CN201856022U - 一种软开关igbt双逆变式方波交直流钨极氩弧焊电源 - Google Patents
一种软开关igbt双逆变式方波交直流钨极氩弧焊电源 Download PDFInfo
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Abstract
本实用新型公开一种软开关IGBT双逆变式方波交直流钨极氩弧焊电源，包括机箱和内置电路，内置电路包括双逆变主电路单元、电流比较驱动电路单元和参数调节单元；双逆变主电路单元包括依次连接的整流滤波模块、一次高频逆变模块、功率变压模块、高频整流缓冲吸收模块和二次逆变模块，整流滤波模块的输入端与三相工频交流电源连接，二次逆变模块的输出端外接电弧负载。本实用新型抗电磁干扰性能强、逆变频率、效率、可靠性更高、节电更好，而且输出的方波交流波形理想、过零点快、电弧稳定性更好，清除难熔金属氧化物能力强，无磁偏吹，可控电电参数多且灵活。
Description
技术领域
本实用新型涉及氩弧焊电源技术领域，特别涉及一种软开关IGBT双逆变式方波交直流钨极氩弧焊电源。
背景技术
在氩弧焊电源领域，国内外传统的交、直流氩弧焊电源主要有两种：(1)由弧焊变压器和硅整流器组成，并通过变换输出正弦交流或直流电供TIG氩弧焊使用；(2)以硅整流器和晶闸管整流器输出直流，并在直流输出端再加整流桥，通过整流桥串有电抗器的对角线输出近似的方波交流。一般来说，整流式电源工作相对可靠，技术上也比较成熟，但目前整流式电源存在设备体积庞大、笨重、能耗高、效率低等缺点，而且由于其结构和控制方式的原因，容易造成动静态特性方面不够理想，只能获得近似的方波交流，存在过零点不够快、电弧稳定性欠佳、可控参数少、不灵活等缺点，不能很好的满足TIG氩弧焊(钨极氩弧焊)的工艺要求。
目前，较为先进的高频IGBT逆变式方波交流与直流钨极(TIG)氩弧焊电源技术，可以克服上述存在的部分缺点，但由于其采用硬开关逆变技术，因此需要在较高压和较大电流情况下进行硬(强逼)开关，这就容易引起开关应力大的问题，同时也存在着易产生高压高频震荡的情况，不仅会对电网和其它电子设备产生电磁干扰、损害功率IGBT管组，也会造成开关损耗大和难以进一步提高频率和效率的问题。
实用新型内容
本实用新型的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种结构较为简单、电磁兼容性较好的软开关IGBT双逆变式方波交直流钨极氩弧焊电源。
本实用新型的技术方案为：一种软开关IGBT双逆变式方波交直流钨极氩弧焊电源，包括机箱和内置电路，所述内置电路包括双逆变主电路单元、电流比较驱动电路单元和参数调节单元；
(1)双逆变主电路单元包括依次连接的以下各模块：
整流滤波模块，用于将来自工频交流电源的交流电转换为平滑的直流电；
一次高频逆变模块，通过控制其内部IGBT的开关周期，将整流滤波模块输出的直流电转换，提供25～30KHz的高频交流高压电；
功率变压模块，用于将一次高频逆变模块提供的高频交流高压电转换成符合焊接工艺要求的大电流低电压高频交流电；
高频整流缓冲吸收模块，用于将大电流低电压高频交流电转换为平滑的直流电；
二次逆变模块，通过控制其内部IGBT的开关周期，将高频整流缓冲吸收模块输出的直流电转换，输出方波交流电；
整流滤波模块的输入端与三相工频交流电源连接，二次逆变模块的输出端外接电弧负载；
(2)电流比较驱动电路单元包括以下模块：
负载电流检测模块，用于检测双逆变主电路单元向电弧负载输出电流的各项参数，得到各项参数检测值；
脉冲参数给定模块，用于设定输出电流的各项参数，得到各项参数设定值；
比较器，用于比较输出电流各项参数的检测值和设定值，并将比较结果分别送至单片机通讯协同控制模块和一次高频逆变移相脉宽调制模块；
单片机通讯协同控制模块，用于计算来自比较器的比较结果，产生两路PWM信号，并分别将这两路信号输送给一次高频逆变移相脉宽调制模块和二次逆变脉宽调制模块；
一次高频逆变移相脉宽调制模块，结合来自单片机通讯协同控制模块的PWM信号和来自比较器的比较结果，控制和调制一次高频逆变驱动模块的导通与关闭时间及其工作规律；
一次高频逆变驱动模块，用于把一次高频逆变移相脉宽调制模块的脉冲信号进行功率放大、隔离，并驱动一次高频逆变模块中IGBT的导通与关闭及其工作规律；
