CN105323887A - 一种功率开关级联加热电路和其控制方法以及加热装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种功率开关级联加热电路和其控制方法以及加热装置，该加热电路中的整流电路的交流正负极输入端接市电，用于引入交流电，直流正负极输出端分别接逆变生热电路，用于输出直流电；逆变生热电路包括多个级联的低压MOSFET构成的第一，第二功率开关、第一，第二互感电容和感应加热线圈；第一功率开关、感应加热线圈、第一互感电容依次连接，并接入整流电路的直流正负极输出端，构成第一回路；第二功率开关与第二互感电容、感应加热线圈依次连接，并接入整流电路的直流正负极输出端，构成第二回路。该加热电路通过低压MOSFET级联的方法能够减少导通损耗和开关损耗。

Description

一种功率开关级联加热电路和其控制方法以及加热装置

技术领域

本发明涉及感应加热领域，具体指一种功率开关级联加热电路和其控制方法以及加热装置。

背景技术

感应加热在工业生产当中已经得到了广泛的应用，传统的电阻丝加热存在明显的缺点，其主要是通过接触传递热量，而这种传递热能的方式效率低下，容易散失大量的热能，而且电阻加热功率密度低，无法适应对温度要求高的场合。随着国家节能减排政策的大力推进，高效节能的加热技术正成本众多生产企业追求的目标。电磁感应加热相比于传统的接触加热有诸多优势，主要优势如下：

（1）感应加热方法为非接触式加热，因此不会给加热对象(工件)引入杂质；

（2）感应加热过程中不会产生污染物且噪音小；

（3）易于自动控制，感应加热电路中存在电力电子器件，可以通过自动控制技术实现对加热的控制。

虽然感应加热方法具有诸多优点，但我国感应加热技术研究的起步较晚，且直到20世纪80年代才开始快速发展。目前，国内感应加热装置的拓扑结构多采用单桥谐振或全桥谐振的感应加热电路。存在的主要问题是：加热对象类型单一，损耗大、效率低下，且安全性较差。

发明内容

针对现有技术存在的上述问题，本发明的第一个目的是提供一种高效能的功率开关级联加热电路。

本发明的第二个目的是提供一种双闭环控制方法，对上述功率开关级联加热电路进行控制，提高效能，降低损耗。

本发明的第三个目的是提供一种使用上述功率开关级联加热电路和双闭环控制方法的加热装置。

为实现上述第一个目的，本发明采用如下技术方案：一种功率开关级联加热电路，包括整流电路和逆变生热电路；所述整流电路的交流正负极输入端接市电，用于引入交流电，整流电路的直流正负极输出端分别接逆变生热电路，用于输出直流电；所述逆变生热电路为半桥型结构，其中，包括多个级联的低压MOSFET构成的第一功率开关、第一互感电容、多个级联的低压MOSFET构成的第二功率开关、第二互感电容和感应加热线圈；所述第一功率开关、感应加热线圈、第一互感电容依次连接，并接入整流电路的直流正负极输出端，构成第一回路；所述第二功率开关与第二互感电容、感应加热线圈依次连接，并接入整流电路的直流正负极输出端，构成第二回路。

作为优化，还包括电阻，该电阻为第一回路和第二回路的公共部件。

作为优化，所述低压MOSFET的驱动电路采用零电压开关驱动电路。

为实现上述第二个目的，本发明采用如下技术方案：一种双闭环控制方法，包括控制系统，该控制系统包括温度传感器和第一、第二PI比例积分调节器；

所述温度传感器的检测端设置在上述逆变生热电路中的感应加热线圈附近，用于测量感应加热线圈的温度Tn，温度传感器的信号输出端与第一PI比例积分调节器的信号输入端连接，第一PI比例积分调节器的功率信号输出端与第二PI比例积分调节器的第一功率信号输入端连接；第二PI比例积分调节器用于测量感应加热线圈的功率Pn，且第二PI比例积分调节器的控制信号输出端分别与第一、第二功率开关中MOSFET驱动电路的控制信号输入端连接，用于控制MOSFET的通断时间；

控制方法包括如下步骤：

S1：在第一PI比例积分调节器中预设温度阈值T₀；

S2：当第一PI比例积分调节器接受到温度传感器传来的温度信号，根据该温度信号，计算，第一PI比例积分调节器根据计算感应加热线圈的功率P，然后将该功率P传至第二PI比例积分调节器；

S3：第二PI比例积分调节器根据其接收到的功率P与其采集到的功率Pn计算：

如果，则第二PI比例积分调节器向低压MOSFET驱动电路的发出增加导通时间的控制信号；

如果，则第二PI比例积分调节器向低压MOSFET驱动电路的发出减少导通时间的控制信号；

如果，则第二PI比例积分调节器不向低压MOSFET驱动电路的发出任何控制信号。

作为优化，所述温度传感器采用K型热电偶，其检测端为铜制的“工”字型探头。

为实现上述第三个目的，本发明采用如下技术方案：一种加热装置，包括装置本体、上述的功率开关级联加热电路、权利要求3所述的控制系统；

所述装置本体包括加热板、隔热板和基板；所述基板上具有隔热材料围成的、上端开口的线圈放置器，所述感应加热线圈嵌入线圈放置器的腔体内；隔热板设置基板的上方用于封住线圈放置器上端的开口；加热板设置隔热板上。

