专利名称：零电压零电流软开关弧焊逆变电源的控制电路的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种零电压零电流软开关弧焊逆变电源的控制电路，适用于 焊接技术领域。
背景技术：
传统的弧焊逆变电源主电路功率器件工作于硬开关方式，其工作过程开 关损耗大、开关应力大，影响了其可靠性。采用软开关技术可以改善功率器 件的开关环境，从而提高焊机的可靠性。目前在大功率弧焊逆变电源主电路
功率器件多采用绝缘栅双极性晶体管(IGBT),它存在较大的脱尾电流，存在 较大的关断损耗和应力。采用全桥零电压零电流脉宽调制(FB-ZVZCS-PWM) 技术可以使其中2只IGBT为零电压开关(ZVS),另外2只IGBT为零电流 (ZCS)开关，能够克服上述的缺点，因而更适合于大功率弧焊逆变电源。 在全桥零电压零电流软开关的控制方式中， 一种控制方式近年来得到了 较多的关注。这种控制方式的特点是电路中一个桥臂的两个开关管180°互 补导通，另一个桥臂的两个开关管的导通占空比可调。例如，在正半周期中， 开关管Q。 Q4同时导通，开关管Q4在正半周期中一直开通，而开关管Qd艮 据占空比控制要求只开通一段时间；同理，在负半周期中，开关管Q2、 Q3同
时导通，开关管Q3在负半周期中一直开通，而开关管Q2根据占空比控制要
求只开通一段时间。开关管Qi和Q2分别在开关管Q4和开关管Q3之前关断， 如图所示。可以定义开关管Q,和Q2组成的桥臂为超前臂，其驱动信号为 PWM1和PWM2，而开关管Q4和开关管Q3所组成的桥臂称为滞后臂，其驱 动信号为PWM3和PWM4。这种控制可以实现超前桥臂开关管的零电压开关 (ZVS)及滞后桥臂开关管的零电流开关(ZCS)。现有的这种控制方法中， 当驱动信号为最大脉宽时，互为对角的两个IGBT的驱动信号脉宽相同，滞后 臂和超前臂的驱动信号重合，如图6所示，不能为变压器原边的环流创造时间，此时滞后臂无法实现零电流开关。因此，此种控制方法并不能实现在最 大负载情况下的软开关，图1为这种控制方法控制的电焊机的电源外特性曲线。
发明内容
本发明的目的在于克服了现有技术的上述不足，提供了一种零电压零电 流软开关弧焊逆变电源的控制电路。该电路避免了电焊机高功率输出时工作 在硬开关状态，提高了电焊机的可靠性，同时可以使电焊机在小功率输出时， 主电路转为半桥模式，增强控制精度。
为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案。包括有脉冲发生电路1 、
斜坡补偿电路2、运算电路3、保护电路4、工作点判定电路5、滞后臂脉宽 调节电路6、触发电路7、可编程逻辑器件8和隔离放大电路9。其中电焊 机的输出电流设定值Ig和电焊机的实际输出电流lout与运算电路3的输入端 相连，电焊机的实际输出电流Iout还与工作点判定电路5的输入端相连；运 算电路3的输出端与脉冲发生电路1的输入端相连，同时还与滞后臂脉宽调 节电路6的输入端相连；斜坡补偿电路2的输出端与脉冲发生电路1的输入 端相连；脉冲发生电路1的同步信号SYS1输出端与触发电路7输入端相连， 脉冲发生电路1的脉冲信号PULSE1和PULSE2输出端与可编程逻辑器件8 的输入端相连，脉冲发生电路l同步锯齿波信号Vswt输出端与滞后臂脉宽调 节电路6输入端相连；滞后臂脉宽调节电路6产生的CLK1信号输出端与可 编程逻辑器件8输入端相连，工作点设定电流Iset与工作点判定电路5的输 入端相连，工作点判定电路5的Ip输出端与可编程逻辑器件8的输入端相连； 保护电路4的输出端与可编程逻辑器件8和脉冲发生电路1的输入端相连； 触发电路7的脉冲信号CLK2输出端和同步信号SYS2输出端与可编程逻辑器 件8的输入端相连；可编程逻辑器件8产生的超前臂驱动信号PWM1、 PWM2 和滞后臂驱动信号PWM3、PWM4的输出端与隔离放大电路9的输入端相连。 零电压零电流软开关弧焊逆变电源的控制电路的控制方法，该方法是按以下步骤进行的-
