專利名稱：零電壓零電流軟開關(guān)弧焊逆變電源的控制電路的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及一種零電壓零電流軟開關(guān)弧焊逆變電源的控制電路，適 用于焊接技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
傳統(tǒng)的弧焊逆變電源主電路功率器件工作于硬開關(guān)方式，其工作過程開 關(guān)損耗大、開關(guān)應(yīng)力大，影響了其可靠性。采用軟開關(guān)技術(shù)可以改善功率器 件的開關(guān)環(huán)境，從而提高焊機的可靠性。目前在大功率弧焊逆變電源主電路
功率器件多采用絕緣柵雙極性晶體管(IGBT)，它存在較大的脫尾電流，存在 較大的關(guān)斷損耗和應(yīng)力。采用全橋零電壓零電流脈寬調(diào)制(FB-ZVZCS-PWM) 技術(shù)可以使其中2只IGBT為零電壓開關(guān)(ZVS),另外2只IGBT為零電流 (ZCS)開關(guān)，能夠克服上述的缺點，因而更適合于大功率弧焊逆變電源。 在全橋零電壓零電流軟開關(guān)的控制方式中， 一種控制方式近年來得到了 較多的關(guān)注。這種控制方式的特點是電路中一個橋臂的兩個開關(guān)管180°互 補導(dǎo)通，另一個橋臂的兩個開關(guān)管的導(dǎo)通占空比可調(diào)。例如，在正半周期中， 開關(guān)管Q。 Q4同時導(dǎo)通，開關(guān)管Q4在正半周期中一直開通，而開關(guān)管Q,根 據(jù)占空比控制要求只開通一段時間；同理，在負半周期中，開關(guān)管Q2、 Q3同
時導(dǎo)通，開關(guān)管Q3在負半周期中一直開通，而開關(guān)管Q2根據(jù)占空比控制要
求只開通一段時間。開關(guān)管Qi和Q2分別在開關(guān)管Q4和開關(guān)管Q3之前關(guān)斷， 如圖所示?？梢远x開關(guān)管Q,和Q2組成的橋臂為超前臂，其驅(qū)動信號為 PWM1和PWM2，而開關(guān)管Q4和開關(guān)管Q3所組成的橋臂稱為滯后臂，其驅(qū) 動信號為PWM3和PWM4。這種控制可以實現(xiàn)超前橋臂開關(guān)管的零電壓開關(guān) (ZVS)及滯后橋臂開關(guān)管的零電流開關(guān)(ZCS)?，F(xiàn)有的這種控制方法中， 當驅(qū)動信號為最大脈寬時，互為對角的兩個IGBT的驅(qū)動信號脈寬相同，滯后 臂和超前臂的驅(qū)動信號重合，如圖6所示，不能為變壓器原邊的環(huán)流創(chuàng)造時
間，此時滯后臂無法實現(xiàn)零電流開關(guān)。因此，此種控制方法并不能實現(xiàn)在最 大負載情況下的軟開關(guān)，圖1為這種控制方法控制的電焊機的電源外特性曲線。

實用新型內(nèi)容
本實用新型的目的在于克服了現(xiàn)有技術(shù)的上述不足，提供了一種零電壓 零電流軟開關(guān)弧焊逆變電源的控制電路。該電路避免了電焊機高功率輸出時 工作在硬開關(guān)狀態(tài)，提高了電焊機的可靠性，同時可以使電焊機在小功率輸 出時，主電路轉(zhuǎn)為半橋模式，增強控制精度。
為了實現(xiàn)上述目的，本實用新型采取了如下技術(shù)方案。包括有脈沖發(fā)生