相对于现有技术，本发明具有如下优点：

1、通过低压MOSFET级联的方法能够减少传导损耗和开关损耗，采用MOSFET级联相比于传统的等效输出功率单个MOSFET，其等效导通电阻较小故传导损耗较小，零电压开关驱动电路能够有效的减小开关损耗。

2、双闭环控制方法，能够使温度控制误差效果小于0.5°C，传统的温度单闭环控制系统精度低，误差较大，而采用温度功率双闭环的控制系统能够提高温度的误差精度。

3、加热装置结构简单，生产成本低，本装置的原料都是普通的材料，来源方便获取，价格低廉，易于生产加工。

附图说明

图1为功率开关级联加热电路的结构原理图。

图2为双闭环控制方法的流程图。

图3为低压MOSFET的零电压开关驱动电路，其中图3a为零电压开关驱动电路的导通状态，图3b为零电压开关驱动电路的关断状态。

图4为感应加热效率曲线。

图5为加热装置的结构图。

具体实施方式

下面对本发明作进一步详细说明。

实施例1：一种功率开关级联加热电路，包括整流电路10和逆变生热电路20；

整流电路10的交流正负极输入端接市电，用于引入交流电，整流电路10的直流正负极输出端分别接逆变生热电路20，用于输出直流电。

逆变生热电路20为半桥型结构，其中，包括多个级联的低压MOSFET构成的第一功率开关21、第一互感电容23、多个级联的低压MOSFET构成的第二功率开关22、第二互感电容24和感应加热线圈25。

第一功率开关21、感应加热线圈25、第一互感电容23依次连接，并接入整流电路10的直流正负极输出端，构成第一回路；当第一功率开关21导通，感应加热线圈25和第一互感电容23发生电磁感应，感应加热线圈25发热。

第二功率开关22与第二互感电容24、感应加热线圈25依次连接，并接入整流电路10的直流正负极输出端，构成第二回路。当第二功率开关22导通，第二互感电容24和感应加热线圈25发生电磁感应，感应加热线圈25发热。

MOSFET级联的逆变生热电路20由于采用低压MOSFET级联，能够增大输出功率，并且级联的方法能够减小等效电阻，故能够降低MOSFET的传导损耗。

作为优选，还包括电阻26，该电阻26为第一回路和第二回路的公共部件。此电阻是线圈等效电阻。

作为优选，低压MOSFET的驱动电路采用零电压开关驱动电路。由于采用零电压开关驱动电路，零电压开关在开通前MOSFET两端电压为零，开通过程不会产生损耗和噪声。零电压开关驱动电路参见附图3。

实施例2：一种双闭环控制方法，包括控制系统，该控制系统包括温度传感器31和第一、第二PI比例积分调节器33，35；

所述温度传感器31的检测端设置在实施例1逆变生热电路20中的感应加热线圈25附近，用于测量感应加热线圈25的温度Tn，温度传感器31的信号输出端与第一PI比例积分调节器33的信号输入端连接，第一PI比例积分调节器33的功率信号输出端与第二PI比例积分调节器35的第一功率信号输入端连接；第二PI比例积分调节器35用于测量感应加热线圈25的功率Pn，且第二PI比例积分调节器35的控制信号输出端分别与第一、第二功率开关21，22中MOSFET驱动电路的控制信号输入端连接，用于控制MOSFET的通断时间。

控制方法包括如下步骤：

S1：在第一PI比例积分调节器33中预设温度阈值T₀；

S2：当第一PI比例积分调节器33接受到温度传感器31传来的温度信号，根据该温度信号，计算，第一PI比例积分调节器33根据计算感应加热线圈25的功率P，然后将该功率P传至第二PI比例积分调节器35；第一PI比例积分调节器33根据计算感应加热线圈25的功率P的计算方法属于现有技术。

S3：第二PI比例积分调节器35根据其接收到的功率P与其采集到的功率Pn计算：

如果，则第二PI比例积分调节器35向低压MOSFET驱动电路的发出增加导通时间的控制信号；

如果，则第二PI比例积分调节器35向低压MOSFET驱动电路的发出减少导通时间的控制信号；

如果，则第二PI比例积分调节器35不向低压MOSFET驱动电路的发出任何控制信号。

使温度控制效果误差小于0.5度，节能效果35%以上。本发明使用传统K型热电偶作为温度传感器，使用铜件改造“工”字型探头，直接接触感应加热线圈采集温度。利用铜的传热速度，增大探头受温面积，再结合感应加热专用的PI比例积分调节器进行滤波处理，解决电磁干扰影响问题。