二次逆变脉宽调制模块，根据来自单片机通讯协同控制模块的PWM信号，控制和调制二次逆变驱动模块的导通与关闭及其工作规律；
二次逆变驱动模块，用于把二次逆变脉宽调制模块脉冲信号进行功率放大、隔离，并驱动二次逆变模块中IGBT的导通与关闭及其工作规律；
高频引弧模块，用于向电弧负载输出高频信号，在高压高频下实现非接触引弧；
其中，负载电流检测模块的输入端与电弧负载连接，负载电流检测模块的输出端与比较器的输入端连接；脉冲参数给定模块与比较器的另一输入端连接，比较器的输出端分别与单片机通讯协同控制模块、一次高频逆变移相脉宽调制模块连接；单片机通讯协同控制模块的输出端分别与一次高频逆变移相脉宽调制模块、二次逆变脉宽调制模块、高频引弧模块连接；一次高频逆变移相脉宽调制模块的输出端与一次高频逆变驱动模块连接，一次高频逆变驱动模块的输出端与一次高频逆变模块连接；二次逆变脉宽调制模块的输出端与二次逆变驱动模块连接，二次逆变脉宽调制模块的输出端与二次逆变模块连接；
(3)参数调节单元与电流比较驱动电路单元中的单片机通讯协同控制模块输入端连接，参数调节单元向单片机通讯协同控制模块提供控制各模块运行的数字信号。
为了更好地保证本实用新型的安全工作，所述内置电路中还设有安全电路单元，安全电路单元包括网压检测模块、电压保护模块、温度检测模块和过热保护模块，网压检测模块的输入端与三相工频交流电源连接，网压检测模块的输出端与电压保护模块连接，电压保护模块的输出端分别与一次高频逆变移相脉宽调制模块、单片机通讯协同控制模块连接，温度检测模块的输入端与一次高频逆变模块连接，温度检测模块的输出端与过热保护模块连接，过热保护模块的输出端分别与一次高频逆变移相脉宽调制模块、单片机通讯协同控制模块连接；
其中，网压检测模块用于检测三相交流电源的电压值；电压保护模块用于判断所检测到的电压值是否出现过压或欠压的情况，并产生相应的控制信号；温度检测模块用于检测一次高频逆变模块内散热片的温度值；过热保护模块用于判断所检测到的温度值是否出现过热的情况，并产生相应的控制信号。
为了方便对本实用新型的控制，所述单片机通讯协同控制模块还外接有人机对话面板。
所述一次高频逆变模块采用软开关逆变式移相全桥拓扑结构，包括LC谐振电路和两个并联设置的IGBT管组，各IGBT管组分别包括两个IGBT，各IGBT管组的输出端与LC谐振电路连接，LC谐振电路的输出端与功率变压模块连接。
所述二次逆变模块采用逆变式硬开关半桥拓扑结构，包括滤波环节和两个并联设置的IGBT管组，各IGBT管组分别包括两个IGBT，各IGBT管组的输出端与滤波环节连接，滤波环节的输出端与电弧负载连接。
所述一次高频逆变移相脉宽调制模块包括依次连接的一次电流比较子模块、一次差值放大子模块和移相芯片UC3879，一次电流比较子模块的输入端分别与比较器、单片机通讯协同控制模块连接，移相芯片UC3879的输出端与一次高频逆变驱动模块连接。
所述二次逆变脉宽调制模块包括依次连接的二次电流比较子模块、二次差值放大子模块、脉宽调制芯片SG3525和脉宽调制反相芯片CD4049，二次电流比较子模块的输入端与单片机通讯协同控制模块连接，脉宽调制反相芯片CD4049的输出端与二次逆变驱动模块连接。
所述单片机通讯协同控制模块包括相连接的单片机PALCE22V10H和逻辑电路芯片ULN2004A，单片机PALCE22V10H与人机对话面板相连接，单片机PALCE22V10H的输入端分别与参数调节单元、调节器连接，单片机PALCE22V10H的输出端分别与一次高频逆变移相脉宽调制模块、二次逆变脉宽调制模块连接，逻辑电路芯片ULN2004A的输入端与安全电路单元连接，逻辑电路芯片ULN2004A的输出端与单片机PALCE22V10H连接。
所述高频引弧模块包括相连接的芯片IC1555和高频开关场效应管，芯片IC1555的输入端与单片机通讯协同控制模块连接，高频开关场效应管的输出端与电弧负载连接。
所述脉冲参数给定模块中设有交叉波形控制器NE555，交叉波形控制器NE555的输出端与比较器连接。
本实用新型一种软开关IGBT双逆变式方波交直流钨极氩弧焊电源，其原理如下：
