CN103634957B - 高周波加热装置及其频率控制方法 - Google Patents

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Abstract

一种高周波加热装置包括数字控制模块、高周波模块、高压电容切换模块、高频变压器以及线圈模块。数字控制模块输出调变信号。高周波模块依据调变信号产生高周波信号。高压电容切换模块具有多个电容单元且各电容单元的等效电容不相同，高压电容切换模块依据所述高周波信号产生功率信号。高频变压器依据功率信号产生交流驱动信号。线圈模块与高频变压器电性连接，并依据交流驱动信号产生交变磁场。由于高压电容切换模块具有多个不同等效电容的电容单元，所以能达到多频段切换与宽带操作范围，并可借此产生不同的功率信号，以驱动线圈模块产生不同频率的交变磁场，能控制物体的加热深度，进而增加产品应用性。

Description

高周波加热装置及其频率控制方法
技术领域
本发明关于一种加热装置及其频率控制方法，特别关于一种高周波加热装置及其频率控制方法。
背景技术
传统工业用高周波装置可产生一交变磁场，进而加热一导磁物体，然而由于传统高周波装置只能固定在某一个操作频率，而无法达到物体的不同深度加热的效果。若要选择物体的加热区段，则需要购买不同频率范围的高周波装置，因而大幅提高成本。
此外，已知高周波装置无法达到：
(1)在大电流下，有多频段的切换。
(2)无宽带操作范围。
(3)固定频率加热。
(4)固定电流加热。
(5)固定温度加热。
因此，如何提供一种高周波加热装置及其频率控制方法，能够扩充高周波加热装置的功能，进而提升其产品竞争力及应用性，实为当前重要课题。
发明内容
本发明的目的为提供一种能够扩充高周波加热装置的功能的高周波加热装置及其频率控制方法。
本发明可采用以下技术方案来实现的。
本发明的一种高周波加热装置包括一数字控制模块、一高周波模块、一高压电容切换模块、一高频变压器以及一线圈模块。数字控制模块输出一调变信号。高周波模块依据调变信号产生一高周波信号。高压电容切换模块具有多个电容单元且各电容单元的等效电容不相同，高压电容切换模块依据所述高周波信号产生一功率信号。高频变压器依据功率信号产生一交流驱动信号。线圈模块与高频变压器电性连接，并依据交流驱动信号产生一交变磁场。
在一实施例中，高周波加热装置还包括一切换单元，其与高压电容切换模块耦接以切换所述电容单元。
在一实施例中，高周波模块包括一全桥电路。
在一实施例中，调变信号为一责任周期控制信号、一频率控制信号或一电压控制信号。
在一实施例中，高周波加热装置还包括一感测单元，其与数字控制模块及高频变压器电性连接，并感测一电流或一频率。
在一实施例中，高周波加热装置还包括另一感测单元，与所述数字控制模块电性连接，并感测一温度。
另外，本发明还揭露一种频率控制方法，其应用于如上所述的高周波加热装置，并包括：一扫频步骤，以取得对应其中一个电容单元的一频率范围；一第一比较步骤，比较一输入值与一侦测值；依据第一比较步骤的结果决定是否进行一第二比较步骤，第二比较步骤包括判断侦测值或侦测值所对应的频率是否落在频率范围内；依据第二比较步骤的结果决定是否进行一误差分布计算；以及依据误差分布计算决定是否调整一调变信号以调整频率范围。
在一实施例中，扫频步骤的扫频方向是由高频至低频。
在一实施例中，输入值包括一频率值、一温度值、或一电流值。
在一实施例中，若第二比较步骤的结果为是，则将调变信号的频率调高一增加值。增加值例如为1kHz。
在一实施例中，误差分布计算包括：对侦测值进行一预设量的取样；以及若所述取样的侦测值或其对应的频率落在频率范围之上达一预设比例，则调高所述调变信号的一责任周期。
在一实施例中，误差分布计算包括：对侦测值进行一预设量的取样；若所述取样的侦测值或其对应的频率落在频率范围之下达一预设比例时，则调低所述调变信号的一责任周期。
