CN108029161A - 感应加热电源设备 - Google Patents

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Abstract

一种感应加热电源设备，包括：平滑部，用以平滑从直流电源部输出的直流电的脉动电流；以及逆变器，用以将由平滑部平滑后的直流电转换为交流电。平滑部包括连接至逆变器的一对汇流条以及连接至一对汇流条的电容器。每个汇流条均具有在电流流动方向上延伸的外表面，外表面包括平坦面，该平坦面比外表面的另一面具有在与电流流动方向垂直的方向上更大的表面尺寸。汇流条以层叠的方式布置，使得汇流条的平坦面彼此置，并且使得绝缘体夹置在汇流条的平坦面之间。

Description

感应加热电源设备
技术领域
本发明涉及一种感应加热电源设备。
背景技术
感应加热是在钢制工件的处理中使用的加热方法。在感应加热中，向加热线圈施加交流电以使得加热线圈生成磁场，并且置于磁场中的工件由在工件中感应的电流加热。
现有技术的用于将交流电供应至这样的加热线圈的电源设备具有：转换器，用以将商用电源的交流电转换为直流电；电容器，用以平滑直流电的脉动电流；以及逆变器，用以将平滑后的直流电转换回交流电，以生成供应到加热线圈的高频交流电(见，例如JP2009-277577A)。
逆变器通常具有桥接电路，该桥接电路包括能够进行高速切换操作以产生高频交流电的多个功率半导体器件。
发明内容
功率半导体器件的高速切换操作导致在功率半导体器件中流动的电流的快速变化。由于功率半导体器件与用作电压源的电容器之间的导电路径的寄生电感L，导致电流变化di/dt在功率半导体器件的两端之间引起了浪涌电压L×di/dt。
过度的浪涌电压可能导致对功率半导体器件的损坏。电流变化di/dt主要由功率半导体器件的特性决定。因此，降低寄生电感L是抑制浪涌电压的一种方法。
本发明的说明性方面提供一种感应加热电源设备，其中抑制了浪涌电压以提高对逆变器的保护。
根据本发明的说明性方面，一种感应加热电源设备，包括：平滑部，该平滑部被配置为平滑从直流电源部输出的直流电的脉动电流；以及逆变器，该逆变器被配置为将由所述平滑部平滑后的直流电转换为交流电。所述平滑部包括连接至所述逆变器的一对汇流条以及连接至所述一对汇流条的至少一个电容器。每个所述汇流条均具有在电流流动方向上延伸的外表面。所述外表面包括至少一个平坦面，该至少一个平坦面比所述外表面的另一面具有在与所述电流流动方向垂直的方向上更大的表面尺寸。所述一对汇流条以层叠的方式布置，使得所述一对汇流条的所述平坦面彼此对置，并且使得绝缘体夹置在所述一对汇流条的所述平坦面之间。
附图说明
图1是根据本发明的实施例的感应加热电源设备的电路图。
图2是示出图1的感应加热电源设备的平滑部的构造的实例的立体图。
图3是图2的平滑部的分解立体图。
图4是图2的平滑部的截面图。
图5是平滑部的参考实例的立体图。
图6是平滑部的另一参考实例的立体图。
图7是根据本发明的另一实施例的感应加热电源设备的电路图。
图8是根据本发明的另一实施例的感应加热电源设备的电路图。
图9是示出图8的感应加热电源设备的平滑部的构造的实例的立体图。
图10是图9的平滑部的截面图。
图11是根据本发明的另一实施例的感应加热电源设备的电路图。
具体实施方式
图1示出根据本发明的实施例的感应加热电源设备1。
感应加热电源设备1具有直流电源部4、平滑部5以及逆变器6。直流电源部4包括转换器3，该转换器被配置为将供应自商用交流电源2的交流电转换为直流电。平滑部5被配置为平滑从直流电源部4输出的直流电的脉动电流。逆变器6被配置为将由平滑部5平滑后的直流电转换为高频交流电。
逆变器6具有：臂，其包括串联连接的功率半导体器件Q1、Q2；以及另一个臂，其包括同样串联连接的功率半导体器件Q3、Q4。逆变器6被配置为全桥电路，使得各个臂中的功率半导体器件之间的串联连接点用作输出端。续流二极管D分别与功率半导体器件Q1、Q2、Q3、Q4并联连接。
