帶低損耗開關的電源轉換器的製作方法

2023-06-13 08:09:16 4

專利名稱：帶低損耗開關的電源轉換器的製作方法
技術領域：
本發明一般地涉及用於焊接的電源，具體地，涉及帶有預調節裝置的焊接電源。
電源一般是將功率輸入轉換成所需的、或合乎要求的用於特定用途的功率輸出。應用於焊接時，電源一般接收一個高電壓的交流電(VAC，交流電壓)信號，同時提供一個大電流的焊接用輸出信號。世界上的公共電源(正弦線電壓)可能是220/208V、230/240V、380/415V、460/480V、以及500V和575V，這些電源既可以是單相的、也可以三相的，可以是50赫茲，也可以是60赫茲的。焊接電源接收這樣的輸入，同時產生大約10-75V直流(DC)或交流(AC)的大電流焊接用輸出。
能提供適用於焊接用的焊接電源種類很多，包括基於換向器的焊接電源。在此提到的換向器型焊接電源至少包括一個將直流電源(DC)轉化成交流電源(AC)的步驟。有很多公知的適用於焊接的換向器型焊接電源，其中包括升壓電源、降壓電源(buckpower sources)，以及升壓-降壓電源(boost-buck power sources)。
傳統焊接電源是按特定功率輸入設計的。換句話說，這種電源不能針對不同的輸入電壓提供基本上相同的輸出。最近，焊接電源已經設計成可以接受一定範圍內的任何電壓，而無須重新連接電源。作為現有技術，在1997年2月11日授權給託馬斯(Thommes)的美國專利第5 601 741號中，描述了一種焊接電源，它能接受一定範圍的輸入電壓，該發明已轉讓給當前的受讓人，並作為在此的參考材料。
諸多現有的焊接電源技術中，由輸入功率形成焊接功率包括幾個級段，通常包括輸入電路、預調節裝置、轉換器以及包含電感線圈的輸出電路。輸入電路接收線電源，整流後，將功率傳輸給預調節裝置，從預調節裝置引出適於轉換的直流母線(DCBUS)，該直流母線接入某種類型的轉換器，由後者提供焊接用的輸出，所述輸出電感線圈有助於提供穩定的電弧。
預調節裝置級段通常包括用於控制電源的開關。焊接電源中的開關損耗可能非常大，特別是對於硬開關而言。任何時候開關中的功率損耗都等於流過開關的電流乘以開關兩端的電壓。硬開關的接通損耗發生在開關接通時，此時流過開關的電流增大，要在一段有限的時間之後開關兩端的電壓才降至零。軟開關試圖藉助輔助電路或緩衝電路避免接通損耗，該電路帶有一個與開關串聯的電感線圈，用以限制電流，直到接通轉換完畢，開關兩端的電壓變為零為止。這種開關稱為零電流轉換(ZCT)開關。
同樣地，硬開關的斷開損耗發生在開關斷開時，此時開關兩端的電壓升高，要在一段有限的時間之後通過開關的電流才降至零。軟開關試圖藉助提供的輔助電路或緩衝電路避免斷開損耗，該電路帶有一個與開關並聯的電容，用以限制開關兩端的電壓升高，直到斷開轉換完成，流過開關的電流為零。這種開關稱為零電壓轉換(ZVT)開關。
現有技術中，有眾多提供軟開關功率轉換器或換向器的嘗試。但是這些嘗試常常不是將損耗轉嫁給其他的開關(或二極體)，就是或同時是需要昂貴的附加部件，比如輔助開關及其控制電路。因此，需要有一種有效而經濟的途徑來補償(或避免)在電源轉換器或換向器中的開關損耗。下面將描述諸多軟開關的一些實例。
1995年12月19日授予GEGNER的美國專利第5 477 131號公開了一種ZVT型配電系統。但是，要實現所述ZVT，需要有一個受控輔助開關和與其相連的電感線圈。並且，初始電流是不連續的。
一些現有技術中的設計為了二極體回復的目的而需要利用非連續導通模式。其中一種設計公開於美國專利第5 414 613中。但由於電源線中過高頻率的脈動導致其不合需要。
GEGNER還在美國專利第5 343 140號中公開了一種在多重諧振模式下工作的ZVS轉換器。這一設計產生了較高而又不希望有的有效電流和有效電壓。
在授予TABISZ的美國專利第4 857 822號中公開了另一種多重諧振轉換器，該設計導致在ZVS過程中產生不希望有的高電壓壓力，在ZCS過程中產生不希望有的高電流壓力。
美國專利第5 307 005號同樣要有一個輔助開關。損耗發生在輔助開關斷開時。這與其說是消除了開關損耗，不如說是把它們轉移了。在美國專利第5 418 704號和第5 598 318號中，有其他的「轉移」損耗的設計。
在美國專利第5 313 382號中公開了一種帶有輔助受控開關的電路，該電路不將損耗「轉移」給輔助開關。這是對轉移損耗的已有技術的改進，但仍需要一個昂貴的受控開關。
另一個在美國專利第5 636 144號中公開的設計避免了「損耗轉移」。但該設計需要有針對恢復脈衝的電壓箝位電路，以及3個分立的電感線圈。而且，電感線圈上的電壓沒有得到很好的控制。
在美國專利第5 321 348號中公開了一種零電流諧振升壓轉換器，然而，這一設計需要較為複雜的磁性元件，需要較高的開關有效電流和強度。而且，對於升壓二極體需要一個高的反向電壓。
