專利名稱：用于電弧焊機(jī)電源的斬波器輸出的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明主要涉及用于焊接和等離子體切割設(shè)備的電源，特別是涉及用于焊接或切割系統(tǒng)的三級(jí)電源中交錯(cuò)的多相位的斬波器輸出級(jí)。
背景技術(shù)：
以下專利和專利申請(qǐng)以及其它文獻(xiàn)在這里通過作為背景信息來參考而合成Calkin 3,737,755；Fletcher 3,984,799；Karadsheh 4,433,370；Ogawa4,748,397；Parsley 5,008,795；Smolenski 5,019,952；Blankenship 5,278,390；Thommes 5,601,741；Baker 5,864,116；Moriguchi 5,926,381；Kooken 5,991,169；Vogel 5,991,180；Reynolds 6,051,804；Moriguchi 6,069,811；Church 6,177,645；Moriguchi 6,278,080；Reynolds 6,300,589；Church 6,504,132；Boylan 6,618,274；Hoverson 6,723,957；Daniel于2004年7月13號(hào)提交的美國專利申請(qǐng)第10/889,866號(hào)，標(biāo)題為“POWER SOURCE FOR ELECTRIC ARC WELDING”；Cho于1998年1月，在IEEE transaction on power electronics，Vol.13，No.1發(fā)表的“Novel Zero-Voltage-Transition PWM Multiphase Converters”；Schuellein于2000年9月11號(hào)，在EE Times發(fā)表的“Multiphase Converter Bucks Power”；Huang于在APEC 03上所公布的International Rectifier publication上發(fā)表的“AScalable Multiphase Buck Converter with Average Current Share Bus”；Czogalla于IAS 2003發(fā)表的“Automotive Application of Multi-Phase Coupled-InductorDC-DC Converter”；Wong于2001年7月，在IEEE transactions on powerelectronics，Vol.16，No.4發(fā)表的“Performance Improvement of InterleavingVRMs with Coupling Inductors”；Zumel于IEEE 2003發(fā)表的“MagneticIntegration for Interleaved Converters”；Dixon于Unitrode，Texas Instruments，2003發(fā)表的“Coupled Filter Inductors in Multi-Output Buck Regulators”；Shortt于1985在Naval Research Laboratory Space Systems Technology Division發(fā)表的“A 600 Watt Four Stage Phase-Shifted-Parallel DC-TO-DC Converter”；以及Ridley的“The incredible Shrinking(Unregulated)Power Supply”。
焊接電源通常包括將AC輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換成DC信號(hào)的第一級(jí)，以及將DC信號(hào)轉(zhuǎn)換成用于焊接的信號(hào)的最終調(diào)整輸出級(jí)。術(shù)語“焊接”包括“等離子體切割”，其中期望從輸入電源隔離焊接或切割處理。Vogel 5,991,180討論了具有位于焊接調(diào)整調(diào)整之后，并直接驅(qū)動(dòng)焊接操作的輸出隔離變壓器，其中斬波器網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生期望的調(diào)整的輸出焊接電流，并在輸出級(jí)提供隔離。Thommes5,601,741中揭示了驅(qū)動(dòng)脈沖寬度調(diào)制(PWM)變極器的升壓變換器，其產(chǎn)生調(diào)整焊接輸出信號(hào)，其中Vogel和Thommes的第二級(jí)都經(jīng)過調(diào)整，以將功率因子控制電流從預(yù)調(diào)器直接提供到焊接操作中。Moriguchi 5,926,381，Moriguchi 6,278,080，以及Moriguchi 6,069,811中顯示的焊接電源中，由輸入升壓變換器或整流器DC輸出來驅(qū)動(dòng)調(diào)整輸出變極器，以產(chǎn)生適合焊接的電流到用于隔離的輸出變壓器，其中變壓器次級(jí)輸出用于焊接操作。上述專利中沒有實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的新型電源中所使用的三級(jí)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。Daniel的美國專利申請(qǐng)第10/889,866號(hào)轉(zhuǎn)讓給了本發(fā)明的受讓人，其描述了用于焊接的三級(jí)電源結(jié)構(gòu)，其中第一級(jí)將AC電源轉(zhuǎn)換成第一DC輸出信號(hào)，第二級(jí)將第一DC輸出信號(hào)轉(zhuǎn)換成第二DC信號(hào)，第三級(jí)將第二DC輸出信號(hào)轉(zhuǎn)換成用于焊接的處理輸出，其中第二級(jí)是非調(diào)整級(jí)。Daniel專利申請(qǐng)作為背景信息參考而合并在這里，并且并非現(xiàn)有技術(shù)。如同通常的那樣，Daniel的三級(jí)焊機(jī)具有非調(diào)整第一級(jí)，以及焊接調(diào)整輸出級(jí)，其中焊接信號(hào)由實(shí)際焊接操作的反饋信號(hào)確定。這也是常見的，但是Daniel的新特點(diǎn)是調(diào)整第一級(jí)和輸出級(jí)之間的隔離非調(diào)整中間級(jí)，其中輸出級(jí)由反饋調(diào)整產(chǎn)生適合焊接的信號(hào)。
參考背景技術(shù)，Boylan 6,618,274說明了一種同步整流器，而Calkin3,737,755揭示了用于低電源使用的DC/DC變換器，其中將固定調(diào)整電流定向到非調(diào)整變極器來提供不可變的輸出DC信號(hào)。Boylan 6,618,274和Calkin3,737,755中的常見背景技術(shù)通過參考在這里引用，以說明一種同步整流器，其中通過控制輸入DC信號(hào)電平，任何輸出調(diào)整在變極器之前進(jìn)行，其中這些專利中沒有一個(gè)涉及用于焊接的電源，并且僅作為常規(guī)技術(shù)概念(例如同步整流器器件和非調(diào)整變極器)，通過參考合并在這里。Smolenski 5,019,952中說明了非焊接兩極AC到DC變換器，以將最小的諧波失真帶給流入變換器的電流。不像焊接的情況，Smolenski 5,019,952中的負(fù)載不可變并且不需要調(diào)整，其中通過參考將該專利合并在這里，以作為相對(duì)于本發(fā)明的背景技術(shù)說明常規(guī)技術(shù)。
通常作為最終輸出級(jí)來使用開關(guān)變換器，以根據(jù)需要的焊接波形產(chǎn)生輸出焊接電流，其中焊接操作可能需要DC或AC電流波形以在進(jìn)給的電極與進(jìn)行焊接的工件之間產(chǎn)生焊接電弧。例如，如Blankenship 5,278,390所討論的，這種變換器通常是PWM設(shè)計(jì)，其中開關(guān)以高頻率切換以產(chǎn)生用于焊接操作的期望的波形或者電流幅度。在現(xiàn)代電弧焊機(jī)中，最終變換器級(jí)通常采用由The Lincoln Electric Company of Cleveland，Ohio所最先提出的“波形控制技術(shù)”，其中使用處于通常超過可聽見的水平的頻率的一系列短脈沖來產(chǎn)生焊機(jī)輸出，并且短脈沖群具有由波形發(fā)生器控制的波形或形狀。如Kooken5,991,169，以及Church 6,504,132中所示，焊接輸出電流可以由輸出斬波器或者降壓變換器調(diào)整，通過在變極器級(jí)的輸出或在輸入升壓變換器級(jí)的輸出使用變壓器而實(shí)現(xiàn)了隔離。
已經(jīng)在非焊接背景中開發(fā)了例如降壓，升壓，或者其它類型的DC到DC變換器的開關(guān)變換器，其包括兩個(gè)或更多變換器相位或者單元，用于輸入DC電源或提供DC輸出。例如，如Fletcher 3,984,799以及Ogawa 4,748,397所示，這種變換器有時(shí)稱為多相位變換器。Huang的“A Scalable Multiphase BuckConverter with Average Current Share Bus”，以及Schuellein的“MultiphaseConverter Bucks Power”描述了針對(duì)先進(jìn)的微處理器應(yīng)用的可升級(jí)多相位變換器。Cho的“Novel Zero-Voltage-Transition PWM Multiphase Converters”說明了兩相和三相的DC到DC變換器，其具有單獨(dú)的附加零電壓開關(guān)(ZVS)電路以減少開關(guān)損耗。如Karadsheh 4,433,370以及Czogalla的“AutomotiveApplication of Multi-Phase Coupled-Inductor DC-DC Converter”所討論的，在汽車領(lǐng)域中也已經(jīng)采用了多相位變換器，其中Czogalla討論了在公共磁芯上將單獨(dú)相位的電感器耦合在一起。Wong的“Performance Improvement ofInterleaving VRMs with Coupling Inductors”；Zumel的“Magnetic Integration forInterleaved Converters”；Dixon的“Coupled Filter Inductors in Multi-Output BuckRegulators”中，也描述了在多相位交錯(cuò)的調(diào)制器模塊和變換器中的耦合的電感器。這些參考文件通過引用合并在這里作為背景信息，而沒有教導(dǎo)在三級(jí)電源中使用多相位變換器。Baker 5,864,116中說明了具有用于焊接的耦合電感器的兩相向下斬波器，并轉(zhuǎn)讓給本發(fā)明的受讓人。Reynolds 6,051,804以及Reynolds 6,300,589說明了具有將電源從電壓源提供給負(fù)載的雙斬波器的等離子體切割電源，其中開路輸出電壓大約為負(fù)載輸出電壓的兩倍。然而，Baker和Reynolds專利都沒有教導(dǎo)在三級(jí)焊接電源中的多相位輸出級(jí)。
