一种电压型PWM半桥硬开关逆变式焊割机

专利说明书

一种电压型PWM半桥硬开关逆变式焊割机 技术领域

本实用型涉及焊接/切割设备，尤其是一种电压型PWM半桥硬开关逆变式焊割机。 背景技术

目前，逆变式焊割机已经广泛使用于对各种有色金属及其合金的焊接和切割作业。

逆变式焊割机以其重量轻，体积小，生产时消耗铜、材钢材少。节能效果显著和焊接/切割工艺性能优秀，而深受使用者青睐。

但由于逆变式焊机电路较为复杂，采用的电力器件和电路控制器件都较多，加上对生产有较高的电装工艺要求，使得逆变式焊割机的可靠性变差，故障率偏高。各厂家都在设法通过选择良好的的电路拓扑结构，选择优良的散热风道结构来降低故障率，提升可靠性。 常用的电路拓扑结构方式有：

1，电压型PWM全桥硬开关逆变式电路。 2，电流型PWM全桥硬开关逆变式电路。 3，电流型PWM全桥软开关逆变式电路。

以上电路都采用的是全桥逆变电路，其桥臂需要四组电力半导体开关器件组成，其驱动电路必须是隔离的四组驱动电路组成，因此电路较为复杂。为电路的设计，产品生产装配以及售后的维护维修都带来了诸多不便。

而且：方式一“1，电压型PWM全桥硬开关逆变式电路” 需要安装防止变压器磁偏的隔直电容。隔直电容若容量过大，防止变压器磁偏的作用就会减弱，焊割机因为变压器磁偏而饱和后造成电力半导体开关器件受损的概率就增加；隔直电容若容量过小，虽然防止变压器磁偏的作用强，但隔直电容上的交流电压降又会增加，焊割机输出功率会减少。若要保证输出功率不变，势必增加电力半导体开关器件的电流等级，增加了器件成本。

方式一“2，电流型PWM全桥硬开关逆变式电路” 因有变压器磁偏的自校正作用，可很大程度上防止磁偏的积累，防止磁饱和的发生。但是：电流型的PWM全桥硬开关逆变式电路的一次侧电流采集电路很容易受到电力半导体器件硬开通和硬关断时产生的较高的电压/电流变化率带来的严重的干扰，造成电路误动作。这就加大了电路设计和生产装配的难度，降低了产品可靠性。

方式一“3，电流型PWM全桥软开关逆变式电路” 因有变压器磁偏的自校正作用，可很大程度上防止磁偏的积累，防止磁饱和的发生。由于是软开关电路结构，使得电力半导体器件开关时的电压/电流变化率很低，不易造成电路误动作。这是目前比较先进的电路拓扑结构，得到了较为广泛的运用。但这种电路比较复杂，超前桥需要桥臂电容，一次侧变压器回路需要串接饱和电抗器，串接环流抑制电容，并接无功功率电感等；驱动电路需要有超前和滞后的相位要求等，电路非常复杂。广泛运用受到限制。

散热风道结构通常有两种方式： 1，轴流风机非约束抽风方式。 2，轴流风机非约束吹风方式。

以上两种方式，都只注重了散热和通风，对冷却风气流没有进行有效的约束，因而就没有考虑采取有效的防潮，防水，防腐蚀的三防措施，使得焊割电源受到冷却风流带来的潮气，水份，和腐蚀性气体的影响可靠性变得很低，生命周期变得很短。

权衡各个方面的利弊，本实用新型提出一种采用电压型PWM半桥硬开关逆变式电路拓扑结构和特别的完全密封散热风道结构的逆变式焊割机。其电路结构简单可靠，其散热风道结构完全密封防潮，防水，防腐蚀。 发明内容

