超音频方波直流脉冲弧焊电源装置的制作方法

专利名称：超音频方波直流脉冲弧焊电源装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种超音频方波直流脉冲弧焊电源装置，具体地i兑，是指一种适用于 电弧焊接的超音频直流脉冲电源拓扑电路。
在电弧焊接领域，方波直流脉冲电流焊接得到广泛应用，如脉冲TIG焊、脉冲 MIG焊等。方波直流脉冲焊接与传统的直流焊接相比，具有显著的特点，如控制熔 滴过渡、控制焊缝成形、控制焊接线能量等方面。直流脉冲焊接时，脉冲频率是其重 要的参数之一，常规的直流脉冲TIG、直竭脉冲MIG焊接，其频率在零点几赫兹到 几百赫兹之间。这种常规的直流脉冲弧焊电源是基于传统晶闸管式、晶体管模拟式或 开关式(逆变式)电源的基础上，通过恒流、恒压输出特性的控制来实现的。其基本 原理是通过脉冲电流或电压给定信号通过闭环负反馈来实现。正是由于其电源控制基 本原理的限制，以及焊接电缆回路电感的存在，使得这种电源不具备输出较高频如超 音频(>20kHz)方波直流脉冲电流的能力。即使具备，其输出脉冲电流的上升率、 下降率、电流幅值及其波形的可控性很差。这也使得中髙频、超音频方波直流脉冲电 弧焊的研究未能得到深入进行的重要原因之一。而中高频、超音频方波直流脉冲电弧 焊，随着频率的显著提髙，会产生特殊的电磁效应和电弧超声等作用，对电弧焊接产 生显著的影响。众所周知，进行电弧焊接时，焊接电流髙达上百安培，要在技术上实 现上百安培超音频方波直流脉冲电流，直到今天都是十分困难的。同时由于焊接回路 分布电感及其参数的影响，采用常规的脉冲电弧焊接电源控制技术(见图1所示) 难以实现。即使能够实现，其电流波形也将发生很大畸变。图1中，常规脉冲焊接电源的三相或斜目交流电与整流滤波电路联接，整流滤 波电路输出直流电给逆变电路变换成高频交流信号，高频交流信号经第一变压器Bi 传输至整流电路中整流成直流电，直流电经续流电感Lp作用在电极和工件上；第一 电流传感器将釆集到的第一变压器Bt上的反馈直流信号/c (即焊接电源输出电流) 输出给第一闭环PWM控制电路，第一闭环PWM控制电路对接收的反馈直流信号^ 与给定电流信号/g进行差值比较后闭环控制输出PWM脉冲给第一驱动电路，所述 PWM脉冲经第一驱动电路后分别作用到功率开关管T2的栅极G和功率开关管T\的 栅极G上。各端子之间的联接为三相或单相交流电的U端、V端、W端分别与整流桥电 路MD的1端、2端、3端联接，整流桥电路MD的4端、5端之间并联有滤波电 容C;整流桥电路MD的4端联接至第一功率开关管1\的集电极C，整流桥电路 MD的5端联接至第二功率开关管T2的发射极E;第一功率开关管T\的发射极E与 第二功率开关管T2的集电极C相联；第一功率开关管T\的集电极C经第一电容& 后联接在第一变压器的A端，第二功率开关管T2的发射极E经第二电容C2后联 接在第一变压器的A端；第一变压器的B端联接在第一功率开关管T\的发射 极E与第二功率开关管T2的集电极C之间；第一变压器Bt的C端经第一二极管 Di后与续流电感Lp的1端联接；第一变压器B工的D端经第二二极誉D2后与续流 电感Lp的1端联接；续流电感Lp的2端与电极连接；第一变压器的E端与工件 连接，且第一变压器的E端与工件之间套接有第一电流传感器。 发明 内容为解决常规脉冲焊接电源控制技术难以实现超音频方波直流脉冲电流的难题，本 发明提供了一种新型超音频方波直流脉冲电源拓扑电路结构。