CN103973123A - 一种弧焊电源系统、控制方法及电源模块 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种弧焊电源系统、控制方法及电源模块；弧焊电源系统包括输入电源、功率变换电路、谐振电路、整流电路、滤波电路和控制电路；功率变换电路的输入端与输入电源连接，功率变换电路的反馈控制端与控制电路的输出端连接，谐振电路的输入端连接至功率变换电路的输出端，整流电路的输入端连接至谐振电路的输出端，整流电路用于将高频谐振电流转换成直流电流；滤波电路的输入端连接至整流电路的输出端，控制电路的第一输入端连接至滤波电路的反馈端，控制电路的第二输入端连接至功率变换电路和谐振电路的连接端。本发明利用电感的电流泵升特性，降低了电源功率冗余，与传统弧焊电源相比，效率大为提高，最高效率可达94％。

Description

一种弧焊电源系统、控制方法及电源模块

技术领域

本发明属于弧焊电源技术领域，更具体地，涉及一种弧焊电源系统、控制方法及电源模块。

背景技术

弧焊电源是焊接设备中的主要组成部分，对弧焊设备产业的发展有重要意义，对国家工业的发展密切相关。弧焊电源是一种低压大电流输出的，在动态响应特性、可靠性方面较一般电源要求更高的特殊电源。其关键问题在于弧焊电源的电路拓扑及控制技术，实现高性能、高效率和高功率密度的要求。由于逆变弧焊电源相对于传统的弧焊电源在体积、重量、效率及控制特性等方面具有显著的优势而成为弧焊电源的一个发展趋势，其市场份额已经超过50％。

现有的国内外逆变弧焊电源拓扑一般采用IGBT作为开关管，控制策略一般采用移相控制。如北京时代公司生产的ZX7系列手工弧焊电源，逆变电路采用IGBT的全桥拓扑，经高频变压器隔离和全波整流后，为用户提供26A～400A范围内的焊接电流。该系列焊机具有引弧成功率高、电弧稳定、焊接电流可调节的优点。然而其效率仅有85％，17kW的焊机重量达36.5kg。

西班牙的Alej andro Navarro-Crespin于2012年在“Performanceimprovements in an arc-welding poer supply based on resonant inverters”一文中提出一种串并联谐振电路拓扑，采用12个模块并联可实现最大300A的弧焊电流，开关频率可达125kHz，取得了良好的控制特性。然而采用并联谐振和高开关频率降低了系统效率，其最佳效率仅为86.6％。

国内外弧焊电源存在较大的功率冗余，导致电源效率低、体积大、重量大和成本高。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种弧焊电源系统，旨在解决现有的弧焊电源的转换效率低的技术问题。

本发明提供了一种弧焊电源系统，包括输入电源、功率变换电路、谐振电路、整流电路、滤波电路和控制电路；所述功率变换电路的输入端与输入电源连接，所述功率变换电路的反馈控制端与所述控制电路的输出端连接，所述功率变换电路用于根据控制电路输出的控制信号将直流电压变换成周期性变化的正负半周期对称的方波电压；所述谐振电路的输入端连接至所述功率变换电路的输出端，所述谐振电路用于在方波电压的激励下产生近似正弦的高频谐振电流；所述整流电路的输入端连接至所述谐振电路的输出端，所述整流电路用于将高频谐振电流转换成直流电流；所述滤波电路的输入端连接至所述整流电路的输出端，所述滤波电路的输出端用于连接负载，所述滤波电路用于对整流电路输出的直流电流进行滤波处理，为所述负载提供平稳的直流电源；所述控制电路的第一输入端连接至滤波电路的反馈端，所述控制电路的第二输入端连接至所述功率变换电路和所述谐振电路的连接端；所述控制电路用于对控制电路的输入信号进行采样和调理，并获取所述功率变换电路的功率管开关控制信号。

其中，所述控制电路包括采样调理模块、闭环控制模块、锁相模块和驱动模块；所述采样调理模块的第一输入端作为所述控制电路的第一输入端，所述采样调理模块的第二输入端作为所述控制电路的第二输入端，所述采样调理模块用于采集输出电流初始值i_so和谐振电流初始值i_sr，并对其进行调理获取输出电流值i_o和谐振电流值i_r；所述锁相模块的输入端连接至所述采样调理模块的第二输出端，所述锁相模块的控制端连接至所述驱动模块的第一输出端，所述锁相模块用于检测谐振电流的极性信息，并获取锁相信号；所述闭环控制模块的第一输入端连接至所述采样调理模块的第一输出端，所述闭环控制模块的第二输入端连接至所述锁相模块的输出端，所述闭环控制模块用于将设定值电流与第一输入端接受的输出电流值i_o之差通过比例积分环节处理，并根据第二输入端接受的锁相信号，获得开关频率调制电压，然后获取所述功率变换电路的功率管开关的开关频率；所述驱动模块的输入端连接至所述闭环控制模块的输出端，所述驱动模块的第二输出端作为所述控制电路的输出端；所述驱动模块用于生成所述功率变换电路的功率管开关的控制信号，驱动模块所生成的功率变换电路的功率管开关的控制信号的开关频率为所述闭环控制模块输出的开关频率。

