專利名稱：一種降低等離子切割機(jī)空載電壓的移相全橋變換器及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種等離子切割機(jī)技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種降低等離子切割機(jī)空載電壓的移相全橋變換器及方法。
背景技術(shù)：
等離子是加熱到極高溫度并被高度電離的氣體，它將電弧功率將轉(zhuǎn)移到工件上， 高熱使工件融化并被吹掉，形成等離子弧切割的工作狀態(tài)。壓縮空氣進(jìn)入割炬后由氣室分配兩路，即形成等離子氣體及輔助氣體。等離子氣體弧融化金屬作用，而輔助氣體則冷卻割炬的各個(gè)部件并吹掉已熔化的金屬。
等離子切割機(jī)是現(xiàn)代工業(yè)的常用工具。例如在定制汽車車間以及汽車制造商定制底盤(pán)和車身制造等方面都有大規(guī)模的應(yīng)用，建筑公司在大規(guī)模的工程中應(yīng)用等離子切割機(jī)，用于切割和制造大型的橫梁和金屬板件。
等離子切割設(shè)備的切割工藝參數(shù)直接影響切割過(guò)程的穩(wěn)定性、切割質(zhì)量和效果。 其中對(duì)等離子切割設(shè)備影響最大的工藝參數(shù)為空載電壓和弧柱電壓。等離子切割電壓有足夠高的空載電壓，才能容易引弧和使等離子弧穩(wěn)定燃燒?？蛰d電壓一般為120-600V，而弧柱電壓一般為空載電壓的一半。
圖1是現(xiàn)有技術(shù)中所使用的等離子切割機(jī)的電路結(jié)構(gòu)示意圖。如圖1中所示，現(xiàn)有技術(shù)中采用的是零電壓開(kāi)關(guān)(Zero VoltageSwitching, ZVS) PWM全橋變換結(jié)構(gòu)，由于諧振電感和輸出整流二極管結(jié)電容諧振而引起的輸出整流二極管(DR1、DR2)上的電壓尖峰， 使得輸出整流二極管的電壓應(yīng)力增大，空載電壓過(guò)高。這將帶來(lái)電路損耗，降低輸出整流二極管的使用壽命。
因此，現(xiàn)有技術(shù)中急需要一種新的等離子切割機(jī)，能消除輸出整流二極管上的電壓尖峰。從而降低離子切割機(jī)空載電壓。發(fā)明內(nèi)容
為了克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的缺陷，本發(fā)明提供降低等離子切割機(jī)空載電壓的移相全橋變換器及方法，該移相全橋變換器及方法能消除輸出整流二極管上的電壓尖峰，從而降低離子切割機(jī)空載電壓。
為了實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明公開(kāi)一種降低空載電壓的移相全橋變換器，其特征在于，包括第一橋臂、第二橋臂、諧振電感、變壓器以及輸出整流二極管，該第二橋臂與兩個(gè)鉗位二極管連接，用于消除由諧振電感和輸出整流二極管結(jié)電容諧振而引起的輸出整流二極管上的電壓尖峰，該諧振電感與該兩個(gè)鉗位二極管之間串聯(lián)一電阻。
更進(jìn)一步地，該第一橋臂包括晶體管Ql和晶體管Q2，該晶體管Ql與一寄生電容 Cl連接，該晶體管Q2與一寄生電容C2連接；該第二橋臂包括晶體管Q3和晶體管Q4，該晶體管Q3與一寄生電容C3連接，該晶體管Q4與一寄生電容C4連接。該Ql和Q3分別超前于Q4和Q2 —個(gè)相位。
更進(jìn)一步地，該第二橋臂與該變壓器的原邊之間還連接一隔直電容Cb。
本發(fā)明同時(shí)公開(kāi)一種降低空載電壓的等離子切割機(jī)，其特征在于，該等離子切割機(jī)使用如上文任一項(xiàng)所述的移相全橋變換器。
