專利名稱：一種零電流開通低電壓關斷逆變式焊割電源電路的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及焊割電源領域，特別涉及一種逆變式焊割電源電路。
背景技術：
焊接/切割電源中PWM逆變器逆變頻率的高頻化是提升逆變式焊割電源的控制精細度和動態(tài)性能，降低逆變式焊割電源銅材、鋼材、鋁材等有色金屬用量的有效途徑。通過PWM逆變器的高頻化，可以使逆變式焊割電源具有更高的功率密度，減少銅材、鋼材、鋁材等有色金屬的用量，使電源結構更加牢固可靠，且響應能力更加快速，電流、電壓控制精度更聞。由于電力電子開關器件的開關損耗與逆變器的頻率成正比，頻率越高，器件和電 路的損耗就越大，逆變器的效率就越低。所以，一般采用硬開關逆變方式的普通逆變式焊割電源的焊割性能和能效比較低，存在以下缺點
I.逆變器的電力開關器件在開通和關斷時存在很大的電壓、電流重疊，此期間電力開關器件工作在線性區(qū)，會產(chǎn)生很大的功率損耗，發(fā)熱嚴重，極易因過熱而損壞。為降低電力開關器件的工作溫度以提高其可靠性，必須設計龐大而復雜的散熱降溫系統(tǒng)。2.逆變器的開關器件在開通和關斷時有很高的電壓變化率和電流變化率，這樣會產(chǎn)生很強的電磁干擾，使得電磁干擾的防護變得困難，而進行防護電磁干擾的EMC器件龐大而復雜，成本高。由此可見，將軟開關的逆變技術運用于逆變式焊割電源就成為必然?，F(xiàn)有技術中軟開關技術的逆變式焊割電源主要采用移相式全橋軟開關電路拓撲結構、有限雙極性全橋軟開關電路拓撲結構或廣義有源軟開關逆變式焊割電源電路拓撲結構，這三種電路都能滿足焊割電源的逆變器的開關器件軟開通和軟關斷的條件。但上述三種運用軟開關技術的逆變式焊割電源電路比較復雜，一般都需要容量較大的移相、緩沖電容，環(huán)流抑制隔直電容等，甚至還需在主變壓器的初級或次級并接無功功率電感等。這些器件不僅增加了焊割電源的硬件成本，同時也因其增加的器件不可避免的帶來的熱損耗降低了其能效指標。

發(fā)明內(nèi)容
為克服上述缺陷，本發(fā)明的目的即在于提供一種硬件成本較低，能效指標較高，運用簡單的電路拓撲結構即可實現(xiàn)軟開關技術的零電流開通低電壓關斷逆變式焊割電源電路。本發(fā)明的目的是通過以下技術方案來實現(xiàn)的
本發(fā)明的一種零電流開通低電壓關斷逆變式焊割電源電路，主要包括并接在直流母線正負極上、對輸入的直流電壓進行濾波的直流母線濾波電路，將濾波后的直流電壓轉變成低壓交流電壓的PWM逆變電路，對PWM逆變電路傳輸?shù)牡蛪航涣麟妷哼M行整流的整流電路，還包括對PWM逆變電路進行信號控制的控制電路；所述PWM逆變電路接收控制電路的驅動脈沖信號，使得PWM逆變電路上的開關器件開通時由設置在變壓器一次側的線性電感抑制該開關器件的電流上升率，使之處于零電流開通狀態(tài)；關斷時由其并聯(lián)的無源緩沖電路減緩該開關器件的電壓上升率，使之處于低電壓關斷狀態(tài)。作為本發(fā)明的一種改進，所述PWM逆變電路為由第一開關器件Q1、與其并聯(lián)連接的第一開關器件無源緩沖電路，第二開關器件Q2、與其并聯(lián)連接的第二開關器件無源緩沖電路和橋臂電容C5、C6以及中頻主變壓器Tl、線性電感LI等組成的半橋PWM逆變電路。作為本發(fā)明的進一步改進，所述第一開關器件無源電路由電阻R2和電容C3串聯(lián)組成；所述第二開關器件無源電路由電阻R3和電容C4串聯(lián)組成。