该超音频方波直流脉冲 电源由脉冲峰值电流切换电路、基值电流产生电路、峰值电流产生电路、整流滤波电 路组成；三相或单相输入的交流电经整流滤波电路后分别输出给所述峰值电流产生电 路、所述基值电流产生电路；所述峰值电流产生电路用于产生峰值电流/,;所述基值电流产生电路用于实现基值电流/6输出；所述脉冲峰值电流切换电路用于实现脉冲 峰值电流/pp的脉冲输出，通过与基值电流/A的叠加实现电极和工件上脉冲电流/,的输出。在本发明中，所述整流滤波电路由整流桥MD、滤波电容C构成。所述峰值电 流产生电路由半桥^t变电路、第一变压器BP第一二极管DP第二二极管D2、 续流电感Lp、第一电流传感器、第一驱动电路、第一闭环PWM控制电路构成。其
各端子之间的联接为三相或单相交流电的U端、V端、W端分别与整流桥电路MD 的1端、2端、3端联接，整流桥电路MD的4端、5端之间并联有滤波电容C;整 流桥电路MD的4端联接至第一功率开关管L的集电极C,整流桥电路MD的5端 联接至第二功率开关管T2的发射极E;逆变电路采用全桥或半桥逆变电路拓扑结构， 第一功率开关管T\的发射极E与第二功率开关管T2的集电极C相联；第一功率开 关管1的集电极C经第一电容&后联接在第一变压器Bt的A端，第二功率开关管 T2的发射极E经第二电容C2后联接在第一变压器的A端；第一变压器的B 端联接在第一功率开关管T\的发射极E与第二功率开关管T2的集电极C之间；第 一变压器Bi的C端经第一二极管Di后与续流电感Lp的1端联接；第一变压器Bi 的D端经第二二极管D2后与续流电感Lp的1端联接；第一变压器的E端与第五 功率开关管TP的发射极E ,，且第一变压器Bt的E端与第五功率开关管TP的发射极E之间套接有第一电流传感器；峰值电流产生电路中第一电流传感 采集的第一 变压器Bi上的第一反馈电流信号/^ (即峰值电流信号)输出给第一闭环PWM控制电路,第一闭环PWM控制电路对接收的第一反馈电流信号/p/与第一给定电流信号/pg 进行差值比较后闭环控制输出第一 PWM脉冲，所述第一 PWM脉冲经第一驱动电路 后分别作用在第一功率开关管T\的栅极G和第二功率开关管T2的栅极G上。
在本发明中，所述基值电流产生电路由半桥式或全桥式逆变电路、第二变压器 B2、第三二极管D3、第四二极管D4、滤波电感k、第二电流传感器、第二驱动电 路、第二闭环PWM控制电路组成，用于实现基值电流/6输出。其各端子之间的联接 为整流桥电路MD的4端与第三功率开关管T3的集电极C联接，整流桥电路MD 的5端与第四功率开关管T4的发射极E联接；第三功率开关管T3的发射极E与第 四功率开关管T4的集电极C相联，第三功率开关管T3的集电极C经第三电容Cs后 联接在第二变压器B2的A端，第四功率开关管T4的发射极E经第四电容C4后联接 在第二变压器B2的A端，第二变压器B2的B端联接在第三功率开关管T3的发射极 E与第四功率开关管丁4的集电极C之间；第二变压器82的C端经第三二极管D3 后与滤波电感Lb的1端联接；第二变压器B2的D端经第四二极管D4后与滤波电感 Lb的l端联接；第二变压器B2的E端与第五功率开关管Tp的发I^E联接，且第 二变压器B2的E端与第五功率开关管Tp的发射极E之间套接有第二电流传感器；
