CN1843677A - 用于电弧焊机电源的斩波器输出 - Google Patents

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Abstract

揭示了用于电弧焊接或切割处理的电源，其中提供具有多个变换器电源电路的交错多相位开关变换器，以将DC信号转换为适合焊接的调整信号。

Description

用于电弧焊机电源的斩波器输出
技术领域
本发明主要涉及用于焊接和等离子体切割设备的电源，特别是涉及用于焊接或切割系统的三级电源中交错的多相位的斩波器输出级。
背景技术
以下专利和专利申请以及其它文献在这里通过作为背景信息来参考而合成：Calkin 3,737,755；Fletcher 3,984,799；Karadsheh 4,433,370；Ogawa4,748,397；Parsley 5,008,795；Smolenski 5,019,952；Blankenship 5,278,390；Thommes 5,601,741；Baker 5,864,116；Moriguchi 5,926,381；Kooken 5,991,169；Vogel 5,991,180；Reynolds 6,051,804；Moriguchi 6,069,811；Church 6,177,645；Moriguchi 6,278,080；Reynolds 6,300,589；Church 6,504,132；Boylan 6,618,274；Hoverson 6,723,957；Daniel于2004年7月13号提交的美国专利申请第10/889,866号，标题为“POWER SOURCE FOR ELECTRIC ARC WELDING”；Cho于1998年1月，在IEEE transaction on power electronics，Vol.13，No.1发表的“Novel Zero-Voltage-Transition PWM Multiphase Converters”；Schuellein于2000年9月11号，在EE Times发表的“Multiphase Converter Bucks Power”；Huang于在APEC 03上所公布的International Rectifier publication上发表的“AScalable Multiphase Buck Converter with Average Current Share Bus”；Czogalla于IAS 2003发表的“Automotive Application of Multi-Phase Coupled-InductorDC-DC Converter”；Wong于2001年7月，在IEEE transactions on powerelectronics，Vol.16，No.4发表的“Performance Improvement of InterleavingVRMs with Coupling Inductors”；Zumel于IEEE 2003发表的“MagneticIntegration for Interleaved Converters”；Dixon于Unitrode，Texas Instruments，2003发表的“Coupled Filter Inductors in Multi-Output Buck Regulators”；Shortt于1985在Naval Research Laboratory Space Systems Technology Division发表的“A 600 Watt Four Stage Phase-Shifted-Parallel DC-TO-DC Converter”；以及Ridley的“The incredible Shrinking(Unregulated)Power Supply”。
焊接电源通常包括将AC输入信号转换成DC信号的第一级，以及将DC信号转换成用于焊接的信号的最终调整输出级。术语“焊接”包括“等离子体切割”，其中期望从输入电源隔离焊接或切割处理。Vogel 5,991,180讨论了具有位于焊接调整调整之后，并直接驱动焊接操作的输出隔离变压器，其中斩波器网络产生期望的调整的输出焊接电流，并在输出级提供隔离。Thommes5,601,741中揭示了驱动脉冲宽度调制(PWM)变极器的升压变换器，其产生调整焊接输出信号，其中Vogel和Thommes的第二级都经过调整，以将功率因子控制电流从预调器直接提供到焊接操作中。Moriguchi 5,926,381，Moriguchi 6,278,080，以及Moriguchi 6,069,811中显示的焊接电源中，由输入升压变换器或整流器DC输出来驱动调整输出变极器，以产生适合焊接的电流到用于隔离的输出变压器，其中变压器次级输出用于焊接操作。上述专利中没有实现本发明的新型电源中所使用的三级拓扑结构。Daniel的美国专利申请第10/889,866号转让给了本发明的受让人，其描述了用于焊接的三级电源结构，其中第一级将AC电源转换成第一DC输出信号，第二级将第一DC输出信号转换成第二DC信号，第三级将第二DC输出信号转换成用于焊接的处理输出，其中第二级是非调整级。Daniel专利申请作为背景信息参考而合并在这里，并且并非现有技术。如同通常的那样，Daniel的三级焊机具有非调整第一级，以及焊接调整输出级，其中焊接信号由实际焊接操作的反馈信号确定。这也是常见的，但是Daniel的新特点是调整第一级和输出级之间的隔离非调整中间级，其中输出级由反馈调整产生适合焊接的信号。
参考背景技术，Boylan 6,618,274说明了一种同步整流器，而Calkin3,737,755揭示了用于低电源使用的DC/DC变换器，其中将固定调整电流定向到非调整变极器来提供不可变的输出DC信号。Boylan 6,618,274和Calkin3,737,755中的常见背景技术通过参考在这里引用，以说明一种同步整流器，其中通过控制输入DC信号电平，任何输出调整在变极器之前进行，其中这些专利中没有一个涉及用于焊接的电源，并且仅作为常规技术概念(例如同步整流器器件和非调整变极器)，通过参考合并在这里。Smolenski 5,019,952中说明了非焊接两极AC到DC变换器，以将最小的谐波失真带给流入变换器的电流。不像焊接的情况，Smolenski 5,019,952中的负载不可变并且不需要调整，其中通过参考将该专利合并在这里，以作为相对于本发明的背景技术说明常规技术。
通常作为最终输出级来使用开关变换器，以根据需要的焊接波形产生输出焊接电流，其中焊接操作可能需要DC或AC电流波形以在进给的电极与进行焊接的工件之间产生焊接电弧。例如，如Blankenship 5,278,390所讨论的，这种变换器通常是PWM设计，其中开关以高频率切换以产生用于焊接操作的期望的波形或者电流幅度。在现代电弧焊机中，最终变换器级通常采用由The Lincoln Electric Company of Cleveland，Ohio所最先提出的“波形控制技术”，其中使用处于通常超过可听见的水平的频率的一系列短脉冲来产生焊机输出，并且短脉冲群具有由波形发生器控制的波形或形状。如Kooken5,991,169，以及Church 6,504,132中所示，焊接输出电流可以由输出斩波器或者降压变换器调整，通过在变极器级的输出或在输入升压变换器级的输出使用变压器而实现了隔离。
