TWI830419B - 電力轉換器系統、包含其之控制系統及轉換電力的方法 - Google Patents

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Abstract

一種電力轉換器系統，其提供可調整電力給一加熱器，且包括一輸入整流器及一全橋式隔離轉換器。該輸入整流器係組配來整流具有一線路能量之一線路電源。該全橋式隔離轉換器係組配來基於該整流線路電源，產生一隔離輸出電壓。該隔離輸出電壓係與該線路能量電氣隔離。

Description

電力轉換器系統、包含其之控制系統及轉換電力的方法
本申請案主張於2020年5月6日申請之美國申請案第16/868,230號的利益及優先權。上述申請案之揭露內容係藉由參照併入本文。
本揭露內容係關於用於一熱系統之一電力裝置。
本節中的陳述僅提供與本揭露內容有關之背景資訊，且可不構成先前技術。
可操作以在一溫度範圍內加熱一負載的一電氣加熱器，通常係由提供可調整電力給該加熱器之一電力控制裝置供電。一些電力控制裝置使用相位角控制(亦即，相位促發控制)，來在一預定相位，藉由調變諸如一閘流器或一三極體交流開關之一電力切換器，限制來自一電源供應器的電力。在另一範例中，該電力控制裝置可為將交流(AC)電力轉換成直流(DC)電力之一可變DC電源。儘管提供特定範例，但亦可使用其他電力控制裝置。
以上說明之電力控制裝置可具有不良諧波及降低之功率因數，其可能需要額外組件來補償該功率因數。此外，對於相位角控制，當電力設定點高於50%時，可能難以限制至加熱器之電壓。並且，一可變DC電源可需要大量電子組件，諸如大容量電容器(bulk capacitor)、電磁干擾(EMI)濾波器、高頻變壓器、多個整流器及/或DC/DC轉換器，其等全部會增加該裝置之複雜性及大小。
關於提供可調整且可控制之電力給加熱器的這些及其他問題，係本揭露內容所針對處理的。
本節提供本揭露內容之一大致簡要說明，並非是其完整範圍或其所有特徵之全面揭露。
本揭露內容係針對一種用於對一加熱器提供可調整電力之電力轉換器系統。該電力轉換器系統包括：一輸入整流器，其組配來整流具有一線路能量之一線路電源；及一全橋式隔離轉換器，其組配來基於該整流線路電源產生一隔離輸出電壓。該隔離輸出電壓與該線路能量電氣隔離。
於一形式中，該全橋式隔離轉換器進一步包括：一全橋式整流器；一變壓器，其電氣耦接至該全橋式整流器，其中該變壓器係組配來產生一隔離全波電壓；及一輸出整流器，其組配來整流該隔離全波電壓以產生該隔離輸出電壓。
在另一形式變化中，該全橋式整流器包括一第一對電子切換器及一第二對電子切換器，以用該整流線路電源來驅動該變壓器。在另一變化例中，該電力轉換器系統包括一電力控制器，其係組配來操作該全橋式整流器以產生該隔離輸出電壓。
在另一形式中，該電力控制器係組配來執行一可變頻率控制，以產生小於或等於一電壓限制電力設定點之一輸出電壓，作為該隔離輸出電壓。
在又另一形式中，該電力轉換器系統進一步包括一橋式感測器，其係組配來偵測通過該變壓器之一主要繞組的一電流，以偵測磁通漫行(flux walk)。
於一形式中，該電力轉換器系統包括一濾波器，其係組配來過濾該隔離輸出電壓以輸出一所欲輸出電壓。
在另一形式中，該輸入整流器係組配來接收一單相交流電(AC)或一直流電(DC)中之一者作為該線路電源。
於一形式中，本揭露內容係針對一種控制系統，其包括本文中所說明之該電力轉換器系統及一主要系統控制器，其係組配來判定一所欲輸出電壓，且控制該電力轉換器系統以產生該所欲輸出電壓。
於一形式中，本揭露內容係針對一種轉換電力的方法，用以操作正由具有一線路能量之線路電源供電之一負載。該方法包括：整流該線路電源，以該整流線路電源可切換地驅動一變壓器，以產生一可調整電氣隔離全波電壓；及整流該電氣隔離全波電壓以獲得一隔離輸出電壓，其指示出施加至該負載之一所欲輸出電壓，其中電流係自與該隔離輸出電壓同相位之該線路電源汲取。
在另一形式中，該方法進一步包括過濾該隔離輸出電壓以獲得該所欲輸出電壓。
在又另一形式中，該方法進一步包括當該所欲輸出電壓小於一電壓限制電力設定點時執行一可變頻率控制，以在一切換頻率下驅動該變壓器，該切換頻率小於當該所欲輸出電壓大於該電壓限制電力設定點時之頻率。
於一形式中，該方法進一步包括偵測通過該變壓器之一主要繞組之一電流，及在該電流大於一通量電流臨界值時執行一訂正動作。
在另一形式中，該方法進一步包括偵測一施加電壓，其中該施加電壓為該線路電源或該整流線路電源中之至少一者，且在該施加電壓超過一預定義電壓範圍時執行一訂正動作。
在又另一形式中，該線路電源係一單相交流電(AC)或一直流電(DC)中之一者。
於一形式中，可切換地驅動該變壓器進一步包括交替地驅動一第 一對電子切換器及一第二對電子切換器。該第一對電子切換器及該第二對電子切換器形成一全橋式整流器。
於一形式中，本揭露內容係針對一種用於向一加熱器提供一所欲輸出電壓之電力轉換器系統。該電力轉換器系統包括：一輸入整流器，其係組配來整流具有一線路能量之一線路電源；一變壓器，其係組配來產生一隔離全波電壓；一全橋式整流器，其電氣耦接至該變壓器，且可操作來驅動該變壓器，以基於該整流線路電源產生該隔離全波電壓；一輸出整流器，其係組配來整流該隔離全波電壓，以產生指示出該所欲輸出電壓之一隔離輸出電壓；一橋式感測器，其係組配來量測流動通過該變壓器之一橋接電流；及一電力控制器，其係組配來操作該全橋式整流器以驅動該變壓器。
在另一形式中，該電力控制器係組配來響應於該橋接電流大於或等於一通量電流臨界值而判定一磁通漫行狀態，且該電力控制器係組配來響應於該磁通漫行狀態而執行一訂正動作。
