CN1358598A - 焊接电源中改进的自由回流电流传导 - Google Patents

焊接电源中改进的自由回流电流传导 Download PDF

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Abstract

一种用于焊接电源的电源电路包括一个整流电路和一个控制电路。该整流电路包括多个开关(如可控硅整流器)。该控制电路配置为能以一个预定导通角向第一开关提供第一控制信号以便通过第一开关提供焊接功率。该控制电路配置为能向第二开关提供第二控制信号以允许自由回流电流流经第二开关。

Description

焊接电源中改进的自由回流电流传导
                        技术领域
本发明一般涉及焊接电源。具体来说，本发明涉及自由回流(freewheeling)电流传导的改进。
                     背景技术
焊接电源一般是独立的单元，它接收标准市电电压并在一个焊接输出端提供可用的焊接功率。该焊接功率可以是交流(AC)或直流(DC)、恒流或恒压、三相或单相的，并且可包括大范围的电流强度，所有这些都是根据操作者所选的输入而定的。根据操作者所选的输入，各种功率及控制电路被用来对焊接功率进行整形并调节其时间。
许多焊接电源利用诸如可控硅整流器(SCR)这样的开关或选通装置控制在焊接输出端提供的功率的量。SCR是一个三端器件，当该器件是正向偏压时，它根据提供给栅极的电流把电流从阳极提供到阴极。SCR广泛用于焊接电源中。一个控制电路被用来驱动触发栅极以便控制SCR。
用于焊接电源的功率转换电路的标准形式在图1中示出。交流电源10经变压器12把AC电流提供给桥式整流器14。包括四个SCR的桥式整流器14将AC电流整流并将其提供给焊接输出端16。提供给焊接输出端16的电流量由SCR在变成正向偏压后(即导通角)被控制电路(未示出)导通的时刻而定。当需要大功率时，则在AC电流信号半周期的早些时候开始导通。当需要小功率时，则延时到半周期的晚些时候才导通。
大电感线圈18用于过滤焊接电流。电感线圈18根据公式e＝Ldi/dt积分来自SCR桥的电压脉冲，以便减小峰-峰输出波动电流。e是以伏特为单位的电压，L是以亨利为单位的电感，di是以安培为单位的电流变量，dt是以秒为单位的时间变量。在电路中包括一个自由回流二极管20，每当电源电压小于负载电压时，自由回流二极管20就提供负载电流的传导路径。如果没有这个自由回流路径，SCR的导通角将会前移以平衡电感线圈18上的伏特-秒，从而使峰-峰输出波动电流增加，并因此引起不良的焊接特性，尤其是在低输出电流时。去除该自由回流路径还会促使变压器次级线圈具有连续的电流，从而导致较高的初级线圈的线电流。
但是，由于在交流输出模式中不用自由回流二级管20，因此它需要一个大电流开关以便在使用直流输出时将其与输出电路连接，并且在使用交流输出时将其从输出电路中去除。这个开关比较贵而且会使装配过程复杂化。这种交流方波配置在图3中示出。因而最好构建一种(电路)形式，它可在使用直流输出时提供所希望的自由回流功能并在使用交流输出时它是电断开的，而且还不需要添加二极管20和相关的大电流开关及接线。图2所示为这样的一种(电路)形式。在图2中，图1所示(电路)形式中的SCR 22和24被去掉并由二极管26和28取代。这个电路所起的作用基本上与图1所示电路相同，而且由于自由回流电流经过二极管26和28，所以不需要自由回流二极管。但是，当配置为AC方波输出时，二极管26和28不能阻断自由回流路径并保持SCR桥连续导通。因此，图2的电路不能同时用于交流和直流工作模式中。
因此在焊接电源中需要改进的自由回流电流传导。另外还需要一种不需要自由回流二极管的功率转换电路来提供焊接功率。另外还需要一种不需要自由回流二极管就可在直流和交流两种工作模式下工作的功率转换电路。另外还需要一种几个电路元件分担自由回流电流的功率转换电路。以下的教导延伸到那些包含在所附权利要求的范围之内的实施例中，而不管它们是实现上述的一个需要还是多个需要。
