CN101112123A - 用于提供谐波感应功率的方法以及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于提供谐波感应功率的方法和装置，以及更加具体地，涉及向负载电路传送提供高频谐波中的期望数量的脉冲能量的电流脉冲，以用于对物品进行感应加热。通过控制上述电流脉冲的形状和/或频率，所述装置和方法可用于提高加热线圈所传送的感应加热的速率、强度和/或功率，和/或可用于提高感应加热电源的使用寿命或降低其成本和复杂性。具体的重要性在于，所述装置和方法可以被用于显著地增加感应地传送到铁磁体或其他感应地加热的负载的功率，而不需要增加加热线圈中的电流。该允许新的加热应用，以及在某些已知的应用，降低了能量消耗或冷却要求和/或增加加热线圈的使用寿命。

Description

用于提供谐波感应功率的方法以及装置

相关申请

本申请要求了Valery Kagan于2003年7月2日提交的、题为″Apparatus and Method for Inductive Heating″的美国序列号10/612,272以及2004年7月2提交的、题为“Heating Systems and Methods”的美国序列号10/884,851的优先权，其主题通过全文引用集及于此。

技术领域

本发明涉及一种用于提供谐波感应功率的方法以及装置，以及特别具体化为，控制电源从而调节电流脉冲的能量含量的电源和方法，其中该电流脉冲在感应加热线圈中提供高频谐波。

背景技术

传统的感应加热系统利用了谐振频率电源，其在谐振频率处向加热线圈传送正弦电流。在上述系统中，为了增加传送给负载的加热功率，必须向加热线圈传送较大的电流。利用上述较大电流会产生许多的问题，包括开关电路中的较大的功率损耗，线圈的杂散发热，需要较大的振荡回路电容器(用于调谐谐振电路)，以及复杂的控制电路。更值得注意的是，上述系统向负载传送正弦谐振频率的电流，其信号是时间的连续函数。

期望提供一种用于感应加热系统的灵活可控的电源，从而允许提供期望的感应加热速率，和/或比已知的感应加热电源更高效的感应加热电源。优选地，上述系统将会避免现有已知电源的复杂，故障以及成本的问题。

发明内容

在一个实施例中，本发明提供一种从电源电路向负载电路传送感应功率的方法，用于对物品进行感应加热，其中所述电源电路包括联接到负载电路的充电电路，所述方法包括如下步骤：确定负载电路的阻抗参数，确定充电电路的阻抗参数，以及基于所确定的负载电路以及充电电路的阻抗参数向负载电路提供电流脉冲，该电流脉冲在负载电路中提供了含在高频谐波中的期望数量的脉冲能量，以用于对物品进行感应加热。在一个实施例中，至少50％的脉冲能量蕴含在高频谐波中，以及更优选地，至少90％的脉冲能量蕴含在高频谐波中。

电源电路优选地包括用于控制充电电路的开关器件。该方法包括确定用于提供期望电流脉冲的开关器件的导通时间(t_on)。该方法进一步包括确定用于提供期望电流脉冲的开关器件的关断时间(t_Off)。优选地，确定t_on和t_Off从而允许向负载电路传送存储在充电电路中的能量的实质部分(例如，至少50％以及更优选地至少90％)。更优选地，t_on和t_Off允许向负载电路大体上传送存储在充电电路中的全部能量。

负载电路中的电流脉冲信号将取决于负载的电阻性分量，其使得电流脉冲信号衰减。通常，期望较高衰减比，该衰减比与负载中较高的涡流电阻相关，由此实现较高的感应加热功率，以及，在本发明中，实现加热线圈中的低电流(P＝I²R)。本发明的其中一个优点是驱动上述高阻尼负载的能力(功率)，即，利用了具有高频谐波的电流脉冲，这与通常用于感应加热的谐振正弦信号相反。在各种实施例中，负载电路具有0.01至0.2范围内的阻尼比，以及更优选地为0.05至0.1。在打开开关之前，该阻尼比可以分别产生每个脉冲约3或2次的振荡。

在其他实施例中，在加热物品的周期期间，该方法可以间断的使用，从而检测所确定的阻抗参数中的至少其中之一的变化。在另一实施例中，该方法包括基于传送至负载电路的期望功率而改变充电电路的阻抗参数。

在另一实施例中，一种方法，包括提供一种电源电路，该电源电路用于将具有高频谐波的电流脉冲传送到负载电路中，用于物品的感应加热。在传送电流脉冲之前，确定负载电路的阻抗参数(例如，通过提供测试脉冲并监测响应)，以及基于所确定的阻抗参数确定电流脉冲的能量含量。该方法可以进一步包括监测负载电路的响应，以用于改变所确定的阻抗参数。该方法可以进一步包括：基于一个或多个电源电路的限制来确定电流脉冲的能量含量，该限制包括电压限制，电流尖峰限制，RMS电流限制，开关频率限制以及温度限制。此外，可以利用监测来监测如下方面的存在、不存在或者变化：电源的输入；负载电路与电源的连接；负载电路中的加热线圈的故障；加热物品期间磁耦合的损耗或改变；以及加热线圈的一个或多个匝之间的接触。

根据本发明的另一实施例，提供一种方法用于具有可变阻抗参数的负载电路的感应加热。例如，对于给定负载，电阻，电容和/或电感都可以随温度而改变。该方法包包括如下步骤：提供信号以确定一个或多个负载电路的阻抗参数，以及基于所确定的一个或多个阻抗参数向负载电路提供电流脉冲，该电流脉冲在负载电路中提供高频谐波。该负载电路包括产生磁通的加热线圈，用于对物品进行感应加热。负载电路的可变阻抗参数还可以基于加热线圈的变化以及加热线圈和物品之间的磁耦合的变化的一个或多个。

在更进一步的实施例中，提供了一种动态加热控制方法，其包括如下步骤：提供电流脉冲，该电流脉冲在负载电路中提供了含在高频谐波中的期望数量的脉冲能量，以用于对物品进行感应加热，在加热期间提供信号，用于确定一个或多个负载电路的阻抗参数，以及基于所确定的一个或多个阻抗参数改变电流脉冲的能量含量。此外，可以通过改变信号的频率(每单位时间的脉冲数)从而改变信号的能量含量(其中每个脉冲具有相同的能量含量)，例如，通过增加信号的脉冲频率(以及由此增加了能量含量)来增加传递给负载的功率。

在进一步的实施例中，所述步骤包括：在负载电路中提供具有高频谐波的电流脉冲，用于对物品进行感应加热，确定一个或多个负载电路的阻抗参数，以及基于一个或多个阻抗参数以及传送至负载电路的期望功率，从而确定电流脉冲的能量含量。

在进一步的实施例中，提供了一种方法，用于从电源电路向联接到电源电路的负载电路传送感应功率。所述方法包括：在负载电路中提供具有高频谐波的电流脉冲，用于对物品进行感应加热，确定一个或多个电源电路的限制，确定一个或多个负载电路的阻抗参数，以及基于一个或多个所确定的阻抗参数以及限制，确定电流脉冲的能量含量，从而用于在电源电路的限制范围内向负载电路传送期望的功率。电源电路可以包括联接到负载电路的充电电路，其中所述方法包括基于充电电路的频率响应来确定充电电路的阻抗。所述方法可以进一步包括：基于负载电路的振荡频率确定负载电路的阻抗。可以通过对提供到负载电路的电压或电流的连续过零点进行监测从而确定所述振荡的频率。此外，传送到负载电路的功率将取决于阻尼系数。可以通过对提供到负载电路的电压或电流的连续峰值的幅值进行监测从而确定该阻尼系数。

根据本发明的另一实施例，提供了一种电源控制装置，其包括充电电路，以及联接到所述充电电路的负载电路。开关器件控制该充电电路，从而在开关器件的导通时间期间将电流脉冲传送到负载电路中，以及监测和控制电路在加热周期期间控制所述开关器件的导通时间和关断时间，从而在负载电路中提供期望数量的高频谐波的脉冲能量。

