CN108602150B - 用于有效地提供弧焊电源的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

焊接或切割装置包括耦接在第一节点与第二节点之间的第一晶体管。第一晶体管控制在焊接或切割操作期间提供给电感器的电流和电压。焊接或切割装置还包括在第二节点与第三节点之间与第一晶体管串联耦接的第一二极管以及在第一节点和第四节点之间与第一晶体管和第一二极管并联耦接的第二二极管。另外，焊接或切割装置包括第二晶体管，该第二晶体管在第四节点与第三节点之间与第二二极管串联耦接并且与第一晶体管和第一二极管并联。第二晶体管控制在电感器的续流操作期间施加到晶体管的电压。另外，焊接或切割装置包括电感器，其被布置在第二节点与第四节点之间并且耦接到输出的第一端子以及输出的第二端子，输出的第二端子耦接到第四节点。另外，焊接或切割装置包括总线电容器，该总线电容器在第三节点与第一节点之间与第一晶体管和第一二极管并联耦接。

Description

用于有效地提供弧焊电源的系统和方法
相关申请的交叉参考
本申请是于2015年12月28日提交的标题为“用于有效地提供弧焊电源的系统和方法(Systems and Methods for Efficient Provision of Arc Welding Power Source)”的美国临时申请号62/271,811的非临时美国专利申请，其全部内容特此针对全部目的通过引用并入本文。
背景技术
本公开总体上涉及焊接电力供应，并且更具体地涉及用于控制通过功率控制电路的输出负载的电流的系统和方法。
焊接电力供应电路通常将来自主电源的功率转换为适合于焊接操作的输出。输出功率以适当的电压或电流电平提供，并且可根据工艺要求进行控制和调节。一些焊接工艺要求输出为交流电(AC)。例如，用于钨极气体保护电弧焊(GTAW)或埋弧焊(SAW)的典型高电流交流输出可能需要有效地产生数百安培量级的方波输出的电路。被设计成满足该需求的典型电路拓扑结构包括：降压转换器，其阶梯式降低所提供的直流(DC)电压；全桥逆变器，其将阶梯式降低的直流电压转换为交流输出；以及输出钳位电路，其用于抑制在输出电流反转期间由来自焊接电缆的寄生输出电感引起的输出能量。
因为焊接操作通常需要在输出处具有高电流电平和低电压电平，所以典型的焊接和等离子体切割电力供应电路的重要设计标准是电路中功率损耗的限制。然而，现在认识到，传统的电力供应电路包括通常包含多个晶体管和二极管的部件组合(例如，降压转换器、全桥逆变器和输出钳位电路)，这很大程度地造成电路中的功率损耗，导致电路设计效率低下。事实上，现在已经认识到，需要减少电路中的功率损耗并提高焊接电力供应效率的电路。
发明内容
在一实施例中，焊接或切割电路包括输入支线，该输入支线包括耦接在高总线与低总线之间的电容器。另外，焊接或切割电路包括与输入支线并联耦接的降压转换器。降压转换器包括第一晶体管、第一二极管以及电耦接到第一晶体管与第一二极管之间的节点的输出，并且降压转换器将输入电压转换为电感器中的电流，该电感器耦接到降压转换器的输出。另外，焊接或切割电路包括与输入支线并联耦接的操纵支线。操纵支线控制电感器中电流下降的速率。
在一实施例中，控制通过焊接或切割电路的输出负载的电流的方法包括通过切换第一晶体管来对来自焊接或切割系统的电压输入支线的电压进行脉宽调制以提供通过电感器和焊接或切割电路的输出的电流电平。在降压转换器构成中，第一晶体管与第一二极管串联布置，并且电感器从第一晶体管与第一二极管之间的节点延伸到焊接或切割电路的输出负载。另外，该方法包括至少部分地通过在断开配置与闭合配置之间切换焊接或切割电路的第二晶体管来控制通过电感器和焊接或切割电路的输出的电流。
在一实施例中，焊接或切割电路包括输入支线。输入支线包括耦接在高总线与低总线之间的电容器。另外，焊接或切割电路包括与输入支线并联耦接的降压转换器。降压转换器包括第一晶体管、第二晶体管以及电耦接到第一晶体管与第二晶体管之间的节点的输出，并且降压转换器将输入电压转换为电感器中的电流，所述电感器耦接到降压转换器的输出。另外，焊接或切割电路包括与输入支线并联耦接的操纵支线，并且操纵支线滞后地控制电感器中的电流减小的速率。
附图说明
当参考附图阅读具体实施方式时，本公开的这些和其它特征、方面和优点将变得更好理解，其中：
图1说明了根据本公开的各方面的示例性焊接、切割或加热电力供应；
图2是说明根据本公开的各方面的焊接电力供应的输出功率控制电路的示例性实施例的电路图；
图3是说明根据本公开的各方面的输出功率控制电路的示例性实施例的电路图，其中建立从左向右通过输出负载的电流；
图4是说明根据本公开的各方面的输出功率控制电路的示例性实施例的电路图，其中电流从左向右续流通过输出负载；
图5是说明根据本公开的各方面的输出功率控制电路的示例性实施例的电路图，其中建立从右向左通过输出负载的电流；
图6是说明根据本公开的各方面的输出功率控制电路的示例性实施例的电路图，其中电流从右向左续流通过输出负载；
图7是说明根据本公开的各方面的输出功率控制电路的示例性实施例的电路图，示出电流从左向右反转为从右向左通过输出负载的第一步骤；
图8是说明根据本公开的各方面的输出功率控制电路的示例性实施例的电路图，示出电流从左向右反转为从右向左通过输出负载的第二步骤；
图9是说明根据本公开的各方面的输出功率控制电路的示例性实施例的电路图，示出电流从右向左反转为从左向右通过输出负载的第一步骤；
图10是说明根据本公开的各方面的输出功率控制电路的示例性实施例的电路图，示出电流从右向左反转为从左向右通过输出负载的第二步骤；
