应用电弧的装置的电源装置 【技术领域】
本发明涉及应用电弧的装置比如直流电弧焊机、直流电弧切割机和放电管点火器件的电源装置，更具体地说，涉及能够由许多不同值的交流电压源中的一种运行的装置。
背景技术
应用电弧地装置的电源装置有时需要应用输送例如大约400伏特的电压的高压商用交流电源或提供例如大约200伏特的电压的低压商用交流电源。
已有提供例如200伏特、208伏特、230伏特和240伏特的输出电压的许多低压商用交流电源。此外，还有提供例如380伏特、400伏特、415伏特、440伏特和460伏特的输出电压的许多高压商用交流电源。在使用高压商用交流电源的地方和低压商用交流电源的地方在有些地区混合使用。在这个地区中，使用者必须非常仔细地确定合适的电源装置。
电源装置制造商也必需制造高压电源装置和低压电源装置这两种电源装置并储备它们。分销处也必需储备这两种电源装置。从制造成本和储备空间考虑这对于制造商和分销处都是负担。
因此人们一致渴望一种能够由高压和低压电源之任一运行的电源装置。这种电源装置的一种实例公开在日本专利申请HEI 11-77302(A)(1999年3月23日公开审查)中。在附图1中示出了与这种已有技术类似的电路。通过开关装置2将施加到输入端子1a、1b和1c的商用交流电源耦合到输入侧整流器4进行整流。从输入侧整流器4中输出的经整流的电压在升压转换器8中升压，该升压转换器8包括电抗器10、IGBT12、电流检测器14和反向电流阻塞二极管16。在升压转换器8的输出端P和N之间得到经升压的电压。
开关单元18连接在输出端P和N之间，该开关单元18可以包括常开开关20a、常闭开关20b和常开开关20c。通过适当地打开和关闭这些开关20a-20c，将滤波电容器22和24串联或并联在输出端P和N之间。
变换器30和40分别连接在滤波电容器22和24上。变换器30是由IGBT32a和32b、电容器34a和34b和续流二极管36a和36b形成的半桥型变换器。类似地，变换器40是由IGBT42a和42b、电容器44a和44b和续流二极管46a和46b形成的半桥型变换器。变换器30和40产生高频电压作为它们的输出电压，将这些输出电压分别施加到变压器50和52中。
将经变压的电压分别施加到输出侧整流器54和56，在整流器中进行整流，该输出侧整流器54和56分别由二极管54a和54b和二极管56a和56b形成。经整流的电压相结合并在输出到在电源装置的输出端60P和60N之间之前在滤波电抗器58中进行滤波。将在输出端60P和60N之间所形成的电压施加到负载。
通过电流检测器(CD)62检测流经负载的电流，根据表示所检测的负载电流的电流表示信号控制器64控制IGBT32a，32b，42a和42b的导通周期，由此保持负载电流恒定。
开关控制单元66控制开关单元18。当它检测到高压商用交流电源连接到该装置的输入时，开关控制单元66检测在输入端1a和1b之间的电压，并打开常开开关20a和20c，同时关闭常闭开关20b。这使电容器22和24串联在端子P和N之间。如果连接在该装置的输入上的电源是低压商用交流电源，则开关控制单元66关闭常开开关20a和20c，并打开常闭开关20b，这就使电容器22和24并联连接在端子P和N之间。
通过转换器控制单元68控制电压升压转换器8。与更高的商用交流电源相关的参考信号源70a通过常闭开关20e连接到转换器控制单元68，与更低的商用交流电源相关的参考信号源70b通过常开开关20d连接到转换器控制单元68。开关控制单元66也控制开关20e和20d。
通过电压检测器26检测在输出端P和N之间的电压，电压检测器26产生代表所检测的电压的电压表示信号。将电压表示信号施加到转换器控制单元68。
当一种高压商用交流电源连接到输入端1a-1c，开关控制单元66分别使常闭开关20e和常开开关20d保持常闭和常开。然后，根据来自电压检测器26的电压表示信号和由参考信号源70a所提供的参考信号转换器控制单元68控制电压升压转换器8，以在输出端P和N之间产生大约640伏特(等于伏特)的电压。460伏特的电压是高压电源电压中最高的一种。由于在将高压施加到该装置时，常开开关20a和20c打开，而常闭开关20b关闭，电容器22和24串联，因此施加到每个变换器30和40的电压大约是320伏特。
