CN100559191C - 高频电源装置的直流电流检测方法和装置 - Google Patents

高频电源装置的直流电流检测方法和装置 Download PDF

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Abstract

提供一种高频电源装置的直流电流检测方法和装置，可以降低适于对构成谐振电路的高频感应加热装置供电的高频电源的价格。高频电源装置(HFP1)包括：由电容(C11～C1n)构成的平滑电容电路、由(IGBTQ11～Q14)等构成的高频电力变换电路、控制电路、交流电流检测器、电流运算器、交流电压检测器、以及交流电流检测器，在该电流运算器中，根据所述高频电力变换电路的输出电压(V0)，从由交流电流检测器检测出的所述高频电力变换电路的输出电流(I0)和由交流电流检测器检测出的所述平滑电容电路的电流(Ic)中，取得与将直流电力从直流电源提供给该高频电源的电流(Idc)等效的电流(Idc*)。

Description

高频电源装置的直流电流检测方法和装置
技术领域
本发明涉及通过高频电力变换电路将从直流电源提供的直流电力变换为高频电力并提供给高频负载的高频电源装置中的直流输入电流的检测方法和装置，特别涉及在设置有多组这种高频电源装置、由一个共同的直流电源向该多组高频电源装置提供电力的方法和装置中优选的直流输入电流的检测方法和装置。
背景技术
图10是表示该种高频电源装置的现有例的电路构成图。
在该图10中，HFP1～HFPk是k个结构相同的高频电源装置，它们共同与具备对从商用交流电源ACP提供的交流电力进行整流而将其变换为直流电力的电力变换装置的直流电源DCP并联连接。各高频电源装置的详细结构仅以高频电源装置HFP1为代表进行表示。高频电源装置HFP1～HFPk分别具备：平滑电容电路FC、高频电力变换电路INV、控制该电力变换电路INV的控制电路11和由高频电力变换电路INV供给高频电力的负载L。
平滑电容电路FC并联连接n(n＝1、2、3、...)个电容C11～C1n而构成，与高频电力变换电路INV的直流输入并联连接。
高频电力变换电路INV由IGBTQ11～Q14和分别与其反并联连接的二极管D11～D14所构成的开关电路单相全桥接而构成。
控制电路11对高频电力变换电路INV进行控制，使得从高频电力变换电路INV输出的交流输出电压相对于交流输出电流保持超前相位状态，并且使供给负载L的电力成为从外部设定的期望电力。与高频电力变换电路INV的交流输出连接的负载L优选为由电容Cr1和电抗器Lr1的谐振电路构成的高频感应加热装置。
另外，在高频电源装置HFP1～HFPk中，为了分别检测提供给负载L的电流(I0)，设置有由交流变流器(ACCT)构成的交流电流检测器12，为了检测从直流电源DCP提供给高频电源装置HFP1的直流电流Idc(＝Ii-Ic)，设置有由直流变流器(DCCT)构成的直流电流检测器13。而且，为了检测直流电源DCP的电压，设置有直流电压检测器20。
这种高频电源装置的结构已经通过专利文献1等广为人知。
这些k组高频电源装置HFP1～HFPk与共同的直流电源DCP并联连接，通过共同的直流电压检测器20检测从直流电源DCP施加的直流电压Vdc，通过分别设置在各高频电源装置中的直流电流检测器13来单独检测从直流电源DCP提供的直流电流Idc，根据这些检测出的直流电压Vdc和直流电流Idc，通过各个控制电路11对各高频电力变换电路INV进行控制，可以对每个高频电源装置进行调整，使得提供给负载L的电力成为期望电力。
专利文献1：日本特开平11-54249号公报
发明内容
发明所要解决的问题
根据上述现有高频电源装置的电路结构，多组的高频电源装置为了分别调整对负载的供给电力，需要分别设置由直流变流器(DCCT)构成的直流电流检测器13，并单独检测分别提供的直流电流(Idc)。然而，使用了该直流变流器(DCCT)的直流电流检测器13与使用了交流变流器(ACCT)的交流电流检测器相比价格较昂贵。因此，特别是在所用的高频电源装置的组数增多的情况下，直流电流检测器的使用个数会增多，因此装置价格变高，上述直流电流检测器已经成为妨碍降低该种高频电源装置的价格的主要原因。
