CN101856769A

CN101856769A - 等离子弧切焊电源

Info

Publication number: CN101856769A
Application number: CN200910049051A
Authority: CN
Inventors: 周英宝; 吴跃飞; 程李
Original assignee: SHANGHAI BOBAO QIANHE TECHNOLOGY Co Ltd
Current assignee: SHANGHAI BOBAO QIANHE TECHNOLOGY Co Ltd
Priority date: 2009-04-09
Filing date: 2009-04-09
Publication date: 2010-10-13

Abstract

一种等离子弧切焊电源，采用移相式脉宽调制(PWM)全桥逆变技术，实现了全桥绝缘栅极型功率管(IGBT)的软开关，降低了IGBT开关损耗，提高了电源的效率及功率因数。其包括：整流器，接收外界交流电，对其整流后输出；滤波器，对整流器的输出进行滤波，输出直流电；全桥逆变器，将滤波器输出的直流电转换为高频交流电；高频变压器，连接于全桥逆变器，将所述高频交流电转化为两路高频、高压交流电；第一、第二全桥整流滤波电路，分别对所述两路高频、高压交流电进行整流滤波，得到第一、第二直流输出信号；第一、第二绝缘栅极型功率管开关，分别控制所述第一、第二直流输出信号的导通与截止。

Description

等离子弧切焊电源

技术领域

本发明涉及等离子弧切焊领域，特别是涉及一种等离子弧切焊电源结构。

背景技术

等离子是一种特殊的物质状态，现代物理学上把它列为第四态。由于等离子具有较好的导电能力，可承受很大的电流密度和较强的电场与磁场作用，其被广泛应用于钢铁、化工及机械工程等工业领域。

等离子弧切焊便是等离子在以上领域的一种重要应用。通常，气体由电弧加热产生离解，在高速通过水冷喷嘴时受到压缩，增大能量密度和离解度，形成等离子弧。而等离子弧的稳定性、发热量和温度都高于一般电弧，因而具有较大的熔透力和焊接速度，常常用来熔化金属和非金属，进而达到焊接和切割的目的。例如，采用焊嘴，使得熔化了的金属生成熔池，实现金属的焊接；采用割嘴，使得熔化了的金属和非金属在气流作用下形成割缝，达到切割的目的。

焊接电源作为等离子弧切焊设备的供电设备，其性能的好坏直接决定了焊接设备的性能。目前，焊接电源包括硅整流电源和逆变电源：其中硅整流电源存在体积大、耗材多、效率低以及可控性差等局限性；而逆变电源在硬开关控制方式下，功率开关器件在开关瞬间承受的电流应力和电压应力很大，同时也产生很大的开关损耗，且损耗随着功率的提高而增大。为了功率开关器的安全运行，不得不附加多种保护电路。这些电路的寄生电感和功率器件的寄生电容在高频时产生严重的电压尖峰和浪涌电流，一般需加缓冲电路，这样不仅使得电路复杂，降低整机的可靠性，同时将功率开关管上的开关损耗转移到缓冲电路，而缓冲电路也消耗能量，频率越高损耗越大，降低了整机的效率。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是减少切弧焊设备电源整机的体积和重量，提高电源效率和功率因数，提高其节能效果。

为解决以上技术问题，本发明提供一种等离子弧切焊电源，包括：整流器，接收外界交流电，对其整流后输出；滤波器，对所述整流器的输出进行滤波，输出直流电；全桥逆变器，将滤波器输出的直流电转换为高频交流电；高频变压器，连接于所述全桥逆变器，将所述高频交流电转化为两路高频、高压交流电；第一全桥整流滤波电路与第二全桥整流滤波电路，分别对所述两路高频、高压交流电进行整流滤波，得到第一直流输出信号与第二直流输出信号；第一绝缘栅极型功率管开关与第二绝缘栅极型功率管开关，分别控制所述第一直流输出信号与第二直流输出信号的导通与截止。

进一步而言，所述第一绝缘栅极型功率管开关与第二绝缘栅极型功率管开关互补导通。

进一步而言，所述的等离子弧切焊电源还包括：微处理单元，对主回路的第一直流输出信号或第二直流输出信号进行采样，得到反馈值，并将该反馈值与一预定值进行运算，得到相应的第一绝缘栅极型功率管开关或第二绝缘栅极型功率管开关的导通时间，并根据该导通时间控制第一绝缘栅极型功率管开关或第二绝缘栅极型功率管开关的开闭。

