CN113809943B - 基于无桥pfc的llc数字化焊接电源系统及控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了基于无桥PFC的LLC数字化焊接电源系统及控制方法，包括单相交流输入电网、焊接电源和电弧负载。焊接电源由前后两级串联构成，其中前级为前级AD‑DC转换单元，选用Boost电路作为主电路，采用三路交错并联图腾柱无桥PFC技术；后级为后级DC‑DC转换单元，选用LLC谐振变换器作为主电路，采用多个后级子单元并联输出技术。通过前后两级的连级控制，使LLC谐振变换器可以在宽压范围输出的同时保证效率，进一步增大了焊接电源的输出功率，降低了焊接电源对电网的污染与干扰。

Description

基于无桥PFC的LLC数字化焊接电源系统及控制方法
技术领域
本发明涉及焊接电源技术领域，具体涉及基于无桥PFC的LLC数字化焊接电源系统及控制方法。
背景技术
随着现代制造业的不断发展，对于焊接技术而言既是机遇也是挑战，对焊接电源的性能也提出了更高的要求。目前焊接电源主电路主要分为硬开关和移相全桥软开关两种拓扑电路。与硬开关和移相全桥软开关变换器相比，LLC谐振变换器不但具有原边MOSFET功率开关管零电压开通特性，同时能实现副边整流二极管的零电流关断和低耐压要求，产生的电磁干扰小，损耗低，转换效率更高。但由于LLC谐振模块采用的功率开关管为MOSFET场效应管，受到半导体功率器件容量的限制和高频变压器磁性材料的制约，单个子单元的输出功率不大，很难满足焊接的大功率需求。同时当焊接过程中电弧负载变化时，在保持恒流的条件下，输出电压变化，LLC谐振变换器工作频率将偏离最佳谐振频率，导致LLC谐振变换器的输出电压范围窄，效率降低。
传统的焊接电源在输入电网电压整流后使用大容量的滤波电容，导致电源的负载特性呈现容性。相较于正弦交流输入电网电压，由于滤波电容的充放电作用，输入电流存在畸变与相位差，造成严重的失真现象。这种电流波形含有大量的谐波成分，引起线路的功率因数下降，污染电网。功率因数校正(Power Factor Correction,PFC)是解决传统桥式整流电路在供能过程中引入大量高次谐波、造成电流畸变等问题的重要方法。PFC技术不但可以恒定输出电压，使后级DC-DC变换器获得稳定的电压输入，同时也使输入电流跟随输入电网电压呈标准正弦波形状，进一步降低了电磁干扰和对电网的污染，也减轻了电网负担。然而，目前的焊接电源应用的往往是最简单的无源PFC，在使用了庞大沉重的PFC电感的情况下，仍然无法获得好的功率因数校正效果，焊接电源功率因数低，电网污染严重等情况仍无法得到改善。
由此可见，现有的基于LLC谐振变换器焊接电源技术，主要有以下几个方面的缺点：(1)偏离最佳谐振点频率工作时电源效率低；(2)电源功率因数低；(3)电源输出电压范围窄；(4)电源输出功率小。
发明内容
为了克服现有技术存在的缺点与不足，本发明提供一种基于无桥PFC的LLC数字化焊接电源系统及控制方法。
本发明采用如下技术方案：
一种基于无桥PFC的LLC数字化焊接电源系统，包括依次连接的单相交流输入电网、焊接电源及电弧负载；
所述焊接电源包括串联连接的前级AC-DC转换单元及后级DC-DC转换单元；
所述前级AC-DC转换单元包括依次连接的前级电压电流检测模块、前级控制模块、前级驱动模块及前级主电路，所述前级电压电流检测模块还与前级主电路的输入端及输出端连接；
所述后级DC-DC转换单元包括至少两个后级子单元，每个后级子单元包括依次连接的后级电压电流检测模块、后级控制模块、后级驱动模块及后级主电路，所述后级电压电流检测模块还与后级主电路的输出端连接，设其中一个后级子单元的后级控制模块为主机控制模块，其余后级子单元的后级控制模块为从机控制模块，主机控制模块与从机控制模块通过CAN总线进行通信；
