CN105026090A - 用于软开关焊接式功率的方法和设备 - Google Patents

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Abstract

公开了一种用于提供焊接式功率的方法和设备。所述方法和设备包括开关预调节器，其中所述预调节器是软开关的，并且用于实施软开关的部件是受保护的。

Description

用于软开关焊接式功率的方法和设备
技术领域
本公开一般来讲涉及提供焊接式功率的领域。更具体而言，其涉及使用预调节器和变换器来提供焊接式功率。
背景技术
很多已知类型的焊接式电源提供焊接式功率。这里使用的“焊接式功率”是指适合电弧焊、等离子电弧切割或感应加热的功率。这里使用的“焊接式电源”是指能够提供焊接式功率的电源。焊接式系统用于执行多种工艺，用在各种设置中。这里使用的“焊接式系统”是能够提供焊接式功率并可包括控制和电源电路、送丝器以及辅助设备的系统。
一些焊接式系统包括提供直流总线的预调节器，其后是基于变换器的输出电路。所述预调节器调节输入功率，并提供已知的直流总线。所述基于逆变器的输出电路接收所述总线，并提供焊接式功率作为输出。一种成功的设计包括作为预调节器的一部分的升压电路，输出电路包括逆变器、变压器、整流器和输出电感器。在USP 6987242(Geissler)和USP 6115273(Geissler)中描述了这种类型的焊接式电源。在20090230941(Vogel)中描述了另一种具有变换器输出电路的焊接式电源。所有这三个专利都由本专利所有人拥有，并且所有三个专利据此通过引用的方式并入本文。其他焊接式电源包括更多个级，或者针对每一级使用其他拓扑结构(诸如降压预调节器、用于预调节器的组合升压整流器、代替逆变器或者在逆变器之后的斩波器，以及第二逆变器等等)。
虽然升压预调节器给予许多优点，包括接收一定范围的输入的能力，进行功率因数校正的能力，以及提供允许较小输出变压器的高电压总线的能力，但是所述升压预调节器也具有一些缺陷。例如，所述焊接式电源中的开关损耗可能很大，尤其当焊接式电源被硬开关时。
任意时刻的开关的功率损耗是所述开关两侧的电压乘以流过所述开关的电流。当开关接通时，产生硬开关接通损耗，导致流过所述开关的电流增大，并且花费有限时间使所述开关两侧的电压降到零。软开关尝试通过提供具有与所述开关串联的电感器的辅助或缓冲电路来避免接通损耗，所述辅助或缓冲电路能够限制电流，直到至接通的过渡已经完成并且所述开关两侧的电压是零为止。这被称作零电流过渡(ZCT)开关。
类似地，硬开关关断损耗还在开关关断时发生，导致所述开关两侧的电压上升，并且花费有限时间使流过所述开关的电流降至零。软开关尝试通过提供具有跨所述开关的电容器的辅助或缓冲电路来避免关断损耗，所述辅助或缓冲电路能够限制所述开关两侧的电压，直到至关断的过渡已经完成并且流过所述开关的电流是零为止。这被称作零电压过渡((ZVT)开关。
通常，使用真实的ZCT电路和ZVT电路是不实际的或并非节约成本的。USP 6115273(Geissler)描述了使用缓慢电压/电流过渡(SVT和SCT)的近似法。这里使用的SVT和SCT描述了其中当开关关断或接通时电压或电流的上升被放缓(而非保持为零)的过渡。虽然USP 6115273教示了对现有技术的改善，但是用于提供所述SVT和SCT过渡的电路可能在过渡期间经受应力。尤其是，图5至图13的二极管D4经受应力。
因此，希望使用一种具有开关的预调节器的焊接式电源，其中所述焊接式电源使用SVT和SCT开关方法，并且具有对用于执行所述SVT和SCT的部件的保护。
发明内容
根据本公开的第一方面，一种用于提供焊接式功率的方法包括：预调节输入线电压以提供直流总线，以及将所述直流总线转换成焊接式输出。所述预调节步骤包括SVT和SCT开关升压变换器。所述SVT和SCT开关步骤包括：使升压变换器保持关断，以及允许电流流过升压电感器、缓冲电感器和第一二极管，到达所述直流总线。随后，接通所述升压变换器开关，并且电流从所述缓冲电感器转移到所述开关。随后使所述缓冲电感器中的电流换向，以及通过第三二极管、第一电容器和所述缓冲电感器对第二电容器放电，从而将能量从所述第二电容器传递至所述缓冲电感器。随后，当第二电容器放电时，使电流转向流过第四二极管、所述第三二极管和所述第一电容器，从而将能量从所述缓冲电感器传递至所述第一电容器。随后使电流从所述第一电容器转向流过第五二极管和所述第三二极管，从而增大所述第二电容器上的电压。随后使所述第二电容器上的电压升高，直到电流开始从所述缓冲电感器流动至所述第一电容器为止，以及随后使电流从所述第二电容器转向流过第三二极管到达所述第二二极管。从所述升压电感器流动至所述缓冲电感器的电流增大，直到所有来自所述升压电感器的电流流入所述缓冲电感器，以及随后电流从所述第一电容器转向至所述第一二极管。每当所述开关被循环关断和接通时重复此过程。
