CN202103596U

CN202103596U - 一种广义有源软开关逆变式焊割电源电路

Info

Publication number: CN202103596U
Application number: CN2011202172659U
Authority: CN
Inventors: 杨振文; 吴月涛
Original assignee: Shenzhen Huayilong Industrial Development Co Ltd
Current assignee: Shenzhen Huayilong Industrial Development Co Ltd
Priority date: 2011-06-24
Filing date: 2011-06-24
Publication date: 2012-01-04
Anticipated expiration: 2021-06-24

Abstract

本实用新型一种广义有源软开关逆变式焊割电源电路，包括：按照电流流向方向与电焊割机的输入电网顺序连接的：输入开关电路，一次侧整流滤波电路，广义有源软开关逆变电路，隔离变压器和二次侧整流滤波电路以及主控制板电路，其中，所述主控制板电路同时与二次整流滤波电路和广义有源软开关逆变电路联通；该广义有源软开关逆变式焊割电源电路使得逆变开关器件的主开关器件在零电流开通和零电压关断的条件下工作；辅助开关器件在零电压/零电流开通和零电压/零电流关断的条件下工作。

Description

一种广义有源软开关逆变式焊割电源电路

技术领域

本实用新型涉及的是逆变电焊割机领域，尤其是一种逆变电焊机使用的广义有源软开关逆变式焊割电源电路。

背景技术

PWM逆变器的高频化是提升逆变式焊割电源的控制精细度和动态性能，降低逆变式焊割电源铜材、钢材、铝材等有色金属用量的有效途径。

通过PWM逆变器的高频化，可以使逆变式焊割电源具有更高的功率密度，更加节约铜材、钢材、铝材等有色金属的用量，使电源结构更加牢固可靠；而且响应能力更加快速，电流、电压控制精度更高。

但由于电力电子开关器件的开关损耗与逆变频率成正比，频率越高，器件和电路的损耗就越大，逆变器的效率就越低。所以，一般采用硬开关逆变方式的普通逆变式焊割电源的焊割性能和能效比就显得非常不足了，存在以下缺点：

1.逆变器的电力开关器件电压、电流应力很大，很容易失效和被损坏。

2.开通和关断时在逆变器的电力开关器件上有很大的电压、电流重叠期间，此期间，电力开关器件工作在线性区，使得开通和关断期间产生很大的功率损耗，开关器件发热严重，极易因过热而损坏。为降低电力开关器件的工作温度以提高其可靠性，必须设计庞大而复杂的散热降温系统。

3.逆变器的开关器件在开通和关断时有很高的电压变化率和电流变化率，这样会产生很强的电磁干扰，使得电磁干扰的防护变得很困难，EMC器件庞大而复杂，成本高。

4.普通逆变式焊割电源的逆变频率不能过高，一般只能在不高于20KHz的范围内，故其功率密度不大，铜材、钢材、铝材等有色金属的用量也大，同时，由于逆变频率不够高，动态响应速度不够快，控制精度高不够高，大大限制了其自动化、精细化方面的运用。因此，高频化的软开关逆变电源技术的运用就成为必然。

目前采用软开关技术的逆变式焊割电源主要为移相式全桥软开关电路拓扑结构或有限双极性全桥软开关，如中国发明专利公开号“CN1838517”名称为“用于电弧焊接的改进的三级电源”的专利公开了一种包含软开关的逆变电弧焊机电源、其中空开了以下内容：“本发明涉及有源软开关电路的使用，该有源软开关电路用于与第二非调节级本身软开关结合的第一输入级。这一增加的软开关和固有软开关的结合充分增加了本发明关注的新型三级电源的效率。第一级的有源软开关电路为1991年标题为“High Efficiency Telecom Rectifier using A Novel Soft-Switching Boost-based Input Curent Shaper”的IEEE 文章所描述的典型电路。这一1991年11月的文章在这里作为参考引用。2002年标题为“A New ZVT-PWM DC-DC Converter”的IEEE文章中也描述了该典型电路。来自IEEE【Transaction on Power Electronics】杂志的这一文章发表时间为2002年2月并在这里作为参考引用。另一种软开关有源电路2004 年5月发布的IEEE【Transaction on Power Electronics】杂志中发表的标题为 “A New ZVT-ZCT-PWM DC-DC Converter”文章所描述的电压转变/电流转变电路。这一文章在这里也作为参考引用。这些文章描述了三级电源第一级中所使用类型的一个或多个有源软开关电路。本发明将用于第一输入级的有源软开关与使用相位偏移PWM控制的固有软开关非调节逆变器结合。

