本實(shí)用新型涉及弧焊逆變技術(shù)領(lǐng)域，更具體地說(shuō)，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(jì)，弧焊逆變電源已成為國(guó)內(nèi)電焊機(jī)市場(chǎng)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(kāi)關(guān)性能已隨其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(lái)滿足新一代焊接電源對(duì)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(diǎn)與價(jià)帶最高點(diǎn)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(yuǎn)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(chǎng)強(qiáng)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(qiáng)抗輻射能力等特點(diǎn)。半導(dǎo)體材料的這些特點(diǎn)使得WBG功率器件能夠在傳統(tǒng)器件所不能勝任的高溫、強(qiáng)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(qiáng)功率甚至頻繁高空載-短路燃弧的嚴(yán)酷工藝環(huán)境下長(zhǎng)時(shí)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(yùn)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(wèn)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(kāi)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(kāi)關(guān)過(guò)程(如內(nèi)部寄生效應(yīng)導(dǎo)致的電壓過(guò)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(yùn)行過(guò)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(jìn)一步建立WBG功率器件的電氣模型，進(jìn)行動(dòng)態(tài)電熱耦合的仿真研究，從而為拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和驅(qū)動(dòng)電路的優(yōu)化設(shè)計(jì)奠定基礎(chǔ)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本實(shí)用新型的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)中的缺點(diǎn)與不足，提供一種的高功率密度高效率、具有優(yōu)異的動(dòng)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(dá)到上述目的，本實(shí)用新型通過(guò)下述技術(shù)方案予以實(shí)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(fù)載；

所述閉環(huán)控制電路包括電信號(hào)實(shí)時(shí)檢測(cè)模塊、人機(jī)交互模塊、故障診斷模塊、控制器和WBG高頻驅(qū)動(dòng)與保護(hù)模塊；

所述WBG高頻驅(qū)動(dòng)與保護(hù)模塊分別與WBG高頻換流模塊、故障診斷模塊、電信號(hào)實(shí)時(shí)檢測(cè)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(hào)實(shí)時(shí)檢測(cè)模塊還分別與高頻功率變壓器、電弧負(fù)載、控制器和人機(jī)交互模塊連接；所述人機(jī)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(diǎn)與WBG功率器件Q2和WBG功率器件Q的連接點(diǎn)之間通過(guò)變壓器T1初級(jí)、電容C16和電感Lr連接；電感Lm并聯(lián)在變壓器T1初級(jí)上；變壓器T1次級(jí)的第一輸出端通過(guò)WBG功率整流管DR1、電感Lo和電容C17與變壓器T1次級(jí)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(diǎn)通過(guò)WBG功率整流管DR2與變壓器T1次級(jí)的第三輸出端連接；所述電弧負(fù)載與電容C17并聯(lián)。

優(yōu)選地，所述WBG高頻驅(qū)動(dòng)與保護(hù)模塊包括系統(tǒng)級(jí)故障檢測(cè)處理電路、功率級(jí)故障檢測(cè)處理電路、器件級(jí)故障檢測(cè)處理電路、驅(qū)動(dòng)模式選擇電路、故障類(lèi)型輸出電路、雙向磁脈沖隔離傳輸電路、信號(hào)邏輯處理電路、信號(hào)轉(zhuǎn)換接口電路、信號(hào)重構(gòu)電路、功率運(yùn)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(hào)邏輯處理電路、器件級(jí)故障檢測(cè)處理電路和信號(hào)重構(gòu)電路雙向信號(hào)連接；系統(tǒng)級(jí)別故障檢測(cè)處理電路、驅(qū)動(dòng)模式選擇電路、故障類(lèi)型輸出電路和信號(hào)轉(zhuǎn)換接口電路分別與信號(hào)邏輯處理電路連接；雙向磁脈沖隔離傳輸電路通過(guò)信號(hào)重構(gòu)電路與功率運(yùn)放電路連接；器件級(jí)故障檢測(cè)處理電路與功率運(yùn)放電路連接。

