专利名称：一种具有功率因数校正功能的逆变式焊割电源的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及焊割电源产品领域，具体涉及一种具有功率因数校正功能的逆变 式焊割电源。
背景技术：
逆变式焊割电源，是一种为焊接电弧或者切割电弧提供直流电压电流的逆变电源 装置。这种逆变电源装置的工作原理简单可以描述为逆变电源装置先将电网的交流电压 电流在一次侧整流后滤波成直流电压电流，然后再由逆变电路逆变成中频交流电压电流， 通过中频变压器降压，二次侧中频整流滤波后输出低压直流大电流作为焊接电压电流。因 为采用了中频逆变技术，所以目前的逆变式焊割电源都具有体积小，重量轻，效率高等特 点ο但是，目前的逆变式焊割电源的功率前级均采用二极管全桥整流，电容滤波的方 式，这种方式使得输入电流严重畸变，无功分量过多，造成电网的谐波污染，功率因数下降。 无功分量主要为高次谐波，其中三次谐波幅度约为基波幅度的95%，五次谐波幅度约为基 波幅度的70%，七次谐波幅度约为基波幅度的45%。高次谐波会对电网造成危害，使用电 设备的输入端功率因数下降，而且产生很强的电磁干扰(EMI)，对电网和其他用电设备的安 全运行造成潜在危害。目前欧、美、日等发达国家和我国都对逆变式焊割电源的谐波污染，功率因素等指 标提出了要求，颁布了相应的国家CCC标准和UL，CAS等标准。为了降低逆变式焊割电源的谐波污染，提高功率因素，可以在逆变式焊接电源的 功率前级加装功率因素矫正器。功率因素矫正器又分为无源功率因素矫正器和有源功率因 素矫正器。其中无源功率因素矫正器线路简单，成本较低，但是功率因素提升不大，难于达 到国家和国际标准要求。
实用新型内容为克服上述缺陷，本实用新型的目的即在于提供一种具有功率因数校正功能的逆 变式焊割电源。本实用新型的目的是通过以下技术方案来实现的本实用新型一种具有功率因数校正功能的逆变式焊割电源，包括输入EMC电路、 以及顺序连接的逆变电路、隔离变电电路、二次侧整流滤波电路和主控制板电路，所述主控 制板电路与所述逆变电路连接，还包括有源功率因数校正电路，所述有源功率因数校正电 路与所述输入EMC电路和所述逆变电路连接；所述有源功率因数校正电路包括整流桥和控制电路，电感，变压器，绝缘栅场效 应电力开关器件，两个快恢复二极管，两个滤波电容，两个电压采样分压电阻，电流采样电 阻，以及两个电阻和三个电容；所述整流桥的一端分为两支路，一路通过第一电阻接入控制电路芯片的第七引脚，另一端接入变压器；变压器的二次侧绕组通过第一快恢复二极管接入控制电路芯片的 第七引脚，变压器的一次侧绕组接入电感；电路在电感的另一端分两路，一路与绝缘栅场效 应电力开关器件接入控制电路芯片的第六引脚，另一路接入第二快恢复二极管；电路在第 二快恢复二极管的另一端分两路，一路接入滤波电容的一端，另一路接入第一电压采样分 压电阻，电路在第一电压采样分压电阻的另一端分为三支路，第一路接入第二电压采样分 压电阻的一端，第二路接入控制电路芯片的第一引脚，第三路通过第一电容接入控制电路 芯片的第八引脚；整流桥的另一端分两支路，一路接入控制电路芯片的第二引脚，另一路接 入电流采样电阻；电路在电流采样电阻的另一端分为七支路，第一支路通过第二电容接入 控制电路芯片的第七引脚，第二支路通过第二电阻接入控制电路芯片的第三引脚，第三支 路通过第三电容接入控制电路芯片的第四引脚，第四支路接入控制电路芯片的第五引脚， 第五支路接入绝缘栅场效应电力开关器件的另一端，第六支路接入第二电压采样分压电阻 的另一端，第七支路接入滤波电容的另一端，所述控制电路芯片的第五引脚接地。进一步，所述输入EMC电路由电源开关，与该电源开关连接的共模滤波电感，分别 连接在该共模滤波电感两端的第一、第二差模滤波电容，分别连接在第一差模滤波电容两 端的第一、第二共模滤波电容和分别连接在第二差模滤波电容两端的第三、第四共模滤波 电容。