在又另一形式中，該電力轉換器系統進一步包括一濾波器，其係組配來過濾該隔離輸出電壓以輸出該所欲輸出電壓。
在另一形式中，該輸入整流器係組配來接收一單相交流電(AC)或一直流電(DC)中之一者作為該線路電源。
進一步的適用範圍將根據本文所提供的說明而變得顯易可見。應理解，說明及特定範例係意圖僅供例示之目的，而不意圖限制本揭露內容之範圍。
1,2,3:相位
100:熱系統
102,502:加熱器
104,504:控制系統
106,506:主要系統控制器
108,508:電力轉換器系統
110,510,510-1,510-N:電阻式加熱元件
112,516:電源
114:隔離電力轉換器，加熱區域
202,300:電力轉換部分
204:控制部分
206,304:整流器
208,306:全橋式隔離轉換器
210,308:濾波器
212:電源感測器，感測器
214:整流電力感測器，感測器
216:橋式感測器，感測器
218:電力控制器
310,310-1,310-2,310-3,310-4,318,318-1,318-2,318-3,318-4:二極體
311:電感器
312:全橋式整流器
314:變壓器
314A:主要繞組
314B:次要繞組
316:輸出整流器
320:單相AC信號
322:整流AC信號
324:隔離全波電壓信號
326:隔離整流電壓信號
328:輸出電壓信號
514,514-1,514-N:隔離電力轉換器
SD1,SD2,SD3,SD4:切換器驅動器
SW1,SW2,SW3,SW4:電子切換器，切換器
T1:第一時間變數
T2:第二時間變數
T3:第三時間變數
為了使本揭露內容可被良好理解，現將以範例方式且參照隨附圖式說明其不同形式，其中：圖1為根據本揭露內容之包括一加熱器及具有一隔離電力轉換器 之一控制系統的一熱系統的一方塊圖；圖2為根據本揭露內容之圖1之隔離電力轉換器的一方塊圖；圖3為根據本揭露內容之一隔離電力轉換器的一範例電路圖；圖4為根據本揭露內容之比較在低電力設定點處具有及不具有可變頻率控制之隔離電力轉換器輸出電壓的一圖；圖5為根據本揭露內容之例示隔離電力轉換器之可變頻率控制的一圖；以及圖6為根據本揭露內容之具有多個隔離電力轉換器之一熱系統的一方塊圖。
本文說明之圖式係僅供例示之目的，且不意欲以任何方式限制本揭露內容之範圍。
以下說明本質上僅為範例性，並非意欲限制本揭露內容、應用或用途。應理解，在所有圖式中，對應參考數字指示相似或對應部件及特徵。
一熱系統可包括具有一或多個加熱元件之一加熱器及一控制系統，該控制系統包括一控制器及一電力轉換器系統(亦即，電力控制裝置)，以獨立控制送給該加熱器之該等加熱元件之電力。於一形式中，該電力轉換器系統包括降壓轉換器，其等可由該控制器操作，以產生對該加熱器之該等加熱元件的一所欲輸出電壓。
在另一形式中，該控制系統包括一電力轉換器系統，其在電源與電力轉換器之間提供一隔離障壁以將該加熱器與該電源隔離。更特定言之，本揭露內容說明一種電力轉換器系統，其包括可被稱作一隔離電力轉換器之一隔離電路，該隔離電路將線路電源與一電源隔離，且將該線路電源轉換為可施加至諸如一加熱器之一負載的可調整所欲輸出電壓。該隔離電力轉換器包括：一 全橋式隔離轉換器，其具有高切換率電子切換器；及一變壓器，其用於隔離該線路電源且將該線路電源轉換為一所欲電壓。該隔離電力轉換器減少或抑制轉換期間的電力損失，且消除或減少一大型大容量電容器(亦即，DC鏈路電容器)的使用。據此，該隔離電力轉換器可小於例如一可變DC電源。
參看圖1，根據本揭露內容建構之一熱系統100包括一加熱器102以及用以操作加熱器102之一控制系統104。控制系統104係組配來基於例如一電力設定點、一溫度設定點、及/或來自加熱器102之反饋資料以及其他變數，將一隔離可調整電力輸出提供給加熱器102。於一形式中，控制系統104包括一主要系統控制器106，其用以判定將施加至加熱器102之電力量，以及一電力轉換器系統108，其可由主要系統控制器106操作以產生該隔離電力輸出。在該等圖式中，點鏈線箭頭表示資料及/或控制信號(例如，0V-5V)且實線表示電力線路。
加熱器102可操作來加熱一負載，諸如但不限於：作為一半導體加工腔室之部分的一晶圓、在一通道/管中流動之氣態流體，及/或提供於一容器中之液體。於一形式中，加熱器102包括一電阻式加熱元件110，其在電力被施加至電阻式加熱元件110時產生熱。雖然提供一電阻式加熱元件，但加熱器102可包括一個以上電阻式加熱元件。
在一應用中，連同產生熱，電阻式加熱元件110可作為一感測器操作，用來基於電阻式加熱元件110之一電阻，來量測電阻式加熱元件110之一平均溫度。更特定言之，此一電阻式加熱元件通常具有一非線性電阻溫度係數且界定一「雙線式」加熱器系統。此一雙線式系統係於美國專利第7,196,295號中揭露，該專利案與本申請案共同擁有且其內容係藉由參照全文併入本文。於一雙線式系統中，該熱系統係一適應式熱系統，其合併加熱器設計與控制，該等控制將電力、電阻、電壓及電流整併入一個限制著一或多個這些參數(亦即，電 力、電阻、電壓及電流)、同時控制另一參數的可定製反饋控制系統中。控制系統104係組配來監測遞送給該電阻式加熱元件之電流、電壓及電力中至少一者以判定電阻，且因此判定電阻式加熱元件110之溫度。