當使用真正的ZCT和ZVT電路不可行或成本不合算時，可以採用一種模擬方式。例如，在此使用了一種慢電壓/電流過渡(slow voltage/current transitions)(SVT和SCT)，這種過渡轉換中，當開關斷開或接通時，電壓或電流的上升放慢了(而不是被固定為零值)。


圖1示出了一個典型的現有技術的焊接電源100，該電源帶有一個預調節裝置104，以及輸出轉換器或換向器105。輸入線電壓101提供給整流器102(通常由橋型二極體和至少一個電容構成)。預調節裝置104是一個硬開關升壓轉換器，該轉換器包括開關106和電感線圈107。當開關106處於斷開狀態時，二極體108允許流入電感線圈107的電流向電容109充電。電感線圈107中的電流波形是整流過的高頻調製正弦波(脈動)。
通過提高開關106切換的頻率，可以減少脈動的數量。然而，當現有技術中的硬開關升壓轉換器的切換頻率被提高以減少脈動時，開關損耗可能變得不可容忍。
現有技術中某些焊接電源的另一個缺陷是功率因數差。通常，對於給定的電流輸入，較大的功率因數允許有較大的功率輸出。另外，通常，較大直徑的電焊棒需要較大的功率輸出。因此，對於給定線功率，使用功率因數矯正電路可允許給定焊接電源用於較大直徑的電焊棒。現有技術中，美國專利第5 563 777號公開了一種換向器，該換向器提供了良好的功率因數。現有技術中，許多帶有功率因數矯正的轉換器，都具有高開關損耗的缺點，這樣的例子比如有美國專利第5 673 184號、第5 615 101號以及第5 654 880號。
有一種公知的輸出轉換器，是半橋式、變壓器被分隔的換向器。然而，這種輸出換向器常常有高的開關損耗，並/或要求有無源緩衝電路(passive snubber circuits)(會增加損耗)，因為每一個緩衝器總體上都必須在兩個方向操作，但每次只用一個方向。另外，已知的緩衝電路能夠接受的負載範圍通常是有限的，而且負載與緩衝不成比例，因此相對低負載來說，損耗相對較高。
因此，希望有一種提供微開關損耗和高(接近於一的)功率因數的電源電路。同時，預調節裝置應當能接受較寬範圍的輸入電壓，而無須重新連接。理想的輸出轉換器應包括一個全波形、變壓器被分隔的轉換器，即所謂的具有全範圍、全波形、低損耗緩衝器的軟開關。
依照本發明的第一方面，焊接電源包括輸入整流器，其接收正弦或交流線電壓，提供經整流的正弦電壓。預調節裝置接收經整流的輸入並提供直流母線。並接在母線兩端的轉換器提供焊接輸出。預調節裝置是一個SVT(慢電壓過渡，slow voltagetransition)或SCT(慢電流過渡，slow current transition)切換方式的轉換器。
在一個實施方案中，預調節裝置包括帶有二極體的緩衝電路，為SVT切換方式。
在另一個實施方案中，換向器是一個帶有開關的升壓轉換器。預調節裝置包括一個帶有電容和電感線圈的緩衝電路。該電容的接入用於減緩當開關斷開時開關電壓的升高；所說的電感線圈的接入用於減緩當開關接通時開關電流的增大。該升壓轉換器在另一個實施方案中包括升壓線圈、開關以及輸出電容。另外，緩衝器包括緩衝電容、緩衝線圈、第一緩衝二極體、第二緩衝二極體、第三緩衝二極體、第四緩衝二極體，以及第一和第二緩衝電容。緩衝線圈、開關以及第四二極體的連接，應使電流可以從升壓線圈流向緩衝線圈、開關及第四二極體中的任何一個。流過第四二極體的電流可以流過第三二極體或者是第二電容；從升壓線圈流過緩衝線圈的電流可以流過或者是第一二極體、或者是第一電容；第四二極體和第二電容與開關並聯，流過第三二極體的電流可以或者流過第一電容和緩衝線圈，或者流過第二二極體。流過第一和第二二極體的電流流向輸出端。在一個實施方案中，第五二極體與開關反並聯。
本發明的第二方面在於，一種提供焊接電源的方法，該方法通過整流正弦或者說交流輸入線電壓並對該正弦輸入線電壓進行預調節，以供給直流母線。該方法還包括升壓轉換器的SVT和SCT切換。所述母線電路被轉換為焊接輸出。
在一個實施方案中，預調節過程包括，保持升壓轉換器處於斷開狀態，允許電流流過升壓線圈、緩衝線圈以及第一二極體後，流向直流母線，然後接通開關，將電流從緩衝線圈導至開關。電流在緩衝線圈中被反向，通過第一電容、第三二極體、以及緩衝線圈給第二電容放電，藉此將能量從第二電容傳送至緩衝線圈。第二電容放電時，電流通過第四二極體、第三二極體以及第一電容分流，藉此將能量從緩衝線圈傳送至第一電容。然後斷開開關，電流通過第四二極體分流進入第二電容。第二電容上的電壓可以升高，直到電流開始從緩衝線圈流向第一電容，而後電流從第二電容。通過第三二極體流至第二二極體；從升壓線圈到緩衝線圈的電流加強，直到全部電流從升壓線圈流入緩衝線圈。隨後電流從第一電容流至第一二極體。重複這一過程。
在一實施方案中包括，SVT斷開緩衝電路中的二極體。另一個實施方案包括，當開關斷開時，通過電容減緩開關電壓的升高；，當開關接通至SVT和SCT切換升壓轉換器時，通過電感線圈減緩開關電流的上升。
