一种频率转换的感应加热的转换器的制作方法

本实用新型涉及电力电子技术领域，具体涉及一种频率转换的感应加热的转换器。

背景技术：

对于硬化导电材料通常利用交变磁场进行电感加热，通过涡流或通过交变磁场在材料中所生成的损耗对材料进行加热，采用高频交变磁场在待硬化材料的表面进行加热，然而低频交变磁场具有较高的穿透深度，有必要根据应用情况对所采用的交变磁场频率进行调整。

现有已知的多种转换器装置包含通过所需频率将输入电压转换为输出交流电压的逆变器，逆变器用IGBT(绝缘栅双极型晶体管)替代MOSFET (金属氧化物半导体场效应管)，是由于IGBT在导电状态下的低压降和高载流能力更胜一筹，使得其在处于高电压及电流峰值时的受损频率较低。然而在使用IGBT时须考虑到其承载能力，特别是在高频情况下在关键开启及关闭时间点时在不采取任何专项切换措施时会造成切换损耗。逆变器控制器与串联谐振电路电性连接，能够对逆变器的相位进行控制与改变，逆变器从电压控制式振荡器接收其控制脉冲，相位比较器用于调节逆变器输出电压与逆变器输出电流的同相位，将延迟振荡器以模仿绝缘栅双极型晶体管的延迟时间，使得绝缘栅双极型晶体管基本上能够实现最佳切换。然而，在快速负载变化时使用进位调节器会导致相位差，这种变化会在整个时间段内累积并且无法通过调节器进行充分调节，从而导致转换器可能会发生故障。在通过电压控制式振荡器和鉴相器使用调节器时，调节器必须在开启后的几个时段内切换到理想工作点，因为在开启转换器之后负载电路的频率最初是未知的。在使用快速调节器时将对电压控制式振荡器进行全面快速控制，以避免产生电压或电流峰值。然而，由于电源的电压波动在负载电路中所产生的相位抖动会导致绝缘栅双极型晶体管无法准确切换至交零位置并因此在绝缘栅双极型晶体管上产生高切换损耗，由此增加冷却的必要性并在必要情况下需要使用额外的绝缘栅双极型晶体管，以分配所产生的损耗。

技术实现要素：

鉴于此，本实用新型的主要目的在于解决现有技术中存在的问题，为了尽量降低绝缘栅双极型晶体管上的切换损耗，本实用新型提供一种频率转换的感应加热的转换器。

本实用新型采用的技术方案是：一种频率转换的感应加热的转换器，包括低通滤波器、电压控制式振荡器、逆变器桥电路、限时元件和相位比较器，所述电压控制式振荡器通过所述低通滤波器的调压作用将输出信号传送至所述逆变器桥电路和所述限时元件，该输出信号用于模仿所述逆变器桥电路中的切换时间，所述相位比较器用于生成调节电压，所述低通滤波器的输入端电性连接于所述相位比较器的输出端，所述低通滤波器的输出端均电性连接于所述逆变器桥电路和限时元件的输入端，所述限时元件的输出端电性连接于所述相位比较器的输入端。

优选地，所述逆变器桥电路电性连接有负载谐振电路，所述逆变器桥电路包括整流器、逆变器和逆变器控制器，所述整流器为所述逆变器提供脉冲直流电压，所述逆变器包括用于绝缘栅双极型晶体管的驱动器和若干绝缘栅极双极型晶体管，所述负载谐振电路通过变压器与所述逆变器的输出端相耦合，所述逆变器控制器向所述绝缘栅双极型晶体管提供绝缘栅双极型晶体管切换信号，所述负载谐振电路向所述逆变器控制器输送负载电路信号。

优选地，所述负载谐振电路设置为串联谐振电路或并联谐振电路，负载谐振电路的频率与所述逆变器控制器为所述绝缘栅双极型晶体管提供的切换信号频率相等，当连接串联谐振电路时所述负载电路信号为谐振电路电流的映射，当连接并联谐振电路时所述负载电路信号为谐振电路电压的映射。

优选地，所述逆变器控制器还电性连接有传感器，所述传感器用于为所述逆变器控制器输送正弦负载电路电流的映射。

优选地，所述逆变器控制器依次包括用于生成时间toff的第一单稳态多谐振荡器A1、用于输出采样保持信号的放大器A2、用于切换时间点的第二单稳态多谐振荡器A3和用于形成时间边沿的逻辑电路A4。