在另一範例性應用中，加熱器102係組配來包括溫度感測電力接腳以供量測加熱器102之一溫度。使用該等電力接腳作為一熱偶來量測一電阻式加熱元件之一溫度係於申請人於2015年5月29日申請之美國專利申請案第14/725,537號、標題為「具有溫度感測電力針腳之電阻式加熱器」的共同待決申請案中揭露，其與本申請案為共同擁有，且其內容係藉由參照全文併入本文。通常而言，該加熱器之電阻式加熱元件及該控制系統係經由分別界定一第一接合部及一第二接合部的一第一電力接腳及一第二電力接腳所連接。該等第一及第二電力接腳係作為熱偶感測接腳，供用於量測加熱器102之電阻式加熱元件之溫度。與該等第一及第二電力接腳連通之控制系統104，係組配來量測該等第一及第二接合部處之電壓改變。更詳而言之，控制系統104量測在該等接合部處的毫伏特(mV)改變，且接著使用這些電壓改變，來計算電阻式加熱元件110的一平均溫度。於一形式中，該控制系統104可以量測在該等接合部處的電壓改變，而不中斷給該電阻式加熱元件的電力。
雖然說明特定範例及操作功能，但加熱器102可為操作來基於正接收之電力而產生變動溫度之其他合適類型的加熱器。此外，作為該「雙線式」加熱器或該等溫度感測電力接腳之替代或附加，加熱器102可包括一分立溫度感測器，諸如一熱偶、一電阻溫度偵測器(RTD)感測器，還有他者，供用來量測加熱器102之溫度，其係提供給控制系統104作為一閉路控制之部分。
控制系統104係組配成基於操作設定點、來自加熱器102之反饋資料、及/或預定義控制程式/演算法、還有其他輸入及/或控制方案，來控制給加熱器102之電力，且因此控制加熱器102之熱效能。更特定言之，於一形式中， 主要系統控制器106判定加熱器102之一所欲輸出電壓，且電力轉換器系統108將一輸入電壓(亦即，一線路電源)自一電源112轉換成該所欲輸出電壓。於一形式中，該所欲輸出電壓可為0V至等於或大於線路電壓之一最大電壓之間的一數值(例如，最大電壓係線路電壓、大於該線路電壓10%，或基於系統準則之其他合適數值)。
基於加熱器102之應用及類型，可採用各種合適方式組配主要系統控制器106。舉例而言，於一形式中，主要系統控制器106係一閉路系統，其從加熱器102及/或配合加熱器102提供之感測器(未示出)獲取反饋資料，以監測加熱器102之效能特性，諸如但不限於：施加電壓、電流、電阻、電力及/或溫度。基於該等效能特性及經定義控制方案，主要系統控制器106判定待傳送給電力轉換器系統108之該所欲輸出電壓及對應控制信號，以用於產生該所欲輸出電壓。除了關於加熱器102之該等效能特性的反饋資料以外，主要系統控制器106可接收指示出熱系統100之操作的其他資料，其可用來控制給加熱器102之電力。例如，可監測指示出來自該電源112之電力的資料，以偵測電力突降或突尖。
於一形式中，主要系統控制器106使用一狀態模式控制，其中主要系統控制器106基於一或多個輸入參數(例如，溫度、電阻、電流及/或電壓)判定加熱器102之一操作狀態。加熱器102之操作狀態包括：閒置模式，其中沒有電力正被供應給加熱器102；起動模式，其中低電力正被供應來量測電壓及電流；軟起動模式，其中電力以一低斜坡率增加，直至通過一特定電阻設定點；速率模式，其中溫度以一基於該加熱器之一材料所選擇之一斜坡率增加；留持模式，其中加熱器102之溫度係利用例如一連續比例-積分-微分控制器(PID控制)來控制至一特定設定點。這些操作狀態僅為範例性，且可包括其他模式而仍保持於本揭露內容之範圍內。
基於加熱器102之操作模式，主要系統控制器106藉由調整來自一各別隔離電力轉換器而施加至加熱元件之輸入電壓，獨立地控制該等加熱元件。主要系統控制器106可以各種方式組配來調整該輸入電壓，包括但不限於：(1)根據操作狀態修改PID參數；(2)將一自動(無使用者輸入)模式改變為手動(由控制器接收使用者輸入)，或將一手動模式改變為自動；(3)設定一手動百分比電力；(4)開始一設定點斜坡；(5)藉由偏補積分、縮放該積分及/或基於溫度進行修改，修改PID控制的一積分(留持項目)；以及(6)在進入一新操作狀態時改變電壓。由主要系統控制器106用於調整電壓之邏輯可以各種合適方式觸發，包括但不限於：(1)偵測到起動；(2)一加工溫度相近於一設定點；(3)該加工溫度偏離於該設定點；(4)該設定點中之改變；(5)超過該加工溫度；(6)下降至該加工溫度以下；(7)經過一段預定時段；(8)將達到一般系統讀數(例如，電流、電壓、瓦數、電阻及/或電力百分比)。熱系統包括多個狀態，其中每一狀態具有獨特設定，來生成在一動態系統中提供最佳效能的一可規劃狀態機器。每一狀態均可界定出當條件符合時即進入之下一個狀態。
主要系統控制器106亦可組配來執行其他操作，諸如但不限於：一冷偵查(cold ping)控制，其提供一小信號位準(例如，5V)給加熱器102來判定該熱系統如溫度之特性；經由一圖形使用者介面報告電壓、電流、電阻及/或瓦數；校準控制來得知諸如一加熱器-負載溫度關聯性之特性；用以監測加熱器102之健康及/或狀態之診斷；及/或系統保護監測。
更特定言之，於一形式中，主要系統控制器106係組配來針對可能損壞加熱器102及/或控制系統104之異常活動，監測熱系統100。於一形式中，主要系統控制器106進行以下保護協定中之至少一者：區域對區域監測；區域對參考點監測；估量改變率及/或能量限制控制。
該區域對區域及該區域對參考點監測係連貫性控制的範例，用以 評估熱系統100是否沿著加熱器102維持所欲均衡，且最小化或抑制對加熱器102之損壞(諸如陶瓷斷裂)。舉例而言，針對該區域對區域監測，主要系統控制器106基於該等輸入參數來判定加熱區域114之溫度，且判定鄰近區域之間的溫度差異是否超過一溫度變異量臨界值(例如：10℃差值)。若為是，則主要系統控制器106執行保護措施以減少或抑制對熱系統100之損壞。
