CN105189010A - 用于提供焊接式功率的方法和设备 - Google Patents

Abstract

公开了一种用于提供焊接式功率的方法和设备。焊接式电源包括输入电路、控制器和输出电路。输入电路接收输入功率信号，并提供中间功率信号。输出电路接收中间功率信号，并提供焊接式功率输出。输出电路具有带有至少两个逆变器开关的逆变器，以及限制逆变器两侧的电压的箝位电路。箝位电路捕获并缓冲多余的能量，并在多个开关周期上将多余能量返回至逆变器的输入。控制器的控制输出连接至输入电路和输出电路以对它们进行控制。

Description

用于提供焊接式功率的方法和设备

技术领域

本公开总体来讲涉及提供焊接式功率的技术。更具体而言，其涉及使用基于逆变器的输出电路提供焊接式功率。

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各种工艺并用在各种场合中。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功率电路、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，其后是基于逆变器的输出电路。预调节器调节输入功率，并提供已知的直流总线。基于逆变器的输出电路接收总线，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，并且输出电路包括逆变器、变压器、整流器和输出电感器。在USP6987242(Geissler)中描述了这种类型的焊接式电源。具有基于逆变器的输出电路的其他焊接式电源包括USP6115273(Geissler)和专利公布20090230941(Vogel)，所有三个专利都由本专利所有人拥有，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额外的级，或者针对每一级使用其他拓扑(诸如降压预调节器、组合整流升压预调节器，代替逆变器或者在逆变器之后的斩波器，在第一逆变器之后的第二逆变器等等)。

基于逆变器的输出电路提供了许多优点，但是它们也具有一些缺陷。首先，在逆变器电路中使用的开关和二极管可发生故障，尤其当暴露于比额定电压更高的电压下时。箝位电压是已知的，但是可能导致过量损耗。此外，使开关和二极管换向可能产生过量的热，USP6801443将全部的箝位能量返回至一个单一开关事件中的输出内。

绝大多数焊接式电源包括并且输出电感器。启动所述焊接工艺可能是困难的，尤其当使用大的输出电感器时，这是因为在能够执行焊接之前该电感器必须“被充电”。由于在启动期间电压比寻常的起弧电压更高，所以启动所述焊接工艺可能变得更为困难。以往已经通过总线“消弧电路”来启动焊接式电源，但是所述总线“消弧电路”可能对部件产生压力。

因此，具有以有效方式箝位的逆变器输出电路的焊接式电源是理想的。优选地,此类焊接式电源还将提供装置的有效换向，并提供焊接工艺的有效启动。

发明内容

根据本公开的第一方面，焊接式电源包括输入电路、控制器和输出电路。输入电路接收输入功率信号，并提供中间功率信号。输出电路接收中间功率信号，并提供焊接式功率输出。输出电路具有带至少两个逆变器开关的逆变器，以及限制逆变器两侧的电压的箝位电路。箝位电路捕获并缓冲多余的能量，并在多个开关周期上将多余的能量返回至逆变器的输入。控制器的控制输出连接至输入电路和输出电路以对它们进行控制。

根据本公开的第二方面，一种提供焊接功率的方法包括：接收输入功率和提供中间功率信号。所述中间功率信号是通过控制至少两个逆变器开关提供逆变器的输出而逆变的。对逆变器两侧的电压进行箝位，并捕获和缓冲多余的能量，以在多个开关周期上将多余能量提供至逆变器的输入。

所述箝位电路在一个实施例中包括降压电路。

所述输出电路在另一个实施例中包括中间逆变器、变压器和整流器。所述中间逆变器接收中间功率信号，并且提供中间交流信号至变压器。所述变压器提供经变压的交流信号至所述整流器。所述整流器提供经整流的直流信号至所述逆变器。

在另一实施例中，所述整流器包括至少两个二极管，第二箝位电路限制所述至少两个二极管两侧的电压，并且提供电压源两侧的输出。

在一个替代方案中，所述箝位电路包括连接至降压电路的电压源。

在其它替代方案中，所述逆变器是具有两个逆变器开关的半桥逆变器，或者是具有四个逆变器开关的全桥逆变器。

在又一实施例中，所述降压电路具有降压开关，并且指示箝位两侧的电压的反馈被提供至控制器，以使得所述控制器响应于逆变器两侧的电压而控制所述降压开关。

根据本公开的第三方面，焊接式电源包括输入电路、中间逆变器、变压器、整流器、输出电感器和控制器。所述输入电路接收输入功率信号并提供中间功率信号。所述中间逆变器接收中间功率信号，并且提供中间交流信号。所述变压器接收中间交流信号并且提供经变压的交流信号。所述整流器接收中间交流信号并且提供经整流的直流信号至电感器。所述整流器包括至少两个二极管和一箝位电路，所述箝位电路限制二极管两侧的电压并且捕获多余的能量。所述控制器控制所述输入电路和所述中间逆变器。