本发明的课题在于提供一种能够解决上述问题、降低高频电源装置的价格的直流电流检测方法和装置。
用于解决问题的方法
为了解决上述课题，第1发明是一种高频电源装置的直流电流检测方法，该高频电源装置由以下部分构成：直流电源；平滑电容电路，其与上述直流电源的输出并联连接；高频电力变换电路，其将从上述直流电源经上述平滑电容电路提供的直流电力变换成高频交流电力；高频负载，其从由该高频电力变换电路提供高频电力；以及控制电路，其对上述高频电力变换电路进行控制，使从上述高频电力变换电路提供给上述高频负载的高频电力达到期望电力，该高频电源装置的直流电流检测方法的特征在于，检测上述高频电力变换电路的输出电压的极性和输出电流，以及流过上述平滑电容电路的电流，根据这些检测出的输出电压的极性和电流，通过运算求出从上述直流电源提供向上述高频电源的直流电流。
第2发明的特征在于，对于第1发明的高频电源装置的直流电流检测方法，根据所述高频电力变换电路的输出电压的大小来判别其极性。
第3发明的特征在于，对于第1发明的高频电源装置的直流电流检测方法，根据上述高频电力变换电路的开关元件的开关周期，检测该高频电力变换电路的输出电压的极性。
第4发明的特征在于，对于第1～3发明中的任意一项发明的高频电源装置的直流电流检测方法，并联连接多个电容而构成上述平滑电容电路，检测流过该平滑电容电路中1个电容的电流，根据该检测出的电流，通过运算求出从上述直流电源提供给上述高频电源的直流电流。
第5发明的特征在于，对于第1～4发明中的任意一项发明的高频电源装置的直流电流检测方法，通过运算，在检测出的上述高频电力变换电路的输出电压的极性为正的期间求出与上述高频电力变换电路的输出电流同相的电流，而且在该极性为负的期间求出与上述输出电流反相的电流，从由该运算求出的电流减去流过上述平滑电容电路的交流电流，求出从上述直流电源提供给上述高频电源的直流电流。
第6发明的特征在于，对于第1～5发明中的任意一项发明的高频电源装置的直流电流检测方法，设置多组上述高频电源装置，各组共同使用这些多组高频电源装置的直流电源。
第7发明是一种高频电源装置的直流电流检测装置，该高频电源装置由以下各部构成：直流电源；平滑电容电路，其与上述直流电源的输出并联连接；高频电力变换电路，其将从上述直流电源经上述平滑电容电路提供的直流电力变换成高频交流电力；高频负载，其由该高频电力变换电路提供高频电力；以及控制电路，其对上述高频电力变换电路进行控制，使从上述高频电力变换电路提供给上述高频负载的高频电力达到期望电力，该高频电源装置的直流电流检测装置的特征在于，具备直流电流检测单元，该直流电流检测单元由以下部分构成：第1交流电流检测器，其检测从述高频电力变换电路输出的交流输出电流；第2交流电流检测器，其检测流过上述平滑电容电路的电容电流；极性检测单元，其检测上述高频电力变换电路的输出电压的极性；电流运算单元，其在该极性检测单元显示正极性时求出与由上述第1交流电流检测器检测出的交流输出电流同相的电流，而且在显示负极性时求出与由上述第1交流电流检测器检测出的交流输出电流反相的电流；以及减法单元，其从该电流运算单元求出的电流减去由上述第2交流电流检测器检测出的电容电流。
第8发明的特征在于，在第7发明的高频电源装置的直流电流检测装置中设置多组上述高频电源装置，各组共同使用该多组高频电源装置的直流电源。
发明的效果