进一步而言，所述微处理单元通过第一隔离驱动单元控制所述第一绝缘栅极型功率管开关或第二绝缘栅极型功率管开关的开闭。

进一步而言，所述全桥逆变器包括四个绝缘栅极型功率管开关，且其中两个组成超前桥臂，两外两个组成滞后桥臂。

进一步而言，所述的等离子弧切焊电源还包括：脉宽调制单元和第二隔离驱动单元，其中所述微处理单元控制所述脉宽调制单元产生脉冲信号，该脉冲信号通过第二隔离驱动单元提供给所述全桥逆变器，以控制所述四个绝缘栅极型功率管开关的导通与截止。

进一步而言，所述的等离子弧切焊电源还包括：用户界面，连接于所述微处理单元，供用户输入所述预定值。

进一步而言，所述用户界面显示焊接信息。

进一步而言，所述用户界面供用户选择焊接模式。

本发明还提供一种等离子弧切焊电源，包括：主回路，其包括：整流器，接收外界交流电，对其整流后输出；滤波器，对所述整流器的输出进行滤波，输出直流电；全桥逆变器，将滤波器输出的直流电转换为高频交流电，其包括四个绝缘栅极型功率管开关，且其中两个组成超前桥臂，两外两个组成滞后桥臂；高频变压器，连接于所述全桥逆变器，将所述高频交流电转化为两路高频、高压交流电；第一全桥整流滤波电路与第二全桥整流滤波电路，分别对所述两路高频、高压交流电进行整流滤波，得到第一直流输出信号与第二直流输出信号；第一绝缘栅极型功率管开关与第二绝缘栅极型功率管开关，分别控制所述第一直流输出信号与第二直流输出信号的导通与截止；微处理单元；第一隔离驱动单元，连接于所述微处理单元与所述第一绝缘栅极型功率管开关、第二绝缘栅极型功率管开关之间；脉宽调制单元和第二隔离驱动单元，依次连接于所述微处理单元和所述全桥逆变器之间，其中：微处理单元对主回路的第一直流输出信号或第二直流输出信号进行采样，得到反馈值，并将该反馈值与一预定值进行运算，得到相应的第一绝缘栅极型功率管开关或第二绝缘栅极型功率管开关的导通时间信号，并根据该导通时间信号通过第一隔离驱动单元控制所述第一绝缘栅极型功率管开关或第二绝缘栅极型功率管开关的开闭；微处理单元控制所述脉宽调制单元产生脉冲信号，该脉冲信号通过第二隔离驱动单元提供给所述全桥逆变器，以控制所述四个绝缘栅极型功率管开关的导通与截止。

综上所述，本发明采用移相式脉宽调制(PWM)全桥逆变技术，实现了全桥绝缘栅极型功率管(IGBT)的软开关，降低了IGBT开关损耗，减小了主变压器及电抗器体积，从而减小了电源整机的体积和重量，大大降低了铜铁损，提高了电源的效率及功率因数，使节能效果非常显著。

附图说明

图1为本发明一较佳实施例所提供的等离子弧切焊电源的结构框图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的具体实施方式作进一步的说明。

请参考图1，其为本发明一较佳实施例所提供的等离子弧焊电源的结构框图。如图，该等离子弧切焊电源包括主回路10、微处理单元(MCU)20、第一隔离驱动单元30、脉宽调制(PWM)单元40和第二隔离驱动单元50。详细来说，主回路10包括整流器11、滤波器12、全桥(H桥)逆变器13、高频变压器14、第一全桥整流滤波电路151与第二全桥整流滤波电路152、第一绝缘栅极型功率管(IGBT)开关161与第二绝缘栅极型功率管(IGBT)开关162。整流器11接收外界交流电，对其整流后输出；通常所使用的外界交流电就是常用的220V交流市电。滤波器12对整流器11的输出进行滤波，输出直流电；全桥逆变器13将滤波器12输出的直流电转换为高频交流电；通常全桥逆变器13包括四个IGBT开关，且其中两个组成超前桥臂，两外两个组成滞后桥臂(由于此为本领域技术人员所熟知，在此不再图中显示)。高频变压器14连接于全桥逆变器13，将其输出的高频交流电转化为两路高频、高压交流电；第一全桥整流滤波电路151与第二全桥整流滤波电路152，分别对两路高频、高压交流电进行整流滤波，得到第一直流输出信号与第二直流输出信号；第一IGBT开关161与第二IGBT开关162，分别控制第一直流输出信号与第二直流输出信号的导通与截止。第一隔离驱动单元30连接于微处理单元20与第一IGBT开关161、第二IGBT开关162之间；脉宽调制单元40和第二隔离驱动单元50，依次连接于微处理单元20和全桥逆变器13之间，其中：微处理单元20对主回路10的第一直流输出信号或第二直流输出信号进行采样，得到反馈值，并将该反馈值与一预定值进行运算，得到相应的第一IGBT开关161或第二IGBT开关162的导通时间，并根据该导通时间信号通过第一隔离驱动单元30控制第一IGBT开关161或第二IGBT开关162的开闭；且微处理单元20控制脉宽调制单元40产生脉冲信号，该脉冲信号通过第二隔离驱动单元50提供给全桥逆变器13，以控制其四个IGBT开关的导通与截止。通常，在微处理单元20与脉宽调制单元40之间具有隔离单元，以保证设备性能。在本实施例中，微处理单元20通过反馈回路60来实现对主回路10的采样，该反馈回路实现电流反馈，且具有反馈系数F/V，且为了保证设备性能也于其中设置了隔离单元。

