串联谐振转换器及其控制方法和设备技术

公开一种焊接电源，它包括一个串联谐振转换器一包括至少一个开关和至少一个电容器。该转换器包括带有使能输入端的切换电路。提供了一个电压检测电路，即确定开关的最早安全切换时间。该安全切换时间是将阻止电容器上的峰值电压超过转换器的下一个周期的预定阈值的时间。还公开了一个控制器，它表示曲线成型器，用于提供焊接范围中的恒定电流输出。该控制器还提供了适配热启动，它根据焊接者的技巧而提供变化的能量。（*该技术在2016年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及控制变压器隔离、恒流、串联谐振转换器的输出的控制方法和设备。一般地，在传统的谐振转换器设计中，晶体管的组合(或等价的装置)的切换，将能量从输入总线通过一个贮能电容器而传送。开关接通期间，能量被传送到负载和电容器，且电容电压上升。在开关被关断期间，能量被从电容器和次级传送至输出负载，且电容电压降低。较早的启动角(相对于电流零交叉的切换时间)增大了注入贮能电容器的、用于随后传送给负载的能量，并减小了电容器的电压降低的时间。相反地，较晚的启动角减小了注入贮能电容器中的、用于最后传送给负载的能量，并使得电容电压的下降时间较长。现有技术的控制方案因而通过调节开关被接通和关断的时间，来控制输出。调节的成本较低并容易实施，但具有显著的缺点在操作期间贮能没有得到保护，且增大的贮能电压和电流会造成部件故障。更具体地说，如果负载没有除去存储的所有能量，则每当开关接通时，贮能电容器中的能量都将增大，从而使得贮能电压和电流持续增大，且它们最终将超过谐振转换器中的部件的安全操作范围。如果不安全的操作状态持续，部件将发生故障。在The Miller Electric CO.XMT的电源中可以发现一种现有技术控制器，它响应于从输出负载电流和谐振转换器的开关中的电流导出的信息，来控制输出。一般地，该控制器使启动角在初始时处于一个安全的(即较晚的)角度，并随后使启动角向前“徐变”。当启动角变得较早时，电压和电流得到监测。如果它们变得危险，则该角度立即被增大到更为安全(较晚)的时间。这种贮能控制方案虽然比其他的控制方案好，但也具有若干缺点。第一，增大输出的响应时间慢，因为启动角是向前徐变的。换言之，XMT控制器在实际需要试图保持在部件的安全操作范围之内之前，就命令转换器开关关断。因此，存储在贮能电容器中并可被传送给负载的能量不一定是最大的安全能量。其结果，瞬态响应是缓慢的，且最大输出不能得到保持。第二，部件可能既得不到优化的使用，又得不到充分的保护，因为存储在贮能电容器中的能量和其上建立的电压不依赖于开关的接通和关断。第三，XMT控制器，通过采用超过正常操作条件的标准的部件，进一步避免了不安全的操作状态。采用超过标准的部件增大了功率转换器的成本和尺寸。虽然有这种安全措施，超过平均预期瞬态状态的瞬态状态，可能产生超过部件的安全操作范围的电压。因此，由于在谐振转换器中的开关经常被损坏或破坏，已有方法的可靠性是成问题的。在其他的技术场中采用的一种非常复杂的控制方法，是优化轨线控制。优化轨线控制是这样的控制方案，即它计算获得特定的所希望贮能电压和电流所需的启动角。这种控制是困难且昂贵的。具体地，优化轨线控制从一个轨线范围选择优化轨线，并由此要求解决复杂的多变量四维方程。另外，这些方程通常包括导数和积分，并是高度非线性的。解决这种复杂方程所需的电子装置是昂贵而难于使用的。因此，需要用于将最大安全量的能量传送给负载的串联谐振转换器的贮能控制器。另外，这种控制器应该是成本低廉的，且不需要解决复杂的多变量高次方程。具体地，希望采用调节控制方案的低成本、低复杂性方面，但避免调节固有的不安全操作。相反地，轨线控制的安全、保护性的方面是所希望的，而成本和复杂性是应该得到避免的。另外，这种控制器最好能够防止瞬态或其他高电压损坏部件。除了保护贮能，所希望的是控制电源输出并提供所希望的V-A曲线。通常，现有技术倒相电源输出V-A曲线包括在远小于设定点的电流下的恒定电压部分，和随着电压在操作范围附近减小而具有增大电流的倾斜部分。另外，某些机器提供了一种“dig(下挖)”，在那里对于低于正常电压的操作，斜率增大(对于给定的电压下降，电流的增大更大。)然而，在某些焊接过程(诸如粘贴焊接)中，所希望的是提供恒定电流输出。