CN101972881A - 一种非对称半桥零电压软开关逆变式焊割机 - Google Patents

Abstract

本发明一种非对称半桥零电压软开关逆变式焊割机包括：输入滤波电路、一次侧整流滤波电路、非对称半桥软开关逆变电路、隔离变压电路和二次侧整流滤波电路以及主控制板电路；非对称半桥软开关逆变电路包括：第一、第二绝缘栅场效应电力开关器件组成的主逆变电路半桥，第一、第二驱动电阻，第一谐振电容，第二谐振电容，饱和电感，隔直电容，所述主逆变电路半桥桥臂的中点通过所述隔直电容与所述中频变压器连接；所述饱和电感，与第一、第二谐振电容中频变压器的漏电感组成软开关谐振电路。该种非对称半桥零电压软开关逆变式焊割机结构简单、实施成本较低、开关电压应力和电流应力都大为减小。

Description

一种非对称半桥零电压软开关逆变式焊割机 

技术领域

本发明涉及的是逆变电焊机领域，尤其是一种具有非对称半桥软开关结构的逆变式焊割机。

背景技术

目前高频化已成为逆变式焊割电源的重要特点，高频化可以使逆变式焊割电源具有更高的功率密度，更加节约铜材、钢材、铝材等有色金属的用量，使电源结构更加牢固可靠；而且响应能力更加快速，电流、电压控制精度更高。

但由于电力电子开关器件的开关损耗与逆变频率成正比，频率越高，器件和电路的损耗就越大，逆变器的效率就越低。所以，一般采用硬开关逆变方式的普通逆变式焊割电源的焊割性能和能效比就显得非常不足了，存在以下缺点：

1.逆变器的电力开关器件电压、电流应力很大，很容易失效和被损坏。

开通和关断时在逆变器的电力开关器件上有很大的电压、电流重叠期间，此期间，电力开关器件工作在线性区，使得开通和关断期间产生很大的功率损耗，开关器件发热严重，极易因过热而损坏。为降低电力开关器件的工作温度以提高其可靠性，必须设计庞大而复杂的散热降温系统。

逆变器的开关器件在开通和关断时有很高的电压变化率和电流变化率，这样会产生很强的电磁干扰，使得电磁干扰的防护变得很困难，EMC器件庞大而复杂，成本高。

普通逆变式焊割电源的逆变频率不能过高，一般只能在不高于20KHz的范围内，故其功率密度不大，铜材、钢材、铝材等有色金属的用量也大，同时，由于逆变频率不够高，动态响应速度不够快，控制精度高不够高，大大限制了其自动化、精细化方面的运用。

因此，高频化的软开关逆变电源技术的运用就成为必然。

要摒除硬开关逆变焊割机的这些缺点，必须采用软开关逆变器，业内也有采用移相全桥的软开关逆变电源技术的逆变式焊割机；如中国发明专利公开号“CN101618472”名称为“一种软开关逆变电焊机”的专利公开了一种包含软开关的逆变电焊机、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。

该种移相全桥的软开关结构能基本摒除上述3个缺点，但是却会产生以下的不足：

1.移相全桥的软开关逆变电路很难在空载﹑轻载和短路情况下满足软开关的条件。

有固有的环流需要抑制，为此PWM电路会损失占空比，为满足输出电压的要求，往往提高逆变变压器的变比，这样就加重了逆变开关器件的电流应力。

需要四组载流能力和耐压都相同的电力开关半导体器件，器件成本相对较高。

发明内容

针对以上问题，本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种结构简单、实施成本较低、开关电压应力和电流应力都大为减小的非对称半桥零电压软开关逆变式焊割机，

为达到以上目的本发明的技术方案：

一种非对称半桥零电压软开关逆变式焊割机，包括按照电流流向方向而顺序连接的：输入滤波电路、一次侧整流滤波电路、非对称半桥软开关逆变电路、隔离变压电路和二次侧整流滤波电路以及主控制板电路，主控制板电路既和二次整流滤波电路连通又和非对称半桥软开关逆变电路连接；

其中，所述隔离变压电路包括具有一次侧绕组和二次侧绕组的中频变压器；

所述非对称半桥软开关逆变电路包括：顺向串接的第一、第二绝缘栅场效应电力开关器件组成的主逆变电路半桥，与所述第一、第二绝缘栅场效应电力开关器件的栅极分别单独串接的第一、第二驱动电阻，连接在第一绝缘栅场效应电力开关器件两极之间的第一谐振电容，连接在第二绝缘栅场效应电力开关器件两极之间的第二谐振电容，饱和电感，隔直电容，所述主逆变电路半桥桥臂的中点通过所述隔直电容与所述中频变压器连接；所述饱和电感，与第一、第二谐振电容，中频变压器的漏电感组成软开关谐振电路。