例如，诸如绝缘栅双极晶体管(IGBT)和金属氧化物半导体场效应管(MOSFET)这样的能够进行切换操作的各种功率半导体器件可以用作各个功率半导体器件。另外，功率半导体器件的材料的实例可以包括硅(Si)和碳化硅(SiC)。
加热线圈7连接在功率半导体器件Q1、Q2的串联连接点与功率半导体器件Q3、Q4的串联连接点之间，使得高频电力通过功率半导体器件Q1、Q2、Q3、Q4的切换操作而供应到加热线圈7。
图2至4示出了平滑部5的构造的实例。
平滑部5包括一对汇流条11a、11b以及连接至该对汇流条11a、11b的至少一个电容器C。
每个汇流条11a、11b均是具有一对平坦板面和一对平坦侧面的平板导体，一对平坦板面和一对平坦侧面形成了导体的在电流流动方向(长度方向)上延伸的外表面。汇流条11a、11b以层叠的方式布置，使得具有在与电流流动方向垂直的方向(宽度方向)上的相对大的表面尺寸的汇流条11a、11b的平坦板面或者汇流条11a、11b的平坦侧面互相对置，并且使得绝缘板材12夹置在汇流条11a、11b之间。
汇流条11a的一端部连接至转换器3的输出端的正极Pout，而汇流条11a的另一端部连接至逆变器6的输入端的正极Pin。汇流条11b的一端部连接至转换器3的输出端的负极Nout，而汇流条11b的另一端部连接至逆变器6的输入端的负极Nin。
连接至汇流条11a、11a的电容器C的一对端子14a、14b形成为螺丝端子，并且并排布置在电容器C的一侧上。在汇流条11a、11b和绝缘体12以汇流条11a、绝缘体12和汇流条11b的顺序层叠的方向上，端子14a、14b被布置为穿过汇流条11a、11b和绝缘体12而延伸。螺母15分别螺固在端子14a、14b的末端部上，使得电容器C固定至汇流条11a、11b。
如图3和4所示，端子14a和螺固至端子14a的螺母15利用绝缘垫圈16与汇流条11b电绝缘。另一方面，形成在端子14a的基端部中的大直径凸缘部17a与汇流条11a进行接触，使得端子14a与汇流条11a彼此电导通。从而，端子14a仅连接至汇流条11a。
端子14b和形成在端子14b的基端部中的大直径凸缘部17b利用绝缘垫圈16与汇流条11a电绝缘。另一方面，螺固至端子14b的螺母15与汇流条11b进行接触，使得端子14b与汇流条11b通过螺母15彼此电导通。从而，端子14b仅连接至汇流条11b。
图5和6分别示出了平滑部5的参考实例。
在图5所示的实例中，一对汇流条11a、11b被布置为使得汇流条11a、11b的侧面彼此对置。在图6所示的实例中，一对汇流条11a、11b被布置为使得汇流条11a、11b的板面彼此对置，而电容器插置在汇流条11a、11b之间。在图6所示的实例中，一对端子中的一个端子设置在电容器的一侧上，并且另一端子设置在电容器的相反侧上。
一对平行平板导体的电感与b/a相关联，其中“a”是一对平行平板导体的对置面的宽度，即在与导体的延伸方向(电流的流动方向)垂直的方向上的尺寸，并且“b”是导体的对置面之间的距离。更具体地，电感随着b/a变小而变小。在对置面的宽度“a”恒定的情况下，电感随着对置面之间的距离“b”变小而变小。在对置面之间的距离“b”恒定的情况下，电感随着对置面的宽度“a”变大而变小。
如图2至4所示，以层叠的方式布置汇流条11a、11b，使得汇流条11a、11b的板面彼此对置，并且使得绝缘体板材12夹置在汇流条11a、11b之间。在该情况下，与图5所示的一对汇流条11a、11b的侧面彼此对置这样的参考实例相比，一对汇流条11a、11b的对置面的宽度“a”更大，从而减小了一对汇流条11a、11b的电感。
而且，与图6所示的一对汇流条11a、11b的板面彼此对置并且电容器插置在汇流条11a、11b之间这样的参考实例相比，一对汇流条11a、11b的对置面之间的距离“b”更短，从而进一步减小了一对汇流条11a、11b的电感。
