具有占空比数字控制器的焊接电源的制作方法
【专利说明】具有占空比数字控制器的焊接电源
[0001]本申请是申请日为2010年6月I日、国际申请号为PCT/US2010/036843、国家申请号为201080034197.0、发明名称为“具有占空比数字控制器的焊接电源”的发明专利申请的分案申请。
[0002]相关申请的交叉引用
[0003]本申请主张于2009年6月3日提交的标题为“Welding Power Supply withDigital Control ”(具有数字控制器的焊接电源)的美国临时专利申请序列号61/183，731的优先权，其内容通过引用并入本申请。
[0004]发明背景
[0005]本发明总体上涉及焊接电源，以及，尤其涉及用于开关式焊接电源的数字控制器。
[0006]已经开发出可提供自交流(AC)或直流(DC)电源输出的焊接电能的许多类型的焊接电源。该焊接电源的一种是开关式焊接电源，所述开关模式焊接电源利用电源半导体开关来斩波来自电源的直流(DC)电源以及将斩波后的电源转变成适于焊接的电压和/或电流。已研制诸如，逆变式电源和斩波式电源的开关式电源，以满足各种焊接进程及应用的需要。
[0007]斩波式和逆变式电源焊接电源通常经由类似的控制方法和/或电路控制。控制该种电源的方法之一是采用脉冲宽度调制(PWM)控制。PWM控制通过改变位于在电源电路中的电源半导体开关的占空比(例如，开/关比率)来提供对所述焊接电源的输出电流和/或电压的控制和调整。传统的逆变或斩波焊接电源包括闭环电流控制回路，以便对某些弧焊负载状态该电源可操作为受控制的电流源。因此，传统的逆变或斩波焊接电源包括模拟控制器，所述模拟控制器控制从电源输出的最小和最大电源电流值、各种值间的电流变化率、所需电流波形的产生等。遗憾的是，模拟控制器往往存在某些弊端，例如无法充分处理开关式焊接电源的动态需求。例如，模拟控制器通常不能够足够快地响应焊弧上的突发事件，该突发事件可能在小于I毫秒的时间间隔发生。因此存在对开关式焊接电源的改进的控制系统和方法的需要。
【发明内容】
[0008]在一个实施例中，焊接电源包括电源转换电路，所述电源转换电路包括一个或多个电源半导体开关。所述电源转换电路适于从主电源接收电能和在开启配置和关闭配置间切换所述一个或多个电源半导体开关以便将所接收的电能转换为焊接输出。所述焊接电源进一步包括脉冲宽度调制(PWM)数字控制器，其连接至电源转换电路，并被配置为通过计算输出电压项来计算用于控制所述一个或多个半导体开关的切换的占空比项。
[0009]在另一个实施例中，焊接电源包括电源转换电路，所述电源转换电路包括一个或多个电源半导体开关，所述电源转换电路适于从主电源接收电能和在开启配置和关闭配置间切换所述一个或多个电源半导体开关以便将所接收的电能转换为焊接输出。焊接电源进一步包括脉冲宽度调制(PWM)数字控制器，所述PWM数字控制器包括栅极驱动电路，所述栅极驱动电路适于产生控制所述一个或多个电源半导体开关的切换的PWM输出信号。所述PWM输出信号包括考虑母线电压上的一个或多个变量的占空比项。
[0010]在另一个实施例中，用于开关式焊接电源的数字脉冲宽度调制(PffM)控制器适于确定开关式焊接电源的输出电压项，计算开关式焊接电源的可变的母线电压项，计算校正焊接电源的指令电流值与实际输出电流值间的差值的比例误差项，以及通过将所确定的输出电压项、所计算出的可变的母线电压项、和比例误差项结合来计算占空比项。
[0011]在另一个实施例中，焊接电源包括电源转换电路，所述电源转换电路包括一个或多个电源半导体开关，所述电源转换电路适于从主电源接收电能和在开启配置和关闭配置间切换所述一个或多个电源半导体开关以便将所接收的电能转换为焊接输出。所述焊接电源进一步包括脉冲宽度调制(PffM)数字控制器，其适于在近似等于电流和/或电压波形的平均值的触发位处对电流和/或电压波形进行采样，以及适于基于所采样的电流和/或电压的值计算控制所述一个或多个电源半导体开关的切换的PWM输出信号。
【附图说明】
[0012]当参考附图阅读下述详细描述，将更加容易理解本发明的这些和其它特征、方面和优点，在所有附图中相同的标记代表相同的部件，其中:
[0013]图1是根据本发明的方面的示例性斩波电路的框图，所述斩波电路被配置为用作开关式焊接电源；
[0014]图2是根据本发明的方面的用于焊接电源的示例性数字控制器的框图，所述数字控制器包括栅极驱动电路，所述栅极驱动电路被配置来驱动一个或多个电源半导体开关的切换；
[0015]图3是示出了示例性方法的流程图，数字控制器可采用所述方法来计算和设置用于焊接操作的适当的占空比；
