[發(fā)明專利]高功率密度高效率WBG弧焊逆變器

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201611139417.1
• 申請日: 2016-12-12
• 公開（公告）號: CN106735740B
• 公開（公告）日: 2018-06-19
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 王振民;范文艷;汪倩
• 申請（專利權(quán)）人: 華南理工大學(xué)
• 主分類號: B23K9/10
• 分類號: B23K9/10;B23K9/095
• 代理公司: 廣州市華學(xué)知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 44245
• 代理人: 霍健蘭;梁瑩

本發(fā)明提供了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；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實(shí)時(shí)檢測模塊、人機(jī)交互模塊、故障診斷模塊、控制器和WBG高頻驅(qū)動與保護(hù)模塊。該弧焊逆變器具有更高的功率密度和效率，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。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及弧焊逆變技術(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(jì)，弧焊逆變電源已成為國內(nèi)電焊機(jī)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(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(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(yùn)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(jìn)一步建立WBG功率器件的電氣模型，進(jìn)行動態(tài)電熱耦合的仿真研究，從而為拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和驅(qū)動電路的優(yōu)化設(shè)計(jì)奠定基礎(chǔ)。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于克服現(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，本發(fā)明通過下述技術(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，其中WBG是指寬禁帶，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實(shí)時(shí)檢測模塊、人機(jī)交互模塊、故障診斷模塊、控制器和WBG高頻驅(qū)動與保護(hù)模塊；

所述WBG高頻驅(qū)動與保護(hù)模塊分別與WBG高頻換流模塊、故障診斷模塊、電信號實(shí)時(shí)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(shí)時(shí)檢測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。