CN105817740B - 焊接电源及交直流氩弧焊机 - Google Patents
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Abstract
本发明属于氩弧焊机领域，尤其涉及一种焊接电源及交直流氩弧焊机。该焊接电源包括依次相接的整流滤波单元、一次逆变单元、变压器和混合逆变单元，所述混合式逆变单元通过内部集成有快恢复二极管的IGBT或IGBT半桥模块将整流功能和二次逆变功能混合成一体结构设计，这样不仅降低了功率器件的种类和数量，还降低了电路板布局布线的难度。也避免了焊机在直流输出时功率开关工作不平衡的状态，从而解决了传统电路结构的功耗大、散热器和风扇大、成本高、布线复杂等问题，达到降低焊机的重量和体积、降低成本、提高焊接效果的目的。
Description
技术领域
本发明属于氩弧焊机领域，尤其涉及一种焊接电源及交直流氩弧焊机。
背景技术
目前，市面上的交直流氩弧焊机的功率变换电源电路一般都采用两级逆变电路结构，如图1所示，电网电压经整流滤波、一次逆变和高频变压器降压之后，输出低压高频方波交流，再经过整流及二次逆变，最终输出直流或频率较低的交流焊接电流。
高频变压器降压之后的整流和二次逆变部分现有的技术主要有两种，一种是具有中心抽头的全波整流电路和二次全桥逆变电路模式，如图2所示：低压高频交流电经快恢复二极管D1、D2组成的全波整流转换为低压直流电，低压直流电再通过场效应管VT1、VT2、VT3、VT3组成的全桥逆变转换为低压直流或低压低频交流电经电缆线输出之后用于焊接。另一种是具有中心抽头的桥式整流电路和二次推挽式逆变电路模式，如图3所示：低压高频交流电经快恢复二极管D1、D2、D3、D4组成的桥式整流转换为低压直流电，低压直流电再通过绝缘栅双极型晶体管(IGBT)Q1、Q2组成的推挽逆变转换为低压直流或低压低频交流电，经电缆线输出之后用于焊接。
上述两类现有技术在实际的应用中都存在若干问题。以图2所示的电路结构为例，实际应用中就存在以下的几个问题：一是一般的焊机的输出为低压大电流，焊机在工作时导通回路中有三个功率器件导通(如D1+VT1+VT4或者D1+VT2+VT3等)，现有的功率器件无论是快恢复二极管还是IGBT或者场效应管在工作时都会产生压降(一般为1～2V左右)、特别是大电流状态下的功耗很明显。而为了解决功耗大的问题，二次逆变普遍采用低电压低导通电阻的场效应管，但缺点是成本高、场效应管的电压保护电路要求更苛刻、并且对于电弧焊接工件的特殊特性，采用低压场效应管不利于电流换向时的电弧维持、易产生断弧现象影响焊接效果。二则为提高电流换向时的稳弧效果，稳弧电压需设置为250V左右效果最佳，当采用耐压低于250V的场效应管时稳弧装置较复杂且效果不好，而采用耐压高于250V的场效应管时导通电阻普遍偏大，导致功耗明显。三是使用的功率器件数量多，电路板布局布线复杂。并且，当焊机输出状态为低压直流时，逆变部分的功率开关会出现两组持续导通而另外两组关闭状态，在这种状态下必然导致功率开关持续承受大电流流过，因此设计时需增加功率开关的数量或过电流能力，这必然造成成本的增加，而且还会导致散热器热量分布不平衡散热效果差等问题。
而如图3所示的具有中心抽头的桥式整流电流和二次推挽式逆变电路在实际的应用中也存在以下的几个问题：一是焊机在工作时导通回路中有两个功率器件导通(一个快恢复二极管和一个IGBT)，相比具有中心抽头的全波整流电路和二次全桥逆变电路，快恢复二极管的数量增加一倍，功率开关的数量减少一半，但所需耐压值增加一倍，故整体功耗相对并无明显变化。二是由于快恢复二极管数量增加一倍且为桥式整流，大电流时占空间大、电路板的布局布线复杂。三是二次逆变采用推挽式电路，由于功率开关耐压值增加一倍(一般选用600V)，现有焊机普遍使用高耐压大电流IGBT，而这种IGBT的高饱和压降(1～2V)会导致高的功耗。四是当焊机输出状态为直流时，逆变部分的功率开关会出现一组持续导通而另外一组关闭状态，必然导致功率开关持续承受大电流流过，因此设计时需增加功率开关的数量或过电流能力，这必然造成成本的增加。而且还会导致散热器热量分布不平衡散热效果差等问题。
