CN103944419B - 功率型倍压驱动电路及使用该功率型倍压驱动电路的电钉枪 - Google Patents

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Abstract

本发明针对现有技术中需要采用大体积电容来实现电压倍增的缺陷，提供一种能够克服该缺陷的功率型倍压驱动电路，其中：交流电源J1、单向导通元件D1和电荷存储元件C相互串联，构成给电荷存储元件C充电的充电电路；电荷存储元件C与单向导通元件D3所构成的并联电路与交流电源J1、负载R和开关元件SCR相互串联，构成对负载R倍压驱动的负载驱动电路；控制单元KZ检测交流电源J1的电压并基于检测到的电压控制开关元件SCR的导通与关断，以便在经由单向导通元件D1对电荷存储元件C充电之后，通过控制单元KZ、交流电源J1、电荷存储元件C与开关元件SCR的相互配合对负载R进行倍压驱动，其中对负载R进行驱动的电压在交流电源J1峰值电压的1至2倍之间调整。

Description

功率型倍压驱动电路及使用该功率型倍压驱动电路的电钉枪
技术领域
本发明涉及电力电子领域，尤其涉及一种功率型倍压驱动电路及使用该功率型倍压驱动电路的电钉枪。
背景技术
在某些需要采用比交流电源电压高的电压对电器进行快速脉动驱动的场合（如电磁铁、电磁阀）中，人们往往采用电容倍压技术来获得所需的驱动电压。
常规的电容倍压电路主要是利用交流或脉动电源通过整流元件等与电容组相组合，从而利用交流或脉动电源对电容组进行充电，以此形成电容组上的几倍于交流或脉动电源峰值电压的直流电压以对负载进行驱动。
然而，在这种常规的电容倍压电路中，储能电容组中电容的个数大于倍压的倍数，电容的耐压等级需大于交流电源电压峰值的2倍，因此，在需要较大驱动功率的场合中就需要很大体积的电容来满足倍压电路的要求。这样，一方面常规电容倍压电路中的电容体积会增大，从而常规电容倍压电路的体积也随之增大，另一方面造成电容倍压电路成本的增加。
发明内容
本发明针对现有技术中常规电容倍压电路需要采用大体积电容来实现电压倍增的缺陷，提供一种能够克服该缺陷的功率型倍压驱动电路及使用该功率型倍压驱动电路的电钉枪。
本发明提供一种功率型倍压驱动电路，其特征在于：
交流电源J1、单向导通元件D1和电荷存储元件C相互串联，构成用于给电荷存储元件C充电的充电电路；
电荷存储元件C与单向导通元件D3所构成的并联电路与交流电源J1、负载R和开关元件SCR相互串联，构成对负载R进行倍压驱动的负载驱动电路；以及
控制单元KZ，用于检测交流电源J1的电压并基于检测到的电压来控制开关元件SCR的导通与关断，以便在经由单向导通元件D1对电荷存储元件C充电之后，通过控制单元KZ、交流电源J1、电荷存储元件C与开关元件SCR的相互配合对负载R进行倍压驱动，其中对负载R进行驱动的电压能够在交流电源J1峰值电压的1至2倍之间调整。
本发明还提供一种采用上述功率型倍压驱动电路的电钉枪。
由于根据本发明的功率型倍压驱动电路能够在交流电源J1的正（或负）半周期中对电荷存储元件C进行充电并在随后的负（或正）半周期中利用交流电源J1的电压和电荷存储元件C上的电压之和来驱动负载R，所以大大降低了电荷存储元件C的耐压等级，使得所采用的电荷存储元件C的体积大大减小，并从而降低了根据本发明的功率型倍压驱动电路和电钉枪的成本和尺寸。
附图说明
附图是用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。在附图中：
图1是根据本发明一种实施方式的功率型倍压驱动电路的电路图；
图2是根据本发明另一实施方式的功率型倍压驱动电路的电路图；
图3是采用120V交流电在不采用根据本发明的功率型倍压驱动电路的情况下对电钉枪进行驱动时的电源电压、线圈工作电压和线圈工作电流的曲线图；以及
图4是采用120V交流电采用本发明的功率型倍压驱动电路对电钉枪进行驱动时的电源电压、线圈工作电压和线圈工作电流的曲线图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。