該區域對參考點監測係比較加熱器102之平均溫度與參考溫度，以判定兩者之間的溫度是否超過一溫度變異量臨界值，其可與用於該區域對區域監測者相同或不同。據此，該連貫性控制可藉由例如調整給加熱器102之電力或使系統停機來防止熱系統100超過變異量臨界值。
熱系統100之可能異常操作的另一指標，係在於加熱器102正基於所施加電力加熱的加熱率。更詳而言之，於一形式中，將加熱器102之加熱器溫度及/或電氣響應基於正施加之電力改變的改變率，與一相關聯改變率範圍臨界值進行比較，以判定加熱器102是否正在規格內作出響應。舉例而言，若當施加電力增加時該加熱器溫度未增加，或若當施加電力相同或稍微增加時該加熱器溫度突然增加，則主要系統控制器106將此類活動加旗標為異常且執行保護措施。相似地，該能量限制控制對可施加至加熱器102之電力量設定一限制，且若熱系統100超過及/或接近那些限值，則主要系統控制器106輸出一保護措施。舉例而言，該能量限制控制係用來設定低電阻起動期間之最大電流及所遞送之最大電力。最大值可由使用者設定或基於例如加熱器102之規格而預定，且可在一溫度範圍內變化。
由主要系統控制器106執行之保護措施包括但不限於：減少給一或多個加熱區域114之電力以控制變化、切斷給加熱器102之電力，及/或將關於顯著溫度變化之一訊息輸出給運算裝置。
於一形式中，電力轉換器系統108包括一隔離電力轉換器114，其 係為用於產生一隔離所欲輸出電壓之一步降電壓轉換器。參看圖2，於一形式中，隔離電力轉換器114包括用於將輸入電壓轉換成由主要系統控制器106判定之所欲輸出電壓的一電力轉換部分202，及用於控制電力轉換部分202以產生該所欲輸出電壓之一控制部分204。
於一形式中，電力轉換部分202包括一整流器206、一全橋式隔離轉換器208、以及一濾波器210。整流器206係組配來接收來自電源112之輸入電壓(亦即，線路電源)以及產生在一方向上流動之一整流電壓信號(亦即，整流線路電源)。舉例而言，隨著該輸入電壓係一單相AC電力信號，整流器206輸出在一方向上提供之一整流AC信號。該輸入電壓亦可為一直流(DC)電壓信號，且不限於一AC電力信號。整流器206可為一主動或一被動整流器。
基於該整流電壓信號，全橋式隔離轉換器208產生指示出該所欲輸出電壓之一隔離輸出電壓信號。如本文所說明，全橋式隔離轉換器208包括複數個電子切換器，其等可由控制部分204操作，以調整所接收電壓為該所欲輸出電壓。濾波器210平滑化該隔離輸出電壓信號，以輸出該所欲輸出電壓至加熱器102。
控制部分204係組配來監測電力轉換部分202之效能，且與主要系統控制器106連通。於一形式中，控制部分204包括一電源感測器212、一整流電力感測器214、一橋式感測器216、以及與感測器212、214及216連通之一電力控制器218。電源感測器212及整流電源感測器214分別偵測來自電源感測器212之一輸入電壓、與來自整流器206之一整流電壓(亦即，整流線路電源)的電壓位準。於一形式中，電源感測器212及整流電源感測器214係電壓感測器，且分別包括用以從電源112及整流器206量測電壓之必要電路系統。儘管該控制部分204係提供為包括電源感測器212及整流電力感測器214兩者，但控制部分204可僅包括電源感測器212或整流電力感測器214中之一者。
橋式感測器216係組配來量測通過全橋式隔離轉換器208之一橋接電流，以監測全橋式隔離轉換器208之一電感器磁通漫行條件。於一形式中，橋式感測器216係一電流感測器，且包括用於量測全橋式隔離轉換器208處之電流的該必要電路系統，如本文進一步說明者。
電力控制器218係通訊式耦接至主要系統控制器106，且係組配來控制全橋式隔離轉換器208之操作，以產生指示出該所欲輸出電壓之一電壓信號。此外，基於來自電源感測器212及/或整流電力感測器214之資料，電力控制器218係組配來監測提供給全橋式隔離轉換器208之電壓，以偵測異常電壓位準。特別是，若該電壓位準浪湧至預定義臨界值以上、或減小至預定義臨界值以下，則電力控制器218停止全橋式隔離轉換器208之操作，以防止或抑制加熱器102處之電力突波/突降。舉例而言，電源感測器212及/或整流電源感測器214偵測進入全橋式隔離轉換器208之一施加電壓(例如，線路電源或整流線路電源)，且電力控制器218係組配來在該施加電壓超過一預定義電壓範圍時執行一訂正動作。於一形式中，在此類異常電力活動期間，電力控制器218亦係組配來通知主要系統控制器106此類異常活動，及/或關斷給加熱器102之電力，以作為一訂正動作。
參看圖3，其提供具有用於隔離電力轉換器114之電力控制器218之一電力轉換部分300的一範例電路圖。電力轉換部分300可提供為電力轉換部分202。出於簡潔之目的，圖3中未繪示與隔離電力轉換器114一起例示之其他組件，諸如感測器212、214及216。
電力轉換部分300包括一整流器304、一全橋式隔離轉換器306及一濾波器308。整流器304、全橋式隔離轉換器306及濾波器308可分別提供為整流器206、全橋式隔離轉換器208及濾波器210。整流器304係具有四個二極體310-1至310-4(統稱為「二極體310」)之一被動整流器。作為二極體310之替代， 整流器304可為具有將由電力控制器218操作之切換器，諸如場效電晶體(FET)或雙極接面電晶體(BJT)之一主動整流器。於一形式中，濾波器308包括一電感器311，其平滑化來自全橋式隔離轉換器306之該電壓信號，且輸出該所欲輸出電壓信號至加熱器102。濾波器308可為其他合適濾波器，諸如一電容器-電感器濾波器，且不限於電感器311。