在焊接系統(tǒng)中，焊接電源的電源效率是重要的設(shè)計(jì)參數(shù)，其中低效率電源產(chǎn)生額外的熱量，并通常比更高效電源更大并且體積大。通常，期望減小或者最小化焊接電源元件中的電切換和傳導(dǎo)損耗以提高效率。進(jìn)一步地，希望將電源中的紋波電流最小化，以將對(duì)電容或其它元件的電應(yīng)力最小化，并且提高焊接操作的質(zhì)量。另一個(gè)設(shè)計(jì)目標(biāo)是快速的瞬變或激勵(lì)響應(yīng)(例如高回轉(zhuǎn)率、slew rate)，其中期望提供能夠可以在不同輸出信號(hào)電平之間快速轉(zhuǎn)換以進(jìn)行波形控制，并且快速的適應(yīng)變化的負(fù)載條件(特別是對(duì)于短路的焊接以及其它焊接電弧條件可能快速變化的應(yīng)用)的焊接機(jī)電源。在這個(gè)方面，與大部分其中負(fù)載變動(dòng)最小的電源設(shè)計(jì)相比，焊接電源通常具有非常不同的操作需求。此外，焊接電源通常包括大的濾波器電容和/或串聯(lián)電感器或斬波器，以在快速負(fù)載瞬變中將輸出信號(hào)電平和內(nèi)部DC電壓保持在特定的范圍或限制內(nèi)，其中，如果開關(guān)變換器控制是帶寬受限的時(shí)候，對(duì)于這種濾波或者平滑元件的需求將變大。
在焊接電源的發(fā)展中，因此期望增加最終輸出級(jí)的操作帶寬，以減輕或避免大濾波元件的需求，并從而改進(jìn)電源的瞬態(tài)響應(yīng)。盡管較少的濾波促進(jìn)了改善的回轉(zhuǎn)率，但減少的輸出濾波可能導(dǎo)致較高的紋波電流或者電壓。進(jìn)一步地，開關(guān)損耗通常隨著開關(guān)變換器操作頻率的增加而增加。簡單地增加輸出斬波器級(jí)的開關(guān)速度會(huì)需要較大的開關(guān)器件，以承受額外的熱量產(chǎn)生和/或額外或較大的散熱元件，例如電扇，散熱片等，從而增加了焊接系統(tǒng)的元件數(shù)量，尺寸和成本，并且使得系統(tǒng)電源效率變差。一個(gè)可能的方案是當(dāng)對(duì)輸出斬波器級(jí)中的功率晶體管和其它元件采用所謂的軟切換技術(shù)時(shí)，增加變換器帶寬或切換頻率以減少開關(guān)損耗，并同時(shí)盡可能減少電磁或射頻干擾(EMI，RFI)。然而，使用軟切換需要額外的附屬元件，降低斬波器效率，并且附屬電感器和整流器經(jīng)受高電流。從而，需要具有較高帶寬開關(guān)變換器輸出級(jí)的改進(jìn)焊接機(jī)電源，其可以實(shí)現(xiàn)好的瞬態(tài)響應(yīng)而不會(huì)嚴(yán)重的影響系統(tǒng)成本和效率。

發(fā)明內(nèi)容
現(xiàn)在對(duì)本發(fā)明的一個(gè)或多個(gè)形式做出總結(jié)，以促進(jìn)對(duì)其的基本理解，其中，該總結(jié)不是本發(fā)明廣泛的概括，并且其意不在于確定本發(fā)明的特定元件或者描繪本發(fā)明的范圍。而是，本總結(jié)的主要目的在于在后面將要呈現(xiàn)的更詳細(xì)的描述之前，以一種簡化的形式提出本發(fā)明的一些概念。本發(fā)明涉及改進(jìn)的焊機(jī)電源，其中采用了交錯(cuò)多相位開關(guān)變換器來作為新概念電源中調(diào)整最終級(jí)，該電源具有中間非調(diào)整DC到DC變換器。交錯(cuò)多相位變換器提供適合焊接(即也是等離子體切割)的調(diào)整信號(hào)，并且可以以在等價(jià)單相變換器中不實(shí)際的頻率進(jìn)行工作，從而可以達(dá)到較高輸出級(jí)帶寬的優(yōu)點(diǎn)，而不會(huì)明顯的降低系統(tǒng)的效率，并且不會(huì)不適當(dāng)?shù)脑黾酉到y(tǒng)成本。在這一方面，高速輸出斬波器中多相位或電源電路的使用使得紋波電流的電平降低，從而可以減少輸出斬波器或者電感器的尺寸和數(shù)值。電感器尺寸的減少促進(jìn)了安裝在電路板上的扼流線圈的使用，代替單相變換器中的較大扼流線圈，并且減少的電感器值改進(jìn)了輸出級(jí)的動(dòng)態(tài)瞬態(tài)響應(yīng)。此外，可以對(duì)給定的最大電流率設(shè)計(jì)單獨(dú)并行電源電路，其中通過需要的變換器電流輸出確定給定電源設(shè)計(jì)中的電源電路數(shù)量，從而可以使用不同數(shù)量的模塊化斬波器電源電路設(shè)計(jì)不同的焊接或者等離子體切割系統(tǒng)。進(jìn)一步的，由于單個(gè)電源電路提供的電流相對(duì)低，可以達(dá)到高效率以及低元件電流應(yīng)力，同時(shí)對(duì)于先進(jìn)的焊接技術(shù)提供可能的非限制帶寬。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)或多個(gè)形式，以具有交錯(cuò)的多相位開關(guān)變流器的三級(jí)提供了新型三級(jí)電弧焊接或切割電源。以這種方式，第一級(jí)接收AC輸入信號(hào)，并提供第一DC輸出信號(hào)，而第二級(jí)為被耦合來接收第一DC輸出信號(hào)的非調(diào)整變換器，并將第一DC輸出信號(hào)轉(zhuǎn)換成第二DC輸出信號(hào)。電源第三級(jí)接收第二DC輸出信號(hào)，并包括轉(zhuǎn)換第二DC輸出信號(hào)來提供適合焊接或切割操作的信號(hào)的多個(gè)變換器電源電路。第三級(jí)變換器電源電路并行連接在焊接和新型非調(diào)整第二級(jí)之間，并且在對(duì)于彼此之間的異相進(jìn)行工作以使得紋波電流電平最小化，從而第三級(jí)變換器的整體紋波電流率低于單獨(dú)變換器電源電路。單獨(dú)變換器電源電路可以是降壓或者其他類型的變換器，其中為了系統(tǒng)尺寸和成本降低，可以以耦合或非耦合的形式將變換器電源電路的電感器集成在單個(gè)磁芯上，并且兩個(gè)或多個(gè)電源電路可以以時(shí)序重疊工作。此外，可以對(duì)給定的電壓范圍設(shè)計(jì)變換器電源電路，其中，N個(gè)電源電路的并行連接為第三級(jí)提供了變換器最大電流率，大約是單獨(dú)變換器電源電路的最大電流率的N倍。這允許了構(gòu)造可以在事實(shí)上任何電流安培下工作的焊接電源，其中針對(duì)在典型焊接電壓幅度下的工作設(shè)計(jì)單獨(dú)變換器電源電路模塊，其中焊接機(jī)輸出電壓實(shí)質(zhì)上與輸出級(jí)變換器電源電路的數(shù)量無關(guān)。


下面的描述和插圖詳細(xì)描述了本發(fā)明特定的示例性的具體實(shí)現(xiàn)，其表示了可以實(shí)現(xiàn)本發(fā)明原理的幾種范例性的方法。當(dāng)與附圖一起考慮時(shí)，從下面的本發(fā)明的詳細(xì)描述中，本發(fā)明的其他目的，優(yōu)點(diǎn)和新特性將變得明顯，其中圖1的示意圖說明了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)或多個(gè)形式的三級(jí)電源，其具有交錯(cuò)多相位輸出級(jí)開關(guān)變換器，該變換器使用來自非調(diào)整隔離第二級(jí)的電源，提供調(diào)整操作輸出信號(hào)；圖2和3的示意圖與圖1相似，說明了根據(jù)本發(fā)明的三級(jí)電源進(jìn)一步的
具體實(shí)施例方式
后面結(jié)合附圖描述本發(fā)明的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例或具體應(yīng)用，其中全部使用相同的引用號(hào)碼來引用相同的元件，并且說明的結(jié)構(gòu)不是必須按比例來繪出的。本發(fā)明的特定形式涉及在產(chǎn)生適合焊接或者等離子體切割操作使用的輸出信號(hào)中使用的三級(jí)電源，全文中將稱為焊接電源，其中電弧焊接的概念同時(shí)包括等離子體電弧切割的相關(guān)技術(shù)。提供了輸入級(jí)來將AC信號(hào)轉(zhuǎn)換成第一DC輸出信號(hào)，其優(yōu)選地具有固定電壓電平，并且還提供了非調(diào)整第二級(jí)，其可以包括隔離元件，并且提供第二DC輸出信號(hào)。重要的是，第三級(jí)電源構(gòu)造為交錯(cuò)多相位的變換器，其將第二DC信號(hào)轉(zhuǎn)換為焊接或切割操作可用的調(diào)整信號(hào)，以促進(jìn)上述的較高帶寬工作，低紋波電流，較小元件尺寸，以及改善的瞬態(tài)響應(yīng)。從而可以在焊接系統(tǒng)中有利地使用本發(fā)明來實(shí)現(xiàn)先進(jìn)的波形控制技術(shù)而不會(huì)受到低效率和增加的成本或尺寸。
與輸出級(jí)的多相位結(jié)構(gòu)所提供的高帶寬能力一起，非調(diào)整第二級(jí)變極器也可以工作在高切換率下，其中開關(guān)可以在大于18kHz并在一個(gè)例子中優(yōu)選大約100kHz的高切換頻率工作。非調(diào)整第二級(jí)變極器中的高開關(guān)速度允許在其中使用小磁性元件，并且從第二提供到第三級(jí)的DC輸出信號(hào)優(yōu)選為隔離的。交錯(cuò)的多相位第三級(jí)斬波器優(yōu)選為由諸如焊接操作的電流，電壓或功率之類的焊接參數(shù)調(diào)整，該焊接操作具有并行變換器電源電路的操作中的時(shí)序重疊。因此，本發(fā)明的具體應(yīng)用的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)具有輸入級(jí)來產(chǎn)生第一DC信號(hào)，第二非調(diào)整DC到DC級(jí)來提供隔離固定DC電壓，該電壓由電源第三級(jí)使用來調(diào)整焊接操作使用的電流，其中最終輸出級(jí)是交錯(cuò)多相位變換器。本發(fā)明的其它形式涉及多相位交錯(cuò)電源級(jí)的使用，其通常用于產(chǎn)生適合焊接或者等離子體切割操作的調(diào)整信號(hào)。圖1-3在三級(jí)電源的背景下，說明了本發(fā)明特定形式的三個(gè)典型實(shí)施方案，其中，在本發(fā)明的范圍內(nèi)可以采用任何適合的第一級(jí)，以將AC輸入電源轉(zhuǎn)換為第一DC輸出信號(hào)。此外，可以使用任何類型的非調(diào)整第二級(jí)以將第一DC輸出信號(hào)轉(zhuǎn)換成第二DC輸出信號(hào)，其中第二級(jí)可以也進(jìn)行隔離。此外，在本發(fā)明的范圍內(nèi)可以采用任何類型的多相位第三級(jí)變換器，其接收第二DC輸出信號(hào)并提供適合焊接，切割，或其它電弧處理操作的調(diào)整信號(hào)。
圖1顯示了第一三級(jí)電源PS1，包括第一級(jí)I，非調(diào)整隔離第二級(jí)II，以及交錯(cuò)(interleaved)多相位第三級(jí)變換器III。該實(shí)施例中的第一級(jí)I包括AC到DC變換器10，用于將AC輸入信號(hào)12轉(zhuǎn)換成第一DC輸出信號(hào)14。輸入12為單相或三相AC線電源，其電壓通常可以在115到575伏特之間變化，盡管本發(fā)明不限于任何特定數(shù)量的輸入相位或任何特定的輸入電壓值。變換器10作為非調(diào)整器件來說明，其可以是整流器或?yàn)V波器網(wǎng)絡(luò)的形式以產(chǎn)生第一DC輸出信號(hào)14(DC#1)。由于AC輸入信號(hào)是線電壓，DC#1通常在幅度上是均勻的。在第二級(jí)II，以DC到DC變換器的形式提供非調(diào)整變極器A，其具有隔離變壓器以將第一DC輸出信號(hào)14(DC#1)轉(zhuǎn)換成第二DC輸出信號(hào)20(DC#2)。
