DE112013005197B4

DE112013005197B4 - Induktionsheizvorrichtung, Verfahren zum Steuern der Induktionsheizvorrichtung und Programm

Info

Publication number: DE112013005197B4
Application number: DE112013005197.4T
Authority: DE
Inventors: Naoki Uchida
Original assignee: Mitsui E&S Machinery Co Ltd
Current assignee: Mitsui E&s Co Ltd Jp
Priority date: 2012-10-30
Filing date: 2013-10-30
Publication date: 2023-02-09
Anticipated expiration: 2033-10-31
Also published as: KR101673374B1; US10136476B2; CN104770059A; US20150289321A1; WO2014069526A1; CN104770059B; JPWO2014069526A1; JP5559944B1; DE112013005197T5; KR20150048919A

Abstract

Induktionsheizvorrichtung (100), die Folgendes umfasst:mehrere Resonanzwechselrichter (30,30a,30b), die in einer wechselseitigen Induktionsumgebung jeweils mehreren Induktionsheizspulen (La,Lb) Leistung zuführen, undeine Steuerschaltung (40), die Frequenzen von Spulenströmen , welche durch die mehreren Induktionsheizspulen (La,Lb) fließen, angleicht und die Spulenströme mit derselben Frequenz betreibt, wobei sie diese Frequenz so steuert, dass die Phasenwinkel zwischen Ausgangsspannungen von den mehreren Resonanzwechselrichtern (30,30a,30b) und den Spulenströmen in einen vorgegebenen Bereich fallen.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Induktionsheizvorrichtung, die mehrere Induktionsheizspulen verwendet, ein Verfahren zum Steuern einer Induktionsheizvorrichtung und ein Programm.
Hintergrund der Erfindung
Es ist erforderlich, dass eine Halbleiterproduktionsausstattung bzw. -einrichtung durch thermisches Verarbeiten eines Wafers einen Temperaturunterschied auf der Oberfläche des Wafers steuert, damit er minimiert wird (z. B. innerhalb von +1 °C), um Probleme wie thermische Spannung zu vermeiden. Außerdem ist es erforderlich, dass die Ausstattung eine Temperatur schnell erhöht (z. B. 100 °C/s) bis zu einer gewünschten Temperatur (z. B. 1350 °C). Dann ist eine Induktionsheizvorrichtung weithin bekannt, in der eine Induktionsheizspule in mehrere Stücke unterteilt ist und eine Hochfrequenzleistungsversorgung (z. B. ein Wechselrichter) einzeln mit jedem Stück verbunden ist, um die Leistungssteuerung durchzuführen. Da die unterteilten Induktionsheizspulen wechselseitig benachbart sind, sind wechselseitige Induktivitäten M vorhanden, die wechselseitige Induktionsspannungen verursachen. Deshalb werden die jeweiligen Wechselrichter parallel mit wechselseitigen Induktivitäten dazwischen betrieben und dies verursacht wechselseitige Leistungsaustausche zwischen den Wechselrichtern, wenn es Phasenverschiebungen in den elektrischen Strömen der jeweiligen Wechselrichter gibt. Das heißt, da wegen der Phasenverschiebungen in den elektrischen Strömen in den jeweiligen Wechselrichtern Phasenverschiebungen in den magnetischen Feldern unter den unterteilten Induktionsheizspulen verursacht werden, sind die magnetischen Felder in der Nachbarschaft der benachbarten Induktionsheizspulen geschwächt, so dass die Wärmedichte, die durch die Induktionsheizleistung erzeugt wird, verringert ist. Als eine Folge können Temperaturschwankungen auf der Oberfläche des erhitzten Gegenstands (wie etwa einem Wafer) verursacht werden.
Dann ist eine Technik der „zonengesteuerten Induktionsheizung“ (ZCIH) durch den vorliegenden Erfinder und andere vorgeschlagen worden, mit der sogar unter Bedingungen, in denen wechselseitige Induktivitäten vorhanden sind, die wechselseitige Induktionsspannungen zwischen den benachbarten Induktionsheizspulen verursachen, die Induktionsheizleistung gesteuert werden kann, so dass verhindert wird, dass Kreisströme zwischen den wechselseitigen Wechselrichtern fließen, und dass verhindert wird, dass die Wärmeerzeugungsdichte in der Nachbarschaft der Grenze der unterteilten Induktionsheizspulen abnimmt (siehe zum Beispiel Patentdokument 1). Gemäß dieser Technik der ZCIH ist jede Leistungsversorgungseinheit konfiguriert, einzeln einen Erniedrigungsgleichstromsteller und einen Spannungswechselrichter (nachstehend einfach als ein Wechselrichter bezeichnet) zu enthalten. Die jeweiligen Leistungsversorgungseinheiten, die in mehrere Leistungsversorgungszonen unterteilt sind, sind separat mit den jeweiligen Induktionsheizspulen, die in Stücke unterteilt sind, verbunden, um Leistung zuzuführen.
Zu dieser Zeit wird eine Stromsynchronisationssteuerung (d. h. eine Synchronisationssteuerung einer Stromphase) für einen einzelnen Wechselrichter in jeder Leistungseinheit durchgeführt, d. h. Stromphasen, die durch die jeweiligen Wechselrichter fließen, werden synchronisiert, um zu vermeiden, dass Kreisströme zwischen mehreren Wechselrichtern fließen. Mit anderen Worten, das Austauschen elektrischer Ströme zwischen mehreren Wechselrichtern wird vermieden, um zu verhindern, dass wegen des Fließens von regenerativer Leistung in die Wechselrichter eine Überspannung verursacht wird. Zusätzlich wird mit einer Stromsynchronisationssteuerung von Wechselrichtern durch Synchronisieren der Stromphasen, die durch die jeweiligen Induktionsheizspulen, die in Stücke unterteilt sind, fließen, die Wärmeerzeugungsdichte durch die Induktionsheizleistung gehindert, in der Nachbarschaft der Grenze der jeweiligen Induktionsheizspulen stark abzunehmen. Ferner wird durch Steuern der Eingangsspannung jedes Wechselrichters durch jeden Erniedrigungsgleichstromsteller eine Stromamplitudensteuerung für jeden Wechselrichter durchgeführt, um die Induktionsheizleistung zu steuern, die jeder Induktionsheizspule zugeführt wird.
Das Patentdokument 1 beschreibt eine Technik zum Durchführen eines Frequenzdurchlaufs von einer Frequenz, die höher als die Resonanzfrequenz ist, nach unten, zum Auswählen eines Bauteils, das als Erstes einen Resonanzpunkt erreicht, und zum Ansteuern aller Wechselrichterschaltungen mit der gleichen Schaltfrequenz wie diese Resonanzfrequenz. Dies erlaubt, dass die in Patentdokument 1 beschriebene Technik eine L-gesteuerte Ansteuerung an allen Wechselrichterschaltungen beibehält.
Stand der Technik
Relevanter Stand der Technik ist aus der JP 2011-014331 A bekannt (Patentdokument 1).
Weiterer relevanter Stand der Technik ist aus der EP 2405711 A2 bekannt. Diese Druckschrift offenbart ein Induktionsheizverfahren mit der Stromversorgung einer Anzahl von Heizspulen durch Inverter bzw. Wechselrichter vom Resonanztyp, die jeweils einer der Heizspulen zugeordnet sind.
Als weiterer Stand der Technik sei ferner auf die JP 2004-259665 A , die WO 2012/020652 A1 , die JP 2006-40693 A sowie die DE 112011102681 T5 verwiesen.
Zusammenfassung der Erfindung
Durch die Erfindung zu lösende Probleme
Mit der Technik, die in der JP 2011-014331 A beschrieben ist, ist, da ein Wechselrichter, der die höchste Resonanzfrequenz hat, eingestellt ist, einen minimalen Phasenwinkel zu haben, an dem ein Phasenunterschied zwischen einer ansteigenden Zeitvorgabe einer Ausgangsrechteckwellenspannung und einer Nulldurchgangszeitvorgabe des Resonanzstroms minimal wird, der Leistungsfaktor dieses besonderen Wechselrichters hoch. Die Technik berücksichtigt jedoch, nicht den Leistungsfaktor von anderen Wechselrichtern (Zonen), so dass es unmöglich ist, die Nennleistung auszugeben oder einen Schaltungsverlust durch Verringern des Phasenwinkels zu verringern. Mit anderen Worten, die Technik, die in JP 2011-014331 A beschrieben ist, ist nicht in der Lage, die gesamten Zonen auf eine optimale Weise zu steuern.
Es ist zu beachten, dass die Technik, die in JP 2011-014331 A beschrieben ist, einen Frequenzdurchlauf durchführt, um gemeinsame Bauteile zu verwenden und um zu vermeiden, dass Lasten unregelmäßig fluktuiert werden (siehe Paragraph 0007).
Die vorliegende Erfindung ist dafür bestimmt, ein solches Problem zu lösen und eine Induktionsheizvorrichtung, ein Verfahren zum Steuern der Induktionsheizvorrichtung und ein Programm, das alle Resonanzwechselrichter optimal steuern kann, bereitzustellen.
Mittel zum Lösen der Probleme
Um die obige Aufgabe zu lösen, stellt die vorliegende Erfindung eine Induktionsheizvorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1, eine Induktionsheizvorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 2, ein Verfahren zum Steuern einer Induktionsheizvorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 4, sowie ein Verfahren zum Steuern einer Induktionsheizvorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 5 bereit.
Gleichspannungen werden gesteuert, um die Vorrichtung in einem Modus der nacheilenden Phase des Resonanzstroms zu betreiben, so dass eine Nulldurchgangszeitvorgabe, bei der ein Strom, der durch einen Reihenresonanzkreis der Induktionsheizspule und einen Kondensator fließt, von negativ nach positiv die Null schneidet, hinter einer ansteigenden Zeitvorgabe bzw. Anstiegszeit einer Spannung, die an den Reihenresonanzkreis angelegt ist, nacheilt. Andererseits nimmt ein Leistungsfaktor ab, wenn alle Reihenresonanzkreise in den Modus der nacheilenden Phase eingestellt sind. Zusätzlich kann, da ein Niedrigleistungswechselrichter, der eine Spannungsbreite hat, die kleiner als ein vorgegebener Wert ist, in einem Modus der führenden Phase des Resonanzstroms aber mit einer niedrigen Ausgangsleistung arbeitet, ein angesammelter Verlust und eine Stoßspannung klein genug sein, um zu vermeiden, dass Transistoren ausfallen. Deshalb ändert die Steuerschaltung die Ansteuerfrequenzen gemeinsam und steuert sie so, dass Phasenunterschiede (Ausgangsphasenwinkel) zwischen allen Reihenresonanzkreisen in einen optimalen Phasenwinkelbereich fallen. Dieser optimale Phasenwinkelbereich ist einer von (1) dem minimalen Ausgangsphasenwinkel von 20 Grad oder mehr, bei dem ein ZVS gesichert werden kann, (2) einem Ausgangsphasenwinkel von 30 Grad oder weniger, bei dem der Nennausgang (P = V * I * COSO) ausgegeben werden kann, und (3) einem Ausgangsphasenwinkel von 30 Grad oder weniger, bei dem ein Schaltverlust wegen eines Blindstroms (Isw = Ip × SINO) klein genug wird, wobei der Blindstrom eine Blindleistungskomponente eines Stroms ist, der durch einen Reihenresonanzkreis fließt. Während eines potenzialfreien Vorgangs wird die Selbstinduktivität L oder die Kapazität C des Selbstresonanzkreises so angepasst, dass der Ausgangsphasenwinkel bei einer Bezugsfrequenz in den optimalen Phasenwinkelbereich fällt, wie oben beschrieben. Es ist zu beachten, dass der Ausgangsphasenwinkel von 20 Grad und 30 Grad als Beispiel gezeigt sind.
Es ist zu beachten, dass es möglich sein kann, eine Induktionsheizvorrichtung zu schaffen, die Folgendes enthält: mehrere Resonanzwechselrichter, die in einer wechselseitigen Induktionsumgebung jeweils mehreren Induktionsheizspulen Leistung zuführen, und eine Steuerschaltung, die Spulenströme steuert, die durch die mehreren Induktionsheizspulen fließen, so dass die Phasenwinkel der Impedanz der Resonanzkreise, die jeweils mit den mehreren Resonanzwechselrichtern verbunden sind, im Wesentlichen gleich zu den jeweiligen Phasenwinkeln der wechselseitigen Induktionsspannungen werden, die von der wechselseitigen Induktion abgeleitet werden.
Dies erlaubt, dass die Ausgangsphase des Resonanzwechselrichters unabhängig von der Ansteuerfrequenz gleich ist und dann optimal gesteuert werden kann.
Vorteilhafte Auswirkungen der Erfindung
Gemäß der vorliegenden Erfindung werden alle Resonanzwechselrichter optimal gesteuert.
Figurenliste