其中，所述功率变换电路包括第一开关管T₁、第二开关管T₂、第三开关管T₃、第四开关管T₄，与所述第一开关管T₁并联连接的第一缓冲电容C₁、与所述第二开关管T₂并联连接的第二缓冲电容C₂、与所述第三开关管T₃并联连接的第三缓冲电容C₃、与所述第四开关管T₄并联连接的第四缓冲电容C₄；所述第一开关管T₁的输入端和第二开关管T₂的输入端相连后与所述输入电源的正极连接，所述第四开关管T₄的输出端和所述第三开关管T₃的输出端相连后与所述输入电源的负极连接；所述第一开关管T₁的输出端与所述第三开关管T₃的输入端相连；所述第四开关管T₄的输入端与所述第二开关管T₂的输出端相连。

其中，所述谐振电路包括谐振电感L_r、谐振电容C_r和高频隔离变压器T_r；所述谐振电感L_r的一端与所述第一开关管T₁和所述第三开关管T₃的连接端相连，所述谐振电容C_r的一端与所述谐振电感L_r的另一端相连；所述高频隔离变压器T_r的原边线圈的一端与所述谐振电容C_r的另一端相连，原边线圈的另一端连接至所述第二开关管T₂和所述第四开关管T₄的连接端；所述高频隔离变压器T_r的副边线圈包括第一端、第二端和中心抽头，第一端和第二端用于与整流电路连接，中心抽头用于与滤波电路连接。

本发明还提供了一种基于上述的弧焊电源系统的控制方法，包括下述步骤：

(1)采集输出电流初始值i_so和谐振电流初始值i_sr，对其进行调理获取输出电流值i_o和谐振电流值i_r；

(2)当第一开关管T₁的驱动信号由低变为高时，检测所述谐振电流i_r的极性，若i_r≤0，则输出锁相信号θ＝-1；若i_r>0，则输出锁相信号θ＝1；

(3)当所述锁相信号θ等于-1时，根据公式u_f＝1+K_pe_i+K_i×(∫e_idt+C)获得开关频率调制电压u_f；并通过以下方式限制所述开关频率调制电压u_f输出值：若u_f≤0，则u_f＝0；若u_f≥1，则u_f＝1，积分常数C＝0；若0＜u_f＜1，则u_f不变；

其中，e_i为电流误差，e_i＝i_o ^*-i_o；K_p和K_i分别为输出电流比例系数和输出电流积分系数，-0.005＜K_p＜-0.0005，-5＜K_i＜-0.5，t为时间，C为积分常数，当前拍计算下的C值为上一拍计算的积分(∫e_idt+C)值，第一次计算时C＝0；i_o ^*为输出电流设定值，i_o为输出电流值；

转步骤(5)；

(4)当所述锁相信号θ等于1时，开关频率调制电压u_f＝1；

(5)根据开关频率调制电压u_f获得开关频率f；并根据所述开关频率获得锯齿波信号；其中f＝100000+200000×u_f；锯齿波信号的频率为f且幅值为1；

(6)将直流电平信号u_rdc与锯齿波信号进行比较，当直流电平信号u_rdc大于锯齿波信号瞬时值时，输出第一开关管T₁和第四开关管T₄的驱动信号；当直流电平信号u_rdc低于锯齿波信号瞬时值时，输出第二开关管T₂和第三开关管T₃的驱动信号；直流电平信号u_rdc对应输出信号占空比大小，由开关管的死区时间确定，其范围为0～0.5。

其中，所述输出电流设定值i_o ^*为50A～200A，对应焊接电流，由弧焊电源标准规定或者由用户根据实际使用工况设定得到；。

本发明还提供了一种电源模块，包括输入电源、功率变换电路、谐振电路、整流电路和滤波电路；所述功率变换电路的输入端与输入电源连接，所述功率变换电路的反馈控制端用于接收外部的控制信号，所述功率变换电路用于根据外部的控制信号将直流电压变换成周期性变化的正负半周期对称的方波电压；所述谐振电路的输入端连接至所述功率变换电路的输出端，所述谐振电路用于在方波电压的激励下产生近似正弦的高频谐振电流；所述整流电路的输入端连接至所述谐振电路的输出端，所述整流电路用于将高频谐振电流转换成直流电流；所述滤波电路的输入端连接至所述整流电路的输出端，所述滤波电路的输出端用于连接负载，所述滤波电路用于对整流电路输出的直流电流进行滤波处理，为负载提供平稳的直流电源。