综上所述，现有交直流氩弧焊机的功率变换电路都存在功耗大、成本高和布线复杂等问题。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的即在于提供一种焊接电源及交直流氩弧焊机，以解决传统电路结构的功耗大、散热器和风扇大、成本高、布线复杂等问题，达到减小焊机的重量和体积、降低成本、提高焊接效果的目的。
为了实现上述目的，一方面，本发明首先提供的焊接电源，连接在交流电输入端与焊接工件之间，包括：
整流滤波单元，用于将输入的交流电转换成高压直流电；
一次逆变单元，用于将所述整流滤波单元输出的高压直流电逆变成高压高频交流电；
变压器，用于将所述一次逆变单元输出的高压高频交流电降压成低压高频交流电；以及
混合逆变单元，用于对所述变压器输出的低压高频交流电进行整流和二次逆变处理后输出给所述焊接工件；
并且，所述混合式逆变单元通过内部集成有快恢复二极管的IGBT或IGBT半桥模块将整流功能和二次逆变功能混合成一体结构设计。
进一步的，所述焊接电源还包括：
连接在所述交流电输入端与所述整流滤波单元之间的电源开关，用于控制输入的交流电的通断。
具体的，所述混合逆变单元包括四个IGBT管，分别为IGBT管Q1、IGBT管Q2、IGBT管Q3和IGBT管Q4；
其中，IGBT管Q1的发射极和IGBT管Q3的集电极分别接所述变压器的两个绕组，IGBT管Q1与IGBT管Q2共集电极连接、IGBT管Q3与IGBT管Q4共发射极连接，IGBT管Q2的发射极与IGBT管Q4的集电极共接作为所述焊接电源的一输出端，所述四个IGBT管分别通过从基极输入的PWM驱动脉冲来控制IGBT管Q1、Q4或者Q2、Q3的交替导通和关断；所述变压器的中心抽头端为所述焊接电源的另一输出端。
或者，所述混合逆变单元包括四个IGBT半桥模块。
另一方面，本发明还提供一种交直流氩弧焊机。该交直流氩弧焊机就包括了如上所述的任一形式的焊接电源。
本发明提供的焊接电源及交直流氩弧焊机，通过采用内部集成有快恢复二极管的IGBT或IGBT半桥模块，实现了将整流功能和二次逆变功能合为一体的目的，不仅降低了功率器件的种类和数量，还降低了电路板布局布线的难度。由于该电源电路功率开关的工作时间始终为半个周期，故功率器件数量理论上可减少一半，即使电路中使用高耐压的IGBT或IGBT半桥模块，产生的功耗也比传统电路低。由于使用了高耐压的IGBT或IGBT半桥模块使得稳弧电路更加简单，稳弧效果更好，进而使得焊接效果更佳，也避免了焊机在直流输出时功率开关工作不平衡的状态，从而解决了传统电路结构的功耗大、散热器和风扇大、成本高、布线复杂等问题，达到降低焊机的重量和体积、降低成本、提高焊接效果的目的。
附图说明
图1是现有的交直流氩弧焊机的电源电路的结构框图；
图2是图1中高频变压器之后的整流及二次逆变部分的结构示意图；
图3是图1中高频变压器之后的整流及二次逆变部分的另一结构示意图；
图4是本发明一优选实施例提供的焊接电源的结构框图；
图5是本发明一实施例提供的焊接电源中混合逆变单元的结构示意图；
图6是本发明另一实施例提供的焊接电源中混合逆变单元的结构示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
图4是本发明一优选实施例提供的焊接电源的结构框图；为了便于说明，仅示出了与本实施例相关的部分，如图所示：
一种焊接电源，连接在交流电输入端与焊接工件之间，包括：
整流滤波单元10，用于将输入的交流电转换成高压直流电；
一次逆变单元20，用于将所述整流滤波单元输出的高压直流电逆变成高压高频交流电；
变压器30，用于将所述一次逆变单元输出的高压高频交流电降压成低压高频交流电；以及
混合逆变单元40，用于对所述变压器输出的低压高频交流电进行整流和二次逆变处理后输出给所述焊接工件；
其中，所述混合式逆变单元40通过内部集成有快恢复二极管的IGBT或IGBT半桥模块将整流功能和二次逆变功能混合成一体结构设计。
