CN115173682A - 用于提供焊接电力的方法和设备 - Google Patents

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Abstract

公开用于提供焊接电力的方法和设备。实例焊接型电力供应器包含：变压器，具有第一次级绕组和第二次级绕组；开关元件，被配置成控制从第一次级绕组和第二次级绕组到输出的电流流动；以及控制电路，被配置成通过基于输出电压极性而选择开关元件的第一子集以执行整流从而控制开关元件选择性地输出正输出电压和负输出电压，而不需要单独的整流器级。

Description

用于提供焊接电力的方法和设备
本申请是申请日为2018年7月3日、国际申请号为PCT/US2018/040735、国家申请号为201880048713.1、发明名称为“用于提供焊接电力的方法和设备”的发明专利申请的分案申请。
相关申请
本国际申请主张2017年7月28日申请的名为“用于提供焊接电力的方法和设备(Methods and Apparatus to Provide Welding Power)”的第15/663,251号美国专利申请的优先权。第15/663,251号美国专利申请的全部内容以引用方式并入本文中。
背景技术
本公开总的来说涉及焊接系统，并且更明确地说，涉及提供焊接电力的方法和设备。
近年来，焊接设备已纳入有用于将输入电力转换和/或调节为焊接电力的开关模式电力供应器。开关模式电力供应器或基于逆变器的电力供应器使用半导体器件而不是较庞大的基于磁性的部件，这显著减小了在其中采用基于逆变器的电力供应器的焊接电力供应器的重量和大小。
发明内容
公开用于提供焊接电力的方法和设备，实质上如附图中的至少一幅所图示以及结合附图中的至少一幅所描述，如权利要求书中更全面地阐述。
附图说明
图1是常规全桥焊接输出电路的电路图。
图2是图示图1的常规全桥焊接输出电路的不同换向方案下的实例焊接电流输出的图表。
图3是常规半桥焊接输出电路的电路图。
图4是根据本公开的方面的实例焊接输出电路的电路图。
图5图示图4的实例焊接输出电路的操作，其中输出具有电极负极性和正输入极性。
图6图示图4的实例焊接输出电路的操作，其中输出具有电极正极性和正输入极性。
图7图示图4的实例焊接输出电路的操作，其中输出具有电极正极性和负输入极性。
图8图示图4的实例焊接输出电路在不存在由初级侧逆变器提供的输入电力的续流阶段期间的操作。
图9是图4的焊接输出电路中的电压和电流的图表。
图10图示图4的实例焊接输出电路在从输出级到输入级的反向电力传送期间的操作。
图11是如图10所图示的反向电力传送期间图4的焊接输出电路中的电压和电流的图表。
图12是图4的焊接输出电路在图10所图示的反向电力传送期间的电流输出的图表。
图13是图4的实例焊接输出电路的电路图，其中所述实例焊接输出电路包含用于耗散来自开关元件的热的实例散热器组件配置。
图14是根据本公开的方面的实例焊接输出电路的电路图，其中所述实例焊接输出电路使用金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)。
图15是根据本公开的方面的实例焊接输出电路的电路图，其中所述实例焊接输出电路使用多个变压器。
图16是控制电路的实例实施方案的框图，其中控制电路被配置成输出PWM信号以控制图4和/或图14的开关元件。
附图未必按比例绘制。在合适的情况下，类似或相同附图标记用于表示类似或相同部件。
具体实施方式
所公开的实例从基于开关模式电力供应器(SMPS)的焊接电源提供交流(AC)电流输出。与常规全桥电力供应电路和半桥电力供应电路相比，所公开的实例电力供应器在隔离屏障电路的SMPS次级电路侧中使用半导体器件来将整流器级与换向级组合在一起。
所公开的实例方法和设备可用于通过按反向方式操作而将隔离屏障电路的次级侧(例如，输出侧)上的感应焊接电路中所存储的无功能量返回到隔离屏障电路的初级侧(例如，输入电路)。
如本文所使用，术语“焊接型电力”表示适用于焊接、等离子体切割、感应加热、CAC-A和/或热丝焊接/预加热(包含激光焊接和激光熔覆)的电力。如本文所使用，术语“焊接型电力供应器”表示在电力被施加到其中时能够供应焊接、等离子体切割、感应加热、CAC-A和/或热丝焊接/预加热(包含激光焊接和激光熔覆)电力的任何装置，包含(但不限于)逆变器、转换器、谐振电力供应器、准谐振电力供应器等以及与其相关联的控制电路和其它附属电路。
如本文所使用，术语“焊接型电压”表示适用于焊接、等离子体切割、感应加热、CAC-A和/或热丝焊接/预加热(包含激光焊接和激光熔覆)的电压。
所公开的实例焊接型电力供应器包含：变压器，具有第一次级绕组和第二次级绕组；开关元件，用于控制从第一次级绕组和第二次级绕组到输出的电流流动；以及控制电路，被配置成通过基于所命令的输出电压极性而选择开关元件的第一子集以执行整流，从而控制开关元件选择性地输出正输出电压和负输出电压而不需要独立的整流器级。