(1) 当电压偏差信号Vea小于Vmin时，脉冲发生电路产生的PULSEl和 PULSE2信号为低电平，送入可编程逻辑器件8，不经过逻辑运算直接作为超 前臂驱动信号PWM1和PWM2， CLK1和PULSE1、 PULSE2及触发电路产生 的SYS2信号在可编程逻辑器件内进行逻辑运算产生出PWM3和PWM4，此 时主电路工作在半桥模式下；
(2) 当电压偏差信号Vea大于Vmin时，且电焊机的实际输出电流lout小 于工作点设定电流Iset(电焊机最大输出电流的90%， Iset可根据采用的IGBT 承受能力进行调整)时，脉冲发生电路产生的PULSE1和PULSE2信号为PWM 脉冲信号，送入可编程逻辑器件8，不经过逻辑运算直接作为超前臂驱动信号 PWM1和PWM2; CLK1禾口PULSE1、 PULSE2及触发电路产生的SYS2信号 在可编程逻辑器件内进行逻辑运算产生出滞后臂驱动信号PWM3和PWM4， 此时主电路工作在有限双极性驱动的全桥模式下；
(3) 当电压偏差信号Vea大于Vmin时，且电焊机的实际输出电流lout大 于工作点设定电流Iset(电焊机最大输出电流的90%, Iset可根据采用的IGBT 承受能力进行调整)时，脉冲发生电路产生的PULSE1和PULSE2信号为PWM 脉冲信号，与触发电路产生的CLK2在可编程逻辑器件8中进行"与"运算， 分别将PULSE1和PULSE2的脉冲宽度减小一定时间(大于或等于超前臂关 断后原边电流衰减到零所需的时间t)后作为超前臂驱动信号PWM1和 PWM2， CLK1和PULSE1和PULSE2及触发电路产生的SYS2信号在可编程 逻辑器件内进行逻辑运算产生出滞后臂驱动信号PWM3和PWM4。
步骤1、步骤2和步骤3中的Vmin的大小为脉冲发生电路能够输出PWM 信号的临界比较值。
步骤3中的t取值为
(Lr为电焊机电源主电路部分的变压器的原边谐振电感值Cp为电焊机电源主电路部分的变压器的原边阻断电容值，D为电焊机的占空 比，T为电焊机的开关周期)。
与现有技术相比，本发明具有以下优点
1) 通过一个施密特触发电路配合可编程逻辑器件芯片，使得IGBT的驱 动波形PWM1、 PWM2、 PWM3、 PWM4在最大脉宽时，超前臂PWM1、 PWM2 仍然超前滞后臂PWM3、 PWM4 —定时间,这样就为滞后臂的零电流开关创造 了条件，使得最大脉宽时，仍然可以实现软开关。避免了电焊机在高功率输 出时工作在硬开关状态，提高了电焊机的可靠性。
2) 减小IGBT驱动脉宽，当超前臂的驱动脉宽变为零时，滞后臂的驱动 脉宽仍然存在，此时焊机主电路由全桥模式转换到半桥模式下，适合于小功 率输出。
图1是未采用本发明电路控制电焊机的电源外特性曲线； 图2是采用本发明电路控制电焊机的电源外特性曲线； 图3是全桥零电压零电流软开关弧焊逆变电源主电路； 图4是本发明的系统整体框图； 图5是本发明的运行流程图6是未采用本发明电路的最大脉宽驱动波形； 图7是采用本发明电路的最大脉宽驱动波形； 图8是本发明的电路原理图； 图9是本发明的半桥模式下的驱动波形图； 图10是本发明最大脉宽时的超前臂驱动波形产生的示意图； 图11是可编程逻辑控制器中的输入输出信号的逻辑关系图。
具体实施例方式
下面结合附图，对本发明作进一步的详细说明。本实施例通过增加一路触发电路，当IGBT驱动信号为最大脉宽时，使超 前臂的驱动信号与触发电路产生的脉冲信号进行"与"运算，能够使超前臂比滞后臂提前关断一定时间，如图7所示，降低了高功率输出工作点的电压，为电焊机电源中的变压器原边的环流创造了时间，实现了最大负载情况下的软开关，在图2为采用本发明控制电路控制电焊机的电源外特性曲线。同时当输出功率较小时，驱动波形由全桥驱动方式变为半桥驱动方式，适合小功 率输出。如图8所示，本实施例主要包括有运算电路、脉冲发生电路、工作点判定电路、触发电路、可编程逻辑器件等组成。