                     发明内容
根据一个典型实施例，一种用于焊接电源的电源电路包括一个整流电路和一个控制电路。该整流电路包括第一和第二开关。该控制电路配置为能以一个预定的导通角向第一开关提供第一控制信号以便通过第一开关提供焊接功率。该控制电路配置为能向第二开关提供第二控制信号以允许自由回流电流流经第二开关。
根据另一个典型实施例，一种由AC输入提供焊接功率并使电流经过电源电路的自由回流路径的方法包括：以一个预定导通角控制第一开关以使焊接功率通过其中，并且在自由回流路径变为正向偏压时控制第二开关以使电流经过自由回流路径。
根据本发明的又一个典型实施例，一种用于焊接电源的功率转换电路包括一个根据预定导通角提供焊接功率的装置和一个根据控制信号传导自由回流电流的装置。
根据本发明的另一个典型实施例，一种焊接电源包括一个变压器、一个桥式整流器和一个控制电路。该变压器与输入电源耦合并配置为能提供输入电压。该桥式整流器与变压器耦合以便接收输入电压。该桥式整流器至少有四个SCR。该控制电路配置为能根据预定的导通角导通第一SCR，以传导焊接功率。该控制电路配置为能在自由回流传导路径变为正向偏压时导通第二SCR。
                     附图说明
通过结合附图的以下描述将会更全面地理解本发明，其中相同的参考号码表示相同的部分，其中：
图1是根据已有技术(电路)形式的一种具有自由回流二极管和开关的功率转换电路的示意图；
图2是根据已有技术(电路)形式的一种只有直流的功率转换电路的示意图；
图3是配置为能提供交流输出的一种已有技术的功率转换电路的示意图；
图4是根据一个典型实施例的功率转换电路的示意图；
图5、6和7是表示基于三个典型开关导通方案的控制信号和定时信号波形图；
图8是在电路中具有自由回流二极管的脉冲波形图；以及
图9是在电路中没有自由回流二极管的脉冲波形图。
                    具体实施方式
实施例1：参考图4，图中表示根据一个典型实施例的电源电路30。有利的是，在这个典型实施例中，电源电路30没有自由回流二极管。电源电路30包括耦合于整流电路34的控制电路32。整流电路34通过滤波电路36与焊接输出端38耦合。AC(交流)电源39经变压器40向整流电路34提供电流。电源电路30是焊接电源的一部分，该焊接电源可以是DC(直流)电源、AC电源、恒流和/或恒压电源、单相或三相电源，该焊接电源适用于重工业、工业、轻工业或其它应用。例如，电源电路30适用于由MillerElectric Mfg.Co.，Appleton，Wisconsin生产的Syncrowave 350 LX电源。
变压器40降低来自交流电源39的市电电压并在线42上提供输入电压。控制电路32和整流电路34配置为能控制在焊接功率输出端38提供的焊接功率的输出特性，该焊接功率具有一个焊接电流和一个焊接电压。在这个典型实施例中，控制电路32包括微处理器，但也可包括微控制器、模拟或数字控制逻辑电路、可编程逻辑电路或其它控制电路。控制电路32可运行存储器中存储的程序，该存储器可以是RAM、ROM、磁存储器等。根据来自控制电路32的控制信号的定时以及电源电路的连接，控制电路32和整流电路34可以在焊接输出端38提供交流方波焊接功率或直流焊接功率。在这个典型实施例中，整流电路34包括一个或多个开关(例如，可控硅整流器、晶体管、二极管或其它开关)。整流电路34包括具有标准桥式形式的桥式整流器44。具体来说，开关46和48共用一个阴极，该阴极通过滤波电路36(例如，电感线圈)与焊接输出端38耦合。开关50和52共用一个阳极，该阳极与该焊接输出端的参考端54耦合。开关48的阳极与开关52的阴极耦合并且还与变压器40的次级线圈58的负输入端耦合。开关46的阳极与开关50的阴极耦合并且还与线42(例如次级线圈58的第一输入端)耦合。
