wbg逆变式焊机控制电路设计(附件)【字数：12842】
逆变焊机的最主要组成部分是逆变弧焊电源，它的功能是把工频交流电整流，再通过功率晶体管的开关逆变成高频交流方波，然后通过变压器降压，整流二极管整流，通过焊枪和工件产生焊接电弧，包括恒压、恒流外特性。在我国，逆变式焊机的研究工作始于上个世纪八十年代初，紧跟国际研究开发的进程，水平差距也不大，已形成3代产品。随着Si半导体功率开关器件性能趋近于其理论极限，逆变焊接电源的进一步发展受到限制，因此需要寻找一种新型的频率更高容量更大的开关器件来代替逆变焊接电源中传统的Si半导体开关器件。本文研究了一种基于WBG（Wide Band Gap）半导体功率器件的焊条电弧焊（Shielded Metal-Arc Welding）逆变电源，其开关频率为50kHz，额定焊接电流160A，相比于传统的SMAW逆变电源，其具有体积更小，质量更轻，节能省材等优点，而且控制性能优越， 动态响应更加迅速，利于实时控制焊接过程。本文对WBG半导体材料的物理特性以及SiC MOSFET和Si IGBT之间的可替代性进行了分析。另外，本文根据SMAW外特性要求和焊接工艺特点设计了基于UC3846的外特性控制电路，主要包括电流给定电路、电流采样电路、推力电流电路、比例积分电路和过流过热保护电路，实现了恒流带外拖的外特性控制。最后，本文对UC3846的PWM波形、驱动波形进行了测试，并采集了所设计的逆变电源的外特性，试验证明外特性控制电路满足设计要求。关键词 WBG；逆变电源；功率变换；外特性；驱动电路
Keywords: WBG; inverter power; power conversion; external characteristic; driving circuit 目录
第一章 绪论 1
1.1 逆变焊接电源特点及发展 1
1.1.1 逆变焊接电源特点 1
1.1.2 逆变电源的发展 1
1.2 SMAW对焊接电源要求 2
1.2.1 外特性要求 2
1.2.2动态性要求 7
1.2.3调节特性要求 8
1.3 电力半导体器件简介 8
1.3.1全控型器件 8
1.3.2半控型器件 9
1.3.3WBG半导体器件的优势 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072#
和研究意义 9
1.4 本文研究的主要内容 9
第二章 WBG半导体功率器件 11
2.1 WBG半导体材料 11
2.2 WBG半导体材料特点 11
2.3 SiC MOSFET物理特性 12
2.4 SiC MOSFET与Si IGBT可替代性讨论 13
2.4.1 导通特性的讨论 13
2.4.2 关断特性的讨论 14
2.4.3 热学特性讨论 15
2.5 本章小结 16
第三章 外特性控制电路设计 17
3.1 外特性控制原理 17
3.2 PWM控制电路设计 18
3.2.1 UC3846电流模式PWM控制器 19
3.2.2 基于UC3846的PWM控制电路 22
3.3 给定电路 25
3.4 电流采样电路 26
3.5 推力电流电路 26
3.6 比例积分调节器 27
3.7 保护及显示电路设计 27
3.8 本章小结 28
第四章 试验测试与分析 29
4.1 典型测试波形分析 29
4.2 逆变电源外特性测试分析 30
4.3 本章小结 32
结论 33
致谢 34
参 考 文 献 35
第一章 绪论
1.1 逆变焊接电源特点及发展
1978年世界上诞生第一台弧焊逆变电源，弧焊逆变电源迅速发展，它的使用范围与品种规格都在不断地增加和扩大，使弧焊逆变电源的发展迈入崭新的阶段。逆变焊接电源不仅质量轻，而且体积小，并且节能省材，由于工作频率高，响应速度很高，易于实现复杂的输出特性，改善焊接工艺，所以将来无论自动，半自动焊接设备，还是专用成套焊接设备的配套电源都必将更广泛地采用逆变焊接电源[1]。
