专利名称：用于减小的开关应力的感应加热系统的制作方法
技术领域：
本发明通常涉及感应加热系统，更具体涉及使用脉冲激发器的感应加热系统，以提供具有最小开关应力(switch stress)的有效加热。
背景技术：
术语“感应加热”通常描述其中交流通过线圈以生成交流磁通量的过程。当线圈放置在要加热的金属物体紧密附近或缠绕要加热的金属物体时，交流磁通量感应地耦合到线圈的负载并在金属物体内生成涡流，导致金属物体被加热。由于它的功能，线圈经常被称为“工作线圈”或“感应头”(induction head)，而将被加热的金属物体称为“负载”。感应加热可用于许多目的，包括弯曲粘合剂、金属硬化、铜焊、焊接、熔接以及其他其中热量是必须的媒介或催化剂的制造工艺。
认为感应加热领域是完善的，具有已经开发用来控制供应到感应头的功率以及因此在负载中产生的热量的多种感应加热系统。一种类型的感应加热系统，通常被称为谐振系统，通常包括电源、通常由工作线圈和电容器形成的谐振感应头、以及某些其它类型的开关装置来控制电源将功率传递到谐振感应头。通常，开关装置是闭合的，以使得电源将电流提供给谐振感应头，导致将能量存储在工作线圈内。当开关装置是开启的时，感应头开始谐振并生成振荡电压和相应的振荡电流，以及所存储的能量被放电到负载作为热量。
在振荡的第一半周期期间，最大量的能量被从感应头传递到负载。因此，为提供负载的最迅速的和最有效的加热，通常将传统感应加热系统配置为当在第一半周期结束，振荡电压达到零时，通过操作开关装置将所存储的能量补充到感应头。然而，在开关装装置处这经常不与零电压相符合，导致开关装置的潜在应力，或者需要复杂的开关装置来工作。
感应加热系统，特别是那些使用谐振感应头的那些，将从简化的方案中受益，该简化的方案基本上最小化开关的应力，同时还提供迅速和有效的负载加热。
发明内容
本发明提供感应加热系统。该感应加热系统包括电源开关、谐振加热电路以及脉冲激发器。将谐振加热电路配置为响应于DC脉冲输入而生成振荡电压。该脉冲激发器位于横跨电源开关并配置为监测横跨电源开关的电压，并当在振荡电压的第一周期期间检测到横跨电源开关的基本零电压时启动将随后的DC脉冲应用于谐振加热电路。
包括附图以提供对本发明的进一步理解，并将附图合并在此以构成本说明的一部分。
了本发明的优选实施例，并连同说明书一起用于解释本发明的原理。当连同附图研究时，参照下面的详细说明，将容易地理解本发明的其他实施例和本发明的许多期望优势，在整个附图中相同参考标号指代相似部件。
图1是说明根据本发明的感应加热系统的一个示例性实施例的框图。
图2是说明根据本发明的感应加热系统的一个示例性实施例的原理框图。
图3是说明横跨根据本发明的一个实施例的感应加热系统的电源开关的电压的示例性曲线图。
具体实施例方式
在图1中，通常用20指代根据本发明的感应加热系统。感应加热系统20包括整流器22、谐振加热电路24、电源开关26、脉冲控制器28、以及脉冲激发器30。将感应加热系统20配置为感应地连接到外部电气导电负载34并操作为控制电源开关26的开关，以使得提供负载34的基本上最大的加热，同时并发地基本上最小化电源开关26的开关应力。
整流器22可经由第一输入结点38和第二输入结点40连接到A/C电源36，并配置为在输出结点42提供DC电压电平。谐振加热电路24连接在整流器输出节点42和节点44之间，以及电源开关26连接在节点44和接地节点46之间。脉冲控制器28配置为经由通路48向电源开关26提供开关控制信号，以使得电源开关26首先闭合，然后在预设持续时间之后开启，以由此将DC脉冲提供给谐振加热电路24。该预设持续时间是基于谐振加热系统24能够存储而没有持续损坏(sustaining damage)的最大能量值。谐振加热电路24响应于DC脉冲而生成震荡电压和相关联的振荡电流和交流磁通量，以由此加热感应地连接的外部负载34。
脉冲激发器30并联地连接并配置为监测横跨电源开关26的电压。当在振荡电压的第一周期期间，横跨电源开关26的电压基本上等于零时，脉冲激发器30还配置为经由通路50将脉冲启动信号提供给脉冲控制器30，以使得脉冲控制器25启动将后续的DC脉冲施加到谐振加热电路24。通过当在振荡电压的第一周期期间，横跨电源开关26的电压基本上等于零时闭合电源开关26，根据本发明的感应加热系统30基本上最大化外部负载34的加热并且基本上最小化电源开关26的开关应力。