采用该种结构实现了主开关第一、第二绝缘栅场效应电力开关器件的软开关功能，达到了减小主开关电压电流应力，减小了引起电磁干扰的开关时的电压电流变化率，减小了主开关器件因开关损耗带来的发热热量。同时可以以保证主开关器件零电压导通，零电压关断，隔直电容电容，其容量足够大，以至于第一、第二绝缘栅场效应电力开关器件每次导通隔直电容电容上的电压基本维持不变，开关只承受很小的开关电压、电流应力，引起电磁干扰和因开关损耗带来的发热热量都很小。

附图说明

图1.本发明所述非对称半桥零电压软开关逆变式焊割机的实施例中的电路原理方框图；

图2.本发明所述非对称半桥零电压软开关逆变式焊割机的实施例中的主回路的电路原理图。

图3.本发明所述非对称半桥零电压软开关逆变式焊割机的实施例中的主控板的电路原理图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行本实施例中详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

请参阅图1至图2，本发明非对称半桥零电压软开关逆变式焊割机，一种非对称半桥零电压软开关逆变式焊割机，包括按照电流流向方向而顺序连接的：输入滤波电路1、一次侧整流滤波电路2、非对称半桥软开关逆变电路3、隔离变压电路4和二次侧整流滤波电路5以及主控制板电路5，主控制板电路既和二次整流滤波电路连通又和非对称半桥软开关逆变电路连接；

其中，所述，隔离变压电路4包括具有一次侧绕组和二次侧绕组的中频变压器T1；

所述非对称半桥软开关逆变电路包括：顺向串接的第一、第二绝缘栅场效应电力开关器件Q1、Q2组成的主逆变电路半桥，与所述第一、第二绝缘栅场效应电力开关器件Q1、Q2的栅极分别单独串接的第一、第二驱动电阻R26、R27，连接在第一绝缘栅场效应电力开关器件Q1两极之间的第一谐振电容C36，连接在第二绝缘栅场效应电力开关器件Q2两极之间的第二谐振电容C37，饱和电感L2，隔直电容C40，所述主逆变电路半桥桥臂的中点A通过所述隔直电容C40与所述中频变压器T1连接；所述饱和电感L2，与第一、第二谐振电容C36、C37，中频变压器T1的漏电感组成软开关谐振电路。

从插座A1输出宽度为Ton驱动脉冲信号送到绝缘栅场效应电力开关器件Q1栅极；从插座A1输出和Ton互补的Toff (Toff = T - Ton )驱动脉冲信号送到Q2栅极（其中Ton+Toff=T，T为整个脉冲周期，Ton为Q1的导通时间/Q2的关断时间，Toff为Q1的关断时间/Q2的导通时间），使得电力开关器件Q1在一个脉冲周期里导通Ton时间（小于一个周期的50%），而电力开关器件Q2则在Q1关断后的的周期剩余时间内互补导通Toff( Toff = T - Ton )时间（大于一个周期的50%），这种非对称的导通和关断，就创造了电力开关器件Q1和Q2的软开关（ZVS）工作条件。

采用该种结构实现了主开关第一、第二绝缘栅场效应电力开关器件Q1、Q2的软开关功能，达到了减小主开关电压电流应力，减小了引起电磁干扰的开关时的电压电流变化率，减小了主开关器件因开关损耗带来的发热热量。同时可以以保证主开关器件Q1、Q2零电压导通，零电压关断，隔直电容电容C40，其容量足够大，以至于第一、第二绝缘栅场效应电力开关器件Q1和Q2的每次导通隔直电容电容C40上的电压基本维持不变，开关只承受很小的开关电压、电流应力，引起电磁干扰和因开关损耗带来的发热热量都很小。

本具体实施方式中，所述输入滤波电路1由电源开关S1，与该电源开关S1连接的共模滤波电感L1，分别连接在该共模滤波电感L1两端的第一、第二差模滤波电容C27和C28，分别连接在第一差模滤波电容C27两端的第一、第二共模滤波电容C29、C30和分别连接在第二差模滤波电容C28两端的第三、第四共模滤波电容C31、C32。

电网干扰信号通过上述滤波器的滤除，使得本焊割机免受外界电磁干扰，提高稳定性；同样，本焊割机产生的干扰信号会也会被上述滤波器滤除，使得本焊割不会对外界产生电磁干扰，提高其他设备的稳定性。

