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DE102022211926A1 - welding machine - Google Patents

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DE102022211926A1
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DE
Germany
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current
rectifier
circuit
valve
welding
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Application number
DE102022211926.6A
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German (de)
Inventor
Marco Linke
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D and L Dubois and Linke GmbH
D L Dubois Linke Ges mbH
Original Assignee
D and L Dubois and Linke GmbH
D L Dubois Linke Ges mbH
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Abstract

Die Neuerung ist ein Schweißgerät mit einem dort zur Energiewandlung vorgesehenen aktiven Hochstromgleichrichter (10), wobei als Hochstromgleichrichter (10) ein Dreiphasengleichrichter fungiert, der eine Gleichrichterschaltung und innerhalb der Gleichrichterschaltung elektronische Stromventile (14) zur gezielten Aktivierung und Deaktivierung einzelner Brückenzweige der Gleichrichterschaltung umfasst.The innovation is a welding device with an active high-current rectifier (10) provided there for energy conversion, wherein a three-phase rectifier functions as the high-current rectifier (10), which comprises a rectifier circuit and, within the rectifier circuit, electronic current valves (14) for the targeted activation and deactivation of individual bridge branches of the rectifier circuit.

Description

Die hier vorgeschlagene Neuerung betrifft das technische Gebiet der Elektroschweißmaschinen und Elektroschweißgeräte - im Folgenden zusammenfassend als Elektroschweißgeräte oder kurz Schweißgeräte bezeichnet. Diese werden zur Energieversorgung an eine Stromquelle angeschlossen und das Elektroschweißgerät weist Mittel zur Wandlung der aus der Stromquelle bezogenen elektrischen Energie auf. Als Stromquelle fungiert regelmäßig das jeweilige Niederspannungsnetz in der Netzausführung für Dreiphasenwechselstrom (Drehstrom). Die Wandlung erfolgt zum Zweck der Verwendbarkeit der bezogenen elektrischen Energie für das Elektroschweißen und erfolgt mittels eines Gleichrichters. Dieser umfasst eine Gleichrichterschaltung, also eine Gleichrichterschaltung aus einer Gruppe möglicher Gleichrichterschaltungen. Die Gruppe umfasst zumindest eine B6-Brückenschaltung, eine M3 Dreipuls-Mittelpunktsgleichrichterschaltung sowie eine M6 Sechspuls-Mittelpunktsgleichrichterschaltung. Mitunter werden die Begriffe Gleichrichter und Gleichrichterschaltung entsprechend dem üblichen Sprachgebrauch synonym verwendet. Die Wandlung erfolgt aus dem Niederspannungsnetz in eine steuerbare DC-Kleinspannung (IEC 60499; DC ≤ 120V).The innovation proposed here concerns the technical field of electric welding machines and electric welding devices - hereinafter referred to collectively as electric welding devices or welding devices for short. These are connected to a power source for energy supply and the electric welding device has means for converting the electrical energy drawn from the power source. The power source is usually the respective low-voltage network in the network version for three-phase alternating current (three-phase current). The conversion takes place in order to make the electrical energy drawn usable for electric welding and is carried out by means of a rectifier. This comprises a rectifier circuit, i.e. a rectifier circuit from a group of possible rectifier circuits. The group comprises at least one B6 bridge circuit, an M3 three-pulse mid-point rectifier circuit and an M6 six-pulse mid-point rectifier circuit. The terms rectifier and rectifier circuit are sometimes used synonymously in accordance with common usage. The conversion takes place from the low-voltage network into a controllable DC extra-low voltage (IEC 60499; DC ≤ 120V).

Ein Gleichrichter ist ein Stromrichter, also eine Einrichtung zum Stromrichten, in diesem Falle eine Einrichtung zum Erzeugen eines Gleichstrom aus einem eingangsseitig zugeführten Wechselstrom. Das Stromrichten ist allgemein die Umwandlung einer oder mehrerer elektrischer Größen eines Stromsystems mittels Stromrichterventilen. Ein Stromrichterventil ist ein Funktionselement, das den elektrischen Strom nur in einer Richtung, der Vorwärtsrichtung, führt. Ein Stromrichterventil besteht aus einem Ventilbauelement oder alternativ aus mehreren Ventilbauelementen, die sich jeweils gleichzeitig im Durchlass- oder im Sperrzustand befinden. Beispiele für Ventilbauelemente sind Dioden, Thyristoren und Transistoren.A rectifier is a power converter, i.e. a device for converting current, in this case a device for generating a direct current from an alternating current supplied on the input side. Current conversion is generally the conversion of one or more electrical quantities in a power system using converter valves. A converter valve is a functional element that only carries the electrical current in one direction, the forward direction. A converter valve consists of a valve component or alternatively of several valve components, each of which is in the on or off state at the same time. Examples of valve components are diodes, thyristors and transistors.

Die elektrische Verbindung der Stromrichterventile und gegebenenfalls erforderlicher weiterer Funktionselemente ergibt eine jeweilige Stromrichterschaltung. Diese umfasst zumindest einen, üblicherweise jedoch mehrere Stromrichterzweige. Jeder Teil der Stromrichterschaltung, der die Funktion eines Stromrichterventils ausübt, ist ein Stromrichterzweig. Der konstruktive Aufbau der für eine Stromrichterschaltung erforderlichen Stromrichterventile wird Stromrichtersatz oder auch Ventilsatz genannt. Im Falle eines Gleichrichters oder einer Gleichrichterschaltung gelten diese Begriffe entsprechend (Stromrichterschaltung, Gleichrichterschaltung; Stromrichtersatz, Gleichrichtersatz; Stromrichten, Gleichrichten usw.). Ein Strom- oder Gleichrichterventil wird im Folgenden mitunter auch kurz als Ventil bezeichnet.The electrical connection of the converter valves and any other functional elements required results in a respective converter circuit. This comprises at least one, but usually several converter branches. Each part of the converter circuit that performs the function of a converter valve is a converter branch. The structural design of the converter valves required for a converter circuit is called a converter set or valve set. In the case of a rectifier or a rectifier circuit, these terms apply accordingly (converter circuit, rectifier circuit; converter set, rectifier set; current conversion, rectification, etc.). A current or rectifier valve is sometimes also referred to below as a valve for short.

Traditionell wurden zur Energiewandlung schaltbare dreiphasige Netztransformatoren mit in Serie geschalteten Gleichrichtersätzen auf der Ausgangs-/Sekundärseite verwendet. Auch heute noch bestehen Lichtbogen-Schweißgeräte aus einem Schweißtransformator mit Primär- und Sekundärwicklung und nachgeschaltetem Schweißgleichrichter. Der Schweißgleichrichter besteht aus einem Plattengleichrichter mit Ventilbauelementen in Form von Silizium-Leistungsdioden (im Folgenden kurz als Si-Dioden bezeichnet). Die hohen Schweißströme bis ca. 600A (zum Beispiel beim MIG/MAG Schutzgasschweißen; bei anderen Lichtbogenverfahren wie zum Beispiel beim Unterpulverschweißen sind Schweißströme bis 1.500A möglich) machen eine verteilte Gleichrichterstruktur notwendig, die von Kühlluft gut umströmt werden kann. Daher ist der Schweißgleichrichter regelmäßig als Plattengleichrichter ausgeführt. Dabei werden parallel geschaltete Einpressdioden in mehrere rechteckige Kühlbleche montiert und auf der Gleichstromseite mit Stromschienen verbunden.Traditionally, switchable three-phase mains transformers with series-connected rectifier sets on the output/secondary side were used for energy conversion. Even today, arc welding machines still consist of a welding transformer with primary and secondary windings and a downstream welding rectifier. The welding rectifier consists of a plate rectifier with valve components in the form of silicon power diodes (hereinafter referred to as Si diodes). The high welding currents of up to approx. 600A (for example in MIG/MAG inert gas welding; with other arc processes such as submerged arc welding, welding currents of up to 1,500A are possible) require a distributed rectifier structure that can be easily circulated by cooling air. The welding rectifier is therefore usually designed as a plate rectifier. Press-in diodes connected in parallel are mounted in several rectangular cooling plates and connected to busbars on the DC side.

Nachteilig ist dabei die im Betrieb auftretende hohe Durchlassspannung von ca. 1,1V der Si-Dioden. In Verbindung mit den hohen Schweißströmen führt dies unweigerlich zu erheblichen Verlustleistungen. Um eine gute Kühlung der Si-Dioden zu erreichen, werden die Si-Dioden auf einem jeweiligen Kühlblech verteilt angeordnet sowie auf die Gesamtheit der Kühlbleche des Plattengleichrichters verteilt und die einzelnen Kühlbleche werden isoliert hintereinander aufgereiht. Die weiträumige Verteilung der Kühlbleche (Plattenverteilung) sorgt für eine gute Konvektionskühlung und Zwangskühlung. Allerdings erfordert die großflächige Verteilung der Si-Dioden bei gleichzeitig hohen Schweißströmen entsprechend groß dimensionierte, massive Stromschienen. Bei großen Plattengleichrichtern mit langen Stromwegen führen Leitungsverluste auf den Stromschienen zu zusätzlichen Erwärmungsverlusten.The disadvantage is the high forward voltage of around 1.1V of the Si diodes during operation. In conjunction with the high welding currents, this inevitably leads to considerable power losses. In order to achieve good cooling of the Si diodes, the Si diodes are arranged on a respective cooling plate and distributed over all of the cooling plates of the plate rectifier, and the individual cooling plates are lined up one behind the other in an insulated manner. The wide distribution of the cooling plates (plate distribution) ensures good convection cooling and forced cooling. However, the large-area distribution of the Si diodes with high welding currents at the same time requires correspondingly large, solid busbars. In large plate rectifiers with long current paths, line losses on the busbars lead to additional heating losses.

Bei Kleinspannungsanwendungen bis 120V DC und gleichzeitig hoher Leistungsanforderung entstehen zwangsläufig, nämlich aufgrund des Leistungsgesetzes (P = U × I), hohe Ströme bis zu einigen 100A und darüber hinaus bis in den kA-Bereich. Beim MIG/MAG Lichtbogenschweißen ergibt sich nach der Normkennlinie aus DIN EN 60974-1 zum Beispiel eine Schweißspannung von U = 14 + 0,05 I für I ≤ 600A, sowie 44V bei I > 600A. Das bedeutet, dass bei praktisch relevanten Schweißströmen zwischen 20A bis 550A mit Schweißspannungen (Kleinspannung) von 15V bis 41,5V zur rechnen ist. Mit Hilfe der Normkennlinie lässt sich der Spannungsverlauf bei einer mittelstarken MIG/MAG Schweißmaschine auf höchster Schweißstufe gut visualisieren. Laut Normkennlinie ergeben sich zum Beispiel 26,89V Norm-Schweißspannung bei 257,8A Norm-Schweißstrom.In low voltage applications up to 120V DC and at the same time high power requirements, high currents of up to several 100A and beyond into the kA range inevitably arise due to the power law (P = U × I). In MIG/MAG arc welding, the standard characteristic curve results from EN 60974-1 for example, a welding voltage of U = 14 + 0.05 I for I ≤ 600A, and 44V for I > 600A. This means that for practically relevant welding currents between 20A and 550A, welding voltages (low voltage) of 15V to 41.5V can be expected. Using the standard characteristic curve, the voltage curve for a medium-power MIG/MAG welding machine at the highest welding level can be easily visualized. According to the standard characteristic curve, for example, 26.89V standard welding voltage results at 257.8A standard welding current.

