CN116584027A - 驱动电路 - Google Patents

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Abstract

一种用于驱动感应加热系统的驱动电路具有具有第一支路和第二支路的全桥逆变器。第一支路和第二支路中的每一个支路都具有高侧开关和低侧开关。驱动电路具有将由全桥逆变器驱动以生成磁场的线圈，用于实现高侧开关和低侧开关的零电压切换的多个第一谐振网络，以及各自用于向线圈提供恒定电流输出的多个第二谐振网络。

Description

驱动电路
技术领域
本发明涉及一种用于驱动感应加热系统的驱动电路。
背景技术
感应加热系统通过在电导体中感应涡电流来操作，其中涡电流通过改变施加到电导体的磁场进行感应。这种变化的磁场可以通过使用开关来改变施加到用于生成磁场的线圈的电流来实现。
可希望的是在感应加热系统中以高切换频率操作开关，但是已知的电路拓扑中的切换损耗可以证明在实践中获得高切换频率是禁止的。
发明内容
根据本发明的第一方面，提供了一种用于驱动感应加热系统的驱动电路，该驱动电路包括具有第一支路和第二支路的全桥逆变器，第一支路和第二支路中的每一个支路都包括高侧开关和低侧开关，由全桥逆变器驱动以生成磁场的线圈，用于实现高侧开关和低侧开关的零电压切换的多个第一谐振网络，以及，各自向线圈提供恒定电流输出的多个第二谐振网络。
根据本发明的第一方面的驱动电路可以是有利的，因为驱动电路包括多个第一谐振网络和多个第二谐振网络，多个第一谐振网络用于实现高侧开关和低侧开关的零电压切换，第二多谐振网络各自用于向线圈提供恒定电流输出。
特别地，通过利用多个第一谐振网络来实现零电压切换，可以减少与高侧开关和低侧开关相关联的切换损耗，从而使得开关能够以比在硬切换条件下操作的开关更高的频率来操作。通过以更高的频率操作感应加热系统，可以减小所需线圈的尺寸，这可以导致并入感应加热系统的产品的形状因子更小。
然而，在感应加热过程中，由线圈传输的磁场可能会根据由感受器承载的负载而变化，因为变化的负载可以影响有效电阻负载，从而引起通过线圈的电流发生改变。这种电流变化可能是不希望的，并且可能导致输送到负载的功率减少。而且，如果没有负载则可能会发生短路。这样的问题可以通过利用多个第二谐振网络来向线圈提供恒定电流输出(即与电阻负载无关的恒定电流)来缓解。
第一谐振网络中的每一个第一谐振网络可以包括串联连接的电感器和电容器。第一谐振网络中的每一个第一谐振网络可以包括连接到第一支路和第二支路中相应一个的高侧与低侧开关之间的公共节点的电感器，以及，与电感器串联连接的电容器，该电容器接地。与例如为每个高侧开关和低侧开关提供谐振网络的布置相比，这种布置可以最小化所需的电感器的数量。第一谐振网络中的每一个第一谐振网络可以与低侧开关中相应一个并联连接。
第一谐振网络中的每一个第一谐振网络可以与相应的高侧开关或低侧开关并联连接，例如使得存在与每个高侧或低压侧开关相关联的一个第一谐振网络。这可以降低第一谐振网络的每个电感器所需的额定电压，并且可以降低在发生高电压切换时的切换损耗。
多个第二谐振网络中的每一个第二谐振网络可以包括LCL谐振电路。多个第二谐振网络中的每一个第二谐振网络可以限定一阻抗变换网络。使用这样的LCL谐振电路可以向线圈提供恒定电流输出。LCL谐振电路中的每一个LCL谐振电路可以包括串联连接的第一电感器和第二电感器，电容器并联连接在第一电感器和第二电感器之间的点处。每个LCL谐振电路的第一电感器和第二电感器可以与线圈串联连接，而每个LCL谐振电路的电容器可以与该线圈并联连接。每个LCL谐振电路的第一电感器和第二电感器可以与有效电阻负载串联连接，而每个LCL谐振电路的电容器可以与该有效电阻负载并联连接。
