時所需的正/負驅(qū)動波形、驅(qū)動器基準(zhǔn)電壓源以及其他元器件供電需求，隔離耐壓超過4500V。

電信號實時檢測模塊包括三大部分，即由電阻R300-R305、運算放大器U301-U302和二極管D300-D303構(gòu)成的高頻功率變壓器原邊電流精密高速整流電路、由電阻R306-R308、電容C300-C302、二極管D304-305和運算放大器U303構(gòu)成的電弧負載電流檢測電路、以及由電阻R309-R315、電容C303-C307、運算放大器U304-U306和光耦U307構(gòu)成的電弧負載電壓實時檢測電路等構(gòu)成。其中，I_p為高頻功率變壓器的原邊電流信號，I_o為電弧負載電流信號，U_o為電弧負載兩端的電壓信號；這三個信號經(jīng)過處理之后全部匯入電壓信號變換器U308，然后分別輸送給WBG高頻驅(qū)動與保護模塊、控制器以及人機交互模塊。

故障診斷模塊也主要包括兩部分，即由電阻R103、電阻R106、電阻R109、電阻R110、電阻R112、電阻R117、比較器U101、比較器U102、U104、電容C124和電容C125構(gòu)成輸入過壓/欠壓診斷電路，以及由電感L101、電感L102、電容C126、電容C127、電阻R111、電阻R113、二極管D101、二極管D102、比較器U103等構(gòu)成過熱診斷電路。其中，VC為三相/單向交流輸入電壓經(jīng)過變壓器降壓整流之后的電壓信號，通過經(jīng)過電阻R103/R109與電阻R106/R110串聯(lián)分壓，所獲得的分壓值分別進入比較器U101和U102的同相端和反相端與預(yù)設(shè)的給定值進行比較，如果產(chǎn)生過壓和欠壓情況，則比較器U101和U102的輸出發(fā)生反向。同理，過熱檢測端子直接連接安裝在WBG功率器件Q1-Q4散熱器以及高頻功率變壓器初級線圈上的熱敏電阻，該電阻與電阻R111串聯(lián)分壓；當(dāng)溫度升高時，其阻值會發(fā)生變化，使得比較器U103的反相端的電壓發(fā)生改變，該電壓值與比較器U103的同相端的參考電壓值進行比較，一旦溫升超過預(yù)設(shè)值，則比較器U103的輸出就會發(fā)生反轉(zhuǎn)。U104和比較器U103的輸出信號會經(jīng)過反相器U105之后分別傳輸給控制器和WBG高頻驅(qū)動與保護模塊。

控制器既可以采用以SG3525、UC3846、UC3879等模擬集成PWM控制信號為核心的模擬控制器，也可以采用以MCU、DSC等微處理器為核心的數(shù)字控制器；還可以采用模擬集成PWM控制芯片與微處理器相結(jié)合的模數(shù)混合型控制器，本實施例僅以DSC級ARM微處理器為核心的控制器為例進行介紹?？刂破髦饕蒁SC級ARM芯片、芯片供電電源、ADC供電電源、晶振振蕩電路、復(fù)位電路以及JTAG調(diào)制接口通過外圍輔助電路互相連接組成。JTAG調(diào)制接口主要實現(xiàn)調(diào)試功能。DSC級ARM芯片為整個控制電路的中央處理器，是數(shù)字化控制的核心。DSC級ARM芯片內(nèi)嵌電流-電壓雙閉環(huán)控制算法及其工藝流程控制軟件，能夠產(chǎn)生半橋、全橋、ZVS、ZVZCS等不同功率換流模式所需的多種PWM數(shù)字信號；完成輸出參數(shù)和動態(tài)特性的數(shù)字化閉環(huán)調(diào)控；能夠完成各種工藝流程切換；接收各類狀態(tài)信息及故障信號處理；通過CAN或者UART接口與人機交互模塊進行人機交互；還能通過GPIO口控制各類外圍輔助部件或者機構(gòu)的動作。

