CN101829834B - 全桥逆变与单端正激逆变切换式弧焊电源及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公布了一种全桥逆变与单端正激逆变切换式弧焊电源及其控制方法，本发明电源包括弧焊电源主电路，还包括电流传感器和控制电路。该控制方法包括：201、设置基准电压；202、电流采样信号与基准电压信号进行比较；203、当负载为重载时，主电路工作于全桥移相工作模式；204、当负载为轻载时，主电路工作于双管单端正激工作模式。该控制电路包括采样比较单元，还包括电子开关单元根据采样比较单元1比较的结果实现两种工作模式之间的切换，从而达到降低电路损耗的目的，避免主电路在轻载时产生丢波现象，增加电路的可靠性和稳定性。

Description

全桥逆变与单端正激逆变切换式弧焊电源及其控制方法

技术领域

本发明涉及的是一种逆变弧焊电源，尤其涉及全桥移相零电压开关(FB-ZVS-PWM)模式下弧焊电源的主电路以及其控制方法和控制电路，弧焊电源主电路成为一种变结构的主电路，属于电焊设备技术领域。

背景技术

目前，逆变弧焊电源多采用全桥移相零电压开关(FB-ZVS-PWM)模式，以实现超前臂、滞后臂的大功率开关晶体管的零电压开关，全桥移相零电压开关技术(FB-ZVS-PWM)兼有脉宽调制(PWM)控制和谐振开关优点，成为软开关逆变弧焊电源应用的热点。该控制方式是通过谐振电感的谐振，降低大功率开关晶体管开通时的电压。当负载越小，由于全桥移相电路内电容和电感的储能效应，大功率开关晶体管开通时的电压越高，大功率开关晶体管的开关损耗就越大，尤其是在轻载时，大功率开关晶体管的开关损耗更加明显。

由于逆变弧焊电源工况复杂，滞后臂的大功率开关晶体管的零电压开关条件是受负载和输入电压影响的，当弧焊电源主电路在较小焊接电流工作(轻载)时，高频变压器原边的电流很小，为维持恒流，输出电压将降低(即驱动脉冲的宽度变窄)，当驱动脉冲的宽度变得很窄时，容易产生丢波现象，且电流精度和稳定性较差；滞后臂大功率开关晶体管难以实现零电压开关，将产生以下几个后果：(1)由于大功率开关晶体管损耗的存在，需要增加散热器的体积；(2)大功率开关晶体管开通时存在很大的di/dt，将会造成较大的EMI；(3)出现环流能量大、占空比丢失和开关噪声加大等问题。

发明内容

本发明的目的是针对现有弧焊电源主电路在较小焊接电流工作(轻载)时存在的不足，提供了一种在重载和轻载条件下都能正常可靠工作的弧焊电源主电路，在一种控制方法和控制电路的作用下解决在较小焊接电流工作(轻载)时的大功率开关晶体管损耗过高、环流能量大、占空比丢失和开关噪声加大等问题，以及避免发生丢波现象，提高电路系统稳定性和电流精度，降低EMI。

本发明为实现上述目的，采用如下技术方案：

本发明全桥逆变与单端正激逆变切换式弧焊电源，包括弧焊电源主电路，该弧焊电源主电路由大功率开关晶体管构成的超前臂、大功率开关晶体管构成的滞后臂、大功率开关晶体管的反向并联二极管、大功率开关晶体管的并联电容、谐振电感、漏感、高频变压器组成；超前臂的中点依次通过谐振电感和变压器漏感连接高频变压器的原边绕组后连接滞后臂的中点，高频变压器的副边绕组连接全桥整流电路后再连接输出滤波电感；

还包括电流传感器和控制电路，在所述谐振电感前端与超前臂之间串接电流传感器或则高频变压器副边绕组与漏感之间串接电流传感器，电流传感器的输出端接控制电路的输入端，控制电路的输出端接弧焊电源主电路的控制端。

