用于电力转换电路的整流器模块的制作方法

本申请是申请号为201380038442.9、申请日为2013年7月26日、国际申请号为pct/us2013/052360、发明名称为“用于电力转换电路的整流器模块”的专利申请的分案申请。

相关申请的交叉引用

本申请是于2012年7月27日提交的题为“用于电力转换电路的整流器模块”的美国临时申请号61/676,585的非临时美国专利申请，该申请的全部内容通过引用的方式并入本文中。

背景技术：

本发明总体上涉及电力转换领域，并且更具体地涉及在例如焊接系统、等离子切割机等电力电子设备中使用的电力转换电路。

工业中使用的许多电力电子机械采用电路将电力从一种可用形式转换成另一种可用形式。例如，焊接及等离子切割系统一般从例如电力网或发动机型发电机的源接收交流(ac)电。电力通常经由整流器转换成直流(dc)电，然后分配到直流总线上以到达进一步的电力转换电路。该进一步的电力转换电路可以包括逆变器、降压变换器、升压变换器或它们的各种组合，它们一般将电力转换成用于负载的不同的直流电形式或交流电。在焊机和等离子切割机的情况中，根据所使用的工艺，输出电力可以是直流电或交流电。一些系统能为所选择的工艺输出交流电和直流电两者，从而增加它们的实用性和多功能性。

在采用整流器的系统中，在适当地封装整流器构件方面存在挑战。在汽车应用中，例如，交流发电机产生交流电，该交流电通过集成在交流发电机本身中的二极管模块转换成直流电。在工业设备中，通常利用面装或引线框封装。然而，这些布置并非总是适于某些类型的设备。此外，这些布置可要求针对发电构件、电路封装等的特定设计，这可能增加组装所需的附加成本和时间。另外，这些设计中的某些设计对于给定的应用不够鲁棒，特别是对于可动设备，该可动设备因此受到环境影响或者可能受到振动，例如发动机型发电机应用。

技术实现要素：

本发明提供了一种设计成响应于这些需求的交流波形整流器设计的新方法。根据某些实施例，一种用于电力转换电路的整流器模块包括传导壳体，该传导壳体具有多个凹部，所述传导壳体配置成在工作中处于交流输入电位。至少一个高侧二极管和至少一个低侧二极管设置在所述凹部中，并且在操作中通过传导壳体接收输入电力并且输出整流电力。

根据其他方面，本发明提供了一种电力转换电路，该电力转换电路包括支承电力转换电路的非传导支承结构。提供至少一个整流器模块，所述整流器模块包括具有多个凹部的传导壳体。所述传导壳体配置成在工作中处于交流输入电位。至少一个高侧二极管和至少一个低侧二极管设置在凹部中，并且在操作中通过传导壳体接收输入电力并且输出整流电力。

本发明还提供了一种用于整流器模块的壳体，所述整流器模块包括具有用于接收二极管的多个凹部的传导壳体。所述传导壳体配置成在工作中处于交流输入电位，并且经由凹部的内表面将输入电力传送到二极管。

