一种超声波电源电路和超声波焊接装置的制作方法

1.本发明涉及超声波电源技术领域，尤其涉及一种超声波电源电路和超声波电源。


背景技术：

2.超声波电源又叫超声波发生器，用于把电能转换成与超声波换能器相匹配的高频交流电信号，是一种用于产生并向超声换能器提供超声能量的装置。超声波焊接技术是利用高频振动波传递到两个需焊接的物体表面，在加压的情况下，使两个物体表面相互摩擦而形成分子层之间的熔合。随着新能源行业的发展，超声波金属焊接逐渐被应用到锂电池、半导体等行业，这些行业的超声波焊接工艺至关重要，如果焊接质量存在缺陷或者隐患，所焊接的部件应用到新能源产品中，势必存在安全风险。
3.超声波焊接质量的高低依赖于超声波发生器对超声波能量的精准控制，目前市面上的超声波发生器采用的是传统的“逆变桥+lc滤波”的电路架构，这种电路架构在超声波停止阶段，换能器的静态电容和lc电路的电感中存储的能量会在电感和电容之间形成振荡，这种剩余能量的振荡会导致在得到超声波停止命令后仍然有一段不可控的自振荡的超声能量输出，这一段不可控的自振荡超声能量输出恰恰发生在焊头还压在被焊件上的保压时间内，因此，这一段不可控的子振荡超声能量可能会对焊接质量造成不可控的损害，在应用到新能源产品中时，这种焊接质量缺陷存在导致严重事故的风险。


技术实现要素：

4.本发明提供了一种超声波电源电路和超声波电源，用于解决现有的超声波电源采用逆变桥+lc滤波的电路架构，在超声波停止阶段，换能器的静态电容和lc电路的电感中存储的能量会在电感和电容之间形成振荡，导致在得到超声波停止命令后仍然有一段不可控的自振荡的超声能量输出，影响焊接质量的技术问题。
5.有鉴于此，本发明第一方面提供了一种超声波电源电路，包括依次连接的整流滤波电路、功率因数校正电路、移相全桥电路、llccl电路、变压器隔离电路、滤波电容和输出负载；
6.整流滤波电路，用于对市电交流信号进行整流滤波，输出直流信号；
7.功率因数校正电路，用于对整流滤波电路输出的直流信号进行无功功率就地补偿；
8.移相全桥电路，用于对功率因数校正电路输出的直流信号进行逆变，输出逆变后的交流信号；
9.llccl电路，用于与移相全桥电路的四支igbt在零电压时开通、在零电流时关断，将移相全桥电路输出的方波中的高频成分和低频成分滤除，以及与超声波振动系统中换能器的等效电容构成串联谐振；
10.变压器隔离电路，输入端与llccl电路连接，输出端用于直接连接换能器，用于对超声电源的输入和输出进行电气隔离，以及将超声波振动系统的阻抗变换成与超声电源内
阻相等的等效阻抗；
11.滤波电容，用于滤除变压器隔离电路输出的信号中的高频谐波，以及调节输出电压大小；
12.输出负载，用于稳定输出至换能器两端的电压。
13.可选地，llccl电路包括第一电感、第二电感、第一电容、第二电容、第三电容、第四电容和第三电感；
14.第一电感的一端与移相全桥电路的左半桥两个igbt管的集电极与发射极的公共端连接，另一端串联第二电感；
15.第一电容和第二电容并联，第三电容和第四电容并联；
16.第二电感的另一端与第一电容和第二电容的第一公共端连接，第一电容和第二电容的第一公共端与变压器隔离电路的变压器的一个初级抽头连接，第一电容和第二电容的第二公共端与第三电容和第四电容的第一公共端连接，第三电容和第四电容的第二公共端与变压器隔离电路的变压器的另一个初级抽头连接；
17.第三电感的一端与移相全桥电路的右半桥两个igbt管的集电极与发射极的公共端连接，另一端与第三电容和第四电容的第一公共端连接。
18.可选地，变压器隔离电路包括变压器和接地负载，变压器的次级通过接地负载接地。
19.可选地，接地负载为接地电阻。
20.可选地，滤波电容包括串联的第五电容和第六电容，第五电容的一端与变压器隔离电路的变压器的次级的一个抽头连接，第六电容的一端接地。
21.可选地，整流滤波电路包括桥式整流电路和第二电解电容；
22.桥式整流电路的直流输出端的正负极之间连接第二电解电容；
23.第二电解电容的正极与功率因数校正电路的输入端连接，负极接地；
24.桥式整流电路的交流输入端的正负极连接市电的正负极。
25.可选地，功率因数校正电路包括第四电感、第一igbt管、第二igbt管、第一二极管、第二二极管和第一电解电容；