根据一个替代方案，开关所述升压变换器的步骤包括：当关断所述开关时，使用电容器使所述开关电压的上升放缓，以及当接通所述开关时，使用电感器使所述开关电流的上升放缓。
根据另一替代方案，转换所述直流总线的步骤包括：将所述直流总线逆变为交流信号，将所述交流信号变压成第二交流信号,以及整流所述交流信号以产生焊接式信号和/或逆变所述焊接式信号以产生交流焊接式信号。
在另一实施例中，预调节步骤包括：接收所述输入线电压并整流所述输入线电压以产生经整流的输入信号，以及将所述经整流的输入信号提供至所述升压电路。
对于本领域的技术人员来说，在细阅以下附图、详细描述和所附权利要求书后，其他主要特征和优点将变得显而易见。
附图说明
图1是焊接式电源的图示；
图2是具有软开关的焊接式电源升压预调节器的图示；
图3是焊接式电源输出电路的图示；以及
图4是全桥逆变器的图示。
在详细说明至少一个实施例之前，应理解的是，本发明在其应用中不限于以下说明所述或附图所示部件的构造和布置。本发明能够具有其他实施例或能够以各种方式实施或实现。而且，应理解的是，本文采用的语句和术语是用于说明的目的，不应视为构成限制。相同的附图标记用于表示相同的部件。
具体实施方式
虽然将参照具体电路和具体系统来阐述本公开，但首先应理解的是，也可以使用其他电路和系统。
一般来说，本优选实施例以诸如USP 6987242和USP 6115273中所示的焊接式系统来实现。其包括产生中间功率信号(优选地是直流总线)的预调节器输入电路、具有逆变器、变压器和整流器的输出电路，以及控制器。另外，在一些实施例中提供输出逆变器以用于交流焊接。输出逆变器接收经变压和整流的信号，并提供交流焊接信号。提供输出电感器，优选是在逆变器之后提供。提供SVT和SCT开关方式，以及对用于实施所述SVT和SCT开关方式的部件的保护。替代方案提供在输出逆变器之前的电感器，省略输出逆变器，使用斩波器，使用降压预调节器，使用组合升压整流预调节器，省略升压(并逆变经整流的输入)。
如本文所用的输入电路包括接收输入功率的电路系统，诸如整流器、滤波器、预调节器等。如这里使用的中间功率信号包括输入电路的输出并且可以是经整流的信号、经调整的信号(诸如升压或降压变换器的输出)或未经调整的直流总线。如这里使用的输出电路包括提供焊接式信号的电路系统，并且可以包括逆变器、变换器、变压器、整流器、滤波器、斩波器等。如这里使用的控制器是相互协作以向一个或多个电路提供控制信号的数字和/或模拟电路系统和/或逻辑/指令。控制器可以位于单个板上，或者分布在多个位置。
在图1中示出了焊接式电源的框图。源201表示用于提供功率至所述焊接式电源的输入线电压。在优选实施例中，所述输入线电压可为90伏与250伏之间的任意值。所述电压通常是以60赫兹的频率运行的(在美国)，并且在优选实施例中为单相的(虽然替代实施例使用三相输入)。也可使用其他电压。
将所述输入电压提供至整流器202，所述整流器202可为简单的桥式整流器。所述整流器202的输出是经整流的正弦波。预调节器204从所述整流器202接收所述经整流的正弦波，并且将直流总线输出提供至输出逆变器205。替代的实施例提供了组合的整流器-升压。
预调节器204在优选实施例中是软开关的升压变换器，所述软开关的升压变换器提供对统一功率因数的靠近。还可使用其他变换器或逆变器配置。在优选实施例中，预调节器204还允许所述输入电压是一定输入电压范围内的任意值。