附图说明

当结合附图阅读以下详细说明时，会更好地理解本发明的这些和其他特征、方面和优点，在整个附图中，附图中相同的附图标记代表相同的部件，其中：

图1是用于以焊接系统的形式的电力转换电路的示例性应用的概略图示；

图2是图1中的电力转换电路的一部分的电路示意图，特别图示了某些功能性电路构件；

图3是根据图1所示的系统的方面的示例性电力转换模块的立体图；

图4是图3中的模块的某些构件的分解图；

图5是同一模块的部分立体图，上外罩元件被去除以露出内部电路构件；

图6是根据本发明的方面的示例性整流器模块的分解图；

图7是从背面看到的同一模块的立体图；

图8a和图8b是流程图，图示了用于控制在焊接应用中设置的发动机型发电机的速度的示例性逻辑；

图9a和图9b是类似的流程图，图示了用于发动机型发电机的速度控制的逻辑；以及

图10a和图10b是类似的流程图，图示了用于另一个示例性应用的发动机速度控制的逻辑。

具体实施方式

现在转到附图，并且参见图1，图示了示例性焊接系统10，该焊接系统包括电源12，其用于为焊接、等离子切割和类似应用提供电力。图示实施例中的电源12包括发动机型发电机组14，该发电机组自身包括内燃机16和发电机18。内燃机16可以为任何合适的类型，例如汽油机或柴油机，并且一般具有适合应用中期望的电力输出的尺寸。发动机将具有特别适合驱动发电机18的尺寸，以产生一种或多种形式的输出电力。在预期的申请中，发电机18被卷绕以用于产生多种类型的输出电力，例如焊接电力，以及用于照明、动力工具等的辅助电力，并且这些电力可以采用交流和直流两种输出形式。图1中未具体图示发动机和发电机的各种支承构件和系统，但是这些构件和系统通常包括电池、电池充电器、燃料和排气系统等。

电力调制电路20联接到发电机18，以接收在操作期间产生的电力，并且将电力转换成负载或应用所需的形式。在图示的实施例中，发电机18产生应用于电力调制电路20的三相电力。然而，在某些实施例中，发电机可以产生单相电力。电力调制电路包括接收进线电力的构件、转换成直流形式的构件，以及进一步地将电力滤波并转换成所需的输出形式的构件。在以下讨论中将更多地说明电力调制电路20。

发动机16、发电机18和电力调制电路20都联接到总体上由附图标记22图示的控制电路。实际上，控制电路22可以包括一个或多个实际的电路，以及配置成监测发动机、发电机和电力调制电路的操作以及具体应用中的某些负载的固件和软件。控制电路的部分可以如图所示位于中央，或者电路可以分开以单独地控制发动机、发电机和电力调制电路。然而，在大多数应用中，这些分开的控制电路可以按照一些形式相互通信，以便这些系统构件的协调控制。控制电路22联接到操作者界面24。在大多数应用中，操作者界面将包括表面安装的控制面板，该控制面板允许系统操作者控制操作和输出的方面，并且监测或读取系统操作的参数。在焊接应用中，例如，操作者界面可允许操作者选择各种焊接工艺，电流和电压水平，以及用于焊接操作的具体方案。这些与控制电路通信，该控制电路自身包括一个或多个处理器和支承存储器。然后，根据操作者的选择，控制电路将通过处理器来实施存储于存储器中的特定控制方案。这种存储器也可存储操作期间的临时参数，例如以便于反馈控制。

图1中还示出用于焊接应用的可选的送丝机26。本领域的技术人员将会理解，这种送丝机通常在气体保护金属极弧焊(gmaw)工艺(通常被称为熔化极惰性气体保护焊(mig)工艺)中使用。在这种工艺中，电极丝连同焊接电力(在合适的时候)和保护气体一起从送丝机馈送到焊炬28。然而，在其他应用中，也可不需要送丝机，例如通常被称为钨极惰性气体保护焊(tig)和焊条焊接的工艺。然而，在所有这些工艺中，在一些点处，电极30用于完成穿过工件32和工件夹34的回路。电极因此用于与工件建立并且维持电弧，该电弧有助于熔化工件，并且在一些工艺中熔合电极，以完成所需的焊接。

为了允许反馈控制，系统通常配备有多个传感器，这些传感器在工作期间为控制电路提供信号。图1中示意性地示出了某些传感器，包括发动机传感器36、发电机传感器38、电力调制电路传感器40和应用传感器42。本领域技术人员应当理解，实际上，可以采用各种各样的这种传感器。例如，发动机传感器36通常包括速度传感器、温度传感器、节流阀传感器等。发电机传感器38通常包括电压和电流传感器，电力调制电路传感器40也是如此。应用传感器42通常也包括电流和电压感测能力的至少一种，以检测应用在负载上的电力。

图2图示了可包含在图1中所示的电力调制电路20中的电子电路。如图2所示，该电路可以包括发电机绕组44，这里图示为布置成三角构造，该发电机绕组将三相电力输出到整流器46。在图示的实施例中，三相整流器是被动整流器，该被动整流器包括一系列二极管，这些二极管为直流总线48提供直流波形。然后将直流总线上的电力施加于滤波及调制电路50，该滤波及调制电路有助于使波形平滑化，避免过度扰动直流波形等。直流电最终施加于开关模块52，该开关模块实际上包括一系列开关以及相关联的电子构件，例如二极管。在焊接应用中，特定的控制方案可以允许用于产生脉冲输出、交流输出、直流输出，以及适于特定工艺的特别适合的方案。本领域的技术人员应当理解，可以采用各种开关模块设计，并且这些设计可以使用现成的构件，例如绝缘栅双极型晶体管(igbts)、硅可控整流器(scrs)、变压器等。许多这些元件可以用于包括合适构造的开关和/或二极管两者的封装中。

