用於減小的開關應力的感應加熱系統的製作方法

2023-10-31 08:41:32

專利名稱：用於減小的開關應力的感應加熱系統的製作方法
技術領域：
本發明通常涉及感應加熱系統，更具體涉及使用脈衝激發器的感應加熱系統，以提供具有最小開關應力(switch stress)的有效加熱。
背景技術：
術語「感應加熱」通常描述其中交流通過線圈以生成交流磁通量的過程。當線圈放置在要加熱的金屬物體緊密附近或纏繞要加熱的金屬物體時，交流磁通量感應地耦合到線圈的負載並在金屬物體內生成渦流，導致金屬物體被加熱。由於它的功能，線圈經常被稱為「工作線圈」或「感應頭」(induction head)，而將被加熱的金屬物體稱為「負載」。感應加熱可用於許多目的，包括彎曲粘合劑、金屬硬化、銅焊、焊接、熔接以及其他其中熱量是必須的媒介或催化劑的製造工藝。
認為感應加熱領域是完善的，具有已經開發用來控制供應到感應頭的功率以及因此在負載中產生的熱量的多種感應加熱系統。一種類型的感應加熱系統，通常被稱為諧振系統，通常包括電源、通常由工作線圈和電容器形成的諧振感應頭、以及某些其它類型的開關裝置來控制電源將功率傳遞到諧振感應頭。通常，開關裝置是閉合的，以使得電源將電流提供給諧振感應頭，導致將能量存儲在工作線圈內。當開關裝置是開啟的時，感應頭開始諧振並生成振蕩電壓和相應的振蕩電流，以及所存儲的能量被放電到負載作為熱量。
在振蕩的第一半周期期間，最大量的能量被從感應頭傳遞到負載。因此，為提供負載的最迅速的和最有效的加熱，通常將傳統感應加熱系統配置為當在第一半周期結束，振蕩電壓達到零時，通過操作開關裝置將所存儲的能量補充到感應頭。然而，在開關裝裝置處這經常不與零電壓相符合，導致開關裝置的潛在應力，或者需要複雜的開關裝置來工作。
感應加熱系統，特別是那些使用諧振感應頭的那些，將從簡化的方案中受益，該簡化的方案基本上最小化開關的應力，同時還提供迅速和有效的負載加熱。

發明內容
本發明提供感應加熱系統。該感應加熱系統包括電源開關、諧振加熱電路以及脈衝激發器。將諧振加熱電路配置為響應於DC脈衝輸入而生成振蕩電壓。該脈衝激發器位於橫跨電源開關並配置為監測橫跨電源開關的電壓，並當在振蕩電壓的第一周期期間檢測到橫跨電源開關的基本零電壓時啟動將隨後的DC脈衝應用於諧振加熱電路。


包括附圖以提供對本發明的進一步理解，並將附圖合併在此以構成本說明的一部分。

了本發明的優選實施例，並連同說明書一起用於解釋本發明的原理。當連同附圖研究時，參照下面的詳細說明，將容易地理解本發明的其他實施例和本發明的許多期望優勢，在整個附圖中相同參考標號指代相似部件。
圖1是說明根據本發明的感應加熱系統的一個示例性實施例的框圖。
圖2是說明根據本發明的感應加熱系統的一個示例性實施例的原理框圖。
圖3是說明橫跨根據本發明的一個實施例的感應加熱系統的電源開關的電壓的示例性曲線圖。
具體實施例方式
在圖1中，通常用20指代根據本發明的感應加熱系統。感應加熱系統20包括整流器22、諧振加熱電路24、電源開關26、脈衝控制器28、以及脈衝激發器30。將感應加熱系統20配置為感應地連接到外部電氣導電負載34並操作為控制電源開關26的開關，以使得提供負載34的基本上最大的加熱，同時並發地基本上最小化電源開關26的開關應力。