转换器控制单元68也根据来自电流检测器14的电流表示信号控制升压转换器8，以提高功率因素。
当一种低压商用交流电源连接到输入端1a-1c，开关控制单元66打开常闭开关20e并关闭常开开关20d。然后，根据来自电压检测器26的电压表示信号和由参考信号源70b所提供的参考信号转换器控制单元68控制电压升压转换器8，以在输出端P和N之间产生大约320伏特的电压。由于常开开关20a和20c关闭，而常闭开关20b打开，电容器22和24彼此并联，因此施加到每个变换器30和40的电压大约是320伏特。在这种情况下，也通过升压转换器8提高功率因素。
如上文所述，不管是将高压商用交流电源还是低压商用交流电源连接到输入端1a-1c，施加到每个变换器30和40的电压都是大约320伏特。因此，作为变换器30和40的IGBT32a、32b、42a和42b，可以使用能够抗集电极-发射极电压例如为600伏特的通用IGBT。
然而，由于升压转换器8的IGBT12可以接收高达640伏特的电压，因此必须使用能够耐1200伏特或更高的电压的集电极-发射极的IGBT。此外，应用单个升压转换器8来给两个变换器30和40提供电流，当它接通和切断时较大的电流流经IGBT12。因此，IGBT12必需是更大容量的IGBT。因此，如在变换器30和40中所使用的通用IGBT不能用作IGBT12。
【发明内容】
本发明的一个目的是提供一种具有升压转换器的电源装置，该升压转换器使用通用的半导体开关器件。
根据本发明，和应用电弧的装置一起使用的电源装置具有适合于连接到在第一和第二组中的的商用交流电源中的一种电源的输入端。第一和第二组商用交流电源中的每种商用交流电源都包括提供不同幅值的输出电压的许多电源。第一组商用交流电源的输出电压的幅值大约是第二组商用交流电源的输出电压的两倍。
整流器对施加到输入端的商用交流电压进行整流并在两个整流器输出端之间产生经整流的电压。开关单元彼此串联或并联地连接在两个整流输出端之间的两个升压转换器。一种直流到高频转换器连接在每个升压转换器的输出中，以将施加到其中的电压转换为高频电压。
将来自每个直流高频转换器的高频电压施加到变压器的初级侧。在高频到直流转换器中在变压器的次级侧中所感应的高频电压转换为直流电压，并在两负载输出端之间形成所得的直流电压。
当连接到输入端的商用交流电源是第一组中的一种电源时，开关控制单元控制开关单元以将升压转换器串联在整流器输出端之间。如果连接到输入端的商用交流电源属于第二组，开关控制单元控制开关单元以将升压转换器并联在整流器输出端之间。
应用上述结构，不管升压转换器串联还是并联连接，施加到每个升压转换器的最高电压都大约是由第一组的商用交流电源所提供的电压中的最高的一种电压的一半。因此，每个升压转换器的半导体开关器件都要求经受比已有的装置更低的电压。
控制装置控制两个升压转换器以将基本相等的直流电压提供给相关的直流到高频转换器，而不管连接到该装置的输入端的商用交流电源是第一组中的电源还是第二组中的电源。
因此，如果直流到高频转换器包括半导体开关器件，它足够用于半导体开关器件经受从相关的升压转换器输送的直流电压。
该控制装置控制相应的升压转换器以使它们给相关的直流到高频转换器输送对由第一组的商用交流电源所输送的电压的最高的一种电压进行整流所得的电压的一半。
应用上述这种结构，升压转换器的半导体开关器件仅需要耐由第一组商用交流电源所输送的商用交流电压的最高电压的一半电压。因此，不需要应用特别设计的耐高压的半导体开关器件，而是可以应用通用的半导体开关器件。
附图概述
附图1所示为适合于与应用电弧的装置一起使用的已有的电源装置的电路图；
附图2所示为根据本发明的一个实施例适合于与应用电弧的装置一起使用的电源装置的电路图；以及
附图3所示为在附图2中所示的电源装置的开关控制单元的电路图。
优选实施例的详细描述