需要指出的是，除非特别说明，当下文中提及时，术语“控制单元”为任意能够根据设定的条件或者设定的时刻输出控制指令（例如，脉冲波形）从而控制与其连接的开关元件相应地导通或关断的控制器，例如可以为PLC、单片机、可调阻容延时控制器等；当下文中提及时，术语“开关元件”指的是可以通过电信号实现通断控制或者根据元器件自身的特性实现通断控制的开关，既可以是单向开关，例如由双向开关与二极管串联构成的可单向导通的开关，也可以是双向开关，例如金属氧化物半导体场效应晶体管（MetalOxideSemiconductorFieldEffectTransistor，MOSFET）或带有反并续流二极管的IGBT或可控硅开关器件；当下文中提及时，术语“单向导通元件”指的是可以通过电信号实现通断控制或者根据元器件自身的特性实现通断控制以使得电流在其中仅能够单向流动的半导体元件；当下文中提及时，术语“电荷存储元件”指任意一种可以实现电荷存储的装置，例如可以为电容器等。
图1为根据本发明一种实施方式的功率型倍压驱动电路的电路示意图。如图1所示，在根据该实施方式的功率型倍压驱动电路中，交流电源J1、单向导通元件D1和电荷存储元件C相互串联，构成用于对电荷存储元件C进行充电的充电电路；电荷存储元件C与单向导通元件D3所构成的并联电路与交流电源J1、开关元件SCR和负载R相互串联，构成对负载R进行倍压驱动的负载驱动电路；以及控制单元KZ用于检测交流电源J1的电压并基于检测到的电压来控制开关元件SCR的导通与关断，以便在经由单向导通元件D1对电荷存储元件C充电之后，通过控制单元KZ、交流电源J1、电荷存储元件C与开关元件SCR的相互配合对负载R进行倍压驱动，其中对负载R进行驱动的电压能够在交流电源J1峰值电压的1至2倍之间调整。
其中，单向导通元件D1和单向导通元件D3可以为根据元器件自身的特性实现通断控制的单向导通元件，例如二极管，也可以为通过电信号实现通断控制的单向导通元件，例如硅单向开关（SUS，SiliconUnidirectionalSwitch），还可以为通过电信号实现通断控制以使得电流仅能够在其中单向流动的元件，例如MOSFET等。而且在单向导通元件D1和D3为通过电信号实现通断控制的开关元件（例如硅单向开关、MOSFET等）时，可以通过控制单元KZ来控制它的通断。开关元件SCR可以为可控硅开关器件、MOSFET、IGBT等中的任意一种。电荷存储元件C可以为任意一种能够存储电荷的电容器，例如电解电容器。控制单元KZ可以为单片机、PLC、可调阻容延时控制器等。
图1所示的功率型倍压驱动电路的工作原理如下：当交流电源J1在负半周期中对电荷存储元件C充电时，单向导通元件D1导通，控制单元KZ对开关元件SCR进行控制以使开关元件SCR处于关断状态，此时负载R中没有电流流过；在控制单元KZ根据外部的控制指令或者根据该控制单元KZ的内部设置而在交流电源J1接下来的某一正半周期中的某一电压Uk处控制开关元件SCR导通的情况下，施加在负载R上的电压就等于电荷存储元件C上的电压与交流电源J1的电压Uk之和。
从上述的工作原理分析可知，根据本发明的功率型倍压驱动电路中的电荷存储元件C的耐压等级能够被减小到常规电容倍压驱动技术中电容器耐压等级的一半，因此理论上同等作用的电荷存储元件C的体积只有常规电容倍压驱动技术中所使用的电容器体积的1/4，这样就大大减小了根据本发明的功率型倍压驱动电路中的电荷存储元件C的体积，降低了根据本发明的功率型倍压驱动电路的成本和尺寸，增加了根据本发明的功率型倍压驱动电路的便携性。
另外，通过控制单元KZ与开关元件SCR的组合，能够使负载R的驱动电压在1～2倍的交流电源J1峰值电压之间任意调整，即首先在控制单元KZ内对控制单元KZ使开关元件SCR导通时的交流电源J1的电压进行设置，然后当本发明的功率型倍压驱动电路工作时，控制单元KZ会检测交流电源J1的电压，当检测到的电压等于控制单元KZ内的设置值时，控制单元KZ控制开关元件SCR导通，从而实现对负载R的驱动。若控制单元KZ被设置成在交流电源J1的峰值电压处控制开关元件SCR导通，则在开关元件SCR导通时施加在负载R上的瞬间电压就等于交流电源J1的峰值电压的2倍。
还需要说明的一点是，由于众所周知，有极性的电解电容器的反向介电性能极差，当其被反向充电时会被反向电压和电流所击穿而造成该电解电容器的损坏。因此，当图1中的电荷存储元件C为有极性的电解电容器时，单向导通元件D3会在电荷存储元件C上的电荷尚未释放完之前关断并在电荷存储元件C上的电荷释放完之后导通以避免交流电源J1对电荷存储元件C的反向充电和击穿。