变换器205，也被称作输出电路，在图3中更详细地示出，并且优选地包括全桥逆变器501、变压器503、输出整流器505、全桥输出逆变器507和输出电感器509。逆变器501和507各自包括至少四个逆变器开关。逆变器501接收直流总线，并以大约20KHz-40KHz的频率利用脉宽调制将其逆变成所需的信号。该频率优选足够高以使变压器503保持较小。负载为变压器503的初级绕组，变压器503的次级绕组被整流作为焊接式输出。输出逆变器507逆变焊接式输出以提供交流焊接输出。如果提供直流焊接，则输出逆变器507可被关断(或者在只有直流焊接式电源的情况下将其省略)。输出逆变器507优选以大约20-400Hz的焊接工艺频率运行。在替代方案中，逆变器501和507中的一者或二者为半桥，或采用其他拓扑结构。控制器209控制所述开关。图4示出了典型的全桥逆变器。
图2示出在所述优选实施例中使用以实施预调节器204的电路(连同整流器202和电压源201)。整流器202是由二极管D6、D7、D8和D9构成的，并且所述升压电路是由升压电感器L1和升压开关Z1构成的。反并联的二极管D5跨开关Z1连接以在过渡期间保护所述开关Z1。所述电路中提供无损耗开关的部分包括缓冲电感器L2(3.9μH)、一对电容器Cl(1μF)和C2(0.068μF)，以及二极管D1、D2、D3和D4。二极管D6保护二极管D4。在USP6115273中详细描述了电路(除D6以外)的运行。以已知方式切换开关Z1，以使得预调节器204的输出是所需的电压，不管所述输入电压是什么。所述输出在电容器C5(2000μF)两侧提供，所述电容器C5为下游变换器提供稳定的电压源。另外，电容器C5防止所述电压高至危险水平并且防止损害所述开关Z1。
电感器L2有效地限制或减缓接通时开关Z1中的电流，直到所述开关电压下降(到接近零)为止。因此，所述接通已经是缓慢电流过渡(SCT)。电容器C1和C2允许用SVT关断二极管D1，由此减少损耗。电容器C2放电至约零伏特，并且所述二极管D4开始导通。当所述二极管D4导通时，电感器L2将储存在其中的能量释放至电容器C1。将电容器C1上的电压能量被转换成电感器L2中的电流，并随后转换成电容器C2上的电压。当所述电荷转换完成并且电流停止在缓冲电感器L2中流动时，缓冲器，并且电感器L1中的电流通过开关Z1而增加。
当开关Z1被关断时，使电流转向流过二极管D4并且进入电容器C2(箭头1001)。电容器C2提供用于开关Z1的SVT时间，由此提供软关断。电容器C1上的电压最终开始在电感器L2中重建电流。电容器C2上的电压持续升高，直到来自电感器L1并且未被电感器L2获取的电流转向流过二极管D3为止。电容器C1上的电压继续增加电感器L2中的电流。
最终来自电感器L1的所有电流流经电感器L2，并且流经二极管D3和D4的电流停止。电容器C1继续将能量给予至总线。当电容器C1上的所有能量被耗尽(到达总线)时，电流从电感器L1流到电感器L2，并流经二极管D1。这是一开始描述的状态，并且重复所述循环。
因此，当开关Z1被关断时，通过电容器C2使开关Z1两侧的电压上升放缓，以使电流下降。因此，当开关Z1被接通时，通过电感器L2使所述开关Z1中的电流上升放缓，以使电压下降。此外，二极管D1是通过电容器C1和电容器C2软开关的。
在现有技术中未教示二极管D6。当电容器C1放电时，二极管D6对电容器C2充电。这使得二极管D4保持关断，并且所述开关无需接通。在没有二极管D6的情形下，二极管D4可能失效，尤其是在具有三相输入的高功率时。
可以对本公开作很多修改，这些修改仍落入本公开意欲的范围内。应当清楚的是，已提供了用于提供具有软开关方式的焊接式功率并同时保护完全满足上述目的和优点的部件的方法和设备。虽然本公开已描述了其具体实施例，但很明显许多替代方案、修改和变化对于本领域的技术人员来说将是显而易见的。因此，本发明旨在涵盖落入所附权利要求的精神和宽广范围内的所有此类替代方案、修改和变化。

Claims (10)

  1. 以下限定了要求其中独占权或特权的本发明实施例：
    1.一种提供焊接式功率的方法，包括：
    预调节输入线电压以提供直流总线；以及
    将所述直流总线转换成焊接式输出；
    其中所述预调节步骤包括对升压变换器进行SVT和SCT开关，其中所述SVT和SCT开关步骤包括：
    维持升压变换器关断，并使得电流流经升压电感器、缓冲电感器和第一二极管，到达所述直流总线；
    接通所述升压变换器，并且使电流从所述缓冲电感器转向至所述开关；
