电源以及用于冷却这种电源的方法
【专利摘要】本发明涉及一种用于提供直流电流的电源(10)，所述电源(10)包括：大电流变压器(12)，所述大电流变压器(12)具有至少一个初级绕组(13)和具有中央抽头的至少一个次级绕组(14)；同步整流器(16)，所述同步整流器(16)与所述大电流变压器(12)的所述至少一个次级绕组(14)连接并具有电路元件(24)和用于启动所述同步整流器(16)的所述电路元件(24)的电路(17)；以及供电电路(48)，所述供电电路(48)用于给所述同步整流器(16)和所述启动电路(17)供电。本发明还涉及一种用于冷却这种电源(10)的方法。为了降低损失并提高效率度，所述同步整流器(16)和所述启动电路(17)及其所述供电电路(48)被集成在所述大电流变压器(12)中。
【专利说明】电源以及用于冷却这种电源的方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种用于提供直流电流的电源，所述电源包括:大电流变压器，所述大电流变压器具有至少一个初级绕组和具有中央抽头的至少一个次级绕组；同步整流器，所述同步整流器与所述大电流变压器的所述至少一个次级绕组连接并包括电路元件；和用于启动所述同步整流器的电路元件的电路。
[0002]此外，本发明涉及一种用于冷却用于提供直流电流的电源的方法，所述电源包括:大电流变压器，所述大电流变压器具有至少一个初级绕组和具有中央抽头的至少一个次级绕组；同步整流器，所述同步整流器与所述大电流变压器的所述至少一个次级绕组连接并包括电路元件；和用于启动所述同步整流器的电路元件的电路。
【背景技术】
[0003]根据本发明的电源主要但并非排他地与电阻焊接装置特别是点焊装置(其中尤其出现大约几千安培的大直流电流)一起使用。在本专利申请的主题内容中也覆盖用于采用这种大直流电流的其他装置的电源。这种装置的示例有电池充电器、粒子加速器、用于电镀的设备等。例如，W02007/041729A1描述了一种电池充电器和用于产生相应的大直流电流的电流变压器。
[0004]在电阻焊接装置中，使用适当的大电流变压器和整流器来提供所需的大直流电流。由于发生大电流，二极管整流器因为相对较高的损失而不利，因此主要采用包括由相应的晶体管形成的控制元件的有源整流器。然而，具有有源整流器(例如同步整流器)的电阻焊接装置也具有相对较高的损失，因此效率相对较低。由于在现有技术中由例如大电流变压器和整流装置的通常分离设计而导致线路长度相当长并因而招致功率损失，因此由于大电流导致效率非常差。
[0005]例如，DElO 2007 042 771B3描述了一种通过使用同步整流器操作电阻焊接装置的电源的方法，通过该方法能够降低功率损耗并能够提高效率。
[0006]在汽车工业的生产线中，使用多个点焊装置(经常有大约有100到1000个个体单元)来准备将要制造的车辆的车身或底盘上的各种连接。由于个体点焊装置已经因为大电流变压器和电力线路和电路元件而导致高损失，在这种生产线中产生的总损失在极其高的尺寸范围内，例如在IMW和50MW之间。因为损失主要反映为热损失的形式，因此必须再次采取措施将这些热消散，从而甚至进一步劣化了总体能量平衡。
[0007]由该事实产生的另一个缺点是，因为这种设施的高损失，所以电网需要非常高的连接瓦数，从而导致这种设施的制造、试运转和操作费用非常高。
[0008]为了利用20kA的焊接电流产生单个点焊，根据现有技术，从当前观点来看，例如需要高达150kW的电网连接瓦数，其中使用所述焊接电流，产生了高达135kW的损失，从而获得了仅大约10%的非常低的效率。
【发明内容】
[0009]因此，本发明的目的是创造出用于提供直流电流的电源以及用于冷却这种电源的方法，由此能够降低损失，并且能够提高能量平衡和效率。应该能够避免或减少已知装置和方法的缺点。
[0010]根据本发明的目的通过以上提到的用于提供直流电流的电源来解决，其中所述同步整流器和所述启动电路及其所述供电电路被集成在所述大电流变压器中。因而，有利的是创造了自主系统，该自主系统可以用来给装置供应大直流电流。在这种构造中，不管是什么控制线路都不需要，而是仅仅需要将所述电源在所述初级侧上连接至供电单元，由此在次级侧可获得对应大小的性能，特别是例如15kA至40kA的直流电流。因而，用户不需要进行任何调整，而是仅仅需要连接所述电源。这种紧凑设计的另一个重大好处是能够实现功率耗散的高度节省，因为线路长度和接触电阻都被最小化。将实际上独立的分开部件集成在公共单元中致使总体尺寸大大降低，因而所述电源的重量也大大降低。同时，该单元还可以作为支撑元件在应用中特别是在焊枪中直接应用。再次，显著地增加了用户方便性。所述大电流变压器的部件，即同步整流器、启动电路和供电电路因而形成了一个公共的优选立方体或方石形状的单元。由于该构造，大电流变压器的次级侧和同步整流器之间无需任何线路，从而也省去了由这种线路引起的可能的欧姆损失和/或接触损失。
[0011]有一种设计也是有利的，其中为了形成多点接触，在所述电源的大电流变压器处设置至少四个触头，以提供所述直流电流。这种多点接触实现了紧凑设计，并且能够省略或缩短为了将电源与随后部件(例如电阻焊接装置的焊枪臂或电极)连接而通常设置的线路，因而能够降低欧姆损失和/或接触损失，并且能够提高电源的效率。
[0012]根据本发明的另一特征，设置成这样，即:一个极性的两个第一触头和相反极性的两个附加触头均彼此相对地布置，其中与所述两个第一触头相比，所述两个附加触头被布置成相对于彼此基本偏移90°。所述触头在电源处的这种几何布置使得可以完全避免线路或减少线路的长度，并因而显著地降低欧姆损失和接触损失。由于将触头翻倍并因而将连接表面翻倍，可以将每个触头的电流减半，并且因而再次实现高度节省损失。例如，在用以提供20kA的直流电流的电源的尺寸中，四个触头中的每个触头具有15cm xl5cm到25cmx25cm,并优选20cm x20cm的面积。
[0013]所述同步整流器的所述电路元件与所述大电流变压器的所述至少一个次级绕组优选不用线路地即直接地连接。
[0014]有利地，所述同步整流器的所述电路元件由场效应晶体管形成，该场效应晶体管的漏极由其壳体形成。所述壳体不用线路地连接至所述大电流变压器的所述至少一个次级绕组。该布置因而设置成使得所述大电流变压器的次级绕组和所述电路元件与所述场效应晶体管的壳体直接接触，从而在这些单元之间不需要线路。
[0015]为了实现用于产生大次级侧电流的大电流变压器的所需变压比，根据本发明的另一个特征，所述大电流变压器包括串联连接的多个初级绕组，优选串联连接的至少10个初级绕组，以及并联连接的具有中央抽头的多个次级绕组，优选并联连接的具有中央抽头的至少10个次级绕组。初级电流流过所述大电流变压器的串联连接的初级绕组，同时相对大的次级侧电流在并联连接的多个优选至少10个次级绕组之间分割。次级侧的这些分流电流被供应至同步整流器的对应电路元件。通过使用这种分割，得到了对应高的变压比，而不管较低的初级和次级匝数。通过使用所述构造，与传统的大电流变压器相比，初级侧上需要较低匝数，由此能够降低初级绕组的长度，并能够由此降低欧姆损失。因为初级绕组匝数减少，结果使得所得到的线路长度减小，所以又降低了系统通常具有的大电流变压器的漏电感，由此所述大电流变压器能够以例如IOkHz的更高切换频率进行操作。进而，更高切换频率导致所述大电流变压器总体尺寸和重量降低，因而导致有利的安装选项。因此，所述电源能够例如尽可能接近电阻焊接装置的电极定位。因而，甚至焊接机器人的负载也能够由于所述电源的较低重量而降低，从而更小的更廉价的机器人就足以够用。
[0016]所述大电流变压器的变压比为10至1000，优选为至少100，以确保产生大次级侧电流。
[0017]所述电源的特别有利的构造能够被实现，因为:所述大电流变压器包括由导电材料制成的工字梁，至少一个相应的环状芯体布置在该工字梁的凹部内，其中每个次级绕组的一个相应接线与所述工字梁的内表面直接接触，并且所述工字梁的外表面形成所述电源的两个第一触头。所述工字梁因而形成了所述大电流变压器的基础，所述次级绕组围绕该工字梁布置，从而不需要连接线路。所述工字梁的外表面代表所述电源的两个第一触头，所述两个第一触头直接地即不用线路地连接至待被供电的装置，例如电阻焊接装置的焊枪臂。因为所述环状芯体没有被设计成圆形的，而是被设计成椭圆的，因此实现了节省空间的布置。优选地，采用闭合的环状芯体。通过使用所述设计，能够实现所述初级绕组和所述次级绕组的串联/并联连接，由此实现了利用减少匝数的所述初级绕组和所述次级绕组提供用于大直流电流的所述大电流变压器的所需变压比。当在所述工字梁的每侧布置至少三个并联连接的次级绕组时，这种设计是特别有用的。