图11A和11B是在输出功率控制电路操作期间产生的示例性波形的图形表示；
图12是说明根据本公开的各方面的焊接电力供应的输出功率控制电路的示例性实施例的电路图；
图13是说明根据本公开的各方面的焊接电力供应的输出控制电路的附加实施例的电路图；
图14是说明根据本公开的各方面的图13的输出控制电路的实施例的电路图，其中电流在输出功率控制电路的低侧中从左向右续流通过输出负载；
图15是说明根据本公开的各方面的图13的输出控制电路的实施例的电路图，其中电流在输出功率控制电路的高侧中从左向右续流通过输出负载；
图16是说明根据本公开的各方面的图13的输出控制电路的实施例的电路图，其中高侧晶体管和低侧晶体管处于断开位置；
图17是说明根据本公开的各方面的具有四象限滞后控制的输出控制电路的实施例的电路图；
图18是根据本公开的各方面的由传感器测量的通过输出功率控制电路的电感器的电流的曲线图；
图19是说明根据本公开的各方面的图17的输出控制电路的实施例的电路图，其中电流从左向右流过输出负载；并且
图20是说明根据本公开的各方面的图17的输出控制电路的实施例的电路图，其中电流从右向左流过输出负载。
具体实施方式
图1说明了根据本公开的各方面的示例性焊接、切割或加热电力供应10，其用于对焊接、切割或加热操作供电并控制这些操作。所说明的实施例中的电力供应单元10包括控制面板12，通过该控制面板12，用户可通过旋钮14或其它面板部件控制诸如电力、气流等等材料到焊接、切割或加热操作的供应。电力供应10包含端口16，该端口可将电力供应10通信地耦接到其它系统部件，诸如焊炬、工作引线、壁式电源插座等等。单元10的便携性取决于一组轮子18，其使得用户能够容易地将电力供应单元10移动到工件的位置。
图2是说明根据本公开的各方面的焊接电力供应10的输出功率控制电路20的一个实施例的电路图。功率控制电路20根据执行焊接、切割或加热操作的需要将未经调节的DC输入转换为调节后的AC输出。例如，典型的埋弧焊(SAW)操作可能需要几百安培的调节后的高电流方波输出。然而，主电源(诸如壁式插座)会提供不足以进行SAW操作的未经调节的AC输出。因此，现在已经认识到，电路必须将主电源的输出转换为适合于正在执行的焊接、切割或加热操作的输出。在操作中，图2中所说明的功率控制电路20有效地将来自主电源的对第一电容器22的未经调节的DC输入转换为调节后的AC输出以用于焊接、切割或加热操作。在下面的讨论中，图2中所说明的功率控制电路20为了解释目的而可能会分解成支线和侧。然而，本领域技术人员将理解的是，电路20的部件可以不同方式布置和/或分组，同时保持电路20的整体功能。
脉宽调制(PWM)支线24调制从第一电容器22接收的电流，使得接收的未调节的DC电流被转换为调节后的DC电流。PWM支线24包括并联耦接的第一晶体管26和第一二极管28、并联耦接的第二晶体管30和第二二极管32、电感器34以及输出38的第一端子36。第一晶体管26和第一二极管28可位于第一节点40与第二节点42之间。如图2中所说明，第一节点40可定位成使其位于电路20的第一外边缘41上。第二节点42位于电路20的第一外边缘41下方，但高于电路20的第二外边缘43。第二晶体管30和第二二极管32可位于第二节点42与第三节点44之间，该第三节点可被定位成使得其位于电路20的第二外边缘43上。电感器34可位于第二节点42和输出38的第一端子36之间并且平行于电路20的第一外边缘41和第二外边缘43。
根据焊接或等离子体切割操作的需求所规定，PWM支线24交替切换第一晶体管26或第二晶体管30以增加或减小输出38处的电流。在一些实施例中，第一晶体管26、第二二极管32和电感器34可被配置为用作降压转换器。类似地，在一些实施例中，第二晶体管30、第一二极管28和电感器34可被配置为用作降压转换器，从而通过在电感器34中存储能量并随后释放电感器34中的能量来将能量从输入传递到输出。总之，第一晶体管26、第一二极管28、第二晶体管30、第二二极管32和电感器34可用作双向降压转换器，其将第一电容器22两端的DC电压转换为电感器34中的调节后的DC电流。
包括并联耦接的第三晶体管48和第三二极管50以及并联耦接的第四晶体管52和第四二极管54的操纵支线46形成半桥逆变器，该半桥逆变器确定通过电感器34的电流的方向。操纵支线46位于电路20的第一外边缘41和第二外边缘43之间。在操作期间，通过导通和关断第三晶体管48和第四晶体管52，操纵支线46促进电流从右向左通过电感器34或者从左向右通过电感器34。第三晶体管48和第三二极管50可位于第一节点40与第四节点56之间。第四晶体管52和第四二极管54可位于第四节点56与第三节点44之间，使得它们与第一节点40以及第四节点56串联存在，该第一节点40位于电路20的第一外边缘41上，该第四节点56位于电路20的第一外边缘41与电路20的第二外边缘43之间。从第四节点56平行于电路20的第一外边缘41和第二外边缘43延伸的输出38的第二端子58可被配置为从操纵支线46接收电流。
输出钳位支线59包括第二电容器60，其被配置为用作输出钳位电路，该输出钳位电路在极性反转期间抑制焊接或切割电缆的寄生输出电感中的能量。输出钳位支线59位于电路20的第一外边缘41和第二外边缘43之间并且连接第一外边缘41和第二外边缘43。在一些实施例中，第二电容器60的容量远小于第一电容器22的容量。在一些实施例中，极性反转期间第二电容器60中的峰值电流可为电感器34以及焊接或切割电缆的寄生输出电感中的电流。
