WBG逆变式SMAW电源研究

作     者：戴苏江 

作者单位：江苏科技大学 

学位级别：硕士

导师姓名：方臣富

授予年度：2016年

学科分类：080503[工学-材料加工工程] 08[工学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 0802[工学-机械工程] 080201[工学-机械制造及其自动化] 

主      题：WBG 逆变 SMAW 外特性 驱动电路 

摘      要：我国对逆变式焊机的研究工作起步于80年代初,形成了3代产品,第1代是以晶闸管为开关器件的弧焊逆变器,焊接时噪声大;第2代是以GTR或MOSFET为开关器件的弧焊逆变器,GTR热稳定性较差,MOSFET电流容量小;第3代为以IGBT为开关器件的中大功率弧焊逆变器,逆变频率低于GTR和MOSFET。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Si C MOSFET与Si IGBT的导通特性、关断特性和热学特性进行了研究,当器件两端电压较小时SiC MOSFET导通电阻更小,并且相同规格下Si C MOSFET比Si IGBT关断速度更快,耐热性更好。根据总体设计目标和方案设计了全桥式逆变拓扑结构,对功率变换电路中的主变压器、输入整流滤波电路、输出整流电路进行了设计和计算,选择ROHM公司的SCH2080KE型SiC MOSFET作为逆变开关管,设计了半导体功率器件的保护电路,对所设计的功率变换电路逆变过程进行了分析,证明所设计的功率变换电路的合理性。设计了基于UC3846的恒流带外拖的外特性控制电路,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。分析SCH2080KE的元器件资料,计算驱动电压及电流,选择合适的驱动电源芯片和驱动芯片,设计了基于IR2110的驱动电路。装配调试所设计的逆变电源,测试了UC3846输出的PWM波形、IR2110输出的驱动波形,并采集了所设计的逆变电源的外特性。试验证明驱动波形满足设计要求,功率开关器件工作正常,外特性控制电路满足设计要求。