在一些实例中，控制电路基于所命令的输出电压极性而选择开关元件的第二子集，并控制开关元件的第二子集耦接第一次级绕组和第二次级绕组。在一些此种实例中，第二子集不同于第一子集。在一些实例中，控制电路基于输入电压极性和所命令的输出电压极性而选择开关元件的第一子集和开关元件的第二子集。在一些实例中，当所命令的输出电压极性改变时，控制电路重新选择开关元件的第二子集。
一些实例焊接型电力供应器还包含：初级转换器电路，用于将输入电力转换为具有中间频率的中间电力，其中变压器在变压器的初级绕组处接收中间电力。在一些此种实例中，控制电路控制开关元件经由第一次级绕组和第二次级绕组将能量供应到初级转换器电路。一些实例还包含：第一散热器，用于耗散来自共享第一电节点的第一组的至少两个开关元件的热；以及第二散热器，用于耗散来自共享第二电节点的第二组的至少两个开关元件的热。
在一些实例中，变压器包含初级绕组，并且在实质上没有电压施加到变压器的初级绕组时控制电路控制所有开关元件传导电流。在一些实例中，开关元件中的每一个包含具有续流二极管的绝缘栅双极晶体管(IGBT)或金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)。
所公开的焊接型电力供应器包含：变压器，具有第一次级绕组和第二次级绕组；第一开关元件；第二开关元件；第三开关元件；第四开关元件；以及控制电路。第一开关元件耦接在第一次级绕组与焊接型电力供应器的第一输出端子之间，第二开关元件耦接在第二次级绕组与焊接型电力供应器的第一输出端子之间，第三开关元件耦接在第一次级绕组与焊接型电力供应器的第二输出端子之间，并且第四开关元件耦接在第二次级绕组与焊接型电力供应器的第二输出端子之间。控制电路通过以下方式控制开关元件以输出具有第一极性的焊接电压：控制第一开关元件和第二开关元件作为第一次级绕组与第二次级绕组之间的中心抽头操作，同时使第三开关元件和第四开关元件作为整流器操作。控制电路进一步通过以下方式控制开关元件以输出具有第二极性的焊接电压：控制第三开关元件和第四开关元件作为第一次级绕组与第二次级绕组之间的中心抽头操作，同时使第一开关元件和第二开关元件作为整流器操作。
在一些实例中，第一开关元件、第二开关元件、第三开关元件和第四开关元件包含具有续流二极管的绝缘栅双极晶体管(IGBT)或金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)中的至少一个。在一些实例中，控制电路基于变压器的初级绕组电压的极性而控制第三开关元件或第四开关元件中的第一个以使其导通并将第三开关元件或第四开关元件中的另一个控制为关断。在一些实例中，控制电路基于变压器的初级绕组电压的极性而控制第一开关元件或第二开关元件中的第一个以使其导通并将第一开关元件或第二开关元件中的另一个控制为关断。
一些实例焊接型电力供应器还包含：初级转换器电路，用于将输入电力转换为具有中间频率的中间电力，其中变压器在变压器的初级绕组处接收中间电力。在一些此种实例中，控制电路控制第一开关元件、第二开关元件、第三开关元件和第四开关元件经由第一次级绕组和第二次级绕组将能量供应到初级转换器电路。
在一些实例中，在实质上没有电压施加到变压器的初级绕组时，控制电路控制第一开关元件、第二开关元件、第三开关元件和第四开关元件传导电流。在一些实例中，第一开关元件、第一次级绕组和第三开关元件串联耦接在第一输出端子与第二输出端子之间，并且第二开关元件、第二次级绕组和第四开关元件串联耦接在第一输出端子与第二输出端子之间。
在一些实例中，第一开关装置、第二开关装置、第三开关装置和第四开关装置中的每一个在第一输出端子和第二输出端子处传导输出电流的一半的平均值。一些实例还包含：第一散热器，用于耗散来自第一开关元件和第二开关元件的热；以及第二散热器，被配置成耗散来自第三开关元件和第四开关元件的热。
图1是常规全桥焊接输出电路100的电路图。常规全桥焊接输出电路100包含初级(输入)侧开关模式电力供应器102，其中初级(输入)侧开关模式电力供应器102对变压器106的初级绕组104产生高频(例如，18到100kHz)信号。变压器106在变压器的初级侧(例如，初级电力供应器102)与变压器106的次级侧108之间提供隔离。
次级侧108例如对焊接应用生成输出电压和电流。次级侧108包含整流器级110、换向级112和辅助电路114。整流器级110将高频信号转换为DC电流。换向级112包含四个晶体管116a到116d，其中晶体管116a到116d被布置成桥以将来自整流器级110的DC电流转换为较低频(例如，20到400Hz)AC电流(例如，适用于焊接的电流)。辅助电路114通过钳位输出电压并将多余能量返回到输出而处置在换向期间存在的无功能量。
