同步整流器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種同步整流器(16)，該同步整流器(16)用于集成在用以特別是在大電流變壓器(12)的立方體或方石形單元中提供直流電流的電源(10)中，該同步整流器(16)包括電路元件(24)、用于啟動(dòng)所述電路元件(24)的啟動(dòng)電路(17)和供電電路(48)，其中設(shè)置具有導(dǎo)體軌道和連接表面的印刷電路板(35)來(lái)容納電子部件。為了降低損失并提高效率，所述電路元件(24)、所述啟動(dòng)電路(17)和所述供電電路(48)被布置在所述印刷電路板(35)上，以用于其自主操作，其中在所述印刷電路板(35)上設(shè)置平行和連續(xù)布置的若干開口(37)，以用于容納接觸板(29)的突起(36)，并且其中所述電路元件(24)被布置和連接或焊接在所述開口(37)上方，并能夠與所述接觸板(29)的突起(36)接觸。
【專利說(shuō)明】同步整流器
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種同步整流器，該同步整流器用于集成在用以特別在大電流變壓器的立方體或方石形單元中提供直流電流的電源中，該同步整流器包括電路元件、用于啟動(dòng)所述電路元件的啟動(dòng)電路和供電電路，其中設(shè)置具有導(dǎo)體軌道和連接表面的印刷電路板來(lái)容納電子部件。
【背景技術(shù)】
[0002]本發(fā)明主要但并非排他地涉及一種用于電阻焊接裝置特別是點(diǎn)焊裝置(其中尤其出現(xiàn)大約幾千安培的大直流電流)的電源的同步整流器。在本專利申請(qǐng)的主題內(nèi)容中也覆蓋用于采用這種大直流電流的其他裝置的電源的同步整流器。這種裝置的示例有電池充電器、粒子加速器、用于電鍍的設(shè)備等。例如，W02007/041729A1描述了一種電池充電器和用于產(chǎn)生相應(yīng)的大直流電流的電流變壓器。
[0003]在電阻焊接裝置中，使用適當(dāng)?shù)拇箅娏髯儔浩骱驼髌鱽?lái)提供所需的大直流電流。由于發(fā)生大電流，二極管整流器因?yàn)橄鄬?duì)較高的損失而不利，因此主要采用包括由相應(yīng)的晶體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)的電阻焊接裝置也具有相對(duì)較高的損失，因此效率相對(duì)較低。由于在現(xiàn)有技術(shù)中由例如大電流變壓器和整流裝置的通常分離設(shè)計(jì)而導(dǎo)致線路長(zhǎng)度相當(dāng)長(zhǎng)并因而招致功率損失，因此由于大電流導(dǎo)致效率非常差。
[0004]例如，DE 10 2007 042 771 B3描述了一種通過(guò)使用同步整流器操作電阻焊接裝置的電源的方法，通過(guò)該方法能夠降低功率損耗并能夠提高效率。
[0005]在汽車工業(yè)的生產(chǎn)線中，使用多個(gè)點(diǎn)焊裝置(經(jīng)常有大約有100個(gè)到1000個(gè)個(gè)體單元)來(lái)準(zhǔn)備將要制造的車輛的車身或底盤上的各種連接。由于個(gè)體點(diǎn)焊裝置已經(jīng)因?yàn)榇箅娏髯儔浩骱碗娏€路和電路元件而導(dǎo)致高損失，因此在這種生產(chǎn)線中產(chǎn)生的總損失在極其高的尺寸范圍內(nèi)，例如在IMW和50MW之間。因?yàn)閾p失主要反映為熱損失的形式，因此必須再次采取措施將這些熱消散，從而甚至進(jìn)一步劣化了總體能量平衡。
[0006]由該事實(shí)產(chǎn)生的另一個(gè)缺點(diǎn)是，因?yàn)檫@種設(shè)施的高損失，所以電網(wǎng)需要非常高的連接瓦數(shù)，從而導(dǎo)致這種設(shè)施的制造、試運(yùn)轉(zhuǎn)和操作費(fèi)用非常高。
[0007]為了利用20kA的焊接電流產(chǎn)生單個(gè)點(diǎn)焊，根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)，從當(dāng)前觀點(diǎn)來(lái)看，例如需要高達(dá)150kW的電網(wǎng)連接瓦數(shù)，其中使用所述焊接電流，產(chǎn)生了高達(dá)135kW的損失，從而獲得了僅大約10%的非常低的效率。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]因而，本發(fā)明的目的是創(chuàng)造一種用來(lái)集成在用以提供直流電流的電源中的同步整流器，由此能夠降低損失并能夠提高能量平衡和效率。
[0009]所述目的的解決在于，所述電路元件、所述啟動(dòng)電路和所述供電電路被布置在所述印刷電路板上，以用于其自主操作，其中在所述印刷電路板上設(shè)置平行和連續(xù)布置的若干開口，以用于容納接觸板的突起，并且其中所述電路元件被布置和連接或焊接在所述開口上方，并能夠與所述接觸板的突起接觸。有利的是，在將所述同步整流器的電路板安裝到接觸板的過(guò)程中，將所述接觸板的突起伸入穿過(guò)所述電路板中的所述開口，由此使得所述電路板的后部也能夠被牢固地與所述接觸板連接或焊接在一起，另外，布置在相反側(cè)的電路元件也可以被連接或焊接至所述接觸板。因此，能夠省略大量布線。此外，可以將所述電路板容易地定位在所述接觸板上，并且在焊接時(shí)所述電路板不會(huì)再滑動(dòng)。
[0010]通過(guò)將所述同步整流器的電路元件、啟動(dòng)電路和供電電路布置在所述電路板上，能夠獲得自主設(shè)計(jì)。所述電路板例如可以集成在所述大電流變壓器中。當(dāng)將所述同步整流器形成在所述大電流變壓器中而用于自主操作時(shí)，可以避免到達(dá)所述電路板的所有線路并因而避免到達(dá)所述大電流變壓器內(nèi)的所有線路。如果用于所述大電流變壓器的操作的所有部件，例如所述電路元件、所述啟動(dòng)電路和所述供電電路，都集成在所述電路板上，則僅需要在輸入側(cè)連接一個(gè)電源單元，并且必須將對(duì)應(yīng)的消耗負(fù)載連接在輸出側(cè)上。
[0011]因此所述同步整流器的電路元件布置在所述電路板上，因而所述同步整流器能夠不用線路地連接至所述大電流變壓器的輸出，從而顯著降低損失。
[0012]更有利的是，所述啟動(dòng)電路在所述電路元件的兩側(cè)上布置在所述電路板上，所述電路元件平行且連續(xù)地布置，這是因?yàn)閷?shí)現(xiàn)了到達(dá)各個(gè)電路元件的線路的縮短。因而，可以確保在非常短的時(shí)間段內(nèi)開啟并聯(lián)連接的所有電路元件。通過(guò)將所述啟動(dòng)電路布置在兩側(cè)上，實(shí)現(xiàn)了線路長(zhǎng)度的減半，結(jié)果，實(shí)現(xiàn)了線路電感的降低，因而實(shí)現(xiàn)了切換時(shí)間的顯著縮短。
[0013]如果所述啟動(dòng)電路連接至集成在所述大電流變壓器中的至少一個(gè)傳感器，特別是電流換能器，精確控制或調(diào)節(jié)變成可能，因?yàn)榭梢越柚谒鲋辽僖粋€(gè)傳感器檢測(cè)到所述大電流變壓器中的狀態(tài)。
[0014]有利地，所述供電電路被構(gòu)造成用以產(chǎn)生相應(yīng)的大切換電流，優(yōu)選在800A和1500A之間，特別是1000A的切換電流，并且給組成部件提供對(duì)應(yīng)的供電電壓。由于非常大的切換電流，因此能夠?qū)崿F(xiàn)非常短的切換時(shí)間，特別在納秒范圍內(nèi)。由此可以確保電路元件總是在過(guò)零時(shí)或剛要到過(guò)零就以低輸出電流切換，從而沒有或幾乎沒有任何切換損失發(fā)生。
[0015]如果設(shè)置用于數(shù)據(jù)無(wú)線傳輸(優(yōu)選以感應(yīng)方式、磁性方式或通過(guò)藍(lán)牙傳輸)的數(shù)據(jù)通信電路，則以有利的方式實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)能夠從所述同步整流器的電路板無(wú)線傳輸或無(wú)線傳輸?shù)剿鐾秸髌鞯碾娐钒濉Ｒ蚨?，可以在所述大電流變壓器的不同?yīng)用區(qū)域中進(jìn)行切換時(shí)間點(diǎn)的調(diào)節(jié)。同樣，可以從布置在所述同步整流器的電路板上的存儲(chǔ)器讀取數(shù)據(jù)，以對(duì)數(shù)據(jù)分別進(jìn)行進(jìn)一步處理或用于控制或質(zhì)量控制。