本实用新型要解决的问题是：采用一种简单可靠的电压型PWM半桥硬开关逆变式电路拓扑结构，采用一种特别的完全封闭的散热风道结构。本实用新型“一种电压型PWM半桥硬开关逆变式焊割机”电路部分包括顺序连接的：输入开关电路、一次侧整流滤波电路、半桥逆变电路、隔离变压器、二次侧整流滤波电路、主控制板电路、滤波和风机电路。散热风道结构部分是包括：轴流风机、冷却风道导风罩、铝型材散热器、挡风板、底板、中隔板等和机壳组合在一起的，一个密封系统。 附图说明

图一是本实用新型的电路方框图

图二是本实用新型的主回路电路原理图 图三是本实用新型的主控制板电气原理图

图四是本实用新型的完全封闭的散热风道结构图

如图一所示：一种电压型PWM半桥硬开关逆变式焊割机，包括顺序连接的：输入开关电路1、一次侧整流滤波电路2、半桥逆变电路3、隔离变压器4、二次侧整流滤波电路5、主控制板电路6及滤波和风机电路7。

图一中各电路的构成和具体相互连接关系见图二和图三。 如图二，主回路电路原理图所示： 输入开关电路1由电源开关S1组成。

一次侧整流滤波电路2由整流桥BR1和电容C9，C1以及半桥桥臂电容C2和C14等组成。送入焊割机内的交流电压电流通过整流桥BR1整流成直流电压电流，经过电容C9，C1，C2和C14等滤波后送往逆变器3。其中：电阻R6是泄放电阻，在关机时泄放掉电容C9，C1，C2和C14里的电荷。

逆变电路3由两组绝缘栅场效应电力开关器件Q1，Q2，Q3，Q4和Q5，Q6，Q7，Q8构成的半桥电路组成，R1、R2、R3、R4和R13、R14、R15、R16分别为两组绝缘栅场效应电力开关器件的栅极串联驱动电阻。而R5和C3；R7和C4；分别为两组绝缘栅场效应电力开关器件两极（对于MOSFET器件为D和S极，对于IGBT器件为C和E极，对于MCT器件为A和K极）并联的阻容吸收电路。由电阻R11，R12电容C10，C11和二极管D9，D10组成一组绝缘栅场效应电力开关器件的驱动脉冲波形整形电路，由电阻R17，R18电容C12，C13和二极管D11，D12组成另一组绝缘栅场效应电力开关器件的驱动脉冲波形整形电路。主控制板电路6的插座A6输出的两路PWM信号分别有序的送到两组绝缘栅场效应电力开关器件Q1，Q2，Q3，Q4和Q5，Q6，Q7，Q8上，让其按Q1，Q2，Q3，Q4同时导通Q5，Q6，Q7，Q8同时导通；而Q1，Q2，Q3，Q4和Q5，Q6，Q7，Q8相位相差180o 导通。这样的交替导通，就会将直流电压电流逆变成中频交流方波电压电流，该中频交流方波电压电流送至隔离变压器T5的一次侧。

隔离变电路4由具有一次侧绕组和二次侧绕组的中频变压器T2担当，隔离变压器T2一次侧一头接逆变桥的桥臂中点，另一头穿过一次侧电流互感器T1后接逆变桥的电容桥臂的中点。二次侧接到二次侧整流电路。一次侧绕组和二次绕组是通过绝缘材料安全绝缘的。

二次侧整流滤波电路5由快恢复整流二极管D1，D2，D3，D4，D5，D6，D7，D8，D13，D14，D15，D16，D17，D18，D19，D20以及阻容吸收电阻R8，R9，R19，R20和阻容吸收C5，C6，C15，C16等组成，滤波电感L1和电容C7,C8以及电阻R10组成滤波电路和假负载电路。

滤波和风机电路7由滤波电容C17，C18和C19组成；R21，R22和R23为泄放电阻；RM1，RM2和RM3为尖峰电压抑制压敏电阻。信号通过上述滤波器的滤除，使得本焊割机的控制电路板部分免受外界电磁干扰，提高稳定性；同样，本焊割机产生的干扰信号会也会被上述滤波器滤除一部分，使得本切割对外界产生电磁干扰大为减弱，提高了其他设备的稳定性。C20为轴流风机移相电容。