基值电流产生电路中第二电流传感，采集的第二变压器B2上的第二反馈直流信号~ (即基值电流信号)输出给第二闭环PWM控制电路，第二闭环PWM控制电路 对接收的第二反馈直流信号/&/与第二给定电流信号^进行差值比较后闭环控制输 出第二 PWM脉冲，所述第二 PWM脉冲经第二驱动电路后作用在第三功率开关管 T3的栅极G和第四功率开关管T4的栅极G上。在本发明中，所述脉冲峰值电流切换电路由第五功率开关管Tp、功率二极管DP、 尖峰电压吸收保护电路、脉冲发生电路、第三驱动电路组成；尖峰电压吸收保护电路 用于吸收电压尖峰，当尖峰电压超限时，用于产生保护信号，实现对脉冲弧焊电源电 路的保护。其各端子之间的联接为续流电感Lp的2端分别与第五功率开关管Tp的 发射极C和功率二极管DP的阳极连接，功率二极管DP的阴极分别与续流电感k的 2端和电极连接，第五功率开关管Tp的发射极E与工件连接(在本发明中，根据电 弧焊接时直流电流极性接入的不同要求，功率二极管Dp的阳极也可以与工件连接， 第五功率开关管TP的发射极E也可以与电极连接。)；电极与工件之间并联有尖峰电 压吸收保护电路，该尖峰电压吸收保护电路用于吸收电压尖峰，当尖峰电压超限时， 用于产生作用于第一闭环PWM控制电路、第二闭环PWM控制电路和脉冲发生电路 的保护信号f/s ;脉冲发生电路按照外部输入的脉冲频率/和占空比5生成用于第三 驱动电路的脉冲序列，该脉冲序列经第三驱动电路后作用于第五功率开关管Tp的栅 极G上。本发明超音频方波直流脉冲电源的优点在于(1)釆用脉冲峰值电流切换电路、 基值电流产生电路与峰值电流产生电路的组合，实现了超音频方波直流脉冲电流的输 出；(2)超音频直流脉冲电流基值与峰值相互独立控制与调节，使脉冲频率/和占 空比^独立可调；(3)由于采用第五功率开关管Tp和功率二极管Dp的快速切换，可 在超音频脉冲电源输出端得到陡峭的方波脉冲电流幅值为1~300A,脉冲电流上升 率为^50A/;zy 。


图1是脉冲电弧焊接电源的常规结构框图。图2是本发明超音频方波直流脉冲弧焊电源的结构框图。图3是本发明超音频方波直流脉冲弧焊电源输出的电流波形示意图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明做进一步的详细说明。参见图2所示，本发明超音频方波直流脉冲弧焊电源装置由脉冲峰值电流切换 电路、基值电流产生电路、峰值电流产生电路、整流滤波电路组成；在本发明中，所述整流滤波电路、所述峰值电流产生电路采用如图1所示的常 规结构。即整流滤波电路可以由整流桥MD、滤波电容C构成。峰值电流产生电路 由半桥式逆变电路、第一变压器Bp第一二极管Dp第二二极管D2、续流电感Lp、 第一电流传感器、第一驱动电路、第一闭环PWM控制电路构成。其各端子之间的联 接为三相或单相交流电的U端、V端、W端分别与整流桥电路MD的1端、2端、 3端联接，整流桥电路MD的4端、5端之间并联有滤波电容C;整流桥电路MD 的4端联接至第一功率开关管1\的集电极C,整流桥电路MD的5端联接至第二功 率开关管T2的发射极E;逆变电路采用全桥或半桥逆变电路拓扑结构，第一功率开 关管1\的发射极E与第二功率开关管T2的集电极C相联；第一功率开关管T\的集 电极C经第一电容&后联接在第一变压器Bi的A端，第二功率开关管T2的发射极 E经第二电容。