[0016]最后，有一個(gè)實(shí)施方式是有利的，其中在所述電路板的一側(cè)上，在整個(gè)面上設(shè)置可焊接表面，以便被焊接至所述接觸板，這是因?yàn)橛纱丝梢詫?shí)現(xiàn)與所述接觸板的牢固連接。因而，能夠顯著降低接觸電阻，這是因?yàn)殡娐钒宓娜砻孢B接具有較低的接觸電阻。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0017]下面借助于附圖更詳細(xì)地說(shuō)明本發(fā)明。
[0018]其中:[0019]圖1是示意性圖示的具有機(jī)器人和固定在該機(jī)器人上的焊槍的現(xiàn)有技術(shù)電阻焊
接裝置；
[0020]圖2是具有用以提供焊接電流的電源的電阻焊接裝置的示意性框圖；
[0021]圖3是示意性圖示的電阻焊接裝置，特別是具有用以提供焊接電流的集成電源的焊槍；
[0022]圖4是用以提供焊接電流的電源的示意性框圖；
[0023]圖5示出了用以提供直流電流的電源的一個(gè)實(shí)施方式；
[0024]圖6以分解視圖示出了根據(jù)圖5的電源；
[0025]圖7示出了根據(jù)圖5的電源，其中繪制了冷卻通道的路線；
[0026]圖8是電源的大電流變壓器的工字梁的視圖；
[0027]圖9以剖面示出了根據(jù)圖8的工字梁；
[0028]圖10是包括同步整流器和啟動(dòng)電路的印刷電路板的電源的大電流變壓器的接觸板；
[0029]圖11以剖面示出了根據(jù)圖10的接觸板；
[0030]圖12以分解視圖示出了大電流變壓器的具有電流換能器的次級(jí)繞組；
[0031]圖13以分解視圖示出了大電流變壓器的次級(jí)繞組的設(shè)計(jì)；
[0032]圖14示出了用于向同步整流器和啟動(dòng)電路供應(yīng)電能的電路的框圖；
[0033]圖15示出了根據(jù)圖14的供電電路的供應(yīng)電壓的時(shí)間歷程；以及
[0034]圖16示出了時(shí)間歷程，以便示出根據(jù)大電流變壓器的次級(jí)側(cè)電流啟動(dòng)同步整流器的電路元件。
【具體實(shí)施方式】
[0035]在圖1至圖16中所示的實(shí)施方式中，描述了具有主要組成部件的電阻焊接裝置I的設(shè)計(jì)。在這些圖中，相同的部件利用相同的附圖標(biāo)記表示。
[0036]在圖1中，以立體圖示出了用于對(duì)至少兩個(gè)工件2、3進(jìn)行電阻焊接的電阻焊接裝置1，該電阻焊接裝置I具有用于操縱的機(jī)器人。該電阻焊接裝置I由附接至機(jī)器人并具有兩個(gè)焊槍臂5的焊槍4構(gòu)成，在焊槍4上布置有每個(gè)都用于保持電極7的保持件6。電極7每個(gè)均通過(guò)帶8而循環(huán)，帶8降低電阻焊接時(shí)的接觸電阻并保護(hù)電極7。此外，在帶8上得到的所產(chǎn)生的點(diǎn)焊的圖像可以被分析并用來(lái)評(píng)價(jià)焊接質(zhì)量。用于保護(hù)電極7的帶8從能夠被分別布置在焊槍4或焊槍臂5上的卷繞裝置9退繞，并沿著焊槍臂5、電極保持件6和電極7被引導(dǎo)回到卷繞裝置9，在卷繞裝置9處，帶8被再次卷繞。為了進(jìn)行點(diǎn)焊，通過(guò)電極7傳導(dǎo)由對(duì)應(yīng)的供電單元19供應(yīng)的焊接電流。由此，工件2、3通過(guò)在點(diǎn)焊過(guò)程期間產(chǎn)生的點(diǎn)焊而被連接在一起。通常，用以提供焊接電流的供電單元19位于電阻焊接裝置I外部，如圖1中示意性所示。焊接電流借助于適當(dāng)?shù)木€路11供應(yīng)到導(dǎo)電地形成的電極7或焊槍臂
5。由于焊接電流的幅值在幾千安培的范圍內(nèi)，因此線路11所需的橫截面對(duì)應(yīng)地較大，從而導(dǎo)致對(duì)應(yīng)較高的歐姆損失。
[0037]此外，較長(zhǎng)的主供電線路導(dǎo)致線路11的電感增加，因此電源10的大電流變壓器12操作時(shí)的切換頻率受到限制，從而導(dǎo)致非常大的大電流變壓器12。在現(xiàn)有技術(shù)中，供電單元19位于緊接著焊接機(jī)器人的切換柜內(nèi)，從而對(duì)于機(jī)器人上的焊槍4來(lái)說(shuō)，到大電流變壓器12的供電線路需要非常長(zhǎng),例如高達(dá)30m。
[0038]在根據(jù)本發(fā)明的解決方案中，實(shí)現(xiàn)了重量和尺寸的顯著降低，從而能夠?qū)⒐╇妴卧?9直接定位在機(jī)器人上特別是定位在焊槍保持件的部分中。另外，優(yōu)選將供電單元19設(shè)計(jì)成水冷的。
[0039]圖2示出了具有用以提供焊接電流的電源10的電阻焊接裝置I的示意性框圖。盡管在所示的實(shí)施方式中，使用電源10提供用于電阻焊接裝置I的焊接電流，但是電源10特別是電力供應(yīng)的整個(gè)設(shè)計(jì)也可以用來(lái)提供用于其他應(yīng)用的直流電流。電源10包括大電流變壓器12，該大電流變壓器12具有至少一個(gè)初級(jí)繞組13、具有中央抽頭的至少一個(gè)次級(jí)繞組14和環(huán)狀芯體15。通過(guò)大電流變壓器12變換的電流在同步整流器16中被整流并被供應(yīng)至電阻焊接裝置I的焊槍臂5或電極7。為了控制同步整流器16，設(shè)置了啟動(dòng)電路17。啟動(dòng)電路17基于例如借助于電流換能器18測(cè)量的大電流變壓器12的次級(jí)側(cè)電流而向同步整流器16的電路元件24發(fā)送對(duì)應(yīng)的觸發(fā)脈沖。
[0040]如一般已知的，由于大的焊接電流，所需線路長(zhǎng)度的總和引起在同步整流器16的電路元件24中發(fā)生相當(dāng)大的歐姆損失和/或電感損失以及傳導(dǎo)和切換損失。此外，還是在整流器中，在用于同步整流器16和啟動(dòng)電路17的電力供應(yīng)中發(fā)生損失。因而，這種電阻焊接裝置I所得到的效率較低。
[0041]為了產(chǎn)生大電流變壓器12的初級(jí)側(cè)電流，設(shè)置了供電單元19，該供電單元19布置在電網(wǎng)和電源10之間。供電單元19以期望的幅值和期望的頻率向大電流變壓器12或電源10提供初級(jí)側(cè)電流。
[0042]圖3以示意性圖示示出了具有集成電源10的電阻焊接裝置I。電源10特別地作為支撐構(gòu)件直接布置在電阻焊接裝置I的焊槍4或焊槍臂5上，使得用以將焊接電流引導(dǎo)至電極7的線路11的至少一部分可以被省略，因此顯著地縮短線路長(zhǎng)度，這是因?yàn)閮H需要與一個(gè)焊槍臂5進(jìn)行連接。電源10具有至少四個(gè)觸頭20、21、22、23以形成多點(diǎn)接觸，其中一個(gè)極性的兩個(gè)第一觸頭20、21連接至一個(gè)焊槍臂5，而相反極性的兩個(gè)附加觸頭22、23連接至另一個(gè)焊槍臂5。有利地，一個(gè)極性的兩個(gè)第一觸頭20、21和另一個(gè)極性的另外兩個(gè)觸頭22、23均彼此相對(duì)地布置，其中兩個(gè)另外觸頭22、23與兩個(gè)第一觸頭20、21相比相對(duì)于彼此基本布置成偏移90°。通過(guò)多點(diǎn)接觸線路，將大電流變壓器12的次級(jí)側(cè)14連接至電阻焊接裝置I的焊槍臂5或電極6通常所需的線路可以被防止，或能夠降低其長(zhǎng)度，因而能夠顯著地降低歐姆損失以及接觸損失。因而，可以采用具有優(yōu)選較大橫截面的優(yōu)選較短的線路，同時(shí)保持焊槍4的靈活性。另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)在于，由于這種接觸，降低了損失，特別是接觸電阻。由于所述至少四個(gè)觸頭20、21、22、23，能夠?qū)⒋齻鬏數(shù)暮附与娏鳒p半，由此也使得接觸損失降低，這是因?yàn)橛捎谟性唇佑|面積顯著增加，而降低了接觸電阻。例如，在確定用以提供20kA的直流電流的大電流變壓器12或電源10的尺寸時(shí)，所述四個(gè)觸頭20、21、22、23中的每個(gè)都具有從15cmX15cm到25cmX 25cm優(yōu)選為20cmX20cm的面積。