Die Darstellung in 1 zeigt eine im Folgenden kurz als B6-Schaltung bezeichnete, an sich bekannte B6-Brückenschaltung (oder auch: Drehstrombrücke), hier beispielhaft mit einem eingangsseitigen Transformator. Diese fungiert als Stromrichter-/Gleichrichterschaltung und dient zur Gleichrichtung eines eingangsseitig zugeführten Dreiphasenwechselstroms, erzeugt also einen Gleichstrom. Als Quelle des Dreiphasenwechselstroms kommt ein jeweiliges Niederspannungsnetz in Betracht. Die B6-Schaltung ist die übliche Schaltung eines Schweißgleichrichters.The representation in 1 shows a known B6 bridge circuit (or three-phase bridge), referred to below as B6 circuit, here with an example of an input-side transformer. This functions as a converter/rectifier circuit and is used to rectify a three-phase alternating current supplied on the input side, thus generating a direct current. A respective low-voltage network can be considered as the source of the three-phase alternating current. The B6 circuit is the usual circuit of a welding rectifier.

2 zeigt dazu eine grafische Darstellung der Strom-, Spannungs- und Leistungsverhältnisse an einer Si-Diode einer B6-Schaltung. Die typischen, bei einer B6-Schaltung resultierenden Sinushalbwellen des Diodenstroms mit 1=257,8A (oben) erzeugen beim Stromfluss durch die Si-Diode einen Spannungsabfall von 1,21V (Mitte) in Durchlassrichtung. Daraus ergibt sich die Diodenverlustleistung (unten) mit einem Momentanwert von Pv = 312W Verlustleistung an der Si-Diode. Dies wiederholt sich mit Netzfrequenz an allen Si-Dioden der B6-Schaltung, bei einer üblichen B6-Schaltung mit unteren und oberen Diodenzweigen (Ventilzweigen) - jeweils zwei in Reihe aufeinander folgende Ventil-/Diodenzweige bilden zusammen eine Ventil-/Diodenstrecke und im Falle einer B6-Schaltung eine Halbbrücke der B6-Schaltung - sowohl in den unteren als auch in den oberen Si-Dioden. Da bei einer B6-Schaltung (im Gegensatz zu einer M3 Dreipuls-Mittelpunktsgleichrichterschaltung sowie einer M6 Sechspuls-Mittelpunktsgleichrichterschaltung; im Folgenden kurz als M3-Schaltung bzw. M6-Schaltung bezeichnet) zudem stets zwei Ventile (Dioden) eine Ventilstrecke bilden, fällt die Verlustleistung jeweils an einem unteren und oberen Ventil an und ergibt somit 2 × 312W = 624W. Für den Schweißprozess ergibt sich nach Normkennlinie eine Schweißleistung am Lichtbogen von 26,89 V × 257,8A = 6.932W. Daraus folgt eine Gleichrichtereffizienz von nur 91% bezogen auf die Lichtbogenleistung. 2 shows a graphical representation of the current, voltage and power ratios on a Si diode in a B6 circuit. The typical sine half-waves of the diode current with 1=257.8A (top) resulting from a B6 circuit generate a voltage drop of 1.21V (middle) in the forward direction when the current flows through the Si diode. This results in the diode power loss (bottom) with an instantaneous value of Pv = 312W power loss on the Si diode. This is repeated at mains frequency on all Si diodes in the B6 circuit, in a standard B6 circuit with lower and upper diode branches (valve branches) - two valve/diode branches in series together form a valve/diode section and in the case of a B6 circuit a half-bridge of the B6 circuit - both in the lower and upper Si diodes. Since in a B6 circuit (in contrast to an M3 three-pulse midpoint rectifier circuit and an M6 six-pulse midpoint rectifier circuit; hereinafter referred to as M3 circuit or M6 circuit) two valves (diodes) always form a valve section, the power loss occurs at a lower and upper valve and thus results in 2 × 312W = 624W. According to the standard characteristic curve, the welding power at the arc for the welding process is 26.89 V × 257.8A = 6,932W. This results in a rectifier efficiency of only 91% in relation to the arc power.

Bei einer Si-Diode liegt deren Verlustleistung in einer Größenordnung von 1 .. 1,3W pro Ampere, bei einer Schottky-Diode sind es immerhin noch 0,5 .. 0,9 W/A. Bei einem Brückengleichrichter fällt diese Verlustleistung aufgrund der stets zwei jeweils vom Strom durchflossenen Ventilzweige doppelt an.The power loss of a Si diode is in the order of 1 .. 1.3 W per ampere, while that of a Schottky diode is still 0.5 .. 0.9 W/A. In a bridge rectifier, this power loss is doubled due to the two valve branches through which the current always flows.

Diese ungünstigen Verhältnisse haben die Entwicklung aktiver Gleichrichter mit aktiv angesteuerten Leistungshalbleitern als Ventilen befördert, denn aktive Gleichrichter weisen aufgrund geringerer Durchlassspannungen der aktiv angesteuerten Leistungshalbleiter eine wesentlich geringere Verlustleistung auf als passive Dioden-Gleichrichter.These unfavorable conditions have promoted the development of active rectifiers with actively controlled power semiconductors as valves, because active rectifiers have a significantly lower power loss than passive diode rectifiers due to the lower forward voltages of the actively controlled power semiconductors.

Aus der Literatur sind aktive Gleichrichter speziell im Bereich der Nachrichtentechnik seit langem bekannt und sind in der Kleinsignaltechnik etabliert. Sie dienen dort zum Beispiel der verzerrungsfreien Gleichrichtung von Signalen und Steuerspannungen. In der Leistungselektronik haben die aktiven Gleichrichter erst spät Einzug gehalten und beschränken sich meist auf einphasige Netzanwendungen (230V). Bei an ein Niederspannungsnetz in der Netzausführung für Dreiphasenwechselstrom im unteren kA-Bereich und im Kleinspannungsbereich (IEC 60499 DC ≤ 120V, AC ≤ 50V) angeschlossenen Geräten, insbesondere Schweißgeräten, ist eine Verwendung aktiver Gleichrichter nicht bekannt. Baugruppen oder gar fertige aktive Gleichrichter dafür sind am Markt nicht erhältlich.Active rectifiers have long been known from literature, especially in the field of communications technology, and are established in small-signal technology. They are used there, for example, for the distortion-free rectification of signals and control voltages. Active rectifiers have only recently found their way into power electronics and are usually limited to single-phase network applications (230V). The use of active rectifiers is not known for devices connected to a low-voltage network in the network version for three-phase alternating current in the lower kA range and in the low-voltage range (IEC 60499 DC ≤ 120V, AC ≤ 50V), especially welding equipment. Components or even ready-made active rectifiers for this are not available on the market.

Eine Aufgabe der vorgeschlagenen Neuerung besteht darin, ein Schweißgerät mit einer verbesserten Energieeffizienz anzugeben.One objective of the proposed innovation is to provide a welding machine with improved energy efficiency.

Die oben skizzierte Aufgabe wird erfindungsgemäß mittels eines im Folgenden mitunter auch als Vorrichtung (Vorrichtung zum Elektroschweißen; Schweißgerät) oder als Neuerung bezeichneten Schweißgeräts mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.The object outlined above is achieved according to the invention by means of a welding device, hereinafter also referred to as a device (device for electric welding; welding device) or as an innovation, having the features of claim 1.

Danach ist bei dem Schweißgerät ein dort zur Energiewandlung (Stromwandlung) vorgesehener Gleichrichter in Form eines aktiven Hochstromgleichrichters ausgeführt. Als aktiver Hochstromgleichrichter fungiert ein Dreiphasengleichrichter. Der aktive Hochstromgleichrichter umfasst eine Gleichrichterschaltung, zum Beispiel eine grundsätzlich an sich bekannte B6-Schaltung (B6-Brückenschaltung) oder eine M3- oder M6-Schaltung. Innerhalb der Gleichrichterschaltung umfasst der aktive Hochstromgleichrichter zur gezielten Aktivierung und Deaktivierung einzelner Zweige der Gleichrichterschaltung (Brückenzweige) elektronische Stromventile, insbesondere Stromventile mit elektronischen Leistungshalbleiter-Schaltelementen als Ventilbauelementen.According to this, a rectifier provided for energy conversion (current conversion) in the welding device is designed in the form of an active high-current rectifier. A three-phase rectifier acts as an active high-current rectifier. The active high-current rectifier comprises a rectifier circuit, for example a basically known B6 circuit (B6 bridge circuit) or an M3 or M6 circuit. Within the rectifier circuit, the active high-current rectifier comprises electronic current valves, in particular current valves with electronic power semiconductor switching elements as valve components, for the targeted activation and deactivation of individual branches of the rectifier circuit (bridge branches).

Als elektronische Leistungshalbleiter-Schaltelemente kommen zum Beispiel hochstromfähige Transistoren wie z.B. MOSFET-Transistoren (im Folgenden einzeln als MOSFET und im Plural als MOSFETs bezeichnet) oder andere hochstromfähige elektronische Schaltelemente wie zum Beispiel Insulated Gate Bipolar Transistoren (IGBT) oder Thyristoren in Betracht.Electronic power semiconductor switching elements include, for example, high-current transistors such as MOSFET transistors (hereinafter referred to individually as MOSFET and in the plural as MOSFETs) or other high-current electronic switching elements such as insulated gate bipolar transistors (IGBT) or thyristors.

Die Besonderheit des hier vorgeschlagenen Schweißgeräts besteht darin, dass die Energiewandlung mittels eines aktiven Hochstromgleichrichters erfolgt und dass dieser zur gezielten Aktivierung und Deaktivierung einzelner Brückenzweige der Gleichrichterschaltung elektronische Stromventile umfasst, welche sich im Vergleich zu ansonsten bei Gleichrichterschaltungen verwendeten elektronischen Bauelementen, nämlich Dioden, insbesondere Si-Dioden, durch eine erheblich geringere Verlustleistung auszeichnen. Die geringere Verlustleistung und damit die gesteigerte Energieeffizienz ist der Vorteil des hier vorgeschlagenen Schweißgeräts.The special feature of the welding machine proposed here is that the energy wall The rectifier circuit is controlled by means of an active high-current rectifier and that this comprises electronic current valves for the targeted activation and deactivation of individual bridge branches of the rectifier circuit, which are characterized by a considerably lower power loss compared to electronic components otherwise used in rectifier circuits, namely diodes, in particular Si diodes. The lower power loss and thus the increased energy efficiency is the advantage of the welding device proposed here.