[0018]有利地，所述大电流变压器的至少一个次级绕组的中央抽头不用线路地与所述工字梁连接。因此，可以省略各个组成部件之间的对应线路。通过将所述次级绕组直接连接至所述工字梁的中心，还实现了连接表面的显著增加，因而能够再次降低接触损失和线路损失。
[0019]在具有工字梁的所述大电流变压器的上述构造中，所述大电流变压器的至少一个初级绕组被布置成延伸穿过所述至少一个环状芯体，特别是在所述工字梁的凹部中对称地布置在两侧的所述环状芯体。通过使用这样布置的初级绕组，能够实现与所述次级绕组的最佳磁性耦合。
[0020]如以上已经提到的，所述次级绕组通过所述大电流变压器的所述工字梁彼此电连接。每个次级绕组的相应其他接线通过同步整流器和启动电路与每个均由导电材料制成的接触板优选直接连接，所述接触板位于所述工字梁的凹部和布置在其中的所述次级绕组的上方，其中这些接触板的外表面形成了所述电源的两个附加触头。
[0021]根据本发明的另一个特征，所述大电流变压器的所述至少一个初级绕组的接线被引导通过所述工字梁的外表面上的至少一个开口。所述大电流变压器的所述初级绕组的接线可以从此处连接至对应的电源或供电单元。
[0022]所述电源的一个有利实施方式还由如下构造产生，其中所述大电流变压器的一个具有中央抽头的次级绕组均由围绕环状芯体的横截面并穿过所述环状芯体的具有基本S形镜像倒置曲线的由导电材料制成的彼此绝缘的两个金属片材形成，其中所述金属片材的外表面形成了用于与所述同步整流器的电路元件或电阻焊接装置的电极连接的触头。这实现了一个极其节省空间的紧凑构造。同时，非常大的接触表面可用于将次级绕组与所述工字梁的中央或中央腹板和同步整流器的电路元件连接，从而以尽可能小的损失确保大电流。
[0023]用以形成所述大电流变压器的所述次级绕组的金属片材通过绝缘层(例如纸层)而彼此绝缘。因此，可以将两个次级绕组布置在一个环状芯体上并因而可以显著地降低总体尺寸、重量和损失。通过这种布置，在所述次级侧上实现中央整流器，其中所述工字梁利用所述次级绕组的一个连接端(特别是焊接端)形成了该中央整流器。
[0024]所述大电流变压器的所述工字梁和所述接触板优选形成立方体或方石形状的单元，其中在所述工字梁和所述接触板之间布置电绝缘。所述工字梁的两个外表面代表两个第一触头，而所述接触板的两个外表面代表所述电源的与所述两个第一触头偏移90°的两个附加触头。如果将用于提供焊接电源的电源的所有组成部件，诸如同步整流器、启动电路、用于同步整流器和启动电路的供电电路集成在该立方体或方石形状的单元中，则形成了自主单元，仅必须将该自主单元的输入侧与供电单元连接，并且仅必须将该自主单元的输出侧与相应的消费负载连接。电源的各个电路之间的通常线路可以被省略或可以至少基本上降低它们的长度。
[0025]如果将覆盖板布置在所述工字梁的前表面处，可以以立方体或方石形状形成所述电源的更坚固单元。
[0026]如果所述覆盖板也由导电材料形成，并且适合于被拧在所述接触板上，则可以实现所述接触板的电连接。因而，可以省略将两个接触板彼此电连接的单独电线路，以建立电压或电位平衡，并因而避免两个接触板的不平衡。所述覆盖板因而建立用于提供直流电流的所述大电流变压器或电源的对称布置的两个接触板的电连接。
[0027]所述工字梁和/或所述接触板和/或所述覆盖板和/或用于形成所述大电流变压器的所述次级绕组的所述金属片材优选由优选具有银涂层的的铜或铜合金形成。铜或铜合金具有最佳的电特性并表现出良好的导热性，由此能够更快地排出所发生的热损失。银涂层防止铜或铜合金氧化。代替铜或铜合金，也可以考虑铝或铝合金，相比于铜，铝具有重量优势，不过抗腐蚀性不太高。代替银涂层，锡和其他材料或化合物的涂层或它们的层也是可行的。
[0028]所述工字梁和/或所述接触板还可以至少部分地由供应有所提供的直流电流的消耗负载的部件，例如电阻焊接装置的焊枪臂来形成。这使得能够形成一种构造，在该构造中，用于提供直流电流的电源至少部分地在所述消耗负载中。
[0029]在所述工字梁的外表面上和在所述接触板的外表面上，可以布置连接装置，优选具有螺纹以收纳螺钉的钻孔。通过这些连接装置，电源与消费负载的组成部件例如电阻焊接装置的焊枪的机械连接和电连接都可以建立。此外，各种其他元件也可以通过这种连接装置附接至工字梁或接触板的外表面。
[0030]根据本发明的另一个特征，在次级绕组的接线处，均布置有用于测量流过该次级绕组的电流的电流换能器，所述电流换能器与启动电路连接。所述电流换能器测量所述次级侧电流，由于该次级侧电流，同步整流器的电路元件被启动以使传导损失和切换损失最小。在以工字梁为大电流变压器的基础的电源的对称布置的情况下，次级绕组布置在所述工字梁的两侧上，并且所述电流换能器也布置在两侧上。所述电流换能器均和与其紧邻布置的启动电路直接接触，并且通过合适的线路与相应的相反的启动电路连接。至关重要的是，由于所述次级绕组的并联连接，在每个绕组中总是流动相同的电流，并且这种电流仅须从一个次级绕组抽取，以便关于整个电流做出结论。因此，在并联连接的十个次级绕组中，通过电流换能器测量整个次级电流的仅仅十分之一，这就是为什么这些电流换能器的尺寸能够显著变小的原因。因而，又实现了所述大电流变压器或电源的总体尺寸的降低。
[0031]有利的是，将所述电流换能器布置成相对于直流电流的方向基本90°定向，这是因为由此降低了由直流电流引起的磁场的干扰，并因而降低了测量误差。因而，能够进行非常精确的测量。
[0032]为了避免来自外部磁场的干扰，每个电流换能器都由壳体并优选由导磁材料制成的屏蔽件屏蔽。对于这种屏蔽件来说，铁素体是特别合适的材料。
[0033]为了使得所述同步整流器的电路元件的传导损失和切换损失最小，所述启动电路被设计成在所述次级绕组中的电流到达过零点之前的预设时间点启动所述同步整流器的电路元件。通过该预设时间点，可以平衡从次级侧电流的过零点的检测到相应电路元件的启动发生的延期。这意味着，所述同步整流器的电路元件的开启和断开时间不是由所述次级侧电流的过零点确定的，而是通过实现规定的开启和断开阈值来实现的。开启和断开阈值根据期望的切换延迟来限定。所述开启和断开阈值最好被设计成可调节的，以便进一步降低损失。在20kA的大电流变压器中，可以将切换时间设置为过零点之前的100ns，从而所有部件，特别是所述同步整流器的电路元件需要在该时间段内切换。
[0034]为了排出在电阻焊接装置的电源中发生的热损失，优选在所述工字梁和所述接触板中布置用于馈送冷却流体的通道。作为冷却流体，水是特别合适的，但是气态冷却剂也可以被输送通过所述冷却通道，并且由此可以将热损失排出。
[0035]所述冷却通道的 优选实施方式这样给出，即:在所述工字梁的外表面处布置用于馈送所述冷却流体的两个入口和用于排放所述冷却流体的一个出口，其中所述冷却通道被布置成从每个入口延伸到所述接触板并经由所述工字梁延伸到所述出口。所述出口的横截面相当于所有所述入口的横截面的总和。所述冷却通道的这种路线首先实现了布置有具有相应敏感部件的同步整流器和启动电路的电路板的接触板利用相应冷的冷却流体进行冷却。之后，冷却较不敏感部件，特别是所述大电流变压器的部件，即与所述次级绕组连接的工字梁。
[0036]所述启动电路和所述同步整流器优选被布置在至少一个电路板上，所述至少一个电路板被布置在至少一个接触板的内表面上。所述启动电路和所述同步整流器在所述至少一个接触板的内表面上的这种布置使得所述次级绕组的接线与所述同步整流器的电路元件能够直接地接触或不用线路地接触，并且还使得所述同步整流器的输出能够与所述接触板直接地接触即不用线路地接触。优选地，用于提供直流电流的所述大电流变压器或电源对称地构造，其中均具有所述同步整流器和所述启动电路的一部分的一个电路板在相应的接触板下面布置在对称布置的次级绕组的两侧上。
[0037]所述同步整流器和所述启动电路的每个电路板优选包括开口，所述电路元件布置在该开口上方，并且在所述同步整流器的电路板中的开口的位置中，所述接触板的内表面包括突起，特别是尖峰状突起，从而通过将所述突起伸入到位于所述接触板的内表面上的电路板上的开口内能够不用线路地接触所述电路元件。因而，可以省略所述同步整流器的电路元件和接触板之间的连接线路，由此一方面能够降低欧姆损失，另一方面能够提高所述电路元件和所述接触板之间的热跃迁。最后，由于不必铺设和连接任何连接线路，而是电路元件与所述突起直接连接(优选焊接)，因此也降低了生产劳动强度。通过所述突起还使得能够简单地定位所述电路板，因而能够大大方便制造。
[0038]如下设计也是有利的:由场效应晶体管形成的所述电路元件的源极接线通过所述突起特别是尖峰状突起与所述接触板直接电连接和热连接，这是因为这里可以再次避免对应的线路。
