專利名稱：用于包括以改進(jìn)的相移柵極驅(qū)動(dòng)控制的逆變器的電弧焊機(jī)的電源的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
特定實(shí)施方案涉及電弧焊。更具體地，特定實(shí)施方案涉及用于在用于具有逆變器的電弧焊機(jī)(welder)的電源中提供改進(jìn)的(modified)相移柵極驅(qū)動(dòng)的系統(tǒng)和方法。更加具體地，本發(fā)明涉及用于電弧焊機(jī)的電源、采用用于電弧焊機(jī)的電源的方法以及焊接機(jī)(welding machine)。
背景技術(shù)：
傳統(tǒng)的逆變型焊接電源通常使用雙重正向(dual double forward)脈沖寬度調(diào)制 (PWM)的硬開關(guān)拓?fù)?。這樣的PWM方法的挑戰(zhàn)之一是在不以線性模式操作開關(guān)器件的情況下有效地調(diào)整低輸出功率應(yīng)用。這樣的應(yīng)用一般要求非常短的閉合時(shí)間(on-time)周期， 該非常短的閉合時(shí)間周期與用來確保開關(guān)器件操作于全傳導(dǎo)(full conduction)模式(全飽和的)所必需的最小閉合時(shí)間直接沖突，而開關(guān)器件操作于全傳導(dǎo)模式對(duì)于限制功率損耗和使器件的壽命最大化是至關(guān)重要的。傳統(tǒng)地，最小閉合時(shí)間周期已經(jīng)被用來確保開關(guān)器件在每個(gè)周期期間達(dá)到全傳導(dǎo)。然而，這樣可能在低輸出功率水平導(dǎo)致“跳引發(fā)(skip firing) ”，這難于調(diào)整并且可以產(chǎn)生不期望的可聞噪聲。對(duì)本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說，通過將常規(guī)的、傳統(tǒng)的和已提出的方式與如在本申請(qǐng)的其余部分參照附圖所闡述的本發(fā)明的實(shí)施方案進(jìn)行比較，這樣的方式的進(jìn)一步的局限性和缺點(diǎn)將會(huì)變得明顯。

發(fā)明內(nèi)容
改進(jìn)的相移方案已經(jīng)被這樣設(shè)想，即為常規(guī)的相移方法的最小閉合時(shí)間和調(diào)整益處提供了傳統(tǒng)PWM控制的減少的循環(huán)電流益處。焊接機(jī)包括可操作地連接到控制器的逆變器，其中該控制器使用該逆變器的改進(jìn)的相移開關(guān)(phase shifted switching)控制該焊接機(jī)的焊接過程。所要求保護(hù)的發(fā)明的這些和其 他特征及其所圖示說明的實(shí)施方案的細(xì)節(jié)將會(huì)從下面的說明書和附圖被更加全面地理解。


圖1圖示說明具有高速放大器逆變器的弧焊電源供應(yīng)器(power supply)的示意性實(shí)施方案；圖2圖示說明圖1的高速放大器逆變器和相關(guān)聯(lián)的輸出部分的示意性實(shí)施方案；圖3圖示 說明根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方案的圖2的高速放大器逆變器的開關(guān)板 (switch board)的一部分的功能方框圖；圖4圖示說明傳統(tǒng)PWM開關(guān)方案(switching scheme)的示意性時(shí)序圖；圖5圖示說明傳統(tǒng)相移開關(guān)方案的示意性時(shí)序圖；圖6圖示說明根據(jù)本發(fā)明的第一實(shí)施方案的可以被圖1-3的焊接電源采納的改進(jìn)的相移開關(guān)方案的示意性時(shí)序圖；圖7圖示說明根據(jù)本發(fā)明的第二實(shí)施方案的可以被圖1-3的焊接電源采納的改進(jìn)的相移開關(guān)方案的示意性時(shí)序圖；圖8使用焊接波形圖示說明焊接過程的示意性實(shí)施方案，該焊接波形可以使用圖 1的具有圖2的高速放大器逆變器的弧焊電源并且使用圖6或圖7的改進(jìn)的相移開關(guān)方案來形成；以及圖9圖示說明圖1的具有單個(gè)初級(jí)電路的高速放大器逆變器及相關(guān)聯(lián)的輸出部分 (類似于圖2的輸出部分)的可替換的示意性實(shí)施方案的一部分。
具體實(shí)施例方式圖1圖示說明具有高速(例如120KHZ)放大器逆變器110的弧焊電源供應(yīng)器100 的示意性實(shí)施方案。同樣被圖示說明的是相關(guān)聯(lián)的弧焊反饋功能單元160(被示出可操作地連接到不是弧焊電源供應(yīng)器100的一部分的焊條150和焊接工件170)。弧焊電源供應(yīng)器 100是本領(lǐng)域公知的狀態(tài)機(jī)類型的系統(tǒng)。本文提供弧焊電源供應(yīng)器100的一般性描述以提供針對(duì)本發(fā)明的實(shí)施方案的適當(dāng)?shù)纳舷挛膬?nèi)容?；『鸽娫垂?yīng)器100包括加載到基于狀態(tài)的函數(shù)發(fā)生器130上的弧焊程序120。 根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方案，基于狀態(tài)的函數(shù)發(fā)生器130包括可編程的微處理器器件?；『赋绦?20包括用于生成弧焊波形的軟件指令。