专利名称：带有缓冲电路的电源的制作方法
技术领域：
本发明大体上说涉及焊接型电源领域。更具体地说涉及具有回收能量的缓冲器的焊接型电源。
背景技术：
现有许多产生焊接型功率的电源，它们有各种结构和用途。这里所说的焊接型电源包括提供焊接型功率的电源。这里所说的焊接功率是指焊接、等离子体或加热功率。
TIG焊接(钨极惰性气体保护电弧焊接)是一种熟知的焊接工艺，这种工艺常用一种带开关的电源来实现，如Miller Maxstar 200电源。带开关的焊接电源用各种电路元件布置技术及控制方式做成。大多数电源包括一个开关缓冲电路，缓冲电路用于防止如开关出现电压尖峰。
发明内容
缓冲电路的一个缺点是倾向于增加损耗和发热。因此，希望提供一种焊接型电源，这种电源包括一个缓冲电路，该缓冲电路回收如若没有它就会浪费掉的能量。
按照本发明的第一方面，焊接型电源包括一个电流换向功率电路，一个母线电感器(a bus inductor)，一个缓冲电路，一个缓冲电容器电压反馈电路和一个控制电路。电流换向电路包括一条母线、多个开关和一个输出端。母线电感器与电流换向和母线连接。缓冲电路与多个开关连接。另外，缓冲电路包括一个缓冲电感器，一个隔离二极管、一个与缓冲电感器和缓冲电容器连接的回收开关。至少一个单向电路(freewheeling circuit)包括一个缓冲电感器和至少一个单向开关(freewheeling switch)。缓冲电容器电压反馈电路与缓冲电容器连接并且为控制电路提供一个缓冲电容器电压反馈输出。控制电路包括一个比较电路，该比较电路将对缓冲电容器的电压反馈与阈值进行比较。比较电路的输出对回收开关进行控制。
按照本发明的第二方面，焊接型电源包括一个用于使母线倒相并在输出端提供输出功率的电流换向装置。用于缓冲多个开关的缓冲器装置包括用于储存和回收能量的装置，用于打开和关闭电流路线的装置包括用于储存的装置。缓冲器装置还包括用于使单向路线有效的装置，后者包括用于储存的装置。用于提供指示缓冲电容器电压的信号的反馈装置连接到缓冲电容器和控制该缓冲器、特别是打开和关闭电流路线的装置上。
按照本发明的第三方面，提供焊接型功率的焊接型电源包括一个使母线倒相以提供输出的倒相装置和一个稳定母线和输出的稳定装置，用于缓冲电流换向的缓冲器装置包括当缓冲电容器的电压超过阈值时回收能量的装置和当回收开关关闭时使电流单向流动的装置。
提供焊接型功率的方法包括使母线倒相，以提供输出，稳定母线和输出以及缓冲电流换向。缓冲包括当缓冲电容器的电压超过阈值时回收能量，而当回收开关关闭时使电流单向流动。
按照一个实施例，回收开关，缓冲电容器，多个开关的至少一个开关，负载或者说输出端以及缓冲电感器构成一个电流路线。另外，单向电路包括缓冲电感器，至少一个单向开关，输出端和多个开关的至少一个开关。
在另一个实施例中，电流换向是有两条电流路线的H桥。该多个开关包括至少四个开关，而该至少一个单向开关包括两个单向开关，每个单向开关与H桥电流路线中的一个路线相关联。
在各实施例中两个单向开关是SCR(可控硅整流器)，并且/或回收开关是IGBT(绝缘栅基晶体管)焊接型电源还包括至少一个跨接在母线上并与电流换向功率电路并联的电容电路。变压器次级和整流器与母线电感器串联，而该串联组合在另一个连接中是与电容电路并联。
在又一个连接中，在缓冲电容器和母线之间连接一个二极管。
一旦审阅了以下附图、详细说明和后附权利要求书，对于本领域的技术人员来说，本发明的其它主要特点和优点就将成为显而易见的。
图1是本发明的方框图；图2是带有按照本发明的带有缓冲电路的输出电流换向的电路图。
在详细阐述本发明的至少一个实施例之前，应该明白，本发明不限于在以下说明或
中提到的结构和元件安排的细节。本发明可有其它实施例或可用其它不同方式实施。另外，应该明白，在此使用的片语和术语是为了说明目的的，而不应视为限制。图中相同的标号标记相同的元件。
具体实施例方式
虽然本发明参考TIG焊接及一个特定的功率电路和控制方式进行说明，但是一开始就应该明白，本发明也可采用其它电路元件布置技术、电路和控制方式来实现，并且可用于其它应用。