1A und 1B sind schematische Diagramme einer Heizvorrichtung für Halbleiter, die eine Induktionsheizvorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet;
2 ist ein Ersatzschaltbild von zwei Resonanzkreisen in der Induktionsheizvorrichtung;
3 ist ein schematisches Diagramm, in dem Gegenkopplungsinduktivitäten in der Induktionsheizvorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verbunden sind.
4A ist ein Diagramm, das einen Zustand 1 einer Spannungssignalform, die an die Induktionsheizspule angelegt wird, und einer Stromsignalform zeigt;
4B ist ein Diagramm, das einen Zustand 2 einer Spannungssignalform, die an die Induktionsheizspule angelegt wird, und einer Stromsignalform zeigt;
4C ist ein Diagramm, das einen Zustand 3 einer Spannungssignalform, die an die Induktionsheizspule angelegt wird, und einer Stromsignalform zeigt;
4D ist ein Diagramm, das einen Zustand 4 einer Spannungssignalform, die an die Induktionsheizspule angelegt wird, und einer Stromsignalform zeigt;
4E ist ein Diagramm, das ein Ergebnis einer Maßnahme an dem Zustand 4 einer Spannungssignalform, die an die Induktionsheizspule angelegt wird, und einer Stromsignalform zeigt;
5 ist ein Schaltungsdiagramm der Induktionsheizvorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
6 ist ein Signalformdiagramm zum Steuern von Phasenwinkeln in einem bestimmten Bereich und
7A bis 7C sind Ersatzschaltbilder der Spannungswechselrichter und eines Stromwechselrichters als Bezüge.