根据本公开的第四方面，焊接式电源包括输入电路、输出电路和控制器。所述输出电路接收中间信号，并提供焊接式信号。所述输出电路包括输出电感器和逆变器。所述逆变器具有至少两个逆变器开关。所述逆变器包括具有电压源的箝位电路，并且所述箝位电路被连接以对所述电感器进行充电。所述控制器控制所述输入电路和所述输出电路。

所述箝位电路限制逆变器两侧的电压，并且包括可用于帮助起弧和稳弧的降压电路。

在另一实施例中，所述输出电路包括变压器和具有至少两个二极管的整流器以及第二箝位电路，所述第二箝位电路限制至少两个二极管两侧的电压并且提供电压源两侧的输出。

在另一实施例中，所述输入电路包括升压电路，并且所述中间功率信号是升压的直流总线。

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是根据优选实施例的焊接式系统的图示；

图2是用作中间逆变器的全桥逆变器电路；

图3是用于逆变器的箝位电路；

图4是用于逆变器的箝位电路；

图5是输出电路的图示；并且

图6是用作输出逆变器的全桥逆变器电路。

在详细解释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的细节。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。另外，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USP6987242中所示的焊接式系统实现。其包括产生中间功率信号(优选直流总线)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，本优选实施例提供了输出逆变器，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。替代方案在输出逆变器之前提供电感器，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)。

如这里使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、扼流器等。如这里使用的控制器是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。

该优选实施例具有用于输出逆变器的箝位电路以及用于输出整流器的箝位电路。用于输出逆变器的箝位电路包括降压变换器，降压变换器从箝位获取能量并逐渐地将多余能量再循环回到输出电路中(到达输出逆变器的输入)，并保持受控制的稳定箝位电压。降压电路还对输出整流器二极管箝位，并通过向输出施加高箝位电压以抵消所遇到的高起弧电压瞬变来帮助起弧和稳弧。换言之，用于输出二极管的箝位电路的输出被反馈到输出逆变器箝位以充当电压源。另外，300伏的电压源可以用于对输出电感器快速充电。

如这里使用的箝位电路是指用于箝位电路系统两侧的电压(诸如箝位二极管两侧的电压)以保护电路系统的电路。如这里使用的箝位电路输出是指被箝位的提供给其他电路系统的能量。

图1是根据优选实施例的焊接式系统100的图示。焊接式系统100包括输入电路或预调节器102、输出电路104和控制器106。除了如本文所述那样，这些模块优选设计为如USP6987242中所示。

预调节器102优选为升压预调节器，但也可以使用诸如降压、cuk等其他拓扑结构。预调节器102优选地在电容器103两侧向逆变器104提供940V经调节的直流总线。其他实施例在输入电路102与输出电路104之间、或在输出电路104之前、或作为输出电路104的一部分，提供未经调节的总线，或提供额外的级作为输入电路102的一部分。

输出电路104在图5中更详细地示出，其优选包括全桥逆变器501、变压器503、输出整流器504、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，并且变压器503的次级绕组被整流为焊接式输出。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优选地以约20-400Hz的焊接工艺频率运行。在替代方案中，逆变器501和504中的一者或二者为半桥，或采用其他拓扑结构。半桥逆变器包括至少两个逆变器开关。如这里使用的逆变器开关是指用于逆变信号的开关。单个逆变器开关可以包括起到单个开关作用的几个并联装置。

控制器106可以是分立部件或集成电路，并且其可以是模拟的或者可以包括模拟和数字控制元件的组合。控制器106接收来自预调节器102和输出电路104的必要反馈，以控制那些电路中的开关，从而提供所需的直流总线和所需的焊接式输出。

图2示出了具有四个逆变器开关S1-S4和四个二极管D1-D4以及电容器C1和C2的典型全桥逆变器电路。负载是变压器T1的初级绕组。变压器T1的次级绕组经整流并提供作为焊接式输出。