前级控制模块与主机控制模块通过CAN总线进行通信。
进一步，所述前级主电路选取Boost电路作为前级主电路拓扑，具体包括依次连接的三路交错并联图腾柱无桥PFC模块和输出电容，所述三路交错并联图腾柱无桥PFC模块与单相交流输入电网相连，所述输出电容与后级DC-DC转换单元相连。
进一步，所述三路交错并联图腾柱无桥PFC模块包括电感电路、高频桥臂电路和低频桥臂电路，所述电感电路包括第一PFC电感、第二PFC电感和第三PFC电感，所述高频桥臂电路包括第一高频桥臂、第二高频桥臂和第三高频桥臂。其中第一PFC电感、第一高频桥臂和低频桥臂电路构成第一路无桥PFC，所述第二PFC电感、第二高频桥臂和低频桥臂电路构成第二路无桥PFC，所述第三PFC电感、第三高频桥臂和低频桥臂电路构成第三路无桥PFC。
进一步，所述三路交错并联图腾柱无桥PFC模块采用交错并联技术，通过前级控制模块控制三路无桥PFC交错120°工作，每一路无桥PFC的电感电流为总输入电流的1/3。
进一步，所述后级主电路选取全桥LLC谐振器作为后级主电路拓扑，包括依次连接的LLC谐振模块、功率变压器模块和输出整流滤波模块，所述LLC谐振模块与前级AC-DC转换单元相连，所述输出整流滤波模块与电弧负载相连。
进一步，所述LLC谐振模块包括LLC逆变网络和LLC谐振网络。
进一步，所述LLC谐振模块工作在最佳谐振点频率时，则LLC谐振网络内的谐振电流呈现正弦状并且无原边环流引起的回路损耗，LLC逆变网络的四只功率开关管实现ZVS，输出整流滤波模块的两只整流二极管实现ZCS，效率最高，电磁干扰最小，同时LLC谐振模块的增益和负载无关。
一种LLC数字化焊接电源系统的控制方法，所述后级DC-DC转换单元的控制过程如下，包括：
主机控制模块与从机控制模块建立CAN通信，并由主机控制模块判断焊枪开关断合，若焊枪开关闭合，则打开气阀开始送气，同时主机控制模块向从机控制模块发送输出信号，多个后级子单元同时工作，进行慢送丝引弧，并检测输出电流是否超过阈值60A，若超过阈值60A，经过引弧控制后，多个后级子单元同时进行恒流输出，从而在增大焊接电源输出功率的同时，保证所有后级子单元的LLC谐振模块工作在最佳谐振点频率。
一种LLC数字化焊接电源系统的控制方法，所述前级AC-DC转换单元的控制过程如下，包括：
前级AC-DC转换单元的前级控制模块采用平均电流模式控制，通过前级电压电流检测模块检测输入电流，前级控制模块运算后将输入电流的平均值作为闭环运算量，与电流参考信号比较后调节PWM占空比，通过前级驱动模块驱动高频桥臂电路，控制输入电流平均值跟随输入电网电压，平均电流模式驱动频率恒定，并且受噪声干扰较小；
所述前级AC-DC转换单元的前级控制模块采用陷波滤波器对前级电压电流检测模块采样的输出电压进行处理。
一种LLC数字化焊接电源系统的控制方法，前后连级控制过程如下，包括：
后级DC-DC转换单元的LLC谐振模块恒工作在最佳谐振点频率，在保持恒流的条件下当电弧负载变化时输出电压变化，引起LLC谐振模块的工作频率偏离最佳谐振点频率时，后级DC-DC转换单元的主机控制模块将工作频率偏差通过CAN总线传输给前级AC-DC转换单元的前级控制模块，前级AC-DC转换单元的前级控制模块通过运算后调节PWM占空比，通过前级AC-DC转换单元的前级驱动模块驱动高频桥臂电路，控制前级AC-DC转换单元的输出电压能够使后级DC-DC转换单元的LLC谐振模块重新工作在最佳谐振点频率，达到焊接宽压输出的目的。
本发明的有益效果：
(1)本发明能够通过前级AC-DC转换单元及其控制方法实现提升功率因数，改善焊接电源的输入电能质量，降低电磁干扰和对电网谐波污染的目的；
