CN102158089A - 一种逆变软开关电焊机的功率变化器及无功吸收电路 - Google Patents

Abstract

本发明一种逆变软开关电焊机的功率变化器及无功吸收电路，包括按照电流流向方向与电焊机的输入滤波电路顺序连接的：全桥软开关逆变电路、隔离变压电路，其中，还包括：与该隔离变压电路连接的功率变换器，以及与隔离变压电路输出端连接的输入整流器和与该输入整流器输出端连接的负载；本发明为一种结构简单、实现逆变器在低载或者空载状态下的软开关，减少开关损耗，且可以保持系统稳定工作的逆变软开关电焊机的功率变化器及无功吸收电路。

Description

一种逆变软开关电焊机的功率变化器及无功吸收电路

技术领域

本发明涉及的是逆变电焊机领域，尤其是一种逆变电焊机使用的逆变软开关电焊机的功率变化器及无功吸收电路。

背景技术

现有现状下传统逆变电焊机主电路形式主要有三种：单端式、半桥式、全桥式；而尤以采用半桥式和全桥式作为逆变电焊机主电路为多见。

且一般电焊机主电路采用硬开关工作方式，硬开关逆变器存在开关损耗大、容性开通问题、感性关断问题及二极管反向恢复问题，可靠性低。

为实现零电压零电流必须采用软开关，目前软开关逆变电路大多采用全桥移相谐振电路，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“CN 101618472”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。

但是当负载在低载或者空载状态下，滞后桥臂会因为负载变化的影响，难以实现软开关。传统的解决方案是在逆变器原边串联一个隔直电容和饱和电感，但是当逆变器处于低载或者空载状态下开关损耗大，系统不能稳定的工作。

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、实现逆变器在低载或者空载状态下的软开关，减少开关损耗，从而保持系统稳定工作的逆变软开关电焊机的功率变化器及无功吸收电路，

为达到以上目的本发明的技术方案：

一种逆变软开关电焊机的功率变化器及无功吸收电路，包括：包括：按照电流流向方向与电焊机的输入滤波电路顺序连接的：全桥软开关逆变电路、隔离变压电路，其特征在于，还包括：与该隔离变压电路连接的功率变换器，以及与隔离变压电路输出端连接的输入整流器和与该输入整流器输出端连接的负载；

所述隔离变压电路包括具有一次侧绕组和第一、第二二次侧绕组的中频变压器；

所述全桥软开关逆变电路包括：第一、第二、第三、第四绝缘栅场效应电力开关器件组成的主逆变电路桥，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，连接在第三绝缘栅场效应电力开关器件两极之间的第二谐振电容，所述第一、第二绝缘栅场效应电力开关器件的桥臂构成滞后臂，所述第三、第四绝缘栅场效应电力开关器件的桥臂构成超前臂；所述中频变压器的一次侧绕组顺序串接有谐振电感、隔直电容，该中频变压器第一二次绕组输出逆变工作电源，该中频变压器第二二次绕组接入所述功率变换器；

所述功率变换器包括：一个初级绕组，两个次级绕组和磁芯。

进一步的，所述输入整流器包括：所述输入整流器包括：与所述中频变压器的第一二次侧绕组连接的第一、第二整流二极管，与所述功率变换器的两个次级绕组分别连接的第三、第四整流二极管。

进一步的，所述的负载包括：所述的负载包括：与所述第一整流二极管整流输出端连接的负载电阻以及与该负载电阻串接的第四电感，该第四电感的另一端与所述中频变压器的第一二次侧绕组连接。进一步的，所述的第一、第二、第三、第四绝缘栅场效应电力开关器件为绝缘栅双极型晶体管，该第一、第二、第三、第四绝缘栅双极型晶体管栅极和基极之间分别对应连接有第一、第二、第三、第四稳压二极管。

进一步的，所述的功率变换器T2为由两个UY型铁氧体磁芯形成一个有气隙的闭合磁回路。所述的功率变换器T2的匝数和线径根据负载实际输出电流大小而作相应改变。

本发明通过采用全桥软开关逆变电路，以及与该隔离变压电路连接的功率变换器，以及与隔离变压电路输出端连接的输入整流器和与该输入整流器输出端连接的负载的结构结构实现了减小了开关损耗，并且加大了软开关工作范围。