进一步，所述的二次侧整流滤波电路包括与隔离变电电路中的隔离变压器二次 侧绕组连接的第一、第二快恢复整流二极管，与该第一、第二快恢复整流二极管连接的滤波 电感，串接在第一快恢复整流二极管两端的第一阻容吸收电阻和第一阻容吸收电容，以及 串接在第二恢复整流二极管两端的第二阻容吸收电阻和第二阻容吸收电容。进一步，所述主控制板电路由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，以及相应的辅助电路构成。本实用新型要解决的问题是采用一种简单独特的有源功率因数校正电路(Boost PFC)，可将电源的输入电流变换为与输入电网同相位的正弦波，从而提高逆变式焊割电源 设备的功率因数，减少对电网的谐波污染，采用电流型控制，功率因数值高，总谐波失真小， 效率高。同时，还能输出高于电网电压的直流稳定电压。允许电网的输入电压范围扩大，使 得本逆变式焊割电源的电网适应性增强。
为了易于说明，本实用新型由下述的较佳实施例及附图作以详细描述。图1是本实用新型的电路工作流程示意图；图2是本实用新型的电路原理示意图；图3是本实用新型中的主控制板电路的电路原理示意图。
具体实施方式
为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，
以下结合附图及实施 例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释 本实用新型，并不用于限定本实用新型。请参阅图1和图2，本实用新型一种具有功率因数校正功能的逆变式焊割电源，包
4括输入EMC电路1、以及顺序连接的逆变电路3、隔离变电电路4、二次侧整流滤波电路5和 主控制板电路6，所述主控制板电路6与所述逆变电路3连接，还包括有源功率因数校正 电路2，所述有源功率因数校正电路2与所述输入EMC电路1和所述逆变电路3连接；所述有源功率因数校正电路包括整流桥BRl和控制电路TO，电感L2，变压器T4， 绝缘栅场效应电力开关器件Q5，两个快恢复二极管D12、D13，滤波电容C33，两个电压采样 分压电阻R41、R42，电流采样电阻R39，以及两个电阻R38、R40和三个电容C29、C31、C32 ；所述整流桥BRl的一端分为两支路，一路通过第一电阻R38接入控制电路芯片U5 的第七引脚，另一端接入变压器T4 ；变压器T4的二次侧绕组通过第一快恢复二极管D13接 入控制电路芯片U5的第七引脚，变压器T4的一次侧绕组接入电感L2 ；电路在电感L2的另 一端分两路，一路与绝缘栅场效应电力开关器件Q5接入控制电路芯片U5的第六引脚，另一 路接入第二快恢复二极管D12 ；电路在第二快恢复二极管D12的另一端分两路，一路接入滤 波电容C33的一端，另一路接入第一电压采样分压电阻R41，电路在第一电压采样分压电阻 R41的另一端分为三支路，第一路接入第二电压采样分压电阻R42的一端，第二路接入控制 电路芯片TO的第一引脚，第三路通过第一电容C32接入控制电路芯片TO的第八引脚；整流 桥BRl的另一端分两支路，一路接入控制电路芯片U5的第二引脚，另一路接入电流采样电 阻R39 ；电路在电流采样电阻R39的另一端分为七支路，第一支路通过第二电容以9接入控 制电路芯片U5的第七引脚，第二支路通过第二电阻R40接入控制电路芯片TO的第三引脚， 第三支路通过第三电容C31接入控制电路芯片U5的第四引脚，第四支路接入控制电路芯片 U5的第五引脚，第五支路接入绝缘栅场效应电力开关器件Q5的另一端，第六支路接入第二 电压采样分压电阻R42的另一端，第七支路接入滤波电容C33的另一端，所述控制电路芯片 TO的第五引脚接地。输入EMC电路1由电源开关Si，差模滤波电容C23和C24，共模滤波电容C25，C26， C27，C28以及共模滤波电感Ll组成。