在各种实施例中，监测和控制电路通过监测充电和负载电路中的电流来控制开关器件的打开时间。期望数量的高频谐波的脉冲能量可以是至少百分之50。所述开关器件可以联接充电电路和负载电路，由此使得存储在充电电路中的至少50％(以及更优选地至少90％)的能量被传送到负载电路。所述开关器件可以将充电电路联接至负载电路，由此使得对于充电电路的输入电压U_D，至少2U_D的电压被传送到负载电路。开关器件可以将充电电路联接至负载电路，由此使得在向负载电路传送电流脉冲期间电流通过所述开关器件振荡。所述开关器件还可以将充电电路联接至负载电路，由此使得保留存储在充电电路中的能量，从而在随后的充电周期上，在负载电路中实现非零电流状态。可以控制导通时间和/或关断时间，从而大体上实现通过开关的零电流状态，同时负载电路和充电电路都不具有零电流状态。监测电路可以包括如下装置，该装置用于监测电流脉冲的电流或电压的连续过零，以及基于上述监测确定电流脉冲的期望形状以及频率。开关器件可以包括多个并联配置的开关。所述装置还可以包括如下装置，其用于防止负载电路中的电流通过充电电路回流。

在各种实施例中，负载电路具有0.01至0.2范围内的阻尼比，以及更优选地为0.05至0.1。所述装置可以包括信号发生器，用于在负载电路中提供信号从而确定所述负载的至少一个阻抗参数，和/或监测由于阻抗参数变化而导致的负载电路的响应。负载电路可以包括磁性地联接到铁磁体或传导性物品的加热线圈。该装置可以包括监测提供到负载电路的电压或电流的一个或多个过零点的装置，和/或监测负载电路中电压或电流的连续峰值的幅值。

在另一实施例中，提供一种用于产生电流脉冲的方法，该电流脉冲在负载电路中提供期望数量的高频谐波的脉冲能量，用于对物品进行感应加热。该方法包括产生具有高频谐波的电流脉冲，每个脉冲包括至少一个急剧变化的部分，用于以高频谐波方式在负载电路中传送至少50％的脉冲能量。该方法进一步包括控制电流脉冲的导通/关断时间，从而产生多个上述脉冲作为用于感应加热的期望的电流信号。在各种实施例中，可以控制导通/关断时间以在每个电流脉冲中产生两次或三次振荡。可以进一步控制导通/关断时间，由此使得每个电流脉冲的幅值从其最大峰值的幅值下降至少50％之后结束该电流脉冲。可选地，在其幅值下降至少75％，至少90％，或至少95％之后结束该电流脉冲。

在选择实施例中，可以控制导通/关断时间，由此使得每个电流脉冲包括至少一个急剧变化部分，该部分的最大变化率至少五倍于具有相同基频和RMS电流的正弦信号的最大变化率。最大变化率可以是至少大十倍，或至少大二十倍。可以利用负载电路的电压限制来确定最大变化率的上限。更进一步，可以控制导通/关断时间，由此在衰减到电流脉冲最大峰值的幅值的10％以下的水平之前，使得每个电流脉冲至少包含两个完整的振荡周期。

以下参考具体实施方式和附图，将会更具体地理解本发明的这些及其他特征。

附图说明

通过参考以下说明书以及附图，可以更好地理解本发明的各种实施例，其中：

图1示出了根据本发明的一个实施例的感应加热装置的示意图；该装置包括电源电路和负载电路；图1a和1b示出了放大的局部视图，图1 a示出了可以被配置为代替开关20的二极管，以及图1b示出了负载部件；

图2示出了图1的装置的充电电路部分的示意图；

图3示出了图1的装置的负载电路部分的示意图；图3a以及3b示出了负载电路中可选开关实施例；

图4示出了在一个实施例中的作为时间函数的充电电容器两端的电压的示意图，

图5示出了作为时间函数的通过负载的电流的示意图，其示出了在根据一个实施例的负载电路中提供高频谐波的多个电流脉冲；

图6示出了作为时间函数的负载两端的电压的示意图，示出了在一个实施例中的单个脉冲的形状；

图7示出了一个实施例中的传送到负载的脉冲电压和电流的示意图；

图8示出了作为时间函数的电感器18中的电流的示意图，其示出了一个实施例中的交变的开关时间t_on和t_Off；

图9示出了确定期望的电流脉冲信号的方法的框图；以及

图10示出了确定期望的电流脉冲信号的另一方法的框图。

具体实施方式

已经确定，特定曲线的电流脉冲可被用于提高由加热元件(此处被称为加热线圈)传送的感应加热的速率，强度和/或功率，和/或可被用于提高感应加热系统的使用寿命或降低其成本以及复杂性。在选择实施例中，在不需要相应增加加热线圈中的电流的情况下即可实现上述目的。在各种实施例中，允许使用更低的基频(并同时维持传送到负载的功率的期望的水平)以及可以与结构的加热和冷却元件相连接，该加热和冷却元件允许定向(局部)加热和冷却的效果，从而产生更紧密的温度控制，更高的功率密度和/或减少的周期时间。

更具体地，这些电流脉冲在此处被称为提供高频谐波的电流脉冲，其具有迅速变化的电流曲线，该曲线提高了感应加热的性能。通常，电流脉冲的特征在于离散的窄宽度脉冲，其被相对较长的延迟所分隔，其中该脉冲包含一个或多个急剧变化部分(较大的一阶导数)，该急剧变化部分提供了线圈中的电流的基(或根)频谐波。在加热线圈中提供上述脉冲可以被用于显著地增加感应地传送到铁磁体或其他感应地加热的负载的功率，而不需要增加线圈中的电流的均方根(RMS)。这可以允许新的加热引用，以及在某些已知的应用中，可以减小能量消耗或降低冷却要求和/或增加加热线圈的使用寿命。

一个问题在于希望增加感应加热功率，并同时保持在最大可允许的或限制的RMS电流范围内(I_c-limit)，其中给定的加热线圈可以承受该该RMS电流和最大可允许电流并且仍然可以提供有效寿命；通过单独利用这些电流脉冲或者与此处描述的结构加热和冷却元件相结合，可以解决上述问题。由此，对于I_c-limit、线圈匝数N以及电磁连接Kc的系数的给定值，这些电流脉冲可以被用来增加感应加热功率。此外，与现有技术的感应加热系统不同，可以利用等效电阻(R_eq)较高的负载来使用这些脉冲，例如

$R_{\mathrm{eq}}>>2\sqrt{\frac{L_L}{C_L}}$

其中L_L是负载电路的电感以及C_L是负载电路的电容。

对于加热线圈的电流限制所导致的问题而提出的现有技术的解决方案包括：增加电源的谐振频率；减小线圈的电阻；和/或提高加热线圈的冷却(后者需要使冷却的线圈与被加热的物品热隔离)。如果增加谐振频率，则与线圈并联地配置专门的电容器作为″共振转换器″，从而调节(紧密地控制)提供到加热线圈的正弦电流的谐振频率。利用该解决方案的一个问题是，电源不适用于与电阻性负载(负载中的电阻性的线圈和/或较高的涡流电阻)一起工作。该方法的其他缺点是在这些高功率、高频共振转换器中使用的放大器的成本很高。

在现有技术的感应加热系统中，通常不期望谐波，且因此谐波包括谐振加热系统中提供的任何电流信号的微小(最小化的)的部分。由于高频谐波难以产生，难以控制且可能产生不期望的副作用，因此，在所有大功率电子设备中通常都不期望高频谐波。因此，由于电力公司的客户不希望见到谐波(被称为噪声)与他们的电气设备发生干扰，因此电力公司利用滤波电容器从其功率传送系统中去除谐波。

相对地，此处的电流脉冲故意地提供有线圈电流的根频率以上的谐波。这些离散的窄宽度电流脉冲包含陡峭的斜率(幅值的变化)，以及在各脉冲之间提供相对较长的延迟。其可以表现为限幅或振荡脉冲，且各脉冲之间具有相对较大的延迟。

谐波提供了电流脉冲信号的有效加热频率的增加，具体地，其中该谐波的幅值被保持得较高，由此使得感应加热功率较高。利用频谱分析仪观察，该电流脉冲包括多个频率分量。例如，可以通过选择适当的负载电路的输入电压来提高所有谐波的幅值，和/或可以通过改变电流脉冲的形状来提高选择谐波的幅值。

依据各种设计因素的概述，以下将描述本发明的各种实施方式，其中可以依据所述的各种设计因素来实现上述实施方式。

可以通过各种电子设备产生具有高频谐波的期望电流脉冲，该电子设备提供快速的开关，从而产生大量的高频谐波的脉冲能量。利用多相器件可以进一步提升脉冲的基频。

关于实现用于传送具有高频谐波的电流脉冲信号的电源，可能会存在不少问题。难点之一的原因来自于电流脉冲信号本身的特性。单个脉冲的较高能量含量可能会在电源和/或负载电路的选择部分中导致过高水平的电压和/或电流。因此，应当识别并且不要超过如下方面的一个或多个限制：电源和/或负载电路的部件所容许的电压，电流，变化率(电压或电流的变化率)，频率和/或温度。