本發明的第三方面在於，帶有輸入整流器的焊接電源，由該整流器提供經整流的電壓。一個預調節裝置接收所述經整流的信號作為輸入，並提供給直流母線。一轉換器將母線電流轉換為焊接輸出，所述預調節裝置則包括一個功率因數矯正電路。
本發明的另一方面在於，焊接電源帶有輸入整流器、預調節裝置以及換向器。所述預調節裝置包括一個緩衝電路，該電路帶有與第一二極體反並聯的第一開關，以及與第二二極體反並聯的第二開關。第一開關和第一二極體的組合，與第二開關和第二二極體的組合串聯，其中，第一和第二開關反向連接。
本發明的另一方面在於，焊接電源帶有換向器，該換向器具有經過變壓器的第一和第二電流通路，且每一條通路都是單向的。第一電流通路至少包括一個與第一二極體反並聯的第一開關。所述第二電流通路以第二方向經過所述變壓器的，該第二電流通路至少包括一個與第二二極體反並聯的第二開關。緩衝器包括一個電流通路，該通路帶有與第三二極體反並聯的第三開關、與第四二極體反並聯的第四開關。第三開關和反並聯的二極體與在相反方向上的第四開關和反並聯的第四二極體串聯。緩衝器還帶有至少一個緩衝電容。
在變化的實施方案中，所述第一和第二開關是半橋或全橋式布局。並且，可以將緩衝電容分成兩個電容。
本發明的另一個方面在於，一種提供焊接電源的方法接通第一電源開關和第一緩衝開關，允許電流流過第一電源開關、第一直流母線、第一功率電容、變壓器(以第一方向)；隨後，第一電源開關斷開，電流流過第一緩衝開關、第二緩衝二極體、緩衝電容、並以第一方向通過變壓器，以便在第一電源開關斷開時，實現慢電壓過渡斷開。隨後，電流流過第二反並聯功率二極體、第二直流母線、第二功率電容、並以第一方向通過變壓器，以便在第一電源開關保持斷開狀態時，繼續實現慢電壓過渡斷開；第一緩衝開關也斷開。在本系統處於靜止狀態後，第二電源開關接通，第二緩衝開關在第一電源開關斷開後接通，電流流過第二電源開關、變壓器(以第二方向)、第二功率電容以及第二母線。然後第二電源開關斷開，電流流過第二緩衝開關、第一緩衝二極體、變壓器(以第二方向)、及緩衝電容，以便在第二電源開關斷開時，實現慢電壓過渡斷開；隨後，電流流過第一功率二極體、變壓器(以第二方向)、以及第一功率電容，以便在第二電源開關斷開時，實現慢電壓過渡斷開；然後第二緩衝開關也斷開。重複這一過程。
本發明其他的主要特徵和優點，在閱讀隨後的附圖、詳細說明及所附權利要求後，本領域的技術人員會更為明了。
圖1為現有技術中帶升壓轉換器預調節裝置的焊接電源電路示意圖；圖2為本發明的焊接電源方框示意圖；圖3為在優選實施方案中使用的功率因數矯正電路的電路示意圖；圖4為圖2中預調節裝置的電路示意圖；圖5到13為圖4的電路示意圖，示出了各種不同的電流通路；圖14為開關電路的電路示意圖；圖15為使用圖14的開關電路的全波換向器；圖16為控制電路示意圖；以及，圖17到22為圖15中的電路示意圖，示出了各種不同的電流通路。
在詳細說明本發明的實施方案之前，須明了本發明並不限於下述說明所陳述及附圖中所圖解的元件的布置及結構細節。本發明可以有其他的實施方案，或者說可以以多種方式予以實現或實施。同樣也應當明了，在此使用的措辭和術語，其目的僅是為了描述，而不能認為是限定。相同的編號用以標示相同的元件。
由於將以使用升壓轉換器作為預調節裝置以及特定電路的焊接電源為準說明本發明，一開始就應當明了，其他的電路拓撲結構也是可能的。並且，該電源亦可以用於其他目的，而仍屬於本發明的範圍。
圖2示出了依據優選實施方案構造的焊接電源的方框示意圖，電源201代表用於向焊接電源提供電能的輸入線電壓，。在優選實施方案中，輸入線電壓可以是界於90至250伏之間的任何值，通常，電壓的工作頻率為60赫茲(在美國)，在優選實施方案中為單相的(但替代實施方案中也可以使用三相輸入)。其他的電壓同樣也可以使用。
輸入電壓提供給整流器202，該整流器可以是簡單的橋式全波整流器。整流器202的輸出是經整流的正弦信號。
預調節裝置204接收來自整流器102的經整流的正弦波信號，並將其提供給直流母線，輸出至輸出轉換器205。預調節裝置204在優選實施方案中為軟開關升壓轉換器，其具有接近於一的功率因數。亦可以採用其他的轉換器或換向器結構。在優選實施方案中，預調節裝置204同樣允許輸入線電壓是某一輸入電壓範圍內的任何值。
轉換器205最好是半橋式、變壓器被隔離的軟(或慢)開關的換向器。這樣的輸出電路將在下面詳細描述。輸出轉換器205可以用普通的正向轉換器代替(通常是一個降壓轉換器和一個變壓器)，在其他的實施方案中也可以使用其他的輸出轉換器。在名為「輔助開放電路電壓源」(AUXILIARY OPEN CIRCUITVOLTAGE POWER SUPPLY)的美國專利申請中描述了一種包括輸出補償轉換器的電路，該申請由VOGEL和GEISSLER發明、與本申請同日提交(在此用作參考文獻)，並已轉讓給本發明的受讓人。轉換器205的輸出通過線圈207提供給焊接輸出208。