附图说明

图1.采用的本发明所述逆变软开关电焊机的功率变化器及无功吸收电路的逆变电焊机主电路方框图；

图2.本发明所述逆变软开关电焊机的功率变化器及无功吸收电路的电路原理图。

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，本发明逆变软开关电焊机的功率变化器及无功吸收电路，包括按照电流流向方向与电焊机的输入滤波电路顺序连接的：全桥软开关逆变电路、隔离变压电路，其中，还包括：与该隔离变压电路连接的功率变换器T2，以及与隔离变压电路输出端连接的输入整流器和与该输入整流器输出端连接的负载；

所述隔离变压电路包括具有一次侧绕组N1和第一、第二二次侧绕组N2、N3的中频变压器T1；

所述全桥软开关逆变电路包括：第一、第二、第三、第四绝缘栅场效应电力开关器件VT1、VT2、VT3、VT4组成的主逆变电路桥，连接在第一绝缘栅场效应电力开关器件VT1两极之间的第一谐振电容C1，连接在第三绝缘栅场效应电力开关器件VT3两极之间的第二谐振电容C2，所述第一、第二绝缘栅场效应电力开关器件VT1、VT2的桥臂构成滞后臂，所述第三、第四绝缘栅场效应电力开关器件VT3和VT4的桥臂构成超前臂；所述中频变压器T1的一次侧绕组N1顺序串接有谐振电感L1、隔直电容Cb，该中频变压器T1第一二次绕组N2输出逆变工作电源，该中频变压器T1第二二次绕组N3接入所述功率变换器T2；

所述功率变换器T2 包括：一个初级绕组，两个次级绕组和磁芯。

本具体实施方式中，所述输入整流器包括：与所述中频变压器T1的第一二次侧绕组N2连接的第一、第二整流二极管D1、D2，与所述功率变换器T2的两个次级绕组分别连接的第三、第四整流二极管D3、D4。

本具体实施方式中，所述的负载包括：与所述第一整流二极管D1整流输出端连接的负载电阻Rf以及与该负载电阻Rf串接的第四电感L4，该第四电感的另一端与所述中频变压器T1的第一二次侧绕组N2连接。

本具体实施方式中，所述的第一、第二、第三、第四绝缘栅场效应电力开关器件VT1、VT2、VT3、VT4为绝缘栅双极型晶体管，该第一、第二、第三、第四绝缘栅双极型晶体管VT1、VT2、VT3、VT4栅极和基极之间分别对应连接有第一、第二、第三、第四稳压二极管VD1、VD2、VD3、VD4。

本具体实施方式中，所述的功率变换器T2为由两个UY型铁氧体磁芯形成一个有气隙的闭合磁回路。所述的功率变换器T2的匝数和线径根据负载实际输出电流大小而作相应改变。

具体工作状态和过程如下：对应的工作过程是：假定t=t0开始时，VT1、VT4导通，变压器原边流过电流为Io。在t=t1时刻，VT1关断，变压器原边电流在副边电流作用下仍保持Io不变，此时电流从VT1转移到超前臂并联电容C1和C2上，给C1充电，使C2放电，VT1零电压关断，通过C1、C2的电流均为Io/2。经过若干时间后，C1、C2充放电结束。当t=t2时，Io在外加电压作用下迅速变小，VT4实现零电流关断。在t=t3时刻，C2电压下降到接近为零，VT3反并联二极管VD3自然导通，并将VT3两端的电压钳位在零，此时VT3实现零电压开通，逆变器处于续流状态。当Io减小到饱和电感L1的饱和点电流时，L1参与工作，VT2实现零电流开通。经过一段时间后，饱和电感L1反向饱和，变压器又开始向副边输送能量，以后的工作过程与此类似。由于VT1、VT3工作时先于VT2、VT4关断，故称VT1、VT3为超前臂，VT2、VT4为滞后臂。△t可认为与Io无关，而与电感L1的饱和点电流有关，并与VT2、VT3之间的死区时间相等。

上述过程可见，只要主回路参数设计合理，就可以实现软开关的转换。与传统的移相谐振相比，驱动更加简单。整个工作过程逆变器有8种开关模态，前四个与后四个是对称的，各开关模态的工作情况如下：