26.第四电感的一端与整流滤波电路连接，另一端连接第一igbt管和第二igbt管的公共端，第一igbt管的发射极接地，第二igbt管的集电极与第一igbt管的集电极连接，第二igbt管的发射极与第一电解电容的正极和移相全桥电路连接，第一电解电容的负极接地；
27.第一二极管的负极与第一igbt管的集电极连接，正极与第一igbt管的发射极连接；
28.第二二极管的负极与第二igbt管的集电极连接，正极与第二igbt管的发射极连接；
29.第一igbt管和第二igbt管的门极悬空。
30.可选地，移相全桥电路包括第三igbt管、第四igbt管、第五igbt管、第六igbt管、第三二极管、第四二级管、第五二极管、第六二极管、第七电容、第八电容、第九电容和第十电容；
31.第三igbt管的集电极、第三二极管的负极、第七电容的一端、第五igbt管的集电极和第九电容的一端连接功率因数校正电路的输出端；
32.第三igbt管、第四igbt管、第五igbt管和第六igbt管的门极悬空；
33.第三igbt管的发射极与第四igbt管的集电极连接，第七电容的另一端和第三二极管的正极与第三igbt管的发射极连接，第五igbt管的发射极与第六igbt管的集电极连接，第九电容的另一端和第五二极管的正极与第六igbt管的发射极连接；
34.第八电容的一端和第四二级管的正极与第四igbt管的集电极连接，第八电容的另一端和第四二级管的正极与第四igbt管的发射极连接；
35.第十电容的一端和第六二极管的负极与第六igbt管的集电极连接，第十电容的另一端和第六二极管的正极与第六igbt管的发射极连接；
36.第四igbt管的发射极和第六igbt管的发射极接地。
37.可选地，输出负载为单个定值电阻或串联电阻或可调电阻。
38.本发明第二方面提供了一种超声波焊接装置，包括第一方面任一种所述的超声波电源电路，还包括换能器和焊接头；
39.超声波电源电路的变压器隔离电路的变压器次级直接连接换能器的正负两端，换能器和焊接头连接。
40.从以上技术方案可以看出，本发明提供的超声波电源电路和超声波焊接装置具有以下优点：
41.本发明提供的超声波电源电路和超声波焊接装置，充分利用了移相全桥电路功率控制精度高和llccl电路选择特性好的特点，在llccl电路部分针对所需的超声波频率形成带通滤波器，对不需要的频率成分形成高阻抗，对需要的超声频率能量形成低阻抗通道。滤波电感放置在变压器隔离电路的变压器初级，变压器次级用于直接连接换能器的正负两端。在超声波停止命令发出后，没有激励能量驱动的情况下，llccl电路部分的电感和电容中储存的剩余能量的衰减振荡不能再次达到设定的频率，也就无法通过高q值的带通滤波器传递到焊头上；同样道理，换能器中储存的少许能量也只能在变压器次级电感和换能器形成的回路中慢慢消耗掉、无法形成超声频振荡了。因此，在得到超声波停止命令后，所有储能元器件中存储的剩余能量都不再对焊头产生影响、从而避免了剩余能量对焊接质量的破坏，解决了现有的超声波电源采用逆变桥+lc滤波的电路架构，在超声波停止阶段，换能器的静态电容和lc电路的电感中存储的能量会在电感和电容之间形成振荡，导致在得到超声波停止命令后仍然有一段不可控的自振荡的超声能量输出，影响焊接质量的技术问题。
42.同时，超声波电源电路的变压器隔离电路中的变压器次级没有串联电感，从而避免了传统超声波发生电路在变压器次级进行lc滤波时由于和换能器直接串联了一个大电感，大电感对电场变化的阻碍作用使得换能器两端的电压不能随着控制指令实时的变化的问题，提高了对输出功率的控制精度和对启停超声波命令的响应速度。解决了超声焊接机输出功率线性调节精度低、动态响应特性差、焊接质量的一致性难以保证的问题。
43.本发明提供的超声波电源电路，通过llccl电路实现了对大功率超声频电能进行带通滤波的功能，在合理设计llccl电路元器件参数的情况下，可得到高q值的带通滤波器。将低于选定频率和高于选定频率的电能全部在输出匹配变压器的初级回路中滤除，只传递选定频率的超声波能量至负载。不仅保证了所产生超声波驱动信号的纯净度，也降低了变压器和被驱动的换能器的损耗。
44.本发明提供的超声波电源电路，通过合理设计llccl电路的元器件参数，可形成多
个谐振腔，在带通滤波传输能量的同时，也可以配合移相全桥的控制，实现移相全桥四个开关管的零电压开启和零电流关断的软开关功能，从而进一步减小损耗和开关噪声，提高效率和稳定性。
