CN202488353U - 一种零电流开通低电压关断逆变式焊割电源电路 - Google Patents

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Abstract

本实用新型涉及一种零电流开通低电压关断逆变式焊割电源电路，主要包括对输入的直流电压进行滤波的直流母线滤波电路，将滤波后的直流电压转变成低压交流电压的PWM逆变电路，对低压交流电压进行整流的整流电路，还包括对PWM逆变电路进行信号控制的控制电路；所述PWM逆变电路接收控制电路的驱动脉冲信号，使得PWM逆变电路上的开关器件：开通时由设置在变压器一次侧的线性电感抑制该开关器件的电流上升率，使之处于零电流开通状态；关断时由其并联的无源缓冲电路减缓该开关器件的电压上升率，使之处于低电压关断状态。该装置运用简单的电路拓扑结构即可实现软开关技术，同时降低了焊割电源电路的硬件成本，提高了焊割电源电路的能效指标。

Description

一种零电流开通低电压关断逆变式焊割电源电路
技术领域
本实用新型涉及焊割电源领域，特别涉及一种逆变式焊割电源电路。
背景技术
焊接/切割电源中PWM逆变器逆变频率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，减少铜材、钢材、铝材等有色金属的用量，使电源结构更加牢固可靠，且响应能力更加快速，电流、电压控制精度更高。
由于电力电子开关器件的开关损耗与逆变器的频率成正比，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较低，存在以下缺点：
1.逆变器的电力开关器件在开通和关断时存在很大的电压、电流重叠，此期间电力开关器件工作在线性区，会产生很大的功率损耗，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。
2.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困难，而进行防护电磁干扰的EMC器件庞大而复杂，成本高。
由此可见，将软开关的逆变技术运用于逆变式焊割电源就成为必然。
现有技术中软开关技术的逆变式焊割电源主要采用移相式全桥软开关电路拓扑结构、有限双极性全桥软开关电路拓扑结构或广义有源软开关逆变式焊割电源电路拓扑结构，这三种电路都能满足焊割电源的逆变器的开关器件软开通和软关断的条件。
但上述三种运用软开关技术的逆变式焊割电源电路比较复杂，一般都需要容量较大的移相、缓冲电容，环流抑制隔直电容等，甚至还需在主变压器的初级或次级并接无功功率电感等。这些器件不仅增加了焊割电源的硬件成本，同时也因其增加的器件不可避免的带来的热损耗降低了其能效指标。
发明内容
为克服上述缺陷，本实用新型的目的即在于提供一种硬件成本较低，能效指标较高，运用简单的电路拓扑结构即可实现软开关技术的零电流开通低电压关断逆变式焊割电源电路。
本实用新型的目的是通过以下技术方案来实现的：
本实用新型的一种零电流开通低电压关断逆变式焊割电源电路，主要包括并接在直流母线正负极上、对输入的直流电压进行滤波的直流母线滤波电路，将滤波后的直流电压转变成低压交流电压的PWM逆变电路，对PWM逆变电路传输的低压交流电压进行整流的整流电路，还包括对PWM逆变电路进行信号控制的控制电路；
所述PWM逆变电路接收控制电路的驱动脉冲信号，使得PWM逆变电路上的开关器件：开通时由设置在变压器一次侧的线性电感抑制该开关器件的电流上升率，使之处于零电流开通状态；关断时由其并联的无源缓冲电路减缓该开关器件的电压上升率，使之处于低电压关断状态。
作为本实用新型的一种改进，所述PWM逆变电路为由第一开关器件Q1、与其并联连接的第一开关器件无源缓冲电路，第二开关器件Q2、与其并联连接的第二开关器件无源缓冲电路和桥臂电容C5、C6以及中频主变压器T1、线性电感L1等组成的半桥PWM逆变电路。
作为本实用新型的进一步改进，所述第一开关器件无源电路由电阻R2和电容C3串联组成；所述第二开关器件无源电路由电阻R3和电容C4串联组成。