出现困难的第二个原因是由于脉冲包含急剧变化部分，使得难以在特定的电流水平(例如过零点)开始和/或结束上述脉冲。因此，优选地，用于驱动电源电路的开关器件应该能够监测和控制源自前一个周期(脉冲产生的周期)的非零状态。这些非零初始状态可能会导致电流或电压的损坏水平，其可以破坏电源电路和/或负载电路的一个或多个部件(或减少其使用寿命)。

进一步的困难在于，至负载电路的功率传送将根据负载电路的阻尼特性而变化，该功率传送取决于单个电流脉冲的能量含量以及各脉冲之间的关断时间(t_Off)。阻尼特性确定了当交流电流流过加热线圈时会有多少能量在负载电路中消耗，以及该能量也可以是未知的。进一步，未知的因素是在加热过程本身期间出现的动态变化，其中取决于温度、速率和/或加热强度，负载电路和/或电源的特性可以发生变化。

在这些约束条件范围内，为了在负载电路中改变对物品进行感应加热的速率和/或强度，期望提供具有高频谐波的电流脉冲，该高频谐波可以传送可变的功率水平。还期望动态地控制到负载的功率传送，包括同时使用负载电路对物品进行感应加热。还期望提供一种可以驱动不同负载电路的电源，包括具有不同特性的加热线圈(例如，不同的材料，匝数，线圈结构，导线直径等等)以及具有加热线圈和被加热物品之间不同的磁耦合特性的负载。还期望对于给定的限制组对传送到负载的加热功率进行优化(最大化)，即，电源电路和/或负载电路的部件的特性。以及进一步，期望提供一种在使用之前或使用期间(加热物品)可以识别和/或检验电源部件特性和/或负载特性的电源，从而避免超过电源和/或负载电路的一个或多个部件的限制。这些识别和/或校验步骤可以包括，例如，识别或检验：负载的特性；至电源的输入信号的特性；加热线圈是否被恰当地连接到电源；加热线圈是否失效；在加热期间感应耦合是否已经丧失或改变(例如，负载被加热到居里点(改变了磁导率)以上，或加热线圈的相邻匝发生触碰(接触)，由此改变了负载电路的电感)。通过此处描述的电源装置以及方法的各种实施例实现了这些目标的一个或多个。

包含大量(例如，至少50％)高频谐波的电流脉冲到负载的传送被若干基本的约束条件所限制。最需要限制的是浪涌电流(幅值的迅速改变)以及产生上述电流浪涌所需的电压的相应较高峰值。由于加热功率等于RMS电流和RMS电压的乘积(当二者之间没有相移时)，因此期望将RMS电压保持得较高。当形成了具有较短持续时间以及较陡边缘的脉冲时，其通常具有较高数量的高频谐波；然而，随着脉冲持续时间减少，脉冲必须增加幅值以维持较高的功率。由于两个原因而限制了该幅值的增加：必须形成高电压以及必须控制该高电压。

为了形成高电压，可以使用若干种方法中的一种。参考图1，在一种方法中，输入电位U_D被施加到端子对41-42的两端。随着开关20闭合以及开关30打开，电流流过由电感器18以及电容器22形成的串联的LC电路，以及电容器22被充至输入电压的两倍2U_D(参见图4)。一旦充分地充电，则闭合开关30，且大体上电容器22中的全部能量都被传送到负载24。上述传送之后，随后开关30打开，用于下一个充电周期。将两倍的输入电压传送到负载允许减小脉冲宽度和/或增加电流脉冲中的高频谐波的百分比，并同时维持传送到负载的给定功率。在其他实施例中，电容器22可以被充电至大于2U_D的值。

在用于将电容器22充电到大于2U_D的方法中，同时闭合开关20和30，由此电流将线性地浪涌通过电感器18，开关20和开关30。电流增加的速率(dI/dt)将会是U_D(41-42两端的电位)以及L_ch(充电电路的电感)的函数。此时没有显著地对电容器22进行充电，而能量存储在电感器18中。当随后打开开关30时，存储在电感器18的磁场中的能量(1/2LI²)将对电容器22进行充电(到1/2CV²的势能)，并减去系统中的任何损耗。其可以获得电容器两端的很高的电压，大于2U_D。当随后闭合开关30时，电容器22中的能量被传送到负载。在开关30打开时，由于其两端增长的电压尖峰会导致使开关30损坏的电位，因此必须小心地选择何时打开开关30(即，基于C和I以及电容器22和开关30的电压限制)。

用于将电容器22充电到大于2U_D的第二种方法，使用若干个充电周期。在第一充电周期中(从电感器18以及电容器22中的零能量开始)，开关20闭合以及开关30打开，且电容器22被充电至小于2U_D，而留下了一些存储在电感器18的磁场中的能量。当随后闭合开关30时，电流浪涌线性地通过电感器18、开关20以及开关30，将存储在电容器22中的能量传送到负载24。同时开关20以及30闭合，电流从电容器22通过开关30以及负载24的电感器26振荡(逆时针)，随后反向，并从电容器22通过电感器26流动并且流回通过开关30(例如参见图3a以及3b)。现在可以对开关30的打开进行定时，由此使得由于负载电路的振荡而导致电流″向上″流动通过30，以及由于通过电感器18线性增加的电流而导致电流″向下″流动通过30，充分地彼此抵消。则大体上没有电流通过开关30，这允许开关的安全打开，并且维持存储在电感器18的磁场中的一些能量，以用于随后对电容器进行的充电。这被称为″非零″初始条件，并且允许电容器22经过了许多周期之后最终被充电到大于2U_D的值(参见图8，在开关的电压限制之内的操作之后的部分中描述的)。电感器18的磁场随着每个周期增长直至达到平衡，其中从一个周期到下一个周期基本上不存在储能的变化(换言之，在每个周期结束时，存储在电感器18以及电容器22中并且由此被传送到负载24的能量在各个脉冲中是不变的)。从电感器18以及电容器22中的零初始条件开始，经历了若干周期达到了该平衡。该实施例的进一步的优点是，能够在没有超过开关的电压限制的电位的情况下打开开关30(由于开关打开时的较低电流水平而导致的)。

以下将会在更具体的实施例中进一步讨论图1-3的开关电路的操作。

为了控制较高的电压电位以及相应的电流浪涌，以及为了提供较高的开关速度，可以使用绝缘栅双极型晶体管(IGBT)(如图1中的开关30)。可以商业地获得各种电压和电流等级的IGBT，以及可以为特定的实施方案而选择IGBT。在其他实施例中，并联的多个较小的IGBT可用于驱动负载，代替单个较大的IGBT。尤其是随着期望功率水平增加，这可以减小电源电路的开关部件的成本。利用多个较小的IGBT允许增加信号的频率(每单位时间的脉冲数)以及由此增加功率，同时不会超过开关的电流限制。

由于与符号恒定的脉冲相比振荡电流脉冲可以具有较高数量的高频谐波，因此期望形成振荡电流脉冲(符号不恒定)。为了形成振荡电流脉冲，可以使用双极型充电电容器22。该电容器上的电荷通过负载从交流侧在脉冲的持续时间内多次释放(放电)。在放电期间，由于IGBT开关30仅仅允许电流从集电极流到发射极(参见图3a)以及电流I_L双向流动，因此必须将开关电路设计为容纳该双向流动。一种设计是提供与开关30并联的二极管33，其允许电流围绕开关回流(参见图3a)。

如本领域技术人员将认识到的，仅仅利用充电的电容器以及电阻性负载(或临界地，或过阻尼的负载)不会使孤立的负载电路振荡——期望加热线圈内的某些电感以用于形成振荡脉冲。由此，加热线圈是负载电路的重要部分，并且与该充电电容器一起，将确定具体实施例中的电流脉冲的形状。

传送到加热线圈的电流脉冲信号的形状确定了每个高频谐波的相对数量，同时所述信号的幅值以及形状的组合确定了能量含量。信号的期望形状将取决于负载参数，该负载参数在多数情况下是未知的和动态的。在下面的例子中，将首先确定一个或多个负载参数，并随后利用该一个或多个负载参数确定期望信号的形状。如用在该例子中的，信号形状描述了占空比(导通时间与关断时间的比)以及脉冲内的波形(导通时间期间)。

现在将描述选择实施例，其示出了本发明的各个方面。

图1示出了网络10的示意图，该网络包括连接到负载电路(右侧)的电源电路(左侧)。所述网络包括网络元件的互连，所述元件包括物理部件或器件的模型。网络可以被分为若干子网络，包括如图2所示的充电子网络，以及如图3所示的负载子网络。