作为优选，该焊接电源还可以包括一连接在交流电输入端与整流滤波单元10之间的电源开关100，用于控制输入的交流电的通断。
图5是本发明一实施例提供的焊接电源中混合逆变单元的结构示意图；为了便于说明，仅示出了与本实施例相关的部分，如图所示：
混合逆变单元40与变压器30相连，包括四个IGBT管，分别为IGBT管Q1、IGBT管Q2、IGBT管Q3和IGBT管Q4。其中，IGBT管Q1的发射极和IGBT管Q3的集电极分别接所述变压器30的两个绕组，IGBT管Q1与IGBT管Q2共集电极连接、IGBT管Q3与IGBT管Q4共发射极连接，IGBT管Q2的发射极与IGBT管Q4的集电极共接作为焊接电源的一输出端接焊接工件。同时，四个IGBT管分别通过从基极输入的两组PWM驱动脉冲来控制IGBT管Q1、Q4或者Q2、Q3的交替导通和关断；变压器30的中心抽头端为所述焊接电源的另一输出端。
在实际应用中，通过PWM驱动脉冲来控制IGBT管Q1、Q4或者Q2、Q3交替导通和关断，从而实现交流电流输出，即混合逆变单元电路的工作原理简化后类似两种二极管全波整流电路：当焊接工件需要直流时，只需将Q2、Q3的驱动信号置于高电平或者将Q1、Q4的驱动信号置于高电平，而且通过变换Q2、Q3的驱动信号或者Q1、Q4的驱动信号可以达到切换输出给焊接工件的电流极性的功能。
图5所示的该混合逆变单元40在具体工作过程中，若Q2、Q3的驱动信号为高电平、Q1、Q4的驱动信号为低电平时，当高频变压器30的同名端a为高电平输出时，电流经过Q1内部的二极管、Q2输出到焊枪或者焊把钳与焊接工件形成电弧，再经线缆返回至高频变压器30的中心抽头；当高频变压器30的同名端a为低电平输出时，电流经过Q3、Q4内部的二极管输出经焊枪或者焊把钳与焊接工件形成电弧，再经线缆返回至高频变压器30的中心抽头，此时焊接为直流正接输出。
若Q1、Q4的驱动信号为高电平、Q2、Q3的驱动信号为低电平时，当高频变压器30的同名端a为高电平输出时，电流经高频变压器30的中心抽头至焊接工件与焊枪或者焊把钳形成电弧，再经Q4、Q3内部的二极管返回至高频变压器30；当高频变压器30的同名端a为低电平输出时，电流经高频变压器30的中心抽头至焊接工件与焊枪或者焊把钳形成电弧，再经Q2内部的二极管、Q1返回至高频变压器30，此时焊接为直流反接输出。
当焊机需要输出交流时，具体的工作原理与输出直流时类似，只是IGBT管的驱动是通过PWM驱动脉冲来互补驱动控制Q2、Q3的导通截止或者Q1、Q4的导通截止，使焊机输出低频交流电进行交流焊接，并且通过调节PWM驱动脉冲的频率和占空比实现电流波形的多样性以满足铝、镁等金属及其合金的焊接需要。
图6是本发明另一实施例提供的焊接电源中混合逆变单元的结构示意图。同样的，为了便于说明，也仅示出了与本实施例相关的部分，如图所示：
混合逆变单元40与变压器30相连，包括四个IGBT半桥模块。电路中变压器30为带中心抽头的高频变压器，绕组的中心抽头端为焊机的其中一个输出端。Q1、Q2、Q3、Q4分别为IGBT半桥模块，其中Q1的公共端和Q3的公共端分别接高频变压器的两个绕组，且Q2与Q4的公共端相连作为焊机的另一输出端。在具体应用时，同样是通过两组PWM驱动脉冲分别控制IGBT半桥模块Q1、Q2或者Q3、Q4内部的IGBT交替导通和关断，从而实现交流电流输出。将其电路工作原理简化之后，类似两个二极管全波整流电路，其具体工作过程在此就不再赘述。
另一方面，本发明实施例还提供一种交直流氩弧焊机，作为改进，该交直流氩弧焊机就内置了上述任一实施例提供的焊接电源。
综上所述，根据本发明提供的焊接电源及交直流氩弧焊机，其可以适用于各种功率级的逆变交直流氩弧焊机，使用不同数量的单管IGBT并联或者使用IGBT半桥模块就能满足不同应用场合的要求，并且完全兼容传统二次全桥逆变结构的驱动电路，可实现方便移植。另一方面，取消使用快恢复二极管整流，减少了使用功率器件的种类和数量，降低成本，降低了维修难度和提高了装配效率。无论焊机输出为交流状态还是直流状态，功率器件始终处于平衡工作状态，功率器件发热均衡、功率器件与散热器利用率高，理论上相对于传统结构来说，功率器件的数量减半。并且，功率开关使用高耐压IGBT可以取消吸收电路设计或简化吸收电路的设计，可靠性更高，而且稳弧电路设计更加简单、稳弧效果更好、使得焊接效果更佳。