全橋式隔離轉換器306係組配來產生指示出待施加至加熱器102之該所欲輸出電壓之一隔離電壓信號(亦即，隔離輸出電壓)。於一形式中，全橋式隔離轉換器306包括一全橋式整流器312、一變壓器314及一輸出整流器316。全橋式整流器312係電氣耦接至整流器304，且可操作以用該整流電壓信號(亦即，整流線路電源)來驅動變壓器314。於一形式中，全橋式整流器312包括由SW1與SW4形成的一第一對電子切換器、由SW2與SW3形成的一第二對電子切換器，及用於分別驅動該等切換器SW1、SW2、SW3及SW4的切換器驅動器SD1、SD2、SD3及SD4。於一形式中，該等切換器SW1、SW2、SW3及SW4可為場效電晶體(FET)或雙極接面電晶體(BJT)，且該等切換器驅動器SD1、SD2、SD3及SD4為用於操作該等電晶體之電子組件。該等切換器驅動器SD1、SD2、SD3及SD4中之每一者係電耦接至電力控制器218，且可由電力控制器218操作來斷開及閉合該等電子切換器SW1、SW2、SW3及SW4。在下文中，該等切換器SW1、SW2、SW3及SW4可統合地參照為切換器SW1-SW4，且該等切換器驅動器SD1、SD2、SD3及SD4可統合地參照為切換器驅動器SD1-SD4。
變壓器314係提供在全橋式整流器312與輸出整流器316之間，以在電源112與加熱器102之間提供電流隔離。在此，變壓器314之一主要繞組314A係耦接至全橋式整流器312，且變壓器314之一次要繞組314B係耦接至輸出整流器316。變壓器314係組配來具有1：1匝比，但可具有1：X匝比，其中X大於1(例如，1：1.2匝比)，以增加該隔離電壓信號之電壓。
於一形式中，輸出整流器316係具有四個二極體318-1至318-4(統稱為「二極體318」)之一被動整流器。輸出整流器316整流來自變壓器314之一隔離全波電壓以產生一整流隔離電壓，其亦可被稱作一隔離輸出電壓且其指示出該所欲輸出電壓。如同整流器304，輸出整流器316可為可由電力控制器218控制之一主動整流器，而非一被動整流器。
電力控制器218係組配來操作全橋式整流器312，以基於指出待提供給加熱器102之電量(例如，輸入電壓之80%、輸入電壓之75%等)之來自主要系統控制器106的電力指令，來產生該所欲輸出電壓。基於該等電力指令，電力控制器218判定用於操作該等切換器SW1-SW4的工作週期。電力控制器218一起操作第一對切換器SW1與SW4且一起操作第二對切換器SW2與SW3，以在不同方向上驅動變壓器314。也就是說，當切換器SW1與SW4閉合且切換器SW2與SW3斷開，該整流電力被施加至變壓器314，以使得電流在一第一方向上流動通過主要繞組314A。當切換器SW1與SW4斷開且切換器SW2與SW3閉合，該整流電力被施加至變壓器314，以使得電流在與該第一方向相反的一第二方向上流動通過主要繞組314A。所產生之電壓量不僅取決於變壓器314之匝比，亦取決於該等切換器SW1-SW4被致動之速率。也就是說，假定該變壓器之匝比為1：1，若該等切換器處於一100%工作週期，則所欲輸出電壓將與輸入電壓相同或實質相同，且小於100%之工作週期提供小於輸入電壓之所欲輸出電壓。熟習此藝者應可瞭解的是，若變壓器314係組配成一步升變壓器，則處於例如100%工作週期之該輸出電壓可大於輸入電壓。
藉由持續參看圖3，來例示該隔離電力轉換器之電力轉換操作，電力轉換部分300接收一單相AC信號320。整流器304產生由全橋式隔離轉換器306所接收之一整流AC信號322。基於來自主要系統控制器106之該等電力指令，電力控制器218判定該等切換器SW1-SW4之工作週期且操作該等切換器 SW1-SW4。據此，全橋式整流器312被操作來在不同方向上驅動變壓器314，以產生一隔離全波電壓信號324。隔離全波電壓信號324係由複數個脈衝信號界定，該等複數個脈衝信號指示著，整流AC信號322係藉由該第一對切換器SW1與SW4以及該第二對切換器SW2與SW3之促動及止動，正被施加至變壓器314。輸出整流器316整流隔離全波電壓信號324，以提供指示出所欲輸出電壓之一隔離整流電壓信號326。濾波器308平滑化該隔離整流電壓信號326，以提供一輸出電壓信號328作為該所欲輸出電壓，其被施加至加熱器102。儘管該輸入電壓係提供為一單相AC信號320，但可將該輸入電壓提供為任何其他合適的電壓信號，諸如一三相之兩支腳信號、一DC信號，以及其他。
因為全橋式整流器312之切換率有限，所以該輸出電壓在轉變至低於所界定之一電力設定點的一電壓位準時，可進行一步階或一電壓突降。舉例而言，圖4例示隔離電力轉換器114之輸出電壓對電力設定點之一圖。如由實線A所例示，該關係為實質線性的，直到一低限制電力設定點為止，其在範例中在約10%處。當該電力設定點小於10%時，該關係不再為線性的，且該輸出電壓保持固定且接著突降。
為了提供較低輸出電壓，電力控制器218係組配來執行全橋式整流器312之一可變頻率控制。參看圖5，其提供一範例性三相可變頻率控制，其中：「T1」表示一第一時間變數，其係用於在相位1及相位3期間將頻率自一標準操作頻率改變至降低頻率位準；「T2」表示一第二時間變數，其係在每一相位之間所提供的一預定義等待時間；且「T3」表示一第三時間變數，其係用於將切換器之脈寬自一標準脈衝週期(例如，5μs)改變至一可變脈衝週期(0.5μs)的。