1、一次高频软开关逆变技术：通过“工频AC-DC-高频AC-DC”的变换，实现直流TIG氩弧焊接方法。由于把工频50Hz提高到25～30KHz，进行大功率高频降压的变换，大幅度的提高功率变压器的频率，使得弧焊电源中的高频功率变压器用的铜铁材料、体积、质量等大幅度的减小，而且由于电子功率器件工作于高速开关状态，功率变压器又是采用铁损很小的磁芯材料，因而效率很高和可控性能好。主电路中由于存在电容，功率因数提高，无功损耗小，对网电的冲击小，节能效果明显。同时因频率很高，主电路中滤波电感值和电磁惯性也很小，焊接回路的时间常数小，并可实现对静动态特性进行无级、灵活的控制，便于获得优良的静动特性和焊接性能。同时，还因电源工作在“FB-ZVS-PWM”软开关变换状态，综合了谐振软开关技术和PWM技术点，即利用IGBT开关过程实现谐振换流，使功率IGBT管模块开关前其两端的电压为零，而在IGBT开通后，采用PWM脉宽调制提供方波电流、电压，与硬开关比较，开关损耗、应力小，可靠性高，具有较好的电磁兼容性、逆变频率、效率更高等优点。
2、双逆变技术：在一次软开关高频逆变技术，即在“工频AC-DC-高频AC-DC”变换的基础上，用现代电子功率开关IGBT模块加一级(二次逆变)“DC-调剂低频方波AC”的变换。双逆变技术的全过程为：“工频AC-DC-高频AC-DC-调剂低频方波交流AC”，从而获得输出方波交流的TIG氩弧焊电源。
本实用新型的软开关IGBT双逆变式方波交直流钨极氩弧焊电源中，一次高频逆变模块采用软开关逆变式移相全桥拓扑结构；二次逆变模块采用逆变式硬开关半桥拓扑结构，高频引弧模块采用高频发生器串联于电弧负载电路上进行非接触高压高频引弧。
一次高频逆变移相脉宽调制模块的移相脉宽调制是通过基准给定值与差值放大值进行比较，而产生两组相位差180°的驱动信号，通过一次高频逆变驱动模块控制电子功率开关“IGBT”按照一定的时序导通与关断，实现“DC-高频AC”和“DC-调剂低频方波交流AC”逆变转换。其中负载电流检测模块的电流反馈是在电弧负载的电流输入端用霍尔元件检测输出电流，获得的采样信号，经过放大、比较，再输送到一次高频逆变移相脉宽调制模块，改变一次高频逆变模块中IGBT的导通与关断时间及其工作规律，从而获得所需的恒流特性和实现占空比的调节以及功率调节。
二次逆变模块中方波交流的输出，单片机通讯协同控制模块的PWM信号(脉冲宽度调节信号)输送到二次逆变脉宽调制模块，通过二次逆变驱动模块控制二次逆变模块中IGBT的导通与关断时间及其工作规律，实现方波交流波形、频率、正负半波幅值、比例以及引弧过程电流递增和收弧过程电流衰减等的多参数调节。
本实用新型相对于现有技术，具有以下有益效果：
1、本实用新型采用软开关TGBT双逆变技术，即在一次软开关IGBT高频逆变技术的基础上，再增加二次逆变和低频调制技术，使输出的低频方波交流或直流电源使用性能较为理想，所获得的弧焊电源不仅具有抗电磁干扰性能强、逆变频率、效率、可靠性更高、节电更好，而且输出的方波交流波形理想、过零点快、电弧稳定性更好，清除难熔金属氧化物能力强，无磁偏吹，可控电电参数多且灵活，除了其直流输出用于焊接不锈钢、铜、钛等及其合金外，其 方波交流输出还特别适合于铝、镁等轻金属及其合金的高难度TIG焊接。
2、本实用新型采用现代电子功率开关IGBT管与移相脉宽调制芯片、磁损耗极小的非晶态磁芯，实现“工频与高频”的转换，大幅度提高交流电的频率，使降压功率变压器的用材、体积、减小，可控参数多，且灵活，焊接性能得到较大改善。
3、本实用新型采用单片机对整机的工作时序、输出焊接规范参数、电流波形、上下半波的宽度比、频率等进行通讯和协同控制、调节，以及对输入电压、输出电流、功率器件的温度等进行检测反馈、比较，获得恒流特性和进行过高过低输入电压、输出过流、关键功率器件过热等的安全保护监控与人机对话，使整机操作更方便，更人性化。
4、本实用新型还采用高频引弧模块控制引弧，实现非接触引弧。
附图说明
图1是本实用新型的内置电路结构示意图。
图2是图1中双逆变主电路单元的电路原理图。
图3是图1中一次高频逆变模块的电路原理图。
图4是图1中一次高频逆变移相脉宽调制模块与一次高频逆变驱动模块连接的电路原理图。
图5是图1中单片机通讯协同控制模块的电路原理图。
图6是图1中脉冲参数给定模块的电路原理图。
图7是图1中高频整流缓冲吸收模块的电路原理图。