其中，所述功率变换电路包括第一开关管T₁、第二开关管T₂、第三开关管T₃、第四开关管T₄，与所述第一开关管T₁并联连接的第一缓冲电容C₁、与所述第二开关管T₂并联连接的第二缓冲电容C₂、与所述第三开关管T₃并联连接的第三缓冲电容C₃、与所述第四开关管T₄并联连接的第四缓冲电容C₄；所述第一开关管T₁的输入端和第二开关管T₂的输入端相连后与所述输入电源的正极连接，所述第四开关管T₄的输出端和所述第三开关管T₃的输出端相连后与所述输入电源的负极连接；所述第一开关管T₁的输出端与所述第三开关管T₃的输入端相连；所述第四开关管T₄的输入端与所述第二开关管T₂的输出端相连。

其中，所述谐振电路包括谐振电感L_r、谐振电容C_r和高频隔离变压器T_r；所述谐振电感L_r的一端与所述第一开关管T₁和所述第三开关管T₃的连接端相连，所述谐振电容C_r的一端与所述谐振电感L_r的另一端相连；所述高频隔离变压器T_r的原边线圈的一端与所述谐振电容C_r的另一端相连，原边线圈的另一端连接至所述第二开关管T₂和所述第四开关管T₄的连接端；所述高频隔离变压器T_r的副边线圈包括第一端、第二端和中心抽头，第一端和第二端用于与整流电路连接，中心抽头用于与滤波电路连接。。

其中，所述整流电路包括二极管D₅和二极管D₆；所述二极管D₅的阳极与所述高频隔离变压器T_r副边线圈的第一端相连，所述二极管D₆的阳极与所述高频隔离变压器T_r副边线圈的第二端相连，所述二极管D5的阴极与所述二极管D6的阴极连接后作为所述整流电路的输出端；所述滤波电路包括滤波电感L_o和滤波电容C_p；所述滤波电感L_o的一端作为所述滤波电路的输入端，所述滤波电感L_o的另一端通过所述滤波电容C_p接地；所述滤波电感L_o的另一端还作为所述滤波电路的输出端。

通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，由于利用电感的电流泵升特性，降低了电源功率冗余，与传统弧焊电源相比，效率大为提高，最高效率可达94％。能够取得缓解体积、重量和成本压力的有益效果。

附图说明

图1是本发明实施例提供的弧焊电源系统的模块结构示意图；

图2是本发明实施例提供的弧焊电源系统中电源模块的具体电路图；

图3是本发明实施例提供的弧焊电源系统中控制电路的原理框图；

图4是本发明实施例提供的功率变换电路中开关管驱动信号示意图。

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，对本发明进行进一步详细说明。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。

本发明可以解决现有弧焊电源效率低、体积大、重量大和成本高的问题，最高效率达到94％，具有较高的开路电压和稳定可调的输出电流，适用于小功率弧焊电源的应用领域。

图1示出了本发明实施例提供的弧焊电源系统的模块结构，为了便于说明，仅示出了与本发明实施例相关的部分，详述如下：

弧焊电源系统包括：输入电源1、功率变换电路2、谐振电路3、整流电路4、滤波电路5和控制电路6；其中，功率变换电路2的输入端与输入电源1连接，功率变换电路2的反馈控制端与控制电路6的输出端连接；功率变换电路2用于根据控制电路6输出的控制信号将直流电压变换成周期性变化的正负半周期对称的方波电压；谐振电路3的输入端连接至功率变换电路2的输出端，谐振电路3用于在方波电压的激励下产生近似正弦的高频谐振电流；整流电路4的输入端连接至谐振电路3的输出端，整流电路4用于将高频谐振电流转换成直流电流；滤波电路5的输入端连接至整流电路4的输出端，滤波电路5的输出端用于连接负载7，滤波电路5用于对整流电路4输出的直流电流进行滤波处理，即抑制整流电路输出直流电流的波动，为负载7提供平稳的直流电源；控制电路6的第一输入端连接至滤波电路5的反馈端，控制电路6的第二输入端连接至功率变换电路2和谐振电路3的连接端；控制电路6用于对控制电路6的输入信号进行采样和调理，并计算获取所述功率变换电路2的功率管开关控制信号。

本发明提供的新型逆变式弧焊电源电路，属于电力电子和电力自动化设备，解决现有弧焊电源效率低、体积大、重量大和成本高的问题。本发明提供的弧焊电源系统利用电感的电流泵升压特性，降低了电源功率冗余，与传统弧焊电源相比，效率大为提高，最高效率可达94％，并缓解了体积、重量和成本的压力。