在該可變頻率控制之相位1中，該等切換器SW1-SW4係斷開且該切換頻率從該標準操作頻率(例如，120kHz)降低至一第一頻率位準(例如，20 MHz)。據此，對於相位1，T1被提供為將該切換頻率降低至該第一頻率位準的時間(亦即，以0開始且增加，直至該切換頻率係該第一頻率位準為止)。在啟動相位2之前，該可變頻率控制等待該預定義等待時間(亦即，T2)，且接著開始將該等切換器SW1-SW4之一脈衝週期自該標準脈衝週期減少至該可變脈衝週期(T3)。舉例而言，於一形式中，該第一對切換器SW1與SW4係閉合(亦即，經驅動以允許電流流動通過該變壓器)，其中切換器SW1最初具有該標準脈衝週期且切換器SW4之脈衝週期係經減少至一可變脈衝週期(T3)。一旦切換器SW4處於該可變脈衝週期，則切換器SW1之脈衝週期減少。相同控制發生在該第二對切換器SW2與SW3於其切換循環期間。對於熟習此藝者將為顯易可見的是，脈衝週期之調整係隨著時間(亦即，多個切換循環)發生，且圖5並非彼時段之一完整表示。在另一形式中，作為改變該等切換器SW1至SW4中之每一者之脈衝週期之替代，可針對該對切換器中之一切換器來調整脈衝週期。在另一形式中，作為控制切換器SW4與SW3之脈衝週期之替代，該可變頻率控制可減少切換器SW1與SW2之脈衝週期。
當脈衝週期係設定為T3且該等切換器SW1至SW4係斷開，諸如在該對切換器之切換器操作之間，第一可變時間T1係經延伸以在相位3期間，將該切換頻率自該第一頻率位準降低至該第二頻率位準。例如，該切換頻率自20kHz降低至2kHz。據此，切換循環之間的時間延長。於一形式中，為返回該標準操作頻率及該標準脈衝週期，可以反向方式執行該可變頻率控制。也就是說，該切換頻率自該第二頻率位準增加至該第一頻率位準，該脈衝週期自該可變脈衝週期增加至該標準脈衝週期，且該切換頻率自該第一頻率位準增加至該標準頻率位準。應易於理解的是，針對該可變頻率控制之各種變數所提供的數值，諸如該標準操作頻率、該第一頻率位準、該第二頻率位準及該脈寬，係僅出於解釋目的且可界定其他合適值。
使用該可變頻率控制，相比線A，輸出電壓之控制被改良，如藉由圖4中之虛線B所表示。據此，隔離電力轉換器可產生小於電壓限制電力設定點之一所欲輸出電壓，諸如線路電源之10%，且在低限制電力設定點下操作時抑制電壓突降。於一形式中，該可變頻率控制可被提供為由電力控制器218所施行的一演算法，以用於在低限制電力設定點或低於電力設定點時控制該等切換器SW1-SW4。應易於理解的是，圖4中所例示之特定值僅用於解釋目的，且不應限制本揭露內容之範圍。
於一形式中，電力控制器218係組配來監測變壓器314之一磁通漫行狀態的發生，其可由主要繞組314A中之電壓的聚積引起，並且執行一訂正動作以抑制或減少對加熱器102之損壞。更具體言之，橋式感測器216量測流動通過主要繞組314A之橋接電流，且若該橋接電流係大於或等於一通量電流臨界值，則電力控制器218係組配來響應於該磁通漫行狀態而執行一訂正動作。於一形式中，針對該磁通漫行狀態之一第一次發生，作為該訂正動作，電力控制器218針對正執行之切換循環(亦即，當前切換循環)斷開該等切換器SW1-SW4以切斷給變壓器314的電力，且繼續針對下一個切換循環操作該等切換器SW1-SW4。對於後續磁通漫行狀態(例如，兩次或兩次以上發生)，作為該訂正動作，電力控制器218係組配來斷開該等切換器SW1-SW4，以切斷給變壓器314之電力，且可進一步將電壓聚積通知主要系統控制器106。
如上所提供，電力控制器218係組配來基於來自電源感測器212及/或整流電力感測器214之資料，來抑制加熱器102中電力之一突波或突降。舉例而言，於一形式中，電力控制器218係組配來響應於輸入電壓超過一或多個臨界值(例如，輸入電壓大於一第一臨界值或輸入電壓小於一第二臨界值)而斷開該等切換器SW1-SW4以切斷給變壓器314之電力。該臨界值可基於熱系統之操作參數。電力控制器218亦可將關於線路電源改變之一通知發送給該主要系統 控制器。一相似控制可基於來自整流電力感測器214之資料來執行。
雖然圖1之加熱器102係例示為具有一電阻式加熱元件110，但加熱器102可包括一或多個電阻式加熱元件，且電力轉換器系統108可包括一或多個隔離電力轉換器114，以提供電力給該等電阻式加熱元件。舉例而言，參看圖5，一加熱器502係由具有一主要系統控制器506及一電力轉換器系統508之一控制系統504所控制。加熱器502包括多個電阻式加熱元件510-1至510-N(統稱為「電阻式加熱元件510」)，其等界定多個加熱區域。電力轉換器系統508包括對電阻式加熱元件510提供電力之一或多個隔離電力轉換器514-1至514-N(隔離電力轉換器514)。每一區域可獨立受控制且連接至一專用隔離電力轉換器。隔離電力轉換器514中之每一者可以與隔離電力轉換器114相似的方式組配。電源516可以與電源112相似的方式組配。
該控制系統包括本揭露內容之一隔離電力轉換器，以提供一可調整隔離電力給該加熱器。該隔離電力轉換器利用高速切換器以將輸入電壓調整為一所欲輸出電壓。該隔離電力轉換器亦執行一電力轉換，其中該加熱器以不超過最小可用線路電壓來驅動，且輸入電流係實質上等於所遞送電力除以實際線路電壓。因此，自線路汲取之峰值電流係處於最小線路電壓。
電力轉換可於任何給定電力位準下，降低給加熱器之施加電壓，以及降低諧波，且因此進一步減少漏電流。然而，相位角控制可對加熱器增加高頻諧波，其可增加漏電流。此外，該隔離電力轉換器固有地具有功率因數訂正，且因此可不需要用於訂正功率因數之額外電路系統。也就是說，電流係自與隔離輸出電壓同相位之線路電源汲取。該隔離電力轉換器可進一步不需要用於儲存能量之一大型大容量電容器(亦即，DC鏈路電容器)，諸如在可變DC電源供應器中見到的彼等電容器。