作為本發(fā)明的再進一步改進，所述PWM逆變電路為由第一開關器件Q1、與其并聯(lián)連接的第一開關器件無源緩沖電路，第二開關器件Q2、與其并聯(lián)連接的第二開關器件無源·緩沖電路，第三開關器件Q3、與Q3并聯(lián)連接的Q3的無源緩沖電路，開關器件Q4、與Q4并聯(lián)連接的Q4的無源緩沖電路以及中頻主變壓器Tl、線性電感LI等組成的全橋PWM逆變電路。在上述結構的基礎上，所述第一開關器件無源電路由電阻R2和電容C3串聯(lián)組成；所述第二開關器件無源電路由電阻R3和電容C4串聯(lián)組成；所述Q3的無源緩沖電路由電阻R4和電容C5串聯(lián)組成；所述Q4的無源緩沖電路由電阻R5和電容C6串聯(lián)組成。作為本發(fā)明的一種優(yōu)選的實施方式，所述直流母線濾波電路由電容Cl、C2和電阻Rl并聯(lián)組成。作為本發(fā)明的另一種優(yōu)選的實施方式，所述整流電路由整流二極管D5、D7并聯(lián)組成。采用該種結構的零電流開通低電壓關斷逆變式焊割電源電路，由直流母線濾波電路對輸入的直流進行濾波，繼而由PWM逆變電路接收控制電路的驅動脈沖信號，使得PWM逆變電路上的開關器件開通時由線性電感抑制該開關器件的電流上升率，使之處于零電流開通狀態(tài)；關斷時由無源緩沖電路減緩該開關器件的電壓上升率，使之處于低電壓關斷狀態(tài)，將直流電流/電壓轉變成低壓交流電流/電壓，再經(jīng)過整流電路獲得焊接/切割所需的低壓直流電流/電壓。該裝置運用簡單的電路拓撲結構即可實現(xiàn)軟開關技術，同時降低了焊割電源電路的硬件成本，提高了焊割電源電路的的能效指標。


為了易于說明，本發(fā)明由下述的具體實施方式
及附圖作詳細描述。圖I為本發(fā)明一種零電流開通低電壓關斷逆變式焊割電源電路半橋運用的電路原理 圖2為本發(fā)明一種零電流開通低電壓關斷逆變式焊割電源電路全橋運用的電路原理
圖3為本發(fā)明一種零電流開通低電壓關斷逆變式焊割電源電路半橋運用和全橋運用的各關鍵點波形圖。
具體實施例方式為了使本發(fā)明的目的、技術方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結合附圖及實施方式，對本發(fā)明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施方式
僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。詳見圖I及圖3，一種零電流開通低電壓關斷逆變式焊割電源電路的半橋運用，由電容Cl、C2和電阻Rl并接在直流母線正負極U+和U-上，作為電網(wǎng)工頻和逆變中頻的直流母線濾波電路。由第一開關器件Q1、Q2和橋臂電容C5、C6以及中頻主變壓器Tl、線性電感LI等組成半橋PWM逆變電路?？刂齐娐?未圖示)發(fā)出的相位相差180°帶固定死區(qū)的驅動脈沖波形分別為Gl和G2，驅動著第一開關器件Ql和Q2交替導通和關斷。這樣就將直流母線的電流/電壓轉變成中頻方波交流電流/電壓，并通過中頻主變壓器Tl降壓和二次側整流即可變換成焊接/切割需要的低壓直流電流/電壓。其中電阻R2和電容C3組成第一開關器件第一開關器件無源電路，電阻R3和電容C4組成第二開關器件第二開關器件無源電路，線性電感LI串聯(lián)在逆變器一次側回路中組成開關器件開通電流抑制電感，可使開關器件開通時，其電流都是從零開始按一定斜率上升。其工作原理和逆變過程為當驅動脈沖Gl到來時，第一開關器件Ql被驅動導通，由于線性電感LI的抑制作用，第一開關器件Ql中電流Iqi是從零開始線性上升的。所以，第一開關器件Ql的開通為零電流開通，其開通損耗很小。第一開關器件Ql導通期間，由中頻主變壓器Tl降壓后向二次側傳遞能量，直到第一開關器件Ql PWM關斷。第一開關器件Ql關斷時，線性電感LI和主回路一次側漏感電流不能突變，會對第一開關器件Ql并接的無源緩沖電路電容C3充電，對第二開關器件Q2并接的無源緩沖電路電容C4放電，使得a點電位慢慢從母線最高電壓降到零，因此，第一開關器件Ql關斷時其