作为优化，温度传感器采用K型热电偶，其检测端为铜制的“工”字型探头。本发明使用传统K型热电偶，使用铜件改造“工”字型探头，直接接触模具采集温度，利用铜的传热速度，增大探头受温面积，再结合感应加热专用温控器专用滤波处理，解决电磁干扰影响问题。通过仿真及实验表明本发明能够有效的提高感应加热的效率。

实施例3：一种加热装置，包括装置本体、实施例1所述的功率开关级联加热电路、实施例2所述的控制系统。

装置本体包括加热板41、隔热板42和基板44；基板44上具有隔热材料围成的、上端开口的线圈放置器43，所述感应加热线圈25嵌入线圈放置器43的腔体内；隔热板42设置基板44的上方用于封住线圈放置器43上端的开口；加热板41设置隔热板42上。

线圈放置器43设计椭圆形，使模具通过加热板41均匀受热，解决传统圆形线盘受热面积与模具不匹配，导致的受热温度不均匀问题。将感应加热线圈25形成的线盘嵌入与基板44成一体结构的线圈放置器43中，通过增加线圈与基板之间的距离及加大感量解决基板44对线盘影响量。再使用高强度复合隔热材料隔离加加热板41与基板44，从而实现高强度耐冲压要求的加热线盘。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (6)

1.一种功率开关级联加热电路，其特征在于：包括整流电路（10）和逆变生热电路（20）；

所述整流电路（10）的交流正负极输入端接市电，用于引入交流电，整流电路（10）的直流正负极输出端分别接逆变生热电路（20），用于输出直流电；

所述逆变生热电路（20）为半桥型结构，其中，包括多个级联的低压MOSFET构成的第一功率开关（21）、第一互感电容（23）、多个级联的低压MOSFET构成的第二功率开关（22）、第二互感电容（24）和感应加热线圈（25）；

所述第一功率开关（21）、感应加热线圈（25）、第一互感电容（23）依次连接，并接入整流电路（10）的直流正负极输出端，构成第一回路；

所述第二功率开关（22）与第二互感电容（24）、感应加热线圈（25）依次连接，并接入整流电路（10）的直流正负极输出端，构成第二回路。

2.如权利要求1所述的功率开关级联加热电路，其特征在于：还包括电阻（26），该电阻（26）为第一回路和第二回路的公共部件。

3.如权利要求1或2所述的功率开关级联加热电路，其特征在于：所述低压MOSFET的驱动电路采用零电压开关驱动电路。

4.一种双闭环控制方法，其特征在于：包括控制系统，该控制系统包括温度传感器（31）和第一、第二PI比例积分调节器（33，35）；

所述温度传感器（31）的检测端设置在权利要求1逆变生热电路（20）中的感应加热线圈（25）附近，用于测量感应加热线圈（25）的温度Tn，温度传感器（31）的信号输出端与第一PI比例积分调节器（33）的信号输入端连接，第一PI比例积分调节器（33）的功率信号输出端与第二PI比例积分调节器（35）的第一功率信号输入端连接；第二PI比例积分调节器（35）用于测量感应加热线圈（25）的功率Pn，且第二PI比例积分调节器（35）的控制信号输出端分别与第一、第二功率开关（21，22）中MOSFET驱动电路的控制信号输入端连接，用于控制MOSFET的通断时间；

控制方法包括如下步骤：

S1：在第一PI比例积分调节器（33）中预设温度阈值T₀；

S2：当第一PI比例积分调节器（33）接受到温度传感器（31）传来的温度信号，根据该温度信号，计算ΔT=T_n-T₀，第一PI比例积分调节器（33）根据ΔT计算感应加热线圈（25）的功率P，然后将该功率P传至第二PI比例积分调节器（35）；

S3：第二PI比例积分调节器（35）根据其接收到的功率P与其采集到的功率P_n计算ΔP=P_n-P：

如果ΔP>0，则第二PI比例积分调节器（35）向低压MOSFET驱动电路的发出增加导通时间的控制信号；

如果ΔP<0，则第二PI比例积分调节器（35）向低压MOSFET驱动电路的发出减少导通时间的控制信号；

如果ΔP=0，则第二PI比例积分调节器（35）不向低压MOSFET驱动电路的发出任何控制信号。

5.如权利要求4所述的双闭环控制方法，其特征在于：所述温度传感器采用K型热电偶，其检测端为铜制的“工”字型探头。

6.一种加热装置，其特征在于：包括装置本体、权利要求1所述的功率开关级联加热电路、权利要求3所述的控制系统；

所述装置本体包括加热板（41）、隔热板（42）和基板（44）；

所述基板（44）上具有隔热材料围成的、上端开口的线圈放置器（43），所述感应加热线圈（25）嵌入线圈放置器（43）的腔体内；

隔热板（42）设置基板（44）的上方用于封住线圈放置器（43）上端的开口；

加热板（41）设置隔热板（42）上。