優(yōu)選地，所述電信號(hào)實(shí)時(shí)檢測(cè)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(fù)載電流檢測(cè)電路和電弧負(fù)載電壓實(shí)時(shí)檢測(cè)電路。

優(yōu)選地，所述故障診斷模塊包括輸入過(guò)壓/欠壓診斷電路和過(guò)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(guò)軟啟動(dòng)電路模塊連接；所述軟啟動(dòng)電路模塊還與控制器連接。

優(yōu)選地，所述軟啟動(dòng)電路模塊包括定時(shí)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(shí)用新型弧焊逆變器的基本設(shè)計(jì)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(lái)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(gè)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(kāi)關(guān)速度更快，開(kāi)關(guān)損耗更低，耐壓能力更強(qiáng)，耐高溫能力更高。在本實(shí)用新型中，由三相/單相交流輸入經(jīng)過(guò)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(jìn)入WBG高頻換流模塊，之后通過(guò)高頻功率變壓器進(jìn)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(fù)載。與此同時(shí)，閉環(huán)控制電路的電信號(hào)實(shí)時(shí)檢測(cè)模塊一方面實(shí)時(shí)檢測(cè)主電路的輸出電流和電壓波形，同時(shí)實(shí)時(shí)檢測(cè)高頻功率變壓器的原邊瞬態(tài)電流波形；電信號(hào)實(shí)時(shí)檢測(cè)模塊首先將檢測(cè)到的三路電信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理，然后一方面輸入控制器進(jìn)行閉環(huán)控制，同時(shí)，電信號(hào)實(shí)時(shí)檢測(cè)模塊還會(huì)將處理之后的原邊瞬態(tài)電流信號(hào)與預(yù)設(shè)的過(guò)流保護(hù)門(mén)檻值進(jìn)行比較，將比較結(jié)果直接輸入給WBG高頻驅(qū)動(dòng)與保護(hù)模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)WBG高頻換流模塊中各個(gè)WBG功率器件的機(jī)械超前保護(hù)；控制器根據(jù)人機(jī)交互模塊發(fā)送的給定信息，將電信號(hào)實(shí)時(shí)檢測(cè)模塊發(fā)送的電信號(hào)按照預(yù)設(shè)的電流-電壓雙閉環(huán)控制算法進(jìn)行處理，產(chǎn)生相應(yīng)的PWM脈寬調(diào)制給定信號(hào)，輸入給WBG高頻驅(qū)動(dòng)與保護(hù)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(kāi)通與關(guān)斷所需要的PWM信號(hào)，以獲得所需的輸出波形及其電特性；電信號(hào)實(shí)時(shí)檢測(cè)模塊同時(shí)還將處理之后的主電路輸出電流和電壓信號(hào)傳遞給人機(jī)交互模塊，用于顯示弧焊逆變器的實(shí)時(shí)輸出；故障診斷模塊實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)三相/單相交流輸入電壓值，實(shí)現(xiàn)過(guò)壓和欠壓監(jiān)測(cè)，此外還實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)WBG高頻換流模塊中WBG功率器件和高頻功率變壓器的實(shí)際溫度，實(shí)現(xiàn)過(guò)熱監(jiān)測(cè)；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(jìn)行故障處理流程，同時(shí)將故障使能信號(hào)接入WBG高頻驅(qū)動(dòng)與保護(hù)模塊，關(guān)斷PWM信號(hào)，實(shí)現(xiàn)功率回路的保護(hù)。

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

1、本實(shí)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(dá)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(fù)載持續(xù)率髙達(dá)100％；

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

3、本實(shí)用新型弧焊逆變器具有優(yōu)異的工藝性能：由于本實(shí)用新型的逆變頻率更高，動(dòng)態(tài)性能更好，控制周期更短，使得本實(shí)用新型更易于實(shí)現(xiàn)對(duì)焊接電弧以及熔滴動(dòng)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(shí)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(shí)用新型采用的WBG功率器件開(kāi)關(guān)損耗更低，耐高溫能力更強(qiáng)，因此具有更好的熱穩(wěn)定性和可靠性；同時(shí)，本實(shí)用新型設(shè)置了多種具備機(jī)械超前保護(hù)能力的故障檢測(cè)與保護(hù)措施，使得本實(shí)用新型在嚴(yán)酷弧焊環(huán)境下的可靠性得到了進(jìn)一步的保障。