承上所述，在本发明的高周波加热装置及其频率控制方法中，高压电容切换模块具有多个不同等效电容的电容单元，进而能达到多频段切换与宽带操作范围，并可借此产生不同的功率信号，以驱动线圈模块产生不同频率的交变磁场，借此能控制一物体的加热深度，进而增加产品应用性。此外，本发明的高周波加热装置可让使用者输入一输入值，且输入值可与一侦测值比较而进行回授控制，输入值可以是电流、温度或频率，进而达到定电流、定温或定频的控制。此外，本发明的频率控制方法能通过一误差分布计算调整一频率范围，进而能达到精准的控制。
附图说明
图1为本发明优选实施例的一种高周波加热装置的方块示意图；
图2为本发明优选实施例的高周波加热装置的多频段的宽带操作范围的示意图；
图3为本发明优选实施例的一种频率控制方法的流程图；以及
图4A及图4B为本发明优选实施例的误差分布计算的示意图。
主要元件符号说明：
1：高周波加热装置
11：数字控制模块
12：高周波模块
13：高压电容切换模块
131：电容单元
14：高频变压器
15：线圈模块
16：切换单元
17、18：感测单元
MA：交变磁场
SA：交流驱动信号
SHF：高周波信号
SM：调变信号
SP：功率信号
S101～S107：频率控制方法的步骤
具体实施方式
以下将参照相关附图，说明依本发明优选实施例的一种高周波加热装置及其频率控制方法，其中相同的元件将以相同的元件符号加以说明。
图1为本发明优选实施例的一种高周波加热装置1的方块示意图，其中，高周波加热装置1包括一数字控制模块11、一高周波模块12、一高压电容切换模块13、一高频变压器14以及一线圈模块15。高周波加热装置1可应用于工程领域、医疗领域、或其它领域的加热应用。例如，当应用于医疗领域时，可与一电磁热治疗针（electromagnetic thermotherapy needle）配合使用；高周波加热装置1产生一交变磁场，以致插入一患病组织内的电磁热治疗针产生一涡电流而发热，进而烧灼患病组织而达到治疗的效果。由于本实施例的高周波加热装置1可产生不同的频率的交变磁场，故可控制加热的深度；其中，当高频时可产生浅层磁场，当低频时可产生深层磁场，而决定不同的加热深度。
数字控制模块11输出一调变信号SM。数字控制模块11可由一数字信号处理器（digital signal processing,DSP）来实现。数字控制模块11所输出的调变信号SM可例如为一责任周期控制信号、一频率控制信号或一电压控制信号，亦即通过不同的责任周期、频率或电压来控制调变信号SM的强度。
高周波模块12与数字控制模块11电性连接并依据调变信号SM产生一高周波信号SHF。高周波模块12可包括一全桥电路，其包括多个晶体管开关组件，并通过调变信号SM对所述晶体管开关组件进行切换而产生高周波信号SHF。高周波信号SHF相对而言为高压低电流的信号。
高压电容切换模块13具有多个电容单元131，且各电容单元131的等效电容不相同。高压电容切换模块13与高周波模块12电性连接并依据高周波信号SHF产生一功率信号SP。另外，本实施例的高周波加热装置1还可包括一切换单元16，其与高压电容切换模块13耦接以切换所述电容单元131接收高周波信号SHF。通过切换单元16切换具有不同电容值的电容单元131，可使本实施例的高周波加热装置1达到多频段切换以及在中高频段，例如30k～300kHz的宽带操作范围。图2为本实施例的高周波加热装置1的多频段的宽带操作范围的示意图。于此以6个电容单元131为例，故可达到6个频段切换效能，且操作范围从30k至300kHz。由于本实施例属串联谐振，故皆操作在各频段的右半平面。
高频变压器14与高压电容切换模块13电性连接，并依据功率信号SP产生一交流驱动信号SA。本实施例不限制高频变压器14所输出的交流驱动信号SA的范围，其可依据实际需求而改变。相对而言，交流驱动信号SA为低压高电流的信号。
线圈模块15与高频变压器14电性连接，并依据交流驱动信号SA产生一交变磁场MA。本实施例不限制线圈模块15的线圈的种类、数量及结构，这些皆可依实际需求而改变。