大体上说，本发明提供一种带有回收能量的缓冲电路的带开关的焊接型电源。具体地说，该优选实施例提供的基于电流换向的焊接型电源包括一个缓冲电路，该缓冲电路当缓冲电容器的电压超过了预定电压(在一个实施例中为300V)时从缓冲电容器回收能量。能量是由与一个开关串联的电感器(即构成缓冲电路一部分的电感器)来回收的。当开关打开时，它构成这样一个电路，该电路包括缓冲电感器，开关，缓冲电容器(即构成缓冲器电路一部分的电容器)，电流换向桥的“通”腿和输出端。
当缓冲电容器的电压超过阈值时开关打开，当电压降至所述阈值或另一个阈值(在该优选实施例中，比较器电路中的滞后提供了两个阈值)以下时关闭。当开关打开时电流流过电感器，从缓冲电容器上回收能量。当开关关闭时，储存在电感器中的能量通过单向路线返回到输出端(直至能量被回收)。
现在参考图1，按照本发明的焊接型电源100，由ac(交流)源102(在其它实施例中也可是dc(直流)源)接收输入功率，将功率提供给输入功率电路104。(这里所说的电路包括模拟和/或数字部件，功率或控制元件，和/或微处理器或其中一部分)。输入功率电路104最好与现有技术一致并且包括一个整流器，一个半桥电流换向，一个变压器和一个整流器。输入被整流、倒相、变压和整流，以产生一条DC母线。
其它实施例提供的输入功率电路包括一个接收ac或dc并提供母线或使输入信号变压的前置调压器。
母线可用任何方法产生，并提供给输出功率电路106，在该优选实施例中，输出功率电路106包括一个电流换向。控制器108控制输出功率电路106(和其它需要的可控级)，以便为电弧110提供焊接型功率。控制器(或者说控制电路)108控制输出功率电路106来提供用户选择的输出的具体方式最好与现有技术一致，但也可用任何通用控制方式。(对于缓冲器的具体控制情况将在下面进行说明)。输出电流的幅值利用例如由LEM的电流反馈和用户的设置点，以现有技术的已知方式，用输入功率电路半桥的PWM来控制。
在图2中表示出变压器/整流器104和输出功率电路106的一个实施例的电路图。变压器/整流器104包括一个初级绕组(未画出)，一个次级绕组201和整流二极管203和204。输出稳定器205稳定(帮助维持电弧电流)输出，特别是在极性随ac输出转换期间来稳定输出。这些元件以现有技术中所熟知的方式协同工作，以产生提供给功率输出电路106的dc母线。
功率输出电路106与现有技术一致，包括全H桥电流换向，后者包括开关206，207，208和209。电容器210(在该优选实施例中为212μF)产生一个低阻抗源，以便在输出端的极性改变之后重新建立焊接电弧。其它实施例包括采用半桥或其它电路元件布置技术，这些电路包括其它电容电路，如分裂电容器(split capacitor)，并联电容器等，它们都包括在术语“电容器”之中。
以本领域所已知的方式控制电流换向，而交流电流输出由打开和关闭对角线对中的开关206-209提供。例如，当开关206和209打开时，电流从焊枪流向工件。为了使电流反向，关闭开关206和209，并且打开开关207和208。因此，为了产生ac输出，交替地打开和关闭开关。可用只打开一对开关来提供给定极性的dc输出。
按照本发明，缓冲器电路与电流换向连接并且包括一个缓冲电感器212，一个回收开关213，一个缓冲电容器215(在该优选实施例中为212μF)，一个二极管216，一对控制SCR(可控硅整流器)218和219。很快就会说明缓冲电路的工作。这里所说的连接包括直接或间接的电连接或功能连接。
电流换向开关206-209这样定时，使得当两个开关关闭时，在另一对开关打开之前有一短暂的延迟(例如3-5μs)。在这段时间里，母线电感器(即稳定输出的电感器)205和其它系统电感使得在该母线上产生一个电压尖峰。该尖峰对开关206-209有不利影响，因而被缓冲电路所缓冲(控制或降低)。而且，按照本发明，这部分能量被回收并提供给负载。
具体地说，当缓冲电容器的电压超过了阈值(最好是300V)时，回收开关213关闭。当回收开关213和任一对电流换向开关关闭时，包括母线、关闭的电流换向开关，负载，电感器212和缓冲电容器215的电流路线是闭合的(或者说是有效的)。因此，电流开始在缓冲电感器212中流动。