附圖說(shuō)明

圖1是本實(shí)用新型弧焊逆變器的系統(tǒng)原理方框圖；

圖2是本實(shí)用新型弧焊逆變器的主電路原理圖；

圖3是本實(shí)用新型弧焊逆變器的WBG高頻驅(qū)動(dòng)與保護(hù)模塊原理方框圖；

圖4是本實(shí)用新型弧焊逆變器的WBG高頻驅(qū)動(dòng)與保護(hù)模塊電路原理圖；

圖5是本實(shí)用新型弧焊逆變器的電信號(hào)實(shí)時(shí)檢測(cè)模塊原理圖；

圖6是本實(shí)用新型弧焊逆變器的故障診斷模塊原理圖；

圖7是本實(shí)用新型弧焊逆變器的人機(jī)交互模塊原理圖；

圖8是實(shí)施例二弧焊逆變器的系統(tǒng)原理方框圖；

圖9是實(shí)施例二弧焊逆變器的軟啟動(dòng)電路原理圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖與具體實(shí)施方式對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步詳細(xì)的描述。

實(shí)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(fù)載。

閉環(huán)控制電路包括電信號(hào)實(shí)時(shí)檢測(cè)模塊、人機(jī)交互模塊、故障診斷模塊、控制器和WBG高頻驅(qū)動(dòng)與保護(hù)模塊。

WBG高頻驅(qū)動(dòng)與保護(hù)模塊分別與WBG高頻換流模塊、故障診斷模塊、電信號(hào)實(shí)時(shí)檢測(cè)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(hào)實(shí)時(shí)檢測(cè)模塊還分別與高頻功率變壓器、電弧負(fù)載、控制器和人機(jī)交互模塊連接；人機(jī)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(shí)施例僅以三相交流輸入供電模式、全橋電路為例進(jìn)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(diǎn)與WBG功率器件Q2和WBG功率器件Q的連接點(diǎn)之間通過(guò)變壓器T1初級(jí)、電容C16和電感Lr連接；電感Lm并聯(lián)在變壓器T1初級(jí)上；變壓器T1次級(jí)的第一輸出端通過(guò)WBG功率整流管DR1、電感Lo和電容C17與變壓器T1次級(jí)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(diǎn)通過(guò)WBG功率整流管DR2與變壓器T1次級(jí)的第三輸出端連接；電弧負(fù)載R0與電容C17并聯(lián)。

在主電路中，三相交流輸入U(xiǎn)a、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(jìn)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(guò)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(guò)高頻功率變壓器進(jìn)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(guò)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(fù)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(shí)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(dòng)與保護(hù)模塊包括系統(tǒng)級(jí)故障檢測(cè)處理電路、功率級(jí)故障檢測(cè)處理電路、器件級(jí)故障檢測(cè)處理電路、驅(qū)動(dòng)模式選擇電路、故障類(lèi)型輸出電路、雙向磁脈沖隔離傳輸電路、信號(hào)邏輯處理電路、信號(hào)轉(zhuǎn)換接口電路、信號(hào)重構(gòu)電路、功率運(yùn)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(hào)邏輯處理電路、器件級(jí)故障檢測(cè)處理電路和信號(hào)重構(gòu)電路雙向信號(hào)連接；系統(tǒng)級(jí)別故障檢測(cè)處理電路、驅(qū)動(dòng)模式選擇電路、故障類(lèi)型輸出電路和信號(hào)轉(zhuǎn)換接口電路分別與信號(hào)邏輯處理電路連接；雙向磁脈沖隔離傳輸電路通過(guò)信號(hào)重構(gòu)電路與功率運(yùn)放電路連接；器件級(jí)故障檢測(cè)處理電路與功率運(yùn)放電路連接。