Steigerweld的专利4,864,479在这里作为参考引用来说明使用相位偏移控制的通用非调节逆变器。这种类型的非调节电源级具有通过使用固定高占空比开关操作将循环电流最小化来提高效率的拓扑结构。工作在固定占空比的非调节逆变器将以最小的传导损耗在所有主开关得到软开关。这一概念用于本发明所关注的三级电源的第二级。

根据本发明，三级电源的第一级的高开关速度电源开关是以有源电路软开关的，来同时减少开关损耗和输出整流器损耗。进一步的，软开关输入级与具有固有软开关能力的第二级结合，该第二级使用固定占空比、相位偏移的非调节逆变器。用于与固定占空比非调节逆变器的固有软开关结合的第一级的有源软开关电路，充分增加了本发明所关注的新型三级电源的效率。通过在三级电源的第一输入级使用有源软开关电路，第一级的脉冲宽度调制器变换器具有用于有源变换器开关的零电压开关，以及用于输出二极管的零反向恢复电流。这一软开关没有增加电压或电流应力，即这两者的传导损耗。用于第一级电源开关(有源)的软开关电路包括使用具有电感支路和电容支路的网络的零电压转换，这两个支路与有源脉冲宽度调制电源升压开关，和无源输出开关或输出升压二极管都并联。该两分支网络包括由附属开

关的开关所控制的电感支路电容支路。附属开关也与脉冲宽度调制电源升压开关并联，恰好在脉冲宽度调制开关接通之前接通一小段时间内。网络电感器电流逐渐上升直到其断开输出整流二极管，采用软开关与其交换。电感电流继续增加使得脉冲宽度调制电路两端的电压在升压开关接通之前的时间变为零。脉冲宽度调制器开关的反并联二极管因此而前向偏置。在反并联二极管导通来提供调制开关接通时的零电压开关的时候，提供电源开关的接通信号。接着断开附属开关并接通调制电源开关。附属二极管和电容提供了附属开关两端电压的缓冲器，使得附属开关在关闭的时候不会受到应力。电感分支电流快速的跌落到零，在这个时候附属开关断开。除了当主开关断开的时候存储在两分支网络中的能量传递到负载之外，工作的剩余部分与传统脉冲

宽度调制升压变换器相同。在这些两分支网络的一些描述中，它们作为谐振电路来提及，这在技术上可能是可靠的，但是对于软开关功能是不必要的。

本发明是输入级和三级电源非调节中心级的结合，其中第一级具有用于升压电源开关的有源软开关电路和用于相位偏移非调节第二级的固有软开关。因此，本发明涉及包括具有AC输入和第一DC输出信号的输入级以及第二级的两级AC/DC变换器。第二级为非调节DC/DC变换器的形式，具有连接到第一DC输出信号的输入端；以具有固定占空比的高频率开关的开关网络，将输入转变成第一内部AC信号；隔离变压器，具有由第一内部高频AC信号驱动的初级线圈、用于产生第二内部AC信号的次级线圈和将第二内部AC信号转变成第二级第二DC输出信号的整流器。用于第二级的输出信号的大小与相位偏移开关之间固定数量的交叠有关。”

