变极性焊接电源的二次逆变再燃弧电压产生电路及其应用

摘要

本发明涉及一种变极性焊接电源的二次逆变再燃弧电压产生电路，包括第一支路以及功率开关器件，所述第一支路包括稳压二极管以及快恢复二极管，所述稳压二极管具有一阴极和阳极，所述快恢复二极管具有一阴极和阳极，所述功率开关器件具有一门极，集电极以及发射极，所述稳压二极管的阴极和所述快恢复二极管的阴极连接，所述稳压二极管的阳极与所述功率开关器件的门极连接，所述快恢复二极管的阳极与所述功率开关器件的集电极连接。本发明进一步将该再燃弧电压产生电路应用于二次逆变电路以及变极性焊接电源中。

说明书

技术领域

本发明涉及一种变极性焊接电源的二次逆变再燃弧电压产生电路、包含该二次逆变再燃弧电压产生电路的二次逆变电路以及变极性焊接电源。

背景技术

变极性电弧焊接是一种重要的焊接工艺，具有电弧稳定、抗磁偏吹、可调参数多、工艺适应性强等优点，在埋弧焊、TIG、MIG、MAG等焊接中均有应用。

变极性焊接电源的功率变换电路一般采用两级逆变电路结构，三相电网电压（380V/50Hz）经整流滤波、一次逆变以及变压器降压之后，输出低压方波交流，再经过次级整流、滤波以及二次逆变，输出变极性交流电流。

变极性电弧焊接的关键技术之一是保证输出变极性交流电流过零时刻的电弧稳定性。当电流过零时，电弧瞬间熄灭，需要重新燃弧，而重新引燃电弧的难易与再燃弧瞬间电流的变化速度和再燃弧电压有极大关系。

合理的二次逆变电路结构、参数和控制方法可以使输出电流的变极性过程稳定、快速进行。为了实现输出变极性，现有逆变式变极性焊接电源功率变换电路的二次逆变电路一般采用全桥式电路或者带有耦合电感的半桥式电路。无论是这两种电路的哪一种，在进行输出电流极性切换时，均是在所用功率开关器件关断时，利用开关两端产生的再燃弧高压迫使输出电流快速切换方向。为了使得关断时功率开关器件两端产生的电压稳定可靠，一般会在功率开关器件的发射极与集电极之间并联无源缓冲网络，比如由电阻和电容组成的RC缓冲网络或者仅单纯并联电容。这些无源缓冲网络不仅有诸如对初始缓冲电流和电路寄生参数敏感等不足，而且参数设计过程复杂。

发明内容

有鉴于此，提供一种可以在变极性焊接电源二次逆变电流极性切换的过程中产生稳定可靠再燃弧电压并且设计简单的再燃弧电压产生电路以及使用该再燃弧电压产生电路的二次逆变电路、变极性焊接电源实为必要。

一种变极性焊接电源的二次逆变再燃弧电压产生电路，包括第一支路以及功率开关器件，所述第一支路包括稳压二极管以及快恢复二极管，所述稳压二极管具有一阴极和阳极，所述快恢复二极管具有一阴极和阳极，所述功率开关器件具有一门极，集电极以及发射极，所述稳压二极管的阴极和所述快恢复二极管的阴极连接，所述稳压二极管的阳极与所述功率开关器件的门极连接，所述快恢复二极管的阳极与所述功率开关器件的集电极连接。

一种变极性焊接电源的全桥式二次逆变电路，包括四个功率开关电路E1、E2、E3以及E4组成的逆变全桥，其中，所述功率开关电路E1与E4同时导通、同时关断，所述功率开关电路E2与E3同时导通、同时关断，所述功率开关电路E1和E4中的至少一个电路为所述的二次逆变再燃弧电压产生电路，且所述功率开关电路E2和E3中的至少一个电路为所述的二次逆变再燃弧电压产生电路。