主控制板电路6由PWM脉宽调制电路，隔离驱动电路，电流给定和电流反馈电路，过流保护电路，欠压保护电路，引弧/推力电流控制电路，防触电VRD电路，焊接电流显示电路以及相

应的辅助电路等构成。具体电路结构描述如下：参见图三

主控制板电路电源系统：

1，变压器T3（图二所示）次级双16V绕组和单28V绕组通过插座A5引进主控制板，通过整流二极管D35，D36，D37，D38，D39，D40分别整流后经电容C36，C40滤波，再经过三端稳压集成电路U5(LM317)，U3(LM7812) 和U6(LM7805)稳压，分别输出+24V，+12V，+5V直流电压，这组电压为主控制板供电。

2，由电压型PWM集成电路U2和周围器件组成PWM脉宽调制电路，电压型PWM集成电路U2 的“6脚”为PWM脉冲频率定时电阻端，外接定时电阻R42，“5脚” 和“7脚”间跨接死区形成电阻R41，“5脚”为PWM脉冲频率定时电容端，外接定时电容C34 ，“10脚” 为PWM脉冲强制关断端，“15脚” 和“13脚”分别为U2片内控制供电端和PWM图腾柱输出驱动供电端，“16脚”为U2片内基准稳压电源（5.1V），“8脚”为U2软启动端，“1脚” ，“2脚” 和“9脚”是U2片内运算放大器（由于本电路不使用它，故将“1脚”接地 ，“2脚” 接基准电压，而“9脚” 则接到外接的误差放大器输出级），电压型PWM集成电路U2的“12脚” 为整个PWM芯片的接地端，“11脚” 和“14脚”为U2的PWM图腾柱输出端。其中：振荡波形输出端“4脚”和同步脉冲输出端“3脚”没有使用，悬空处理。

3，由电压型PWM集成电路U2的“11脚” 和“14脚”输出的PWM脉冲信号，通过由MOS管Q9，Q10，Q11，Q12和稳压二极管D28，D29电容C29，C30，C24以及电阻R31，R32，R33，R34，R36，R37，R38，R24以及电源退藕电容C22，C23，C32，C33等组成的具有自举功能的PWM脉冲功率放大电路放大，放大后的PWM脉冲通过变压器T4隔离后输出驱动脉冲。

4，由分流器FL1（图二所示）和电容C55，电阻R66组成电流信号反馈电路。电位器RT3，RT6电阻R68，R63 ，R72和电容C53，C59组成焊割电流给定电路；电位器RT2电阻R64和电容C54，组成推力电流给定电路；电位器RT1电阻R67和电容C58，组成引弧电流给定电路。 5，由三极管Q16，二极管D48，电阻R58；三极管Q15，Q17，二极管D45，电容C51电阻R57，R61，R71以及二极管D47，电容C56，电阻R69，R65等分别组成推力电流控制电路和引弧电流控制电路。

6，由二极管D23，D24，D25，D26，D31，D33电阻R26，R29，R35，R43电容C26，C27和单向可控硅Q13等构成一次侧电流过流保护电路。

7，由运算放大器U4A电阻R55，R56，R52，R46，R47二极管D41电容C38，C41等组成带回差的欠压保护电路。其中C38为PWM软启动电容。

8，由光耦U4电阻R27，R28，R30，R39二极管D27，D32电容C28，C31以及开关S4（图二所示）VRD显示灯D21（图二所示）等组成防触电VRD控制和显示电路。

9，由电位器RT7电阻R70，R73电容C57和DGM1（图二所示）等组成焊接电流显示电路。 10，由集成电路U7，电位器RT5，电阻R60， R62电容C46，C49，C52，C44和二极管D44等组成误差放大器电路的前级；由三极管Q14，电位器RT4，电阻R49，R50，R51，R54和电容C39，C43等组成误差放大器电路的后级。