[0043]在所示的實(shí)施方式中，電源10基本形成為立方體形狀，其中該立方體的側(cè)表面形成了所述觸頭20、21、22、23。兩個(gè)第一觸頭20、21經(jīng)由焊槍臂5連接至電阻焊接裝置I的一個(gè)電極7，而兩個(gè)其他觸頭22、23經(jīng)由焊槍臂5連接至電阻焊接裝置I的另一個(gè)電極7。如能夠在局部分解視圖中看到的，至少一個(gè)焊槍臂5特別是下焊槍臂5經(jīng)由下焊槍臂5的支撐構(gòu)件23a連接，而另一個(gè)特別是上焊槍臂5經(jīng)由柔性連接器夾子23b連接至附加觸頭22、23。因而，至少一個(gè)焊槍臂5直接連接至大電流變壓器12，而另一個(gè)焊槍臂5通過(guò)非常短(例如小于50cm)的線路連接至大電流變壓器12。通過(guò)將電源10和電阻焊接裝置I的電極7或焊槍臂5之間的線路11省略或使其特別短，能夠相當(dāng)大地降低歐姆損失和電感損失。
[0044]當(dāng)至少兩個(gè)觸頭20、21直接或不用線路地連接至且因而沒有接觸電阻地連接至焊槍臂5時(shí)產(chǎn)生了特別的優(yōu)點(diǎn)。這方面能夠?qū)崿F(xiàn)是因?yàn)?，這兩個(gè)觸頭20、21實(shí)際上集成在電源10中并且直接地即不布設(shè)供應(yīng)電路地連接至電阻焊接裝置I的對(duì)應(yīng)部件特別是焊槍臂5。因而，通過(guò)將焊槍臂5直接連接至大電流變壓器12的觸頭20、21，實(shí)現(xiàn)了沒有線路的連接，而第二焊槍臂5必須通過(guò)非常短的線路連接至觸頭22、23。這樣，能夠?qū)崿F(xiàn)非常高地降低線路損失，因?yàn)榫€路長(zhǎng)度減小至最小。在現(xiàn)有技術(shù)中，理想的是大電流變壓器盡可能近地接近焊槍4定位，從而必須將線路從大電流變壓器12布設(shè)到焊槍4，而在根據(jù)本發(fā)明的解決方案中，大電流變壓器12集成在焊槍4中，同時(shí)一個(gè)焊槍臂5直接安裝在大電流變壓器12上，從而只有第二焊槍臂5必須通過(guò)一個(gè)或兩個(gè)較短線路連接。當(dāng)然，代替線路，還可以使用例如滑動(dòng)觸頭或其他連接元件。同樣，由于電源10的組成部件的緊湊設(shè)計(jì)和直接連接即不用線路的連接，也能夠顯著降低電源10內(nèi)的損失。
[0045]有利地，電源10的所有組成部件，包括同步整流器16、啟動(dòng)電路17、電流換能器18和用于同步整流器16和啟動(dòng)電路17的所有供電電路都包含在立方體或方石形狀單元中。也就是說(shuō)，通過(guò)集成電子組成部件/電路，以立方體的形式創(chuàng)造結(jié)構(gòu)單元，其中用戶僅需要在初級(jí)側(cè)以對(duì)應(yīng)的交流電壓形式或?qū)?yīng)的交流電流提供能量，以便以高性能在次級(jí)側(cè)上獲得適當(dāng)大小的直流電流或直流電壓。控制和調(diào)控在立方體或電源10中自主地進(jìn)行。因此，所述立方體和電源10可廣泛用于給組成部件供應(yīng)大直流電流。特別地，電源10用來(lái)供應(yīng)低電壓大電流，如通常在電阻焊接過(guò)程中那樣。
[0046]當(dāng)在電阻焊接過(guò)程中使用時(shí)，立方體形狀的電源10的部件也可以由電阻焊接裝置I的組成部件(例如如圖所示的焊槍臂5等的部件)形成。立方體或電源10通過(guò)將焊槍臂5直接附接至立方體而具有支撐功能。另外的焊槍臂5通過(guò)連接線路(未示出)連接。通過(guò)使用所述設(shè)計(jì)，可以防止供電線路較長(zhǎng)，從而獲得了顯著降低損失。然而，為了將立方體集成在這種焊槍4中，需要保持其尺寸盡可能小。例如，在確定將要提供的高達(dá)20kA的直流電流的尺寸時(shí)，立方體或電源10具有在IOcm和20cm之間特別是15cm的邊長(zhǎng)。通過(guò)使用立方體形狀的電源10的所述緊湊設(shè)計(jì)，可以容易地將其集成在例如焊槍4的基體中。
[0047]圖4示出了用以提供直流電流特別是焊接電流的電源10的示意性框圖。在電源10的該優(yōu)選實(shí)施方式中，大電流變壓器12的十個(gè)初級(jí)繞組13串聯(lián)連接，并且大電流變壓器12的具有中央抽頭的十個(gè)次級(jí)繞組14并聯(lián)連接。通過(guò)使用大電流變壓器12的這種設(shè)計(jì)，即使利用較低匝數(shù)的初級(jí)繞組13和較低匝數(shù)的次級(jí)繞組14，也能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)應(yīng)高的變壓t匕，以便在次級(jí)側(cè)上獲得對(duì)應(yīng)的大電流。例如，利用十個(gè)初級(jí)繞組13和也是十個(gè)的次級(jí)繞組14可以實(shí)現(xiàn)100的變壓比。初級(jí)電流流過(guò)大電流變壓器12的串聯(lián)連接的初級(jí)繞組13，同時(shí)相對(duì)大的次級(jí)側(cè)電流在并聯(lián)連接的十個(gè)次級(jí)繞組14之間分割。次級(jí)側(cè)上的分流電流被供應(yīng)至同步整流器16的對(duì)應(yīng)電路元件24。通過(guò)使用這種分割，得到了對(duì)應(yīng)高的變壓比(這里是100)，而不管低的初級(jí)和次級(jí)匝數(shù)。通過(guò)使用所述構(gòu)造，與傳統(tǒng)大電流變壓器相t匕，在初級(jí)側(cè)上需要較低的匝數(shù)，由此能夠降低初級(jí)繞組13的長(zhǎng)度，并能夠由此降低歐姆損失。因?yàn)槌跫?jí)繞組13的匝數(shù)減少并因而得到的線路長(zhǎng)度減小，又降低了對(duì)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)通常如此的大電流變壓器12的漏電感，由此大電流變壓器12能夠以更高切換頻率例如IOkHz操作。進(jìn)而，與傳統(tǒng)大電流變壓器相比更高的切換頻率致使大電流變壓器12的總體尺寸和重量降低，因而致使有利的安裝選項(xiàng)。因此，大電流變壓器12能夠例如非常靠近電阻焊接裝置I的電極7定位。因而，甚至焊接機(jī)器人的負(fù)載也能夠由于大電流變壓器12的較低重量而降低，從而小的、更廉價(jià)的焊接機(jī)器人就足夠。
[0048]沒有初級(jí)繞組和次級(jí)繞組的串聯(lián)/并聯(lián)連接的傳統(tǒng)變壓器將需要對(duì)應(yīng)的更多初級(jí)繞組，這將導(dǎo)致初級(jí)側(cè)上的導(dǎo)線長(zhǎng)度明顯更長(zhǎng)。由于更大的導(dǎo)線長(zhǎng)度，一方面歐姆損失增力口，另一方導(dǎo)致更高的漏電感，漏電感就是現(xiàn)有技術(shù)變壓器的操作頻率限于幾千赫茲的原因。
[0049]相比而言，在這里描述的大電流變壓器12的構(gòu)造中，系統(tǒng)中固有的初級(jí)繞組13和次級(jí)繞組14的歐姆損失和漏電感較低，這就是能夠使用在IOkHz以上的范圍內(nèi)的頻率的原因。由此，又可以實(shí)現(xiàn)大電流變壓器12的基本更小的總體尺寸。大電流變壓器12或電源10的更小的總體尺寸又使得可以將其布置成更靠近需要所產(chǎn)生的電流的位置，例如布置在電阻焊接裝置I的焊槍臂5上。
[0050]通過(guò)并聯(lián)連接大電流變壓器12的次級(jí)繞組14，在次級(jí)側(cè)上得到的大電流被分割成若干分流電流。這些分流電流被傳輸?shù)酵秸髌?6的電路元件24，如圖示意性所示。為了啟動(dòng)電路元件24，設(shè)置了啟動(dòng)電路17，該啟動(dòng)電路17被引入在初級(jí)繞組13和次級(jí)繞組14的部分中，其中同步整流器16和啟動(dòng)電路17包括相關(guān)的傳感器都布置在立方體內(nèi)，即大電流變壓器12內(nèi)。同步整流器16和啟動(dòng)電路17的尺寸形成為使得它們自主地(即沒有外部影響地)進(jìn)行電源10的調(diào)控和控制。因此，所述立方體優(yōu)選沒有用于從外部介入的控制線路，而是僅僅具有用于初級(jí)側(cè)供電的接線或觸頭以及用于輸送所產(chǎn)生的次級(jí)側(cè)電能特別是大次級(jí)直流電流的接線或觸頭。
[0051]然而，啟動(dòng)電路17的對(duì)應(yīng)接線可以被引入以給啟動(dòng)電路17提供給定值。通過(guò)進(jìn)行外部調(diào)節(jié)，可以針對(duì)應(yīng)用領(lǐng)域理想地調(diào)節(jié)電源10。然而，如從現(xiàn)有技術(shù)已知的，可以采用用于改變或傳輸數(shù)據(jù)的系統(tǒng)，該系統(tǒng)以無(wú)線方式優(yōu)選以感應(yīng)方式、磁性方式或借助于藍(lán)牙操作，從而不需要引入控制接線。