全桥逆变与单端正激逆变切换式弧焊电源的控制方法的特征在于，包括以下步骤：

201、设置基准电压信号；

202、采用电流传感器进行电流采样，电流采样信号与基准电压信号通过采样比较单元进行比较；

203、当电流采样信号高于基准电压信号时，采用电子开关单元控制全桥移相电路的大功率开关晶体管正常导通，弧焊电源主电路工作于全桥移相谐振式工作模式；

204、当电流采样信号低于基准电压信号时，采用电子开关单元切断两路PWM控制信号，全桥移相电路的大功率开关晶体管只有两只正常导通，弧焊电源主电路的工作模式由全桥移相谐振式切换为双管单端正激工作模式。

所述电流传感器为霍尔传感器或者分流器。

所述控制电路由采样比较单元串接电子开关单元构成，采样比较单元接电流传感器的输出端，电子开关单元接大功率开关晶体管。

所述的采样比较单元由比较器U1A、电阻R1和R2、可调电阻VR1构成，其中比较器U1A的3脚串接电阻R1后接可调电阻VR1的中间抽头，比较器U1A的2脚串接电阻R2后接电流传感器的输出端，比较器U1A的4脚和可调电阻VR1一端接+15V直流电源，比较器U1A的连接-15V直流电源，可调电阻VR1的另一端接地，比较器U1A的1脚接电子开关单元的输入端。

所述的电子开关单元由电子开关U2A和U2B构成，电子开关U2A的11脚和U2B的10脚分别接采样比较单元的输出端，电子开关U2A的6脚、7脚和8脚与地相连；电子开关U2A的16脚与+15V相连；电子开关U2A的12脚与PWM控制信号A相连；电子开关U2A的14脚与大功率开关晶体管Q2相连；电子开关U2B的2脚与PWM控制信号B相连；电子开关U2B的15脚与大功率开关晶体管Q3相连。

所述比较器U1A型号为LM324。

所述电子开关U2A和U2B型号为CD4053。

本发明的有益效果是：(1)、当主电路切换为双管单端正激工作模式时，只有两只大功率开关晶体管工作，降低了整个主电路的开关损耗；(2)、当主电路切换为双管单端正激工作模式时，这样在输出功率一定的情况下相对于全桥工作模式，大功率开关晶体管的驱动脉宽可以提高一倍，这样，在较小焊接电流工作(轻载)时就不会发生丢波现象，提高电路系统的稳定性。

附图说明

图1是本发明控制方法的流程图；

图2是本发明的控制电路框图；

图3是本发明的控制电路图；

图4是本发明的主电路连接示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行进一步阐述：

图1是本发明的控制方法流程图，首先通过控制电路的采样比较单元中可调电阻设置基准电压，由流传感器采样主电路中的原边电流信号(或电流输出信号)输入比较器，通过与基准电压信号进行比较，来决定是否切换弧焊电源主电路的工作模式；如果电流采样信号高于基准电压信号，说明当前的负载处于重载状态，则采用正常的控制对全桥移相谐振式电路进行控制；如果电流采样信号低于基准电压信号，说明当前的负载处于轻载状态，则将全桥移相谐振式电路切换成双管单端正激式电路。

图2是本发明的控制电路框图，在控制电路中设置采样比较单元，采样比较单元根据弧焊电源主电路的采样电流信号大小对电子开关单元进行控制，由电子开关单元实现弧焊电源主电路两种工作模式之间的切换。

图3是本发明的控制电路图，采样比较单元1由型号为LM324的比较器U1A的3脚连接电阻R1，2脚连接电阻R2，1脚连接电子开关单元2，4脚连接+15V，11脚连接-15V；电流采样信号If经电阻R2接至比较器U1A的2脚；可调电阻VR1一端接+15V，另一端接地，中间抽头经电阻R1接至比较器U1A的3脚，可调电阻VR1用于设置基准电压信号。