最终，输出电感器54通常用于焊接应用。焊接领域的技术人员应当理解，选择输出电感器的尺寸及能量存储容量以适应期望的应用的输出电力(电压和电流)。尽管图中未示出，还应当注意到，在此布置中可以提供某些其他的电路，并且电力可以以其他形式消耗和调制。

尽管本文中已示出并描述了示例性系统的仅仅某些特征，但是本领域的技术人员可以进行许多修改和变化。例如，除图2中图示的输出端子之外，电力可以从用于其他转换过程的直流总线消耗。例如，这样可以允许用于直流焊接，例如，以及用于为各辅助应用供给合成的交流电。例如，合成的辅助电力可以适于单相电力工具、照明等。在设置的情况下，这种电力可以通过单独的端子或者甚至与用于电力网分布的插座相似的常规插座输出。

可以设想各种物理布置用于包装如上所述的一些或所有电路。图3中图示了当前想到的布置。图3示出了集成电力模块56，该电力模块本质上结合图2中的整流器电路、滤波和调制电路以及开关模块。如下所述，集成电力模块56还包括用于开关的至少一个驱动板。各种总线结构还包含在以下讨论的封装中。集成电力模块56被图示为包括上壳体58和下壳体60。这些壳体可以是由例如注射成型塑料的非传导或绝缘材料制成的。图示的壳体便于覆盖构件，机械地支承这些构件，并且还按照电绝缘的需求将这些构件分开。图3示出的是输入端子62，该输入端子导入以下讨论的整流器模块64中。这些输入端子中的每一个均将联接到三相应用的发电机的输出相。

图4示出了图3中图示的示例性模块的分解图。如上所述，模块56包括上壳体58和下壳体60，各种电路构件设置在这些壳体部分中，并且由壳体机械地支承。在图4的图示中，示出了一对整流器夹条66，这对整流器夹条联接到整流器模块内的二极管的输出，以下将做更全面地描述。这些夹条是传导的，并且将电力施加到上总线板68。总线板68形成以上参照图2讨论的直流总线的一侧。还图示了下总线板72，该下总线板将与整流器模块64的二极管接触以形成直流总线的下分支。绝缘板定位在下总线板72与上总线板68之间，用于维持两个总线板之间的电压电位。输出汇流条70被设置用于传输来自电力模块的输出电力。电容器74被图示为从下壳体60分解。在图示的实施例中，下壳体60包括孔隙和结构，这些孔隙和结构被设计用于接收这些电容器、机械地支承这些电容器并且允许这些电容器联接到汇流条板。在子组件中，在这种情况下是在降压转换器模块76中包括开关模块。降压转换器模块也固定到下壳体，并且支承用于将驱动信号施加给降压转换器模块的开关的驱动板。当集成电力模块被组装上时，降压转换器模块与上总线板和下总线板接触，并且与输出条70接触。最终，设置了输出电阻器78，在当前想到的实施例中，该输出电阻器在壳体外部的端子之间延伸。

图5是从不同视角的同一模块的图示，并且上壳体被去除以示出各构件之间的相互连接关系。这里可以看到模块56包括下壳体，整流器模块64在此结构的输入端。整流器夹条66与形成整流器的上二极管接触。上总线板68也是可见的，并且与整流器模块的同一侧接触，并且与输出端子接触。电容器(图5中可以看见其中之一)电气地且机械地固定到上总线板68和下总线板72，在上总线板的边角切除部可以看见下总线板的边角。图5示出了驱动电路板80。本领域的技术人员应当理解，驱动电路板用电子电路填充，该电子电路允许驱动信号应用于降压转换器模块的电力电子开关。通常根据来自如上所述的控制电路内的一个或多个处理器的控制信号生成这些驱动信号。同样如图5所示，贴合的壳体部分82可以被限定用于接收并牢固地保持各构件，在这种情况下，例如电容器74。此外，一个或多个电路可以设计有翅片，以辅助空气冷却或强制冷却。这些翅片84被图示为用于图4中所示的降压转换器模块。