第二DC輸出信號(hào)20形成到級(jí)III的電源輸入，其包括多相位交錯(cuò)DC到DC變換器30，用于將線路20上的第二DC輸出信號(hào)電壓轉(zhuǎn)換成線路B上適合焊接的調(diào)整信號(hào)(例如電流或電壓)。反饋控制或調(diào)整回路C感應(yīng)焊接操作中的參數(shù)，以通過第三級(jí)多相位變換器的調(diào)整，調(diào)整輸出信號(hào)線路B上的電流，電壓，和/或功率。實(shí)際上，變換器30為斬波器或者開關(guān)變換器，例如多相位交錯(cuò)降壓變換器(例如下面的圖10A-12B)，盡管多相位升壓變換器，降壓-升壓變換器，cuk變換器等的使用，或多相位變極器的使用是可能的替代方案，其中多相位變換器的所有這種變化都預(yù)期處于本發(fā)明以及所附權(quán)利要求的范圍內(nèi)。進(jìn)一步地，在如圖1所示的三級(jí)電源PS1中，盡管不是本發(fā)明的嚴(yán)格要求，第二級(jí)A的開關(guān)網(wǎng)絡(luò)可以工作在高于第三級(jí)變換器30開關(guān)頻率的頻率下。此外，盡管不是本發(fā)明的要求，線路20中的第二DC輸出信號(hào)電壓(DC#2)可以充分低于線路14上來自級(jí)I的第一DC輸出信號(hào)電壓(DC#1)。此外，在優(yōu)選的實(shí)際應(yīng)用中，可以在第二級(jí)變極器A中提供隔離變壓器，其具有的輸入或初級(jí)部分或側(cè)具有充分多于用來在線路20上產(chǎn)生第二DC輸出信號(hào)的電壓DC#2的次級(jí)部分或側(cè)的線圈匝數(shù)。盡管可以使用任何合適的匝數(shù)比例，在一個(gè)特定例子中，使用轉(zhuǎn)換匝數(shù)比例4∶1，使得線路20上的第二DC輸出信號(hào)電壓約為線路14上的第一DC輸出電壓的DC#1的1/4，其中第一DC輸出信號(hào)電壓DC#1不需要大于第二DC輸出信號(hào)電壓DC#2，并且其中第二級(jí)II可以是非調(diào)整的。
圖2說明了本發(fā)明的另一種具體實(shí)現(xiàn)，其中三級(jí)電源PS2具有與上述的電PS1基本上相同的級(jí)II和級(jí)III。然而，在圖2的實(shí)施例中，輸入級(jí)I為AC到DC變換器40，其包括后面緊接著調(diào)整DC到DC變換器的整流器，該變換器用來提供第一DC輸出信號(hào)DC#1。轉(zhuǎn)換信號(hào)是線路14中的DC輸出信號(hào)顯示作為第一DC信號(hào)(DC#1)。如同所示，線路14上的第一DC輸出信號(hào)電壓由反饋回路42根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)調(diào)整。從而，在電源PS2的一個(gè)具體實(shí)施中，第一DC輸出信號(hào)DC#1以及第二DC輸出信號(hào)DC#2根據(jù)調(diào)整42來控制，并且輸出焊接變換器30由輸出反饋回路C調(diào)整。對(duì)于第一級(jí)I，線路14上的第一DC輸出信號(hào)DC#1由反饋回路42調(diào)整，其中通過感應(yīng)由線路44代表的AC輸入電壓波形12，范例變換器40同時(shí)提供功率因子校正。通過使用圖2中的電源PS2，第一DC輸出信號(hào)14對(duì)于輸入12處不同的單相或三相電壓為固定DC輸出信號(hào)電壓DC#1。從而，20處的第二DC輸出信號(hào)電壓DC#2僅是線路14上第一DC輸出信號(hào)電壓DC#1的轉(zhuǎn)換。從而在該具體實(shí)施中第二DC輸出信號(hào)DC#2是固定電壓，其電平由隔離變壓器以及非調(diào)整第二級(jí)變極器A中切換網(wǎng)絡(luò)的固定占空比確定。這是采用三個(gè)分開并且清楚的級(jí)的新型電源的優(yōu)選具體實(shí)施，其中第二級(jí)是用于將固定DC輸出信號(hào)轉(zhuǎn)換為第二固定DC輸出信號(hào)的非調(diào)整變極器，該第二DC輸出信號(hào)用于驅(qū)動(dòng)調(diào)整交錯(cuò)多相位開關(guān)變換器30，例如斬波器或者變極器。作為另一個(gè)可能的替換，級(jí)I可以由來自線路20中的DC#2的反饋(如同圖2中的虛線反饋回路或線路46所表示的)進(jìn)行調(diào)整。
圖3中顯示了根據(jù)本發(fā)明的三級(jí)電源的另一種可能的具體實(shí)施PS3，其中由來自焊接電流操作輸出信號(hào)B的反饋回路52調(diào)整第一級(jí)輸入變換器50，并且可以根據(jù)第一級(jí)反饋42并根據(jù)通過線路44的功率因子校正，進(jìn)一步控制第一DC輸出信號(hào)DC#1。在所說明的圖3的例子中，盡管該反饋控制結(jié)構(gòu)不是本發(fā)明的要求，變換器50優(yōu)選為由焊接輸出反饋52調(diào)整，而不是如同圖2的電源PS2中的情況那樣，由線路14上的第一DC輸出信號(hào)電壓DC#1調(diào)整。通過圖3中來自焊接輸出B的調(diào)整，變換器50同時(shí)是功率因子校正級(jí)和焊接調(diào)整器。然而，注意到為了作為本發(fā)明意圖的三級(jí)電源的完整的技術(shù)揭示，而揭示了本發(fā)明的該具體實(shí)施，并且功率因子校正不是本發(fā)明的嚴(yán)格限制。
如前所述，輸入級(jí)I將單相或者三相AC信號(hào)12轉(zhuǎn)換成供構(gòu)成第二級(jí)II的非調(diào)整變極器A使用的固定DC 14(DC#1)。本發(fā)明的該具體實(shí)施通常在級(jí)I采用DC到DC變換器10，40，50來在圖1-3中的線路14上產(chǎn)生第一DC輸出信號(hào)電壓DC#1?？梢赃x擇級(jí)I的DC到DC變換器10，40，50以在線路14上產(chǎn)生希望的信號(hào)電壓DC#1，其中輸入整流器提供DC電壓到第一級(jí)DC到DC變換器(未顯示)，其可能是升壓變換器，降壓變換器，降壓+升壓變換器，或者其它適合的DC到DC變換器結(jié)構(gòu)。第一級(jí)I的這種DC到DC變換器結(jié)構(gòu)可以通過感應(yīng)經(jīng)由線路44的輸入AC波形并據(jù)此控制第一DC輸出信號(hào)DC#1，而有利地執(zhí)行功率因子校正(例如圖2和3)，以減少三級(jí)電源PS2，PS3輸入12處的諧波失真，和/或保證輸入AC電流和電壓同相位到可能的程度。盡管功率因子校正不是實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的嚴(yán)格要求，在焊接技術(shù)領(lǐng)域使用功率因子校正輸入DC到DC變換器40，50是公知的，并且用于很多現(xiàn)有技術(shù)兩級(jí)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。從這個(gè)方面，級(jí)I的主要目的是在線路14(后面的圖中顯示為線路14a，14b)提供第一DC(DC#1)，接著由第二級(jí)II使用第一DC來在線路20(后面的圖中顯示為線路20a，20b)產(chǎn)生固定DC(DC#2)。注意到替換的具體實(shí)施是可能使用圖1中作為例子顯示的非功率因子校正輸入或第一級(jí)10，其中輸入整流器的輸出線路由大存儲(chǔ)電容(未顯示)耦合，以在線路14上產(chǎn)生濾波的通常固定的，第一DC輸出信號(hào)電壓DC#1。在另一個(gè)替換具體實(shí)施中，第一級(jí)I可以包括無源功率因子校正電路40，50，其連接到單相或多相AC輸入12，以在14產(chǎn)生通常固定的DC電壓(DC#1)作為第二級(jí)變極器A的輸入。上述級(jí)I結(jié)構(gòu)僅僅是例子，可以使用其它具有單相或者三相輸入信號(hào)，具有或不具有功率因子校正，具有或不具有調(diào)整的輸入級(jí)實(shí)施本發(fā)明。
也參考圖4，在特定優(yōu)選具體實(shí)施中，在輸出20(例如，在圖4-10和12中作為線路20a，20b顯示)提供相對(duì)低的固定第二DC輸出信號(hào)DC#2，其中新型三級(jí)焊接電源的多相位第三級(jí)III可以是斬波器或者以大于18kHz的頻率工作來提供增加帶寬的優(yōu)點(diǎn)的其它變換器。非調(diào)整第二級(jí)變極器A的開關(guān)頻率以及調(diào)整輸出多相位變換器30的開關(guān)頻率可以，但是不需要不同。在這一方面，盡管第二和第三級(jí)的特定頻率關(guān)系不是本發(fā)明的嚴(yán)格要求，但是在一個(gè)例子中，多相位交錯(cuò)斬波器輸出級(jí)30的開關(guān)頻率可以充分小于非調(diào)整變極器A的頻率。
圖4所示的電源PS4說明了本發(fā)明的使用，其中級(jí)III包括交錯(cuò)的DC到DC開關(guān)變換器30，并進(jìn)一步包括極性開關(guān)110以有利于輸出端或線路110a和110b處的AC焊接，其中電源PS4包括分別將控制信號(hào)132和134提供給變換器30和極性開關(guān)110的第三級(jí)控制器130。多相位變換器30由通常固定的輸入DC 20(第一DC輸出信號(hào)DC#1)驅(qū)動(dòng)，并且可以由來自AC或DC焊接操作120的反饋調(diào)整，來提供跨過輸出引線102，104兩端的適合焊接的電流。此外，如圖4中所示，調(diào)整信號(hào)可以經(jīng)過引線110a和110b，通過極性開關(guān)110提供，以提供給AC焊接，其中引線102是正極性引線而引線104是負(fù)極性引線。在這一方面，極性開關(guān)110具有第一位置，其中引線102定向到焊接操作120的電極，從而極性開關(guān)110的輸出在輸出線路110a具有正極性，而在輸出線路110b上具有負(fù)極性。這在焊接操作120上產(chǎn)生了電極正極性(EP)DC焊接處理。極性開關(guān)110的反轉(zhuǎn)可以在焊接操作120上產(chǎn)生電極負(fù)極性(EN)DC焊接處理。
從而，可以根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)極性開關(guān)110的設(shè)置進(jìn)行電極正極性或者電極負(fù)極性的DC焊接處理。以相似的方式，極性開關(guān)110可以在電極正極性和電極負(fù)極性之間交替變換以在焊接操作120產(chǎn)生AC焊接處理。從而極性開關(guān)110驅(qū)動(dòng)來自調(diào)整多相位變換器30的DC輸出，來產(chǎn)生AC焊接處理或DC焊接處理120，其可以如定向到控制器130的線路或回路122經(jīng)由圖4中表示的反饋系統(tǒng)有利地調(diào)整和控制，控制器130用于如控制信號(hào)線路132，134所示分別調(diào)整多相位變換器30且設(shè)置開關(guān)110的極性。通過這樣在級(jí)III調(diào)整焊接操作120，級(jí)II處的非調(diào)整變極器A可以具有相對(duì)較高的開關(guān)頻率和高占空比來在電源PS4的第二級(jí)II的范圍內(nèi)減少元件尺寸和改進(jìn)效率。