线圈可以形成LCL谐振电路中每一个LCL谐振电路的一部分。例如，每个LCL谐振电路可以包括与线圈串联连接的第一电感器，以及并联连接在第一电感器与线圈之间的点处的电容器。这里，线圈可以充当LCL谐振电路中每一个LCL谐振电路的第二电感器。与例如在驱动电路中除线圈之外LCL谐振电路还使用单独的电感器的驱动电路相比，这可以减少该驱动电路所需的部件的数量，这可以降低复杂性和成本。
线圈可以具有总电感值，驱动电路可以包括在线圈的第一侧与线圈串联连接的第一电容器，以及在线圈的第二侧与线圈并联连接的第二电容器。第一电容器和第二电容器可以具有被调谐为与电感谐振的电容，该电感对应于总电感减去形成LCL谐振网络中每一个LCL谐振网络的一部分的电感。例如，线圈的总电感值可以包括第一电感值和第二电感值，每个电感值对应于相应的LCL谐振网络的电感值，并且第一电容器和第二电容器可以具有被调谐为与对应于总电感减去第一感应值和第二感应值的电感谐振的电容。第一电容器和第二电容器可以使提供给线圈的电压波形平滑，并且具有第一电容器和第二电容器可以将EMI最小化。
驱动电路可以包括多个滤波器，每个滤波器连接在线圈与第一支路和第二支路中相应的一个支路的高侧开关与低侧开关之间的公共节点之间。每个滤波器可以平滑来自第一支路和第二支路的相应高侧开关或低侧开关的电压波形，例如将方形电压波形转换为基本上正弦波形。
每个滤波器可以包括串联连接的电感器和电容器。每个滤波器可以包括相应的第三谐振网络。每个滤波器可以包括LC串联滤波器。每个滤波器可以包括调谐到全桥逆变器的切换频率的谐振频率。
在多个第二谐振网络中的每一个第二谐振网络包括LCL谐振电路的情况下，每个滤波器的电感器可以形成相应的LCL谐振电路的一部分。LCL谐振电路中的每一个LCL谐振电路可以包括串联连接的第一电感器和第二电感器，电容器并联连接在第一电感器和第二电感器之间的点处。每个滤波器的电感器可以充当相应的LCL谐振电路的第一电感器。与例如滤波器和LCL谐振电路包括分开的电感器的布置相比，这可以减少部件个数、复杂性和成本。在每个滤波器的电感器充当相应的LCL谐振电路的第一电感器的情况下，每个滤波器可以具有不等于全桥逆变器的切换频率的谐振频率。
每个第二谐振网络可以包括由同时形成相应的LC串联滤波器的一部分的第一电感器、与第一电感器串联连接的第二电感器，该第二电感器由线圈限定，以及，在第一电感器和第二电感器之间的点处与第一电感器和第二电感器并联连接的电容器所限定的LCL谐振电路。这样的布置可以最小化部件个数、成本和复杂性。
全桥逆变器的切换频率可以大于或等于1MHz。高侧开关和低侧开关可以以大于或等于1MHz的切换频率操作。高侧开关和低侧开关可以包括氮化镓(GaN)或碳化硅(SiC)开关。
驱动电路可以包括用于将AC电压源转换为DC电压的全波整流器，并且该整流器可以输出具有至少50％的纹波的波形。整流器可以输出具有100％的纹波的波形。这可以最小化或消除对存储电容器的需求，这可以降低部件成本、数量和尺寸。该驱动电路可以用于从AC电源接收功率。
该驱动电路可以包括连接在全波整流器与全桥逆变器之间的功率因子校正电路。这可以从输出到线圈的电流中消除由市电频率的调制。
该驱动电路可以用于从DC电源接收功率。
附图说明
图1是图示出根据本发明的驱动电路的第一实施例的示意图；
图2图示出由图1的驱动电路的逆变器输出的电流；
图3是图示出根据本发明的驱动电路的第二实施例的示意图；
图4图示出由图3的驱动电路的逆变器输出的电流；
图5是图示出根据本发明的驱动电路的第三实施例的示意图；
图6是图示出根据本发明的驱动电路的第四实施例的示意图；
图7是图示出根据本发明的驱动电路的第五实施例的示意图；