(2)通过后级DC-DC转换单元及其控制方法实现在增大焊接电源输出功率的同时保证LLC逆变网络的四只功率开关管零电压开通和输出整流滤波模块的两只整流二极管零电流关断，从而减少开关损耗，达到提高电源效率的目的
(3)通过前级AC-DC转换单元和后级DC-DC转换单元的连级控制方法实现后级DC-DC转换单元的LLC谐振模块直流输入电压稳定，在保持恒流的条件下当电弧负载变化引起输出电压变化时，LLC谐振模块恒工作在最佳谐振点频率，达到焊接宽压输出的目的。
附图说明
图1是本发明的电路结构示意图；
图2是本发明的前级AC-DC转换单元的主电路原理图；
图3是本发明的后级DC-DC转换单元中若干子单元的主电路原理图；
图4是本发明的后级DC-DC转换单元中若干子单元的控制模块程序流程图；
图5是本发明的前级AC-DC转换单元与后级DC-DC转换单元之间CAN通信程序流程图。
具体实施方式
下面结合实施例及附图，对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。
实施例
如图1所示，一种基于无桥PFC的LLC数字化焊接电源系统，包括单相交流输入电网100、焊接电源和电弧负载114。
所述焊接电源由前后两级串联组成，其中前级为前级AC-DC转换单元200，与单相交流输入电网100相连，后级为后级DC-DC转换单元300，与电弧负载114相连。
所述前级AC-DC转换单元200包括前级主电路、前级驱动模块103、前级控制模块104和前级电压电流检测模块105，所述前级控制模块104的输入与前级电压电流检测模块105的输出相连，所述前级控制模块104的输出与前级驱动模块103的输入相连，所述前级驱动模块103的输出与前级主电路相连，所述前级电压电流检测模块105的输入与前级主电路输入输出端相连。
所述后级DC-DC转换单元300由至少两个后级子单元10并联构成，所述后级子单元10包括后级主电路、后级驱动模块109、后级控制模块110和后级电压电流检测模块111，所述后级控制模块110的输入与后级电压电流检测模块111的输出相连，所述后级控制模块110的输出与后级驱动模块109的输入相连，所述后级驱动模块109的输出与后级主电路相连，所述后级电压电流检测模块111的输入与后级主电路的输出端相连。
所述前级AC-DC转换单元200的前级控制模块104选用TMS320F280049C数字信号处理器，所述后级DC-DC转换单元300中多个后级子单元10的后级控制模块110选用STM32F103RBT6微控制器。
所述后级DC-DC转换单元300中，设其中一个后级子单元10的后级控制模块110作为主机控制模块112，其余后级子单元10的后级控制模块110作为从机控制模块113，主机控制模块112与从机控制模块113之间通过CAN总线进行通信。
所述前级控制模块104与后级DC-DC转换单元300的主机控制模块112通过CAN总线进行通信。
如图2所示，所述前级主电路选取Boost电路作为前级主电路拓扑，包括三路交错并联图腾柱无桥PFC模块101和输出电容102，所述三路交错并联图腾柱无桥PFC模块101与单相交流输入电网100相连，所述输出电容102与后级DC-DC转换单元300相连。
所述三路交错并联图腾柱无桥PFC模块101包括电感电路、高频桥臂电路和低频桥臂电路，所述电感电路包括第一PFC电感L1、第二PFC电感L2和第三PFC电感L3，所述高频桥臂电路包括第一高频桥臂、第二高频桥臂和第三高频桥臂。