11，图四所示，散热风道是由轴流风机15，冷却风导风罩14，铝型材散热器3，挡风板5，底板18，中隔板17和机壳（未画出）等组成的一个密封系统。

一，电流给定、电流反馈、PWM调制和输出以及欠压保护、过流保护等功能的实现：

由分流器FL1（图二所示）和电容C55，电阻R66组成电流反馈电路，将焊割电流反馈信号送到误差比较点C点；电位器RT3动点取得的焊割电流给定电压信号通过远控/机控选择开关S3（图二所示）后经过电阻R68，R63和电位器RT6以及滤波电容C53，C59送到误差比较点C点；电位器RT2动点取得的推力电流给定电压信号经过电阻R64和电容C54送到误差比较点C点；电位器RT1动点取得的引弧电流给定电压信号经过电阻R67和电容C58，送到误差比较点C点。误差比较点得到的误差信号经过由运算放大器U7和周围器件组成的比例积分调节器放大调节放大后从U7的“6脚”输出，再经过由Q14及周围元件组成的集电极开路的比例放大器后从Q14

的集电极输出，最后送到电压型PWM集成电路U2的“9脚”。其中：RT5为运算放大器U7的调零电位器，电容C43为误差信号微分加速电容，电容C39为三极管Q14的密勒电容的中和电容。

由电阻R42，R41电容C34 组成的带死区的锯齿波发生器，产生的锯齿波在电压型PWM集成电路U2内部和输入“9脚”输入的误差信号进行比较，得出一系列宽度随误差信号变化而变化的PWM脉冲，经过电压型PWM集成电路U2内部的分相，锁相后成为相位相差180o 的互补的PWM脉冲信号，分别从电压型PWM集成电路U2的“11脚”和“14脚”输出。

欠压保护电路由运算放大器U4A电阻R55，R56，R52，R46，R47二极管D41电容C38，C41等组成。当电网电压过低，导致主控制电路板的+24V电源电压低于24V，运算放大器U4A的“2脚”电压就会比“3脚”电压低，其“1脚”电压就会变低，通过二极管D41和电阻R47快速放掉电容器C38的电荷，电压型PWM集成电路U2的“8脚”电位变低，电压型PWM集成电路U2的“11脚”和“14脚”立即停止输出PWM脉冲，从而起到欠压保护的作用。

过流保护电路由一次侧电流互感器T1（图二所示）和二极管D23，D24，D25，D26，D31，D33 电阻R26，R29，R35，R43电容C26，C27等构成。当一次侧因某种原因造成电流脉冲幅值超过设定的安全点时，一次侧电流互感器T1（图二所示）检测到的电流脉冲电压信号经二极管D23，D24，D25，D26整流，电容C26滤除高频纹波后在采样电阻R29上呈现的电压就超过稳压二极管D31的稳压值，使得单向可控硅Q13的门极得到触发脉冲，单向可控硅Q13被触发导通并锁定，电阻R43上电压变高，使得电压型PWM集成电路U2的脉冲关断端“10脚”电位变高，电压型PWM集成电路U2停住输出PWM信号，其“11脚”和“14脚”电压恒为低，从而起到过流保护的作用。只有当过流故障被排除，焊割机从新上电，单向可控硅Q13才得以恢复阻断。 二，推力电流和引弧电流控制的实现。

由三极管Q16，二极管D48，电阻R58；三极管Q15，Q17，二极管D45，电容C51电阻R57，R61，R71以及二极管D47，电容C56，电阻R69，R65等分别组成推力电流控制电路和引弧电流控制电路。

焊割机在焊接过程中，若焊接弧压过低，很容易黏住焊条，使焊接工作受阻。解决的办法是：将电流误差放大电路的放大倍数减小，使焊割机的输出外特性由垂直陡降变成缓降，有效阻止焊条短路黏条。电路中，将运算放大器U7的输出端“6脚”信号通过电阻R58和二极管D48引出，加到电位器RT2高端上，RT2的的低端接地，从其动点引出电压信号，送到运算放大器U7的反相输出端“2脚”通过调节RT2动点的位置，改变这个信号的幅度，达到改变焊割机的输出外特性的目的。电位器RT2动点越往高端调，运算放大器U7的放大倍数减小，焊割机的输出外特性越缓，短路电流就会越大，防止黏焊条的作用就强，反之，则越弱。