从而，通过以层叠的方式布置汇流条11a、11b以使得一对汇流条11a、11b的板面彼此对置并且使得绝缘体板材12夹置在汇流条11a、11b之间，能够减小电容器C与直流电从电容器C所供应到的功率半导体器件Q1、Q2、Q3、Q4之间的导电路径的寄生电感。因此，抑制了由于寄生电感而在功率半导体器件Q1、Q2、Q3、Q4的两端之间产生浪涌电压，使得提高了对逆变器6的保护。
优选地使用内部电感比电解电容器小的薄膜电容器、陶瓷电容器等作为电容器C。
虽然在上述实例中一个电容器C连接到一对汇流条11a、11b，但是多个电容器C可以并联连接到一对汇流条11a、11b。
在图7所示的实例中，包括功率半导体器件Q1、Q2的臂和包括功率半导体器件Q3、Q4的臂各自构成模块。包括功率半导体器件Q1、Q2的第一模块M1连接到一对汇流条11a-1、11b-1，并且包括功率半导体器件Q3、Q4的第二模块M2连接到一对汇流条11a-2、11b-2。在该情况下，一对汇流条11a-1、11b-1和一对汇流条11a-2、11b-2可以设置在平滑部5中，并且一对汇流条11a-1、11b-1和一对汇流条11a-2、11b-2可以分别被配置为使得如上述一对汇流条11a、11b一样，一对汇流条以层叠的方式布置，而绝缘体板材12夹置在一对汇流条的板面之间。至少一个电容器C连接至一对汇流条11a-1、11b-1，并且至少一个电容器C连接到一对汇流条11a-2、11b-2。
图8示出根据本发明的另一实施例的感应加热电源设备101。将用相同的参考标记表示感应加热电源设备101的与上述感应加热电源设备1的元件相同的元件，并且将省略或简化其描述。
感应加热电源设备101包括直流电源部4、平滑部105和逆变器106。直流电源部4包括交流电源2和转换器3。平滑部105被配置为平滑从直流电源部4输出的直流电的脉动电流。逆变器106被配置为将由平滑部105平滑后的直流电转换为高频交流电。
分别由功率半导体器件Q1、Q2、Q3、Q4的组形成的多个桥接电路设置在逆变器106中。在图示的实例中，在逆变器106中设置两个桥接电路，即第一电桥B1和第二电桥B2。第一电桥B1与第二电桥B2并联连接至加热线圈7，使得能够将供应至加热线圈7的电力分配到第一电桥B1和第二电桥B2。
图9和10示出平滑部105的构造实例。
平滑部105包括一对汇流条111a和111b、电容器C1和C2以及连接部118和119。电容器C1、C2连接到一对汇流条111a、111b。一对汇流条111a、111b通过连接部118、119连接到逆变器106。
一对汇流条111a、111b中的每个汇流条均为具有一对平坦板面和一对平坦侧面的平板导体，一对平坦板面和一对平坦侧面形成了导体的在电流流动方向(长度方向)上延伸的外表面。汇流条111a、111b以层叠的方式布置，使得在与电流流动方向垂直的方向(宽度方向)上具有相对大的表面尺寸的汇流条111a、111b的平坦板面或者汇流条111a、111b的平坦侧面互相对置，并且使得绝缘体板材112夹置在汇流条111a、111b之间。以该方式，能够减小汇流条111a、111b的电感，如上述平滑部5的一对汇流条11a、11b一样。
连接部118、119分别设置为用于逆变器106的桥接电路。连接部118连接至第一电桥B1。连接部119连接至第二电桥B2。
连接部118包括一对平板导体120a、120b以及绝缘体板材121。一对导体120a、120b中的每个导体均具有一对平坦板面和一对平坦侧面，一对平坦板面和一对平坦侧面形成了导体的在其电流流通方向上延伸的外表面。一对导体120a、120b以层叠的方式布置，使得在与电流流动方向垂直的方向上具有相对大的表面尺寸的导体120a、120b的平坦板面或者导体120a、120b的平坦侧面互相对置，并且使得绝缘体121夹置在导体120a、120b之间。导体120a的基端部布置在汇流条111b上，使得绝缘体121夹置在汇流条111b与导体120a的基端部之间。从而，导体120a与汇流条111b彼此电绝缘。导体120b的基端部直接布置在汇流条111b上。从而，导体120b与汇流条111b彼此电导通。