图2是说明根据本发明的感应加热系统20的一个示例性实施例的原理框图60。整流器22是标准的二极管桥接整流器，包括四个二极管62、64、66和68。第一二极管62具有连接到第一输入节点38的阳极和连接到输出节点42的阴极。第二二极管64具有连接到第二输入节点40的阳极和连接到输出节点42的阴极。第三二极管66具有连接到地46的阳极和连接到第一输入节点38的阴极。第四二极管68具有连接到地46的阳极和连接到第二输入节点40的阴极。整流器22可连接到外部A/C源36并配置为在输出节点42提供DC电压电平。
谐振加热电路24包括谐振电容器70和工作磁头(working head)72，该工作磁头72包括缠绕铁氧体磁芯76的感应加热线圈74。谐振电容器与感应加热线圈74并联地连接，并具有连接到整流器输出节点42的第一端和连接到节点44的第二端。谐振加热电路24响应于DC电压脉冲生成振荡电压和相关联的振荡电流以及铁氧体磁芯76内的交流磁通量，以由此加热感应地连接的外部负载34。在一个实施例中，工作磁头72使用柔性引线连接到谐振电容器70，能够使得工作磁头72相对于感应加热系统20可移动，并与例如负载34的要加热的远程负载相接触。在一个实施例中，工作磁头72不包括铁氧体磁芯76。
电源开关26包括绝缘栅双极晶体管(IGBT)，该绝缘栅双极晶体管包括栅极80、连接到节点44的集电极82、以及连接到地46的射极。在其他实施例中，电源开关26包括场效应管(FET)、双极结晶体管(BJT)、或硅控整流器(SCR)。脉冲控制器28配置为经由通路48将开关控制信号提供给电源开关26，以使得电源开关26首先闭合，然后在预设持续时间之后开启，以由此将DC电压脉冲提供给谐振加热电路24。该预设持续时间基于在持续损坏之前谐振加热电路24能够存储的最大能量。脉冲控制器28配置为在感应加热系统20的初始启动之后关闭电源开关26，以由此启动第一DC电压脉冲到谐振加热电路24，并且随后闭合电源开关26以基于经由通路50从脉冲激发器30接收脉冲启动信号而启动随后的DC电压脉冲到谐振加热电路24。
脉冲激发器30与电源开关26并联连接，并包括分压器90和电平开关92。分压器90包括降压电阻94、监测电阻96、以及多个二极管98。降压电阻94具有连接到节点44的第一端和连接到监测节点100的第二端。监测电阻96在监测节点100和地46之间连接。多个二极管100阴极对阳极地串连，并且与监测电阻96并联，并且多个二极管的第一个二极管的阳极连接到监测节点100以及多个二极管的最后一个二极管的阴极连接到地46，并且用于将横跨监测电阻96的电压限定为最大电平。
当电源开关26位于关闭位置时，节点44连接到地，这有效地将脉冲激发器30从系统中除去，同时将DC电压脉冲施加到谐振加热电路24。当通过开启电源开关26而将DC电压脉冲从谐振加热电路24中除去时，谐振加热电路24开始生成振荡电压。在DC输出节点42上的DC电压电平和由谐振电路24生成的振荡电压的总和呈现在节点44，或集电极82，到地46，并且在下文中被称为VC(集电极82到地的电压)。当谐振加热电路24生成振荡电压时，VC出现为具有基本上等于在DC输出节点42的DC输出电平的DC偏移的振荡波形。VC还呈现为横跨分压器90的降压电阻94和监测电阻96，大部分该电压横跨降压电阻94，以及横跨监测电阻96的从节点100到地56的监测电压。当VC振荡时，横跨监测电阻96的监测电压也振荡。在下面的图3中更加详细地图形说明VC。
电平开关92是反向互补金属氧化物半导体(CMOS)施密特触发器102，具有连接到监测节点100并接收监测电压的输入104，以及经由通路28连接到脉冲控制器28的输出106。施密特触发器102配置为具有磁滞，使得具有低电压设置点和高电压设置点。施密特触发器102配置为比较监测电压和低和高电压设置点，并在输出106提供脉冲启动信号，导致当监测电压基本上等于低电压设置点时，脉冲控制器28启动将随后的DC脉冲施加到谐振电路24。在一个实施例中，低电压设置点是递增地大于零的预设值，使得当考虑到包括在脉冲激发器30和脉冲控制器28中的固有传播延迟时，电源开关26实际上在监测电压，并且因此VC具有基本上等于零的值时闭合，所述脉冲激发器30将脉冲启动信号提供给脉冲控制器18，而所述脉冲控制器28将开关控制信号提供给电源开关26。