電路l、斜坡補償電路2、運算電路3、保護電路4、工作點判定電路5、滯后 臂脈寬調(diào)節(jié)電路6、觸發(fā)電路7、可編程邏輯器件8和隔離放大電路9。其中 電焊機的輸出電流設(shè)定值Ig和電焊機的實際輸出電流lout與運算電路3的輸 入端相連，電焊機的實際輸出電流Iout還與工作點判定電路5的輸入端相連； 運算電路3的輸出端與脈沖發(fā)生電路1的輸入端相連，同時還與滯后臂脈寬 調(diào)節(jié)電路6的輸入端相連；斜坡補償電路2的輸出端與脈沖發(fā)生電路1的輸 入端相連;脈沖發(fā)生電路1的同步信號SYS1輸出端與觸發(fā)電路7輸入端相連， 脈沖發(fā)生電路1的脈沖信號PULSE1和PULSE2輸出端與可編程邏輯器件8 的輸入端相連，脈沖發(fā)生電路l同步鋸齒波信號Vswt輸出端與滯后臂脈寬調(diào) 節(jié)電路6輸入端相連；滯后臂脈寬調(diào)節(jié)電路6產(chǎn)生的CLK1信號輸出端與可 編程邏輯器件8輸入端相連，工作點設(shè)定電流Iset與工作點判定電路5的輸 入端相連，工作點判定電路5的Ip輸出端與可編程邏輯器件8的輸入端相連； 保護電路4的輸出端與可編程邏輯器件8和脈沖發(fā)生電路1的輸入端相連； 觸發(fā)電路7的脈沖信號CLK2輸出端和同步信號SYS2輸出端與可編程邏輯器 件8的輸入端相連；可編程邏輯器件8產(chǎn)生的超前臂驅(qū)動信號PWM1、 PWM2 和滯后臂驅(qū)動信號PWM3、 PWM4的輸出端與隔離放大電路9的輸入端相連。 零電壓零電流軟開關(guān)弧焊逆變電源的控制電路的控制方法，該方法是按
以下步驟進行的
(1) 當電壓偏差信號Vea小于Vmin時，脈沖發(fā)生電路產(chǎn)生的PULSEl和 PULSE2信號為低電平，送入可編程邏輯器件8，不經(jīng)過邏輯運算直接作為超 前臂驅(qū)動信號PWM1和PWM2， CLK1和PULSE1、 PULSE2及觸發(fā)電路產(chǎn)生 的SYS2信號在可編程邏輯器件內(nèi)進行邏輯運算產(chǎn)生出PWM3和PWM4，此 時主電路工作在半橋模式下；
(2) 當電壓偏差信號Vea大于Vmin時，且電焊機的實際輸出電流lout小 于工作點設(shè)定電流Iset(電焊機最大輸出電流的90%， Iset可根據(jù)采用的IGBT 承受能力進行調(diào)整)時，脈沖發(fā)生電路產(chǎn)生的PULSE1和PULSE2信號為PWM 脈沖信號，送入可編程邏輯器件8，不經(jīng)過邏輯運算直接作為超前臂驅(qū)動信號 PWM1和PWM2; CLK1和PULSE1、 PULSE2及觸發(fā)電路產(chǎn)生的SYS2信號 在可編程邏輯器件內(nèi)進行邏輯運算產(chǎn)生出滯后臂驅(qū)動信號PWM3和PWM4， 此時主電路工作在有限雙極性驅(qū)動的全橋模式下；
(3) 當電壓偏差信號Vea大于Vmin時，且電焊機的實際輸出電流lout大 于工作點設(shè)定電流Iset(電焊機最大輸出電流的90%， Iset可根據(jù)采用的IGBT 承受能力進行調(diào)整)時，脈沖發(fā)生電路產(chǎn)生的PULSE1和PULSE2信號為PWM 脈沖信號，與觸發(fā)電路產(chǎn)生的CLK2在可編程邏輯器件8中進行"與"運算， 分別將PULSE1和PULSE2的脈沖寬度減小一定時間(大于或等于超前臂關(guān) 斷后原邊電流衰減到零所需的時間t)后作為超前臂驅(qū)動信號PWM1和 PWM2， CLK1和PULSE1和PULSE2及觸發(fā)電路產(chǎn)生的SYS2信號在可編程 邏輯器件內(nèi)進行邏輯運算產(chǎn)生出滯后臂驅(qū)動信號PWM3和PWM4。