所述第一高频桥臂包括两只高频开关管Q1和高频开关管Q5，其中高频开关管Q1的漏极与输出电容102正极相连，高频开关管Q1的源极与高频开关管Q5的漏极相连作为第一高频桥臂中点再与第一PFC电感L1相连，高频开关管Q1的栅极与前级AC-DC转换单元200的前级驱动模块104相连，高频开关管Q5的源极与输出电容102负极相连，高频开关管Q5的栅极与前级AC-DC转换单元200的前级驱动模块104相连。
所述第二高频桥臂包括两只高频开关管Q2和高频开关管Q6，其中高频开关管Q2的漏极与输出电容102正极相连，高频开关管Q2的源极与高频开关管Q6的漏极相连作为第二高频桥臂中点再与第二PFC电感L2相连，高频开关管Q2的栅极与前级AC-DC转换单元200的前级驱动模块104相连，高频开关管Q6的源极与输出电容102负极相连，高频开关管Q6的栅极与前级AC-DC转换单元200的前级驱动模块104相连。
所述第三高频桥臂包括两只高频开关管Q3和高频开关管Q7，其中高频开关管Q3的漏极与输出电容102正极相连，高频开关管Q3的源极与高频开关管Q7的漏极相连作为第三高频桥臂中点再与第三PFC电感L3相连，高频开关管Q3的栅极与前级AC-DC转换单元200的前级驱动模块104相连，高频开关管Q7的源极与输出电容102负极相连，高频开关管Q7的栅极与前级AC-DC转换单元200的前级驱动模块104相连。
所述第一PFC电感L1一端与单相交流输入电网L线相连，另一端与第一高频桥臂中点相连，所述第二PFC电感L2一端与单相交流输入电网L线相连，另一端与第二高频桥臂中点相连，所述第三PFC电感L3一端与单相交流输入电网L线相连，另一端与第三高频桥臂中点相连。
所述低频桥臂电路包括两只低频开关管Q4和高频开关管Q8，其中高频开关管Q4的漏极与输出电容102正极相连，高频开关管Q4的源极与高频开关管Q8的漏极相连作为低频桥臂中点再与单相交流输入电网N线相连，高频开关管Q4的栅极与前级AC-DC转换单元200的前级驱动模块104相连，高频开关管Q8的源极与输出电容102负极相连，高频开关管Q8的栅极与前级AC-DC转换单元200的前级驱动模块104相连。
所述三路交错并联图腾柱无桥PFC模块101采用交错并联技术，所述第一PFC电感L1、第一高频桥臂和低频桥臂电路构成第一路无桥PFC，所述第二PFC电感L2、第二高频桥臂和低频桥臂电路构成第二路无桥PFC，所述第三PFC电感L3、第三高频桥臂和低频桥臂电路构成第三路无桥PFC，通过前级AC-DC转换单元200的前级控制模块104控制三路无桥PFC交错120°工作，每一路的PFC电感电流为总输入电流的1/3，相位相互错开120°，三路PFC电感电流叠加后总输入电流的纹波减小，具有较低的电磁干扰。
所述第一路无桥PFC、第二路无桥PFC和第三路无桥PFC的工作原理相同，下面以第一路无桥PFC的工作原理为例作表述，包括：
以单相交流输入电网100的电压极性切换、第一高频桥臂的两只高频开关管Q1和高频开关管Q5以及低频桥臂电路的两只低频开关管Q4和Q8的开通和关断为标准，其中低频桥臂电路的两只低频开关管Q4和低频开关管Q8的开关频率与单相交流输入电网100的电压频率一致，第一高频桥臂的两只高频开关管Q1和高频开关管Q5的开关频率为所述前级AC-DC转换单元200的前级控制模块104所设定的控制频率。
所述第一路无桥PFC工作在四个不同的模态：第一路无桥PFC工作在第一模态时，单相交流输入电网100的电压进入正半周，低频桥臂电路的低频开关管Q4关断、低频开关管Q8开通，此时第一高频桥臂的高频开关管Q1关断、高频开关管Q5开通，第一PFC电感L1处于储能阶段，工作在该阶段时，电流由单相交流输入电网100流入，流经第一PFC电感L1、第一高频桥臂的高频开关管Q5以及低频桥臂电路的低频开关管Q8流回单相交流输入电网100，第一PFC电感L1完成储能过程，后级DC-DC转换单元300由输出电容102单独完成供电；第一路