已经在非焊接背景中开发了例如降压，升压，或者其它类型的DC到DC变换器的开关变换器，其包括两个或更多变换器相位或者单元，用于输入DC电源或提供DC输出。例如，如Fletcher 3,984,799以及Ogawa 4,748,397所示，这种变换器有时称为多相位变换器。Huang的“A Scalable Multiphase BuckConverter with Average Current Share Bus”，以及Schuellein的“MultiphaseConverter Bucks Power”描述了针对先进的微处理器应用的可升级多相位变换器。Cho的“Novel Zero-Voltage-Transition PWM Multiphase Converters”说明了两相和三相的DC到DC变换器，其具有单独的附加零电压开关(ZVS)电路以减少开关损耗。如Karadsheh 4,433,370以及Czogalla的“AutomotiveApplication of Multi-Phase Coupled-Inductor DC-DC Converter”所讨论的，在汽车领域中也已经采用了多相位变换器，其中Czogalla讨论了在公共磁芯上将单独相位的电感器耦合在一起。Wong的“Performance Improvement ofInterleaving VRMs with Coupling Inductors”；Zumel的“Magnetic Integration forInterleaved Converters”；Dixon的“Coupled Filter Inductors in Multi-Output BuckRegulators”中，也描述了在多相位交错的调制器模块和变换器中的耦合的电感器。这些参考文件通过引用合并在这里作为背景信息，而没有教导在三级电源中使用多相位变换器。Baker 5,864,116中说明了具有用于焊接的耦合电感器的两相向下斩波器，并转让给本发明的受让人。Reynolds 6,051,804以及Reynolds 6,300,589说明了具有将电源从电压源提供给负载的双斩波器的等离子体切割电源，其中开路输出电压大约为负载输出电压的两倍。然而，Baker和Reynolds专利都没有教导在三级焊接电源中的多相位输出级。
在焊接系统中，焊接电源的电源效率是重要的设计参数，其中低效率电源产生额外的热量，并通常比更高效电源更大并且体积大。通常，期望减小或者最小化焊接电源元件中的电切换和传导损耗以提高效率。进一步地，希望将电源中的纹波电流最小化，以将对电容或其它元件的电应力最小化，并且提高焊接操作的质量。另一个设计目标是快速的瞬变或激励响应(例如高回转率、slew rate)，其中期望提供能够可以在不同输出信号电平之间快速转换以进行波形控制，并且快速的适应变化的负载条件(特别是对于短路的焊接以及其它焊接电弧条件可能快速变化的应用)的焊接机电源。在这个方面，与大部分其中负载变动最小的电源设计相比，焊接电源通常具有非常不同的操作需求。此外，焊接电源通常包括大的滤波器电容和/或串联电感器或斩波器，以在快速负载瞬变中将输出信号电平和内部DC电压保持在特定的范围或限制内，其中，如果开关变换器控制是带宽受限的时候，对于这种滤波或者平滑元件的需求将变大。
在焊接电源的发展中，因此期望增加最终输出级的操作带宽，以减轻或避免大滤波元件的需求，并从而改进电源的瞬态响应。尽管较少的滤波促进了改善的回转率，但减少的输出滤波可能导致较高的纹波电流或者电压。进一步地，开关损耗通常随着开关变换器操作频率的增加而增加。简单地增加输出斩波器级的开关速度会需要较大的开关器件，以承受额外的热量产生和/或额外或较大的散热元件，例如电扇，散热片等，从而增加了焊接系统的元件数量，尺寸和成本，并且使得系统电源效率变差。一个可能的方案是当对输出斩波器级中的功率晶体管和其它元件采用所谓的软切换技术时，增加变换器带宽或切换频率以减少开关损耗，并同时尽可能减少电磁或射频干扰(EMI，RFI)。然而，使用软切换需要额外的附属元件，降低斩波器效率，并且附属电感器和整流器经受高电流。从而，需要具有较高带宽开关变换器输出级的改进焊接机电源，其可以实现好的瞬态响应而不会严重的影响系统成本和效率。
发明内容
现在对本发明的一个或多个形式做出总结，以促进对其的基本理解，其中，该总结不是本发明广泛的概括，并且其意不在于确定本发明的特定元件或者描绘本发明的范围。而是，本总结的主要目的在于在后面将要呈现的更详细的描述之前，以一种简化的形式提出本发明的一些概念。本发明涉及改进的焊机电源，其中采用了交错多相位开关变换器来作为新概念电源中调整最终级，该电源具有中间非调整DC到DC变换器。交错多相位变换器提供适合焊接(即也是等离子体切割)的调整信号，并且可以以在等价单相变换器中不实际的频率进行工作，从而可以达到较高输出级带宽的优点，而不会明显的降低系统的效率，并且不会不适当的增加系统成本。在这一方面，高速输出斩波器中多相位或电源电路的使用使得纹波电流的电平降低，从而可以减少输出斩波器或者电感器的尺寸和数值。电感器尺寸的减少促进了安装在电路板上的扼流线圈的使用，代替单相变换器中的较大扼流线圈，并且减少的电感器值改进了输出级的动态瞬态响应。此外，可以对给定的最大电流率设计单独并行电源电路，其中通过需要的变换器电流输出确定给定电源设计中的电源电路数量，从而可以使用不同数量的模块化斩波器电源电路设计不同的焊接或者等离子体切割系统。进一步的，由于单个电源电路提供的电流相对低，可以达到高效率以及低元件电流应力，同时对于先进的焊接技术提供可能的非限制带宽。
根据本发明的一个或多个形式，以具有交错的多相位开关变流器的三级提供了新型三级电弧焊接或切割电源。以这种方式，第一级接收AC输入信号，并提供第一DC输出信号，而第二级为被耦合来接收第一DC输出信号的非调整变换器，并将第一DC输出信号转换成第二DC输出信号。电源第三级接收第二DC输出信号，并包括转换第二DC输出信号来提供适合焊接或切割操作的信号的多个变换器电源电路。第三级变换器电源电路并行连接在焊接和新型非调整第二级之间，并且在对于彼此之间的异相进行工作以使得纹波电流电平最小化，从而第三级变换器的整体纹波电流率低于单独变换器电源电路。单独变换器电源电路可以是降压或者其他类型的变换器，其中为了系统尺寸和成本降低，可以以耦合或非耦合的形式将变换器电源电路的电感器集成在单个磁芯上，并且两个或多个电源电路可以以时序重叠工作。此外，可以对给定的电压范围设计变换器电源电路，其中，N个电源电路的并行连接为第三级提供了变换器最大电流率，大约是单独变换器电源电路的最大电流率的N倍。这允许了构造可以在事实上任何电流安培下工作的焊接电源，其中针对在典型焊接电压幅度下的工作设计单独变换器电源电路模块，其中焊接机输出电压实质上与输出级变换器电源电路的数量无关。
附图说明
下面的描述和插图详细描述了本发明特定的示例性的具体实现，其表示了可以实现本发明原理的几种范例性的方法。当与附图一起考虑时，从下面的本发明的详细描述中，本发明的其他目的，优点和新特性将变得明显，其中：
图1的示意图说明了根据本发明的一个或多个形式的三级电源，其具有交错多相位输出级开关变换器，该变换器使用来自非调整隔离第二级的电源，提供调整操作输出信号；
图2和3的示意图与图1相似，说明了根据本发明的三级电源进一步的
实施例；
图4的示意图说明了根据本发明构造的电源的第二和第三级，其中多相位输出级提供AC焊接电流；
图5的示意图为用于控制图4的实施例中多相位第三级所提供的调整信号的波形技术控制电路，以及说明三种示例性焊接调整信号波形的曲线图；
图6的示意图说明了根据本发明构造的电源的第二和第三级，其中输出级提供DC焊接电流；
图7的示意图说明了根据本发明的三级电源的拓扑结构，其以两个独立的控制器电压电源产生适合于电弧焊接的输出电流；
图8的示意图说明了根据本发明的示例性三级电源；
图9的示意图说明了根据本发明的三级电源的示例性非调整隔离第二级变极器的进一步的细节；
图10A的示意图说明了示例性的具有4个并联的降压变换器的交错多相位DC到DC第三级变换器，该降压变换器用于产生根据本发明的三级电源的焊接操作输出信号；
图10B的示意图说明了根据本发明的，用于提供非调整信号的另一个示例性4相位交错降压变换器；
图11的波形图说明了图10A和10B中的交错变换器中示例性的多相位控制信号；
图12的示意图说明了根据本发明的交错多相位降压变换器输出级的另一具体应用，其中变换器电源电路电感器集成地缠绕在公共磁芯上；
图12A和12B的示意图说明了根据本发明的集成变换器电源电路电感器缠绕在公共磁芯上的两个交谈缠绕方向。
具体实施方式
后面结合附图描述本发明的一个或多个实施例或具体应用，其中全部使用相同的引用号码来引用相同的元件，并且说明的结构不是必须按比例来绘出的。本发明的特定形式涉及在产生适合焊接或者等离子体切割操作使用的输出信号中使用的三级电源，全文中将称为焊接电源，其中电弧焊接的概念同时包括等离子体电弧切割的相关技术。提供了输入级来将AC信号转换成第一DC输出信号，其优选地具有固定电压电平，并且还提供了非调整第二级，其可以包括隔离元件，并且提供第二DC输出信号。重要的是，第三级电源构造为交错多相位的变换器，其将第二DC信号转换为焊接或切割操作可用的调整信号，以促进上述的较高带宽工作，低纹波电流，较小元件尺寸，以及改善的瞬态响应。从而可以在焊接系统中有利地使用本发明来实现先进的波形控制技术而不会受到低效率和增加的成本或尺寸。