输入支线61包括串联布置的第一电容器22和阻流二极管62。如图2中所说明，阻流二极管62可位于电路20的第一外边缘41上，并且第一电容器22可位于电路20的第一外边缘41和第二外边缘43之间。输入支线61位于电路20的第一外边缘41和第二外边缘43之间。第一电容器22被配置为从主电源接收电力，该主电源可包括线频率阶梯下降变压器和整流器。变压器可为单相或三相，并且可输出50Hz或60Hz。变压器可具有多个主抽头以适应多个输入电压。如下面更详细描述的，阻流二极管62允许第二电容器60在极性反转期间与电感器34和寄生输出电感的串联组合形成谐振。
图3是说明输出功率控制电路20的示例性实施例的电路图，其中建立从左向右通过电感器34的电流64(即，状态1)。为了建立通过电感器34的从左向右的电流64，第四晶体管52导通，并且第一晶体管26被脉宽调制以调节通过电感器34的电流的量值。电流64的正向路径源自第一电容器22并且流过阻流二极管62、第一节点40、第一晶体管26、电感器34、输出38的第一端子36、输出38、输出38的第二端子58、第四节点56、第四晶体管52、第三节点44并返回到第一电容器22。当第一晶体管26的脉宽调制规定其关断时，建立如图4中所说明的续流电流路径66以允许流过电感器34的电流的量值减小(即，状态2)。续流电流路径66从左向右流过电感器34并且通过第二二极管32、第二节点42、电感器34、输出38的第一端子36、输出38、输出38的第二端子58、第四节点56、第四晶体管52和第三节点44。当DC电流从左向右流过电感器34时，不使用第二晶体管30、第一二极管28、第三二极管50和第三晶体管48。
图5是说明输出功率控制电路20的示例性实施例的电路图，其中建立从右向左通过电感器34的电流68(即，状态5)。为了建立通过电感器34的从右向左的电流68，第三晶体管48导通，并且第二晶体管30被脉宽调制以调节通过电感器34的电流的量值。电流68的正向路径源自第一电容器22并且流过阻流二极管62、第一节点40、第三晶体管48、输出38的第二端子58、输出38、输出38的第一端子36、电感器34、第二节点42、第二晶体管30、第三节点44并返回到第一电容器22。当第二晶体管30的脉宽调制规定其关断时，建立如图6中所说明的续流电流路径70以允许流过电感器34的电流的量值减小(即，状态6)。续流电流路径70从右向左流过电感器34，并且流过第一二极管28、第一节点40、第三晶体管48、第四节点56、输出38的第二端子58、输出38、输出38的第一端子36、电感器34和第二节点42。当DC电流从右向左流过电感器34时，不使用第一晶体管26、第二二极管32、第三二极管50和第四二极管54。
在一些实施例中，一旦已经在从左向右电流路径64中或者在从右向左电流路径68中建立了通过电感器34的电流，电流的方向就可反转。例如，如果在从左向右电流路径64中建立了通过电感器34的电流，则可通过关断所有晶体管26、30、48、52来反转电流的方向。建立了图7中所说明的第一中间电流路径72，其中电流继续从左向右流过电感器34(即，状态3)。第一中间电流路径72从电感器34流过输出38的第一端子36、输出38、输出的第二端子58、第四节点56、第三二极管50、第一节点40、第二电容器60、第三节点44、第二二极管30和第二节点42。电感器34释放其在从左向右电流64期间存储的能量，从而将第二电容器60充电到比第一电容器22的电压更大的电压，此时阻流二极管62开始阻流。在电感器34中的电流达到零之后，第二晶体管30和第三晶体管48导通以允许第二电容器将其能量卸载回到输出负载38和电感器34中。
当电感器34中的电流达到零时，第二电容器60上的电压处于上限。随后，在第二电容器60中累积的能量将开始放电，从而反转电流方向并且建立从右向左通过电感器34的电流路径74，如图8中所说明(即，状态4)。因为第二晶体管30和第三晶体管48已经导通，所以电流将会从第二电容器60流过第一节点40、第三晶体管48、第四节点56、输出的第二端子58、输出38、输出的第一端子36、电感器34、第二晶体管30和第三节点44。当第二电容器60上的电压放电到第一电容器22上的电压时，将会建立从右向左以与极性反转之前大致相同的量值通过电感器34的电流，该电流量值由于电路损耗而略微减小。随后，第三晶体管48保持导通，并且第二晶体管30被脉宽调制，以调节流过电感器34的电流并且重新建立之前如图5中所示的从右向左的电流路径。
一旦在从右向左电流路径68中建立了通过电感器34电流，就可通过关断所有晶体管26、30、48、52来反转电流的方向。建立了图9中所说明的第一中间电流路径76，其中电流继续从右向左流过电感器34(即，状态7)。第一中间电流路径76从电感器34流过第二节点42、第一二极管28、第一节点40、第二电容器60、第三节点44、第四二极管54、第四节点56、输出38的第二端子58、输出38和输出的第一端子36。电感器34释放其在从右向左电流68期间存储的能量，从而将第二电容器60充电到比第一电容器22的电压更大的电压，此时阻流二极管62开始阻流。在电感器34中的电流达到零之后，第一晶体管26和第四晶体管52导通以允许第二电容器将其能量卸载回到输出负载38和电感器34中。