[0052]借助于集成的傳感器進(jìn)行電源10的控制和/或調(diào)控。通過(guò)使用相應(yīng)的電流換能器18測(cè)量次級(jí)繞組14的次級(jí)側(cè)電流，啟動(dòng)電路17獲得同步整流器16的電路元件24應(yīng)該切換的時(shí)間點(diǎn)的信息。因?yàn)殡娏鲹Q能器18僅僅測(cè)量大電流變壓器12的次級(jí)側(cè)電流的一部分(這里是十分之一)，所以它們可以被設(shè)計(jì)成較小，再次對(duì)電源10的整體尺寸帶來(lái)積極影響。
[0053]為了降低傳導(dǎo)和切換損失，同步整流器16的電路元件24優(yōu)選在流過(guò)大電流變壓器12的次級(jí)繞組14的次級(jí)側(cè)電流的過(guò)零點(diǎn)進(jìn)行切換。由于從電流換能器18對(duì)次級(jí)側(cè)電流的過(guò)零點(diǎn)的檢測(cè)到同步整流器16的電路元件24的啟動(dòng)發(fā)生一定延遲，根據(jù)本發(fā)明，啟動(dòng)電路17被形成為在次級(jí)繞組14中的電流到達(dá)過(guò)零點(diǎn)之前的預(yù)設(shè)時(shí)間點(diǎn)切換同步整流器16的電路元件24。因此，啟動(dòng)電路17使得同步整流器16的電路元件24在由電流換能器18測(cè)量的大電流變壓器12的次級(jí)繞組14中的電流下降到低于或超過(guò)一定開啟或斷開閾值的時(shí)間點(diǎn)進(jìn)行切換。通過(guò)使用所述方法，可以實(shí)現(xiàn)同步整流器16的電路元件24基本在流過(guò)大電流變壓器12的次級(jí)繞組14的電流的過(guò)零點(diǎn)期間切換，由此能夠使得傳導(dǎo)和切換損失最小(另參見圖16)。
[0054]在圖4中，用于給同步整流器16和啟動(dòng)電路17供應(yīng)電能的供電電路48被引入用于初級(jí)繞組13和次級(jí)繞組14。另外，該供電電路48優(yōu)選集成在電源10中，即集成在立方體中。因?yàn)樵谄谕斔椭绷麟娏骼绾附与娏鲿r(shí)必須確保供應(yīng)給電源10的同步整流器16和啟動(dòng)電路17足夠的電能，所以需要足夠快速地啟動(dòng)供電電路48(參見圖15)，或者其被構(gòu)造成使得通過(guò)啟動(dòng)電源10，盡可能快速地提供足夠高的供電電壓并且隨后輸送所需的電力或所需的電流。
[0055]圖5以放大視圖示出了根據(jù)圖3的電源10的實(shí)施方式。用以提供直流電流例如焊接電流的電源10基本具有立方體或方石的形式，其中所述立方體或方石的側(cè)面代表觸頭20、21、22、23，通過(guò)所述觸頭20、21、22、23，可以將所產(chǎn)生的直流電流傳輸?shù)较嚓P(guān)的消耗負(fù)載，例如電阻焊接裝置I的焊槍臂5或電極7。電源10的所有組成部件，即大電流變壓器12、同步整流器16、啟動(dòng)電路17、電流換能器18、供電電路48等都包含或集成在該電源10的立方體或方石形狀的構(gòu)件中。通過(guò)使用所述緊湊設(shè)計(jì)，可以將電源10的損失保持得特別低，因而能夠顯著增加電源10的效率，這是因?yàn)橥ㄟ^(guò)電子組成部件特別是包括同步整流器16、啟動(dòng)電路17和供電電路48的印刷電路板的集成而在所述立方體中實(shí)現(xiàn)了線路的最佳縮短并因此實(shí)現(xiàn)了最佳切換時(shí)間。通過(guò)將電源10的同步整流器16和啟動(dòng)電路17以及供電電路48集成到大電流變壓器12內(nèi)并通過(guò)并聯(lián)連接同步整流器16的若干電路元件24和通過(guò)不用線路地將電路元件24連接至大電流變壓器12的次級(jí)繞組14，在同步整流器16和大電流變壓器12的次級(jí)側(cè)14之間不需要任何線路，由此可以省略由于使用這種線路發(fā)生的可能歐姆損失和其他損失。用以給大電流變壓器12供電的供電單元19盡可能靠近大電流變壓器12定位以實(shí)現(xiàn)連接線路盡可能短，并因此實(shí)現(xiàn)線路損失和線路電感盡可能小。通過(guò)集成所有組成部件，形成了自主單元，該自主單元在輸入側(cè)上必須連接至供電單元19，在輸出側(cè)上(在電阻焊接裝置I的情況下)僅連接至焊槍臂5或電極7。電源10的單個(gè)電路之間的公共線路不再需要或者至少在其長(zhǎng)度方面顯著減小。
[0056]電源10的大電流變壓器12的基礎(chǔ)是呈工字梁25形式的變壓器元件，該工字梁25由最好具有涂層(例如由銀制成的涂層)的導(dǎo)電材料特別是銅或銅合金制成。在工字梁25的凹部25a中，包括大電流變壓器12的次級(jí)繞組14的環(huán)狀芯體15布置在兩側(cè)。就空間來(lái)說(shuō)，當(dāng)環(huán)狀芯體15不具有圓形橫截面而是具有橢圓形或扁平橫截面時(shí)是有利的。在所示的實(shí)施方式中，在工字梁25的每個(gè)凹部25a中，五個(gè)環(huán)狀芯體15均與相應(yīng)的次級(jí)繞組14并聯(lián)地布置。初級(jí)繞組13或串聯(lián)互連的多個(gè)初級(jí)繞組13 (點(diǎn)劃線)延伸穿過(guò)布置在工字梁25的凹部25a中的環(huán)狀芯體15并圍繞工字梁25的腹板。通過(guò)使用初級(jí)繞組13的這種路線并通過(guò)特別地對(duì)稱地布置在工字梁25的兩個(gè)凹部25a中的環(huán)狀芯體15，能夠?qū)崿F(xiàn)與次級(jí)繞組14的最佳磁性耦合。初級(jí)繞組13的接線26被引導(dǎo)穿過(guò)工字梁25的外表面28上的至少一個(gè)開口 27。大電流變壓器12的初級(jí)繞組13能夠通過(guò)所述接線26連接至相應(yīng)的供電單元19。工字梁25的外表面28形成了電源10的兩個(gè)第一觸頭20、21，所述觸頭20、21例如連接至電阻焊接裝置I的其中一個(gè)電極7。
[0057]在工字梁25的凹部25a上方定位有接觸板29，該接觸板29的外表面形成了電源10的另外兩個(gè)觸頭22、23并相對(duì)于工字梁25絕緣。接觸板29也由最好具有涂層(例如由銀制成的涂層)的導(dǎo)電材料例如銅或銅合金制成。筒或銅合金具有最佳的電特性并展現(xiàn)良好的導(dǎo)熱性，由此能夠更快地排出產(chǎn)生的熱損失。銀涂層防止銅或銅合金氧化。除了銅或銅合金之外，也可以考慮鋁或鋁合金，鋁或鋁合金相比于銅具有重量?jī)?yōu)勢(shì)，不過(guò)抗腐蝕性沒有那么高。除了銀涂層之外，錫和其他材料或化合物的涂層或它們的層也是可行的。在接觸板29和大電流變壓器12的次級(jí)繞組14的相應(yīng)接線之間，布置同步整流器16和啟動(dòng)電路17的電路板35。所述電路板35或印刷電路板直接安裝或焊接在接觸板29上，并且隨后將以絕緣方式附接至工字梁25。通過(guò)使用所述設(shè)計(jì)，可以將大電流變壓器12的次級(jí)側(cè)接線直接連接或接觸到同步整流器16的電路元件24，而不必鋪設(shè)線路。同步整流器16的輸出也優(yōu)選直接連接至接觸板29，由此不再需要線路。接觸板29連接至工字梁25，優(yōu)選擰在適當(dāng)位置(未示出)。在工字梁25的外表面28上以及在接觸板29的外表面上，可以布置連接裝置30，諸如具有相應(yīng)的螺紋以收納螺釘?shù)你@孔。例如，電阻焊接裝置I的焊槍臂5或需要供應(yīng)直流電流的其他裝置的線路可以通過(guò)所述連接裝置30附接，或者焊槍臂5可以直接附接至工字梁25或接觸板29。
[0058]覆蓋板31可以附接至立方體或方石形狀的電源10的上側(cè)和下側(cè)，并且可以連接(例如螺接，參見圖6)至工字梁25和接觸板29。優(yōu)選地，覆蓋板31也由導(dǎo)電材料制成并擰至接觸板29，從而得到大電流變壓器12的堅(jiān)固單元，并通過(guò)覆蓋板31在接觸板29之間產(chǎn)生電連接。因而，實(shí)現(xiàn)了可以通過(guò)覆蓋板31產(chǎn)生電荷平衡，因此不會(huì)發(fā)生大電流變壓器12的不平衡負(fù)載。因而，可以省略將兩個(gè)接觸板29彼此電連接的單獨(dú)電線路，以便產(chǎn)生電壓和電位平衡并避免失衡。這意味著，用以提供焊接電流的大電流變壓器12或電源10的平衡布局的兩個(gè)接觸板29的電連接都是借助于覆蓋板31建立的。當(dāng)然，在這種情況下，需要在工字梁25上設(shè)置適當(dāng)?shù)慕^緣。接觸板31以及工字梁25和接觸板29都優(yōu)選由優(yōu)選具有銀涂層的銅或銅合金制成。