已经发现的是，附图中图示的封装的特定布置比较适合紧凑且高效的设计、制造、组装和操作。在图示的实施例中，电路构件可以提前形成，并且形成特别是由转换器模块和整流器模块制成的子组件以及驱动电路板。然后这些构件简单组装成如上所述的封装。所得的封装具有足够的空间和能量，并且允许在工作期间冷却电力电子装置。根据来自焊机发电机(连同集成电力模块一起定位于可动外壳中)的输入，此封装可以用于各种应用并且特别好地适于当前想到的焊炬和等离子切割应用。

图6和图7图示了当前想到的整流器模块的设计，这种设计可用于允许整流器模块较为容易地集成到电力模块中。如图6所示，例如，每个整流器模块包括壳体86，该壳体由例如铝或铝合金等的注射成型传导材料制成。壳体包括在成型工艺中形成的多个集成特征。理想的是，以下成型需要很少或不再需要机加工。壳体包括集成端子延伸体88，输入导体在将集成电力模块组装到焊机发电机期间与该集成端子延伸体联接。壳体86的主体90是一次成型的，使得整个主体位于施加于端子延伸体88的电位。因此，当在应用中作为交流输入电力的整流器的一部分使用时，整流器模块主体通常接收在工作期间应用于整个主体的交流电形。主体包括在其后侧上的翅片延伸体92，以帮助冷却主体和整个模块。凹部94形成在主体的相对两面上，并且接收二极管模块96。在图示的实施例中，接收了这种二极管模块，尽管应当注意到，四个二极管模块在电路中仅充当两个二极管。也就是说，附图中图示的两个上二极管模块充当图2的整流器电路中的上二极管(用于一个相)，而下面一对二极管充当下二极管(用于同一相)。每个二极管模块包括传导主体98，二极管自身形成在该传导主体中。该传导主体形成每个单独的二极管模块的输入侧，当二极管模块被接收在主体90的凹部94内时，每个单独的二极管模块位于输入电位。每个模块的输出导体100从预期的二极管模块的中心延伸。这些输出导体(夹在如上所述的整流器夹条之间)形成电气连接。图7从后侧图示了同一二极管模块。这里可以看到翅片92从主体90延伸，并且从输入端子延伸体88延伸。图示了在单独的二极管模块96的主体98被压入主体的凹部94中之前的单独的二极管模块的主体。

已经发现，上述设计允许极为高效的制造工艺、简单的组装和鲁棒的性能。具体地讲，由于每个整流器模块主体处于输入电位，整流器的多个相可以通过壳体的非传导材料彼此分隔开(例如，参见图5)。还应该指出的是，模块主体的凸缘构造和舌榫嵌入凹槽的安装方式允许模块与二极管环境隔离，这在可动应用中尤为重要。在可动应用中，甚至当电路位于单元外罩中时，电路也会受到天气和环境因素的影响，实际上，可以按照这种方式对一个或多个相进行整流。此外，应当指出的是，尽管成对的二极管用于实现图2中示意性图示的单个二极管的功能，但是实际上，一个、两个或更多个这种二极管可以实现这种功能。因此，可以重新配置整流器模块的主体，可以减少或增加凹部，并且可以改变它们的位置以适应设想的特定封装。

根据特定的应用或负载，可以按照多种方式控制如上所述的电路和系统。在由发动机型发电机组驱动焊机的情况中，当前想到的是，可以对发动机的速度进行控制，以便优化电力调制电路和发电机的输出。这种优化通常允许在适于给焊接负载提供电力时降低速度，以及在需要附加电压和/或电力时提高速度。在要求低电力和/或电压的情况下，这允许减少燃料用量、噪声和废气，同时仍然适应系统性能的更高要求。图8、图9和图10图示了用于实施这种类型的控制的示例性逻辑。