系統(tǒng)還包括可操作地接口連接到基于狀態(tài)的函數(shù)發(fā)生器130的數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)和/或完全可編程門陣列(FPGA) 140。系統(tǒng)還包括可操作地接口連接到DSP/FPGA 140的高速放大器逆變器110，然而本發(fā)明的實(shí)施方案可以被低速逆變器所采納。弧焊程序120、基于狀態(tài)的函數(shù)發(fā)生器130以及DSP/FPGA 140是焊接控制器200的部件。DSP/FPGA 140從基于狀態(tài)的函數(shù)發(fā)生器130獲取其指令并且控制高速放大器逆變器110。高速放大器逆變器110根據(jù)來自DSP/FPGA 140的控制信號(hào)145將高電壓輸入功率111轉(zhuǎn)換為低電壓焊接輸出功率。例如，根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方案，DSP/FPGA 140為高速放大器逆變器110提供確定引發(fā)角(firing angle)(開關(guān)或門激活的定時(shí))的控制信號(hào) 145，以產(chǎn)生電焊波形的各區(qū)段(segment)。高速放大器逆變器110的輸出112和113可以可操作地分別通過扼流線圈195連接到焊條150和工件170，以提供在焊條150和工件170之間形成電弧的焊接電流?；『鸽娫垂?yīng)器100還包括電壓和電流反饋功能單元160，電壓和電流反饋功能單元160感測(cè)或測(cè)量焊條150和工件170之間的電壓并且感測(cè)通過由焊條150、工件170以及高速放大器逆變器110形成的焊接電路的電流。感測(cè)的電流和電壓可以在反饋路徑165 上被反饋并且由基于狀態(tài)的函數(shù)發(fā)生器130使用，來在焊接過程期間例如檢測(cè)焊條短接于工件170 (即，短接狀態(tài))，并且檢測(cè)何時(shí)熔融金屬球即將從焊條150箍斷(即，解除短接狀態(tài))。瞬時(shí)的輸出電壓和電流可以被連續(xù)地監(jiān)控和反饋。弧焊電源100可以可選地包括電流減流器180和二極管190。電流減流器180和二極管190可操作地連接在高速放大器逆變器110的輸出112和113之間。電流減流器 180還可操作地接口連接到DSP/FPGA 140。當(dāng)在焊條150和工件170之間出現(xiàn)短接狀態(tài)時(shí)， DSP/FPGA 140可以通過控制信號(hào)146命令電流減流器180將通過焊接電路的電流水平拉到預(yù)先限定的基值電流水平之下。類似地，當(dāng)出現(xiàn)解除短接狀態(tài)時(shí)(即，熔融金屬球從焊條 150的遠(yuǎn)端箍斷)，DSP/FPGA 140可以命令電流減流器180再次將通過焊接電路的電流水平拉到預(yù)先限定的基值電流水平之下。根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方案，電流減流器180包括達(dá)林頓(Darlington)開關(guān)、電阻器和限制器(snubber)，并且電流減流器180是本領(lǐng)域公知的。圖2圖示說明圖1的高速放大器逆變器110及相關(guān)聯(lián)的輸出部分的示例性實(shí)施方案。然而，在圖2中，未示出可選的電流減流器180和二極管190。逆變器110包括具有三相輸入111并且在引線212和213處限定DC總線的輸入整流器210。輸入整流器將輸入 111上的三相AC功率轉(zhuǎn)換為整流的DC輸出功率211。在DC總線的引線之間，提供有兩個(gè)初級(jí)電路220和230，初級(jí)電路220和230串聯(lián)連接并且交替地操作來創(chuàng)建用于輸出變壓器240的初級(jí)端(primary side)的輸出脈沖。串聯(lián)連接的電容器221和231位于初級(jí)電路220和230的輸入側(cè)。如本文所使用的，術(shù)語“開關(guān)”和“門”是可以互換使用的。第一電路220包括協(xié)作的開關(guān)或門222 (第一開關(guān)1)和223 (第二開關(guān)2)，以通過施加跨輸出變壓器240的初級(jí)繞阻241的電容器221的電壓來創(chuàng)建脈沖。第二電路230包括協(xié)作的開關(guān)232(第三開關(guān) 3)和233 (第四開關(guān)4)，以通過施加跨輸出變壓器240的初級(jí)繞阻242的電容器231的電壓來創(chuàng)建脈沖。根據(jù)本發(fā)明的特定實(shí)施方案，開關(guān)222、223、232以及233可以每個(gè)為本領(lǐng)域公知的絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)或者場(chǎng)效應(yīng)晶體管(FET)。初級(jí)繞阻241和242通過輸出變壓器240的芯245分別將能量脈沖傳遞至輸出變壓器240的次級(jí)繞阻246和247，次級(jí)繞阻246和247的輸出引線被引導(dǎo)至由二極管251和 252形成的輸出整流器。中心抽頭引線260與二極管251和252 —起經(jīng)由輸出112和113 通過扼流線圈195提供跨焊條150和工件170的焊接電流。注意的是，在圖2中扼流線圈 195被示出與輸出113串聯(lián)連接，而在圖1中扼流線圈195被示出與輸出112串聯(lián)連接。任一種扼流線圈配置都是可行的。作為可替換的形式，兩個(gè)初級(jí)電路220和230可以被這樣連接，以致電容器221和 231及其相關(guān)聯(lián)的開關(guān)組以并聯(lián)而不是串聯(lián)連接。