CN101618472B - 一种软开关逆变电焊机 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种软开关逆变电焊机，包括：一次整流单元、逆变单元、二次整流及输出检测单元、控制单元和驱动信号隔离放大单元；在所述控制单元中包括：包含有误差信号运算电路和CPLD的驱动时序信号发生电路；误差信号运算电路的输入与输出反馈信号和输出设定信号相连，误差信号运算电路的输出与CPLD的输入相连；误差信号运算电路将所述输出反馈信号和输出设定信号进行比较计算出差异后，将和差异相对应的信号送入CPLD，在CPLD内部根据前述输入信号，直接输出驱动时序信号作为所述逆变电子开关器件开通和关断的控制信号。所述驱动时序信号为有限双极性控制的时序。本发明使得控制电路更加简单，增强抗干扰能力，提高可靠性。

Description

一种软开关逆变电焊机
技术领域
本发明涉及逆变电焊机技术领域，特别是指一种全桥逆变结构的软开关逆变电焊机。
背景技术
逆变电焊机工作时，通过电子开关器件的反复开通和关断实现逆变并通过逆变变压器传递功率。然而电子开关器件的开关过程一般会产生功率损耗，而且逆变频率越高此损耗占的比例越大。电子开关器件的开关损耗导致电子开关器件的利用率和寿命降低。为消除此不良影响，较实用的方法是使电子开关器件实现软开关，即在零电压条件下或在零电流条件下开通、关断，也可能在较低电流条件下或在较低电压条件下开通、关断。
现有的全桥逆变结构电焊机技术，已有采用软开关方式方案有：全桥移相谐振软开关方式和有限双极性谐振软开关方式。其中，有限双极性方式以其控制简单，可靠性高应用较多。但逆变电子开关器件按以上方法开通和关断的控制电路都采用专用驱动芯片配合各种模拟和逻辑IC(集成电路)芯片组成，或配合PLD(可编程逻辑器件)以及各种模拟和逻辑IC芯片组成，其中实现软开关的驱动信号的产生都依靠专用驱动芯片或逻辑IC产生。总之，以上的两种控制方法复杂，器件多，抗干扰能力差，可靠性低。
CPLD(复杂可编程逻辑器件)具有功能强大、价格低、可靠性高等优点。现有逆变电焊机中，有利用CPLD产生移相控制或PWM(脉宽调制控制)控制驱动时序信号的产品，但其产生的驱动时序是移相控制或脉宽调制控制信号，因此电子开关器件工作在硬开关条件下，开通关断损耗大。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提出一种软开关逆变电焊机，解决以往软开关控制电路复杂、器件多、抗干扰能力差、可靠性低的问题。
基于上述目的本发明提供的一种软开关逆变电焊机，包括：一次整流单元、逆变单元、二次整流及输出检测单元、控制单元和驱动信号隔离放大单元；在所述控制单元中包含驱动时序信号发生电路；
输出设定和二次整流及输出检测单元的输出反馈共同输入到所述控制单元，所述控制单元中的驱动时序信号发生电路产生驱动时序信号输入到驱动信号隔离放大单元，驱动信号隔离放大单元的输出信号输入到所述逆变单元的电子开关器件控制端；
其中逆变单元包括：滤波电容C5，放电电阻R5，电子开关器件Q1、Q2、Q3、Q4，谐振电容C6，逆变变压器T1初级绕组，其中滤波电容C5与一次整流单元的输出相连，放电电阻R5并联在滤波电容C5两端，电子开关器件Q1、Q2、Q3、Q4组成逆变全桥并联在滤波电容C5两端，其中电子开关器件Q1和Q2构成一个逆变桥臂作为滞后臂，电子开关器件Q3和Q4构成一个逆变桥臂作为超前臂，谐振电容C6和逆变变压器T1的初级绕组串联连接，谐振电容C6和逆变变压器T1的初级绕组的其余两端分别连接到所述超前臂和滞后臂的公共连接点；
所述驱动时序信号发生电路包括有误差信号运算电路和复杂可编程逻辑器件CPLD；
误差信号运算电路的输入与输出反馈信号和输出设定信号相连，误差信号运算电路的输出与CPLD的输入相连；误差信号运算电路将所述输出反馈信号和输出设定信号进行比较，计算出差异后，将和差异相对应的信号送入CPLD，在CPLD内部根据前述输入信号运算，直接输出有限双极性控制时序的驱动时序信号作为所述逆变单元中电子开关器件Q1、Q2、Q3、Q4开通和关断的控制信号。