[0059]在工字梁25的外表面28上，特別是在第一觸頭20上，設(shè)置了用于饋送冷卻流體的兩個(gè)入口 32以及用于排出冷卻流體的出口 33，以便允許對(duì)電源10的組成部件進(jìn)行冷卻。用于排出冷卻流體的出口 33的橫截面表現(xiàn)為用于饋送冷卻流體的所有入口 32的橫截面的和。為了使冷卻流體最佳的行進(jìn)，相應(yīng)地布置冷卻通道39(參見圖9和11)。作為冷卻流體，可以使用水或其他液體，但是也可以使用氣態(tài)冷卻劑。
[0060]如從根據(jù)圖6的電源10的分解視圖可以看到，用于測(cè)量大電流變壓器12的次級(jí)側(cè)電流的電流換能器18直接定位在布置在上面的次級(jí)繞組14上，這意味著，在工字梁25的兩側(cè)上的每個(gè)第一或最上面次級(jí)繞組14上，布置電流換能器18，使得流過(guò)該次級(jí)繞組14的電流能夠由于感應(yīng)出的電流而被確定。為了避免由電流換能器18測(cè)量的電流被外部磁場(chǎng)操縱，優(yōu)選在電流換能器18上方布置由導(dǎo)磁材料(例如鐵素體)制成的殼體34以進(jìn)行屏蔽。
[0061]電流換能器18在工字梁25的兩側(cè)布置在第一和第二次級(jí)繞組14中的每個(gè)上。由于流過(guò)初級(jí)繞組13的電流，電流在工字梁25的一側(cè)排出，由此，最上面的次級(jí)繞組14因而形成了第一次級(jí)繞組14，而在相反側(cè)，電流現(xiàn)在進(jìn)入最上面的次級(jí)繞組14，并因而形成第二次級(jí)繞組。通過(guò)使用全橋，需要總是彼此獨(dú)立地測(cè)量從第一和第二次級(jí)繞組14流出的電流，從而根據(jù)該電流，可以啟動(dòng)同步整流器16的對(duì)應(yīng)電路元件24。因而，通過(guò)由電流換能器18感應(yīng)的控制脈沖可以幾乎同時(shí)啟動(dòng)工字梁25的兩側(cè)的電路元件24。[0062]在接觸板29和工字梁25之間，布置同步整流器16和啟動(dòng)電路17的電路板35。同時(shí)，電路板35建立工字梁和接觸板29之間所需的絕緣。同步整流器16的相應(yīng)電路元件24與大電流變壓器12的次級(jí)繞組14直接接觸。通過(guò)位于接觸板29的內(nèi)側(cè)上的相應(yīng)突起36(特別是尖峰狀突起)和在電路元件24下方位于電路板25上的對(duì)應(yīng)開口 37，可以使電路元件24與接觸板29形成直接接觸。電路元件24優(yōu)選由合適的場(chǎng)效應(yīng)晶體管形成，該晶體管的漏極由其殼體形成。場(chǎng)效應(yīng)晶體管的殼體直接地或不用線路地連接至大電流變壓器12的至少一個(gè)次級(jí)繞組14，從而在這些單元之間不需要線路。例如，采用由氮化硅或氮化鎵制成的場(chǎng)效應(yīng)晶體管。電流換能器18直接連接至同步整流器16的電路板35以及布置在旁邊的啟動(dòng)電路17，并且通過(guò)適當(dāng)?shù)木€路38連接至同步整流器16和啟動(dòng)電路17的相對(duì)電路板35。
[0063]根據(jù)圖5和圖6的電源10的組裝優(yōu)選通過(guò)使用兩個(gè)不同的焊接溫度的焊接過(guò)程來(lái)進(jìn)行。首先，使用在第一較高溫度TsI (例如260°C )熔融的焊接材料特別是焊錫將次級(jí)繞組14連接至工字梁25的凹部25a。另外，使用在所述第一較高熔融溫度TsI (例如260°C )熔融的焊接材料使接觸板29與電路板35接觸。然后，再使用在所述第一熔融溫度TsI (例如260°C )熔融的焊接材料，將同步整流器16和啟動(dòng)電路17的組成部件安裝在電路板35上。因?yàn)殡娐钒?5在接觸板29上的毛細(xì)作用，電路板35不會(huì)有從接觸板29松脫的風(fēng)險(xiǎn)。在這些步驟之后，使用第二熔融溫度Ts2(該溫度比第一熔融溫度TsI低，例如為180°C )的焊接材料噴灑次級(jí)繞組14的外部觸頭和電路板35上的觸頭，將包括電路板35的接觸板29連接(優(yōu)選螺接)至工字梁25，隨后利用焊接材料的第二熔融溫度Ts2 (例如180°C )加熱，從而建立次級(jí)繞組14與同步整流器16的電路元件24的連接。通過(guò)使用所述具有第二、較低熔融溫度Ts2的焊接材料，可以確保使用具有較高熔融溫度TsI的焊接材料產(chǎn)生的焊接接頭不會(huì)由于結(jié)晶化過(guò)程而融化或變成高阻抗。最后，將初級(jí)繞組13穿過(guò)環(huán)狀芯體15，隨后安裝并接觸電力變壓器18，并布設(shè)線路38。通過(guò)附裝覆蓋板31，完成了電源10。為了降低對(duì)電源10的組成部件的張力和彎曲力，在覆蓋版31組裝之前將所有空腔包膠。通過(guò)因此例如設(shè)置在覆蓋版31中的開口，也可以在組裝覆蓋板31之后進(jìn)行包膠。
[0064]圖7示出了圖5和圖6的電源10，圖示了冷卻通道39的路線(虛線)。因而，冷卻通道39首先從對(duì)稱布置的兩個(gè)入口 32延伸到接觸板29中，在此處，利用冷的冷卻流體冷卻最強(qiáng)大的熱源(同步整流器16的電路元件24和啟動(dòng)電路17的組成部件)和最敏感的組成部件。之后，冷卻通道39延伸到工字梁25的外部元件內(nèi)并延伸到工字梁25的腹板內(nèi)，在此處，冷卻大電流變壓器12的繞組，其中在側(cè)部流入的兩個(gè)冷卻通道39在腹板中匯聚成一個(gè)單個(gè)冷卻通道39。然后，冷卻通道39終止于用于冷卻流體的公共出口 33。接觸板29中和工字梁25中的冷卻通道優(yōu)選通過(guò)相應(yīng)的鉆孔40形成，所述鉆孔40在相應(yīng)的位置處被封閉構(gòu)件41封閉。在工字梁25和接觸板29之間，布置用于密封冷卻通道39的相應(yīng)密封構(gòu)件42，例如O形圈。
[0065]在圖8中，大電流變壓器12的工字梁25被示出為與電源10或大電流變壓器12的其他組成部件分離開。在冷卻通道39的末端位置處，布置采取例如O形圈的形式的上述密封構(gòu)件42。工字梁25中的凹部25a被設(shè)計(jì)成精確地收納環(huán)形芯體15，由此獲得非常緊湊的設(shè)計(jì)。同時(shí)，工字梁25的腹板形成了用于大電流變壓器12的次級(jí)繞組14的中央抽頭的接觸表面。次級(jí)繞組14的中央抽頭被不用線路地連接至工字梁25的腹板，由此又可以省去相應(yīng)的線路。通過(guò)將次級(jí)繞組14直接連接至工字梁25，還實(shí)現(xiàn)了連接表面的顯著增加，因而可以再次避免接觸損失和線路損失。
[0066]工字梁25形成了大電流變壓器12的基礎(chǔ)，次級(jí)繞組14圍繞該基礎(chǔ)布置，從而不需要連接線路。工字梁25的外表面代表電源10的兩個(gè)第一觸頭20、21，這兩個(gè)第一觸頭20、21直接(即不用線路地)連接至電阻焊接裝置I的焊槍臂5。因?yàn)榄h(huán)狀芯體15沒有設(shè)計(jì)成圓形的，而是設(shè)計(jì)成橢圓或扁平的，因此實(shí)現(xiàn)了節(jié)省空間的布置。優(yōu)選地，采用閉合的環(huán)狀芯體15。通過(guò)使用所述設(shè)計(jì)，能夠?qū)崿F(xiàn)初級(jí)繞組13和次級(jí)繞組14的串聯(lián)/并聯(lián)連接，通過(guò)這樣，實(shí)現(xiàn)了利用減少匝數(shù)的初級(jí)繞組13和次級(jí)繞組14提供用于大直流電流的大電流變壓器12的所需變壓比。當(dāng)在工字梁25的每側(cè)上布置并聯(lián)連接的至少三個(gè)次級(jí)繞組14時(shí)，這種設(shè)計(jì)特別有用。
[0067]圖9示出了沿著相交線IX-1X的圖8的工字梁25的剖視圖。在該圖中，能夠清楚地看到用于冷卻流體的通向公共出口 33的冷卻通道39的路線。
[0068]圖10以放大視圖示出了大電流變壓器12或電源10的接觸板29以及布置在接觸板29上方用于同步整流器16和啟動(dòng)電路17的電路板35。如上面已經(jīng)提到的，同步整流器16的電路元件24在一側(cè)直接接觸至大電流變壓器12的相應(yīng)的次級(jí)繞組14，并且在另一側(cè)直接連接至接觸板29。為此，突起36特別是尖峰狀突起布置在接觸板29的內(nèi)表面上，這些突起突出到位于電路板35上的相應(yīng)開口 37內(nèi)并直接或不用線路地接觸布置在開口 37上方的電路元件24的源極接線。因?yàn)橥黄?6，可以省略同步整流器16的電路元件24和接觸板29之間的連接線路，由此一方面能夠降低歐姆損失，另一方面能夠改善電路元件24和接觸板29之間的熱傳遞。最后，還降低生產(chǎn)勞動(dòng)，因?yàn)椴恍枰佋O(shè)和連接任何連接線路，而是電路元件24直接連接優(yōu)選焊接至突起36。另外還能夠簡(jiǎn)單地定位電路板35，因此顯著地簡(jiǎn)化了生產(chǎn)。