附图说明
45.为了更清楚的说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
46.图1为本发明中提供的一种超声波电源电路的模块化结构示意图；
47.图2为本发明中提供的一种超声波电源电路的电路结构示意图；
48.图3为本发明中提供的一种超声波电源的电路结构示意图。
具体实施方式
49.为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
50.为了便于理解，请参阅图1，本发明中提供了一种超声波电源电路的实施例，包括依次连接的整流滤波电路、功率因数校正电路、移相全桥电路、llccl电路、变压器隔离电路、滤波电容和输出负载；
51.整流滤波电路，用于对市电交流信号进行整流滤波，输出直流信号；
52.功率因数校正电路，用于对整流滤波电路输出的直流信号进行无功功率就地补偿；
53.移相全桥电路，用于对功率因数校正电路输出的直流信号进行逆变，输出逆变后的交流信号；
54.llccl电路，用于与移相全桥电路的四支igbt在零电压时开通、在零电流时关断，将移相全桥电路输出的方波中的高频成分和低频成分滤除，以及与超声波振动系统中换能器的等效电容构成串联谐振；
55.变压器隔离电路，输入端与llccl电路连接，输出端用于直接连接换能器，用于对超声电源的输入和输出进行电气隔离，以及将超声波振动系统的阻抗变换成与超声电源内阻相等的等效阻抗；
56.滤波电容，用于滤除变压器隔离电路输出的信号中的高频谐波，以及调节输出电压大小；
57.输出负载，用于稳定输出至换能器两端的电压。
58.需要说明的是，本发明中提供的超声波电源电路，包括依次连接的整流滤波电路、功率因数校正电路、移相全桥电路、llccl电路、变压器隔离电路、滤波电容和输出负载，整流滤波电路的输入端接220vac，整流滤波电路将输入的交流电整流成直流电，并对直流电进行滤波处理。功率因数校正电路用于降低谐波电流污染和进行无功功率就地补偿，确保
电源波动不对负载的稳定造成影响，同时也能避免超声波焊接间歇性工作的脉冲能量需求对电网造成的冲击。移相全桥电路用于逆变出超声频率的、电压电流大小可控的交流电。llccl电路一方面用于配合移相全桥电路实现谐振软开关功能，使得组成逆变桥的四支igbt在零电压时开通、在零电流时关断；另一方面具备带通滤波功能，也就是将移相全桥输出的方波中的高频成分和低频成分都滤除，使选定的超声频率的正弦波能量通过；再一方面还能和超声振动系统中换能器的等效电容构成串联谐振，从而保证超声振动系统输出的超声振幅达到最大值。变压器隔离电路用于实现输入和输出的隔离与阻抗变换功能；输入输出的电气隔离确保了超声振动系统的用电安全；将超声波振动系统的阻抗变换成与超声电源内阻相等的等效阻抗，可以保证超声电源的能量能够得到最大效率的传输。本发明中提供的超声波电源电路中，llccl电路部分针对所需的超声波频率形成带通滤波器，对不需要的频率成分形成高阻抗，对需要的超声频率能量形成低阻抗通道。滤波电感放置在变压器隔离电路的变压器初级，变压器次级用于直接连接换能器的正负两端，避免了在换能器的输入端串联电感，也就避免了在超声波停止阶段换能器的静态电容和lc电路的电感中储存的能量在电感和电容之间形成振荡。通过整流滤波电路、功率因数校正电路、移相全桥电路、llccl电路、变压器隔离电路的共同作用，可输出稳定的超声波驱动信号，实现对超声波启动命令的快速响应和对输出能量的精准控制。
59.在一个实施例中，如图2所示，llccl电路包括第一电感l1、第二电感l2、第一电容c4、第二电容c5、第三电容c11、第四电容c12和第三电感l4；
60.第一电感l1的一端与移相全桥电路的左半桥两个igbt管的集电极与发射极的公共端连接，另一端串联第二电感l2；
61.第一电容c4和第二电容c5并联，第三电容11和第四电容并联c12；
62.第二电感l2的另一端与第一电容c4和第二电容c5的第一公共端连接，第一电容c4和第二电容c5的第一公共端与变压器隔离电路的变压器tr1的一个初级抽头连接，第一电容c4和第二电容c5的第二公共端与第三电容c11和第四电容c12的第一公共端连接，第三电容c11和第四电容c12的第二公共端与变压器隔离电路的变压器tr1的另一个初级抽头连接；