本发明着眼于以下内容：在用于向高频感应加热装置那样的高频负载供电的高频电源装置中，其输出频率为数十千赫以上，如后所述，对高频电力变换电路输入的电流的交流电流成分由上述平滑电容电路提供，直流电流成分由直流电源提供。即，仅在高频电力变换电路的交流输出电压为负的期间才进行使高频电力变换电路的输出电流反相的运算，由此，可以求出高频电力变换器的输入电流，从通过该运算求得的输入电流减去流过平滑电容电路的电流，求出提供给高频电源装置的直流电流。这样，为了检测来自直流电源的直流电流，可以使用检测流向上述平滑电容电路的电流的价格较低的交流电流检测器来取代价格较高的直流电流检测器，等效地检测从直流电源提供给高频电力变换电路的直流电流，因此，可以降低高频电源装置的价格。
附图说明
图1是表示本发明的第1实施例的高频电源的电路结构图。
图2是说明图1的动作的波形图。
图3是图1的部分详细电路结构图。
图4是表示本发明的第2实施例的高频电源的电路结构图。
图5是说明图4的动作的波形图。
图6是图4的部分详细电路结构图。
图7是表示本发明的第3实施例的高频电源的电路结构图。
图8是图7的部分详细电路结构图。
图9是表示本发明的第4实施例的高频电源的电路结构图。
图10是表示现有例的高频电源的电路结构图。
附图标记说明
11：控制电路；12：交流电流检测器；13：直流电流检测器；14：电流运算器；15：交流电压检测器；16：交流电流检测器；17、18：电流运算器；19…交流电流检测器；C11～C1n、Cr1、Cr11、Cr12：电容；Lr1、Lr11：电抗器；Q11～Q14：IGBT。
具体实施方式
图1是表示本发明的第1实施例的高频电源装置的电路结构图，本图对具有与图10所示的现有例结构的功能相同的结构附加相同附图标记。
也就是说，如高频电源装置HFP1的方框内所示，k(k＝1、2、3...)组高频电源装置HFP1～HFPk分别具备由多个电容C11～C1n并联连接而成的平滑电容电路FC、由IGBTQ11～Q14等构成的高频电力变换电路INV、控制电路11、由交流变流器(ACCT)构成的交流电流检测器(CT)12之外，还具备：后述的电流运算器14、由检测高频电力变换电路INV的交流输出电压Vo的电压变压器(PT)构成的交流电压检测器15、以及使用检测流过平滑电容电路FC的电流Ic的交流变流器(ACCT)的交流电流检测器16。
图2是说明上述高频电源装置HFP1的直流电流检测方法的动作的波形图。
如图2(a)所示，在通过构成高频电源装置HFP1的控制电路11使高频电力变换电路INV的交流输出电压V0成为相对于输出电流I0的相位超前状态时，该高频电力变换电路INV的输入电流Ii就会成为如图2(b)所示的波形，此时，上述平滑电容电路FC的电流Ic会成为如图2(d)所示的波形。
由图2所示波形图也可知，当高频电源装置HFP1的输出频率为几十千赫以上时，高频电力变换电路INV的输入电流Ii中含有交流成分和直流成分，交流成分从平滑电容电路FC作为电流Ic提供，直流成分从直流电源DCP作为电流Idc提供。
图3是图1所示的电流运算器14的详细电路结构图。在该图3中，14a是将由交流电流检测器12检测出的高频电力变换电路INV的交流输出电流I0的极性反相的反相放大器，14b是切换开关，14c是用于探测由交流电压检测器15检测出的高频电力变换电路INV的输出电压V0的极性的比较器，14d是减法器。
该电流运算器14中的比较器14c检测输出电压V0的极性并产生切换信号，该切换信号用于在输出电压V0是正极性时使切换开关14b的接点与上述I0侧的a连接，在输出电压V0是负极性时使切换开关14b的接点切换连接到反相放大器14a侧的b上。由此，输出电流I0在输出电压V0为正极性时，从切换开关14b的输出c以同相进行输出，而且在输出电压V0是负极性时由反相放大器14a反相，并以反相进行输出，因此，从该切换开关14b的输出c可以取得波形如图2(c)所示的由输出电流I0求出的运算输入电流Iis。
该运算输入电流Iis的波形与图2(b)所示的输入电流Ii的波形相同。即，对于输出电流I0，电流运算器14在输出电压V0为正极性的情况下求同相的值，在输出电压V0为负极性的情况下求反相的值，通过这种运算处理就能够求出与输入电流Ii等效的运算输入电流Iis。