无桥PFC工作在第二模态时，单相交流输入电网100的电压仍然处于正半周，低频桥臂电路的低频开关管Q4关断、Q8开通，此时第一高频桥臂的高频开关管Q1开通、Q5关断，第一PFC电感L1处于供能阶段，工作在该阶段时，电流由单相交流输入电网100流入，流经第一PFC电感L1、第一高频桥臂的高频开关管Q1、输出电容102、后级DC-DC转换单元300以及低频桥臂电路的低频开关管Q8流回单相交流输入电网100，第一PFC电感L1完成供能过程，后级DC-DC转换单元300由单相交流输入电网100和第一PFC电感L1完成供电；第一路无桥PFC工作在第三模态时，单相交流输入电网100的电压进入负半周，低频桥臂电路的低频开关管Q4开通、Q8关断，此时第一高频桥臂的高频开关管Q1开通、Q5关断，第一PFC电感L1处于储能阶段，工作在该阶段时，电流由单相交流输入电网100流入，流经第一PFC电感L1、低频桥臂电路的低频开关管Q4以及第一高频桥臂的高频开关管Q1流回单相交流输入电网100，第一PFC电感L1完成储能过程，后级DC-DC转换单元300由输出电容102单独完成供电；第一路无桥PFC工作在第四模态时，单相交流输入电网100的电压仍然处于负半周，低频桥臂电路的低频开关管Q4开通、Q8关断，此时第一高频桥臂的高频开关管Q1关断、Q5开通，第一PFC电感L1处于供能阶段，工作在该阶段时，电流由单相交流输入电网100流入，流经第一PFC电感L1、低频桥臂电路的低频开关管Q4、输出电容102、后级DC-DC转换单元300以及第一高频桥臂的高频开关管Q5流回单相交流输入电网100，第一PFC电感L1完成供能过程，后级DC-DC转换单元300由单相交流输入电网100和第一PFC电感L1完成供电。
所述第二路无桥PFC，除第二高频桥臂的两只高频开关管Q2和高频开关管Q6相对于第一路无桥PFC中第一高频桥臂的两只高频开关管Q1和高频开关管Q5开通关断状态滞后120°外，其它工作过程均相同。
所述第三路无桥PFC，除第三高频桥臂的两只高频开关管Q3和高频开关管Q7相对于第一路无桥PFC中第一高频桥臂的两只高频开关管Q1和高频开关管Q5开通关断状态滞后240°外，其它工作过程均相同。
所述前级AC-DC转换单元200的前级控制模块104控制三路交错并联图腾柱无桥PFC模块101工作在CCM，由于CCM在单个周期内电感能量并未完全释放，电流不会归零，适用于焊接的大功率场合。
所述前级AC-DC转换单元200的前级控制模块104利用数字锁相环生成电流参考信号，通过前级AC-DC转化单元200的前级电压电流检测模块105检测输入电压，数字锁相环只以输入电压基波频率为基准锁定相位，因此输入电网电压中本身带有的谐波不会被引入到输入电流的控制中，使输入电流的畸变可以进一步降低。
所述前级AC-DC转换单元200的前级控制模块104控制采用平均电流模式控制，通过前级AC-DC转换单元200的前级电压电流检测模块105检测输入电流，运算后将输入电流的平均值作为闭环运算量，与电流参考信号比较后调节PWM占空比，通过前级AC-DC转换单元200的前级驱动模块103驱动高频桥臂电路，控制输入电流平均值跟随输入电网电压，平均电流模式驱动频率恒定，并且受噪声干扰较小。
所述前级AC-DC转换单元200的前级控制模块104利用陷波滤波器对前级电压电流检测模块105采样的输出电压进行处理，前级AC-DC转换单元200的输出母线电压存在频率为两倍工频的纹波，这是PFC的固有问题，利用陷波滤波器对含有两倍工频纹波的输出电压进行滤波，使输出电压的采样更为准确。
所述后级DC-DC转换单元300中多个后级子单元10的后级主电路选取全桥LLC谐振变换器作为主电路拓扑，包括LLC谐振模块106、功率变压器模块107和输出整流滤波模块108，所述LLC谐振模块106与前级AC-DC转换单元200相连，所述输出整流滤波模块108与电弧负载114相连。