在这个典型实施例中，开关46、48、50和52是SCR，它们都有一个可由控制电路32控制的栅极。控制电路32有选择地向SCR46-52提供控制信号以便有选择地导通SCR46-52，从而对提供到焊接输出端38的焊接功率的输出特性进行整形。控制电路32可包括用以提供控制电路32和SCR46-52之间电隔离的脉冲变压器。控制电路32可提供一个控制信号给一个脉冲变压器以便选通各SCR，或者也可提供一个控制信号给一个脉冲变压器来选通多个SCR。如果多个SCR共用一个脉冲变压器，那么可以减少脉冲变压器的总数，从而降低成本和复杂性。这种配置的例子将在下面参考方案A-C来提供。
根据第一优选方案(方案“A”)，在输入功率的前半周期，控制电路32以一个预定的导通角向开关46和52提供控制信号。导通角是控制电路32向开关提供控制信号的预定时间，并且通常被称为开关导通时的输入功率相角。提供给开关46和52的控制信号的导通角根据希望从开关46和开关52输出的焊接电流进行选择。这样，开关46和52根据控制信号把焊接功率从变压器40提供到电感线圈36。该焊接功率具有焊接电流和焊接电压，在这个典型实施例中，该焊接电压是指终端38和终端54之间的电压。在输入功率的后半周期，具有相同相角的控制信号被发送到开关48和50。
在输入功率的两个半周期中，控制电路32向开关46和50提供另外的控制信号以允许来自滤波电路36的自由回流电流流经开关46和50。当电源电压变得比负载电压低时(在输入功率的零交点之前)，电感线圈36由起串联阻抗的作用转换成一个电流源。电流继续流过开关46和52(或者在后半周期是48和50)，即使所述开关已不再起电流源的作用。在接近输入功率信号的零交点时，开关46和52变为反向偏压并且截止。同时，自由回流路径(也就是自由回流电流经过的路径，在这个典型实施例中所示为经过开关46和50的路径)变为正向偏压，并且在这个时刻或者接近这个时刻选通开关46和50。这样，当自由回流路径变为正向偏压时，或者在紧接着输入功率的零交点之后，开关46和50被来自控制电路32的控制信号选通。
这样，控制电路32有效地把开关46和50用作传导来自滤波电路36的自由回流电流的二极管，从而不需要独立的自由回流二极管和大电流串联开关。另外，开关46和50的作用可由开关48和52来完成(方案“B”)。
在这个典型实施例中，控制电路32包括三个脉冲变压器，用来导通或选通开关46-52。在前半周期，第一脉冲变压器响应于第一控制信号以便同时导通开关46和52，从而传导焊接电流。在后半周期，第二脉冲变压器响应第二控制信号，以便同时导通开关48和50，从而传导焊接电流。当自由回流路径变为正向偏压时，第三脉冲变压器响应第三控制信号，以便同时导通开关46和50(在策略“A”中)或48和52(在策略“B”中)，从而传导自由回流电流。这个实施例减少了所需的脉冲变压器数，从而节约成本并降低电路复杂性，另外还简化了控制电路32中的导通算法。另外，每个脉冲变压器也可导通少于或多于两个的开关。
现在参考图5，波形图70示出的波形72表示由滤波电路38平滑之前在终端74提供的焊接功率，终端74位于开关48的阴极。图5表示方案A，图6表示方案B。波形72由整流电路34全波整流。时刻76表示由控制电路32提供的控制信号所引出的开关46、48、50和52的导通角。区域78表示在开关48的阴极提供的有效焊接功率。时刻80对应于输入功率的零交点。这样，控制电路32在时刻80之后立即提供控制信号给开关46和50以允许开关46和50传导自由回流电流。
尽管本实施例为去除自由回流二极管20创造了条件，但该电路还可进一步优化。图4和5中所示实施例的一个缺点在于开关46和50上的自由回流电流过大，这将会导致高结点温度，并且最终会在某些器件中出现器件故障。一种解决办法是提高开关46和50结点的额定电流。但这样会增加成本。