整流器22可經由第一輸入結點38和第二輸入結點40連接到A/C電源36，並配置為在輸出結點42提供DC電壓電平。諧振加熱電路24連接在整流器輸出節點42和節點44之間，以及電源開關26連接在節點44和接地節點46之間。脈衝控制器28配置為經由通路48向電源開關26提供開關控制信號，以使得電源開關26首先閉合，然後在預設持續時間之後開啟，以由此將DC脈衝提供給諧振加熱電路24。該預設持續時間是基於諧振加熱系統24能夠存儲而沒有持續損壞(sustaining damage)的最大能量值。諧振加熱電路24響應於DC脈衝而生成震蕩電壓和相關聯的振蕩電流和交流磁通量，以由此加熱感應地連接的外部負載34。
脈衝激發器30並聯地連接並配置為監測橫跨電源開關26的電壓。當在振蕩電壓的第一周期期間，橫跨電源開關26的電壓基本上等於零時，脈衝激發器30還配置為經由通路50將脈衝啟動信號提供給脈衝控制器30，以使得脈衝控制器25啟動將後續的DC脈衝施加到諧振加熱電路24。通過當在振蕩電壓的第一周期期間，橫跨電源開關26的電壓基本上等於零時閉合電源開關26，根據本發明的感應加熱系統30基本上最大化外部負載34的加熱並且基本上最小化電源開關26的開關應力。
圖2是說明根據本發明的感應加熱系統20的一個示例性實施例的原理框圖60。整流器22是標準的二極體橋接整流器，包括四個二極體62、64、66和68。第一二極體62具有連接到第一輸入節點38的陽極和連接到輸出節點42的陰極。第二二極體64具有連接到第二輸入節點40的陽極和連接到輸出節點42的陰極。第三二極體66具有連接到地46的陽極和連接到第一輸入節點38的陰極。第四二極體68具有連接到地46的陽極和連接到第二輸入節點40的陰極。整流器22可連接到外部A/C源36並配置為在輸出節點42提供DC電壓電平。
諧振加熱電路24包括諧振電容器70和工作磁頭(working head)72，該工作磁頭72包括纏繞鐵氧體磁芯76的感應加熱線圈74。諧振電容器與感應加熱線圈74並聯地連接，並具有連接到整流器輸出節點42的第一端和連接到節點44的第二端。諧振加熱電路24響應於DC電壓脈衝生成振蕩電壓和相關聯的振蕩電流以及鐵氧體磁芯76內的交流磁通量，以由此加熱感應地連接的外部負載34。在一個實施例中，工作磁頭72使用柔性引線連接到諧振電容器70，能夠使得工作磁頭72相對於感應加熱系統20可移動，並與例如負載34的要加熱的遠程負載相接觸。在一個實施例中，工作磁頭72不包括鐵氧體磁芯76。
電源開關26包括絕緣柵雙極電晶體(IGBT)，該絕緣柵雙極電晶體包括柵極80、連接到節點44的集電極82、以及連接到地46的射極。在其他實施例中，電源開關26包括場效應管(FET)、雙極結電晶體(BJT)、或矽控整流器(SCR)。脈衝控制器28配置為經由通路48將開關控制信號提供給電源開關26，以使得電源開關26首先閉合，然後在預設持續時間之後開啟，以由此將DC電壓脈衝提供給諧振加熱電路24。該預設持續時間基於在持續損壞之前諧振加熱電路24能夠存儲的最大能量。脈衝控制器28配置為在感應加熱系統20的初始啟動之後關閉電源開關26，以由此啟動第一DC電壓脈衝到諧振加熱電路24，並且隨後閉合電源開關26以基於經由通路50從脈衝激發器30接收脈衝啟動信號而啟動隨後的DC電壓脈衝到諧振加熱電路24。
脈衝激發器30與電源開關26並聯連接，並包括分壓器90和電平開關92。分壓器90包括降壓電阻94、監測電阻96、以及多個二極體98。降壓電阻94具有連接到節點44的第一端和連接到監測節點100的第二端。監測電阻96在監測節點100和地46之間連接。多個二極體100陰極對陽極地串連，並且與監測電阻96並聯，並且多個二極體的第一個二極體的陽極連接到監測節點100以及多個二極體的最後一個二極體的陰極連接到地46，並且用於將橫跨監測電阻96的電壓限定為最大電平。