63.第三电感l4的一端与移相全桥电路的右半桥两个igbt管的集电极与发射极的公共端连接，另一端与第三电容c11和第四电容c12的第一公共端连接。第三电容c11和第四电容c12具有隔离直流分量的作用。
64.变压器隔离电路包括变压器tr1和接地负载r5，变压器tr1的次级通过接地负载r5接地egnd。接地负载r5为接地电阻。
65.滤波电容包括串联的第五电容c3和第六电容c8，第五电容c3的一端与变压器隔离电路的变压器tr1的次级的一个抽头连接，第六电容c8的一端接地egnd。
66.输出负载可以选为单个定值电阻，可以选为串联电阻，如图2中的r1、r2、r3、r4和r6串联，也可以选为可调电阻。
67.整流滤波电路包括桥式整流电路d1和第二电解电容c7，桥式整流电路d1的直流输出端的正负极之间连接第二电解电容c7，第二电解电容c的正极与功率因数校正电路的输入端连接，负极接地pgnd，桥式整流电路d1的交流输入端的正负极连接市电220vac(即图2和图3中的p1)的正负极。
68.功率因数校正电路包括第四电感l3、第一igbt管q4、第二igbt管q1、第一二极管、第二二极管和第一电解电容c6，第四电感l3的一端与整流滤波电路连接，另一端连接第一igbt管q4和第二igbt管q1的公共端，第一igbt管q4的发射极接地pgnd，第二igbt管q1的集电极与第一igbt管q4的集电极连接，第二igbt管q1的发射极与第一电解电容c6的正极和移相全桥电路连接，第一电解电容c6的负极接地pgnd，第一二极管的负极与第一igbt管q4的集电极连接，正极与第一igbt管q4的发射极连接，第二二极管的负极与第二igbt管q1的集电极连接，正极与第二igbt管q1的发射极连接，第一igbt管q4和第二igbt管q1的门极悬空。输入的220vac经过整流桥d1以及由l3、q4、q1构成的功率因数校正电路之后，可得到400v直流母线电压。
69.移相全桥电路包括第三igbt管q2、第四igbt管q5、第五igbt管q3、第六igbt管q6、第三二极管、第四二级管、第五二极管、第六二极管、第七电容c1、第八电容c9、第九电容c2和第十电容c10，第三igbt管q2的集电极、第三二极管的负极、第七电容c1的一端、第五igbt管q3的集电极和第九电容c2的一端连接功率因数校正电路的输出端(即第二igbt管q1的发射极)，第三igbt管q2、第四igbt管q5、第五igbt管q3和第六igbt管q6的门极悬空，第三igbt管q2的发射极与第四igbt管q5的集电极连接，第七电容c1的另一端和第三二极管的正极与第三igbt管q2的发射极连接，第五igbt管q3的发射极与第六igbt管q6的集电极连接，第九电容的另一端和第五二极管的正极与第六igbt管q6的发射极连接，第八电容c9的一端和第四二级管的正极与第四igbt管q5的集电极连接，第八电容c10的另一端和第四二级管的正极与第四igbt管q5的发射极连接，第十电容c10的一端和第六二极管的负极与第六igbt管q6的集电极连接，第十电容c10的另一端和第六二极管的正极与第六igbt管q6的发射极连接，第四igbt管q5的发射极和第六igbt管q6的发射极接地egnd。
70.本发明实施例中提供的超声波电源电路，充分利用了移相全桥电路功率控制精度高和llccl电路选择特性好的特点，在llccl电路部分针对所需的超声波频率形成带通滤波器，对不需要的频率成分形成高阻抗，对需要的超声频率能量形成低阻抗通道。滤波电感放置在变压器隔离电路的变压器初级，变压器次级用于直接连接换能器的正负两端。在超声波停止命令发出后，没有激励能量驱动的情况下，llccl电路部分的电感和电容中储存的剩余能量的衰减振荡不能再次达到设定的频率，也就无法通过高q值的带通滤波器传递到焊头上；同样道理，换能器中储存的少许能量也只能在变压器次级电感和换能器形成的回路中慢慢消耗掉、无法形成超声频振荡了。因此，在得到超声波停止命令后，所有储能元器件中存储的剩余能量都不再对焊头产生影响、从而避免了剩余能量对焊接质量的破坏，解决了现有的超声波电源采用逆变桥+lc滤波的电路架构，在超声波停止阶段，换能器的静态电容和lc电路的电感中存储的能量会在电感和电容之间形成振荡，导致在得到超声波停止命令后仍然有一段不可控的自振荡的超声能量输出，影响焊接质量的技术问题。