值得注意的是，上述实施例中，所包括的各个单元只是按照功能逻辑进行划分的，但并不局限于上述的划分，只要能够实现相应的功能即可；另外，各功能单元的具体名称也只是为了便于相互区分，并不用于限制本发明的保护范围。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了较详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改、或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种焊接电源，连接在交流电输入端与焊接工件之间，其特征在于，所述焊接电源包括：
整流滤波单元，用于将输入的交流电转换成高压直流电；
一次逆变单元，用于将所述整流滤波单元输出的高压直流电逆变成高压高频交流电；
变压器，用于将所述一次逆变单元输出的高压高频交流电降压成低压高频交流电；以及
混合逆变单元，用于对所述变压器输出的低压高频交流电进行整流和二次逆变处理后输出低压直流或低压低频交流电给所述焊接工件；
并且，所述混合逆变单元通过内部集成有快恢复二极管的IGBT或IGBT半桥模块将整流功能和二次逆变功能混合成一体结构设计；
所述混合逆变单元包括四个IGBT管，分别为IGBT管Q1、IGBT管Q2、IGBT管Q3和IGBT管Q4；
其中，IGBT管Q1的发射极和IGBT管Q3的集电极分别接所述变压器的两个绕组，IGBT管Q1与IGBT管Q2共集电极连接、IGBT管Q3与IGBT管Q4共发射极连接，IGBT管Q2的发射极与IGBT管Q4的集电极共接作为所述焊接电源的一输出端，所述四个IGBT管分别通过从基极输入的PWM驱动脉冲来控制IGBT管Q1、Q4或者Q2、Q3的交替导通和关断；所述变压器的中心抽头端为所述焊接电源的另一输出端。
2.如权利要求1所述的焊接电源，其特征在于，所述焊接电源还包括：
连接在所述交流电输入端与所述整流滤波单元之间的电源开关，用于控制输入的交流电的通断。
3.如权利要求1所述的焊接电源，其特征在于，所述混合逆变单元包括四个IGBT半桥模块。
4.一种交直流氩弧焊机，包括一连接在交流电输入端与焊接工件之间的焊接电源，其特征在于，所述焊接电源包括：
整流滤波单元，用于将输入的交流电转换成高压直流电；
一次逆变单元，用于将所述整流滤波单元输出的高压直流电逆变成高压高频交流电；
变压器，用于将所述一次逆变单元输出的高压高频交流电降压成低压高频交流电；以及
混合逆变单元，用于对所述变压器输出的低压高频交流电进行整流和二次逆变处理后输出低压直流或低压低频交流电给所述焊接工件；
并且，所述混合逆变单元通过内部集成有快恢复二极管的IGBT或IGBT半桥模块将整流功能和二次逆变功能混合成一体结构设计；
所述混合逆变单元包括四个IGBT管，分别为IGBT管Q1、IGBT管Q2、IGBT管Q3和IGBT管Q4；
其中，IGBT管Q1的发射极和IGBT管Q3的集电极分别接所述变压器的两个绕组，IGBT管Q1与IGBT管Q2共集电极连接、IGBT管Q3与IGBT管Q4共发射极连接，IGBT管Q2的发射极与IGBT管Q4的集电极共接作为所述焊接电源的一输出端，所述四个IGBT管分别通过从基极输入的PWM驱动脉冲来控制IGBT管Q1、Q4或者Q2、Q3的交替导通和关断；所述变压器的中心抽头端为所述焊接电源的另一输出端。
5.如权利要求4所述的交直流氩弧焊机，其特征在于，所述焊接电源还包括：
连接在所述交流电输入端与所述整流滤波单元之间的电源开关，用于控制输入的交流电的通断。
6.如权利要求4所述的交直流氩弧焊机，其特征在于，所述混合逆变单元包括四个IGBT半桥模块。
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