CN113441880B - 整流二极管尖峰抑制电路和电焊设备 - Google Patents

Abstract

本申请涉及电源技术，提供了一种整流二极管尖峰抑制电路和电焊设备，包括：防倒灌元件，输入端与所述整流二极管连接，用于防止所述防倒灌元件的输出端的电流倒灌到所述整流二极管所在的支路上，储释能元件，与所述整流二极管和负载连接，用于存储和释放电能量到所述负载；第一阻抗电路与所述储释能元件串联，用于限制所述储释能元件的充电电流；释放控制电路用于在储释能元件的电压大于预设值时，短路所述第一阻抗电路。以起到抑制尖峰电压的作用，并且由于储释能元件存储的能量能够被释放，不会逐渐累积而失去吸收作用，使得容易失效，可靠性高。

Description

整流二极管尖峰抑制电路和电焊设备

技术领域

本申请属于电源技术领域，尤其涉及一种整流二极管尖峰抑制电路和电焊设备。

背景技术

在全桥逆变电路中，因为原边漏感的存在，副边整流二极管在关断时存在电压尖峰。对于尖峰的抑制，最常用的是使用RC(电阻-电容串联)吸收电路或者RCD(电阻-二极管串联再与电容并联)吸收电路，也有使用有源箝位电路的。

其中，RC吸收电路和RCD吸收电路一样，都会存在电阻发热现象，并且随着电容的增加，发热越严重，并且电容增大到一定值之后，电压尖峰并不会继续减小，反而会增加。而有源箝位电路的电容过大之后，会引起原边电流在上升时出现一个尖峰，这个尖峰过大可能会引起电路的误保护。且有源箝位电路的开关管控制必须在全桥电路续流时开通，全桥电路工作时关断，这种逻辑时序对于控制电路提出了一种挑战，实现困难。

发明内容

本申请的目的在于提供一种整流二极管尖峰抑制电路和电焊设备，旨在解决目前的整流二极管尖峰抑制效果不理想，容易失效问题。

本申请实施例的第一方面提供了一种整流二极管尖峰抑制电路，包括：

防倒灌元件，输入端与所述整流二极管连接，用于接入流过所述整流二极管的电流，并防止所述防倒灌元件的输出端的电流倒灌到所述整流二极管所在的支路上；

储释能元件，与所述防倒灌元件的输出端和负载连接，用于存储和释放电能量到所述负载；

第一阻抗电路，与所述储释能元件串联，用于限制所述储释能元件的充电电流；

释放控制电路，与所述第一阻抗电路并联，且与所述防倒灌元件的输出端连接，所述释放控制电路用于在所述储释能元件的电压大于预设值时，短路所述第一阻抗电路，以提升所述储释能元件的充电速度，以抑制所述整流二极管产生的尖峰电压。

可选地，所述释放控制电路包括：

分压网络，与所述防倒灌元件的输出端连接，具有一分压输出端，所述分压网络用于检测输入到所述储释能元件的电压并在所述分压输出端输出第一电压分量；

稳压模块，与所述分压网络的分压输出端出连接，接收所述第一电压分量并输出一个驱动电压；

第一开关管，与所述第一阻抗电路并联，接收所述驱动电压，所述第一开关管在所述驱动电压的驱动下开启以将所述第一阻抗电路短路。

可选地，所述分压网络包括第一分压器和第二分压器，所述第一分压器的第一端与所述防倒灌元件的输出端连接，所述第一分压器的第二端与所述第二分压器的第一端连接，并作为所述分压输出端，所述第二分压器的第二端与所述第一阻抗电路的第一端或第二端连接。

可选地，所述稳压模块包括相并联的第一电容和稳压二极管，所述稳压二极管的负极与所述分压输出端连接，所述稳压二极管的正极与所述第一阻抗电路远离所述储释能元件的一端连接。

可选地，所述防倒灌元件包括一整流桥，所述整流桥的输入端与所述整流二极管的正极连接，所述储释能元件和所述第一阻抗电路串联连接在所述整流桥的输出正极和输出负极之间。

可选地，所述防倒灌元件包括一二极管，所述二极管的正极与所述整流二极管的负极连接，所述二极管的负极作为所述防倒灌元件的输出端。

可选地，所述负载包括开关电源电路和用电设备，所述开关电源电路的输入端与所述储释能元件连接，所述开关电源电路在所述整流二极管产生尖峰电压时启动，所述用电设备连接在所述开关电源电路的输出端，所述开关电源电路的输出电压与所述储释能元件的电压成正比。

