专利名称：一种降低等离子切割机空载电压的移相全桥变换器及方法
技术领域：
本发明涉及一种等离子切割机技术领域，尤其涉及一种降低等离子切割机空载电压的移相全桥变换器及方法。
背景技术：
等离子是加热到极高温度并被高度电离的气体，它将电弧功率将转移到工件上， 高热使工件融化并被吹掉，形成等离子弧切割的工作状态。压缩空气进入割炬后由气室分配两路，即形成等离子气体及辅助气体。等离子气体弧融化金属作用，而辅助气体则冷却割炬的各个部件并吹掉已熔化的金属。
等离子切割机是现代工业的常用工具。例如在定制汽车车间以及汽车制造商定制底盘和车身制造等方面都有大规模的应用，建筑公司在大规模的工程中应用等离子切割机，用于切割和制造大型的横梁和金属板件。
等离子切割设备的切割工艺参数直接影响切割过程的稳定性、切割质量和效果。 其中对等离子切割设备影响最大的工艺参数为空载电压和弧柱电压。等离子切割电压有足够高的空载电压，才能容易引弧和使等离子弧稳定燃烧。空载电压一般为120-600V，而弧柱电压一般为空载电压的一半。
图1是现有技术中所使用的等离子切割机的电路结构示意图。如图1中所示，现有技术中采用的是零电压开关(Zero VoltageSwitching, ZVS) PWM全桥变换结构，由于谐振电感和输出整流二极管结电容谐振而引起的输出整流二极管(DR1、DR2)上的电压尖峰， 使得输出整流二极管的电压应力增大，空载电压过高。这将带来电路损耗，降低输出整流二极管的使用寿命。
因此，现有技术中急需要一种新的等离子切割机，能消除输出整流二极管上的电压尖峰。从而降低离子切割机空载电压。发明内容
为了克服现有技术中存在的缺陷，本发明提供降低等离子切割机空载电压的移相全桥变换器及方法，该移相全桥变换器及方法能消除输出整流二极管上的电压尖峰，从而降低离子切割机空载电压。
为了实现上述发明目的，本发明公开一种降低空载电压的移相全桥变换器，其特征在于，包括第一桥臂、第二桥臂、谐振电感、变压器以及输出整流二极管，该第二桥臂与两个钳位二极管连接，用于消除由谐振电感和输出整流二极管结电容谐振而引起的输出整流二极管上的电压尖峰，该谐振电感与该两个钳位二极管之间串联一电阻。
更进一步地，该第一桥臂包括晶体管Ql和晶体管Q2，该晶体管Ql与一寄生电容 Cl连接，该晶体管Q2与一寄生电容C2连接；该第二桥臂包括晶体管Q3和晶体管Q4，该晶体管Q3与一寄生电容C3连接，该晶体管Q4与一寄生电容C4连接。该Ql和Q3分别超前于Q4和Q2 —个相位。
更进一步地，该第二桥臂与该变压器的原边之间还连接一隔直电容Cb。
本发明同时公开一种降低空载电压的等离子切割机，其特征在于，该等离子切割机使用如上文任一项所述的移相全桥变换器。
本发明同时一种降低等离子切割机空载电压的方法，使用一移相全桥变换器，该移相全桥变换器包括第一桥臂、第二桥臂、谐振电感、变压器以及输出整流二极管，在该第二桥臂上连接两个钳位二极管连接，用于消除由谐振电感和输出整流二极管结电容谐振而引起的输出整流二极管上的电压尖峰，在该谐振电感与该两个钳位二极管之间串联一电阻。
更进一步地，该第一桥臂包括晶体管Ql和晶体管Q2，该晶体管Ql与一寄生电容 Cl连接，该晶体管Q2与一寄生电容C2连接；该第二桥臂包括晶体管Q3和晶体管Q4，该晶体管Q3与一寄生电容C3连接，该晶体管Q4与一寄生电容C4连接。该Ql和Q3分别超前于Q4和Q2 —个相位。
更进一步地，该第二桥臂与该变压器的原边之间还连接一隔直电容Cb。
与现有技术相比较，本发明所提供的移相全桥变换器及方法，通过将电感Lr中的能量通过电阻R1、钳位二极管Dl、D2反馈到主电路中去，降低输出整流二极管上的尖峰电压，从而降低输出空载电压，提高了变换效率。