与输出级的多相位结构所提供的高带宽能力一起，非调整第二级变极器也可以工作在高切换率下，其中开关可以在大于18kHz并在一个例子中优选大约100kHz的高切换频率工作。非调整第二级变极器中的高开关速度允许在其中使用小磁性元件，并且从第二提供到第三级的DC输出信号优选为隔离的。交错的多相位第三级斩波器优选为由诸如焊接操作的电流，电压或功率之类的焊接参数调整，该焊接操作具有并行变换器电源电路的操作中的时序重叠。因此，本发明的具体应用的拓扑结构具有输入级来产生第一DC信号，第二非调整DC到DC级来提供隔离固定DC电压，该电压由电源第三级使用来调整焊接操作使用的电流，其中最终输出级是交错多相位变换器。本发明的其它形式涉及多相位交错电源级的使用，其通常用于产生适合焊接或者等离子体切割操作的调整信号。图1-3在三级电源的背景下，说明了本发明特定形式的三个典型实施方案，其中，在本发明的范围内可以采用任何适合的第一级，以将AC输入电源转换为第一DC输出信号。此外，可以使用任何类型的非调整第二级以将第一DC输出信号转换成第二DC输出信号，其中第二级可以也进行隔离。此外，在本发明的范围内可以采用任何类型的多相位第三级变换器，其接收第二DC输出信号并提供适合焊接，切割，或其它电弧处理操作的调整信号。
图1显示了第一三级电源PS1，包括第一级I，非调整隔离第二级II，以及交错(interleaved)多相位第三级变换器III。该实施例中的第一级I包括AC到DC变换器10，用于将AC输入信号12转换成第一DC输出信号14。输入12为单相或三相AC线电源，其电压通常可以在115到575伏特之间变化，尽管本发明不限于任何特定数量的输入相位或任何特定的输入电压值。变换器10作为非调整器件来说明，其可以是整流器或滤波器网络的形式以产生第一DC输出信号14(DC#1)。由于AC输入信号是线电压，DC#1通常在幅度上是均匀的。在第二级II，以DC到DC变换器的形式提供非调整变极器A，其具有隔离变压器以将第一DC输出信号14(DC#1)转换成第二DC输出信号20(DC#2)。
第二DC输出信号20形成到级III的电源输入，其包括多相位交错DC到DC变换器30，用于将线路20上的第二DC输出信号电压转换成线路B上适合焊接的调整信号(例如电流或电压)。反馈控制或调整回路C感应焊接操作中的参数，以通过第三级多相位变换器的调整，调整输出信号线路B上的电流，电压，和/或功率。实际上，变换器30为斩波器或者开关变换器，例如多相位交错降压变换器(例如下面的图10A-12B)，尽管多相位升压变换器，降压-升压变换器，cuk变换器等的使用，或多相位变极器的使用是可能的替代方案，其中多相位变换器的所有这种变化都预期处于本发明以及所附权利要求的范围内。进一步地，在如图1所示的三级电源PS1中，尽管不是本发明的严格要求，第二级A的开关网络可以工作在高于第三级变换器30开关频率的频率下。此外，尽管不是本发明的要求，线路20中的第二DC输出信号电压(DC#2)可以充分低于线路14上来自级I的第一DC输出信号电压(DC#1)。此外，在优选的实际应用中，可以在第二级变极器A中提供隔离变压器，其具有的输入或初级部分或侧具有充分多于用来在线路20上产生第二DC输出信号的电压DC#2的次级部分或侧的线圈匝数。尽管可以使用任何合适的匝数比例，在一个特定例子中，使用转换匝数比例4∶1，使得线路20上的第二DC输出信号电压约为线路14上的第一DC输出电压的DC#1的1/4，其中第一DC输出信号电压DC#1不需要大于第二DC输出信号电压DC#2，并且其中第二级II可以是非调整的。
图2说明了本发明的另一种具体实现，其中三级电源PS2具有与上述的电PS1基本上相同的级II和级III。然而，在图2的实施例中，输入级I为AC到DC变换器40，其包括后面紧接着调整DC到DC变换器的整流器，该变换器用来提供第一DC输出信号DC#1。转换信号是线路14中的DC输出信号显示作为第一DC信号(DC#1)。如同所示，线路14上的第一DC输出信号电压由反馈回路42根据标准技术调整。从而，在电源PS2的一个具体实施中，第一DC输出信号DC#1以及第二DC输出信号DC#2根据调整42来控制，并且输出焊接变换器30由输出反馈回路C调整。对于第一级I，线路14上的第一DC输出信号DC#1由反馈回路42调整，其中通过感应由线路44代表的AC输入电压波形12，范例变换器40同时提供功率因子校正。通过使用图2中的电源PS2，第一DC输出信号14对于输入12处不同的单相或三相电压为固定DC输出信号电压DC#1。从而，20处的第二DC输出信号电压DC#2仅是线路14上第一DC输出信号电压DC#1的转换。从而在该具体实施中第二DC输出信号DC#2是固定电压，其电平由隔离变压器以及非调整第二级变极器A中切换网络的固定占空比确定。这是采用三个分开并且清楚的级的新型电源的优选具体实施，其中第二级是用于将固定DC输出信号转换为第二固定DC输出信号的非调整变极器，该第二DC输出信号用于驱动调整交错多相位开关变换器30，例如斩波器或者变极器。作为另一个可能的替换，级I可以由来自线路20中的DC#2的反馈(如同图2中的虚线反馈回路或线路46所表示的)进行调整。
图3中显示了根据本发明的三级电源的另一种可能的具体实施PS3，其中由来自焊接电流操作输出信号B的反馈回路52调整第一级输入变换器50，并且可以根据第一级反馈42并根据通过线路44的功率因子校正，进一步控制第一DC输出信号DC#1。在所说明的图3的例子中，尽管该反馈控制结构不是本发明的要求，变换器50优选为由焊接输出反馈52调整，而不是如同图2的电源PS2中的情况那样，由线路14上的第一DC输出信号电压DC#1调整。通过图3中来自焊接输出B的调整，变换器50同时是功率因子校正级和焊接调整器。然而，注意到为了作为本发明意图的三级电源的完整的技术揭示，而揭示了本发明的该具体实施，并且功率因子校正不是本发明的严格限制。
如前所述，输入级I将单相或者三相AC信号12转换成供构成第二级II的非调整变极器A使用的固定DC 14(DC#1)。本发明的该具体实施通常在级I采用DC到DC变换器10，40，50来在图1-3中的线路14上产生第一DC输出信号电压DC#1。可以选择级I的DC到DC变换器10，40，50以在线路14上产生希望的信号电压DC#1，其中输入整流器提供DC电压到第一级DC到DC变换器(未显示)，其可能是升压变换器，降压变换器，降压+升压变换器，或者其它适合的DC到DC变换器结构。第一级I的这种DC到DC变换器结构可以通过感应经由线路44的输入AC波形并据此控制第一DC输出信号DC#1，而有利地执行功率因子校正(例如图2和3)，以减少三级电源PS2，PS3输入12处的谐波失真，和/或保证输入AC电流和电压同相位到可能的程度。尽管功率因子校正不是实现本发明的严格要求，在焊接技术领域使用功率因子校正输入DC到DC变换器40，50是公知的，并且用于很多现有技术两级拓扑结构。从这个方面，级I的主要目的是在线路14(后面的图中显示为线路14a，14b)提供第一DC(DC#1)，接着由第二级II使用第一DC来在线路20(后面的图中显示为线路20a，20b)产生固定DC(DC#2)。注意到替换的具体实施是可能使用图1中作为例子显示的非功率因子校正输入或第一级10，其中输入整流器的输出线路由大存储电容(未显示)耦合，以在线路14上产生滤波的通常固定的，第一DC输出信号电压DC#1。在另一个替换具体实施中，第一级I可以包括无源功率因子校正电路40，50，其连接到单相或多相AC输入12，以在14产生通常固定的DC电压(DC#1)作为第二级变极器A的输入。上述级I结构仅仅是例子，可以使用其它具有单相或者三相输入信号，具有或不具有功率因子校正，具有或不具有调整的输入级实施本发明。
也参考图4，在特定优选具体实施中，在输出20(例如，在图4-10和12中作为线路20a，20b显示)提供相对低的固定第二DC输出信号DC#2，其中新型三级焊接电源的多相位第三级III可以是斩波器或者以大于18kHz的频率工作来提供增加带宽的优点的其它变换器。非调整第二级变极器A的开关频率以及调整输出多相位变换器30的开关频率可以，但是不需要不同。在这一方面，尽管第二和第三级的特定频率关系不是本发明的严格要求，但是在一个例子中，多相位交错斩波器输出级30的开关频率可以充分小于非调整变极器A的频率。