当电感器34中的电流达到零时，第二电容器60上的电压处于上限。随后，在第二电容器60中累积的能量将开始放电，从而反转电流方向并且建立从左向右通过电感器34的电流路径78，如图10中所说明(即，状态8)。因为第一晶体管26和第四晶体管52已经导通，所以电流将会从第二电容器60流过第一节点40、第一晶体管26、第二节点42、电感器34、输出的第一端子36、输出38、输出的第二端子58、第四节点56、第四晶体管52和第三节点44。当第二电容器60上的电压放电到第一电容器22上的电压时，将会建立从左向右以与极性反转之前大致相同的量值通过电感器34的电流，该电流量值由于电路损耗而略微减小。随后，第四晶体管52保持导通，并且第一晶体管26被脉宽调制，以调节流过电感器34的电流并且重新建立之前如图3中所示的从左向右的电流路径。
图11A和11B说明了控制电路操作期间产生的示例性电流和电压波形。具体地，图11A和11B说明了电感器电流波形80、第二电容器电压波形82、第一晶体管电压波形84、第二晶体管电压波形86、第三晶体管电压波形88和第四晶体管电压波形90。从初始时间92到稍晚时间94，电路20在状态1与状态2之间切换，以将输出38处的电流保持在1000A并使其从左向右流过电感器34，如之前关于图3到4所描述。第四晶体管52在状态1和状态2中导通，而第一晶体管26在状态1中导通但在状态2中关断。输出38处的电流似乎是恒定的1000A，但是实际上在状态1中增加几安培并且在状态2中减小几安培。从时间94到稍晚时间96，电路20排他性地保持处于状态2，第四晶体管52是唯一导通的晶体管，并且输出38处的电流减小。
在时间96，第四晶体管52关断，并且电路20处于状态3，如之前关于图7所描述。即使电流路径通过第二二极管32和第三二极管50，第二晶体管30和第三晶体管48也在状态3中导通。在状态3期间，输出38处的电流快速减小，而第二电容器60上的电压增加。随后，在稍晚时间98，输出38处的电流反转，并且第二电容器60上的电压处于上限。在时间98，电路20进入状态4，如之前关于图8所描述。通过第二电容器60、第二晶体管30和第三晶体管48在输出38处的电流快速增加。第二电容器60上的电压开始减小。
随后，在近似稍晚时间100，输出38处的电流反转并且从右向左流过电感器34。第二电容器60上的电压已经达到其初始状态。从大致时间100到大致时间102，电路20处于状态5，如之前关于图5所描述。第二晶体管30和第三晶体管48导通，并且输出38处的电流增加。在时间102，输出38处的电流已经达到1000A并且从右向左流过电感器34。电路20在状态5与状态6之间切换，以保持输出电流为1000A，如之前关于图5到6所描述。第二晶体管30处于状态5，而输出处的电流增加几安培。
从时间104到稍晚时间106，电路20处于状态6，如之前关于图6所描述。第三晶体管48导通，第二晶体管30关断，并且输出处的电流减小几安培。在时间106，第三晶体管48关断，并且电路处于状态7，如之前关于图9所描述。即使电流流过第一二极管28和第四二极管54，第一晶体管26和第四晶体管52也在状态7中导通。在状态7期间，输出38处的电流快速减小，而第二电容器60上的电压增加。在大致稍晚时间108，输出38处的电流反转，并且第二电容器60上的电压处于上限。在时间108，电路20进入状态8，如之前关于图10所描述。通过第二电容器60、第一晶体管26和第四晶体管52在输出处的电流快速增加。第二电容器60上的电压开始减小。
在大致时间110，输出38处的电流反转，并且电流从左向右通过电感器34，而第二电容器60上的电压已经达到其初始状态。从大致时间110到大致时间112，电路20恢复到状态1，其中第一晶体管26和第四晶体管52导通，并且输出38处的电流增加。在大致时间112，输出38处的电流已经达到1000A，从左向右流过电感器34，并且电路20在状态1与状态2之间切换以将输出电流保持在1000A。在所说明的示例性操作中，上述状态序列对于持续输出38处的电流的下一个10mS周期(即，100Hz频率)重复。
图12是说明了图2的输出功率控制电路20的另一个实施例的电路图。本领域技术人员公知的是，某些焊接工艺(诸如AC GTAW)在极性反转期间需要大约200伏或更高的电压以保持电流流动并防止电弧整流。其它工艺(诸如AC SAW)在极性反转期间可能不需要这种高电压，并且可使用图12中所说明的输出功率控制电路20的实施例。在这样的工艺中，可从输出功率控制电路20中省去输出钳位支线59，该输出钳位支线59在图2所示实施例中包括被配置为输出钳位电路59的第二电容器60。另外，如果从输出钳位电路20中省去电容器60，则不再需要阻流二极管62(其是图2中的输入支线61的一部分)。因此，在所说明的实施例中，输出电流在极性反转期间流过输入支线61的电容器22，并且输出电压被钳位到电容器22上的电压。
图13是说明焊接电力供应10的输出控制电路120的附加实施例的电路图。如所说明，输出控制电路120包括降压转换器122和操纵支线124。降压转换器122包括耦接在节点40与节点42之间的晶体管126。另外，降压转换器122包括耦接在节点42与节点44之间的续流二极管128。电感器34耦接在输出38的第一端子36与节点42之间。操纵支线124包括耦接在输出控制电路120的节点40和节点56之间的续流二极管130，并且操纵支线124还包括耦接在节点56与节点44之间的晶体管132。另外，输出38的第二端子58位于续流二极管130与晶体管132之间。
当电压从节点40通过晶体管126施加到电感器34时，输出38处的电流可增加到高于焊接操作所需的电流。因此，晶体管126可对施加到电感器34的电压进行脉宽调制或滞后控制，以限制流到输出38的电流。为了监视输出38处的电流，电流检测器134可位于输出38的第一端子36处。当使用如图13中所说明滞后控制来控制施加到电感器34的电压时，电流检测器134可向滞后控制器136提供电流电平指示。另外，滞后控制器可向晶体管126提供信号，该信号将晶体管126控制为导通状态或关断状态以控制施加到电感器34的电压。