[0039]每个电路板优选布置在所述工字梁和所述接触板之间以形成必要的电绝缘。因此，不必在所述工字梁和所述接触板之间提供另外的电绝缘。
[0040]根据本发明的目的还通过以上提到的用于冷却提供直流电流的电源的方法来解决，其中首先在所述至少一个启动电路和所述同步整流器上引导所述冷却流体，然后在所述大电流变压器的至少一个次级绕组上引导所述冷却流体。因而，所述同步整流器和所述启动电路的更敏感部件首先用对应冷的冷却流体冷却，然后不太敏感的部件，特别是所述大电流变压器的次级绕组或与其热连接的部件被冷却。
[0041]作为冷却流体，优选使用水，但是也可以将气态冷却剂通过所述冷却通道输送，并且可以由此将热损失排出。
[0042]优选在独立回路中引导所述冷却流体。
【专利附图】
【附图说明】
[0043]下面借助于附图更详细地说明本发明。
[0044]其中:
[0045]图1是示意性图示的具有机器人和固定在该机器人上的焊枪的现有技术电阻焊
接装置；
[0046]图2是具有用以提供焊接电流的电源的电阻焊接装置的示意性框图；
[0047]图3是示意性图示的电阻焊接装置，特别是具有用以提供焊接电流的集成电源的焊枪；
[0048]图4是用以提供焊接电流的电源的示意性框图；
[0049]图5示出了用以提供直流电流的电源的一个实施方式；
[0050]图6以分解视图示出了根据图5的电源；
[0051]图7示出了根据图5的电源，其中绘制了冷却通道的路线；
[0052]图8是电源的大电流变压器的工字梁的视图；
[0053]图9以剖面示出了根据图8的工字梁；
[0054]图10是包括同步整流器和启动电路的印刷电路板的电源的大电流变压器的接触板；
[0055]图11以剖面示出了根据图10的接触板；
[0056]图12以分解视图示出了大电流变压器的具有电流换能器的次级绕组；
[0057]图13以分解视图示出了大电流变压器的次级绕组的设计；
[0058]图14示出了用于向同步整流器和启动电路供应电能的电路的框图；
[0059]图15示出了根据图14的供电电路的供应电压的时间历程；以及
[0060]图16示出了时间历程，以便示出根据大电流变压器的次级侧电流启动同步整流器的电路元件。
【具体实施方式】
[0061]在图1至图16中所示的实施方式中，描述了具有主要组成部件的电阻焊接装置I的设计。在这些图中，相同的部件利用相同的附图标记表示。
[0062]在图1中，以立体图示出了用于对至少两个工件2、3进行电阻焊接的电阻焊接装置1，该电阻焊接装置I具有用于操纵的机器人。该电阻焊接装置I由附接至机器人并具有两个焊枪臂5的焊枪4构成，在焊枪4上布置有每个都用于保持电极7的保持件6。电极7每个均通过带8而循环，带8降低电阻焊接时的接触电阻并保护电极7。此外，在带8上得到的所产生的点焊的图像可以被分析并用来评价焊接质量。用于保护电极7的带8从能够被分别布置在焊枪4或焊枪臂5上的卷绕装置9退绕，并沿着焊枪臂5、电极保持件6和电极7被引导回到卷绕装置9，在卷绕装置9处，带8被再次卷绕。为了进行点焊，通过电极7传导由对应的供电单元19供应的焊接电流。由此，工件2、3通过在点焊过程期间产生的点焊而被连接在一起。通常，用以提供焊接电流的供电单元19位于电阻焊接装置I外部，如图1中示意性所示。焊接电流借助于适当的线路11供应到导电地形成的电极7或焊枪臂
5。由于焊接电流的幅值在几千安培的范围内，因此线路11所需的横截面对应地较大，从而导致对应较高的欧姆损失。
[0063]此外，较长的主供电线路导致线路11的电感增加，因此电源10的大电流变压器12操作时的切换频率受到限制，从而导致非常大的大电流变压器12。在现有技术中，供电单元19位于紧接着焊接机器人的切换柜(配电柜)内，从而对于机器人上的焊枪4来说，到大电流变压器12的供电线路需要非常长，例如高达30m。
[0064]在根据本发明的解决方案中，实现了重量和尺寸的显著降低，从而能够将供电单元19直接定位在机器人上特别是定位在焊枪保持件的部分中。另外，优选将供电单元19设计成水冷的。
[0065]图2示出了具有用以提供焊接电流的电源10的电阻焊接装置I的示意性框图。尽管在所示的实施方式中，使用电源10提供用于电阻焊接装置I的焊接电流，但是电源10特别是电力供应的整个设计也可以用来提供用于其他应用的直流电流。电源10包括大电流变压器12，该大电流变压器12具有至少一个初级绕组13、具有中央抽头的至少一个次级绕组14和环状芯体15。通过大电流变压器12变换的电流在同步整流器16中被整流并被供应至电阻焊接装置I的焊枪臂5或电极7。为了控制同步整流器16，设置了启动电路17。启动电路17基于例如借助于电流换能器18测量的大电流变压器12的次级侧电流而向同步整流器16的电路元件24发送对应的触发脉冲。
[0066]如一般已知的，由于大的焊接电流，所需线路长度的总和引起在同步整流器16的电路元件24中发生相当大的欧姆损失和/或电感损失以及传导和切换损失。此外，还是在整流器中，在用于同步整流器16和启动电路17的电力供应中发生损失。因而，这种电阻焊接装置I所得到的效率较低。
[0067]为了产生大电流变压器12的初级侧电流，设置了供电单元19，该供电单元19布置在电网和电源10之间。供电单元19以期望的幅值和期望的频率向大电流变压器12或电源10提供初级侧电流。[0068]图3以示意性图示示出了具有集成电源10的电阻焊接装置I。电源10特别地作为支撑构件直接布置在电阻焊接装置I的焊枪4或焊枪臂5上，使得用以将焊接电流引导至电极7的线路11的至少一部分可以被省略，因此显著地缩短线路长度，这是因为仅需要与一个焊枪臂5进行连接。电源10具有至少四个触头20、21、22、23以形成多点接触，其中一个极性的两个第一触头20、21连接至一个焊枪臂5，而相反极性的两个附加触头22、23连接至另一个焊枪臂5。有利地，一个极性的两个第一触头20、21和另一个极性的另外两个触头22、23均彼此相对地布置，其中两个另外触头22、23与两个第一触头20、21相比相对于彼此基本布置成偏移90°。通过多点接触，将大电流变压器12的次级侧14连接至电阻焊接装置I的焊枪臂5或电极6通常所需的线路可以被防止，或能够降低其长度，因而能够显著地降低欧姆损失以及接触损失。因而，可以采用具有优选较大横截面的优选较短的线路，同时保持焊枪4的灵活性。另一个优点在于，由于这种接触，降低了损失，特别是接触电阻。由于所述至少四个触头20、21、22、23，能够将待传输的焊接电流减半，由此也使得接触损失降低，这是因为由于有源接触面积显著增加，而降低了接触电阻。例如，在确定用以提供20kA的直流电流的大电流变压器12或电源10的尺寸时，所述四个触头20、21、22、23中的每个都具有从15cmX15cm到25cmX 25cm优选为20cmX20cm的面积。
[0069]在所示的实施方式中，电源10基本形成为立方体形状，其中该立方体的侧表面形成了所述触头20、21、22、23。两个第一触头20、21经由焊枪臂5连接至电阻焊接装置I的一个电极7，而两个其他触头22、23经由焊枪臂5连接至电阻焊接装置I的另一个电极7。如能够在局部分解视图中看到的，至少一个焊枪臂5特别是下焊枪臂5经由下焊枪臂5的支撑构件23a连接，而另一个特别是上焊枪臂5经由柔性连接器夹子23b连接至附加触头
22、23。因而，至少一个焊枪臂5直接连接至大电流变压器12，而另一个焊枪臂5通过非常短(例如小于50cm)的线路连接至大电流变压器12。通过将电源10和电阻焊接装置I的电极7或焊枪臂5之间的线路11省略或使其特别短，能够相当大地降低欧姆损失和电感损失。
[0070]当至少两个触头20、21直接或不用线路地连接至且因而没有接触电阻地连接至焊枪臂5时产生了特别的优点。这方面能够实现是因为，这两个触头20、21实际上集成在电源10中并且直接地即不布设供应电路地连接至电阻焊接装置I的对应部件特别是焊枪臂5。因而，通过将焊枪臂5直接连接至大电流变压器12的触头20、21，实现了没有线路的连接，而第二焊枪臂5必须通过非常短的线路连接至触头22、23。这样，能够实现非常高地降低线路损失，因为线路长度减小至最小。在现有技术中，理想的是大电流变压器尽可能近地接近焊枪4定位，从而必须将线路从大电流变压器12布设到焊枪4，而在根据本发明的解决方案中，大电流变压器12集成在焊枪4中，同时一个焊枪臂5直接安装在大电流变压器12上，从而只有第二焊枪臂5必须通过一个或两个较短线路连接。当然，代替线路，还可以使用例如滑动触头或其他连接元件。同样，由于电源10的组成部件的紧凑设计和直接连接即不用线路的连接，也能够显著降低电源10内的损失。