具體地說(shuō)，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(hào)邏輯處理電路包括信號(hào)互鎖保護(hù)電路、微分電路和延時(shí)復(fù)位電路。其中，信號(hào)互鎖保護(hù)電路包括電阻R400-R405、高頻弱電流靜電防護(hù)二極管D401-D406和與非門(mén)施密特觸發(fā)器U401；微分電路包括MOSFET驅(qū)動(dòng)放大器U403、電容C406-C409和電阻R415-R416；延時(shí)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(jí)故障檢測(cè)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(cè)電路；功率級(jí)故障檢測(cè)處理電路可以為現(xiàn)有的逆變器輸出電流和電壓信號(hào)的檢測(cè)反饋電路；器件級(jí)故障檢測(cè)處理電路可以為現(xiàn)有的檢測(cè)WBG功率器件瞬態(tài)開(kāi)通電壓的通用快速電壓比較電路。此外，信號(hào)轉(zhuǎn)換接口電路、信號(hào)重構(gòu)電路、功率運(yùn)放電路、驅(qū)動(dòng)模式選擇電路、故障類(lèi)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(dòng)與保護(hù)模塊既可以工作于半橋驅(qū)動(dòng)模式，也可以工作于全橋驅(qū)動(dòng)模式，由驅(qū)動(dòng)模式選擇電路輸出的高低電平信號(hào)來(lái)決定；由控制器產(chǎn)生的數(shù)字/模擬PWM1信號(hào)和PWM2信號(hào)首先經(jīng)過(guò)信號(hào)接口電路轉(zhuǎn)換為合適電壓范圍的電信號(hào)，然后進(jìn)入信號(hào)邏輯處理電路，將占空比寬范圍變化的脈沖信號(hào)調(diào)制為寬度固定的窄脈沖信號(hào)，然后基于磁隔離型信號(hào)調(diào)制原理，通過(guò)脈沖邊緣耦合方式經(jīng)過(guò)雙向磁脈沖隔離傳輸電路實(shí)現(xiàn)雙向傳遞和電氣絕緣隔離，然后信號(hào)重構(gòu)電路會(huì)根據(jù)相位和邏輯關(guān)系進(jìn)行重構(gòu)，并通過(guò)功率放大電路獲得期望的驅(qū)動(dòng)功率和驅(qū)動(dòng)波形；由于僅需傳遞固定寬度的窄脈沖信號(hào)，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(dòng)時(shí)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(dòng)時(shí)波形也不易振蕩，隔離效果好，有效地解決了信號(hào)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(dòng)與保護(hù)模塊內(nèi)集成了芯片級(jí)、功率級(jí)和系統(tǒng)級(jí)等三級(jí)機(jī)械超前保護(hù)體系。系統(tǒng)級(jí)故障檢測(cè)處理電路主要是根據(jù)故障診斷模塊輸入的欠/過(guò)壓、功率器件和高頻功率變壓器的過(guò)熱等信號(hào)以及電信號(hào)實(shí)時(shí)檢測(cè)模塊檢測(cè)到的輸出過(guò)流和過(guò)壓等信號(hào)情況，輸出不同的電平信號(hào)，控制信號(hào)邏輯處理電路的使能；電信號(hào)實(shí)時(shí)檢測(cè)模塊實(shí)時(shí)檢測(cè)高頻功率變壓器原邊交流峰值電流波形，并經(jīng)過(guò)高速精密整流之后與預(yù)設(shè)的閥值進(jìn)行比較，該比較值輸入功率故障檢測(cè)處理電路，并控制信號(hào)邏輯處理電路的使能；而芯片級(jí)檢測(cè)主要檢測(cè)WBG功率器件Q1-Q4是否瞬時(shí)過(guò)流/短路/過(guò)壓，一旦出現(xiàn)相應(yīng)的故障，將直接控制功率運(yùn)放電路，使之一直處于負(fù)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(shí)，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)保護(hù)。