另外，滞后控制器136可包括高比较器138和低比较器140。来自电流检测器134的电流电平指示可被供应给高比较器138和低比较器140这两者。另外，高比较器138可将电流电平指示与高参考信号142进行比较，而低比较器140可将电流电平指示与低参考信号144进行比较。另外，比较器138和140的输出被提供给触发器逻辑门146，触发器逻辑门146最终向晶体管126提供控制信号。以此方式，当电流电平指示大于高参考信号142时，被提供给晶体管126的控制信号可将晶体管126控制至关断状态(即，将电压源与电感器34解耦)。另外，当电流电平指示小于低参考信号144和/或低于高参考信号142时，被提供给晶体管126的控制信号可将晶体管126控制至导通状态(即，将电压源耦接到电感器34)。通过将电压源耦接到电感器34，经由电感器34流到输出38的电流增加。另外，通过将电压源与电感器34解耦，经由电感器34流到输出38的电流减小。
除了借助于降压转换器122进行电流控制之外，操纵支线124还可影响电感器34处的电流控制。例如，基于比较器148的输入，晶体管132可被控制至导通和关断状态以控制电感器34处的电流的下降时间。可明白的是，在一些实施例中，比较器148可为滞后控制器136的一部分。例如，当电流在路径170中时，如下面在图16中所描述，除了输出38的电压之外还提供从电压源输入的电压以快速减小电感器34处的电流。因此，当在比较器148处将来自电流检测器134的电流电平指示与电流减小参考值IDECREF 150进行比较时，比较器148的输出控制电流或者如图14中所说明般续流、或者如图15中所说明般续流、或者如图16中所说明般流动，或者如图13中所说明般沿着路径152流动。
作为示例，如果电流减小参考值IDECREF 150被设定为相对较高的值，则比较器148的输出可向晶体管132提供信号，使得晶体管132在来自电流检测器134的电流电平指示保持低于IDECREF 150的所有情况下都保持闭合。另一方面，当IDECREF 150被设定为相对较低时，或者当来自电流检测器134的电流电平指示超过电流电平指示时，比较器148可输出导致晶体管132断开的低电平信号。在这种情况下，由于来自输入总线154的输入电压与施加于电感器34的输出38的电压的组合作用，电感器34处的电流可快速减小。通常，IDECREF 150可被设定为充分大于高参考信号142的电平。以此方式，当通过控制降压转换器122实现对流过电感器34的电流的有效控制时，晶体管132可不断开。
图14是说明输出控制电路120的电路图，其中电流路径158在输出控制电路120的低侧158中从左向右续流通过电感器34和输出38。在所说明的电路图中，晶体管132闭合，这指示来自电流检测器134的电流电平指示小于IDECREF 150。另外，晶体管126断开，这指示来自电流检测器134的电流电平指示大于高参考信号142。替代地，在PWM实施例中，当晶体管126断开时，供应给晶体管126的PWM信号为低电平。就在出现这些情况中的任一种情况之前，输出38处的电流可能大于理想的焊接电流，但是并未足够高到使操纵支线124帮助以更快速率将电流控制到较低电平，如上面所讨论。
另外，因为电流路径158在输出控制电路120的低侧160中续流，所以输出38处的电流可以一速率减小，该速率被表示为输出38处的电压除以电感器34的电感。因此，因为来自输入总线154的电压没有被加到输出38上的电压上，所以相比晶体管126和132都断开的情形(如下面关于图16所讨论)，输出38处的电流的下降时间可能更慢。当输出38处的电流相对接近用于焊接操作的期望电流时，与电流路径158相关联的减小的下降速率可能是期望的。以此方式，随着电流在下降到高参考信号142以下与高于高参考信号142这两种状态之间交替，晶体管126可控制来自输入总线154的电压的施加。
图15是说明输出控制电路120的电路图，其中电流路径164在输出控制电路120的高侧162中从左向右续流通过电感器34和输出38。在所说明的电路图中，晶体管132断开，这指示来自电流检测器134的电流电平指示大于IDECREF 150。另外，晶体管126闭合，这可指示来自电流检测器134的电流电平指示小于高参考信号142。因此，输出38处的电流可处于焊接操作的有效工作范围内，但是IDECREF 150诸如在断电操作期间可能已经被临时设定为相对较低的值。因此，操纵支线124处于一种配置之下以帮助将电流控制到较低电平。
另外，因为电流路径164在输出控制电路120的高侧162中续流，所以输出38处的电流可以与上面在图14的讨论中描述的速率类似的速率减小。因此，当晶体管126或132中的一个闭合而另一个晶体管126或132断开时，以滞后方式或使用PWM控制晶体管126或132中的任一个可导致类似的电流减小率。在图15中所说明的实施例中，晶体管132可保持断开直到输出38处的电流下降到IDECREF 150以下，使得输出38处的电流可下降到期望电平。替代地，使用对晶体管132的PWM控制，晶体管132可保持断开直到PWM控制向晶体管132提供高电平信号。
图16是说明图13的输出控制电路120的电路图，其中晶体管126和132处于断开位置。在晶体管126和132处于断开位置的情况下，续流二极管128和130将电流路径170从电感器34传递通过输出38并且返回到电容器22。以此方式，在电感器34两端提供高电压。因为di/dt＝V/L，并且因为在电感器34两端提供高电压，所以电流下降速率(即，di/dt)远大于图14或图15中的电流下降速率。