输出电路104还包括作为逆变器507的一部分的箝位电路，以限制逆变器507两侧的电压。箝位电路300在图3中示出并包括降压电感器302、降压开关304、二极管306和308、电容器310以及电压源312。箝位电路300的输出被提供给逆变器507的输入(整流器505的输出)。因此，来自箝位的能量被回收而用于焊接输出中。如下面所述，300伏的源可从箝位输出二极管回收，其可以是单独的源，或者是独立电压和回收电压的组合。

降压变换器还用于帮助起弧和稳弧。焊接控制能够超越常规的降压变换器控制(返回能量至焊接)，并使其施加较高箝位电压至逆变器的输入或经整流的直流链路。这允许在需要时提供高驱动电压至输出。如这里使用的限制逆变器两侧的电压是指箝位逆变器桥中的二极管两侧的电压。如这里使用的逆变器两侧的电压是指逆变器桥中的二极管两侧的电压。

在该优选实施例中，降压开关304被控制以提供三个优点。电流(来自输出整流器箝位)以逐渐连续的方式(即，在多个开关周期上)再循环回到输出逆变器507的输入，并因此以逐渐的方式将箝位的能量提供回到焊接输出中，并且其保持箝位电压处于控制下。而且，降压开关304被控制以：通过提供高电压至输出电路来抵消瞬时高起弧电压并使输出电感器中的电流保持升高，从而在输出逆变器507中的开关换向期间帮助电流换向。另外，降压开关304被控制以提供高电压，从而抵消高初始起弧电压并在焊接开始时帮助电流开始升高。300伏的源可以用于在低电流输出换向(当无需对不足以从箝位至换向的能量进行箝位时)。降压开关304由控制器106控制，该控制器接收指示总线、箝位和逆变器电压的反馈信号。300伏的源312在该优选实施例中还用于对输出电感器509充电，而不是对总线进行消弧。

输出电路104包括变压器的初级/次级绕组503、整流器505，整流器505包括二极管402和404，如图4所示。二极管406箝位二极管402和404，并且该箝位被提供作为电压源412。该电压能够超越300伏的源，或者300伏的源可以得自源412。图6更详细地示出了输出逆变器507，其包括开关601-604。还示出了电容器310、二极管306和输出电感器509。

替代方案包括仅箝位输出逆变器507或仅箝位输出二极管402和404，不提供300伏的源，以及不利用箝位的电压使逆变器507换向，或者不使用300伏的源对输出电感器509进行充电。

可以对本公开进行很多修改，这些修改仍落入其意欲的范围内。因此，应当清楚的是，已提供了用于提供完全满足上述目的和优点的焊接式电源的方法和装置。虽然本公开已描述其具体实施例，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广泛范围内的所有这些替代方案、修改和变化。

Claims (23)

1. 以下限定了要求其中独占权或特权的本发明实施例：

   1.一种焊接式电源，包括：

   输入电路，设置成接收输入功率信号并提供中间功率信号；

   输出电路，设置成接收所述中间功率信号并提供焊接式功率输出，其中所述输出电路包括具有至少两个逆变器开关的逆变器，其中所述逆变器包括限制所述逆变器两侧的电压的箝位电路，并且其中所述箝位电路捕获并缓冲多余的能量，并在多个开关周期上将所述多余能量返回至所述逆变器的输入；以及

   控制器，其控制输出连接至所述输入电路和所述输出电路。
2. 2.根据权利要求1所述的焊接式电源，其中所述箝位电路包括降压电路。
3. 3.根据权利要求2所述的焊接式电源，其中所述箝位电路包括连接至所述降压电路的电压源。
4. 4.根据权利要求3所述的焊接式电源，其中所述逆变器是半桥逆变器和全桥逆变器之一。
5. 5.根据权利要求3所述的焊接式电源，其中所述输出电路包括中间逆变器、变压器和整流器，其中所述中间变压器设置成接收所述中间功率信号并向所述变压器提供中间交流信号，并且其中所述变压器设置成向所述整流器提供经变压的交流信号，并且其中所述整流器设置成向所述逆变器提供经整流的直流信号。
6. 6.根据权利要求5所述的焊接式电源，其中所述整流器包括至少两个二极管，并且其中第二箝位电路限制所述至少两个二极管两侧的电压，并且其中所述箝位电路提供所述电压源两侧的输出。
7. 7.根据权利要求1所述的焊接式电源，其中所述输入电路包括升压电路，并且所述中间功率信号是升压的直流总线。
8. 8.一种提供焊接电源的方法，包括：