图2示出了根据本发明另一实施方式的功率型倍压驱动电路的电路图。如图2所示，该实施方式在图1所示的实施方式的基础上增加了单向导通元件D2，其中单向导通元件D2与电荷存储元件C所构成的串联电路与单向导通元件D3并联，单向导通元件D2是与单向导通元件D3完全相同的元件，以平衡单向导通元件D3正向导通的电压降，从而防止电荷存储元件C被反向充电和击穿。
图2中的单向导通元件D2可以为根据元器件自身的特性实现通断控制的单向导通元件，例如二极管，也可以为通过电信号实现通断控制的单向导通元件，例如硅单向开关，还可以为通过电信号实现通断控制以使得电流仅能够在其中单向流动的元件，例如MOSFET等。而且在单向导通元件D2为通过电信号实现通断控制的开关元件（例如，硅单向开关、MOSFET等）时，可以通过控制单元KZ来控制单向导通元件D2的通断。
图2所示的功率型倍压驱动电路的工作原理如下：
当交流电源J1在负半周期中单向导通元件D1导通，对电荷存储元件C充电时，控制单元KZ对开关元件SCR进行控制以使开关元件SCR处于关断状态，此时负载R中没有电流流过，因此单向导通元件D2、单向导通元件D3也是关断的；
在控制单元KZ根据外部的控制指令或者根据该控制单元KZ的内部设置而在交流电源J1接下来的正半周期中的某一电压Uk处控制开关元件SCR导通的情况下，此时若电荷存储元件C上的电荷尚未释放完，则单向导通元件D3是关断的，电荷存储元件C通过由单向导通元件D2、交流电源J1、开关元件SCR、负载R和电荷存储元件C所构成的回路向负载R释放电荷；若电荷存储元件C上的电荷释放完毕，则单向导通元件D3导通，此时由于单向导通元件D2与D3分别均与负载R串联，所以交流电源J1通过单向导通元件D3向负载R提供电能，与此同时交流电源J1还通过由单向导通元件D2、交流电源J1、开关元件SCR、负载R和电荷存储元件C所构成的回路向负载R提供电能，但是此时由于单向导通元件D2与D3的等压降特性，所以电荷存储元件C并不会被反向充电，这样就起到了保护和延长电荷存储元件C的使用寿命的作用；另外，在单向导通元件D2、D3是二极管时，可以根据自身的元器件特性而在该半周期中导通，如果单向导通元件D2、单向导通元件D3是通过电信号实现通断控制的单向导通元件，则可由控制单元KZ或其他控制单元（未示出）对其通断进行控制，以实现单向导通元件D2、单向导通元件D3与开关元件SCR的同时导通从而对负载R进行倍压驱动；此时施加在负载R上的电压就等于电荷存储元件C上的电压与交流电源J1的电压Uk之和，同样实现了对负载R的倍压驱动。
另外，众所周知，有极性的电解电容器的反向介电性能极差，当其被反向充电时会被反向电压和电流所击穿而造成该电解电容器的损坏。因此，从上面对图2工作原理的分析可知，当电荷存储元件C为有极性的电解电容器时，单向导通元件D2和单向导通元件D3所构成的电路可避免交流电源J1对电荷存储元件C的反向击穿。
以图2所示的单向导通元件D2和单向导通元件D3均是二极管为例对图2的电路图进行进一步的详细描述。当交流电源J1的端子2的电位高于交流电源J1的端子1的电位时，电荷存储元件C被充电，控制单元KZ对开关元件SCR进行控制以使开关元件SCR处于关断状态；而当交流电源J1的端子2的电位低于端子1的电位时，在控制单元KZ根据外部控制指令或者根据该控制单元KZ的内部设置而在交流电源J1处于相应的电压处时控制开关元件SCR导通从而对负载R进行驱动期间，单向导通元件D2是导通的（其中，在电荷存储元件C上的电荷尚未释放完之前，单向导通元件D3是关断的），在这期间，若电荷存储元件C在之前的半周期中所充的电荷已经释放完，则由于单向导通元件D3的旁路作用和单向导通元件D2与D3的等压降特性，使得虽然此时交流电源J1的端子2的电位低于端子1的电位，电荷存储元件C也不会被反向击穿，这样就起到了保护和延长电荷存储元件C的使用寿命的作用，这在电荷存储元件C是容量与体积之比较大的有极性电解电容器时是非常重要的；有极性电解电容器与无极性电荷存储元件相比，可以减小体积、降低成本。
另外，如图2所示，根据本发明的功率型倍压驱动电路还可以包括串联在所述充电电路中的电阻器R1，以在对电荷存储元件C进行充电时实现限流的目的。