因此，所希望的是提供一种电源，它具有输出的V-A曲线的恒定电流部分，特别是在通常的焊接电压处。另外，还希望提供一种可调斜率下挖。某些现有技术机器当焊接过程开始时提供了能量助推，称为热启动。这种热启动允许在没有电弧附着的情况下的电弧点火。通常，电源为热启动而提供的过量能量是具有固定的幅度和持续时间的。然而，有经验的焊接者通常比初学者需要更少的能量进行启动。因此，现有技术热启动对于某些用户来说太热，而对于另一些用户又不够。因此，希望有一种可调节或适配的热启动。本专利技术通过与输出电流和切换电流相独立地监测并保持在贮能电容器上建立的峰电压，从而克服与已有的传统串联谐振转换器的输出控制方法有关的问题。输出电流反馈向调节谐振转换器开关的VCO提供了信息。切换电流得到监测，从而在电流超过预定电平以外的时间里，谐振转换器的切换被禁止。另外，切换电流得到监测，从而当电流环的值通过零时，一个独立的监测电路存储在贮能电容器上建立的峰电压的值。该电容电压监测电路随后提供一个适当的信号—该信号超越了VCO控制，从而使谐振转换器中过量的电压能够得到防止，同时最大的能量能够被存储在贮能电容器中。其结果，由于贮能电容器的峰电压得到监测和保持，能够在最小的时间里将最大的能量传送给输出负载。另外，根据存储在电容器中的实际能量的切换控制，增大了电路的瞬态响应。另外，对在贮能电容器上建立的电压的控制，限制了对所用的部件的压力，从而增大了总体的电路可靠性并对所选部件的利用达到了最大。总之，本专利技术优化了电路性能和响应时间，同时通过提高可靠性和优化部件选择，而降低了成本。通过对于以下附图、详细描述和权利要求书，本专利技术的其他原理特征和优点对于本领域的技术人员将变得显而易见。附图说明图1是框图，显示了传统的串联谐振转换器和有关的控制和监测电路；图2是图1所示的电流检测电路的示例性最佳实施例的示意图3是图1所示的电容电压检测电路的示例性最佳实施例的示意图；图4是图1所示的压控振荡器(VCO)的示例性最佳实施例的示意图；图5是图1所示的时序电路的示例性最佳实施例；图6是图1所示的选通电路驱动电路的示例性最佳实施例的示意图；图7是曲线图，显示了对于各种贮能电容器的峰电压和输出电流的安全切入电压；图8是用于实施根据本专利技术的热启动和波成形的电路的示意图；图9是曲线图，显示了根据本专利技术制成的电源产生的典型的V-A输出曲线；图10是曲线图，显示了作为根据本专利技术的热启动的时间的函数的电流。在详细解释本专利技术的至少一个实施例之前，应该理解的是本专利技术的应用不限于以下描述中给出的或在附图中显示的部件设置和构成的细节。本专利技术可用于其他的实施例或以各种方式实施或实现，另外应该理解的是，在此采用的描述和术语，只是为了描述目的的，而不能被认为是限定性的。本专利技术涉及一种变压器隔离的、恒定电流串联谐振转换器，诸如用于处理功率以产生焊接电弧或向焊接电弧提供焊接电流的那一种。该功率控制电路通过监测并保持在传统的串联谐振转换器中在贮能电容器上建立的峰电压，来控制谐振转换器的输出。通过采用简化的轨线控制来限制启动角，保证了安全的操作条件。然而，简化的轨线控制要求考虑仅一个轨线，即仍然安全的最早的启动角的轨线，因而是比较成本低廉且容易实施的。由于轨线控制得到简化，它只是象“使能”控制那样起作用，且不确定获得所希望的输出所需的具体控制。因此，这种贮能控制器可以是成本低廉且容易实施的。具体的启动角控制着电源输出的V-本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种焊接电源，包括：一个串联谐振转换器，包括至少一个开关和至少一个电容器；包括一个使能输入端的切换电路；一个电压检测电路，用于确定将阻止电容器上的峰值电压在转换器的下一个周期里超过预定阈值的至少一个开关最早切换时间，其中当最早切 换时间已经过去时该电压检测电路向使能输入端提供一个使能信号，且其中切换电路受到该使能信号被使能；以及与串联谐振转换器相连的一对焊接输出端。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：史蒂芬J盖斯勒，
申请(专利权)人：米勒集团有限公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]