[发明专利]串联谐振转换器及其控制方法和设备

说明书

本发明涉及控制变压器隔离、恒流、串联谐振转换器的输出的控制方法和设备。

一般地，在传统的谐振转换器设计中，晶体管的组合(或等价的装置)的切换，将能量从输入总线通过一个贮能电容器而传送。开关接通期间，能量被传送到负载和电容器，且电容电压上升。在开关被关断期间，能量被从电容器和次级传送至输出负载，且电容电压降低。较早的启动角(相对于电流零交叉的切换时间)增大了注入贮能电容器的、用于随后传送给负载的能量，并减小了电容器的电压降低的时间。相反地，较晚的启动角减小了注入贮能电容器中的、用于最后传送给负载的能量，并使得电容电压的下降时间较长。

现有技术的控制方案因而通过调节开关被接通和关断的时间，来控制输出。调节的成本较低并容易实施，但具有显著的缺点：在操作期间贮能没有得到保护，且增大的贮能电压和电流会造成部件故障。

更具体地说，如果负载没有除去存储的所有能量，则每当开关接通时，贮能电容器中的能量都将增大，从而使得贮能电压和电流持续增大，且它们最终将超过谐振转换器中的部件的安全操作范围。如果不安全的操作状态持续，部件将发生故障。

美国专利第4,769,754号公开了一种Miller Electric公司的XMT^的电源，从中可以发现一种现有技术控制器，它响应于从输出负载电流和谐振转换器的开关中的电流导出的信息，来控制输出。一般地，该控制器使启动角在初始时处于一个安全的(即较晚的)角度，并随后使启动角向前“徐变”。当启动角变得较早时，电压和电流得到监测。如果它们变得危险，则该角度立即被增大到更为安全(较晚)的时间。

这种贮能控制方案虽然比其他的控制方案好，但也具有若干缺点。第一，增大输出的响应时间慢，因为启动角是向前徐变的。换言之，XMT^控制器在实际需要试图保持在部件的安全操作范围之内之前，就命令转换器开关关断。因此，存储在贮能电容器中并可被传送给负载的能量不一定是最大的安全能量。其结果，瞬态响应是缓慢的，且最大输出不能得到保持。

第二，部件可能既得不到优化的使用，又得不到充分的保护，因为存储在贮能电容器中的能量和其上建立的电压不依赖于开关的接通和判断。

第三，XMT^控制器，通过采用超过正常操作条件的标准的部件，进一步避免了不安全的操作状态。采用超过标准的部件增大了功率转换器的成本和尺寸。虽然有这种安全措施，超过平均预期瞬态状态的瞬态状态，可能产生超过部件的安全操作范围的电压。因此，由于在谐振转换器中的开关经常被损坏或破坏，已有方法的可靠性是成问题的。

在其他的技术场中采用的一种非常复杂的控制方法，是优化轨线控制。优化轨线控制是这样的控制方案，即它计算获得特定的所希望贮能电压和电流所需的启动角。这种控制是困难且昂贵的。

具体地，优化轨线控制从一个轨线范围选择优化轨线，并由此要求解决复杂的多变量四维方程。另外，这些方程通常包括导数和积分，并是高度非线性的。解决这种复杂方程所需的电子装置是昂贵而难于使用的。

因此，需要用于将最大安全量的能量传送给负载的串联谐振转换器的贮能控制器。另外，这种控制器应该是成本低廉的，且不需要解决复杂的多变量高次方程。具体地，希望采用调节控制方案的低成本、低复杂性方面，但避免调节固有的不安全操作。相反地，轨线控制的安全、保护性的方面是所希望的，而成本和复杂性是应该得到避免的。另外，这种控制器最好能够防止瞬态或其他高电压损坏部件。

除了保护贮能，所希望的是控制电源输出并提供所希望的V-A曲线。通常，现有技术倒相电源输出V-A曲线包括在远小于设定点的电流下的恒定电压部分，和随着电压在操作范围附近减小而具有增大电流的倾斜部分。另外，某些机器提供了一种“dig(下挖)”，在那里对于低于正常电压的操作，斜率增大(对于给定的电压下降，电流的增大更大)。图9中标号904所表示的即为VA曲线的“下挖”部分。从图9可以看出，当焊接电压低时，该“下挖”电路提供额外的电流。“下挖”通常发生在焊接电极与基底非常接近的情况下，从而减小焊接电压。然而，在某些焊接过程(诸如粘贴焊接)中，所希望的是提供恒定电流输出。

因此，所希望的是提供一种电源，它具有输出的V-A曲线的恒定电流部分，特别是在通常的焊接电压处。另外，还希望提供一种可调斜率下挖。