可选的，该软开关逆变电焊机进一步在逆变变压器T1初级绕组的电流通路中串联谐振电感L1。
可选的，该软开关逆变电焊机在超前臂的电子开关器件Q3和电子开关器件Q4上分别并联电容C7、C8。
可选的，该软开关逆变电焊机中所述一次整流单元与输入的交流电源相连；
当软开关逆变电焊机为直流输出时，二次整流及输出检测单元的输出作为软开关逆变电焊机的二次直流输出直接输出到焊机输出端；
当软开关逆变电焊机为交、直流输出时，二次整流及输出检测单元的输出连接到二次逆变及输出检测单元，二次逆变及输出检测单元的输出作为软开关逆变电焊机的二次交、直流输出直接输出到焊机输出端。
可选的，该软开关逆变电焊机在电子开关器件Q1、Q2、Q3、Q4上分别并联吸收装置。
可选的，该软开关逆变电焊机所述电子开关器件上并联的吸收装置由串联在一起的电阻和电容组成。
可选的，该软开关逆变电焊机所述输出反馈信号和输出设定信号是输出电流反馈信号和输出电流设定信号。
可选的，该软开关逆变电焊机中所述输出反馈信号和输出设定信号是输出电压反馈信号和输出电压设定信号。
可选的，该软开关逆变电焊机中所述输出反馈信号是输出电流反馈信号和输出电压反馈信号；所述输出设定信号是输出电流设定信号。
可选的，该软开关逆变电焊机中所述输出反馈信号是输出电流反馈信号和输出电压反馈信号，所述输出设定信号是输出电压设定信号。
可选的，该软开关逆变电焊机中所述输出反馈信号是输出电流反馈信号和输出电压反馈信号，所述输出设定信号是输出电流设定信号和输出电压设定信号。
从上面所述可以看出，本发明提供的软开关逆变电焊机，逆变电子开关器件的开通和关断控制信号(驱动时序信号)是有限双极性控制方式，配合谐振电容和谐振电感，实现电子开关器件软开关，而且所述驱动时序信号直接由CPLD产生，经驱动信号隔离放大单元整定后连接到电子开关器件的控制端。本发明利用了CPLD的高集成，功能强大的特点，可实现电子开关器件的软开关控制，大幅减少了电路中使用器件的数量，减小控制电路占用线路板的面积，缩短线路板上连线的长度，因此可大幅减少了可能的故障点，减少干扰信号的进入途径。不但使得控制电路更加简单，而且增强了抗干扰能力，提高可靠性。
附图说明
图1为本发明实施例逆变单元的电子开关器件的开关时序及逆变变压器初级绕组电流、电压波形示意图；
图2为本发明实施例直流输出的软开关逆变电焊机电路结构示意图；
图3为本发明实施例驱动时序信号发生电路原理框图。
图4为本发明实施例交直流输出的软开关逆变电焊机电路结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
本发明软开关逆变电焊机电路至少包括：一次整流单元、逆变单元、二次整流及输出检测单元、控制单元和驱动信号隔离放大单元；在所述控制单元中包含驱动时序信号发生电路；
输出设定和二次整流及输出检测单元的输出反馈共同输入到所述控制单元，所述控制单元中的驱动时序信号发生电路产生驱动时序信号输入到驱动信号隔离放大单元，驱动信号隔离放大单元的输出信号输入到所述逆变单元的电子开关器件控制端；
其中，所述驱动时序信号发生电路包括有误差信号运算电路和CPLD(复杂可编程逻辑器件)；
误差信号运算电路的输入与输出反馈信号和输出设定信号相连，误差信号运算电路的输出与CPLD的输入相连；误差信号运算电路将所述输出反馈信号和输出设定信号进行比较，计算出差异后，根据差异的大小，按照设定的规则，一般为负反馈环节，将和差异相对应的信号送入CPLD，在CPLD内部根据前述输入信号，直接输出驱动时序信号作为所述逆变电子开关器件开通和关断的控制信号。所述驱动时序信号的时序为有限双极性控制时序，保证所述逆变单元中电子开关器件Q1、Q2、Q3、Q4，按照该时序进行开通和关断以实现软开关。