Die Darstellung in 3 zeigt einen (für sich genommen an sich bekannten) aktiven Gleichrichter mit einer B6-Schaltung als Gleichrichterschaltung. Im Vergleich zu der in 1 gezeigten Schaltung kommen als Stromrichterventile (Ventile) anstelle der Si-Dioden nun gezielt ansteuerbare elektronische Stromventile zum Einsatz. Aufgrund der gezielten Ansteuerbarkeit dieser Stromventile ist der Gleichrichter ein aktiver Gleichrichter. Dies gilt für andere, grundsätzlich ebenfalls in Betracht kommende Gleichrichterschaltungen entsprechend, zum Beispiel einer M3- oder M6-Schaltung.The representation in 3 shows an active rectifier (known per se) with a B6 circuit as rectifier circuit. In comparison to the one in 1 In the circuit shown, specifically controllable electronic current valves are used as current converter valves (valves) instead of the Si diodes. Due to the targeted controllability of these current valves, the rectifier is an active rectifier. This applies to other rectifier circuits that are also fundamentally possible, for example an M3 or M6 circuit.

Zu der in 3 dargestellten Gleichrichterschaltung zeigt 4 (analog zu der Darstellung in 2) eine grafische Darstellung der Strom-, Spannungs- und Leistungsverhältnisse anhand eines MOSFETs als Beispiel für ein elektronisches Leistungshalbleiter-Schaltelement (Ventilbauelement) einer B6-Schaltung. Die typischen, bei einer B6-Schaltung resultierenden Sinushalbwellen des MOSFET-Stroms mit I=266A (oben) erzeugen beim Stromfluss nur einen Spannungsabfall von 0,236V (Mitte) in Durchlassrichtung. Daraus ergibt sich die MOSFET-Verlustleistung (unten) mit einem Momentanwert von nur Pv = 62,8W. Auch hier wiederholt sich dies mit Netzfrequenz an allen MOSFETs, bei der üblichen B6-Brückenschaltung sowohl in den MOSFETs der unteren und der oberen Hälfte aller Halbbrücken. Da bei einer B6-Schaltung (im Gegensatz zu einer M3- oder M6-Schaltung) zudem noch immer zwei MOSFETs eine Gleichrichterstrecke (Ventilstrecke) bilden, fällt die MOSFET-Verlustleistung jeweils in den unteren und oberen Brückenzweigen an und ergibt somit 2 × 62,8W = 125,6W.To the 3 The rectifier circuit shown shows 4 (analogous to the representation in 2 ) a graphical representation of the current, voltage and power ratios using a MOSFET as an example of an electronic power semiconductor switching element (valve component) of a B6 circuit. The typical sine half-waves of the MOSFET current with I=266A (top) resulting from a B6 circuit only produce a voltage drop of 0.236V (middle) in the forward direction when the current flows. This results in the MOSFET power loss (bottom) with an instantaneous value of only Pv = 62.8W. Here, too, this is repeated at mains frequency on all MOSFETs, in the usual B6 bridge circuit both in the MOSFETs of the lower and upper half of all half-bridges. Since in a B6 circuit (in contrast to an M3 or M6 circuit) two MOSFETs still form a rectifier path (valve path), the MOSFET power loss occurs in the lower and upper bridge branches and thus results in 2 × 62.8W = 125.6W.

Für den Schweißprozess ergibt sich nach Normkennlinie dann eine Schweißleistung am Lichtbogen von 27,3V × 266A = 7.261,8W. Daraus folgt für den aktiven Gleichrichter eine Gleichrichtereffizienz von immerhin 98,3% bezogen auf die Lichtbogenleistung.According to the standard characteristic curve, the welding process results in a welding power of 27.3V × 266A = 7,261.8W at the arc. This results in a rectification efficiency of 98.3% for the active rectifier in relation to the arc power.

Durch Verwendung eines aktiven Gleichrichters hat sich die Gleichrichtereffizienz von 91% auf 98,3% bezogen auf die Lichtbogenleistung verbessert. Die Verlustleistung des Gleichrichters hat sich um 79,9% verringert. Die zum Betrieb eines Schweißgeräts notwendige Energieumwandlung lässt sich mittels eines aktiven Gleichrichters also nahezu verlustfrei durchführen.By using an active rectifier, the rectifier efficiency has improved from 91% to 98.3% in relation to the arc power. The power loss of the rectifier has been reduced by 79.9%. The energy conversion required to operate a welding device can therefore be carried out with almost no loss using an active rectifier.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der hier vorgeschlagenen Neuerung sind Gegenstand der weiteren Ansprüche. Dabei verwendete Rückbeziehungen innerhalb der Ansprüche weisen auf die weitere Ausbildung des Gegenstandes des in Bezug genommenen Anspruchs durch die Merkmale des jeweiligen abhängigen Anspruchs hin. Sie sind nicht als ein Verzicht auf die Erzielung eines selbständigen, gegenständlichen Schutzes für die Merkmale oder Merkmalskombinationen eines abhängigen Anspruchs zu verstehen. Des Weiteren ist im Hinblick auf eine Auslegung der Ansprüche sowie der Beschreibung bei einer näheren Konkretisierung eines Merkmals in einem abhängigen Anspruch davon auszugehen, dass eine derartige Beschränkung in den jeweils vorangehenden Ansprüchen sowie einer allgemeineren Ausführungsform der gegenständlichen Vorrichtung nicht vorhanden ist. Jede Bezugnahme in der Beschreibung auf Aspekte abhängiger Ansprüche ist demnach auch ohne speziellen Hinweis ausdrücklich als Beschreibung optionaler Merkmale zu lesen.Advantageous embodiments of the innovation proposed here are the subject of the further claims. References used within the claims indicate the further development of the subject matter of the claim referred to by the features of the respective dependent claim. They are not to be understood as a waiver of the achievement of independent, objective protection for the features or combinations of features of a dependent claim. Furthermore, with regard to an interpretation of the claims and the description, when a feature in a dependent claim is specified in more detail, it must be assumed that such a limitation does not exist in the respective preceding claims or in a more general embodiment of the device in question. Any reference in the description to aspects of dependent claims is therefore to be read expressly as a description of optional features, even without a special reference.

Vorteilhafte Ausführungsformen des hier vorgeschlagenen, zur Energiewandlung einen aktiven Hochstromgleichrichter mit elektronischen Stromventilen aufweisenden Schweißgeräts befassen sich mit der konstruktiven Ausführung des Hochstromgleichrichters, der Stromführung im Bereich des Hochstromgleichrichters und der Platzierung der Bauteile des Hochstromgleichrichters. Es hat sich nämlich gezeigt, dass eine bloße Verwendung eines aktiven Hochstromgleichrichters als Schweißgleichrichter in einem Schweißgerät zwar bereits zu einer verbesserten Energieeffizienz führt, dass darüber hinaus aber noch weitere Verbesserungen vorteilhaft sind.Advantageous embodiments of the welding device proposed here, which has an active high-current rectifier with electronic current valves for energy conversion, deal with the structural design of the high-current rectifier, the current flow in the area of the high-current rectifier and the placement of the components of the high-current rectifier. It has been shown that simply using an active high-current rectifier as a welding rectifier in a welding device already leads to improved energy efficiency, but that further improvements are also advantageous.

Dafür wird im Folgenden betrachtet, zu welchem Ergebnis in konstruktiver Hinsicht eine bloße Verwendung eines aktiven Hochstromgleichrichters als Schweißgleichrichter hätte führen können und welche Nachteile damit verbunden sind.For this purpose, the following considers what result, in terms of design, a mere use of an active high-current rectifier as a welding rectifier could have led to and what disadvantages are associated with this.

Grundsätzlich kommt eine Realisierung eines Schweißgleichrichters auf Basis eines aktiven Hochstromgleichrichters in Form eines diskreten THT-Aufbaus in Betracht (THT = Through-Hole Technology). Im Gegensatz zur Oberflächenmontage (SMT; Surface-Mounting Technology) zeichnet sich ein auch als Durchsteckmontage bezeichneter THT-Aufbau dadurch aus, dass die Bauelemente Drahtanschlüsse aufweisen und diese bei der Montage durch Kontaktlöcher einer Leiterplatte gesteckt und anschließend durch Löten mit einer jeweiligen Leiterbahn auf der Leitplatte verbunden werden.Basically, a welding rectifier can be implemented on the basis of an active high-current rectifier in the form of a discrete THT structure (THT = Through-Hole Technology). In contrast to surface mounting (SMT), a THT structure, also known as through-hole mounting, is characterized by the fact that the components have wire connections and these are inserted through contact holes in a circuit board during assembly and then connected to a respective conductor track on the circuit board by soldering.

Bei einer solchen Realisierung eines Schweißgleichrichters werden als Ventilbauelemente jeweils mehrere hochstromfähige Transistoren parallel geschaltet und mittels THT-Aufbau elektrisch zu einem Stromrichterventil verbunden. Ein jedes derartiges Stromrichterventil ersetzt jeweils eine der Si-Dioden in der B6-Schaltung (1).In such a welding rectifier implementation, several high-current transistors are connected in parallel as valve components and electrically connected to a converter valve using a THT structure. Each converter valve of this type replaces one of the Si diodes in the B6 circuit ( 1 ).

Die Darstellung in 5 zeigt eine Ausführungsform eines solchen Stromrichterventils. Die parallel geschalteten Transistoren 1 (zum Beispiel sechs Transistoren) werden zweckmäßig sternförmig auf einem Träger 2 angeordnet. Die Anordnung erfolgt bevorzugt auf einer isoliert aufgehängten, leitenden Metallplatte (zum Beispiel einem Aluminiumblech), die dann auch als Kühlblech eines Kühlkörpers fungiert. Eine Stromzuführung kann zentral für alle Transistoren 1 über eine dicke Kupferplatte als Sternmittelpunkt zu den Source-Anschlüssen der Transistoren erfolgen. Diese Kupferplatte bildet den Mittelpunkt der sternförmig angeordneten Transistoren 1. Der Gate-Anschluss der Transistoren 1 erfolgt über eine sechseckige Leiterplatte 3 mit innerem Kreisausschnitt, welcher den Bereich der Kupferplatte im Sternmittelpunkt frei lässt. Für den Drain-Anschluss der Transistoren 1 wird eine obenliegende Kupferplatte auf die Transistoren 1 geschraubt und mit dem Träger verbunden. Das Ergebnis ist eine Baugruppe/ein Ventilsatz, welche bzw. welcher genau einen von insgesamt sechs Brückenzweigen einer B6-Schaltung realisiert. Zum Erhalt einer kompletten B6-Schaltung werden entsprechend sechs solcher Baugruppen mit jeweils sechs Einzel-MOSFETs benötigt.The representation in 5 shows an embodiment of such a converter valve. The parallel-connected transistors 1 (for example six transistors) are expediently arranged in a star shape on a carrier 2. The arrangement is preferably carried out on an insulated, suspended, conductive metal plate (for example an aluminum sheet), which then also functions as a cooling plate of a heat sink. A power supply can be provided centrally for all transistors 1 via a thick copper plate as the star center to the source connections of the transistors. This copper plate forms the center of the star-shaped transistors 1. The gate connection of the transistors 1 is made via a hexagonal circuit board 3 with an inner circular cutout, which leaves the area of the copper plate in the star center free. For the drain connection of the transistors 1, an upper copper plate is screwed onto the transistors 1 and connected to the carrier. The result is an assembly/valve set which realizes exactly one of a total of six bridge branches of a B6 circuit. To obtain a complete B6 circuit, six such modules, each with six individual MOSFETs, are required.