因为晶体管126使用图13的滞后控制器136而处于断开位置，，因此来自电流检测器134的电流电平指示大于高参考信号142以使滞后控制器136提供信号来断开晶体管126。另外，因为晶体管132也是开路的，所以来自电流检测器134的电流电平指示也大于比较器148的IDECREF 150以提供信号来断开晶体管126。因此，当电流大于高参考信号142和IDECREF150这两者时，相比只有单个晶体管126或132处于断开位置的情形(如上面在图14和15的讨论中所讨论)，可期望以更快的方式来减小流过电感器34的电流。另外，使用PWM控制，施加到晶体管126和晶体管132这两者的低PWM信号导致晶体管126和132都处于断开位置。
虽然在图14到16中被说明为包括位于降压转换器122中的晶体管126和二极管128使得晶体管126耦接到输出控制电路120的高总线(即，Vbus +)并且二极管128耦接到输出控制电路120的低总线(即，Vbus -)，并且包括位于操纵支线124中的二极管130和晶体管132使得二极管130耦接到输出控制电路120的高总线(即，Vbus +)并且晶体管132耦接到输出控制电路120的低总线(即，Vbus -)，但是在其它实施例中，可交换降压转换器122的晶体管126和二极管128的位置，并且可交换操纵支线124的二极管130和晶体管132的位置。换句话说，在某些实施例中，降压转换器122的二极管128可耦接到输出控制电路120的高总线(即，Vbus +)和连接输出控制电路120的输出38的节点42，而降压转换器122的晶体管126可耦接到输出控制电路120的低总线(即，Vbus -)和连接输出控制电路120的输出38的节点42，并且操纵支线124的晶体管132可耦接到输出控制电路120的高总线(即，Vbus +)和连接输出控制电路120的输出38的节点56，而操纵支线124的二极管130可耦接到输出控制电路120的低总线(即，Vbus -)和连接输出控制电路120的输出38的节点56。对输出控制电路120的这种实施例的控制将大致上类似于上面关于图14到16所讨论的控制。
图17是说明具有四象限滞后控制的输出控制电路178的实施例的电路图。输出控制电路178包括晶体管126和132，它们也存在于图13到16的输出控制电路120中。另外，续流二极管128和130被晶体管180和182代替以提供对输出控制电路178的四象限控制。滞后控制器136和比较器148可如上面在图13的讨论中所描述的那样执行。然而，除了分别控制晶体管126和132之外，滞后控制器136和比较器148还可分别向晶体管180和182提供控制信号。通常，晶体管180和182可在晶体管126和132闭合时断开，并且晶体管180和182可在晶体管126和132断开时闭合。为了完成该逻辑控制，逆变器184可耦接在晶体管180与滞后控制器136之间，并且逆变器186可耦接在晶体管182与比较器148的输出之间。以此方式，将向晶体管180和182提供与被提供给晶体管126和132的控制信号相反的控制信号。
在所说明的实施例中，路径152表示来自输入支线61并且通过输出负载38的电流。如所说明，路径152从左向右延伸通过输出负载38并且从正总线154延伸到负总线156。因此，对晶体管126、132、180和182的控制提供了与图3和13类似的电流路径。
可明白的是，虽然分别基于由晶体管126和132接收的控制信号来控制晶体管180和182，但是在一些实施例中，晶体管126、132、180和182中的每一个可具有单独的滞后控制电路。即，可为晶体管126、132、180和182中的每一个提供滞后控制器136，并且可彼此独立地控制每个滞后控制器136。另外，在另一个实施例中，滞后控制器136可控制晶体管126和180，如图17中所说明，而晶体管132和182中的每一个都具有用于彼此独立地控制晶体管132和182的单独的比较器148。另外，还设想了被设置为控制晶体管126、132、180和182的滞后控制器136和比较器148的任何组合。
另外，虽然图17描绘了逆变器184和186，但是可明白的是，也可使用切换机构来向晶体管126、132、180和186提供控制信号。例如，代替使用逆变器184，切换装置可基于从滞后控制器136接收到的输入来切换晶体管126与晶体管180之间的高电平控制信号。在这样的实施例中，当高电平信号从晶体管126和180的栅极输入被切换离开时，晶体管126和180断开。该切换可由滞后控制器136控制。类似地，另一个切换装置可被使用来代替逆变器186并且由比较器148控制。虽然图13到17的电路图包括电耦接在降压转换器122和输出38之间的电感器34，但是在其它实施例中，电感器34可电耦接在输出38与操纵支线124之间(例如，耦接到节点56)。
图18是由滞后控制器136接收的由传感器134测量的通过电感器34的电流181的曲线图。滞后控制器136可输出高参考信号142，低参考信号144和IDECREF信号150以基于测量的电流181来控制通过电感器34的电流。在时间t1，滞后控制器136的比较器138和140可控制通过电感器34的电流181。例如，当电流181在时间t2超过高参考信号142时，晶体管126可转变到关断状态以使通过电感器34的电流181减小。在时间t3，当电流减小到低参考信号144以下时，晶体管126可转变到导通状态以使通过电感器34的电流181增加。以此方式，滞后控制器136可近似得到命令信号183。在一些实施例中，高参考信号142和低参考信号144可为与命令信号181的预设差。