當(dāng)以較低輸入電壓操作時(shí)，并聯(lián)配置可以更加有效，而當(dāng)以較高輸入電壓操作時(shí)，串聯(lián)配置可以更加有效。一般地，開關(guān)222和223 —起閉合來以跨電容器221的電壓給初級(jí)繞阻241供能， 從而創(chuàng)建初級(jí)輸出脈沖。當(dāng)開關(guān)222和223閉合時(shí)，開關(guān)232和233被斷開。類似地，在隨后的開關(guān)周期期間，開關(guān)232和233被閉合并且開關(guān)222和223被斷開，以跨電容器231 的電壓給初級(jí)繞阻242供能，從而創(chuàng)建下一個(gè)初級(jí)輸出脈沖。該過程是交替的，來通過形成輸出變壓器240的初級(jí)部分的電路220和230產(chǎn)生初級(jí)輸出脈沖，用于電源100的逆變器110。電路220和230以交替的方式反復(fù)操作，以致芯245中的通量朝向一個(gè)方向并且然后朝向另一個(gè)方向，以使輸出變壓器240保持平衡。如果，例如電路220接連被引發(fā)兩次，芯 225將會(huì)變得飽和并且變壓器240的次級(jí)端(secondary side)上的輸出將會(huì)喪失。根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方案，開關(guān)222和223由驅(qū)動(dòng)器元 件261驅(qū)動(dòng)并且開關(guān)232和 233由驅(qū)動(dòng)器元件262驅(qū)動(dòng)。到驅(qū)動(dòng)器元件261和262的輸入是來自控制器200的控制信號(hào) 145。圖3圖示說明根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方案的圖2的高速放大器逆變器110的開關(guān)板 270的一部分的功能方框圖。驅(qū)動(dòng)器261包括一對(duì)光電耦合器301和302以及一對(duì)門驅(qū)動(dòng)器303和304。驅(qū)動(dòng)器262包括一對(duì)光電耦合器305和306以及一對(duì)門驅(qū)動(dòng)器307和308。 光電耦合器301由來自控制板200的控制信號(hào)145驅(qū)動(dòng)。門驅(qū)動(dòng)器303由光電耦合器301 的輸出驅(qū)動(dòng)。IGBT 222(開關(guān)1)由門驅(qū)動(dòng)器303的輸出驅(qū)動(dòng)。類似地，光電耦合器302由來自控制板200的控制信號(hào)145驅(qū)動(dòng)，門驅(qū)動(dòng)器304由光電耦合器302的輸出驅(qū)動(dòng)，并且 IGBT223 (開關(guān)2)由門驅(qū)動(dòng)器304的輸出驅(qū)動(dòng)。光電耦合器305由來自控制板200的控制信號(hào)145驅(qū)動(dòng)，門驅(qū)動(dòng)器307由光電耦合器305的輸出驅(qū)動(dòng)，并且IGBT 232 (開關(guān)3)由門驅(qū)動(dòng)器307的輸出驅(qū)動(dòng)。光電耦合器306由來自控制板200的控制信號(hào)145驅(qū)動(dòng)，門驅(qū)動(dòng)器308由光電耦合器306的輸出驅(qū)動(dòng)，并且IGBT 233 (開關(guān)3)由門驅(qū)動(dòng)器308的輸出驅(qū)動(dòng)。 根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方案，每個(gè)光電耦合器/門驅(qū)動(dòng)器/IGBT串聯(lián)組合可以由控制信號(hào)獨(dú)立地驅(qū)動(dòng)，提供最大驅(qū)動(dòng)靈活性。光電耦合器301、302、305以及306分別用于電氣地隔離來自門驅(qū)動(dòng)器303、304、 307以及308的相對(duì)低水平(low level)的控制信號(hào)145。這樣的光電耦合器在本領(lǐng)域是公知的。門驅(qū)動(dòng)器303、304、307以及308分別用于提供高電流“閉合”信號(hào)到開關(guān)222、223、 232以及233中的每個(gè)。根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方案，門驅(qū)動(dòng)器303、304、307以及308中的每個(gè)可以包括由15VDC電源供電的圖騰柱(totem-pole)驅(qū)動(dòng)芯片。開關(guān)222、223、232以及 233的閉合次數(shù)和斷開次數(shù)由來自控制器200的控制信號(hào)145限定?？刂破?00用作準(zhǔn)脈沖寬度調(diào)制器，針對(duì)給定的操作設(shè)定值(set point)，該準(zhǔn)脈沖寬度調(diào)制器至少部分基于來自焊機(jī)輸出的電壓和電流反饋信號(hào)165生成所述驅(qū)動(dòng)控制信號(hào)145。根據(jù)本發(fā)明的其他實(shí)施方案，驅(qū)動(dòng)控制信號(hào)145可以至少部分響應(yīng)于來自輸出變壓器240(見圖2)的次級(jí)端的電流反饋信號(hào)275而被生成。