步驟1、步驟2和步驟3中的Vmin的大小為脈沖發(fā)生電路能夠輸出PWM 信號的臨界比較值。
步驟3中的t取值為
(Lr為電焊機電源主電路部分的變壓器的原邊諧振電感值，
Cp為電焊機電源主電路部分的變壓器的原邊阻斷電容值，D為電焊機的占空 比，T為電焊機的開關(guān)周期)。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實用新型具有以下優(yōu)點
1) 通過一個施密特觸發(fā)電路配合可編程邏輯器件芯片，使得IGBT的驅(qū) 動波形PWM1、 PWM2、 PWM3、 PWM4在最大脈寬時，超前臂PWM1、 PWM2 仍然超前滯后臂PWM3、 PWM4 —定時間,這樣就為滯后臂的零電流開關(guān)創(chuàng)造 了條件，使得最大脈寬時，仍然可以實現(xiàn)軟開關(guān)。避免了電焊機在高功率輸 出時工作在硬開關(guān)狀態(tài)，提高了電焊機的可靠性。
2) 減小IGBT驅(qū)動脈寬，當超前臂的驅(qū)動脈寬變?yōu)榱銜r，滯后臂的驅(qū)動 脈寬仍然存在，此時焊機主電路由全橋模式轉(zhuǎn)換到半橋模式下，適合于小功 率輸出。


圖1是未采用本實用新型電路控制電焊機的電源外特性曲線； 圖2是采用本實用新型電路控制電焊機的電源外特性曲線； 圖3是全橋零電壓零電流軟開關(guān)弧焊逆變電源主電路； 圖4是本實用新型的系統(tǒng)整體框圖； 圖5是本實用新型的運行流程圖； 圖6是未采用本實用新型電路的最大脈寬驅(qū)動波形； 圖7是采用本實用新型電路的最大脈寬驅(qū)動波形； 圖8是本實用新型的電路原理圖； 圖9是本實用新型的半橋模式下的驅(qū)動波形圖； 圖10是本實用新型最大脈寬時的超前臂驅(qū)動波形產(chǎn)生的示意圖； 圖11是可編程邏輯控制器中的輸入輸出信號的邏輯關(guān)系圖。
具體實施方式

以下結(jié)合附圖，對本實用新型作進一步的詳細說明。
本實施例通過增加一路觸發(fā)電路，當IGBT驅(qū)動信號為最大脈寬時，使超 前臂的驅(qū)動信號與觸發(fā)電路產(chǎn)生的脈沖信號進行"與"運算，能夠使超前臂 比滯后臂提前關(guān)斷一定時間，如圖7所示，降低了高功率輸出工作點的電壓， 為電焊機電源中的變壓器原邊的環(huán)流創(chuàng)造了時間，實現(xiàn)了最大負載情況下的 軟開關(guān)，在圖2為采用本實用新型控制電路控制電焊機的電源外特性曲線。
同時當輸出功率較小時，驅(qū)動波形由全橋驅(qū)動方式變?yōu)榘霕蝌?qū)動方式，適合 小功率輸出。
如圖8所示，本實施例主要包括有運算電路、脈沖發(fā)生電路、工作點判 定電路、觸發(fā)電路、可編程邏輯器件等組成。
(1) 運算電路和脈沖發(fā)生電路電焊機的實際輸出電流Iout經(jīng)電阻R4 接運算放大器LF353的2腳，輸出電流設(shè)定值Ig經(jīng)電阻R5接LF353的2腳， LF353的2腳接電阻R16和電容C4， 3腳通過電阻R15接地，8腳接+ 15伏 電源，十15伏電源通過電容C17接地，4腳接-15伏電源，一15伏電源通過 電容C16接地，1腳接電容C4和C5，運算放大器LF353的1腳產(chǎn)生出電壓 偏差信號Vea經(jīng)R26接PWM集成控制器UC3846的5腳，同時接滯后臂脈 寬調(diào)節(jié)電路中的電阻R2。 UC3846的1腳通過R6和R17接地，通過R3接參 考電壓VREF， UC3846的2腳與3腳之間接電容C8， UC3846的4腳接斜坡 補償電路，UC3846的6腳和7腳相連，UC3846的8腳通過電容C6和C7接 地，UC3846的9腳通過電阻R18和R19接地，11腳接電阻R27， R27通過 電阻R28接地，同時接可編程邏輯器件GAL18V10， 14腳接電阻R29， R29 通過電阻R30接地，同時接可編程邏輯器件GAL18V10， UC3846的15腳接 十15伏電源，十15伏電源通過電容C9接地，UC3846的13腳通過R20接十 15伏電源，通過CIO、 Cll接地，UC3846的12腳接地。