图3是横跨电源开关从集电极82到地的电压的示例性曲线图120，该电压在下文中称为VC，并旨在帮助描述感应加热系统20的操作。在时间t0，没有A/C电源施加到第一和第二输入节点38和40，VC等于零，如122所示。在时间t1，如124所示，A/C电源36横跨第一和第二输入节点38和40被施加，导致整流器22提供DC电压电平(VDC)并产生基本上等于VDC的从集电极82到地46的DC电压。在感应加热系统20的初始启动之后，脉冲控制器28配置为经由线路110将电源开关控制信号提供给栅极80，以使得IGBT78变为前向偏置并经由射极84将集电极接地46，如在126的时间t2所示。脉冲控制器28配置为在从t2到时间t3期间(Δt)128将IGBT78保持在前向偏置条件下。在该持续时间期间，经由射极84将集电极82短路到地46，使得具有基本上等于VDC的幅度和持续时间Δt的DC电压脉冲横跨谐振加热电路24施加，并导致在感应线圈74内积累电荷。持续时间Δt128确定在感应线圈74内所积累的电荷的幅度。
在时间t3，如在130所示，脉冲控制器28将电源开关控制信号提供给栅极80，以使得IGBT78变为反向偏置，导致IGBT78不再传导到地并因此终止DC电压脉冲到谐振电路24。在时间t3130，感应线圈74开始放电到谐振电容器70，并且谐振加热电路24开始生成振荡电压，其反过来在铁氧体磁芯76内生成相应的振荡通量以加热外部负载34。由谐振加热电路24生成的振荡电压与VDC结合以形成振荡电压，该振荡电压具有基本上等于从集电极82到地46的横跨电源开关26的VDC的DC偏移，如在132所示。如果没有附加的DC脉冲施加到振荡加热电路24，横跨电源开关26的振荡波形将在DC偏移周围逐渐衰减，或者“离去”，如虚线的波形136所示。
然而，当电源开关26在t3130开启时，电压VC从节点44到地46设置，并且因此横跨降压电阻94和监测电阻96，并由此在CMOS施密特触发器102的输入104提供监测电压(VMON)。由于VC从在t3130的基本上零电压的值升高到峰值138，横跨监测电阻96的电压升高，但是不限制于通过限制二极管98规定的最大值。由于VC经过峰值138，VC的值降为限制二极管98不再前向偏置的点，以及降压电阻94和偏压电阻96用作传统分压器。
VC继续下降，直到在140的时间t4，其达到启动电压电平(VI)，如在142所示，在该点上在输入104上的VMON基本上等于施密特触发器102的低电压设置点。当VMON基本上等于该低电压设置点时，施密特触发器102在输出106经由通路50将脉冲启动信号提供给脉冲控制器28，使得脉冲控制器28将开关控制信号提供给栅极80，其反过来使得IGBT78闭合，以由此启动随后的DC脉冲到谐振加热电路24。脉冲控制器28将IGBT78保持在前向偏置条件下第二持续时间(Δt)，在144所指示，从t4140到在146所指示的t5，以由此将随后的DC脉冲施加到谐振加热电路24。然后因为加热负载34所必须，重复上述过程，导致VC具有电压波形，包括如峰138和148指示的一系列峰。
在上述说明中已经阐述了本发明的各种特征和优势。当然，应该理解本发明在许多方面仅仅是说明性的。可以在部件的例如形状、尺寸和排列等的细节上做出改变，而不超过本发明的范围。由下面的权利要求的文字限定本发明范围。
权利要求
1.一种感应加热系统，包括电源开关；谐振加热电路，配置为响应于DC电压脉冲输入生成振荡电压；脉冲激发器，横跨电源开关，并配置为监测横跨电源开关的电压，以及当在振荡电压的第一周期期间检测到横跨电源开关的基本为零的电压时，启动将随后的DC电压脉冲施加到谐振加热电路。
2.如权利要求1的感应加热系统，其中电源开关配置为闭合和开启以提供DC电压脉冲。
3.如权利要求2的感应加热系统，其中电源开关配置为响应于开关控制信号开启和闭合。
4.如权利要求3的感应加热系统，还包括脉冲控制器，位于脉冲激发器和电源开关之间，并配置为将开关控制信号提供给电源开关，其中开关控制信号使得电源开关响应于在振荡电压的第一周期期间脉冲激发器检测到横跨电源开关的基本为零的电压而闭合，并且在某持续时间之后开启，以由此将随后的DC电压脉冲施加到谐振加热电路。
5.如权利要求4的感应加热系统，其中该持续时间固定在基本上等于最大允许持续时间的值上，该最大允许持续时间是基于谐振加热电路的最大能量存储容量的预设值。