当缓冲电容器的电压下降到300V以下时，开关213打开，使电流路线无效。电流流过电感器212，然后流过控制或者说单向SCR218和219之一(也可用其它单向开关)，以致来自电感器212的电流提供给负载两端。采用了SCR和一个二极管220，以便电流不会自由流动而不流过负载。因此，SCR218与开关206和209电流路线相关联，而SCR219与开关207-208电流路线相关联。在另外的实施例中采用其它类型的开关。这里所说的开关包括一个使电流路线功效最低的器件。
控制器108(图1)接收电压和电流反馈。电流反馈用于控制输入功率电路104的PWM，而电压反馈用于控制回收开关213。(其它控制功能采用这些或其它反馈参量)。最好是，控制器108包括一个将电压反馈信号(或其函数，如dv/dt，V*V，V的整数等)与表示阈值的信号进行比较的比较电路。阈值可由工厂或用户设置，或因工艺而改变。各控制方面可以是互相依赖的也可以是独立的。各控制可由一个控制器或在一个或多个电路板上的多个控制器控制。
这里所说的比较电路包括对两个或更多的值进行比较的任何数字、模拟或其它电路。这里所说的控制器或者控制电路包括安置在一块或多块电路板上的数字或模拟电路，分离或集成电路，微处理器，DSP等，以及软件，硬件及固定件，用来控制一个装置，例如电源。
本发明可利用其它电路元件布置技术，其它级焊接型电源或其它应用中的缓冲电路而实现。
可在本发明的范围内对本发明做许多修改。因此，很明显，已经按照本发明提供了完全满足上面列出的目的和优点的一种方法和设备。虽然结合其一些具体实施例对本发明进行了说明。但是，很明显，对于本领域的技术人员来说可做许多不同的修改和变更。因此，意在包括后附权利要求书精神和范围内的所有替代实施例、修改和变更。
权利要求
1.一种焊接型电源，包括一个电流换向功率电路，包括一条母线，多个开关和一个输出端；一个母线电感器，与所述电流换向和所述母线连接；一个与所述多个开关连接的缓冲电路，包括一个缓冲电感器；一个缓冲电容器；一个与缓冲电感器和缓冲电容器连接并且有一个回收开关控制输入的回收开关；至少一个单向电路，包括所述缓冲电感器和至少一个单向开关；一个缓冲电容器电压反馈电路，与缓冲电容器连接并且有响应于缓冲电容器电压的缓冲电容器电压反馈输出；一个控制电路，包括一个比较电路，该比较电路将所述缓冲电容器电压反馈输出作为输入，将一个与回收开关控制输入连接的控制信号作为输出。
2.如权利要求1的焊接型电源，其中，回收开关，缓冲电容器，多个开关的至少一个开关，输出端和缓冲电感器构成一个电流路线并且进一步，其中，所述单向电路包括所述缓冲电感器，所述至少一个单向开关，所述输出端和所述多个开关的至少一个开关。
3.如权利要求2的焊接型电源，其中，所述电流换向是一个有两条电流路线的H桥，所述多个开关包括至少四个开关，而所述至少一个单向开关包括两个单向开关，每个单向开关与一条电流路线相关联。
4.如权利要求3的焊接型电源，其中，所述两个单向开关都是单方向开关。
5.如权利要求3的焊接型电源，还包括至少一个跨接在母线上并与倒相功率电路并联的电容电路，一个与母线电感器串联的变压器次级和整流器，其中，该串联组合与电容电路并联。
6.如权利要求5的焊接型电源，还包括一个连接在缓冲电容器和母线之间的二极管。
7.如权利要求3的焊接型电源，其中，所述回收开关是IGBT。
8.一种提供焊接型功率的方法，包括使所述母线倒相，以提供一个输出；稳定母线和输出；和缓冲电流换向，包括当缓冲电容器的电压超过阈值时回收能量，当回收开关关闭时使电流单向流动。
9.如权利要求8的方法，其中，回收包括打开一个开关，其中，所述开关，缓冲电容器，多个电流换向开关中的至少一个开关，输出端和缓冲电感器构成一个电流路线，并且，其中，单向流动包括打开多个单向开关的至少一个单向开关，还有，其中，单向电流路线包括所述缓冲电感器，所述至少一个单向开关，输出端和多个倒相开关的至少一个开关。