图8a和图8b中总结的控制逻辑具体涉及用于焊条焊接应用的决策及控制逻辑。附图标记102总体指代的示例性逻辑在采用初始发动机速度的步骤104处开始。具体地讲，当前想到的发动机将具有随着速度提高而提供更高输出功率和电压的功率及电压曲线。2400转每分钟的名义初始速度可以由发动机速度和节流阀位置(以及任何其他所需的控制变量)的反馈控制进行调节，通常由发动机的电子调速器或如上所述类型的控制电路来实施。如附图标记106所示，然后，通常由操作者选择工艺或模式。也就是说，在当前想到的实施例中，操作者可以输入焊条工艺，从而利用附图标记108表示的低氢电极，或者输入由附图标记110表示的纤维素电极工艺。此外，由附图标记112表示的系统和输出可以产生合成辅助功率。通常通过如上所述的操作者界面选择xx18(低氢)或xx10(纤维素)模式。检测合成辅助功率输出可以通过电力调制电路的辅助电力线路上的电流传感器来检测。

然后，根据模式，系统可以检测焊接输出的预设电流。如图8a所示，此电流可在各种范围内，例如低于158安培，高于260安培，或者在两者之间的各种范围内。通常通过操作者界面来设置电流。根据这样的电流设置，然后，控制电路使发动机加速到所需的发动机速度，再根据发动机的电压和/或电力曲线进行适应。在图示的实施例中，附图标记116表示的新速度是2800转每分钟、3200转每分钟或3600转每分钟。

此后，算法将调用功率计算或电功率和电压计算。具体地，在焊条模式中，在图示的实施例中，系统会感测输出波形的电流和电压，并且根据这些测量的参数计算焊接输出的输出功率。类似地，如果合成功率输出用于辅助应用，那么在此焊接功率输出中可以加入辅助消耗，以获得附图标记118所表示的计算。

图8a和图8b中总结的逻辑还允许确定可以在焊条焊接中使用的某些电极类型，根据电极类型调节发动机和发电机的输出性能。具体地讲，在步骤118处，如果系统在管件模式中工作，那么逻辑可以确定通过监测初始焊接操作期间的电压尖峰是否识别某些类型的电极，在这种情况下，本领域中识别的电极为“xx10”。这种电极可以称为“纤维素”电极。为了高效地工作，这些电极应当供有充足的电压，以满足这些电极配方所特有的高电压要求。电压不是定值，但是瞬变现象可以重复，并且可通过监测弧电压检测到。如果不满足电压要求，弧就会不稳定，并且可能间歇地熄灭。尽管此前已知的电源通过在焊接期间尽可能高地提高电压电位并且有时候超出范围或者使用与输出串联的电感器或稳定器来满足这些要求，但是本方法使用自适应技术。这种自适应技术，类似于总结的其他速度增加方法，允许尽可能慢地运行发动机以降低噪声并节省燃料。可用的电压随着发动机速度的变化而变化，并且因此系统会寻找仅够稳定弧的速度。在当前想到的实施例中，例如，当使用xx10电极时，在焊接的初始时刻期间将记录瞬变现象。在当前想到的实施例中，如果在焊接的第一秒内存在多于5个(例如，10个)在阈值(例如，44伏特)以上的这种瞬变现象，那么控制就使发动机速度变为按照图8a总结的所需速度。

再更具体地讲，这种类型的电极的控制方案允许启动并控制引弧，然后一旦建立弧就监测高电压事件。在当前想到的方法中，如果存在10个这种事件，那么发动机速度就以初始工作点以上以400转每分钟的增量逐步增大。由于使用纤维素电极，所以期望快速发生这些事件，并且一般不会注意到发动机速度的变化。如果操作者使用不同类型的电极但是拉弧，那么发动机速度也会以类似的方式响应。这在一定程度上更值得注意，但仍然会提供电极的平稳工作。此控制技术监测机器输出的电压，此电压一般代表弧电压。在当前想到的实施例中，迅速监测电压(例如，每100us)。该系统确定超过阈值的电压事件是否表示很可能使用纤维素电极，并且因此适合于电极要求。更高的发动机速度会增大总线电压，并且因此增大电压输出。