圖4中示出了在優選實施方案中實現預調節裝置204的電路(與整流器202和電壓源201在一起)。圖4所示實施方案採用90-250伏交流電源線作為輸入電壓201。整流器202由二極體D6、D7、D8及D9組成，對輸入電壓進行整流，以提供單極性的正弦輸入電壓。
儘管預調節裝置204的功率因數矯正電路部分(將在下面描述)當輸入電壓為正弦信號時其功效最好，但輸入電壓亦可以是別種交流輸入。因而，在一個實施方案中提供了一個跨接在輸入整流器202上的小電容(10微法，圖中未示出)，用於平滑輸入線電壓。
經整流的輸入電壓供給升壓線圈L1(750微亨)，該升壓線圈與升壓開關Z1(最好是IGBT)連接構成升壓轉換器。反並聯二極體D5與開關Z1並聯，以便在轉換過程中保護開關Z1。實現無損耗開關的電路部分包括一個緩衝線圈L2(3.9微亨)、一對電容C1(1微法)和C2(0.068微法)、以及二極體D1、D2、D3和D4。開關Z1以已知的方式轉換，使預調節裝置204的輸出為所需電壓，而不管輸入電壓如何。通過電容C5(2000微法)提供輸出，以向下遊的轉換器提供穩定的電壓源(在優選實施方案中為400伏)。同樣，由電容C5防止電壓過高而損壞開關Z1。
參照圖5至圖11最容易明了預調節裝置204的軟開關，其中示出了各種電流通路(狀態)。第一狀態(圖5)為，當開關Z1斷開時，電流(箭頭501)在穩態條件下通過線圈L1和L2、二極體D1，向輸出電容C5充電(箭頭501)。
隨後，開關Z1接通，電流從線圈L1開始直接流過開關Z1(圖6中箭頭601所示)。由於開關Z1作用於線圈L2上一個反向的電壓，導致其電流減小。因而，所述電流(在所述狀態下)漸小地通過線圈L2，漸增地通過開關Z1。線圈L2有效地限制或減緩了開關Z1在接通時的電流，直到開關電壓下降(接近零)。這樣，開關Z1的接通就是一種慢電流過渡(SCT)。
最終，全部電流從線圈L1流過開關Z1，同時線圈L2中的電流一直減小到變為零，而後反向。如圖7中箭頭701所示，電容C2通過電容C1、二極體D3和線圈L2放電。電容C1和C2允許以SVT方式斷開二極體D1，從而降低損耗。放電發生的諧振頻率取決於電感線圈L2的電感時間常數和電容C1和C2的串聯電容(f＝1/(2π√(L2*(C1+C2)/C1*C2)))。電容C2的放電時間為二極體D1的SVT時間。
電容C2放電到約為零伏後，二極體D4開始導通，如圖8中箭頭801所示。當二極體D4導通時，線圈L2以諧振頻率向電容C1釋放其中儲存的能量，該諧振頻率取決於電感L2和電容C1(f＝1/(2π√(L2*C1)))，電容C1上的電壓能量轉換成線圈L2中的電流，而後又轉變為C1上的電壓。電壓的轉換率近似等於電容的轉換率。
當充電轉換完成，電流停止流向緩衝線圈L2時，緩衝器復原，通過開關Z1，線圈L1中的電流增大，如圖9所示。電路保持這一狀態，直至所述開關斷開。
下一步，開關Z1斷開(圖10)，電流通過二極體D4流入電容C2(箭頭1001)，電容C2確定了開關Z1的SVT時間從而實現軟斷開。電容C2上的電壓繼續升高，最終達到母線電壓(電容C5上的電壓)減去電容C1上的電壓。
當這一切發生時，電容C1上的電壓開始重新在線圈L2中形成電流(圖11，箭頭1101)，電容C2上的電壓繼續升高，直至達到母線電壓加上兩個二極體上的電壓降。此時，從線圈L1流出的、未被線圈L2獲得的電流，通過二極體D3(圖12中箭頭1201)被分流，電容C1上的電壓繼續加大線圈L2中的電流。
最終，全部電流從線圈L1流向線圈L2，通過二極體D3、D4的電流停止(圖13)。電容C1繼續向母線提供能量。
當電容C1上的全部能量耗盡時(傳遞給母線)，電流從線圈L1流至線圈L2並通過二極體D1。這就是開始所描述的狀態，如圖5所示。重複這一循環。
這樣，當開關Z1斷開時，通過電容C2使開關Z1兩端的電壓升高減緩，以使電流減小；當開關Z1接通時，通過線圈L2使流過開關Z1的電流升高減緩，以使電壓減小。而且，二極體D1是由電容C1和C2軟切換的。
預調節裝置204中進行功率因數矯正的部分是功率因數矯正電路404(圖4)，通常用於檢測輸入電壓波形，並讓電流的波形與線電壓波形相一致。該電路提供了非常接近1的功率因數，在優選實施方案中為0.99。功率因數矯正電路404可以用集成電路實現，諸如UC3854或ML4831，或採用分立元件實現。作為功率因數矯正電路404的輸入，包括整流器202的輸出電壓，預調節裝置204的輸出電壓，以及預調節裝置204(採用一個CT 405)的輸出電流。由於預調節裝置204的頻率(25千赫茲)遠遠超過線路的頻率(60赫茲)，因而能夠使預調節裝置的電流能夠通過檢測輸入電壓的波形並控制相應的輸入電流而跟蹤輸入線電壓的波形。
圖3示出了具有分立元件的功率因數矯正電路的一個實施方案404，該電路除了調節直流母線以外，還控制所述開關，以使輸入電流波形與輸入電壓波形相匹配。