图8是图1中二次逆变模块的电路原理图。
图9是图1中二次逆变驱动模块的电路原理图。
图10是图1中二次逆变脉宽调制模块的电路原理图。
图11是图1中高频引弧模块的电路原理图。
具体实施方式
下面结合实施例及附图，对本实用新型作进一步的详细说明，但本实用新型的实施方式不限于此。
实施例
本实施例一种软开关IGBT双逆变式方波交直流钨极氩弧焊电源，包括机 箱和内置电路，所述内置电路的结构如图1所示，包括双逆变主电路单元、电流比较驱动电路单元和参数调节单元；
(1)双逆变主电路单元包括依次连接的以下各模块：
整流滤波模块101，用于将来自工频交流电源的交流电转换为平滑的直流电；
一次高频逆变模块102，通过控制其内部IGBT的导通与关闭及其工作规律，将整流滤波模块输出的直流电转换，提供25～30KHz的高频交流高压电；
功率变压模块103，用于将一次高频逆变模块提供的高频交流高压电转换成符合焊接工艺要求的大电流低电压高频交流电；
高频整流缓冲吸收模块104，用于将大电流低电压高频交流电转换为平滑的直流电；
二次逆变模块105，通过控制其内部IGBT的开关周期，将高频整流缓冲吸收模块输出的直流电转换，输出方波交流电；
整流滤波模块101的输入端与三相工频交流电源连接，二次逆变模块105的输出端外接电弧负载；
(2)电流比较驱动电路单元包括以下模块：
负载电流检测模块117，用于检测双逆变主电路单元向电弧负载输出电流的各项参数，得到各项参数检测值；
脉冲参数给定模块118，用于设定输出电流的各项参数，得到各项参数设定值；
比较器120，用于比较输出电流各项参数的检测值和设定值，并将比较结果分别送至单片机通讯协同控制模块和一次高频逆变移相脉宽调制模块；
单片机通讯协同控制模块114，用于计算来自比较器的比较结果，产生两路PWM信号，并分别将这两路信号输送给一次高频移相逆变脉宽调制模块和二次逆变脉宽调制模块；
一次高频逆变移相脉宽调制模块113，结合来自单片机通讯协同控制模块的PWM信号和来自比较器的比较结果，控制和调制一次高频逆变驱动模块的导通与关闭及其工作规律；
一次高频逆变驱动模块112，用于把一次高频逆变移相脉宽调制模块113输出的脉冲信号进行功率放大、隔离，并驱动一次高频逆变模块中IGBT的导通与关闭及其工作规律；
二次逆变脉宽调制模块116，根据来自单片机通讯协同控制模块的PWM 信号，控制和调制二次逆变驱动模块的导通与关闭及其工作规律；
二次逆变驱动模块115，用于把二次逆变脉宽调制模块116输出的脉冲信号进行功率放大、隔离，并驱动二次高频逆变模块中IGBT的导通与关闭及其工作规律；
高频引弧模块119，用于向电弧负载输出高频信号，在高压高频下实现非接触引弧；
其中，负载电流检测模块117的输入端与电弧负载连接，负载电流检测模块117的输出端与比较器的输入端连接；脉冲参数给定模块118与比较器120的另一输入端连接，比较器120的输出端分别与单片机通讯协同控制模块114、一次高频逆变移相脉宽调制模块113连接；单片机通讯协同控制模块114的输出端分别与一次高频逆变移相脉宽调制模块113、二次逆变脉宽调制模块116、高频引弧模块119连接；一次高频逆变移相脉宽调制模块113的输出端与一次高频逆变驱动模块112连接，一次高频逆变驱动模块112的输出端与一次高频逆变模块102连接；二次逆变脉宽调制模块116的输出端与二次逆变驱动模块115连接，二次逆变脉宽调制模块115的输出端与二次逆变模块105连接；
(3)参数调节单元108与电流比较驱动电路单元中的单片机通讯协同控制模块114输入端连接，参数调节单元108向单片机通讯协同控制模块114提供控制各模块运行的数字信号。
为了更好地保证本实用新型的安全工作，内置电路中还设有安全电路单元，安全电路单元包括网压检测模块106、电压保护模块107、温度检测模块110和过热保护模块111，网压检测模块106的输入端与三相工频交流电源连接，网压检测模块106的输出端与电压保护模块107连接，电压保护模块107的输出端分别与一次高频逆变移相脉宽调制模块113、单片机通讯协同控制模块114连接，温度检测模块110的输入端与一次高频逆变模块102连接，温度检测模块110的输出端与过热保护模块111连接，过热保护模块111的输出端分别与一次高频逆变移相脉宽调制模块113、单片机通讯协同控制模块114连接；