电压源12向桥式电路14提供(例如)工业频率(60Hz)的115V的输入AC信号。桥14被配置为与滤波电容器16并联，其提供端子对41-42处的DC电位U_D。如图2所示，该DC输入(电源)电压U_D使得电流I_ch在充电电路中流动。监测和控制电路控制开关20以及30，并且监测充电以及负载电路中的电流和/或电压。

通过闭合开关20以及打开开关30从而使能该充电子网络，在端子对41-42之间形成了串联LC电路。电感器18允许DC电流流过串联电容器22并对其进行充电。存储在电容器22中的能量(如电场)稍后将被用于向图3的负载电路传送功率。为了方便说明，图2中未示出负载24，由于电感器18的电感L_ch被选择为远大于负载26的电感L_L，因此负载对充电电路没有显著的影响。在不做出选择的其他例子中，将会在确定充电电路的响应(例如，充电时间)时考虑电感器18以及负载26的电感。

如图4所示，在电容器22的充电期间，端子对43-44两端的电压增加了。在本实施例中，允许充电电容器22两端的电压大体上趋近最高电位2U_D，其在图4中被示出为时间t_max处的点38。如上所述，如果开关30的打开被限制在″零电流″初始条件，则2U_D可以是最大值。在其他实施例中，如上所述，可以在″非零″初始条件下实现更高的电压电位。

随着在端子对43-44的两端产生了最高电位2U_D，现在开关30闭合，如图3所示，允许存储在电容器22中的能量被传送(放电)到负载24。图3的功率传送电路是串联的RLC电路，其中电流I_L被传送到负载24。负载包括电感性分量26以及电阻性分量28。如图5所示，加热线圈中的电流I_L包括具有高频谐波的电流脉冲。在开关30闭合的时间期间，此处称为(开关)导通时间t_on，电流脉冲被传送到负载(加热线圈)。负载的电阻性分量28使振荡电流脉冲衰减。如图6-7中最好地显示的，单个脉冲的衰减被显示为使得所述脉冲的幅值随着时间连续的降低。一旦实质性地降低了幅值，则开关30打开(关断时间t_off开始)，以及用于产生下一个脉冲的新的充电周期开始了。

如先前讨论的，在本发明的各种实施例中，在不超过限制和/或不实质地减少电源和/或负载电路部件的使用寿命的情况下，期望使传送到负载的功率最大化。现在将描述上述方法的各种例子。

确定充电电路的电感

图2的充电电路具有频率f_ch，测量该频率以用于确定(当电容器22的电容已知时)充电电路的电感(其包括电感器18以及负载26的电感)。利用公式1.0，可以使用充电电容器22达到最高电压38的测量时间t_max(参见图4)来计算充电电路的频率：

$f_{\mathrm{ch}}=\frac{1}{{2t}_{\max }}$ 公式(1.0)

已知充电电容器22的电容值C以及f_ch，可以根据公式1.1计算充电电路的电感L_ch：

$L_{\mathrm{ch}}=\frac{t_{\max }^2}{{\mathrm{\π}}^{2}C}$ 公式(1.1)

充电电路的电感稍后将被用于确定期望的电流信号函数以及开关30的期望关断时间。

确定负载电路的电感

图3的负载电路具有频率f_L，可以通过测量电流I_L的两个连续过零点(参见例如，图7中的点72以及73)之间的时间t_cross以及利用公式2.0，从而可以确定该频率：

$f_L=\frac{1}{{2t}_{\mathrm{cross}}}---\left(2.0\right)$

其中ω_L＝2πf是负载电路的相应的角频率。

已知充电电容器22的电容值C以及f_L，可以根据公式2.1计算负载电路的电感L_L：

$L_L=\frac{1}{{C\left({2\mathrm{\πf}}_L\right)}^2}---\left(2.1\right)$

负载电路的电感稍后将被用于确定开关30的导通时间以及关断时间的期望值。

确定负载电路的谐振电阻

图3的串联RLC负载电路具有谐振电阻，此处称为R_L ⁰，可以利用公式3.1计算该电阻(通过已知充电电容器22的电容值C以及负载电路的电感L_L)

${R_L}^O=\sqrt{\frac{L_L}{C}}---\left(3.1\right)$

负载电路还具有角谐振频率ω₀，其可以利用公式3.2确定：

${\mathrm{\ω}}_O=\sqrt{\frac{1}{L_{L}C}}---\left(3.2\right)$

稍后，负载电路的谐振电阻以及角频率将被用于确定期望的电流信号函数以及开关30的导通时间t_on的最佳值。

确定阻尼比

在例如图3的串联RLC电路中，电阻性分量28使电流脉冲信号IL如图5-7所示地衰减。可以通过测量两个连续的电流峰值a1，a2(例如，图7中的点71以及74)的幅值以及利用公式4.1来确定阻尼比，该阻尼比由希腊字母ξ表示：

$\mathrm{\ζ}=\frac{-\ln \left(\frac{a_2}{a_1}\right)}{2\mathrm{\π}}---\left(4.1\right)$

可选地，可以通过测量两个连续的电压峰值的幅值来确定阻尼比。稍后该阻尼比被用于选择期望的电流信号函数。

确定负载电流

图7示出了符号不恒定的衰减的电流脉冲信号I_L相对于时间的电压60以及电流50之间的关系。图3的主要为感性负载网络中的电流I_L比电压落后时间t_lag，如图7所示，如电压60以及电流50的两个连续过零点(点70以及75)之间的时间。如关于使功率传送最大化的之后的部分中描述的，该相位差将会影响功率传送。

期望较高的初始电压61，以用于获得较高幅值的电流信号50，以及由此获得较高的加热功率。图6示出了包络线62内的衰减振荡的电压信号60，其示出了传送到负载的电流脉冲的电压辐值的变化率。

给定了本实施例的网络元件的参数，则负载电路中电流脉冲信号I_L的形状可以利用公式4.2确定：

$I\left(t\right)=\frac{U}{R_L^0\sqrt{1-{\mathrm{\ζ}}^2}}{e}^{{-\mathrm{\ζ\ω}}_{L}t}\sin \left({\mathrm{\ω}}_0\sqrt{{1-\mathrm{\ζ}}^2}\right)t---\left(4.2\right)$

其中U是负载两端的初始电压(图6-7中的点61)，R_L ⁰是先前在公式3.1中确定的负载电路的谐振电阻，ξ是先前在公式4.1中确定的负载电路的阻尼比，ω₀是在公式3.2中确定的负载电路的共振角频率，以及ω_L是在公式2.0中根据f_L确定的负载电路的谐振频率。

随后，该电流函数I(t)可以被用于计算用于电容器22放电的期望脉冲持续时间(开关30的导通时间)，以及可以被用于计算开关30打开的期望安全时间(例如低电流)。

在电源开关的电压限制内的操作

如先前讨论的，开关30是电源部件中的一个，其具有一个或多个不应该被超过的限制。在该实例中，确定了期望的电流脉冲信号，其将避免超过开关30的电压限制。

开关30具有电压限制U_max，可以取决于电容器22的电压限制和/或流过开关30的总电流而超过该电压限制，其中总电流可以包括来自负载以及充电电路I_L以及I_ch的分量。

通常期望在充电电路中的电流I_ch较低时闭合开关30(导通时间开始)。其一个原因是为了避免电容器22的充电超过期望的最高电压(图4中的38)。如果通过电感器18的充电电流超过该电感器的电流限制，则当开关30闭合时其可能会暴露在过量的电流下。

图8示出了对于先前描述的将电容器22充电至大于2U_D的方法，在非零的初始条件下，其示出了在若干充电周期中通过电感器18的电流幅值80。在第一充电周期期间(t₀到t₁)，电流逐渐增加直到时间t₁处的点81(导通时间开始)。随后，开关30闭合，并且存储在电容器22中的电荷(在该初始周期上＜2U_D)在随后的时间周期t_on(从t₁到t₂)上被传送到负载。在大部分或全部的能量已经被传送到负载之后，在t₂处开关30打开，开始了下一个充电周期。在第二以及随后的充电周期(t₂到t₃)期间，电流可以增加到点83处的水平，但是不会超过电感器18的电流限制。在这些连续的充电周期的每一个期间都期望避免电流浪涌。在t_Off(t₃)结束时，电容器22被充电至大于2U_D，随后在下一个t_on(t₃到t₄)其被传送到负载.最终(例如，10-20个周期)达到了平衡，其中通过电感器18以及电容器22传送到负载的能量大体上在每个脉冲中是恒定的。