在本发明实施例中，如图2所示，功率变换电路2包括第一开关管T₁、第二开关管T₂、第三开关管T₃、第四开关管T₄，以及分别与其并联连接的第一缓冲电容C₁、第二缓冲电容C₂、第三缓冲电容C₃、第四缓冲电容C₄。电源的正极与第一开关管T₁输入端及第二开关管T₂的输入端相连，电源的负极与第四开关管T₄的输出端及第三开关管T₃的输出端相连；第一开关管T₁的输出端与第三开关管T₃的输入端相连；第四开关管T₄的输入端与第二开关管T₂的输出端相连。功率变换电路2通过控制开关管开关状态将电源直流电压变换成周期性变化的正负半周期对称的方波电压。作为本发明的一个实施例，第一开关管T₁、第二开关管T₂、第三开关管T₃和第四开关管T₄相同，可采用Mosfet、SiC、GaAs等具有较高开关频率的半导体功率器件。

在本发明实施例中，谐振电路3由谐振电感L_r、谐振电容C_r及高频隔离变压器T_r组成。谐振电感L_r的一端301与第一开关管T₁和第三开关管T₃的连接端相连，谐振电容C_r的一端与谐振电感L_r的另一端302相连，谐振电容C_r的另一端303与高频隔离变压器T_r的原边线圈的一端304相连，原边线圈的另一端305连接至第二开关管T₂和第四开关管T₄的连接端。在功率变换电路输出方波电压的激励下，谐振电路的谐振电感L_r、谐振电容C_r与高频隔离变压器原边的等效励磁电感产生近似正弦的高频谐振电流，通过高频隔离变压器原边传输到其副边。

在本发明实施例中，整流电路4包括二极管D₅和D₆，二极管D₅和D₆的阴极并联后与滤波电路501端相连，二极管D₅的阳极与高频隔离变压器T_r副边线圈的第一端306相连，二极管D₆的阳极与高频隔离变压器T_r副边线圈的第三端307端相连。整流电路将高频隔离变压器副边的高频谐振电流转换成直流电流。

在本发明实施例中，滤波电路5由直流滤波电感L_o和直流滤波电容C_p组成。滤波电感L_o501端与输出整流二极管D₅、D₆的阴极相连，其另一端与整流滤波电容C_p的502端相连。滤波电容C_p的另一端503与高频隔离变压器T_r副边的中心抽头308端相连。滤波电路通过抑制整流电路输出直流电流的波动，为负载提供平稳的直流电源。

在本发明实施例中，如图1所示，控制电路6包括采样调理模块61，锁相模块63，闭环控制模块62和驱动模块64。采样调理模块61的第一输入端作为所述控制电路6的第一输入端，采样调理模块61的第二输入端作为控制电路6的第二输入端，采样调理模块61用于采集输出电流值i_o和谐振电流值i_r；锁相模块63的输入端作为采样调理模块61的第二输出端，锁相模块63的控制端连接至驱动模块64的第一输出端；闭环控制模块62的第一输入端连接至采样调理模块61的第一输出端，闭环控制模块62的第二输入端连接至所述锁相模块63的输出端，驱动模块64的输入端连接至所述闭环控制模块62的输出端，驱动模块64的第二输出端作为所述控制电路6的输出端。采样调理模块61对从输出电感和谐振电感所在回路检测获取的电流信号进行滤波和调理后，将输出电感电流信号送至闭环控制模块62，将谐振电感电流信号送至锁相模块63。锁相模块63在开关管T₁驱动信号由低变高时，检测谐振电流i_r的极性获得锁相信号，并送至闭环控制模块62。闭环控制模块62将设定值电流与输入电感电流之差通过比例积分环节处理获得开关频率调制电压，然后得到开关频率，送至驱动模块。驱动模块64通过锯齿波信号与直流电平信号的比较得到驱动信号，并送至开关管和锁相模块。

本发明中的控制电路包括采样调理模块，锁相模块，闭环控制模块和驱动模块。通过测量输出滤波电感电流与参考设定值的差值调节输出开关频率，改善控制效果。本发明采用高频变换具有高功率密度，动态调节速度快，输出性能优良和效率高的特点，具有较高的开路电压和稳定的输出电流，适用于弧焊电源的应用工况。

在本发明实施例中，(1)采样调理61进行下述操作：

(1.1)对输出滤波电感L_o的初始电流值i_so进行滤波，得到输出滤波电流值i_o；

(1.2)对谐振电感L_r的初始电流值i_sr进行滤波，得到谐振电流值i_r；

(1.3)将i_o送至闭环控制模块，将i_r送至锁相模块；

(2)锁相模块63进行下述操作：

(2.1)当开关管T₁的驱动信号由低变为高时，检测谐振电流i_r的极性，得到锁相信号θ。检测谐振电流i_r的极性：若i_r≤0，则输出锁相信号θ＝-1；若i_r>0，则输出锁相信号θ＝1；