[0071]有利地，电源10的所有组成部件，包括同步整流器16、启动电路17、电流换能器18和用于同步整流器16和启动电路17的所有供电电路都包含在立方体或方石形状单元中。也就是说，通过集成电子组成部件/电路，以立方体的形式创造结构单元，其中用户仅需要在初级侧以对应的交流电压形式或对应的交流电流提供能量，以便以高性能在次级侧上获得适当大小的直流电流或直流电压。控制和调控在立方体或电源10中自主地进行。因此，所述立方体和电源10可广泛用于给组成部件供应大直流电流。特别地，电源10用来供应低电压大电流，如通常在电阻焊接过程中那样。
[0072]当在电阻焊接过程中使用时，立方体形状的电源10的部件也可以由电阻焊接装置I的组成部件(例如如图所示的焊枪臂5等的部件)形成。立方体或电源10通过将焊枪臂5直接附接至立方体而具有支撑功能。另外的焊枪臂5通过连接线路(未示出)连接。通过使用所述设计，可以防止供电线路较长，从而获得了显著降低损失。然而，为了将立方体集成在这种焊枪4中，需要保持其尺寸尽可能小。例如，在确定将要提供的高达20kA的直流电流的尺寸时，立方体或电源10具有在IOcm和20cm之间特别是15cm的边长。通过使用立方体形状的电源10的所述紧凑设计，可以容易地将其集成在例如焊枪4的基体中。
[0073]图4示出了用以提供直流电流特别是焊接电流的电源10的示意性框图。在电源10的该优选实施方式中，大电流变压器12的十个初级绕组13串联连接，并且大电流变压器12的具有中央抽头的十个次级绕组14并联连接。通过使用大电流变压器12的这种设计，即使利用较低匝数的初级绕组13和较低匝数的次级绕组14，也能够实现对应高的变压比，以便在次级侧上获得对应的大电流。例如，利用十个初级绕组13和另外十个次级绕组14可以实现100的变压比。初级电流流过大电流变压器12的串联连接的初级绕组13，同时相对大的次级侧电流在并联连接的十个次级绕组14之间分割。次级侧上的分流电流被供应至同步整流器16的对应电路元件24。通过使用这种分割，得到了对应高的变压比(这里是100)，而不管低的初级和次级匝数。通过使用所述构造，与传统大电流变压器相比，在初级侧上需要较低的匝数，由此能够降低初级绕组13的长度，并能够由此降低欧姆损失。因为初级绕组13的匝数减少并因而得到的线路长度减小，又降低了对系统来说通常如此的大电流变压器12的漏电感，由此大电流变压器12能够以更高切换频率例如IOkHz操作。进而，与传统大电流变压器相比更高的切换频率致使大电流变压器12的总体尺寸和重量降低，因而致使有利的安装选项。因此，大电流变压器12能够例如非常靠近电阻焊接装置I的电极7定位。因而，甚至焊接机器人的负载也能够由于大电流变压器12的较低重量而降低，从而小的、更廉价的焊接机器人就足够。
[0074]没有初级绕组和次级绕组的串联/并联连接的传统变压器将需要对应的更多初级绕组，这将导致初级侧上的导线长度明显更长。由于更大的导线长度，一方面欧姆损失增力口，另一方导致更高的漏电感，漏电感就是现有技术变压器的操作频率限于几千赫兹的原因。
[0075]相比而言，在这里描述的大电流变压器12的构造中，系统中固有的初级绕组13和次级绕组14的欧姆损失和漏电感较低，这就是能够使用在IOkHz以上的范围内的频率的原因。由此，又可以实现大电流变压器12的基本更小的总体尺寸。大电流变压器12或电源10的更小的总体尺寸又使得可以将其布置成更靠近需要所产生的电流的位置，例如布置在电阻焊接装置I的焊枪臂5上。
[0076]通过并联连接大电流变压器12的次级绕组14，在次级侧上得到的大电流被分割成若干分流电流。这些分流电流被传输到同步整流器16的电路元件24，如图示意性所示。为了启动电路元件24，设置了启动电路17，该启动电路17被引入在初级绕组13和次级绕组14的部分中，其中同步整流器16和启动电路17包括相关的传感器都布置在立方体内，即大电流变压器12内。同步整流器16和启动电路17的尺寸形成为使得它们自主地(即没有外部影响地)进行电源10的调控和控制。因此，所述立方体优选没有用于从外部介入的控制线路，而是仅仅具有用于初级侧供电的接线或触头以及用于输送所产生的次级侧电能特别是大次级直流电流的接线或触头。
[0077]然而，启动电路17的对应接线可以被引入以给启动电路17提供给定值。通过进行外部调节，可以针对应用领域理想地调节电源10。然而，如从现有技术已知的，可以采用用于改变或传输数据的系统，该系统以无线方式优选以感应方式、磁性方式或借助于蓝牙操作，从而不需要引入控制接线。
[0078]借助于集成的传感器进行电源10的控制和/或调控。通过使用相应的电流换能器18测量次级绕组14的次级侧电流，启动电路17获得同步整流器16的电路元件24应该切换的时间点的信息。因为电流换能器18仅仅测量大电流变压器12的次级侧电流的一部分(这里是十分之一)，所以它们可以被设计成较小，再次对电源10的整体尺寸带来积极影响。
[0079]为了降低传导和切换损失，同步整流器16的电路元件24优选在流过大电流变压器12的次级绕组14的次级侧电流的过零点进行切换。由于从电流换能器18对次级侧电流的过零点的检测到同步整流器16的电路元件24的启动发生一定延迟，根据本发明，启动电路17被形成为在次级绕组14中的电流到达过零点之前的预设时间点切换同步整流器16的电路元件24。因此，启动电路17使得同步整流器16的电路元件24在由电流换能器18测量的大电流变压器12的次级绕组14中的电流下降到低于或超过一定开启或断开阈值的时间点进行切换。通过使用所述方法，可以实现同步整流器16的电路元件24基本在流过大电流变压器12的次级绕组14的电流的过零点期间切换，由此能够使得传导和切换损失最小(另参见图16)。
[0080]在图4中，用于给同步整流器16和启动电路17供应电能的供电电路48被引入用于初级绕组13和次级绕组14。另外，该供电电路48优选集成在电源10中，即集成在立方体中。因为在期望输送直流电流例如焊接电流时必须确保供应给电源10的同步整流器16和启动电路17足够的电能，所以需要足够快速地启动供电电路48(参见图15)，或者其被构造成使得通过启动电源10，尽可能快速地提供足够高的供电电压并且随后输送所需的电力或所需的电流。
[0081]图5以放大视图示出了根据图3的电源10的实施方式。用以提供直流电流例如焊接电流的电源10基本具有立方体或方石的形式，其中所述立方体或方石的侧面代表触头20、21、22、23，通过所述触头20、21、22、23，可以将所产生的直流电流传输到相关的消耗负载，例如电阻焊接装置I的焊枪臂5或电极7。电源10的所有组成部件，即大电流变压器12、同步整流器16、启动电路17、电流换能器18、供电电路48等都包含或集成在该电源10的立方体或方石形状的构件中。通过使用所述紧凑设计，可以将电源10的损失保持得特别低，因而能够显著增加电源10的效率，这是因为通过电子组成部件特别是包括同步整流器16、启动电路17和供电电路48的印刷电路板的集成而在所述立方体中实现了线路的最佳缩短并因此实现了最佳切换时间。通过将电源10的同步整流器16和启动电路17以及供电电路48集成到大电流变压器12内并通过并联连接同步整流器16的若干电路元件24和通过不用线路地(without lines)将电路元件24连接至大电流变压器12的次级绕组14，在同步整流器16和大电流变压器12的次级侧14之间不需要任何线路，由此可以省略由于使用这种线路发生的可能欧姆损失和其他损失。用以给大电流变压器12供电的供电单元19尽可能靠近大电流变压器12定位以实现连接线路尽可能短，并因此实现线路损失和线路电感尽可能小。通过集成所有组成部件，形成了自主单元，该自主单元在输入侧上必须连接至供电单元19，在输出侧上(在电阻焊接装置I的情况下)仅连接至焊枪臂5或电极7。电源10的单个电路之间的公共线路不再需要或者至少在其长度方面显著减小。
[0082]电源10的大电流变压器12的基础是呈工字梁25形式的变压器元件，该工字梁25由最好具有涂层(例如由银制成的涂层)的导电材料特别是铜或铜合金制成。在工字梁25的凹部25a中，包括大电流变压器12的次级绕组14的环状芯体15布置在两侧。就空间来说，当环状芯体15不具有圆形横截面而是具有椭圆形或扁平横截面时是有利的。在所示的实施方式中，在工字梁25的每个凹部25a中，五个环状芯体15均与相应的次级绕组14并联地布置。初级绕组13或串联互连的多个初级绕组13 (点划线)延伸穿过布置在工字梁25的凹部25a中的环状芯体15并围绕工字梁25的腹板。通过使用初级绕组13的这种路线并通过特别地对称地布置在工字梁25的两个凹部25a中的环状芯体15，能够实现与次级绕组14的最佳磁性耦合。初级绕组13的接线26被引导穿过工字梁25的外表面28上的至少一个开口 27。大电流变压器12的初级绕组13能够通过所述接线26连接至相应的供电单元19。工字梁25的外表面28形成了电源10的两个第一触头20、21，所述触头20、21例如连接至电阻焊接装置I的其中一个电极7。