优选地，所述绝缘栅极双极型晶体管的数量设置为四个。

与现有技术相比，本实用新型提供一种频率转换的感应加热的转换器，具备的优点和有益效果是：绝缘栅双极型晶体管切换信号先于负载电路信号交零约时间toff，若所选择的时间toff使得通过将绝缘栅双极型晶体管切换信号提前至负载电路信号的交零位置之前以均衡绝缘栅双极型晶体管的承载能力，则绝缘栅双极型晶体管会切换至负载电路信号的交零位置，可避免在绝缘栅双极型晶体管上所产生的切换损耗；输出端上交流电压的单一频率确定元素就是负载电路的共振频率，仅通过负载电路的共振频率以确定逆变器的切换信号频率。由此以简化转换器的构造并降低成本，由此，无论逆变器工作电压的波动如何且与逆变器相连的负载电路的参数变化如何，都能够避免产生电压及电流峰值，其中，所控制的逆变器须确保尽量降低在逆变器上所产生的损耗并由此以降低成本。

附图说明

图1是本实用新型一种频率转换的感应加热的转换器的电路连接框图；

图2是本实用新型一种频率转换的感应加热的转换器的逆变器桥电路的原理图；

图3是本实用新型一种频率转换的感应加热的转换器的逆变器控制器的电路原理图；

图4是本实用新型一种频率转换的感应加热的转换器的逆变器控制器的负载电路信号的半波示意图；

图5是本实用新型一种频率转换的感应加热的转换器的逆变器控制器的负载电路信号生成切换时间点的半波示意图；

图中：5-采样保持信号；6-整流器；7-逆变器；8-驱动器；10-逆变器控制器；11-负载谐振电路；12-存储器信号；13-负载电路信号；14-低通滤波器；15-电压控制式振荡器；16-逆变器桥电路；17-限时元件；18-相位比较器；23-变压器；24-绝缘栅极双极型晶体管。

具体实施方式

为了更好的理解本实用新型，下面结合具体实施例和附图对本实用新型进行进一步的描述。

如图1至图5所示，本实用新型提供一种频率转换的感应加热的转换器，一种频率转换的感应加热的转换器，包括低通滤波器14、电压控制式振荡器 15、逆变器桥电路16、限时元件17和相位比较器18，所述电压控制式振荡器15通过所述低通滤波器14的调压作用将输出信号传送至所述逆变器桥电路16和所述限时元件17，该输出信号用于模仿所述逆变器桥电路16中的切换时间，所述相位比较器18用于生成调节电压，所述低通滤波器14的输入端电性连接于所述相位比较器18的输出端，所述低通滤波器14的输出端均电性连接于所述逆变器桥电路16和限时元件17的输入端，所述限时元件17 的输出端电性连接于所述相位比较器18的输入端。

进一步地，所述逆变器桥电路16电性连接有负载谐振电路11，所述逆变器桥电路16包括整流器6、逆变器7和逆变器控制器10，所述整流器6 为所述逆变器7提供脉冲直流电压，所述逆变器7包括用于绝缘栅双极型晶体管的驱动器8和若干绝缘栅极双极型晶体管24，所述负载谐振电路11通过变压器23与所述逆变器7的输出端相耦合，所述逆变器控制器10向所述绝缘栅双极型晶体管24提供绝缘栅双极型晶体管切换信号，所述负载谐振电路11向所述逆变器控制器10输送负载电路信号13，所述负载谐振电路11由感应器L、无功功率补偿电容器C、电阻器R所构成，绝缘栅双极型晶体管更加牢固，同时高电压及电流峰值几乎不会由于转换器的未指定工作条件而发生故障。负载电路信号13执行频率为f的正弦振动，若在时间点t0 时的交零位置之后并且在时间点t3时的半波(时长1/(2f))后续交零位置之前将时间toff施加至时间轴，则能根据时间点t1＝t0+toff在虚轴4(该虚轴垂直于时间轴)上的反射和负载电路信号13的最大值得出绝缘栅双极型晶体管切换信号。

进一步地，所述负载谐振电路11设置为串联谐振电路或并联谐振电路，负载谐振电路11的频率与所述逆变器控制器10为所述绝缘栅双极型晶体管 24提供的切换信号频率相等，当连接串联谐振电路时所述负载电路信号13 为谐振电路电流的映射，当连接并联谐振电路时所述负载电路信号13为谐振电路电压的映射，直接通过负载电路的频率向控制器输送负载电路信号进行处理。优先采用共振频率以运行负载谐振电路11，由此将降低负载谐振电路11中的切换损耗，避免产生不必要的无功损耗的同时优化转换器的效率，为负载谐振电路11提供最大可能的有效功率。其中，绝缘栅双极型晶体管 24切换信号先于负载电路信号交零约时间toff，若所选择的时间toff使得通过将绝缘栅双极型晶体管切换信号提前至负载电路信号的交零位置之前以均衡绝缘栅双极型晶体管的承载能力，则绝缘栅双极型晶体管24会切换至负载电路信号13的交零位置。因此，能够避免在绝缘栅双极型晶体管24 上所产生的切换损耗，对于无法切换至负载电路信号的交零位置的绝缘栅双极型晶体管24来说能够简化对绝缘栅双极型晶体管24的冷却作业。