另一考虑是，希望在大部分或全部(例如，在一个实施例中至少50％，在另一实施例中至少90％)的存储在充电电容器22中的能量已经被传送到负载之后，打开开关30，例如，当I_L较低时。

在关断时间开始时，仅仅在打开开关30之前，流过开关30电流的总和与缓冲电路的电阻(图3b中的31)将确定开关30两端的任何电压尖峰的幅值(V＝IR)。开关30两端的电压幅值是通过开关的总电流与例如和开关30并联配置的缓冲器31的电阻的乘积。打开开关30时(关断时间开始)，通过开关30的电流将包括I_L以及I_ch，其中I_L是仅在开关30打开之前流过负载电路的电流，而I_ch是仅在打开开关30之前流过充电电路的电流。电流I_ch可以根据公式6.4确定：

$I_{\mathrm{ch}}=\frac{U_D}{1-B}(\frac{A}{R_{\mathrm{ch}}}+\frac{{\mathrm{At}}_{\mathrm{on}}}{L_{\mathrm{ch}}})---\left(6.4\right)$

其中：

U_D是端子对41-42两端的电源电压；

_off＝ω_cht_off    (6.1)

A＝sin_off(6.2)

B＝cos_off        (6.3)

L_ch是根据公式1.1确定的；

ω_ch是根据公式1.0的f_ch确定的，其中ω_L＝2πf；

t_Off是根据公式7.1确定的；以及

R_ch ⁰充电电路的谐振电阻，其可以利用公式6.5计算：

${R_{\mathrm{ch}}}^0=\sqrt{\frac{L_{\mathrm{ch}}+L_L}{C}}---\left(6.5\right)$

其中L_ch是充电电路的电感，L_L是负载电路的电感，而C是充电电路的电容。

在打开时间通过开关30的任何电压尖峰的幅值将是总电流(I_ch+I_L)乘以缓冲器电阻R_S的乘积，其中公式4.2可用于确定通过负载电路的电流I_L。总电流值不应该超过开关30的最大电压限制。为了实现最小的总电流，通常期望在L_ch和I_L通过开关按相反方向流动且具有相似的幅值时从而有效地彼此抵消时，打开开关。

用于最高功率传送的操作

流入负载24的能量的时间速率是传送到负载的功率。该功率是负载24中的电压和电流的乘积，如在端子对45-46两端所测量的(参见图1和3)。对于最高功率传送，希望在端子对45-46两端提供最高的电压；然而，这将会被开关30的电压限制所制约。还期望提供流过负载24的最大电流；这将被通过开关30的最大容许电流所限制。

利用开关30的电流最大值I_max和电压最大值U_max，可以利用公式7.0计算用于最高功率传送的最佳导通时间：

$t_{\mathrm{on}}=\frac{{6L}_L^{\frac{3}{2}}}{K_R}\sqrt{\frac{I_{\max }}{U_{\max }}}---\left(7.0\right)$

其中：

$K_R=\mathrm{\π}\frac{D}{L}\sqrt{{\mathrm{\ρ\μ}}_0\mathrm{\μ}}=\frac{R_{\mathrm{eq}}}{\sqrt{{\mathrm{\ω}}_L}}$

可以利用公式7.1计算开关30的最大关断时间：

$t_{\mathrm{off}}=\mathrm{\π}\frac{I_{\max }}{U_{\max }}\sqrt{L_{\mathrm{ch}}{L}_L}---\left(7.1\right)$

其中I_max和U_max是先前描述的开关30的电流和电压限制，以及L_ch和L_L分别是充电电路18和负载26的电感。通常希望通过使将电容器22充电到最高电位所需要的时间量最小化而使得关断时间(在此期间没有能量被传送到负载)最小。

充电电路的电流限制内的操作

可以识别并监测电源电路的其他限制，例如电感器18的电流限制以及整流器14的电流限制。如果超过了电感器18的电流限制，则电感器的磁芯将饱和且丧失其电感，且公式6.4将不再能控制充电电路中的电流。随后，在开关30打开时，流过开关20和30的较大电流可能会超过开关的电压限制。可以与电感器18串联地配置熔丝以防止上述电流浪涌。

确定最佳负载频率

可以利用公式(8.0)来确定最佳负载频率ω_opt：

${\mathrm{\ω}}_{\mathrm{opt}}=\frac{1}{L_L}\frac{U_{\max }}{I_{\max }}---\left(8.0\right)$

由此，最佳负载频率取决于开关30的电压最大值U_max和电流最大值I_max，以及负载电路的电感L_L(如通过公式2.1确定的)。

已知最佳负载电路频率，则可以选择适当的充电电容器22以利用公式8.1获得该频率：

$C=\frac{1}{L_L{\mathrm{\ω}}_L^2}---\left(8.1\right)$

其中用ω_opt代替ω_L。

维持高功率因数

如上所述，传送到负载的功率是电压(负载两端)和电流(通过负载)的乘积。当电压和电流处于不同的相位角度时，如图7所示，利用I_rms作为基准测量的移相器的角度V_rms被认为是功率因数角θ，且cosθ作为功率因数。这是利用功率分析仪测量平均功率P_av，利用电压表测量V_rms的绝对值以及利用电流表测量I_rms的绝对值的流程。从上述三种测量，可以根据公式9.1确定cosθ：

$P_{\mathrm{av}}=\frac{\left[V_m\right]\left[I_m\right]}{2}\cos \mathrm{\θ}=V_{\mathrm{rms}}{I}_{\mathrm{rms}}\cos \mathrm{\θ}---\left(9.1\right)$

为了使传送到负载的功率最优化，期望维持高功率因数。通过监测加热速率，或监测负载中电流和电压的各过零点之间的时间，从而可以检测出加热期间功率因数的下降。可以通过调节图3的串联负载电路中的C、L和R的一个或多个的值来改变该功率因数角。

如果来自负载的电流通过电感器18倒流，则功率因数会减小。通过在电感器18和端子43之间安置二极管(参见图1a)，可以防止上述倒流。

监测负载电路

可以期望监测负载电路，从而检测负载参数的变化(例如，磁导率和电阻率)。相对于电流脉冲信号的有效频率和/或阻尼因数(如通过其各种高频谐波分量所确定的)，可以通过监测负载中的响应而检测这些改变。可选地，基于传送到负载电路的期望功率，上述监测可用于改变负载和/或充电电路的阻抗参数(例如，通过利用可控整流器或可变电容器)。

图9-10示出了监测负载电路的两种可选的方法。在图9的方法中，产生(101)了低功率测试脉冲以监测负载的响应(102)，并且根据那些响应来确定驱动信号，从而产生具有高频谐波的期望电流脉冲(103)，该驱动信号随后被用于向负载提供能量(104)。可以通过低输入电压，通过过长的充电时间(直至电容器22达到U_D平衡)，或通过分离的信号生成电路，从而在图1的电路中产生低功率脉冲。

在图10的可选方法中，通过负载中的具有高频谐波的选择电流脉冲来驱动负载(111)，并且监测负载响应的变化(112)。当出现变化时，可以对驱动信号进行调节(113)，并且调节所获得的电流脉冲信号，例如调节开关30的导通时间和/或关断时间。

例如，可以通过功率表，电压表，电流表或功率分析仪来监测并测量负载参数的变化。上述仪表的输出可以被提供到反馈控制系统，例如用于控制开关30的打开和闭合(参见例如，图1的监测和控制电路15)。反馈控制系统可以包括一个或多个的：处理器，微控制器，模拟分立元件，基于PC的软件，嵌入式信号处理器，和/或电子反馈和控制处理的其他方法。可以提供用户接口用于监测和/或输入和/或输出信息。

负载电路的阻抗参数包括电阻R，电容值C和电感L。阻抗是电阻R和电抗X的矢量和，其中电容电抗为1/(ωC)以及电感电抗为ωL。

负载的阻抗参数(对于图1的实施例)被更具体地示出在图1b中。这些参数包括加热线圈的电阻R_coil以及加热线圈电感L_coil。被加热的物品被表示为变压器，其具有磁性地耦合到涡流电路91的原边线圈92，该涡流电路91包括副边线圈93，涡流电阻R_ec以及电感L_article。

负载电路的总电阻(图1中的28)包括有效频率(考虑到集肤效应)处的加热线圈的欧姆电阻(图1b中的R_coil)以及负载(图1b中的91)的涡流电路的涡流电阻(图1b的R_ec)

负载电路的总电容是电容器22的电容以及加热线圈和地(未示出)之间的电容。

负载电路(图1中的26)的总电感是加热线圈的电感(图1b中的L_coil)，负载电路的漏磁电感(未示出)，以及涡流电路的电感(图1b中的L_article)。

充电电路的阻抗参数的定义与负载电路相似，但是进一步包括电感器18以及整流器/滤波器电路14/16的电抗。

在所公开的实施例中的电流脉冲的能量可以被表示为E_p＝1/2C(2U_D)²，其中实质上电容器22中的全部能量都被传送到每个脉冲。

通常，离散脉冲的能量可以被表示为函数I²R在脉冲的时间段(t_on)上的积分：

$E={\∫}_1^2{I}^2\mathrm{Rdt}$

电流脉冲的傅里叶变换可用于确定高频谐波中的以及与此对比的基频中的脉冲能量的数量。周期函数(该电流脉冲是周期函数)的傅里叶变换引出傅里叶级数：

F(t)＝A_o+A₁/sin(ωt)+A₂sin(2ωt)+A₃ sin(3ωt)+...