當電源開關26位於關閉位置時，節點44連接到地，這有效地將脈衝激發器30從系統中除去，同時將DC電壓脈衝施加到諧振加熱電路24。當通過開啟電源開關26而將DC電壓脈衝從諧振加熱電路24中除去時，諧振加熱電路24開始生成振蕩電壓。在DC輸出節點42上的DC電壓電平和由諧振電路24生成的振蕩電壓的總和呈現在節點44，或集電極82，到地46，並且在下文中被稱為VC(集電極82到地的電壓)。當諧振加熱電路24生成振蕩電壓時，VC出現為具有基本上等於在DC輸出節點42的DC輸出電平的DC偏移的振蕩波形。VC還呈現為橫跨分壓器90的降壓電阻94和監測電阻96，大部分該電壓橫跨降壓電阻94，以及橫跨監測電阻96的從節點100到地56的監測電壓。當VC振蕩時，橫跨監測電阻96的監測電壓也振蕩。在下面的圖3中更加詳細地圖形說明VC。
電平開關92是反向互補金屬氧化物半導體(CMOS)施密特觸發器102，具有連接到監測節點100並接收監測電壓的輸入104，以及經由通路28連接到脈衝控制器28的輸出106。施密特觸發器102配置為具有磁滯，使得具有低電壓設置點和高電壓設置點。施密特觸發器102配置為比較監測電壓和低和高電壓設置點，並在輸出106提供脈衝啟動信號，導致當監測電壓基本上等於低電壓設置點時，脈衝控制器28啟動將隨後的DC脈衝施加到諧振電路24。在一個實施例中，低電壓設置點是遞增地大於零的預設值，使得當考慮到包括在脈衝激發器30和脈衝控制器28中的固有傳播延遲時，電源開關26實際上在監測電壓，並且因此VC具有基本上等於零的值時閉合，所述脈衝激發器30將脈衝啟動信號提供給脈衝控制器18，而所述脈衝控制器28將開關控制信號提供給電源開關26。
圖3是橫跨電源開關從集電極82到地的電壓的示例性曲線圖120，該電壓在下文中稱為VC，並旨在幫助描述感應加熱系統20的操作。在時間t0，沒有A/C電源施加到第一和第二輸入節點38和40，VC等於零，如122所示。在時間t1，如124所示，A/C電源36橫跨第一和第二輸入節點38和40被施加，導致整流器22提供DC電壓電平(VDC)並產生基本上等於VDC的從集電極82到地46的DC電壓。在感應加熱系統20的初始啟動之後，脈衝控制器28配置為經由線路110將電源開關控制信號提供給柵極80，以使得IGBT78變為前向偏置並經由射極84將集電極接地46，如在126的時間t2所示。脈衝控制器28配置為在從t2到時間t3期間(Δt)128將IGBT78保持在前向偏置條件下。在該持續時間期間，經由射極84將集電極82短路到地46，使得具有基本上等於VDC的幅度和持續時間Δt的DC電壓脈衝橫跨諧振加熱電路24施加，並導致在感應線圈74內積累電荷。持續時間Δt128確定在感應線圈74內所積累的電荷的幅度。
在時間t3，如在130所示，脈衝控制器28將電源開關控制信號提供給柵極80，以使得IGBT78變為反向偏置，導致IGBT78不再傳導到地並因此終止DC電壓脈衝到諧振電路24。在時間t3130，感應線圈74開始放電到諧振電容器70，並且諧振加熱電路24開始生成振蕩電壓，其反過來在鐵氧體磁芯76內生成相應的振蕩通量以加熱外部負載34。由諧振加熱電路24生成的振蕩電壓與VDC結合以形成振蕩電壓，該振蕩電壓具有基本上等於從集電極82到地46的橫跨電源開關26的VDC的DC偏移，如在132所示。如果沒有附加的DC脈衝施加到振蕩加熱電路24，橫跨電源開關26的振蕩波形將在DC偏移周圍逐漸衰減，或者「離去」，如虛線的波形136所示。