本具体实施方式中，所述的一次侧整流滤波电路2包括：与所述共模滤波第一电感L1连接的整流桥BR1，和与该整流桥BR1并联的第一、第二滤波电容C34、C35。

送入机内的交流电压、电流通过整流桥BR1整流成直流电压、电流，经过电容C34、C35滤波后送非对称半桥软开关逆变电路3。

电阻R25为电流泄放电阻，其作用是在关机的情况下，泄放掉电容C34、C35的电荷以保证安全。

本具体实施方式中，所述的隔离变压电路4包括：具有一次侧绕组和二次侧绕组的中频变压器T1，中频变压器T1一次侧绕组的一头经过饱和电感L2接直流母线的负端，另一头经过隔直电容C40后接主逆变电路半桥桥臂中点A，二次侧接到二次侧整流滤波电路上。一次侧绕组和二次绕组是通过绝缘材料安全绝缘的。

本具体实施方式中，所述的二次侧整流滤波电路5包括：与所述中频变压器T1二次侧绕组连接的第一、第二快恢复整流二极管D13、D14，与该第一、第二快恢复整流二极管D13、D14连接的滤波电感L3，串接在第一快恢复整流二极管D13两端的第一阻容吸收电阻R28和第一阻容吸收电容C38，以及串接在第二恢复整流二极管D14两端的第二阻容吸收电阻R29和第二阻容吸收电容C39。

本具体实施方式中，所述主控制电路6包括按照电流流向方向而顺序连接的：电流反馈、PWM脉宽调制电路、定宽互补脉冲信号电路和隔离驱动电路。

参见图2，绝缘栅场效应电力开关器件Q1和Q2顺向串接成半桥结构，从插座A1输出宽度为Ton驱动脉冲信号送到绝缘栅场效应电力开关器件Q1栅极；从插座A1输出和Ton互补的Toff(T-Ton)驱动脉冲信号送到Q2栅极。使得电力开关器件Q1在一个脉冲周期里导通Ton时间（小于一个周期的50%），而电力开关器件Q2则在Q1关断后的本周期剩余时间内互补导通Toff(T-Ton)时间（大于一个周期的50%），这种非对称的导通和关断，就为电力开关器件Q1和Q2的软开关（ZVS）的提供了必要的开关时序工作条件。C36和C37为谐振电容，与饱和电感L2一起，配合电力开关器件Q1和Q2的互补通断时序，为电力开关器件Q1和Q2零电压开通和零电压关断创造条件。T1为隔离变压器，T3为一次侧电流互感器，L2为饱和电感，L3为二次侧滤波电感。

电路工作原理如下述：

假设电路工作时电力开关器件Q1先导通，电流会沿着“+”→“Q1”→“A”→“C40”→“T1一次侧”→“L2”→“-”。变压器T1将电能传送到二次侧，二次侧整流二极管D13导通，电感L3储能，电路为负载供电。电力开关器件Q1开通时刻，由于饱和电感L2的作用，流过饱和电感L2和电力开关器件Q1的电流会从零开始线性上升。电力开关器件Q1开通后，A点电位就等于母线正电位，电流为隔直电容C40充电，由于C40容量足够大，所以在整个充电过程中，C40上的电压基本不变。

一段时间后电力开关器件Q1PWM关断，由于二次侧电感L3中电流不能突变，映射到隔离变压器T1一次侧的电流也不能突变，于是电流改变路径为“A”→“C40”→“T1一次侧”→“L2”→“-”。这个过程会对电容器C36充电，电容C36端电压从零线性上升；这个过程也会对电容器C37放电，电容C37端电压从母线电压Ui线性下降，故电力开关器件Q1关断时其端电压从零开始线性上升，属于零电压关断。当电容C36端电压从零线性上升到母线电压，电容C37端电压从母线电压Ui线性下降到零时，二次侧整流二极管D13电流逐步分流到整流二极管D14上，二次侧整流二极管D13和D14将同时导通，变压器一次侧和二次侧都等效于短路；同时一次侧电流改变路径，将沿着“-”→“Q2体内二极管”→“C40”→“T1一次侧”→“L2”→“-”流动并且很快衰减到零。这时电力开关器件Q2互补导通。Q2导通时刻，其端电压为零，故电力开关器件Q2的开通属于零电压开通。