    使所述缓冲电感器中的所述电流换向；
    使第二电容器通过第三二极管、第一电容器和所述缓冲电感器放电，从而将能量从所述第二电容器传递至所述缓冲电感器；
    当所述第二电容器放电时，使电流转向流过第四二极管、所述第三二极管和所述第一电容器，从而将能量从所述缓冲电感器传递至所述第一电容器；
    使所述第二电容器上的所述电压上升，直到电流开始从所述缓冲电感器流到所述第一电容器为止；
    使电流从所述第二电容器转向流过第三二极管，到达第二二极管；
    使从所述升压电感器流到所述缓冲电感器的电流增大，直到来自所述升压电感器的所有电流流入所述缓冲电感器为止；
    使电流从所述第一电容器转向流过第五二极管和所述第三二极管，从而增大所述第二电容器上的电压；
    使电流从所述第一电容器转向至所述第一二极管；并且重复所述升压变换器的SVT和SCT开关步骤。
  2. 2.根据权利要求1所述的方法，其中对升压变换器进行SVT和SCT开关的步骤包括：当关断所述开关时，使用电容器使所述开关电压上升放缓，以及当接通所述开关时，使用电感器使所述开关电流上升放缓。
  3. 3.根据权利要求2所述的方法，其中转换所述直流总线的步骤包括：将所述直流总线逆变成交流信号，将所述交流信号变压成第二交流信号，以及整流所述交流信号以产生焊接式信号。
  4. 4.根据权利要求3所述的方法，其中转换所述直流总线的步骤还包括：逆变所述焊接式信号以产生交流焊接式信号。
  5. 5.根据权利要求4所述的方法，其中所述预调节步骤还包括：接收所述输入线电压并整流所述输入线电压以产生经整流的输入信号，以及将所述经整流的输入信号提供至所述升压电路。
  6. 6.一种焊接式电源，包括：
    用于预调节所述输入线电压以提供直流总线的装置；以及
    用于将所述直流总线转换成焊接式输出的装置；
    其中所述预调节包括对升压变换器进行SVT和SCT开关的装置；
    其中所述对升压变换器进行SVT和SCT开关的装置包括：
    维持升压变换器的关断并使得电流流经升压电感器、缓冲电感器和第一二极管并到达所述直流总线的装置；
    用于接通所述升压变换器并且使电流从所述缓冲电感器转向至所述开关的装置；
    用于使所述缓冲电感器中的所述电流换向的装置；
    用于使第二电容器通过第三二极管、第一电容器和所述缓冲电感器放电从而将能量从所述第二电容器传递至所述缓冲电感器的装置；
    用于当所述第二电容器放电时，使电流转向流过第四二极管、所述第三二极管和所述第一电容器从而将能量从所述缓冲电感器传递至所述第一电容器的装置；
    用于使所述第二电容器上的所述电压上升直到电流开始从所述缓冲电感器流到所述第一电容器的装置；
    用于使电流从所述第二电容器转向流过第三二极管并到达所述第二二极管的装置；
    用于使从所述升压电感器流到所述缓冲电感器的电流增大直到来自所述升压电感器的所有电流流入所述缓冲电感器的装置；
    用于使电流从所述第一电容器转向流过第五二极管和所述第三二极管从而增大在所述第二电容器上的所述电压的装置；以及
    用于使电流从所述第一电容器转向至所述第一二极管的装置。
  7. 7.根据权利要求6所述的焊接式电源，其中所述用于对升压变换器进行SVT和SCT开关的装置还包括：用于当关断所述开关时使用电容器使所述开关电压上升放缓以及当接通所述开关时使用电感器使所述开关电流上升放缓的装置。
  8. 8.根据权利要求7所述的焊接式电源，其中所述用于转换所述直流总线的装置包括：用于将所述直流总线逆变成交流信号的装置，用于使所述交流信号变压成第二交流信号的装置，以及用于整流所述交流信号以产生焊接式信号的装置。
  9. 9.根据权利要求8所述的焊接式电源，其中所述用于转换所述直流总线的装置还包括：用于转换所述焊接式信号以产生交流焊接式信号的装置。
  10. 10.根据权利要求5所述的焊接式电源，其中所述用于预调节的装置还包括：用于接收所述输入线电压并整流所述输入线电压以产生经整流的输入信号并将所述经整流的输入信号提供至所述升压电路的经整流的输入信号的装置。
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