然而，當電源開關26在t3130開啟時，電壓VC從節點44到地46設置，並且因此橫跨降壓電阻94和監測電阻96，並由此在CMOS施密特觸發器102的輸入104提供監測電壓(VMON)。由於VC從在t3130的基本上零電壓的值升高到峰值138，橫跨監測電阻96的電壓升高，但是不限制於通過限制二極體98規定的最大值。由於VC經過峰值138，VC的值降為限制二極體98不再前向偏置的點，以及降壓電阻94和偏壓電阻96用作傳統分壓器。
VC繼續下降，直到在140的時間t4，其達到啟動電壓電平(VI)，如在142所示，在該點上在輸入104上的VMON基本上等於施密特觸發器102的低電壓設置點。當VMON基本上等於該低電壓設置點時，施密特觸發器102在輸出106經由通路50將脈衝啟動信號提供給脈衝控制器28，使得脈衝控制器28將開關控制信號提供給柵極80，其反過來使得IGBT78閉合，以由此啟動隨後的DC脈衝到諧振加熱電路24。脈衝控制器28將IGBT78保持在前向偏置條件下第二持續時間(Δt)，在144所指示，從t4140到在146所指示的t5，以由此將隨後的DC脈衝施加到諧振加熱電路24。然後因為加熱負載34所必須，重複上述過程，導致VC具有電壓波形，包括如峰138和148指示的一系列峰。
在上述說明中已經闡述了本發明的各種特徵和優勢。當然，應該理解本發明在許多方面僅僅是說明性的。可以在部件的例如形狀、尺寸和排列等的細節上做出改變，而不超過本發明的範圍。由下面的權利要求的文字限定本發明範圍。
權利要求
1.一種感應加熱系統，包括電源開關；諧振加熱電路，配置為響應於DC電壓脈衝輸入生成振蕩電壓；脈衝激發器，橫跨電源開關，並配置為監測橫跨電源開關的電壓，以及當在振蕩電壓的第一周期期間檢測到橫跨電源開關的基本為零的電壓時，啟動將隨後的DC電壓脈衝施加到諧振加熱電路。
2.如權利要求1的感應加熱系統，其中電源開關配置為閉合和開啟以提供DC電壓脈衝。
3.如權利要求2的感應加熱系統，其中電源開關配置為響應於開關控制信號開啟和閉合。
4.如權利要求3的感應加熱系統，還包括脈衝控制器，位於脈衝激發器和電源開關之間，並配置為將開關控制信號提供給電源開關，其中開關控制信號使得電源開關響應於在振蕩電壓的第一周期期間脈衝激發器檢測到橫跨電源開關的基本為零的電壓而閉合，並且在某持續時間之後開啟，以由此將隨後的DC電壓脈衝施加到諧振加熱電路。
5.如權利要求4的感應加熱系統，其中該持續時間固定在基本上等於最大允許持續時間的值上，該最大允許持續時間是基於諧振加熱電路的最大能量存儲容量的預設值。
6.如權利要求1的感應加熱系統，其中脈衝激發器包括分壓器，橫跨電源開關並配置為提供代表橫跨電源開關的電壓的檢測電壓；以及電平開關，配置為接收檢測電壓並且當檢測電壓的電平基本上等於預設正閥值電平時，啟動施加隨後的DC電壓脈衝。
7.如權利要求6的感應加熱系統，其中分壓器包括第一電阻和第二電阻，橫跨電源開關而串聯，其中監測電壓是橫跨第二電阻的電壓；以及多個二極體，陽極對陰極地橫跨第二電阻而串聯，用於限制橫跨第二電阻的電壓，以使得不損壞電平開關。
8.如權利要求7的感應加熱系統，其中二極體包括具有低電容的高速開關開啟二極體。
9.如權利要求1的感應加熱系統，其中諧振加熱電路包括諧振電容器；以及感應加熱線圈，與諧振電容器並聯連接。
10.如權利要求1的感應加熱系統，其中電源開關包括具有柵極、集電極和射極的絕緣柵雙極電晶體(IGBT)。