以上主回路中，交流电经过整流和电容滤波得到直流电，经过全桥逆变器13、高频变压器14和高频整流桥(即全桥整流滤波电路151和152)、输出滤波电感已包含在151和152中，最后输出所需要的直流电流或电压，供给喷枪，产生等离子弧(171表示的是喷枪阴极和喷嘴之间的等离子电弧，172表示的是喷枪阴极和工件之间的等离子电弧)，对工件切割或焊接。在本发明中，主回路10为双回路结构，其工作原理如下：

H桥逆变器13产生的高频交流电经通过高频变压器14输出两路高频、高压交流电，再由两个高频全桥整流滤波电路151和152整流滤波后输出两路直流电，通过两只IGBT开关管161和162分别接喷枪的喷嘴和工件(大地)。通常第一IGBT开关管161和第二IGBT开关管162互补导通，可以通过控制它们的驱动信号互补来实现。如此，当第一IGBT开关管161导通时，第二IGBT开关162管关断，而第二IGBT开关管162导通时，第一IGBT开关管161关断；由于微处理单元20的存在，第一IGBT开关管161和第二IGBT开关管162的切换可以通过机器自动控制。

另外，该弧焊电源还可以包括用户界面70，其连接于微处理单元20，且有两种工作模式供用户选择。这两种工作模式为等离子弧常见的两种工作模式：一种是“非转移弧”，电弧由辅助电路高频引弧后，电弧在钨极与喷嘴之间燃烧，主要用于等离子喷涂和加热非导电材料；另一种是“转移弧”，当喷枪靠近金属工件时，电弧自动发生转移，电弧燃烧在钨极与工件之间，主要用于金属工件的焊接和切割。且当第一IGBT开关管161导通、第二IGBT开关管162关断时，喷枪阴极和喷枪喷嘴(阳极)之间形成电弧，即非转移弧；当第二IGBT开关管162导通，第一IGBT开关管161关断时，喷枪阴极和工件(阳极)之间形成电弧，即转移弧。如此，通过选择非转移弧或转移弧工作模式，以及选择不同规格的喷嘴，可方便实现切割和焊接不同材质和厚度的工件。另外，用户可以通过用户界面70选择工作模式，例如，模式II关闭第二IGBT开关管162，使之不能被开启。这样，焊接设备便可以设定工作在非转移弧的模式下。

以微处理单元20为核心，实质上构成一个控制电路，以控制主回路10的输出电流或电压。经过采样、A/D转换，由微处理单元20读取反馈值。电流或电压的预定值可由用户通过用户界面70输入，微处理单元20则根据电流或电压的预定值和反馈值进行运算，得到相应的IGBT开关管161或162的导通时间，产生PWM脉冲。另外，微处理单元20还可以通过用户界面70显示切焊信息，例如电流或电压的反馈值以及切焊中的过流、过热、欠压等信号。

脉宽调制单元40是靠改变脉冲宽度来控制H桥逆变器13中的IGBT开关管的导通时间，从而调节输出电压，改变输出功率。与中间直流环节无关，因而加快了调节速度，改善了动态性能。由于输出等幅脉冲只需恒定直流电源供电，可用不可控整流器取代相控整流器，使电网侧的功率因数大大改善。现有技术中，利用PWM逆变器能够抑制或消除谐波，加上使用自关断器件，开关频率大幅度提高，然而开关频率的提高导致开关损耗增加，降低了设备效率，且不得不增加散热面积，从而增加设备体积和重量。本实施例采用移相式PWM控制，通过改变脉冲驱动信号的上升时刻和下降时刻(即IGBT的导通时刻和关断时刻)，实现IGBT的零电压零电流软开关(即ZVZCS)，降低IGBT的开关损耗。