作为本实用新型的再进一步改进，所述PWM逆变电路为由第一开关器件Q1、与其并联连接的第一开关器件无源缓冲电路，第二开关器件Q2、与其并联连接的第二开关器件无源缓冲电路，第三开关器件Q3、与Q3并联连接的Q3的无源缓冲电路，开关器件Q4、与Q4并联连接的Q4的无源缓冲电路以及中频主变压器T1、线性电感L1等组成的全桥PWM逆变电路。
在上述结构的基础上，所述第一开关器件无源电路由电阻R2和电容C3串联组成；所述第二开关器件无源电路由电阻R3和电容C4串联组成；所述Q3的无源缓冲电路由电阻R4和电容C5串联组成；所述Q4的无源缓冲电路由电阻R5和电容C6串联组成。
作为本实用新型的一种优选的实施方式，所述直流母线滤波电路由电容C1、C2和电阻R1并联组成。
作为本实用新型的另一种优选的实施方式，所述整流电路由整流二极管D5、D7并联组成。
采用该种结构的零电流开通低电压关断逆变式焊割电源电路，由直流母线滤波电路对输入的直流进行滤波，继而由PWM逆变电路接收控制电路的驱动脉冲信号，使得PWM逆变电路上的开关器件：开通时由线性电感抑制该开关器件的电流上升率，使之处于零电流开通状态；关断时由无源缓冲电路减缓该开关器件的电压上升率，使之处于低电压关断状态，将直流电流/电压转变成低压交流电流/电压，再经过整流电路获得焊接/切割所需的低压直流电流/电压。该装置运用简单的电路拓扑结构即可实现软开关技术，同时降低了焊割电源电路的硬件成本，提高了焊割电源电路的的能效指标。
附图说明
为了易于说明，本实用新型由下述的具体实施方式及附图作详细描述。
图1为本实用新型一种零电流开通低电压关断逆变式焊割电源电路半桥运用的电路原理图；
图2为本实用新型一种零电流开通低电压关断逆变式焊割电源电路全桥运用的电路原理图；
图3为本实用新型一种零电流开通低电压关断逆变式焊割电源电路半桥运用和全桥运用的各关键点波形图。
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方式，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施方式仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。
详见图1及图3，一种零电流开通低电压关断逆变式焊割电源电路的半桥运用，由电容C1、C2和电阻R1并接在直流母线正负极U+和U-上，作为电网工频和逆变中频的直流母线滤波电路。由第一开关器件Q1、Q2和桥臂电容C5、C6以及中频主变压器T1、线性电感L1等组成半桥PWM逆变电路。控制电路(未图示)发出的相位相差180 0 带固定死区的驱动脉冲波形分别为G1和G2，驱动着第一开关器件Q1和Q2交替导通和关断。这样就将直流母线的电流/电压转变成中频方波交流电流/电压，并通过中频主变压器T1降压和二次侧整流即可变换成焊接/切割需要的低压直流电流/电压。其中电阻R2和电容C3组成第一开关器件第一开关器件无源电路，电阻R3和电容C4组成第二开关器件第二开关器件无源电路，线性电感L1串联在逆变器一次侧回路中组成开关器件开通电流抑制电感，可使开关器件开通时，其电流都是从零开始按一定斜率上升。
其工作原理和逆变过程为：当驱动脉冲G1到来时，第一开关器件Q1被驱动导通，由于线性电感L1的抑制作用，第一开关器件Q1中电流I Q1 是从零开始线性上升的。所以，第一开关器件Q1的开通为零电流开通，其开通损耗很小。
第一开关器件Q1导通期间，由中频主变压器T1降压后向二次侧传递能量，直到第一开关器件Q1 PWM关断。
第一开关器件Q1关断时，线性电感L1和主回路一次侧漏感电流不能突变，会对第一开关器件Q1并接的无源缓冲电路电容C3充电，对第二开关器件Q2并接的无源缓冲电路电容C4放电，使得a点电位慢慢从母线最高电压降到零，因此，第一开关器件Q1关断时其C、E电压U Q1 是由低电压缓慢上升到母线电压值的，属于低电压型软关断，其关断损耗很小。   
PWM固定死区时间后，驱动脉冲G2到来，第二开关器件Q2被驱动导通，由于线性电感L1的抑制作用，第二开关器件Q2中电流I Q2 是从零开始线性上升的，所以第二开关器件Q2的开通为零电流开通，其开通损耗很小。
第二开关器件Q2导通期间，由中频主变压器T1降压后向二次侧传递能量，直到第二开关器件Q2 PWM关断。