[0069]通過(guò)將啟動(dòng)電路17和同步整流器16布置在電路板35 (該電路板35布置在接觸板29的內(nèi)側(cè))上，實(shí)現(xiàn)了次級(jí)繞組14的接線與同步整流器16的電路元件24的直接接觸或不用線路的接觸，并且還實(shí)現(xiàn)了同步整流器16的輸出與接觸板29的直接接觸或不用線路的接觸。優(yōu)選地，用以提供直流電流的大電流變壓器12或電源10被對(duì)稱地設(shè)計(jì)，其中在對(duì)稱地布置的次級(jí)繞組14的兩側(cè)上，每一個(gè)電路板35都布置成使得同步整流器16和啟動(dòng)電路17的一部分位于每一個(gè)接觸板29的下方。
[0070]在根據(jù)圖10的同步整流器16中，十個(gè)電路元件24均布置成行。為了確保并聯(lián)連接的所有電路元件24都基本同時(shí)被啟動(dòng)，并且運(yùn)行時(shí)間損失僅具有很小影響，從兩側(cè)對(duì)電路元件24進(jìn)行對(duì)稱啟動(dòng)，也就是說(shuō)，通過(guò)布置在兩側(cè)上的柵極驅(qū)動(dòng)器從右側(cè)和左側(cè)均啟動(dòng)優(yōu)選五個(gè)電路元件24。另外，可以布置不同的啟動(dòng)選項(xiàng)，例如居中地延伸的附加?xùn)艠O驅(qū)動(dòng)器，由此將其線路長(zhǎng)度和電感分割成三個(gè)。通過(guò)這樣并行啟動(dòng)同步整流器16的電路元件24的柵極，確保了電路元件24的短的啟動(dòng)路徑，因而確保了幾乎同步的切換時(shí)間，因?yàn)闆]有發(fā)生運(yùn)行時(shí)間損失或僅發(fā)生很小的運(yùn)行時(shí)間損失。
[0071]在將電路板35安裝到接觸板29的過(guò)程中，接觸板29的突起36突出穿過(guò)電路板35的開口 37，由此電路板35的背面能夠同時(shí)被牢固地連接或焊接至接觸板39，另外，布置在相反側(cè)的電路元件24也可以被連接或焊接至接觸板29。因而，能夠省略通常較高的布線量。另外，可以容易地將電路板35定位在接觸板29上，當(dāng)焊接時(shí)，電路板35就不再能夠滑動(dòng)。當(dāng)同步整流器16、啟動(dòng)電路17和供電電路48布置在電路板35上時(shí)，能夠在將電路板35集成在大電流變壓器12中時(shí)實(shí)現(xiàn)自主的設(shè)計(jì)。進(jìn)一步有利的是，將啟動(dòng)電路17布置在并聯(lián)和串聯(lián)布置的電路元件24的兩側(cè)上，因?yàn)檫@樣實(shí)現(xiàn)了縮短通向各個(gè)電路元件24的線路路徑。因此，可以確保在非常短的時(shí)間段內(nèi)，所有并聯(lián)連接的電路元件24都被開啟。通過(guò)啟動(dòng)電路17的所述雙側(cè)布置，實(shí)現(xiàn)了線路長(zhǎng)度的減半，并相應(yīng)地實(shí)現(xiàn)了線路電感的降低，并因此顯著地縮短了切換時(shí)間。在電路板35的一側(cè)，優(yōu)選在整個(gè)表面上設(shè)置可焊接表面，以便被焊接至接觸板29，由此能夠?qū)崿F(xiàn)與接觸板29的牢固連接。因而，還能夠顯著降低接觸電阻，因?yàn)殡娐钒?5的全表面連接具有較低的接觸電阻。除了通過(guò)焊接的優(yōu)選直接連接，還可以提供短連接導(dǎo)線，即所謂的結(jié)合導(dǎo)線。
[0072]所述供電電路48優(yōu)選被設(shè)計(jì)成形成相應(yīng)的大切換電流，例如在800A和1500A之間，特別地為1000A，以便以相應(yīng)的供電電壓給組成部件供電。由于非常大的切換電流，能夠?qū)崿F(xiàn)非常短的切換時(shí)間，特別在ns范圍內(nèi)。由此，能夠確保電路元件24以低輸出電流總是在過(guò)零點(diǎn)或剛要到過(guò)零點(diǎn)就切換，從而不發(fā)生任何切換損失或幾乎不發(fā)生任何切換損失。如果設(shè)置用于數(shù)據(jù)無(wú)線傳輸?shù)臄?shù)據(jù)通信電路(優(yōu)選以感應(yīng)方式、磁性方式或通過(guò)藍(lán)牙)，則數(shù)據(jù)可以從電路板35 (未示出)無(wú)線地傳輸或無(wú)線地傳輸?shù)诫娐钒?5。因而，可以在大電流變壓器12的不同應(yīng)用區(qū)域中進(jìn)行切換時(shí)間點(diǎn)的調(diào)節(jié)。同樣，可以將數(shù)據(jù)從布置在電路板35上的存儲(chǔ)器(未示出)讀出，以便相應(yīng)地進(jìn)行進(jìn)一步處理或用于控制或質(zhì)量控制。
[0073]為了給同步整流器16的電路元件24提供過(guò)電壓保護(hù)，有利的是在不需要電路元件24時(shí)將它們開啟。這意味著，在電阻焊接裝置I中的應(yīng)用的情況下，有源同步整流器16在焊接中斷中是啟動(dòng)的，以便避免電路元件24的損壞。監(jiān)測(cè)初級(jí)電流或次級(jí)電流是否流過(guò)大電流變壓器12，在焊槍4相應(yīng)地定位成用于新的焊點(diǎn)的同時(shí)沒有電流流過(guò)的情況下，啟動(dòng)電路17通過(guò)相應(yīng)地啟動(dòng)所述柵極而啟動(dòng)所有電路元件24。當(dāng)在焊槍4定位之后啟動(dòng)電源10時(shí)，意味著手動(dòng)或自動(dòng)焊接過(guò)程開始，交流電壓被供應(yīng)至大電流變壓器12的初級(jí)繞組13，這又因?yàn)殡娏髁鲃?dòng)而被啟動(dòng)電路17檢測(cè)到，因而，電路元件24的保護(hù)模式被停止。當(dāng)然，同步整流器16的電路元件24的啟動(dòng)和停止也可以借助于通過(guò)無(wú)線電或以感應(yīng)或磁性方式發(fā)送到啟動(dòng)電路17的控制信號(hào)來(lái)進(jìn)行。可能的過(guò)電壓不會(huì)對(duì)開啟的電路元件24造成損害。另外，可以通過(guò)齊納二極管對(duì)電路元件24提供一定最小程度的保護(hù)。
[0074]圖11示出了根據(jù)圖10的接觸板29的沿著相交線X1-XI的剖視圖。在該圖中，能夠清楚地看到冷卻通道39的路線。用以形成冷卻通道39的由制造過(guò)程產(chǎn)生的鉆孔40中的開口被相應(yīng)的封閉構(gòu)件41密封。封閉構(gòu)件41可以通過(guò)被擰入位于鉆孔40中的對(duì)應(yīng)螺紋內(nèi)的適當(dāng)?shù)穆葆攣?lái)實(shí)現(xiàn)。
[0075]圖12示出了環(huán)狀芯體15，該環(huán)狀芯體15具有布置在其上的大電流變壓器12的兩個(gè)次級(jí)繞組14以及以分解視圖示出的布置在上方的電流換能器18。電流變壓器18通過(guò)屏蔽殼體34和屏蔽件43而防止受到外部磁場(chǎng)的影響，從而流過(guò)次級(jí)繞組14的次級(jí)側(cè)電流能夠被盡可能精確地測(cè)量到，并且能夠被供應(yīng)到啟動(dòng)電路17以控制同步整流器16的電路元件24。為了屏蔽磁場(chǎng)，鐵素體是特別合適的材料。電流換能器18定位或固定在所布置的兩個(gè)次級(jí)繞組14中的一個(gè)次級(jí)繞組的一部分上。如從現(xiàn)有技術(shù)中公知的，電流換能器18由磁性芯體形成，在磁性芯體上面布置有繞組，其中繞組的觸頭被連接至啟動(dòng)電路17。另外，在環(huán)狀芯體15和次級(jí)繞組14之間布置有屏蔽件43以及用于電流換能器18的芯板，其中電流換能器18的芯體被放置在所述芯板上。
[0076]在大電流變壓器12的這種設(shè)計(jì)中，這種設(shè)計(jì)的兩個(gè)次級(jí)繞組14被布置在工字梁25的兩側(cè)，從而使得啟動(dòng)電路17測(cè)量流過(guò)在兩側(cè)并聯(lián)連接和定位的次級(jí)繞組14中的一個(gè)繞組14的電流。當(dāng)啟動(dòng)電路17被連接至這些電流換能器18時(shí)，精確控制或調(diào)控變得可能，因?yàn)榇箅娏髯儔浩?2中的狀態(tài)可以借助于電流換能器18來(lái)檢測(cè)到。