而第一隔离驱动单元30往往由隔离变压器构成，其通过隔离变压器把脉冲驱动信号送至IGBT开关管161和162的GE极，控制IGBT的通断，同时实现控制电路与主回路的电气隔离，保证设备安全可靠运行。

虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明，任何熟习此技术者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的更动与润饰，因此本发明的保护范围当视权利要求书所界定者为准。

Claims

1.一种等离子弧切焊电源，其特征是，包括：

整流器，接收外界交流电，对其整流后输出；

滤波器，对所述整流器的输出进行滤波，输出直流电；

全桥逆变器，将滤波器输出的直流电转换为高频交流电；

高频变压器，连接于所述全桥逆变器，将所述高频交流电转化为两路高频、高压交流电；

第一全桥整流滤波电路与第二全桥整流滤波电路，分别对所述两路高频、高压交流电进行整流滤波，得到第一直流输出信号与第二直流输出信号；

第一绝缘栅极型功率管开关与第二绝缘栅极型功率管开关，分别控制所述第一直流输出信号与第二直流输出信号的导通与截止。

2.根据权利要求1所述的等离子弧切焊电源，其特征是，其中所述第一绝缘栅极型功率管开关与第二绝缘栅极型功率管开关互补导通。

3.根据权利要求1所述的等离子弧切焊电源，其特征是，还包括：

微处理单元，对主回路的第一直流输出信号或第二直流输出信号进行采样，得到反馈值，并将该反馈值与一预定值进行运算，得到相应的第一绝缘栅极型功率管开关或第二绝缘栅极型功率管开关的导通时间信号，并根据该导通时间信号控制第一绝缘栅极型功率管开关或第二绝缘栅极型功率管开关的开闭。

4.根据权利要求3所述的等离子弧切焊电源，其特征是，所述微处理单元通过第一隔离驱动单元控制所述第一绝缘栅极型功率管开关或第二绝缘栅极型功率管开关的开闭。

5.根据权利要求3所述的等离子弧切焊电源，其特征是，其中所述全桥逆变器包括四个绝缘栅极型功率管开关，且其中两个组成超前桥臂，两外两个组成滞后桥臂。

6.根据权利要求5所述的等离子弧切焊电源，其特征是，还包括：

脉宽调制单元和第二隔离驱动单元，

其中所述微处理单元控制所述脉宽调制单元产生脉冲信号，该脉冲信号通过第二隔离驱动单元提供给所述全桥逆变器，以控制所述四个绝缘栅极型功率管开关的导通与截止。

7.根据权利要求3所述的等离子弧切焊电源，其特征是，还包括：

用户界面，连接于所述微处理单元，供用户输入所述预定值。

8.根据权利要求7所述的等离子弧切焊电源，其特征是，所述用户界面显示焊接信息。

9.根据权利要求7所述的等离子弧切焊电源，其特征是，所述用户界面供用户选择焊接模式。

10.一种等离子弧切焊电源，其特征是，包括：

主回路，其包括：

整流器，接收外界交流电，对其整流后输出；

滤波器，对所述整流器的输出进行滤波，输出直流电；

全桥逆变器，将滤波器输出的直流电转换为高频交流电，其包括四个绝缘栅极型功率管开关，且其中两个组成超前桥臂，两外两个组成滞后桥臂；

第一绝缘栅极型功率管开关与第二绝缘栅极型功率管开关，分别控制所述第一直流输出信号与第二直流输出信号的导通与截止；

微处理单元；

第一隔离驱动单元，连接于所述微处理单元与所述第一绝缘栅极型功率管开关、第二绝缘栅极型功率管开关之间；

脉宽调制单元和第二隔离驱动单元，依次连接于所述微处理单元和所述全桥逆变器之间，其中：

微处理单元对主回路的第一直流输出信号或第二直流输出信号进行采样，得到反馈值，并将该反馈值与一预定值进行运算，得到相应的第一绝缘栅极型功率管开关或第二绝缘栅极型功率管开关的导通时间信号，并根据该导通时间信号通过第一隔离驱动单元控制所述第一绝缘栅极型功率管开关或第二绝缘栅极型功率管开关的开闭；且

微处理单元控制所述脉宽调制单元产生脉冲信号，该脉冲信号通过第二隔离驱动单元提供给所述全桥逆变器，以控制所述四个绝缘栅极型功率管开关的导通与截止。