关于本发明的优点与精神可以通过以下的发明详述及所附图式得到进一步的了解。
图1是现有技术中所使用的等离子切割机的电路结构示意图； 图2是本发明所涉及的等离子切割机的电路结构示意图；图3是输入输出参数均相同的情况下的电压波形对比图。
具体实施方式
下面结合附图详细说明本发明的具体实施例。
现有技术中通常所使用的等离子切割机如图1中所示。现有技术中所使用的等离子切割机采用移相全桥零电压开关PWM变换器(PS-FB- ZVS-PWM converter)利用变压器的漏感或原边串联电感和功率管的寄生电容或外接电容来实现零电压开关，同时又实现了 PWM控制。但是，传统的移相全桥变换器输出整流二极管(DR1、DR2)不是工作在硬开关状态，存在反向恢复过程。在输出整流二极管(DR1、DR2)反向恢复时，由于变压器TR的漏感(或附加的谐振电感Lr)和整流二极管(DR1、DR2)的结电容以及变压器TR的绕组电容之间发生高频谐振，整流桥产生寄生振荡，整流二极管(DR1、DR2)上存在很高的尖峰电压。 这将带来电路损耗，降低输出整流二极管(DR1、DR2)的使用寿命。因此，必须采用有效的缓冲电路来抑制寄生振荡，消除输出整流二极管上的尖峰电压。
本发明所提供的等离子切割机的电路结构示意图如图2中所示。本发明同样采用了全桥移相软开关结构。电压输入端VIN与晶体管Ql、Q2、Q3和Q4连接，QU Q2、Q3和Q4 组成一全桥移相软开关，Cf C4分别是Qf Q4的寄生电容或者外接电容。Lr是谐振电感(包括了变压器的漏感)，Cb是隔直电容。每个桥臂两个开关管成180°互补导通，两个桥臂导通角相差一个相位，即移相角，通过调节移相角可以调节输出电流。Ql和Q3分别超前于 Q4和Q2 —个相位，Ql和Q3组成超前桥臂，Q2和Q4组成滞后桥臂。
现有技术中所使用的移相全桥变换器输出整流二极管不是工作在硬开关状态，存在反向恢复过程。在输出整流二极管反向恢复时，由于变压器的漏感(或附加的谐振电感 Lr)和整流二极管(DR1、DR2)的结电容以及变压器的绕组电容之间发生高频谐振，整流桥产生寄生振荡，整流二极管(DR1、DR2)上存在很高的尖峰电压。这将带来电路损耗，缩短输出整流二极管(DR1、DR2)的寿命。因此，必须采用有效的缓冲电路来抑制寄生振荡，消除输出整流二极管(DR1、DR2)上的尖峰电压。现有技术中采用在输出整流二极管(DR1、DR2)的两端加电阻(R2、R3)和电容(C5、C6)吸收输出整流二极管(DRl、DR2)的尖峰电压，进而降低输出空载电压。但是现有技术使用的该技术手段具有损耗，会导致变换效率降低。
如图2中所示，本发明与现有技术最大的区别在于增加了两个钳位二极管Dl和 D2，其中钳位二极管Dl与晶体管Q2连接，钳位二极管D2与晶体管Q4连接。钳位二极管Dl 和D2的左右在于消除由谐振电感Lr和输出整流二极管(DR1、DR2)结电容谐振而引起的输出整流二极管(DR1、DR2)上的电压尖峰，降低了输出整流二极管(DR1、DR2)的电压应力，同时还省去了有损吸收电路，提高了变换效率，降低了空载电压。
在重载情况下，当钳位二极管Dl或D2导通时，谐振电感Lr被短路，其电流保持不变，在谐振电感、开关管和钳位二极管中产生较大的导通损耗；而当负载减轻至一定程度时，钳位二极管工作在硬关断状态，不但产生较大的反向恢复损耗，甚至会损坏钳位二极管。
针对此问题，本专利提出在饱和电感到钳位二极管之间串电阻Rl的全桥变换器。 在电感Lr和钳位二极管(Dl或D2)之间直接串联一电阻R1。这样，该全桥变换器在任意负载下均可以使钳位二极管(Dl或D2)电流快速复位到零，不但可以减小变换器原边的导通损耗，提高变换效率，同时还可避免钳位二极管(Dl或D2)的硬关断，提高变换器的可靠性。 降低了机器空载电压。