该种一种包含软开关的逆变电弧焊机电源输入级包括具有软开关网络的电源开关，该网络为具有附属开关的有源缓冲器电路，该附属开关与第一级电源开关一致地工作。

这种电路的缺点是：

1.移相全桥的软开关逆变电路很难在空载﹑轻载和短路情况下满足软开关的条件。

2.有限双极性全桥软开关虽然可以在空载﹑轻载和短路情况下满足软开关的条件，但需要在主变压器的初级或次级并接无功功率电感。

3.有固有的环流需要抑制，而抑制环流需要隔直电容，隔直电容的压降会损失主变压器上的电压；同时，也是因为固有的环流，它会损失占空比，为满足输出电压的要求，往往提高逆变变压器的变比，这样就加重了逆变开关器件的电流应力。

4.需要四组载流能力和耐压都相同的电力开关半导体器件，器件成本相对较高。

5.为达到零电压关断而使用的电容直接并接在每一个电力开关器件的两电极，使得每次开机时都有一个电力开关器件直接短路充满电荷的电容，这样会造成电力开关器件半导体基片产生局部微分焦耳热，造成对电力半导体器件的损伤。是电力半导体器件失效的一个关键因素。

发明内容

针对以上问题，本实用新型所要解决的技术问题是克服现有技术的不足，采用一种新型广义有源软开关逆变技术，使得逆变开关器件的主开关器件在零电流开通和零电压关断的条件下工作；辅助开关器件在零电压/零电流开通和零电压/零电流关断的条件下工作。

为达到以上目的本实用新型的技术方案：

一种广义有源软开关逆变式焊割电源电路，包括：按照电流流向方向与电焊割机的输入电网顺序连接的：输入开关电路，一次侧整流滤波电路，广义有源软开关逆变电路，隔离变压器和二次侧整流滤波电路以及主控制板电路，其中，所述主控制板电路同时与二次整流滤波电路和广义有源软开关逆变电路联通；

所述输入开关电路包括：与电网连接的电源开关S1，电网电能通过电源开关S1送入本电源内；

所述一次侧整流滤波电路包括：与电源开关S1连接的整流桥BR1与所述整流桥BR1连接的共模滤波第一电感Cd，和与该整流桥并联的由第一、第二滤波电容Cd1、Cd2串接组成的支路；

电网电能经由整流桥BR1和共模滤波第一电感Cd、第一、第二滤波电容Cd1、Cd2组成的一次侧整流滤波电路整流并滤波成直流电压、电流后送到广义有源软开关逆变电路；

所述广义有源软开关逆变电路包括：由第一、第二绝缘栅场效应电力开关器件Q1、Q2顺向串接组成半桥拓扑结构；由第三、第四绝缘栅场效应电力开关器件Q1′、Q2′背靠背串接组成一组合开关；第一、第二缓冲电容C1和C2，该第一、第二缓冲电容C1和C2顺序串接后组成的支路与第一、第二滤波电容Cd1、Cd2串接组成的支路并联，该第一、第二缓冲电容C1和C2顺序串接后组成的支路的中点和所述组合开关相连，所述广义有源软开关逆变电路还包括与半桥拓扑结构连接的矩形磁滞回线饱和电感LS；

所述隔离变压电路T1是具有一次侧绕组和二次侧绕组的中频变压器，该中频变压器T1一次侧绕组的一头接第一、第二滤波电容Cd1、Cd2连接点，该中频变压器T1一次侧绕组的另一头经过矩形磁滞回线饱和电感LS后连接逆变电路半桥桥臂中点，所述隔离变压电路T1的二次侧绕组连接到所述二次侧整流滤波电路上，所述中频变压器T1一次侧绕组和二次绕组是通过绝缘材料安全绝缘的。

所述二次侧整流滤波电路包括：与隔离变压电路T1的二次侧第三、第四快恢复整流二极管D3、D4，与该第三、第四快恢复整流二极管D3、D4并联的滤波电感L0，以及阻容吸收电阻R1、R2和阻容吸收电容C3、C4等组成；串接在第三快恢复整流二极管D3两端的第一阻容吸收电阻R1和第一阻容吸收电容C3，以及串接在第四恢复整流二极管D4两端的第二阻容吸收电阻R2和第二阻容吸收电容C4。