焊割机在焊接开始时，冷工件冷焊条很容易黏住焊条，使焊接工作受阻。解决的办法是：在焊接开始时，加以较大电流，使电弧有一个热启动过程，有效阻止焊条短路黏条。电路中，将运算放大器U7的输出端“6脚” 信号引出，通过电阻R57加到三极管Q15基极上，从三极管Q15集电极取出信号通过二极管D45加到电容C45上，再接到电位器RT1的高端，电位器RT1的低端接地，从其动点引出电压信号，通过电阻R67送到运算放大器U7的反相输出端“2脚”。当焊接开始时，误差放大器U7的“2脚”由于只有电流给定信号电压而无电流反馈信号电压，其输出端“6脚”电压为低，三极管Q15截止，C51被+5V电压源通过电阻R61迅速充满电荷，其电压为+5V，这个电压送至电位器RT1的高端（RT1的低端接地），从RT1的动点取出电压信号，通过电阻R67送至运算放大器U7的反相输出端“2脚”，叠加一电流给定信号，使得此时焊接电流加大，这个电流随着运算放大器U7的输出端“6脚”因有了反馈电流信号电压而电压变高，三极管Q15变截止为导通，电容C51通过电位器RT1放电而电位逐渐降低而逐渐减小。使得在焊接开始时，焊割机输出一个引弧脉冲电流，有效的阻止了黏条的发生。电容C51容量和电位器RT1的阻值的乘积决定了这个引弧脉冲的时间，调节电位器RT1动点位置，可以调节引弧脉冲的幅度。

为了保证焊割机在小电流时有引弧脉冲电流和推力电流，而在大电流时没有引弧脉冲电流

和推力电流，设置了引弧脉冲电流和推力电流自适应电路。该电路由三极管Q16二极管D47电容C56和电阻R69，R65组成。电流给定电位器的动点电压经过二极管D47导向，电容C57滤除干扰后，送到由电阻R69和R65构成的分压器上，在其中点取出分压值送到三极管Q16和Q17的基极。当焊接电流较小时，电容器C56上电压也较低，通过电阻R69和R65分压后，三极管Q16，Q17基极电压很低，三极管Q16，Q17截止，引弧电流和推力电流给定信号电压不受其影响，焊割机有引弧电流和推力电流输出；当焊接电流较大时，电容器C56上电压也变高，通过电阻R69和R65分压后，三极管Q16，Q17基极电压变高，三极管Q16，Q17开始导通，引弧电流和推力电流给定电压信号受三极管Q16，Q17集电极的分流的影响相应减少，焊割机输出引弧电流和推力电流相应减少；当焊接电流足够大时，电容器C56上电压也很高，通过电阻R69和R65分压后，三极管Q16，Q17基极电压很高，三极管Q16，Q17完全导通，引弧电流和推力电流给定电压信号被三极管Q16，Q17钳位到零，焊割机将没有引弧电流和推力电流输出。

三，防触电VRD控制的实现。

由光耦U4电阻R27，R28，R30，R39二极管D27，D32电容C28，C31以及开关S4（图二所示）VRD显示灯D21（图二所示）等组成防触电VRD控制和VRD显示电路。