71.同时，超声波电源电路的变压器隔离电路中的变压器次级没有串联电感，从而避免了传统超声波发生电路在变压器次级进行lc滤波时由于和换能器直接串联了一个大电感，大电感对电场变化的阻碍作用使得换能器两端的电压不能随着控制指令实时的变化的问题，提高了对输出功率的控制精度和对启停超声波命令的响应速度。解决了超声焊接机输出功率线性调节精度低、动态响应特性差、焊接质量的一致性难以保证的问题。
72.本发明提供的超声波电源电路，通过llccl电路实现了对大功率超声频电能进行
带通滤波的功能，在合理设计llccl电路元器件参数的情况下，可得到高q值的带通滤波器。将低于选定频率和高于选定频率的电能全部在输出匹配变压器的初级回路中滤除，只传递选定频率的超声波能量至负载。不仅保证了所产生超声波驱动信号的纯净度，也降低了变压器和被驱动的换能器的损耗。
73.本发明提供的超声波电源电路，通过合理设计llccl电路的元器件参数，可形成多个谐振腔，在带通滤波传输能量的同时，也可以配合移相全桥的控制，实现移相全桥四个开关管的零电压开启和零电流关断的软开关功能，从而进一步减小损耗和开关噪声，提高效率和稳定性。
74.为了便于理解，请参阅图3，本发明中提供了一种超声波电源的实施例，包括前述超声波电源电路实施例中的超声波电源电路，还包括换能器和焊接头；
75.超声波电源电路的变压器隔离电路的变压器次级直接连接换能器的正负两端，即图3中的p2端和p3端，换能器和焊接头连接。超声波电源电路经过整流滤波电路、功率因数校正电路、移相全桥电路、llccl电路、变压器隔离电路、滤波电容和输出负载共同作用后，可输出稳定的超声波驱动信号，直接与超声波振动系统的换能器正负两端连接，经换能器实现能量转换后，将电能转换为机械振动传递给焊接头，使得焊接头实现焊接。
76.本发明提供的超声波焊接装置，充分利用了移相全桥电路功率控制精度高和llccl电路选择特性好的特点，在llccl电路部分针对所需的超声波频率形成带通滤波器，对不需要的频率成分形成高阻抗，对需要的超声频率能量形成低阻抗通道。滤波电感放置在变压器隔离电路的变压器初级，变压器次级用于直接连接换能器的正负两端。在超声波停止命令发出后，没有激励能量驱动的情况下，llccl电路部分的电感和电容中储存的剩余能量的衰减振荡不能再次达到设定的频率，也就无法通过高q值的带通滤波器传递到焊头上；同样道理，换能器中储存的少许能量也只能在变压器次级电感和换能器形成的回路中慢慢消耗掉、无法形成超声频振荡了。因此，在得到超声波停止命令后，所有储能元器件中存储的剩余能量都不再对焊头产生影响、从而避免了剩余能量对焊接质量的破坏，解决了现有的超声波电源采用逆变桥+lc滤波的电路架构，在超声波停止阶段，换能器的静态电容和lc电路的电感中存储的能量会在电感和电容之间形成振荡，导致在得到超声波停止命令后仍然有一段不可控的自振荡的超声能量输出，影响焊接质量的技术问题。
77.同时，超声波焊接装置的谐振软开关电路的变压器隔离电路中的变压器次级没有串联电感，从而避免了传统超声波发生电路在变压器次级进行lc滤波时由于和换能器直接串联了一个大电感，大电感对电场变化的阻碍作用使得换能器两端的电压不能随着控制指令实时的变化的问题，提高了对输出功率的控制精度和对启停超声波命令的响应速度。解决了超声焊接机输出功率线性调节精度低、动态响应特性差、焊接质量的一致性难以保证的问题。
78.本发明提供的超声波焊接装置，通过llccl电路实现了对大功率超声频电能进行带通滤波的功能，在合理设计llccl电路元器件参数的情况下，可得到高q值的带通滤波器。将低于选定频率和高于选定频率的电能全部在输出匹配变压器的初级回路中滤除，只传递选定频率的超声波能量至负载。不仅保证了所产生超声波驱动信号的纯净度，也降低了变压器和被驱动的换能器的损耗。
79.本发明提供的超声波焊接装置，通过合理设计llccl电路的元器件参数，可形成多
个谐振腔，在带通滤波传输能量的同时，也可以配合移相全桥的控制，实现移相全桥四个开关管的零电压开启和零电流关断的软开关功能，从而进一步减小损耗和开关噪声，提高效率和稳定性。
80.以上所述，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。