background image

 

Performance Improvements in an Arc Welding Power Supply Based on Resonant 

Inverters

 

 

Alejandro Navarro-Crespin, Student Member, IEEE, Rosario Casanueva, Member, IEEE

Francisco J. Azcondo, Senior Member, IEEE 

Dept. of Electronics Technology, Systems and Automation Engineering 

University of Cantabria 

Santander, Spain 

anavarro@teisa.unican.es, casanuer@unican.es, azcondof@unican 

 

Abstract  -- This paper describes improvements developed in 

an arc welding power supply based on resonant inverters. A new 

stand-by operation sequence based on sliding phase is proposed 

in order to reduce the discharge capacitor size. This stand-by 
solution also relieves the voltage specification of the resonant 

inductor. The interleaving operation of paralleled stages and the 
output connection wires are used to minimize the output 

capacitor current ripple and so extend the power supply’s 
lifetime. Moreover, synchronous rectification is proposed in 

order to increase the efficiency and reduce the operation 
temperature of the output power stage. Finally, sequences are 

described for establishing and extinguishing arcs. TIG welding 

is selected for testing operations. 

 

Index Terms--Arc welding, resonant power conversion, 

switched-mode power supplies, synchronous rectification. 

I. I

NTRODUCTION

 

TIG welding uses dc, pulsed dc or ac power supplies. Of 

these, dc sources provide constant polarity current, resulting 
in high arc stability. Resonant converters are applied in the 
control of discharges including lighting, induction heating, 
arc welding, etc. Using this converter topology, small-size, 
light-weight and high-efficiency systems can be obtained. 
With high-frequency technology, it is possible to incorporate 
all the features of the shielded metal arc welding (SMAW), 
gas metal arc welding (GMAW) and tungsten inert gas (TIG) 
modes of welding, which makes the equipment multi-
functional. The system is a flexible power supply configured 
in current mode operation, which is able to adapt to other 
continuous current mode operation. This paper deals with the 
improvements developed. TIG welding tests have been 
carried out to obtain the results in this paper. The issues to 
improve the welding operations proposed in this work are: 

-  Stand-by operation. 
-  Resonant inductance specifications. 
-  Interleaving effects in output capacitor current. 
-  Synchronous rectification. 
-  Establishing and extinguishing arc sequence.  

II. D

ESCRIPTION OF THE WELDING POWER SUPPLY

 

The system is a flexible power supply designed as a 

current source [1], corresponding to the block diagram shown 
in Fig 1 which consists of the following stages: 

 

 

 

Fig. 1.  Block diagram of the welding power supply. 

 
Input stage: The objective of the power factor correction 

(PFC) is to act as an ideal resistor emulator converting the 
main ac voltage into a dc stabilized voltage. This enables the 
power distribution system to operate more efficiently, 
reducing energy consumption and eliminating the reactive 
energy. 

Resonant inverter stage: a two-phase resonant inverter is 

used to transform the dc voltage into a high-frequency ac 
current (dc/ac). The inverter is designed as a current source. 
At the unloaded resonant frequency, the resonant circuit has 
an inductive behavior and the switches are turned-on at zero 
voltage (ZVS) for all load conditions, which leads to 
minimum switching losses. The resonant inverter stage is 
composed of modules which supply up to 25 A. 

Transformer: This stage increases the current to supply the 

weld with the specified current level. 

Rectification stage: it is a high-frequency half-wave 

rectifier that converts the ac current into a dc current with an 
overlapped high-frequency ripple. A discharge capacitor is 
required to establish the arc. 

Control circuit: performs several functions, such as: 

-  Generation of switching signals. 
-  Setting the pulsating modes. 
-  Setting the operating point at the maximum current or 
at different reduced current levels under the same 
stability conditions. 

-  Fixing the stand-by and over voltage at around 40 V. 

-  The digital circuit is designed to control up to twenty-
four 25-A modules. At present, operation of 12 modules 
(300 A) has been tested. 

978-1-4244-6395-4/10/$26.00 ©2010 IEEE

background image

 

III. I

MPROVEMENTS

 

3.1. Stand-by operation 

Fig. 2 shows the two-phase resonant inverter obtained 

from the parallel connection of two class D LC

s

C

p

 resonant 

inverters [2], [3]. 

 

LO

A

D

 

 

Fig. 2.  Block diagram of the resonant inverter. 

 

In welding operation, the circuit operates as a current 

source switching at 125 kHz, which is the unloaded resonant 
frequency. The maximum current is obtained when M1 and 
M3 switch synchronously and alternately to M2 and M4, as 
shown in Fig. 3. The output current level can be reduced 
introducing a phase-shift (

Ψ) between the drive signals of 

each inverter, as shown in Fig. 4.  