此外，本实施例的高周波加热装置1还可包括一感测单元17，其与数字控制模块11及高频变压器14电性连接，并可例如感测一电流、一频率或其组合。另外，本实施例的高周波加热装置1还可包括另一感测单元18，其与数字控制模块11电性连接，并感测一温度，例如感测高周波加热装置1所加热的一加热体的温度，并可将具有温度信息的侦测值回传至数字控制模块11以进行回授控制，而达到定温控制目的。当然，高周波加热装置1可同时包括感测单元17、18或仅包括两者的其中之一。
其中，感测单元17所包括的电流及频率感测组件例如为霍尔组件或是电阻式电路，而感测单元18所包括的温度感测组件例如为热电耦或热敏电阻。于此，感测单元17与高频变压器14的二次侧电性连接为例，且其所感测到的一侦测值回传至数字控制模块11，以进行回授控制。通过感测单元17、18所造成的回授控制可使高周波加热装置1具有定电流、定温或定频的控制。感测单元17可包括一A/D转换器（Analog to Digital Converter）以将侦测值数字化传送至数字控制模块11。
图3为本发明优选实施例的一种频率控制方法的流程图，其应用于如上所述的高周波加热装置1。
首先，频率控制方法包括一扫频步骤S101，其取得对应其中一电容单元的一频率范围。当使用者一开始使用高周波加热装置1时，必会切换或使用一电容单元，而所述电容单元具有一较佳的操作频率范围，故先通过一扫频步骤以取得对应所述电容单元的所述频率范围。于此，频率范围例如：当较佳的操作频率为f时，则频率范围为fL与fH之间，fL=f-1kHz，fH=f+1kHz。通过扫频步骤，可使高周波加热装置1能快速并稳定开机，由于系统不可操作于共振频率的左半平面－电容性负载，因此扫频范围是由高频往低频（例如从300kHz往下扫频）进行扫描侦测；此法可使系统操作于共振频率的右半平面－电感性负载，借此避免系统操作于谐振点及电容性时产生的错误。
然后，频率控制方法包括一第一比较步骤S102，其比较一输入值与一侦测值。输入值是由使用者所输入的值，其可例如包括一频率值、一温度值、或一电流值，可分别依据定频控制、定温控制或定电流控制的需求而输入。在本实施例中以输入值为电流值为例。而侦测值是通过感测单元17所侦测的值，其可包括一频率值或一电流值以对应输入值。于此，当输入值与侦测值（以电流值为例）相等时，则可稳定输出交流驱动信号SA进而产生所需要的交变磁场MA，而此交变磁场MA可导致固定的电流产生于所要加热的加热体上，而达到定电流控制。同样的原则可应用于定温及定频控制，于此不再赘述。
若第一比较步骤的结果为否，即侦测值实质不等于输入值，则进行一第二比较步骤S103，其包括判断侦测值或侦测值所对应的频率是否落在频率范围内。若第二比较步骤S103的结果为是，则将调变信号SM的频率调高一增加值（步骤S104），再进行第一比较步骤S102。增加值例如但不限于1kHz。由于调变信号SM改变了，故感测单元17所感测的侦测值及侦测值所对应的频率f亦改变，并使得频率范围fL～fH亦随着改变。
接着，若第二比较步骤的结果为否，即侦测值所对应的频率不落在频率范围内，则决定进行一误差分布计算S105。
误差分布计算包括：对侦测值进行一预设量的取样；若所述取样的侦测值或其对应的频率落在所述频率范围fL～fH之上达一预设比例，则调高所述调变信号的一责任周期（步骤S106）；以及若所述取样的侦测值或其对应的频率落在所述频率范围fL～fH之下达一预设比例时，则调低所述调变信号的一责任周期（步骤S107）。于此，预设量例如为100或其它数字。图4A及图4B为误差分布计算的示意图。请参照图4A所示，若所述取样的侦测值或其对应的频率落在所述频率范围fL～fH之下达一预设比例（例如但不限于70％），则调低所述调变信号的一责任周期。就物理意义来说，取样的侦测值或其对应的频率落在所述频率范围fL～fH下代表电流太大，所以调低所述调变信号的一责任周期，以使电流变小。
请参照图4B所示，若所述取样的侦测值或其对应的频率落在所述频率范围fL～fH之上达一预设比例（例如但不限于70％），则调高所述调变信号的一责任周期。就物理意义来说，取样的侦测值或其对应的频率落在所述频率范围fL～fH上代表电流太小，所以调高所述调变信号的一责任周期，以使电流变大。当然，通过上述调变信号的调整，亦使得频率范围改变。