[0083]在工字梁25的凹部25a上方定位有接触板29，该接触板29的外表面形成了电源10的另外两个触头22、23并相对于工字梁25绝缘。接触板29也由最好具有涂层(例如由银制成的涂层)的导电材料例如铜或铜合金制成。筒或铜合金具有最佳的电特性并展现良好的导热性，由此能够更快地排出产生的热损失。银涂层防止铜或铜合金氧化。除了铜或铜合金之外，也可以考虑铝或铝合金，铝或铝合金相比于铜具有重量优势，不过抗腐蚀性没有那么高。除了银涂层之外，锡和其他材料或化合物的涂层或它们的层也是可行的。在接触板29和大电流变压器12的次级绕组14的相应接线之间，布置同步整流器16和启动电路17的电路板35。所述电路板35或印刷电路板直接安装或焊接在接触板29上，并且随后将以绝缘方式附接至工字梁25。通过使用所述设计，可以将大电流变压器12的次级侧接线直接连接或接触到同步整流器16的电路元件24，而不必铺设线路。同步整流器16的输出也优选直接连接至接触板29，由此不再需要线路。接触板29连接至工字梁25，优选拧紧在适当位置(未示出)。在工字梁25的外表面28上以及在接触板29的外表面上，可以布置连接装置30，诸如具有相应的螺纹以收纳螺钉的钻孔。例如，通向电阻焊接装置I的焊枪臂5或需要供应直流电流的其他装置的线路可以通过所述连接装置30附接，或者焊枪臂5可以直接附接至工字梁25或接触板29。
[0084]覆盖板31可以附接至立方体或方石形状的电源10的上侧和下侧，并且可以连接(例如螺接，参见图6)至工字梁25和接触板29。优选地，覆盖板31也由导电材料制成并拧紧至接触板29，从而得到大电流变压器12的坚固单元，并通过覆盖板31在接触板29之间产生电连接。因而，实现了可以通过覆盖板31产生电荷平衡，因此不会发生大电流变压器12的不平衡负载。因而，可以省略将两个接触板29彼此电连接的单独电线路，以便产生电压和电位平衡并避免失衡。这意味着，用以提供焊接电流的大电流变压器12或电源10的平衡布局的两个接触板29的电连接都是借助于覆盖板31建立的。当然，在这种情况下，需要在工字梁25上设置适当的绝缘。接触板31以及工字梁25和接触板29都优选由优选具有银涂层的铜或铜合金制成。
[0085]在工字梁25的外表面28上，特别是在第一触头20上，设置了用于馈送冷却流体的两个入口 32以及用于排出冷却流体的出口 33，以便允许对电源10的组成部件进行冷却。用于排出冷却流体的出口 33的横截面表现为用于馈送冷却流体的所有入口 32的横截面的和。为了使冷却流体最佳的行进，相应地布置冷却通道39(参见图9和11)。作为冷却流体，可以使用水或其他液体，但是也可以使用气态冷却剂。
[0086]如从根据图6的电源10的分解视图可以看到，用于测量大电流变压器12的次级侧电流的电流换能器18直接定位在布置在上面的次级绕组14上，这意味着，在工字梁25的两侧上的每个第一或最上面次级绕组14上，布置电流换能器18，使得流过该次级绕组14的电流能够由于感应出的电流而被确定。为了避免由电流换能器18测量的电流被外部磁场操纵，优选在电流换能器18上方布置由导磁材料(例如铁素体)制成的壳体34以进行屏蔽。
[0087]电流换能器18在工字梁25的两侧布置在第一和第二次级绕组14中的每个上。由于流过初级绕组13的电流，电流在工字梁25的一侧排出，由此，最上面的次级绕组14因而形成了第一次级绕组14，而在相反侧，电流现在进入最上面的次级绕组14，并因而形成第二次级绕组。通过使用全桥，需要总是彼此自主地测量从第一和第二次级绕组14流出的电流，从而根据该电流，可以启动同步整流器16的对应电路元件24。因而，通过由电流换能器18感应的控制脉冲可以几乎同时启动工字梁25的两侧的电路元件24。
[0088]在接触板29和工字梁25之间，布置同步整流器16和启动电路17的电路板35。同时，电路板35建立工字梁和接触板29之间所需的绝缘。同步整流器16的相应电路元件24与大电流变压器12的次级绕组14直接接触。通过位于接触板29的内侧上的相应突起36 (特别是尖峰状突起)和在电路元件24下方位于电路板25上的对应开口 37，可以使电路元件24与接触板29形成直接接触。电路元件24优选由合适的场效应晶体管形成，该晶体管的漏极由其壳体形成。场效应晶体管的壳体直接地或不用线路地连接至大电流变压器12的至少一个次级绕组14，从而在这些单元之间不需要线路。例如，采用由氮化硅或氮化镓制成的场效应晶体管。电流换能器18直接连接至同步整流器16的电路板35以及布置在旁边的启动电路17，并且通过适当的线路38连接至同步整流器16和启动电路17的相对电路板35。
[0089]根据图5和图6的电源10的组装优选通过使用两个不同的焊接温度的焊接过程来进行。首先，使用在第一较高温度TsI (例如260°C )熔融的焊接材料特别是焊锡将次级绕组14连接至工字梁25的凹部25a。另外，使用在所述第一较高熔融温度TsI (例如260°C )熔融的焊接材料使接触板29与电路板35接触。然后，再使用在所述第一熔融温度TsI (例如260°C )熔融的焊接材料，将同步整流器16和启动电路17的组成部件安装在电路板35上。因为电路板35在接触板29上的毛细作用，电路板35不会有从接触板29松脱的风险。在这些步骤之后，使用第二熔融温度Ts2(该温度比第一熔融温度TsI低，例如为180°C )的焊接材料喷洒次级绕组14的外部触头和电路板35上的触头，将包括电路板35的接触板29连接(优选螺接)至工字梁25，随后利用焊接材料的第二熔融温度Ts2 (例如180°C )加热，从而建立次级绕组14与同步整流器16的电路元件24的连接。通过使用具有所述第二、较低熔融温度Ts2的焊接材料，可以确保使用具有较高熔融温度TsI的焊接材料产生的焊接接头不会由于结晶化过程而融化或变成高阻抗。最后，将初级绕组13穿过环状芯体15，随后安装并接触电力变压器18，并布设线路38。通过附装覆盖板31，完成了电源10。为了降低对电源10的组成部件的张力和弯曲力，在覆盖版31组装之前将所有空腔包胶。通过因此例如设置在覆盖版31中的开口，也可以在组装覆盖板31之后进行包胶。
[0090]图7示出了图5和图6的电源10，图示了冷却通道39的路线(虚线)。因而，冷却通道39首先从对称布置的两个入口 32延伸到接触板29中，在此处，利用冷的冷却流体冷却最强大的热源(同步整流器16的电路元件24和启动电路17的组成部件)和最敏感的组成部件。之后，冷却通道39延伸到工字梁25的外部元件内并延伸到工字梁25的腹板内，在此处，冷却大电流变压器12的绕组，其中在侧部流入的两个冷却通道39在腹板中汇聚成一个单个冷却通道39。然后，冷却通道39终止于用于冷却流体的公共出口 33。接触板29中和工字梁25中的冷却通道优选通过相应的钻孔40形成，所述钻孔40在相应的位置处被封闭构件41封闭。在工字梁25和接触板29之间，布置用于密封冷却通道39的相应密封构件42，例如O形圈。
[0091]在图8中，大电流变压器12的工字梁25被示出为与电源10或大电流变压器12的其他组成部件分离开。在冷却通道39的末端位置处，布置采取例如O形圈的形式的上述密封构件42。工字梁25中的凹部25a被设计成精确地收纳环形芯体15，由此获得非常紧凑的设计。同时，工字梁25的腹板形成了用于大电流变压器12的次级绕组14的中央抽头的接触表面。次级绕组14的中央抽头被不用线路地连接至工字梁25的腹板，由此又可以省去相应的线路。通过将次级绕组14直接连接至工字梁25，还实现了连接表面的显著增加，因而可以再次避免接触损失和线路损失。
[0092]工字梁25形成了大电流变压器12的基础，次级绕组14围绕该基础布置，从而不需要连接线路。工字梁25的外表面代表电源10的两个第一触头20、21，这两个第一触头
20、21直接(即不用线路地)连接至电阻焊接装置I的焊枪臂5。因为环状芯体15没有设计成圆形的，而是设计成椭圆或扁平的，因此实现了节省空间的布置。优选地，采用闭合的环状芯体15。通过使用所述设计，能够实现初级绕组13和次级绕组14的串联/并联连接，通过这样，实现了利用减少匝数的初级绕组13和次级绕组14提供用于大直流电流的大电流变压器12的所需变压比。当在工字梁25的每侧上布置并联连接的至少三个次级绕组14时，这种设计特别有用。