其中，网压检测模块106用于检测三相交流电源的电压值；电压保护模块107用于判断所检测到的电压值是否出现过压或欠压的情况，并产生相应的控制信号；温度检测模块110用于检测一次高频逆变模块内散热片的温度值；过热保护模块111用于判断所检测到的温度值是否出现过热的情况，并产生相应的控制信号。
为了方便对本实施例的控制，单片机通讯协同控制模块114还外接有人机对话面板109。
上述电源结构中，双逆变主电路单元的电路原理如图2所示，三相工频交流电源接输入整流滤波模块101，然后连接滤波环节L1、C5、C6、C7、C8，再连接一次高频逆变模块102，输出端连接LC谐振电路连接，LC谐振电路与功率变压模块连接，功率变压模块103的功率降压变压器T1初级，T1的次级经过高频整流缓冲吸收模块104的电路VD1A～VD4A，输出直流电，高频整流缓冲吸收模块104的电路VD1A～VD4A连接二次逆变模块105中的滤波环节L3、C9、C10、C17、R9，再连接电弧负载，输出方波交流电。以上环节构成双逆变主电路。
一次高频逆变模块102采用软开关逆变式移相全桥拓扑结构，其电路原理如图3所示，包括LC谐振电路和两个并联设置的IGBT管组(VT1～VT4)，各IGBT管组分别包括两个IGBT，各IGBT管组的输出端与LC谐振电路连接，LC谐振电路的输出端与功率变压模块连接。
一次高频逆变模块102的主电路工作在“FB-ZVS”软开关变换状态，即利用IGBT开关过程实现谐振换流，使IGBT管组开关前其两端的电压为零。在该移相全桥逆变电路中，VT1～VT4为电子功率开关管IGBT，每个IGBT反向并联寄生二极管，C11～14是相应于各个IGBT的输出电容。VT1、VT2为超前桥臂，领先于滞后桥臂VT3、VT4关断。四个IGBT在恒定频率下，以小于50％的占空比持续运行。在功率高频降压变压器T1的次级串接饱和电感，减少占空比的丢失，拓宽软开关的范围和适应大功率TIG焊的需要。通过调节全桥的两臂驱动脉冲的相位关系来调节高频交流功率输出。一次高频逆变模块102的输入端与整流滤波模块101连接，一次高频逆变模块102的功率高频降压变压器T1的次级(即功率变压模块103)与高频整流缓冲吸收模块104连接。
二次逆变模块105采用逆变式硬开关半桥拓扑结构，无死区时间，容易维弧，其电路原理如图8所示，包括滤波环节和两个并联设置的IGBT管组(VT15～VT18)，各IGBT管组分别包括两个IGBT，各IGBT管组的输出端与滤波环节连接，滤波环节的输出端与电弧负载连接。为防止IGBT开通和关断时瞬间的电流、电压冲击造成IGBT的损坏，在IGBT的C和E极之间并联RCD吸收保护电路，其中VT5、VT7为正半波，VT6、VT8为负半波，直流正半波长时间开通，负半波关断，方波交流正半波与负半波交替开通与关断，从而产生调制低频方波交流的输出。
本实施例中，电流比较驱动电路单元的负载电流检测模块117为传感器，与电弧负载相连接。
一次高频逆变移相脉宽调制模块113包括依次连接的一次电流比较子模块、一次差值放大子模块和移相芯片UC3879，一次电流比较子模块的输入端分别与比较器、单片机通讯协同控制模块连接，移相芯片UC3879的输出端与一次高频逆变驱动模块连接。一次高频逆移相变脉宽调制模块113与一次高频逆变驱动模块112连接的电路原理如图4所示，比较器120的电流反馈经过比较放大后与移相芯片UC3879的引脚4相连，3脚为移相UC3879芯片误差放大器的反向输入端。在移相UC3879芯片内部与误差信号比较，使移相UC3879芯片输出相应的4路驱动信号，该4路驱动信号A、B、C、D中，A、B是超前臂上下管子驱动脉冲，相位反相，C、D是滞后臂驱动信号，相位反相。A、D有共同导通部分，B、C有共同导通部分。这个共同导通部分是弧焊机向电弧负载传送功率的部分，通过调节共同导通即可调节负载功率的大小及响应参数，A、B、C、D信号分别对应作为逆变桥开关管VT1～VT4的驱动信号。同时负载电流检测模块117检测到的电流值通过比较器120与基准电流值比较后，与移相脉宽调制模块113的移相UC3879芯片相连。