图4所示的电源PS4说明了本发明的使用，其中级III包括交错的DC到DC开关变换器30，并进一步包括极性开关110以有利于输出端或线路110a和110b处的AC焊接，其中电源PS4包括分别将控制信号132和134提供给变换器30和极性开关110的第三级控制器130。多相位变换器30由通常固定的输入DC 20(第一DC输出信号DC#1)驱动，并且可以由来自AC或DC焊接操作120的反馈调整，来提供跨过输出引线102，104两端的适合焊接的电流。此外，如图4中所示，调整信号可以经过引线110a和110b，通过极性开关110提供，以提供给AC焊接，其中引线102是正极性引线而引线104是负极性引线。在这一方面，极性开关110具有第一位置，其中引线102定向到焊接操作120的电极，从而极性开关110的输出在输出线路110a具有正极性，而在输出线路110b上具有负极性。这在焊接操作120上产生了电极正极性(EP)DC焊接处理。极性开关110的反转可以在焊接操作120上产生电极负极性(EN)DC焊接处理。
从而，可以根据标准极性开关110的设置进行电极正极性或者电极负极性的DC焊接处理。以相似的方式，极性开关110可以在电极正极性和电极负极性之间交替变换以在焊接操作120产生AC焊接处理。从而极性开关110驱动来自调整多相位变换器30的DC输出，来产生AC焊接处理或DC焊接处理120，其可以如定向到控制器130的线路或回路122经由图4中表示的反馈系统有利地调整和控制，控制器130用于如控制信号线路132，134所示分别调整多相位变换器30且设置开关110的极性。通过这样在级III调整焊接操作120，级II处的非调整变极器A可以具有相对较高的开关频率和高占空比来在电源PS4的第二级II的范围内减少元件尺寸和改进效率。
也参考图5，尽管不是本发明的严格要求，本发明的特定实施例有利地采用了由The Lincoln Electric Company of Cleveland，Ohio所最先提出的“波形控制技术”。在图5中示意性地示出这种类型的控制系统，其中图4中控制器130的控制电路150处理作为由波形发生器152提供的线路152a上的电压的波形轮廓。如具有输出156的误差放大器154示意性的示出的，波形轮廓由反馈回路122控制。因此，来自发生器152的波形轮廓由反馈回路122控制并在输出线路156中产生信号。线路156定向到适当的PWM电路160，该电路工作在由振荡器162的输出确定的高频率上。在一个例子中该频率大于18kHz并通常高于40kHz。进一步地，如下参考图10A-12B所描述和说明的，经由控制器130使用多相位调整PWM输出信号，和/或使用相位移动或偏移量电路(未显示)来提供单独的PWM控制信号给输出级III(例如，下面的图11)的变换器电源电路，第三级III优选地提供第三级变换器电源电路的异相(out of phase)的交错控制。
例如，在图5中如线路132显示了可以在控制器130中的软件中和/或数字电路实现的脉冲宽度调制器160的输出，该线路132用于控制多相位开关第三级变换器30产生的波形。第三级变换器的输出波形(提供给焊接操作120的调整信号)可以具有任何类型的轮廓或类型，例如AC，DC，或者它们的组合，在图5的右边部分如波形152b，152c，和152d示例性地显示了这些的例子。在一个AC焊接例子中，由变换器30以AC MIG焊接中使用的类型的AC波形形式提供了波形152b，其中负电极安培高于正电极安培。可替换地，正安培可以高于负安培。在波形152c，电极负极性和电极正极性的安培基本上相同，而负电极部分的长度较长。当然，可以调整AC焊接的操作以提供平衡或者非平衡的AC波形，或者偏向于电极正极性，或者偏向于电极负极性，或者平衡可以动态地改变，其中时间部分和/或幅度部分可以朝负电极方向或者正电极方向偏置。当极性开关110设定为DC负极性或者DC正极性焊接操作时(或如下面的图6所示，完全忽略极性开关110)，如波形152d显示的脉冲焊接波形由波形发生器152控制，用于将调整信号从变换器30输出到焊接操作120。不同的其它波形，AC和DC，都可以由控制器130控制，从而焊接操作120可以调整为AC或者DC。进一步地，焊接操作可以是TIG，MIG，埋弧(submerged arc)，或者，在进行任何类型的电弧处理操作中可以使用电源PS4或者使用本发明的其它电源。在这一方面，处理电极(下面图7，8，10A，10B，以及12中的电极E)可以是非消耗的或消耗的，例如带金属芯，药芯，或者实心焊丝，其中根据采用的电极可以但是不必要采用防护气体。可以在采用本发明不同形式的系统中进行焊接操作中所有的这些修改。
现在参考图6，执行DC焊接的电源PS5示例说明了电源PS4的修改例。在该例子中，电源PS5仅执行DC焊接操作120，其中反馈回路122定向到具有输出132的控制器130。电源PS5中的调整变换器30优选为多相位斩波器类型的开关DC到DC变换器，以在线路102a，104a之间产生DC电压，其中控制器130优选地由波形发生器152控制(图5)。此外，线路102a，104a上的极性根据在焊接操作120中执行的DC焊接处理的需求，可以是电极负极性或电极正极性。进一步地，调整变换器30输出的调整信号，可以比图4中所示的电源PS4的焊接输出更为简化。图4和图6，与图5中所示的控制网络或者电路150一起，说明了构成本发明的新型三级电源和交错多相位输出变换器30的多样性，其中示例说明的具体实施例仅仅是例子，并且并非本发明具体实施的全部。
现在参考图7和图8，在具体实施现有技术中使用的两级电源或者本发明的新型三级电源中，需要提供电压来操作用于这两种类型的电源中使用的调整和非调整开关网络两者的控制器。图7示例说明了根据本发明的一个优选三级结构，以产生用于焊接操作的调整信号，并提供控制电压以操作三级电源(例如电源PS6)的各个控制器。使用预调整器的输出来提供用于预调整器的开关控制器，以及两级电源第二级的开关控制器的控制电压是公知的，并揭示于通过参考合并在这里的Moriguchi 5,926,381中。对于最终级，用于执行焊接操作的输出斩波器常规地从输入DC电压获取控制器控制电压到斩波器中。这两个公知的技术合成在电源PS6中。
图7的三级电源PS6可以由具有从电源不同部分获取电源供应的控制器操作。特别是，电源PS6具有第一控制器电源供应180(PS#1)，其具有输出182以及来自引线14a，14b上的第一DC(DC#1)的输入184，186。电源供应180包括降压变换器或者回扫变换器(未显示)，以将图2预调整器40输出处的高电压DC#1减少到线路182上适合为第一级控制器190供电的低电压。尽管在本发明的范围内其它的电压是可能的，在一个例子中线路182上的控制电压可以位于5到20伏特之间。线路182上的电压定向到具有输出引线192的第一控制器190，来根据标准技术执行预调整器40的操作。预调整器40可以采用来自图2和3所示的线路42，44上的反馈，和/或可以接收沿着线路52的焊接机输出反馈(如图3所示)。具体实施范例中的非调整第二级变极器A不需要控制器来调制输入输出电压之间的占空比或者固定关系，但是可以接收输出引线198上来自第二控制器194的控制信号，第二控制器194接收线路196中来自第一电源180的控制器操作电压。
作为替换，第三电源供应PS#3由输入12的一相驱动，以将可选电源供应电压176给于第一控制器190。本具体实施中级III的调整多相位开关变换器30具有第二电源供应200(PS#2)，其经由输入206和204分别耦合到第二DC引线路20a和20b，线路202上的控制器电压由说明为包括引线路20a，20b的DC 20上的电压(DC#2)确定。电源供应200包括降压变换器或回扫变换器，以将非调整变换器A输出处的DC转换成由具有输出132的第三级控制器130使用的较低电压。如同参考图1和图2中的电源PS1，PS2所分别讨论的，线路132上的信号根据线路C上的反馈信号调整焊接变换器30的输出，其中多相位变换器30的单独电源电路可以由来自控制器130的专用输出132独立地控制，或者可以为控制器30的单独电源电路暂时偏置单个PWM，或其它类型的控制输出132，使得单独第三级变换器电源电路在相互之间的异相进行工作。DC 14(DC#1)和DC 20(DC#2)分别提供输入给电源供应180和200，其在一个例子中是DC到DC变换器，用于产生用于控制器190，194和/或130的低电平DC控制电压。作为图7中以虚线路220表示的替换，第一电源供应180可以也提供用于第三控制器130的控制电压。揭示了图7来说明使用三级电源的多样性，该三级电源具有从显示为PS#1和PS#2的不同固定DC电压电平接收降低的电源电压的控制器。可以采用其它配置来提供控制器电压，例如通过整流器，以说明为PS#3的方式，通过线路272和274到AC输入电压12的一个相位的整流连接。现在参考图8和图9，图8以本发明优选的三级实施例上的更为详细的细节说明了本发明的另一个具体实施方式，其中显示了三级电源PS7，其与电源PS6相似并且类似元件具有相同识别号码。根据本发明的一种形式，输出级III包括多相位交错开关变换器或斩波器30，用于提供调整信号输出(例如，电极E和工件W之间的焊接电流)。如图7和8中所示，提供的电流分流器S可以用于提供焊接处理电流反馈信号C到控制器130。在该具体实施中所说明的级II的高开关速度变极器A包括上述的特性和特征，并通过具有初级线圈252和次级线圈254的隔离变压器250，额外地提供第一和第二DC输出信号DC#1与DC#2之间的电隔离。如图9中所进一步说明的，DC到DC变换器A的初级侧包括开关网络300，用于将交替电流定向到初级线圈252。次级级254的整流输出是变换器A的次级部分或侧。
