CN101523713A

CN101523713A - 感应加热用电源装置

Info

Publication number: CN101523713A
Application number: CNA2007800371635A
Authority: CN
Inventors: 嶋田隆一; 北原忠幸; 福谷和彦
Original assignee: Tokyo Institute of Technology NUC
Current assignee: Tokyo Institute of Technology NUC
Priority date: 2006-10-05
Filing date: 2007-09-21
Publication date: 2009-09-02
Also published as: US7974113B2; EP2073368A1; JP2008092745A; US20100014333A1; WO2008044512A1; JP4406733B2

Abstract

使反向导通型半导体开关为电桥结构，能量储存电容器与该反向导通型半导体开关的直流端子连接从而成为磁能再生开关，感应线圈与该反向导通型半导体开关的交流端子连接。通过向半导体开关施加选通信号使其导通/截止来获得可变频率的交变脉冲电流，通过磁能的再生而自动产生电压，因此从直流电源经由平滑用线圈与电容器的两端连接从而注入电力。

Description

感应加热用电源装置

技术领域

本发明涉及感应加热用电源装置，尤其涉及用于对感应加热装置的感应线圈(也称作工作线圈)供给高频的交变脉冲电流的感应加热用电源装置。

背景技术

以往，在感应加热装置的感应线圈那样的电感负载中流过交变脉冲电流的情况下，由于在电感负载中储存的磁(snubber)能效应，需要从电源供给伴随电流变化的高电压。

根据由半导体开关构成的现有的电压型换流器，为了在感应线圈中流过交变脉冲电流，需要让换流器输出伴随电流变化的电压，但在换流器的电流和电压之间产生了相位差，形成所谓的功率因数差的电源。

通过将在高频电路中经常使用的谐振电容器与感应线圈并联或串联连接能够改善功率因数，能够降低换流器电容。感应加热装置用换流器在使用固定的谐振电容器时，在由L和C决定的1个频率中只能改善功率因数。

如果使用对电路的磁能进行储存并在负载中进行再生的磁能再生开关(Magnetic Energy Recovery Switch：磁能恢复开关，以下称作“MERS”，参照专利文献1。)进行导通/截止，则具有以下优点：由于能够通过流入磁能储存电容器的电流而自动产生使电流突变所需要的电压，因此不需要从电源供给该电压。

图2是表示本发明者已经提出的交变脉冲电流发生装置(参照专利文献2、3。)。

如图2所示，如果在交流电源5和感应性负载3之间插入MERS从而使MERS与交流电源5同步地进行导通/截止，则感应性负载3的磁能储存在能量储存电容器2中，能够再次在感应性负载3中再生该能量，因此由感应性负载3的电感导致的过渡电压全部在开关MERS中产生。

在电阻成分少而以电感为主的感应性负载中流过交变脉冲电流的情况下，以往由于在感应性负载中储存的磁能效应，需要从电源供给伴随电流变化的高电压，但是在图2的情况下，具有电源电压仅为电阻成分电压(低电压)即可的优点并提出了专利申请。

【专利文献1】日本特开2000-358359号公报

【专利文献2】日本特开2004-260991号公报

【专利文献3】日本特开2005-223867号公报

但是，图2所示的交变脉冲电流发生装置需要将感应性负载3与低电压并且大电流的交流电源5串联连接，因此作为感应加热用电源装置使用便利性不好。

发明内容

因此，本发明的目的在于提供一种能够充分发挥相关的MERS的优点，并且不需要大电流的交流电源，结构简单且部件数少，产生交变脉冲电流的感应加热用电源装置。

本发明涉及用于对感应线圈供给高频的交变脉冲电流的感应加热用电源装置，所述感应线圈用于对被加热物进行感应加热，本发明的上述目的通过具有以下特征的感应加热用电源装置来实现，该感应加热用电源装置具有：直流电源(5)；平滑用线圈(4)，其用于对来自该直流电源的直流电进行平滑；电桥电路(1)，其将4个由自消弧型元件和二极管的逆并联电路构成的反向导通型半导体开关进行桥接而构成；电容器(2)，其连接在所述电桥电路(1)的直流端子间，并且在所述电桥电路(1)的开关截止时对电路的再生磁能进行储存；以及控制单元(6)，其控制所述反向导通型半导体开关的导通/截止，并且所述控制单元(6)进行控制以便按照向所述感应线圈(3)供给的交变脉冲电流的周期，使所述反向导通型半导体开关中的位于对角线上的开关对同时导通/截止，并且2组开关对不会同时导通，并且进行运转控制以使得所产生的所述交变脉冲电流的频率比根据所述感应线圈(3)的电感和所述电容器(2)的静电电容所确定的谐振频率低，由此不论脉冲频率如何都能够维持谐振条件，对电路的磁能进行再生并再利用，并且从所述直流电源(5)经由所述平滑用线圈(4)对所述电容器(2)进行充电，由此对所述感应线圈(3)持续供给交变脉冲电流。