The output voltage is imposed by the welding process 

from 6 V to 15 V, in the case of TIG welding, up to 35 V, for 
SMAW. In stand-by conditions, the circuit has to be 
protected against over voltage. This voltage charges the 
output capacitor that provides the electric discharge necessary 
to establish the arc. 
 

 

Fig. 3.  On phase. 

 

 

Fig. 4.  Sliding phase. 

 

For turning the power supply off, the switching frequency 

is fixed at 250 kHz, at this frequency the voltage gain of the 

resonant inverter is very low so the output voltage decreases 
drastically as shown in Fig. 5. 

In stand-by, due to the resonant circuit operation, the 

output voltage rises quickly [4] when switching at 125 kHz, 
until reaching a threshold. This limit, set at 40 V to protect 
the power supply, is implemented by means of an opto-
coupler. After this highest threshold has been reached, the 
resonant stage switches at 250 kHz and so the voltage falls to 
the lowest threshold (hysteresis inherent for this device) 
where the resonant stage will switch at 125 kHz again, and so 
on until the weld operation starts. 

V

ol

tag

e

gai

n

f  (kHz)

125 kHz

250 kHz

Q

p

arc

Q

p

dielectric breakdown

Q

p

short circuit

 

Fig. 5.  Resonant inverter voltage gain vs. frequency.  

 

In Fig. 6(a), the output voltage of the arc welding power 

supply, v

o

, is shown in open circuit conditions. 

A new method is proposed to minimize the output voltage 

ripple, amplitude and frequency under open circuit 
conditions. The practical advantage of the method is the 
significant size reduction of the output capacitor. 
 

20 V/div, 100 ms/div 
 

v

 

 

(a)

 

10 V/div, 100 ms/div 

v

 

 

(b) 

Fig. 6.  Output voltage in stand-by operation: a) open circuit in current 

system and b) soft start. 

 

background image

 

An improved operation mode is achieved when a sliding 

phase is introduced (soft-start), decreasing the output current 
level as well as the resonant inverter voltage gain. Fig. 6(b) 
shows the output voltage, v

o

, in this operation mode. As 

observed, the output ripple and amplitude are reduced and the 
frequency is increased which allows the size to be reduced 
and extends the life of the output capacitor. 

 

3.2. Resonant inductance specifications 

The resonant inverter stage is composed of modules which 

supply up to 25 A. Every module has been designed to work 
at 1 kW as maximum power. In nominal behavior, the drop 
voltage in the resonant inductor is about 1 kV but in stand-by 
operation, this voltage increases up to 1.3 kV as shown in 
Fig. 7(a). For this reason, the specification in resonant 
inductance should be higher, increasing its size and weight. 

By means of the sliding phase described in Section 3.1, 

lower energy circulates in the resonant tank reducing the 
maximum resonant inductor voltage (around 800 V), as 
shown in the lower trace of Fig. 7(b), which means that the 
voltage specification does not exceed the voltage required for 
the nominal operation. 
 

500 V/div, 10 µs/div  

v

 

 

(a)  

1 kV/div, 20 µs/div  

v

 

 

(b) 

 

Fig. 7.  Resonant inductor voltage in stand-by operation: a) open circuit 

without sliding phase and b) open circuit with sliding phase. 

 

3.3. Interleaving effects in output capacitor current 

The transformer supplies a high-frequency current. After 

rectification, the ac component is removed by the inductance 
of the wires that connect the converter output to the torch. 

   

 

(a)                       (b) 

 

Fig. 8.  Output current: a) on-phase and b) interleaving operation. 

 
Further reduction of the capacitor current ripple is 

achieved by the interleaving operation of paralleled stages 
[5], [6]. In this mode, the MOSFETs’ drive signals of one 
stage are delayed 90 degrees with respect to the others. The 
theoretical output current waveforms of on-phase and 
interleaved operation are depicted in Fig. 8. 

Instantaneous output voltage differences between two 

paralleled stages, which occur in the interleaving operation, 
drop across the connection wires. The wire impedance 
prevents cross-current conduction between paralleled stages. 

The benefit of the interleaving operation is shown in Fig. 

9, in which the output capacitor ripple in the case of on-phase 
and interleaving operation are compared. Fig. 9 also includes 
the waveforms of one rectifier diode voltage of two paralleled 
stages. In Fig. 9(b) a 90-degree phase difference between the 
diode voltages can be observed. 