次级侧108生成在焊接型电极118(例如，经由焊炬)与工件120之间的输出电压。焊接缆线和/或次级侧108可具有由电感器122表示输出电感和/或物理电感器。其它电感源(例如，用于高频起弧的耦合线圈124)也可能提供无功分量。
图1的常规全桥拓扑具有缺点，包含由不断流经次级侧108的其中三个半导体器件(例如，整流器级110中的一个二极管以及换向级112中的两个晶体管116a到116d)的电流导致的过度损耗。全桥拓扑的另一缺点在于，在任何给定时间仅使用四个晶体管116a到116d中的两个，而晶体管116a到116d中的另两个(以及相关联的电流路径)保持闲置。此外，全桥拓扑需要辅助电路114以处置(例如，钳位)存储在输出电感中的无功能量。
图2是图示图1的常规全桥焊接输出电路100在不同换向方案下的实例焊接电流输出202、204的图表。全桥相比其它常规拓扑(例如，半桥拓扑)的优点中的一个在于，全桥焊接输出电路100能够将电流硬换向或将电流从晶体管116a到116d的一个组切换到晶体管116a到116d的另一个组，并因此通过钳位的使用而改变电流的方向。输出电流202图示使用硬换向方案进行的输出，并且输出电流204图示使用辅助电路114的软换向方案。布置在DC支路中的输出电感器122的使用实现如硬换向输出电流202中所示的较呈方形的输出电流。然而，硬换向输出电流202导致电流的大幅改变(例如，输出电感器中的dI/dt)。
图3是常规半桥焊接输出电路300的电路图。如同图1的全桥电路100，半桥焊接输出电路300包含初级(输入)侧开关模式电力供应器302，其中初级(输入)侧开关模式电力供应器302对变压器306的初级绕组304产生高频(例如，18到100kHz)信号。在半桥焊接输出电路300中，变压器306的绕组必须被配置成能够在第一象限与第三象限两者中操作。变压器306在变压器的初级侧(例如，初级电力供应器302)与变压器306的次级侧308之间提供隔离。
半桥焊接输出电路300包含用于将来自变压器306的高频信号转换为DC电流的两个独立整流器级310、312。整流器级310执行EN极性的整流，并且整流器级312执行EP极性的整流。半桥焊接输出电路300包含换向级314，其中换向级314包含两个晶体管316a、316b以在两个整流器级310、312之间作出选择。通过交替改变整流器级310、312之间的选择，焊接电极318与工件320之间的输出电流是适用于焊接的较低频AC电流(例如，20到400Hz)。
半桥焊接输出电路300包含用于钳位电压并将在换向期间存在的无功能量返回到输出的辅助电路322。
半桥焊接输出电路300相比全桥焊接输出电路100的优点包含在传导路径中去除一个半导体器件，这会减少热损耗。半桥焊接输出电路300还通过将晶体管替换为较便宜的二极管而降低零件成本。
图4是实例焊接输出电路400的电路图。实例焊接输出电路400是相比上文所述的全桥和半桥电路的改进。在半桥电路300中，存在两组整流器(例如，一组整流器用于EP电流流动，另一组用于EN电流流动)。晶体管接着被布置成基于期望输出极性而在两组整流器之间作出选择。相比之下，在实例焊接输出电路400中，相同半导体器件选择性地执行整流和换向。
如下文更详细地解释，焊接输出电路400包含变压器402，其中变压器402具有初级绕组404、第一次级绕组406和第二次级绕组408。焊接输出电路400包含一组开关元件410a到410d以及用于控制开关元件的控制电路412。焊接输出电路400经由输出端子414、416而输出AC和/或DC焊接型电力。在所图示的实例中，输出端子中的第一个414耦接到工件418(例如，经由工作缆线)，并且输出端子中的第二个416耦接到焊接电极420(例如，经由焊炬和焊接缆线)。
实例开关元件410a到410d是封装有续流二极管的绝缘栅双极晶体管(IGBT)。然而，在其它实例中，可使用其它类型的开关元件。下文所论述的图14图示将金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)用作开关元件的实例。开关元件410a耦接在次级绕组406与焊接输出电路400的输出端子414之间。开关元件410c耦接在次级绕组408与输出端子414之间。开关元件410b耦接在次级绕组406与输出端子416之间。开关元件410d耦接在次级绕组408与输出端子416之间。开关元件410a、次级绕组406和开关元件410b串联耦接在输出端子414与输出端子416之间，并且开关元件410c、次级绕组408和开关元件410d串联耦接在输出端子414与输出端子416之间。