來自控制器200的控制信號(hào)145能夠獨(dú)立地控制四個(gè)光電耦合器301、302、305以及306中的每個(gè)，并且結(jié)果，經(jīng)由門驅(qū)動(dòng)器303、304、307以及308控制四個(gè)開關(guān)222、223、 232以及233中的每個(gè)。因此，四個(gè)開關(guān)222、223、232以及233可以以各種協(xié)作的方式被閉合和斷開，來通過輸出變壓器240創(chuàng)建輸出脈沖。輸出變壓器240允許初級(jí)繞阻241和 242中生成的脈沖分別在次級(jí)繞阻246和247中創(chuàng)建電流脈沖。根據(jù)本發(fā)明可替換的實(shí)施方案，光電耦合器可以置于控制器200中。根據(jù)本發(fā)明其他可替換的實(shí)施方案，光電耦合器可以被省略。圖4圖示說明傳統(tǒng)PWM開關(guān)方案的示意性時(shí)序圖。這樣的傳統(tǒng)PWM開關(guān)方案可以被圖1-3的焊接電源100所采納。圖4的上部分示出最小輸出情形并且圖4的下部分示出最大輸出情形。以交替的方式，開關(guān)1和開關(guān)2被一起激活，并且然后開關(guān)3和開關(guān)4被一起激活。僅僅在開關(guān)1和開關(guān)2或者開關(guān)3和開關(guān)4的交疊時(shí)間期間產(chǎn)生輸出脈沖。在圖4中，因?yàn)橛砷_關(guān)1和開關(guān)2 (以及由開關(guān)3和開關(guān)4)生成的脈沖是完全同步的，所以針對(duì)每個(gè)周期脈沖一直交疊并且一直產(chǎn)生輸出。理想地，有時(shí)會(huì)期望調(diào)整到低輸出功率或者沒有輸出功率。理論上可以通過閉合開關(guān)持續(xù)非常短的時(shí)間段來實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)。然而，如在圖4的上部分所示出的，開關(guān)中的每個(gè)都具有最小推薦閉合時(shí)間。該最小閉合時(shí)間允許有足夠的時(shí)間來在使開關(guān)再被斷開之前使該開關(guān)被完全閉合。此外，該最小閉合時(shí)間反映在如圖4所示的生成的輸出(resultant output)中。開關(guān)被推薦在任一給定的周期期間被完全閉合(即，在全傳導(dǎo)模式下全飽和)，以防止開關(guān)受到損害。再有，如果開關(guān)沒有被完全閉合，則難于調(diào)整低輸出功率(例如，嘗試在線性區(qū)域操作開關(guān))。另外，如果開關(guān)在操作期間沒有被完全閉合，電容器221和231可能會(huì)偏離平衡，并且開關(guān)可能開始消耗更多的功率，這是不期望的。因此，利用傳統(tǒng)PWMdi 用最小周期閉合時(shí)間的技術(shù)已經(jīng)被用來確保開關(guān)達(dá)到每個(gè)周期期間的全傳導(dǎo)。然而，這樣的技術(shù)可以造成在低輸出功率水平“跳引發(fā)”，這是難于調(diào)整的并且可以產(chǎn)生不期望的可聞噪聲。圖5圖示說明傳統(tǒng)相移開關(guān)方案的示意性時(shí)序圖。圖5的上部分示出最小輸出情形并且圖5的下部分示出最大輸出情形。傳統(tǒng)相移開關(guān)方案一般與全橋拓?fù)?非圖2的拓?fù)?相關(guān)聯(lián)，來提供零電壓開關(guān)(ZVS)。該開關(guān)方案使用固定寬度門脈沖之間的相移關(guān)系來控制輸出，而不是脈沖寬度調(diào)制門信號(hào)。門脈沖之間的交疊量確定實(shí)際輸出水平。除了在全橋拓?fù)渲胁杉{ZVS之外，次要的益處是，即便不產(chǎn)生輸出(零輸出)，開關(guān)(門)也一直被驅(qū)動(dòng)到飽和(完全閉合)。同樣，圖2的拓?fù)洳徊杉{這樣的傳統(tǒng)相移開關(guān)方案。圖6圖示說明根據(jù)本發(fā)明的第一實(shí)施方案的可以被圖1-3的焊接電源100采納的改進(jìn)的相移開關(guān)方案600的示意性時(shí)序圖。圖6的上部分示出最小輸出情形并且圖6的下部分示出最大輸出情形。首先，開關(guān)1和開關(guān)2被激活，其中在開關(guān)1和開關(guān)2之間建立固定相移601。類似地，在最大空載時(shí)間(dead time)之后，接著開關(guān)3和開關(guān)4被激活，其中在開關(guān)3和開關(guān)4之間建立相同的固定相移601。該過程以交替的方式重復(fù)。根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方案，固定相移可以在500-1000微秒之間?？蛰d時(shí)間確保在一個(gè)初級(jí)端的開關(guān)被閉合之前，另一初級(jí)端中的電流停止流動(dòng)， 以防止不期望的影響。根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方案，在空載時(shí)間期間，等量的續(xù)流電流流動(dòng)通過次級(jí)繞阻二者并且使輸出變壓器240的芯245保持平衡。根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方案，在空載期間，例如可以執(zhí)行關(guān)于測(cè)量的反饋電流/電壓測(cè)值的處理。只有在當(dāng)由開關(guān)1和開關(guān)2產(chǎn)生的正向脈沖(以及由開關(guān)3和開關(guān)4產(chǎn)生的負(fù)向脈沖)交疊(例如，最小交疊、中等交疊或者最大交疊)的時(shí)間期間內(nèi)產(chǎn)生輸出。