根据本发明的一个实施例的电源装置例如可以用于电弧焊机。如附图2所示，电源装置具有电源输入端101a，101b和101c，这些电源输入端适合于连接到第一和第二组的商用交流电源中的一种电源。第一组商用交流电源由例如分别输送380伏特、400伏特、415伏特、440伏特和460伏特的许多三相交流电源组成。第二组商用交流电源由例如分别输送200伏特、208伏特、230伏特和240伏特的许多三相交流电源组成。通常，由第一组交流电源所提供的输出电压的幅值大约为由第二组交流电源所提供的输出电压的幅值的两倍。
通过输入开关装置102将施加到输入端101a-101c的商用交流电源耦合到输入侧整流器104并进行整流。整流器104例如包括以桥式结构连接的6个整流二极管104a，104b，104c，104d，104e和104f。从整流器104中所输出的电压形成在两个整流器输出端104P和104N之间。
开关单元118连接在整流器输出端104P和104N之间。开关单元118带有常开开关120a、常闭开关120b和常开开关120c的串联组合，常开开关120a连接到整流器输出端104P，而常开开关120c连接到整流器输出端104N。
升压转换器108a连接在常闭开关120b和常开开关120c的节点和整流器输出端104P之间。类似地，升压转换器108b连接在常闭开关120b和常开开关120a的节点和整流器输出端104N之间。在如附图2所示的状态下，其中常开开关120a和120c都打开而常闭开关120b关闭，升压转换器108a和108b串联在整流器输出端104P和104N之间。当常开开关120a和120c都关闭，同时常闭开关120b打开时，升压转换器108a和108b并联在整流器输出端104P和104N之间。开关120a，120b和120c的打开和关闭都通过开关控制单元166实现。
升压转换器108a具有带有第一和第二端的电抗器110a，它的第一端连接到整流器输出端104P。半导体开关器件的导通路径(例如IGBT112a的发射极-集电极导通路径)连接在电抗器110a的第二端和常闭开关120b和常开开关120c的节点之间。也连接到电抗器110a的第二端的是反向电流阻塞二极管116a的阳极，该二极管116a的阴极连接到滤波电容器122的一端。滤波电容器122的另一端连接到常闭开关120b和常开开关120c的节点上。
升压转换器108b具有电抗器110b，电抗器110b的第一端连接到常开开关120a和常闭开关120b的节点上。半导体开关器件的导通路径(例如IGBT112b的发射极-集电极导通路径)连接在电抗器110b的第二端和整流器输出端104N之间。也连接到电抗器110b的第二端的是反向电流阻塞二极管116b的阳极，该二极管116b的阴极连接到滤波电容器124的一端。滤波电容器124的另一端连接到整流器输出端104N。
电压检测器(VD)126a连接在升压转换器108a的电容器122上以检测在电容器122两端的电压。电压检测器126a产生表示在电容器122两端的电压的电压表示信号。类似地，电压检测器(VD)126b连接在升压转换器108b的电容器124两端以检测在电容器124上的电压。电压检测器126b产生表示在电容器124上的电压的电压表示信号。来自电压检测器126a和126b的电压表示信号耦合到升压转换器控制单元168中。
电流检测器(CD)114a连接在常闭开关120b和常开开关120c的节点和IGBT112a的发射极之间。电流检测器114a检测流经升压转换器108a的电流并产生表示所检测的电流的电流表示信号。类似地，电流检测器(CD)114b连接在整流器输出端104N和IGBT112b的发射极之间。电流检测器114b检测流经升压转换器108b的电流并产生表示所检测的电流的电流表示信号。来自电流检测器114a和114b的电流表示信号也耦合到升压转换器控制单元168中。
升压转换器控制单元168根据电压表示信号和由参考信号源172所提供的参考信号给控制电极比如IGBT112a和112b的栅极输送控制信号以控制IGBT112a和112b的导通周期，以使在电容器122和124上的电压等于参考信号所表示的电压例如大约320伏特。