C、E電壓Uqi是由低電壓緩慢上升到母線電壓值的，屬于低電壓型軟關斷，其關斷損耗很小。
PWM固定死區(qū)時間后，驅動脈沖G2到來，第二開關器件Q2被驅動導通，由于線性電感LI的抑制作用，第二開關器件Q2中電流Iq2是從零開始線性上升的，所以第二開關器件Q2的開通為零電流開通，其開通損耗很小。第二開關器件Q2導通期間，由中頻主變壓器Tl降壓后向二次側傳遞能量，直到第二開關器件Q2 PWM關斷。第二開關器件Q2關斷時，線性電感LI和主回路一次側漏感電流不能突變，會對第二開關器件Q2并接的無源緩沖電路電容C4充電，對第一開關器件Ql并接的無源緩沖電路電容C3放電，使得a點電位慢慢從零升高到母線最高電壓，因此，第二開關器件Q2關斷時其C、E電壓Uq2是由低電壓緩慢上升到母線電壓值的，屬于低電壓型軟關斷，其關斷損耗很小。因此，第一開關器件Ql和Q2工作在零電流開通和低電壓關斷工作模式，有很小的開通/關斷損耗和較小的開關電壓/電流應力。特別的，線性電感LI不僅在開關器件開通時抑制電流上升速度，為開關器件提供零電流開通條件，在開關器件關斷時釋放能量于無源阻容吸收回路和電源母線，實現(xiàn)其磁通自動復位。還在開關器件導通，中頻主變壓器Tl傳遞能量期間起著中頻主變壓器Tl單向磁偏飽和的抑制作用。具體工作原理是由開關器件開關時間參數(shù)帶來的差異、開關器件開關通態(tài)壓降參數(shù)帶來的差異、PWM脈沖驅動寬度帶來的差異都會引起電壓波形伏秒數(shù)正負半周不對稱，、這個不對稱伏秒數(shù)的正負半周電壓波形加在中頻主變壓器Tl上，會通過累積形成中頻主變壓器Tl的磁芯工作點的偏移，造成磁芯單向磁偏飽和。中頻主變壓器Tl的磁芯一旦單向磁偏飽和，主回路一次側電流就會有無限制地急劇增大造成開關器件通態(tài)時過流損壞的趨勢。此時，一次側全電壓將加在線性電感LI上，由于線性電感LI的限制，主回路電流只能緩慢上升，大大抑制了電流上升率，阻滯了中頻主變壓器Tl的磁芯工作點的繼續(xù)偏移。故而，線性電感LI起到了中頻主變壓器Tl磁芯單向磁偏飽和的抑制作用。詳見圖2及圖3，一種零電流開通低電壓關斷逆變式焊割電源電路的全橋運用，由電容Cl、C2和電阻Rl并接在直流母線正負極U+和U-上，作為電網(wǎng)工頻和逆變中頻的直流母線濾波電路。第一開關器件Q1、Q2、Q3、Q4以及中頻主變壓器Tl，線性電感LI等組成全橋PWM逆變電路。控制電路(未圖示)發(fā)出的相位相差180°的帶固定死區(qū)的驅動脈沖波形分別為G1、G4和G2、G3，驅動著第一開關器件Q1、Q4和Q2、Q3交替導通和關斷。這樣就將直流母線的電流/電壓轉變成中頻方波交流電流/電壓，并通過中頻主變壓器Tl降和二次側整流即可變成焊接/切割需要的低壓電流/電壓。其中電阻R2和電容C3組成第一開關器件第一開關器件無源電路、電阻R3和電容C4組成第二開關器件第二開關器件無源電路、電阻R4和電容C5組成第三開關器件Q3的無源緩沖電路、電阻R5和電容C6組成開關 器件Q4的無源緩沖電路，線性電感LI串聯(lián)在逆變器一次側回路中組成開關器件開通電流抑制電感，可使開關器件開通時，其電流都是從零開始按一定斜率上升。