电力开关器件Q2开通后，隔直电容C40上存储的电压加到饱和电感L2和隔离变压器T1的一次侧，电流流动路径为：“C40正端”→“A”→“Q2”→“L2”→“T1一次侧”→“C40负端”。变压器T1将电能传送到二次侧，二次侧整流二极管D14导通，电感L3储能，电路为负载供电。周期结束时，电力开关器件Q2关断，由于二次侧电感L3电流不能突变，映射到隔离变压器T1一次侧的电流也不能突变，电流改变路径为“-”→“L2”→“T1一次侧”→“C40”→“A”。这个过程会对电容器C37充电，电容C37端电压从零线性上升；这个过程也会对电容器C36放电，电容C36端电压从母线电压Ui线性下降，故电力开关器件Q2关断时其端电压从零开始线性上升，属于零电压关断。当电容C37端电压从零线性上升到母线电压，电容C36端电压从母线电压Ui线性下降到零。二次侧整流二极管D14电流逐步分流到整流二极管D13上，二次侧整流二极管D13和D14将同时导通，变压器一次侧和二次侧都等效于短路。此后，由于饱和电感L2和中频变压器T1的漏感等使一次侧电流再次改变路径将沿“-”→“L2”→“T1一次侧”→“C40”→“A”→“Q1体内二极管”→“+”流动并很快衰减到零。此后Q1开始下一个周期的PWM开通，此时Q1端电压为零，故Q1的开通属于零电压开通。

如此周而复始，就实现了非对称半桥ZVS软开关逆变功能。可以看出，两组电力开关器件都工作于零电压开通、零电压关断的状态，实现了电力开关器件的软开关功能，达到了减小电力开关器件电压应力，减小了引起电磁干扰的开关时的电压变化率，减小了电力开关器件因开关损耗带来的发热热量。使得焊割电源即使在较高频率下，电力开关器件也只承受很小的开关电压电流应力，只有很小的电磁干扰和开关损耗带来的发热热量。

参见图3，U1为一电流型PWM集成电路，其1脚为软启动端，外接分压电阻R1、R9和电容C6组成软启动定时电路；2脚为5.1V内部基准稳压电源，C8为其退藕电容；3脚和12脚接电源地；4脚为一次侧脉冲电流信号输入端；5脚为误差信号电压输入端，5脚6脚和7脚内部为一运放电路，5脚为该运放输入同相端，6脚为该运放电路反相端，7脚为该运放输出端，6脚7脚相连，内部运放接成了以5脚为输入端的射极跟随器；8脚外接电容C9为PWM定频电容；9脚外接电阻R11为PWM定频电阻；10脚为同步信号输出端；11脚和14脚为PWM脉冲信号的两个反相位输出端，我们只取出其中14脚的PWM脉冲信号；13脚和15脚为电源供电端，C10为其退藕电容；16脚为脉冲关断端。从14脚输的PWM脉冲信号一路送到由集成电路U3A、U3B和电阻R7二极管D2电容C12等组成的PWM脉冲开通延时电路，经延时一个死区时间后，送到半桥驱动集成电路U4的2脚；另一路送到由集成电路U3C电阻R12二极管D5电容C11等组成的互补脉冲开通延时电路，经延时一个死区时间后倒相，形成互补脉冲驱动信号，送到半桥驱动集成电路U4的3脚。经过半桥驱动集成电路U4的隔离和电流放大后，通过插座A1送至电力开关器件Q1和Q2栅极。死区时间是根据所用的绝缘栅场效应电力开关器件的开关参数来决定和设计的，死区时间一般应略大于绝缘栅场效应电力开关器件在最高工作温度运行时的开通时间和关断时间的总和。

这两组驱动脉冲信号使得电力开关器件Q1 PWM开通关断， Q2互补开通关断。这样，就为实现非对称半桥ZVS软开关提供了合符时序的驱动脉冲信号。

由于电力开关器件的导通时间不等，造成隔离变压器T1一次侧会有直流分量流过，因此，本非对称半桥ZVS软开关逆变式焊割电源的隔离变压器T1，必须开有足够的磁路气隙。

焊割电流给定和反馈，PWM调节和焊割电流显示：

由电位器RT1、RT2 、RT3（参见图2）组成焊割电流给定路。其中，电位器RT3的滑动

点给出正的给定信号电压，通过电位器RT1送到误差比较点E点。分流器FL1（参见图2）上采集的数值为负的电流反馈信号电压经电容C27高频滤波后通过电阻R24也送到误差比较点E点。该误差信号经由集成电路U2C，电阻R19、R20电容C17、C19和二极管D8、ZD3等组成的误差放大器放大调节后送到集成电路U1的5脚。