(2.2)将锁相信号θ送入闭环控制模块；

(3)闭环控制模块62进行下述操作：

(3.1)判断锁相信号：若θ＝-1，则进入步骤(3.2)；若θ＝1进入步骤(3.5)；

(3.2)计算输出电流误差e_i：e_i＝i_o ^*-i_o；其中，输出电流设定值i_o ^*＝50A～200A，对应焊接电流，由弧焊电源标准规定或者由用户根据实际使用工况设定得到；

(3.3)计算开关频率调制电压u_f：u_f＝1+K_pe_i+K_i×(∫e_idt+C)；

其中，θ为锁相模块送入的锁相信号，K_p和K_i分别为输出电流比例系数和输出电流积分系数，-0.005＜K_p＜-0.0005，-5＜K_i＜-0.5，t为时间，C为积分常数，当前拍计算下的C值为上一拍计算的积分(∫e_idt+C)值，第一次计算时C＝0；

(3.4)限制开关频率调制电压u_f输出值：若u_f≤0，则u_f＝0；若u_f≥1，则u_f＝1，且令步骤(3.3)中积分常数C＝0；若0＜u_f＜1，则u_f不变；转步骤(3.6)；

(3.5)令开关频率调制电压u_f输出值为1；

(3.6)计算开关频率f：f＝100000+200000×u_f；

将f送至驱动发生模块；

(4)驱动模块64进行下述操作：

(4.1)产生幅值为0.48的直流电平信号u_rdc；

(4.2)生成驱动信号：

将u_rdc与频率为f、幅值为1的锯齿波信号相比较，当u_rdc大于锯齿波信号瞬时值时，输出开关管T₁和开关管T₄的驱动信号，当u_rdc低于锯齿波信号瞬时值时，输出开关管T₂和开关管T₃的驱动信号；

(4.3)将生成的开关管T₁的驱动信号送至锁相模块，生产的开关管T₁的驱动信号，开关管T₂的驱动信号，开关管T₃的驱动信号，开关管T₄的驱动信号送至全桥功率变换电路；

在本发明实施例中，输出电流比例系数K_p和输出电流积分系数K_i的确定过程为：

(1)将K_p初始值取为-0.0005，K_i初始值取为0；

(2)先调试K_p，查看此时高频整流器输入电流波形是否振荡，是则减小K_p直至波形振荡消除，转过程(3)；否则直接转过程(3)；

(3)固定K_p值，将K_i取为-0.5，调试K_i，查看此时高频整流器输出电压波形是否波动，是则减小K_i直至波动消除，否则固定K_i。

本发明采用LLC谐振网络在空载时实现了较高的输出电压，增加了弧焊电源的引弧成功率，输出滤波电路采用LC滤波结构，实现了稳定可调的焊接电流，提高了焊接质量，并减少了电路的功率冗余，降低了电源的体积重量和成本。控制电路采用变频控制，利用锁相模块控制开关频率范围，使得电路开关管实现零电压导通，提高了系统效率。本发明具有开关频率高、效率高、功率密度高、成本低的优点，即具有较高的开路电压，又具有稳定可调的输出焊接电流，适用于弧焊电源系统的应用。

为了更进一步的说明本发明实施例提供的弧焊电源系统，现参考附图并结合具体实例详述如下：

为了便于说明，高频隔离变压器工作在100kHz到300kHz，第一开关管T₁、第二开关管T₂、第三开关管T₃和第四开关管T₄均以Mosfet管为例。

功率变换电路2包括第一MOS管T1、第二MOS管T2、第三MOS管T3、第四MOS管T4，以及分别与其并联连接的第一缓冲电容C1、第二缓冲电容C2、第三缓冲电容C3、第四缓冲电容C4。电源的正极与第一MOS管T1漏极及第二MOS管T2的漏极相连，电源的负极与第四MOS管T4的源极及第三MOS管T3的源极相连；第一MOS管T1的源极与第三MOS管T3的漏极相连；第四MOS管T4的漏极与第二MOS管T2的源极相连。

谐振电路3由谐振电感L_r、谐振电容C_r和高频隔离变压器T_r组成。谐振电感值L_r为16μH，谐振电容C_r为39nF，高频变压器变比为21∶3∶3，其等效励磁电感值为110μH，。谐振电感L_r301端与开关管T₁和T₃的连接端相连，谐振电容C_r与谐振电感L_r在302端相连，C_r输出端303与高频隔离变压器T_r原边第一端口304相连，T_r原边第二端口305连接至开关管T₂和T₄的连接端。

整流电路4包括二极管D₅和二极管D₆，二极管D₅和二极管D₆的阴极并联后与滤波电路501端相连，二极管D₅的阳极与高频隔离变压器T_r副边306端相连，二极管D₆的阳极与频隔离变压器T_r副边另一端307相连。