(2) 滯后臂脈寬調(diào)節(jié)電路LM339的10腳通過電阻R2接運算電路中 的電阻R26，通過電容C1接地，11腳通過電阻R1接脈沖發(fā)生電路中UC3846 的8歩卩，通過R7接地，LM339的13腳通過電阻R9接+ 5伏電源，同時接可
編程邏輯器件GAL18V10。
(3)工作點判定電路和觸發(fā)電路電焊機的實際瑜出電流l0Ut接二極管
D1的陽極和電阻R8， 二極管D1的陰極和電阻R8接電容C3，同時接電壓比 較器LM339的8腳，LM339的9腳通過電阻R12接+ 15伏電源，通過電阻 Rll接地，14腳通過電阻R10接+ 5伏電源，同時接可編程邏輯器件 GAL18V10;若Iout大于Rll兩端電壓Iset，則LM339的14腳輸出低電平， 觸發(fā)電路產(chǎn)生的CLK2信號參與和PULSE1和PULSE2的"與"運算，如圖 10所示。LM339的5腳接脈沖發(fā)生電路中UC3846的10腳，同時通過電阻 R23接地，LM339的4腳通過電阻R21接+15伏電源，通過電阻R22、電容 C12接地，LM339的3腳接+15伏電源，+15伏電源通過C13接地，2腳通 過R25接+5伏電源，同時接施密特觸發(fā)器CD4098的4腳，CD4098的4腳 通過電阻R14接可編程邏輯器件，CD4098的3、 5、 16腳接+ 5伏電源，+5 伏電源通過C15接地，CD4098的1、 8腳接地，2腳與地之間有電容C14， 2 腳和3腳之間有電阻R24。通過調(diào)節(jié)C14與R24的大小，則可以改變觸發(fā)電 路產(chǎn)生的脈沖信號CLK2的脈沖寬度，CD4098的6腳通過電阻R13接可編程 邏輯器件，可編程邏輯器件GAL18V10產(chǎn)生的的4路PWM信號PWM1、 PWM2、 PWM3、 PWM4接隔離放大電路。PWM1和PWM2作為超前臂驅(qū)動 信號，PWM3和PWM4作為滯后臂驅(qū)動信號。
以下結(jié)合附圖詳細描述電路工作原理
1)當運算放大器LF353的5腳產(chǎn)生出電壓偏差信號Vea小于Vmin (為 選用的PWM集成控制器能夠輸出PWM信號時的臨界比較值)時，脈沖發(fā)生 電路產(chǎn)生的PULSE1和PULSE2信號為低電平，送入可編程邏輯器件8，不經(jīng) 過邏輯運算直接作為超前臂驅(qū)動信號PWM1和PWM2， CLK1和PULSE1、 PULSE2及觸發(fā)電路產(chǎn)生的SYS2信號在可編程邏輯器件內(nèi)進行邏輯運算產(chǎn)生 出滯后臂驅(qū)動信號PWM3和PWM4，此時主電路工作在半橋模式下，驅(qū)動波 形如圖9所示。
2) 當電壓偏差信號Vea大于Vmin(為選用的PWM集成控制器能夠輸出 PWM信號時的臨界比較值)時，且電焊機的實際輸出電流Iout小于工作點設(shè) 定電流Iset (電焊機最大輸出電流的90%， Iset可根據(jù)采用的IGBT承受能力 進行調(diào)整)時，脈沖發(fā)生電路產(chǎn)生的PULSEl和PULSE2信號為PWM脈沖 信號，送入可編程邏輯器件，不經(jīng)過邏輯運算直接作為超前臂驅(qū)動信號PWMl 和PWM2信號；CLK1和PULSEl 、 PULSE2及觸發(fā)電路產(chǎn)生的SYS2信號在 可編程邏輯器件內(nèi)進行邏輯運算產(chǎn)生出滯后臂驅(qū)動信號PWM3和PWM4，此 時主電路工作在有限雙極性驅(qū)動的全橋模式下。