 

 

(a)  

 

(b) 

 

Fig. 9.  Ac current in capacitor (Ch1), output current (Ch2), VD1,1 (Ch3), 

VD2,1 (Ch4): a) on-phase and b) interleaving operation. Ch1: 25 A/div; Ch2: 

20 A/div; Ch3, Ch4: 20 V/div; time scale: 4 µs/div. 

 
 
 

background image

 

Fig. 10 shows the effect of the wire impedance and the 

interleaving operation in the output capacitor current. Fig. 
10(a) shows the capacitor current and the output current with 
the capacitor in position Pos 1 (see Fig. 11). Fig. 10(b) shows 
the same waveforms with the capacitor in position Pos 2 (see 
Fig. 11). Fig. 10(c) shows the same waveforms with the 
capacitor in position Pos 2 (see Fig. 11) and interleaving 
operation. 

 

  

 

(a)                       (b) 

 

 

(c) 

 

Fig. 10.  Ac current in capacitor (Ch1) and output current (Ch2): a) capacitor 

in Pos 1, b) capacitor in Pos 2 and c) capacitor un Pos 2 and interleaving 

operation. Ch1: 25 A/div; Ch2: 20 A/div; time scale: 4 µs/div. 

 

 

 

Fig. 11.  HF rectification. 

 

3.4. Synchronous rectification 

Traditionally, the rectifier devices are diodes, but due to 

the evolution of the MOSFETs [7], in some applications it is 
possible to use them to reduce conduction losses: 

2

,

,

rms

o

d

dc

o

f

diode

I

r

I

V

P

+

=

          (1) 

2

,

)

(

rms

o

on

ds

MOSFET

I

R

P

=

             (2) 

 
Synchronous rectification (SR) is used in applications in 

which low voltage, high current and fast dynamic response 
are required. Improved performance and thermal behavior 
and reduced size are achieved by using this technique. 

Depending on how the MOSFETs’ drive signals are 

generated, two types of SR are distinguished: 1) self driven 
and 2) external driven: 

1)   Self driven:  

The main advantage is its simplicity because no further 

signals are required [8]-[10]. This type of SR is used in 
topologies where fast switching transition leads to short dead-
time, reducing the power losses that the current circulating 
across the MOSFETs’ body diodes would produce otherwise. 

As a limitation, the correct MOSFET excitation depends 

on the drain to source voltage; to establish a dead time 
between two synchronous rectifiers, a low voltage does not 
turn the switches on. If the resulting dead time is long, it may 
lead to high switching losses. 

2)  External driven: 

In this type of rectification the MOSFETs’ drive signals 

are generated by an external control circuit [11], [12]. 

– The main advantages are: 

Since the MOSFETs’ drive signals depend of the control 
circuit, the dead time can be managed efficiently, 
decreasing power losses on the parasitic diode. 
•  The gate to source voltage is independent of the drain 

to source voltage. 

– On the other hand, the drawbacks are: 

•  There is no automatic synchronism between power 

and control stages, so the external circuit is 
responsible for driving the devices. 

•  The drive signal may require galvanic isolation. In 

this case a pulse transformer or opto-coupler with the 
appropriate bandwidth should be selected. 

•  External power supplies are required. 

 

For this application, the external driven mode, by means of 

an IC driver, is selected [13], [14]. As mentioned in [13], the 
rectifier currents in the two secondary legs are sensed using 
the power MOSFET R

ds(on)

 as a shunt resistance. The 

MOSFET drive signals are generated by comparing the 
sensed voltage to three thresholds. 

The core of this device is the two high-speed comparators 

which differentially sense the drain-to-source voltage of the 
switch, in order to determine the polarity and level of the 
switch currents. Then, a dedicated internal logic manages the 
MOSFET switching in close proximity to the zero current 
transition, assuring accurate performance without needing a 
PLL or an external timing source. Additionally, an internal 

background image

 

blanking logic is used to prevent spurious gate transitions and 
to guarantee operation in fixed and variable frequency 
operation modes. 

By implementing this rectification technique (see Fig. 12), 

the dissipated power is reduced and consequently the rectifier 
device temperature, leading to better performance. Thus, the 
size of the heatsink can also be reduced and the total size will 
be less for this stage and so to the overall system. 

The prototype built for this application is composed of 

twelve 25 A modules, making up a total system that can 
supply up to 300 A. 

 

 

 

Fig. 12.  Synchronous rectification based on IC driver. 

 
Different tests have been performed to compare the 

efficiency using diodes vs. power MOSFETs as a SR. The 
power Schottky diodes are IXYS Semiconductor DSS 
2X101-015A (V

RRM

 = 150 V, I

FAV

 = 2x100 A, V

F

 = 0.77 V) 

and the power MOSFETs are IRLS4030 (V

DSS

 = 100 V, I

D

 = 

190 A, R

DS(on)max.