所述主控制电路包括按照电流流向方向而顺序连接的：PWM脉冲、定宽脉冲信号产生电路和隔离驱动电路等构成。

本实用新型通过采用广义有源软开关逆变技术，使得逆变开关器件的主开关器件在零电流开通和零电压关断的条件下工作；辅助开关器件在零电压/零电流开通和零电压/零电流关断的条件下工作。其开关电压应力和电流应力都大为减小，开关损耗也大为减小，器件发热大为减小，同时电磁干扰幅度也大为减小，因此可以工作于更高（200KHZ左右）逆变频率上，其功率密度大，铜材、钢材、铝材等有色金属的用量小，动态响应速度快，控制精度高，很方便于自动化、精细化方面的运用。由于采用和普通半桥类似的电路拓扑结构，使得逆变器结构牢固，器件成本低，控制电路简单，便于维护和检修。

本电路拓扑结构中主开关器件的电流容量、功率容量和普通半桥的主开关器件一样，而辅助开关器件的电流容量、功率容量仅仅是主开关的1/4到1/3，电力开关器件成本也有所降低。

附图说明

图1.采用的本实用新型所述广义有源软开关逆变式焊割电源电路的主电路电气原理图方框图；

图2.本实用新型所述广义有源软开关逆变式焊割电源电路的为本实用新型的驱动波形图；

图3.如图1所示广义有源软开关逆变式焊割电源电路t1时刻开关状态和电流路径；

图4. 如图1所示广义有源软开关逆变式焊割电源电路t2时刻开关状态和电流路径；

图5. 如图1所示广义有源软开关逆变式焊割电源电路t3时刻开关状态和电流路径；

图6. 如图1所示广义有源软开关逆变式焊割电源电路t3- t4时刻开关状态和电流路径；

图7. 如图1所示广义有源软开关逆变式焊割电源电路t4时刻开关状态和电流路径；

图8. 如图1所示广义有源软开关逆变式焊割电源电路t5时刻开关状态和电流路径；

图9. 如图1所示广义有源软开关逆变式焊割电源电路t6时刻开关状态和电流路径；

图10. 如图1所示广义有源软开关逆变式焊割电源电路t6- t7时刻开关状态和电流路径；

图11. 如图1所示广义有源软开关逆变式焊割电源电路的波形图。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行本实施例中详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

请参阅图1至图11，本实用新型广义有源软开关逆变式焊割电源电路，包括按照电流流向方向与电焊机的输入滤波电路顺序连接的：全桥软开关逆变电路、隔离变压电路，其中，还包括：与该隔离变压电路连接的功率变换器T2，以及与隔离变压电路输出端连接的输入整流器和与该输入整流器输出端连接的负载；

所述广义有源软开关逆变功能的实现：

广义有源软开关逆变电路由两组绝缘栅场效应电力开关器件Q1、Q2顺向串接组成半桥拓扑结构；而另两组绝缘栅场效应电力开关器件Q1′、Q2′背靠背串接组成一组合开关，从主控制电路输出的主开关驱动信号为Q1（输出端口为G1 S1 ）和Q2（输出端口为G2 S2 ）他们是相位相差180o 的PWM脉冲驱动信号；从主控制电路输出的辅助开关驱动信号为Q1′（输出端口为G1′ S1′ ）和Q2′（输出端口为G2′ S2′ ）他们是相位相差180o 的定宽脉冲驱动信号。其中Q1和Q1′同时导通，Q1′滞后Q1一段时间td关断； Q2和Q2′同时导通，Q2′滞后Q2一段时间td关断。