一种变极性焊接电源的半桥式二次逆变电路，包括功率开关电路H1以及功率开关电路H2组成的逆变半桥，该功率开关电路H1和功率开关电路H2均为所述再燃弧电压产生电路。

相对于现有技术，本发明实施例提供的变极性焊接电源的二次逆变再燃弧电压产生电路通过在功率开关器件的门极与集电极之间跨接串联的快恢复二极管和稳压二极管，从而在变极性焊接时，由于稳压二极管在电流极性变换的过程中产生的稳定电压可以迫使焊接电流快速过零换向，从而可以获得稳定的再燃弧电压，以维持电弧的稳定燃烧，该二次逆变电路再燃弧电压产生电路应用于变极性焊接电源时无需复杂的控制，并可以克服现有再燃弧二次逆变电路中并联无源缓冲网络对初始电流、电路寄生参数敏感的问题。

附图说明

图1为本发明第一实施例提供的变极性焊接电源的二次逆变再燃弧电压产生电路的电路图。

图2为本发明第一实施例提供的变极性焊接电源的二次逆变再燃弧电压产生电路的工作过程原理图。

图3为本发明第二实施例提供的变极性焊接电源的二次逆变再燃弧电压产生电路的电路图。

图4为本发明第三实施例提供的变极性焊接电源的二次逆变再燃弧电压产生电路的电路图。

图5为本发明第四实施例提供的变极性焊接电源的全桥式二次逆变电路的电路图。

图6为图5的变极性焊接电源的全桥式二次逆变电路电流极性变换过程对应电流、电压的波形随时间变化图。

图7为图5的变极性焊接电源的全桥式二次逆变电路电流极性变换过程原理示意图。

图8为本发明第五实施例提供的变极性焊接电源的全桥式二次逆变电路的电路图。

图9为本发明第六实施例提供的变极性焊接电源的全桥式二次逆变电路的电路图。

图10为本发明第七实施例提供的变极性焊接电源的全桥式二次逆变电路的电路图。

图11为本发明第八实施例提供的变极性焊接电源的全桥式二次逆变电路的电路图。

图12为本发明第九实施例提供的变极性焊接电源的半桥式二次逆变电路的电路图。

图13为图12的变极性焊接电源的半桥式二次逆变电路电流极性变换过程中电流、电压的波形随时间变化图。

图14为图12的变极性焊接电源的半桥式二次逆变电路极性变换过程的原理示意图。

图15为本发明第十实施例提供的变极性焊接电源的电路结构框图。

主要元件符号说明

二次逆变再燃弧电压产生电路10，20，30全桥式二次逆变电路100，200，300，400，500半桥式二次逆变电路600变极性焊接电源700电网电压整流滤波电路720一次逆变电路740降压电路760次级整流滤波电路780二次逆变电路790

如下具体实施方式将结合上述附图进一步说明本发明。

具体实施方式

下面将结合附图及具体实施例对本发明提供的变极性焊接电源的二次逆变再燃弧电压产生电路作进一步的详细说明。

请参阅图1，本发明第一实施例提供一种变极性焊接电源的二次逆变再燃弧电压产生电路10，包括一第一支路以及功率开关器件Q，所述第一支路包括稳压二极管Zf以及快恢复二极管Df，所述稳压二极管Zf与快恢复二极管Df串联连接。所述稳压二极管Zf具有一阳极和一阴极，所述快恢复二极管Df具有阳极和一阴极，所述功率开关器件Q具有一集电极、门极以及发射极。所述稳压二极管Zf的阴极与所述快恢复二极管Df的阴极连接，所述稳压二极管Zf的阳极与所述功率开关器件Q的门极连接，所述快恢复二极管Df的阳极与所述功率开关器件Q的集电极连接。

所述快恢复二极管Df（FRD，Fast Recovery Diode）可正向导通，反向截止。优选地，当电压反转时，该快恢复二极管Df从正相导电转换为反向截止状态所需的时间较短，即反向恢复时间较短。此外，其它可以实现正向导通，反向截止的功率器件均可用于该第一支路中与所述稳压二极管Zf连接。