图8和9的范例变换器采用高开关速度变极器，其占空比或者相位移动由非调整控制器194设定，其中在说明的实施例中没有提供处理或系统反馈给控制器194。此外，第二级开关频率在该电源PS7的实际应用中可以相对较高(例如高于第三级变极器30的开关速度)，例如大约100kHz。在范例非调整第二级变换器A，尽管可以通过如同具有用于调整控制器194的输出262的“ADJ”电路所示的，对第二级II的占空比和/或频率进行非反馈类型的调整，但是占空比和操作频率在焊接操作中保持基本固定。此外，尽管在本发明的范围内可以采用任何适合的开关频率和占空比，在级II优选的实施例中，其中的占空比接近100％，使得在变极器A初级侧的开关对共同导通的时间最大，其中可以使用电路260或者其它方式来为级II调整占空比，相位移动，频率等，以调整第一DC 14和第二DC 20之间的关系(否则的话通常固定，例如非调整)。从而，非调整隔离变极器A可以改变为具有不同但是固定的占空比。在这一方面，占空比优选地接近100％，使得开关对基本上一致地工作，其中在本发明的典型应用中，占空比可以在大约80％到100％之间变化。
输入级I通常包括整流器60，其后面紧接着功率因子校正DC到DC变换器62，其中可以为输入12显示的不同幅度的单相AC或者三相AC提供适当的整流器60。此外，在优选具体实施中，如图8所示，对于功率因子校正输入级I使用升压变换器62，来产生第一DC输出信号DC#1。升压变换器62根据具有前述的控制电压182的控制器190来工作。根据优选实施例的轻微变化，图8中的电源270具有通过跨过单相或三相AC输入12的一相的线路272和274连接的变压器。电源供应270中的整流器或滤波器在可选的虚线276中产生低控制电压，如果需要的话可以代替线路182的控制电压使用。这两个替换不影响电源PS7的工作特性。用于电弧焊接的三级电源的其它这种修改可以从前面的描述和焊接领域公知的技术中获得。
级II的非调整变极器A可以使用各种变极器电路，在图9中更详细地描述了其中一个。优选第二级电路A通过由到隔离变压器250的初级线圈252的输入定义的初级部分或侧，和由次级级线圈254的输出定义的次级部分或侧来划分。首先参考变极器A的初级部分或侧，采用了全桥电路300，其中跨过电容348的成对开关SW1-SW3和SW2-SW4由引线路302，304，306和308连接，尽管可以替换地采用半桥电路或者其它开关电路。示例说明的电路300中的开关SW1-SW4分别通过线路310，312，314和316上的选通脉冲交替地激活。控制器194输出线路310，312，314和316中的选通脉冲，并且可以如同前面讨论的，通过来自电路260的线路262上的逻辑确定调整占空比，频率(周期)和/或相位关系。在一个具体实施中，可以通过改变线路310和312以及线路314和316的相位移动改变占空比，其中电路260调整成对开关的占空比或相位移动。在变极器A的操作中该调整是固定的。在优选的具体实施中，电路300具有约为100％的占空比或相位移动，其中每一对开关具有最大重叠导通时间。如前面也描述的那样，控制器194具有来自适当电源供应的控制电压，在图9中由线路196表示。
在图9的范例电路300的工作中，由开关SW1-SW4的受控的操作，将交替变换的电流定向通过初级线圈252。该电流优选具有通常至少大约100kHz的超高频率，使得可以减少元件尺寸，重量和成本，其中这种高开关频率不是焊接操作专用的，而是为了三级电源非调整级A的效率而选择的，尽管第二级II的特定操作频率不是本发明的要求。变极器A的次级部分或侧包括具有整流器322，324的整流器电路320，其具有构造在次级级线圈相反端的电源输入330和332，输出342和340，以及分别由线路326，328上的信号选通的控制输入326和328。引线路326，328，330，332，340，和342构成整流器320的输出引线以产生跨过引线20a和20b的DC电压(DC#2)，输出电流由斩波器344平滑并且得到的输出电压加到输出滤波器电容346两端。
在图8和9示例说明的范例三级电源中，第二级A为非调整的，这意味着其不是由来自焊接操作或来自第二DC输出信号Dc#2的实时反馈信号调整的。事实上，第二级II以相对固定的方式转换DC 14(DC#1)到DC 20(DC#2)，而没有反馈调整。在示例说明的第二级II，通过适当的变压器线圈匝数比的选择，DC到DC变换使得定向到使用变极器A的电源的调整第三级30的电压减小。尽管在本发明的范围内可以使用任何线圈匝数比，在一个例子中，变压器250的线圈匝数比为大约4∶1，其中输出20上的固定电压大约是第一级的输出14上的固定电压的1/4。非调整级的几个优点包含在Dr.Ray Ridley的标题为“The incredible Shrinking(Unregulated)Power Supply”的文章中，作为背景信息通过参考合成在这里。一个基本的优点是能够将频率增加到超过100kHz来减少第二级II的尺寸和成本。
现在参考图10A-12B，本发明的一个形式涉及使用交错多相位开关变换器30作为三级焊接电源的最终(第三)级。在本发明的该形式中，第三电源级III包括多个变换器电路，以将第二DC输出信号DC#2转换成适合焊接，切割，或其它电弧处理的调整信号，其中，第三级III的各种形式在后面4相位降压类型开关类型DC到DC变换器30的几个示例性实施例中作为例子，变换器30具有并行耦合在第二DC输出信号DC#2与焊接操作之间的单独变换器电源电路30a，30b，30c，以及30d，来提供处理输出信号。然而，可以意识到在本发明的范围内在多相位第三级中可以采用任何数量N的变换器电源电路，其中N可以是大于1的正整数。此外，可以使用任何变换器电路类型，其中本发明不局限于降压变换器电源电路结构。此外，尽管这里所说明的变换器电源电路控制并非本发明的严格要求，如下面的图11所示，范例第三级变换器电源电路30a-30d，在彼此之间的异相进行工作。
图10A示例说明了配置在高侧降压类型结构中的多相位交错第三级变换器30的具体实施，其中变换器电源电路30a-30d的单独开关元件和输出扼流线圈耦合在正第二DC输出信号20a和焊接电极E(处理输出B)之间，在负极性(工件)返回路径中具有电流分流反馈感应器S。图10B中显示了4相位降压变换器的替换具体实施方式，其中变换器相位开关以及电感器扼流线圈位于工件W和负极性第二DC输出信号线路20b之间的负极性返回路径上。在这些例子中的每一个，变换器电源电路30a-30d单独包括开关器件Q，例如双极晶体管(例如IGBT等)，MOSFET，或其它开关元件，以及整流器D和电感器或扼流线圈L，其中这些元件以降压类型的变换器电源电路配置来安置。替换地，例如，变换器电源电路元件可以不同地配置，以得到升压，降压-升压，或其它变换器类型结构，并且变换器电源电路可以替换地包括与示例说明的实施例的范例降压变换器电源电路相比，更多或更少的元件，其中所有这些提供多相位DC到DC变换来在焊接电源第三级提供适合电弧处理的调整信号的变化具体实施方式，都落入本发明以及所附的权利要求的范围内。