第二开关器件Q2关断时，线性电感L1和主回路一次侧漏感电流不能突变，会对第二开关器件Q2并接的无源缓冲电路电容C4充电，对第一开关器件Q1并接的无源缓冲电路电容C3放电，使得a点电位慢慢从零升高到母线最高电压，因此，第二开关器件Q2关断时其C、E电压U Q2 是由低电压缓慢上升到母线电压值的，属于低电压型软关断，其关断损耗很小。
因此，第一开关器件Q1和Q2工作在零电流开通和低电压关断工作模式，有很小的开通/关断损耗和较小的开关电压/电流应力。
特别的，线性电感L1不仅在开关器件开通时抑制电流上升速度，为开关器件提供零电流开通条件，在开关器件关断时释放能量于无源阻容吸收回路和电源母线，实现其磁通自动复位。还在开关器件导通，中频主变压器T1传递能量期间起着中频主变压器T1单向磁偏饱和的抑制作用。
具体工作原理是：由开关器件开关时间参数带来的差异、开关器件开关通态压降参数带来的差异、PWM脉冲驱动宽度带来的差异都会引起电压波形伏秒数正负半周不对称，这个不对称伏秒数的正负半周电压波形加在中频主变压器T1上，会通过累积形成中频主变压器T1的磁芯工作点的偏移，造成磁芯单向磁偏饱和。中频主变压器T1的磁芯一旦单向磁偏饱和，主回路一次侧电流就会有无限制地急剧增大造成开关器件通态时过流损坏的趋势。此时，一次侧全电压将加在线性电感L1上，由于线性电感L1的限制，主回路电流只能缓慢上升，大大抑制了电流上升率，阻滞了中频主变压器T1的磁芯工作点的继续偏移。故而，线性电感L1起到了中频主变压器T1磁芯单向磁偏饱和的抑制作用。
详见图2及图3，一种零电流开通低电压关断逆变式焊割电源电路的全桥运用，由电容C1、C2和电阻R1并接在直流母线正负极U+和U-上，作为电网工频和逆变中频的直流母线滤波电路。第一开关器件Q1、Q2、Q3、Q4以及中频主变压器T1，线性电感L1等组成全桥PWM逆变电路。控制电路(未图示)发出的相位相差180 0 的带固定死区的驱动脉冲波形分别为G1、G4和G2、G3，驱动着第一开关器件Q1、Q4和Q2、Q3交替导通和关断。这样就将直流母线的电流/电压转变成中频方波交流电流/电压，并通过中频主变压器T1降和二次侧整流即可变成焊接/切割需要的低压电流/电压。其中电阻R2和电容C3组成第一开关器件第一开关器件无源电路、电阻R3和电容C4组成第二开关器件第二开关器件无源电路、电阻R4和电容C5组成第三开关器件Q3的无源缓冲电路、电阻R5和电容C6组成开关器件Q4的无源缓冲电路，线性电感L1串联在逆变器一次侧回路中组成开关器件开通电流抑制电感，可使开关器件开通时，其电流都是从零开始按一定斜率上升。
其工作原理和逆变过程为：当驱动脉冲G1、G4到来时，第一开关器件Q1、Q4被驱动导通，由于线性电感L1的抑制作用，第一开关器件Q1、Q4中电流I Q1 和I Q4 是从零开始线性上升的，所以，第一开关器件Q1、Q4的开通为零电流开通，其开通损耗很小。
第一开关器件Q1、Q4导通期间，由中频主变压器T1降压后向二次侧传递能量，直到第一开关器件Q1、Q4的PWM关断。
第一开关器件Q1、Q4关断时，线性电感L1和主回路一次侧漏感电流不能突变，会对第一开关器件Q1并接的无源缓冲电路电容C3充电，对开关器件Q4并接的无源缓冲电路电容C6充电，对第二开关器件Q2并接的无源缓冲电路电容C4放电，对第三开关器件Q3并接的无源缓冲电路电容C5放电，使得c点电位慢慢从母线最高电压降到零，d点电位慢慢从零升到母线最高电压。因此，第一开关器件Q1、Q4关断时其C、E电压U Q1 和U Q2 是由低电压缓慢上升到母线电压值的，属于低电压型软关断，其关断损耗很小。
PWM固定死区时间后，驱动脉冲G2、G3到来时，第二开关器件Q2、Q3被驱动导通，由于线性电感L1的抑制作用，第二开关器件Q2、Q3中电流I Q2 和I Q3 是从零开始线性上升的，所以，第二开关器件Q2、Q3的开通为零电流开通，其开通损耗很小。
第二开关器件Q2、Q3导通期间，由中频主变压器T1降压后向二次侧传递能量，直到第二开关器件Q2 、Q3的 PWM关断。