Ein solcher Aufbau ist wegen der beim Elektroschweißen auftretenden hohen Ströme im Falle einer Realisierung eines aktiven Hochstromgleichrichters auf Basis einer B6-Schaltung grundsätzlich zwingend notwendig. Nachteilig ist, dass der Material- und Montageaufwand erheblich ist. Zudem lässt sich ein THT-Aufbau in der Regel nur von Hand bestücken, so dass auch ein erheblicher Zeitaufwand und ein mit einer manuellen Tätigkeit einhergehendes Fehler- und/oder Qualitätsrisiko resultieren. Weiterhin lässt die verteilte Struktur der Brückenzweige keine kurzen Anbindungs- und elektrischen Leitungswege zu. Das führt zusätzlich zu Leitungsverlusten.Such a structure is absolutely necessary when implementing an active high-current rectifier based on a B6 circuit due to the high currents that occur during electric welding. The disadvantage is that the material and assembly costs are considerable. In addition, a THT structure can usually only be assembled by hand, which also results in a considerable amount of time and an error and/or quality risk associated with manual work. Furthermore, the distributed structure of the bridge branches does not allow for short connection and electrical line paths. This also leads to line losses.

Aufgrund dieser Nachteile hat die Anmelderin einen grundsätzlich möglichen diskreten Aufbau eines Schweißgleichrichters in Form eines aktiven Hochstromgleichrichters auf Basis einer B6-Schaltung nicht weiter verfolgt.Due to these disadvantages, the applicant did not further pursue a fundamentally possible discrete design of a welding rectifier in the form of an active high-current rectifier based on a B6 circuit.

Um den Montageaufwand zu verringern und gleichzeitig die Leitungs- und Anbindungsverluste zu reduzieren, ist danach erwogen worden, die einzelnen Brückenzweige in SMD-Technik auszuführen (SMD = Surface-Mounted Device). Um die Leiterplatte dabei nicht zu überlasten, ist es wichtig, die Hochstromleiterbahnen mit Stromschienen zu verstärken, zu kühlen und die Stromschienen gleichzeitig direkt als Gleichrichteranschlussfahne zu verwenden.In order to reduce the assembly effort and at the same time reduce the line and connection losses, it was then considered to implement the individual bridge branches using SMD technology (SMD = Surface-Mounted Device). In order not to overload the circuit board, it is important to reinforce and cool the high-current conductor tracks with busbars and at the same time to use the busbars directly as rectifier connection lugs.

Die Darstellung in 6 zeigt eine resultierende Baugruppe mit zwei mal sechs MOSFETs 4, welche zusammen einen Brückenzweig der B6-Schaltung bilden. Auf einer Baugruppe befinden also zwei der insgesamt sechs Stromventile der B6-Schaltung. Zum Erhalt einer kompletten B6-Schaltung werden drei dieser Baugruppen (SMD-Brückenzweige) zusammengeschaltet und verschraubt.The representation in 6 shows a resulting assembly with two times six MOSFETs 4, which together form a bridge branch of the B6 circuit. Two of the total six current valves of the B6 circuit are therefore located on one assembly. To obtain a complete B6 circuit, three of these assemblies (SMD bridge branches) are connected together and screwed together.

Um die Stromtragfähigkeit der Leiterplatte zu erhöhen und geringste Übergangswiderstände zu den MOSFETs 4 zu erhalten, sind die Stromschienen 5 direkt in der Nähe der Leistungshalbleiter (MOSFETs 4) auf die Leiterplatte 6 geschraubt.In order to increase the current carrying capacity of the circuit board and to achieve the lowest possible contact resistance to the MOSFETs 4, the busbars 5 are screwed onto the circuit board 6 directly near the power semiconductors (MOSFETs 4).

Das erhöht die Stromtragfähigkeit der Leiterplatte 6 deutlich, führt überschüssige Wärme ab und leitet die Wechselströme zu und die Gleichrichterströme ab. In der Darstellung in 6 erkennt man die mittig angebrachte AC-Stromschiene 5 sowie jeweils links und rechts die beiden DC-Stromschienen 5 (DC+, DC-). Rückseitig befinden sich zusätzlich eine isolierte Kühlplatte und/oder ein Kühlkörper.This significantly increases the current carrying capacity of the circuit board 6, dissipates excess heat and conducts the alternating currents and the rectifier currents. In the illustration in 6 you can see the centrally mounted AC power rail 5 and the two DC power rails 5 (DC+, DC-) on the left and right. There is also an insulated cooling plate and/or a heat sink on the back.

Zum Erhalt einer kompletten B6-Schaltung werden mindestens drei solcher Baugruppen mit jeweils zwei mal sechs (je nach Belastung auch mehr oder weniger als sechs) MOSFETs 4 benötigt.To obtain a complete B6 circuit, at least three such assemblies, each with two times six (or more or less than six, depending on the load) MOSFETs 4 are required.

Auch diese Lösung ist noch nicht optimal. Nachteilig ist vor allem der immer noch erhebliche Montageaufwand, dies vor allem im Zusammenhang mit der Montage der Stromschienen 5 und schließlich auch im Zusammenhang mit der Kombination dreier Baugruppen zu einem Schweißgleichrichter. Schließlich ist auch die Dimension des resultierenden Schweißgleichrichters ungünstig.This solution is not yet optimal either. The main disadvantage is the still considerable assembly effort, especially in connection with the assembly of the busbars 5 and finally also in connection with the combination of three components to form a welding rectifier. Finally, the dimensions of the resulting welding rectifier are also unfavorable.

Die Lösung, zu der die Anmelderin schließlich gekommen ist, zeichnet sich durch Verwendung einer Metallkernleiterplatte (Metal Core PCB oder MCPCB; 7: Bezugsziffer 12) aus: Die Gleichrichterschaltung des Hochstromgleichrichters ist auf einer Metallkernleiterplatte (zumindest einer Metallkernleiterplatte) realisiert. Bevorzugt ist die Gleichrichterschaltung des Hochstromgleichrichters auf genau einer Metallkernleiterplatte realisiert.The solution finally arrived at by the Applicant is characterised by the use of a metal core printed circuit board (Metal Core PCB or MCPCB; 7 : Reference number 12) from: The rectifier circuit of the high-current rectifier is implemented on a metal core circuit board (at least one metal core circuit board). Preferably, the rectifier circuit of the high-current rectifier is implemented on exactly one metal core circuit board.

Eine Metallkernleiterplatte besteht aus einer dielektrischen Schicht, einer Metallschicht und einer Kupferfolie mit hoher mechanischer Stärke. Der Vorteil einer Metallkernleiterplatte besteht im Vergleich zur herkömmlichen Leiterplatte auf Basis von Epoxid und Glasfaser in ihrer fünf bis zehn Mal höheren Wärmeleitfähigkeit, einer besseren Wärmeverteilung und einer gegenüber herkömmlichen Architekturen bis zu zehn Mal geringeren Dicke. Die Stromventile werden mit SMD-Bauteilen realisiert und anstelle von Stromschienen werden Strompfosten verwendet. Dabei werden alle Halbbrücken der zum Beispiel als B6-Schaltung ausgeführten Gleichrichterschaltung in ein gemeinsames Leistungsmodul zusammengeführt.A metal core circuit board consists of a dielectric layer, a metal layer and a copper foil with high mechanical strength. The advantage of a metal core circuit board compared to the conventional circuit board based on epoxy and glass fiber in their five to ten times higher thermal conductivity, better heat distribution and a thickness up to ten times smaller than conventional architectures. The current valves are made with SMD components and current posts are used instead of busbars. All half bridges of the rectifier circuit, for example designed as a B6 circuit, are combined in a common power module.

Zusätzlich oder alternativ ist vorteilhaft vorgesehen, dass als zuleitende und ableitende Anschlüsse sowie als Kontakt und Leitungselemente für die Gleichrichterschaltung des Hochstromgleichrichters Strombolzen (7: Bezugsziffer 18) fungieren.Additionally or alternatively, it is advantageously provided that current bolts ( 7 : reference number 18).

Ein Strombolzen dient der elektrischen Kontaktierung einer Leiterplatte und einer dortigen Leiterbahn sowie zur elektrisch leitenden Verbindung der Leiterbahn mit einem Stromleiter, zum Beispiel einem als Stromschiene ausgeführten Stromleiter. Als Strombolzen fungiert ein elektrisch leitender Grundkörper, insbesondere ein zylindrischer Grundkörper, der über einen ersten Abschnitt von dessen Außenoberfläche, insbesondere eine der beiden Zylindergrundflächen, mit der Leiterplatte und über einen zweiten Abschnitt von dessen Außenoberfläche, insbesondere die andere Zylindergrundfläche, mit dem Stromleiter elektrisch leitend verbunden oder verbindbar ist.A current bolt is used to electrically contact a circuit board and a conductor track there, as well as to electrically connect the conductor track to a current conductor, for example a current conductor designed as a busbar. An electrically conductive base body, in particular a cylindrical base body, functions as a current bolt, which is or can be electrically connected to the circuit board via a first section of its outer surface, in particular one of the two cylinder bases, and to the current conductor via a second section of its outer surface, in particular the other cylinder base.

Beispiele für eine Ausführungsform eines Strombolzens zeigt die DE 10 2015 204 119 A1 .Examples of a design of a current bolt are shown in the EN 10 2015 204 119 A1 .

Vorteilhaft ist vorgesehen, dass die Strombolzen durch Verlöten mit der Metallkernleiterplatte und jeweils zumindest einer dortigen Leiterbahn verbunden sind.It is advantageous that the current bolts are connected by soldering to the metal core circuit board and to at least one conductor track therein.

Bei einer vorteilhaften Ausführungsform ist jeweils zumindest ein Strombolzen zur Aufnahme der beim Betrieb der Gleichrichterschaltung, zum Beispiel einer B6-Schaltung, fließenden Ströme vorgesehen, nämlich jeweils zumindest ein Strombolzen zur Aufnahme der beim Betrieb der Gleichrichterschaltung dieser zugeführten Wechselströme und jeweils zumindest ein Strombolzen zur Aufnahme des beim Betrieb der Gleichrichterschaltung resultierenden Gleichstroms.In an advantageous embodiment, at least one current bolt is provided for receiving the currents flowing during operation of the rectifier circuit, for example a B6 circuit, namely at least one current bolt for receiving the alternating currents supplied to the rectifier circuit during operation and at least one current bolt for receiving the direct current resulting during operation of the rectifier circuit.

Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform sind jeweils zumindest zwei elektrisch parallele Strombolzen zur Aufnahme der beim Betrieb der Gleichrichterschaltung, zum Beispiel einer B6-Schaltung, fließenden Ströme vorgesehen. Die jeweils zumindest zwei elektrisch parallelen Strombolzen nehmen die beim Betrieb fließenden Ströme in günstiger Art und Weise auf, besitzen vor allem in der Kombination eine ausreichende Stromtragfähigkeit, erwärmen sich im Betrieb nur moderat und führen zu keinen nennenswerten Leistungsverlusten. Eine besonders vorteilhafte Ausführungsform mit jeweils zumindest zwei elektrisch parallelen Strombolzen, die speziell für eine B6-Schaltung in Betracht kommt, zeichnet sich dadurch aus, dass zur Aufnahme der Wechselströme jeweils zwei elektrisch parallele Strombolzen vorgesehen sind und dass zur Aufnahme des Gleichstroms jeweils drei elektrisch parallele Strombolzen vorgesehen sind. Die Wechselströme sind die der B6-Schaltung (Gleichrichterschaltung) bei deren Betrieb zugeführten Wechselströme. Der Gleichstrom ist der beim Betrieb der B6-Schaltung (Gleichrichterschaltung) resultierende Gleichstrom.In a particularly preferred embodiment, at least two electrically parallel current bolts are provided to absorb the currents flowing during operation of the rectifier circuit, for example a B6 circuit. The at least two electrically parallel current bolts absorb the currents flowing during operation in a favorable manner, have sufficient current-carrying capacity, especially in combination, heat up only moderately during operation and do not lead to any significant power losses. A particularly advantageous embodiment with at least two electrically parallel current bolts, which is specifically considered for a B6 circuit, is characterized in that two electrically parallel current bolts are provided to absorb the alternating currents and that three electrically parallel current bolts are provided to absorb the direct current. The alternating currents are the alternating currents supplied to the B6 circuit (rectifier circuit) when it is operating. The direct current is the direct current resulting from the operation of the B6 circuit (rectifier circuit).

Die mit der Anmeldung eingereichten Ansprüche sind Formulierungsvorschläge ohne Präjudiz für die Erzielung weitergehenden Schutzes. Da speziell die Merkmale der abhängigen Ansprüche im Hinblick auf den Stand der Technik am Prioritätstag eigene und unabhängige Erfindungen bilden können, behält die Anmelderin sich vor, diese oder noch weitere, bisher nur in der Beschreibung und/oder Zeichnung offenbarte Merkmalskombinationen zum Gegenstand unabhängiger Ansprüche oder Teilungserklärungen zu machen. Sie können weiterhin auch selbständige Erfindungen enthalten, die eine von den Gegenständen der jeweils in Bezug genommenen Ansprüche unabhängige Gestaltung aufweisen.The claims submitted with the application are suggested formulations without prejudice to the attainment of further protection. Since the features of the dependent claims in particular can constitute separate and independent inventions in view of the state of the art on the priority date, the applicant reserves the right to make these or other combinations of features previously only disclosed in the description and/or drawing the subject of independent claims or declarations of division. They can also contain independent inventions that have a design that is independent of the subject matter of the claims referred to.

Die hier vorgeschlagene Neuerung ist insgesamt auch die Verwendung eines aktiven Hochstromgleichrichters zur Wandlung elektrischer Energie in einem Elektroschweißgerät wie hier und im Folgenden beschrieben sowie zur Verwendung beim Elektroschweißen.The overall innovation proposed here is also the use of an active high-current rectifier for converting electrical energy in an electric welding device as described here and below and for use in electric welding.

Schließlich ist die hier vorgeschlagene Neuerung auch ein Verfahren zur gezielten Ansteuerung der von dem aktiven Hochstromgleichrichter umfassten elektronischen Stromventile beim Betrieb eines Schweißgeräts.Finally, the innovation proposed here is also a method for the targeted control of the electronic current valves included in the active high-current rectifier during operation of a welding device.

Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Einander entsprechende Gegenstände oder Elemente sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.An embodiment of the invention is explained in more detail below with reference to the drawing. Corresponding objects or elements are provided with the same reference numerals in all figures.

Das Ausführungsbeispiel ist nicht als Einschränkung der Erfindung zu verstehen. Vielmehr sind im Rahmen der vorliegenden Offenbarung durchaus auch Ergänzungen und Modifikationen möglich, insbesondere solche, die zum Beispiel durch Kombination oder Abwandlung von einzelnen in Verbindung mit den im allgemeinen oder speziellen Beschreibungsteil beschriebenen sowie in den Ansprüchen und/oder der Zeichnung enthaltenen Merkmalen oder Verfahrensschritten für den Fachmann im Hinblick auf die Lösung der Aufgabe entnehmbar sind und durch kombinierbare Merkmale zu einem neuen Gegenstand oder zu neuen Verfahrensschritten bzw. Verfahrensschrittfolgen führen.The embodiment is not to be understood as a limitation of the invention. Rather, additions and modifications are also possible within the scope of the present disclosure, in particular those which, for example, are achieved by combining or modifying individual features in connection with those described in the general or specific description part and in the The features or method steps contained in the claims and/or the drawing can be inferred by the person skilled in the art with regard to the solution of the problem and, through combinable features, lead to a new object or to new method steps or sequences of method steps.

Es zeigen

  • 1 eine B6-Brückenschaltung,
  • 2 Strom-, Spannungs- und Leistungsverhältnisse an einer Si-Diode der B6-Brückenschaltung aus 1,
  • 3 eine B6-Brückenschaltung mit aktiven elektronischen Stromventilen,
  • 4 Strom-, Spannungs- und Leistungsverhältnisse an einem der Ventilbauelemente der B6-Brückenschaltung aus 1,
  • 5 und
  • 6 eine Ausführungsform eines Gleichrichters auf Basis einer B6-Brückenschaltung,
  • 7 eine Ausführungsform eines Gleichrichters (aktiver Hochstromgleichrichter) auf Basis einer B6-Brückenschaltung wie hier vorgeschlagen,
  • 8 eine Ansteuerschaltung innerhalb der B6-Brückenschaltung und
  • 9 ein Schweißgerät mit einem aktiven Hochstromgleichrichter gemäß 7.
Show it
  • 1 a B6 bridge circuit,
  • 2 Current, voltage and power ratios at a Si diode of the B6 bridge circuit from 1 ,
  • 3 a B6 bridge circuit with active electronic current valves,
  • 4 Current, voltage and power ratios at one of the valve components of the B6 bridge circuit from 1 ,
  • 5 and
  • 6 an embodiment of a rectifier based on a B6 bridge circuit,
  • 7 an embodiment of a rectifier (active high-current rectifier) based on a B6 bridge circuit as proposed here,
  • 8th a control circuit within the B6 bridge circuit and
  • 9 a welding machine with an active high-current rectifier in accordance with 7 .

Die Darstellung in 1 zeigt als Beispiel für eine Gleichrichterschaltung eine B6-Brückenschaltung als Basis für einen Gleichrichter. Die Darstellung in 2 zeigt die Strom-, Spannungs- und Leistungsverhältnisse an einem der Ventile (hier einer Si-Diode) einer solchen B6-Brückenschaltung bei deren Verwendung als Schweißgleichrichter.The representation in 1 shows an example of a rectifier circuit, a B6 bridge circuit as the basis for a rectifier. The illustration in 2 shows the current, voltage and power ratios at one of the valves (here a Si diode) of such a B6 bridge circuit when used as a welding rectifier.

Die Darstellung in 3 zeigt eine B6-Brückenschaltung mit - im Gegensatz zu der in 1 gezeigten Schaltung - Stromrichterventilen (Ventilen) in Form von aktiven elektronischen Stromventilen in jedem Brückenzweig als Basis für einen aktiven Gleichrichter. Die Darstellung in 4 zeigt die Strom-, Spannungs- und Leistungsverhältnisse an einem der Ventile einer solchen B6-Brückenschaltung bei deren Verwendung als Schweißgleichrichter, nämlich bei deren Verwendung als aktiver Hochstromgleichrichter (aktiver Hochstrom-Schweißgleichrichter).The representation in 3 shows a B6 bridge circuit with - in contrast to the one in 1 shown circuit - converter valves (valves) in the form of active electronic current valves in each bridge branch as the basis for an active rectifier. The representation in 4 shows the current, voltage and power ratios at one of the valves of such a B6 bridge circuit when used as a welding rectifier, namely when used as an active high-current rectifier (active high-current welding rectifier).

Die Darstellungen in 5 und 6 zeigen nicht mehr weiter verfolgte Ausführungsformen eines aktiven Hochstrom-Schweißgleichrichters der Anmelderin.The representations in 5 and 6 show embodiments of an active high-current welding rectifier of the applicant which are no longer pursued.

Die Darstellung in 7 zeigt in Form eines schematisch vereinfachten elektrisch-konstruktiven Ersatzschaltbilds eine Ausführungsform eines hier vorgeschlagenen aktiven Hochstrom-Schweißgleichrichters 10. Dieser umfasst auf einem Träger in Form einer Metallkernleiterplatte 12 als Gleichrichterschaltung eine grundsätzlich an sich bekannte B6-Schaltung. Andere Schaltungen sind grundsätzlich ebenso möglich, zum Beispiel eine M3/M6-Schaltung.The representation in 7 shows, in the form of a schematically simplified electrical-construction equivalent circuit diagram, an embodiment of an active high-current welding rectifier 10 proposed here. This comprises a B6 circuit, which is known per se, as a rectifier circuit on a carrier in the form of a metal core circuit board 12. Other circuits are also possible in principle, for example an M3/M6 circuit.