2后联接在第一变压器的A端；第一变压器的B端联接在第一 功率开关管1\的发射极E与第二功率开关管T2的集电极C之间；第一变压器的 C端经第一二极管后与续流电感Lp的1端联接；第一变压器的D端经第二二 极管D2后与续流电感Lp的1端联接；第一变压器的E端与第五功率开关管TP 的发射极E联接，且第一变压器的E端与第五功率开关管Tp的发射极E之间套接有第一电流传感器；峰值电流产生电路中第一电流传感,采集的第一变压器 上的第一反馈电流信号/,,(即峰值电流信号)输出给第一闭环PWM控制电路，第一闭环PWM控制电路对接收的第一反馈电流信号/p/与第一给定电流信号/re进行差 值比较后闭环控制输出第一 PWM脉冲，所述第一 PWM脉冲经第一驱动电路后分别 作用在第一功率开关管T\的栅极G和第二功率开关管T2的栅极G上。在本发明中，所述基值电流产生电路由半桥式或全桥式逆变电路、第二变压器 B2、第三二极管D3、第四二极管D4、滤波电感Lb、第二电流传感器、第二驱动电 路、第二闭环PWM控制电路组成，用于实现基值电流A输出。其各端子之间的联接 为整流桥电路MD的4端与第三功率开关管T3的集电极C联接，整流桥电路MD
的5端与第四功率开关管T4的发射极E联接；第三功率开关管T3的发射极E与第 四功率开关管T4的集电极C相联，第三功率开关管T3的集电极C经第三电容C3后 联接在第二变压器B2的A端，第四功率开关管T4的发射极E经第四电容C4后联接 在第二变压器B2的A端，第二变压器B2的B端联接在第三功率开关管T3的发射极 E与第四功率开关管T4的集电极C之间；第二变压器B2的C端经第三二极管D3 后与滤波电感Lb的1端联接；第二变压器B2的D端经第四二极管04后与滤波电感 Lb的1端联接；第二变压器B2的E端与第五功率开关管TP的发射极E联接，且第 二变压器B2的E端与第五功率开关管TP的发射极E之间套接有第二电流传感器； 基值电流产生电路中第二电流传感器将采集的第二变压器B2上的第二反馈直流信号 /6/ (即基值电流信号)输出给第二闭环PWM控制电路，第二闭环PWM控制电路 对接收的第二反馈直流信号/6/与第二给定电流信号^进行差值比较后闭环控制输 出第二 PWM脉冲，所述第二 PWM脉冲经第二驱动电路后作用在第三功率开关管 T3的栅极G和第四功率开关管T4的栅极G上。在本发明中，所述脉冲峰值电流切换电路由第五功率开关管Tp、功率二极管DP、 尖峰电压吸收保护电路、脉冲发生电路、第三驱动电路组成；尖峰电压吸收保护电路 用于吸收电压尖峰，当尖峰电压超限时，用于产生保护信号，实现对脉冲弧焊电源电 路的保护。其各端子之间的联接为续流电感Lp的2端分别与第五功率开关管Tp的 发射极C和功率二极管DP的阳极连接，功率二极管DP的阴极分别与续流电感Lb的 2端和电极连接，第五功率开关管Tp的发射极E与工件连接(在本发明中，根据电 弧焊接时直流电流极性接入的不同要求，功率二极管Dp的阳极也可以与工件连接， 第五功率开关管TP的发射极E也可以与电极连接。)；电极与工件之间并联有尖峰电 压吸收保护电路，该尖峰电压吸收保护电路用于吸收电压尖峰，当尖峰电压超限时， 用于产生作用于第一闭环PWM控制电路、第二闭环PWM控制电路和脉冲发生电路 的保护信号C/s ，脉冲发生电路按照外部输入的脉冲频率/和占空比^生成用于第三 驱动电路的脉冲序列，该脉冲序列经第三驱动电路后作用于第五功率开关管Tp的栅 极G上。