所述功率开关器件Q可以为具有开关作用的半导体器件。优选地，所述功率开关器件Q为三极管，更为优选地，所述功率开关器件为IGBT开关管。本发明实施例中所述功率开关器件Q为IGBT开关管。

请一并参阅图1-2，所述再燃弧电压产生电路10在工作时，所述功率开关器件Q的门极接门极电压Vg，一次逆变后经次级整流滤波的输出电流Iout从所述功率开关器件Q的集电极输入。该再燃弧电压产生电路10工作的过程为：

请参阅图2（a），功率开关器件Q开通：当所述门极电压Vg处于高电平时，所述快恢复二极管Df截止，所述功率开关器件Q的门极与集电极之间断开，所述功率开关器件Q正常导通，电流流向为从功率开关器件Q的集电极流向发射级；

请参阅图2（b），功率开关器件Q关断：当所述门极电压Vg从高电平切换为低电平时，所述快恢复二极管Df导通，所述稳压二极管Zf开始工作，由于门极电压处于低电平，所述功率开关器件Q进入线性工作状态，其工作行为基本等效为一个稳压二极管，从而在功率开关器件Q的集电极和发射级之间产生稳定的输出电压，该输出电压与所述稳压二极管的稳压值基本相等。

由于稳压二极管Zf的作用，从而在电路中产生稳定的再燃弧电压，从而在电流极性变换时可以迫使电流能快速过零。

请参阅图1，该再燃弧产生电路10可进一步包括一反并联二极管D，该反并联二极管D跨接在所述功率开关器件Q的集电极与发射极之间。具体地，所述反并联二极管D具有一阳极和阴极，所述反并联二极管D的阳极与所述功率开关器件Q的发射极连接，所述反并联二极管D的阴极与所述功率开关器件Q的集电极连接。当所述功率开关器件Q为所述IGBT开关管时，由于IGBT开关管内部本身已经含有反并联二极管D，此时，该再燃弧产生电路10也可以不额外包括所述反并联二极管D。

进一步地，该再燃弧产生电路10可包括一RC缓冲网路，该RC缓冲网络可以起保护作用，使再燃弧电压产生得更稳定。

请参阅图3，本发明第二实施例进一步提供一种变极性焊接电源的二次逆变再燃弧电压产生电路20，该二次逆变再燃弧电压产生电路20的结构与所述二次逆变再燃弧电压产生电路10的结构基本相同，区别在于，该二次逆变再燃弧电压产生电路20进一步包括一RC缓冲网路，该RC缓冲网络包括缓冲电阻R以及与该缓冲电阻R串联的缓冲电容C。该RC缓冲网络可跨接于所述功率开关器件Q的集电极和门极之间。

请参阅图4，本发明第三实施例进一步提供一种变极性焊接电源的二次逆变再燃弧电压产生电路30，该二次逆变再燃弧电压产生电路30的结构与所述二次逆变再燃弧电压产生电路20的结构基本相同，区别在于，该再燃弧产生电路30中所述RC缓冲网络跨接在所述功率开关器件Q的集电极与发射级之间。

请参阅图5，本发明第四实施例进一步提供一种采用所述再燃弧电压产生电路10、20或30的全桥式二次逆变电路100，该全桥式二次逆变电路100包括四个功率开关电路E1、E2、E3以及E4组成的逆变全桥。所述功率开关电路E1和E4同时导通且同时关断，所述功率开关电路E2和E3同时导通且同时关断。所述功率开关电路E1以及E4中的至少一个电路为所述再燃弧产生电路10、20或30，且所述功率开关电路E2和E3中的至少一个电路为所述再燃弧产生电路10、20或30。