Der vorgeschlagene aktive Hochstrom-Schweißgleichrichter 10 umfasst als Stromventile (Ventile) 14 in jedem Brückenzweig jeweils eine Parallelschaltung mehrerer elektronischer Schaltelemente 16. Eine jeweilige Mehrzahl der elektronischen Schaltelemente 16 ist in der Darstellung in 7 nur in schematisch vereinfachter Form angedeutet. In Betracht kommen zum Beispiel jeweils vier oder sechs parallel geschaltete Schaltelemente 16. Die Gesamtheit der jeweils parallel geschalteten Schaltelemente 16 bildet ein Stromventil (Ventil) 14 und jedes Schaltelement 16 innerhalb der Parallelschaltung ist ein Ventilbauelement 16. Im Interesse eines Erhalts der Übersichtlichkeit der Darstellung sind nur einzelne Stromventile 14 und Schaltelemente/Ventilbauelemente 16 mit ihrer Bezugsziffer bezeichnet. Als Ventilbauelemente 16 der Stromventile 14 kommen insbesondere hochstromfähige MOSFETs in Betracht.The proposed active high-current welding rectifier 10 comprises a parallel connection of several electronic switching elements 16 as current valves (valves) 14 in each bridge branch. A respective plurality of the electronic switching elements 16 is shown in the illustration in 7 only indicated in a simplified schematic form. For example, four or six switching elements 16 connected in parallel come into consideration. The totality of the switching elements 16 connected in parallel forms a current valve (valve) 14 and each switching element 16 within the parallel circuit is a valve component 16. In the interest of maintaining the clarity of the illustration, only individual current valves 14 and switching elements/valve components 16 are designated by their reference number. High-current capable MOSFETs come into consideration in particular as valve components 16 of the current valves 14.

Eine Metallkernleiterplatte 12 als Träger der Gleichrichterschaltung und der davon umfassten Stromventile 14 hat den Vorteil einer möglichen Reduzierung der notwendigen Anzahl der Ventilbauelemente 16. Die guten thermischen Eigenschaften einer Metallkernleiterplatte 12 erlauben nämlich - im Vergleich zu einem Schweißgleichrichter entsprechend 6 - eine Umstellung von sechs auf fünf oder weniger parallele Ventilbauelemente 16, insbesondere MOSFETs, in jedem Brückenzweig.A metal core circuit board 12 as a carrier of the rectifier circuit and the flow valves 14 included therein has the advantage of a possible reduction in the necessary number of valve components 16. The good thermal properties of a metal core circuit board 12 allow - in comparison to a welding rectifier corresponding 6 - a change from six to five or fewer parallel valve components 16, in particular MOSFETs, in each bridge branch.

Eine weitere Besonderheit liegt in der Verwendung hochstromfähiger Strombolzen 18 für die Zuführung und Ableitung der beim Betrieb des im Folgenden mitunter kurz auch nur als Gleichrichter 10 bezeichneten aktiven Hochstrom-Schweißgleichrichters 10 fließenden Ströme. In der Darstellung in 7 sind die Strombolzen 18 schematisch vereinfacht als Zylinder dargestellt, wobei eine zylindrische Form tatsächlich eine optional mögliche Form ist. Andere Raumformen sind gleichwohl möglich, zum Beispiel eine Quaderform. Auch hier sind im Interesse eines Erhalts der Übersichtlichkeit der Darstellung nur einzelne Strombolzen 18 mit ihrer Bezugsziffer bezeichnet.Another special feature is the use of high-current current bolts 18 for the supply and discharge of the currents flowing during operation of the active high-current welding rectifier 10, which is also referred to below as rectifier 10. In the illustration in 7 the current bolts 18 are shown schematically in a simplified form as cylinders, whereby a cylindrical shape is actually an optionally possible shape. Other spatial shapes are also possible, for example a cuboid shape. Here too, in the interest of maintaining the clarity of the illustration, only individual current bolts 18 are designated with their reference number.

Jeder Strombolzen 18 kontaktiert jeweils eine Leiterbahn auf der Metallkernleiterplatte 12. Der elektrisch leitende Kontakt mit der Leiterbahn besteht bevorzugt mit einer Grundfläche (erste Grundfläche) des Strombolzens 18 und die gegenüberliegende Grundfläche (zweite Grundfläche) des Strombolzens 18 dient als Kontaktstelle des Gleichrichters 10. Die Strombolzen 18 sind bevorzugt mit der ersten Grundfläche mit der jeweiligen Leiterbahn verlötet und zusätzlich mit der Metallkernleiterplatte 12 verschraubt. Die Strombolzen 18 sind bevorzugt in unmittelbarer räumlicher Nähe zu den Anschlüssen der Stromventile 14 befestigt, besonders bevorzugt direkt oberhalb und unterhalb der jeweiligen Ventilaus- und -eingänge.Each current bolt 18 contacts a conductor track on the metal core circuit board 12. The electrically conductive contact with the conductor track preferably consists of a base surface (first base surface) of the current bolt 18 and the opposite base surface (second base surface) of the current bolt 18 serves as a contact point of the rectifier 10. The current bolts 18 are preferably soldered to the first base surface with the respective conductor track and additionally screwed to the metal core circuit board 12. The current bolts 18 are preferably fastened in the immediate spatial proximity to the connections of the current valves 14, particularly preferably directly above and below the respective valve outputs and inputs.

Eine zusätzliche Besonderheit besteht darin, dass jeweils zumindest zwei elektrisch parallele Strombolzen 18 der Zuführung und Ableitung der beim Betrieb des Gleichrichters 10 fließenden Ströme dienen. Im Vergleich zu dem Schweißgleichrichter in 6 treten die Strombolzen 18 elektrisch an die Stelle der dort noch vorgesehenen flächigen Stromschienen 5.An additional special feature is that at least two electrically parallel current bolts 18 serve to supply and discharge the currents flowing during operation of the rectifier 10. In comparison to the welding rectifier in 6 The current bolts 18 electrically replace the flat current rails 5 still provided there.

Bei der gezeigten Ausführungsform werden die drei Phasen des gleichzurichtenden Wechselstroms dem Gleichrichter 10 über jeweils zwei parallele Strombolzen 18 zugeführt (P2, P3, P4) und der Abgriff des resultierenden Gleichstroms erfolgt über jeweils drei parallele Strombolzen 18 (P1, P5). Die gezeigte Ausführungsform des Gleichrichters 10 weist also einen jeweils doppelt ausgelegten Wechselstrom-Anschluss (P2, P3, P4) und einen verstärkt, nämlich dreifach, ausgelegten Gleichstrom-Anschluss (P1, P5) auf, so dass sich in unmittelbarer Nähe zu jedem Stromventil 14 und ohne wesentliche Leiterbahnverbindungslängen (kurze Strompfade) zumindest jeweils ein Strombolzen 18 befindet.In the embodiment shown, the three phases of the alternating current to be rectified are fed to the rectifier 10 via two parallel current bolts 18 (P2, P3, P4) and the resulting direct current is tapped via three parallel current bolts 18 (P1, P5). The embodiment of the rectifier 10 shown therefore has a double AC connection (P2, P3, P4) and a reinforced, namely triple, direct current connection (P1, P5), so that at least one current bolt 18 is located in the immediate vicinity of each current valve 14 and without significant conductor track connection lengths (short current paths).

Alle Strombolzen 18 befinden sich vorteilhaft auf derselben Oberfläche der Metallkernleiterplatte 12. Dies hat den Vorteil, dass eine Kontaktierung des Gleichrichters 10 von derselben Seite und von genau einer Seite erfolgen kann. Bevorzugt sind die freien Grundflächen der Strombolzen 18 (also die den Grundflächen, welche zur Kontaktierung der Leiterbahn vorgesehen sind, gegenüberliegenden Grundflächen) mit einer Gewindebohrung oder einer als Buchse fungierenden gewindefreien Bohrung oder dergleichen versehen. Die stromführenden Leiter zum Anschluss des Gleichrichters lassen sich dann leicht von der zuvor erwähnten einen Seite, also gewisserma-ßen „von oben“ montieren.All current bolts 18 are advantageously located on the same surface of the metal core circuit board 12. This has the advantage that contact can be made to the rectifier 10 from the same side and from exactly one side. Preferably, the free base surfaces of the current bolts 18 (i.e. the base surfaces opposite the base surfaces intended for contacting the conductor track) are provided with a threaded hole or a thread-free hole that functions as a socket or the like. The current-carrying conductors for connecting the rectifier can then be easily mounted from the one side mentioned above, i.e. "from above" as it were.

Bevorzugt zeichnet sich ein Layout der Leiterbahnen auf der Metallkernleiterplatte 12 dadurch aus, dass mit den aufgrund des Layouts resultierenden Positionen der Strombolzen 18 alle Strombolzen 18 nahe an die Stromventile 14 gerückt sind, so dass kurze Leitungswege (kurze Strompfade) und geringe Leitungswiederstände resultieren.Preferably, a layout of the conductor tracks on the metal core circuit board 12 is characterized in that, with the positions of the current bolts 18 resulting from the layout, all current bolts 18 are moved close to the current valves 14, so that short line paths (short current paths) and low line resistances result.

Die Darstellung in 8 zeigt - schematisch vereinfacht - einen Teil einer Ansteuerschaltung 20. Diese ist zur gezielten Aktivierung der von dem Gleichrichter 10 und der jeweiligen Gleichrichterschaltung umfassten Stromventile 14 bestimmt. Eine Aktivierung jeweils eines Stromventils 14 bedeutet die Aktivierung des oder jedes von dem jeweiligen Stromventil 14 umfassten Ventilbauelements 16. Die Ansteuerschaltung 20 umfasst eine Triggerschaltung 22 und eine Verriegelungsschaltung 24. Die Triggerschaltung 22 erzeugt ein Steuersignal 26 und die Verriegelungsschaltung erzeugt ein Ansteuersignal 28.The representation in 8th shows - schematically simplified - part of a control circuit 20. This is intended for the targeted activation of the current valves 14 included in the rectifier 10 and the respective rectifier circuit. Activation of a current valve 14 means the activation of the or each valve component 16 included in the respective current valve 14. The control circuit 20 includes a trigger circuit 22 and a locking circuit 24. The trigger circuit 22 generates a control signal 26 and the locking circuit generates a control signal 28.

In der grafischen Darstellung der Ansteuerschaltung 20 in 8 ist in deren Zentrum ein Ventilbauelement 16 eines Stromventils 14 des Gleichrichters 10 gezeigt. Für dieses sind dessen übliche Anschlüsse (Drain, Source, Gate) mit den Buchstaben D, S und G bezeichnet. Bei dem Ventilbauelement 16 handelt es sich zum Beispiel um einen Leistungs-MOSFET, jedenfalls um ein elektronisches Bauelement mit einer sogenannten parasitären Diode.In the graphical representation of the control circuit 20 in 8th In the center of the valve component 16 of a current valve 14 of the rectifier 10 is shown. The usual connections (drain, source, gate) are designated with the letters D, S and G. The valve component 16 is, for example, a power MOSFET, in any case an electronic component with a so-called parasitic diode.