本发明超音频方波直流脉冲弧焊电源装置，采用相互独立的基值电流产生电路和 峰值电流产生电路，实现了超音频脉冲电流的基值与峰值的独立控制与调节；由第五 功率开关管Tp和功率二极管Dp组成的脉冲峰值电流切换电路完成了将直流电转换为 超音频直流脉冲电流。通过控制第五功率开关管Tp与功率二极管Dp上的脉冲峰值电 流/pp的峰值时间^及脉冲周期r的变化，使得电极和工件两端的超音频电流频率为 >20kHz，脉冲电流幅值为1~300A，脉冲峰值电流/pp的上升率为^50A/^,如 图3所示。本发明的峰值电流产生电路输出电压为50 70V，输出电流为1 300A。 本发明的基值电流产生电路输出电压为50 70V,输出电流为1~300A。本发明超音频方波直流脉冲弧焊电源装置的工作原理是由基值电流产生电 路产生基值电流A,并作用到功率二极管Dp的阴极端；由峰值电流产生电路产生 峰值电流/p,该峰值电流/,经第五功率开关管Tp、功率二极管Dp后输出脉冲峰 值电流；；然后，基值电流A与脉冲峰值电流/pp进行叠加，即得到脉冲电流/,供 给电极和工件。当第五功率开关管Tp开通时，由峰值电流产生电路产生的电流由续流电感Lp、 第五功率开关管Tp构成回路，此时没有脉冲峰值电流/^输出；当第五功率开关管Tp关闭时，由峰值电流产生电路产生的电流经续流电感Lp、功率二极管Dp后输出稳 定的脉冲峰值电流/pp 。为保证脉冲峰值电流/,p的稳定以及具有快速的电流上升率， 续流电感Lp采用具有/wi/级较大电感量的续流电感，常规脉冲电弧焊接电源中该电 感为////级。由于续流电感Lp电感量大，在第五功率开关管Tp开通和关闭时，脉冲 峰值电流/^的波动较小，从而实现对脉冲电流/,中峰值电流的稳定控制。采用第五 功率开关管Tp和功率二极管Dp组成的快速切换电路，可在超音频脉冲电源输出端得 到陡峭的方波脉冲电流幅值为1 300A,电流上升率为^50A/戸。
权利要求
1、一种适用于电弧焊接的超音频方波直流脉冲弧焊电源装置，包括有整流滤波电路、峰值电流产生电路，其特征在于还包括有脉冲峰值电流切换电路、基值电流产生电路；三相或单相交流电的U端、V端、W端分别与整流桥电路MD的1端、2端、3端联接，整流桥电路MD的4端、5端之间并联有滤波电容C；整流桥电路MD的4端联接至第一功率开关管T1的集电极C，整流桥电路MD的5端联接至第二功率开关管T2的发射极E；第一功率开关管T1的发射极E与第二功率开关管T2的集电极C相联；第一功率开关管T1的集电极C经第一电容C1后联接在第一变压器B1的A端，第二功率开关管T2的发射极E经第二电容C2后联接在第一变压器B1的A端；第一变压器B1的B端联接在第一功率开关管T1的发射极E与第二功率开关管T2的集电极C之间；第一变压器B1的C端经第一二极管D1后与续流电感LP的1端联接；第一变压器B1的D端经第二二极管D2后与续流电感LP的1端联接；第一变压器B1的E端与第五功率开关管TP的发射极E联接，且第一变压器B1的E端与第五功率开关管TP的发射极E之间套接有第一电流传感器；峰值电流产生电路中第一电流传感器将采集的第一变压器B1上的第一反馈电流信号Ipf输出给第一闭环PWM控制电路，第一闭环PWM控制电路对接收的第一反馈电流信号Ipf与第一给定电流信号Ipg进行差值比较后闭环控制输出第一PWM脉冲，所述第一PWM脉冲经第一驱动电路后分别作用在第一功率开关管T1的栅极G和第二功率开关管T2的栅极G上；所述基值电流产生电路各端子之间的联接为整流桥电路MD的4端与第三功率开关管T3的集电极C联接，整