固定相移對(duì)應(yīng)于開關(guān)的最小推薦閉合時(shí)間。參照?qǐng)D6的上部分，開關(guān)1被閉合持續(xù)最小推薦閉合時(shí)間610并且然后被斷開。接著，開關(guān)2被閉合持續(xù)最小推薦閉合時(shí)間610并且然后被斷開。 因?yàn)樵谟砷_關(guān)1和開關(guān)2產(chǎn)生的脈沖之間不存在重疊，所以達(dá)到零輸出而又滿足針對(duì)每個(gè)開關(guān)的最小推薦閉合時(shí)間需求。開關(guān)3和開關(guān)4在最大空載時(shí)間602和603之后遵循類似的方式。為開始產(chǎn)生小的非零輸出水平，由開關(guān)1和開關(guān)2 (以及開關(guān)3和開關(guān)4)產(chǎn)生的脈沖可以被延長(zhǎng)超過最小推薦閉合時(shí)間610 (因而減少空載時(shí)間)，以致由開關(guān)1產(chǎn)生的脈沖開始與由開關(guān)2產(chǎn)生的脈沖交疊(并且由開關(guān)3產(chǎn)生的脈沖開始與由開關(guān)4產(chǎn)生的脈沖交疊)。以這種方式，可以達(dá)到非常小的輸出閉合時(shí)間，消除對(duì)在低輸出水平“跳引發(fā)”的任何需要，而仍達(dá)到開關(guān)的全傳導(dǎo)。為產(chǎn)生更高的輸出水平，由開關(guān)1和開關(guān)2 (以及開關(guān)3 和開關(guān)4)產(chǎn)生的脈沖可以進(jìn)一步被延長(zhǎng)，直到達(dá)到如在圖6的下部分中所示的具有最小空載時(shí)間604和605的最大輸出情形。然而，通過以固定的量移動(dòng)脈沖，在周期開始處(上升沿)獲得的延遲601在周期末尾處(下降沿)消失(見圖6的下部分)，由此較少總體可使用的周期時(shí)間。由于固定的相移601造成的在總體可使用的周期時(shí)間中的這種損失限制焊接電源100的最大輸出606。 圖7的實(shí)施方案解決了這個(gè)問題，允許輸出電壓和電流的大動(dòng)態(tài)范圍被采納。圖7圖示說明根據(jù)本發(fā)明的第二實(shí)施方案的可以被圖1-3的焊接電源100采納的改進(jìn)的相移開關(guān)方案700的示意性時(shí)序圖。圖7的上部分再次示出最小輸出情形并且圖7 的下部分再次示出最大輸出情形。首先，開關(guān)1和開關(guān)2被激活，其中在由開關(guān)1和開關(guān)2 產(chǎn)生的脈沖上升沿之間建立固定相移701。類似地，在最大空載時(shí)間之后，接著開關(guān)3和開關(guān)4被激活，其中在由開關(guān)3和開關(guān)4產(chǎn)生的脈沖之間建立相同的上升沿固定相移701。該過程以交替的方式重復(fù)。只有在當(dāng)由開關(guān)1和開關(guān)2 (以及開關(guān)3和開關(guān)4)產(chǎn)生的脈沖交疊(例如，最小交疊、中等交疊或者最大交疊)的時(shí)間期間內(nèi)產(chǎn)生輸出。固定相移701對(duì)應(yīng)于開關(guān)的最小推薦閉合時(shí)間。參照?qǐng)D7的上部分，開關(guān)1被閉合持續(xù)最小推薦閉合時(shí)間710并且然后被斷開。接著，開關(guān)2被閉合持續(xù)最小推薦閉合時(shí)間710并且然后被斷開。因?yàn)樵谟砷_關(guān)1 和開關(guān)2產(chǎn)生的脈沖之間不存在重疊，所以達(dá)到零輸出而又滿足針對(duì)每個(gè)開關(guān)的最小推薦閉合時(shí)間需求。開關(guān)3和開關(guān)4在最大空載時(shí)間702和703之后遵循類似的方式。為開始產(chǎn)生小的非零輸出水平，由開關(guān)1和開關(guān)2 (以及開關(guān)3和開關(guān)4)產(chǎn)生的脈沖可以被延長(zhǎng)超過最小推薦閉合時(shí)間710 (因而減少空載時(shí)間)，以致由開關(guān)1產(chǎn)生的脈沖開始與由開關(guān)2產(chǎn)生的脈沖交疊(并且由開關(guān)3產(chǎn)生的脈沖開始與由開關(guān)4產(chǎn)生的脈沖交疊)。以這種方式，可以達(dá)到非常小的輸出閉合時(shí)間，消除對(duì)在低輸出水平“跳引發(fā)”的任何需要，而仍達(dá)到開關(guān)的全傳導(dǎo)。為產(chǎn)生更高的輸出水平，由開關(guān)1和開關(guān)2 (以及開關(guān)3 和開關(guān)4)產(chǎn)生的脈沖可以進(jìn)一步被延長(zhǎng)，直到達(dá)到如在圖7的下部分中所示的具有最小空載時(shí)間704和705的最大輸出情形。與圖6的時(shí)序圖不同的是，圖7的時(shí)序圖示出由開關(guān)1和開關(guān)2(以及開關(guān)3和開關(guān)4)產(chǎn)生的脈沖的下降沿同時(shí)出現(xiàn)(即，開關(guān)被同時(shí)斷開)。在圖7中，如圖6中那樣， 固定相移701出現(xiàn)在周期的開始處。然而，一旦每個(gè)開關(guān)所規(guī)定的最小閉合時(shí)間710已經(jīng)被超過，開關(guān)(開關(guān)1和開關(guān)2或者開關(guān)3和開關(guān)4)可以同時(shí)被斷開。最終，如在圖6中那樣，最大可能的周期時(shí)間706不會(huì)被減少。