另外，一次侧的电流脉冲信号通过互感器T3（参见图2）采集后，由D6整流，C20高频滤波，在采样电阻R21上取得幅度和一次侧脉冲电流幅度成正比的脉冲电压信号，该信号一路经电阻R5、R6和电容C4组成的阻容网络后送到集成电路U1的16脚作过流关断信号；另一路经电阻R10、R16、R17、R18和电容C18组成的阻容网络后送到集成电路U1的4脚，在4脚和锯齿波补偿信号合成后在集成电路U1的内部和集成电路U1的5脚送来的误差信号比较，生成PWM脉冲，通过集成电路U1内部电路锁相、分频后分别从其11脚和14脚输出互补的PWM信号。集成电路U1的8脚输出的锯齿波经过集成电路U2B射极跟随放大后，经过由电阻R8、R15和电容C7、C16组成的阻容网络后作为补偿用锯齿波信号。

由电阻R22、R23和电容C21以及DGM1（参见图2）组成焊割电流数字显示电路。

欠压，过流和过热保护功能的实现

由集成电路U2A及电阻R2、R3组成欠压保护电路，当电网电压过低使得控制电路板+15V

电压不足时，集成电路U1会输出高电位，通过二极管D1导向，电容C3滤除干扰后通过电阻R4送至集成电路U1的16脚，使得集成电路U1关断PWM输出。

当一次侧电流超过设定值，经互感器T3（参见图2）检出，整流二极管D6整流，电容C20滤波后，在采样电阻R21上取得过流信号，经R5、R6分压，C4滤波后送至集成电路U1的16脚，关断PWM输出。

当某种原因使得逆变器的电力开关器件温度过高，则安装在电力开关器件散热器上的温度继电器TS1（参见图2）会断开（正常时为常闭状态），电位器RT3（参见图2）+5V电压端失去电压，电流给定电压为零，焊割电源停止输出电流，直到温度降低为止。

由整流二极管D9、D10、D11、D12滤波电容C22、C23、C24、C25、C26三端集成稳压电路U5、U6、U7等组成稳压电源电路，为整个主控制板和焊割电流数显表供电，工频交流变压器T2（参见图2）为整个控制板电路的供电变压器。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

  

Claims (5)

1.一种非对称半桥零电压软开关逆变式焊割机，包括按照电流流向方向而顺序连接的：输入滤波电路、一次侧整流滤波电路、非对称半桥软开关逆变电路、隔离变压电路和二次侧整流滤波电路以及主控制板电路，主控制板电路既和二次整流滤波电路连通又和非对称半桥软开关逆变电路连接；

其特征在于，所述隔离变压电路包括具有一次侧绕组和二次侧绕组的中频变压器； 

所述非对称半桥软开关逆变电路包括：顺向串接的第一、第二绝缘栅场效应电力开关器件组成的主逆变电路半桥，与所述第一、第二绝缘栅场效应电力开关器件的栅极分别单独串接的第一、第二驱动电阻，连接在第一绝缘栅场效应电力开关器件两极之间的第一谐振电容，连接在第二绝缘栅场效应电力开关器件两极之间的第二谐振电容，饱和电感，隔直电容，所述主逆变电路半桥桥臂的中点通过所述隔直电容与所述中频变压器连接；所述饱和电感，与第一、第二谐振电容，中频变压器的漏电感组成软开关谐振电路。

2.根据权利要求1所述的非对称半桥零电压软开关逆变式焊割机，其特征在于，所述输入滤波电路由电源开关，与该电源开关连接的共模滤波电感，分别连接在该共模滤波电感两端的第一、第二差模滤波电容，分别连接在第一差模滤波电容两端的第一、第二共模滤波电容和分别连接在第二差模滤波电容两端的第三、第四共模滤波电容。

3.根据权利要求2所述的非对称半桥零电压软开关逆变式焊割机，其特征在于，所述的一次侧整流滤波电路包括：与所述共模滤波第一电感连接的整流桥，和与该整流桥并联的第一、第二滤波电容。

4.根据权利要求3所述的非对称半桥零电压软开关逆变式焊割机，其特征在于，所述的二次侧整流滤波电路：包括与所述中频变压器二次侧绕组连接的第一、第二快恢复整流二极管，与该第一、第二快恢复整流二极管连接的滤波电感，串接在第一快恢复整流二极管两端的第一阻容吸收电阻和第一阻容吸收电容，以及串接在第二恢复整流二极管两端的第二阻容吸收电阻和第二阻容吸收电容。

5.如权利要求4所述的非对称半桥零电压软开关逆变式焊割机，其特征在于，所述主控制电路包括按照电流流向方向而顺序连接的：电流反馈电路、PWM脉宽调制电路、定宽互补脉冲信号电路和隔离驱动电路。

Images