电网干扰信号通过上述滤波器的滤除，使得本焊割电 源免受外界电磁干扰，提高稳定性；同样，本焊割电源产生的电磁干扰信号会也会被上述滤 波器滤除，使得本焊割电源不会对外界产生电磁干扰，提高其他设备的稳定性。有源功率因数校正电路2由整流桥BRl和控制电路TO，电感L2，变压器T4，绝缘 栅场效应电力开关器件Q5，快恢复二极管D12，D13，滤波电容C33，C34，电压采样分压电阻 R41，R42组成，电流采样电阻R39，以及电阻R38，R40,电容C29，C31，C32等组成。逆变电路3由四组绝缘栅场效应电力开关器件Ql，Q2，Q3，Q4桥接而成，R43、R44、 R45、R46分别为四组绝缘栅场效应电力开关器件的栅极串联驱动电阻。而R47和C35 ；R48 和C36 ；R49和C37 ；R50和C38分别为四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。主控制板电路插座Al和A2输出的四路PWM信号分别有序的送到四组绝缘栅场效 应电力开关器件Ql, Q2，Q3，Q4上，让其按Ql和Q4 ；Q2和Q3分别同时导通，而Ql和Q2 ；Q3 和Q4相位相差180°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的一次侧绕组。隔离变电电路4由具有一次侧绕组和二次侧绕组的隔离变压器T5担当，隔离变压 器T5 —次侧绕组一头接逆变桥的桥臂中点，另一头穿过一次侧绕组电流互感器T6后接逆变桥的桥臂另一中点；其二次侧绕组接到二次侧整流滤波电路5，二次侧整流滤波电路5为 一具有中心抽头的全波整流电路。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D14，D15滤波电感L3以及阻容吸收 电阻R51，R52和阻容吸收电容C39，C40等组成。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，以及相应的辅助电路等构成。请参看图3，本实用新型的主控制板电路6的结构原理如下1，从变压器T3次级双19V绕组通过插座A3引进主控制板，通过整流二极管D10， Dll整流后C19滤波，再经过三端稳压集成电路U3(LM7815)，U4(LM7805)稳压。分别输出 +15V，+5V直流电压，这组电压为主控制板电流反馈和PWM调制等电路以及数字电流表供 H1^ ο，电阻R35，R37和电容C22组成焊割电流显示电路。，由电流调节电位器RT2，RT3，以及电位器RTl，电阻RM组成电流给定电路，R31 组成电流反馈电路。集成电路U2C和电阻R29，R30稳压二极管ZDl，电容C16等组成误差 放大器，电阻R28，R25电容C14等组成分压和滤波电路。，集成电路Ul，U2A和U2B组成了欠压保护和电流型P丽电路，其中，集成电路U2A 及其周围元件组成欠压保护电路，集成电路U2B及其周围电路组成斜波补偿电路。快恢复 二极管D5，D6，D7，D8和采样电阻R32以及高频滤波电容C17等组成逆变电路一次侧中频 交流电流脉冲波形采样、整流、高频滤波电路。，MOSFET管Ml，M2, M3, M4和其对应的驱动电阻R15，R17, R16, R18，脉冲变压器 Tl，T2组成脉冲放大和隔离电路，由快恢复二极管D2，D3，D4，D9 ；电容C4，C5，Cll，C12 ；电 阻R9，RlO，Rl 1，R19，R20, R21，R22，R36等组成驱动脉冲脉冲上升沿下降沿整形处理电路。，由快恢复二极管D5，D6，D7，D8和采样电阻R33以及平滑滤波电容C18等组成输 出电流采样、整流、平滑滤波电路，电阻R31构成焊割电流负反馈电路。在本实用新型中，电流给定和电流负反馈功能以及电流型PWM调制和输出功能的 实现过程具体如下由RT2和RT3给出的焊割电流给定信号电压一路通过电阻R35，R37分压，电容C22 滤波后送到数字显示表DGMl上，作为焊割电流的显示。