10.如权利要求9的方法，其中，倒相包括使具有两条电流路线和至少四个开关的H桥倒相，并且，其中，所述至少一个单向开关包括两个分别与电流路线之一相关联的单向开关。
11.如权利要求8的方法，还包括对ac信号进行变压和整流，以产生母线电压。
12.如权利要求8的方法，其中，回收包括形成一个电流路线，该电流路线包括缓冲电感器，回收开关，缓冲电容器，输出端和多个电流换向开关的至少一个开关。
13.一种焊接型电源，包括用于使母线倒相并在输出端提供输出功率的电流换向装置；用于缓冲多个开关的缓冲器装置，包括用于储存和回收能量的装置；用于使电流路线有效和无效的装置，该装置包括用于储存的装置并与储存装置连接；使单向电流路线有效的装置，包括所述用于储存的装置；用于提供指示缓冲电容器电压并与缓冲电容器连接的反馈装置；用于控制使电流路线有效和无效的装置以及控制用于按照所述信号使电流单向流动的装置的装置。
14.如权利要求13的焊接型电源，其中，用于倒相的装置包括多个开关，并且，其中，用于储存的装置，用于倒相的装置的一部分和用于使之有效和无效的装置构成一条电流路线，并且，其中，单向电流路线包括用于储存的装置，至少一个单向开关，输出端和倒相装置的一部分。
15.如权利要求14的焊接型电源，其中，所述用于倒相的装置是有两条电流路线的H-桥，所述多个开关包括至少四个开关，所述至少一个单向开关包括两个单向开关，每个单向开关都与所述电流路线的一条相关联。
16.如权利要求15的焊接型电源，其中，两个单向开关是SCR。
17.如权利要求16的焊接型电源，还包括至少一个用于储存能量、跨接在母线上并与所述电流换向装置并联的装置，还包括一个与母线电感器串联的变压器次级和整流器，其中，串联组合与至少一个用于储存装置并联的。
18.如权利要求17的焊接型电源，其中，用于储存和回收的所述装置，用于使有效和无效的所述装置和所述多个开关的至少两个开关构成一条电流路线。
19.如权利要求18的焊接型电源，其中，用于使有效和无效的装置是一个IGBT。
20.一种用于提供焊接型功率的焊接型电源，包括用于使母线倒相以提供输出的倒相装置；用于稳定母线和输出的稳定装置；用于缓冲所述电流换向的缓冲器装置，包括当缓冲电容器的电压超过阈值时回收能量的装置，还包括当回收开关关闭时使电流单向流动的装置。
21.如权利要求20的焊接型电源，其中，用于回收的装置包括一个用于使电流路线有效和无效的开关装置，该电流路线包括一个缓冲电感器，一个缓冲电容器和部分电流换向装置，并且，其中，用于使电流单向流动的装置包括多个单向开关的至少一个开关，其中，单向电流路线包括所述缓冲电感器，所述至少一个单向开关，输出端和多个倒相开关的至少一个开关。
22.如权利要求21的焊接型电源，其中，所述倒相装置包括一个具有两条电流路线和至少四个开关的倒相H桥，并且，其中，所述至少一个单向开关包括两个单向开关，每个单向开关与所述电流路线的一条路线相关联。
23.如权利要求22的焊接型电源，还包括用于对ac信号进行变压和整流以产生母线电压的装置。
24.如权利要求20的焊接型电源，其中，用于回收的所述装置包括一条电流路线，该电流路线包括一个缓冲电感器，一个缓冲电容器，一个回收开关，输出端和至少两个倒相开关。
全文摘要
这里公开一种用于提供焊接型电源的方法和设备，该设备包括一个电流换向功率电路，一个母线电感器，一个缓冲器电路，一个缓冲电容器电压反馈电路和一个控制电路。电流换向电路包括一条母线，一些开关和一个输出端。母线电感器与电流换向和母线连接。缓冲器电路与这些开关连接。另外，缓冲器电路包括一个缓冲电感器，一个缓冲电容器，一个与缓冲电感器和缓冲电容器连接的回收开关。至少一个单向电路包括所述缓冲电感器和至少一个单向开关。缓冲电容器电压反馈电路与缓冲电容器连接并为控制电路提供缓冲电容器电压反馈输出，控制电路包括一个将缓冲电容器电压反馈与阈值进行比较的比较电路。比较电路的输出对回收开关进行控制。
文档编号H02M7/06GK1502440SQ200310113638
公开日2004年6月9日 申请日期2003年11月14日 优先权日2002年11月19日
发明者艾伦·曼特依, 艾伦 曼特依 申请人:伊利诺斯器械工程公司