图8是图示出根据本发明的驱动电路的第六实施例的示意图；以及
图9是对图8的驱动电路中利用的驱动信号、电压和电流的图示。
具体实施方式
图1示出了一种用于驱动感应加热系统的驱动电路，大体上标记为10。
驱动电路10包括AC电源12、整流器14、全桥逆变器16、感应线圈18、第一对谐振网络20、22、第二对谐振网络24、26以及第三对谐振网络28、30。
AC电源12向整流器14提供AC电压。
整流器14是全波整流器，包括具有二极管D1-D4的全桥。整流器14将从AC电源12接收的AC电压转换为DC整流电压，以供应给全桥逆变器16。整流器14接地。
全桥逆变器16接收来自整流器14的DC整流电压。全桥逆变器16包括具有开关Q1-Q4的H桥，H桥包括第一支路32和第二支路34。第一支路32包括作为高侧开关的开关Q1和作为低侧开关的开关Q2，而第二支路34包括作为高侧开关的开关Q3和作为低侧开关的开关Q4。
全桥逆变器16经由开关Q1-Q4的适当切换，将从整流器14接收到的DC整流电压转换为AC电流，将AC电流供应给感应线圈18。感应线圈18被描述为电感器L9，并且被示出为与反射负载R1串联连接。
感应加热系统的功能是通过改变电导体中施加的磁场在电导体中感应涡电流。在电导体是固定的情况下，施加的磁场必须是变化的，以感应所需的涡电流。本实施例中的变化的磁场是经由开关Q1-Q4的适当切换以驱动交流电流通过感应线圈18来实现的。以更高的频率操作感应加热系统可以允许减小感应线圈的尺寸，这可以使得采用该感应加热系统的产品具有更小的形状因子，并且还可以允许对某些材料进行高效加热。
为了实现高频切换，本文中讨论的开关Q1-Q4是氮化镓(GaN)或者碳化硅(SiC)开关。虽然这种开关有利于高频切换，即高电平kHz或MHz切换，但在实践中切换的损耗可能会禁止以这种频率操作。
为此，驱动电路10具有第一对谐振网络20、22，各自使得能够对全桥逆变器16的第一支路32和第二支路34中的相应的一个支路的高侧开关和低侧开关进行零电压切换。
第一对谐振网络20、22中的第一谐振网络20包括电感器L1，该电感器L1连接到第一支路32的高侧开关Q1与第一支路32低侧开关Q2之间的公共节点。第一对谐振网络20、22中的第一谐振网络20包括电容器C1，该电容器C1与电感器L1串联连接并且接地。第一对谐振网络20、22中的第一谐振网络20可以被认为是与第一支路32的低侧开关Q2并联连接。
第一对谐振网络20、22中的第二谐振网络22包括电感器L2，该电感器L2连接到第二支路30的高侧开关Q3与第二支路28的低侧开关Q4之间的公共节点。第一对谐振网络20、22中的第二谐振网络20包括电容器C2，该电容器C2与电感器L2串联连接并且接地。第一对谐振网络20、22中的第二谐振网络22可以被认为是与第二支路30的低侧开关Q4并联连接。
第一对谐振网络20、22使得能够对全桥逆变器16的第一支路28和第二支路30中相应的一个支路的高侧开关和低侧开关进行零电压切换。
特别地，电感器L1通过对开关的输出电容进行放电来将高侧开关Q1和低侧开关Q2两端的电压驱动为零。电感器L2通过对开关的输出电容进行放电来将高侧开关Q3和低侧开关Q4两端的电压驱动为零。第一对谐振网络20、22的电容器C1和C2是DC阻断电容器。
通过以上述的方式利用零电压切换，可以减少与高侧开关和低侧开关相关联的切换损耗，从而使得这些开关能够以比在硬切换条件下操作的开关更高的频率来操作。通过以更高的频率操作感应加热系统可以减小所需线圈的尺寸，这可以导致并入感应加热系统的产品的形状因子更小。