根据另一个实施例(图7所示的方案“C”)，控制电路32可配置为能在输入功率的正半周期以预定的导通角导通开关46和52以使焊接电流经过开关46和52，并且在输入功率的负半周期以预定的导通角导通开关48和50以使焊接电流经过开关48和50。控制电路32还配置为能在电压的每个零交点之后立即导通开关50和52(即，在自由回流路径变为正向偏压时)。这样，自由回流电流可在输入功率信号的每个半周期从整流电路34的第一支路60移到整流电路34的第二支路62。(第一支路60包括开关48和52；第二支路62包括开关46和50)。这样，在输入功率信号的一个半周期，自由回流电流流经开关50和46，并且在随后的半个周期，自由回流电流流经开关52和开关48。结果，自由回流电流的负担现在可由全部四个开关46、48、50和52平均分担，因而不必提高开关46-52的额定电流。
在方案“C”的典型实施例中，使用三个脉冲变压器来导通或选通开关46-52。在前半周期，第一脉冲变压器响应于第一控制信号以便同时导通开关46和52，从而传导焊接电流。在后半周期，第二脉冲变压器响应第二控制信号以便同时导通开关48和50，从而传导焊接电流。当自由回流路径变为正向偏压时，第三脉冲变压器响应于第三控制信号以便同时导通开关50和52，从而传导自由回流电流。应当指出，在自由回流路径变为正向偏压时为了传导自由回流电流不是必须导通(但也可以)开关46和48，这是因为开关46和48在它们相应的焊接电流导通之后将保持正向偏压并由此将保持导通或“ON”。
根据另一个实施例，也可以在电源电路30是三相电源电路的实施例中提供另一组开关。在该实施例中，在每个零交点将导通三个开关而不是两个开关。
通常，在输入功率信号的前半个周期提供传过焊接功率的开关的导通角与在输入功率信号的后半个周期提供焊接功率的第二开关的第二导通角相同。但是，在另外一些实施例中，这两个导通角可以不同。而且，就在输入功率信号的零交点提供的控制信号而言，尽管在电路30中接收这些控制信号的开关可传导自由回流电流，但在另外一些配置中，自由回流电流可只在一部分正常自由回流时间流过。
图5、6和7表示三个典型的开关导通方案，方案A、B和C，它们概括了上面公开的方案。其它策略也可以考虑。有利的是，控制电路32可配置为能在DC功率工作期间利用上述零交点导通方案提供DC功率输出，并可控制整流电路34在AC功率工作期间提供AC电流。这样，电源电路30能够根据诸如来自用户输入装置的用户输入有选择地提供AC或DC功率。这种选择要求以大电流次级开关来重新配置电源电路。另外，操作者可使用用户输入装置来调节所希望的焊接工艺流程电流，从而使控制电路32分别根据希望增加的电流强度或减少的电流强度调节整流电路34的导通角的增加或减小。图8和9表示这种电路的另一个优点。图8表示具有自由回流二极管的脉冲DC焊接电流，图9表示没有自由回流二极管的脉冲DC焊接电流。根据另一个实施例，在从大电流向小电流转换期间，可操纵控制电路32而不是通过导通自由回流SCR来提高电源的可能脉冲输出功率。这将允许电流以较快的速度下降，从而允许更高的脉冲频率以及要达到的改进的输出电流波形。
尽管在附图中示出并在上面描述的典型实施例目前是优选的，但应当理解，这些实施例仅仅是作为例子来提供的。例如，也可以使用不是本文中公开的特定全波桥式整流器的各种整流电路。因此，本发明并不限于特定的实施例，而是扩展到依然在所附权利要求范围之内的各种改进。

Claims (28)

1.一种用于焊接电源的电源电路，包括：
一个整流电路，具有第一开关和第二开关；以及
一个控制电路，配置为能以在一个预定的导通角向第一开关提供第一控制信号以便通过第一开关提供焊接功率，其中该控制电路配置为能向第二开关提供第二控制信号以允许自由回流电流流经第二开关。