有限双极性控制时序的特点：其中Q4、Q3的驱动信号为脉宽可调的定频变宽脉冲，而且此脉冲信号宽度小于Q1、Q2的驱动信号脉冲宽度(表示Q4先于Q1关断，Q3先于Q2关断)，因此Q4和Q3构成的一个桥臂作为超前臂；Q1、Q2的驱动信号为互补方波，频率、脉宽固定，因此Q1和Q2构成的一个桥臂作为超前臂。当然考虑到直通的问题，Q1、Q2的驱动信号不能同时为on信号，一般需要错开一个固定的死区时间。Q1、Q4的驱动信号的上升沿(表示Q1、Q4开始导通)一致，Q2、Q3的驱动信号的上升沿(表示Q2、Q3开始导通)一致。逆变单元中电子开关器件Q1、Q2、Q3、Q4典型的有限双极性控制驱动时序参见图1所示。
所述一次整流单元与输入的交流电源相连，
当软开关逆变电焊机为直流输出时，二次整流及输出检测单元的输出作为软开关逆变电焊机的二次直流输出直接输出到焊机输出端；
当软开关逆变电焊机为交直流输出时，二次整流及输出检测单元的输出连接到二次逆变及输出检测单元，二次逆变及输出检测单元的输出作为软开关逆变电焊机的二次交直流输出直接输出到焊机输出端。
下边说明本发明的一个具体实施例的工作原理：
参见图2所示，软开关逆变电焊机的结构，包括：
一次整流单元201，将交流电源整流成直流后供给后续逆变单元202；
逆变单元202，对一次整流单元201提供的直流电进行滤波，然后根据驱动信号隔离放大单元205产生的逆变电子开关器件的驱动信号，将直流电逆变成特定频率的交流电送入逆变变压器T1；
二次整流及输出检测单元203，将逆变变压器T1传递过来的交流电再次整流成直流，同时检测输出电流或电压反馈给控制单元204；
控制单元204，根据设定的程序和规则，将输出设定和输出反馈进行处理整定产生驱动时序信号发生电路206需要的输出设定信号和输出反馈信号，由其内部的驱动时序信号发生电路206产生驱动时序信号，送入驱动信号隔离放大单元205；
驱动信号隔离放大单元205，将驱动时序信号进行放大和通隔离处理，产生可驱动逆变单元202中电子开关器件的驱动信号，送入电子开关器件的控制端；并且
在所述控制单元204中包含驱动时序信号发生电路206，按照设定的规则，比较输出设定信号和输出反馈信号的差异，根据差异的大小产生驱动时序信号，控制逆变单元202中由一次整流电流向二次整流电流传递能量的大小，保证输出设定和输出反馈相对应。
所述一次整流单元201与三相交流电源相连。二次整流及输出检测单元203的输出作为软开关逆变电焊机的输出，控制单元204与输出设定和输出反馈相连。所述控制单元204中的驱动时序信号发生电路206产生驱动时序信号输入到驱动信号隔离放大单元205，驱动信号隔离放大单元205的输出信号输入到所述逆变单元202的电子开关器件控制端。
图2中的一次整流单元201主要由二极管D1、D2、D3，以及反向设置的二极管D4、D5、D6组成。
逆变单元202中包括：滤波电容C5，放电电阻R5，电子开关器件Q1、Q2、Q3、Q4，谐振电容C6，逆变变压器T1初级绕组。其中滤波电容C5与一次整流单元的输出相连，放电电阻R5并联在滤波电容C5两端，电子开关器件Q1、Q2、Q3、Q4组成逆变全桥并联在滤波电容C5两端，其中电子开关器件Q1和Q2构成一个逆变桥臂作为滞后臂，电子开关器件Q3和Q4构成一个逆变桥臂作为超前臂，谐振电容C6和逆变电压器T1初级绕组串联连接，谐振电容C6和逆变电压器T1初级绕组的其余两端分别连接到超前臂和滞后臂的公共连接点。
另外，当谐振电容C6和逆变变压器T1初级绕组的电感谐振不能满足电子开关器件软开关要求时，本实施例优选可在逆变变压器T1初级绕组的电流通路中串联谐振电感L1。
进一步还可在电子开关器件Q3和电子开关器件Q4构成的超前臂的每个电子开关器件上分别并联电容C7、C8，以保证电子开关器件Q3和电子开关器件Q4在零电压条件下关断。
进一步还可在电子开关器件Q3和Q4构成的超前臂和在电子开关器件Q1和电子开关器件Q2构成的滞后臂的每个电子开关器件上可分别并联吸收装置。该吸收装置可以由串联在一起的电阻和电容组成，如图2中所示的电阻R1和电容C1，电阻R2和电容C2，电阻R3和电容C3，电阻R4和电容C4。