在感应加热过程中遇到的另一个问题是，感应线圈18传输的磁场可能会根据与磁场相互作用的感受器所承载的负载而变化，并且变化的负载可能会影响有效电阻负载，从而给通过感应线圈18的电流带来改变。这种电流变化可能是不希望的，并且可能导致输送到负载的功率减少。而且，如果没有负载，可能会发生短路。
为了维持零电压切换操作，第二对谐振网络24、26将向感应线圈18提供恒定的电流输出。
第二对谐振网络24、26中的第一谐振网络24包括与第三对谐振网络对28、30的第一谐振网络28串联连接的第一电感器L3、与第一电感器L3串联连接的第二电感器L4，以及在第一电感器L3与第二电感器L4之间的点处与第一电感器L3和第二电感器L4并联连接的电容器C3。第二对谐振网络24、26中的第一谐振网络24可以被认为是LCL谐振电路，其也可以被称为T网络电路。第二对谐振网络24、26中的第一谐振网络26充当阻抗变换网络，以将Q2两端的恒定电压变换为恒定电流。通过使用这样的阻抗变换网络，由第二对谐振网络24、26中的第一谐振网络24输出到线圈18的电流可以独立于反射负载R1，并因此可以向线圈18输出恒定的电流幅度。
第二对谐振网络24、26中的第二谐振网络26包括与第三对谐振网络28、30中的第二谐振网络30串联连接的第一电感器L5、与第一电感器L5串联连接的第二电感器L6，以及在第一电感器L5与第二电感器L6之间的点处与第一电感器L5及第二电感器L6并联连接的电容器C4。第二对谐振网络24、26中的第二谐振网络26可以被认为是LCL谐振电路，其也可以被称为T网络电路。第二对谐振网络24、26中的第二谐振网络26充当阻抗变换网络，以将Q4两端的恒定电压变换为恒定电流。通过使用这样的阻抗变换网络，由第二对谐振网络24、26中的第二谐振网络26输出到线圈18的电流可以独立于反射负载R1，并因此可以向线圈18输出恒定的电流幅度。
第三对谐振网络28、30用于平滑从全桥逆变器16供应给线圈18的电压波形。
第三对谐振网络28、30中的一个谐振网络28包括电容器C5和电感器L7，电容器C5与第一支路32的高侧开关Q1与第一支路的低侧开关Q2之间的公共节点串联连接，电感器L5与电容器C5串联连接。这将由全桥逆变器16提供的方波电压(例如当开关Q1和开关Q4闭合时提供的方波电压)平滑到第二对谐振网络24、26中的一个谐振网络24，使得第二对谐振网络24、26中的该一个谐振网络24接收到基本上正弦的电压。
第三对谐振网络28、30中的另一个谐振网络30包括电容器C6和电感器L8，电容器C6与第二支路34的高侧开关Q3与第二支路34的低侧开关Q4之间的公共节点串联连接，电感器L8与电容器C6串联连接。这将由全桥逆变器16提供的方波电压(例如当开关Q3和开关Q2闭合时提供的方波电压)平滑到第二对谐振网络24、26中的另一个谐振网络26，使得第二对谐振网络24、26中的该另一个谐振网络26接收到基本上正弦的电压。
驱动电路10包括串联连接在第二对谐振网络24、26中的一个谐振网络24的电感器L3和L4之间的第一谐振电容器C7，以及串联连接在第二对谐振网络24、26中的另一个谐振网络26的电感器L5和L6之间的第二谐振电容器C8。第一谐振电容器C7和第二谐振器C8被调谐为与线圈18的电感谐振，并且可以平滑第二对谐振网络24、26中相应的电容器C3和C4两端的电压。
另一个电容器C9被示出为并联连接在线圈18两端，并且体现线圈18的电容。
在图1的实施例中的驱动电路10中，可以看出整流器14与全桥逆变器16之间没有DC链路电容器。这意味着由整流器14提供给全桥逆变器16的电流具有100％的纹波。因此，提供给感应线圈18的输出电流由交流电源12的频率调制，通常为50Hz，如图2所示。
图3示出了根据本发明的驱动电路的第二实施例100。