其中

ω＝2πf＝(基本角频率，

f＝1/T＝基频，

t＝时间，

T＝该周期函数的周期

A₀＝常数，以及

A₁，A₂，A₃……＝一次、二次、三次、……谐波的幅值

通过高频谐波，在基频(一次谐波或根)以上的频率处平均该谐波。″根″频率是可以分裂信号并使其仍然为周期性的最短时间。高频谐波是根频率以上的频率的信号，其与该根频率一起构造期望的信号。通常，期望在谐波内产生较大幅值从而使得传送到负载的功率较高。具有高频谐波的电流脉冲信号已经被描述为包括基(根)频，或一次谐波，以及该根频率以上的高次谐波。由此脉冲信号可以被理解为由上述分量构造的。

还可以使用频谱分析器来对如下周期信号进行分析，所述周期信号包括具有高频谐波的多个离散电流脉冲。具有高频谐波的电流脉冲信号的频谱可以被描述为如下正弦信号的和，所述正弦信号是：从根频率ω开始的幅值为a₁的正弦信号，以及根频率以上的2ω且幅值为a₂的高频谐波，3ω以及幅值a₃，4ω以及幅值a₄等等。优选地，随着频率的增加而保持该幅值较高。

负载包括磁性地耦合到被加热物品的加热线圈。加热线圈被用于广泛地包括任何类型的材料或元件，当向其提供交变电流时，该材料或元件能够电气地传导(具有改变的电阻率水平)以用于产生交变磁场。这不局限于任何特定的形式(例如导线，线束，线圈，厚膜或薄膜，信号笔(pen)或丝网印刷，热喷镀，化学或物理汽相淀积，晶片或其他)，也不局限于任何具体的形状。可以使用镍铬(镍铬耐热合金)或铜加热线圈。其他的加热线圈材料包括，例如，镍，钨，铬，铝，铁，铜，银等等的合金。

被加热的物品可以是任意对象，衬底或材料(即，液体，固体或其组合)，该物品是整体或部分地铁磁性和/或传导性的，以及通过施加磁通而在其中感生涡流，从而可以对该物品进行感应地加热。优选地，该物品是用可透磁材料制造的，例如便于磁耦合的铁或其他铁磁材料。随后对在该物品中感应产生的热进行传递以加热另一对象(铁磁性的或传导的或者不是铁磁性的或传导的)。物品相对于加热线圈的物理位置和/或尺寸，几何形状都没有限制。

在Valery Kagan于2004年7月2日提交的、序号10/884,851，2005年1月13日公开的、美国公开号为No.U.S.2005/0006380A1的″HeatingSystems and Methods″以及Valery Kagan于2003年7月2日提交的序号为10/612,272，2005年1月6日公开的，美国公开号为No.U.S.2005/0000959A1的″Apparatus and Method for Inductive Heating″中，均描述了利用高频谐波电流脉冲进行感应加热的各种方法和装置，上述文件均通过引用全文并入本发明。

可以通过各种电子设备产生期望的电流脉冲，该电子设备提供快速开关以产生含在高频谐波中的大量脉冲能量。可以进一步使用多相器件提升脉冲的基频。可以从International Rectifier Corp.，El Sugendo，CA获得适当的IGBT器件，例如IRGKI140U06器件，其提供25KHz的硬开关以及扩展时间(extended time)上的600伏电压和扩展时间上的140安培电流，或IRGP450U，其额定为10KHz的硬开关，500伏和60安培。各种信号产生或开关器件可以被用作提供期望的电流脉冲的脉冲发生器，所述器件包括晶闸管，栅极可关断(GTO)晶闸管，硅可控整流器(SCR)，和积分栅极双极性晶体管(IGBT)器件。可从International Rectifier Corp.获得适当的晶闸管。具有驱动器的集成电路芯片可用于控制该晶闸管。可从Dynex Semiconductor，Lincoln，UK获得适当的GTO。

如果在充电周期期间输入电压高于开关30的限制，则可以替换为可控整流器(例如，相位激发(fire))从而改变图1中的41-42两端的电压。

加热线圈可以由固态导电体制成，例如铜，或由更加高阻性的材料制成，例如镍铬。线圈被电气绝缘材料所覆盖(例如，诸如氧化镁或氧化铝层或覆层)。线圈可以与被加热物品紧密接触，或者可以在线圈和物品之间具有气隙。此外，可选地，在线圈和物品之间也可以有热传导材料，或热绝缘材料。

加热线圈可以以螺旋形图案卷曲，配置在物品的表面上或接近物品的表面，并且穿过物品提供交变方向(相对于位置)的磁场。加热线圈可以形成为圆柱形图案，围绕三维的物品缠绕，并且在线圈内提供同方向(相对于位置)的磁场。在各种实施例中，导电体可以是中空元件或固体元件，并且其可以采用各种形状和形式，诸如螺旋状的，螺旋形的，环状，螺旋或循环螺旋形的。传导线圈可以具有可变的间距(各匝之间的距离)，其将影响所获得的磁场生成。取决于可用空间和期望的加热功率，可以改变线圈之间的形状和距离从而改变加热的功率密度。基本的加热线圈设计的说明可以在发表于1988年6月、8月和10月的Heat Treating中的S.Zinn和S.L.Semiaten的″CoiLDesign and Fabrication″的三篇部分文章中找到。

线圈的热输出量是频率、电流和加热元件的匝数的函数。该相关性可以被描述为：

$I^2{N}^2\sqrt{\mathrm{\ω}}={\mathrm{\αP}}_{\mathrm{req}}$

其中α是材料和几何形状的函数

I＝电流

N＝匝数

ω＝电源频率

P_req＝加热材料所需的功率

公式(10.1)可用于计算形成圆柱体的铁磁材料中对于涡流流动的期望电阻(R_e)；公式(10.2)是用于平板的可比较的公式。在这里假定圆柱体或板是闭合磁环的一部分，以及电流被施加到加热线圈，该加热线圈围绕圆柱体缠绕，或该电流被施加到平板上以蛇形(螺旋形的)安装的表面上。对于圆柱体，对于涡流流动的等效电阻(R_e)是：

$R_e=\frac{\mathrm{\πD}}{L}\sqrt{\mathrm{\ρ\μ\ω}}---\left(10.1\right)$

其中

D是圆柱体的直径，

L是圆柱体的长度，

ρ是圆柱体材料的电阻率，

μ是圆柱体材料的磁导率，以及

ω是圆柱体中的涡流的角频率，以及对于板：

$R_e=\frac{L}{p}\sqrt{\mathrm{\ρ\μ\ω}}---\left(10.2\right)$

其中

L是线圈导体的长度，

p是线圈导体的周长，

ρ是平板材料的电阻率，

μ是平板材料的磁导率，以及

ω是该板中的涡流的角频率，以及在两种情况中，(圆柱体以及板)其中ω＝2πf，f是基频，以及对于周期T来说，f＝1/T。

在本发明的各种实施例中，确定t_on和t_Off以允许对存储在充电电路中的能量的至少特定百分比的电流脉冲进行传送，其中该最小百分比可以是至少50％，至少75％或至少90％。