可选地，所述开关电源电路包括：

检测电路，与所述储释能元件连接，用于检测所述储释能元件的电压，并输出检测电压，其中所述检测电压与所述储释能元件的电压成比例；

反激电路，与所述储释能元件、所述检测电路以及所述用电设备连接，所述反激电路在所述检测电压表示所述整流二极管在关断时产生的尖峰电压大于阈值时启动，并根据所述检测电压调整所述输出电压，其中所述储释能元件的电压与所述输出电压成正比。

可选地，所述检测电路包括分压单元、放大电路、第二开关管、光电耦合器以及光耦驱动电路；

所述分压单元与所述储释能元件连接，输出第二电压分量；

所述放大电路的两个输入端其中一个接入参考电压，另一个接收所述第二电压分量；

所述第二开关管的控制端连接所述放大电路的输出端，第一导通端连接所述光耦驱动电路，第二导通端接地；

所述光电耦合器的输入端与所述光耦驱动电路连接，输出端连接在所述反激电路的控制器的反馈管脚和电源之间。

本申请实施例的第二方面提供了一种电焊机，包括逆变电路，与所述逆变电路连接的变压器，以及所述变压器的副边连接的整流二极管，以及与所述整流二极管连接的、如上所述的整流二极管尖峰抑制电路。

上述整流二极管尖峰抑制电路和电焊设备，在副边整流二极管导通时，给储释能元件充电，此时，第一阻抗电路会限制充电电流，可以防止原边电流、副边整流二极管的电压尖峰产生尖峰，释放控制电路用于在储释能元件充电至一定值时，将第一阻抗电路短路，以提升储释能元件的充电速度，当尖峰电压来到时，抑制尖峰电压的作用，尖峰抑制效果理想，并且由于储释能元件存储的能量能够被释放到负载，不会逐渐累积而失去吸收作用，可靠性高。

附图说明

图1为本申请实施例提供的整流二极管尖峰抑制电路的结构示意图；

图2为图1示出的整流二极管尖峰抑制电路中的释放控制电路的电路原理图；

图3为图1示出的整流二极管尖峰抑制电路中的负载的电路原理图。

具体实施方式

为了使本申请所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请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申请，并不用于限定本申请。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者间接在该另一个元件上。当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或间接连接至该另一个元件上。

需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

图1示出了本申请实施例提供的可以应用在电焊设备的整流二极管尖峰抑制电路的示意图，为了便于说明，仅示出了与本实施例相关的部分，详述如下：

电焊设备包括逆变电路101，以及与逆变电路101连接的变压器102，以及变压器102的副边连接的整流二极管D1、D2，以及与整流二极管D1、D2连接的整流二极管尖峰抑制电路，其中，整流二极管D1、D2构成半波或全波的输出整流电路103。整流二极管尖峰抑制电路连接在输出整流电路103的输入侧或输出侧。

整流二极管尖峰抑制电路包括防倒灌元件150、储释能元件C1、第一阻抗电路R1和释放控制电路200。

防倒灌元件150的输入端与整流二极管D1连接，用于接入流过整流二极管管D1的电流，并防止防倒灌元件150的输出端的电流倒灌到整流二极管D1所在的支路上

储释能元件C1与防倒灌元件的输出端和负载300连接，用于存储和释放电能量到负载300；第一阻抗电路R1与储释能元件C1串联，用于限制储释能元件C1的充电电流；释放控制电路200第一阻抗电路R1并联，且与防倒灌元件的输出端连接，释放控制电路200用于在储释能元件C1的电压大于预设值时，短路第一阻抗电路R1，以提升储释能元件C1的充电速度，以抑制整流二极管D1产生的尖峰电压。该预设值可以设置在储释能元件C1的容值的60％～80％。

储释能元件C1比如电容器，是用于吸收整流二极管D1、D2产生的尖峰电压，第一阻抗电路R1一般为电阻器。在输出整流电路103刚开始工作时，储释能元件C1的电压为零，这时候直接接入变压器102的副边的整流二极管D1、D2构成的输出整流电路103，会引起变压器102的原边电流的畸变，因此需要第一阻抗电路R1来限制储释能元件C1在电压达到变压器102的原边折射到副边电压之前的充电电流幅值，储释能元件C1的容值较大，如果没有第一阻抗电路R1，直接对储释能元件C1充电的电流会在原边电流产生尖峰，并造成副边的整流二极管D1、D2的电压尖峰。在储释能元件C1的电压上升到一定值(即预设值)以后，第一阻抗电路R1退出工作，以提升储释能元件C1的充电电流，充电速度，以便于抑制整流二极管D1、D2产生的尖峰电压。并且由于储释能元件C1存储的能量能够被释放到负载300，不会逐渐累积而失去吸收作用。