由所述控制单元产生的用于控制电子开关器件Q1-Q4的驱动时序信号时序参见图1所示，为有限双极性控制时序，逆变单元202中的这些电子开关器件Q1-Q4按照图1所示的时序开通和关断。图1中，t1：超前臂电子开关器件Q3和Q4开通时间；t2：滞后臂电子开关器件Q1和Q2开通时间；t3：电子开关器件Q1、Q2同时关断时间(死区时间)。一般情况下t3时间相对t2小得多，t2和t3时间一般固定不变，t1随输出大小在0-t2之间变化，而且为保证滞后臂电子开关器件Q1和Q2在零电流条件下关断，t1一般比t2小。t1和t2的开始时刻，Q1和Q4、或Q2和Q3同时在零电压零电流条件下开通，开始向逆变变压器输出能量，t1结束时刻超前臂的Q4或Q3先关断，此时其上并联的电容C8或C7电压不能突变，保证Q4或Q3在零电压条件下关断，在t1结束时刻到t2结束时刻的时间内谐振电容C6和逆变变压器T1初级绕组的电感谐振，使逆变变压器初级绕组中流过的电流逐渐减小到零或较低，直到t2结束时刻滞后臂的Q1或Q2再关断，保证Q1或Q2在零电流条件下关断。其中，本文中所述的零电压或零电流，不应仅仅限定为电压值或者电流值完全为零，本领域中允许的较低电压或者电流也是允许的。
在逆变变压器T1的初级绕组中流过的电流和两端电压波形也如图1中逆变变压器初级绕组电流和逆变变压器初级绕组电压所示。
在二次整流及输出检测单元203中包括：二极管D7和D8，电流传感器CT，以及电感L2。
参见图3所示，在驱动时序信号发生电路206中，包括误差信号运算电路和CPLD。误差信号运算电路的输入与输出反馈信号和输出设定信号相连，误差信号运算电路的输出和CPLD的输入相连。误差信号运算电路比较输出设定信号和输出反馈信号的差异，根据差异的大小，按照设定的规则，一般为负反馈环节，判断需要增加或减小从一次整流单元向二次整流单元传递能量的值后，产生CPLD需要的输入信号；将此信号送入CPLD，在CPLD内部根据前述输入信号直接产生驱动时序信号输出作为逆变电子开关器件开通和关断控制信号，CPLD内部产生的对电子开关器件Q1-Q4进行有限双极性控制的驱动时序信号如图1所示。所述，误差信号运算电路向CPLD输入的信号，主要是用于调整驱动时序信号中t1的长短，可以采用数字的形式，比如发送数字200代表将t1的时间调整为20微秒。所述CPLD按照输入信号，调整驱动时序信号中t1的长短：一般情况下，当需要增加从一次整流单元向二次整流单元的传递能量时驱动时序信号中t1的长度增大，需要减小从一次整流单元向二次整流单元的传递能量时驱动时序信号中t1的长度减小。
所述驱动时序信号经驱动信号隔离放大单元205整定后连接到逆变单元202中电子开关器件Q1-Q4的控制端。
本发明软开关逆变电焊机也可以是交、直流输出的形式，下边说明本发明的另一个具体实施例的工作原理：
参见图4所示，软开关逆变电焊机的电路结构，其一次整流单元201、逆变单元202、控制单元204、和驱动信号隔离放大单元205以及驱动时序信号发生电路206的结构、连接关系、作用及控制原理和图2的实施例相同。不同之处在于本实施例中二次整流及输出检测单元203能产生带中间电位抽头的正负电压，送到二次逆变及输出检测单元207，同时可将输出电流反馈送到控制单元204。二次逆变及输出检测单元207可将输出端的输出电压反馈送到控制单元204，同时按照特定的规则接通和关断二次逆变电子开关器件Q5、Q6，可实现交、直流输出，当只有Q5开通时焊机输出直流，当Q5和Q6交替开通时焊机输出交流。
本发明中所述输出反馈信号和输出设定信号可以是输出电流反馈信号和输出电流设定信号；
或者所述输出反馈信号和输出设定信号也可以是输出电压反馈信号和输出电压设定信号；
或者所述输出反馈信号也可以是输出电流反馈信号和输出电压反馈信号；所述输出设定信号也可以是输出电流设定信号；
或者所述输出反馈信号也可以是输出电流反馈信号和输出电压反馈信号，所述输出设定信号也可以是输出电压设定信号；
或者所述输出反馈信号也可以是输出电流反馈信号和输出电压反馈信号，所述输出设定信号也可以是输出电流设定信号和输出电压设定信号。