所述功率开关电路E1包括功率开关器件Q1，所述功率开关电路E2包括功率开关器件Q2，所述功率开关电路E3包括功率开关器件Q3，所述功率开关电路E4包括功率开关器件Q4。所述功率开关器件Q1的发射极与功率开关器件Q3的集电极连接并做为第一输出端，所述功率开关器件Q2的发射极与功率开关器件Q4的集电极连接并作为第二输出端。所述功率开关器件Q1的集电极与功率开关器件Q2的集电极连接并做为第一输入端，所述功率开关器件Q3的发射极与功率开关器件Q4的发射极连接并作为第二输入端。所述第一输入端与第二输入端与前端的次级整流滤波电路连接（本发明实施例中等效为恒流源Iout）。所述第一输出端与第二输出端作用于电弧。

该全桥式二次逆变电路100中，所述功率开关电路E1以及E4中的至少一个电路为所述再燃弧产生电路10、20或30，且所述功率开关电路E2和E3中的至少一个电路为所述再燃弧产生电路10、20或30。即，所述功率开关器件Q1和Q4中的至少一个的集电极与门极之间跨接有所述第一支路，且所述功率开关器件Q2和Q3中的至少一个的集电极与门极之间跨接有所述第一支路。其中所述第一支路与所述功率开关器件之间的连接方式与所述再燃弧电压产生电路中的连接方式相同。本发明第四实施例中，所述功率开关电路E3和E4为所述再燃弧电压产生电路10。

所述功率开关器件Q1、Q2、Q3以及Q4可与所述功率开关器件Q相同，均可为具有开关作用的半导体器件。优选地，所述功率开关器件Q1、Q2、Q3以及Q4的性能参数相同。本发明第二实施例中，所述功率开关器件Q1、Q2、Q3以及Q4为性能参数相同的IGBT开关管。

请参阅图6以及图7，该全桥式二次逆变电路100电流极性变换的工作过程以及原理如下，其中Lw为电缆寄生电感，Rarc为负载电弧，流过负载电弧的焊接电流为Iw，串联的电缆和负载电弧两端的电压为Uw：

请参阅图7（A），初始0时刻，所述功率开关器件Q1和Q4导通，Q2和Q3关断，为正极性电流，焊接电流Iw流向依次为：功率开关器件Q1→负载电弧Rarc→功率开关器件Q4，其中焊接电流Iw为所述一次逆变整流滤波后的输出电流Iout；

请参阅图7（B），1时刻，功率开关器件Q2和Q3也导通，从而使该二次逆变电路进入共同导通状态，所述焊接电流Iw在所述电压Uw的作用下逐渐衰减；

请参阅图7（C）-图7（E），2时刻，所述焊接电流Iw下降到阈值，所述功率开关器件Q1和Q4的门极信号关断，此时，所述功率开关器件Q4在其门极和集电极之间的稳压二极管作用下，再燃弧电压产生电路开始工作，从而在电路中产生一个稳定的高电压（稳压二极管两端产生的稳压值），从而迫使所述焊接电流Iw快速换向，所述阈值无需特殊的限定，只要使所述焊接电流Iw的值的大小可以保证所述功率开关器件的安全就好；

请参阅图7（F），3时刻，所述焊接电流Iw换向结束，该焊接电流Iw的值为所述Iout，此时，不再有电流通过所述功率开关器件Q4，从而功率开关器件Q4进入完全关断状态，该全桥式二次逆变电路100的电流极性变换过程结束，焊接电流流向依次为：功率开关器件Q2→负载电弧Rarc→功率开关器件Q3。

后续再次进行的焊接电流Iw的极性变换过程与上述过程对称，在此不再赘述。

请参阅图8，本发明第五实施例进一步提供一种全桥式二次逆变电路200，该全桥式二次逆变电路200的电路结构与所述全桥式二次逆变电路100的结构基本相同，区别在于，所述功率开关电路E1为所述再燃弧电压产生电路10、20或30，且所述功率开关电路E2为所述再燃弧电压产生电路10、20或30。

请参阅图9，本发明第六实施例进一步提供一种全桥式二次逆变电路300，该全桥式二次逆变电路300的电路结构与所述全桥式二次逆变电路100的结构基本相同，区别在于，所述功率开关电路E1为所述再燃弧电压产生电路10、20或30，且所述功率开关电路E3为所述再燃弧电压产生电路10、20或30。