Ausführungsform der Erfindung
Nachstehend wird eine Beschreibung in Einzelheiten einer Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung mit Bezug auf die Zeichnungen gegeben werden. Es ist zu beachten, dass die Zeichnungen lediglich schematisch in einem Ausmaß gezeigt sind, so dass die vorliegende Erfindung vollständig verstanden werden kann. Dann ist die vorliegende Erfindung nicht auf die dargestellten Beispiele beschränkt. Zusätzlich sind in den Zeichnungen gemeinsamen Komponenten und ähnlichen Komponenten die gleichen Bezugszeichen zugeordnet und doppelte Beschreibungen hiervon werden weggelassen.
Erste Ausführungsform
1A und 1B sind schematische Diagramme einer Heizvorrichtung für Halbleiter, die eine Induktionsheizvorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet.
Eine RTA-Vorrichtung (Vorrichtung für beschleunigte thermische Ausheilung) (Heizvorrichtung für Halbleiter) als eine Induktionsheizvorrichtung enthält eine wärmebeständige Platte, die mehrere Induktionsheizspulen La, Lb besitzt, die in vertieften Abschnitten eingebettet sind, ein gemeinsames Heizelement, das auf der Oberfläche der wärmebeständigen Platte angeordnet ist, und mehrere (zwei) Wechselrichter 30 (30a, 30b) als umgekehrte Umsetzungsvorrichtungen und ist konfiguriert, das Heizelement durch die mehreren Induktionsheizspulen La, Lb separat in zwei Zonen zu erwärmen. Diese RTA-Vorrichtung ist so konfiguriert, dass die Induktionsheizspulen La, Lb einzeln magnetische Hochfrequenzflüsse erzeugen, die wiederum verursachen, dass Wirbelströme durch das Heizelement fließen, das zum Beispiel aus Kohlenstoffgraphit (nachstehend einfach als Graphit bezeichnet) gemacht ist, und dann wird durch die Wirbelströme, die durch die Widerstandskomponenten des Graphits fließen, Wärme in dem Heizelement produziert. Diese Strahlungswärme des Heizelements erwärmt ein Glassubstrat oder einen Wafer als einen Gegenstand, der erwärmt werden soll. Es ist zu beachten, dass bei der Wärmebehandlung eines Halbleiters dieses Heizen in einer Atmosphäre mit verringertem Druck oder in einer inerten Atmosphäre (z. B. in einer Stickstoffatmosphäre) durchgeführt wird.
1B ist ein Blockdiagramm einer Induktionsheizvorrichtung. Die beiden Induktionsheizspulen La, Lb sind um ein gemeinsames Graphit gewunden. Ein Ende eines Kondensators Ca ist mit einem Ende der Induktionsheizspule La verbunden und das andere Ende des Kondensators Ca und das andere Ende der Induktionsheizspule Lb sind mit dem Wechselrichter 30b verbunden. Es ist zu beachten, dass der Kondensator Ca eine Kapazität C1 hat und der Kondensator Cb eine Kapazität C2 hat. Zusätzlich dienen die Wechselrichter 30a, 30b als Resonanzwechselrichter, um die Induktionsheizspulen La, Lb mit den Resonanzkondensatoren Ca, Cb in Resonanz zu bringen.
Hierbei sind die Induktionsheizspulen La, La, da sie um ein gemeinsames Graphit gewunden sind, durch eine wechselseitige Induktivität M gekoppelt. Zusätzlich erzeugt der Wechselrichter 30a in 1B eine Spannung Viv1, um einen Strom I1 durch den Kondensator Ca und die Induktionsheizspule La fließen zu lassen, während der Wechselrichter 30b eine Spannung Viv2 erzeugt, um einen Strom I2 fließen zu lassen. Die wechselseitige Induktivität M repräsentiert eine Blindkomponente der induzierten Spannung, die durch den Strom 12, der durch die Induktionsheizspule Lb fließt, in der Spule La induziert wird. Eine Blindkomponente der wechselseitigen Induktionsspannung, die in der Induktionsheizspule La wegen der zeitlichen Änderungen in dem Strom 12, der durch die Induktionsheizspule Lb fließt, induziert wird, und eine Blindkomponente der wechselseitigen Induktionsspannung, die in der Induktionsheizspule wegen der zeitlichen Änderungen in dem Strom I1, der durch die Induktionsheizspule La fließt, induziert wird, sind zueinander gleich. Es ist zu beachten, dass sich die Blindkomponente der wechselseitigen Induktionsspannung auf eine Blindleistungskomponente der wechselseitigen Induktionsspannung, die in einer Spule induziert wird, bezieht.
2 ist ein Ersatzschaltbild der beiden Resonanzkreise in der Induktionsheizvorrichtung.
Die Induktionsheizspulen La, Lb haben Selbstinduktivitäten L1, L2 und Ersatzwiderstände (Ersatzwiderstände R1, R2) wegen der Wirbelströme in dem Graphit. Das heißt, eine Reihenschaltung der Induktionsheizspule La und des Kondensators Ca wird durch einen Reihenresonanzkreis eines Kondensators mit einer Kapazität C1, eines Induktors mit einer Selbstinduktivität L1 und eines Widerstands mit einem Ersatzwiderstand R1 repräsentiert. Dann wird an diesen Reihenresonanzkreis eine Differenzspannung zwischen der Spannung Viv1 einer Spannungsquelle Eiv1 und eine wechselseitige Induktionsspannung Vm21 von der Induktionsheizspule Lb angelegt. Zusätzlich erzeugt die Spannungsquelle Eiv1 die Spannung Viv1, die einen Phasenwinkel Θiv1 hat, um einen Strom Iiv1 fließen zu lassen. Der Reihenresonanzkreis verursacht einen Spannungsabfall Vs1, der einen Phasenwinkel Θs1 hat.
Außerdem wird eine Reihenschaltung der Induktionsheizspule Lb und des Kondensators Cb durch einen Reihenresonanzkreis eines Kondensators mit einer Kapazität C2, eines Induktors mit einer Selbstinduktivität L2 und eines Widerstands mit einem Ersatzwiderstand R2 repräsentiert. Dann wird an diesen Reihenresonanzkreis eine Differenzspannung zwischen der Spannung Viv2 einer Spannungsquelle Eiv2 und eine wechselseitige Induktionsspannung Vm12 von der Induktionsheizspule La angelegt. Zusätzlich erzeugt die Spannungsquelle Eiv2 die Spannung Viv2, die einen Phasenwinkel Θiv2 hat, um einen Strom Iiv2 fließen zu lassen. Der Reihenresonanzkreis verursacht einen Spannungsabfall Vs2, der einen Phasenwinkel Os2 hat.
Zusätzlich hat der Erfinder dann, wenn die beiden Induktionsheizspulen La, Lb, die um das gemeinsame Graphit gewickelt sind, durch die wechselseitige Induktivität M gekoppelt sind, in Erwägung gezogen, dass ein Widerstand der wechselseitigen Induktivität Rm auch existieren kann. Der Widerstand der wechselseitigen Induktivität Rm repräsentiert als ein Widerstand eine aktive Komponente der induzierten Spannung, die in der Induktionsheizspule La durch den Strom Iiv2, der durch die Induktionsheizspule Lb fließt, induziert wird. Ferner ist eine aktive Komponente einer wechselseitigen Induktionsspannung, die in der Induktionsheizspule La durch den Strom Iiv2, der durch die Induktionsheizspule Lb fließt, induziert wird, gleich einer aktiven Komponente einer wechselseitigen Induktionsspannung, die in der Induktionsheizspule Lb durch den Strom Iiv1, der durch die Induktionsheizspule La fließt, induziert wird.
Darüber hinaus ist dann, wenn Material mit einem niedrigen Widerstand wie etwa Metall erwärmt wird, die Resonanzschärfe Q = ωL/R(ωL1/R1, ωL2/R2) hoch, was
ωM >> Rm
verursacht, um zu erlauben, dass der Widerstand der wechselseitigen Induktivität Rm ignoriert wird. Wenn jedoch ein Material mit hohem Widerstand wie etwa Graphit erwärmt wird, ist die Resonanzschärfe Q = ωL/R niedrig, was
ωM < Rm
verursacht, was erfordert, dass der Widerstand der wechselseitigen Induktivität Rm berücksichtigt wird.
Ein Phasenwinkel Θm einer wechselseitigen Induktionsspannung ist $Θ m = tan - 1 (ω M/Rm) .$
Dieser Phasenwinkel Θm ist ausgeführt, im Wesentlichen gleich einem Phasenwinkel Θs = tan-1 {(ωL - 1/ωC)/Rs} eines Eigenresonanzkreises zu sein, d. h. Θm ≈ Θs. Dies verursacht sogar dann, wenn ein Torimpuls ungesteuert ist, $Θ iv \approx Θ s \approx Θ m .$
Für Metall gilt ωM >> Rm, aber für Graphit kann in einigen Fällen ωM ≈ Rm gelten. Wenn ein Spalt zwischen einer Spule und dem Graphit jedoch größer wird, wird er ωM >> Rm verursachen.
Da ein Hochleistungsfaktorwinkel von Θiv = 20 bis 30 Grad geplant ist, ist eine Gegenkopplungsinduktivität (-Mc) (3) vorgesehen, um die wechselseitige Induktivität (M - Mc) in der gesamten Schaltung zu verringern. Es ist zu beachten, dass in diesem Fall ein Kondensator Cb zwischen der anderen Ausgangsseite des Wechselrichters 30b als der Induktor und der Induktionsheizspule Lb angeordnet ist.
Mit anderen Worten verursacht der Wirbelstrom, der durch den Strom Iiv1, der durch die Induktionsheizspule La fließt, in dem Graphit erzeugt wird, einen Abfall einer aktiven Komponente der Spannung über der Induktionsheizspule La und induziert zur gleichen Zeit eine aktive Komponente der wechselseitigen Induktionsspannung in der Induktionsheizspule Lb. Da eine Blindkomponente der wechselseitigen Induktionsspannung auch in der Induktionsheizspule La induziert wird, werden als eine Folge sowohl die Blindkomponente der wechselseitigen Induktionsspannung als auch die aktive Komponente der wechselseitigen Induktionsspannung als eine wechselseitige Induktionsspannung Vm21 induziert. Ebenso werden sowohl die Blindkomponente der wechselseitigen Induktionsspannung als auch die aktive Komponente der wechselseitigen Induktionsspannung in der Induktionsheizspule Lb als eine wechselseitige Induktionsspannung Vm12 induziert.
Zu dieser Zeit ist die folgende Schaltungsgleichung erfüllt. Das heißt, der Spannungsabfall Vs1 des Reihenresonanzkreises (C1, L1, R1) ist $\begin{array}{l} Vs 1 = Iiv1 \times {R 1 + j ω L 1 - j / (ω C 1 * s 1)} = Iiv \times \\ | Zs1 | \times (cos Θ s 1 + jsin Θ s 1) . \end{array}$
Zusätzlich ist die wechselseitige Induktionsspannung Vm21, die in der Induktionsheizspule La induziert wird, $\begin{array}{l} V m 21 = I i v 2 \times (R m + j ω M) = I i v 2 \times | Z m 21 | \times \\ (c o s Θ m 21 + j s i n Θ m 21) . \end{array}$
Hierbei ist $\begin{array}{l} | Zs 1 | = {[R 1^{2} + {ω L 1 - 1 / (ω * C 1)}^{2}]}^{- 1 / 2}, \\ Θ s 1 = {tan}^{- 1} [{ω L 1 - 1 / (ω * C1)} /R1], \end{array}$
$\begin{array}{l} | Zm2 1 | = {[{Rm}^{2} + {(ω M)}^{2}]}^{- 1 / 2} und \\ Θ2 1 = {tan}^{- 1} {ω M/Rm} . \end{array}$
Ferner ist die Spannung Viv1 von der Spannungsquelle Eiv1 $\begin{array}{l} Viv 1 = \\ | Vs1 | (cos Θ 1 + jsin Θ s 1) + | Vm 21 | (cos Θ m21 + jsin Θ m21) . \end{array}$
Hierbei ist $| Vs 1 | = Iiv 1 \times Zs 1 und$
$| Vm 21 | = Iiv 2 \times | Zm 21 | .$
Aus der oben beschriebenen Schaltungsgleichung können vier Zustände, wie sie von dem Wechselrichter Eiv1 gesehen werden, folgen und Steuermaßnahmen für die Zustände werden präsentiert werden.
4A bis 4D sind Diagramme, die Zustand 1 bis Zustand 4 einer Spannungssignalform, die an die Induktionsheizspule angelegt wird, und eine Stromsignalform zeigen, während 4E ein Diagramm ist, das eine Maßnahme an dem Zustand 4 der Spannungssignalform, die an die Induktionsheizspule angelegt wird, und der Stromsignalform zeigt. In jeder Zeichnung sind die Spannungen Viv1, Viv2 der Spannungsquellen Eiv1, Eiv2 Rechteckwellenspannungen von DUTY 1/2 und die Spulenströme Iiv1, Iiv2, die durch die beiden Induktionsheizspulen La, Lb fließen, sind in Phase angeglichen, um in einem Zustand der Stromsynchronisation zu sein. Das heißt, die Frequenzen (Ansteuerfrequenzen) der Spannungen Viv1, Viv2 und der Spulenströme Iiv1, Iiv2 sind die gleichen. Es ist zu beachten, dass die durchgezogenen Linien die Rechteckwellenspannung Viv1 und den Spulenstrom Iiv1 angeben, während die unterbrochenen Linien die Rechteckwellenspannung Viv2 und den Spulenstrom Iiv2 angeben.
Im Grunde eilt eine Stromphase zum Sichern des ZVS (Null-Volt-Schaltens) einer Spannungsphase nach. Iiv1 in 4B und 4D hat jedoch eine negative Phase, die um einen kleinen Betrag im absoluten Wert nacheilt (ein Strom Isw = Ip × sinΘ zu einer Schaltzeit trägt besonders zu dem Verlust bei).
Die Gegenkopplungsinduktivitäten (Gegenkopplungsinduktivität -Mc) (3) sind so angeordnet, dass die wechselseitigen Induktivitäten (M - Mc) in der gesamten Schaltung in Θm = tan^-1 (ωM/Rm) = 20 bis 30 Grad fällt. Dies verursacht $ω M/Rm = 0,36 bis 0,58.$
Dies gilt sowohl für Metall als auch für Graphit.
(Zustand 1)
In einem Fall, in dem Iiv1 groß ist, Iiv2 klein ist und die wechselseitige Induktivität M groß ist:

wie in 4A gezeigt, ist, da der Wert von Iiv2 kleiner ist als der Wert von Iiv1, die wechselseitige Induktionsspannung Vm21 klein; deshalb nimmt dann, wenn die Selbstinduktivität L1 wegen der zunehmenden Temperatur der Induktionsheizspule La abnimmt, der Phasenwinkel Θiv1 ab;
für diesen Zustand ergreift die Steuerschaltung 40 (5) eine Maßnahme, um die Ansteuerfrequenz der Wechselrichter 30a, 30b zu erhöhen, um den Phasenwinkel Θiv1 zu erhöhen.

(Zustand 2)
In einem Fall, in dem Iiv1 groß ist, Iiv2 klein ist und die wechselseitige Induktivität M klein ist:

a) wie in 4B gezeigt, ist, da der Wert von Iiv2 kleiner ist als der Wert von Iiv1, der Wert der wechselseitigen Induktionsspannung Vm21 klein; deshalb wird dann, wenn die Selbstinduktivität L1 wegen der zunehmenden Temperatur der Induktionsheizspule La abnimmt, der Phasenwinkel Θiv1 negativ; für diesen Zustand ergreift die Steuerschaltung 40 (5) eine Maßnahme, um die Ansteuerfrequenz der Wechselrichter 30a, 30b zu erhöhen, um den Phasenwinkel Θiv1 zu erhöhen;
b) der Phasenwinkel Θiv2 an der Seite von Eiv2 (siehe 2) nimmt ab; wenn die Ansteuerfrequenz der Wechselrichter 30a, 30b zum Sichern des ZVS erhöht wird, erhöht sich der Phasenwinkel 8iv1;

5

(Zustand 3)
In einem Fall, in dem Iiv1 klein ist, Iiv2 groß ist und die wechselseitige Induktivität M groß ist:

wie in 4C gezeigt, ist, da der Wert von Iiv2 größer ist als der Wert von Iiv1 und die wechselseitige Induktivität M groß ist, die wechselseitige Induktionsspannung Vm21 groß; auf der anderen Seite ist, da Iiv1 klein ist, der Spannungsabfall Vs1 des Reihenresonanzkreises klein; als eine Folge verursacht er Θiv1 ≈ Θm21; wenn Θm21 groß ist, ist 8iv auch groß;
in diesem Fall verkleinert dann, wenn ein Strom gleich einem vorgegebenen Wert oder größer (z. B. 50 % oder mehr) ist, die Steuerschaltung 40 (5) die Ansteuerfrequenz des Wechselrichters 30a, 30b zum Verringern eines Schaltungsverlustes, um den Phasenwinkel Oiv1 zu verkleinern; wenn es jedoch einen Befehl aus einer anderen Zone (Zone 2) gibt, die Ansteuerfrequenz zu erhöhen, wird dem Erhöhen der Frequenz die Priorität gegeben.