基于电流表示信号和电压表示信号通过升压转换器控制单元168还可以控制IGBT112a和112b的导通周期以降低在流经升压转换器108a的电流和在电容器122上的电压之间的相位差并降低流经升压转换器108b的电流和在电容器124上的电压之间的相位差。
将在电容器122上的电压施加到直流高频转换器例如变换器130。变换器130可以是半桥型变换器并包括串联连接的电容器134a和134b。电容器134a和134b的串联组合与电容器122并联连接。变换器130也包括半导体开关器件例如IGBT132a和132b，这些半导体开关器件的导通路径例如发射极-集电极导通路径彼此串联连接。IGBT132a和132b的发射极-集电极导通路径的串联组合与电容器134a和134b的串联组合并联连接。续流二极管136a和136b分别与IGBT132a和132b的发射极-集电极导通路径成反并联结构连接。提供变换器130的输出端的IGBT132a的发射极和IGBT132b的集电极的节点和电容器134a和134b的节点连接到变压器150的初级绕组150P的相对端。
变换器140是一种半桥型变换器，也包括电容器144a和144b的串联组合，该串联组合与电容器124并联。变换器140也包括半导体开关器件的导通路径的串联组合例如IGBT142a和142b的发射极-集电极导通路径的串联组合。发射极-集电极路径的串联组合与电容器144a和144b的串联组合并联。二极管146a和146b分别与IGBT142a和142b的发射极-集电极导通路径以反并联结构连接。提供变换器140的输出端的IGBT142a的发射极和IGBT142b的集电极的节点和电容器144a和144b的节点连接到变压器152的初级绕组152P的相对端。
高频到直流转换器例如输出侧整流器154和156分别连接在变压器150和152的次级绕组150S和152S的两端。输出侧整流器154包括整流二极管154a和154b，它们的阳极连接到次级绕组150S的相应的端部，输出侧整流器156包括整流二极管156a和156b，它们的阳极连接到次级绕组152S的相应的端部。二极管154a，154b，156a和156b的阴极通过滤波电抗器158一起连接到负载输出端160P。电源装置的负载输出端160N连接到形成在变压器150和152的次级绕组150S和152S上的中间抽头150T和152T上。负载输出端160P和160N适合于连接到负载，例如电弧焊机(未示)。
负载电流检测器162连接在中间抽头150T和152T的节点和负载输出端160N之间。负载电流检测器(LCD)162检测流经负载的电流并产生表示检测器负载电流的幅值的负载电流表示信号。将负载电流表示信号施加到变换器控制单元164。变换器控制单元164响应负载电流表示信号以将控制信号施加到控制电极例如IGBT132a，132b，142a和142b的栅极，由此控制IGBT132a，132b，142a和142b的导通周期以使流经负载的电流具有预定的值。
如附图3所示，开关控制单元166具有输入端200a和200b，该输入端200a和200b通过输入开关装置102分别连接到电源端101a和101b(附图2)。开关单元202连接在输入端200a和200b之间。开关单元202包括常开开关202a、常闭开关202b和常开开关202c以指定的顺序串联的组合，同时开关202a连接到输入端200a。
输入端200a连接到变压器204的初级绕组204P1的一端，变压器还具有另一初级绕组204P2。初级绕组204P1的另一端连接到常闭开关202b和常开开关202c的节点上。另一初级绕组204P2的一端连接到常闭开关202b和常开开关202a的节点上，而另一端连接到输入端200b。
当常开开关202a和202c都打开，同时常闭开关202b关闭时，初级绕组204P1和204P2串联连接。在另一方面，如果常开开关202a和202c关闭，同时常闭开关202b打开，则初级绕组204P1和204P2彼此并联连接。
变压器204具有在其上连接有直流转换器206的次级绕组204S。直流转换器206具有以桥式结构连接的4个整流二极管206a，206b，206c和206d，对在次级绕组204S上所感应的单相交流电压进行整流。经整流的电压产生在输出端206P和206N之间。滤波电容器208a和208b的串联组合连接在输出端206P和206N之间以对经整流的电压进行滤波。