电路工作原理如下述：

见图3，在t1时刻前，电容C1已经被放完电荷，其端电压为Uc1=0；电容C2

已经被充满电荷，其端电压为Uc2=Uin。

t1时刻，Q1和Q1′同时导通（Q2和Q2′保持截止），电流流向为：Cd正端→Q1→Ls→T1（Lk）→Cd1、Cd2。由于矩形磁滞回线饱和电感LS的存在，Q1导通时，电流从零开始缓慢上升，Q1属于零电流开通，而Q1′被Q1导通箝位处于零偏置状态，既没有端电压也没有电流流过，属于零电压/零电流开通。经过一段时间后，矩形磁滞回线饱和电感LS饱和，原边电流才按副边电抗器决定的斜率快速升到最大值。原边能量在此过程中通过T1传给副边。

t2时刻，见图4，Q1 PWM截止（Q1′仍保持导通），由于电抗器的作用，原边电流不能突变，原边电流切换通路，电流流向改为：C1、C2→D2′→Q1′→Ls→T1（Lk）→Cd1、Cd2。此后C1被充电；C2被放电，C1端电压从零开始上升C2端电压从Uin开始下降，所以Q1端电压是按一定斜率从零缓慢上升的，Q1属于零电压关断。充放电的结果，最终C1和C2的端电压分别为：Uc1＝Uin；Uc2＝0。

此后进入t3时刻，见图5，t3时刻原边电流再次切换通路，电流流向改为：Cd负端→D2→Ls→T1（Lk）→Cd1、Cd2。

在t3到t4时刻之间，见图6，使Q1′关断，此时Q1′没有端电压，也没电流流过Q1′，可见Q1′的关断是零电压/零电流关断。原边电流流向仍然为：Cd负端→D2→Ls→Cd1、Cd2。电感承受反压，电流将很快衰减到零。

至此，主开关Q1和辅助开关Q1′从开通到关断的整个过程就完结了，可以看出：主开关管Q1工作在零电流开通、零电压关断的软开关状态；辅助开关Q1′则工作在零电压/零电流开通、零电压/零电流关断状态。

此后，见图7，t4时刻，Q2和Q2′同时导通（Q1和Q1′保持截止），电流流向为：Cd1、Cd2→T1（Lk）→Ls→Q2→Cd负端。由于矩形磁滞回线饱和电感LS的存在，Q2导通时，电流从零开始缓慢上升，Q2属于零电流开通，而Q2′被Q2导通箝位处于零偏置状态，既没有端电压也没有电流流过，属于零电压/零电流开通。经过一段时间后，矩形磁滞回线饱和电感LS饱和，原边电流才按副边电抗器决定的斜率快速升到最大值。原边能量在此过程中通过T1传给副边。

t5时刻，见图8，Q2 PWM截止（Q2′仍保持导通），由于电抗器的作用，原边电流不能突变，原边电流切换通路，电流流向改为：Cd1、Cd2→T1（Lk）→Ls→D1′→Q2′→C1、C2。此后C1放电；C2充电，C1端电压从Uin开始下降C2端电压从零开始上升，所以Q2端电压是按一定斜率从零缓慢上升的，Q2属于零电压关断。充放电的结果，最终C1和C2的端电压分别为：Uc1＝0；Uc2＝Uin。

此后进入t6时刻，见图9，t6时刻原边电流再次切换通路，电流流向改为：Cd1、Cd2→T1（Lk）→Ls→D1→Cd正端。

在t6到t7时刻之间，见图十，使Q2′关断，此时Q2′没有端电压，也没电流流过，可见Q2′的关断是零电压/零电流关断。原边电流流向仍然为：Cd1、Cd2→T1（Lk）→Ls→D1→Cd正端。电感承受反压，电流将很快衰减到零。

至时刻t7，主开关Q2和辅助开关Q2′从开通到关断的整个过程就完结了，可以看出：主开关管Q2工作在零电流开通、零电压关断的软开关状态；辅助开关Q2′则工作在零电压/零电流导通、零电压/零电流关断状态。