滤波电路5由直流滤波电感L_o和直流滤波电容C_p组成组成。滤波电感L_o为10μH，滤波电容C_p为3uF。滤波电感L_o的一端501与输出整流二极管D₅、D₆的阴极相连，另一端与整流滤波电容C_p的502端相连。滤波电容C_p的另一端503与高频隔离变压器T_r副边的中心抽头308端相连。

如图1所示，控制电路6包括采样调理模块，锁相模块，闭环控制模块和驱动模块。采样调理模块对从输出电感和谐振电感所在回路检测获取的电流信号进行滤波和调理后，将输出电感电流信号送至闭环控制模块，将谐振电感电流信号送至锁相模块。所述锁相模块在开关管T₁驱动信号由低变高时，检测谐振电流i_r的极性获得锁相信号，并送至闭环控制模块。所述闭环控制模块将设定值电流与输入电感电流之差通过比例积分环节处理获得开关频率调制电压，然后得到开关频率，送至驱动模块。所述驱动模块通过锯齿波信号与直流电平信号的比较得到驱动信号，并送至开关管和锁相模块。

如图3所示控制电路包括采样调理模块，锁相模块，闭环控制模块和驱动模块。

(1)采样调理模块进行下述操作：

(1.1)对输出滤波电感L_o的初始电流值i_so进行滤波，得到输出滤波电流值i_o；

(1.2)对谐振电感L_r的初始电流值i_sr进行滤波，得到谐振电流值i_r；

(1.3)将i_o送至闭环控制模块，将i_r送至锁相模块；

(2)锁相模块进行下述操作：

(2.1)当开关管T₁的驱动信号由低变为高时，检测谐振电流i_r的极性：若i_r≤0，则输出锁相信号θ=-1；若i_r>0，则输出锁相信号θ＝1；

(2.2)将锁相信号θ送入闭环控制模块；

(3)闭环控制模块进行下述操作：

(3.1)判断锁相信号：若θ＝-1，则进入步骤(3.2)；若θ＝1进入步骤(3.5)；

(3.2)计算输出电流误差e_i：e_i＝i_o ^*-i_o；其中，输出电流设定值i_o ^*＝100A，为焊接电流；

(3.3)计算开关频率调制电压u_f：u_f＝1+K_pe_i+K_i×(∫e_idt+C)；

其中，θ为锁相模块送入的锁相信号，K_p和K_i分别为输出电流比例系数和输出电流积分系数，K_p＝-0.001，K_i＝-1，t为时间，C为积分常数，当前拍计算下的C值为上一拍计算的积分(∫e_idt+C)值，第一次计算时C＝0；

(3.4)限制开关频率调制电压u_f输出值：若u_f≤0，则u_f＝0；若u_f≥1，则u_f＝1，且令步骤(3.3)中积分常数C＝0；若0＜u_f＜1，则u_f不变；转步骤(3.6)；

(3.5)令开关频率调制电压u_f输出值为1；

(3.6)计算开关频率f：f=100000+200000×u_f；

将f送至驱动模块；

(4)驱动模块进行下述操作：

(4.1)产生幅值为0.48的直流电平信号u_rdc；

(4.2)生成驱动信号：

将u_rdc与频率为f、幅值为1的锯齿波信号相比较，当u_rdc大于锯齿波信号瞬时值时，输出第一MOS管T₁和第四MOS管T₄的驱动信号，当u_rdc低于锯齿波信号瞬时值时，输出第二MOS管T₂和第三MOS管T₃的驱动信号；

(4.3)将生成的第一MOS管T₁的驱动信号送至锁相模块，生产的第一MOS管T₁的驱动信号，第二MOS管T₂的驱动信号，第三MOS管T₃的驱动信号，第四MOS管T₄的驱动信号送至全桥功率变换电路。

图4为高频直流变压器T_r的驱动波形，横坐标为时间，纵坐标为驱动信号，其中g₁为开关管T₁驱动信号，g₂为开关管T₂驱动信号，g₃为开关管T₃驱动信号，g₄为开关管T₄驱动信号。为开关管直通造成器件损坏并为了实现零电压开通，设置全桥逆变器的有效占空比D略小于1(驱动占空比为0.48)，即在同桥臂的上下两管驱动信号g₁和g₃之间，g₂和g₄之间加入2％宽度的死区。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，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 (10)

1.一种弧焊电源系统，其特征在于，包括输入电源(1)、功率变换电路(2)、谐振电路(3)、整流电路(4)、滤波电路(5)和控制电路(6)；

所述功率变换电路(2)的输入端与输入电源(1)连接，所述功率变换电路(2)的反馈控制端与所述控制电路(6)的输出端连接，所述功率变换电路(2)用于根据控制电路(6)输出的控制信号将直流电压变换成周期性变化的正负半周期对称的方波电压；