也參考圖5，盡管不是本發(fā)明的嚴(yán)格要求，本發(fā)明的特定實(shí)施例有利地采用了由The Lincoln Electric Company of Cleveland，Ohio所最先提出的“波形控制技術(shù)”。在圖5中示意性地示出這種類型的控制系統(tǒng)，其中圖4中控制器130的控制電路150處理作為由波形發(fā)生器152提供的線路152a上的電壓的波形輪廓。如具有輸出156的誤差放大器154示意性的示出的，波形輪廓由反饋回路122控制。因此，來自發(fā)生器152的波形輪廓由反饋回路122控制并在輸出線路156中產(chǎn)生信號(hào)。線路156定向到適當(dāng)?shù)腜WM電路160，該電路工作在由振蕩器162的輸出確定的高頻率上。在一個(gè)例子中該頻率大于18kHz并通常高于40kHz。進(jìn)一步地，如下參考圖10A-12B所描述和說明的，經(jīng)由控制器130使用多相位調(diào)整PWM輸出信號(hào)，和/或使用相位移動(dòng)或偏移量電路(未顯示)來提供單獨(dú)的PWM控制信號(hào)給輸出級(jí)III(例如，下面的圖11)的變換器電源電路，第三級(jí)III優(yōu)選地提供第三級(jí)變換器電源電路的異相(out of phase)的交錯(cuò)控制。
例如，在圖5中如線路132顯示了可以在控制器130中的軟件中和/或數(shù)字電路實(shí)現(xiàn)的脈沖寬度調(diào)制器160的輸出，該線路132用于控制多相位開關(guān)第三級(jí)變換器30產(chǎn)生的波形。第三級(jí)變換器的輸出波形(提供給焊接操作120的調(diào)整信號(hào))可以具有任何類型的輪廓或類型，例如AC，DC，或者它們的組合，在圖5的右邊部分如波形152b，152c，和152d示例性地顯示了這些的例子。在一個(gè)AC焊接例子中，由變換器30以AC MIG焊接中使用的類型的AC波形形式提供了波形152b，其中負(fù)電極安培高于正電極安培?？商鎿Q地，正安培可以高于負(fù)安培。在波形152c，電極負(fù)極性和電極正極性的安培基本上相同，而負(fù)電極部分的長度較長。當(dāng)然，可以調(diào)整AC焊接的操作以提供平衡或者非平衡的AC波形，或者偏向于電極正極性，或者偏向于電極負(fù)極性，或者平衡可以動(dòng)態(tài)地改變，其中時(shí)間部分和/或幅度部分可以朝負(fù)電極方向或者正電極方向偏置。當(dāng)極性開關(guān)110設(shè)定為DC負(fù)極性或者DC正極性焊接操作時(shí)(或如下面的圖6所示，完全忽略極性開關(guān)110)，如波形152d顯示的脈沖焊接波形由波形發(fā)生器152控制，用于將調(diào)整信號(hào)從變換器30輸出到焊接操作120。不同的其它波形，AC和DC，都可以由控制器130控制，從而焊接操作120可以調(diào)整為AC或者DC。進(jìn)一步地，焊接操作可以是TIG，MIG，埋弧(submerged arc)，或者，在進(jìn)行任何類型的電弧處理操作中可以使用電源PS4或者使用本發(fā)明的其它電源。在這一方面，處理電極(下面圖7，8，10A，10B，以及12中的電極E)可以是非消耗的或消耗的，例如帶金屬芯，藥芯，或者實(shí)心焊絲，其中根據(jù)采用的電極可以但是不必要采用防護(hù)氣體。可以在采用本發(fā)明不同形式的系統(tǒng)中進(jìn)行焊接操作中所有的這些修改。
現(xiàn)在參考圖6，執(zhí)行DC焊接的電源PS5示例說明了電源PS4的修改例。在該例子中，電源PS5僅執(zhí)行DC焊接操作120，其中反饋回路122定向到具有輸出132的控制器130。電源PS5中的調(diào)整變換器30優(yōu)選為多相位斬波器類型的開關(guān)DC到DC變換器，以在線路102a，104a之間產(chǎn)生DC電壓，其中控制器130優(yōu)選地由波形發(fā)生器152控制(圖5)。此外，線路102a，104a上的極性根據(jù)在焊接操作120中執(zhí)行的DC焊接處理的需求，可以是電極負(fù)極性或電極正極性。進(jìn)一步地，調(diào)整變換器30輸出的調(diào)整信號(hào)，可以比圖4中所示的電源PS4的焊接輸出更為簡化。圖4和圖6，與圖5中所示的控制網(wǎng)絡(luò)或者電路150一起，說明了構(gòu)成本發(fā)明的新型三級(jí)電源和交錯(cuò)多相位輸出變換器30的多樣性，其中示例說明的具體實(shí)施例僅僅是例子，并且并非本發(fā)明具體實(shí)施的全部。
現(xiàn)在參考圖7和圖8，在具體實(shí)施現(xiàn)有技術(shù)中使用的兩級(jí)電源或者本發(fā)明的新型三級(jí)電源中，需要提供電壓來操作用于這兩種類型的電源中使用的調(diào)整和非調(diào)整開關(guān)網(wǎng)絡(luò)兩者的控制器。圖7示例說明了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選三級(jí)結(jié)構(gòu)，以產(chǎn)生用于焊接操作的調(diào)整信號(hào)，并提供控制電壓以操作三級(jí)電源(例如電源PS6)的各個(gè)控制器。使用預(yù)調(diào)整器的輸出來提供用于預(yù)調(diào)整器的開關(guān)控制器，以及兩級(jí)電源第二級(jí)的開關(guān)控制器的控制電壓是公知的，并揭示于通過參考合并在這里的Moriguchi 5,926,381中。對(duì)于最終級(jí)，用于執(zhí)行焊接操作的輸出斬波器常規(guī)地從輸入DC電壓獲取控制器控制電壓到斬波器中。這兩個(gè)公知的技術(shù)合成在電源PS6中。
圖7的三級(jí)電源PS6可以由具有從電源不同部分獲取電源供應(yīng)的控制器操作。特別是，電源PS6具有第一控制器電源供應(yīng)180(PS#1)，其具有輸出182以及來自引線14a，14b上的第一DC(DC#1)的輸入184，186。電源供應(yīng)180包括降壓變換器或者回掃變換器(未顯示)，以將圖2預(yù)調(diào)整器40輸出處的高電壓DC#1減少到線路182上適合為第一級(jí)控制器190供電的低電壓。盡管在本發(fā)明的范圍內(nèi)其它的電壓是可能的，在一個(gè)例子中線路182上的控制電壓可以位于5到20伏特之間。線路182上的電壓定向到具有輸出引線192的第一控制器190，來根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)執(zhí)行預(yù)調(diào)整器40的操作。預(yù)調(diào)整器40可以采用來自圖2和3所示的線路42，44上的反饋，和/或可以接收沿著線路52的焊接機(jī)輸出反饋(如圖3所示)。具體實(shí)施范例中的非調(diào)整第二級(jí)變極器A不需要控制器來調(diào)制輸入輸出電壓之間的占空比或者固定關(guān)系，但是可以接收輸出引線198上來自第二控制器194的控制信號(hào)，第二控制器194接收線路196中來自第一電源180的控制器操作電壓。
作為替換，第三電源供應(yīng)PS#3由輸入12的一相驅(qū)動(dòng)，以將可選電源供應(yīng)電壓176給于第一控制器190。本具體實(shí)施中級(jí)III的調(diào)整多相位開關(guān)變換器30具有第二電源供應(yīng)200(PS#2)，其經(jīng)由輸入206和204分別耦合到第二DC引線路20a和20b，線路202上的控制器電壓由說明為包括引線路20a，20b的DC 20上的電壓(DC#2)確定。電源供應(yīng)200包括降壓變換器或回掃變換器，以將非調(diào)整變換器A輸出處的DC轉(zhuǎn)換成由具有輸出132的第三級(jí)控制器130使用的較低電壓。如同參考圖1和圖2中的電源PS1，PS2所分別討論的，線路132上的信號(hào)根據(jù)線路C上的反饋信號(hào)調(diào)整焊接變換器30的輸出，其中多相位變換器30的單獨(dú)電源電路可以由來自控制器130的專用輸出132獨(dú)立地控制，或者可以為控制器30的單獨(dú)電源電路暫時(shí)偏置單個(gè)PWM，或其它類型的控制輸出132，使得單獨(dú)第三級(jí)變換器電源電路在相互之間的異相進(jìn)行工作。DC 14(DC#1)和DC 20(DC#2)分別提供輸入給電源供應(yīng)180和200，其在一個(gè)例子中是DC到DC變換器，用于產(chǎn)生用于控制器190，194和/或130的低電平DC控制電壓。作為圖7中以虛線路220表示的替換，第一電源供應(yīng)180可以也提供用于第三控制器130的控制電壓。揭示了圖7來說明使用三級(jí)電源的多樣性，該三級(jí)電源具有從顯示為PS#1和PS#2的不同固定DC電壓電平接收降低的電源電壓的控制器?？梢圆捎闷渌渲脕硖峁┛刂破麟妷?，例如通過整流器，以說明為PS#3的方式，通過線路272和274到AC輸入電壓12的一個(gè)相位的整流連接?，F(xiàn)在參考圖8和圖9，圖8以本發(fā)明優(yōu)選的三級(jí)實(shí)施例上的更為詳細(xì)的細(xì)節(jié)說明了本發(fā)明的另一個(gè)具體實(shí)施方式
，其中顯示了三級(jí)電源PS7，其與電源PS6相似并且類似元件具有相同識(shí)別號(hào)碼。根據(jù)本發(fā)明的一種形式，輸出級(jí)III包括多相位交錯(cuò)開關(guān)變換器或斬波器30，用于提供調(diào)整信號(hào)輸出(例如，電極E和工件W之間的焊接電流)。如圖7和8中所示，提供的電流分流器S可以用于提供焊接處理電流反饋信號(hào)C到控制器130。在該具體實(shí)施中所說明的級(jí)II的高開關(guān)速度變極器A包括上述的特性和特征，并通過具有初級(jí)線圈252和次級(jí)線圈254的隔離變壓器250，額外地提供第一和第二DC輸出信號(hào)DC#1與DC#2之間的電隔離。如圖9中所進(jìn)一步說明的，DC到DC變換器A的初級(jí)側(cè)包括開關(guān)網(wǎng)絡(luò)300，用于將交替電流定向到初級(jí)線圈252。次級(jí)級(jí)254的整流輸出是變換器A的次級(jí)部分或側(cè)。
圖8和9的范例變換器采用高開關(guān)速度變極器，其占空比或者相位移動(dòng)由非調(diào)整控制器194設(shè)定，其中在說明的實(shí)施例中沒有提供處理或系統(tǒng)反饋給控制器194。此外，第二級(jí)開關(guān)頻率在該電源PS7的實(shí)際應(yīng)用中可以相對(duì)較高(例如高于第三級(jí)變極器30的開關(guān)速度)，例如大約100kHz。在范例非調(diào)整第二級(jí)變換器A，盡管可以通過如同具有用于調(diào)整控制器194的輸出262的“ADJ”電路所示的，對(duì)第二級(jí)II的占空比和/或頻率進(jìn)行非反饋類型的調(diào)整，但是占空比和操作頻率在焊接操作中保持基本固定。此外，盡管在本發(fā)明的范圍內(nèi)可以采用任何適合的開關(guān)頻率和占空比，在級(jí)II優(yōu)選的實(shí)施例中，其中的占空比接近100％，使得在變極器A初級(jí)側(cè)的開關(guān)對(duì)共同導(dǎo)通的時(shí)間最大，其中可以使用電路260或者其它方式來為級(jí)II調(diào)整占空比，相位移動(dòng)，頻率等，以調(diào)整第一DC 14和第二DC 20之間的關(guān)系(否則的話通常固定，例如非調(diào)整)。從而，非調(diào)整隔離變極器A可以改變?yōu)榫哂胁煌枪潭ǖ恼伎毡?。在這一方面，占空比優(yōu)選地接近100％，使得開關(guān)對(duì)基本上一致地工作，其中在本發(fā)明的典型應(yīng)用中，占空比可以在大約80％到100％之間變化。