Mittels der Triggerschaltung 22 wird die Drain-Source-Spannung des Ventilbauelements 16 überwacht, also die Spannung über der dortigen parasitären Diode. Ein Nulldurchgang dieser Spannung ist ein Indiz für den Beginn der sogenannten natürlichen Kommutierung, also des Übergangs des Stromflusses von einem Brückenzweig auf einen anderen Brückenzweig des Gleichrichters 10. Im Nulldurchgang dieser Spannung ist eine sogenannte Weicheinschaltung (Soft-Switching) des Ventilbauelements 16 möglich. Eine Weicheinschaltung ist sinnvoll und im Falle des gegenständlichen Schweißgleichrichters 10 wünschenswert, denn im Nulldurchgang kann leistungslos und damit verlustfrei oder zumindest im Wesentlichen leistungslos/verlustfrei geschaltet werden. Ansonsten resultierende Schaltverluste werden also vermieden.The trigger circuit 22 monitors the drain-source voltage of the valve component 16, i.e. the voltage across the parasitic diode there. A zero crossing of this voltage is an indication of the start of the so-called natural commutation, i.e. the transition of the current flow from one bridge branch to another bridge branch of the rectifier 10. When this voltage crosses zero, a so-called soft switching of the valve component 16 is possible. Soft switching is useful and desirable in the case of the welding rectifier 10 in question, because at the zero crossing switching can be carried out without power and thus without loss or at least essentially without power/without loss. Otherwise resulting switching losses are thus avoided.

Der Nulldurchgang kann beim Elektroschweißen aufgrund von zum Beispiel Schweißlichtbogenkurzschlüssen und damit einhergehenden dynamischen Laständerungen verzerrt sein. Daher wird bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform der hier vorgeschlagenen Neuerung für alle Stromventile 14 bei jeweils einem davon umfassten Ventilbauelement 16 dieser Nulldurchgang mittels der Ansteuerschaltung 20 ermittelt und mittels der Ansteuerschaltung 20 erfolgt eine Ansteuerung des jeweiligen Stromventils 14, also aller davon umfassten Ventilbauelemente 16, aufgrund dieses Nulldurchgangs.The zero crossing can be distorted during electric welding due to, for example, welding arc short circuits and the associated dynamic load changes. Therefore, in a particularly preferred embodiment of the innovation proposed here, this zero crossing is determined for all flow valves 14 for each valve component 16 included therein by means of the control circuit 20, and the respective flow valve 14, i.e. all valve components 16 included therein, is controlled by means of the control circuit 20 on the basis of this zero crossing.

Die Erkennung des Nulldurchgangs erfolgt mittels der Triggerschaltung 22. Diese ist dazu parallel zu der Drain-Source-Strecke genau eines Ventilbauelements 16 des jeweiligen Stromventils 14 und damit parallel zu dessen parasitärer Diode geschaltet. Die Triggerschaltung 22 sensiert die jeweilige Spannung über der Drain-Source-Strecke (Drain-Source-Spannung) und erzeugt im Falle des Nulldurchgangs dieser Spannung das Steuersignal 26. Das Steuersignal 26 könnte direkt zur Aktivierung des Stromventils 14, nämlich zur Aktivierung der davon umfassten Ventilbauelemente 16 auf deren Gate-Anschlüsse geführt werden und bei einer einfachen Ausführungsform der Ansteuerschaltung 20 wird das Steuersignal 26 direkt auf die Gate-Anschlüsse aller von dem jeweils zu aktivierenden Stromventil 14 umfassten Ventilbauelemente 16 geführt.The detection of the zero crossing is carried out by means of the trigger circuit 22. This is connected parallel to the drain-source path of exactly one valve component 16 of the respective current valve 14 and thus connected in parallel to its parasitic diode. The trigger circuit 22 senses the respective voltage across the drain-source path (drain-source voltage) and generates the control signal 26 when this voltage crosses zero. The control signal 26 could be fed directly to activate the current valve 14, namely to activate the valve components 16 included therein to their gate terminals, and in a simple embodiment of the control circuit 20, the control signal 26 is fed directly to the gate terminals of all valve components 16 included in the current valve 14 to be activated.

Die Ansteuerschaltung 20 ist - im Sinne einer schematisch vereinfachten Darstellung der Verhältnisse - in der Darstellung in 8 am Beispiel genau eines Ventilbauelements 16 gezeigt. Im Falle eines Stromventils 14 mit einer Mehrzahl von Ventilbauelementen 16, wie dies bei der hier vorgeschlagenen Schaltung des Gleichrichters 10 gemäß 7 der Fall ist, wird mittels der Ansteuerschaltung 20 genau eines der Ventilbauelemente 16 eines jeden Stromventils 14 überwacht und das Steuersignal 26 ist dann (unmittelbar oder mittelbar) für alle von dem jeweiligen Stromventil 14 umfassten Ventilbauelemente 16 bestimmt.The control circuit 20 is - in the sense of a schematically simplified representation of the conditions - in the illustration in 8th shown using the example of exactly one valve component 16. In the case of a flow valve 14 with a plurality of valve components 16, as is the case with the circuit of the rectifier 10 proposed here according to 7 If this is the case, exactly one of the valve components 16 of each flow valve 14 is monitored by means of the control circuit 20 and the control signal 26 is then determined (directly or indirectly) for all valve components 16 comprised by the respective flow valve 14.

Bei einer vorteilhaften, aber gleichwohl optionalen Ausführungsform der Ansteuerschaltung 20 soll eine Aktivierung eines jeweiligen Stromventils 14 und der davon umfassten Ventilbauelemente 16 mittels der Ansteuerschaltung 20 nur dann möglich sein, wenn nicht gleichzeitig andere Stromventile 14 (und die dortigen Ventilbauelemente 16) ebenfalls aktiviert wurden. Dafür ist die Verriegelungsschaltung 24 vorgesehen. Diese ist in der Darstellung in 8 als UND-Gatter gezeigt. Der Verriegelungsschaltung 24 werden das Steuersignal 26 und die Steuersignale 26 weiterer Ansteuerschaltungen 20, nämlich Ansteuerschaltungen 20 der Stromventile 14 in den parallelen Brückenzweigen, zugeführt, letztere im Falle eines als Verriegelungsschaltung 24 fungierenden UND-Gatters jeweils an negierenden Eingängen. Dafür ist das Stromventil 14, welches das in 8 gezeigte Ventilbauelement 16 umfasst, symbolisch zur Unterscheidung mit dem Buchstaben „A“ bezeichnet. Die Stromventile 14 der parallelen Brückenzweige - hier nicht gezeigt - wären entsprechend zum Beispiel mit den Buchstaben „B“ und „C“ zu bezeichnen und verfügen jeweils über eine eigene Ansteuerschaltung 20, welche ihrerseits ein Steuersignal 26 erzeugt. Diese Steuersignale 26 sind am Eingang der gezeigten Verriegelungsschaltung 24 symbolisch mit „B“ und „C“ bezeichnet. Dies zeigt an, dass diese von den Ansteuerschaltungen 20 der Stromventile 14 in den parallelen Brückenzweigen stammen.In an advantageous, but nevertheless optional embodiment of the control circuit 20, activation of a respective flow valve 14 and the valve components 16 included therein by means of the control circuit 20 should only be possible if other flow valves 14 (and the valve components 16 therein) have not also been activated at the same time. The locking circuit 24 is provided for this purpose. This is shown in the illustration in 8th as an AND gate. The locking circuit 24 is supplied with the control signal 26 and the control signals 26 of further control circuits 20, namely control circuits 20 of the current valves 14 in the parallel bridge branches, the latter in the case of an AND gate acting as a locking circuit 24, each at negating inputs. For this purpose, the current valve 14, which is the 8th shown valve component 16, symbolically designated with the letter "A" for differentiation. The flow valves 14 of the parallel bridge branches - not shown here - would be designated accordingly, for example, with the letters "B" and "C" and each have their own control circuit 20, which in turn generates a control signal 26. These control signals 26 are symbolically designated with "B" and "C" at the input of the locking circuit 24 shown. This indicates that they originate from the control circuits 20 of the flow valves 14 in the parallel bridge branches.

Die Verriegelungsschaltung 24 erzeugt ein Ansteuersignal 28. Dieses wird auf die Gate-Anschlüsse der von dem jeweiligen Stromventil 14 umfassten Ventilbauelemente 16 geführt, nämlich auf alle Ventilbauelemente 16 desjenigen Stromventils 14, dessen Ventilbauelement 16 mittels der Ansteuerschaltung 20 überwacht wird. Das Ansteuersignal 28 hat nur dann einen Pegel, welcher eine Aktivierung des jeweiligen Stromventils 14 und der davon umfassten Ventilbauelemente 16 bewirkt, wenn einerseits ein Nulldurchgang der Drain-Source-Spannung des Ventilbauelements 16 stattfindet und andererseits kein Stromventil 14 in den parallelen Brückenzweigen mittels deren jeweiliger Ansteuerschaltung 20 aktiviert wurde.The locking circuit 24 generates a control signal 28. This is fed to the gate terminals of the valve components 16 included in the respective current valve 14, namely to all valve components 16 of the current valve 14 whose valve component 16 is monitored by means of the control circuit 20. The control signal 28 only has a level which causes an activation of the respective current valve 14 and the valve components 16 included thereby if, on the one hand, a zero crossing of the drain-source voltage of the valve component 16 takes place and, on the other hand, no current valve 14 in the parallel bridge branches has been activated by means of their respective control circuit 20.

Hier gilt das oben Geschriebene entsprechend: Die Ansteuerschaltung 20 und deren Verriegelungsschaltung 24 sind in der Darstellung in 8 am Beispiel genau eines Ventilbauelements 16 gezeigt. Im Falle eines Stromventils 14 mit einer Mehrzahl von Ventilbauelementen 16, wie dies bei der hier vorgeschlagenen Schaltung des Gleichrichters 10 gemäß 7 der Fall ist, wird mittels der Ansteuerschaltung 20 genau eines der Ventilbauelemente 16 eines jeden Stromventils 14 überwacht und das Steuersignal 26 ist dann mittelbar und das daraus abgeleitete Ansteuersignal 28 ist unmittelbar für alle von dem jeweiligen Stromventil 14 umfassten Ventilbauelemente 16 bestimmt.Here, the above applies accordingly: The control circuit 20 and its locking circuit 24 are shown in 8th shown using the example of exactly one valve component 16. In the case of a flow valve 14 with a plurality of valve components 16, as is the case with the circuit of the rectifier 10 proposed here according to 7 If this is the case, exactly one of the valve components 16 of each flow valve 14 is monitored by means of the control circuit 20 and the control signal 26 is then indirect and the control signal 28 derived therefrom is directly intended for all valve components 16 comprised by the respective flow valve 14.

Eine Halte-Löschfunktion bezüglich der mittels der Ansteuerschaltung 20 generierten Signale wird zum Beispiel mittels einer Hysteresefunktion mit geeignet gewählten Ein/Aus-Schwell¬werten der Triggerschaltung 22 realisiert. Die Signaldauer des Steuersignals 26 ergibt sich dann, aus den Schwellwerten und der natürlichen Kommutierung.A hold-delete function with respect to the signals generated by the control circuit 20 is implemented, for example, by means of a hysteresis function with suitably selected on/off threshold values of the trigger circuit 22. The signal duration of the control signal 26 then results from the threshold values and the natural commutation.