二次逆变脉宽调制模块116包括依次连接的二次电流比较子模块、二次差值放大子模块、脉宽调制芯片SG3525和脉宽调制反相芯片CD4049，二次电流比较子模块的输入端与单片机通讯协同控制模块连接，脉宽调制反相芯片CD4049的输出端与二次逆变驱动模块连接。二次逆变脉宽调制模块116的电路原理如图10所示，在脉宽调制芯片SG3525内部与差值信号比较，使脉宽调制芯片SG3525输出相应的一路PWM信号给脉宽调制反相芯片CD4049分成正反电路两路PWM信号。该两路互补(相位差180°)的PWM信号分别作为二次逆变驱动模块115中的逆变桥开关管VT15、17～VT16、18的驱动信号。
单片机通讯协同控制模块114包括相连接的单片机PALCE22V10H和逻辑电路芯片ULN2004A，单片机PALCE22V10H与人机对话面板相连接，单片机PALCE22V10H的输入端分别与参数调节单元、调节器连接，单片机PALCE22V10H的输出端分别与一次高频逆变移相脉宽调制模块、二次逆变脉宽调制模块连接，逻辑电路芯片ULN2004A的输入端与安全电路单元连接，逻辑电路芯片ULN2004A的输出端与单片机PALCE22V10H连接。单片机通讯协同控制模块114的电路原理如图5所示，单片机PALCE22V10H主要实现外部监控与人机对话的功能，外部监控信号如电源指示、故障指示、气压指示、检气等都是通过单片机PALCE22V10H来控制的。焊接模式的选择、方波交流焊接时的频率、正、负半波的宽度比、起弧电流和收弧电流、焊接电流、高频引弧、焊接自保持、数字电流表等的控制都是通过单片机通讯协同控制模块114来完成的。利用单片机通讯协同控制模块114控制外部监控与人机对话，实现本TIG弧焊电源的多参数协同控制和优化匹配，控制方便，使用更简易，易于推广。逻辑电路芯片ULN2004A接各种保护电路，如欠压保护、过压保护、过热保护，然后与单片机PALCE22V10H或依次高频逆变移相脉宽调制模块113相连接。
高频引弧模块119包括相连接的芯片IC1555和高频开关场效应管，芯片IC1555的输入端与单片机通讯协同控制模块114连接，高频开关场效应管的输出端与电弧负载连接。高频引弧模块119的电路原理如图11所示，通过芯片IC1555控制高频开关场效应管快速打开与关闭，实现T2的初级产生高频脉冲信号，通过与电弧负载电路耦合的变压器，使输出端得到高频信号。在高压、高频下使得非接触引弧得以实现。
脉冲参数给定模块118中设有交叉波形控制器NE555，交叉波形控制器NE555的输出端与比较器连接。脉冲参数给定模块118的电路原理如图6所示，NE555可以调节交直流交叉波形占空比/混合频率等参数，直接产生数字信号通过比较器120给定单片机通讯协同控制模块114，然后单片机通讯协同控制模块114控制实现交直流交叉波形占空比/混合频率等参数运行工作。
高频整流缓冲吸收模块104的电路原理如图7所示，其中VD1A～VD4A为快速二极管组用于输出整流，R1、C15和R2、C16与R10、C18和R11、C19分别组成桥式整流对称的二极管的RC缓冲吸收回路。
二次逆变驱动模块115的电路原理如图9所示，其中U1为正半波驱动，U2为负半波驱动，直流时U1为正信号驱动，U2为负信号驱动，方波交流两者交替开通与关断。
本实施例一种软开关IGBT双逆变式方波交直流钨极氩弧焊电源，其工作过程如下：
三相工频交流电源经过输入整流滤波模块101后成为平滑直流电，然后进入一次高频逆变模块102，单片机通讯协同控制模块114将负载电流检测模块117检测到负载电流的检测值与设定值进行比较，经过单片机通讯协同控制模块114的控制算法运算，分别发给一次高频逆变移相脉宽调制模块113和二次逆变脉宽调制模块116一个输入信号，一次高频逆变移相脉宽调制模块113和二次逆变脉宽调制模块116根据单片机通讯协同控制模块114设定的算法各产生一路PWM信号，其中一路PWM信号通过一次高频逆变驱动模块112放大去控制一次高频逆变模块102的IGBT开通和关断，从而得到25～30KHz的高频高压电，高频高压电再经过功率变压模块103转换成符合焊接工艺要求的大电流低电压的高频交流电，经过高频整流缓冲吸收模块104得到更加平滑的直流电，再经过二次逆变模块105输出(单片机通讯协同控制模块114的控制算法运算，发给二次逆变脉宽调制模块116控制二次逆变驱动模块115，从而驱动二次逆变模块105的IGBT开通和关断，也就是外环均值闭环控制过程。