輸入電壓經整流，提供給一個兩極貝塞爾濾波器(2 poleBessel filter)，以濾去開關頻率。該貝塞爾濾波器包括電容1602(0.0022微法)和1603(0.001微法)，電阻1606至1608(1兆歐)，電阻1609、1610(39.2千歐)，以及運算放大器1615。貝塞爾濾波器的輸出(V-RECT)提供給一個低通濾波器(大約2赫茲)，該低通濾波器包括電阻1611和1612(68.1千歐)，電容1604(0.22微法)、電容1605(47微法)，以及運算放大器1616。運算放大器1616的輸出給出一個輸入線電壓的平均值(V-LINE)。
V-LINE提供給標準的預充電電路1625，該電路在電源預充電過程中，在電解電容之前設置了一個延遲。運算放大器1626、電阻1629(100千歐)和1630(10千歐)直到線電壓達到某一閾值，才允許電容1627(10微法)通過電阻1628(100歐)充電。在線電壓達到閾值後，電容1627充電至某一電平，該電容在該電平通過相關元件接通繼電器(圖中未示出)，這些相關元件包括電阻R63(200千歐)、電阻R51(100千歐)、電阻R108(619千歐)、運算放大器U1、二極體D57、與非門U2、以及電阻R89(4.7千歐)。這些元件以通常方式工作。由所述繼電器對向電解電容充電的可控矽整流器(SCR)供能並激發之。
乘/除法器1631接收經整流的線電壓信號，並除以平均輸入(通常為230或460)，以便提供成比例的整流電壓。隨後，該比例整流電壓乘以來自母線的誤差信號(error signal)，產生一個參考命令(reference command)。特別地，運算放大器1615的輸出(V-RECT)(該輸出對應於經整流的輸入電壓)，通過電阻1632(100千歐)和運算放大器1633作為一個通道輸入提供給乘法器，乘法器的另一個通路輸入是母線誤差信號，由運算放大器1636A提供。
通過對數電晶體1635提供運算放大器1633的輸出、平均線電壓(V-LINE)通過運算放大器1636提供給對數電晶體1637。電晶體1635和1637的公共結點是減法結點，因而，電晶體1637的基極是減法的結果。其差值通過電晶體1638與母線誤差相加，其和提供給電晶體1639，電晶體1639取該值的反對數。由此完成了除法和乘法。其輸出通過運算放大器1641及其相關電路(包括二極體1642、電容1643(0.001微法)、以及電阻1645(20千歐))被換算。
電晶體1646限制運算放大器1641的輸出電流，並由電阻1647(20千歐)和二極體1642進行控制；運算放大器1650的輸入是經換算的母線電壓，並設置最大輸出命令。輸出命令(VCOMM)用於強迫電流波形與輸入電壓的波形相一致。
母線誤差信號由標準誤差電路提供，該誤差電路包括運算放大器1651以及相關電路電阻1653(20千歐)、1654(11千歐)、1655(499千歐)、二極體1657和電容1658(0.047微法)。8伏的參考電壓與被分成(及換算為)800伏的母線電壓相比較，誤差信號通過電阻1659(82.5千歐)提供給運算放大器1636A，後者控制電流的增大或減小，以操縱母線電壓的升高或降低。同時，電流指令由通過V-RECT提供的輸入信號波形進行調節，模擬經整流的輸入信號波形。這樣，就提供了要達到理想母線電壓的電流，但此時的電流波形可以獲得非常接近1的功率因數。
命令信號與從CT1由運算放大器1670反饋回來的電流反饋信號求和，並通過邏輯門(圖中未示出)提供給升壓驅動電路1660，以接通或斷開預調節裝置中的IGBT。CT(而不是例如LEM)用於提供反饋電流，因為，如果LEM失靈即會導致無限大的電流。
升壓驅動信號是0(IGBT開)或15伏(IGTB關)的數位訊號。升壓驅動的輸入提供給一對電晶體1661、1662的基極，因為邏輯門的輸出不能提供驅動IGBT的足夠的電流。因此，電晶體1661和1662提供了充足的電流。電晶體1663的電平移動。一對電晶體1665和1666的門通過電容1667(0.1微法)相連接。
本發明的另一方面是通過半橋式、變壓器被隔離的換向器實現的，該換向器是SVT方式切換的。換向器使用開關電路1400，如圖14所示，包括一對開關或IGBT 1402和1403，一對二極體1404和1405。二極體1404相對開關1402反並聯，二極體1405與開關1403反並聯，該兩組並聯的開關/二極體相串聯，但方向相反。這種布局提供了可以改變其方向的二極體型開關。
在圖15中示出了使用開關電路1400的換向器，其包括直流電壓源1501、一對帶有反並聯二極體1503和1504的開關1502和1504、一對電容1507和1508(1410微法)、變壓器1509、電容1512(0.099微法)、包括二極體1510和1511的輸出整流器、以及輸出線圈1513。