通常，控制电路412通过焊接输出电路400来控制输出电压、输出电流和/或输出频率。因此，控制电路412通过开关元件410a到410d来控制整流和换向功能，以使焊接输出电路400输出具有期望极性(例如，EP或EN)的焊接电压。控制电路412基于输出极性(例如，EN或EP)选择并控制开关元件410a到410d的第一子集以充当次级绕组406、408之间的中心抽头。控制电路412基于初级绕组404处的输入极性而选择并控制开关元件410a到410d的第二子集以通过传导电流和/或阻断电流而执行整流。当输出极性改变(例如，从EN改变为EP或从EP改变为EN)时，控制电路重新选择开关元件410a到410d的第一子集和第二子集。因此，与常规输出拓扑相比，控制电路412、变压器402和开关元件410a到410d允许输出正输出电压和电流以及负输出电压和电流而不需要单独的整流器级。
如图5所图示，控制电路412通过控制开关元件410b、410d恒定地接通(例如，传导)以作为次级绕组406、408之间的中心抽头操作而输出具有EN极性的焊接电压。控制电路412控制开关元件410a、410c作为整流器操作，该整流器基于次级绕组406、408两侧的电压而选择性地传导电流。
如图6和图7所图示，控制电路412通过控制开关元件410a、410c恒定地接通(例如，传导)以作为次级绕组406、408之间的中心抽头操作而输出具有EP极性的焊接电压。控制电路412控制开关元件410b、410d作为整流器操作，该整流器基于次级绕组406、408两侧的电压而选择性地传导电流。
当一个极性得以选择并且初级绕组404被提供以输入电压时，开关元件410a到410d中的两个将受到控制以进行传导，这将变压器402配置为具有两个输出整流器的带中心抽头的次级部。然而，次级绕组406、408的取向可基于开关元件410a到410d中的哪两个用于实施次级绕组406、408之间的中心抽头而配置。
因为实例开关元件410a到410d各自具有可在整流期间传导电流的二极管部件，所以开关元件410a到410d的IGBT部件未必需要受到控制以在开关元件410a到410d将允许电流在整流期间流动时传导电流。然而，在开关元件410a到410d不传导电流时，控制电路412控制开关元件410a到410d的IGBT部件在整流期间阻断电流。例如，在图5所图示的EN输出极性和输入极性中，控制电路412可控制或可不控制开关元件410c的IGBT传导电流(例如，“接通”)，而是控制开关元件410a阻断电流(例如，“关断”)。
在焊接输出电路400中，开关元件410a到410d实施两组整流器，并且控制电路412选择将提供输出电流的那组整流器。实例开关元件410a到410d中的每一个传导输出电流的一半的平均值。
焊接输出电路400从初级侧逆变器422接收中间频率下的AC电力。初级侧逆变器422可从初级电源(例如，市电和/或发动机驱动的发电机)生成中间频率。虽然变压器402被示出为一个变压器，但焊接输出电路400可包含并联或串联布置的多个变压器。下文参照图15来描述使用多个变压器的实例。初级侧逆变器422和焊接输出电路400能够在V/A图的四个象限(例如，电力供应和电力消耗象限)中的任一象限下操作。
焊接输出电路400被图示为具有输出电感器424和耦合线圈426。输出电感器424和耦合线圈426可类似或相同于图1的电感器122和耦合线圈124。
实例焊接输出电路提供类似于图3的常规半桥拓扑的热损耗优点(相对于全桥和/或其它拓扑)，其中输出电流仅流经其中两个半导体器件。然而，相对于具有两组单独的整流器并且仅其中一组在给定时间传导的常规半桥拓扑，实例焊接输出电路400具有所有开关元件410a到410d的较高利用率。
通过在同一半导体器件中合并整流器功能和电流转向功能，实例焊接输出电路400通过将半导体器件分组到从中产生热的少至两个电路位置而实现高电流路径的路线简化和/或改进热管理。例如，可较有效地使用散热器(例如，散热器的占空比可提高(例如，高达100％))。在一些此种实例中，散热器可被配置成使得散热器的区域始终耗散功率，从而实现占据面积的较高效的使用，这可实现较紧凑的焊接电源的设计。
图8图示图4的实例焊接输出电路400在不存在由初级侧逆变器422提供的电力的续流阶段期间的操作。续流阶段可在由初级侧逆变器422提供的变压器初级部404上的正电压周期与负电压周期之间发生。在续流阶段期间，次级绕组406、408和/或输出电感器424中的所存储的能量放电到焊接输出(例如，放电到电弧)。电流Io在两个次级绕组406、408之间被分路，以使得次级绕组中的每一个传导Io/2。在图8所图示的EP输出极性中，控制电路412控制开关元件410a和410c进行传导。控制电路412也可控制开关元件410b和410d经由晶体管进行传导(例如，同步整流)，和/或可允许开关元件410b和410的相关联的二极管传导电流。
图9是图4的焊接输出电路400中的电压和电流的图表。该图表图示初级绕组404处的初级绕组电压902和初级绕组电流904。图表进一步图示第一次级电流906(例如，流过次级绕组406和开关元件410a、410b)以及第二次级电流908(例如，流过次级绕组408和开关元件410c、410d)。实例初级绕组电压902和电流904、906、908是针对实例焊接输出电路400的EP极性操作而图示的。图8所图示的续流阶段在实例时间周期910、912期间发生。