请参阅图10，本发明第七实施例进一步提供一种全桥式二次逆变电路400，该全桥式二次逆变电路400的电路结构与所述全桥式二次逆变电路100的结构基本相同，区别在于，所述功率开关电路E2为所述再燃弧电压产生电路10、20或30，且所述功率开关电路E4为所述再燃弧电压产生电路10、20或30。

请参阅图11，本发明第八实施例进一步提供一种全桥式二次逆变电路500，该全桥式二次逆变电路500的电路结构与所述全桥式二次逆变电路100的结构基本相同，区别在于，所述功率开关电路E1、E2、E3以及E4均为所述再燃弧电压产生电路10、20或30。

请参阅图12，本发明第九实施例进一步提供一种使用所述再燃弧电压产生电路10、20或30的半桥式二次逆变电路600，该半桥式二次逆变电路600包括功率开关电路H1以及功率开关电路H2组成的逆变半桥。其中，所述功率开关电路H1和功率开关电路H2均为所述再燃弧电压产生电路10、20或30。

进一步地，所述功率开关电路H1包括功率开关器件Q1’，所述功率开关电路H2包括功率开关器件Q2’。

所述功率开关器件Q1’的集电极作为该半桥式二次逆变电路600的第一输入端，所述功率开关器件Q1’的发射级与所述功率开关器件Q2’的集电极连接并作为第一输出端作用于电弧，所述功率开关器件Q2’的发射极作为该半桥式二次逆变电路600的第二输入端，该半桥式二次逆变电路600的第一输入端与前端的次级整流电路的正极性输出端连接，该半桥式二次逆变电路600的第二输入端与前端的次级整流电路的负极性输出端连接。所述功率开关器件Q1’的门极与集电极之间跨接所述第一支路，且所述功率开关器件Q2’的门极与集电极之间也跨接所述第一支路。具体地，在所述功率开关电路H1中，所述稳压二极管Zf的阴极与所述快恢复二极管Df的阴极连接，并且所述稳压二极管Zf的阳极与所述功率开关器件Q1’的门极连接，所述快恢复二极管Df的阳极与所述功率开关器件Q1’的集电极连接。在所述功率开关电路H2中，所述稳压二极管Zf的阴极与所述快恢复二极管Df的阴极连接，并且所述稳压二极管Zf的阳极与所述功率开关器件Q2’的门极连接，所述快恢复二极管Df的阳极与所述功率开关器件Q2’的集电极连接。

所述功率开关器件Q1’以及功率开关器件Q2’可与所述功率开关器件Q相同。本发明实施例中所述功率开关器件Q1’和Q2’为所述性能参数相同的IGBT开关管。

进一步地，该半桥式二次逆变电路600包括第一续流电感L1以及第二续流电感L2，该第一续流电感L1和第二续流电感L2构成耦合电感，第一续流电感L1的1端和第二续流电感L2的1端构成同名端，第一续流电感L1的2端和第二续流电感L2的2端构成同名端，第一续流电感L1的1端连接到所述次级整流电路的正极性输出端，第一续流电感L1的2端与所述功率开关器件Q1’的集电极连接。所述第二续流电感L2的2端连接到所述次级整流电路的负极性输出端，所述第二续流电感L2的1端连接到所述功率开关器件Q2’的发射极。

请参阅图12，一次逆变电路输出后经降压器T降压后，输入到次级整流电路，次级整流电路输出后接所述半桥式二次逆变电路600。

所述降压器T可将一次逆变电压输出的高压方波交流电压（如幅值为500伏以上）降为低压的方波交流电压（如幅值约为65V）。该降压器T包括原边绕组以及副边绕组，所述原边绕组连接到所述一次逆变电路的输出端，所述副边绕组的两端分别为端头a和端头b，该副边绕组进一步包括一中心抽头COM，该中心抽头COM作为作为第二输出端与所述半桥式二次逆变电路600的第一输出端共同作用于电弧。