所述谐振电路(3)的输入端连接至所述功率变换电路(2)的输出端，所述谐振电路(3)用于在方波电压的激励下产生近似正弦的高频谐振电流；

所述整流电路(4)的输入端连接至所述谐振电路(3)的输出端，所述整流电路(4)用于将高频谐振电流转换成直流电流；

所述滤波电路(5)的输入端连接至所述整流电路(4)的输出端，所述滤波电路(5)的输出端用于连接负载(7)，所述滤波电路(5)用于对整流电路(4)输出的直流电流进行滤波处理，为所述负载(7)提供平稳的直流电源；

所述控制电路(6)的第一输入端连接至滤波电路(5)的反馈端，所述控制电路(6)的第二输入端连接至所述功率变换电路(2)和所述谐振电路(3)的连接端；所述控制电路(6)用于对控制电路(6)的输入信号进行采样和调理，并获取所述功率变换电路(2)的功率管开关控制信号。

2.如权利要求1所述的弧焊电源系统，其特征在于，所述控制电路(6)包括采样调理模块(61)、闭环控制模块(62)、锁相模块(63)和驱动模块(64)；

所述采样调理模块(61)的第一输入端作为所述控制电路(6)的第一输入端，所述采样调理模块(61)的第二输入端作为所述控制电路(6)的第二输入端，所述采样调理模块(61)用于采集输出电流初始值i_so和谐振 电流初始值i_sr，并对其进行调理获取输出电流值i_o和谐振电流值i_r；

所述锁相模块(63)的输入端连接至所述采样调理模块(61)的第二输出端，所述锁相模块(63)的控制端连接至所述驱动模块(64)的第一输出端，所述锁相模块(63)用于检测谐振电流的极性信息，并获取锁相信号；

所述闭环控制模块(62)的第一输入端连接至所述采样调理模块(61)的第一输出端，所述闭环控制模块(62)的第二输入端连接至所述锁相模块(63)的输出端，所述闭环控制模块(62)用于将设定值电流与第一输入端接受的输出电流值i_o之差通过比例积分环节处理，并根据第二输入端接受的锁相信号，获得开关频率调制电压，然后获取所述功率变换电路(2)的功率管开关的开关频率；

所述驱动模块(64)的输入端连接至所述闭环控制模块(62)的输出端，所述驱动模块(64)的第二输出端作为所述控制电路(6)的输出端；所述驱动模块(64)用于生成所述功率变换电路(2)的功率管开关的控制信号，驱动模块(64)所生成的功率变换电路(2)的功率管开关的控制信号的开关频率为所述闭环控制模块(62)输出的开关频率。

3.如权利要求1或2所述的弧焊电源系统，其特征在于，所述功率变换电路(2)包括第一开关管T₁、第二开关管T₂、第三开关管T₃、第四开关管T₄，与所述第一开关管T₁并联连接的第一缓冲电容C₁、与所述第二开关管T₂并联连接的第二缓冲电容C₂、与所述第三开关管T₃并联连接的第三缓冲电容C₃、与所述第四开关管T₄并联连接的第四缓冲电容C₄；

所述第一开关管T₁的输入端和第二开关管T₂的输入端相连后与所述输入电源的正极连接，所述第四开关管T₄的输出端和所述第三开关管T₃的输出端相连后与所述输入电源的负极连接；

所述第一开关管T₁的输出端与所述第三开关管T₃的输入端相连；所述第四开关管T₄的输入端与所述第二开关管T₂的输出端相连。

4.如权利要求3所述的弧焊电源系统，其特征在于，所述谐振电路(3)包括谐振电感L_r、谐振电容C_r和高频隔离变压器T_r；

所述谐振电感L_r的一端与所述第一开关管T₁和所述第三开关管T₃的连接端相连，所述谐振电容C_r的一端与所述谐振电感L_r的另一端相连；

所述高频隔离变压器T_r的原边线圈的一端与所述谐振电容C_r的另一端相连，原边线圈的另一端连接至所述第二开关管T₂和所述第四开关管T₄的连接端；所述高频隔离变压器T_r的副边线圈包括第一端、第二端和中心抽头，第一端和第二端用于与整流电路(4)连接，中心抽头用于与滤波电路(5)连接。

5.一种基于权利要求1-4任一项所述的弧焊电源系统的控制方法，其特征在于，包括下述步骤：

(1)采集输出电流初始值i_so和谐振电流初始值i_sr，对其进行调理获取输出电流值i_o和谐振电流值i_r；

(2)当第一开关管T₁的驱动信号由低变为高时，检测所述谐振电流i_r的极性，若i_r≤0，则输出锁相信号θ＝-1；若i_r>0，则输出锁相信号θ＝1；

(3)当所述锁相信号θ等于-1时，根据公式u_f＝1+K_pe_i+K_i×(∫e_idt+C)获得开关频率调制电压u_f；并通过以下方式限制所述开关频率调制电压u_f输出值：若u_f≤0，则u_f＝0；若u_f≥1，则u_f＝1，积分常数C＝0；若0＜u_f＜1，则u_f不变；