图10图示图4的实例焊接输出拓扑在从焊接输出电路400到初级逆变器422的反向电力传送期间的操作。在反向电力传送模式期间，焊接输出电路经由变压器402而将电力提供到初级逆变器422。
在上文所论述的常规半桥拓扑中，在电流极性在换向期间能够反向之前，电流必须先达到零。将电流减小到零是通过额外电路(例如，钳位或其它“辅助”转换器电路)来进行或通过使电流在电源中续流并在焊接电路中自然衰减而进行。相比之下，实例焊接输出电路可将电力流动反向以使无功能量返回到初级逆变器422。使用电力反向模式，实例控制电路412可更为高效地管理在极性反向之前电流的减小。
当电流以EP极性流动时，控制电路412将输出极性选择切换到EN并且根据EN输出极性而控制开关元件410a到410d在EP电流极性期间使电力返回到初级逆变器422。控制电路412将开关元件410b和410d控制为接通(例如，传导)，并且控制元件410a和410c充当整流器。控制电路412控制开关元件410a和410c的晶体管与初级逆变器422同步。在没有同步控制的情况下，焊接输出电路400将不具有用于焊接输出电路400中的电流的有效路径。在初级逆变器422上的电压为正时，控制电路412将开关元件410c控制为接通，并在初级逆变器422上的电压为负时将开关元件410a控制为接通。
在图10所示的操作中，控制电路412将变压器402的次级绕组406、408配置为电流馈送的推挽式转换器。开关元件410a、410c充当对推挽式转换器进行馈送的源晶体管。初级逆变器422包含开关装置，其充当推挽式转换器的整流器以使能量返回到例如DC总线和/或能量存储装置，其中能量存储装置在正常操作期间将电力供应到初级逆变器422(例如，以将电力提供到焊接输出)。
以类似方式，当电流以EN极性流动时，实例控制电路412可针对EP输出极性而控制开关元件410a到410d使电力返回。
在反向电力传送操作期间，能量从变压器402的次级侧处的输出电路传送，并且输出电流减小。在输出电感器424和耦合线圈426两侧施加到输出电路电感(例如，从输出端子416到电极420)的电压是Varc+V(例如，逆变器电压)，其中Varc是电极420与工件418之间的电弧电压，并且V是变压器402的初级绕组404两侧的电压。次级绕组406和408也具有如图10所图示的电压V。在没有反向电力传送操作模式的情况下，施加到输出电路电感的电压是Varc。控制电路412可通过调制初级逆变器422的脉冲宽度来控制电流减小的速率，从而得到在输出电感器424和耦合线圈426两侧的平均电压Varc+αV，其中α是占空比。较宽脉冲(例如，较高α)导致较大反向电压，这从次级电路移除较多能量并较快减小输出电流。
图11是如图10所图示的反向电力传送操作期间图4的焊接输出拓扑中的电压和电流的曲线图。图11的图表图示图10的初级绕组404的初级绕组电压1102和初级绕组电流1104。图表还图示流过次级绕组408的第一次级绕组电流1106以及流过次级绕组406的第二次级绕组电流1108。
图12是图4的焊接输出电路400在图10所图示的反向电力传送操作期间的电流输出1202的图表。图12还图示使用自然电流衰减的电流输出1204，其中并未使用反向电力传送操作，并且如同在常规半桥拓扑中，允许焊接输出电流在换向之前衰减。将使用反向电流传送操作的电流输出1202与使用自然衰减的电流输出1204相比，反向电力传送操作的使用允许较迅速的电流减小，并且因此通过在换向之前提供较高电流输出而实现额外热输入。
反向电力传送模式的使用提供显著优点，包含处置存在于焊接输出电路400中的无功能量，其中所述无功能量必须从焊接输出电路400移除以便换向(例如，在将电流在相反极性上增大之前，先将电流减小到0A)。能量存储在内部输出电感器424中，焊接缆线的寄生电感中和/或其它电感元件中。在常规拓扑中，电流减小通常由连接到焊接电路的钳位电容器执行。在钳位电容器处接收的能量接着由独立电路处置，其中所述独立电路使无功能量返回到逆变器的输入，通过高功率电阻器来耗散能量，和/或使能量再循环到焊接电路。相比之下，所公开的实例将无功能量朝向输入电力的来源(例如，变压器402的初级侧、初级逆变器422和/或其它所连接电路)传送以供主焊接电源处置，而不需要任何额外电路。
反向电力传送功能的另一优点是施加到输出电路电感的电压的增大(例如，Varc+αV)。增大的电压导致电流比仅将Varc用作驱动力的自然衰减的速率更快地减小。增大的电压在对具有高电感的电路操作时特别有利。此外，控制电路412可通过调制占空比α来控制电流下降的速率。按照常规，电流下降或者是迅速衰减(即，通过将能量倾泻到高压钳位电路中而进行的硬换向)或者是缓慢的自然衰减。等待电流自然衰减会减小对焊接输出的可用热输入，这是因为较多时间花费在比期望值更低的电流下。通过控制电流的斜率，控制电路412可在维持热输入的同时提高电弧稳定性和/或减少噪音发出。