在此應用中，用語「控制器」可指、可為其一部分或可包括有： 一特定應用積體電路(ASIC)；一數位、類比或混合類比/數位式之分立電路；一數位、類比或混合類比/數位式之積體電路；一組合邏輯電路；一現場可規劃閘陣列(FPGA)；一處理器電路(共享、專用或群組)，其施行程式碼；一記憶體電路(共享、專用或群組)，其儲存由該處理器電路施行之程式碼；提供所述功能性之其他合適的硬體組件；或以上各者中一些或全部之組合，諸如在一單晶片系統中。
用語記憶體係用語電腦可讀取媒體的一子集。如本文所使用，用語電腦可讀媒體不涵蓋透過一媒體(諸如，在一載波上)傳播之暫時性電氣或電磁信號；因此用語電腦可讀媒體可視為有形且非暫時性的。
除非本文另外明確指出，否則在說明本揭露內容之範圍上，指示機械/熱性質、組成百分比、尺寸及/或容差或其他特性之所有數值，將被理解為經用詞「約」或「大約」修改。此修改係出於各種理由而為所欲的，包括：工業實踐、製造科技及測試能力。
A、B、及C中至少一者這個句型於本文中使用時，應該解釋為使用一非排他性邏輯「或」表示一邏輯(A或B或C)，並且不應該被解釋為表示「至少一A、至少一B、以及至少一C」。
在圖式中，如箭頭所指出，一箭頭之方向通常而言展示與例示內容有關之資訊(諸如資料或指令)的流動。舉例而言，當元件A及元件B交換各種資訊，但自元件A傳送至元件B之資訊係與例示內容相關時，箭頭可自元件A指向元件B。此單向箭頭並非隱含無其他資訊自元件B傳送至元件A。另外，就自元件A送至元件B之資訊而言，元件B可向元件A送出資訊的請求或接收確認。
由上述討論，將可理解，本發明可以多種形式來體現，包含但不限於下列：
範例1.一種電力轉換器系統，其用以將可調整電力提供給一加熱器，該電 力轉換器系統包含：一輸入整流器，其係組配來整流具有一線路能量之一線路電源；以及一全橋式隔離轉換器，其係組配來基於經整流線路電源產生一隔離輸出電壓，其中該隔離輸出電壓係與該線路能量電氣隔離。
範例2.如範例1之電力轉換器系統，其中該全橋式隔離轉換器進一步包含：一全橋式整流器，一變壓器，其係電氣耦接至該全橋式整流器，其中該變壓器係組配來產生一隔離全波電壓；以及一輸出整流器，其係組配來整流該隔離全波電壓以產生該隔離輸出電壓。
範例3.如範例2之電力轉換器系統，其中該全橋式整流器包括一第一對電子切換器及一第二對電子切換器，以用該經整流線路電源來驅動該變壓器。
範例4.如範例3之電力轉換器系統，其進一步包含一電力控制器，其係組配來操作該全橋式整流器，以產生該隔離輸出電壓。
範例5.如範例4之電力轉換器系統，其中該電力控制器係組配來執行一可變頻率控制，以產生小於或等於一電壓限制電力設定點之一輸出電壓，作為該隔離輸出電壓。
範例6.如範例2之電力轉換器系統，其進一步包含一橋式感測器，其係組配來偵測通過該變壓器之一主要繞組的一電流，以偵測磁通漫行。
範例7.如範例1之電力轉換器系統，其進一步包含一濾波器，其係組配來過濾該隔離輸出電壓，以輸出一所欲輸出電壓。
範例8.如範例1之電力轉換器系統，其中該輸入整流器係組配來接收一單相交流電(AC)或一直流電(DC)中之一者，作為該線路電源。
範例9.一種控制系統，其包含： 如範例1之電力轉換器系統；以及一主要系統控制器，其係組配來判定一所欲輸出電壓，及控制該電力轉換器系統來產生該所欲輸出電壓。
範例10.一種轉換電力的方法，其用以操作由具有一線路能量之線路電源供電之一負載，其包含：整流該線路電源；以及以經整流線路電源可切換地驅動一變壓器，以產生一可調整電氣隔離全波電壓；以及整流該電氣隔離全波電壓以獲得一隔離輸出電壓，其指示出施加給該負載之一所欲輸出電壓，其中係自與該隔離輸出電壓同相位之該線路電源汲取電流。
範例11.如範例10之方法，其進一步包含過濾該隔離輸出電壓以獲得該所欲輸出電壓。
範例12.如範例10之方法，其進一步包含當該所欲輸出電壓小於一電壓限制電力設定點時執行一可變頻率控制，以在一切換頻率下驅動該變壓器，該切換頻率小於當該所欲輸出電壓大於該電壓限制電力設定點時之頻率。
範例13.如範例10之方法，其進一步包含：偵測通過該變壓器之一主要繞組的一電流；以及在該電流大於一通量電流臨界值時執行一訂正動作。
範例14.如範例10之方法，其進一步包含：偵測一施加電壓，其中該施加電壓為該線路電源或該經整流線路電源中之至少一者；以及在該施加電壓超過一預定義電壓範圍時執行一訂正動作。
範例15.如範例10之方法，其中該線路電源係一單相交流電(AC)或一直流 電(DC)中之一者。
範例16.如範例10之方法，其中可切換地驅動該變壓器進一步包含交替地驅動一第一對電子切換器及一第二對電子切換器，其中該第一對電子切換器及該第二對電子切換器形成一全橋式整流器。
範例17.一種電力轉換器系統，其用於將一所欲輸出電壓提供給一加熱器，該電力轉換器系統包含：一輸入整流器，其係組配來整流具有一線路能量之一線路電源；一變壓器，其係組配來產生一隔離全波電壓；一全橋式整流器，其電氣耦接至該變壓器，且可操作來驅動該變壓器，以基於經整流線路電源產生該隔離全波電壓；一輸出整流器，其係組配來整流該隔離全波電壓，以產生指示出該所欲輸出電壓之一隔離輸出電壓；一橋式感測器，其係組配來量測流動通過該變壓器之一橋接電流；以及一電力控制器，其係組配來操作該全橋式整流器以驅動該變壓器。
範例18.如範例17之電力轉換器系統，其中該電力控制器係組配來響應於該橋接電流大於或等於一通量電流臨界值而判定一磁通漫行狀態，且該電力控制器係組配來響應於該磁通漫行狀態而執行一訂正動作。