电子开关单元2由型号为CD4053的电子开关U2A的11脚和U2B的10脚共同连接于所述的采样比较单元1中比较器U1A的1脚；电子开关U2A的6脚、7脚和8脚与地相连；电子开关U2A的16脚与+15V相连；电子开关U2A的12脚与PWM控制信号A相连；电子开关U2A的14脚与大功率开关晶体管Q2相连；电子开关U2B的2脚与PWM控制信号B相连；电子开关U2B的15脚与大功率开关晶体管Q3相连。

当电流采样信号If低于基准电压信号时，说明当前的负载处于轻载状态，采样比较单元中比较器翻转，对应的电子开关单元工作，电子开关切断两路PWM控制信号，全桥移相电路的大功率开关晶体管只有两只正常导通，弧焊电源主电路的工作模式由全桥移相谐振式切换为双管单端正激工作模式。

图4是本发明的全桥逆变与单端正激逆变切换式弧焊电源的主电路连接示意图，主电路由大功率开关晶体管(Q1～Q2)构成的超前臂、大功率开关晶体管(Q3～Q4)构成的滞后臂、大功率开关晶体管(Q1～Q4)的反向并联二极管(D1～D4)、大功率开关晶体管(Q1～Q4)的并联电容(C1～C4)、谐振电感Lr、漏感L1k、高频变压器T组成。超前臂的中点依次通过谐振电感和变压器漏感连接高频变压器的原边绕组N1后连接滞后臂的中点，高频变压器的副边绕组N2连接全桥整流二极管(D5～D8)后再连接输出滤波电感Lf。其特征是：在所述谐振电感前端(或高频变压器副边绕组)连接电流传感器SE，通过电流传感器SE采样主电路中的原边电流信号(或电流输出信号)。

当电流采样信号If高于基准电压信号时，说明当前的负载处于重载状态，采样比较单元1中比较器U1A不翻转输出低电平，电子开关单元2不工作，对应的电子开关U2A和U2B不切断大功率开关晶体管Q2和Q3的PWM控制信号A、B，全桥移相电路的四只大功率开关晶体管(Q1～Q4)正常导通，弧焊电源主电路工作于全桥移相谐振式工作模式，相对桥臂上的一对大功率开关晶体管在驱动信号控制下交替通断，实现大功率输出；

当电流采样信号If低于基准电压信号时，说明当前的负载处于轻载状态，采样比较单元1中比较器U1A翻转输出高电平，电子开关单元2工作，对应的电子开关U2A和U2B切断大功率开关晶体管Q2和Q3的PWM控制信号A、B，只保留大功率开关晶体管Q1、Q4的PWM控制信号，弧焊电源主电路工作于双管单端正激式工作模式。这时，电路由大功率开关晶体管Q1和Q4、Q1和Q4的反向并联二极管D1和D4、Q1和Q4的并联电容C1和C4、续流二极管D2和D3、谐振电感Lr、漏感L1k、高频变压器T组成双管单端正激式电路。电路只有大功率开关晶体管Q1、Q4工作，从而降低了整个主电路的开关损耗；而且在输出功率一定的情况下相对于全桥工作模式，大功率开关晶体管Q1、Q4的PWM控制信号(驱动脉宽)可以提高一倍，这样，较小焊接电流工作(轻载)时就不会发生占丢波现象，增加电路的可靠性，提高电路系统的稳定性。谐振电感Lr、漏感L1k、高频变压器T的原边绕组N1和续流二极管D2、D3组成消磁回路，大功率开关晶体管Q1、Q4关断时，变压器的储能有一个释放回路，经消磁回路回馈到直流输入电源，这样就可以防止变压器发生偏磁和磁芯发热严重导致元器件损坏。

除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式，凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围内。

Claims (7)