如图3所示是本发明的后级DC-DC转换单元300中若干后级子单元10的主电路。
所述LLC谐振模块106由LLC逆变网络和LLC谐振网络组成。
所述LLC逆变网络包括第一逆变桥臂和第二逆变桥臂。
所述第一逆变桥臂包括两只功率开关管V1和V3，其中V1的漏极与前级AC-DC转换单元200的输出正极相连，V1的源极与V3的漏极相连作为第一逆变桥臂中点再与LLC谐振网络相连，V1的栅极与后级DC-DC转换单元300中后级子单元10的驱动模块109相连，V3的源极与前级AC-DC转换单元200的输出负极相连，V3的栅极与后级DC-DC转换单元300中后级子单元10的后级驱动模块109相连。
所述第二逆变桥臂包括两只功率开关管V2和V4，其中V2的漏极与前级AC-DC转换单元200的输出正极相连，V2的源极与V4的漏极相连作为第二逆变桥臂中点再与LLC谐振网络相连，V2的栅极与后级DC-DC转换单元300中后级子单元10的驱动模块109相连，V4的源极与前级AC-DC转换单元200的输出负极相连，V4的栅极与后级DC-DC转换单元300中后级子单元10的驱动模块109相连。
所述功率变压器模块107、输出整流滤波模块108和电弧负载114构成等效负载Re。
所述LLC谐振网络包括谐振电感Lr、励磁电感Lm和谐振电容Cr，所述谐振电感Lr、励磁电感Lm、谐振电容Cr和等效负载Re一起构成谐振腔。
所述输出整流滤波模块108包括第一整流二极管D1、第二整流二极管D2和滤波电容C1。
所述LLC谐振模块106的工作在最佳谐振点频率时，LLC谐振网络内的谐振电流呈现正弦状并且无原边环流引起的回路损耗，LLC逆变网络的四只功率开关管V1、V2、V3和V4可以实现ZVS，输出整流滤波模块的两只整流二极管D1和D2可以实现ZCS，效率最高，电磁干扰最小，同时LLC谐振模块106的增益和负载无关，是最佳的工作频率。
所述LLC谐振模块106的工作在最佳谐振点频率时，LLC谐振模块106工作在四个不同的模态：LLC谐振模块106工作在第一模态时，所述功率开关管V1和V4开通，V2和V3关断，所述前级AC-DC转换单元200为谐振腔提供能量，谐振电流流经功率开关管V1和V4，所述功率变压器模块107原边提供给电弧负载114的电流等于谐振电流减去励磁电流，励磁电流先负后正，所述功率变压器模块107副边电压上正下负，所述第一整流二极管D1导通，第二整流二极管D2关断，第一整流二极管D1电流上升后下降，为下一工作模态第一整流二极管D1零电流关断提供条件，所述励磁电感Lm被输出电压箝位，不参与谐振过程，励磁电流线性上升；LLC谐振模块106工作在第二模态时，所述功率开关管V1和V4关断，V2和V3关断，功率开关管V2和V3体内寄生电容电荷被谐振腔抽为零，功率开关管V1和V4体内寄生电容电荷被谐振腔充满至电源电压，功率开关管V2与V3寄生反并联二极管续流，功率开关管V2和V3的漏极和源极之间的电压为零，为下一阶段实现功率开关管V2和V3零电压开通创造了条件，所述功率变压器模块107原边电压极性转换，副边电压下正上负，所述第一整流二极管D1关断、第二整流二极管D2导通，由于上一工作模态的第一整流二极管D1电流下降为零，所以第一整流二极管D1零电流关断，第二整流二极管D2电流上升，励磁电感Lm重新被副边输出电压箝位，不参与谐振过程；LLC谐振模块106工作在第三模态时，所述功率开关管V1和V4关断，V2和V3导通，所述功率开关管V2和V3的漏极和源极之间的电压在上一阶段为零，因此功率开关管V2和V3是零电压开通，所述功率变压器模块107原边