在反向电力输送模式中使用所公开的实例电路会实现较接近地类似方波的输出电流(例如，较类似于图2中的硬换向输出电流202)，同时还控制并限制dI/dt。
图13是图4的实例焊接输出电路400的电路图，其中实例焊接输出电路400包含用于耗散来自开关元件410a到410d的热的实例散热器组件1302、1304。实例开关元件410a到410d可以是分立的半导体器件(例如，TO-247封装件、TO-220封装件等)和/或带有具有非隔离底板的封装件的半导体器件。在这些实例中，开关元件410a到410d的散热器凸片连接到仅两个节点中的一个。因此，实例散热器组件1302、1304可通过仅两个独立的非隔离散热器来提供整个焊接输出电路400的散热和冷却。
常规拓扑需要至少三个散热器组件。相比之下，实例焊接输出电路400不将散热器组件1302、1304与开关元件410a到410d隔离，这实现散热器的数量的减少。散热器的减少可通过以下方式来降低成本和/或改善焊接输出电路400的热性能：对离开开关元件410a到410d的热移除至少一个热阻(相对于常规拓扑)并移除可能在热机械应力循环下失效的至少一个部件。此外，散热器组件1302、1304可充当电流传导路径的一部分，因此简化电路和/或电路板的电气路线。
与电流集中流过特定开关装置而其它装置相对闲置的常规拓扑相比，所公开的实例焊接输出电路平衡流过路径的电流，这是因为开关元件410a到410d在任何给定的时间或者用作整流器或者用作开关，并且因此平衡开关元件410a到410d之间的散热。因此，由散热器组件1302、1304进行的散热相对于常规拓扑较均匀地分布，其中常规拓扑使一些装置保持闲置并且散热器的对应区域是冷的，而其它装置和散热器区域较热。因为散热器组件1302和1304不管输出极性为何近似地耗散相同量的热，所以两个散热器组件1302、1304可被设计成类似或相同。
图14是实例焊接输出电路1400的电路图，其中实例焊接输出电路1400使用金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)。实例焊接输出电路1400类似于图4的焊接输出电路400，并且包含变压器402(例如，初级绕组404和次级绕组406、408)、控制电路412、端子414、416、初级逆变器422、输出电感器424和耦合线圈426。实例焊接输出电路1400包含开关元件1402a到1402d(例如，对应于开关元件410a到410d)。实例开关元件1402a到1402d各自包含MOSFET晶体管。因为MOSFET晶体管具有与晶体管并联的本征二极管，所以包含MOSFET晶体管的开关元件1402a到1402d的使用使得能够将本征二极管用于执行整流(例如，作为整流器二极管)。
当MOSFET的沟道导通时，MOSFET在任一方向上传导电流。通过低电压部件，传导期间的沟道的电阻可显著低于传统快速二极管整流器的PN结的电压降。实例控制电路412可控制针对使用同步整流所进行的整流而选择的开关元件1402a到1402d，以减少在执行整流的开关元件1402a到1402d中的电力消耗。例如，针对图6和图7所图示的EP输出极性，虽然开关元件1402b、1402d的MOSFET可被控制为关断(例如，阻断或不传导)以使相关联的本征二极管传导，但控制电路412可与初级绕组404上的电压的极性同步地接通开关元件1402b、1402d的MOSFET(例如，传导)。当施加到初级绕组404的电压为正(例如，图6)时，控制电路412可同步地接通开关元件1402b的IGBT并关断开关元件1402d的IGBT。相比之下，当施加到初级绕组404的电压为负(例如，图7)时，控制电路412可同步接通开关元件1402d的IGBT并关断开关元件1402b的IGBT。因此，通过与低电压MOSFET耦接的MOSFET来使用同步整流可进一步减少整流器功能中的电力损耗。通过使用MOSFET晶体管，焊接输出电路1400中的节点、电流路径和/或高电流互连的数量减少(相对于图4的焊接输出电路400)，这会简化部件布局和/或降低成本。
在一些实例中，焊接输出电路可包含MOSFET和IGBT的组合以实施开关元件。
图15是实例焊接输出电路1500的电路图，其中实例焊接输出电路1500使用多个变压器。当使用分立装置时，有利选项是使用两个或更多个变压器1502、1504。变压器1502具有初级绕组1506和次级绕组1508、1510。变压器1504具有初级绕组1512和次级绕组1514、1516。初级绕组1506和1512被布置成串联，并且次级绕组1508、1510、1514和1516并联。
焊接输出电路1500包含用于将次级绕组1508、1510、1514和1516耦接到输出端子1520、1522的开关元件1518a到1518h。实例开关元件1518a到1518h是使用MOSFET来实施的。控制电路1524控制开关元件1518a到1518h传导和/或阻断电流。然而，开关元件1518a到1518h中的每一个中的PN结可在开关元件被控制为关断或非传导时传导电流。实例焊接输出电路1500包含输出电感器1526和耦合线圈1528。