其工作原理和逆變過程為當驅動脈沖Gl、G4到來時，第一開關器件Ql、Q4被驅動導通，由于線性電感LI的抑制作用，第一開關器件Q1、Q4中電流Iqi和Iq4是從零開始線性上升的，所以，第一開關器件Q1、Q4的開通為零電流開通，其開通損耗很小。第一開關器件Ql、Q4導通期間，由中頻主變壓器Tl降壓后向二次側傳遞能量，直到第一開關器件Ql、Q4的PWM關斷。第一開關器件Ql、Q4關斷時，線性電感LI和主回路一次側漏感電流不能突變，會對第一開關器件Ql并接的無源緩沖電路電容C3充電，對開關器件Q4并接的無源緩沖電路電容C6充電，對第二開關器件Q2并接的無源緩沖電路電容C4放電，對第三開關器件Q3并接的無源緩沖電路電容C5放電，使得c點電位慢慢從母線最高電壓降到零，d點電位慢慢從零升到母線最高電壓。因此，第一開關器件Q1、Q4關斷時其C、E電壓Uqi和Uq2是由低電壓緩慢上升到母線電壓值的，屬于低電壓型軟關斷，其關斷損耗很小。PWM固定死區(qū)時間后，驅動脈沖G2、G3到來時，第二開關器件Q2、Q3被驅動導通，由于線性電感LI的抑制作用，第二開關器件Q2、Q3中電流Iq2和Iq3是從零開始線性上升的，所以，第二開關器件Q2、Q3的開通為零電流開通，其開通損耗很小。第二開關器件Q2、Q3導通期間，由中頻主變壓器Tl降壓后向二次側傳遞能量，直到第二開關器件Q2、Q3的PWM關斷。第二開關器件Q2、Q3關斷時，線性電感LI和主回路一次側漏感電流不能突變，會對第二開關器件Q2并接的無源緩沖電路電容C4充電，對第三開關器件Q3并接的無源緩沖電路電容C5充電，對第一開關器件Ql并接的無源緩沖電路電容C3放電，對開關器件Q4并接的無源緩沖電路電容C6放電，使得c點電位慢慢從零升高到母線最高電壓，d點電位慢慢從母線最高電壓降到零。因此，第二開關器件Q2、Q3關斷時其C、E電壓Uq2和Uq3是由低電壓緩慢上升到母線電壓值的，屬于低電壓型軟關斷，其關斷損耗很小。
因此，第一開關器件Q1、Q2、Q3和Q4都工作在零電流開通和低電壓關斷工作模式，有很小的開關損耗和較小的開關電壓電流應力。同樣的，線性電感LI不僅在開關器件開通時抑制電流上升速度，為開關器件提供零電流開通條件，在開關器件關斷時釋放能量于無源阻容吸收回路和電源母線，實現(xiàn)其磁通自動復位。還在開關器件導通，中頻主變壓器Tl傳遞能量期間起著中頻主變壓器Tl單向磁偏飽和的抑制作用。具體工作原理是由開關器件開關時間參數(shù)帶來的差異、開關器件開關通態(tài)壓降參數(shù)帶來的差異、PWM脈沖驅動寬度帶來的差異都會引起電壓波形伏秒數(shù)正負半周不對稱，這個不對稱伏秒數(shù)的正負半周電壓波形加在中頻主變壓器Tl上，會通過累積形成中頻主變壓器Tl的磁芯工作點的偏移，造成磁芯單向磁偏飽和。中頻主變壓器Tl的磁芯一旦單向磁偏飽和，主回路一次側電流就會有無限制地急劇增大造成開關器件通態(tài)時過流損壞的趨 勢。此時，一次側全電壓將加在線性電感LI上，由于線性電感LI的限制，主回路電流只能緩慢上升，大大抑制了電流上升率，阻滯了中頻主變壓器Tl的磁芯工作點的繼續(xù)偏移。故而，線性電感LI起到了中頻主變壓器Tl磁芯單向磁偏飽和的抑制作用。以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則的內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本發(fā)明的保護范圍的內(nèi)。
權利要求