3) 當電壓偏差信號Vea大于Vmin(為選用的PWM集成控制器能夠輸出 PWM信號時的臨界比較值)時，且電焊機的實際輸出電流Iout大于工作點設(shè) 定電流Iset (電焊機最大輸出電流的90%， Iset可根據(jù)采用的IGBT承受能力 進行調(diào)整)時，脈沖發(fā)生電路產(chǎn)生的PULSE1和PULSE2信號為PWM脈沖 信號，與觸發(fā)電路產(chǎn)生的CLK2 (通過改變CD4098 2腳與地之間有電容C14 和電阻R24的積分時間，則可以改變CLK2的脈沖寬度，在本實施例中將CLK 的脈沖寬度設(shè)定為22us)為在可編程邏輯器件中進行"與"運算，分別將 PULSE1和PULSE2的脈沖寬度減小一定時間(在本施例中此時間為3us)， 后作為超前臂驅(qū)動信號PWM1和PWM2， CLK1和PULSE1、 PULSE2及觸發(fā) 電路產(chǎn)生的SYS2信號在可編程邏輯器件內(nèi)進行邏輯運算產(chǎn)生出PWM3和 PWM4。圖10為超前臂驅(qū)動信號PWM1和PWM2產(chǎn)生示意圖。其中SYS1 為最大脈寬輸出時，PULSE1和PULSE2之間的死區(qū)信號，脈沖寬度為5us， 頻率為40KHz; CLK2是由SYS1經(jīng)過施密特觸發(fā)器產(chǎn)生得到的信號，其上升 沿與SYS1信號相同，頻率同為40KHz，脈沖寬度為22us， PULSE1和PULSE2 的脈沖寬度均為20us?？梢杂嬎愠鯟LK2與PULSE1和PULSE2脈沖寬度相 重合的部分為22us-5us=17us，因此CLK2與PULSE1和PULSE2進行"與" 運算后產(chǎn)生的PWM1和PWM2信號比PULSE1禾Q PULSE2的脈沖寬度減小了 3us，為實現(xiàn)最大脈寬時的軟開關(guān)提供了環(huán)流時間。
Vmin的大小為為選用的PWM集成控制器能夠輸出PWM信號的臨界比 較值，本設(shè)計中采用的PWM集成控制芯片為UC3846，臨界比較值為0.5V。
在步驟l、步驟2、步驟3中的在可編程邏輯器件中的運算關(guān)系如圖11 所示。
CLK1與反相器NOTl的輸入端相連，NOT1的輸出端分別與三輸入與或 門1和5的輸入端相連，三輸入與或門4和2的輸出端與三輸入與或門1的 輸入端相連，三輸入與或門1的輸出端與三輸入與或門2的輸入端相連；
SYS2分別與反相器NOT2和三輸入與或門8、 9的輸入端相連，NOT1 的輸出端與三輸入與或門2、 4和6的輸入端相連，三輸入與或門3的輸出端 和低電平"地"與三輸入與或門4的輸入端相連，三輸入與或門4的輸出端 與三輸入與或門3的輸入端相連，低電平"地"與三輸入與或門3和2的輸 入端相連，三輸入與或門3的輸出端與三輸入與或門4和6的輸入端相連， 三輸入與或門2的輸出端與三輸入與或門5的輸入端相連，三輸入與或門5 的輸出端分別與三輸入與或門6、四輸入或門OR2和OR3的輸入端相連；
PULSE2與反相器NOT3的輸入端相連，NOT3的輸出端分別與三輸入與 或門7和11的輸入端相連，三輸入與或門10和8的輸出端與三輸入與或門7 的輸入端相連，三輸入與或門7的輸出端與三輸入與或門8的輸入端相連，