提供给电弧负载114的电流等于谐振电流减去励磁电流，励磁电流先正后负，所述功率变压器模块107副边电压下正上负，所述第一整流二极管D1关断，第二整流二极管D2导通，第二整流二极管D2电流上升后下降，为下一工作模态第二整流二极管D2零电流关断提供条件，所述励磁电感Lm被输出电压箝位，不参与谐振过程，励磁电流线性下降；LLC谐振模块106工作在第四模态时，所述功率开关管V1和V4关断，V2和V3关断，功率开关管V1和V4体内寄生电容电荷被谐振腔抽为零，功率开关管V2和V3体内寄生电容电荷被谐振腔充满至电源电压为零，功率开关管V1与V4寄生反并联二极管续流，功率开关管V1和V4的漏极和源极之间的电压为零，为下一阶段实现功率开关管V1和V4零电压开通创造了条件，所述功率变压器模块107原边电压极性转换，副边电压上正下负，所述第一整流二极管D1导通、第二整流二极管D2关断，由于上一工作模态的第二整流二极管D2电流下降为零，所以第二整流二极管D2零电流关断，第一整流二极管D1电流上升，励磁电感Lm重新被副边输出电压箝位，不参与谐振过程。
如图4所示是本发明的后级DC-DC转换单元300中后级子单元10的后级控制模块110程序流程图。所述后级DC-DC转换单元300中若干子单元的后级控制模块110经过初始化后，主机控制模块112与从机控制模块113建立CAN通信，并由主机控制模块112判断焊枪开关断合。若焊枪开关闭合，则打开气阀开始送气，同时主机控制模块112向从机控制模块113发送输出信号，若干后级子单元10同时工作，进行慢送丝引弧，并检测输出电流是否超过阈值60A，若超过阈值60A，经过引弧控制后，后级子单元10同时进行恒流输出，从而在增大焊接电源输出功率的同时，保证所有后级子单元10的LLC谐振模块106工作在最佳谐振点频率。
如图5所示是本发明的前级AC-DC转换单元200与后级DC-DC转换单元300之间CAN通信程序流程图。LLC谐振模块106恒工作在最佳谐振点频率，在保持恒流的条件下当电弧负载变化时输出电压变化，引起LLC谐振模块106的工作频率偏离最佳谐振点频率时，后级DC-DC转换单元300的主机控制模块112将工作频率偏差通过CAN总线传输给前级AC-DC转换单元200的控制模块104，前级AC-DC转换单元200的前级控制模块104通过运算后调节PWM占空比，通过前级AC-DC转换单元200的前级驱动模块103驱动高频桥臂电路，控制前级AC-DC转换单元200的输出电压能够使后级DC-DC转换单元300的LLC谐振模块106工作频率重新工作在最佳谐振点频率，达到宽压输出的目的。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受所述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种基于无桥PFC的LLC数字化焊接电源系统，其特征在于，包括依次连接的单相交流输入电网、焊接电源及电弧负载；
所述焊接电源包括串联连接的前级AC-DC转换单元及后级DC-DC转换单元；
所述前级AC-DC转换单元包括依次连接的前级电压电流检测模块、前级控制模块、前级驱动模块及前级主电路，所述前级电压电流检测模块还与前级主电路的输入端及输出端连接；
所述后级DC-DC转换单元包括至少两个后级子单元，每个后级子单元包括依次连接的后级电压电流检测模块、后级控制模块、后级驱动模块及后级主电路，所述后级电压电流检测模块还与后级主电路的输出端连接，设其中一个后级子单元的后级控制模块为主机控制模块，其余后级子单元的后级控制模块为从机控制模块，主机控制模块与从机控制模块通过CAN总线进行通信；
前级控制模块与主机控制模块通过CAN总线进行通信，控制过程如下：