[0093]图9示出了沿着相交线IX-1X的图8的工字梁25的剖视图。在该图中，能够清楚地看到用于冷却流体的通向公共出口 33的冷却通道39的路线。
[0094]图10以放大视图示出了大电流变压器12或电源10的接触板29以及布置在接触板29上方用于同步整流器16和启动电路17的电路板35。如上面已经提到的，同步整流器16的电路元件24在一侧直接接触至大电流变压器12的相应的次级绕组14，并且在另一侧直接连接至接触板29。为此，突起36特别是尖峰状突起布置在接触板29的内表面上，这些突起突出到位于电路板35上的相应开口 37内并直接或不用线路地接触布置在开口 37上方的电路元件24的源极接线。因为突起36，可以省略同步整流器16的电路元件24和接触板29之间的连接线路，由此一方面能够降低欧姆损失，另一方面能够改善电路元件24和接触板29之间的热传递。最后，还降低生产劳动，因为不需要铺设和连接任何连接线路，而是电路元件24直接连接优选焊接至突起36。另外还能够简单地定位电路板35，因此显著地简化了生产。
[0095]通过将启动电路17和同步整流器16布置在电路板35 (该电路板35布置在接触板29的内侧)上，实现了次级绕组14的接线与同步整流器16的电路元件24的直接接触或不用线路的接触，并且还实现了同步整流器16的输出与接触板29的直接接触或不用线路的接触。优选地，用以提供直流电流的大电流变压器12或电源10被对称地设计，其中在对称地布置的次级绕组14的两侧上，每一个电路板35都布置成使得同步整流器16和启动电路17的一部分位于每一个接触板29下方。
[0096]在根据图10的同步整流器16中，十个电路元件24均布置成行。为了确保并联连接的所有电路元件24都基本同时被启动，并且运行时间损失仅具有很小影响，从两侧对电路元件24进行对称启动，也就是说，通过布置在两侧上的栅极驱动器从右侧和左侧均启动优选五个电路元件24。另外，可以布置不同的启动选项，例如居中地延伸的附加栅极驱动器，由此将其线路长度和电感分割成三个。通过这样并行启动同步整流器16的电路元件24的栅极，确保了电路元件24的短的启动路径，因而确保了几乎同步的切换时间，因为没有发生运行时间损失或仅发生很小的运行时间损失。
[0097]在将电路板35安装到接触板29的过程中，接触板29的突起36突出穿过电路板35的开口 37，由此电路板35的背面能够同时被牢固地连接或焊接至接触板39，另外，布置在相反侧的电路元件24也可以被连接或焊接至接触板29。因而，能够省略通常较高的布线量。另外，可以容易地将电路板35定位在接触板29上，当焊接时，电路板35就不再能够滑动。当同步整流器16、启动电路17和供电电路48布置在电路板35上时，能够在将电路板35集成在大电流变压器12中时实现自主设计。进一步有利的是，将启动电路17布置在并联和串联布置的电路元件24的两侧上，因为这样实现了缩短通向各个电路元件24的线路路径。因此，可以确保在非常短的时间段内，所有并联连接的电路元件24都被开启。通过启动电路17的所述双侧布置，实现了线路长度的减半，并相应地实现了线路电感的降低，并因此显著地缩短了切换时间。在电路板35的一侧，优选在整个表面上设置可焊接表面，以便被焊接至接触板29，由此能够实现与接触板29的牢固连接。因而，还能够显著降低接触电阻，因为电路板35的全表面连接具有较低的接触电阻。除了通过焊接的优选直接连接，还可以提供短连接导线，即所谓的结合导线。
[0098]所述供电电路48优选被设计成形成相应的大切换电流，例如在800A和1500A之间，特别地为1000A，以便以相应的供电电压给组成部件供电。由于非常大的切换电流，能够实现非常短的切换时间，特别在ns范围内。由此，能够确保电路元件24以低输出电流总是在过零点或刚要到过零点就切换，从而不发生任何切换损失或几乎不发生任何切换损失。如果设置用于数据无线传输的数据通信电路(优选以感应方式、磁性方式或通过蓝牙)，则数据可以从电路板35 (未示出)无线地传输或无线地传输到电路板35。因而，可以在大电流变压器12的不同应用区域中进行切换时间点的调节。同样，可以将数据从布置在电路板35上的存储器(未示出)读出，以便相应地进行进一步处理或用于控制或质量控制。
[0099]为了给同步整流器16的电路元件24提供过电压保护，有利的是在不需要电路元件24时将它们开启。这意味着，在电阻焊接装置I中的应用的情况下，有源同步整流器16在焊接中断中是启动的，以便避免电路元件24的损坏。监测初级电流或次级电流是否流过大电流变压器12，在焊枪4相应地定位成用于新的焊点的同时没有电流流过的情况下，启动电路17通过相应地启动所述栅极而启动所有电路元件24。当在焊枪4定位之后启动电源10时，意味着手动或自动焊接过程开始，交流电压被供应至大电流变压器12的初级绕组13，这又因为电流流动而被启动电路17检测到，因而，电路元件24的保护模式被停止。当然，同步整流器16的电路元件24的启动和停止也可以借助于通过无线电或以感应或磁性方式发送到启动电路17的控制信号来进行。可能的过电压不会对开启的电路元件24造成损害。另外，可以通过齐纳二极管对电路元件24提供一定最小程度的保护。
[0100]图11示出了根据图10的接触板29的沿着相交线X1-XI的剖视图。在该图中，能够清楚地看到冷却通道39的路线。用以形成冷却通道39的由制造过程产生的钻孔40中的开口被相应的封闭构件41密封。封闭构件41可以通过被拧入位于钻孔40中的对应螺纹内的适当的螺钉来实现。
[0101]图12示出了环状芯体15，该环状芯体15具有布置在其上的大电流变压器12的两个次级绕组14以及以分解视图示出的布置在上方的电流换能器18。电流换能器18通过屏蔽壳体34和屏蔽件43而防止受到外部磁场的影响，从而流过次级绕组14的次级侧电流能够被尽可能精确地测量到，并且能够被供应到启动电路17以控制同步整流器16的电路元件24。为了屏蔽磁场，铁素体是特别合适的材料。电流换能器18定位或固定在所布置的两个次级绕组14中的一个次级绕组的一部分上。如从现有技术中公知的，电流换能器18由上面布置有绕组的磁性芯体形成，其中绕组的触头被连接至启动电路17。另外，在环状芯体15和次级绕组14之间布置有屏蔽件43以及用于电流换能器18的芯板，其中电流换能器18的芯体被放置在所述芯板上。
[0102]在大电流变压器12的这种设计中，这种设计的两个次级绕组14被布置在工字梁25的两侧，从而使得启动电路17测量流过在两侧并联连接和定位的次级绕组14中的一个绕组14的电流。当启动电路17被连接至这些电流换能器18时，精确控制或调控变得可能，因为大电流变压器12中的状态可以借助于电流换能器18来检测到。
[0103]由于以上描述的次级绕组14的并联连接，在每个次级绕组14中都流过相同的电流。因而，仅需要从一个次级绕组14分接电流，以便相对于整个电流来做出结论。在并联连接十个次级绕组14时，由电流换能器18测量整个电流的仅仅十分之一，这就是为什么这些电流换能器在尺寸上能够相当小的原因。因此，又实现了大电流变压器12或电源10的总体尺寸的减小。有利的是，基本以相对于直流电流特别是焊接电流的方向成90°的取向布置电流换能器18，这是因为能够降低由直流电流感应的磁场引起的干涉，并因而能够减少测量误差。因而，能够进行非常精确的测量。
[0104]如能够在根据图13的分解视图中看到的，大电流变压器12的次级绕组14优选由两个金属片材44、45形成，这两个金属片材44、45通过绝缘层46 (例如纸层)彼此绝缘，并且具有围绕环状芯体15的横截面并穿过环状芯体15的基本S形镜像倒置曲线，它们布置在彼此之中。这意味着，两个次级绕组14或具有中央抽头的次级绕组14的多个部分被布置在一个环状芯体15上。次级绕组14的金属片材44、45的外表面同时形成了用于接触同步整流器16的电路元件24和用作整流中心的工字梁25的接触表面。因而，无需用于将大电流变压器12的次级绕组14连接至同步整流器的电路元件24的线路。次级绕组14特别是形成次级绕组14的金属片材44、45直接地或不用线路地连接至同步整流器16的电路元件24或工字梁25或整流中心的腹板。因而，实现了低损失的、非常节省空间的紧凑轻质设计。同时，提供了用于将次级绕组14连接至工字梁25的腹板和同步整流器16的电路元件24的相对较大表面47来进行接触，以便以尽可能小的损失确保大电流。通过这种布置，在次级侧实现中央整流器，其中工字梁25通过次级绕组14的一个被连接端部而形成中央整流器。