其中，e_i为电流误差，e_i＝i_o ^*-i_o；K_p和K_i分别为输出电流比例系数和输出电流积分系数，-0.005＜K_p＜-0.0005，-5＜K_i＜-0.5，t为时间，C为积分常数，当前拍计算下的C值为上一拍计算的积分(∫e_idt+C)值，第一次计算时C＝0；i_o ^*为输出电流设定值，i_o为输出电流值；

转步骤(5)；

(4)当所述锁相信号θ等于1时，开关频率调制电压u_f＝1；

(5)根据开关频率调制电压u_f获得开关频率f；并根据所述开关频率 获得锯齿波信号；其中f＝100000+200000×u_f；锯齿波信号的频率为f且幅值为1；

(6)将直流电平信号u_rdc与锯齿波信号进行比较，当直流电平信号u_rdc大于锯齿波信号瞬时值时，输出第一开关管T₁和第四开关管T₄的驱动信号；当直流电平信号u_rdc低于锯齿波信号瞬时值时，输出第二开关管T₂和第三开关管T₃的驱动信号；直流电平信号u_rdc对应输出信号占空比大小，由开关管的死区时间确定，其范围为0～0.5。

6.如权利要求5所述的控制方法，其特征在于，所述输出电流设定值i_o ^*为50A～200A，对应焊接电流，由弧焊电源标准规定或者由用户根据实际使用工况设定得到。

7.一种电源模块，其特征在于，包括输入电源(1)、功率变换电路(2)、谐振电路(3)、整流电路(4)和滤波电路(5)；

所述功率变换电路(2)的输入端与输入电源(1)连接，所述功率变换电路(2)的反馈控制端用于接收外部的控制信号，所述功率变换电路(2)用于根据外部的控制信号将直流电压变换成周期性变化的正负半周期对称的方波电压；

所述谐振电路(3)的输入端连接至所述功率变换电路(2)的输出端，所述谐振电路(3)用于在方波电压的激励下产生近似正弦的高频谐振电流；

所述整流电路(4)的输入端连接至所述谐振电路(3)的输出端，所述整流电路(4)用于将高频谐振电流转换成直流电流；

所述滤波电路(5)的输入端连接至所述整流电路(4)的输出端，所述滤波电路(5)的输出端用于连接负载(7)，所述滤波电路(5)用于对整流电路(4)输出的直流电流进行滤波处理，为负载(7)提供平稳的直流电源。

8.如权利要求7所述的电源模块，其特征在于，所述功率变换电路(2)包括第一开关管T₁、第二开关管T₂、第三开关管T₃、第四开关管T₄，与所 述第一开关管T₁并联连接的第一缓冲电容C₁、与所述第二开关管T₂并联连接的第二缓冲电容C₂、与所述第三开关管T₃并联连接的第三缓冲电容C₃、与所述第四开关管T₄并联连接的第四缓冲电容C₄；

所述第一开关管T₁的输入端和第二开关管T₂的输入端相连后与所述输入电源的正极连接，所述第四开关管T₄的输出端和所述第三开关管T₃的输出端相连后与所述输入电源的负极连接；

所述第一开关管T₁的输出端与所述第三开关管T₃的输入端相连；所述第四开关管T₄的输入端与所述第二开关管T₂的输出端相连。

9.如权利要求7或8所述的电源模块，其特征在于，所述谐振电路(3)包括谐振电感L_r、谐振电容C_r和高频隔离变压器T_r；

所述谐振电感L_r的一端与所述第一开关管T₁和所述第三开关管T₃的连接端相连，所述谐振电容C_r的一端与所述谐振电感L_r的另一端相连；

所述高频隔离变压器T_r的原边线圈的一端与所述谐振电容C_r的另一端相连，原边线圈的另一端连接至所述第二开关管T₂和所述第四开关管T₄的连接端；所述高频隔离变压器T_r的副边线圈包括第一端、第二端和中心抽头，第一端和第二端用于与整流电路(4)连接，中心抽头用于与滤波电路(5)连接。

10.如权利要求9所述的电源模块，其特征在于，所述整流电路(4)包括二极管D₅和二极管D₆；所述二极管D₅的阳极与所述高频隔离变压器T_r副边线圈的第一端相连，所述二极管D₆的阳极与所述高频隔离变压器T_r副边线圈的第二端相连，所述二极管D5的阴极与所述二极管D6的阴极连接后作为所述整流电路(4)的输出端；

所述滤波电路(5)包括滤波电感L_o和滤波电容C_p；所述滤波电感L_o的一端作为所述滤波电路(5)的输入端，所述滤波电感L_o的另一端通过所述滤波电容C_p接地；所述滤波电感L_o的另一端还作为所述滤波电路(5)的输出端。