此外，本发明的上述目的通过具有以下特征的所述感应加热用电源装置来实现，该感应加热用电源装置代替所述直流电源(5)，从商用交流电源将经由整流用桥式二极管进行了整流的直流电提供给所述平滑用线圈(4)。

附图说明

图1是表示本发明涉及的感应加热用电源装置的结构的电路框图。

图2是以往的使用了磁能再生开关的脉冲电流发生装置。

图3是本发明涉及的感应加热用电源装置的脉冲电流发生的动作说明图。

图4是对从直流电压注入电力(电容器的充电)进行说明的图。

图5是表示通过商用频率电源进行驱动时的实施例的图。

图6是表示图5的实施例的仿真条件和结果的图。

图7是模型实验的电路图和实验结果。

图8是表示使用了半桥结构的磁能再生开关的感应加热用电源装置的实施例的图。

具体实施方式

图1是表示本发明涉及的感应加热用电源装置的结构的电路框图。感应加热用电源装置具有直流电源5；用于对来自直流电源5的直流电进行平滑的平滑用线圈4；将4个由自消弧型元件和二极管的逆并联电路构成的反向导通型半导体开关(SW1～SW4)进行桥接而构成的电桥电路1；连接在电桥电路1的直流端子之间、并且在电桥电路1的开关截止时储存电路的再生磁能的电容器2；控制反向导通型半导体开关的导通/截止的控制单元6；以及包含用于对被加热物进行加热的感应线圈的感应性负载3。具有电容器2只要具有仅能吸收感应性负载3的磁能的极小的静电电容即可的优点。

使用图3对感应加热用电源装置的动作进行说明。首先，从向电容器2充了电压后的状态开始，但是当向图3(1)的磁能再生开关的开关SW1、SW3的开关对发送选通信号从而使它们导通时，电容器2的电荷放电到负载3(电流沿箭头方向流动)。此时，在使(SW2、SW4)的开关对导通的情况下，负载3中流过的电流的方向与箭头相反。由此，能够通过使哪一个开关对导通，来选择电流的方向。能够通过使一对开关SW1、SW3中的哪个开关截止来使电容器2的电流停止，线圈电流经由二极管持续流过。例如，在使SW1截止的情况下电流经由SW4的二极管流过。

接下来，如图3(2)所示，当电容器放电，电压成为零时，SW2和SW4的二极管自动导通，电流在所有开关中回流并持续流过(并联导通状态)。在负载中流过的电流由于负载的电阻R而衰减。

接下来，如图3(3)所示，当所有开关截止时，负载的电流经由二极管自动地充电到电容器，在电流停止前电容器的电压一直上升。在电流停止时，再生磁能移动到了储存电容器。在此处返回图3(1)的状态。此时电容器的电压极性不论电流的方向如何而始终相同。

电容器的静电电容小、与负载的电感L的谐振频率比脉冲频率高，因此半导体开关成为零电压开关、零电流开关。即，成为使用磁能再生开关，对感应性负载的磁能进行再生，在感应性负载中交替产生双极性电流脉冲的结构。

交变脉冲电流在感应性负载的感应线圈所包含的电阻成分R、或被电磁感应的2次电阻中消耗能量，从而电流衰减。能量的注入通过恒流电源5进行。将储存电容器2与恒流电源5连接，从而在电流切换时在L与C的谐振的半周期之间、以及停止了选通后(将所有开关设为截止后)线圈电流停止的期间，在电容器2的两端出现电容器电压，因此此处从恒流电源5注入(电流)×(电容器电压)的电力(图4)。

恒流电源5能够通过经由平滑用线圈4的电压源来实现，所述平滑用线圈4具有大电感。此时，电源电流通过平滑用线圈4而变成纹波少的直流，比振动的脉冲负载电流小。恒流电源5能够以高电压、小电流构成是本发明的特征，具有来自恒流电源5的供电线可以较细的优点。

【实施例1】

图5表示仿真电路。电路常数为：能量储存电容器2：C＝0.47μF、感应负载线圈3：L＝1mH、等效电阻R＝5Ω、电流源电感4(平滑用线圈)L＝40mH、直流电源：用桥式二极管7对100V交流进行了整流的电源。

电路动作的说明与输入电力和输出的概要计算如下。

(1)经由大电感4连接电源，因此流过纹波少的电流。

(2)在电容器中产生电压的期间，流入恒流Iin，从电源注入电力。电容器的电压产生的期间是负载L和能量储存电容器C的半周期的LC谐振状态的期间，在交变脉冲的1周期中有2次该期间，因此其时间T为