電容1512通過開關1502和1504轉換與變壓器1509的並聯。開關1402和1403用於軟切換開關1502和1504。開關1402和1403不需要進行特別的時間控制，實際上在50％的工作循環都隨同主時鐘一同運行。例如開關1502和1402同時接通，開關1502將電流輸往變壓器1509時開關1402不動作。當開關1502斷開時，開關1402保持開的狀態，電流直接流過開關1402和二極體1405，進入電容1512，從而實現SVT(慢電壓過渡，SlowVoltage Transition)斷開。在所述轉換完成後，開關1402斷開，同時二極體1405阻止電流從電容1512回流。這些是與開關1501、1402和二極體1405互補地進行的。這樣，該電路就實現了全波轉換的用途、PWM控制、無須特殊電路的完全的電容平衡控制以及開關的SVT有效利用。
請參照圖17到24，示出了在一個完整循環中的各種電流通路，這些圖中的電路是一種變換的實施方案，包括將電容1512分立成兩個電容，其中一個與上端母線連接，另一個與下方母線連接。這樣作是因為通過電容1507和1508的通路可以從根本上降低緩衝器的效率。
最初，緩衝器中的所有開關都處於斷開狀態，電容1512A和1512B將母線隔斷。800伏的母線同樣被電容1507和1508隔斷(對於半橋工況)。電容1507和1508應足夠大，以使它們之間的結點電壓在操作過程中恆定不變；開關1504和1402同時接通。當開關1402被二極體1404阻斷時，開關1504將功率提供給變壓器1509。因此開關1402一直處於「等待」狀態，直到開關1504斷開，如圖17所示。
開關1504斷開，電流通過變壓器傳輸至開關1403、二極體1404和電容1512(這些元件構成緩衝器通路)。開關1504兩端的電壓緩慢升高，實現緩慢的電壓過渡。這一電流通路在圖18中示出。
當開關1504兩端的電壓達到母線電壓時，變壓器1509中的剩餘能量通過二極體1503流回到母線。這一電流通路在圖19中示出。當變壓器1509中的能量已經提供給母線時，系統進入停頓狀態，此時緩衝電容1512被完全充滿，實現了開關1502的軟轉換(圖15)。
在系統進入停頓狀態後，開關1502和1403一起接通。當開關1403被二極體1404阻斷時，開關1502將功率傳遞給變壓器1509。這樣，開關1403一直處於等待狀態，直到開關1502斷開(圖20)。
開關1502斷開，通過包括二極體1404和開關1403的緩衝器通路從變壓器1509傳送給電容1512的電流緩慢升高，從而實現緩慢的電壓過渡。這一電流通路示於圖21中。電流一直在這個通路中持續，直到開關1502兩端的電壓達到母線的電壓，變壓器1509中的剩餘能量則通過二極體1505(圖22)流入母線。電容1512被完全充滿，使開關1504可以實現軟轉換。重複上述過程。
圖15到22中所使用的開關緩衝器的一個特徵在於，如果輸出功率小於變換緩衝電容1512從「幹線至幹線」(「rail to rail」)所必要的功率，主開關(1504和1502)就沒有實際損耗。因此，無須完全變換緩衝器。可逆的單向開關防止緩衝器幹擾開關的接通，從而實現與負載相稱的緩衝。這一特徵允許實現很大功率的緩衝，而無須限制換向器的負載範圍。
一個變換的實施方案包括使用全橋型緩衝器。
圖16示出了用於控制圖14到22中開關緩衝器的切換的控制電路，四個門驅動1402A-1405A用於向開關1402-1405分別提供門信號。這些門驅動在圖中未詳盡示出，是常規的門驅動，比如Miller XMT 304中的門驅動。這些門驅動在高輸出和低輸出保持門斷開時反轉。
門驅動1402A-1405A受邏輯電路2301的控制。邏輯電路2301在優選實施方案中包括若干與非門和或門，而任何設計人員都可以選擇其具體的結構。在一個實施方案中，啟動信號(enable signal)也作為邏輯電路2301的輸入。僅在電源關閉時使用啟動信號。
圖16還示出了誤差放大電路2303。該誤差放大電路2303可以是標準的誤差電路，在優選實施方案中，其與CT反饋信號一同使用。誤差放大電路2301的輸出是一個PWM參考信號。經由一光隔離器(opto-isolator)2305提供PWM參考信號控制，以使電路的其餘部分與誤差放大電路電隔離。一對電阻2306(10千歐)和2307(2千歐)變換所述PWM參考命令，以作為到光隔離器2305的輸入。光隔離器2305的輸出通過電阻2308(10千歐)從電流轉換為電壓。
總體上，所述控制電路實現了一種改進的PWM控制方案。典型的PWM方案是在最小脈衝寬度上工作，該脈衝寬度受到調節，以增加或減小電流。但是，對於小於最小脈衝寬度所對應電流的電流，其脈衝頻率被降低(以增加斷開時間)。之所以使用最小脈衝寬度，是由於門驅動的速度有限。
常規的帶有調製段的脈衝與斜波(ramp)一同工作，該斜波由運算放大器2310、電阻2311(10千歐)、2312(10千歐)、和2313(200千歐)產生。運算放大器2310通過二極體2314接收PWM參考指令。在斜波開始時，接通合適的開關。斜波由運算放大器2315、電阻2316(10千歐)、2317(611千歐)、2318(20千歐)、2319(200千歐)、2321(6.11千歐)和2322(2千歐)啟動。