(Zustand 4)
In einem Fall, in dem Iiv1 klein ist, Iiv2 groß ist und die wechselseitige Induktivität M klein ist:

wie in 4D gezeigt, wirkt, da der Wert von Iiv2 größer ist als der Wert von Iiv1, der Widerstand der wechselseitigen Induktivität Rm mehr auf die wechselseitige Induktionsspannung Vm21 als die wechselseitige Induktivität M, um zu verursachen, dass die wechselseitige Induktionsspannung Vm21 groß wird; auf der anderen Seite wird, da Iiv1 klein ist, der Spannungsabfall Vs1 des Reihenresonanzkreises klein; als eine Folge verursacht es Θiv1 ≈ Θm21; deshalb wird dann, wenn der Widerstand der wechselseitigen Induktivität Rm groß ist und Θm21 klein ist, Θiv1 klein;
in diesem Fall erhöht die Steuerschaltung 40 (5) zum Sichern des ZVS nur den Stromwert, wenn der Strom kleiner als ein vorgegebener Wert ist (z. B. 15 %), oder erhöht die Ansteuerfrequenz der Wechselrichter 30a, 30b nur, wenn der Strom Iiv1 gleich einem vorgegebenen Wert oder größer (15 % oder mehr) ist;
das heißt, die Steuerschaltung 40 (5) erhöht die Rechteckwellenspannung Viv1, wie in 4E gezeigt ist, um den Stromwert (Iiv1) zu erhöhen, was bewirkt, dass Θiv1 auf positive Werte erhöht wird.

Um einen Bereich des Phasenwinkels zu optimieren, sind die Maßnahmen, die zu ergreifen sind, wie folgt, wenn die Phasenwinkel Θiv1, Θiv2 und/oder die Spulenströme Iiv1, Iiv2 unter eine Bedingung in eine Zone fallen, so dass:

(A) der Phasenwinkel kleiner als 20° ist und der Spulenstrom kleiner als 15 % ist (wie etwa Zustand 4); in diesem Fall wird der Spulenstrom Iiv erhöht;
(B) der Phasenwinkel kleiner als 20 Grad ist und der Spulenstrom gleich 15 % oder mehr ist; in diesem Fall wird die Ansteuerfrequenz zum Sichern des ZVS erhöht; das heißt, wenn die Phasenwinkel Θiv1, Θiv2 kleiner als ein erster vorgegebener Wert (20 Grad) sind und die Amplitude der Spulenströme Iiv1, Iiv2 gleich einem zweiten vorgegebenen Wert (15 %) oder mehr ist, werden die Ansteuerfrequenzen aller Resonanzwechselrichter erhöht;
(C) der Phasenwinkel gleich 20 Grad oder mehr aber kleiner als 30 Grad ist; in diesem Fall zeigt diese Bedingung einen normalen Zustand aber Übergänge von (A) oder (B) oberhalb, wenn sich die Temperatur erhöht, um auszuführen, dass die Selbstinduktivitäten L1, Li verringert werden, und um auszuführen, dass die Phasenwinkel Θiv1, Θiv2 verringert werden (wie etwa Zustand 1);
(D) der Phasenwinkel gleich 30 Grad oder mehr ist und der Spulenstrom gleich 50 % oder mehr ist (wie etwa Zustand 2 und Zustand 3); in diesem Fall werden, um den Schaltverlust zu verringern, die Ansteuerfrequenzen aller Resonanzwechselrichter verringert, um auszuführen, dass der Phasenwinkel kleiner als 30 Grad wird; dieser Wert von 30 Grad ist ein Phasenwinkel, bei dem der Nennausgang (P = VI × cosΘ) ausgegeben werden kann; das heißt, wenn der Phasenwinkel des Ausgangs gleich einem dritten vorgegebenen Wert (30 Grad), der größer als der erste vorgegebene Wert (20 Grad) ist, oder größer ist und die Amplitude des Spulenstroms gleich einem vierten vorgegebenen Wert (50 %), der größer als der zweite vorgegebene Wert (15 %) ist, oder größer ist, werden die Ansteuerfrequenzen aller Resonanzwechselrichter erhöht, und
(E) der Phasenwinkel gleich 30 Grad oder mehr ist und der Spulenstrom kleiner als 50 % ist; in diesem Fall wird eine geeignete Auswahl eines Leistungshalbleiterelements einen durchgängigen Betrieb erlauben.

Voranstehend ist die Beschreibung einer Steuerung zum Variieren der Frequenz gegeben worden, um den Phasenwinkel zu begrenzen (Phasenwinkelbegrenzungssteuerung), aber eine solche Steuerung kann auch in dem Fall möglich sein, in dem der minimale Phasenwinkel begrenzt ist, um auszuführen, dass die Frequenz konstant ist (Frequenzbegrenzungssteuerung) .
Nachstehend wird eine Beschreibung eines Phasenwinkelbegrenzers gegeben werden, die sowohl bei der Frequenzbegrenzungssteuerung als auch bei der Phasenwinkelbesteuerung verwendet werden kann.

(1) Der minimale Phasenwinkelbegrenzer 18 Grad:
1. a) wenn die Phasenwinkel Θiv1, Θiv2 kleiner als 18 Grad sind und die Spulenströme Iiv1, Iiv2 kleiner als 15 % sind, werden die Ströme Iiv1, Iiv2 erhöht werden (bis zu 15 %);
2. b) wenn die Phasenwinkel Θiv1, Θiv2 kleiner als 18 Grad sind und die Spulenströme Iiv1, Iiv2 gleich 15 % oder mehr sind, wird nur die Ansteuerfrequenz erhöht.
(2) Der maximale Phasenwinkelbegrenzer 45 Grad:
1. a) wenn die Phasenwinkel Θiv1, Θiv2 gleich 45 Grad oder mehr sind und die Spulenströme Iiv1, Iiv2 gleich 50 % oder mehr sind, wird die Ansteuerfrequenz erniedrigt; wenn der Phasenwinkel jedoch 45 Grad oder mehr geworden ist und der Spulenstrom gleich 15 % oder mehr ist, wird die Ansteuerfrequenz immer noch erhöht werden.
(3) anomale Zone (eine der Zonen stoppt das Ansteuern wegen der folgenden Gründe):
1. a) wenn Iiv gleich dem vorgegebenen Wert oder mehr ist und der Phasenwinkel 14 Grad oder weniger ist, wird die Zone im Ganzen sofort gestoppt;
2. b) wenn die Spulenströme Iiv1, Iiv2 gleich 50 % oder mehr sind und die Phasenwinkel Θiv1, Θiv2 gleich 45 Grad oder mehr sind, wird die Zone im Ganzen nach 15 Sekunden gestoppt;
3. c) wenn die Spulenströme Iiv1, Iiv2 gleich 75 % oder mehr sind und die Phasenwinkel Θiv1, Θiv2 gleich 75 Grad oder mehr sind, wird die Zone im Ganzen nach 5 Sekunden gestoppt.