进一步地，所述逆变器控制器10还电性连接有传感器9，所述传感器9 用于为所述逆变器控制器10输送正弦负载电路电流的映射。

进一步地，所述逆变器控制器10依次包括用于生成时间toff的第一单稳态多谐振荡器A1、用于输出采样保持电路的放大器A2、用于切换时间点的第二单稳态多谐振荡器A3和用于形成时间边沿的逻辑电路A4。通过第一单稳态多谐振荡器A1串联有一个比较器能够生成时间toff，该时间toff 在负载电路信号13的每个交零位置t1、t3之后启动，第一单稳态多谐振荡器Al的输出端能够控制放大器A2的采样保持电路，其加载有一个电容器能够保持加载电压超过时间点t1，第二单稳态多谐振荡器A3串联有比较器能够切换至负载电路信号13与采样保持信号5在放大器A2的输出信号的交叉点，逆变器桥电路16的绝缘栅双极型晶体管24的绝缘栅双极型晶体管切换信号IGBT1/3、IGBT2/4通过开启或关闭输出端能够开启或关闭边沿从而达到传输切换时间点t2的效果，逻辑电路A4能够起到形成这些边沿的作用，在时间toff期间及之后，对第二单稳态多谐振荡器A3执行比较过程。

进一步地，所述绝缘栅极双极型晶体管24的数量设置为四个，可通过逆变器控制器10生成绝缘栅双极型晶体管切换信号(IGBT 1/3、IGBT 2/4)。

逆变器控制器10还包含一个用于测定周期时间的装置，该装置能够在负载电路信号13的两个连续交零位置的时间差以内确定负载电路信号13的周期时间，该装置能够在负载电路信号13的两个连续交零位置的时间差以内确定负载电路信号13的周期时间。一般而言负载变化相较于负载谐振电路11中的频率较慢，使得其在当前半波的上半部分内被检测到，因此可有效避免在强负载变化下所产生的与通过进位调节器可能导致转换器关闭的电压及电流峰值，只有当通过相位偏移在负载电路信号13当前半波的下半部分内检测出负载变化时，才会通过在负载电路信号13的后续半波的交零位置进行触发以防止继续增加。特别是对于高频率，绝缘栅双极型晶体管因此通常会准确切换至负载电路信号的交零位置，由此降低绝缘栅双极型晶体管上的切换损耗。

限时元件17启动处于负载电路信号13的交零位置的限时元件约时间 toff，绝缘栅双极型晶体管切换信号必须在切换时间点t2时发生变化，使得绝缘栅双极型晶体管在时间点t3时切换至后续交零位置，时间toff优选即为绝缘栅双极型晶体管的关闭时间，其中，通过一根位于半波最大值的虚轴4上的时间反射以确定绝缘栅双极型晶体管24切换信号的切换时间点，周期时间随着负载变化或转换器的工作电压变化而不断发生变化，因此处于未知状态。通过一根虚轴上的时间toff反射没有必要确定周期时间，而是需通过一根虚轴4上的时间toff反射以确定绝缘栅双极型晶体管24切换信号的切换时间点，使得绝缘栅双极型晶体管基本切换至负载电路信号的交零位置。

在启动时间toff到期之前在时间点t1时加载至负载电路信号13值并继续保持，通过存储器信号12与负载电路信号13的值交叉点以确定绝缘栅双极型晶体管24切换信号的切换时间点t2。在时间点t0时的交零位置之后，将在时间toff至时间点t1期间加载一个存储器，存储器加载状态将保持超过时间点t2，使得能够通过电容器以检测出负载电路信号13与存储器信号 12的交叉点，从而确定绝缘栅双极型晶体管切换信号(IGBT 1/3、IGBT 2/4) 的切换时间点。由于负载谐振电路11由感应器L、无功功率补偿电容器C、电阻器R所构成，电容器C的输入信号就是负载电路信号13和采样保持信号5的输出信号，并且通过电容器C用于检测出这两个信号的交叉点，采用绝缘栅双极型晶体管切换信号使得电路结构简单、成本较低。

本实用新型是应用于感应加热的转换器，其既可以用于低频范围，也可以用于高频范围，优选范围为100Hz至500Hz。

应当说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上对本实用新型的实施例进行了详细说明，但所述内容仅为本实用新型的较佳实施例，不能被认为用于限定本实用新型的实施范围。凡依本实用新型范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本专利涵盖范围之内。