插座A6外连接的电流互感器T6为一中心抽头的中频脉冲变压器，T6取到的一次 侧中频电流脉冲信号，通过快恢复二极管D5，D6，D7，D8整流，R33比例采样，C18平滑滤波 后得到一个负数值的电压信号，这个信号的值和焊割电源输出电流的值是成正比的。将这 个电压信号作为电流反馈信号，通过电阻R31送到误差比较点A点。电流给定电压信号通 过R34和RTl，也送到误差比较点A点，电流反馈信号和电流给定信号两信号在比较点A点 进行比较，其结果通过集成电路U2C，C16，R29，R30, ZDl等组成的PI调节器放大处理后通 过似8和R25分压，C14高频滤波后送到集成电路Ul的5脚。这样就实现了电流给定和电 流负反馈的功能。同样，由插座A6外连接的电流互感器T4取到的一次侧电流脉冲信号经过快恢复 二极管D5，D6，D7，D8整流，经采样电阻R32以及高频滤波电容C17后得到的反应一次侧电 流大小的直流脉冲电压信号，此信号一路由R7送至集成电路Ul的16脚，构成过流保护电路。当一次侧逆变电流异常增大集成电路Ul的16脚会得到一个较高电压，集成电路Ul内 部立即封锁脉冲信号，使电源停止输出。另一路经R27送到集成电路Ul的4脚，同时U2B 将集成电路Ul的8脚的锯齿波信号射随后通过R12，R23，C7，C13组成的阻容网络后，也送 到集成电路Ul的4脚，用来为一次测电流的直流脉冲电压信号作斜波补偿。两信号合成后 与集成电路Ul的5脚送来的误差信号在集成电路Ul内部进行比较，得到PWM信号，通过死 区形成，分频锁相后从集成电路Ul的14脚和11脚输出相位相差180°，且具有一定死区时 间的PWM信号。在本实用新型中，焊割电源超温保护电路的实现过程具体如下焊割电源使用的绝缘栅型电力开关半导体工作时都会产生热损耗，会使半导体自 身和其散热器的温度升高，而半导体的工作温度有一定范围，超出范围会损坏半导体器件。 插座A6外连接一只常开温度继电器TSl。当温度正常时，温度继电器TSl是断开的B点电 位不受影响，可正常焊割；当温度超高时，温度继电器TSl闭合，B点被接地，电位变为零焊 割电源停止输出，从而起到过热保护的效果。温度继电器TSl安放在绝缘栅场效应电力开 关器件Ql，Q2，Q3，Q4和Q5所在的散热器最热处的表面上。在本实用新型中，有源功率因数校正电路的实现过程具体如下电网电压通过开关Sl和后面的EMC滤波电路以后，送到整流桥BRl的交流端和后 级的有源功率因数校正电路。有源功率因数校正电路由整流桥BRl和Boost PFC控制电 路U5，电感L2，变压器T4，绝缘栅场效应电力开关器件Q5，快恢复二极管D12，D13，滤波电 容C33，C34，电压采样分压电阻R41，R42组成，电流采样电阻R39，以及电阻R38，R40,电容 C29, C31, C32 等组成。其工作原理是当打开电源开关Sl后，整流桥BRl正端的直流电压就会通过启动 电阻R38对电容以9充电，当电压达到U5启动电压时，U5将输出PWM脉冲信号，驱动绝缘 栅场效应电力开关器件Q5，绝缘栅场效应电力开关器件Q5导通时，电感L2储能，而Q5关断 时，电感L2通过D12对逆变电路供电和对逆变电路储能电容C33和C34充电。变压器T4 的二次侧绕组会感应出相应电压，经过快恢复二极管D13会正流出直流电压，并存储于电 容以9上，为Boost PFC控制电路U5持续供电。电阻R40和电容C31为PWM脉冲的定时电 阻电容。有源功率因数校正电路的输出电压经过电阻R41，R42的分压后，作为电压反馈信 号送到Boost PFC控制电路U5的1脚，经过内部电路积分放大后去和U5的2脚取得的脉 冲电流信号进行比较，经过分频，锁相等处理后从U5的6脚输出PWM驱动信号去开通和关 断绝缘栅场效应电力开关器件Q5。其中R39为脉冲电流信号采样电阻。这样，流过开关Sl 的电流波形就变成了正弦波，谐波分量大大减少，功率因素得到矫正提高。以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本 实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型 的保护范围之内。