由于设置了防倒灌元件150，储释能元件C1在输出整流电路103的续流期间，不会向输出整流电路103释放能量，即储释能元件C1的电压始终保持在某个值以上，不会像输出整流电路103的整流二极管D1、D2输出那样，在变压器102的原边折射电压和零电压之间周期变化。并且，负载300不受储释能元件C1的电压变化的影响。

可选地，释放控制电路200包括分压网络220、稳压模块240和第一开关管VT1。

分压网络220与防倒灌元件的输出端连接，具有一分压输出端，分压网络220用于检测输入到储释能元件C1的电压并在分压输出端输出第一电压分量；稳压模块240与分压网络220的分压输出端出连接，接收第一电压分量并输出一个驱动电压；第一开关管VT1与第一阻抗电路R1并联，接收驱动电压，第一开关管VT1在驱动电压的驱动下开启以将第一阻抗电路R1短路。

本实施例中，储释能元件C1和第一阻抗电路R1通过防倒灌元件150连接到输出整流电路103的两个整流二极管D1、D2，变压器102的副边的电流经过防倒灌元件150之后，得到单极性的工作电压。电压约等于变压器102的原边电压折射到副边一个绕组电压的2倍。

储释能元件C1通过第一阻抗电路R1预充电，当储释能元件C1的电压大于某个值以后，第一开关管VT1开通将第一阻抗电路R1短路，提升储释能元件C1的充电速度。

可选地，分压网络220包括串联连接第一分压器R3和第二分压器R4，第一分压器R3的第一端与防倒灌元件的输出端连接，第一分压器R3的第二端与第二分压器R4的第一端连接，并作为分压输出端，第二分压器R4的第二端与第一阻抗电路R1的第一端或第二端连接，即分压网络220可以跟储释能元件C1并联，也可以跟储释能元件C1和第一阻抗电路R1的支路并联。可选地，稳压模块240包括想并联的第一电容C2和稳压二极管D11，稳压二极管D11的负极与分压输出端连接，稳压二极管的正极与第一阻抗电路R1远离储释能元件C1的一端连接。

释放控制电路200通过第一分压器R3和第二分压器R4监测储释能元件C1的电压，当储释能元件C1的电压的第一电压分量大于第一开关管VT1的开启电压之后，第一开关管VT1便缓慢开启(第一电容C2有个充电过程)，并有稳压二极管D11防止第一开关管VT1的栅极电压过大。同时，在第一开关管VT1开通之前，储释能元件C1和第一阻抗电路R1同样可以起到输出二极管的尖峰抑制作用。

第一开关管VT1开通之后，储释能元件C1和负载300就开始工作，一般将负载300的启动阈值(电压值)设为高于副边的整流二极管D1、D2尖峰之后的稳态电压值(比如高10％～20％)，否则会出现稳态电压向储释能元件C1充电。当副边的整流二极管D1、D2的电压尖峰高于阈值之后，因为储释能元件C1容值较大，尖峰电压被箝位，以此来减小尖峰电压。

请参阅图1，在其中一个实施例中，防倒灌元件150包括一二极管，该二极管的正极与整流二极管D1的负极连接，该二极管的负极作为防倒灌元件的输出端。由于储释能元件C1的充电电流已经经过整流二极管D1、D2整流，则不再需要整流。

请参阅图2，在一个可替代的实施中，整流二极管尖峰抑制电路还包括一整流桥BD1，整流桥的输入端与整流二极管D1、D2的正极(即变压器102的副边的两端)连接，储释能元件C1和第一阻抗电路R1串联连接在整流桥的输出正极和输出负极之间，整流桥是用于对变压器102的副边的输出进行整流。

请参阅图3，可选地，负载300包括开关电源电路310和用电设备(未图示)，开关电源电路310的两个输入端与储释能元件C1、地端连接，用电设备连接在开关电源电路310的输出端，负载300的开关电源电路310在整流二极管D1产生尖峰电压时启动，开关电源电路310的输出电压与储释能元件C1的电压成正比。当储释能元件C1的电压高于预设值时，第一开关管VT1开通，短路第一阻抗电路R1，以提升储释能元件C1的充电速度，当整流二极管D1产生尖峰电压，且尖峰电压大于启动阈值时，开关电源电路310将开始工作，储释能元件C1的电压越高，开关电源电路310设定的输出电压也越高，就能更快的把储释能元件C1的电压降下来，避免出现储释能元件C1的电压越来越高，不能继续进行吸收尖峰电压。