温度检测模块110检测一次高频逆变模块102的散热片温度，送给过热保护模块111后，经一次高频逆变移相脉宽调制模块113和依次高频逆变模块112控制一次高频逆变模块102，形成过热保护控制控制，以保证电源的安全工作；网压检测模块106检测三相工频交流电源的电压，把检测到的电压信号送给电压保护模块107，如出现过压、欠压的现象，电压保护模块107将送给一次高频逆变移相脉宽调制模块113一个控制信号，产生低电平通过一次高频逆变频驱动模块112关断一次高频逆变模块102的IGBT和中断对二次逆变模块105的供电，从而保证两次逆变主电路安全工作。
将本实施例的软开关IGBT双逆变式方波交直流钨极氩弧焊电源与氩弧焊枪(外购件)连接，其中氩弧焊枪包括焊枪、焊接电缆、通氩气管道和冷却水管道(较大电流焊接时才需要)及快速接头，焊枪输入端与焊接电缆、氩气管道和冷却水管道连接，焊接电缆、氩气管道和冷却水管道的另一端，与快速接头连接和集成，快速接头的另一端与本实施例的IGBT逆变式方波交直流钨极氩弧焊电源机壳输出端口连接，逆变式弧焊电源机壳输出的另一端口与接焊接工件的焊接电缆连接，从而组合为软开关TGBT双逆变式方波交直流钨极氩弧焊机，该焊机可用于不锈钢、铜、钛等及其合金的直流焊接，其焊接质量高，可控电参数多且灵活，还可用于焊接难度较大的铝、镁等轻金属及其合金。
如上所述，便可较好地实现本实用新型，上述实施例仅为本实用新型的较佳实施例，并非用来限定本实用新型的实施范围；即凡依本实用新型内容所作的均等变化与修饰，都为本实用新型权利要求所要求保护的范围所涵盖。
Claims (10)
1.一种软开关IGBT双逆变式方波交直流钨极氩弧焊电源，其特征在于，包括机箱和内置电路，所述内置电路包括双逆变主电路单元、电流比较驱动电路单元和参数调节单元；
(1)双逆变主电路单元包括依次连接的以下各模块：
整流滤波模块，用于将来自工频交流电源的交流电转换为平滑的直流电；
一次高频逆变模块，通过控制其内部IGBT的导通与关闭及其工作规律，将整流滤波模块输出的直流电进行转换，提供25～30KHz的高频交流高压电；
功率变压模块，用于将一次高频逆变模块提供的高频交流高压电转换成符合焊接工艺要求的大电流低电压高频交流电；
高频整流缓冲吸收模块，用于将大电流低电压高频交流电转换为平滑的直流电；
二次逆变模块，通过控制其内部IGBT的导通与关闭及其工作规律，将高频整流缓冲吸收模块输出的直流电进行转换，输出方波交流电；
整流滤波模块的输入端与三相工频交流电源连接，二次逆变模块的输出端外接电弧负载；
(2)电流比较驱动电路单元包括以下模块：
负载电流检测模块，用于检测双逆变主电路单元向电弧负载输出电流的各项参数，得到各项参数检测值；
脉冲参数给定模块，用于设定输出电流的各项参数，得到各项参数设定值；
比较器，用于比较输出电流各项参数的检测值和设定值，并将比较结果分别送至单片机通讯协同控制模块和一次高频逆变移相脉宽调制模块；
单片机通讯协同控制模块，用于计算来自比较器的比较结果，产生两路PWM信号，并分别将这两路信号输送给一次高频逆变移相脉宽调制模块和二次逆变脉宽调制模块；
一次高频逆变移相脉宽调制模块，结合来自单片机通讯协同控制模块的PWM信号和来自比较器的比较结果，控制和调制一次高频逆变驱动模块的导通与关闭及其工作规律；
一次高频逆变驱动模块，用于把一次高频逆变移相脉宽调制模块输出脉冲的功率放大、隔离，并驱动一次高频逆变模块中IGBT的导通与关闭及其工作规律；
二次逆变脉宽调制模块，根据来自单片机通讯协同控制模块的PWM信号，控制和调制二次逆变驱动模块导通与关闭及其工作规律；
二次逆变驱动模块，用于把二次逆变脉宽调制模块输出脉冲进行功率放大、隔离，并驱动二次高频逆变模块中IGBT的导通与关闭及其工作规律；
高频引弧模块，用于向电弧负载输出高频信号，在高压高频下实现非接触引弧；
其中，负载电流检测模块的输入端与电弧负载连接，负载电流检测模块的输出端与比较器的输入端连接；脉冲参数给定模块与比较器的另一输入端连接，比较器的输出端分别与单片机通讯协同控制模块、一次高频逆变移相脉宽调制模块连接；单片机通讯协同控制模块的输出端分别与一次高频逆变移相脉宽调制模块、二次逆变脉宽调制模块、高频引弧模块连接；一次高频逆变移相脉宽调制模块的输出端与一次高频逆变驱动模块连接，一次高频逆变驱动模块的输出端与一次高频逆变模块连接；二次逆变脉宽调制模块的输出端与二次逆变驱动模块连接，二次逆变脉宽调制模块的输出端与二次逆变模块连接；