在调高或调低调变信号后，再进行第一比较步骤S102。
若所述取样的侦测值或其对应的频率落在所述频率范围fL～fH内达一预设比例（即误差未超出范围），则再次改变调变信号，例如将调变信号SM的频率调高一增加值（步骤S104）。
依据上述，误差分布计算S105所导致的频率范围调整可视为一粗调，而改变调变信号S104可视为一微调。借此可使本发明的频率控制方法能精准地达到定温、定电流或定频的控制。
综上所述，在本发明的高周波加热装置及其频率控制方法中，高压电容切换模块具有多个不同等效电容的电容单元，进而能达到多频段切换与宽带操作范围，并可借此产生不同的功率信号，以驱动线圈模块产生不同频率的交变磁场，借此能控制一物体的加热深度，进而增加产品应用性。此外，本发明的高周波加热装置可让使用者输入一输入值，且输入值可与一侦测值比较而进行回授控制，输入值可以是电流、温度或频率，进而达到定电流、定温或定频的控制。此外，本发明的频率控制方法能通过一误差分布计算调整一频率范围，进而能达到精准的控制。
以上所述仅是举例性，而非限制性。任何未脱离本发明的精神与范畴，而对其进行的等效修改或变更，均应包括在权利要求所限定的范围内。

Claims (12)

1.一种高周波加热装置，其特征在于，包括：
一数字控制模块，输出一调变信号；
一高周波模块，与所述数字控制模块电性连接并依据所述调变信号产生一高周波信号；
一高压电容切换模块，具有多个电容单元且各所述电容单元的等效电容不相同，所述高压电容切换模块与所述高周波模块电性连接并依据所述高周波信号产生一功率信号；
一高频变压器，与所述高压电容切换模块电性连接，并依据所述功率信号产生一交流驱动信号；
一线圈模块，与所述高频变压器电性连接，并依据所述交流驱动信号产生一交变磁场；以及
一切换单元，与所述高压电容切换模块耦接以切换所述电容单元。
2.如权利要求1所述的高周波加热装置，其特征在于，所述高周波模块包括一全桥电路。
3.如权利要求1所述的高周波加热装置，其特征在于，所述调变信号为一责任周期控制信号、一频率控制信号或一电压控制信号。
4.如权利要求1所述的高周波加热装置，其特征在于，还包括：
一感测单元，与所述数字控制模块及所述高频变压器电性连接，并感测一电流或一频率。
5.如权利要求1所述的高周波加热装置，其特征在于，还包括：
一感测单元，与所述数字控制模块电性连接，并感测一温度。
6.一种频率控制方法，应用于如权利要求1所述的高周波加热装置，其特征在于，所述的频率控制方法包括：
一扫频步骤，以取得对应其中一个电容单元的一频率范围；
一第一比较步骤，比较一输入值与一侦测值；
依据所述第一比较步骤的结果决定是否进行一第二比较步骤，所述第二比较步骤包括判断所述侦测值或所述侦测值所对应的频率是否落在所述频率范围内；
依据所述第二比较步骤的结果决定是否进行一误差分布计算；以及
依据所述误差分布计算决定是否调整一调变信号以调整所述频率范围。
7.如权利要求6所述的频率控制方法，其特征在于，所述扫频步骤的扫频方向是由高频至低频。
8.如权利要求6所述的频率控制方法，其特征在于，所述输入值包括一频率值、一温度值、或一电流值。
9.如权利要求6所述的频率控制方法，其特征在于，若所述第二比较步骤的结果为是，则将所述调变信号的频率调高一增加值。
10.如权利要求9所述的频率控制方法，其特征在于，所述增加值为1kHz。
11.如权利要求6所述的频率控制方法，其特征在于，所述误差分布计算包括：
对所述侦测值进行一预设量的取样；以及
若所述取样的侦测值或其对应的频率落在所述频率范围之上达一预设比例，则调高所述调变信号的一责任周期。
12.如权利要求6所述的频率控制方法，其特征在于，所述误差分布计算包括：
对所述侦测值进行一预设量的取样；以及
若所述取样的侦测值或其对应的频率落在所述频率范围之下达一预设比例时，则调低所述调变信号的一责任周期。
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