而且，通过减法器14d从由该运算求得的运算输入电流Iis减去由交流电流检测器16检测出的平滑电容电路FC的电容电流Ic，由此可以求出与图2(e)所示的与实际的直流电流Idc等效的直流电流Idc*，取代实际的直流电流Idc而在控制中使用。
因此，在图1所示的第1实施例的高频电源装置的电路结构中，通过取代使用了检测从直流电源DCP提供的直流电流Idc的直流变流器(DCCT)等的直流电流检测器13(参照图10)而设置的电流运算器14、交流电压检测器15和16，可以等效地检测直流电流Idc。
将这样检测出的与提供给各高频电源电压的实际的直流电流Idc等效的直流电流Idc*，与由直流电压检测器20检测出的直流电压Vdc一起施加于控制电路11，通过运算求出对在此与各高频电源装置连接的负载L提供的电力，通过控制高频电力变换电路INV使得该电力成为期望值，可以调整对负载L提供的电力。
图4是表示本发明第2实施例的高频电源装置的电路结构图，在该图中对具有与图1所示的实施例的功能相同的结构附加相同附图标记。
在图4所示的第2实施例中的高频电源装置HFP1中设置有后述的电流运算器17来取代图1所示的电流运算器14。而且在该电流运算器17上施加了从控制电路11对高频电力变换电路INV的开关电路提供的栅极信号，来代替图1的交流电压检测器15的检测电压。
其他高频电源装置HFP2～HFPk仅以方框表示，与该高频电源装置HFP1结构相同。
图5是说明该第2实施例中的高频电源装置HFP1的直流电流检测方1法的动作的波形图。
如图5(a)所示，当通过构成高频电源装置HFP1的控制电路11使高频电力变换电路INV的交流输出电压V0以相对于输出电流I0的相位超前状态而运转时，去往构成高频电力变换电路INV的开关电路的IGBT(Q11)～(Q14)的栅极信号如图2(b)所示，成为大致在输出电压V0的零交叉点以导通/截止各IGBT的定时发生变化的矩形波形。
图6是图4所示的电流运算器17的详细电路结构图。在该图中，17a是使由交流电流检测器12检测出的高频电力变换电路INV的输出电流I0的极性反相的反相放大器，17b是切换开关，17c是根据去往IGBTQ11(Q14)和IGBTQ12(Q13)的栅极信号动作的触发电路，17d是减法器。
在该电流运算器17中，触发器电路17c进行如下动作，在去往上述Q11(Q14)的栅极信号导通时产生使切换开关17b的接点与I0侧的a连接的切换信号，在去往Q12(Q13)的栅极信号导通时产生使切换开关17b的接点与反相放大器17a侧的b连接的切换信号，如图5(c)所示，产生与栅极信号Q11和Q12同步的切换信号CS。该切换信号CS的变化与输出电压V0的极性的变化同步。因此，上述触发电路17c会与第1实施例中的比较器14c同样具有判别高频电力变换电路INV的输出电压V0的极性的功能。
按照来自该触发电路17c的切换信号CS而进行切换动作的切换开关17b的输出c，在输出电压V0也是正的期间，提供与输出电流I0同相的输出；在负的期间，通过由反相放大器17a进行的反相而提供与输出电流I0反相的相位的输出，得到波形如图5(d)所示的运算输入电流Iis。该运算输入电流Iis的波形与输入电流Ii的波形(参照图2(b))相同。而且，与第1实施例的情况同样，通过由减法器17d从运算输入电流Iis中减去由交流电流检测器16检测出的平滑电容电路FC的电流Ic，可以求出与从直流电源提供给高频电力变换电路INV的电流Idc等效的直流电流Idc*(参照图2(e))。
因此，在该第2实施例的高频电源装置中，通过设置电流运算器17和交流电流检测器16来取代检测来自直流电源的直流电流的直流电流检测器13(参照图10)，可以等效地检测提供给高频电力变换电路的直流电流。根据该第2实施例也可以省略图1所示的第1实施例中的交流电压检测器15。
图7是表示本发明第3实施例的高频电源装置的电路结构图，在该图中对具有与图1所示的第1实施例的功能相同的结构附加相同附图标记。