(1) 运算电路和脉冲发生电路电焊机的实际输出电流Iout经电阻R4 接运算放大器LF353的2脚，输出电流设定值Ig经电阻R5接LF353的2脚， LF353的2脚接电阻R16和电容C4， 3脚通过电阻R15接地，8脚接+ 15伏 电源，十15伏电源通过电容C17接地，4脚接-15伏电源，一15伏电源通过 电容C16接地，1脚接电容C4和C5，运算放大器LF353的l脚产生出电压 偏差信号Vea经R26接PWM集成控制器UC3846的5脚，同时接滞后臂脉 宽调节电路中的电阻R2。 UC3846的1脚通过R6和R17接地，通过R3接参 考电压VREF， UC3846的2脚与3脚之间接电容C8， UC3846的4脚接斜坡 补偿电路，UC3846的6脚和7脚相连，UC3846的8脚通过电容C6和C7接 地，UC3846的9脚通过电阻R18和R19接地，11脚接电阻R27， R27通过 电阻R28接地，同时接可编程逻辑器件GAL18V10， 14脚接电阻R29， R29 通过电阻R30接地，同时接可编程逻辑器件GAL18V10， UC3846的15脚接 十15伏电源，十15伏电源通过电容C9接地，UC3846的13脚通过R20接十 15伏电源，通过CIO、 Cll接地，UC3846的12脚接地。(2) 滞后臂脉宽调节电路LM339的10脚通过电阻R2接运算电路中 的电阻R26，通过电容C1接地，11脚通过电阻R1接脉冲发生电路中UC3846 的8展卩，通过R7接地，LM339的13脚通过电阻R9接+ 5伏电源，同时接可编程逻辑器件GAL18V10。(3)工作点判定电路和触发电路电焊机的实际瑜出电流l0Ut接二极管D1的阳极和电阻R8， 二极管D1的阴极和电阻R8接电容C3，同时接电压比 较器LM339的8脚，LM339的9脚通过电阻R12接+15伏电源，通过电阻 Rll接地，14脚通过电阻R10接+ 5伏电源，同时接可编程逻辑器件 GAL18V10;若Iout大于Rll两端电压Iset，则LM339的14脚输出低电平， 触发电路产生的CLK2信号参与和PULSE1和PULSE2的"与"运算，如图 10所示。LM339的5脚接脉冲发生电路中UC3846的10脚，同时通过电阻 R23接地，LM339的4脚通过电阻R21接+15伏电源，通过电阻R22、电容 C12接地，LM339的3脚接+15伏电源，+15伏电源通过C13接地，2脚通 过R25接+ 5伏电源，同时接施密特触发器CD4098的4脚，CD4098的4脚 通过电阻R14接可编程逻辑器件，CD4098的3、 5、 16脚接+ 5伏电源，+5 伏电源通过C15接地，CD4098的1、 8脚接地，2脚与地之间有电容C14， 2 脚和3脚之间有电阻R24。通过调节C14与R24的大小，则可以改变触发电 路产生的脉冲信号CLK2的脉冲宽度，CD4098的6脚通过电阻R13接可编程 逻辑器件，可编程逻辑器件GAL18V10产生的的4路PWM信号PWM1、 PWM2、 PWM3、 PWM4接隔离放大电路。PWM1和PWM2作为超前臂驱动 信号，PWM3和PWM4作为滞后臂驱动信号。 下面结合附图详细描述电路工作原理1)当运算放大器LF353的5脚产生出电压偏差信号Vea小于Vmin (为 选用的PWM集成控制器能够输出PWM信号时的临界比较值)时，脉冲发生 电路产生的PULSE1和PULSE2信号为低电平，送入可编程逻辑器件8，不经 过逻辑运算直接作为超前臂驱动信号PWM1和PWM2， CLK1和PULSE1、 PULSE2及触发电路产生的SYS2信号在可编程逻辑器件内进行逻辑运算产生 出滞后臂驱动信号PWM3和PWM4，此时主电路工作在半桥模式下，驱动波 形如图9所示。2) 当电压偏差信号Vea大于Vmin(为选用的PWM集成控制器能够输出 PWM信号时的临界比较值)时，且电焊机的实际输出电流Iout小于工作点设 定电流Iset (电焊机最大输出电流的90。/。， Iset可根据采用的IGBT承受能力 进行调整)时，脉冲发生电路产生的PULSEl和PULSE2信号为PWM脉冲 信号，送入可编程逻辑器件，不经过逻辑运算直接作为超前臂驱动信号PWM1 和PWM2信号；CLK1和PULSE1、 PULSE2及触发电路产生的SYS2信号在 可编程逻辑器件内进行逻辑运算产生出滞后臂驱动信号PWM3和PWM4，此 时主电路工作在有限双极性驱动的全桥模式下。