连接部119也包括一对平板导体120a、120b以及绝缘体板材121。一对导体120a、120b以层叠的方式布置，使得导体120a、120b的板面彼此对置，并且使得绝缘体121夹置在导体120a、120b之间。导体120a的基端部放置在汇流条111b上，使得绝缘体121夹置在汇流条111b与导体120a的基端部之间。从而，导体120a与汇流条111b彼此电绝缘。导体120b的基端部直接布置在汇流条111b上。从而，导体120b与汇流条111b彼此电导通。
电容器C1的一对端子114a、114b形成为螺丝端子，并且并排布置在电容器的一侧上。在汇流条111a、111b和绝缘体112以汇流条111a、绝缘体112和汇流条111b的顺序层叠的方向上，端子114a、114b被布置为穿过汇流条111a、111b和绝缘体112而延伸。端子114a的末端部还穿过放置在汇流条111b上的连接部118的绝缘体121和导体120a而延伸。端子114b的末端部还穿过叠置在汇流条111b上的连接部118的导体120b延伸。螺母115螺固在端子114a、114b的末端部上，使得电容器C1固定至汇流条111a、111b和连接部118。
端子114a与汇流条111b利用绝缘垫片116彼此电绝缘。形成在端子114a的基端部中的大直径凸缘部117a与汇流条111a进行接触，使得端子114a与汇流条111a彼此电导通。另外，螺固至端子114a的螺母115与连接部118的导体120a进行接触，使得端子114a与导体120a能够通过螺母115彼此电导通。从而，端子114a连接至汇流条111a和导体120a。
端子114b和形成在端子114b的基端部中的大直径凸缘部117b利用绝缘垫片116与汇流条111a电绝缘。另一方面，螺固至端子114b的螺母115与连接部118的导体120b进行接触，使得端子114b能够通过螺母115电导通至导体120b和汇流条111b。从而，端子114b连接至汇流条111b和导体120b。
连接部118的导体120a的末端部连接至第一电桥B1的输入端的正极Pin。连接部118的导体120b的末端部连接至第一电桥B1的输入端的负极Nin。直流电从电容器C1供应至第一电桥B1。
与电容器C1的端子114a、114b相似地，电容器C2的一对端子114a、114b固定至汇流条111a、111b和连接部119。端子114a连接至汇流条111a和导体120a。端子114b连接至汇流条111b和导体120b。
连接部119的导体120a的末端部连接至第二电桥B2的输入端的正极Pin。连接部119的导体120b的末端部连接至第二电桥B2的输入端的负极Nin。直流电从电容器C2供应至第二电桥B2。
分别为逆变器106的电桥设置多个连接部，一对汇流条111a、111b通过该多个连接部而连接至逆变器106。电容器分别连接至连接部118、119。以该方式，第一电桥B1与作为第一电桥B1的电压源的电容器C1之间的导电路径的长度以及第二电桥B2与作为第二电桥B2的电压源的电容器C2之间的导电路径的长度均能够被缩短，使得能够减小这两个导电路径各自的寄生电感。从而，能够抑制由于寄生电感而在功率半导体器件Q1、Q2、Q3、Q4的两端之间产生的浪涌电压，使得能够增强对逆变器106的保护。
此外，通过以层叠的方式布置各个连接部118、119的一对导体120a、120b以使得导体120a、120b的板面彼此对置并且使得绝缘体板材121夹置在导体120a、120b之间，能够减小连接部118、119各自的电感，如一对汇流条111a、111b一样。从而，进一步抑制了由于寄生电感而在功率半导体器件Q1、Q2、Q3、Q4的两端处产生浪涌电压，以提高对逆变器106的保护。