模态1：逆变器VT1，VT4功率开关开通，属于功率输出阶段，电流通路为：

→→

→

→

→

→

此阶段输入功率传递给输出，饱和电感L1饱和，可以忽略对电路的影响，此时原边电流为Io，此阶段工作原理等效为恒流源Io给Cb充电，Cb上的电压线性上升。

时刻，关断VT1。原边电流I0由VT1转移到超前臂的并联电容C1和C3支路中，电流I0给C1充电，使C3放电，VT1是零电压关断。这个时段，由于输出滤波电流耦合到变压器初级，滤波电感储能很大，滤波电感储能和漏感储能共同参与该过程，可近似认为L1是恒流源，原边电流继续给隔离电容Cb充电，所以C1电压Uc1开始线性上升，C3电压Uc3线性下降，VT1是零电压关断。

模态3：VT1两端电压升至Ui时，VT3实现零电压导通，电流通路为：

→

→

→

→T1→→

当C1的电压上升至Ui时，电流通路由C1移至VD3，此时输出整流二极管D1、D2导通，造成变压器短路，电路等效为由L1以及Cb组成的LC振荡电路，由于Cb上电压的阻断作用，回路中的电流在不断衰减，以减少环流引起的通态损耗，这期间隔离电容Cb上的电压近似为恒压源，原边电流Io线性下降。

模态4：VT4关断，电流通路为：

→→

→

→T1→

→

当VT4截止时，VT4支路中流过的是L1饱和电流，此时VT4中并没有电流流过，VT4可等效成零电流关断，VT4关断后经过很短的延时，由于漏感的存在，原边电流不能突变，VT2属于零电流开通，电流支路由VT4转至VD2、VD4。

由于原边电流不足以提供负载电流，次级侧D1和D2依然导通。变压器原边、副边绕组电压被钳为0，此时原边电流从零开始反方向线性增加。

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)

1.一种逆变软开关电焊机的功率变化器及无功吸收电路，包括：按照电流流向方向与电焊机的输入滤波电路顺序连接的：全桥软开关逆变电路、隔离变压电路，其特征在于，还包括：与该隔离变压电路连接的功率变换器，以及与隔离变压电路输出端连接的输入整流器和与该输入整流器输出端连接的负载；

所述隔离变压电路包括具有一次侧绕组和第一、第二二次侧绕组的中频变压器； 

所述全桥软开关逆变电路包括：第一、第二、第三、第四绝缘栅场效应电力开关器件组成的主逆变电路桥，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，连接在第三绝缘栅场效应电力开关器件两极之间的第二谐振电容，所述第一、第二绝缘栅场效应电力开关器件的桥臂构成滞后臂，所述第三、第四绝缘栅场效应电力开关器件的桥臂构成超前臂；所述中频变压器的一次侧绕组顺序串接有谐振电感、隔直电容，该中频变压器第一二次绕组输出逆变工作电源，该中频变压器第二二次绕组接入所述功率变换器；

所述功率变换器包括：一个初级绕组，两个次级绕组和磁芯。

2.根据权利要求1所述的逆变软开关电焊机的功率变化器及无功吸收电路，其特征在于，所述输入整流器包括：与所述中频变压器的第一二次侧绕组连接的第一、第二整流二极管，与所述功率变换器的两个次级绕组分别连接的第三、第四整流二极管。

3.根据权利要求2所述的逆变软开关电焊机的功率变化器及无功吸收电路，其特征在于，所述的负载包括：与所述第一整流二极管整流输出端连接的负载电阻以及与该负载电阻串接的第四电感，该第四电感的另一端与所述中频变压器的第一二次侧绕组连接。

4.根据权利要求3所述的逆变软开关电焊机的功率变化器及无功吸收电路，其特征在于，所述的第一、第二、第三、第四绝缘栅场效应电力开关器件为绝缘栅双极型晶体管，该第一、第二、第三、第四绝缘栅双极型晶体管栅极和基极之间分别对应连接有第一、第二、第三、第四稳压二极管。

5.如权利要求4所述的逆变软开关电焊机的功率变化器及无功吸收电路，其特征在于，所述的功率变换器为由两个UY型铁氧体磁芯形成一个有气隙的闭合磁回路 。

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