图3的实施例的驱动电路100与图1的实施例的驱动器电路10的不同之处在于，图3中实施例的驱动器电路100包括位于整流器14与全桥逆变器16之间的功率因子校正(PFC)电路102。PFC电路102的确切形状可以根据其他因子来选择，例如成本或复杂性，但是PFC电路102的目的是要消除由整流器14供应给全桥逆变器16的电流中的纹波，使得输出到感应线圈18的电流不被AC电源12的频率的调制，如图4所示。
图5示出了根据本发明的驱动电路的另一个实施例200。图5的驱动电路200由DC电源202(例如电池)供电，并省略了整流器14。图5的驱动电路200的其余部分与图1的驱动电路10相同，包括第一对谐振网络20、22和第二对谐振网络24、26。驱动电路200向感应线圈18输出电流，类似于图4所示的电流。
图6示出了根据本发明的驱动电路的另一个实施例300。
在图6的实施例的驱动电路300中，图1的实施例的第三对谐振网络28、30的电感器L7和L8已与图1的实施例的第二对谐振网络24、26的第一电感器L3和L5组合，并且现在在图6中示出为单个电感器L3和L5。
单个电感器L3和L5各自形成相应的第二谐振网络24、26和相应的第三谐振网络28、30的一部分。视情况而定，电感器L3和L5被调谐为作为第二对谐振网络24、26和第三对谐振网络28、30的一部分谐振。图6的实施例中的第三对谐振网络28、30的谐振频率不等于全桥逆变器的切换频率。
通过利用形成相应的第二谐振网络24、26和相应的第三谐振网络28、30的一部分的电感器L3和L5，与图1的驱动电路相比，图6的驱动电路300的部件的数量、成本和复杂性可以降低。
图7示出了根据本发明的驱动电路的另一个实施例400。
图7的驱动电路400与图6的驱动电路300基本相同，只是第二对谐振网络24、26的第二电感器L4和L6与线圈18在这里已被组合为单个电感器L10，单个电感器L10在实践中为线圈18。这里，线圈18充当生成磁场以与加热器相互作用的感应线圈，以及充当第二对谐振电路24、26的第二电感器。因此，线圈18的电感在阻抗变换中起作用以提供恒定的电流输出。通过利用单个电感器充当生成磁场以与加热器相互作用的感应线圈以及充当第二对谐振电路24、26的第二电感器，与图6的驱动电路相比，图7的驱动电路400的部件的数量、成本和复杂性可以降低。
可以理解，图1的驱动电路10的第三对谐振网络24、26的第二电感器L4和L6可以以类似的方式与线圈18(即电感器L9)组合。
图8示出了根据本发明的驱动电路的另一个实施例500。
与图7的驱动电路400的第一对谐振网络20、22相比，除了图8的驱动电路500具有四个第一谐振网络502、504、506、508之外，图8的驱动器电路500与图7的驱动电路400基本上相同。
在图8的驱动电路500中，每个第一谐振网络502、504、506、508包括与DC阻断电容器C1、C2、C10、C11串联连接的电感器L1、L2、L11、L12，每个谐振网络502、504、506、508关于开关Q4、Q2、Q1、Q3中相应的一个开关并联连接。
电感器L1、L2、L11、L12用于确保每个开关Q4、Q2、Q1、Q3两端的电压在其接通之前为零伏。零电压切换是通过使该开关的输出电容Coss放电来实现的。
电感器L1、L2、L11、L12的值使用以下等式来确定：
其中ΔtZVS是开关从断开状态到接通状态的过渡时间，f是切换频率，Coss是在制造商数据表中规定的开关的输出电容。
电容器C1、C2、C10、C11是DC阻断电容器，具有非常高的值，通常高于100nF。
给定在开关Q1-Q4的切换中所涉及的高电压以及由此而来的高电流，利用位于全桥逆变器16的低侧的用于零电压切换的单个电感器可能是有损耗的。如在图8的驱动电路500中，通过对于每个开关Q1-Q4都使用电感器，图8的电感器L1、L2、L11、L12的额定电流相对于图7的电感器L1、L2的额定电流可以减半，并且可以减少损耗。