輸入級(jí)I通常包括整流器60，其后面緊接著功率因子校正DC到DC變換器62，其中可以為輸入12顯示的不同幅度的單相AC或者三相AC提供適當(dāng)?shù)恼髌?0。此外，在優(yōu)選具體實(shí)施中，如圖8所示，對(duì)于功率因子校正輸入級(jí)I使用升壓變換器62，來產(chǎn)生第一DC輸出信號(hào)DC#1。升壓變換器62根據(jù)具有前述的控制電壓182的控制器190來工作。根據(jù)優(yōu)選實(shí)施例的輕微變化，圖8中的電源270具有通過跨過單相或三相AC輸入12的一相的線路272和274連接的變壓器。電源供應(yīng)270中的整流器或?yàn)V波器在可選的虛線276中產(chǎn)生低控制電壓，如果需要的話可以代替線路182的控制電壓使用。這兩個(gè)替換不影響電源PS7的工作特性。用于電弧焊接的三級(jí)電源的其它這種修改可以從前面的描述和焊接領(lǐng)域公知的技術(shù)中獲得。
級(jí)II的非調(diào)整變極器A可以使用各種變極器電路，在圖9中更詳細(xì)地描述了其中一個(gè)。優(yōu)選第二級(jí)電路A通過由到隔離變壓器250的初級(jí)線圈252的輸入定義的初級(jí)部分或側(cè)，和由次級(jí)級(jí)線圈254的輸出定義的次級(jí)部分或側(cè)來劃分。首先參考變極器A的初級(jí)部分或側(cè)，采用了全橋電路300，其中跨過電容348的成對(duì)開關(guān)SW1-SW3和SW2-SW4由引線路302，304，306和308連接，盡管可以替換地采用半橋電路或者其它開關(guān)電路。示例說明的電路300中的開關(guān)SW1-SW4分別通過線路310，312，314和316上的選通脈沖交替地激活?？刂破?94輸出線路310，312，314和316中的選通脈沖，并且可以如同前面討論的，通過來自電路260的線路262上的邏輯確定調(diào)整占空比，頻率(周期)和/或相位關(guān)系。在一個(gè)具體實(shí)施中，可以通過改變線路310和312以及線路314和316的相位移動(dòng)改變占空比，其中電路260調(diào)整成對(duì)開關(guān)的占空比或相位移動(dòng)。在變極器A的操作中該調(diào)整是固定的。在優(yōu)選的具體實(shí)施中，電路300具有約為100％的占空比或相位移動(dòng)，其中每一對(duì)開關(guān)具有最大重疊導(dǎo)通時(shí)間。如前面也描述的那樣，控制器194具有來自適當(dāng)電源供應(yīng)的控制電壓，在圖9中由線路196表示。
在圖9的范例電路300的工作中，由開關(guān)SW1-SW4的受控的操作，將交替變換的電流定向通過初級(jí)線圈252。該電流優(yōu)選具有通常至少大約100kHz的超高頻率，使得可以減少元件尺寸，重量和成本，其中這種高開關(guān)頻率不是焊接操作專用的，而是為了三級(jí)電源非調(diào)整級(jí)A的效率而選擇的，盡管第二級(jí)II的特定操作頻率不是本發(fā)明的要求。變極器A的次級(jí)部分或側(cè)包括具有整流器322，324的整流器電路320，其具有構(gòu)造在次級(jí)級(jí)線圈相反端的電源輸入330和332，輸出342和340，以及分別由線路326，328上的信號(hào)選通的控制輸入326和328。引線路326，328，330，332，340，和342構(gòu)成整流器320的輸出引線以產(chǎn)生跨過引線20a和20b的DC電壓(DC#2)，輸出電流由斬波器344平滑并且得到的輸出電壓加到輸出濾波器電容346兩端。
在圖8和9示例說明的范例三級(jí)電源中，第二級(jí)A為非調(diào)整的，這意味著其不是由來自焊接操作或來自第二DC輸出信號(hào)Dc#2的實(shí)時(shí)反饋信號(hào)調(diào)整的。事實(shí)上，第二級(jí)II以相對(duì)固定的方式轉(zhuǎn)換DC 14(DC#1)到DC 20(DC#2)，而沒有反饋調(diào)整。在示例說明的第二級(jí)II，通過適當(dāng)?shù)淖儔浩骶€圈匝數(shù)比的選擇，DC到DC變換使得定向到使用變極器A的電源的調(diào)整第三級(jí)30的電壓減小。盡管在本發(fā)明的范圍內(nèi)可以使用任何線圈匝數(shù)比，在一個(gè)例子中，變壓器250的線圈匝數(shù)比為大約4∶1，其中輸出20上的固定電壓大約是第一級(jí)的輸出14上的固定電壓的1/4。非調(diào)整級(jí)的幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)包含在Dr.Ray Ridley的標(biāo)題為“The incredible Shrinking(Unregulated)Power Supply”的文章中，作為背景信息通過參考合成在這里。一個(gè)基本的優(yōu)點(diǎn)是能夠?qū)㈩l率增加到超過100kHz來減少第二級(jí)II的尺寸和成本。
現(xiàn)在參考圖10A-12B，本發(fā)明的一個(gè)形式涉及使用交錯(cuò)多相位開關(guān)變換器30作為三級(jí)焊接電源的最終(第三)級(jí)。在本發(fā)明的該形式中，第三電源級(jí)III包括多個(gè)變換器電路，以將第二DC輸出信號(hào)DC#2轉(zhuǎn)換成適合焊接，切割，或其它電弧處理的調(diào)整信號(hào)，其中，第三級(jí)III的各種形式在后面4相位降壓類型開關(guān)類型DC到DC變換器30的幾個(gè)示例性實(shí)施例中作為例子，變換器30具有并行耦合在第二DC輸出信號(hào)DC#2與焊接操作之間的單獨(dú)變換器電源電路30a，30b，30c，以及30d，來提供處理輸出信號(hào)。然而，可以意識(shí)到在本發(fā)明的范圍內(nèi)在多相位第三級(jí)中可以采用任何數(shù)量N的變換器電源電路，其中N可以是大于1的正整數(shù)。此外，可以使用任何變換器電路類型，其中本發(fā)明不局限于降壓變換器電源電路結(jié)構(gòu)。此外，盡管這里所說明的變換器電源電路控制并非本發(fā)明的嚴(yán)格要求，如下面的圖11所示，范例第三級(jí)變換器電源電路30a-30d，在彼此之間的異相進(jìn)行工作。
圖10A示例說明了配置在高側(cè)降壓類型結(jié)構(gòu)中的多相位交錯(cuò)第三級(jí)變換器30的具體實(shí)施，其中變換器電源電路30a-30d的單獨(dú)開關(guān)元件和輸出扼流線圈耦合在正第二DC輸出信號(hào)20a和焊接電極E(處理輸出B)之間，在負(fù)極性(工件)返回路徑中具有電流分流反饋感應(yīng)器S。圖10B中顯示了4相位降壓變換器的替換具體實(shí)施方式
，其中變換器相位開關(guān)以及電感器扼流線圈位于工件W和負(fù)極性第二DC輸出信號(hào)線路20b之間的負(fù)極性返回路徑上。在這些例子中的每一個(gè)，變換器電源電路30a-30d單獨(dú)包括開關(guān)器件Q，例如雙極晶體管(例如IGBT等)，MOSFET，或其它開關(guān)元件，以及整流器D和電感器或扼流線圈L，其中這些元件以降壓類型的變換器電源電路配置來安置。替換地，例如，變換器電源電路元件可以不同地配置，以得到升壓，降壓-升壓，或其它變換器類型結(jié)構(gòu)，并且變換器電源電路可以替換地包括與示例說明的實(shí)施例的范例降壓變換器電源電路相比，更多或更少的元件，其中所有這些提供多相位DC到DC變換來在焊接電源第三級(jí)提供適合電弧處理的調(diào)整信號(hào)的變化具體實(shí)施方式
，都落入本發(fā)明以及所附的權(quán)利要求的范圍內(nèi)。
如圖10A所示，一個(gè)可能的多相位變換器30包括4個(gè)這種降壓變換器電源電路30a-30d。第一變換器電源電路30a包括開關(guān)器件Q1，其耦合在第二DC輸出信號(hào)DC#2的正極性線路20a和內(nèi)部降壓變換器電源電路節(jié)點(diǎn)之間，其中Q1是雙極晶體管，其集電極耦合到線路20a，發(fā)射極耦合到變換器電源電路內(nèi)部節(jié)點(diǎn)，控制極(基極或柵極)耦合來從控制器130接收第一變換器電源電路控制信號(hào)132a(φA)。第一降壓變換器電源電路30a進(jìn)一步包括整流器(飛輪二極管)D1，其具有耦合到第二DC輸出信號(hào)DC#2負(fù)極性線路20b的陽極和耦合到Q1發(fā)射極(內(nèi)部節(jié)點(diǎn))的陰極，同時(shí)變換器電源電路電感器L1耦合在內(nèi)部節(jié)點(diǎn)和調(diào)整信號(hào)之間。其它三個(gè)降壓變換器電源電路30b-30d構(gòu)造相似，分別具有相應(yīng)的開關(guān)器件Q2-Q4，二極管D2-D4，以及電感器L2-L4。如圖10A所示，變換器電源電路開關(guān)器件Q1-Q4都耦合在輸入端20a和對(duì)應(yīng)內(nèi)部電源電路節(jié)點(diǎn)之間，電感器L1-L4都通過調(diào)整信號(hào)線路B耦合到焊接電極，其中控制器130提供對(duì)應(yīng)的電源電路控制信號(hào)φA-φD給變換器電源電路30a-30d的開關(guān)Q1-Q4。
也參考圖11，第三級(jí)控制器130提供控制信號(hào)132a-132d，使得根據(jù)來自電流旁路S的反饋信號(hào)C為單獨(dú)變換器電源電路30a-30d進(jìn)行脈沖寬度調(diào)整，并且每個(gè)變換器電源電路30a-30b激活了對(duì)應(yīng)的激活部分，其具有多相位變換器30的開關(guān)周期T的持續(xù)時(shí)間。此外，變換器電源電路30a-30d以交錯(cuò)方式來控制，其中控制器130提供開關(guān)控制信號(hào)，使得降壓變換器電源電路30a-30d在相互之間的異相進(jìn)行工作。任何相位關(guān)系都預(yù)期處于本發(fā)明的范圍之內(nèi)，包括0度(例如，同相)，其中這里示例說明和描述的具體實(shí)施范例提供了相對(duì)相位角，其與變換器電源電路30a-30d的數(shù)量N相關(guān)(例如，示例說明的例子中為4個(gè))。此外，本發(fā)明一種形式中的變換器電源電路這樣工作，使得在每個(gè)開關(guān)周期的至少一部分，至少兩個(gè)變換器電源電路同時(shí)工作，從而對(duì)于脈沖寬度的特定值以時(shí)序重疊操作全部或部分電路。在這一方面，圖11的示例說明的例子顯示了相鄰的變換器電源電路之間90度的相位角，其相位周期相互重疊。