1.一种全桥逆变与单端正激逆变切换式弧焊电源，包括弧焊电源主电路，该弧焊电源主电路由第一、第二大功率开关晶体管(Q1、Q2)构成的超前臂、第三、第四大功率开关晶体管(Q3、Q4)构成的滞后臂，第一、第二、第三、第四大功率开关晶体管(Q1、Q2、Q3、Q4)的反向并联第一、第二、第三、第四二极管(D1、D2、D3、D4)，第一、第二、第三、第四大功率开关晶体管(Q1、Q2、Q3、Q4)的并联第一、第二、第三、第四电容(C1、C2、C3、C4)、谐振电感(Lr)、漏感(L1k)、高频变压器(T)组成；超前臂的中点依次通过谐振电感(Lr)和变压器漏感(L1k)连接高频变压器的原边绕组(N1)后连接滞后臂的中点，高频变压器的副边绕组(N2)连接全桥整流电路后再连接输出滤波电感(Lf)；其特征是：还包括电流传感器(SE)和控制电路，在所述谐振电感前端(Lr)与超前臂之间串接电流传感器(SE)或高频变压器副边绕组(N2)与漏感(L1k)之间串接电流传感器(SE)，电流传感器(SE)的输出端接控制电路的输入端，控制电路的输出端接弧焊电源主电路的控制端。

2.一种如权利要求1所述的全桥逆变与单端正激逆变切换式弧焊电源的控制方法，其特征在于包括以下步骤：

201、设置基准电压信号；

202、采用电流传感器(SE)进行电流采样，电流采样信号与基准电压信号通过采样比较单元(1)进行比较；

203、当电流采样信号高于基准电压信号时，采用电子开关单元(2)控制全桥移相电路的第一、第二、第三、第四大功率开关晶体管(Q1、Q2、Q3、Q4)正常导通，弧焊电源主电路工作于全桥移相谐振式工作模式；

204、当电流采样信号低于基准电压信号时，采用电子开关单元(2)切断两路PWM控制信号，全桥移相电路的第一、第二、第三、第四大功率开关晶体管(Q1、Q2、Q3、Q4)只有两只正常导通，弧焊电源主电路的工作模式由全桥移相谐振式切换为双管单端正激工作模式。

3.根据权利要求1所述的全桥逆变与单端正激逆变切换式弧焊电源，其特征在于所述控制电路由采样比较单元(1)串接电子开关单元(2)构成，采样比较单元(1)接电流传感器(SE)的输出端，电子开关单元(2)接第一、第二、 第三、第四大功率开关晶体管(Q1、Q2、Q3、Q4)。

4.根据权利要求3所述的全桥逆变与单端正激逆变切换式弧焊电源，其特征在于：所述的采样比较单元(1)由比较器U1A、电阻R1和R2、可调电阻VR1构成，其中比较器U1A的3脚串接电阻R1后接可调电阻VR1的中间抽头，比较器U1A的2脚串接电阻R2后接电流传感器(SE)的输出端，比较器U1A的4脚和可调电阻VR1一端接+15V直流电源，比较器U1A的11脚连接-15V直流电源，可调电阻VR1的另一端接地，比较器U1A的1脚接电子开关单元(2)的输入端。

5.根据权利要求4所述的全桥逆变与单端正激逆变切换式弧焊电源，其特征在于：所述的电子开关单元(2)由电子开关U2A和U2B构成，电子开关U2A的11脚和U2B的10脚分别接采样比较单元(1)的输出端，电子开关U2A的6脚、7脚和8脚与地相连；电子开关U2A的16脚与+15V相连；电子开关U2A的12脚与PWM控制信号A相连；电子开关U2A的14脚与大功率开关晶体管Q2相连；电子开关U2B的2脚与PWM控制信号B相连；电子开关U2B的15脚与大功率开关晶体管Q3相连。

6.根据权利要求5所述的全桥逆变与单端正激逆变切换式弧焊电源，其特征在于：所述比较器U1A型号为LM324。

7.根据权利要求6所述的全桥逆变与单端正激逆变切换式弧焊电源，其特征在于：所述电子开关U2A和U2B型号为CD4053。 

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