本發(fā)明同時(shí)一種降低等離子切割機(jī)空載電壓的方法，使用一移相全橋變換器，該移相全橋變換器包括第一橋臂、第二橋臂、諧振電感、變壓器以及輸出整流二極管，在該第二橋臂上連接兩個(gè)鉗位二極管連接，用于消除由諧振電感和輸出整流二極管結(jié)電容諧振而引起的輸出整流二極管上的電壓尖峰，在該諧振電感與該兩個(gè)鉗位二極管之間串聯(lián)一電阻。
更進(jìn)一步地，該第一橋臂包括晶體管Ql和晶體管Q2，該晶體管Ql與一寄生電容 Cl連接，該晶體管Q2與一寄生電容C2連接；該第二橋臂包括晶體管Q3和晶體管Q4，該晶體管Q3與一寄生電容C3連接，該晶體管Q4與一寄生電容C4連接。該Ql和Q3分別超前于Q4和Q2 —個(gè)相位。
更進(jìn)一步地，該第二橋臂與該變壓器的原邊之間還連接一隔直電容Cb。
與現(xiàn)有技術(shù)相比較，本發(fā)明所提供的移相全橋變換器及方法，通過(guò)將電感Lr中的能量通過(guò)電阻R1、鉗位二極管Dl、D2反饋到主電路中去，降低輸出整流二極管上的尖峰電壓，從而降低輸出空載電壓，提高了變換效率。


關(guān)于本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)與精神可以通過(guò)以下的發(fā)明詳述及所附圖式得到進(jìn)一步的了解。
圖1是現(xiàn)有技術(shù)中所使用的等離子切割機(jī)的電路結(jié)構(gòu)示意圖； 圖2是本發(fā)明所涉及的等離子切割機(jī)的電路結(jié)構(gòu)示意圖；圖3是輸入輸出參數(shù)均相同的情況下的電壓波形對(duì)比圖。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明的具體實(shí)施例。
現(xiàn)有技術(shù)中通常所使用的等離子切割機(jī)如圖1中所示?，F(xiàn)有技術(shù)中所使用的等離子切割機(jī)采用移相全橋零電壓開(kāi)關(guān)PWM變換器(PS-FB- ZVS-PWM converter)利用變壓器的漏感或原邊串聯(lián)電感和功率管的寄生電容或外接電容來(lái)實(shí)現(xiàn)零電壓開(kāi)關(guān)，同時(shí)又實(shí)現(xiàn)了 PWM控制。但是，傳統(tǒng)的移相全橋變換器輸出整流二極管(DR1、DR2)不是工作在硬開(kāi)關(guān)狀態(tài)，存在反向恢復(fù)過(guò)程。在輸出整流二極管(DR1、DR2)反向恢復(fù)時(shí)，由于變壓器TR的漏感(或附加的諧振電感Lr)和整流二極管(DR1、DR2)的結(jié)電容以及變壓器TR的繞組電容之間發(fā)生高頻諧振，整流橋產(chǎn)生寄生振蕩，整流二極管(DR1、DR2)上存在很高的尖峰電壓。 這將帶來(lái)電路損耗，降低輸出整流二極管(DR1、DR2)的使用壽命。因此，必須采用有效的緩沖電路來(lái)抑制寄生振蕩，消除輸出整流二極管上的尖峰電壓。
本發(fā)明所提供的等離子切割機(jī)的電路結(jié)構(gòu)示意圖如圖2中所示。本發(fā)明同樣采用了全橋移相軟開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)。電壓輸入端VIN與晶體管Ql、Q2、Q3和Q4連接，QU Q2、Q3和Q4 組成一全橋移相軟開(kāi)關(guān)，Cf C4分別是Qf Q4的寄生電容或者外接電容。Lr是諧振電感(包括了變壓器的漏感)，Cb是隔直電容。每個(gè)橋臂兩個(gè)開(kāi)關(guān)管成180°互補(bǔ)導(dǎo)通，兩個(gè)橋臂導(dǎo)通角相差一個(gè)相位，即移相角，通過(guò)調(diào)節(jié)移相角可以調(diào)節(jié)輸出電流。Ql和Q3分別超前于 Q4和Q2 —個(gè)相位，Ql和Q3組成超前橋臂，Q2和Q4組成滯后橋臂。