所述次级整流电路由快恢复功率二极管D1、D2、D3和D4构成。所述快恢复功率二极管D1和D2的阴极连接作为所述次级整流电路的正极性输出端，并连接到所述半桥式二次逆变电路600的第一输入端。本发明实施例中，所述快恢复功率二极管D1和D2的阴极连接到所述第一续流电感的1端。所述快恢复功率二极管D3和D4的阳极连接作为所述次级整流电路的负极性输出端，并连接到所述半桥式二次逆变电路600的第二输入端。本发明第九实施例中，所述所述快恢复功率二极管D3和D4的阳极连接到所述第二续流电感L2的2端。在图12左图的等效电路图（右图）中，Lw为与焊接电源焊枪连接的电缆产生的电缆寄生电感，Lm为励磁电感。

请参阅图13至14，该半桥式二次逆变电路600的电流极性变换的过程如下，其中，Iw为焊接电流，Im为励磁电流，PMW为一次逆变电路的输出信号：

0时刻之前，所述功率开关器件Q1’导通，Q2’关断，所述焊接电流Iw为所述一次逆变电流经变压整流后的输出电流；

0时刻，一次逆变电路停止工作，焊接电流Iw在电弧电压的作用下减小；

1时刻，功率开关器件Q2’导通，该半桥式二次逆变电路600进入共同导通状态，所述焊接电流Iw在所述电弧电压作用下逐渐衰减；

2时刻，所述焊接电流Iw下降到阈值，功率开关器件Q1’的门极信号关断，此时Q1’在其门极、集电极之间的稳压二极管作用下，所述再燃弧电压产生电路开始工作，从而在电路中产生一个稳定的再燃弧高压，强迫焊接电流迅速换向；到3时刻，流过Q1’的电流下降到零，Q1’完全关断，焊接电流换向过程完成；

3时刻开始，所述一次逆变电路重新开始工作，输出焊接电流Iw反向上升，到4时刻达到设定值，一次完整的换流过程结束。

当输出焊接电流Iw再次变换极性时，其过程与上述过程对称，不再赘述。

请参阅图15，本发明第十实施例进一步提供一种变极性焊接电源700，该变极性焊接电源700包括：电网电压整流滤波电路720、一次逆变电路740、降压电路760、次级整流滤波电路780以及二次逆变电路790。所述电压电压整流滤波电路720对三相电网电压（380V/50Hz）经整流滤波后输入到所述一次逆变电路740中进行一次逆变，然后将一次逆变的输出信号经过所述降压电路760降压后，输入到所述次级整流滤波电路780进行整流滤波，然后输入到二次逆变电路790中进行二次逆变后输出变极性交流电流。

所述降压电路760可以为高频降压电路也可以中频降压电路。本发明实施例中，所述降压电路760是中频降压电路。

所述二次逆变电路790可以为所述全桥式二次逆变电路或半桥式二次逆变电路中的一种。其中，所述全桥式二次逆变电路可为所述全桥式二次逆变电路100、200、300、400或500。所述半桥式二次逆变电路可以为所述半桥式二次逆变电路600。

本发明实施例提供的变极性焊接电源的二次逆变电路再燃弧电压产生电路通过在功率开关器件的门极与集电极之间跨接串联的快恢复二极管和稳压二极管，从而在变极性焊接时，由于稳压二极管在电流极性变换的过程中产生的稳定电压可以迫使焊接电流快速过零换向，从而可以获得稳定的再燃弧电压，以维持电弧的稳定燃烧，该二次逆变电路再燃弧电压产生电路应用于变极性焊接电源时无需复杂的控制，也可以克服现有再燃弧二次逆变电路中并联无源缓冲网络对初始电流、电路寄生参数敏感的问题。

另外，本领域技术人员还可在本发明精神内做其他变化，当然，这些依据本发明精神所做的变化，都应包含在本发明所要求保护的范围之内。