如图10A所示，一个可能的多相位变换器30包括4个这种降压变换器电源电路30a-30d。第一变换器电源电路30a包括开关器件Q1，其耦合在第二DC输出信号DC#2的正极性线路20a和内部降压变换器电源电路节点之间，其中Q1是双极晶体管，其集电极耦合到线路20a，发射极耦合到变换器电源电路内部节点，控制极(基极或栅极)耦合来从控制器130接收第一变换器电源电路控制信号132a(φA)。第一降压变换器电源电路30a进一步包括整流器(飞轮二极管)D1，其具有耦合到第二DC输出信号DC#2负极性线路20b的阳极和耦合到Q1发射极(内部节点)的阴极，同时变换器电源电路电感器L1耦合在内部节点和调整信号之间。其它三个降压变换器电源电路30b-30d构造相似，分别具有相应的开关器件Q2-Q4，二极管D2-D4，以及电感器L2-L4。如图10A所示，变换器电源电路开关器件Q1-Q4都耦合在输入端20a和对应内部电源电路节点之间，电感器L1-L4都通过调整信号线路B耦合到焊接电极，其中控制器130提供对应的电源电路控制信号φA-φD给变换器电源电路30a-30d的开关Q1-Q4。
也参考图11，第三级控制器130提供控制信号132a-132d，使得根据来自电流旁路S的反馈信号C为单独变换器电源电路30a-30d进行脉冲宽度调整，并且每个变换器电源电路30a-30b激活了对应的激活部分，其具有多相位变换器30的开关周期T的持续时间。此外，变换器电源电路30a-30d以交错方式来控制，其中控制器130提供开关控制信号，使得降压变换器电源电路30a-30d在相互之间的异相进行工作。任何相位关系都预期处于本发明的范围之内，包括0度(例如，同相)，其中这里示例说明和描述的具体实施范例提供了相对相位角，其与变换器电源电路30a-30d的数量N相关(例如，示例说明的例子中为4个)。此外，本发明一种形式中的变换器电源电路这样工作，使得在每个开关周期的至少一部分，至少两个变换器电源电路同时工作，从而对于脉冲宽度的特定值以时序重叠操作全部或部分电路。在这一方面，图11的示例说明的例子显示了相邻的变换器电源电路之间90度的相位角，其相位周期相互重叠。
图11中的时序或波形图31对于交错4相位变换器30的两个范例开关周期，示例说明了范例电源电路开关控制信号132a-132d(表示为晶体管控制电压φA-φD)，其中每个变换器开关周期具有持续时间T，并且单独的电源电路在持续时间T的对应部分是激活的(例如调制的脉冲宽度)，其中激活部分是相位移动的，其移动角度是360度/N。图11也示例说明了对应的变换器电源电路开关器件电流IQ1-IQ4。在这里示例说明并描述的范例4相位变换器中，变换器30的每个开关工作周期或者周期T包括360度，其中每个变换器电源电路30a-30d的激活部分在90度相位角的倍数处开始，其它相对相位关系也在本发明的范围内，包括同相位操作。通常，本发明的交错多相位变换器可以包括任何数量N个变换器电源电路，其中N是大于1的整数，并且其中相位角可以从0到360度变化。
如图11的时序图31所示，单个降压变换器电源电路以通常降压变换器的方式工作，其中控制器130以交错相位移动方式提供控制信号132a-132d，以在线路B上产生调整处理输出信号给焊接电极E。例如，对于第一变换器电源电路30a，当第一变换器电源电路开关Q1是导通的时候(由控制信号132a(φA)接通Q1，正极性开关电流IQ1流过开关Q1)，内部节点升高到线路20a的电压，并且通过电感器L1的电流以通常线性的方式逐渐增加，来通过线路B提供焊接电流给电极E。当Q1断开，开关电流IQ1停止，电感电流持续流动，其中内部节点电压降低并且飞轮二极管D1变为正向偏置并开始导通。在4相位例子中，第一变换器电源电路30a的脉冲宽度调制从每个分配的开关周期T的零度开始，其中控制器130提供具有给定接通时间TONA的第一控制信号132a(φA)，其中接通时间TONA与开关周期T的比例对应控制器130确定的PWM占空比，该占空比由控制器130基于感应焊接处理电流和期望的焊接电流的比较(例如，根据上面图5所示的波形控制)，或根据其它任何采用反馈，前馈的适当控制策略，或其它算法或控制方案来确定。在此例子中，其它变换器电源电路30b-30d由来自控制器130的信号132b-132d相似地控制，也根据反馈或者波形控制策略确定各接通时间TONB-TOND，并且激活部分以连续的相位移动的方式开始，第二电路30b的周期T在90度开始，并且电路30c和30d的周期分别在180度和270度开始。以这种方式，每个变换器电路在每个焊接周期的对应部分贡献电流给焊接操作，其中电流在输出处累加，注意到在这一方面，输出电压实质上与变换器电源电路的数量N无关。在其它可能的具体实施中，每个电源电路的激活时间部分不需要相同，并且不需要根据相同的策略控制电源电路。此外，尽管范例控制器130采用脉冲宽度调制技术，但也可以采用其它调制，例如脉冲频率调制等，其中所有这些替换具体实施都预期落入本发明以及所附的权利要求的范围之内。
也参考图10B，示例说明了4相位降压类型的交错变换器30的替换形式，其中变换器电源电路30a-30d单独包括耦合在第二DC输出信号和内部电源电路节点之间的开关器件Q1到Q4。在图10B的配置中，开关器件Q1-Q4耦合到第二DC输出信号DC#2的负极性线路20b，并且电源电路电感器L1-L4耦合在对应降压变换器电源电路内部节点和工件W上的调整信号之间，其中在线路B的正极性路径中提供电流旁路S以在线路C上产生反馈。在该实施例中，变换器电源电路30a-30d的飞轮二极管D1-D4的阳极耦合到电源电路内部节点，而阴极耦合到正极性DC线路20a。在该例子中，如在上面对于变换器电源电路30a-30d的交错脉冲宽度调制描述的例子，如同图11的时序图31那样提供控制信号132a-132d。当Q1接通(例如TONA)，第一电源电路内部节点位于线路20b的电压，并且电流IQ1从第一电感器L1流到负极性DC线路20b。随着开关Q1断开，电感器电流持续流过飞轮二极管D1到线路20a并从而到焊接处理电极E。如上所讨论的，在本发明的范围内，其他特定的电源电路类型以及设计可以替代图10A和10B的范例降压变换器电源电路30。
注意到在第三级III的开关变换器30中使用多个电源电路30a-30d相对于非多相位方案提供了几个优点。一个特别的优点是减少的纹波电流。在这一方面，电源电路30a-30d是相似地构造的，其中每个具有变换器电源电路纹波电流率Ipr，其中交错多相位开关变换器30具有的变换器纹波电流率Icr，低于单个电源电路的纹波率Ipr。该纹波率的减少是从多相位结构得到的，并能够减少变换器电源电路电感器L1-L4的尺寸和数值，从而节省空间和成本。例如，该减少可以抵消由多相位设计引起的增加元件数量的需求。进一步地，减少的元件尺寸可以促进安装在电路板上的扼流线圈的使用，来代替在单相位变换器中找到的较大扼流线圈。此外，电感器减少的值可以改进输出级III的瞬态响应，从而促进先进的焊接处理控制策略的使用(例如，波形控制等)。
此外，可以为了最大电流率，以由需要的变换器电流输出来确定给定电源设计中电源电路的数量，来设计单独的电源电路30a-30d，从而可以使用不同数量的模块斩波器电源电路设计不同的焊接或等离子体切割系统。进一步地，由于单个电源电路提供的电流相对较低，可以达到高效率和低电流应力，同时为先进的焊接技术提供潜在的不受限制的带宽。不像多相位焊接电源的以前的尝试，例如Reynolds 6,051,804和6,300,589，本发明的三级焊接电源事实上可以在任何电流安培下工作，其中可以针对典型焊接电压电平设计单独的变换器电源电路模块，其中焊接机输出电压实质上与输出级变换器电源电路的数量N无关。在这一方面，本发明的交错多相位开关变换器(例如变换器30)包括并行耦合的N个变换器电源电路(例如电源电路30a-30d)来接收第二DC输出信号(DC#2)，其中电源电路单独地具有变换器电源电路最大电流率Ip，并且其中交错多相位开关变换器具有大约N×Ip的变换器最大电流率。例如，如果为了在50安培的最大电源电路电流工作而设计了降压变换器电源电路30a，可以使用6个并行连接的这种电源电路构造300安培的多相位变换器以将电源从第二DC输出信号DC#2转换成焊接调整信号，其中，每个变换器电源电路可以对于一个开关周期持续时间T，以60度的相对相位关系工作。
现在参考图12-12B，本发明的另一个形式提供了一种三级电源，具有将输入AC信号转换来提供第一DC输出的第一级，将第一DC输出信号转换为第二DC输出信号的第二级，以及用于将第二DC输出信号转换为调整信号的交错多相位第三级，其中多相位变换器包括单独地具有电感器和开关元件的多个变换器电源电路，其中电感器中的至少两个缠绕在公共磁芯上。图12示例说明了具有4个变换器电源电路30a-30d的多相位降压变换器30范例，其中电源电路元件以类似于并且电学上等价于上面的图10A所说明的降压类型的变换器配置来相互连接。然而，在图12的具体实施中，使用公共磁芯将电源电路电感器L1-L4相互集成，以形成集成磁性元件或单一变换器电感器结构30L。本发明这种形式的其他实施例是可能的，其中少于所有的电感器合成在单独的磁芯上。电感器L1到L4每一个包括对应的线圈，其中电感器L1-L4的两个或更多线圈可以缠绕在公共磁芯上，其可以是任何适当的形式或者材料，例如E-I，E-E，或其它已知的磁芯结构。两个或更多变换器电源电路电感器L1-L4的集成可以允许本发明的三级电源结构进一步的系统尺寸和成本的减少。