現(xiàn)有技術(shù)中所使用的移相全橋變換器輸出整流二極管不是工作在硬開(kāi)關(guān)狀態(tài)，存在反向恢復(fù)過(guò)程。在輸出整流二極管反向恢復(fù)時(shí)，由于變壓器的漏感(或附加的諧振電感 Lr)和整流二極管(DR1、DR2)的結(jié)電容以及變壓器的繞組電容之間發(fā)生高頻諧振，整流橋產(chǎn)生寄生振蕩，整流二極管(DR1、DR2)上存在很高的尖峰電壓。這將帶來(lái)電路損耗，縮短輸出整流二極管(DR1、DR2)的壽命。因此，必須采用有效的緩沖電路來(lái)抑制寄生振蕩，消除輸出整流二極管(DR1、DR2)上的尖峰電壓?，F(xiàn)有技術(shù)中采用在輸出整流二極管(DR1、DR2)的兩端加電阻(R2、R3)和電容(C5、C6)吸收輸出整流二極管(DRl、DR2)的尖峰電壓，進(jìn)而降低輸出空載電壓。但是現(xiàn)有技術(shù)使用的該技術(shù)手段具有損耗，會(huì)導(dǎo)致變換效率降低。
如圖2中所示，本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)最大的區(qū)別在于增加了兩個(gè)鉗位二極管Dl和 D2，其中鉗位二極管Dl與晶體管Q2連接，鉗位二極管D2與晶體管Q4連接。鉗位二極管Dl 和D2的左右在于消除由諧振電感Lr和輸出整流二極管(DR1、DR2)結(jié)電容諧振而引起的輸出整流二極管(DR1、DR2)上的電壓尖峰，降低了輸出整流二極管(DR1、DR2)的電壓應(yīng)力，同時(shí)還省去了有損吸收電路，提高了變換效率，降低了空載電壓。
在重載情況下，當(dāng)鉗位二極管Dl或D2導(dǎo)通時(shí)，諧振電感Lr被短路，其電流保持不變，在諧振電感、開(kāi)關(guān)管和鉗位二極管中產(chǎn)生較大的導(dǎo)通損耗；而當(dāng)負(fù)載減輕至一定程度時(shí)，鉗位二極管工作在硬關(guān)斷狀態(tài)，不但產(chǎn)生較大的反向恢復(fù)損耗，甚至?xí)p壞鉗位二極管。
針對(duì)此問(wèn)題，本專利提出在飽和電感到鉗位二極管之間串電阻Rl的全橋變換器。 在電感Lr和鉗位二極管(Dl或D2)之間直接串聯(lián)一電阻R1。這樣，該全橋變換器在任意負(fù)載下均可以使鉗位二極管(Dl或D2)電流快速?gòu)?fù)位到零，不但可以減小變換器原邊的導(dǎo)通損耗，提高變換效率，同時(shí)還可避免鉗位二極管(Dl或D2)的硬關(guān)斷，提高變換器的可靠性。 降低了機(jī)器空載電壓。
如圖3中所示，圖3是輸入輸出參數(shù)均相同的情況下的電壓波形對(duì)比圖。如圖3 為輸入輸出參數(shù)均相同的情況下，兩者輸出二極管Drl或者Dr2兩端的電壓波形對(duì)比圖。a 圖為未加箝位二極管和電阻，b圖是加上箝位二極管和電阻。可以明顯看出，未加箝位二極管和電阻時(shí)，寄生振蕩非常劇烈，電壓尖峰很高；而加箝位二極管后，振蕩衰減了很多，電壓尖峰也小了許多。從而降低空載電壓。