為確保驅(qū)動(dòng)可靠性、穩(wěn)定和驅(qū)動(dòng)波形的準(zhǔn)確性，本實(shí)用新型中WBG高頻驅(qū)動(dòng)與保護(hù)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(dòng)器所有的供電需求，包括兩路大功率WBG功率器件開(kāi)/關(guān)時(shí)所需的正/負(fù)驅(qū)動(dòng)波形、驅(qū)動(dòng)器基準(zhǔn)電壓源以及其他元器件供電需求，隔離耐壓超過(guò)4500V。

電信號(hào)實(shí)時(shí)檢測(cè)模塊包括三大部分，即由電阻R300-R305、運(yùn)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(yùn)算放大器U303構(gòu)成的電弧負(fù)載電流檢測(cè)電路、以及由電阻R309-R315、電容C303-C307、運(yùn)算放大器U304-U306和光耦U307構(gòu)成的電弧負(fù)載電壓實(shí)時(shí)檢測(cè)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(hào)，I_o為電弧負(fù)載電流信號(hào)，U_o為電弧負(fù)載兩端的電壓信號(hào)；這三個(gè)信號(hào)經(jīng)過(guò)處理之后全部匯入電壓信號(hào)變換器U308，然后分別輸送給WBG高頻驅(qū)動(dòng)與保護(hù)模塊、控制器以及人機(jī)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(guò)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(guò)熱診斷電路。其中，VC為三相/單向交流輸入電壓經(jīng)過(guò)變壓器降壓整流之后的電壓信號(hào)，通過(guò)經(jīng)過(guò)電阻R103/R109與電阻R106/R110串聯(lián)分壓，所獲得的分壓值分別進(jìn)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(jìn)行比較，如果產(chǎn)生過(guò)壓和欠壓情況，則比較器U101和U102的輸出發(fā)生反向。同理，過(guò)熱檢測(cè)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(jí)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(shí)，其阻值會(huì)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(jìn)行比較，一旦溫升超過(guò)預(yù)設(shè)值，則比較器U103的輸出就會(huì)發(fā)生反轉(zhuǎn)。U104和比較器U103的輸出信號(hào)會(huì)經(jīng)過(guò)反相器U105之后分別傳輸給控制器和WBG高頻驅(qū)動(dòng)與保護(hù)模塊。

控制器既可以采用以SG3525、UC3846、UC3879等模擬集成PWM控制信號(hào)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(shí)施例僅以DSC級(jí)ARM微處理器為核心的控制器為例進(jìn)行介紹。控制器主要由DSC級(jí)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(guò)外圍輔助電路互相連接組成。JTAG調(diào)制接口主要實(shí)現(xiàn)調(diào)試功能。DSC級(jí)ARM芯片為整個(gè)控制電路的中央處理器，是數(shù)字化控制的核心。DSC級(jí)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(hào)；完成輸出參數(shù)和動(dòng)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(lèi)狀態(tài)信息及故障信號(hào)處理；通過(guò)CAN或者UART接口與人機(jī)交互模塊進(jìn)行人機(jī)交互；還能通過(guò)GPIO口控制各類(lèi)外圍輔助部件或者機(jī)構(gòu)的動(dòng)作。