当VRD选择开关S4（图二所示）置“无”时，VRD不起作用。焊割机开机就有高的空载电压，不受焊接状态的影响。

当VRD选择开关S4（图二所示）置“有”时，VRD起作用。此时控制电路板里的+24V电压经过开关S4送到VRD电路上，由于此时还没进行焊接，故+24V电压通过电阻R27，R28和稳压二极管D27加到光耦U4的一次侧发光二极管上，一次侧发光二极管发光，同时外接的VRD指示发光二极管发光表示VRD已启动。光耦U4的二次侧光电三极管则受光而导通接地，通过二极管D34和电阻R48，使得运放U4A输出为低，将集成电路U2的软启动端“8脚”对地短路，U2没有PWM脉冲数出，焊割机主回路没有电能输出。由于二极管D32和电阻R39的联通作用，C28通过R30快速充电。同时焊割机的输出会有一个由稳压管D27决定的电压送到焊割机输出端，这个电压设计为低于24V的安全电压。这时的焊割机输出是安全的，操作者可以随意触摸焊割机的输出端，可以随意的更换焊条。焊接开始后，焊条接触工件，D点对地短路，光耦一次侧发光二极管停止发光，其二次侧的光电三极管也截止，二极管D34被开路，通过电阻R48，使得运放U4A输出为高，将集成电路U2的软启动端“8脚”对地开路，U2 输出PWM脉冲，焊割机主回路输出电能可以进行焊接。此时电抗器L1（图二所示）的输入端E点就有脉冲电压，该电压通过电阻R39引入，经过二极管D32单向导流作用，使得F点一直保持低电位，C28一直保持充满电荷状态，光耦U4一次侧一直截止，二次侧也一直截止，二极管D34也一直被开路，通过电阻R48，使得运放U4A输出一直为高，将集成电路U2的软启动端“8脚”一直对地开路，U2 一直输出PWM脉冲，焊割机主回路一直输出电能，一直可以进行焊接。当焊接结束后，D点会悬空，电容C34上的电荷会慢慢通过电阻R27放掉，F点电位会缓慢上升，当F点电压升到足够高时，稳压二极管D27导通，光耦U4的一次侧发光二极管发光，光耦U4的二次侧光电三极管受光而导通接地，通过二极管D34和电阻R48，使得运放U4A输出为低，将集成电路U2的软启动端“8脚”对地短路，U2没有PWM脉冲数出，焊割机主回路没有电能输出。焊割机的输出只有一个由稳压管D27决定的电压（低于24V）送到焊割机输出端，这时的焊割机输出电压又回到安全值，操作者可以随意触摸焊割机的输出端，可以随意的更换焊条。电容C28和电阻R27的值的乘积，决定了从焊接状态转为安全状态时间的长短，选择电容C28和电阻R27的值，使其既可以做到焊接时的短暂停顿焊割机不会停止输出，不影响焊接过程；也能在停止焊接后适当的时间内迅速地关断输出，转成安全电压。 四，完全密封隔离的三防散热风道的实现。

如图四所示：由轴流风机15，冷却风导风罩14，铝型材散热器3，挡风板5，底板18，中隔板17和机壳（未画出）等组成一个密封的散热通风风道系统。轴流风机的冷却空气流自右向左在密闭的铝型材散热器的散热齿里流动，而焊割机的电源部分的控制电路板部分和控制电源

变压器2均安装于中隔板17上的密闭空间里，为了加强密封效果和电磁波屏蔽效果，再在控制电路板外面安装一密闭的钢制屏蔽罩4；焊割机的电源部分的逆变部分的逆变器12和一次侧整流部分的整流桥13以及半桥桥臂电容11等均安装在正面的密闭空间里；焊割机的电源部分的二次侧整流部分（未画出）的整流二极管及阻容吸收电阻电容等均安装在后面的密闭空间里。而把对三防要求不高，对通风散热要求高的主变压器8和二次侧滤波电抗器9放在风道上。另外：1为机底的前面板，7为机底的后面板，在前面板1上安装有前百叶窗16；在机底的后面板7上安装有后百叶窗10。

轴流风机15旋转将前百叶窗16外的新鲜冷空气泵入机内，由完全密封的导风罩14将空气流不遗漏的导入铝型材散热器3的齿槽内，当冷却风流交换带走散热器的热量后从由散热器3和挡风板5紧密结合的出风口流出，在吹拂主变压器8和滤波电抗器9后从后百叶10流出焊割机机体，完成轴流风机强迫风冷的整个过程。这个过程中，冷却风流按设定的路径流动，不会流经需要防护的电路板和高低压电子元器件，起到了很好的三防效果。

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