另外，在前一周期的空載時(shí)間期間先導(dǎo)開關(guān) (leading switch)被激活，因而使總體閉合時(shí)間和可使用的輸出功率最大化。圖7的時(shí)序圖中所達(dá)到的時(shí)序可以如本文所描述的，在圖1和圖2的控制器200的控制下由圖1-3的逆變器110來實(shí)現(xiàn)。圖8使用焊接波形802圖示說明焊接過程803的示意性實(shí)施方案，該焊接波形802 可以使用圖1的(具有圖2的高速放大器逆變器110并且使用圖6或圖7的改進(jìn)的相移開關(guān)方案600或700的)弧焊電源100來形成。在周期801上焊接過程803的各段(A-E)使用弧焊波形802并且示出焊條891和金屬工件899之間的關(guān)系。在焊接過程803期間，使用圖1的弧焊電源供應(yīng)器100在送進(jìn)的焊條891和金屬工件899之間生成一系列電弧脈沖， 弧焊電源供應(yīng)器100能夠使用逆變器110生成弧焊波形802以產(chǎn)生電弧脈沖。如本文所描述的，控制器200生成控制信號(hào)145來通過驅(qū)動(dòng)器261和262控制開關(guān)222、223、232以及 233，以產(chǎn)生圖8的輸出電流波形802的各區(qū)段。根據(jù)本發(fā)明可替換的實(shí)施方案，單個(gè)初級(jí)電路可以被配置來提供與圖2類似的功能，而不是使用兩個(gè)初級(jí)電路。圖9圖示說明圖1的具有單個(gè)初級(jí)電路的高速放大器逆變器及相關(guān)聯(lián)的輸出部分910 (類似于圖2的輸出部分)的可替換的示意性實(shí)施方案的一部分900。如圖9中所示的具有單個(gè)初級(jí)繞阻的單個(gè)初級(jí)電路被配置并且被連接在DC總線的引線之間，而不是如圖2中所示的使兩個(gè)初級(jí)電路串聯(lián)連接在DC總線的引線之間。電容器920、第一開關(guān)Sl 930、第二開關(guān)S2 940、第三開關(guān)S3 950、第四開關(guān)S4 960以及單個(gè)初級(jí)繞阻970如圖9所示的被配置，以形成單個(gè)初級(jí)電路。開關(guān)S1-S4與驅(qū)動(dòng)器(圖9中未示出，但圖2中示出)相關(guān)聯(lián)，以在控制板200(圖2中示出)的控制下交替地驅(qū)動(dòng)開關(guān)對(duì)(Si和S2)以及(S3和S4)。開關(guān)Sl和S2控制以第一方向跨單個(gè)初級(jí)繞阻 970的電壓，并且開關(guān)S3和S4控制以另一方向跨單個(gè)初級(jí)繞阻970的電壓。當(dāng)開關(guān)Sl和 S2被驅(qū)動(dòng)閉合時(shí)，開關(guān)S3和S4被斷開，并且電流以方向971流動(dòng)通過單個(gè)初級(jí)繞阻970。 類似地，當(dāng)開關(guān)S3和S4被驅(qū)動(dòng)閉合時(shí)，開關(guān)Sl和S2被斷開，并且電流以相反方向972流動(dòng)通過單個(gè)初級(jí)繞阻970。單個(gè)初級(jí)繞阻970通過變壓器作用將電壓脈沖耦合到兩個(gè)次級(jí)繞阻246和247。綜上，所公開的是用于電弧焊機(jī)的電源，該用于電弧焊機(jī)的電源包括具有初級(jí)電路和次級(jí)電路的逆變器，其中該初級(jí)電路具有四個(gè)開關(guān)并且能夠交替地創(chuàng)建初級(jí)電壓脈沖來感應(yīng)該次級(jí)電路中的次級(jí)電壓脈沖，并且其中該次級(jí)電路包括能夠連接到輸出焊接電路的輸出電路。該電源內(nèi)被提供有相移方案，該相移方案為常規(guī)的相移方法的最小閉合時(shí)間和調(diào)整益處提供了傳統(tǒng)PWM控制的減少的循環(huán)電流益處。盡管已經(jīng)參照某些實(shí)施方案描述了本發(fā)明，但是本領(lǐng)域技術(shù)人員將理解，可以進(jìn)行各種改變并且等同方案可以被替代，而不偏離本發(fā)明的范圍。另外，可以進(jìn)行許多修改來使特定情形或材料適用于本發(fā)明的教導(dǎo)，而不偏離其范圍。因此，并不意圖將本發(fā)明限于所公開的特定實(shí)施方案，本發(fā)明將包括落入所附權(quán)利要求書的范圍內(nèi)的所有實(shí)施方案。參考標(biāo)號(hào)
100弧焊電源供應(yīng)器221電容器110放大器逆變器222幵關(guān)/門111高電壓輸入功率223幵關(guān)/門112輸出225-H-113輸出230初級(jí)電路120弧焊程序231電容器130基于狀態(tài)的函數(shù)發(fā)生器232開關(guān)140完全可編程門陣列233幵關(guān)145控制信號(hào)240輸出變壓器146控制信號(hào)241初級(jí)繞阻150焊條242初級(jí)繞阻160弧焊反饋功能單元245芯165反饋路徑246次級(jí)繞阻170焊接工件247次級(jí)繞阻180電流減流器251二極管190二極管252二極管195扼流線圈260中心抽頭引線200焊接控制器261驅(qū)動(dòng)器元件210輸入整流器261驅(qū)動(dòng)器元件212引線270開關(guān)板213引線275電流反饋信號(hào)220初級(jí)電路301光電耦合器302光電親合器891焊條303門驅(qū)動(dòng)器899金屬工件304門驅(qū)動(dòng)器900部分305光電耦合器910輸出部分306光電耦合器920電容器307門驅(qū)動(dòng)器930第一幵關(guān)308門驅(qū)動(dòng)器940第二開關(guān)600開關(guān)方案950第三開關(guān)601固定相移960第四開關(guān)602最大空載時(shí)間970初級(jí)繞阻603最大空載時(shí)間971方向604最小空載時(shí)間972相反方向605最小空載時(shí)間606最大輸出610閉合時(shí)間700開關(guān)方案701固定相移704最小空載時(shí)間705最小空載時(shí)間706周期時(shí)間(cycle time)710閉合時(shí)間801周期(cycle)802焊接波形803焊接過程