3) 当电压偏差信号Vea大于Vmin(为选用的PWM集成控制器能够输出 PWM信号时的临界比较值)时，且电焊机的实际输出电流Iout大于工作点设 定电流Iset (电焊机最大输出电流的90%， Iset可根据采用的IGBT承受能力 进行调整)时，脉冲发生电路产生的PULSE1和PULSE2信号为PWM脉冲 信号，与触发电路产生的CLK2 (通过改变CD4098 2脚与地之间有电容C14 和电阻R24的积分时间，则可以改变CLK2的脉冲宽度，在本实施例中将CLK 的脉冲宽度设定为22us)为在可编程逻辑器件中进行"与"运算，分别将 PULSE1和PULSE2的脉冲宽度减小一定时间(在本施例中此时间为3us)， 后作为超前臂驱动信号PWM1和PWM2， CLK1和PULSE1、 PULSE2及触发 电路产生的SYS2信号在可编程逻辑器件内进行逻辑运算产生出PWM3和 PWM4。图10为超前臂驱动信号PWM1和PWM2产生示意图。其中SYS1 为最大脉宽输出时，PULSE1和PULSE2之间的死区信号，脉冲宽度为5us， 频率为40KHz; CLK2是由SYS1经过施密特触发器产生得到的信号，其上升 沿与SYS1信号相同，频率同为40KHz，脉冲宽度为22us， PULSE1和PULSE2 的脉冲宽度均为20us。可以计算出CLK2与PULSE1和PULSE2脉冲宽度相 重合的部分为22us-5us=17us，因此CLK2与PULSE1和PULSE2进行"与" 运算后产生的PWM1和PWM2信号比PULSE1和PULSE2的脉冲宽度减小了 3us，为实现最大脉宽时的软开关提供了环流时间。Vmin的大小为为选用的PWM集成控制器能够输出PWM信号的临界比 较值，本设计中采用的PWM集成控制芯片为UC3846，临界比较值为0.5V。在步骤l、步骤2、步骤3中的在可编程逻辑器件中的运算关系如图11 所示。CLK1与反相器NOTl的输入端相连，NOT1的输出端分别与三输入与或 门1和5的输入端相连，三输入与或门4和2的输出端与三输入与或门1的 输入端相连，三输入与或门1的输出端与三输入与或门2的输入端相连；SYS2分别与反相器NOT2和三输入与或门8、 9的输入端相连，NOT
的输出端与三输入与或门2、 4和6的输入端相连，三输入与或门3的输出端 和低电平"地"与三输入与或门4的输入端相连，三输入与或门4的输出端 与三输入与或门3的输入端相连，低电平"地"与三输入与或门3和2的输 入端相连，三输入与或门3的输出端与三输入与或门4和6的输入端相连， 三输入与或门2的输出端与三输入与或门5的输入端相连，三输入与或门5 的输出端分别与三输入与或门6、四输入或门OR2和OR3的输入端相连；PULSE2与反相器NOT3的输入端相连，NOT3的输出端分别与三输入与 或门7和11的输入端相连，三输入与或门10和8的输出端与三输入与或门7 的输入端相连，三输入与或门7的输出端与三输入与或门8的输入端相连，PULSE1与反相器NOT4的输入端相连，NOT4的输出端与三输入与或门 8、 10和12的输入端相连，三输入与或门9和12的输出端与三输入与或门 10的输入端相连，三输入与或门10的输出端与三输入与或门9的输入端相连， 三输入与或门9的输出端与三输入与或门10和12的输入端相连，三输入与 或门8的输出端与三输入与或门11的输入端相连，三输入与或门11的输出 端分别与三输入与或门12、四输入或门OR2和OR3的输入端相连，三输入 与或门12的输出端分别与三输入与或门10、四输入或门OR2和OR3的输入 端相连。
权利要求