圖11中的時(shí)序或波形圖31對(duì)于交錯(cuò)4相位變換器30的兩個(gè)范例開關(guān)周期，示例說明了范例電源電路開關(guān)控制信號(hào)132a-132d(表示為晶體管控制電壓φA-φD)，其中每個(gè)變換器開關(guān)周期具有持續(xù)時(shí)間T，并且單獨(dú)的電源電路在持續(xù)時(shí)間T的對(duì)應(yīng)部分是激活的(例如調(diào)制的脈沖寬度)，其中激活部分是相位移動(dòng)的，其移動(dòng)角度是360度/N。圖11也示例說明了對(duì)應(yīng)的變換器電源電路開關(guān)器件電流IQ1-IQ4。在這里示例說明并描述的范例4相位變換器中，變換器30的每個(gè)開關(guān)工作周期或者周期T包括360度，其中每個(gè)變換器電源電路30a-30d的激活部分在90度相位角的倍數(shù)處開始，其它相對(duì)相位關(guān)系也在本發(fā)明的范圍內(nèi)，包括同相位操作。通常，本發(fā)明的交錯(cuò)多相位變換器可以包括任何數(shù)量N個(gè)變換器電源電路，其中N是大于1的整數(shù)，并且其中相位角可以從0到360度變化。
如圖11的時(shí)序圖31所示，單個(gè)降壓變換器電源電路以通常降壓變換器的方式工作，其中控制器130以交錯(cuò)相位移動(dòng)方式提供控制信號(hào)132a-132d，以在線路B上產(chǎn)生調(diào)整處理輸出信號(hào)給焊接電極E。例如，對(duì)于第一變換器電源電路30a，當(dāng)?shù)谝蛔儞Q器電源電路開關(guān)Q1是導(dǎo)通的時(shí)候(由控制信號(hào)132a(φA)接通Q1，正極性開關(guān)電流IQ1流過開關(guān)Q1)，內(nèi)部節(jié)點(diǎn)升高到線路20a的電壓，并且通過電感器L1的電流以通常線性的方式逐漸增加，來通過線路B提供焊接電流給電極E。當(dāng)Q1斷開，開關(guān)電流IQ1停止，電感電流持續(xù)流動(dòng)，其中內(nèi)部節(jié)點(diǎn)電壓降低并且飛輪二極管D1變?yōu)檎蚱貌㈤_始導(dǎo)通。在4相位例子中，第一變換器電源電路30a的脈沖寬度調(diào)制從每個(gè)分配的開關(guān)周期T的零度開始，其中控制器130提供具有給定接通時(shí)間TONA的第一控制信號(hào)132a(φA)，其中接通時(shí)間TONA與開關(guān)周期T的比例對(duì)應(yīng)控制器130確定的PWM占空比，該占空比由控制器130基于感應(yīng)焊接處理電流和期望的焊接電流的比較(例如，根據(jù)上面圖5所示的波形控制)，或根據(jù)其它任何采用反饋，前饋的適當(dāng)控制策略，或其它算法或控制方案來確定。在此例子中，其它變換器電源電路30b-30d由來自控制器130的信號(hào)132b-132d相似地控制，也根據(jù)反饋或者波形控制策略確定各接通時(shí)間TONB-TOND，并且激活部分以連續(xù)的相位移動(dòng)的方式開始，第二電路30b的周期T在90度開始，并且電路30c和30d的周期分別在180度和270度開始。以這種方式，每個(gè)變換器電路在每個(gè)焊接周期的對(duì)應(yīng)部分貢獻(xiàn)電流給焊接操作，其中電流在輸出處累加，注意到在這一方面，輸出電壓實(shí)質(zhì)上與變換器電源電路的數(shù)量N無關(guān)。在其它可能的具體實(shí)施中，每個(gè)電源電路的激活時(shí)間部分不需要相同，并且不需要根據(jù)相同的策略控制電源電路。此外，盡管范例控制器130采用脈沖寬度調(diào)制技術(shù)，但也可以采用其它調(diào)制，例如脈沖頻率調(diào)制等，其中所有這些替換具體實(shí)施都預(yù)期落入本發(fā)明以及所附的權(quán)利要求的范圍之內(nèi)。
也參考圖10B，示例說明了4相位降壓類型的交錯(cuò)變換器30的替換形式，其中變換器電源電路30a-30d單獨(dú)包括耦合在第二DC輸出信號(hào)和內(nèi)部電源電路節(jié)點(diǎn)之間的開關(guān)器件Q1到Q4。在圖10B的配置中，開關(guān)器件Q1-Q4耦合到第二DC輸出信號(hào)DC#2的負(fù)極性線路20b，并且電源電路電感器L1-L4耦合在對(duì)應(yīng)降壓變換器電源電路內(nèi)部節(jié)點(diǎn)和工件W上的調(diào)整信號(hào)之間，其中在線路B的正極性路徑中提供電流旁路S以在線路C上產(chǎn)生反饋。在該實(shí)施例中，變換器電源電路30a-30d的飛輪二極管D1-D4的陽極耦合到電源電路內(nèi)部節(jié)點(diǎn)，而陰極耦合到正極性DC線路20a。在該例子中，如在上面對(duì)于變換器電源電路30a-30d的交錯(cuò)脈沖寬度調(diào)制描述的例子，如同圖11的時(shí)序圖31那樣提供控制信號(hào)132a-132d。當(dāng)Q1接通(例如TONA)，第一電源電路內(nèi)部節(jié)點(diǎn)位于線路20b的電壓，并且電流IQ1從第一電感器L1流到負(fù)極性DC線路20b。隨著開關(guān)Q1斷開，電感器電流持續(xù)流過飛輪二極管D1到線路20a并從而到焊接處理電極E。如上所討論的，在本發(fā)明的范圍內(nèi)，其他特定的電源電路類型以及設(shè)計(jì)可以替代圖10A和10B的范例降壓變換器電源電路30。
注意到在第三級(jí)III的開關(guān)變換器30中使用多個(gè)電源電路30a-30d相對(duì)于非多相位方案提供了幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)。一個(gè)特別的優(yōu)點(diǎn)是減少的紋波電流。在這一方面，電源電路30a-30d是相似地構(gòu)造的，其中每個(gè)具有變換器電源電路紋波電流率Ipr，其中交錯(cuò)多相位開關(guān)變換器30具有的變換器紋波電流率Icr，低于單個(gè)電源電路的紋波率Ipr。該紋波率的減少是從多相位結(jié)構(gòu)得到的，并能夠減少變換器電源電路電感器L1-L4的尺寸和數(shù)值，從而節(jié)省空間和成本。例如，該減少可以抵消由多相位設(shè)計(jì)引起的增加元件數(shù)量的需求。進(jìn)一步地，減少的元件尺寸可以促進(jìn)安裝在電路板上的扼流線圈的使用，來代替在單相位變換器中找到的較大扼流線圈。此外，電感器減少的值可以改進(jìn)輸出級(jí)III的瞬態(tài)響應(yīng)，從而促進(jìn)先進(jìn)的焊接處理控制策略的使用(例如，波形控制等)。
此外，可以為了最大電流率，以由需要的變換器電流輸出來確定給定電源設(shè)計(jì)中電源電路的數(shù)量，來設(shè)計(jì)單獨(dú)的電源電路30a-30d，從而可以使用不同數(shù)量的模塊斬波器電源電路設(shè)計(jì)不同的焊接或等離子體切割系統(tǒng)。進(jìn)一步地，由于單個(gè)電源電路提供的電流相對(duì)較低，可以達(dá)到高效率和低電流應(yīng)力，同時(shí)為先進(jìn)的焊接技術(shù)提供潛在的不受限制的帶寬。不像多相位焊接電源的以前的嘗試，例如Reynolds 6,051,804和6,300,589，本發(fā)明的三級(jí)焊接電源事實(shí)上可以在任何電流安培下工作，其中可以針對(duì)典型焊接電壓電平設(shè)計(jì)單獨(dú)的變換器電源電路模塊，其中焊接機(jī)輸出電壓實(shí)質(zhì)上與輸出級(jí)變換器電源電路的數(shù)量N無關(guān)。在這一方面，本發(fā)明的交錯(cuò)多相位開關(guān)變換器(例如變換器30)包括并行耦合的N個(gè)變換器電源電路(例如電源電路30a-30d)來接收第二DC輸出信號(hào)(DC#2)，其中電源電路單獨(dú)地具有變換器電源電路最大電流率Ip，并且其中交錯(cuò)多相位開關(guān)變換器具有大約N×Ip的變換器最大電流率。例如，如果為了在50安培的最大電源電路電流工作而設(shè)計(jì)了降壓變換器電源電路30a，可以使用6個(gè)并行連接的這種電源電路構(gòu)造300安培的多相位變換器以將電源從第二DC輸出信號(hào)DC#2轉(zhuǎn)換成焊接調(diào)整信號(hào)，其中，每個(gè)變換器電源電路可以對(duì)于一個(gè)開關(guān)周期持續(xù)時(shí)間T，以60度的相對(duì)相位關(guān)系工作。
現(xiàn)在參考圖12-12B，本發(fā)明的另一個(gè)形式提供了一種三級(jí)電源，具有將輸入AC信號(hào)轉(zhuǎn)換來提供第一DC輸出的第一級(jí)，將第一DC輸出信號(hào)轉(zhuǎn)換為第二DC輸出信號(hào)的第二級(jí)，以及用于將第二DC輸出信號(hào)轉(zhuǎn)換為調(diào)整信號(hào)的交錯(cuò)多相位第三級(jí)，其中多相位變換器包括單獨(dú)地具有電感器和開關(guān)元件的多個(gè)變換器電源電路，其中電感器中的至少兩個(gè)纏繞在公共磁芯上。圖12示例說明了具有4個(gè)變換器電源電路30a-30d的多相位降壓變換器30范例，其中電源電路元件以類似于并且電學(xué)上等價(jià)于上面的圖10A所說明的降壓類型的變換器配置來相互連接。然而，在圖12的具體實(shí)施中，使用公共磁芯將電源電路電感器L1-L4相互集成，以形成集成磁性元件或單一變換器電感器結(jié)構(gòu)30L。本發(fā)明這種形式的其他實(shí)施例是可能的，其中少于所有的電感器合成在單獨(dú)的磁芯上。電感器L1到L4每一個(gè)包括對(duì)應(yīng)的線圈，其中電感器L1-L4的兩個(gè)或更多線圈可以纏繞在公共磁芯上，其可以是任何適當(dāng)?shù)男问交蛘卟牧希鏓-I，E-E，或其它已知的磁芯結(jié)構(gòu)。兩個(gè)或更多變換器電源電路電感器L1-L4的集成可以允許本發(fā)明的三級(jí)電源結(jié)構(gòu)進(jìn)一步的系統(tǒng)尺寸和成本的減少。
在構(gòu)造本發(fā)明的多相位輸出級(jí)中的集成變換器機(jī)構(gòu)中，電感器線圈的相對(duì)纏繞方向可以按照如圖12A所示，或者可以如同圖12B中替換實(shí)施例30La中所示的交替或者交錯(cuò)相間。在這一方面，給定設(shè)計(jì)中特定磁芯設(shè)計(jì)的選擇以及相對(duì)線圈的纏繞方向可以變化，以選擇性地提供交替或者反轉(zhuǎn)耦合，其中這樣集成的單獨(dú)電源電路可以耦合或者隔離，如同Zumel的“MagneticIntegration for Interleaved Converters”所教導(dǎo)的。隔離電感器L1-L4本身的集成可以有利地提供總體元件尺寸的減少，以及降低損耗和成本。電感器L1-L4中的部分或者全部的磁性耦合允許來自一個(gè)電感器的能量傳遞到另一個(gè)耦合電感器，其中輸出濾波的需求可以減少。這樣，例如，可以以集成磁性元件30La中交錯(cuò)相間的線圈提供隔離交替集成(圖12B)，其中可以以纏繞在并行有間隙的磁芯腿(leg)上的集成線圈構(gòu)造公共磁芯，其中提供一個(gè)或者更多附加無間隙的腿來將電感器相互之間隔離。在另一個(gè)可能的具體實(shí)施中(圖12A)，集成電感器L1-L4的線圈纏繞在磁芯結(jié)構(gòu)的有間隙和無間隙的腿上，而沒有附加的隔離腿，從而集成電感器磁性地耦合。這樣，盡管本發(fā)明的多相位輸出級(jí)變換形式通?？梢源龠M(jìn)上述的改進(jìn)動(dòng)態(tài)響應(yīng)以及較高帶寬的優(yōu)點(diǎn)，但兩個(gè)或者更多變換器電源電路的選擇性集成可以提供進(jìn)一步的好處，特別是其中使用了相對(duì)大數(shù)量的變換器電源電路(例如，高的N值)。