流桥电路MD的5端与第四功率开关管T4的发射极E联接；第三功率开关管T3的发射极E与第四功率开关管T4的集电极C相联，第三功率开关管T3的集电极C经第三电容C3后联接在第二变压器B2的A端，第四功率开关管T4的发射极E经第四电容C4后联接在第二变压器B2的A端，第二变压器B2的B端联接在第三功率开关管T3的发射极E与第四功率开关管T4的集电极C之间；第二变压器B2的C端经第三二极管D3后与滤波电感Lb的1端联接；第二变压器B2的D端经第四二极管D4后与滤波电感Lb的1端联接；第二变压器B2的E端与第五功率开关管TP的发射极E联接，且第二变压器B2的E端与第五功率开关管TP的发射极E之间套接有第二电流传感器；基值电流产生电路中第二电流传感器将采集的第二变压器B2上的第二反馈电流信号Ibf输出给第二闭环PWM控制电路，第二闭环PWM控制电路对接收的第二反馈电流信号Ibf与第二给定电流信号Ibg进行差值比较后闭环控制输出第二PWM脉冲，所述第二PWM脉冲经第二驱动电路后作用在第三功率开关管T3的栅极G和第四功率开关管T4的栅极G上；所述脉冲峰值电流切换电路各端子之间的联接为续流电感LP的2端分别与第五功率开关管TP的发射极C和功率二极管DP的阳极连接，功率二极管DP的阴极分别与续流电感Lb的2端和电极连接，第五功率开关管TP的发射极E与工件连接；电极与工件之间并联有尖峰电压吸收保护电路，尖峰电压吸收保护电路用于吸收电压尖峰，并当尖峰电压超限用于产生作用于第一闭环PWM控制电路、第二闭环PWM控制电路和脉冲发生电路的保护信号US；脉冲发生电路按照外部输入的脉冲频率f和占空比δ生成用于第三驱动电路的脉冲序列，该脉冲序列经第三驱动电路后作用于第五功率开关管TP的栅极G上。
2、 根据权利要求1所述的超音频方波直流脉冲弧焊电源装置，其特征在于峰 值电流产生电路输出电压为50 70V,输出电流为1 300A。
3、 根据权利要求1所述的超音频方波直流脉冲弧焊电源装置，其特征在于基 值电流产生电路输出电压为50 70V，输出电流为1 300A。
4、 根据权利要求1所述的超音频方波直流脉冲弧焊电源装置，其特征在于脉冲峰值电流切换电路完成了将直流电转换为超音频直流脉冲电流，其通过控制第五功 率开关管Tp与功率二极管Dp上的脉冲峰值电流/^的峰值时间；及脉冲周期r的变化，使得电极和工件两端的超音频脉冲电流频率为^20kHz,脉冲峰值电流；的上 升率为》50A/戸，脉冲电流幅值为1 300A。
全文摘要
本发明公开了一种适用于电弧焊接的超音频方波直流脉冲电源装置，它主要包括有整流滤波电路、峰值电流产生电路、脉冲峰值电流切换电路、基值电流产生电路；由基值电流产生电路用于产生基值电流I_b，并作用到功率二极管D_P的阴极端；由峰值电流产生电路用于产生峰值电流I_p，该峰值电流I_p经第五功率开关管T_P、功率二极管D_P后输出脉冲峰值电流I_pp；然后，基值电流I_b与脉冲峰值电流I_pp进行叠加，即得到脉冲电流I_f供给电极和工件。本发明超音频方波直流脉冲电源装置可以实现脉冲电流频率为≥20kHz，脉冲电流幅值为1～300A，脉冲电流上升率为≥50A/μs。
文档编号B23K9/10GK101125388SQ20071012083
公开日2008年2月20日 申请日期2007年8月27日 优先权日2007年8月27日
发明者许海鹰, 黄松涛, 齐铂金 申请人:北京航空航天大学