1. 零电压零电流软开关弧焊逆变电源的控制电路，包括有脉冲发生电路(1)、斜坡补偿电路(2)、运算电路(3)、保护电路(4)；其特征在于还包括有工作点判定电路(5)、滞后臂脉宽调节电路(6)、触发电路(7)、可编程逻辑器件(8)和隔离放大电路(9)；其中电焊机的输出电流设定值Ig和电焊机的实际输出电流Iout与运算电路(3)的输入端相连，电焊机的实际输出电流Iout还与工作点判定电路(5)的输入端相连；运算电路(3)的输出端与脉冲发生电路(1)的输入端相连，同时还与滞后臂脉宽调节电路(6)的输入端相连；斜坡补偿电路(2)的输出端与脉冲发生电路(1)的输入端相连；脉冲发生电路(1)的同步信号SYS1输出端与触发电路(7)输入端相连，脉冲发生电路(1)的脉冲信号PULSE1和PULSE2输出端与可编程逻辑器件(8)的输入端相连，脉冲发生电路(1)同步锯齿波信号Vswt输出端与滞后臂脉宽调节电路(6)输入端相连；滞后臂脉宽调节电路(6)产生的CLK1信号输出端与可编程逻辑器件(8)输入端相连，工作点设定电流Iset与工作点判定电路(5)的输入端相连，工作点判定电路(5)的判断信号Ip输出端与可编程逻辑器件(8)的输入端相连；保护电路(4)的保护信号SHUT输出端与可编程逻辑器件(8)和脉冲发生电路(1)的输入端相连；触发电路(7)的脉冲信号CLK2输出端和同步信号SYS2输出端与可编程逻辑器件(8)的输入端相连；可编程逻辑器件(8)产生的超前臂驱动信号PWM1、PWM2和滞后臂驱动信号PWM3、PWM4的输出端与隔离放大电路(9)的输入端相连。
2、 权利要求1中所述的零电压零电流软开关弧焊逆变电源的控制电路的控制 方法，其特征在于，该方法是按以下步骤进行的1)当运算电路(3)输出的电压偏差信号Vea小于电压Vmin时，脉冲发 生电路(1)产生的PULSE1和PULSE2信号为低电平，送入可编程逻辑器件 (8)，不经过逻辑运算直接作为超前臂驱动信号PWM1和PWM2，滞后臂脉 宽调节电路(6)输出的CLK1信号和脉冲发生电路(1)输出的PULSE1、 PULSE2信号及触发电路(7)产生的SYS2信号在可编程逻辑器件(8)内进行逻辑运算产生出滞后臂驱动信号PWM3和PWM4;2) 当运算电路(3)输出的电压偏差信号Vea大于Vmin时，且电焊机的 实际输出电流Iout小于工作点设定电流Iset时，脉冲发生电路(1)产生的 PULSE1和PULSE2信号为PWM脉冲信号，送入可编程逻辑器件(8)，不经 过逻辑运算直接作为超前臂驱动信号PWM1和PWM2信号；滞后臂脉宽调节 电路(6)输出的CLK1和脉冲发生电路(1)产生的PULSE1、 PULSE2信号 及触发电路(7)产生的SYS2信号在可编程逻辑器件(8)内进行逻辑运算产 生出滞后臂驱动信号PWM3和PWM4;3) 当运算电路(3)输出的电压偏差信号Vea大于Vmin时，且电焊机的 实际输出电流Iout大于工作点设定电流Iset时，脉冲发生电路(1)产生的 PULSE1和PULSE2信号为PWM脉冲信号，滞后臂脉宽调节电路(6)输出 的CLK1和PULSE1、 PULSE2及触发电路产生的SYS2信号在可编程逻辑器 件(8)内进行逻辑运算产生出滞后臂驱动信号PWM3和PWM4， PULSE1 和PULSE2信号与触发电路(7)产生的CLK2在可编程逻辑器件(8)中进 行"与"运算，使得PULSE1和PULSE2的脉冲宽度减小后作为超前臂驱动 信号PWM1和PWM2;步骤l、步骤2和步骤3中所述的Vmin为脉冲发生电路(1)能够输出 PWM信号时的临界比较值。
全文摘要
本发明涉及一种零电压零电流软开关弧焊逆变电源的控制电路，适用于焊接技术领域。包括有脉冲发生电路、斜坡补偿电路、运算电路、保护电路、工作点判定电路、滞后臂脉宽调节电路、可编程逻辑器件和隔离放大电路。脉冲发生电路是采用电流型PWM集成控制器来产生两路PWM脉冲信号，送入可编程逻辑器件，通过对可编程逻辑器件进行编程，并配合滞后臂脉宽调节电路，用来调节PWM脉宽，由可编程逻辑器件产生超前臂驱动信号PWM1、PWM2和滞后臂驱动信号PWM3、PWM4。该电路避免了电焊机在高功率输出时工作在硬开关状态，提高了电焊机的可靠性。
文档编号B23K9/10GK101264545SQ20081010540
公开日2008年9月17日 申请日期2008年4月30日 优先权日2008年4月30日
发明者刘泽伟, 卢振洋, 宇 张, 张开亮, 殷树言, 陈树君 申请人:北京工业大学