[0077]由于以上描述的次級(jí)繞組14的并聯(lián)連接，在每個(gè)次級(jí)繞組14中都流過(guò)相同的電流。因而，僅需要從一個(gè)次級(jí)繞組14分接電流，以便相對(duì)于整個(gè)電流來(lái)做出結(jié)論。在并聯(lián)連接十個(gè)次級(jí)繞組14時(shí)，由電流換能器18測(cè)量整個(gè)電流的僅僅十分之一，這就是為什么這些電流換能器在尺寸上能夠相當(dāng)小的原因。因此，又實(shí)現(xiàn)了大電流變壓器12或電源10的總體尺寸的減小。有利的是，基本 以相對(duì)于直流電流特別是焊接電流的方向成90°的取向布置電流換能器18，這是因?yàn)槟軌蚪档陀芍绷麟娏鞲袘?yīng)的磁場(chǎng)引起的干涉，并因而能夠減少測(cè)量誤差。因而，能夠進(jìn)行非常精確的測(cè)量。
[0078]如能夠在根據(jù)圖13的分解視圖中看到的，大電流變壓器12的次級(jí)繞組14優(yōu)選由兩個(gè)金屬片材44、45形成，這兩個(gè)金屬片材44、45通過(guò)絕緣層46 (例如紙層)彼此絕緣，并且具有圍繞環(huán)狀芯體15的橫截面并穿過(guò)環(huán)狀芯體15的基本S形鏡像倒置曲線，它們布置在彼此之中。這意味著，兩個(gè)次級(jí)繞組14或具有中央抽頭的次級(jí)繞組14的多個(gè)部分被布置在一個(gè)環(huán)狀芯體15上。次級(jí)繞組14的金屬片材44、45的外表面47同時(shí)形成了用于接觸同步整流器16的電路元件24和用作整流中心的工字梁25的接觸表面。因而，無(wú)需用于將大電流變壓器12的次級(jí)繞組14連接至同步整流器的電路元件24的線路。次級(jí)繞組14特別是形成次級(jí)繞組14的金屬片材44、45直接地或不用線路地連接至同步整流器16的電路元件24或工字梁25或整流中心的腹板。因而，實(shí)現(xiàn)了低損失的、非常節(jié)省空間的緊湊輕質(zhì)設(shè)計(jì)。同時(shí)，提供了用于將次級(jí)繞組14連接至工字梁25的腹板和同步整流器16的電路元件24的相對(duì)較大表面47來(lái)進(jìn)行接觸，以便以盡可能小的損失確保大電流。通過(guò)這種布置，在次級(jí)側(cè)實(shí)現(xiàn)中央整流器，其中工字梁25通過(guò)次級(jí)繞組14的一個(gè)被連接端部而形成中央整流器。
[0079]環(huán)狀芯體15可以由鐵素體、非晶態(tài)材料或納米結(jié)晶原材料制成。在磁性特性方面所使用的材料越好，環(huán)狀芯體15能夠設(shè)計(jì)的尺寸就越小。然而，環(huán)狀芯體15的價(jià)格當(dāng)然上升。在設(shè)計(jì)金屬片材44、45時(shí)，重要的是，將它們以使它們穿過(guò)環(huán)狀芯體15至少一次的方式折疊或彎曲。兩個(gè)金屬片材44、45或布置在一個(gè)環(huán)狀芯體15上的次級(jí)繞組14以鏡像倒置方式設(shè)計(jì)并彼此絕緣。
[0080]圖14示出了用以給同步整流器16和啟動(dòng)電路17供應(yīng)電能的供電電路48特別是電力供應(yīng)單元的框圖。供電電路48被連接至大電流變壓器12的次級(jí)側(cè)或次級(jí)繞組14的接線，并且包括峰值整流器49、增壓器50、線性電壓調(diào)控器51和分壓器52。增壓器50或調(diào)壓器確?？焖俚靥峁╇娫?0的組成部件的供電。同時(shí)，有源同步整流器16的內(nèi)部供電電壓盡可能快地產(chǎn)生。通過(guò)使用增壓器50，確保在啟動(dòng)的初始階段，盡可能早地首先產(chǎn)生供電電壓的所需幅值，以便在盡可能早的時(shí)間確保集成在大電流變壓器12內(nèi)的同步整流器16的可靠功能。
[0081]圖15示出了根據(jù)圖14的供電電路48的供電電壓V的時(shí)間曲線。電壓增加的坡度Λ V/ Λ t被選擇得足夠陡峭，以確保在同步整流器16和啟動(dòng)電路17處以最大延遲Td供應(yīng)所需的電壓VCC。例如，該延遲Td應(yīng)該小于200 μ S。通過(guò)適當(dāng)構(gòu)造峰值整流器49和增壓器50的電路和適當(dāng)?shù)偷碾娙?，能夠?qū)崿F(xiàn)足夠的電壓轉(zhuǎn)換效率。因而，可以說(shuō)，首先以陡峭增加確保供電電壓的最小高度，并且只有在那時(shí)才產(chǎn)生適當(dāng)?shù)墓╇姟?br> [0082]圖16示出了大電流變壓器12的次級(jí)側(cè)電流Is和用于同步整流器16的電路元件24的控制信號(hào)G1和G2的時(shí)間曲線，用來(lái)說(shuō)明無(wú)損失啟動(dòng)。通過(guò)使用對(duì)應(yīng)的電流換能器18測(cè)量次級(jí)繞組14的次級(jí)側(cè)電流Is，啟動(dòng)電路17獲得了同步整流器16的電路元件24應(yīng)該被切換的時(shí)間點(diǎn)的信息。為了降低傳導(dǎo)和切換損失，同步整流器16的電路元件24優(yōu)選在流過(guò)大電流變壓器12的次級(jí)繞組14的次級(jí)電流的過(guò)零點(diǎn)進(jìn)行切換。由于從電流換能器18對(duì)次級(jí)側(cè)電流Is的過(guò)零點(diǎn)的檢測(cè)到同步整流器16的電路元件24的啟動(dòng)發(fā)生一定延遲tPre,因此根據(jù)本發(fā)明，啟動(dòng)電路17被形成為在次級(jí)繞組14中的電流達(dá)到過(guò)零點(diǎn)之前的預(yù)設(shè)時(shí)間啟動(dòng)同步整流器16的電路元件24。因而，啟動(dòng)電路17在由電流換能器18測(cè)量的大電流變壓器12的次級(jí)繞組14中的電流Is下降到低于或超過(guò)一定開啟閾值Ise和斷開閾值Isa的時(shí)間點(diǎn)致使同步整流器16的電路元件24切換。通過(guò)使用該方法，可以實(shí)現(xiàn)基本在流過(guò)大電流變壓器12的次級(jí)繞組14的電流Is的過(guò)零點(diǎn)期間切換同步整流器16的電路元件24，由此能夠使得同步整流器16的電路元件24的傳導(dǎo)損失和切換損失最小。因此，同步整流器16的電路元件24的開啟和斷開時(shí)間不是由次級(jí)側(cè)電流的過(guò)零點(diǎn)來(lái)確定，而是通過(guò)實(shí)現(xiàn)限定的開啟閾值Ise和斷開閾值Isa來(lái)確定。開啟閾值Ise和切斷閾值Isa根據(jù)預(yù)期的切換延遲來(lái)限定。開啟閾值Ise和切斷閾值Isa最好設(shè)計(jì)成可調(diào)節(jié)的，以便進(jìn)一步降低損失。在20kA的大電流變壓器12中，切換時(shí)間可以例如設(shè)定在過(guò)零點(diǎn)之前100ns，從而同步整流器16的電路元件24需要在該時(shí)間段內(nèi)進(jìn)行切換。
[0083]用以提供例如20kA的焊接電流的用于電阻焊接裝置的普通現(xiàn)有技術(shù)大電流變壓器展現(xiàn)了近似40至50kw的損失。根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)，為了提供20kA的焊接電流，總共需要高達(dá)150kW的連接瓦數(shù)，其中 總損失累計(jì)高達(dá)近似135kW，從而得到大約10%的效率。相比而言，本發(fā)明的大電流變壓器12展現(xiàn)了僅僅大約5-6kW的損失。線路損失可以從通常的30kW降低到20kW。因而，在根據(jù)本發(fā)明的電阻焊接裝置I中，用于產(chǎn)生20kA的焊接電流的連接瓦數(shù)可以降低至75kW，這是由于總損失累計(jì)高達(dá)僅大約60kW。因此，在大約20%的情況下，所得到的效率近似為現(xiàn)有技術(shù)中的效率的兩倍。從該比較可以清楚地看到潛在節(jié)約，特別是在包括多個(gè)電阻焊接裝置的汽車工業(yè)的生產(chǎn)線中。