PULSE1與反相器NOT4的輸入端相連，NOT4的輸出端與三輸入與或門 8、 10和12的輸入端相連，三輸入與或門9和12的輸出端與三輸入與或門 10的輸入端相連，三輸入與或門10的輸出端與三輸入與或門9的輸入端相連， 三輸入與或門9的輸出端與三輸入與或門10和12的輸入端相連，三輸入與 或門8的輸出端與三輸入與或門11的輸入端相連，三輸入與或門11的輸出 端分別與三輸入與或門12、四輸入或門OR2和OR3的輸入端相連，三輸入 與或門12的輸出端分別與三輸入與或門10、四輸入或門OR2和OR3的輸入 端相連。
權(quán)利要求1、零電壓零電流軟開關(guān)弧焊逆變電源的控制電路，包括有脈沖發(fā)生電路(1)、斜坡補償電路(2)、運算電路(3)、保護電路(4)；其特征在于還包括有工作點判定電路(5)、滯后臂脈寬調(diào)節(jié)電路(6)、觸發(fā)電路(7)、可編程邏輯器件(8)和隔離放大電路(9)；其中電焊機的輸出電流設(shè)定值Ig和電焊機的實際輸出電流Iout與運算電路(3)的輸入端相連，電焊機的實際輸出電流Iout還與工作點判定電路(5)的輸入端相連；運算電路(3)的輸出端與脈沖發(fā)生電路(1)的輸入端相連，同時還與滯后臂脈寬調(diào)節(jié)電路(6)的輸入端相連；斜坡補償電路(2)的輸出端與脈沖發(fā)生電路(1)的輸入端相連；脈沖發(fā)生電路(1)的同步信號SYS1輸出端與觸發(fā)電路(7)輸入端相連，脈沖發(fā)生電路(1)的脈沖信號PULSE1和PULSE2輸出端與可編程邏輯器件(8)的輸入端相連，脈沖發(fā)生電路(1)同步鋸齒波信號Vswt輸出端與滯后臂脈寬調(diào)節(jié)電路(6)輸入端相連；滯后臂脈寬調(diào)節(jié)電路(6)產(chǎn)生的CLK1信號輸出端與可編程邏輯器件(8)輸入端相連，工作點設(shè)定電流Iset與工作點判定電路(5)的輸入端相連，工作點判定電路(5)的判斷信號Ip輸出端與可編程邏輯器件(8)的輸入端相連；保護電路(4)的保護信號SHUT輸出端與可編程邏輯器件(8)和脈沖發(fā)生電路(1)的輸入端相連；觸發(fā)電路(7)的脈沖信號CLK2輸出端和同步信號SYS2輸出端與可編程邏輯器件(8)的輸入端相連；可編程邏輯器件(8)產(chǎn)生的超前臂驅(qū)動信號PWM1、PWM2和滯后臂驅(qū)動信號PWM3、PWM4的輸出端與隔離放大電路(9)的輸入端相連。
專利摘要本實用新型涉及一種零電壓零電流軟開關(guān)弧焊逆變電源的控制電路，適用于焊接技術(shù)領(lǐng)域。包括有脈沖發(fā)生電路、斜坡補償電路、運算電路、保護電路、工作點判定電路、滯后臂脈寬調(diào)節(jié)電路、可編程邏輯器件和隔離放大電路。脈沖發(fā)生電路是采用電流型PWM集成控制器來產(chǎn)生兩路PWM脈沖信號，送入可編程邏輯器件，通過對可編程邏輯器件進行編程，并配合滯后臂脈寬調(diào)節(jié)電路，用來調(diào)節(jié)PWM脈寬，由可編程邏輯器件產(chǎn)生超前臂驅(qū)動信號PWM1、PWM2和滯后臂驅(qū)動信號PWM3、PWM4。該電路避免了電焊機在高功率輸出時工作在硬開關(guān)狀態(tài)，提高了電焊機的可靠性。
文檔編號H02M1/36GK201188583SQ200820080260
公開日2009年1月28日 申請日期2008年4月30日 優(yōu)先權(quán)日2008年4月30日
發(fā)明者劉澤偉, 盧振洋, 宇 張, 張開亮, 殷樹言, 陳樹君 申請人:北京工業(yè)大學(xué)