在时间t4到t7期间，滞后控制器136可在通过电感器34的电流181减小期间控制操纵支线124(例如，图17中所说明实施例中的晶体管132和182)。由于任何合适的原因，诸如在焊接终止期间、在脉冲焊接的阶段期间、来自操作者的输入等，电流181可能减小。在时间t4，由于例如对晶体管126和180的控制，电流183开始减小。即，滞后控制器136可通过断开和闭合晶体管126和180，基于减小的高参考信号142和低参考信号144来继续控制电流136。例如，当电流183超过高参考电平142时，滞后控制器136可使晶体管126处于关断状态。
在一些实施例中，仅通过降压转换器122的操作，通过电感器34的电流181可能不会以足够快的速率降低。为了控制电感器34中的电流减小的速率，除了例如降压转换器122的晶体管126和180之外，滞后控制器136的比较器148可输出信号以基于IDECREF信号150减小控制晶体管132的状态。即，在时间t5，当晶体管126断开并且晶体管180闭合时，电流181可超过高参考信号。为了进一步以比来自晶体管126和180的控制更快的速率减小通过电感器34的电流181，滞后控制器136的比较器148可向晶体管132发送控制信号以在电流181超过IDECREF信号时将晶体管132转变为关断状态。将晶体管132切换到关断状态导致电流181以比晶体管132处于导通状态的情况下更快的速率减小。在一些实施例中，当晶体管132处于关断状态时，电流181可能不会足够快地下降到上限与下限之间或下降到IDECREF信号以下。因而，在一些实施例中，晶体管132可在电流181的整个减小期间保持关断状态，以使得电流181以比晶体管132处于导通状态时更快的速率减小。在所说明的实施例中，如果电流以比IDECREF信号更快的速率减小，则晶体管132可切换到导通状态以控制电流181的减小。例如，在时间t6，当电流181减小到IDECREF信号以下时，晶体管126和132可转变到导通状态。如所说明的实施例中所示，当开关改变状态时，电路中可能存在改变参考值的一些滞后。该过程可在t7重复，其中电流再次超过IDECREF信号150。
图19是当滞后控制器136提供断开晶体管126并闭合晶体管180的信号时输出控制电路178的电路图。另外，包括比较器148的比较器控制器188提供断开晶体管132并闭合晶体管182的信号。这样的控制方案的结果是电流的路径170与图16中所说明的电流的路径170类似。如所说明，路径170从负总线156流到正总线154，并且路径170从左向右流过输出负载38。
在晶体管126和132处于断开位置的情况下，处于闭合状态的晶体管180和182提供从电感器34开始、通过输出38并返回到电容器22的电流路径170。以此方式，在电感器34两端提供高电压。因为di/dt＝V/L，并且因为在电感器34两端提供高电压，所以电流下降速率(即，di/dt)远大于例如图14或图15中的电流下降速率。另外，随着电感器34中存储的能量被放电，电容器22中的存储的能量增加，直到流过输出38的电流反转。
因此，图20是当滞后控制器136提供断开晶体管126并闭合晶体管180的信号并且流过输出38的电流在图18中快速下降之后反转时输出控制电路178的电路图。电流路径170中的反转结果是电流的路径190。如所说明，路径190从正总线154流到负总线156，并且路径190从右向左流过输出负载38。
在反转流过输出负载38的电流时，流过电感器34的电流电平可沿着负方向增加，直到滞后控制器136和/或比较器控制器188将电流电平控制到稳定状态和/或使电流电平朝向零电流状态返回。随着流过电感器34的电流增加，存储在电容器22中的能量可能减少。另外，将电流电平控制到稳定状态或趋近于零可以与对关于图13到17描述的电流路径152的控制类似的方式发生。另外，输出控制电路178通常可使用上述方法在流过电感器34的正电流与流过电感器34的负电流之间来回循环。
虽然本文仅说明和描述了本公开的某些特征，但是本领域技术人员将会想到许多修改和变化。因此，应当理解的是，所附权利要求旨在覆盖落入本公开的真实精神内的所有这些修改和变化。

Claims (27)

1.一种焊接或切割电路，包括：
输入支线，其包括耦接在高总线与低总线之间的电容器；
与所述输入支线并联耦接的降压转换器，其中所述降压转换器包括第一晶体管、第一二极管以及电耦接到所述第一晶体管与所述第一二极管之间的节点的输出，并且其中所述降压转换器被配置为将输入电压转换为耦接到所述降压转换器的所述输出的电感器中的电流；
与所述输入支线并联耦接的操纵支线，所述操纵支线包括第二晶体管，其中所述操纵支线被配置为控制所述电感器中的所述电流减小的速率；以及
滞后控制器，所述滞后控制器被配置成：
基于a)所述电感器中的所述电流与b)第一参考值的比较，控制所述第一晶体管以选择性地将所述电感器耦接到所述高总线或所述低总线；并且
基于a)所述电感器中的所述电流与b)第二参考值的比较，控制所述第二晶体管以控制所述电感器中的所述电流减小的速率。
2.根据权利要求1所述的焊接或切割电路，其特征在于电流检测器定位在所述输出处以监测所述电流，所述电流检测器向所述滞后控制器提供电流电平指示，所述滞后控制器向所述第一晶体管提供信号，所述信号控制所述晶体管至导通状态或关断状态以控制施加到所述电感器的所述电压。
3.根据权利要求1所述的焊接或切割电路，其中所述操纵支线被配置为通过控制所述电流在所述焊接或切割电路中流过的路径来控制所述电感器中的所述电流减小的所述速率。