Eine Beschreibung einer Konfiguration der Induktionsheizvorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird mit Bezug auf 5 und 2 gegeben werden.
In 5 ist die Induktionsheizvorrichtung 100 konfiguriert, Folgendes zu enthalten: eine Gleichrichter- und Glättungsschaltung 10; Erniedrigungsgleichstromsteller 20a, 20b; mehrere Wechselrichter 30a, 30b; Reihenschaltungen von Kondensatoren Ca, Cb (die die Kapazitäten C1, C2 haben) und Induktionsheizspulen La, Lb (die die Selbstinduktivitäten L1, L2 und die Widerstände mit Ersatzwiderständen R1, R2 haben) und eine Steuerschaltung 40, wobei jede der Induktionsheizspulen La, Lb magnetische Hochfrequenzflüsse erzeugt, um Wirbelströme in einem gemeinsamen Heizelement (z. B. Graphit) fließen zu lassen (2), was bewirkt, dass das Heizelement Wärme erzeugt. Das heißt, die jeweiligen Wechselrichter 30a, 30b dienen als Resonanzwechselrichter, um die Induktionsheizspulen La, Lb mit den Resonanzkondensatoren Ca, Cb in Resonanz zu bringen.
Zusätzlich wird die Induktionsheizvorrichtung so gesteuert, dass die Stromphase und die Ansteuerfrequenz unter allen Induktionsheizspulen La, Lb angeglichen sind, um den Einfluss der wechselseitigen Induktionsspannungen Vm21, Vm12, die durch benachbarte Induktionsheizspulen verursacht werden, zu verringern. Das heißt, die Induktionsheizvorrichtung 100 wird so gesteuert, dass die Phasen der Spulenströme, die durch die beiden Induktionsheizspulen La, Lb fließen, anglichen sind, keine Phasendifferenz in dem magnetischen Feld zu haben, und dies verhindert, dass das magnetische Feld in der Nachbarschaft zwischen den benachbarten Induktionsheizspulen geschwächt wird, so dass die Wärmeerzeugungsdichte durch die Induktionsheizleistung erniedrigt ist. Als eine Folge kann eine Ungleichmäßigkeit der Temperatur auf der Oberfläche des Gegenstands, der erwärmt werden soll, vermieden werden. Ferner hat die Induktionsheizvorrichtung 100 keinen Kreisstrom, der zwischen den Wechselrichtern 30a, 30b fließt.
Darüber hinaus sind die Wechselrichter 30a, 30b zum Verringern des Schaltverlustes darauf gerichtet, die Ansteuerfrequenz höher als die Resonanzfrequenz der Selbstinduktivitäten L1, L2 der Induktionsheizspulen La, Lb und der Kapazitäten C1, Ci der reihengeschalteten Kondensator Ca, Cb auszuführen, um in einem Modus der nacheilenden Phase des Resonanzstroms angesteuert zu werden.
Die Induktionsheizvorrichtung 100 enthält Folgendes: eine Gleichrichter- und Glättungsschaltung 10, die mit einer handelsüblichen Wechselspannungs-Leistungsversorgung (3φ) verbunden ist; zwei Erniedrigungsgleichstromsteller 20a, 20b, die mit der Gleichrichter- und Glättungsschaltung 10 verbunden sind; mehrere Wechselrichter 30a, 30b, die jeweils mit den Erniedrigungsgleichstromstellern 20a, 20b verbunden sind; Reihenresonanzkreisen, La, Ca, Lb, Cb, die jeweils mit den Wechselrichtern 30a, 30b verbunden sind, und eine Steuerschaltung 40, die die Wechselrichter 30a, 30b steuert.
Die Gleichrichter- und Glättungsschaltung 10 enthält eine Drei-Phasen-Gleichrichterschaltung REC, die mit einer handelsüblichen Leistungsversorgung für Wechselspannung verbunden ist, und einen Elektrolytkondensator C00, der mit den Ausgangsanschlüssen +, - der Drei-Phasen-Gleichrichterschaltung REC verbunden ist, um eine Drei-Phasen-Wechselspannung in eine Gleichstromspannung umzusetzen. Die Erniedrigungsgleichstromsteller 20a, 20b sind Gleichstrom/Gleichstrom-Umsetzer, wobei jeder einen Transistor Tr, Dioden D1, D2, eine Spule DCL und einen Elektrolytkondensator C01 enthält, um eine Gleichstromspannung Vmax über Ausgangsanschlüssen a, b der Gleichrichterschaltung 10 auf eine gewünschte Gleichstromspannung Vdc zu erniedrigen. In jedem der Erniedrigungsgleichstromsteller 20a, 20b, sind eine Kathode der Diode D1 und ein Ende der Spule DCL mit dem Eingangsanschluss a verbunden, eine Anode der Diode D1 und ein Kollektor des Transistors Tr sind mit einer negativen Elektrode des Kondensators C01 verbunden, ein Emitter des Transistors Tr ist mit dem Eingangsanschluss b verbunden und das andere Ende der Spule DCL ist mit einer positiven Elektrode des Kondensators C01 verbunden. Es ist zu beachten, dass eine Umschaltdiode D2 zwischen den Kollektor und den Emitter des Transistors Tr geschaltet ist.
Jeder der Erniedrigungsgleichstromsteller 20a, 20b wird über die Spule DCL angewendet, wenn der Transistor Tr eingeschaltet ist, mit einer Differenzspannung zwischen der Gleichstromspannung über dem Kondensator C00 und der Gleichstromspannung über dem Kondensator C01. Auf der anderen Seite wird dann, wenn der Transistor Tr ausgeschaltet ist, die elektromagnetische Energie, die in der Spule DCL gespeichert ist, durch die Diode D1 umgeschaltet, was ausführt, dass die Spule DCL die gleiche Potentialdifferenz mit der Gleichstromspannung über dem Kondensator C01 hat. Zu dieser Zeit ist der Strom, der durch die Spule DCL fließt, durchgängig und nimmt linear während einer Zeit zu, wenn der Transistor Tr eingeschaltet ist. Inzwischen nimmt der Strom, der durch die Spule DCL fließt, während einer Zeit, wenn der Transistor Tr ausgeschaltet ist, ab. Deshalb ist die Differenzspannung zwischen dem Kondensator C00 und dem Kondensator C01 abhängig von der Gleichstromspannung Vmax und einem DUTY-Verhältnis auf einen Wert konvergiert. Es ist zu beachten, dass die DUTY-Verhältnisse in den Erniedrigungsgleichstromstellern 20a, 20b jeweils unterschiedlich sind und das sind auch die Gleichstromspannung Vdc über den Kondensatoren C01.
Die Wechselrichter 30a, 30b sind Ansteuerschaltungen, die jeweils mehrere Transistoren Q1, Q2, Q3, Q4 zum Schalten der Gleichstromspannung Vdc (Vdc1, Vdc2) über den Kondensatoren C01 enthalten, um aus den Gleichstromspannungen Vdc Rechteckwellenspannungen (Hochfrequenzspannung) mit einem DUTY-Verhältnis von 1/2 zu erzeugen, die gesteuert sind, eine gemeinsame Ansteuerfrequenz und die Spulenströme in einer gleichen Phase zu haben, und um den Reihenschaltungen des Kondensators und der Induktionsheizspule Leistung zuzuführen. Es ist zu beachten, dass die Transistoren Q1, Q2, Q3, Q4 umgekehrt parallel geschaltete Umschaltdioden in den jeweiligen Armen enthalten. Es ist auch zu beachten, dass zum Beispiel IGBTs (Bipolartransistoren mit integriertem Gate) für die Transistoren Tr, Q1, Q2, Q3, Q4 verwendet werden.
Hierbei können die Kondensatoren Ca, Cb mit den Induktionsheizspulen La, Lb in Resonanz sein und unter der Annahme, dass die Kapazitäten C1, C2 sind und die Selbstinduktivitäten L1, L2 sind, fließen dann, wenn die Ansteuerfrequenzen f der Wechselrichter im Wesentlichen gleich den Resonanzfrequenzen 1/ (2π√(L1*C1)), 1/(2n√(L2*C2)) werden, sinusförmige Ströme (Spulenströme), die Werte haben, die durch Teilen der Grundwellenspannungen V1, V2 jeweils durch die Reihenimpedanzen der Selbstinduktivitäten L1, L2 und der Ersatzwiderstände R1, R2 erhalten werden.
6 ist ein Diagramm, das die Ausgangsspannungssignalform des Wechselrichters und die Spulenstromsignalform zeigt.
Die Ausgangsspannungen Viv1, Viv2 der Wechselrichter 30a, 30b sind Potentialdifferenzen zwischen den Verbindungspunkten der Emitter der Transistoren Q1 und der Kollektoren der Transistoren Q2 und Verbindungspunkten der Emitter der Transistoren Q3 und den Kollektoren der Transistoren Q4. Zusätzlich sind die Spulenströme Iiv1, Iiv2 Ströme, die jeweils durch die Induktionsheizspulen La, Lb und die Kondensatoren Ca, Cb fließen.
Die Ausgangsspannungen Viv1, Viv2 sind Rechteckwellenspannungen mit einem DUTY-Verhältnis von 1/2, die die gleichen Frequenzen und wegen der Erniedrigungsgleichstromsteller 20a, 20b verschiedene Amplituden haben. Die Spulenströme Iiv1, Iiv2 sind sinusförmige Ströme, um Frequenzen und Phasen angeglichen zu haben. Da die Selbstinduktivitäten L1, L2 und die Ersatzwiderstände R1, R2 induktive Lasten sind, eilen die Phasenwinkel Θiv1, Θiv2 der sinusförmigen Ströme hinter denjenigen der Grundspannungen nach. Es ist zu beachten, dass sich, während die Frequenz der Grundwellenspannung erhöht wird, die Phasennacheilung erhöht, der harmonische Strom jedoch kaum fließt, weil er nicht in einen Resonanzzustand geht.
Zusätzlich kann, da der harmonische Strom nicht fließt, die aktive Leistung Peff der Spannung und des Stroms der verzerrten Welle mit der Grundwellenspannung V1, dem Grundwellenstrom I1 und dem Phasenwinkel Θ1 der Grundwellenspannung V1 und dem Grundwellenstrom I1 dargestellt werden als $Peff = V 1 * I 1 * cos Θ 1$
Deshalb wird die aktive Leistung Peff durch die Effektivleistung der Grundwelle dargestellt, wenn ein Reihenresonanzkreis von LCR mit der Rechteckwellenanspannung, die eine Spannung einer verzerrten Welle ist, angesteuert wird.
Die Steuerschaltung 40 ist eine Schaltung, die Gate-Signale der Transistoren Tr in den Erniedrigungsgleichstromstellern 20a, 20b und den Transistoren Q1, Q2, Q3, Q4 in den Wechselrichtern 30a, 30b erzeugt, um diese Gate-Signale einzeln zu steuern (das heißt, die Gleichstromspannungen Vdc1, Vdc2 und die Phasen der Rechteckwellenspannungen einzeln zu steuern) und um auf dem Wege des Änderns der Ansteuerfrequenzen und/oder des individuellen Steuerns der Spulenströme die Phasenwinkel Θiv1, Θiv2 der Ausgänge zu steuern, damit sie in den optimalen Phasenwinkelbereich fallen. Die Steuerschaltung 40 wird durch eine CPU (zentrale Verarbeitungseinheit) als eine Steuereinheit und andere erstellt, um durch die CPU Funktionen zu implementieren, die ein Programm ausführen. Zusätzlich kann die Steuerschaltung 40 den Betrag der Gleichstromspannungen Vdc (Vdc1, Vdc2) der Erniedrigungsgleichstromsteller 20a, 20b und der Ausgangsströme Iiv1, Iiv2 der Wechselrichter 30a, 30b und die Phasenwinkel Θiv1, Θiv2 als Ausgangsphasenwinkel messen.
(Bezüge)
Die oben beschriebene Ausführungsform steuert die Positionen der Gate-Impulse der Transistoren Q1, Q2, Q3, Q4, um die Phasen der Spulenströme anzugleichen. Die Phase des Spulenstroms kann jedoch auch angeglichen sein, indem ausgeführt wird, dass eine Phase der wechselseitigen Induktionsspannung, die über der Induktionsheizspule La in einer Zone von der Induktionsheizspule Lb in die andere Zone induziert wird, gleich der Phase des Resonanzkreises ist, der aus der Induktionsheizspule La, dem Kondensator Ca und dem Ersatzwiderstand aufgebaut ist.
7A bis 7C sind Ersatzschaltbilder von Spannungswechselrichtern und einem Stromwechselrichter als Bezüge, von denen 7A ein Ersatzschaltbild von einem Wechselrichter ist, 7B das von dem anderen Wechselrichter ist und 7C das von dem Stromwechselrichter ist.
In dem Ersatzschaltbild von 7A ist die Impedanz des Kondensators Ca durch -jXc1 angegeben, sowie die Impedanz der Induktionsheizspule La durch jXl1 angegeben ist und sowie der Ersatzwiderstand durch den Widerstand R1 angegeben ist. Eine Impedanz 21 eines Resonanzkreises, der mit dem Wechselrichter Eiv1 verbunden ist, hat eine Blindkomponente von (-jXc1 + jXl1) und eine aktive Komponente von R1. Zusätzlich kann die Impedanz 21 als j(|Z1|*sinΘiv1) + |Z1|*cosΘiv1 dargestellt werden. Hierbei ist $| Z 1 | = {{(X 11 * Xc 1)}^{2} + R 1^{2}}^{0.5} .$
Ferner wird die wechselseitige Induktionsspannung Vm21, die über der Induktionsheizspule La induziert wird, unter der Annahme, dass der Strom, der durch die Induktionsheizspule Lb Iiv2 und der wechselseitige Induktionsblindwiderstand Xm = ωM ist, dargestellt als $\begin{matrix} Vm 21 = Iiv2 * (jXm + Rm) = Iiv 2 * (j ω M + Rm) \\ = Iiv 2 * | Zm | * (cos Θ m + jsin Θ m) . \end{matrix}$
Hierbei ist |Zm| = (Rm² + Xm²)^0.5.
In dem Ersatzschaltbild von 7B ist die Impedanz des Kondensators Cb durch -jXc2 angegeben, sowie die Impedanz der Induktionsheizspule Lb durch jX12 angegeben ist und sowie der Ersatzwiderstand durch den Widerstand R2 angegeben ist. Eine Impedanz Z2 eines Resonanzkreises, der mit dem Wechselrichter Eiv2 verbunden ist, hat eine Blindkomponente von (-jXc2 + jX12) und eine aktive Komponente von R2. Zusätzlich kann die Impedanz Z2 als j(|Z2|*sinΘiv2) + |Z2|*cosΘiv2 dargestellt werden. Hierbei ist $| Z 2 | = {{(X 12 - Xc 2)}^{2} + R 2^{2}}^{0.5} .$
Ferner wird die wechselseitige Induktionsspannung Vm12, die über der Induktionsheizspule Lb induziert wird, unter der Annahme, dass der Strom, der durch die Induktionsheizspule La Iiv1 und der wechselseitige Induktionsblindwiderstand Xm = ωM ist, dargestellt als $\begin{matrix} Vm12 = Iiv1 * (jXm + Rm) = Iiv1 * (j ω M + Rm) \\ = Iiv1 * | Zm | * (cos Θ m + jsin Θ m) . \end{matrix}$
Hierbei ist |Zm| = (Rm² + Xm²)^0.5.
In 7A und 7B werden dann, wenn eine Steuerung so durchgeführt wird, dass Θiv1 = Θm = Θiv2 ist, Phasen der Spulenströme Iiv1, Iiv2 angeglichen sogar dann, wenn die Blindwiderstände Xl1, X12 und die Selbstinduktivitäten L1, L2 der Induktionsheizspulen La, Lb voneinander verschieden sind.
7C ist ein Ersatzschaltbild des Stromwechselrichters. Eine Stromquelle, die den Strom Iiv1 fließen lässt, ist über beide Enden eines Kondensators, der eine Impedanz -jXc1 hat, verbunden, wobei ein Ende einer solchen Parallelschaltung über eine Schaltung, die die Impedanz (jXl1 + R1) hat, mit einem Ende einer Spannungsquelle verbunden ist, die eine wechselseitige Induktionsspannung Vm21 erzeugt, während das andere Ende der Parallelschaltung mit dem anderen Ende der Spannungsquelle verbunden ist. Es ist zu beachten, dass Vm21 = Iiv2 × Zm(cosΘm + jsinΘm) ist.
Zu dieser Zeit wird eine Impedanz (jXl1 - jXc1) des Kondensators und der Induktionsheizspule durch j(|Z1|*sinΘiv1) dargestellt, während eine Impedanz des Ersatzwiderstands R1 durch |Z1|*cosΘiv1 dargestellt wird.
Der Phasenwinkel (Leistungsversorgungsphase) Θiv1 zwischen dem Strom Iiv1 und der Spannung Viv1 der Stromquelle wird identisch zu der Lastphase Θm.
(Abwandlungen)
Die vorliegende Erfindung sollte nicht auf die oben beschriebenen Ausführungsformen begrenzt werden und verschiedenartige Abwandlungen können vorgenommen werden, zum Beispiel wie folgt:

(1) die Ausführungsform hat einen IGBT als ein Schaltelement des Wechselrichters genutzt, aber Transistoren wie etwa ein FET (Feldeffekttransistor) und ein bipolarer Transistor können genutzt werden;
(2) die Ausführungsform hat die Erniedrigungsgleichstromsteller 20a, 20b genutzt, die die Spannung von der Gleichstromspannung erniedrigen, um die Gleichstromleistung den Wechselrichtern zuzuführen, aber eine Gleichstromspannung kann auch von handelsüblichen Leistungsversorgungen durch Verwenden eines Umsetzers erzeugt werden; zusätzlich kann nicht nur eine Drei-Phasen-Leistungsversorgung sondern auch eine Einzel-Phasen-Versorgung als die handelsübliche Leistungsversorgung verwendet werden;
(3) die Ausführungsform hat die Leistung der gemeinsamen Gleichstromspannung Vdc den Wechselrichtern 30a, 30b, die allen Induktionsheizspulen La, Lb zugeordnet sind, zugeführt, aber eine Induktionsheizspule, die die maximale Heizmenge erfordert und ein Wechselrichter, der dieser Induktionsheizspule zugeordnet ist, können hinzugefügt werden, um dem hinzugefügten Wechselrichter Leistung der Gleichstromspannung Vmax zuzuführen, um den Wechselrichtern 30a, 30b Leistung der Gleichstromspannung Vdc zuzuführen, und
(4) die Induktionsheizvorrichtung 100 gemäß der Ausführungsform hat zwei Induktionsheizspulen La, Lb, zwei Erniedrigungsgleichstromsteller 20a, 20b und zwei Wechselrichter 30a, 30b genutzt, aber eine größere Anzahl von Induktionsheizspulen, Erniedrigungsgleichstromstellern und Wechselrichtern kann genutzt werden.