 = 3.9 mΩ). These tests are carried out using 

a 2 Ω resistor. The results are shown in Table I. 

The input power is measured at the input of the inverter 

stage and the output voltage is measured at the load 
calculating the output power. 

 

TABLE

 

C

OMPARISON

:

 

D

IODES VS

.

 

MOSFET

S

 

 

P

in,ms

(W) V

out,rms

(V) P

out,rms

(W)  η (%) 

Diodes 930  39.8  792.02 

85.16 

MOSFETs 952 

40.6  824.18 86.57 

 

As shown in Table I, the results obtained using power 

MOSFETs are better than using diodes. Using synchronous 
rectification, the power loss has been improved 1.41 W in 
each rectifier stage. 

Fig. 13 and Fig. 14 show photographs of different layouts 

of the output stage without heatsinks and the size reduction of 
the rectification stage can be observed. 

 

95 mm 

 

Fig. 13.  Rectification stage using diodes. 

 

 

67 mm 

 

Fig. 14.  Rectification stage using external driven MOSFETs. 

 

3.5. Establishing and extinguishing arc sequence 

Different analyses of arc discharge have been carried out 

over time [15], [16] to determine criteria for arc ignition. 

Three methods can be used to start the arc: 

1.  contact [17], [18], 
2.  applying a high-voltage pulse or  
3.  high-voltage high-frequency ac pulses (HV-HF) [19], 

[20]. 

Method 1 is selected since no extra circuitry is required 

and it is compatible with the proposed rectifier stages (either 
Schottky diodes or synchronous rectification). Furthermore, a 
modification of this technique is presented to establish the 
welding arc minimizing damage to the metal parts and 
reducing electromagnetic interferences (EMI) produced in 
electronic devices located near the circuit compared to the 
HV-HF method. 

When the arc starts or ends, two types of damage can be 

produced: 

a) electrode and workpiece deterioration and possible 

contamination can occur due to the welding sparks, and 

b) a crater can be formed which will be the origin of 

cracks in the welded part. 

To minimize or even eliminate these negative effects, the 

background image

 

proposed system can establish the arc welding touching the 
electrodes together at a low current level and then increasing 
up to the required current by means of the sliding phase, as 
explained in Section 3.1 (Fig. 4), in a period denominated up-
slope. Due to the use of a control circuit based on a field 
programmable gate array (FPGA) device, the period of the 
up-slope can be easily changed according to the operation 
needs. 

Similarly a down-slope period is defined to extinguish the 

arc. A sliding phase is performed in order to slowly reduce 
the output current level. 

Fig. 15 shows photographs of two weld beads with 

different extinguishing arc sequences. The tests have been 
carried out on 3 mm thick AISI 316 steel plates, for a current 
setup of the power supply of 100 A. In Fig. 15(a), the arc is 
abruptly finished and in Fig. 15(b) the output current was 
reduced with a down-slope of ~14 A/s. Differences are found 
in the resulting crater size. 

 

Crater Ø=6 mm

    

Crater Ø=2.5 mm

 

(a)                         (b) 

 

Fig. 15.  Extinguishing arc: (a) abrupt and (b) by means of a down-slope. 

IV. C

ONCLUSIONS

 

In this paper, improvements for an arc-welding power 

supply based on resonant inverters have been developed. The 
output voltage ripple, amplitude and frequency under open 
circuit conditions have been reduced by means of a sliding 
phase, which increases the life time of the output capacitor. In 
the same way, the resonant inductance voltage in stand-by 
operation has been reduced in order to reduce its size and 
weight. The effects of the ac output current have been shown 
and have been improved by means of interleaving the current 
ripple of different stages. The diodes of the rectifier stage 
have been replaced by power MOSFETs in order to increase 
performance and reduce temperature in these rectifier devices 
and to achieve a smaller layout of this stage. Finally, an 
improved method for starting and extinguishing the arc has 
been developed to reduce damage in the welded parts. 

A

CKNOWLEDGMENT

 

This work is sponsored by the Spanish Government in the 

framework of the project CICYT TEC2008-01753 entitled: 
“Digital power processing for the control of gaseous 
discharges”. 

R

EFERENCES

 

[1]  R. Casanueva, F. J. Azcondo, F. J. Diaz and C. Branas, "DC and Pulsed 

DC TIG Welding with a Scalable Power Supply," in Proc. IEEE IAS 
2009
, pp. 1-6. 