[0105]环状芯体15可以由铁素体、非晶态材料或纳米结晶原材料制成。在磁性特性方面所使用的材料越好，环状芯体15能够设计的尺寸就越小。然而，环状芯体15的价格当然上升。在设计金属片材44、45时，重要的是，将它们以使它们穿过环状芯体15至少一次的方式折叠或弯曲。两个金属片材44、45或布置在一个环状芯体15上的次级绕组14以镜像倒置方式设计并彼此绝缘。
[0106]图14示出了用以给同步整流器16和启动电路17供应电能的供电电路48特别是电力供应单元的框图。供电电路48被连接至大电流变压器12的次级侧或次级绕组14的接线，并且包括峰值整流器49、增压器50、线性电压调控器51和分压器52。增压器50或调压器确保快速地提供电源10的组成部件的供电。同时，有源同步整流器16的内部供电电压尽可能快地产生。通过使用增压器50，确保在启动的初始阶段，尽可能早地首先产生供电电压的所需幅值，以便在尽可能早的时间确保集成在大电流变压器12内的同步整流器16的可靠功能。
[0107]图15示出了根据图14的供电电路48的供电电压V的时间曲线。电压增加的坡度Λ V/At被选择得足够陡峭，以确保在同步整流器16和启动电路17处以最大延迟!^供应所需的电压VCC。例如，该延迟Td应该小于200 μ S。通过适当构造峰值整流器49和增压器50的电路和适当低的 电容，能够实现足够的电压转换效率。因而，可以说，首先以陡峭增加确保供电电压的最小高度，并且只有在那时才产生适当的供电。
[0108]图16示出了大电流变压器12的次级侧电流Is和用于同步整流器16的电路元件24的控制信号G1和G2的时间曲线，用来说明无损失启动。通过使用对应的电流换能器18测量次级绕组14的次级侧电流Is，启动电路17获得了同步整流器16的电路元件24应该被切换的时间点的信息。为了降低传导和切换损失，同步整流器16的电路元件24优选在流过大电流变压器12的次级绕组14的次级电流的过零点进行切换。由于从电流换能器18对次级侧电流Is的过零点的检测到同步整流器16的电路元件24的启动发生一定延迟tPre,因此根据本发明，启动电路17被形成为在次级绕组14中的电流达到过零点之前的预设时间启动同步整流器16的电路元件24。因而，启动电路17在由电流换能器18测量的大电流变压器12的次级绕组14中的电流Is下降到低于或超过一定开启阈值Ise和断开阈值Isa的时间点致使同步整流器16的电路元件24切换。通过使用该方法，可以实现基本在流过大电流变压器12的次级绕组14的电流Is的过零点期间切换同步整流器16的电路元件24，由此能够使得同步整流器16的电路元件24的传导损失和切换损失最小。因此，同步整流器16的电路元件24的开启和断开时间不是由次级侧电流的过零点来确定，而是通过实现限定的开启阈值Ise和断开阈值Isa来确定。开启阈值Ise和切断阈值Isa根据预期的切换延迟来限定。开启阈值Ise和切断阈值Isa最好设计成可调节的，以便进一步降低损失。在20kA的大电流变压器12中，切换时间可以例如设定在过零点之前100ns，从而同步整流器16的电路元件24需要在该时间段内进行切换。
[0109]用以提供例如20kA的焊接电流的用于电阻焊接装置的普通现有技术大电流变压器展现了近似40至50kw的损失。根据现有技术，为了提供20kA的焊接电流，总共需要高达150kW的连接瓦数，其中总损失累计高达近似135kW，从而得到大约10%的效率。相比而言，本发明的大电流变压器12展现了仅仅大约5-6kW的损失。线路损失可以从通常的30kW降低到20kW。因而，在根据本发明的电阻焊接装置I中，用于产生20kA的焊接电流的连接瓦数可以降低至75kW，这是由于总损失累计高达仅大约60kW。因此，在大约20%的情况下，所得到的效率近似为现有技术中的效率的两倍。从该比较可以清楚地看到潜在节约，特别是在包括多个电阻焊接装置的汽车工业的生产线中。
[0110]基本上，所描述的电源10或大电流变压器12被设计成立方体或方石的形式，其中两个侧表面由工字梁25形成,在所述侧表面上，布置用于形成第三和第四侧表面的电绝缘的接触板29。在前表面处，覆盖板31均被布置成朝向四个侧表面，该覆盖板31与工字梁25电绝缘，以便形成立方体或方石的第五和第六侧表面。在所述立方体内，特别是在这些侧表面内，同步整流器16和启动电路17被布置在至少一个电路板35或印刷电路板上。因而，所述立方体仅具有用于大电流变压器12的初级绕组13的接线26和用于消耗直流电流或直流电压的作为接触表面的侧表面。另外，还设置了冷却连接，特别是用于冷却流体的入口 32和出口 33。优选不设置用于集成在立方体中的同步整流器16和启动电路17的控制线路，因为该系统自主地操作，因此，不需要连接至系统的供电单元19或控制装置的接线。在这种设计中，优选不需要任何控制线路，而是仅仅在初级侧上将电源10连接至供电单元19，因此在次级侧上，可以获得例如15kA到40kA的对应大小的直流电流。因而，不需要用户进行任何调节，而是仅仅需要连接电源10。将实际上独立的分开的组成部件集成在这种公共单元内使得总体尺寸大大减小，因此电源10的重量也大大减小。同时，该单元还可以作为支撑元件直接在应用中特别在焊枪4中使用。另外，极大地增加了用户的方便性。
[0111]在当前设计中，更重要的是将电路元件24不用线路地连接至对应的组成部件，gp执行焊接导线的由场效应晶体管形成的电路元件24的源极接线被直接连接或焊接至接触板29的突起36，其中电路元件24的栅极接线也被直接布置或焊接至电路板35和构建在其上的启动电路17(栅极驱动器)。因而，线路电感通过将线路全部省略而降低，从而能够实现高切换速度和非常低的传导损失。
[0112]在所示和所描述的实施方式中，大电流变压器12的尺寸大小适合于以5V和IOV之间的输出电压用于20kA的电流。工字梁25具有15cm的总高度，从而在两侧均可布置具有环状芯体15的五个次级绕组14。为了获得对应的传输比100，在所示实施方式中需要十个初级绕组13。
[0113]当现在将大电流变压器12的尺寸设计成适合于例如30kA的更大电流时，可以简单地增加所使用的次级绕组14的数量。例如，在位于工字梁25的两侧的凹部25a中，可以均布置七个次级绕组14，其中工字梁25的高度相应地扩大，例如采用设计成仅高出5cm或相应地更大的基体。因而，大电流变压器12的工字梁25在两侧仅通过两个次级绕组14来补充，以便能够提供更大电流。通过所述的扩大，接触冷却表面也被扩大。另外，将并联布置相应地更多个电路元件24。初级绕组13可以被减小到更低的匝数，例如七匝，从而实现例如98的变压比。由于可能增加横截面并降低线路长度，通过更大的初级电流补偿了更高的初级绕组损失。
[0114]因而，次级焊接电流从20kA增加到30kA仅仅导致立方体或大电流变压器12延长例如5 cm。
[0115]由于大电流变压器12优选自主操作并且不包括任何控制线路，从而应该能够与外部组成部件特别是控制装置进行用于可能误差消息的出话通信。为此，可以使用由次级绕组14和同步整流器16构成的次级电路和启动电路17。在一定状态下，特别是在大电流变压器12的闲置状态下，所述大电流变压器12可以利用同步整流器16而被自觉地短路，从而在初级线路中流动的闲置状态电流能够通过外部监测单元或控制装置来检测，因而由于该电流，能够执行通信或错误消息。
[0116]例如，通过将温度传感器集成在大电流变压器12中特别是集成在同步整流器16上，能够检测并评价温度。如果温度例如超过规定阈值，则通过启动电路17将处于闲置状态即在焊接中断过程中的同步整流器16限定地短路。由于外部控制装置知道没有进行焊接的闲置状态，该闲置状态通过大电流变压器12的初级线路中增加的电流来检测或识别。现在，可以通过外部控制装置来检查冷却回路是否启动或示出缺陷或增加冷却效率，从而进行更好的冷却。
[0117]当然，借助于对应的切换或脉冲图案，即规定地打开和闭合处于闲置状态的同步整流器16的电路元件24，能够向外传送不同的错误消息。例如，能够向外部发送不同的温度值、次级电压、电流、误差消息等。
[0118]然而，这种通信也可以在焊接过程中进行，不过这种检测明显更为困难。例如，对应的信号可以特别地通过初级绕组13调制到初级侧电流上。
【权利要求】
1.一种用于提供直流电流的电源(10)，所述电源(10)包括:大电流变压器(12)，所述大电流变压器(12)具有至少一个初级绕组(13)和具有中央抽头的至少一个次级绕组(14);同步整流器(16)，所述同步整流器(16)与所述大电流变压器(12)的所述至少一个次级绕组(14)连接并包括电路元件(24);和用于启动所述同步整流器(16)的所述电路元件(24)的电路(17);以及供电电路(48)，所述供电电路(48)用于给所述同步整流器(16)和所述启动电路(17)供电，其特征在于，所述同步整流器(16)和所述启动电路(17)及其所述供电电路(48)被集成在所述大电流变压器(12)中。