1.1.1 逆变焊接电源特点
（1）高效节能：不仅功率因数高，而且减小了空载的损耗，电能的变换效率也提高了。
（2）电气工艺性能好：动特性、外特性都可以按不同的工艺要求来设计，容易实现焊机的自动化与智能化。逆变电源要求输出的电压动态响应快，稳态精度高等。
（3）结构性能好：重量轻且体积小，节约了大量的铜、铁等材料，制造、运输、使用都非常方便。
（4）适应性强：在30KHz的逆变焊接电源中能够将控制周期缩短为33μs，这样使得整机有很高的动态相响应，于是就可以进行高速控制。
1.1.2 逆变电源的发展
（1）半导体开关元器件的发展
逆变器的核心器件是功率开关器件，对逆变电源的电路性能、设计都有很大影响。功率开关器件的不断发展和完善为逆变器的不断更新过提供了重要保证；功率器件的发展逐渐多样化，为开发各种特性、容量的逆变焊机提供了众多的选择。从电力半导体器件发展潮流，可以看出有两个趋势：一是向大容量、高频化方向发展；另一趋势是向集成、模块化和智能化迈进[2]。由于硅功率器件已经逐渐被限制，因此，SC功率器件逐渐走向世界舞台，可以预见，随着科学技术的不断进步，半导体器件在电子电力的发展过程中一直扮演着不可替代的角色。
（2）磁性材料发展
控制技术不断飞快发展，操作性能要求逐渐提高，许多行业的用电设备都不是直接使用公用交流电网提供的交流电作为电能源，而是通过各种形式对其进行变换，从而得到各自所需的电能形式。由于用电设备不同从而导致它们的频率、幅值、变化方式还有其稳定度也不尽相同，如不间断电源、通信电源、充电器、医用电源等，因此它们所使用的电能全都是通过整流和逆变组合电路对原始电能进行变换后得到的。高性能、小型化、数字化的逆变电源应用前景值得期待。
当然，磁性材料的选择肯定也是要考虑各个方面的，例如逆变电源的工作频率、逆变电源的结构设计以及成本，都必须根据具体情况做出合理的选择。非晶材料和微晶纳米材料其电阻率高、温度系数小、矫顽力小、损耗小，是高频变压器的理想材料。随着非晶和微晶合金性能的提高、成本的下降，它们将会在焊接逆变器中得到更加广泛的应用[3]。
（3）控制技术现状
在早期的控制电路研究中，多以分离元件构成，完成程序控制和PWM调节，但它们的抗干扰性能和控制的灵活性远远不能满足要求[4]。PWM的控制因为专用PWM集成模块的出现而变得更稳定、更可靠。而UC3846芯片不但有过流、过压和软启动等功能，还有电流PWM的功能，可以用它来实现电阻焊逆变电源的电流型控制，来弥补电压型控制的不足。电源技术具有较强的综合性，电源技术的基础是现代逆变技术。因为逆变电路的调节周期短，工作频率高，所以电源设备的动态特性非常好。同时，增强了系统的可靠性，加快了控制速度与对保护信号的反应。
Keywords: WBG; inverter power; power conversion; external characteristic; driving circuit 目录
第一章 绪论 1
1.1 逆变焊接电源特点及发展 1
1.1.1 逆变焊接电源特点 1
1.1.2 逆变电源的发展 1
1.2 SMAW对焊接电源要求 2
1.2.1 外特性要求 2
1.2.2动态性要求 7
1.2.3调节特性要求 8
1.3 电力半导体器件简介 8
1.3.1全控型器件 8
1.3.2半控型器件 9
1.3.3WBG半导体器件的优势 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072#
和研究意义 9
1.4 本文研究的主要内容 9
第二章 WBG半导体功率器件 11
2.1 WBG半导体材料 11
2.2 WBG半导体材料特点 11
2.3 SiC MOSFET物理特性 12
2.4 SiC MOSFET与Si IGBT可替代性讨论 13
2.4.1 导通特性的讨论 13
2.4.2 关断特性的讨论 14
2.4.3 热学特性讨论 15
2.5 本章小结 16