使变压器1502、1504的初级绕组1506、1512串联导致变压器1502、1504各自传导实质上相同的量的电流和/或耗散基本上相同的热负载，因此提高可靠性。强制性电流共享还导致流经次级侧换向器和整流器开关元件1518a到1518h的电流基本上均等地分路。当通过分立装置(例如，TO-220封装件、TO-247封装件等)来构建焊接输出电路1500时，开关元件可在电阻上相等地共享负载电流(例如，由于参数的变化、不等的冷却等等)。
在一些实例中，变压器1502、1504的匝数比可低于使用单个变压器的匝数比(例如，如同在图4中)，这是因为电压已在初级绕组1506、1512之间被分压。例如，代替单个变压器的4:1的匝数比，呈串联配置的两个变压器可使用2:1的匝数比。较低匝数比可简化变压器设计和/或改善例如漏电感等参数。
虽然图15图示串联的两个变压器1502、1504，但其它实例可包含用于在更多路径之间共享电流的较多变压器。
图16是控制电路412的实例实施方案的框图，其中控制电路412被配置成输出PWM信号以控制图4和/或图14的开关元件410a到410d和/或1402a到1402d。
图16的实例控制器412可用于控制AC和DC焊接输出，例如，脉冲式DC应用(EN和/或EP极性)。迅速减小焊接电路中的电流(如上文参照图13所论述)和/或控制电流的斜率的能力即使在DC焊接和电流的极性不需要反向时也提供益处。例如，实例控制电路412可通过如下方式来改善脉冲式DC应用(EN或EP)：控制输出电流以使其较接近地匹配理想方形脉冲串(例如，具有零电流上升时间和/或零电流下降时间的脉冲串)。作为附加或替代，在GMAW中，在已清除短路条件并且输出电流为高之后，控制电路412此时可较迅速地返回到电弧所需的较低电流电平。在常规DC拓扑中，减小电流的唯一动因是焊接电力供应器、焊接电路和电弧中的电阻性损耗。如上文所解释，控制电路412可在如上所述的反向模式中控制开关元件410a到410d和/或1402a到1402d以添加额外经调制的电压，从而较迅速地减小输出电流。
通过选择适当开关元件410a到410d和/或1402a到1402d，控制电路412可在直通电力模式或反向电力模式中操作并将正电压源或负电压源有效地应用到输出。常规焊接工艺将输出电流调节到期望的所命令的电流。如图16所示，控制电路412接收期望电流命令1602和电流反馈信号1604。控制电路412比较电流命令1602与电流反馈信号1604以生成误差信号1606。电流命令1602与电流反馈信号1604这两个信号包含相应信号极性，并且误差信号1606也含有极性信息。
控制电路412包含动态控制器1608，用于基于误差信号1606而确定为了取得所命令的电流将被应用到焊接输出的电压源的幅度1610与极性1612两者。实例控制电路412可由模拟比例-积分-微分(PID)控制器实施，但也可使用其它模拟和/或数字控制方案。幅度1610和极性1612信号接着被提供到脉冲宽度调制器(PWM)电路1614以生成具有适当脉冲宽度的门选命令1616a到1616d而控制开关元件410a到410d和/或1402a到1402d。PWM电路1614可进一步生成PWM信号1616e、1616f以控制初级逆变器422中的一个或更多个开关元件。PWM电路1614可以是电压模式控制类型或电流模式控制类型。使用PWM信号工作允许控制电路418对应用到输出的源的(例如，幅度和极性)进行完全动态的控制，并且因此可产生改善的瞬时结果。
本发明的方法和系统可实现在硬件、软件和/或硬件与软件的组合中。本发明的方法和/或系统可用集中方式实现在至少一个计算系统中，或用分散方式实现，其中不同元件跨越若干互连的计算系统而散布。适用于执行本文所述的方法的任何种类的计算系统或其它设备是合适的。硬件和软件的典型组合可包含具有程序或其它代码的通用计算系统，其中所述程序或代码在被加载和执行时控制计算系统以使得所述计算系统执行本文所述的方法。另一典型实施方案可包括专用集成电路或芯片。一些实施方案可包括上面存储有一行或更多行代码的非暂时性机器可读(例如，计算机可读)介质(例如，闪存驱动器、光盘、磁性存储盘等)，所述代码可由机器执行从而使机器执行如本文所述的过程。如本文所使用，术语“非暂时性机器可读介质”被定义为包含所有类型的机器可读存储介质，并且不包含传播信号。