如图3中所示，图3是输入输出参数均相同的情况下的电压波形对比图。如图3 为输入输出参数均相同的情况下，两者输出二极管Drl或者Dr2两端的电压波形对比图。a 图为未加箝位二极管和电阻，b图是加上箝位二极管和电阻。可以明显看出，未加箝位二极管和电阻时，寄生振荡非常剧烈，电压尖峰很高；而加箝位二极管后，振荡衰减了很多，电压尖峰也小了许多。从而降低空载电压。
与现有技术相比较，本发明通过将电感Lr中的能量通过Rl、Dl、D2反馈到主电路中去，降低输出整流二极管上的尖峰电压，从而降低输出空载电压，提高了变换效率。本说明书中所述的只是本发明的较佳具体实施例，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对本发明的限制。凡本领域技术人员依本发明的构思通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在本发明的范围之内。
权利要求
1.一种降低空载电压的移相全桥变换器，其特征在于，包括第一桥臂、第二桥臂、谐振电感、变压器以及输出整流二极管，所述第二桥臂与两个钳位二极管连接，用于消除由谐振电感和输出整流二极管结电容谐振而引起的输出整流二极管上的电压尖峰，所述谐振电感与所述两个钳位二极管之间串联一电阻。
2.如权利要求1所述的移相全桥变换器，其特征在于，所述第一桥臂包括晶体管Ql和晶体管Q2，所述晶体管Ql与一寄生电容Cl连接，所述晶体管Q2与一寄生电容C2连接；所述第二桥臂包括晶体管Q3和晶体管Q4，所述晶体管Q3与一寄生电容C3连接，所述晶体管Q4与一寄生电容C4连接。
3.如权利要求2所述的移相全桥变换器，其特征在于，所述Ql和Q3分别超前于Q4和Q2 —个相位。
4.如权利要求1所述的移相全桥变换器，其特征在于，所述第二桥臂与所述变压器的原边之间还连接一隔直电容Cb。
5.一种降低空载电压的等离子切割机，其特征在于，所述等离子切割机使用如权利要求1至4任一项所述的移相全桥变换器。
6.一种降低等离子切割机空载电压的方法，其特征在于，使用一移相全桥变换器，所述移相全桥变换器包括第一桥臂、第二桥臂、谐振电感、变压器以及输出整流二极管，在所述第二桥臂上连接两个钳位二极管连接，用于消除由谐振电感和输出整流二极管结电容谐振而引起的输出整流二极管上的电压尖峰，在所述谐振电感与所述两个钳位二极管之间串联一电阻。
7.如权利要求6所述的降低等离子切割机空载电压的方法，其特征在于，所述第一桥臂包括晶体管Ql和晶体管Q2，所述晶体管Ql与一寄生电容Cl连接，所述晶体管Q2与一寄生电容C2连接；所述第二桥臂包括晶体管Q3和晶体管Q4，所述晶体管Q3与一寄生电容C3连接，所述晶体管Q4与一寄生电容C4连接。
8.如权利要求7所述的降低等离子切割机空载电压的方法，其特征在于，所述Ql和Q3分别超前于Q4和Q2 —个相位。
9.如权利要求7所述的降低等离子切割机空载电压的方法，其特征在于，所述第二桥臂与所述变压器的原边之间还连接一隔直电容Cb。
全文摘要
本发明公开一种降低空载电压的移相全桥变换器，其特征在于，包括第一桥臂、第二桥臂、谐振电感、变压器以及输出整流二极管，该第二桥臂与两个钳位二极管连接，用于消除由谐振电感和输出整流二极管结电容谐振而引起的输出整流二极管上的电压尖峰，该谐振电感与该两个钳位二极管之间串联一电阻。本发明同时公开一种降低空载电压的等离子切割机以及一种降低等离子切割机空载电压的方法。
文档编号H02M1/14GK102570835SQ20121003076
公开日2012年7月11日 申请日期2012年2月13日 优先权日2012年2月13日
发明者尤志春, 张辉 申请人:上海威特力焊接设备制造股份有限公司