在總斜波時間的95％，主電源開關(1502和1504)都保持接通，該95％的閾值是由運算放大器2325和電阻2326(10千歐)設置的。通過改變觸發器2327(與運算放大器2325連接)的輸入設置狀態而斷開所述開關。緩衝開關(1402和1403)在100％的斜波時間均斷開。
電流源包括電晶體2330和2331、電阻2333(332歐)、2334(100歐)和2335(9100歐)。由該電流源設定所述斜波的斜率。當電容2337(100皮法)放電至由二極體2338設置的閾值時，斜波重新啟動。斜波將一直以電流源設置的斜率持續下去，直到電容電壓達到由運算放大器2315及其電路設置的閾值。
觸發器2328用於在開關間轉換，以接收啟動信號和機器開關信號。
通常，電路工作如下電容電壓被完全重置到最小，隨後斜波開始上升，同時電容上的電壓開始從電流源升高。電容充電時，光隔離器(opto-isolator)的輸出被提供給運算放大器2310，由後者的脈衝寬度調節所述開關。當電容電壓升至高於由光隔離器設置的參考電壓時，運算放大器2310改變狀態，使所述開關斷開。由控制觸發器2328決定主電源開關中的哪一個(僅僅一個)處於常規接通狀態。如果電容電壓增加達到由運算放大器2315設置的水平(峰值的95％)，所述處於接通狀態的主電源開關就斷開。
頻率調節(對於低電流指令)操作如下運算放大器2315的輸出(斜波重置，the ramp reset)通過與非門2341、電阻2342(100千歐)和緩衝電晶體2343被反饋。機器開關信號同時提供給電晶體2343。與非門2341的輸出同樣通過時鐘輸入導致觸發器2328的狀態改變。
包括電阻2342和2345(68.1千歐)的分壓器與二極體2346相連接。如果二極體2346將電阻2345一端的電壓下拉，電阻2347(5.11千歐)兩端的電壓也會下降。電流鏡象(current mirror)包括電阻2349和2350(100歐)，電晶體2351和2352為斜波提供了殘餘電流(rest current)。但是，如果通過2346的電壓足夠低，電晶體2343的電壓輸入將接地，電晶體2343將不向電流鏡象提供電流用於重置電容2333，從而允許斜波繼續上升。
本發明的各個方面儘管是在焊接電源的情況下描述的，仍可應用於許多不同的領域。通常，在希望利用升壓轉換器實現低損耗開關時，即可應用本發明的方案。
本發明還可以有許多的變換而仍屬於本發明的範圍。因此，應當清楚，根據本發明，在此已經提供了一種方法及其裝置，用以提供具有完全實現前述發明目的和優點的高功率因數和低開關損耗的電源。儘管是結合特定實施方案對本發明進行描述，但顯然，對於本領域的技術人員，有眾多的替換、修改和變化都是顯而易見的。因此，應當領會所有這樣的替換、修改和變化都屬於所附權利要求的精神和主要範圍。
權利要求
1.一種焊接電源，包括輸入整流器，用以接收輸入線電壓，並在輸出端提供經整流的電壓，預調節裝置，接收整流器的輸出作為其輸入，同時提供直流母線作為輸出；以及轉換器，用以接收預調節裝置的輸出，同時提供焊接輸出；其中，預調節裝置是以SVT(慢電壓過渡)和SCT(慢電流過渡)方式開關的轉換器。
2.如權利要求1所述的電源，其中，預調節裝置包括帶有二極體的緩衝電路，該二極體是以SCT方式開關的。
3.如權利要求2所述的電源，其中，預調節裝置二極體是以SVT方式開關的。
4.如權利要求1所述的電源，其中，所述轉換器是包括開關的升壓轉換器，所述預調節裝置包括帶有電容和電感線圈的緩衝電路，其中，電容的連接用於在開關斷開時，減緩開關電壓的升高，電感線圈的連接用於在開關接通時，減緩開關電流的增大。
5.如權利要求1所述的電源，其中所述升壓轉換器包括升壓線圈、開關、以及輸出電容；所述轉換器包括緩衝器，該緩衝器包括緩衝電容、緩衝線圈、第一緩衝二極體、第二緩衝二極體、第三緩衝二極體、第四緩衝二極體、以及第一和第二緩衝電容；所述緩衝線圈、開關、以及第四二極體以這樣一種方式連接電流可以從所述升壓線圈流向緩衝線圈、開關和第四二極體中的任何一個；流過第四二極體的電流可以流過或者是第三二極體、或者是第二電容；從升壓線圈流過緩衝線圈的電流可以流過或者是第一二極體、或者是第一電容；第四二極體和第二電容與開關並聯；流過第三二極體的電流可以流過或者是第一電容和緩衝線圈、或者是第二二極體；以及，流過第一和第二二極體的電流流至輸出端。
6.如權利要求4所述的電源，還包括與開關反並聯的第五緩衝二極體。
7.一種提供焊接電源的方法，包括如下步驟將輸入線電壓整流；對輸入線電壓進行預調節，提供給直流母線；以及，將直流母線轉換為焊接輸出；其中，預調節步驟包括以SVT和SCT方式開關升壓轉換器。