範例19.如範例17之電力轉換器系統，其進一步包含一濾波器，其係組配來過濾該隔離輸出電壓，以輸出該所欲輸出電壓。
範例20.如範例17之電力轉換器系統，其中該輸入整流器係組配來接收一單相交流電(AC)或一直流電(DC)中之一者作為該線路電源。
本揭露內容之說明本質上僅為範例性，因此，未脫離本揭露實質內容之變化係意欲落入本揭露內容之範圍內。請勿將此等變化視為脫離本揭露內容之精神及範圍。
114:隔離電力轉換器，加熱區域
202:電力轉換部分
204:控制部分
206:整流器
208:全橋式隔離轉換器
210:濾波器
212:電源感測器，感測器
214:整流電力感測器，感測器
216:橋式感測器，感測器
218:電力控制器

Claims (20)

  1. 一種電力轉換器系統，其用以將可調整電力提供給一加熱器，該電力轉換器系統包含：一輸入整流器，其係組配來整流具有一線路能量之一線路電源；一全橋式隔離轉換器，其包含一變壓器，其中該全橋式隔離轉換器係組配來基於經整流之該線路電源產生一隔離輸出電壓，其中該隔離輸出電壓係與該線路能量電氣隔離；及一電力控制器，其係組配來：操作該全橋式隔離轉換器以產生該隔離輸出電壓；基於該變壓器之一電流，判定該變壓器是否在一磁通漫行狀態中操作；及響應於該變壓器在該磁通漫行狀態中操作，執行一訂正動作。
  2. 如請求項1之電力轉換器系統，其進一步包含一橋式感測器，其係組配來偵測通過該變壓器之一主要繞組的該電流。
  3. 如請求項1之電力轉換器系統，其中該全橋式隔離轉換器進一步包含一全橋式整流器，其電氣耦接至該變壓器，其中該變壓器係組配來產生一隔離全波電壓。
  4. 如請求項3之電力轉換器系統，其中該全橋式隔離轉換器進一步包含一輸出整流器，其係組配來整流該隔離全波電壓以產生該隔離輸出電壓。
  5. 如請求項1之電力轉換器系統，其中該全橋式隔離轉換器包括一第一對電子切換器及一第二對電子切換器，以利用經整流之該線路電源來驅動該變壓器。
  6. 如請求項5之電力轉換器系統，其中該電力控制器係組配來： 響應於該變壓器在該磁通漫行狀態中操作，使該第一對電子切換器及該第二對電子切換器止動，以作為一訂正動作。
  7. 如請求項6之電力轉換器系統，其中該第一對電子切換器及該第二對電子切換器在一可變頻率控制程序之一給定切換循環內被止動。
  8. 如請求項1之電力轉換器系統，其中該電力控制器係組配來：響應於該電流大於或等於一臨界電流，判定該變壓器在該磁通漫行狀態中操作。
  9. 如請求項1之電力轉換器系統，其進一步包含一濾波器，其係組配來過濾該隔離輸出電壓，以輸出一所欲輸出電壓。
  10. 如請求項1之電力轉換器系統，其中該輸入整流器係組配來接收一單相交流電(AC)或一直流電(DC)中之一者，作為該線路電源。
  11. 一種用於電力轉換器的控制系統，其包含：如請求項1之電力轉換器系統；及一主要系統控制器，其係組配來判定一所欲輸出電壓，及控制該電力轉換器系統來產生該所欲輸出電壓。
  12. 如請求項11之控制系統，其中該電力控制器係組配來：響應於該變壓器在該磁通漫行狀態中操作，產生一通知給該主要系統控制器，以作為一訂正動作。
  13. 一種轉換電力的方法，其用以操作由具有一線路能量之線路電源供電之一負載，其包含：整流該線路電源；以經整流之該線路電源可切換地驅動一變壓器，以產生一可調整電氣隔離全波電壓；整流該電氣隔離全波電壓以獲得一隔離輸出電壓，該隔離輸出電壓指示出 施加給該負載之一所欲輸出電壓，其中電流係汲取自與該隔離輸出電壓同相位之該線路電源；基於該變壓器之一電流，判定該變壓器是否在一磁通漫行狀態中操作；及響應於該變壓器在該磁通漫行狀態中操作，執行一訂正動作。
  14. 如請求項13之方法，其進一步包含：偵測通過該變壓器之一主要繞組的一電流；及在該電流大於一通量電流臨界值時執行一訂正動作。
  15. 如請求項13之方法，其中可切換地驅動該變壓器進一步包含：交替地驅動一第一對電子切換器及一第二對電子切換器，其中該第一對電子切換器及該第二對電子切換器形成一全橋式整流器。
  16. 如請求項15之方法，其進一步包含：響應於該變壓器在該磁通漫行狀態中操作，使該第一對電子切換器及該第二對電子切換器止動，以作為一訂正動作。
  17. 如請求項16之方法，其中該第一對電子切換器及該第二對電子切換器在一可變頻率控制程序之一給定切換循環內被止動。
  18. 如請求項13之方法，其中該變壓器係響應於該電流大於或等於一臨界電流而在該磁通漫行狀態中操作。
  19. 如請求項13之方法，其進一步包含：過濾該隔離輸出電壓以獲得該所欲輸出電壓。
  20. 一種電力轉換器系統，其用於將一所欲輸出電壓提供給一加熱器，該電力轉換器系統包含：一輸入整流器，其係組配來整流具有一線路能量之一線路電源；一變壓器，其係組配來產生一隔離全波電壓；一全橋式整流器，其電氣耦接至該變壓器，且可操作來驅動該變壓器，以 基於經整流之該線路電源產生該隔離全波電壓；一輸出整流器，其係組配來整流該隔離全波電壓，以產生指示出該所欲輸出電壓之一隔離輸出電壓；一橋式感測器，其係組配來量測流動通過該變壓器之一橋接電流；及一電力控制器，其係組配來：操作該全橋式整流器以產生該隔離輸出電壓；基於該變壓器之一電流，判定該變壓器是否在一磁通漫行狀態中操作；及響應於該變壓器在該磁通漫行狀態中操作，執行一訂正動作。
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