(3)电容器电压的大小是平均值，为峰值电压Vc的2/π，因此电压越大此期间的电力Pin越大。此外，如果电源电压恒定，则电容器电压越大电流越下降。

(4)当使所有开关截止来停止负载电流时，电容器储存磁能，在保持其电压的时间内电力流入。

(5)当短路时没有电压，因此将其时间比、电容器电压的平均值定义为波形率D时，Pin＝D*Vc*Iin。

(6)在本仿真的例子中，当设D为0.65时，D依赖于电容器电压波形。

Pin＝0.65*Imax*Z*Iin

此外，感应性负载3的等效电阻R与ωL之比是该LC谐振电路的Q，因此

Q＝ωL/R

当设电容器的峰值电压为Vc时，若设LC电路的波阻抗(surgeinpedance)为

则感应线圈的最大电流Imax为

I max＝Vc/Z

将该Imax的电流被等效电阻R消耗的电力设为Wr。包括即使电流被二极管钳位而成为直流也通过电阻衰减的情况在内，能够如下地概略近似。

Wr＝I max*I max*R/2

在Wr与Pin平衡之前，电压/电流的振动增长。

Pin＝0.65*I max*Z*I in＝I max*I max*R/2

此处，根据该式Imax和Iin的电流比为

I max/I in＝2*0.65*Z/R＝1.3*Z/R

该比值与电路的Q成为大致相同的值，是模拟能够接受的结果。即，考虑在负载中流过恒流输入Iin的Q倍的电流。

在本仿真的情况下，L＝1mH、C＝0.47μF、R＝5Ω，因此成为

当设Iin＝0.5A时，成为

I max＝9.2*I in＝4.6A

Vc＝I max*Z＝212V

计算值与仿真结果(图6)在概要计算中一致。

在以上的概要计算中重要的方面是，输入电力Pin与负载R和电流的平方成比例，并且与直流电源电压成比例。所谓的流过与电源电压成比例的电流是指，将与电压相位同相的电流，例如如果将用整流用桥式二极管整流过的交流的半波设为直流电源，则成为功率因数1的交流输入。

【实施例2】

图7是表示模型实验的电路图和结果的图，如图所示从商用交流电源8通过整流用桥式二极管7供给电流，则交流电流与电压成为同相，从交流电源输出的高次谐波也变少，并且交流输入功率因数变好。

【实施例3】

如图8所示，即使用半桥结构来构成磁能再生开关也能够获得相同的效果。即，也可以用以下的半桥结构的磁能再生开关来替换由电桥电路(1)和电容器(2)构成的磁能再生开关：设电桥的一侧臂为两个反向导通型半导体开关的串联连接，另一侧的臂为两个电容器的串联连接，用并联二极管对各电容器进行钳位。电容器成为图1时的2倍的静电电容，但是开关是两个而且在二极管中仅在短时间内流过电流。

本发明的感应加热用电源装置具有以下的优良效果：仅利用磁能再生开关(MERS)就能够产生交变脉冲电流，并且能够通过开关MERS的选通信号的控制来改变交变脉冲电流的频率。

Claims

1.一种感应加热用电源装置，其用于对感应线圈(3)供给高频的交变脉冲电流，所述感应线圈(3)用于对被加热物进行感应加热，其特征在于，该感应加热用电源装置具有：

直流电源(5)；

平滑用线圈(4)，其用于对来自该直流电源的直流电进行平滑；

电桥电路(1)，其将4个由自消弧型元件和二极管的逆并联电路构成的反向导通型半导体开关进行桥接而构成；

电容器(2)，其连接在所述电桥电路(1)的直流端子间，并且在所述电桥电路(1)的开关截止时对电路的再生磁能进行储存；以及

控制单元(6)，其控制所述反向导通型半导体开关的导通/截止，

并且，所述控制单元(6)控制成按照向所述感应线圈(3)供给的交变脉冲电流的周期，使所述反向导通型半导体开关中的位于对角线上的开关对同时导通/截止，且2组开关对不同时导通，并且

运转控制成使产生的所述交变脉冲电流的频率比根据所述感应线圈(3)的电感和所述电容器(2)的静电电容所确定的谐振频率低，

由此不论脉冲频率如何都能够维持谐振条件，对电路的磁能进行再生并再利用，并且从所述直流电源(5)经由所述平滑用线圈(4)对所述电容器(2)进行充电，由此对所述感应线圈(3)持续供给交变脉冲电流。

2.根据权利要求1所述的感应加热用电源装置，其特征在于，

代替所述直流电源(5)，从商用交流电源将经由整流用桥式二极管进行了整流的直流电提供给所述平滑用线圈(4)。

3.一种感应加热装置，其特征在于，该感应加热装置具有用于对被加热物进行感应加热的感应线圈；以及权利要求1或2所述的感应加热用电源装置，从所述感应加热用电源装置向所述感应线圈供给高频的交变脉冲电流从而进行感应加热。