图7所示的第3实施例中的高频电源装置HFP1具备后述的电流运算器18和由检测平滑电容电路FC中的1个电容C11的电流Ic1的交流电流变流器(ACCT)等构成的交流电流检测器(CT)19，来取代图1所示的电流运算器14、交流电流检测器16。而且，在该电流运算器18上施加了从控制电路11对高频电力变换电路INV的开关电路提供的栅极信号，来代替图1的交流电压检测器15的检测电压。
另外，高频电源装置HFP1之外的高频电源装置HFP2～HFPk也与该高频电源装置HFP1的结构相同。
图8表示在上述图3的实施例中使用的电流运算器18的详细电路结构图。在该图8中，18a是将由交流电流检测器12检测出的高频电力变换电路INV的交流输出电流I0的极性反相的反相放大器，18b是切换开关，18c是根据去往IGBT Q11(Q14)和Q12(Q13)的栅极信号而动作的触发电路，18d是将平滑电容电路FC的电容C11的电流Ic1放大n倍，使之与上述平滑电容电路的整体的电流Ic大致相等的放大器，18e是减法器。
在该电流运算器18中，触发电路18c进行如下动作，即与第2实施例中的触发器电路17c相同，在去往IGBTQ11(Q14)的栅极信号导通时产生使切换开关18b的接点与上述I0侧连接的切换信号，在去往IGBTQ12(Q13)的栅极信号导通时产生使切换开关18b的接点与反相放大器18a侧连接的切换信号。切换开关18b从该触发电路18c接受切换信号而进行切换动作，由此从其输出端输出如图5(d)所示的波形的运算输入电流Iis。该运算电流Iis与上述实施例的情况相同，波形成为图2(b)所示的高频电力变换电路INV的输入电流Ii的波形。
在并联连接的n个电容C11～C1n都选容量相同的电容，那么1个电容C11的电流Ic1就是平滑电容电路FC的整体电流Ic的1/n，因此可以通过由放大器18d放大n倍来等效地求出平滑电容电路FC的整体电流Ic。
将上述的运算输入电流Iis和通过上述的放大器18d等效地求出的平滑电容电路FC的整体电容电流Ic施加到减法器18e，在此通过进行从Iis减去Ic的减法运算来得到与从直流电源DCP提供的电流Idc等效的电流Idc*。
因此，通过在图7所示的第3实施例的高频电源装置的电路结构中设置电流运算器18和交流电流检测器19，来取代使用检测从直流电源DCP提供的直流电流Idc的直流变流器(DCCT)等的直流电流检测器13(参照图10)，能够等效地检测上述直流电流Idc。
在该第3实施例中，检测流入由n个电容并联连接而构成的平滑电容电路的1个电容的电流，就可以求出流入平滑电容电路FC的整体的电流，因此，此处使用的电流检测器19与图1和图4所示的第1和第2实施例中使用的交流电流检测器16相比，其检测电流降至1/n。因此，根据上述第3实施例，作为交流电流检测器19可以使用小型小容量的元件，能够使装置价格相应降低。
此外，在上述第3实施例中，表示了设置有交流电流检测器19来取代图4所示的第2实施例的交流电流检测器16的情况，但是也可以设置交流电流检测器19来取代图1所示的第1实施例的交流电流检测器16。即，也可以与第1实施例的情况同样地设置交流电压检测器15，将其检测电压施加到电流运算器18进行电流运算来取代去往高频电力变换电路INV的开关电路的栅极信号。
图9是表示本发明第4实施例的高频电源装置的电路结构图，在该图中对具有与图4所示的实施例的功能相同的结构附加相同标记。
图9所示的第4实施例中的高频电源装置HFP1由以下部分构成：由电容C11～C1n构成的平滑电容电路、由IGBTQ11、Q12等构成的单相半桥式的高频电力变换电路INV、控制电路11a、由电容Cr11、Cr12和电抗器Lr11构成的谐振电路所构成的检测负载L的电流(I0)的交流电流检测器12、检测上述平滑电容电路的电流Ic的交流电流检测器16、电流运算器17。
其他高频电源装置HFP2～HFPk的结构与上述高频电源装置HFP1同样。