[2]  D. Czarkowski, M. K. Kazimierczuk, "Phase-Controlled Series-Parallel 

Resonant Converter," IEEE Trans. on Power Electron. , vol. 8, no. 3, 
pp. 309-319, July 1993. 

[3]  C. Brañas, F. J. Azcondo, R. Casanueva, S. Bracho, “Multi-Phase 

Parallel Resonant Inverter Applied to HID Lamp Control,” in Proc. 
PCIM Europe 2005
, pp. 187-192. 

[4]  L. Malesani, P. Mattavelli, L. Rossetto, P. Tenti, W. Marin, A. 

Pollmann, “Electronic welder with high-frequency resonant inverter,” 

IEEE Trans. on Industry Applications, vol. 31. Issue 2, pp. 273–279, 
March/April 1995. 

[5]  R. Casanueva, F. J. Azcondo, C. Branas and S. Bracho , "High spark, 

low loss - paralleled LC

S

C

p

 resonant converters for spark erosion 

applications," IEEE Industry Applications Magazine, vol. 12, no. 2, pp. 
43- 51, March-April 2006. 

[6]  J.  B.  Klaassens,  W.  L.  F.  H.  A.  Moize  de  Chateleux,  M.  P.  N.  Van 

Wesenbeeck, “Phase-Staggering Control of a Series-Resonant DC-DC 

Converter with Paralleled Power Modules,” IEEE Trans. on Power 
Electron.
, vol. 3, no. 2, pp. 164-173, April 1988. 

[7]  C. Blake, D. Kinzer and P. Wood, "Synchronous rectifiers versus 

Schottky diodes: a comparison of the losses of a synchronous rectifier 

versus the losses of a Schottky diode rectifier," in Proc. IEEE APEC 

1994, vol. 1, pp. 17-23. 

[8]  J. A. Cobos, O. Garcia, J. Sebastian and J. Uceda, "Active clamp PWM 

forward converter with self-driven synchronous rectification," in Proc. 
IEEE INTELEC 1993
, vol. 2, pp. 200-206. 

[9]  O. Garcia, J. A. Cobos, J. Uceda and J. Sebastian, "Zero voltage 

switching in the PWM half bridge topology with complementary 

control and synchronous rectification," in Proc. IEEE PESC 1995, vol. 
1, pp. 286-291. 

[10]  J. A. Cobos, J. Sebastian, J. Uceda, E. de la Cruz and J. M. Gras, 

"Study of the applicability of self-driven synchronous rectification to 
resonant topologies," in Proc. IEEE PESC 1992, vol. 2, pp. 933-940. 

[11]  D. Huang, D. Fu and F. C. Lee, "High switching frequency, high 

efficiency CLL resonant converter with synchronous rectifier," in Proc. 
IEEE ECCE 2009,
 pp. 804-809. 

[12]  C. Yan, F. Li, J. Zeng and J. Ying, "A High Efficiency 3 KW DC/DC 

Converter with Novel External Driven Synchronous Rectifier," in Proc. 

IEEE INTELEC 2004, pp. 638-641. 

[13]  International Rectifier, “Dual Smart rectifier driver IC,” IR1168S 

datasheet, Nov. 2009. 

[14]  A. Lokhandwala, “Design of Secondary-Side Rectification using 

IR1168 Dual SmartRectifier™ Control IC,” International Rectifier, 
Application Note AN-1139. 

[15]  J. Leland Myer, "New Studies of the Arc Discharge," Transactions of 

the American Institute of Electrical Engineers, vol. 52, no. 1, pp. 250-
259, March 1933. 

[16]  L. L. Alston, "The impulse initiation of arc discharges," Proceedings of 

the IEE-Part A: Power Engineering, vol. 106, no. 26, pp. 133-140, 
April 1959. 

[17]  H. Edels, “A technique for arc initiation,” British Journal of Applied 

Physics, vol. 2, pp. 171-174, 1951. 

[18]  J. B. Bjorgvinsson, R. J. Barnett, G. E. Cook and K. Andersen, 

"Microprocessor control of arc starting for gas tungsten arc welding 
(GTAW)," in Proc. IEEE SoutheastCon 1990, vol. 3, pp. 787-791. 

[19]  A. K. Paul, “Optimizing the Transition Process from Sparking for Non-

contact TIG Welding Inverters,” in Proc. IEEE ICIT 2006, pp. 1413-

418. 

[20]  J. A. Ferreira, J. A. Roux, “A Series Resonant Converter for Arc-

Striking Applications,” IEEE Trans. Ind. Electron., vol. 45, no. 4, pp. 
585-592, Aug. 1998.