2.根据权利要求1所述的电源(10)，其特征在于，为了形成多点接触，在所述大电流变压器(12)处设置至少四个触头(20，21，22，23)，以提供所述直流电流。
3.根据权利要求1或2所述的电源(10)，其特征在于，一个极性的两个第一触头(20，21)和相反极性的两个附加触头(22，23)均彼此相对地布置，其中与所述两个第一触头(20,21)相比，所述两个附加触头(22，23)被布置成相对于彼此基本偏移90°。
4.根据权利要求3所述的电源(10)，其特征在于，所述同步整流器(16)的所述电路元件(24)与所述大电流变压器(12)的所述至少一个次级绕组(14)不用线路地连接。
5.根据权利要求4所述的电源(10)，其特征在于，所述同步整流器(16)的所述电路元件(24)由场效应晶体管形成，该场效应晶体管的漏极由其壳体形成，所述壳体不用线路地连接至所述大电流变压器(12)的所述至少一个次级绕组(14)。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的电源(10)，其特征在于，所述大电流变压器(12)包括串联连接的多个优选至少10个初级绕组(13)以及并联连接的多个优选至少10个具有中央抽头的次级绕 组(14)。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的电源(10)，其特征在于，所述大电流变压器(12)的变压比为至少10至1000，优选为至少100。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的电源(10)，其特征在于，所述大电流变压器(12)包括由导电材料制成的工字梁(25)，在该工字梁(25)的凹部(25a)中布置至少一个相应的环状芯体(15)，其中每个次级绕组(13)的一个相应接线与所述工字梁(25)的一个内表面直接接触，并且所述工字梁(25)的外表面(28)形成了所述两个第一触头(20，21)。
9.根据权利要求8所述的电源(10)，其特征在于，所述大电流变压器(12)的所述至少一个次级绕组(14)的中央抽头与所述工字梁(25)不用线路地连接。
10.根据权利要求8或9所述的电源(10)，其特征在于，所述大电流变压器(12)的所述至少一个初级绕组(13)被布置成延伸穿过所述至少一个环状芯体(15)。
11.根据权利要求8到10中任一项所述的电源(10)，其特征在于，相应的接触板(29)位于所述工字梁(25)的所述凹部(25a)上方，所述接触板(29)由导电材料制成并通过所述同步整流器(16)和所述启动电路(17)与每个次级绕组(14)的相应其他接线连接，其中所述接触板(29)的外表面形成所述电源(10)的所述两个附加触头(22，23)。
12.根据权利要求8到11中任一项所述的电源(10)，其特征在于，所述至少一个初级绕组(13)的接线(26)被引导通过位于所述工字梁(25)的外表面(28)上的至少一个开口(27)。
13.根据权利要求1到12中任一项所述的电源(10)，其特征在于，每一个具有中央抽头的次级绕组(14)都由围绕环状芯体(15)的横截面并穿过所述环状芯体(15)的具有基本S形镜像倒置曲线的由导电材料制成并且彼此绝缘的两个金属片材(44，45)形成，其中所述金属片材(44，45)的外表面(47)形成用于与所述同步整流器(16)的电路元件(24)或所述电极(X)连接的触头。
14.根据权利要求13所述的电源(10)，其特征在于，用于形成所述大电流变压器(12)的次级绕组(14)的金属片材(44，45)通过绝缘层(46)而彼此绝缘。
15.根据权利要求11到14中任一项所述的电源(10)，其特征在于，所述大电流变压器(12)的所述工字梁(25)和所述接触板(29)形成立方体或方石单元。
16.根据权利要求11到15中任一项所述的电源(10)，其特征在于，在所述工字梁(25)和所述接触板(29)之间布置电绝缘。
17.根据权利要求15或16所述的电源(10)，其特征在于，覆盖板(31)布置在所述工字梁(25)的前表面处。
18.根据权利要求17所述的电源(10)，其特征在于，所述覆盖板(31)由导电材料形成，并且适合于被拧在所述接触板(29)上，从而将所述接触板(29)电连接。
19.根据权利要求8至18中任一项所述的电源(10)，其特征在于，所述工字梁(25)和/或所述接触板(29)和/或所述覆盖板(31)和/或用于形成所述大电流变压器(12)的所述次级绕组(14)的所述金属片材(44，45)由优选具有银涂层的铜或铜合金形成。
20.根据权利要求8至19中任一项所述的电源(10)，其特征在于，在所述工字梁(25)的外表面(28)上和在所述 接触板(29)的外表面上，布置有连接装置(30)，优选是具有螺纹以收纳螺钉的钻孔。
21.根据权利要求1至20中任一项所述的电源(10)，其特征在于，在次级绕组(14)的接线处，电流换能器(18)均被布置成用来测量流过该次级绕组(14)的电流，所述电流换能器(18)与所述启动电路(17)连接。
22.根据权利要求21所述的电源(10)，其特征在于，至少一个电流换能器(18)与所述启动电路(17)接触。
23.根据权利要求21或22所述的电源(10)，其特征在于，所述电流换能器(18)被布置成相对于直流电流的方向基本90°定向。
24.根据权利要求21至23中任一项所述的电源(10)，其特征在于，所述启动电路(17)被设计成在所述次级绕组(14)中的电流到达过零点之前的预设时间点启动所述同步整流器(16)的电路元件(24)。
25.根据权利要求8至24中任一项所述的电源(10)，其特征在于，用于馈送冷却流体的通道(39)布置在所述工字梁(25)和所述接触板(29)中。
26.根据权利要求25所述的电源(10)，其特征在于，在所述工字梁(25)的外表面(28)处布置有用于馈送所述冷却流体的两个入口(32)和用于排放所述冷却流体的一个出口(33)，其中所述冷却通道(39)被布置成从每个入口(32)延伸到所述接触板(29)并经由所述工字梁(25)延伸到所述出口(33)。
27.根据权利要求11至26中任一项所述的电源(10)，其特征在于，所述启动电路(17)和所述同步整流器(16)被布置在至少一个电路板(35)上，所述至少一个电路板(35)被布置在至少一个接触板(29)的内表面上。
28.根据权利要求27所述的电源(10)，其特征在于，所述同步整流器(16)和所述启动电路(17)的每个电路板(35)包括开口(37)，所述电路元件(24)布置在该开口(37)上方，并且在所述同步整流器(16)的所述电路板(35)中的所述开口(37)的位置中，所述接触板(29)的内表面包括突起(36)，特别是尖峰状突起，从而通过将所述突起(36)伸入到位于所述接触板(29)的内表面上的电路板(35)上的开口(37)内而能够不用线路地接触所述电路元件(24)。
29.根据权利要求28所述的电源(10)，其特征在于，由场效应晶体管形成的所述电路元件(24)的源极接线通过所述突起(36)特别是尖峰状突起与所述接触板(29)直接电连接和热连接。
30.根据权利要求28或29所述的电源(10)，其特征在于，每个电路板(35)布置在所述工字梁(25)和所述接触板(29)之间以形成电绝缘。
31.一种用于通过冷却流体冷却用于提供直流电流的电源(10)的方法，所述电源(10)包括:大电流变压器(12)，所述大电流变压器(12)具有至少一个初级绕组(13)和具有中央抽头的至少一个次级绕组(14);同步整流器(16)，所述同步整流器(16)与所述大电流变压器(12)的所述至少一个次级绕组(14)连接并包括电路元件(24);和用于启动所述同步整流器(16)的所述电路元件(24)的电路(17)，其特征在于，在所述大电流变压器的工字梁和接触板中引导所述冷却流体，使得首先冷却所述至少一个启动电路(17)和所述同步整流器(16)，然后冷却所述大电流变压器(12)的所述至少一个次级绕组(14)。
32.根据权利要求31所述的冷却方法，其特征在于，使用水作为冷却流体。
33.根据权利要 求31或32所述的冷却方法，其特征在于，在独立回路中引导所述冷却流体。
【文档编号】B23K11/24GK104023895SQ201280065346
【公开日】2014年9月3日 申请日期:2012年10月31日 优先权日:2011年10月31日
【发明者】伯恩哈德·阿特尔斯梅尔, 克里斯托弗·舒尔茨希克, 约翰内斯·诺伊伯克, 斯特凡·沃尔夫斯格鲁贝尔 申请人:弗罗纽斯国际有限公司