[0084]基本上，所描述的電源10或大電流變壓器12被設(shè)計(jì)成立方體或方石的形式，其中兩個(gè)側(cè)表面由工字梁25形成,在所述側(cè)表面上，布置用于形成第三和第四側(cè)表面的電絕緣的接觸板29。在前表面處，覆蓋板31均被布置成朝向四個(gè)側(cè)表面，該覆蓋板31與工字梁25電絕緣，以便形成立方體或方石的第五和第六側(cè)表面。在所述立方體內(nèi)，特別是在這些側(cè)表面內(nèi)，同步整流器16和啟動(dòng)電路17被布置在至少一個(gè)電路板35或印刷電路板上。因而，所述立方體僅具有用于大電流變壓器12的初級(jí)繞組13的接線26和用于消耗直流電流或直流電壓的作為接觸表面的側(cè)表面。另外，還設(shè)置了冷卻連接，特別是用于冷卻流體的入口 32和出口 33。優(yōu)選不設(shè)置用于集成在立方體中的同步整流器16和啟動(dòng)電路17的控制線路，因?yàn)樵撓到y(tǒng)自主地操作，因此，不需要連接至系統(tǒng)的供電單元19或控制裝置的接線。在這種設(shè)計(jì)中，優(yōu)選不需要任何控制線路，而是僅僅在初級(jí)側(cè)上將電源10連接至供電單元19，因此在次級(jí)側(cè)上，可以獲得例如15kA到40kA的對(duì)應(yīng)大小的直流電流。因而，不需要用戶進(jìn)行任何調(diào)節(jié)，而是僅僅需要連接電源10。將實(shí)際上獨(dú)立的分開的組成部件集成在這種公共單元內(nèi)使得總體尺寸大大減小，因此電源10的重量也大大減小。同時(shí)，該單元還可以作為支撐元件直接在應(yīng)用中特別在焊槍4中使用。另外，極大地增加了用戶的方便性。
[0085]在當(dāng)前設(shè)計(jì)中，更重要的是將電路元件24不用線路地連接至對(duì)應(yīng)的組成部件，即執(zhí)行焊接導(dǎo)線的由場(chǎng)效應(yīng)晶體管形成的電路元件24的源極接線被直接連接或焊接至接觸板29的突起36，其中電路元件24的柵極接線也被直接布置或焊接至電路板35和構(gòu)建在其上的啟動(dòng)電路17(柵極驅(qū)動(dòng)器)。因而，線路電感通過(guò)將線路全部省略而降低，從而能夠?qū)崿F(xiàn)高切換速度和非常低的傳導(dǎo)損失。
[0086]在所示和所描述的實(shí)施方式中，大電流變壓器12的尺寸大小適合于以5V和IOV之間的輸出電壓用于20kA的電流。工字梁25具有15cm的總高度，從而在兩側(cè)均可布置具有環(huán)狀芯體15的五個(gè)次級(jí)繞組14。為了獲得對(duì)應(yīng)的傳輸比100，在所示實(shí)施方式中需要十個(gè)初級(jí)繞組13。
[0087]當(dāng)現(xiàn)在將大電流變壓器12的尺寸設(shè)計(jì)成適合于例如30kA的更大電流時(shí)，可以簡(jiǎn)單地增加所使用的次級(jí)繞組14的數(shù)量。例如，在位于工字梁25的兩側(cè)的凹部25a中，可以均布置七個(gè)次級(jí)繞組14，其中工字梁25的高度相應(yīng)地?cái)U(kuò)大，例如采用設(shè)計(jì)成僅高出5cm或相應(yīng)地更大的基體。因而，大電流變壓器12的工字梁25在兩側(cè)僅通過(guò)兩個(gè)次級(jí)繞組14來(lái)補(bǔ)充，以便能夠提供更大電流。通過(guò)所述的擴(kuò)大，接觸冷卻表面也被擴(kuò)大。另外，將并聯(lián)布置相應(yīng)地更多個(gè)電路元件24。初級(jí)繞組13可以被減小到更低的匝數(shù)，例如七匝，從而實(shí)現(xiàn)例如98的變壓比。由于可能增加橫截面并降低線路長(zhǎng)度，通過(guò)更大的初級(jí)電流補(bǔ)償了更高的初級(jí)繞組損失。
[0088]因而，次級(jí)焊接電流從20kA增加到30kA僅僅導(dǎo)致立方體或大電流變壓器12延長(zhǎng)例如5 cm。
[0089]由于大電流變壓器12優(yōu)選自主地操作并且不包括任何控制線路，從而應(yīng)該能夠與外部組成部件特別是控制裝置進(jìn)行用于可能誤差消息的出話通信。為此，可以使用由次級(jí)繞組14和同步整流器16構(gòu)成的次級(jí)電路和啟動(dòng)電路17。在一定狀態(tài)下，特別是在大電流變壓器12的閑置狀態(tài)下，所述大電流變壓器12可以利用同步整流器16而被自覺地短路，從而在初級(jí)線路中流動(dòng)的閑置狀態(tài)電流能夠通過(guò)外部監(jiān)測(cè)單元或控制裝置來(lái)檢測(cè)，因而由于該電流，能夠執(zhí)行通信或錯(cuò)誤消息。
[0090]例如，通過(guò)將溫度傳感器集成在大電流變壓器12中特別是集成在同步整流器16上，能夠檢測(cè)并評(píng)價(jià)溫度。如果溫度例如超過(guò)規(guī)定閾值，則通過(guò)啟動(dòng)電路17將處于閑置狀態(tài)即在焊接中斷過(guò)程中的同步整流器16限定地短路。由于外部控制裝置知道沒有進(jìn)行焊接的閑置狀態(tài)，該閑置狀態(tài)通過(guò)大電流變壓器12的初級(jí)線路中增加的電流來(lái)檢測(cè)或識(shí)別?，F(xiàn)在，可以通過(guò)外部控制裝置來(lái)檢查冷卻回路是否啟動(dòng)或示出缺陷或增加冷卻效率，從而進(jìn)行更好的冷卻。
[0091]當(dāng)然，借助于對(duì)應(yīng)的切換或脈沖圖案，即規(guī)定地打開和閉合處于閑置狀態(tài)的同步整流器16的電路元件24，能夠向外傳送不同的錯(cuò)誤消息。例如，能夠向外部發(fā)送不同的溫度值、次級(jí)電壓、電流、誤差消息等。
[0092]然而，這種通信也可以在焊接過(guò)程中進(jìn)行，不過(guò)這種檢測(cè)明顯更為困難。例如，對(duì)應(yīng)的信號(hào)可以特別地通過(guò)初級(jí)繞組13調(diào)制到初級(jí)側(cè)電流上。
【權(quán)利要求】
1.一種同步整流器(16)，該同步整流器(16)用于集成在用以特別是在大電流變壓器(12)的立方體或方石形單元中提供直流電流的電源(10)中，該同步整流器(16)包括電路元件(24)、用于啟動(dòng)所述電路元件(24)的啟動(dòng)電路(17)和供電電路(48)，其中設(shè)置具有導(dǎo)體軌道和連接表面的印刷電路板(35)來(lái)容納電子部件，其特征在于，所述電路元件(24)、所述啟動(dòng)電路(17)和所述供電電路(48)被布置在所述印刷電路板(35)上，以用于其自主操作，其中在所述印刷電路板(35)上設(shè)置平行和連續(xù)布置的若干開口(37)，以用于容納接觸板(29)的突起(36)，并且其中所述電路元件(24)被布置和連接或焊接在所述開口(37)的上方，并能夠與所述接觸板(29)的突起(36)接觸。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的同步整流器(16)，其特征在于，所述啟動(dòng)電路(17)布置在所述電路元件(24)的兩側(cè)上，所述電路元件(24)并聯(lián)和串聯(lián)布置在所述電路板(35)上。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的同步整流器(16)，其特征在于，所述啟動(dòng)電路(17)連接至集成在所述大電流變壓器(12)中的至少一個(gè)傳感器，特別是電流換能器(18)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1至3中任一項(xiàng)所述的同步整流器(16)，其特征在于，所述供電電路(48)被形成為用以提供相應(yīng)大的切換電流，優(yōu)選產(chǎn)生在800A和1500A之間，特別是1000A的切換電流，并且給組成部件提供對(duì)應(yīng)的供電電壓。
5.根據(jù)權(quán)利要求1至4中任一項(xiàng)所述的同步整流器(16)，其特征在于，設(shè)置了數(shù)據(jù)通信電路，以無(wú)線地特別是以感應(yīng)方式、磁性方式或通過(guò)藍(lán)牙傳輸數(shù)據(jù)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1至5中任一項(xiàng)所述的同步整流器(16)，其特征在于，在所述電路板 (35)的一側(cè)上，在整個(gè)面上設(shè)置可焊接表面，以便被焊接至所述接觸板(29)。
【文檔編號(hào)】B23K11/24GK104025441SQ201280064956
【公開日】2014年9月3日 申請(qǐng)日期:2012年10月31日 優(yōu)先權(quán)日:2011年10月31日
【發(fā)明者】伯恩哈德·阿特爾斯梅爾, 克里斯托弗·舒爾茨?？? 約翰內(nèi)斯·諾伊伯克, 斯特凡·沃爾夫斯格魯貝爾 申請(qǐng)人:弗羅紐斯國(guó)際有限公司