虽然在上述的实例中一个电容器连接至各个连接部118、119，但是多个电容器可以并联连接至各个连接部118、119。
在图11所示的实例中，包括功率半导体器件Q1、Q2的各个臂和包括功率半导体器件Q3、Q4的各个臂各自构成模块。各自包括功率半导体器件Q1、Q2并且分别属于第一电桥B1和第二电桥B2的第一模块M1连接至一对汇流条111a-1、111b-1。各自包括功率半导体器件Q3、Q4并且分别属于第一电桥B1和第二电桥B2的第二模块M2连接至一对汇流条111a-2、111b-2。在该情况下，一对汇流条111a-1、111b-1和一对汇流条111a-2、111b-2可以设置在平滑部105中，并且一对汇流条111a-1、111b-1和一对汇流条111a-2、111b-2可以分别被配置为使得如上述一对汇流条111a、111b一样，一对汇流条以层叠的方式布置，而绝缘体夹置在一对汇流条的板面之间。连接至第一模块M1的连接部可以在各模块的基础上设置在一对汇流条111a-1、111b-1中，并且连接至第二模块M2的连接部可以在各模块的基础上设置在一对汇流条111a-2、111b-2中。至少一个电容器C连接至一对汇流条111a-1、111b-1中的各个连接部118-1、119-1。至少一个电容器连接至一对汇流条111a-2、111b-2中的各个连接部118-2和119-2。
在以上描述中，一对汇流条11a、11b、一对汇流条111a、111b以及导体120a、120b均为平板，即具有沿着与电流流动方向垂直的平面截取的长方形截面。然而，这些汇流条可以不为平板。例如，它们可以在与电流流动方向垂直的平面中具有半圆形截面。在该情况下，各个汇流条的在电流流动方向上延伸的外表面具有形成半圆形截面的直径部分的平坦面和形成半圆形截面的弧的部分的半圆形面，并且汇流条以层叠的方式布置，使得汇流条的平坦面彼此对置，而绝缘体夹置在汇流条的平坦面之间。
本申请基于2015年9月9日提交的日本专利申请No.2015-177757，其全部内容通过引用并入本文。

Claims (4)

1.一种感应加热电源设备，包括：
平滑部，该平滑部被配置为平滑从直流电源部输出的直流电的脉动电流；以及
逆变器，该逆变器被配置为将由所述平滑部平滑后的直流电转换为交流电，
其中，所述平滑部包括：连接至所述逆变器的一对汇流条，以及连接至所述一对汇流条的至少一个电容器，
其中，每个所述汇流条均包括在电流流动方向上延伸的外表面，所述外表面包括至少一个平坦面，所述平坦面比所述外表面的另一面具有在与所述电流流动方向垂直的方向上更大的表面尺寸，并且其中，所述一对汇流条以层叠的方式被布置，使得所述一对汇流条的所述平坦面彼此对置，并且使得绝缘体夹置在所述一对汇流条的所述平坦面之间。
2.根据权利要求1所述的感应加热电源设备，其中，所述电容器包括一对端子，该一对端子并排地布置在所述电容器的一侧上，并且
其中，所述一对端子连接至所述一对汇流条，使得所述一对端子在所述汇流条与所述绝缘体层叠的方向上穿过所述一对汇流条和所述绝缘体而延伸。
3.根据权利要求2所述的感应加热电源设备，还包括：多个连接部，每个所述连接部均将所述一对汇流条连接至所述逆变器，其中，针对每个所述连接部设置所述至少一个电容器，并且所述至少一个电容器连接至所述连接部。
4.根据权利要求3所述的感应加热电源设备，其中，每个所述连接部均包括绝缘体和一对导体；
其中，每个所述导体均包括在各所述导体的电流流动方向上延伸的外表面，所述外表面包括至少一个平坦面，所述平坦面比所述外表面的另一面具有在与各所述导体的所述电流流动方向垂直的方向上更大的表面尺寸，并且
其中，所述一对导体以层叠的方式被布置，使得所述一对导体的所述平坦面彼此对置，并且使得所述绝缘体夹置在所述一对导体的所述平坦面之间。
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