第二开关器件Q2、Q3关断时，线性电感L1和主回路一次侧漏感电流不能突变，会对第二开关器件Q2并接的无源缓冲电路电容C4充电，对第三开关器件Q3并接的无源缓冲电路电容C5充电，对第一开关器件Q1并接的无源缓冲电路电容C3放电，对开关器件Q4并接的无源缓冲电路电容C6放电，使得c点电位慢慢从零升高到母线最高电压，d点电位慢慢从母线最高电压降到零。因此，第二开关器件Q2、Q3关断时其C、E电压U Q2 和U Q3 是由低电压缓慢上升到母线电压值的，属于低电压型软关断，其关断损耗很小。
因此，第一开关器件Q1、Q2、Q3和Q4都工作在零电流开通和低电压关断工作模式，有很小的开关损耗和较小的开关电压电流应力。
同样的，线性电感L1不仅在开关器件开通时抑制电流上升速度，为开关器件提供零电流开通条件，在开关器件关断时释放能量于无源阻容吸收回路和电源母线，实现其磁通自动复位。还在开关器件导通，中频主变压器T1传递能量期间起着中频主变压器T1单向磁偏饱和的抑制作用。
具体工作原理是：由开关器件开关时间参数带来的差异、开关器件开关通态压降参数带来的差异、PWM脉冲驱动宽度带来的差异都会引起电压波形伏秒数正负半周不对称，这个不对称伏秒数的正负半周电压波形加在中频主变压器T1上，会通过累积形成中频主变压器T1的磁芯工作点的偏移，造成磁芯单向磁偏饱和。中频主变压器T1的磁芯一旦单向磁偏饱和，主回路一次侧电流就会有无限制地急剧增大造成开关器件通态时过流损坏的趋势。此时，一次侧全电压将加在线性电感L1上，由于线性电感L1的限制，主回路电流只能缓慢上升，大大抑制了电流上升率，阻滞了中频主变压器T1的磁芯工作点的继续偏移。故而，线性电感L1起到了中频主变压器T1磁芯单向磁偏饱和的抑制作用。
以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则的内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围的内。

Claims (7)

1.一种零电流开通低电压关断逆变式焊割电源电路，主要包括并接在直流母线正负极上、对输入的直流电压进行滤波的直流母线滤波电路，将滤波后的直流电压转变成低压交流电压的PWM逆变电路，对PWM逆变电路传输的低压交流电压进行整流的整流电路，其特征在于：还包括对PWM逆变电路进行信号控制的控制电路；
所述PWM逆变电路接收控制电路的驱动脉冲信号，使得PWM逆变电路上的开关器件：开通时由设置在变压器一次侧的线性电感抑制该开关器件的电流上升率，使之处于零电流开通状态；关断时由其并联的无源缓冲电路减缓该开关器件的电压上升率，使之处于低电压关断状态。
2.根据权利要求1所述的零电流开通低电压关断逆变式焊割电源电路，其特征在于：所述PWM逆变电路为由第一开关器件Q1、与其并联连接的第一开关器件无源缓冲电路，第二开关器件Q2、与其并联连接的第二开关器件无源缓冲电路和第一桥臂电容、第二桥臂电容以及中频主变压器T1、线性电感L1等组成的半桥PWM逆变电路。
3.根据权利要求2所述的零电流开通低电压关断逆变式焊割电源电路，其特征在于：所述第一开关器件无源电路由电阻R2和电容C3串联组成；所述第二开关器件无源电路由电阻R3和电容C4串联组成。
4.根据权利要求1所述的零电流开通低电压关断逆变式焊割电源电路，其特征在于：所述PWM逆变电路为由第一开关器件Q1、与其并联连接的第一开关器件无源缓冲电路，第二开关器件Q2、与其并联连接的第二开关器件无源缓冲电路，第三开关器件Q3、与Q3并联连接的Q3的无源缓冲电路，开关器件Q4、与Q4并联连接的Q4的无源缓冲电路以及中频主变压器T1、线性电感L1等组成的全桥PWM逆变电路。
5.根据权利要求4所述的零电流开通低电压关断逆变式焊割电源电路，其特征在于：所述第一开关器件无源电路由电阻R2和电容C3串联组成；所述第二开关器件无源电路由电阻R3和电容C4串联组成；所述Q3的无源缓冲电路由电阻R4和电容C5串联组成；所述Q4的无源缓冲电路由电阻R5和电容C6串联组成。
6.根据权利要求1至5任一项所述的零电流开通低电压关断逆变式焊割电源电路，其特征在于：所述直流母线滤波电路由第一电容、第二电容和第一电阻并联组成。
7.根据权利要求6所述的零电流开通低电压关断逆变式焊割电源电路，其特征在于：所述整流电路由第一整流二极管、第二整流二极管并联组成。
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