[0016]图4是示出了根据本发明的方面的示例性实际电流输出波形和示例性平均电流波形的图，该示例性平均电流波形可产生于第一输出电压和第一负载状态下；
[0017]图5是示出了根据本发明的方面的示例性实际电流输出波形和示例性平均电流波形的图，示例性平均电流波形可产生于第二输出电压和第二负载状态下；
[0018]图6是根据本发明的方面的示例性时序图，所示时序图包括示例性脉冲宽度调制波形，该脉冲宽度调制波形可通过数字控制器产生；
[0019]图7是根据本发明的方面的示例性斩波式或逆变式焊接电源系统的原理图，所述示例性斩波式或逆变式焊接电源系统包括电源的电子部件和一个或多个外部部件；
[0020]图8示出了根据本发明的方面的随时间变化的示例性非钳位电压图和示例性非钳位电流图；
[0021]图9示出了根据本发明的方面的随时间变化的示例性钳位式电压图和示例性钳位式电流图；
[0022]图10示出了根据本发明的方面的电压图所示电压图包括示例性滤波电压反馈波形、示例性标度电压波形、以及未滤波快速电压波形；
[0023]图11更详细地示出了根据本发明的方面的图10中的未滤波快速电压波形中的选定区域。
[0024]图12更详细地示出了根据本发明的方面的图10中的未滤波快速电压波形中的选定区域。
【具体实施方式】
[0025]图1示出了示例性斩波电路10，其被配置用作开关式焊接电源10。斩波电路10包括AC线电压输入12、变压器14、一组二极管16、电容器18、电源半导体开关20、二极管22、电感器24、电流传感器26、输出电压28、以及焊弧30。斩波电路10由连接至焊接控制器34的数字脉冲宽度调制(PffM)斩波控制器32控制。所述数字控制器32包括栅极驱动电路36和接口电路38、40，所述栅极驱动电路36被配置为将电源半导体开关20切换开启和关闭，所述接口电路38、40被配置为接收来自反馈连接42、44和46的电流反馈和电压反馈。焊接控制器34和/或数字控制器32可以连接至各种输入和输出(例如，所示的用户界面48、风扇控制50和热敏传感器52)。
[0026]操作过程中，所述AC线电压12被斩波电路10接收，并且被变压器14转换为适合于焊接输出的电压值。在所示的实施例中，所述变压器14是配置为在线频操作的单相变压器。可是，在其它实施例中，所述变压器14可以是连接至三相线电压的输入源的三相变压器。事实上，所述斩波电路10可配置为接收单标称输入AC线电压或多标称AC线电压。因此，在某些实施例中，可通过在所述变压器14上提供抽头而调节多AC线电压，所述变压器14可手动或自动连接以获得特定的标称AC线电压。
[0027]所述变压器14的次级线圈的输出被所述二极管16整流，从而产生DC母线电压54。电容器18被配置来平滑和过滤DC母线电压54。因此，在一些实施例中，电容器18可以是电解电容器、薄膜电容器、或任何其它适当的电容器。电源半导体开关20和二极管22被配置为用作电源半导体斩波电路，所述斩波电路用于斩波DC母线电压54。例如，电源半导体开关20被所示的实施例的位于数字控制器32中的栅极驱动电路36切换开启和关闭。因此，电源半导体开关20的切换频率和占空比(S卩，开/关比率)被数字控制器32控制以便提供焊接电源的经调节的输出电压和/或电流，所述输出电压和/或电流符合所需焊接进程和/或状态的要求。在一些实施例中，所述切换频率可在大约在1KHz和大约10KHz间。例如，在一些实施例中，切换频率可约为20KHz。
[0028]由电源半导体斩波电路斩波的经处理的DC母线电压被应用到电感器24上，所述电感器24平滑输出电压28并输出输出电压28。也就是说，输出电流56和输出电压28产生并供给到焊弧、电焊引线、工件夹等以用于焊接操作。电流传感器26可用于测量输出电流56以及经由连接器42将所获得的测量数据传送至数字控制器32。同样，输出电压可被测量并被传送至位于数字控制器32的接口电路40。
[0029]操作过程中，所述数字控制器32可被配置为控制其它功能，诸如监测热敏传感器52，控制冷却风扇50，以及双向传送各种状态和控制信号至其它电路和控制器(例如，焊接控制器34)。例如，焊接控制器34被配置为输出指令信号58至数字控制器32。所述指令信号58可以是焊接电源的输出电流值、复杂波形、或取决于各种输入(诸如，所执行的焊接进程、所接收的用户输入、电压和电流反馈信号等)的信号。因此，在图1的实施例中所示的焊接控制器34可允许用户经由用户界面48选择以及控制焊接进程。通过用户界面48，焊接控制器34可提供各种信号、指示器、控制器、仪表、计算机接口等，其允许用户按所给定的焊接进程所要求的设置和配置焊接电源。
[0030]所述控制器3