齐纳二极管250和电阻210的串联组合连接在输出端206P和206N之间，同时齐纳二极管250的阴极连接到输出端206P，其阳极连接到电阻210。这样选择齐纳二极管250和电阻210的值：当第一组商用交流电源中的一种较高的输出电压施加在输入端200a和200b之间时使齐纳二极管250导通。
齐纳二极管250和电阻210的节点连接到半导体开关器件的控制电极比如FET212的栅极，该半导体的漏极通过电阻214和216的串联组合连接到输出端206P。FET212的源极连接到输出端206N。电阻218连接在电阻214和216的节点和输出端206N之间，电阻216和218的节点连接到半导体开关器件的控制电极比如FET220的栅极。电容器222和齐纳二极管224与电阻218并联。导通路径例如FET220的漏极-源极导通路径与在输出端206P和206N之间的继电器驱动线圈226串联。
当电流流经它时，继电器驱动线圈226使常开开关202a和202c关闭并使常闭开关202b打开。同时，继电器驱动线圈226使常开开关120a和120c(附图2)关闭并使常闭开关120b(附图2)打开。
保护二极管228与继电器驱动线圈226并联连接。
提供包括PNP晶体管232的自保持电路230。连接到保护二极管228的阴极的继电器驱动线圈226的那一端连接到PNP晶体管232的发射极。PNP晶体管232的发射极还通过电阻234连接到它本身的基极，通过电阻236该基极连接到继电器驱动线圈226的保护二极管228的阳极的所连接的那一端。保护二极管228的阳极还连接到NPN晶体管238的集电极，NPN晶体管238的发射极通过二极管240连接到在变压器204的次级绕组204S上的中间抽头204T上。晶体管238的基极通过电阻242连接到PNP晶体管232的集电极，还通过电阻244连接到晶体管238的发射极。
参考附图2和3，假设高压电源例如输送最高电压460伏特的商用交流电源以上文所述的结构连接到电源装置的输入电源端101a-101c。在该例中连接了电源，但没有电流流经继电器驱动线圈226，因此常开开关202a和202c都打开，而常闭开关202b关闭。然后，初级绕组204P1和204P2彼此串联，因此460伏特的电压施加在初级绕组204P1和204P2的串联组合上。在次级绕组204S中感应交流电压并在直流转换器206中该交流电压转换为直流电压。直流电压施加在齐纳二极管250和电阻210的串联组合，该电阻210使齐纳二极管250成为导通。反过来，这又使FET212导通，因此，FET220的栅极通过电阻214和FET212接地。因此，FET220成为非导通。结果，没有电流流经继电器驱动线圈226，这使常开开关202a和202c保持打开而常闭开关202b保持关闭。
同时，也受继电器驱动线圈226控制的开关单元118的常开开关120a和120c保持打开，同时常闭开关120b保持关闭。结果，升压转换器108a和108b串联连接在整流器输出端104P和104N之间，等于的电压(等于大约640伏特)施加到串联连接的升压转换器108a和108b。结果，分配给升压转换器108a和108b的每个晶体管112a和112b的电压的幅值大约为320伏特。由于施加了这种电压，升压转换器108a和108b并不对所施加的电压进行升压，大约320伏特的电压施加到每个变换器130和140。
第一组的高压电源的任何其它的电源都连接到电源输入端101a-101c，升压转换器108a和108b也串联连接，将低于320伏特的电压施加到变换器108a和108b。每个升压转换器108a和108b将施加到它的电压升压到大约320伏特并将经升压的大约320伏特的电压施加到相关的变换器130或140。
在这种情况下，提高了流经升压转换器的电流的功率因素。
如上文所述，大约320伏特的最大电压施加到变换器130和140，而不管提供第一组的电源中的那一种较高的商用电压连接到电源输入端101a-101c。