另外，虽然图1和图2中所示的负载R为电阻器，但是应当理解，根据本发明的功率型倍压驱动电路除可以驱动电阻性负载之外，还可以用于驱动其他负载，例如电感性负载、电弧性负载及电阻电容电感的组合型负载等，以驱动电磁阀、电磁铁、瞬时加热装置等。
另外，需要说明的是，虽然附图中所示的各个单向导通元件D1、D2、D3均为二极管，但本领域技术人员可以预见，只要时序控制合适，亦可以采用双向开关来实现本发明的目的。以单向导通元件D1为能够实现双向导通的MOSFET晶体管为例，只要采用适当的时序对其进行控制，使得MOSFET在交流电源J1的负（或正）半周期中导通并在正（或负）半周期中关断，仍然能够实现在交流电源J1的负（或正）半周期中对电荷存储元件C进行充电并在正（或负）半周期中利用电荷存储元件C上的电压与交流电源J1的电压之和对负载R进行驱动的目的。
下面以在杠杆电磁钉枪上的应用来说明根据本发明的功率型倍压驱动电路的有益效果。
杠杆电磁钉枪在工作时其线圈需要较高的线圈工作电压进行驱动（例如，220V），才能获得较大的线圈工作电流（大于70A）。当采用120V电源驱动杠杆电磁钉枪时，电源的驱动能力就显得不足了，线圈工作电流只能达到50A，请见图3的实测曲线所示。
但是，当将根据本发明的功率型倍压驱动电路应用于杠杆电磁钉枪时，在采用120V交流电源的情况下，同样能够获得70A的线圈工作电流，请见图4的实测曲线所示，其中，图4中的驱动电压峰值是图3中的驱动电压峰值的大约一倍，驱动电流是图3中的驱动电流的大约1.5倍。另外，还需要说明的是，图3和图4中的电源电压是电钉枪接入电源端处的实测电压，由于其受到了电钉枪本身工作的干扰，所以并不是理论上的正弦形。
以上仅结合本发明的优选实施方式对本发明进行了详细描述，但是在不背离本发明的精神和范围的情况下，可以对本发明做出各种变形和修改。

Claims (10)

1.一种功率型倍压驱动电路，其特征在于：
交流电源J1、单向导通元件D1和电荷存储元件C相互串联，构成用于给电荷存储元件C充电的充电电路；
电荷存储元件C与单向导通元件D3所构成的并联电路与交流电源J1、负载R和开关元件SCR相互串联，构成对负载R进行倍压驱动的负载驱动电路；以及
控制单元KZ，用于检测交流电源J1的电压，并在经由单向导通元件D1对电荷存储元件C进行充电期间，控制开关元件SCR关断，以及在经由单向导通元件D1对电荷存储元件C充电结束之后，在交流电源J1的电压达到预设值之后控制开关元件SCR导通以便通过控制单元KZ、交流电源J1、电荷存储元件C与开关元件SCR的相互配合对负载R进行倍压驱动，其中对负载R进行驱动的电压能够在交流电源J1峰值电压的1至2倍之间调整。
2.根据权利要求1所述的功率型倍压驱动电路，其特征在于，所述单向导通元件D1和单向导通元件D3为根据元器件自身的特性实现通断控制的单向导通元件或者通过电信号控制其通断的开关元件。
3.根据权利要求1所述的功率型倍压驱动电路，其特征在于，该功率型倍压驱动电路还包括串联在所述充电电路中的电阻器R1，以对充电电流进行限流。
4.根据权利要求1所述的功率型倍压驱动电路，其特征在于，开关元件SCR为可控硅开关器件、MOSFET、IGBT中的任意一者。
5.根据权利要求1所述的功率型倍压驱动电路，其特征在于，所述控制单元KZ为任意能够根据设定的条件或者设定的时刻输出控制指令从而控制所述开关元件SCR相应地导通或关断的控制器。
6.根据权利要求5所述的功率型倍压驱动电路，其特征在于，所述控制单元KZ为PLC、单片机、可调阻容延时控制器中的任意一者。
7.根据权利要求1所述的功率型倍压驱动电路，其特征在于，所述电荷存储元件C是任意一种能够存储电荷的电容器。
8.根据权利要求1至7中任一项权利要求所述的功率型倍压驱动电路，其特征在于，该功率型倍压驱动电路还包括单向导通元件D2，该单向导通元件D2与电荷存储元件C所构成的串联电路与单向导通元件D3并联，从而能够在电荷存储元件C为有极性的电解电容器时防止电荷存储元件C被反向充电和击穿。
9.根据权利要求8所述的功率型倍压驱动电路，其特征在于，所述单向导通元件D2为根据元器件自身的特性实现通断控制的单向导通元件或者通过电信号控制其通断的开关元件。
10.一种采用权利要求1至9中任一项权利要求所述的功率型倍压驱动电路的电钉枪。
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