1.一種零電流開通低電壓關斷逆變式焊割電源電路，主要包括并接在直流母線正負極上、對輸入的直流電壓進行濾波的直流母線濾波電路，將濾波后的直流電壓轉變成低壓交流電壓的PWM逆變電路，對PWM逆變電路傳輸?shù)牡蛪航涣麟妷哼M行整流的整流電路，其特征在于還包括對PWM逆變電路進行信號控制的控制電路； 所述PWM逆變電路接收控制電路的驅動脈沖信號，使得PWM逆變電路上的開關器件開通時由設置在變壓器一次側的線性電感抑制該開關器件的電流上升率，使之處于零電流開通狀態(tài)；關斷時由其并聯(lián)的無源緩沖電路減緩該開關器件的電壓上升率，使之處于低電壓關斷狀態(tài)。
2.根據(jù)權利要求I所述的零電流開通低電壓關斷逆變式焊割電源電路，其特征在于所述PWM逆變電路為由第一開關器件Q1、與其并聯(lián)連接的第一開關器件無源緩沖電路，第二開關器件Q2、與其并聯(lián)連接的第二開關器件無源緩沖電路和第一橋臂電容、第二橋臂電容以及中頻主變壓器Tl、線性電感LI等組成的半橋PWM逆變電路。
3.根據(jù)權利要求2所述的零電流開通低電壓關斷逆變式焊割電源電路，其特征在于所述第一開關器件無源電路由電阻R2和電容C3串聯(lián)組成；所述第二開關器件無源電路由電阻R3和電容C4串聯(lián)組成。
4.根據(jù)權利要求I所述的零電流開通低電壓關斷逆變式焊割電源電路，其特征在于所述PWM逆變電路為由第一開關器件Q1、與其并聯(lián)連接的第一開關器件無源緩沖電路，第二開關器件Q2、與其并聯(lián)連接的第二開關器件無源緩沖電路，第三開關器件Q3、與Q3并聯(lián)連接的Q3的無源緩沖電路，開關器件Q4、與Q4并聯(lián)連接的Q4的無源緩沖電路以及中頻主變壓器Tl、線性電感LI等組成的全橋PWM逆變電路。
5.根據(jù)權利要求4所述的零電流開通低電壓關斷逆變式焊割電源電路，其特征在于所述第一開關器件無源電路由電阻R2和電容C3串聯(lián)組成；所述第二開關器件無源電路由電阻R3和電容C4串聯(lián)組成；所述Q3的無源緩沖電路由電阻R4和電容C5串聯(lián)組成；所述Q4的無源緩沖電路由電阻R5和電容C6串聯(lián)組成。
6.根據(jù)權利要求I至5任一項所述的零電流開通低電壓關斷逆變式焊割電源電路，其特征在于所述直流母線濾波電路由第一電容、第二電容和第一電阻并聯(lián)組成。
7.根據(jù)權利要求6所述的零電流開通低電壓關斷逆變式焊割電源電路，其特征在于所述整流電路由第一整流二極管、第二整流二極管并聯(lián)組成。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種零電流開通低電壓關斷逆變式焊割電源電路，主要包括對輸入的直流電壓進行濾波的直流母線濾波電路，將濾波后的直流電壓轉變成低壓交流電壓的PWM逆變電路，對低壓交流電壓進行整流的整流電路，還包括對PWM逆變電路進行信號控制的控制電路；所述PWM逆變電路接收控制電路的驅動脈沖信號，使得PWM逆變電路上的開關器件開通時由設置在變壓器一次側的線性電感抑制該開關器件的電流上升率，使之處于零電流開通狀態(tài)；關斷時由其并聯(lián)的無源緩沖電路減緩該開關器件的電壓上升率，使之處于低電壓關斷狀態(tài)。該裝置運用簡單的電路拓撲結構即可實現(xiàn)軟開關技術，同時降低了焊割電源電路的硬件成本，提高了焊割電源電路的能效指標。
文檔編號H02M7/5387GK102739062SQ20121024227
公開日2012年10月17日 申請日期2012年7月13日 優(yōu)先權日2012年7月13日
發(fā)明者吳月濤, 楊振文, 陳彪 申請人:深圳華意隆電氣股份有限公司