变换器130和140将施加到它们的电压转换为高频电压并将所得的高频电压分别施加到变压器150和152。高频电压在变压器150和152中进行变压，并在输出侧整流器154和156中分别进行整流。通过滤波电抗器158对经整流的电压进行滤波，经整流和滤波的电压形成在输出端160P和160N之间以施加到负载。
通过负载电流检测器(LCD)162检测当将输出电压施加到负载时的流经负载的电流。控制变换器130的IGBT132a和132b的导通周期和变换器140的IGBT142a和142b的导通周期以使流经负载的电流具有预定的值。
当将第二组的低压商用交流电源中的一种电源耦合到电源输入端101a-101c时，将低压电压施加在变压器204的串联连接的初级绕组204P1和204P2上(附图3)，该变压器204使变压的交流电压在次级绕组204S中产生感应。通过直流转换器206将所感应的交流电压转换为直流电压。将所得的直流电压施加在齐纳二极管250和电阻210的串联组合上。在齐纳二极管250上的电压低于使齐纳二极管250导通的预定电压，因此，齐纳二极管250并不导通。
在电阻218上产生电压，FET220导通，这使得电流流经继电器驱动线圈226。反过来这又使常开开关202a和202c关闭而常闭开关202b打开，这就形成变压器204的初级绕组204P1和204P2的并联连接。当变压器204的初级绕组204P1和204P2并联连接时在变压器204的次级绕组204S中感应出增加的电压。
流经继电器驱动线圈226的电流使晶体管232和238导通，并通过晶体管238流到在次级绕组204S上的中间抽头204T上。因此，如果不管什么原因使FET220处于非导通，则电流仍然继续流经继电器驱动线圈226以使继电器驱动线圈226保持自锁。
由于流经继电器驱动线圈226的电流，常开开关120a和120c(附图2)关闭，而常闭开关120b打开。因此，升压转换器108a和08b彼此并联连接在整流器输出端104P和104N之间。并联连接的每个升压转换器108a和108b将施加到它上面的电压升压到大约320伏特，并将经升压的电压耦合到相关的变换器130和140。
因此，不管连接到电源装置的电源是低压输送商用交流电源还是高压输送商用交流电源，施加到升压转换器108a和108b的IGBT112a和112b的电压幅值仅为大约320伏特。因此，可以应用具有经受大约600伏特的电压的发射极-集电极的多种可得的通用IGBT作为IGBT112a和112b。
变换器130和140所产生的高频电压分别在变压器150和152中进行变压，并在输出侧整流器154和156中进行整流。在滤波电抗器158中对经整流的电压进行滤波，在负载输出端160P和160N之间产生经滤波的电压以施加到负载。在这种情况下，还通过负载电流检测器162检测流经负载的电流，控制变换器130和140的IGBT132a，132b，142a和142b的导通周期以使流经负载的电流保持恒定。
如上文所述，根据本发明，依据连接到电源装置的电源输入端101a-101b的商用交流电源是一种高压或低压输送电源，串联或并联升压转换器108a和108b。因此，施加到在升压转换器108a和108b中所使用的每个IGBT112a和112b的最高电压仅为大约320伏特。因此，IGBT112a和112b可以是通用的IGBT。
已经描述的电源装置是连接到三相商用交流电源，但是它也可以设置成连接到单相交流电源。替代所示的并参考附图3所描述的开关控制单元166，开关控制单元可以包括继电器，当将高于预定值的电压施加到它时该继电器运行。通过用于高压和低压输送商用交流电源的单个的参考信号源172完成升压转换器108a和108b的输出电压的设定，因此施加到变换器130和140的电压相等。然而，如果施加到变换器130和140的电压稍稍不相同，则相应的升压转换器108a和108b可以使用单独的参考信号源。
此外，不使用IGBT，其它的半导体器件比如FET和双极性晶体管也可以用作变换器130和140和升压转换器108a和108b的半导体开关器件。
此外，为替代变换器，断路器或前馈电路还可以用作直流到高频转换器。