(3)参数调节单元与电流比较驱动电路单元中的单片机通讯协同控制模块输入端连接，参数调节单元向单片机通讯协同控制模块提供控制各模块运行的数字信号。
2.根据权利要求1所述一种软开关IGBT双逆变式方波交直流钨极氩弧焊电源，其特征在于，所述内置电路中还设有安全电路单元，安全电路单元包括网压检测模块、电压保护模块、温度检测模块和过热保护模块，网压检测模块的输入端与三相工频交流电源连接，网压检测模块的输出端与电压保护模块连接，电压保护模块的输出端分别与一次高频逆变移相脉宽调制模块、单片机通讯协同控制模块连接，温度检测模块的输入端与一次高频逆变模块连接，温度检测模块的输出端与过热保护模块连接，过热保护模块的输出端分别与一次高频逆变移相脉宽调制模块、单片机通讯协同控制模块连接；
其中，网压检测模块用于检测三相交流电源的电压值；电压保护模块用于判断所检测到的电压值是否出现过压或欠压的情况，并产生相应的控制信号；温度检测模块用于检测一次高频逆变模块内散热片的温度值；过热保护模块用于判断所检测到的温度值是否出现过热的情况，并产生相应的控制信号。
3.根据权利要求1所述一种软开关IGBT双逆变式方波交直流钨极氩弧焊电源，其特征在于，所述单片机通讯协同控制模块还外接有人机对话面板。
4.根据权利要求1所述一种软开关IGBT双逆变式方波交直流钨极氩弧焊电源，其特征在于，所述一次高频逆变模块采用软开关逆变式移相全桥拓扑结构，包括LC谐振电路和两个并联设置的IGBT管组，各IGBT管组分别包括两个IGBT，各IGBT管组的输出端与LC谐振电路连接，LC谐振电路的输出端与功率变压模块连接。
5.根据权利要求1所述一种软开关IGBT双逆变式方波交直流钨极氩弧焊电源，其特征在于，所述二次逆变模块采用逆变式硬开关半桥拓扑结构，包括滤波环节和两个并联设置的IGBT管组，各IGBT管组分别包括两个IGBT，各IGBT管组的输出端与滤波环节连接，滤波环节的输出端与电弧负载连接。
6.根据权利要求1所述一种软开关IGBT双逆变式方波交直流钨极氩弧焊电源，其特征在于，所述一次高频逆变移相脉宽调制模块包括依次连接的一次电流比较子模块、一次差值放大子模块和移相芯片UC3879，一次电流比较子模块的输入端分别与比较器、单片机通讯协同控制模块连接，移相芯片UC3879的输出端与一次高频逆变驱动模块连接。
7.根据权利要求1所述一种软开关IGBT双逆变式方波交直流钨极氩弧焊电源，其特征在于，所述二次逆变脉宽调制模块包括依次连接的二次电流比较子模块、二次差值放大子模块、脉宽调制芯片SG3525和脉宽调制反相芯片CD4049，二次电流比较子模块的输入端与单片机通讯协同控制模块连接，脉宽调制反相芯片CD4049的输出端与二次逆变驱动模块连接。
8.根据权利要求1所述一种软开关IGBT双逆变式方波交直流钨极氩弧焊电源，其特征在于，所述单片机通讯协同控制模块包括相连接的PALCE22V10H和逻辑电路芯片ULN2004A，单片机PALCE22V10H与人机对话面板相连接，单片机PALCE22V10H的输入端分别与参数调节单元、调节器连接，单片机PALCE22V10H的输出端分别与一次高频逆变移相脉宽调制模块、二次逆变脉宽调制模块连接，逻辑电路芯片ULN2004A的输入端与安全电路单元连接，逻辑电路芯片ULN2004A的输出端与单片机PALCE22V10H连接。
9.根据权利要求1所述一种软开关IGBT双逆变式方波交直流钨极氩弧焊电源，其特征在于，所述高频引弧模块包括相连接的芯片IC1555和高频开关场效应管，芯片IC1555的输入端与单片机通讯协同控制模块连接，高频开关场效应管的输出端与电弧负载连接。
10.根据权利要求1所述一种软开关IGBT双逆变式方波交直流钨极氩弧焊电源，其特征在于，所述脉冲参数给定模块中设有交叉波形控制器NE555，交叉波形控制器NE555的输出端与比较器连接。
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