2.如权利要求1所述电源电路，其中该控制电路配置为能在该电源电路的自由回流路径变为正向偏压时提供第二控制信号。
3.如权利要求1所述电源电路，还包括耦合在第一开关和焊接输出端之间的电感线圈，其中该电感线圈产生自由回流电流。
4.如权利要求1所述电源电路，其中第一和第二开关包括可控硅整流器。
5.如权利要求1所述电源电路，其中该整流电路包括具有第三和第四开关的桥式整流器，其中该控制电路配置为能在输入电压的前半周期选通第一和第三开关以便传过焊接功率，并在输入电压的后半周期选通第二和第四开关以便传过焊接功率。
6.如权利要求5所述电源电路，其中第一和第三开关被同时导通而第二和第四开关被同时导通。
7.如权利要求5所述电源电路，其中该控制电路包括第一脉冲变压器，该变压器配置为能根据第一控制信号同时选通第一和第三开关。
8.如权利要求5所述电源电路，其中该控制电路配置为能选通第二和第三开关以允许自由回流电流流经第二和第三开关。
9.如权利要求5所述电源电路，其中该控制电路配置为能在更换输入功率半周期时更换选通第三和第四开关以使自由回流电流分别经过第三和第四开关。
10.如权利要求1所述电源电路，其中该焊接功率是DC焊接功率。
11.如权利要求1所述电源电路，其中该控制电路和整流器在AC功率工作期间提供AC焊接功率而在DC功率操作期间提供DC焊接功率。
12.一种由AC输入提供焊接功率并使电流经过电源电路的自由回流路径的方法，包括：
以一个预定导通角控制第一开关以使焊接功率通过；并且在自由回流路径变为正向偏压时控制第二开关以使电流经过自由回流路径。
13.如权利要求12所述方法，还包括以该预定导通角控制第三开关。
14.如权利要求12所述方法，其中控制第一开关的步骤包括把第一控制信号提供给可控硅整流器的栅极，并且控制第二开关的步骤包括把第二控制信号提供给可控硅整流器的栅极。
15.如权利要求12所述方法，其中第一和第二开关是具有第三和第四开关的桥式整流器的一部分，还包括在AC输入的每个半周期期间控制其中的两个开关以便传导焊接功率，并且在每个半周期期间控制其中的两个开关以便传导自由回流电流。
16.如权利要求15所述方法，还包括控制这些开关以便平均分担自由回流电流。
17.如权利要求15所述方法，其中少于四个脉冲变压器被用来控制这些开关。
18.一种用于焊接电源的功率转换电路，包括：
根据预定导通角提供焊接功率的装置；和根据控制信号传导自由回流电流的装置。
19.如权利要求18所述功率转换电路，其中该控制信号在AC输入功率信号的零交点之后立即提供。
20.如权利要求18所述功率转换电路，其中用于提供焊接功率的装置至少包括两个可控硅整流器。
21.如权利要求18所述功率转换电路，其中用于传导自由回流电流的装置至少包括两个可控硅整流器。
22.如权利要求18所述功率转换电路，还包括对焊接功率进行滤波的装置。
23.如权利要求18所述功率转换电路，还包括把自由回流电流平均分配给多个可控硅整流器的装置。
24.如权利要求18所述功率转换电路，其中焊接功率是DC焊接功率。
25.一种焊接电源，包括：
一个与输入电源耦合的变压器，配置为能提供输入电压；
一个与变压器耦合的桥式整流器，用于接收输入电压，该桥式整流器至少有四个SCR；以及一个控制电路，配置为能根据一个预定导通角导通第一SCR以便在传过焊接功率，并且在自由回流传导路径变为正向偏压时导通第二SCR。
26.如权利要求25所述焊接电源，其中该控制电路配置为能根据预定导通角导通其中的两个SCR，并且在自由回流传导路径变为正向偏压时导通其中的两个SCR。
27.如权利要求26所述焊接电源，其中该控制电路包括少于四个脉冲变压器，配置为能导通至少四个SCR。
28.如权利要求25所述焊接电源，其中该控制电路配置为能在四个SCR当中平均分配自由回流电流。
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