Bezugszeichenliste

10: Gleichrichter- und Glättungsschaltung
20, 20a, 20b: Erniedrigungsgleichstromsteller bzw. Step-Down-Chopper (Gleichstrom/Gleichstrom-Umsetzer)
30, 30a, 30b: Wechselrichter (Resonanzwechselrichter)
40: Steuerschaltung
100: Induktionsheizvorrichtung
La, Lb: Induktionsheizspule
Ca, Cb: Resonanzkondensator
C1, C2: Kapazität
L1, L2: Selbstinduktivität
R1, R2: Ersatzwiderstand
E1, E2: Spannungsquelle
M: wechselseitige Induktivität
-Mc: Gegenkopplungsinduktivität
Rm: Widerstand der wechselseitigen Induktivität
C00, C01: Elektrolytkondensator
Tr, Q1, Q2, Q3, Q4: IGBT (Schaltelement)
D1, D2, D3, D4, D5, D6: Umschaltdiode
DCL: Drosselspule
Vdc1, Vdc2: Gleichstromspannung
Vm21, Vm12: wechselseitige Induktionsspannung

Claims

Induktionsheizvorrichtung (100), die Folgendes umfasst: mehrere Resonanzwechselrichter (30,30a,30b), die in einer wechselseitigen Induktionsumgebung jeweils mehreren Induktionsheizspulen (La,Lb) Leistung zuführen, und eine Steuerschaltung (40), die Frequenzen von Spulenströmen , welche durch die mehreren Induktionsheizspulen (La,Lb) fließen, angleicht und die Spulenströme mit derselben Frequenz betreibt, wobei sie diese Frequenz so steuert, dass die Phasenwinkel zwischen Ausgangsspannungen von den mehreren Resonanzwechselrichtern (30,30a,30b) und den Spulenströmen in einen vorgegebenen Bereich fallen.
Induktionsheizvorrichtung, die Folgendes umfasst: mehrere Resonanzwechselrichter (30,30a,30b), die in einer wechselseitigen Induktionsumgebung jeweils mehreren Induktionsheizspulen (La, Lb) Leistung zuführen, und eine Steuerschaltung (40), die Frequenzen von Spulenströmen, welche durch die mehreren Induktionsheizspulen (La,Lb) fließen, angleicht und die Spulenströme mit derselben Frequenz betreibt, wobei sie diese Frequenz sowie die Größe der einzelnen Spulenströme so steuert, dass die Phasenwinkel zwischen den Ausgangsspannungen von den mehreren Resonanzwechselrichtern(30,30a,30b) und den Spulenströmen in einen vorgegebenen Bereich fallen.
Induktionsheizvorrichtung nach Anspruch 2, wobei die Steuerschaltung so steuert, dass Phasen der Spulenströme angeglichen sind.
Verfahren zum Steuern einer Induktionsheizvorrichtung (100), die mehrere Resonanzwechselrichter (30,30a,30b) zum Zuführen von Leistung an jeweils mehrere Induktionsheizspulen (La,Lb) in einer wechselseitigen Induktionsumgebung enthält, wobei das Verfahren Folgendes umfasst: Angleichen von Frequenzen von Spulenströmen, welche durch die mehreren Induktionsheizspulen (La,Lb) fließen, wobei die Spulenströme mit derselben Frequenz betrieben werden, und Steuern der Frequenz, so dass Phasenwinkel zwischen Ausgangsspannungen von den mehreren Resonanzwechselrichtern(30,30a,30b) und den Spulenströmen in einen vorgegebenen Bereich fallen.
Verfahren zum Steuern einer Induktionsheizvorrichtung (100), die mehrere Resonanzwechselrichter (30,30a,30b) zum Zuführen von Leistung an jeweils mehrere Induktionsheizspulen (La,Lb) in einer wechselseitigen Induktionsumgebung enthält, wobei das Verfahren Folgendes umfasst: Angleichen von Frequenzen von Spulenströmen, welche durch die mehreren Induktionsheizspulen (La,Lb) fließen, wobei die Spulenströme mit derselben Frequenz betrieben werden, und Steuern der Frequenz sowie der Größe der einzelnen Spulenströme, so dass die Phasenwinkel zwischen Ausgangsspannungen von den mehreren Resonanzwechselrichtern (30,30a,30b) und den Spulenströmen in einen vorgegebenen Bereich fallen.
Programm, das konfiguriert ist, ein Verfahren zum Steuern einer Induktionsheizvorrichtung (100) gemäß Anspruch 4 oder 5 durch einen Computer auszuführen, das die Resonanzwechselrichter (30,30a,30b)steuert.