可以理解，视情况而定，图8的谐振网络502、504、506、508可以在图1、3、5、6以及7的任何驱动电路10、100、200、300、400中实现。
图9示意性地图示出图8的驱动电路500的各个部件利用的驱动信号以及经历的电压和电流。
本文公开的驱动电路10、200、300、400、500能够借助于能够实现零电压切换的第一谐振网络和向感应线圈18提供恒定电流输出的第二谐振网络而以高频来驱动。

Claims (16)

1.一种用于驱动感应加热系统的驱动电路，所述驱动电路包括具有第一支路和第二支路的全桥逆变器，所述第一支路和第二支路中的每一个支路包括高侧开关和低侧开关；由所述全桥逆变器驱动以产生磁场的线圈；多个第一谐振网络，用于能够实现所述高侧开关和所述低侧开关的零电压切换；以及多个第二谐振网络，各自向所述线圈提供恒定电流输出。
2.根据权利要求1所述的驱动电路，其中，所述第一谐振网络中的每一个第一谐振网络包括串联连接的电感器和电容器。
3.根据权利要求1或权利要求2所述的驱动电路，其中，所述第一谐振网络中的每一个第一谐振网络包括电感器和电容器，所述电感器连接到所述第一支路与所述第二支路中的相应一个支路的所述高侧开关与所述低侧开关之间的公共节点，所述电容器与所述电感器串联连接，所述电容器接地。
4.根据前述权利要求中任一项所述的驱动电路，其中，所述第一谐振网络中的每一个第一谐振网络与所述低侧开关中的相应一个开关并联连接。
5.根据权利要求1或2中任一项所述的驱动电路，其中，所述第一谐振网络中的每一个第一谐振网络与相应的高侧开关或低侧开关并联连接。
6.根据前述权利要求中任一项所述的驱动电路，其中，所述多个第二谐振网络中的每一个第二谐振网络包括LCL谐振电路。
7.根据权利要求6所述的驱动电路，其中，所述线圈形成所述LCL谐振电路中每一个LCL谐振电路的一部分。
8.根据权利要求7所述的驱动电路，其中，所述线圈具有总电感值，所述驱动电路包括在所述线圈的第一侧上与所述线圈串联连接的第一电容器，以及，在所述线圈的第二侧上与所述线圈串联连接的第二电容器，所述第一电容器和所述第二电容器具有经调谐以与电感谐振的电容，所述电感对应于所述总电感减去形成所述LCL谐振网络中每一个LCL谐振网络的一部分的电感。
9.根据前述权利要求中任一项所述的驱动电路，其中，所述驱动电路包括多个滤波器，每个滤波器连接在所述线圈与所述第一支路和第二支路中的相应一个支路的高侧开关和低侧开关之间的公共节点之间。
10.根据权利要求9所述的驱动电路，其中，每个滤波器包括串联连接的电感器和电容器。
11.根据权利要求10所述的驱动电路，其中，所述多个第二谐振网络中的每一个第二谐振网络包括LCL谐振电路，并且每个滤波器的电感器形成相应的LCL谐振电路的一部分。
12.根据权利要求11所述的驱动电路，其中，每个滤波器的谐振频率不等于所述全桥逆变器的切换频率。
13.根据前述权利要求中任一项所述的驱动电路，其中，所述高侧开关和所述低侧开关以大于或等于1MHz的切换频率操作。
14.根据前述权利要求中任一项所述的驱动电路，其中，所述驱动电路包括全波整流器，所述全波整流器用于将AC电压源转换为DC电压，并且所述整流器用于输出具有至少50％的纹波的波形。
15.根据权利要求14所述的驱动电路，其中，所述驱动电路包括连接在所述全波整流器与所述全桥逆变器之间的功率因子校正电路。
16.根据权利要求1至13中任一项所述的驱动电路，其中，所述驱动电路从DC电源接收功率。
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