本发明的方法和装置的各种实施例还提供了至少特定百分比的高频谐波中的脉冲能量。该百分比可以是最少至少50％，至少75％，或至少90％。

更进一步，在各种实施例中，通过脉冲幅值减少该脉冲最大峰值的幅值的特定百分比来确定脉冲的宽度(t_on)。该百分比减少可以是最少至少50％，至少75％，或至少95％。在开关打开之前，可以选择脉冲宽度以提供每个脉冲两次或三次振荡。在一个实施例中，其中负载电路具有0.05到0.1的阻尼比，分别提供了每脉冲3或2次振荡的脉冲宽度。

每个电流脉冲包括至少一个以及优选地多个陡峭上升和下降部分。这些部分可以包括陡峭上升的前沿部分，陡峭下降的后沿部分，以及(可选地)在该前沿和后沿部分之间的其他陡峭上升和/或下降的部分。在各种实施例中，期望的脉冲波形可以在相移(电压和电流之间)以及频率(期望低相移和高频)之间折衷，导致振荡脉冲在该脉冲衰减到脉冲最大峰值幅值的10％以下的幅值之前具有两个完整的周期。

在一个实例中，电流脉冲的最大(通常第一个)峰值的幅值可以大于100安培，以及脉冲幅值减小到初始的峰值幅值的8％以下。然而，在其他实施例中，例如如果阻尼系数较低，则当脉冲幅值小于50％时可以有益地结束该脉冲(打开开关)。在后者的例子中，开关的电流水平将显著地高于在前的例子的电流水平。

在另一实施例中，控制导通/关断，由此使得每个电流脉冲包括至少一个陡峭变化部分，该陡峭变化部分具有最大变化率，其至少5倍于具有相同基频以及RMS电流幅值的正弦信号的最大变化率。在选择实施例中，最大变化率可以是至少大10倍，或至少大20倍。可以基于负载电路的电压限制而确定最大变化率的上限。还可以控制导通/关断时间，由此使得每个电流脉冲在衰减到电流脉冲的最大峰值的10％以下的水平之前，包含至少两个完整的振荡周期。

基于本发明的公开，本领域技术人员可以控制单个电流脉冲的形状以及电流脉冲的导通/关断时间，以便向加热元件传送期望的电流信号。通常，传送到加热元件的能量取决于脉冲的频率(每单位时间的脉冲数)以及脉冲的形状(高频谐波中提供的能量的数量)。由此，如果需要向加热元件传送更多的能量，则可以增加脉冲的频率和/或可以改变单个脉冲的形状以提供更多的高频谐波。此外，如果提供了较高的输入电压，则可以减小脉冲频率和/或可以改变脉冲的形状以减小高频谐波的数量。

在另一实施例中，在如下部分中描述了，提供了一种控制系统，该控制系统利用了简化的方法(就减少计算而言)，用于确定电源的导通/关断时间。

可选的控制系统

在该实例中，将从充电电路传送到负载电路的能量的数量设置为预定值，以及使用该预定值确定t_on和t_Off时间。

此外，再次参考图1描述该可选的控制系统，以及做出了如下假定。两个控制开关20和30能够以相同的频率开关，即充电频率f_ch(参见公式1.0)，并且具有相同的最大开关频率f_maxswitch。此外，开关20和30决不会同时闭合。根据电路，以下值是已知的：

f_ch-开关18的电感

C-充电电容器22的电容

f_maxswitch开关20和30的最大开关频率。

U_D-整流之后的DC电压(参见段82)。

U_max-开关30的最高电压(参见段85)。

负载的以下参数是未知的，但是其限制如下：

R_L＜2R⁰ _L其中R_L是等效负载电阻，以及R⁰ _L(根据公式3.1)是

谐振电阻，其中在负载中存在某些振荡(非临界阻尼的)

L_L＜＜L_ch其中L_L(根据公式2.1)以及L_ch(根据公式1.1)

使得充电频率成为较大的范围而与负载无关(参见图2)。

再一次，电容器将被充电至大约2U_D。充电时间是1/2T_ch，其中T_ch是充电电路的周期(参见图4)以及U_D＜1/2U_max，其中U_max是开关的最大额定电压。由此充电周期之前，在充电电路中存在零电流状态。确定放电时间t_on≥1/2T_ch，由此使得开关30不会超过其最大开关速度。

电源被编程为具有等于t_max的单个充电时间t_Off，其中通过为开关20和30的给定最高工作频率f_maxswitch选择L_ch和C从而确定该充电时间。在这些条件下，将在开关的电压和频率限制范围内操作该开关，而与负载无关。

在第一步骤中，如图7所示，我们监测负载电流I_L的过零点，以及将上述过零点的时间与最大开关频率进行比较(即，使得开关30的打开以及闭合之间的时间不大于开关30的最大开关速度)。由此，在电容器22被完全地充电至大约2U_D之后，开关30闭合(以及开关20打开)从而开始向负载释放能量。如上所述，开关30只能在I_L小于或等于零的时间期间打开(图1中，假定“正”被定义为电流从43流到44)。该状态第一次在第一过零点72以及第二过零点73之间出现；随后出现在第三过零点75以及第四过零点76之间，第五过零点以及第六过零点之间等等。我们需要确定在开关30可以打开且没有超过开关30的最大工作频率之前的周期数目。利用公式：

$\frac{1}{{2f}_{\max \mathrm{switch}}}\≤(t_x-t_{70})$

其中首先t_x是第二过零点73，然后是第四过零点76等等，以及设置计数器以确定在开关30可以安全地打开之前需要多少时间。例如，如果上述公式对第二过零点(73)成立，则开关30可以仅仅在第二过零点之前打开。如果不成立，但表明对第四过零点成立，则开关可以仅仅在第四过零点之前安全地打开。我们设置n₁等于振荡的最小数目，其允许开关30在该开关的最大工作频率内被打开。

在下一步骤期间，我们测量连续的电流峰值I_L的幅值并比较上述电流峰值的衰减幅值与预定值的二次方的比，此处是20∶1，其表示向负载传送存储在电容器中的能量的大约95％。更具体地，在放电周期期间以及在正在检测过零点的同时，分别对峰值幅值a₁，a₂，a₃等(71，74，77等)进行采样。如图6所示，峰值将依赖于指数地衰减的包络函数。再一次，设置计数器以确定何时以下公式成立：

$\frac{a_1^2}{a_x^2}\≥20$

其中a_x首先是a₂，然后是a₃，等等。进行该比较直至返回真实值，并且我们设置n₂等于振荡数目，该振荡数目是向负载电路大体上传送存储在充电电容器中的能量的95％所需要的振荡数目。

作为最后步骤，我们在上述两个条件成立时计算放电时间t_on，即n₁不超过最大开关速度以及n₂从电容器向负载电路大体上传送了所有(例如，95％)的能量。我们将放电时间t_on设置为：

t_on＝n₃(t₇₃-t₇₀)

其中n₃大于n₁和n₂，以及(t₇₃-t₇₀)是一个周期。

根据如图9或10所示的反馈控制方法的任何一种，可以利用上述方法控制电源。

当开关30闭合而开关20打开(用于最高功率传送)时，上述方法确定了t_on的值。可选地，如果希望降低传送到负载的功率，则可以在开关闭合之间添加间隙。

由此，本发明的方法和装置允许基于负载的阻抗参数来控制传送到负载的能量含量，其中所述阻抗参数的值可以不必是已知的或不必是直接测量或确定的。可替代地，基于负载的响应，例如，如所描述的负载电流的幅值比，可以间接地确定该阻抗参数。

由此，本领域普通技术人员将理解，为了说明而提供了前述的某些优选实施例的说明，而并不是限制。在不背离如随后的权利要求所要求的本发明的范围的情况下，可以做出改变和替换。

Claims (54)