第三章 外特性控制电路设计 17
3.1 外特性控制原理 17
3.2 PWM控制电路设计 18
3.2.1 UC3846电流模式PWM控制器 19
3.2.2 基于UC3846的PWM控制电路 22
3.3 给定电路 25
3.4 电流采样电路 26
3.5 推力电流电路 26
3.6 比例积分调节器 27
3.7 保护及显示电路设计 27
3.8 本章小结 28
第四章 试验测试与分析 29
4.1 典型测试波形分析 29
4.2 逆变电源外特性测试分析 30
4.3 本章小结 32
结论 33
致谢 34
参 考 文 献 35
第一章 绪论
1.1 逆变焊接电源特点及发展
1978年世界上诞生第一台弧焊逆变电源，弧焊逆变电源迅速发展，它的使用范围与品种规格都在不断地增加和扩大，使弧焊逆变电源的发展迈入崭新的阶段。逆变焊接电源不仅质量轻，而且体积小，并且节能省材，由于工作频率高，响应速度很高，易于实现复杂的输出特性，改善焊接工艺，所以将来无论自动，半自动焊接设备，还是专用成套焊接设备的配套电源都必将更广泛地采用逆变焊接电源[1]。
1.1.1 逆变焊接电源特点
（1）高效节能：不仅功率因数高，而且减小了空载的损耗，电能的变换效率也提高了。
（2）电气工艺性能好：动特性、外特性都可以按不同的工艺要求来设计，容易实现焊机的自动化与智能化。逆变电源要求输出的电压动态响应快，稳态精度高等。
（3）结构性能好：重量轻且体积小，节约了大量的铜、铁等材料，制造、运输、使用都非常方便。
（4）适应性强：在30KHz的逆变焊接电源中能够将控制周期缩短为33μs，这样使得整机有很高的动态相响应，于是就可以进行高速控制。
1.1.2 逆变电源的发展
（1）半导体开关元器件的发展
逆变器的核心器件是功率开关器件，对逆变电源的电路性能、设计都有很大影响。功率开关器件的不断发展和完善为逆变器的不断更新过提供了重要保证；功率器件的发展逐渐多样化，为开发各种特性、容量的逆变焊机提供了众多的选择。从电力半导体器件发展潮流，可以看出有两个趋势：一是向大容量、高频化方向发展；另一趋势是向集成、模块化和智能化迈进[2]。由于硅功率器件已经逐渐被限制，因此，SC功率器件逐渐走向世界舞台，可以预见，随着科学技术的不断进步，半导体器件在电子电力的发展过程中一直扮演着不可替代的角色。
（2）磁性材料发展
控制技术不断飞快发展，操作性能要求逐渐提高，许多行业的用电设备都不是直接使用公用交流电网提供的交流电作为电能源，而是通过各种形式对其进行变换，从而得到各自所需的电能形式。由于用电设备不同从而导致它们的频率、幅值、变化方式还有其稳定度也不尽相同，如不间断电源、通信电源、充电器、医用电源等，因此它们所使用的电能全都是通过整流和逆变组合电路对原始电能进行变换后得到的。高性能、小型化、数字化的逆变电源应用前景值得期待。
当然，磁性材料的选择肯定也是要考虑各个方面的，例如逆变电源的工作频率、逆变电源的结构设计以及成本，都必须根据具体情况做出合理的选择。非晶材料和微晶纳米材料其电阻率高、温度系数小、矫顽力小、损耗小，是高频变压器的理想材料。随着非晶和微晶合金性能的提高、成本的下降，它们将会在焊接逆变器中得到更加广泛的应用[3]。
（3）控制技术现状
在早期的控制电路研究中，多以分离元件构成，完成程序控制和PWM调节，但它们的抗干扰性能和控制的灵活性远远不能满足要求[4]。PWM的控制因为专用PWM集成模块的出现而变得更稳定、更可靠。而UC3846芯片不但有过流、过压和软启动等功能，还有电流PWM的功能，可以用它来实现电阻焊逆变电源的电流型控制，来弥补电压型控制的不足。电源技术具有较强的综合性，电源技术的基础是现代逆变技术。因为逆变电路的调节周期短，工作频率高，所以电源设备的动态特性非常好。同时，增强了系统的可靠性，加快了控制速度与对保护信号的反应。
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