在构造本发明的多相位输出级中的集成变换器机构中，电感器线圈的相对缠绕方向可以按照如图12A所示，或者可以如同图12B中替换实施例30La中所示的交替或者交错相间。在这一方面，给定设计中特定磁芯设计的选择以及相对线圈的缠绕方向可以变化，以选择性地提供交替或者反转耦合，其中这样集成的单独电源电路可以耦合或者隔离，如同Zumel的“MagneticIntegration for Interleaved Converters”所教导的。隔离电感器L1-L4本身的集成可以有利地提供总体元件尺寸的减少，以及降低损耗和成本。电感器L1-L4中的部分或者全部的磁性耦合允许来自一个电感器的能量传递到另一个耦合电感器，其中输出滤波的需求可以减少。这样，例如，可以以集成磁性元件30La中交错相间的线圈提供隔离交替集成(图12B)，其中可以以缠绕在并行有间隙的磁芯腿(leg)上的集成线圈构造公共磁芯，其中提供一个或者更多附加无间隙的腿来将电感器相互之间隔离。在另一个可能的具体实施中(图12A)，集成电感器L1-L4的线圈缠绕在磁芯结构的有间隙和无间隙的腿上，而没有附加的隔离腿，从而集成电感器磁性地耦合。这样，尽管本发明的多相位输出级变换形式通常可以促进上述的改进动态响应以及较高带宽的优点，但两个或者更多变换器电源电路的选择性集成可以提供进一步的好处，特别是其中使用了相对大数量的变换器电源电路(例如，高的N值)。
尽管已经参考一个或者更多典范具体实施或实施例，示例说明并描述了本发明，其他本领域的技术人员在阅读并理解了本说明书和附图可以进行等价的替换和修改。在上述元件(装配，器件，系统，电路，以及之类)执行的各种功能的特定方面，尽管在结构上不等价于执行这里示例说明的本发明的具体实施范例中的功能的揭示结构，但是用来描述这种元件的术语(包括参考“装置”)对应于，至少暗示执行描述元件特定功能的任何元件(即在功能上是等同的)。此外，尽管仅对于几个具体实施中的一个揭示了本发明的特定特性，但如同对于任何给定或者特定应用所期望的和有利的那样，这种特性可以与其它具体实施的一个或者多个其它特性结合。

Claims (53)

1.一种用于电弧焊接或者切割处理的三级电源，所述电源包括：接收AC输入信号并且提供第一DC输出信号的第一级；耦合到所述第一级来接收所述第一DC输出信号的非调整第二级，所述第二级将所述第一DC输出信号转换成第二DC输出信号；耦合到所述第二级来接收所述第二DC输出信号的第三级，所述第三级包括一交错多相位开关变换器，其包括多个并行变换器电源电路，将所述第二DC输出信号转换成适合焊接的调整信号，每个所述电源电路具有带有控制输入的开关器件；以及用于为每个所述并行变换器电源电路在不同的相位角产生控制输入信号的控制器。
2.根据权利要求1所定义的三级电源，其中所述交错多相位开关变换器是多相位降压变换器，其包括多个降压变换器电源电路。
3.根据权利要求2所定义的三级电源，其中每个电源电路的所述开关器件耦合在所述第二DC输出信号和对应降压变换器电源电路内部节点之间，并且所述降压变换器电源电路单独包括耦合在所述第二DC输出信号与所述降压变换器电源电路内部节点之间的整流器，以及耦合在所述降压变换器电源电路内部节点与所述调整信号之间的电感器。
4.根据权利要求1所定义的三级电源，其中所述交错多相位开关变换器包括N个变换器电源电路，N为大于1的整数，并且其中所述相位角为360°/N。
5.根据权利要求1所定义的三级电源，其中所述变换器电源电路单独具有变换器电源电路纹波电流率Ipr，并且其中所述交错多相位开关变换器具有低于Ipr的变换器纹波电流率Icr。
6.根据权利要求1所定义的三级电源，其中所述第二级包括非调整DC到DC变换器，其具有耦合到所述第一级的输入来接收所述第一DC输出信号，
将所述第一DC输出信号转换为第一内部AC信号的开关网络，
具有由所述第一内部AC信号驱动的主线圈，以及用于产生第二内部AC信号的次级线圈的隔离变压器，以及
与所述次级线圈耦合，来将所述第二内部AC信号转换成第二DC输出信号的整流器。
7.根据权利要求1所定义的三级电源，其中所述单独变换器电源电路进一步包括电感器，并且其中所述变换器电源电路的至少两个的所述电感器集成地缠绕在公共磁芯上。
8.根据权利要求7所定义的三级电源，其中所述交错多相位开关变换器包括并行耦合来接收所述第二DC输出信号的N个变换器电源电路，N为大于1的整数，其中所述变换器电源电路单独具有变换器电源电路最大电流率Ip，并且其中所述交错多相位开关变换器具有大约为N×Ip的变换器最大电流率。
9.根据权利要求6所定义的三级电源，其中所述交错多相位开关变换器包括并行耦合来接收所述第二DC输出信号的N个变换器电源电路，N为大于1的整数，其中所述变换器电源电路单独具有变换器电源电路最大电流率Ip，并且其中所述交错多相位开关变换器具有大约为N×Ip的变换器最大电流率。
10.根据权利要求5所定义的三级电源，其中所述交错多相位开关变换器包括并行耦合来接收所述第二DC输出信号的N个变换器电源电路，N为大于1的整数，其中所述变换器电源电路单独具有变换器电源电路最大电流率Ip，并且其中所述交错多相位开关变换器具有大约为N×Ip的变换器最大电流率。
11.根据权利要求4所定义的三级电源，其中所述交错多相位开关变换器包括并行耦合来接收所述第二DC输出信号的N个变换器电源电路，N为大于1的整数，其中所述变换器电源电路单独具有变换器电源电路最大电流率Ip，并且其中所述交错多相位开关变换器具有大约为N×Ip的变换器最大电流率。
12.根据权利要求2所定义的三级电源，其中所述交错多相位开关变换器包括并行耦合来接收所述第二DC输出信号的N个变换器电源电路，N为大于1的整数，其中所述变换器电源电路单独具有变换器电源电路最大电流率Ip，并且其中所述交错多相位开关变换器具有大约为N×Ip的变换器最大电流率。
13.根据权利要求1所定义的三级电源，其中所述交错多相位开关变换器包括并行耦合来接收所述第二DC输出信号的N个变换器电源电路，N为大于1的整数，其中所述变换器电源电路单独具有变换器电源电路最大电流率Ip，并且其中所述交错多相位开关变换器具有大约为N×Ip的变换器最大电流率。
14.根据权利要求13所定义的三级电源，其中所述第三级提供所述调整信号，其具有与所述交错多相位开关变换器的变换器电源电路数量无关的电压。
15.根据权利要求7所定义的三级电源，其中所述第三级提供所述调整信号，其具有实质上与所述交错多相位开关变换器的变换器电源电路数量无关的电压。
16.根据权利要求6所定义的三级电源，其中所述第三级提供所述调整信号，其具有实质上与所述交错多相位开关变换器的变换器电源电路数量无关的电压。
17.根据权利要求5所定义的三级电源，其中所述第三级提供所述调整信号，其具有实质上与所述交错多相位开关变换器的变换器电源电路数量无关的电压。
18.根据权利要求4所定义的三级电源，其中所述第三级提供所述调整信号，其具有实质上与所述交错多相位开关变换器的变换器电源电路数量无关的电压。
19.根据权利要求2所定义的三级电源，其中所述第三级提供所述调整信号，其具有实质上与所述交错多相位开关变换器的变换器电源电路数量无关的电压。
20.根据权利要求1所定义的三级电源，其中所述第三级提供所述调整信号，其具有实质上与所述交错多相位开关变换器的变换器电源电路数量无关的电压。
21.根据权利要求1所定义的三级电源，其中所述多相位开关变换器包括N个变换器电源电路，N为大于1的整数，其中所述相位角为360°/N，其中所述控制器提供所述控制输入信号，以在具有对应变换器开关周期T的开关频率下操作所述交错多相位开关变换器，其中所述变换器电源电路被单独地脉冲宽度调制，以在长度为T的时间的对应电源电路部分中选择性地从所述DC信号提供电源到所述调整信号，其中以具有至少两个所述电源电路部分的时序重叠的所述相位角，相位移动所述电源电路部分。