再次让Q1和Q1′同时导通（Q2和Q2′保持截止）接着下一个周期的运行。如此周而复始，就实现了广义有源软开关逆变功能。可以看出，两组主开关管（Q1、Q2）工作在零电流开通、零电压关断的软开关状态；辅助开关（Q1′、Q2′）则工作在零电压/零电流导通、零电压/零电流关断状态，实现了电力开关器件的软开关功能，达到了减小电力开关器件电压应力，减小了引起电磁干扰的开关时的电压变化率，减小了电力开关器件因开关损耗带来的发热热量。使得焊割电源即使在较高频率下，电力开关器件也只承受很小的开关电压电流应力，只有很小的电磁干扰和开关损耗带来的发热热量。

图11是该广义软开管逆变焊割电源的开关逆变电路波形图。满足软开关的条件：

要保证焊割电源在包括空载在内的轻负载情况下均能满足软开关条件；要保证在主开关器件关断时电压上升足够缓慢，需要缓冲电容C1和C2的容量应在0.1uF～1uF之间，矩形磁滞回线饱和电感LS的电感量应在0.1mH～0.5mH之间，饱和电流在10A～50A之间。

主开关器件和辅助开关器件的选取：主开关器件和辅助开关器件均可以采用MOSFET，IGBT，BJT和MCT等器件，主开关器件和辅助开关器件甚至可以采用不同类型的器件。辅助开关器件电流容量可以是主开关器件电流容量的1／3～1／4。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种广义有源软开关逆变式焊割电源电路，包括：按照电流流向方向与电焊割机的输入电网顺序连接的：输入开关电路，一次侧整流滤波电路，广义有源软开关逆变电路，隔离变压器和二次侧整流滤波电路以及主控制板电路，其特征在于，所述主控制板电路同时与二次整流滤波电路和广义有源软开关逆变电路联通；

所述输入开关电路包括：与电网连接的电源开关，所述一次侧整流滤波电路包括：与电源开关连接的整流桥与所述整流桥连接的共模滤波第一电感，和与该整流桥并联的由第一、第二滤波电容串接组成的支路；

所述广义有源软开关逆变电路包括：由第一、第二绝缘栅场效应电力开关器件顺向串接组成半桥拓扑结构；由第三、第四绝缘栅场效应电力开关器件背靠背串接组成一组合开关；第一、第二缓冲电容电容，该第一、第二缓冲电容电容顺序串接后组成的支路与第一、第二滤波电容串接组成的支路并联，该第一、第二缓冲电容电容顺序串接后组成的支路的中点和所述组合开关相连，所述广义有源软开关逆变电路还包括与半桥拓扑结构连接的矩形磁滞回线饱和电感；

2.根据权利要求1所述的广义有源软开关逆变式焊割电源电路，其特征在于，所述输入开关电路包括：所述隔离变压电路是具有一次侧绕组和二次侧绕组的中频变压器，该中频变压器一次侧绕组的一头接第一、第二滤波电容连接点，该中频变压器一次侧绕组的另一头经过矩形磁滞回线饱和电感后连接逆变电路半桥桥臂中点，所述隔离变压电路的二次侧绕组连接到所述二次侧整流滤波电路上，所述中频变压器一次侧绕组和二次绕组是通过绝缘材料安全绝缘的。

3．根据权利要求2所述的广义有源软开关逆变式焊割电源电路，其特征在于，所述二次侧整流滤波电路包括：与隔离变压电路T1的二次侧第三、第四快恢复整流二极管，与该第三、第四快恢复整流二极管并联的滤波电感，以及阻容吸收电阻和阻容吸收电容等组成；串接在第三快恢复整流二极管两端的第一阻容吸收电阻和第一阻容吸收电容，以及串接在第四恢复整流二极管两端的第二阻容吸收电阻和第二阻容吸收电容。

4．根据权利要求3所述的广义有源软开关逆变式焊割电源电路，其特征在于，所述主控制板电路包括按照电流流向方向而顺序连接的：PWM脉冲、定宽脉冲信号产生电路和隔离驱动电路等构成。