權(quán)利要求
1.一種用于電弧焊機(jī)的電源，所述用于電弧焊機(jī)的電源包括逆變裝置，所述逆變裝置具有初級(jí)電路和次級(jí)電路，其中所述初級(jí)電路具有四個(gè)開關(guān)并且能夠交替地創(chuàng)建初級(jí)電壓脈沖來感應(yīng)所述次級(jí)電路中的次級(jí)電壓脈沖，并且其中所述次級(jí)電路包括能夠被連接到輸出焊接電路的輸出電路；用于閉合所述初級(jí)電路的第一開關(guān)和第二開關(guān)以在所述第一開關(guān)的第一生成的輸出脈沖和所述第二開關(guān)的第二生成的輸出脈沖之間建立固定相移的裝置；用于在所述第一開關(guān)和所述第二開關(guān)中的每個(gè)達(dá)到最小閉合時(shí)間之后斷開所述第一開關(guān)和所述第二開關(guān)的裝置；用于閉合所述初級(jí)電路的第三開關(guān)和第四開關(guān)以在所述第三開關(guān)的第三生成的輸出脈沖和所述第四開關(guān)的第四生成的輸出脈沖之間建立所述固定相移的裝置；以及用于在所述第三開關(guān)和所述第四開關(guān)中的每個(gè)達(dá)到最小閉合時(shí)間之后斷開所述第三開關(guān)和所述第四開關(guān)的裝置。
2.如權(quán)利要求1所述的電源，還包括用于在所述第一輸出脈沖和所述第三輸出脈沖之間建立空載時(shí)間的裝置。
3.如權(quán)利要求1或2所述的電源，還包括用于在所述第二輸出脈沖和所述第四輸出脈沖之間建立空載時(shí)間的裝置。
4.如權(quán)利要求1至3之一所述的電源，其中所述建立的固定相移能夠在所述第一輸出脈沖和所述第二輸出脈沖之間不產(chǎn)生交疊，以在所述輸出電路中產(chǎn)生零輸出電壓水平。
5.如權(quán)利要求1至4之一所述的電源，其中所述第一開關(guān)和所述第二開關(guān)的所述之后的斷開能夠在所述第一輸出脈沖和所述第二輸出脈沖之間產(chǎn)生最小交疊，以在所述輸出電路中產(chǎn)生最小非零輸出電壓水平。
6.如權(quán)利要求1至5之一所述的電源，其中所述建立的固定相移能夠在所述第三輸出脈沖和所述第四輸出脈沖之間不產(chǎn)生交疊，以在所述輸出電路中產(chǎn)生零輸出電壓水平。
7.如權(quán)利要求1至6之一所述的電源，其中所述第三開關(guān)和所述第四開關(guān)的所述之后的斷開能夠在所述第三輸出脈沖和所述第四輸出脈沖之間產(chǎn)生最小交疊，以在所述輸出電路中產(chǎn)生最小非零輸出電壓水平。
8.如權(quán)利要求1至7之一所述的電源，其中所述第一開關(guān)和所述第二開關(guān)的所述之后的斷開同時(shí)發(fā)生，并且能夠在所述第一輸出脈沖和所述第二輸出脈沖之間產(chǎn)生最大交疊， 以在所述輸出電路中產(chǎn)生最大輸出電壓水平。
9.如權(quán)利要求1至8之一所述的電源，其中所述第三開關(guān)和所述第四開關(guān)的所述之后的斷開同時(shí)發(fā)生，并且能夠在所述第三輸出脈沖和所述第四輸出脈沖之間產(chǎn)生最大交疊， 以在所述輸出電路中產(chǎn)生最大輸出電壓水平。
10.如權(quán)利要求1至9之一所述的電源，其中所述第一開關(guān)和所述第二開關(guān)的所述之后的斷開同時(shí)發(fā)生，并且能夠在所述第一輸出脈沖和所述第二輸出脈沖之間產(chǎn)生中等交疊， 以在所述輸出電路中產(chǎn)生中等輸出電壓水平。
11.如權(quán)利要求1至10之一所述的電源，其中所述第三開關(guān)和所述第四開關(guān)的所述之后的斷開同時(shí)發(fā)生，并且能夠在所述第三輸出脈沖和所述第四輸出脈沖之間產(chǎn)生中等交疊，以在所述輸出電路中產(chǎn)生中等輸出電壓水平。
12.一種用于電弧焊機(jī)的電源，特別是根據(jù)權(quán)利要求1-11之一所述的用于電弧焊機(jī)的電源，所述用于電弧焊機(jī)的電源包括逆變器，所述逆變器具有初級(jí)電路和次級(jí)電路，其中所述初級(jí)電路具有四個(gè)開關(guān)并且能夠交替地創(chuàng)建初級(jí)電壓脈沖來感應(yīng)所述次級(jí)電路中的次級(jí)電壓脈沖，并且其中所述次級(jí)電路包括能夠被連接到輸出焊接電路的輸出電路；所述初級(jí)電路的第一開關(guān)和第二開關(guān)；所述初級(jí)電路的第三開關(guān)和第四開關(guān)；以及控制器，所述控制器用于獨(dú)立地控制與閉合和斷開所述第一開關(guān)、所述第二開關(guān)、所述第三開關(guān)以及所述第四開關(guān)相關(guān)聯(lián)的定時(shí)。
13.如權(quán)利要求12所述的電源，其中所述開關(guān)中的每個(gè)包括絕緣柵雙極型晶體管 (IGBT).