后级DC-DC转换单元的LLC谐振模块恒工作在最佳谐振点频率，在保持恒流的条件下当电弧负载变化时后级DC-DC转换单元的输出电压变化，引起LLC谐振模块的工作频率偏离最佳谐振点频率时，后级DC-DC转换单元的主机控制模块将工作频率偏差通过CAN总线传输给前级AC-DC转换单元的前级控制模块，前级AC-DC转换单元的前级控制模块通过运算后调节PWM占空比，通过前级AC-DC转换单元的前级驱动模块驱动高频桥臂电路，控制前级AC-DC转换单元的输出电压能够使后级DC-DC转换单元的LLC谐振模块重新工作在最佳谐振点频率，达到焊接宽压输出的目的；
所述前级主电路选取Boost电路作为前级主电路拓扑，具体包括依次连接的三路交错并联图腾柱无桥PFC模块和输出电容，所述三路交错并联图腾柱无桥PFC模块与单相交流输入电网相连，所述输出电容与后级DC-DC转换单元相连；
所述三路交错并联图腾柱无桥PFC模块包括电感电路、高频桥臂电路和低频桥臂电路，所述电感电路包括第一PFC电感、第二PFC电感和第三PFC电感，所述高频桥臂电路包括第一高频桥臂、第二高频桥臂和第三高频桥臂，其中第一PFC电感、第一高频桥臂和低频桥臂电路构成第一路无桥PFC，所述第二PFC电感、第二高频桥臂和低频桥臂电路构成第二路无桥PFC，所述第三PFC电感、第三高频桥臂和低频桥臂电路构成第三路无桥PFC；
所述三路交错并联图腾柱无桥PFC模块采用交错并联技术，通过前级控制模块控制第一路无桥PFC、第二路无桥PFC和第三路无桥PFC交错120°工作，第一路无桥PFC、第二路无桥PFC和第三路无桥PFC的电感电流分别为总输入电流的1/3；
所述后级主电路选取全桥LLC谐振器作为后级主电路拓扑，包括依次连接的LLC谐振模块、功率变压器模块和输出整流滤波模块，所述LLC谐振模块与前级AC-DC转换单元相连，所述输出整流滤波模块与电弧负载相连。
2.根据权利要求1所述的LLC数字化焊接电源系统，其特征在于，所述LLC谐振模块包括LLC逆变网络和LLC谐振网络。
3.根据权利要求2所述的LLC数字化焊接电源系统，其特征在于，所述LLC谐振模块工作在最佳谐振点频率时，则LLC谐振网络内的谐振电流呈现正弦状并且无原边环流引起的回路损耗，LLC逆变网络的四只功率开关管实现ZVS，输出整流滤波模块的两只整流二极管实现ZCS，效率最高，电磁干扰最小，同时LLC谐振模块的增益和电弧负载无关。
4.一种基于权利要求1-3任一项所述的LLC数字化焊接电源系统的控制方法，其特征在于，所述后级DC-DC转换单元的控制过程如下：
主机控制模块与从机控制模块建立CAN总线通信，并由主机控制模块判断焊枪开关断合，若焊枪开关闭合，则打开气阀开始送气，同时主机控制模块向从机控制模块发送输出信号，多个后级子单元同时工作，进行慢送丝引弧，并检测输出电流是否超过阈值60A，若超过阈值60A，经过引弧控制后，多个后级子单元同时进行恒流输出，从而在增大焊接电源输出功率的同时，保证所有后级子单元的LLC谐振模块工作在最佳谐振点频率。
5.一种基于权利要求1-3任一项所述的LLC数字化焊接电源系统的控制方法，其特征在于，
所述前级AC-DC转换单元的前级控制模块采用平均电流模式控制，通过前级电压电流检测模块检测输入电流，前级控制模块运算后将输入电流的平均值作为闭环运算量，与电流参考信号比较后调节PWM占空比，通过前级驱动模块驱动高频桥臂电路，控制输入电流的平均值跟随单相交流输入电网电压，平均电流模式驱动频率恒定，并且受噪声干扰较小；
所述前级AC-DC转换单元的前级控制模块采用陷波滤波器对前级电压电流检测模块采样的输出电压进行处理。
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