高频电源装置HFP1中的控制电路11a通过众所周知的技术，使单相半桥式的高频电力变换电路的输出电压相对于输出电流保持超前相位状态，并且控制高频电力变换电路达到期望的输出状态，另外，此时的电流运算器17与先前说明的第2实施例中的图6所示的电流运算器17同样地进行动作，根据由交流电流检测器12检测出的高频电力变换电路INV的交流输出电流I0和由交流电流检测器16检测出的平滑电容电路FC的电流Ic，通过运算能够求出与从直流电源DCP提供给高频电源装置HFP1的直流电流Idc等效的直流电流Idc*。

Claims (8)

1.一种高频电源装置的直流电流检测方法，该高频电源装置由以下部分构成：直流电源；平滑电容电路，其与所述直流电源的输出并联连接；高频电力变换电路，其将从所述直流电源经所述平滑电容电路提供的直流电力变换成高频交流电力；高频负载，其由该高频电力变换电路提供高频电力；以及控制电路，其对所述高频电力变换电路进行控制，使从所述高频电力变换电路提供给所述高频负载的高频电力成为期望电力，该高频电源装置的直流电流检测方法的特征在于，
检测所述高频电力变换电路的输出电压的极性和输出电流，以及流过所述平滑电容电路的电流，根据这些检测出的输出电压的极性和电流，通过运算求出从所述直流电源提供给所述高频电源的直流电流。
2.根据权利要求1所述的高频电源装置的直流电流检测方法，其特征在于，
根据由交流电压检测器检测出的所述高频电力变换电路的输出电压来检测高频电力变换电路的输出电压的极性。
3.根据权利要求1所述的高频电源装置的直流电流检测方法，其特征在于，
根据所述高频电力变换电路的开关元件的开关周期，检测该高频电力变换电路的输出电压的极性。
4.根据权利要求1～3中的任意一项所述的高频电源装置的直流电流检测方法，其特征在于，
并联连接多个电容而构成所述平滑电容电路，检测流过该平滑电容电路中1个电容的电流，根据该检测出的电流，通过运算求出从所述直流电源提供给所述高频电源的直流电流。
5.根据权利要求1～3中的任意一项所述的高频电源装置的直流电流检测方法，其特征在于，
通过运算，在检测出的所述高频电力变换电路的输出电压的极性为正的期间求出与所述高频电力变换电路的输出电流同相的电流，而且在该极性为负的期间求出与所述输出电流反相的电流，从由该运算求出的电流减去流过所述平滑电容电路的交流电流，求出从所述直流电源提供给所述高频电源的直流电流。
6.根据权利要求1～3中的任意一项所述的高频电源装置的直流电流检测方法，其特征在于，
设置多组所述高频电源装置，各组共同使用这些多组高频电源装置的直流电源。
7.一种高频电源装置的直流电流检测装置，该高频电源装置由以下各部分构成：直流电源；平滑电容电路，其与所述直流电源的输出并联连接；高频电力变换电路，其将从所述直流电源经所述平滑电容电路提供的直流电力变换成高频交流电力；高频负载，其由该高频电力变换电路提供高频电力；以及控制电路，其对所述高频电力变换电路进行控制，使从所述高频电力变换电路提供给所述高频负载的高频电力成为期望电力，该高频电源装置的直流电流检测装置的特征在于，
具备直流电流检测单元，该直流电流检测单元由以下部分构成：
第1交流电流检测器，其检测从所述高频电力变换电路输出的交流输出电流；
第2交流电流检测器，其检测流过所述平滑电容电路的电容电流；
极性检测单元，其检测所述高频电力变换电路的输出电压的极性；
电流运算单元，其在该极性检测单元显示正极性时求出与由所述第1交流电流检测器检测出的交流输出电流同相的电流，而且在显示负极性时求出与由所述第1交流电流检测器检测出的交流输出电流反相的电流；以及
减法单元，其从由该电流运算单元求出的电流减去由所述第2交流电流检测器检测出的电容电流。
8.根据权利要求7所述的高频电源装置的直流电流检测装置，其特征在于，
设置多组所述高频电源装置，各组共同使用这些多组高频电源装置的直流电源。
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