11.一種感應加熱系統的操作方法，包括操作電源開關以將DC電壓脈衝橫跨諧振電路施加；使諧振電路響應於DC電壓脈衝生成振蕩電壓；當在振蕩電壓的第一周期期間檢測到橫跨電源開關的基本零電壓時，將隨後的DC電壓脈衝施加到諧振電路。
12.如權利要求11的方法，其中操作電源開關包括閉合和開啟電源開關。
13.如權利要求11的方法，其中檢測橫跨電源開關的基本零電壓包括提供表示橫跨電源開關的電壓的檢測電壓；當檢測電壓基本上等於預設閥值時，閉合電源開關。
14.一種可連接到AC電源的感應加熱系統，該系統包括整流器，可連接到AC電源並配置為在DC輸出節點提供DC電壓；電源開關。具有第一端、連接到地的第二端、以及控制柵；諧振電路，在DC輸出節點和電源開關的第一端之間連接；脈衝控制器，配置為將控制信號提供給電源開關控制柵以閉合和開啟開關，以由此將DC電壓脈衝提供給諧振電路並導致諧振電路生成振蕩電壓；以及脈衝激發器，橫跨電源開關端連接，並配置為檢測橫跨電源開關的振蕩電壓以及將控制信號提供給脈衝控制器，指示脈衝控制器當橫跨電源開關的振蕩電壓達到預設閥值時閉合電源開關，以使得當開關閉合時橫跨電源開關的電壓基本上等於零。
15.如權利要求14的感應加熱系統，其中電源開關包括IGBT，具有配置為接收控制電壓的柵極、連接到諧振電路的集電極、以及連接到地的射極。
16.如權利要求14的感應加熱系統，其中脈衝激發器包括分壓器電路，橫跨電源開關端連接，並配置為提供表示橫跨電源開關的振蕩電壓的監測電壓；以及電平開關，配置為接收監測電壓，並且當監測電壓的電平基本上等於預設閥值時將控制信號提供給脈衝控制器。
17.如權利要求16的感應加熱系統，其中分壓器包括監測節點，連接到電平開關；第一電阻，在電源開關的第一端和監測節點之間連接；第二電阻，在監測節點和地之間連接，其中橫跨第二電阻的電壓是監測電壓；以及串聯的多個二極體，第一個串聯二極體的陽極連接到監測節點以及最後一個串聯二極體的陰極連接到地，其中二極體限制橫跨第二電阻的電壓。
18.如權利要求17的感應加熱系統，其中二極體包括具有低電容的高速開關開啟二極體。
19.如權利要求16的感應加熱系統，其中電平開關包括具有磁滯並且具有基本上等於預設閥值的低閥值電壓和高閥值電壓的反向CMOS施密特觸發器。
20.如權利要求14的感應加熱系統，其中諧振電路包括並聯諧振電路，包括電容器，具有連接到DC輸出節點的第一端和連接到電源開關的第一端的第二端；以及感應加熱線圈，與電容器並聯連接。
21.如權利要求20的感應加熱系統，其中感應加熱線圈感應地連接到工作磁頭。
22.如權利要求14的感應加熱系統，其中脈衝控制器還配置為在預設最大持續時間之後開啟開關，其中該最大持續時間基於諧振加熱電路的最大能量存儲容量。
23.如權利要求14的感應加熱系統，其中脈衝控制器配置為基於感應加熱系統的初始啟動閉合電源開關，並且隨後基於脈衝激發控制信號閉合開關。
全文摘要
提供了一種感應加熱系統(20)。該感應加熱系統(20)包括電源開關(26)、諧振加熱電路(24)、以及脈衝激發器(30)。諧振加熱電路(24)配置為響應於DC脈衝輸入生成振蕩電壓。脈衝激發器(30)橫跨電源開關(26)，並配置為檢測橫跨電源開關的電壓以及當在振蕩電壓的第一周期期間檢測到橫跨電源開關(26)的基本零電壓時，啟動將隨後的DC脈衝施加到諧振加熱電路(24)。
文檔編號H05B6/08GK1857032SQ200480027652
公開日2006年11月1日 申請日期2004年8月11日 優先權日2003年9月25日
發明者埃德蒙·J·林 申請人:3M創新有限公司