   接收输入功率信号并提供中间功率信号；

   将所述中间功率信号转换成焊接式信号，包括通过控制至少两个逆变器开关来逆变直流信号以提供逆变器输出；以及

   箝位所述逆变器两侧的电压并捕获和缓冲多余能量，并在多个开关周期上将所述多余能量返回至所述逆变器；以及

   控制器，其控制输出连接至所述输入电路和所述输出电路。
9. 9.根据权利要求8所述的方法，其中所述箝位步骤进一步包括：控制降压电路。
10. 10.根据权利要求9所述的方法，其中所述箝位步骤进一步包括：提供电压源至所述降压电路。
11. 11.根据权利要求8所述的方法，其中所述逆变步骤包括：半桥逆变和全桥逆变中的至少一者。
12. 12.根据权利要求8所述的方法，其中转换步骤进一步包括：接收和逆变所述中间功率信号，以提供中间交流信号，将所述中间交流信号变压成第二交流信号，对所述第二交流信号进行整流以提供所述直流信号。
13. 13.根据权利要求12所述的方法，进一步包括：用具有输出的箝位电路箝位经整流的输出，以及提供所述箝位电路的输出作为所述电压源。
14. 14.一种焊接式系统，包括：

    用于接收输入功率信号并提供中间功率信号的装置；

    用于逆变所述中间功率信号的装置；

    用于箝位所述逆变器两侧的电压并捕获和缓冲多余能量并在多个开关周期上将所述多余能量返回至直流信号装置的装置。
15. 15.根据权利要求14所述的焊接式系统，其中所述用于箝位的装置进一步包括用于控制降压电路的装置。
16. 16.根据权利要求15所述的焊接式系统，其中所述用于箝位的装置进一步包括用于提供电压源的装置。
17. 17.根据权利要求14所述的焊接式系统，其中所述用于接收输入功率信号并提供中间功率信号的装置包括：用于将所述输入功率信号转换成第一直流总线的装置；用于接收和逆变所述第一直流总线以提供中间交流信号的装置；用于将所述中间交流信号变压成第二交流信号的装置；以及用于整流所述第二交流信号以提供所述中间功率信号的装置。
18. 18.根据权利要求17所述的焊接式系统方法，进一步包括：用于箝位的装置；用于整流的装置；以及用于提供所述箝位信号作为电压源的装置。
19. 19.一种焊接式电源，包括：

    输入电路，设置成接收输入功率信号并提供中间功率信号；

    中间逆变器，设置成接收所述中间功率信号并提供中间交流信号；

    变压器，设置成接收所述中间交流信号并且提供经变压的交流信号；

    整流器，所述整流器之后为输出电感器，其中所述整流器设置成接收所述中间交流信号并且提供经整流的直流信号至所述电感器，其中所述整流器包括至少两个二极管，并且其中箝位电路限制所述至少两个二极管两侧的电压，并且使用多余的能量来迫使所述输出电感器中的电流升高；以及

    控制器，所述控制器具有连接到所述输入电路和所述中间逆变器的控制输出。
20. 20.一种焊接式电源，包括：

    输入电路，设置成接收输入功率信号并提供中间功率信号；

    输出电路，设置成接收所述中间功率信号并且提供焊接式功率输出，其中所述输出电路包括具有至少两个逆变器开关的逆变器，并且其中所述输出电路包括输出电感器，所述焊接式功率通过所述输出电感器提供，其中所述逆变器包括具有电压源的箝位电路，并且其中所述箝位电路被连接以对所述输出电感器进行充电；以及

    控制器，其控制输出连接至所述输入电路和所述输出电路。
21. 21.根据权利要求20所述的焊接式电源，其中所述箝位电路限制所述逆变器两侧的所述电压，并且其中所述箝位电路包括连接至所述电压源的降压电路。
22. 22.根据权利要求20所述的焊接式电源，其中所述输出电路进一步包括中间逆变器、变压器和整流器，其中所述中间逆变器设置成接收所述中间功率信号，并且设置成提供中间交流信号至所述变压器，并且其中所述变压器设置成提供经变压的交流信号至所述整流器，并且其中所述整流器设置成提供经整流的信号至所述逆变器，并且其中所述整流器包括至少两个二极管，并且其中第二箝位电路限制所述至少两个二极管两侧的所述电压，并且其中所述箝位电路提供所述电压源两侧的输出。
23. 23.根据权利要求22所述的焊接式电源，其中所述输入电路包括升压电路，并且所述中间功率信号是升压的直流总线。