可选地，开关电源电路310包括：检测电路312和反激电路314，检测电路312与储释能元件C1连接，用于检测储释能元件C1的电压，并输出检测电压，其中检测电压与储释能元件C1的电压成比例；反激电路314与储释能元件C1、地端、检测电路312以及用电设备连接，反激电路314在整流二极管D1、D2在关断时产生的尖峰电压大于启动阈值时启动，并根据检测电压调整输出电压，其中储释能元件C1的电压与输出电压成正比。

反激电路314保证了无论用电设备的额定电压是多少，反激电路314的功率开关管VT3关断时，反激电路314的隔离变压器T1的能量都会向用电设备释放。检测电路312检测到储释能元件C1的电压越高，反激电路314设定的输出电压也越高，就能更快的把储释能元件C1的电压降下来，避免出现储释能元件C1的电压越来越高。

本实施例中，反激电路314工作在非连续导通模式(Discontinuous ConductionMode，DCM)。反激电路314的特点决定了只要输出有电压存在，就会在续流期间给隔离变压器T1反向励磁，即把原边的能量转移到了副边输出。

可选地，检测电路312包括分压单元3122、放大电路3124、第二开关管VT2、光电耦合器U1以及光耦驱动电路3126；分压单元3122与储释能元件C1连接，输出第二电压分量；放大电路3124的两个输入端其中一个接入参考电压，另一个接收第二电压分量；第二开关管VT2的控制端连接放大电路3124的输出端，第一导通端连接光耦驱动电路3126，第二导通端接地；光电耦合器U1的输入端与光耦驱动电路3126连接，输出端连接在反激电路314的控制器U2的反馈管脚FB和电源之间。

当储释能元件C1的电压高于启动阈值时，分压单元3122输出的第二电压分量发生变化(本实施例中是变大)，放大电路3124的输出就会变低，导通第二开关管VT2从而拉低光耦驱动电路3126中的可控精密稳压源的下分压，下分压变低，使得光电耦合器U1的工作电流变大，从而使得控制器U2的反馈管脚FB电压被拉高，意味着设定的反激电路314的输出电压变高，即要传输更多的能量到用电设备中。

反激电路314的隔离变压器T1副边有两个绕组，绕组N1是能量转移的输出，本例中连接的用电设备是直流风机。直流风机的供电有自己独立的闭环控制系统，且风机的功率大于二极管尖峰产生的功率。因此，通过反激电路314供电，直流风机自己的独立闭环控制系统只是减少了从电源输入汲取能量，而使用了一部分整流二极管D1、D2尖峰产生的能量。

反激电路314副边的另一个绕组N2是给检测电路312和控制器U2供电的，消耗能量很小，并且控制器U2可以通过降低自己的工作频率来减小能量的消耗。

整流二极管D1、D2的尖峰电压因为储释能元件C1的存在，被箝位到一个相对较低的值，但如果没有能量转移，就会逐渐升高，最终失去吸收作用。

储释能元件C1的的第二电压分量与参考电压做比较，经过放大电路3124的运放U3输出误差信号。当储释能元件C1电压高于预设值时，运放U3输出开始减小。运放U3输出减小，会导致第二开关管VT2开启，第二开关管VT2逐渐开启，会使检测电路312供电这一路的设定电压增加。但是因为绕组N2的输出电压基本不变，检测电路312的实际电压会和预设电压产生更大的偏差，偏差越大，控制器U2的开关频率越高；越高的开关频率意味着从储释能元件C1往风机供电转移能量的速度越快，促使吸收电容的电压开始下降。

当储释能元件C1的电压降到接近或小于预设值时，第二开关管VT2从导通趋向关闭，控制器U2的设定电压又开始降低，开关频率减小，从吸收电容转移能量的速度就降了下来。

由此可见。本申请提供的整流二极管尖峰抑制电路的负载300的工作情况不受主电路(逆变电路101)的开关过程影响，只受控于设定的电压预设值和实际的储释能元件C1的电压；反激电路314的工作频率和设定的电压预设值相关，储释能元件C1的电压越高，设定的电压预设值越低，需要转移的尖峰能量越多，转移电路的工作频率越高。