4.根据权利要求1所述的焊接或切割电路，其中所述操纵支线包括第二二极管。
5.根据权利要求4所述的焊接或切割电路，其中所述第二晶体管与所述第二二极管之间的节点被配置为耦接到输出负载。
6.根据权利要求4所述的焊接或切割电路，其中所述第一晶体管和所述第二二极管各自耦接到所述高总线，并且所述第一二极管和所述第二晶体管各自耦接到所述低总线。
7.根据权利要求4所述的焊接或切割电路，其中所述第一晶体管和所述第二二极管各自耦接到所述低总线，并且所述第一二极管和所述第二晶体管各自耦接到所述高总线。
8.根据权利要求4所述的焊接或切割电路，其中所述第一晶体管被配置为当所述电感器中的所述电流大于电流阈值时断开。
9.根据权利要求4所述的焊接或切割电路，其中所述第二晶体管被配置为当所述电感器中的所述电流大于电流阈值时断开。
10.根据权利要求9所述的焊接或切割电路，其中所述滞后控制器被配置为输出所述电流阈值。
11.根据权利要求1所述的焊接或切割电路，其中所述降压转换器被配置为对所述输入电压进行脉宽调制并且向所述电感器提供经脉宽调制的输入电压。
12.根据权利要求1所述的焊接或切割电路，其中所述滞后控制器包括高比较器和低比较器。
13.根据权利要求12所述的焊接或切割电路，其中所述高比较器被配置为基于所述电感器中的所述电流与所述第一参考值的比较输出第一信号，并且所述低比较器被配置为基于所述电感器中的所述电流与第三参考值的比较输出第二信号，其中所述第一参考值代表比所述第三参考值更高的电流，并且所述滞后控制器被配置为基于所述第一信号和所述第二信号来控制所述第一晶体管。
14.一种方法，包括：
通过将焊接或切割电路的第一晶体管在断开配置与闭合配置之间切换来控制来自所述焊接或切割电路的电压输入支线的电压，以控制通过所述焊接或切割电路的电感器和输出的电流的电平，其中在所述焊接或切割电路的降压转换器结构中所述第一晶体管与第一二极管串联布置，并且所述电感器从所述第一晶体管与所述第一二极管之间的节点延伸到所述焊接或切割电路的输出负载，其中所述降压转换器结构与所述电压输入支线并联耦接；以及
至少部分地通过在断开配置与闭合配置之间切换所述焊接或切割电路的第二晶体管来控制通过所述焊接或切割电路的所述电感器和所述输出的电流，其中所述电流的控制包括控制在所述电感器中的电流减小的速率，其中在所述焊接与切割电路的操纵支线中所述第二晶体管与第二二极管串联布置，并且其中所述操纵支线与所述电压输入支线并联耦接。
15.根据权利要求14所述的方法，进一步包括：
监测所述输出处的所述电流，
向滞后控制器提供电流电平指示，所述滞后控制器向所述第一晶体管提供信号，所述信号控制所述晶体管至导通状态或关断状态以控制施加到所述电感器的所述电压。
16.根据权利要求14所述的方法，包括经由脉宽调制信号来控制所述第一晶体管和所述第二晶体管的切换。
17.根据权利要求14所述的方法，包括通过将所述第一晶体管和所述第二晶体管控制到所述断开配置来增加输出电流的下降速率。
18.根据权利要求14所述的方法，包括基于测量的输出电流与参考信号之间的至少一次比较来控制所述第一晶体管的切换。
19.根据权利要求14所述的方法，包括基于测量的输出电流与电流命令值之间的至少一次比较来控制所述第二晶体管的切换，其中所述电流命令值在所述焊接或切割电路的操作期间是可调整的。
20.根据权利要求14所述的方法，包括基于至少测量的输出电流来控制所述第一晶体管和所述第二晶体管的切换。
21.一种焊接或切割电路，包括：
输入支线，其包括耦接在高总线与低总线之间的电容器；
与所述输入支线并联耦接的降压转换器，其中所述降压转换器包括第一晶体管、第二晶体管和电耦接到所述第一晶体管与所述第二晶体管之间的节点的输出，并且其中所述降压转换器被配置为将输入电压转换为耦接到所述降压转换器的所述输出的电感器中的电流；
与所述输入支线并联耦接的操纵支线，并且所述操纵支线包括第三晶体管和第四晶体管，其中所述操纵支线被配置为控制所述电感器中的所述电流减小的速率；以及
滞后控制器，所述滞后控制器被配置成：
基于a)所述电感器中的所述电流与b)高参考值或低参考值中的至少一个的比较，控制所述第一晶体管和所述第二晶体管以选择性地将所述电感器耦接到所述高总线或所述低总线；并且
基于a)所述电感器中的所述电流与b)第三参考值的比较，控制所述第三晶体管和所述第四晶体管以控制所述电感器中的所述电流减小的速率。
22.根据权利要求21所述的焊接或切割电路，其中所述操纵支线被配置为通过控制所述电流在所述焊接或切割电路中流过的路径来控制所述电感器中的所述电流减小的所述速率。
23.根据权利要求22所述的焊接或切割电路，其中所述操纵支线被配置为反转所述电流流过所述电感器的所述路径的方向。
24.根据权利要求21所述的焊接或切割电路，其中所述第三晶体管与所述第四晶体管之间的节点被配置为耦接到输出负载。
25.根据权利要求21所述的焊接或切割电路，其中所述滞后控制器包括耦接到所述输出的电流传感器，以及比较器，所述比较器基于a)由所述电流传感器测量的所述电感器中的所述电流与b)电流命令值之间的比较来控制所述第三晶体管和所述第四晶体管。
26.根据权利要求21所述的焊接或切割电路，包括耦接到所述输出的电流传感器，其中经由耦接到所述电流传感器和所述第一晶体管的所述滞后控制器来滞后控制所述降压转换器。
27.根据权利要求21所述的焊接或切割电路，包括耦接到所述输出的电流传感器，其中基于由所述电流传感器提供的信号来滞后控制所述降压转换器和所述操纵支线。
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