14.如權(quán)利要求12或13所述的電源，其中所述開關(guān)的每個(gè)包括場(chǎng)效應(yīng)晶體管(FET)。
15.如權(quán)利要求12至14之一所述的電源，還包括可操作地連接到所述開關(guān)中的每個(gè)以驅(qū)動(dòng)所述開關(guān)的柵極驅(qū)動(dòng)電路。
16.如權(quán)利要求15所述的電源，還包括可操作地連接在所述柵極驅(qū)動(dòng)電路中的每個(gè)與所述控制器之間的光電耦合器件，以使所述控制器與所述柵極驅(qū)動(dòng)電路電氣隔離。
17.一種采用用于電弧焊機(jī)的電源的方法，所述電源包括逆變器，所述逆變器具有初級(jí)電路和次級(jí)電路，其中所述初級(jí)電路具有四個(gè)開關(guān)并且能夠交替地創(chuàng)建初級(jí)電壓脈沖來感應(yīng)所述次級(jí)電路中的次級(jí)電壓脈沖，并且其中所述級(jí)次電路包括能夠被連接到輸出焊接電路的輸出電路，所述方法包括閉合所述初級(jí)電路的第一開關(guān)和第二開關(guān)，以在所述第一開關(guān)的第一生成的輸出脈沖的上升沿和所述第二開關(guān)的第二生成的輸出脈沖的上升沿之間建立固定相移；在所述第一開關(guān)和所述第二開關(guān)中的每個(gè)達(dá)到最小閉合時(shí)間之后斷開所述第一開關(guān)和所述第二開關(guān)，以建立所述第一生成的輸出脈沖的下降沿和所述第二生成的輸出脈沖的下降沿；閉合所述初級(jí)電路的第三開關(guān)和第四開關(guān)，以在所述第三開關(guān)的第三生成的輸出脈沖的上升沿和所述第四開關(guān)的第四生成的輸出脈沖的上升沿之間建立固定相移；在所述第三開關(guān)和所述第四開關(guān)中的每個(gè)達(dá)到最小閉合時(shí)間之后斷開所述第三開關(guān)和所述第四開關(guān)，以建立所述第三生成的輸出脈沖的下降沿和所述第四生成的輸出脈沖的下降沿。
18.如權(quán)利要求17所述的方法，其中所述第一開關(guān)和所述第二開關(guān)的所述斷開同時(shí)發(fā)生，并且其中所述第三開關(guān)和所述第四開關(guān)的所述斷開同時(shí)發(fā)生。
19.如權(quán)利要求17或18所述的方法，還包括在所述第一輸出脈沖和所述第三輸出脈沖之間以及在所述第二輸出脈沖和所述第四輸出脈沖之間建立空載時(shí)間。
20.如權(quán)利要求19所述的方法，還包括在所述空載時(shí)間期間執(zhí)行關(guān)于測(cè)量的反饋電流和測(cè)量的反饋電壓的處理。
21.一種焊接機(jī)，所述焊接機(jī)包括可操作地連接到控制器的逆變器，其中所述控制器使用所述逆變器的改進(jìn)的相移開關(guān)，特別是根據(jù)權(quán)利要求17-20之一所述的方法，來控制所述焊接機(jī)的焊接過程。
全文摘要
一種用于電弧焊機(jī)的電源，所述電源包括逆變裝置(110)，所述逆變裝置(110)具有初級(jí)電路(220，230)和次級(jí)電路(240)，其中所述初級(jí)電路(220，230)具有四個(gè)開關(guān)(222，223，232，233)并且能夠交替地生成初級(jí)電壓脈沖來感應(yīng)所述次級(jí)電路(240)中的次級(jí)電壓脈沖，并且其中所述級(jí)次電路(240)包括能夠被連接到輸出焊接電路(150，170)的輸出電路(112，113)；用于閉合所述初級(jí)電路的第一開關(guān)和第二開關(guān)以在所述第一開關(guān)的第一生成的輸出脈沖和所述第二開關(guān)的第二生成的輸出脈沖之間建立固定相移的裝置(261)；用于在所述第一開關(guān)和所述第二開關(guān)中的每個(gè)達(dá)到最小閉合時(shí)間之后斷開所述第一開關(guān)和所述第二開關(guān)的裝置(261)；用于閉合所述初級(jí)電路的第三開關(guān)和第四開關(guān)以在所述第三開關(guān)的第三生成的輸出脈沖和所述第四開關(guān)的第四生成的輸出脈沖之間建立所述固定相移的裝置(262)；以及用于在所述第三開關(guān)和所述第四開關(guān)中的每個(gè)達(dá)到最小閉合時(shí)間之后斷開所述第三開關(guān)和所述第四開關(guān)的裝置(262)。
文檔編號(hào)B23K9/10GK102355976SQ201080012814
公開日2012年2月15日 申請(qǐng)日期2010年3月19日 優(yōu)先權(quán)日2009年3月19日
發(fā)明者L·羅, R·L·道奇, T·庫肯 申請(qǐng)人:林肯環(huán)球股份有限公司