盡管已經(jīng)參考一個(gè)或者更多典范具體實(shí)施或?qū)嵤├纠f明并描述了本發(fā)明，其他本領(lǐng)域的技術(shù)人員在閱讀并理解了本說明書和附圖可以進(jìn)行等價(jià)的替換和修改。在上述元件(裝配，器件，系統(tǒng)，電路，以及之類)執(zhí)行的各種功能的特定方面，盡管在結(jié)構(gòu)上不等價(jià)于執(zhí)行這里示例說明的本發(fā)明的具體實(shí)施范例中的功能的揭示結(jié)構(gòu)，但是用來描述這種元件的術(shù)語(包括參考“裝置”)對(duì)應(yīng)于，至少暗示執(zhí)行描述元件特定功能的任何元件(即在功能上是等同的)。此外，盡管僅對(duì)于幾個(gè)具體實(shí)施中的一個(gè)揭示了本發(fā)明的特定特性，但如同對(duì)于任何給定或者特定應(yīng)用所期望的和有利的那樣，這種特性可以與其它具體實(shí)施的一個(gè)或者多個(gè)其它特性結(jié)合。
權(quán)利要求
1.一種用于電弧焊接或者切割處理的三級(jí)電源，所述電源包括接收AC輸入信號(hào)并且提供第一DC輸出信號(hào)的第一級(jí)；耦合到所述第一級(jí)來接收所述第一DC輸出信號(hào)的非調(diào)整第二級(jí)，所述第二級(jí)將所述第一DC輸出信號(hào)轉(zhuǎn)換成第二DC輸出信號(hào)；耦合到所述第二級(jí)來接收所述第二DC輸出信號(hào)的第三級(jí)，所述第三級(jí)包括一交錯(cuò)多相位開關(guān)變換器，其包括多個(gè)并行變換器電源電路，將所述第二DC輸出信號(hào)轉(zhuǎn)換成適合焊接的調(diào)整信號(hào)，每個(gè)所述電源電路具有帶有控制輸入的開關(guān)器件；以及用于為每個(gè)所述并行變換器電源電路在不同的相位角產(chǎn)生控制輸入信號(hào)的控制器。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所定義的三級(jí)電源，其中所述交錯(cuò)多相位開關(guān)變換器是多相位降壓變換器，其包括多個(gè)降壓變換器電源電路。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所定義的三級(jí)電源，其中每個(gè)電源電路的所述開關(guān)器件耦合在所述第二DC輸出信號(hào)和對(duì)應(yīng)降壓變換器電源電路內(nèi)部節(jié)點(diǎn)之間，并且所述降壓變換器電源電路單獨(dú)包括耦合在所述第二DC輸出信號(hào)與所述降壓變換器電源電路內(nèi)部節(jié)點(diǎn)之間的整流器，以及耦合在所述降壓變換器電源電路內(nèi)部節(jié)點(diǎn)與所述調(diào)整信號(hào)之間的電感器。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所定義的三級(jí)電源，其中所述交錯(cuò)多相位開關(guān)變換器包括N個(gè)變換器電源電路，N為大于1的整數(shù)，并且其中所述相位角為360°/N。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所定義的三級(jí)電源，其中所述變換器電源電路單獨(dú)具有變換器電源電路紋波電流率Ipr，并且其中所述交錯(cuò)多相位開關(guān)變換器具有低于Ipr的變換器紋波電流率Icr。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所定義的三級(jí)電源，其中所述第二級(jí)包括非調(diào)整DC到DC變換器，其具有耦合到所述第一級(jí)的輸入來接收所述第一DC輸出信號(hào)，將所述第一DC輸出信號(hào)轉(zhuǎn)換為第一內(nèi)部AC信號(hào)的開關(guān)網(wǎng)絡(luò)，具有由所述第一內(nèi)部AC信號(hào)驅(qū)動(dòng)的主線圈，以及用于產(chǎn)生第二內(nèi)部AC信號(hào)的次級(jí)線圈的隔離變壓器，以及與所述次級(jí)線圈耦合，來將所述第二內(nèi)部AC信號(hào)轉(zhuǎn)換成第二DC輸出信號(hào)的整流器。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所定義的三級(jí)電源，其中所述單獨(dú)變換器電源電路進(jìn)一步包括電感器，并且其中所述變換器電源電路的至少兩個(gè)的所述電感器集成地纏繞在公共磁芯上。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所定義的三級(jí)電源，其中所述交錯(cuò)多相位開關(guān)變換器包括并行耦合來接收所述第二DC輸出信號(hào)的N個(gè)變換器電源電路，N為大于1的整數(shù)，其中所述變換器電源電路單獨(dú)具有變換器電源電路最大電流率Ip，并且其中所述交錯(cuò)多相位開關(guān)變換器具有大約為N×Ip的變換器最大電流率。
9.根據(jù)權(quán)利要求6所定義的三級(jí)電源，其中所述交錯(cuò)多相位開關(guān)變換器包括并行耦合來接收所述第二DC輸出信號(hào)的N個(gè)變換器電源電路，N為大于1的整數(shù)，其中所述變換器電源電路單獨(dú)具有變換器電源電路最大電流率Ip，并且其中所述交錯(cuò)多相位開關(guān)變換器具有大約為N×Ip的變換器最大電流率。
10.根據(jù)權(quán)利要求5所定義的三級(jí)電源，其中所述交錯(cuò)多相位開關(guān)變換器包括并行耦合來接收所述第二DC輸出信號(hào)的N個(gè)變換器電源電路，N為大于1的整數(shù)，其中所述變換器電源電路單獨(dú)具有變換器電源電路最大電流率Ip，并且其中所述交錯(cuò)多相位開關(guān)變換器具有大約為N×Ip的變換器最大電流率。
11.根據(jù)權(quán)利要求4所定義的三級(jí)電源，其中所述交錯(cuò)多相位開關(guān)變換器包括并行耦合來接收所述第二DC輸出信號(hào)的N個(gè)變換器電源電路，N為大于1的整數(shù)，其中所述變換器電源電路單獨(dú)具有變換器電源電路最大電流率Ip，并且其中所述交錯(cuò)多相位開關(guān)變換器具有大約為N×Ip的變換器最大電流率。
12.根據(jù)權(quán)利要求2所定義的三級(jí)電源，其中所述交錯(cuò)多相位開關(guān)變換器包括并行耦合來接收所述第二DC輸出信號(hào)的N個(gè)變換器電源電路，N為大于1的整數(shù)，其中所述變換器電源電路單獨(dú)具有變換器電源電路最大電流率Ip，并且其中所述交錯(cuò)多相位開關(guān)變換器具有大約為N×Ip的變換器最大電流率。
13.根據(jù)權(quán)利要求1所定義的三級(jí)電源，其中所述交錯(cuò)多相位開關(guān)變換器包括并行耦合來接收所述第二DC輸出信號(hào)的N個(gè)變換器電源電路，N為大于1的整數(shù)，其中所述變換器電源電路單獨(dú)具有變換器電源電路最大電流率Ip，并且其中所述交錯(cuò)多相位開關(guān)變換器具有大約為N×Ip的變換器最大電流率。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所定義的三級(jí)電源，其中所述第三級(jí)提供所述調(diào)整信號(hào)，其具有與所述交錯(cuò)多相位開關(guān)變換器的變換器電源電路數(shù)量無關(guān)的電壓。
15.根據(jù)權(quán)利要求7所定義的三級(jí)電源，其中所述第三級(jí)提供所述調(diào)整信號(hào)，其具有實(shí)質(zhì)上與所述交錯(cuò)多相位開關(guān)變換器的變換器電源電路數(shù)量無關(guān)的電壓。
16.根據(jù)權(quán)利要求6所定義的三級(jí)電源，其中所述第三級(jí)提供所述調(diào)整信號(hào)，其具有實(shí)質(zhì)上與所述交錯(cuò)多相位開關(guān)變換器的變換器電源電路數(shù)量無關(guān)的電壓。
17.根據(jù)權(quán)利要求5所定義的三級(jí)電源，其中所述第三級(jí)提供所述調(diào)整信號(hào)，其具有實(shí)質(zhì)上與所述交錯(cuò)多相位開關(guān)變換器的變換器電源電路數(shù)量無關(guān)的電壓。
18.根據(jù)權(quán)利要求4所定義的三級(jí)電源，其中所述第三級(jí)提供所述調(diào)整信號(hào)，其具有實(shí)質(zhì)上與所述交錯(cuò)多相位開關(guān)變換器的變換器電源電路數(shù)量無關(guān)的電壓。
19.根據(jù)權(quán)利要求2所定義的三級(jí)電源，其中所述第三級(jí)提供所述調(diào)整信號(hào)，其具有實(shí)質(zhì)上與所述交錯(cuò)多相位開關(guān)變換器的變換器電源電路數(shù)量無關(guān)的電壓。
20.根據(jù)權(quán)利要求1所定義的三級(jí)電源，其中所述第三級(jí)提供所述調(diào)整信號(hào)，其具有實(shí)質(zhì)上與所述交錯(cuò)多相位開關(guān)變換器的變換器電源電路數(shù)量無關(guān)的電壓。
21.根據(jù)權(quán)利要求1所定義的三級(jí)電源，其中所述多相位開關(guān)變換器包括N個(gè)變換器電源電路，N為大于1的整數(shù)，其中所述相位角為360°/N，其中所述控制器提供所述控制輸入信號(hào)，以在具有對(duì)應(yīng)變換器開關(guān)周期T的開關(guān)頻率下操作所述交錯(cuò)多相位開關(guān)變換器，其中所述變換器電源電路被單獨(dú)地脈沖寬度調(diào)制，以在長度為T的時(shí)間的對(duì)應(yīng)電源電路部分中選擇性地從所述DC信號(hào)提供電源到所述調(diào)整信號(hào)，其中以具有至少兩個(gè)所述電源電路部分的時(shí)序重疊的所述相位角，相位移動(dòng)所述電源電路部分。
22.一種用于電弧焊接或者切割處理的電源，所述電源包括交錯(cuò)多相位開關(guān)變換器，其包括將DC信號(hào)轉(zhuǎn)換成適合焊接的調(diào)整信號(hào)的多個(gè)并行變換器電源電路，每個(gè)所述電源電路具有帶有控制輸入的開關(guān)器件；以及用于為每個(gè)所述并行變換器電源電路在不同的相位角產(chǎn)生控制輸入信號(hào)的控制器，其中以相互之間相位移動(dòng)的方式操作所述電源電路，至少兩個(gè)所述電源電路的時(shí)序操作重疊。