人機(jī)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(jī)交互模式，還可以是簡(jiǎn)單的電位器+指針式儀表顯示等方式。本實(shí)施例僅以對(duì)DSC微處理器+工業(yè)觸摸屏驅(qū)動(dòng)器+工業(yè)觸摸屏的模式進(jìn)行原理介紹。如圖7所示，人機(jī)交互模塊具備“DSC+驅(qū)動(dòng)器+觸摸屏”三級(jí)結(jié)構(gòu)，以DSC級(jí)ARM微處理器為控制核心，完成各類(lèi)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(dòng)器芯片，減少數(shù)據(jù)傳輸時(shí)間和DSC微處理器的資源占用，實(shí)現(xiàn)觸摸屏文字/圖形的高速掃描和穩(wěn)定顯示；同時(shí)采用工業(yè)級(jí)液晶觸摸屏TFT-LCD為人機(jī)交互界面，實(shí)現(xiàn)直觀的信息顯示和交互。人機(jī)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(jìn)行多種方式的數(shù)據(jù)通信；人機(jī)交互模塊擴(kuò)展了SD卡接口和USB接口，可以方便地實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和交換；人機(jī)交互模塊還具有自帶的ADC轉(zhuǎn)換模塊，可以直接接收來(lái)自于電信號(hào)實(shí)時(shí)檢測(cè)模塊輸出的電流和電壓信號(hào)并進(jìn)行顯示，而不需要從控制器中轉(zhuǎn)，因此信息動(dòng)態(tài)顯示的實(shí)時(shí)性會(huì)更強(qiáng)。

應(yīng)用本實(shí)用新型時(shí)，三相/單相工頻交流電經(jīng)過(guò)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(guò)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(hào)，實(shí)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?hào)實(shí)時(shí)檢測(cè)模塊檢測(cè)到的負(fù)載電流、電壓信號(hào)與人機(jī)交互模塊給定的焊接參數(shù)進(jìn)行比較，并按預(yù)設(shè)的控制算法進(jìn)行處理之后產(chǎn)生所需的PWM信號(hào)，該信號(hào)通過(guò)WBG高頻驅(qū)動(dòng)與保護(hù)模塊隔離/功率放大去控制WBG功率器件的開(kāi)通和關(guān)斷，從而使主電路的電壓波形經(jīng)過(guò)WBG高頻換流模塊之后轉(zhuǎn)換成高頻高壓電，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制。故障診斷模塊檢測(cè)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(shí)電信號(hào)實(shí)時(shí)檢測(cè)模塊檢測(cè)高頻功率變壓器的原邊瞬態(tài)峰值電流，并把檢測(cè)到的信號(hào)分別輸送給控制器和WBG高頻驅(qū)動(dòng)與保護(hù)模塊，一旦出現(xiàn)輸入過(guò)壓、欠壓、過(guò)熱或者輸出過(guò)流、過(guò)壓等現(xiàn)象，WBG高頻驅(qū)動(dòng)與保護(hù)模塊的保護(hù)動(dòng)作使能，關(guān)閉PWM信號(hào)從而關(guān)閉WBG功率器件的開(kāi)通，確保主電路的安全。

實(shí)施例二

本實(shí)施例高功率密度高效率WBG弧焊逆變器，與實(shí)施例一的區(qū)別在于：本實(shí)施例中，工頻整流濾波模塊與WBG高頻換流模塊之間通過(guò)軟啟動(dòng)電路模塊連接；軟啟動(dòng)電路模塊還與控制器連接，如圖8和圖9所示。軟啟動(dòng)電路模塊包括定時(shí)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(shí)，三相/單相交流輸入經(jīng)過(guò)整流橋和大功率限流電阻R201開(kāi)始對(duì)電解電容進(jìn)行充電；同時(shí)，控制板電源信號(hào)VCC通過(guò)定時(shí)電阻R211開(kāi)始對(duì)定時(shí)電容C207進(jìn)行充電，經(jīng)過(guò)短暫延時(shí)后，定時(shí)觸發(fā)器U201的2腳電壓低于閥值電壓VCC/2，此時(shí)3腳輸出高電平信號(hào)，三極管Q201開(kāi)始導(dǎo)通，繼電器RLY201和繼電器RLY202動(dòng)作閉合，限流電阻R201被旁路，整流后的直流信號(hào)對(duì)電解電容繼續(xù)充電并且緩慢達(dá)到其額定值，電源此時(shí)開(kāi)始正常工作。軟啟動(dòng)電路中RC元件主要起到延時(shí)作用，并結(jié)合定時(shí)觸發(fā)器U201構(gòu)成了單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)電路，進(jìn)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(duì)電源造成沖擊。

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