以上所述的具体实施例仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (11)

1.一种软开关逆变电焊机，包括：一次整流单元、逆变单元、二次整流及输出检测单元、控制单元和驱动信号隔离放大单元；在所述控制单元中包含驱动时序信号发生电路；
输出设定和二次整流及输出检测单元的输出反馈共同输入到所述控制单元，所述控制单元中的驱动时序信号发生电路产生驱动时序信号输入到驱动信号隔离放大单元，驱动信号隔离放大单元的输出信号输入到所述逆变单元的电子开关器件控制端；
其中逆变单元包括：滤波电容C5，放电电阻R5，电子开关器件Q1、Q2、Q3、Q4，谐振电容C6，逆变变压器T1初级绕组，其中滤波电容C5与一次整流单元的输出相连，放电电阻R5并联在滤波电容C5两端，电子开关器件Q1、Q2、Q3、Q4组成逆变全桥并联在滤波电容C5两端，其中电子开关器件Q1和Q2构成一个逆变桥臂作为滞后臂，电子开关器件Q3和Q4构成一个逆变桥臂作为超前臂，谐振电容C6和逆变变压器T1的初级绕组串联连接，谐振电容C6和逆变变压器T1的初级绕组的其余两端分别连接到所述超前臂和滞后臂的公共连接点；
其特征在于，所述驱动时序信号发生电路包括有误差信号运算电路和复杂可编程逻辑器件CPLD；
误差信号运算电路的输入与输出反馈信号和输出设定信号相连，误差信号运算电路的输出与CPLD的输入相连；误差信号运算电路将所述输出反馈信号和输出设定信号进行比较，计算出差异后，将和差异相对应的信号送入CPLD，在CPLD内部根据前述输入信号运算，直接输出有限双极性控制时序的驱动时序信号作为所述逆变单元中电子开关器件Q1、Q2、Q3、Q4开通和关断的控制信号；
所述有限双极性控制时序中的Q3、Q4的驱动信号为脉宽可调的定频变宽脉冲，而且Q3、Q4的驱动信号脉冲信号宽度小于Q1、Q2的驱动信号脉冲宽度，Q1、Q2的驱动信号错开一个固定的死区时间；Q1、Q4的驱动信号的上升沿一致，Q2、Q3的驱动信号的上升沿一致。
2.根据权利要求1所述的软开关逆变电焊机，其特征在于，进一步在逆变变压器T1初级绕组的电流通路中串联谐振电感L1。
3.根据权利要求1所述的软开关逆变电焊机，其特征在于，在超前臂的电子开关器件Q3和电子开关器件Q4上分别并联电容C7、C8。
4.根据权利要求1所述的软开关逆变电焊机，其特征在于，所述一次整流单元与输入的交流电源相连；
当软开关逆变电焊机为直流输出时，二次整流及输出检测单元的输出作为软开关逆变电焊机的二次直流输出直接输出到焊机输出端；
当软开关逆变电焊机为交、直流输出时，二次整流及输出检测单元的输出连接到二次逆变及输出检测单元，二次逆变及输出检测单元的输出作为软开关逆变电焊机的二次交、直流输出直接输出到焊机输出端。
5.根据权利要求1所述的软开关逆变电焊机，其特征在于，在电子开关器件Q1、Q2、Q3、Q4上分别并联吸收装置。
6.根据权利要求5所述的软开关逆变电焊机，其特征在于，所述电子开关器件上并联的吸收装置由串联在一起的电阻和电容组成。
7.根据权利要求1所述的软开关逆变电焊机，其特征在于，所述输出反馈信号和输出设定信号是输出电流反馈信号和输出电流设定信号。
8.根据权利要求1所述的软开关逆变电焊机，其特征在于，所述输出反馈信号和输出设定信号是输出电压反馈信号和输出电压设定信号。
9.根据权利要求1所述的软开关逆变电焊机，其特征在于，所述输出反馈信号是输出电流反馈信号和输出电压反馈信号；所述输出设定信号是输出电流设定信号。
10.根据权利要求1所述的软开关逆变电焊机，其特征在于，所述输出反馈信号是输出电流反馈信号和输出电压反馈信号，所述输出设定信号是输出电压设定信号。
11.根据权利要求1所述的软开关逆变电焊机，其特征在于，所述输出反馈信号是输出电流反馈信号和输出电压反馈信号，所述输出设定信号是输出电流设定信号和输出电压设定信号。
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