23.根據(jù)權(quán)利要求22所定義的電源，其中所述多相位開關(guān)變換器包括N個(gè)變換器電源電路，N為大于1的整數(shù)，其中所述相位角為360°/N，其中所述控制器提供所述控制輸入信號(hào)，以在具有對(duì)應(yīng)變換器開關(guān)周期T的開關(guān)頻率下操作所述交錯(cuò)多相位開關(guān)變換器，其中所述變換器電源電路被單獨(dú)地脈沖寬度調(diào)制，以在長度為T的時(shí)間的對(duì)應(yīng)電源電路部分中，選擇性地從所述DC信號(hào)提供電源到所述調(diào)整信號(hào)，其中以具有至少兩個(gè)所述電源電路部分的時(shí)序重疊的所述相位角，相位移動(dòng)所述電源電路部分。
24.根據(jù)權(quán)利要求22所定義的電源，其中所述交錯(cuò)多相位開關(guān)變換器是多相位降壓變換器，其包括多個(gè)降壓變換器電源電路。
25.根據(jù)權(quán)利要求22所定義的電源，其中所述交錯(cuò)多相位開關(guān)變換器包括N個(gè)變換器電源電路，N為大于1的整數(shù)，并且其中所述相位角為360°/N。
26.根據(jù)權(quán)利要求22所定義的電源，其中所述變換器電源電路單獨(dú)具有變換器電源電路紋波電流率Ipr，并且其中所述交錯(cuò)多相位開關(guān)變換器具有低于Ipr的變換器紋波電流率Icr。
27.根據(jù)權(quán)利要求22所定義的電源，其中所述單獨(dú)變換器電源電路進(jìn)一步包括電感器，并且其中至少兩個(gè)所述變換器電源電路的所述電感器集成地纏繞在公共磁芯上。
28.根據(jù)權(quán)利要求22所定義的電源，其中所述交錯(cuò)多相位開關(guān)變換器包括并行耦合來接收所述第二DC信號(hào)的N個(gè)變換器電源電路，N為大于1的整數(shù)，其中所述變換器電源電路單獨(dú)具有變換器電路最大電流率Ip，并且其中所述交錯(cuò)多相位開關(guān)變換器具有大約為N×Ip的變換器最大電流率。
29.根據(jù)權(quán)利要求22所定義的電源，其中所述交錯(cuò)多相位開關(guān)變換器提供所述調(diào)整信號(hào)，其具有與所述多相位開關(guān)變換器的變換器電源電路數(shù)量無關(guān)的電壓。
30.一種用于電弧焊接或者切割處理的三級(jí)電源，所述電源包括接收AC輸入信號(hào)并且提供第一DC輸出信號(hào)的第一級(jí)；耦合到所述第一級(jí)來將所述第一DC輸出信號(hào)轉(zhuǎn)換成第二DC輸出信號(hào)的第二級(jí)；第三級(jí)，包括交錯(cuò)多相位開關(guān)變換器，其與所述第二級(jí)耦合以將所述第二DC輸出信號(hào)轉(zhuǎn)換成適合焊接的調(diào)整信號(hào)，所述交錯(cuò)多相位開關(guān)變換器包括多個(gè)變換器電源電路，所述變換器電源電路單獨(dú)具有電感器和帶有控制輸入的開關(guān)器件，其中至少兩個(gè)所述電感器纏繞在公共磁芯上；以及用于為每個(gè)所述變換器電源電路在不同的相位角產(chǎn)生控制輸入信號(hào)的控制器。
31.根據(jù)權(quán)利要求30所定義的三級(jí)電源，其中所述交錯(cuò)多相位開關(guān)變換器是多相位降壓變換器，并且其中所述變換器電源電路為降壓變換器電源電路。
32.根據(jù)權(quán)利要求30所定義的三級(jí)電源，其中每個(gè)電源電路的所述開關(guān)器件耦合在所述第二DC輸出信號(hào)和對(duì)應(yīng)變換器電源電路內(nèi)部節(jié)點(diǎn)之間，并且其中所述變換器電源電路單獨(dú)包括耦合在所述第二DC輸出信號(hào)與所述變換器電源電路內(nèi)部節(jié)點(diǎn)之間的整流器，以及耦合在所述變換器電源電路內(nèi)部節(jié)點(diǎn)與所述調(diào)整信號(hào)之間的電感器。
33.根據(jù)權(quán)利要求30所定義的三級(jí)電源，其中所述交錯(cuò)多相位開關(guān)變換器包括N個(gè)變換器電源電路，N為大于1的整數(shù)，并且其中所述相位角為360°/N。
34.根據(jù)權(quán)利要求30所定義的三級(jí)電源，其中所述變換器電源電路單獨(dú)具有變換器電源電路紋波電流率Ipr，并且其中所述交錯(cuò)多相位開關(guān)變換器具有低于Ipr的變換器紋波電流率Icr。
35.根據(jù)權(quán)利要求30所定義的三級(jí)電源，其中所述電源電路以相互之間相位移動(dòng)的方式操作，至少兩個(gè)所述電源電路的時(shí)序操作重疊。
36.根據(jù)權(quán)利要求35所定義的三級(jí)電源，其中所述交錯(cuò)多相位開關(guān)變換器包括并行耦合來接收所述第二DC輸出信號(hào)的N個(gè)變換器電源電路，N為大于1的整數(shù)，其中所述變換器電源電路單獨(dú)具有變換器電源電路最大電流率Ip，并且其中所述交錯(cuò)多相位開關(guān)變換器具有大約為N×Ip的變換器最大電流率。
37.根據(jù)權(quán)利要求34所定義的三級(jí)電源，其中所述交錯(cuò)多相位開關(guān)變換器包括并行耦合來接收所述第二DC輸出信號(hào)的N個(gè)變換器電源電路，N為大于1的整數(shù)，其中所述變換器電源電路單獨(dú)具有變換器電源電路最大電流率Ip，并且其中所述交錯(cuò)多相位開關(guān)變換器具有大約為N×Ip的變換器最大電流率。
38.根據(jù)權(quán)利要求33所定義的三級(jí)電源，其中所述交錯(cuò)多相位開關(guān)變換器包括并行耦合來接收所述第二DC輸出信號(hào)的N個(gè)變換器電源電路，N為大于1的整數(shù)，其中所述變換器電源電路單獨(dú)具有變換器電源電路最大電流率Ip，并且其中所述交錯(cuò)多相位開關(guān)變換器具有大約為N×Ip的變換器最大電流率。
39.根據(jù)權(quán)利要求31所定義的三級(jí)電源，其中所述交錯(cuò)多相位開關(guān)變換器包括并行耦合來接收所述第二DC輸出信號(hào)的N個(gè)變換器電源電路，N為大于1的整數(shù)，其中所述變換器電源電路單獨(dú)具有變換器電源電路最大電流率Ip，并且其中所述交錯(cuò)多相位開關(guān)變換器具有大約為N×Ip的變換器最大電流率。
40.根據(jù)權(quán)利要求30所定義的三級(jí)電源，其中所述交錯(cuò)多相位開關(guān)變換器包括并行耦合來接收所述第二DC輸出信號(hào)的N個(gè)變換器電源電路，N為大于1的整數(shù)，其中所述變換器電源電路單獨(dú)具有變換器電源電路最大電流率Ip，并且其中所述交錯(cuò)多相位開關(guān)變換器具有大約為N×Ip的變換器最大電流率。
41.一種用于電弧焊接或者切割處理的電源，所述電源包括交錯(cuò)多相位開關(guān)變換器，其包括將DC信號(hào)轉(zhuǎn)換成適合焊接的調(diào)整信號(hào)的多個(gè)并行變換器電源電路，每個(gè)所述電源電路具有帶有控制輸入的開關(guān)器件；以及用于為每個(gè)所述并行變換器電源電路產(chǎn)生控制輸入信號(hào)的控制器，其中以至少兩個(gè)所述電源電路的時(shí)序重疊操作所述電源電路。
42.根據(jù)權(quán)利要求41所定義的電源，其中所述交錯(cuò)多相位開關(guān)變換器是多相位降壓變換器，其包括多個(gè)降壓變換器電源電路。
43.根據(jù)權(quán)利要求41所定義的電源，其中所述交錯(cuò)多相位開關(guān)變換器包括N個(gè)變換器電源電路，N為大于1的整數(shù)，并且其中所述相位角為360°/N。
44.根據(jù)權(quán)利要求41所定義的電源，其中所述變換器電源電路單獨(dú)具有變換器電源電路紋波電流率Ipr，并且其中所述交錯(cuò)多相位開關(guān)變換器具有低于Ipr的變換器紋波電流率Icr。
45.根據(jù)權(quán)利要求41所定義的電源，其中所述單獨(dú)變換器電源電路進(jìn)一步包括電感器，并且其中所述至少兩個(gè)變換器電源電路的所述電感器集成地纏繞在公共磁芯上。
46.根據(jù)權(quán)利要求41所定義的電源，其中所述交錯(cuò)多相位開關(guān)變換器包括并行耦合來接收所述第二DC輸出信號(hào)的N個(gè)變換器電源電路，N為大于1的整數(shù)，其中所述變換器電源電路單獨(dú)具有變換器電源電路最大電流率Ip，并且其中所述交錯(cuò)多相位開關(guān)變換器具有大約為N×Ip的變換器最大電流率。
47.根據(jù)權(quán)利要求41所定義的電源，其中所述交錯(cuò)多相位開關(guān)變換器提供所述調(diào)整信號(hào)，其具有與所述多相位開關(guān)變換器的變換器電源電路數(shù)量無關(guān)的電壓。
48.一種用于電弧焊接或者切割處理的電源，所述電源包括包括N個(gè)并行變換器電源電路的交錯(cuò)多相位開關(guān)變換器，N為大于1的整數(shù)，所述交錯(cuò)多相位開關(guān)變換器用于將DC信號(hào)轉(zhuǎn)換成適合焊接的調(diào)整信號(hào)，所述調(diào)整信號(hào)具有與變換器電源電路數(shù)量N無關(guān)的電壓，每個(gè)所述電源電路具有帶有控制輸入的開關(guān)器件；以及用于為每個(gè)所述并行變換器電源電路在不同的相位角產(chǎn)生控制輸入信號(hào)的控制器。
49.根據(jù)權(quán)利要求48所定義的電源，其中所述相位角為360°/N，其中所述控制器提供所述控制輸入信號(hào)，以在具有對(duì)應(yīng)變換器開關(guān)周期T的開關(guān)頻率下操作所述交錯(cuò)多相位開關(guān)變換器，其中所述變換器電源電路被單獨(dú)地脈沖寬度調(diào)制以在長度為T的時(shí)間的對(duì)應(yīng)電源電路部分中，選擇性地從所述DC信號(hào)提供電源到所述調(diào)整信號(hào)，其中以具有至少兩個(gè)所述電源電路部分的時(shí)序重疊的所述相位角，相位移動(dòng)所述電源電路部分。
50.根據(jù)權(quán)利要求48所定義的電源，其中所述交錯(cuò)多相位開關(guān)變換器是多相位降壓變換器，其包括多個(gè)降壓變換器電源電路。
51.根據(jù)權(quán)利要求48所定義的電源，其中所述變換器電源電路單獨(dú)具有變換器電源電路紋波電流率Ipr，并且其中所述交錯(cuò)多相位開關(guān)變換器具有低于Ipr的變換器紋波電流率Icr。
52.根據(jù)權(quán)利要求48所定義的電源，其中所述單獨(dú)變換器電源電路進(jìn)一步包括電感器，并且其中至少兩個(gè)所述變換器電源電路的所述電感器集成地纏繞在公共磁芯上。
53.根據(jù)權(quán)利要求48所定義的電源，其中所述變換器電源電路單獨(dú)具有變換器電源電路最大電流率Ip，并且其中所述交錯(cuò)多相位開關(guān)變換器具有大約為N×Ip的變換器最大電流率。
全文摘要
揭示了用于電弧焊接或切割處理的電源，其中提供具有多個(gè)變換器電源電路的交錯(cuò)多相位開關(guān)變換器，以將DC信號(hào)轉(zhuǎn)換為適合焊接的調(diào)整信號(hào)。
文檔編號(hào)H02M3/00GK1843677SQ200610001578
公開日2006年10月11日 申請(qǐng)日期2006年1月24日 優(yōu)先權(quán)日2005年4月8日
發(fā)明者托德·E.庫克恩, 特雷莎·漆-雷繆·斯皮爾 申請(qǐng)人:林肯環(huán)球公司