Im Falle von Ventilbauelementen 16 ohne parasitäre Diode kommt deren Beschaltung mit einer Diode als zusätzlichem Bauteil in Betracht. Dann gilt das oben Geschriebene auch für solche Ventilbauelemente 16 entsprechend.In the case of valve components 16 without a parasitic diode, their wiring with a diode as an additional component comes into consideration. In this case, the above also applies accordingly to such valve components 16.

Die Darstellung in 9 zeigt - nur in schematisch massiv vereinfachter Form - ein Schweißgerät 100 mit einem aktiven Hochstromgleichrichter 10 wie hier vorgeschlagen.The representation in 9 shows - only in a schematically massively simplified form - a welding device 100 with an active high-current rectifier 10 as proposed here.

Einzelne im Vordergrund stehende Aspekte der hier vorgelegten Beschreibung lassen sich damit kurz wie folgt zusammenfassen: Angegeben wird ein Schweißgerät 100 mit einem dort zur Energiewandlung vorgesehenen aktiven Hochstromgleichrichter 10, wobei als Hochstromgleichrichter 10 ein Dreiphasengleichrichter fungiert, der als Gleichrichterschaltung zum Beispiel eine B6-Schaltung und innerhalb der Gleichrichterschaltung elektronische Stromventile 14 zur gezielten Aktivierung und Deaktivierung einzelner Brückenzweige der Gleichrichterschaltung umfasst.Individual aspects of the description presented here that are in the foreground can be briefly summarized as follows: A welding device 100 is specified with an active high-current rectifier 10 provided there for energy conversion, wherein a three-phase rectifier functions as the high-current rectifier 10, which as a rectifier circuit, for example, has a B6 circuit and within the rectifier circuit electronic current valves 14 for targeted activation and deactivation. activation of individual bridge branches of the rectifier circuit.

Bei einer besonderen Ausführungsform eines solchen Schweißgeräts 100 ist die Gleichrichterschaltung des Hochstromgleichrichters 10, insbesondere in einer Ausführung als B6-Schaltung, auf genau einer Metallkernleiterplatte 12 realisiert und/oder sind jeweils zumindest zwei elektrisch parallele Strombolzen 18 zur Aufnahme der beim Betrieb der Gleichrichterschaltung fließenden Ströme vorgesehen. Letzteres zum Beispiel indem zur Aufnahme der beim Betrieb der Gleichrichterschaltung, insbesondere in Form einer B6-Schaltung, dieser zugeführten Wechselströme jeweils zwei elektrisch parallele Strombolzen 18 vorgesehen sind und zur Aufnahme des beim Betrieb der Gleichrichterschaltung, insbesondere in Form einer B6-Schaltung, resultierenden Gleichstroms jeweils drei elektrisch parallele Strombolzen 18 vorgesehen sind.In a particular embodiment of such a welding device 100, the rectifier circuit of the high-current rectifier 10, in particular in a design as a B6 circuit, is implemented on exactly one metal core circuit board 12 and/or at least two electrically parallel current bolts 18 are provided to absorb the currents flowing during operation of the rectifier circuit. The latter, for example, in that two electrically parallel current bolts 18 are provided to absorb the alternating currents supplied to the rectifier circuit during operation, in particular in the form of a B6 circuit, and in that three electrically parallel current bolts 18 are provided to absorb the direct current resulting from operation of the rectifier circuit, in particular in the form of a B6 circuit.

Optional umfasst bei einem solchen Schweißgerät 100 der Hochstromgleichrichter 10 eine Ansteuerschaltung 20 zur gezielten Aktivierung eines Stromventils 14 beim Nulldurchgang einer Spannung über einer parasitären Diode zumindest eines Ventilbauelements 16 des Stromventils 14.Optionally, in such a welding device 100, the high-current rectifier 10 comprises a control circuit 20 for the targeted activation of a current valve 14 when a voltage across a parasitic diode of at least one valve component 16 of the current valve 14 passes through zero.

BezugszeichenlisteList of reference symbols

11
Transistortransistor
22
Trägercarrier
33
LeiterplatteCircuit board
44
MOSFETMOSFET
55
StromschieneBusbar
66
Leiterplatte Circuit board
1010
aktiver Hochstromgleichrichter, Gleichrichteractive high current rectifier, rectifier
1212
MetallkernleiterplatteMetal core circuit board
1414
StromventilFlow valve
1616
Ventilbauelement, elektronisches SchaltelementValve component, electronic switching element
1818
Strombolzen Power bolt
2020
AnsteuerschaltungControl circuit
2222
TriggerschaltungTrigger circuit
2424
VerriegelungsschaltungLocking circuit
2626
SteuersignalControl signal
2828
Ansteuersignal Control signal
100100
Schweißgerätwelding machine

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • DE 102015204119 A1 [0039]DE 102015204119 A1 [0039]

Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature

  • DIN EN 60974-1 [0006]EN 60974-1 [0006]

Claims (7)

Schweißgerät (100) mit einem dort zur Energiewandlung vorgesehenen aktiven Hochstromgleichrichter (10), wobei als Hochstromgleichrichter (10) ein Dreiphasengleichrichter fungiert, der eine Gleichrichterschaltung und innerhalb der Gleichrichterschaltung elektronische Stromventile (14) zur gezielten Aktivierung und Deaktivierung einzelner Brückenzweige der Gleichrichterschaltung umfasst, wobei als Gleichrichterschaltung eine B6-Brückenschaltung fungiert, wobei die Gleichrichterschaltung des Hochstromgleichrichters (10) auf einer Metallkernleiterplatte (12) realisiert ist, wobei als zuleitende und ableitende Anschlüsse für die Gleichrichterschaltung des Hochstromgleichrichters (10) Strombolzen (18) fungieren, wobei zur Aufnahme der beim Betrieb der Gleichrichterschaltung dieser zugeführten Wechselströme jeweils zumindest ein Strombolzen (18) vorgesehen ist und wobei zur Aufnahme des beim Betrieb der Gleichrichterschaltung resultierenden Gleichstroms jeweils zumindest ein Strombolzen (18) vorgesehen ist, wobei die Gleichrichterschaltung eine Ansteuerschaltung (20) zum Aktivieren der von den Stromventilen (14) umfassten Ventilbauelemente (16) umfasst, wobei mittels der Ansteuerschaltung (20), nämlich mittels einer von der Ansteuerschaltung (20) umfassten Triggerschaltung (22), ein Zeitpunkt des Nulldurchgangs einer Drain-Source-Spannung zumindest eines Ventilbauelements (16) des jeweiligen Stromventils (14) detektierbar ist und wobei mittels der Ansteuerschaltung (20) das jeweilige Stromventil (14) aufgrund der Detektion des Nulldurchgangs aktivierbar ist.Welding device (100) with an active high-current rectifier (10) provided there for energy conversion, wherein the high-current rectifier (10) functions as a three-phase rectifier, which comprises a rectifier circuit and, within the rectifier circuit, electronic current valves (14) for the targeted activation and deactivation of individual bridge branches of the rectifier circuit, wherein the rectifier circuit functions as a B6 bridge circuit, wherein the rectifier circuit of the high-current rectifier (10) is implemented on a metal core circuit board (12), wherein current bolts (18) function as supply and discharge connections for the rectifier circuit of the high-current rectifier (10), wherein at least one current bolt (18) is provided to receive the alternating currents supplied to the rectifier circuit during operation of the rectifier circuit, and where at least one current bolt (18) is provided to receive the direct current resulting from the operation of the rectifier circuit, wherein the rectifier circuit has a control circuit (20) for activating the current valves (14) comprises valve components (16), wherein a point in time of the zero crossing of a drain-source voltage of at least one valve component (16) of the respective current valve (14) can be detected by means of the control circuit (20), namely by means of a trigger circuit (22) comprised by the control circuit (20), and wherein the respective current valve (14) can be activated by means of the control circuit (20) due to the detection of the zero crossing. Schweißgerät (100) nach Anspruch 1, wobei die Gleichrichterschaltung des Hochstromgleichrichters (10) auf genau einer Metallkernleiterplatte (12) realisiert ist.Welding machine (100) to Claim 1 , wherein the rectifier circuit of the high-current rectifier (10) is realized on exactly one metal core circuit board (12). Schweißgerät (100) nach Anspruch 1 oder 2, wobei zur Aufnahme der beim Betrieb der Gleichrichterschaltung dieser zugeführten Wechselströme jeweils zwei elektrisch parallele Strombolzen (18) vorgesehen sind und wobei zur Aufnahme des beim Betrieb der Gleichrichterschaltung resultierenden Gleichstroms jeweils drei elektrisch parallele Strombolzen (18) vorgesehen sind.Welding machine (100) to Claim 1 or 2 , wherein two electrically parallel current bolts (18) are provided to absorb the alternating currents supplied to the rectifier circuit during operation, and wherein three electrically parallel current bolts (18) are provided to absorb the direct current resulting from operation of the rectifier circuit. Schweißgerät (100) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Hochstromgleichrichter (10) als elektronische Ventilbauelemente (16) der Stromventile (14) jeweils Insulated Gate Bipolar Transistoren (IGBT), Thyristoren oder MOSFETs aufweist.Welding device (100) according to one of the preceding claims, wherein the high-current rectifier (10) has insulated gate bipolar transistors (IGBT), thyristors or MOSFETs as electronic valve components (16) of the current valves (14). Schweißgerät (100) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Strombolzen (18) mit der Metallkernleiterplatte (12) durch Verlöten mit einer dortigen Leiterbahn verbunden sind.Welding device (100) according to one of the preceding claims, wherein the current bolts (18) are connected to the metal core circuit board (12) by soldering to a conductor track there. Schweißgerät (100) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Ansteuerschaltung (20) eine Verriegelungsschaltung (24) umfasst, wobei mittels der Verriegelungsschaltung (24) das jeweilige Stromventil (14) nur dann aktivierbar ist, wenn der Nulldurchgang detektiert wurde und nicht gleichzeitig eine Aktivierung eines Stromventils (14) in den parallelen Brückenzweigen erfolgt.Welding device (100) according to one of the preceding claims, wherein the control circuit (20) comprises a locking circuit (24), wherein the respective current valve (14) can only be activated by means of the locking circuit (24) if the zero crossing has been detected and no activation of a current valve (14) in the parallel bridge branches occurs at the same time. Verfahren zum Betrieb eines Schweißgeräts nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei mittels der Ansteuerschaltung (20), insbesondere mittels einer von der Ansteuerschaltung (20) umfassten Triggerschaltung (22), der Nulldurchgang einer Drain-Source-Spannung zumindest eines Ventilbauelements (16) des jeweiligen Stromventils (14) detektiert wird und das jeweilige Stromventil (14) aufgrund der Detektion des Nulldurchgangs aktiviert wird.Method for operating a welding device according to one of the preceding claims, wherein the zero crossing of a drain-source voltage of at least one valve component (16) of the respective current valve (14) is detected by means of the control circuit (20), in particular by means of a trigger circuit (22) included in the control circuit (20), and the respective current valve (14) is activated due to the detection of the zero crossing.
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