权利要求1.一种具有功率因数校正功能的逆变式焊割电源，包括输入EMC电路、以及顺序连接 的逆变电路、隔离变电电路、二次侧整流滤波电路和主控制板电路，所述主控制板电路与所 述逆变电路连接，其特征在于，还包括有源功率因数校正电路，所述有源功率因数校正电 路与所述输入EMC电路和所述逆变电路连接；所述有源功率因数校正电路包括整流桥和控制电路，电感，变压器，绝缘栅场效应电 力开关器件，两个快恢复二极管，两个滤波电容，两个电压采样分压电阻，电流采样电阻，以 及两个电阻和三个电容；所述整流桥的一端分为两支路，一路通过第一电阻接入控制电路芯片的第七引脚，另 一端接入变压器；变压器的二次侧绕组通过第一快恢复二极管接入控制电路芯片的第七引 脚，变压器的一次侧绕组接入电感；电路在电感的另一端分两路，一路与绝缘栅场效应电力 开关器件接入控制电路芯片的第六引脚，另一路接入第二快恢复二极管；电路在第二快恢 复二极管的另一端分两路，一路接入滤波电容的一端，另一路接入第一电压采样分压电阻， 电路在第一电压采样分压电阻的另一端分为三支路，第一路接入第二电压采样分压电阻的 一端，第二路接入控制电路芯片的第一引脚，第三路通过第一电容接入控制电路芯片的第 八引脚；整流桥的另一端分两支路，一路接入控制电路芯片的第二引脚，另一路接入电流 采样电阻；电路在电流采样电阻的另一端分为七支路，第一支路通过第二电容接入控制电 路芯片的第七引脚，第二支路通过第二电阻接入控制电路芯片的第三引脚，第三支路通过 第三电容接入控制电路芯片的第四引脚，第四支路接入控制电路芯片的第五引脚，第五支 路接入绝缘栅场效应电力开关器件的另一端，第六支路接入第二电压采样分压电阻的另一 端，第七支路接入滤波电容的另一端，所述控制电路芯片的第五引脚接地。
2.根据权利要求1所述的具有功率因数校正功能的逆变式焊割电源，其特征在于，所 述输入EMC电路由电源开关，与该电源开关连接的共模滤波电感，分别连接在该共模滤波 电感两端的第一、第二差模滤波电容，分别连接在第一差模滤波电容两端的第一、第二共模 滤波电容和分别连接在第二差模滤波电容两端的第三、第四共模滤波电容。
3.根据权利要求2所述的具有功率因数校正功能的逆变式焊割电源，其特征在于，所 述的二次侧整流滤波电路包括与隔离变电电路中的隔离变压器二次侧绕组连接的第一、 第二快恢复整流二极管，与该第一、第二快恢复整流二极管连接的滤波电感，串接在第一快 恢复整流二极管两端的第一阻容吸收电阻和第一阻容吸收电容，以及串接在第二恢复整流 二极管两端的第二阻容吸收电阻和第二阻容吸收电容。
专利摘要本实用新型涉及焊割电源产品领域，具体涉及一种具有功率因数校正功能的逆变式焊割电源。本实用新型主要包括输入EMC电路、以及顺序连接的逆变电路、隔离变电电路、二次侧整流滤波电路和主控制板电路，所述主控制板电路与所述逆变电路连接，还包括有源功率因数校正电路，所述有源功率因数校正电路与所述输入EMC电路和所述逆变电路连接。本实用新型提高逆变式焊割电源设备的功率因数，减少对电网的谐波污染，采用电流型控制，功率因数值高，总谐波失真小，效率高。同时，还能输出高于电网电压的直流稳定电压。允许电网的输入电压范围扩大，使得本逆变式焊割电源的电网适应性增强。
文档编号H02H5/04GK201878036SQ201020607839
公开日2011年6月22日 申请日期2010年11月16日 优先权日2010年11月16日
发明者吴月涛, 杨振文 申请人:深圳华意隆电气股份有限公司