22.一种用于电弧焊接或者切割处理的电源，所述电源包括：交错多相位开关变换器，其包括将DC信号转换成适合焊接的调整信号的多个并行变换器电源电路，每个所述电源电路具有带有控制输入的开关器件；以及用于为每个所述并行变换器电源电路在不同的相位角产生控制输入信号的控制器，其中以相互之间相位移动的方式操作所述电源电路，至少两个所述电源电路的时序操作重叠。
23.根据权利要求22所定义的电源，其中所述多相位开关变换器包括N个变换器电源电路，N为大于1的整数，其中所述相位角为360°/N，其中所述控制器提供所述控制输入信号，以在具有对应变换器开关周期T的开关频率下操作所述交错多相位开关变换器，其中所述变换器电源电路被单独地脉冲宽度调制，以在长度为T的时间的对应电源电路部分中，选择性地从所述DC信号提供电源到所述调整信号，其中以具有至少两个所述电源电路部分的时序重叠的所述相位角，相位移动所述电源电路部分。
24.根据权利要求22所定义的电源，其中所述交错多相位开关变换器是多相位降压变换器，其包括多个降压变换器电源电路。
25.根据权利要求22所定义的电源，其中所述交错多相位开关变换器包括N个变换器电源电路，N为大于1的整数，并且其中所述相位角为360°/N。
26.根据权利要求22所定义的电源，其中所述变换器电源电路单独具有变换器电源电路纹波电流率Ipr，并且其中所述交错多相位开关变换器具有低于Ipr的变换器纹波电流率Icr。
27.根据权利要求22所定义的电源，其中所述单独变换器电源电路进一步包括电感器，并且其中至少两个所述变换器电源电路的所述电感器集成地缠绕在公共磁芯上。
28.根据权利要求22所定义的电源，其中所述交错多相位开关变换器包括并行耦合来接收所述第二DC信号的N个变换器电源电路，N为大于1的整数，其中所述变换器电源电路单独具有变换器电路最大电流率Ip，并且其中所述交错多相位开关变换器具有大约为N×Ip的变换器最大电流率。
29.根据权利要求22所定义的电源，其中所述交错多相位开关变换器提供所述调整信号，其具有与所述多相位开关变换器的变换器电源电路数量无关的电压。
30.一种用于电弧焊接或者切割处理的三级电源，所述电源包括：
接收AC输入信号并且提供第一DC输出信号的第一级；
耦合到所述第一级来将所述第一DC输出信号转换成第二DC输出信号的第二级；
第三级，包括交错多相位开关变换器，其与所述第二级耦合以将所述第二DC输出信号转换成适合焊接的调整信号，所述交错多相位开关变换器包括多个变换器电源电路，所述变换器电源电路单独具有电感器和带有控制输入的开关器件，其中至少两个所述电感器缠绕在公共磁芯上；以及
用于为每个所述变换器电源电路在不同的相位角产生控制输入信号的控制器。
31.根据权利要求30所定义的三级电源，其中所述交错多相位开关变换器是多相位降压变换器，并且其中所述变换器电源电路为降压变换器电源电路。
32.根据权利要求30所定义的三级电源，其中每个电源电路的所述开关器件耦合在所述第二DC输出信号和对应变换器电源电路内部节点之间，并且其中所述变换器电源电路单独包括耦合在所述第二DC输出信号与所述变换器电源电路内部节点之间的整流器，以及耦合在所述变换器电源电路内部节点与所述调整信号之间的电感器。
33.根据权利要求30所定义的三级电源，其中所述交错多相位开关变换器包括N个变换器电源电路，N为大于1的整数，并且其中所述相位角为360°/N。
34.根据权利要求30所定义的三级电源，其中所述变换器电源电路单独具有变换器电源电路纹波电流率Ipr，并且其中所述交错多相位开关变换器具有低于Ipr的变换器纹波电流率Icr。
35.根据权利要求30所定义的三级电源，其中所述电源电路以相互之间相位移动的方式操作，至少两个所述电源电路的时序操作重叠。
36.根据权利要求35所定义的三级电源，其中所述交错多相位开关变换器包括并行耦合来接收所述第二DC输出信号的N个变换器电源电路，N为大于1的整数，其中所述变换器电源电路单独具有变换器电源电路最大电流率Ip，并且其中所述交错多相位开关变换器具有大约为N×Ip的变换器最大电流率。
37.根据权利要求34所定义的三级电源，其中所述交错多相位开关变换器包括并行耦合来接收所述第二DC输出信号的N个变换器电源电路，N为大于1的整数，其中所述变换器电源电路单独具有变换器电源电路最大电流率Ip，并且其中所述交错多相位开关变换器具有大约为N×Ip的变换器最大电流率。
38.根据权利要求33所定义的三级电源，其中所述交错多相位开关变换器包括并行耦合来接收所述第二DC输出信号的N个变换器电源电路，N为大于1的整数，其中所述变换器电源电路单独具有变换器电源电路最大电流率Ip，并且其中所述交错多相位开关变换器具有大约为N×Ip的变换器最大电流率。
39.根据权利要求31所定义的三级电源，其中所述交错多相位开关变换器包括并行耦合来接收所述第二DC输出信号的N个变换器电源电路，N为大于1的整数，其中所述变换器电源电路单独具有变换器电源电路最大电流率Ip，并且其中所述交错多相位开关变换器具有大约为N×Ip的变换器最大电流率。
40.根据权利要求30所定义的三级电源，其中所述交错多相位开关变换器包括并行耦合来接收所述第二DC输出信号的N个变换器电源电路，N为大于1的整数，其中所述变换器电源电路单独具有变换器电源电路最大电流率Ip，并且其中所述交错多相位开关变换器具有大约为N×Ip的变换器最大电流率。
41.一种用于电弧焊接或者切割处理的电源，所述电源包括：交错多相位开关变换器，其包括将DC信号转换成适合焊接的调整信号的多个并行变换器电源电路，每个所述电源电路具有带有控制输入的开关器件；以及用于为每个所述并行变换器电源电路产生控制输入信号的控制器，其中以至少两个所述电源电路的时序重叠操作所述电源电路。
42.根据权利要求41所定义的电源，其中所述交错多相位开关变换器是多相位降压变换器，其包括多个降压变换器电源电路。
43.根据权利要求41所定义的电源，其中所述交错多相位开关变换器包括N个变换器电源电路，N为大于1的整数，并且其中所述相位角为360°/N。
44.根据权利要求41所定义的电源，其中所述变换器电源电路单独具有变换器电源电路纹波电流率Ipr，并且其中所述交错多相位开关变换器具有低于Ipr的变换器纹波电流率Icr。
45.根据权利要求41所定义的电源，其中所述单独变换器电源电路进一步包括电感器，并且其中所述至少两个变换器电源电路的所述电感器集成地缠绕在公共磁芯上。
46.根据权利要求41所定义的电源，其中所述交错多相位开关变换器包括并行耦合来接收所述第二DC输出信号的N个变换器电源电路，N为大于1的整数，其中所述变换器电源电路单独具有变换器电源电路最大电流率Ip，并且其中所述交错多相位开关变换器具有大约为N×Ip的变换器最大电流率。
47.根据权利要求41所定义的电源，其中所述交错多相位开关变换器提供所述调整信号，其具有与所述多相位开关变换器的变换器电源电路数量无关的电压。
48.一种用于电弧焊接或者切割处理的电源，所述电源包括：包括N个并行变换器电源电路的交错多相位开关变换器，N为大于1的整数，所述交错多相位开关变换器用于将DC信号转换成适合焊接的调整信号，所述调整信号具有与变换器电源电路数量N无关的电压，每个所述电源电路具有带有控制输入的开关器件；以及用于为每个所述并行变换器电源电路在不同的相位角产生控制输入信号的控制器。
49.根据权利要求48所定义的电源，其中所述相位角为360°/N，其中所述控制器提供所述控制输入信号，以在具有对应变换器开关周期T的开关频率下操作所述交错多相位开关变换器，其中所述变换器电源电路被单独地脉冲宽度调制以在长度为T的时间的对应电源电路部分中，选择性地从所述DC信号提供电源到所述调整信号，其中以具有至少两个所述电源电路部分的时序重叠的所述相位角，相位移动所述电源电路部分。
50.根据权利要求48所定义的电源，其中所述交错多相位开关变换器是多相位降压变换器，其包括多个降压变换器电源电路。
51.根据权利要求48所定义的电源，其中所述变换器电源电路单独具有变换器电源电路纹波电流率Ipr，并且其中所述交错多相位开关变换器具有低于Ipr的变换器纹波电流率Icr。
52.根据权利要求48所定义的电源，其中所述单独变换器电源电路进一步包括电感器，并且其中至少两个所述变换器电源电路的所述电感器集成地缠绕在公共磁芯上。
53.根据权利要求48所定义的电源，其中所述变换器电源电路单独具有变换器电源电路最大电流率Ip，并且其中所述交错多相位开关变换器具有大约为N×Ip的变换器最大电流率。
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