6.如权利要求1的感应加热系统，其中脉冲激发器包括分压器，横跨电源开关并配置为提供代表横跨电源开关的电压的检测电压；以及电平开关，配置为接收检测电压并且当检测电压的电平基本上等于预设正阀值电平时，启动施加随后的DC电压脉冲。
7.如权利要求6的感应加热系统，其中分压器包括第一电阻和第二电阻，横跨电源开关而串联，其中监测电压是横跨第二电阻的电压；以及多个二极管，阳极对阴极地横跨第二电阻而串联，用于限制横跨第二电阻的电压，以使得不损坏电平开关。
8.如权利要求7的感应加热系统，其中二极管包括具有低电容的高速开关开启二极管。
9.如权利要求1的感应加热系统，其中谐振加热电路包括谐振电容器；以及感应加热线圈，与谐振电容器并联连接。
10.如权利要求1的感应加热系统，其中电源开关包括具有栅极、集电极和射极的绝缘栅双极晶体管(IGBT)。
11.一种感应加热系统的操作方法，包括操作电源开关以将DC电压脉冲横跨谐振电路施加；使谐振电路响应于DC电压脉冲生成振荡电压；当在振荡电压的第一周期期间检测到横跨电源开关的基本零电压时，将随后的DC电压脉冲施加到谐振电路。
12.如权利要求11的方法，其中操作电源开关包括闭合和开启电源开关。
13.如权利要求11的方法，其中检测横跨电源开关的基本零电压包括提供表示横跨电源开关的电压的检测电压；当检测电压基本上等于预设阀值时，闭合电源开关。
14.一种可连接到AC电源的感应加热系统，该系统包括整流器，可连接到AC电源并配置为在DC输出节点提供DC电压；电源开关。具有第一端、连接到地的第二端、以及控制栅；谐振电路，在DC输出节点和电源开关的第一端之间连接；脉冲控制器，配置为将控制信号提供给电源开关控制栅以闭合和开启开关，以由此将DC电压脉冲提供给谐振电路并导致谐振电路生成振荡电压；以及脉冲激发器，横跨电源开关端连接，并配置为检测横跨电源开关的振荡电压以及将控制信号提供给脉冲控制器，指示脉冲控制器当横跨电源开关的振荡电压达到预设阀值时闭合电源开关，以使得当开关闭合时横跨电源开关的电压基本上等于零。
15.如权利要求14的感应加热系统，其中电源开关包括IGBT，具有配置为接收控制电压的栅极、连接到谐振电路的集电极、以及连接到地的射极。
16.如权利要求14的感应加热系统，其中脉冲激发器包括分压器电路，横跨电源开关端连接，并配置为提供表示横跨电源开关的振荡电压的监测电压；以及电平开关，配置为接收监测电压，并且当监测电压的电平基本上等于预设阀值时将控制信号提供给脉冲控制器。
17.如权利要求16的感应加热系统，其中分压器包括监测节点，连接到电平开关；第一电阻，在电源开关的第一端和监测节点之间连接；第二电阻，在监测节点和地之间连接，其中横跨第二电阻的电压是监测电压；以及串联的多个二极管，第一个串联二极管的阳极连接到监测节点以及最后一个串联二极管的阴极连接到地，其中二极管限制横跨第二电阻的电压。
18.如权利要求17的感应加热系统，其中二极管包括具有低电容的高速开关开启二极管。
19.如权利要求16的感应加热系统，其中电平开关包括具有磁滞并且具有基本上等于预设阀值的低阀值电压和高阀值电压的反向CMOS施密特触发器。
20.如权利要求14的感应加热系统，其中谐振电路包括并联谐振电路，包括电容器，具有连接到DC输出节点的第一端和连接到电源开关的第一端的第二端；以及感应加热线圈，与电容器并联连接。
21.如权利要求20的感应加热系统，其中感应加热线圈感应地连接到工作磁头。
22.如权利要求14的感应加热系统，其中脉冲控制器还配置为在预设最大持续时间之后开启开关，其中该最大持续时间基于谐振加热电路的最大能量存储容量。
23.如权利要求14的感应加热系统，其中脉冲控制器配置为基于感应加热系统的初始启动闭合电源开关，并且随后基于脉冲激发控制信号闭合开关。
全文摘要
提供了一种感应加热系统(20)。该感应加热系统(20)包括电源开关(26)、谐振加热电路(24)、以及脉冲激发器(30)。谐振加热电路(24)配置为响应于DC脉冲输入生成振荡电压。脉冲激发器(30)横跨电源开关(26)，并配置为检测横跨电源开关的电压以及当在振荡电压的第一周期期间检测到横跨电源开关(26)的基本零电压时，启动将随后的DC脉冲施加到谐振加热电路(24)。
文档编号H05B6/08GK1857032SQ200480027652
公开日2006年11月1日 申请日期2004年8月11日 优先权日2003年9月25日
发明者埃德蒙·J·林 申请人:3M创新有限公司