人機交互模塊既可以采用按鍵輸入+LED數(shù)碼管顯示模式，也可以是工業(yè)觸摸屏人機交互模式，還可以是簡單的電位器+指針式儀表顯示等方式。本實施例僅以對DSC微處理器+工業(yè)觸摸屏驅(qū)動器+工業(yè)觸摸屏的模式進行原理介紹。如圖7所示，人機交互模塊具備“DSC+驅(qū)動器+觸摸屏”三級結(jié)構(gòu)，以DSC級ARM微處理器為控制核心，完成各類數(shù)據(jù)的集中處理；采用內(nèi)建硬件加速功能的工業(yè)觸摸屏驅(qū)動器芯片，減少數(shù)據(jù)傳輸時間和DSC微處理器的資源占用，實現(xiàn)觸摸屏文字/圖形的高速掃描和穩(wěn)定顯示；同時采用工業(yè)級液晶觸摸屏TFT-LCD為人機交互界面，實現(xiàn)直觀的信息顯示和交互。人機交互模塊還具有豐富的外設(shè)通信接口，包括RS-232/485、SSI、CAN等，可以跟其它設(shè)備進行多種方式的數(shù)據(jù)通信；人機交互模塊擴展了SD卡接口和USB接口，可以方便地實現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲和交換；人機交互模塊還具有自帶的ADC轉(zhuǎn)換模塊，可以直接接收來自于電信號實時檢測模塊輸出的電流和電壓信號并進行顯示，而不需要從控制器中轉(zhuǎn)，因此信息動態(tài)顯示的實時性會更強。

應(yīng)用本實用新型時，三相/單相工頻交流電經(jīng)過電磁兼容模塊、工頻整流濾波模塊后成為平滑直流電；然后流入WBG高頻換流模塊后轉(zhuǎn)換成高頻/超高頻的交流方波脈沖波形；經(jīng)過高頻功率變壓器轉(zhuǎn)變成適合焊接工藝需求的低壓高頻方波脈沖信號，實現(xiàn)電氣隔離和功率傳輸；最后流入高頻整流濾波模塊，得到低壓大電流的直流波形?？刂破鲗㈦娦盘枌崟r檢測模塊檢測到的負載電流、電壓信號與人機交互模塊給定的焊接參數(shù)進行比較，并按預(yù)設(shè)的控制算法進行處理之后產(chǎn)生所需的PWM信號，該信號通過WBG高頻驅(qū)動與保護模塊隔離/功率放大去控制WBG功率器件的開通和關(guān)斷，從而使主電路的電壓波形經(jīng)過WBG高頻換流模塊之后轉(zhuǎn)換成高頻高壓電，實現(xiàn)閉環(huán)控制。故障診斷模塊檢測交流輸入的工頻電壓值、WBG功率器件溫升和高頻功率變壓器的溫升，同時電信號實時檢測模塊檢測高頻功率變壓器的原邊瞬態(tài)峰值電流，并把檢測到的信號分別輸送給控制器和WBG高頻驅(qū)動與保護模塊，一旦出現(xiàn)輸入過壓、欠壓、過熱或者輸出過流、過壓等現(xiàn)象，WBG高頻驅(qū)動與保護模塊的保護動作使能，關(guān)閉PWM信號從而關(guān)閉WBG功率器件的開通，確保主電路的安全。

實施例二

本實施例高功率密度高效率WBG弧焊逆變器，與實施例一的區(qū)別在于：本實施例中，工頻整流濾波模塊與WBG高頻換流模塊之間通過軟啟動電路模塊連接；軟啟動電路模塊還與控制器連接，如圖8和圖9所示。軟啟動電路模塊包括定時觸發(fā)器U201、繼電器RLY201、繼電器RLY202和限流電阻R201，以及其它外圍輔助電路。

當(dāng)電源上電時，三相/單相交流輸入經(jīng)過整流橋和大功率限流電阻R201開始對電解電容進行充電；同時，控制板電源信號VCC通過定時電阻R211開始對定時電容C207進行充電，經(jīng)過短暫延時后，定時觸發(fā)器U201的2腳電壓低于閥值電壓VCC/2，此時3腳輸出高電平信號，三極管Q201開始導(dǎo)通，繼電器RLY201和繼電器RLY202動作閉合，限流電阻R201被旁路，整流后的直流信號對電解電容繼續(xù)充電并且緩慢達到其額定值，電源此時開始正常工作。軟啟動電路中RC元件主要起到延時作用，并結(jié)合定時觸發(fā)器U201構(gòu)成了單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)電路，進一步提高了繼電器的可靠性和穩(wěn)定性，確保該電路能更有效地抑制浪涌電流，防止其對電源造成沖擊。

上述實施例為本實用新型較佳的實施方式，但本實用新型的實施方式并不受上述實施例的限制，其他的任何未背離本實用新型的精神實質(zhì)與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡化，均應(yīng)為等效的置換方式，都包含在本實用新型的保護范圍之內(nèi)。