以上实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种整流二极管尖峰抑制电路，其特征在于，包括：

防倒灌元件，输入端与所述整流二极管连接，用于接入流过所述整流二极管的电流，并防止所述防倒灌元件的输出端的电流倒灌到所述整流二极管所在的支路上；

储释能元件，与所述防倒灌元件的输出端和负载连接，用于存储和释放电能量到所述负载；

第一阻抗电路，与所述储释能元件串联，用于限制所述储释能元件的充电电流；

释放控制电路，与所述第一阻抗电路并联，且与所述防倒灌元件的输出端连接，所述释放控制电路用于在所述储释能元件的电压大于预设值时，短路所述第一阻抗电路，以提升所述储释能元件的充电速度，以抑制所述整流二极管产生的尖峰电压；

所述负载包括开关电源电路和用电设备，所述开关电源电路的输入端与所述储释能元件连接，所述用电设备连接在所述开关电源电路的输出端，所述开关电源电路在所述整流二极管产生尖峰电压大于启动阈值时启动，所述开关电源电路的输出电压与所述储释能元件的电压成正比。

2.如权利要求1所述的整流二极管尖峰抑制电路，其特征在于，所述释放控制电路包括：

分压网络，与所述防倒灌元件的输出端连接，具有一分压输出端，所述分压网络用于检测输入到所述储释能元件的电压并在所述分压输出端输出第一电压分量；

稳压模块，与所述分压网络的分压输出端出连接，接收所述第一电压分量并输出一个驱动电压；

第一开关管，与所述第一阻抗电路并联，接收所述驱动电压，所述第一开关管在所述驱动电压的驱动下开启以将所述第一阻抗电路短路。

3.如权利要求2所述的整流二极管尖峰抑制电路，其特征在于，所述分压网络包括第一分压器和第二分压器，所述第一分压器的第一端与所述防倒灌元件的输出端连接，所述第一分压器的第二端与所述第二分压器的第一端连接，并作为所述分压输出端，所述第二分压器的第二端与所述第一阻抗电路的第一端或第二端连接。

4.如权利要求2所述的整流二极管尖峰抑制电路，其特征在于，所述稳压模块包括相并联的第一电容和稳压二极管，所述稳压二极管的负极与所述分压输出端连接，所述稳压二极管的正极与所述第一阻抗电路远离所述储释能元件的一端连接。

5.如权利要求1所述的整流二极管尖峰抑制电路，其特征在于，所述防倒灌元件包括一整流桥，所述整流桥的输入端与所述整流二极管的正极连接，所述储释能元件和所述第一阻抗电路串联连接在所述整流桥的输出正极和输出负极之间。

6.如权利要求1所述的整流二极管尖峰抑制电路，其特征在于，所述防倒灌元件包括一二极管，所述二极管的正极与所述整流二极管的负极连接，所述二极管的负极作为所述防倒灌元件的输出端。

7.如权利要求1所述的整流二极管尖峰抑制电路，其特征在于，所述开关电源电路包括：

检测电路，与所述储释能元件连接，用于检测所述储释能元件的电压，并输出检测电压，其中所述检测电压与所述储释能元件的电压成比例；

反激电路，与所述储释能元件、所述检测电路以及所述用电设备连接，所述反激电路在所述检测电压表示所述整流二极管在关断时产生的尖峰电压大于启动阈值时启动，并根据所述检测电压调整所述输出电压，其中所述储释能元件的电压与所述输出电压成正比。

8.如权利要求7所述的整流二极管尖峰抑制电路，其特征在于，所述检测电路包括分压单元、放大电路、第二开关管、光电耦合器以及光耦驱动电路；

所述分压单元与所述储释能元件连接，输出第二电压分量；

所述放大电路的两个输入端其中一个接入参考电压，另一个接收所述第二电压分量；

所述第二开关管的控制端连接所述放大电路的输出端，第一导通端连接所述光耦驱动电路，第二导通端接地；

所述光电耦合器的输入端与所述光耦驱动电路连接，输出端连接在所述反激电路的控制器的反馈管脚和电源之间。

9.一种电焊设备，包括逆变电路、与所述逆变电路连接的变压器以及与所述变压器的副边连接的整流二极管，其特征在于，所述电焊设备还包括与所述整流二极管连接的如权利要求1至8任一项所述的整流二极管尖峰抑制电路。

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