與現(xiàn)有技術(shù)相比較，本發(fā)明通過(guò)將電感Lr中的能量通過(guò)Rl、Dl、D2反饋到主電路中去，降低輸出整流二極管上的尖峰電壓，從而降低輸出空載電壓，提高了變換效率。本說(shuō)明書(shū)中所述的只是本發(fā)明的較佳具體實(shí)施例，以上實(shí)施例僅用以說(shuō)明本發(fā)明的技術(shù)方案而非對(duì)本發(fā)明的限制。凡本領(lǐng)域技術(shù)人員依本發(fā)明的構(gòu)思通過(guò)邏輯分析、推理或者有限的實(shí)驗(yàn)可以得到的技術(shù)方案，皆應(yīng)在本發(fā)明的范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種降低空載電壓的移相全橋變換器，其特征在于，包括第一橋臂、第二橋臂、諧振電感、變壓器以及輸出整流二極管，所述第二橋臂與兩個(gè)鉗位二極管連接，用于消除由諧振電感和輸出整流二極管結(jié)電容諧振而引起的輸出整流二極管上的電壓尖峰，所述諧振電感與所述兩個(gè)鉗位二極管之間串聯(lián)一電阻。
2.如權(quán)利要求1所述的移相全橋變換器，其特征在于，所述第一橋臂包括晶體管Ql和晶體管Q2，所述晶體管Ql與一寄生電容Cl連接，所述晶體管Q2與一寄生電容C2連接；所述第二橋臂包括晶體管Q3和晶體管Q4，所述晶體管Q3與一寄生電容C3連接，所述晶體管Q4與一寄生電容C4連接。
3.如權(quán)利要求2所述的移相全橋變換器，其特征在于，所述Ql和Q3分別超前于Q4和Q2 —個(gè)相位。
4.如權(quán)利要求1所述的移相全橋變換器，其特征在于，所述第二橋臂與所述變壓器的原邊之間還連接一隔直電容Cb。
5.一種降低空載電壓的等離子切割機(jī)，其特征在于，所述等離子切割機(jī)使用如權(quán)利要求1至4任一項(xiàng)所述的移相全橋變換器。
6.一種降低等離子切割機(jī)空載電壓的方法，其特征在于，使用一移相全橋變換器，所述移相全橋變換器包括第一橋臂、第二橋臂、諧振電感、變壓器以及輸出整流二極管，在所述第二橋臂上連接兩個(gè)鉗位二極管連接，用于消除由諧振電感和輸出整流二極管結(jié)電容諧振而引起的輸出整流二極管上的電壓尖峰，在所述諧振電感與所述兩個(gè)鉗位二極管之間串聯(lián)一電阻。
7.如權(quán)利要求6所述的降低等離子切割機(jī)空載電壓的方法，其特征在于，所述第一橋臂包括晶體管Ql和晶體管Q2，所述晶體管Ql與一寄生電容Cl連接，所述晶體管Q2與一寄生電容C2連接；所述第二橋臂包括晶體管Q3和晶體管Q4，所述晶體管Q3與一寄生電容C3連接，所述晶體管Q4與一寄生電容C4連接。
8.如權(quán)利要求7所述的降低等離子切割機(jī)空載電壓的方法，其特征在于，所述Ql和Q3分別超前于Q4和Q2 —個(gè)相位。
9.如權(quán)利要求7所述的降低等離子切割機(jī)空載電壓的方法，其特征在于，所述第二橋臂與所述變壓器的原邊之間還連接一隔直電容Cb。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)一種降低空載電壓的移相全橋變換器，其特征在于，包括第一橋臂、第二橋臂、諧振電感、變壓器以及輸出整流二極管，該第二橋臂與兩個(gè)鉗位二極管連接，用于消除由諧振電感和輸出整流二極管結(jié)電容諧振而引起的輸出整流二極管上的電壓尖峰，該諧振電感與該兩個(gè)鉗位二極管之間串聯(lián)一電阻。本發(fā)明同時(shí)公開(kāi)一種降低空載電壓的等離子切割機(jī)以及一種降低等離子切割機(jī)空載電壓的方法。
文檔編號(hào)H02M1/14GK102570835SQ20121003076
公開(kāi)日2012年7月11日 申請(qǐng)日期2012年2月13日 優(yōu)先權(quán)日2012年2月13日
發(fā)明者尤志春, 張輝 申請(qǐng)人:上海威特力焊接設(shè)備制造股份有限公司