1.一种用于对物品进行感应加热的、从电源电路向负载电路传送感应功率的方法，其中所述电源电路包括联接到负载电路的充电电路，所述方法包括：

确定负载电路的阻抗参数；

确定充电电路的阻抗参数，以及

基于所确定的负载电路以及充电电路的阻抗参数，向负载电路提供电流脉冲，该电流脉冲在负载电路中提供了高频谐振中的期望数量的脉冲能量，以用于对物品进行感应加热。

2.如权利要求1的方法，其中所述电源电路包括用于控制充电电路的开关器件，以及所述方法包括确定用于提供期望电流脉冲的开关器件的导通时间(t_on)。

3.如权利要求2的方法，其中该方法包括确定用于提供期望的电流脉冲的开关器件的关断时间(t_Off)。

4.如权利要求3的方法，其中确定t_on和t_Off以允许在电流脉冲中传送存储在充电电路中的能量的至少50％。

5.如权利要求3的方法，其中确定t_on和t_Off以允许在电流脉冲中传送存储在充电电路中的能量的至少90％。

6.如权利要求1的方法，其中至少50％的脉冲能量在高频谐波中。

7.如权利要求1的方法，其中至少90％的脉冲能量在高频谐波中。

8.如权利要求1的方法，其中负载电路具有0.01至0.2范围内的阻尼比。

9.如权利要求1的方法，其中在加热物品的周期期间，可以间断地使用该方法从而检测所确定的阻抗参数中的至少其中之一的变化。

10.如权利要求1的方法，包括基于传送至负载电路的期望功率而改变充电电路的阻抗参数。

14.一种方法，包括：

电源电路，其用于在负载电路中传送具有高频谐波的电流脉冲，用于对物品进行感应加热；

在传送该电流脉冲之前，确定负载电路的阻抗参数以及基于该阻抗参数确定电流脉冲的能量含量。

15.如权利要求14的方法，包括：

监测负载电路的响应，以用于改变该阻抗参数。

16.如权利要求14的方法，包括：

根据一个或多个电源电路的限制来确定电流脉冲的能量含量，其中该限制包括电压限制，电流尖峰限制，RMS电流限制，开关频率限制以及温度限制。

17.如权利要求14的方法，其中使用阻抗参数来检测如下方面的存在，不存在或者变化：

电源的输入；

负载电路与电源的连接；

负载电路中的加热线圈的故障；

加热物品期间磁耦合的损耗或改变；以及

负载电路的加热线圈的一个或多个匝之间的接触。

18.一种用于具有可变阻抗参数的负载电路的感应加热方法，其包括如下步骤：

提供信号以确定一个或多个负载电路的阻抗参数；以及

基于所确定的一个或多个阻抗参数向负载电路提供电流脉冲，该电流脉冲在负载电路中提供高频谐波。

19.如权利要求18的方法，其中负载电路包括加热线圈，其产生用于对物品进行感应加热的磁通，以及其中该负载电路的可变阻抗参数基于一个或多个的：

加热线圈的变化；以及

加热线圈和该物品之间的磁耦合的变化。

20.一种动态加热控制的方法，其包括如下步骤：

提供电流脉冲，该电流脉冲在负载电路中提供了高频谐波中的脉冲能量的期望数量，以用于对物品进行感应加热；

在加热期间提供信号，以用于确定负载电路的一个或多个阻抗参数；以及

基于所确定的一个或多个阻抗参数改变电流脉冲的能量含量。

21.一种方法，包括：

在负载电路中提供具有高频谐波的电流脉冲，以用于对物品进行感应加热；

确定负载电路的一个或多个阻抗参数；

基于所确定的一个或多个阻抗参数和传送至负载电路的期望功率来确定该电流脉冲的能量含量。

22.一种从电源电路向联接到电源电路的负载电路传送感应功率的方法，包括：

在负载电路中提供具有高频谐波的电流脉冲，以用于对物品进行感应加热；

确定该电源电路的一个或多个限制；

确定负载电路的一个或多个阻抗参数，以及

基于一个或多个所确定的阻抗参数和限制，在该电源电路的限制范围内确定用于将期望功率传送到负载电路的电流脉冲的能量含量。

23.如权利要求22的方法，其中该电源电路包括联接到负载电路的充电电路，该方法包括：

基于充电电路的频率响应来确定充电电路的阻抗参数。

24.如权利要求22的方法，包括：

基于负载电路的振荡频率来确定负载电路的阻抗参数

25.如权利要求24的方法，其中通过监测提供到负载电路的电压或电流的连续过零点来确定振荡的频率。

26.如权利要求22的方法，其中通过确定负载电路的阻尼系数来确定期望功率。

27.如权利要求26的方法，其中通过监测提供到负载电路的电压或电流的连续峰值的幅值来确定阻尼系数。

28.一种电源控制装置，包括：

充电电路；

联接到该充电电路的负载电路；

开关器件，用于控制充电电路，从而在该开关器件的导通时间期间将电流脉冲传送到负载电路中；以及

监测和控制电路，其用于在加热周期期间控制该开关器件的导通时间和关断时间，从而在负载电路中提供高频谐波中的期望数量的脉冲能量。

29.根据权利要求28的装置，其中监测和控制电路通过监测充电和负载电路中的电流从而控制开关器件的打开时间。

30.根据权利要求28的装置，其中所述期望数量至少为50％。

31.根据权利要求28的装置，其中所述开关器件联接所述充电电路和负载电路，以使得存储在充电电路中的能量的至少50％被传送到负载电路。

32.根据权利要求31的装置，其中所述开关器件联接所述充电电路和负载电路，以使得存储在充电电路中的能量的至少90％被传送到负载电路。

33.根据权利要求28的装置，其中所述开关器件联接充电电路和负载电路，以使得对于充电电路的输入电压U_D来说，至少2U_D的电压被传送到所述负载电路。

34.根据权利要求28的装置，其中开关器件联接充电电路和负载电路，由此使得在将电流脉冲传送到负载电路期间，电流通过所述开关器件振荡。

35.根据权利要求28的装置，其中所述开关器件联接充电电路和负载电路，由此使得保留存储在充电电路中的能量，以实现在随后的充电周期上的负载电路中的非零电流状态。

36.根据权利要求33的装置，其中控制导通时间和/或关断时间从而通过开关大体上实现零电流状态，同时负载电路和充电电路都不具有零电流状态。

37.根据权利要求28的装置，其中所述监测电路包括监测电流脉冲的电流或电压的连续过零点以及基于上述监测确定电流脉冲的期望形状和频率的装置。

38.根据权利要求28的装置，其中所述负载电路具有0.01到0.2范围内的阻尼比。

39.根据权利要求38的装置，其中所述负载电路具有0.05到0.1范围内的阻尼比。

40.根据权利要求28的装置，包括信号发生器，其提供用于确定负载电路的至少一个阻抗参数的信号。

41.根据权利要求28的装置，包括监测所述负载电路的响应以用于改变负载电路的至少一个阻抗参数的装置。

42.根据权利要求28的装置，其中所述负载电路包括磁性地耦合到铁磁体和/或传导性物品的加热线圈。

43.根据权利要求28的装置，包括对提供到负载电路的电压或电流的过零点进行监测的装置。

44.根据权利要求28的装置，包括对提供到负载电路的电压或电流的连续峰值的幅值进行监测的装置。

45.根据权利要求28的装置，其中所述开关器件包括并联配置的多个开关。

46.根据权利要求28的装置，包括防止负载电路中的电流通过充电电路回流的装置。

47.一种用于产生电流脉冲用于对物品进行感应加热的方法，其中该电流脉冲在负载电路中提供高频谐波中的期望数量的脉冲能量，所述方法包括：

产生具有高频谐波的电流脉冲，每个脉冲包括至少一个陡峭变化部分，用于在负载电路中在高频谐波中传送脉冲能量的至少50％；

控制该电流脉冲的导通/关断时间，以产生多个上述脉冲作为用于感应加热的期望的电流信号。

48.如权利要求47的方法，其中控制导通/关断时间，从而在每个电流脉冲中产生两次或三次振荡。

49.如权利要求47的方法，其中控制导通/关断时间，从而使得在每个电流脉冲的幅值从电流脉冲的最大峰值的幅值下降至少50％之后，结束该电流脉冲。

50.根据权利要求49的方法，其中控制导通/关断时间，从而使得在每个电流脉冲的幅值从电流脉冲的最大峰值的幅值下降至少75％之后，结束该电流脉冲。

51.根据权利要求50的方法，其中控制导通/关断时间，从而使得在每个电流脉冲的幅值从电流脉冲的最大峰值的幅值下降至少90％之后，结束该电流脉冲。

52.根据51的方法，其中控制导通/关断时间，从而使得在每个电流脉冲的幅值从电流脉冲的最大峰值的幅值下降至少95％之后，结束该电流脉冲。

53.如权利要求47的方法，其中控制所述导通/关断时间，由此使得每个电流脉冲包括至少一个陡峭变化部分，该陡峭变化部分的最大变化率至少5倍于具有相同基频和RMS电流幅值的正弦信号的最大变化率。

54.如权利要求53的方法，其中最大变化率为至少大10倍。

55.如权利要求54的方法，其中最大变化率为至少大20倍。

56.如权利要求53的方法，其中基于负载电路的电压限制来确定最大变化率的上限。

57.如权利要求47的方法，其中控制导通/关断时间，由此在每个电流脉冲衰减到电流脉冲的最大峰值的幅值的10％以下的水平之前，使得每个电流脉冲包含至少两个完整的振荡周期。

Images