如本文所利用，术语“电路”和“电路系统”表示：物理电子部件、任何模拟部件和/或数字部件、电力元件和/或控制元件，例如，微处理器或数字信号处理器(DSP)等，包含分立部件和/或集成部件或其部分和/或组合(即，硬件)；以及可配置硬件、由硬件执行和/或以其它方式与硬件相关联的任何软件和/或固件(“代码”)。如本文所使用，例如，特定处理器和存储器可在执行第一一行或更多行代码时构成第一“电路”，并且可在执行第二一行或更多行代码时构成第二“电路”。如本文所利用，“和/或”表示列表中由“和/或”接合的项目中的任何一个或更多个。作为实例，“x和/或y”表示三元素集合{(x),(y),(x,y)}中的任一元素。换句话说，“x和/或y”表示“x和y中的一个或两个”。作为另一实例，“x、y和/或z”表示七元素集合{(x),(y),(z),(x,y),(x,z),(y,z),(x,y,z)}中的任一元素。换句话说，“x、y和/或z”表示“x、y和z中的一个或更多个”。如本文所利用，术语“示范性”表示充当非限制性实例、例子或说明。如本文所利用，术语“例如”引述一个或更多个非限制性实例、例子或说明的列表。如本文所利用，只要电路包括对于执行某一功能来说必要的硬件和代码(如果需要)，电路便“可操作”以执行所述功能，而不管所述功能的执行是否被停用或是不启用(例如，通过用户可配置的设定、工厂微调等)。
虽然已参照某些实施方案来描述本发明的方法和/或系统，但本领域的技术人员应理解，可进行各种改变，并且可替代等同物，而不偏离本发明的方法和/或系统的范围。例如，可组合、划分、重新布置和/或以其它方式修改所公开的实例的方框和/或部件。此外，可进行许多修改以使特定情形或材料适应于本公开的教示，而不偏离本公开的范围。因此，本发明的方法和/或系统不限于所公开的特定实施方案。实际上，本发明的方法和/或系统将包含落入随附权利要求书的范围内的所有实施方案，无论是在字面上还是根据等同原则都是如此。

Claims (11)

1.一种焊接型电力供应器，包括：
变压器，所述变压器具有初级绕组、第一次级绕组和第二次级绕组；
输入电路，所述输入电路被配置成向所述变压器的所述初级绕组提供输入电压；
第一开关元件，所述第一开关元件耦接在所述第一次级绕组与所述焊接型电力供应器的第一输出端子之间；
第二开关元件，所述第二开关元件耦接在所述第二次级绕组与所述焊接型电力供应器的所述第一输出端子之间；
第三开关元件，所述第三开关元件耦接在所述第一次级绕组与所述焊接型电力供应器的第二输出端子之间；
第四开关元件，所述第四开关元件耦接在所述第二次级绕组与所述焊接型电力供应器的所述第二输出端子之间；以及
控制电路，所述控制电路被配置成：
通过基于命令输出电压极性和至所述变压器的输入电压极性选择性地控制所述第一开关元件、所述第二开关元件、所述第三开关元件和所述第四开关元件中的一者来控制所述第一开关元件、所述第二开关元件、所述第三开关元件和所述第四开关元件，以在不需要独立的整流器级的情况下选择性地输出正极性输出电压或负极性输出电压；以及
在从第一输出电压极性改变成第二输出电压极性之前，控制所述第一开关元件、所述第二开关元件、所述第三开关元件和所述第四开关元件将所述电力流动反向以经由所述变压器将无功能量返回到输入电路。
2.根据权利要求1所述的焊接型电力供应器，其中所述控制电路被配置成控制所述第一开关元件、所述第二开关元件、所述第三开关元件和所述第四开关元件，以将所述变压器的所述第一次级绕组和第二次级绕组配置成电流馈送的推挽式转换器。
3.根据权利要求1所述的焊接型电力供应器，其中所述控制电路被配置成当所述焊接型电源供应器输出第一输出电压极性时，将所述命令输出电压极性改变成第二极性，并且基于所述命令输出电压极性控制所述第一开关元件、所述第二开关元件、所述第三开关元件和所述第四开关元件。
4.根据权利要求1所述的焊接型电力供应器，其中所述控制电路被配置成当所述焊接型电源供应器输出第一输出电压极性时，通过以下步骤将所述电力流动反向以将无功能量返回到所述输入电路：
控制所述第三和第四晶体管导通；
控制所述第一和第二晶体管作为整流器，与至所述变压器的所述输入电压极性同步。
5.根据权利要求4所述的焊接型电力供应器，其中所述控制电路被配置成当所述焊接型电源供应器输出第二输出电压极性时，通过以下步骤将所述电力流动反向以将无功能量返回到所述输入电路：
控制所述第一和第二晶体管导通；
控制所述第三和第四晶体管作为整流器，与至所述变压器的所述输入电压极性同步。
6.根据权利要求1所述的焊接型电力供应器，还包括通过控制用于控制所述输入电路的脉宽调制信号来控制在反向电力流动期间的电流减小速率。
7.根据权利要求6所述的焊接型电力供应器，其中所述控制电路包括开关模式电力供应器。
8.根据权利要求1所述的焊接型电力供应器，其中所述无功能量从输出电感器传输到所述输入电路。
9.根据权利要求1所述的焊接型电力供应器，其中所述反向电力流动引起比自然电流衰减更快的电流下降。
10.根据权利要求9所述的焊接型电力供应器，其中所述电流下降进一步被电弧电压驱动。
11.一种焊接型电力供应器，包括权利要求1-10中的任意一项技术特征或技术特征的任意组合。
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