基于宽禁带功率器件的新一代全数字超高频逆变焊接电源技术

日期:2020-07-02

成果简介:

焊接是制造业优选的加工工艺之一,全世界近60%的钢铁需要焊接加工。焊接电源是工业焊接的核心设备,其性能对焊接质量具有决定性影响。我国已是全球焊接电源制造基地,年产量超过1000万台套。但是,国产焊接电源在功率硬件平台、数字化以及工艺控制等方面存在典型的“核心技术空心化”现象,导致我国核电能源、海工船舶、石化容器、航空航天等高端装备制造业仍严重依赖进口焊接电源,面临潜在的技术掣肘风险。

40年来,华南理工大学焊接电源课题组一直潜心于高频弧焊逆变机理、数学模型与仿真、功率拓扑变换等理论及其应用技术的研究,取得了系列国际先进水平成果。目前,现有焊接电源几乎全部采用Si基功率器件,开关性能已随其结构设计和制造工艺的完善而接近由其材料特性决定的理论极限,依靠Si基功率器件继续提升焊接电源性能的潜力已十分有限。新型第三代半导体器件,宽禁带功率器件相比Si基器件具有更高的热耐受性、更快的开关速度、更强的耐高压耐辐射能力。课题组利用已发明的系列Si基(MOSFET/IGBT)逆变焊接电源专利技术基础,进一步攻克了宽禁带功率器件超高频逆变换流、驱动保护以及高速精密数字化调控难题,率先研制成功基于宽禁带功率器件的新一代大功率全数字化超高频焊接电源新技术,可将工业级焊接电源的逆变频率从目前20 kHz提高到200 kHz,并且有效地解决了器件快速开关过程复杂电流电压应力、高频串扰、米勒效应影响以及频繁短路特殊焊接电弧负载下的可靠性等难题,在全负载范围内的电能转换效率>90%,比目前工业级焊接电源的能效提高5%-10%左右,动特性提升70%以上,显著提升了焊接工艺过程的可控性。

发明的全数字超高频焊接电源技术已在机器人水下焊接、钛合金焊接、镍基合金焊接等领域应用。研究成果已申请国际PCT 3件、发明专利10多件;出版学术专著1部,获得2018年度国家出版基金资助,入选“国家十三五”重点出版物;我国焊接领域著名专家、清华大学潘际銮院士认为研究工作“具有很高的学术价值”。研究成果获得全国高等学校优秀成果奖科技进步二等奖。                                             

    


 样机实物照片 


应用于机器人水下焊接的照片

项目负责人:

王振民,男,博士,华南理工大学机械与汽车工程学院教授,广东省智能焊接制造装备及机器人工程技术研究中心主任。长期从事基于人工智能与宽禁带功率器件的新一代焊接电源技术、机器人焊割系统智能化新技术以及水下机器人制造技术方面的研究,先后获得中国专利优秀奖(排名第一)、高等学校科学研究优秀成果奖科技进步二等奖(排名第一)等多项科研奖励。

联系方式:wangzhm@scut.edu.cn