8.如權利要求7所述的方法，其中，預調節步驟包括如下步驟保持升壓轉換器開關處於斷開狀態，允許電流流過升壓線圈、緩衝線圈和第一二極體至直流母線；接通開關，將電流從緩衝線圈導至開關；將電流在緩衝線圈中反向；通過第一電容、第三二極體和緩衝線圈使第二電容放電，藉此將能量從第二電容傳遞給緩衝線圈；當第二電容放電時，使電流流過第四二極體、第三二極體、第一電容，藉此將能量從緩衝線圈傳遞給第一電容；斷開開關，通過第四二極體將電流導入第二電容；允許第二電容上的電壓一直升高，直到電流開始從緩衝線圈流向第一電容；使電流從第二電容通過第三二極體流至第二二極體；允許從升壓線圈流向緩衝線圈的電流持續增大，直到全部電流從升壓線圈流入緩衝線圈；使電流從第一電容流至第一二極體；以及，重複上述步驟。
9.如權利要求7所述的方法，其進一步包括以SVT方式斷開緩衝電路中的二極體的步驟。
10.如權利要求9所述的方法，其中，以SVT和SCT方式開關升壓轉換器的步驟包括當開關斷開時，藉助於電容減緩開關電壓的升高，當開關接通時，藉助於電感線圈減緩開關電流的增大。
11.一種焊接電源，包括輸入整流設備，用於接收輸入線電壓，並提供經整流的電壓；預調節設備，用於接收經整流的電壓，並提供直流母線，其中，預調節設備與整流器設備連接；以及，轉換器設備，用於接收預調節設備的輸出，同時提供焊接輸出，其中，轉換器設備與預調節設備相連接；其中，預調節裝置設備包括SVT和SCT開關裝置。
12.如權利要求11所述的電源，其中，預調節設備包括帶有二極體的緩衝設備，該二極體是以SVT方式開關的。
13.如權利要求11所述的電源，其中，所述升壓轉換器包括開關，所述預調節裝置包括緩衝電路設備，用於提供SVT和SCT開關。
14.一種焊接電源，包括輸入整流器，用於接收輸入線電壓，並在輸出端提供經整流的電壓，預調節裝置，用於接收整流器的輸出作為其輸入，同時提供直流母線作為輸出；以及換向器，用於接收預調節裝置的輸出，同時提供焊接輸出；其中，換向器包括緩衝電路，該緩衝電路具有與第一二極體反並聯的第一開關，與第二二極體反並聯的第二開關，其中，第一開關與第一二極體連接後，與第二開關和第二二極體的組合相串聯，其特徵還在於，第一和第二開關以相反方向連接。
15.一種焊接電源，包括以第一方向通過變壓器的第一電流通路，該第一電流通路包括，至少一個與第一二極體反並聯的第一開關；以第二方向通過變壓器的第二電流通路，該第二電流通路包括至少一個與第二二極體反並聯的第二開關；緩衝器，包括電流通路，該通路具有與第三二極體反並聯的第三開關、與第四二極體反並聯的第四開關，其中，第三開關和反並聯的二極體與在相反方向的第四開關和反並聯的二極體串聯，以及至少一個緩衝電容。
16.如權利要求15所述的電源，其中，第一和第二開關是半橋式布局。
17.如權利要求15所述的電源，其中，至少一個緩衝電容包括與第一母線連接的第一緩衝電容和與第二母線連接的第二緩衝電容。
18.如權利要求15所述的電源，其中，至少一個緩衝電容與第三和第四開關及反並聯的二極體串聯。
19.一種提供焊接電源的方法，包括如下步驟接通第一電源開關和第一緩衝開關，允許電流流過第一電源開關、第一直流母線、第一功率電容，並以第一方向通過變壓器；斷開第一電源開關，允許電流流過第一緩衝開關、第二緩衝二極體、緩衝電容、並以第一方向通過變壓器，以在第一電源開關斷開時，實現慢電壓過渡斷開；允許電流流過第二反並聯功率二極體、第二直流母線、第二功率電容、並以第一方向通過變壓器，以在第一功率開關繼續斷開狀態時，繼續實現慢電壓過渡斷開；斷開第一緩衝開關；在第一電源開關斷開後，接通第二電源開關和第二緩衝開關，允許電流流過第二電源開關、第二方向的變壓器、第二功率電容及第二母線；斷開第二電源開關，允許電流流過第二緩衝開關、第一緩衝二極體、第二方向的變壓器及緩衝電容，以在第二電源開關斷開時，實現慢電壓過渡斷開；允許電流流過第一功率二極體、第一方向的變壓器和第一功率電容，以在第二電源開關斷開時，實現慢電壓過渡斷開；斷開第二緩衝開關；重複以上步驟。
20.如權利要求19所述的方法，其中，接通電源開關的步驟包括電源開關的軟接通。
21.如權利要求19所述的方法，其中，允許電流流過第二緩衝二極體和緩衝電容的步驟包括允許電流流過第二緩衝二極體和第一緩衝電容；還包括允許電流流過第二母線和第二電容。
22.如權利要求21所述的方法，其中，允許電流流過緩衝電容和第二緩衝二極體的步驟包括允許電流流過第二緩衝二極體和第二緩衝電容；還包括允許電流流過第一母線和第一電容。
全文摘要
一種焊接電源,包括一個輸入整流器,後者接收正弦或交流線電壓,同時提供經整流的電壓。由預調節裝置提供直流母線,並由轉換器,例如升壓轉換器,提供焊接輸出。所述預調節裝置是一個以SVT(slow voltage transition,慢電壓過渡)方式和SCT(slow current transition,慢電流過渡)方式開關的轉換器。從而提供了一種低開關損耗和高功率因數的電源電路。
文檔編號B23K9/06GK1241466SQ9910967
公開日2000年1月19日 申請日期1999年7月5日 優先權日1998年7月9日
發明者史蒂文·蓋斯勒 申請人:伊利諾伊工具公司