如图8a和图8b中附图标记120所示，然后，根据步骤118的功率计算或功率/电压计算，该系统可以维持当前速度，或者可以按照要求提高速度。此后，在步骤122中进行类似的计算，并且在步骤124中，在合适的情况下，进一步提高发动机速度和输出。在步骤126中，进行进一步的类似计算，以确定是否可以最终增大最终的发动机速度。

参照图8a和图8b中总结的逻辑应当做出几项所关注的说明。首先，一旦启动弧用于焊接，该系统可以将输出增大到更高水平，但是一般不会返回到初始速度，直到弧熄灭(即，在当前焊接终止之后)。此外，一旦处于增大的速度，该系统可以维持在该速度或者按照要求以递增的方式增大到更高的速度。此外，在当前想到的设计中的增量是从2400转每分钟的初始速度以400转每分钟增大到3600转每分钟的最终速度。根据发动机规格、发电机规格、所需步骤的数量等，这些增量可以具有不同的大小、不同的数量，并且可以具有不同的开始点和结束点。一般而言，根据总体发动机功率和电压曲线会想到这些步骤。最后，虽然针对特定的焊接工艺指出了与功率/电压计算相反的功率计算，但是可以独立于特别选定的工艺进行类似计算，特别是在可以实施具有不同期望性能的某些类型的电极的情况下。

图9a和图9b图示了类似的控制逻辑，在这里用于tig焊接应用。如图9a所示，总体上由附图标记132表示的tig控制逻辑在步骤134指出的2400转每分钟的初始运行条件下开始。用户可以例如通过电源界面选择步骤136中指出的tig工艺或脉冲tig工艺。按照在步骤112中所指出的，这里又可以检测合成辅助功率输出。在步骤138中，然后，如以上在焊条焊接逻辑的情况中所描述的，系统检测所需范围内的预设电流值。根据选定的工艺和选定的电流，然后，可以使发动机保持在同一速度或者提高速度，如附图标记140所示。如附图标记142所示，然后，根据检测的焊接电流和电压进行功率计算，并且将任何辅助功率消耗加入此计算中，如附图标记154所示。如图9b所示，然后，在步骤144中，系统可以确定保持在初始速度或当前速度或者进一步前进到更高的速度。然后，在步骤146和步骤150中进行类似的功率计算，从而在步骤148和步骤152中作出决定。在这里又可以改变用于速度范围的开始点和结束点，同样可以根据功率计算结果改变特定的增量增加。还可以注意到，如同在焊条焊接的情况中，图9a和图9b中总结的逻辑一般不允许返回到初始发动机速度，直到在特定的焊接结束之后弧熄灭。

图10a和图10b图示了用于mig焊接的类似逻辑。总体上由附图标记156表示的逻辑以在步骤158中的初始发动机运行速度开始。操作者可以在不同的mig焊接工艺之间进行选择，例如由附图标记160表示的实心焊丝工艺，或由附图标记162表示的药芯工艺。按照方框112所指出的，这里又可以提供合成辅助功率。在图示的实施例中，与实心焊丝一起使用的初始发动机速度是3200转每分钟，并且与药芯焊丝一起使用的初始发动机速度是3600转每分钟，如步骤164所示。对于药芯焊丝而言，在允许向下修正之前，该速度最初保持3至5秒(如步骤168所示)。对于实心焊丝而言，初始速度保持大约1秒。

随后，此时一旦启动焊弧，则可以确定是否根据功率计算的结果降低发动机速度，如附图标记166所示，该功率计算的结果可以包括产生的任何辅助功率的增加，如附图标记178所示。根据计算结果，可以减小和维持或进一步改变速度。应该指出的是，在这种算法中，如果负载要求更高的输出，则可以维持初始速度，如从步骤164延伸到步骤174的线条所示(参见图10b)。如果降低速度是可行的(根据减小的电力要求)，那么可以实施降低，如步骤168所示。然后在步骤170和174中进行进一步的计算，紧接着可以决定提高速度，如步骤172和步骤176所示。一旦在特定焊接期间已经提高速度，这里通常不降低速度，直到焊接结束。此外，如同在用于焊条焊接和tig焊接的逻辑中，速度控制的特定开始点和结束点以及速度的特定间隔或步骤可适于不同的发动机、发电机和电力调制电路。