逆變拓?fù)湓诟袘?yīng)加熱處理中的專利發(fā)展技術(shù)綜述

國家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局專利審查協(xié)作河南中心  李丹陽 王文曉 吳單單

摘要：感應(yīng)加熱技術(shù)已經(jīng)成為最具有市場前景和研究熱點(diǎn)的加熱方法，而其電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)也是研究熱點(diǎn)之一。本文簡要介紹了感應(yīng)加熱技術(shù)及其逆變拓?fù)涞陌l(fā)展歷程，重點(diǎn)介紹了應(yīng)用于感應(yīng)加熱的逆變拓?fù)涞陌l(fā)展過程和發(fā)展方向，并結(jié)合其專利申請情況，分析了目前發(fā)展趨勢和技術(shù)難點(diǎn)，最后總結(jié)了目前逆變電路需要解決的問題，并從現(xiàn)有技術(shù)角度分析了未來市場前景和發(fā)展方向。

關(guān)鍵詞：感應(yīng)加熱、逆變拓?fù)洹�發(fā)展方向

Development of Inverter Topology in Induction Heating Process and Patent Analysis

Li Danyang，Wang Wenxiao，Wu Dandan

Abstract:Induction heating technology has become the heating method with the most market prospects and research hotspots, and its circuit topology is also one of the research hotspots. This paper briefly introduces the development process of induction heating technology and its inverter topology, and focuses on the development process and development direction of the inverter topology applied to induction heating. Combined with its patent application, it analyzes the current development trend and technical difficulties. Finally, the problems that the inverter circuit needs to solve are summarized, and the future market prospects and development directions are analyzed from the perspective of the prior art.

Key Word：Induction heating, inverter topology, development direction

1.  感應(yīng)加熱和逆變技術(shù)簡介

當(dāng)感應(yīng)線圈中通以交變的電流時(shí)，線圈內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生相同頻率的交變磁場，將金屬放入該磁場中，金屬內(nèi)部將在電磁感應(yīng)的作用下產(chǎn)生渦流，從而使金屬內(nèi)部發(fā)熱。這種加熱方式被廣泛用于工業(yè)中對工件表面淬火,由于淬火工藝的特殊性，通常僅需要對工件表層進(jìn)行快速加熱，這就需要特殊的電源來產(chǎn)生高頻率、大功率的交變電流[1]。

逆變技術(shù)是將直流電轉(zhuǎn)換為交流電的變換技術(shù)。國網(wǎng)電力系統(tǒng)通常只能輸出特定頻率和特定電壓的電源（比如我國國網(wǎng)電力系統(tǒng)輸出220V/50Hz和380V/50Hz），而在工業(yè)應(yīng)用時(shí)，往往需要特定頻率或特定功率的電力，采用逆變電路對國網(wǎng)電源進(jìn)行轉(zhuǎn)換可得到特定的交變電源[2]。

感應(yīng)加熱處理技術(shù)的研發(fā)最早始于l890年，瑞典技術(shù)人員發(fā)明了第一臺(tái)感應(yīng)熔煉爐：開槽式有芯爐；到了1916年，美國人發(fā)明了閉槽有芯爐，用于熔煉金屬；而在1935年，前蘇聯(lián)對曲軸的軸頸進(jìn)行感應(yīng)淬火。此時(shí)的感應(yīng)加熱電源的工作頻率主要是工頻，電源效率比較低（一般為50%-60%）。1957年，美國研制出作為電力電子器件里程碑的晶閘管，標(biāo)志著現(xiàn)代電力電子技術(shù)的開始，也引發(fā)了感應(yīng)加熱技術(shù)的革命；1964年，用于逆變器的晶閘管問世；1966年，瑞士和西德首先利用晶閘管研制感應(yīng)加熱裝置，從此感應(yīng)加熱技術(shù)開始飛速發(fā)展[3][4]。

20世紀(jì)80年代后，電力電子器件再次快速發(fā)展，MOSFET、IGBT等器件相繼出現(xiàn)。感應(yīng)加熱裝置也逐漸摒棄晶閘管，開始采用這些新器件，逐步提升工作頻率和輸出功率。隨著電力電子器件的發(fā)展，感應(yīng)加熱電源的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)也在不斷地優(yōu)化，逐漸形成一種固定的AC/DC/AC的變換形式[5]。逆變拓?fù)涞膬?yōu)化使得感應(yīng)加熱技術(shù)在工業(yè)上取得了更加廣泛的應(yīng)用。電力電子器件的不斷出現(xiàn)，以及逆變拓?fù)涞牟粩鄡?yōu)化，推動(dòng)著感應(yīng)加熱技術(shù)工作頻率和效率的不斷提升。

1.2 逆變拓?fù)湓诟袘?yīng)加熱應(yīng)用中的研發(fā)進(jìn)展

筆者首先在VEN和CNABS專利庫中對申請日為2017年之前的專利文件，共1326篇進(jìn)行分析，其中使用IPC分類號H05B6/00及其所有下位組（含義為采用磁場進(jìn)行加熱）和關(guān)鍵詞逆變和invert進(jìn)行檢索。下圖1-3展示了應(yīng)用于感應(yīng)加熱的逆變拓?fù)湓谌�球的專利申請趨勢以及主要申請國的申請趨勢�?span>

圖 1 全球?qū)＠?span>申請量趨勢

圖 2 主要申請國的申請趨勢

圖 3  主要申請人分布

從圖1-3中可以直觀看到，由于在20世紀(jì)80年代 MOSFET、IGBT電子器件的出現(xiàn)使得1987-1988年的專利申請量出現(xiàn)了爆炸性增長，而在1987年以后則一直保持穩(wěn)定的發(fā)展。通過對申請人地域的分析可知，技術(shù)的推動(dòng)主要是由日本帶來的，申請人主要集中在日本的MATSUSHITA  ELECTRIC公司、MITSUBISHI  ELECTRIC公司、TOSHIBA公司、PANASONIC公司、松下電器、FUJI ELECTRIC公司，以及韓國的LG ELECTRIC公司，并且其中日本的MATSUSHITA ELECTRIC公司的申請量遠(yuǎn)超其他申請人，可見日本在該領(lǐng)域處于世界的領(lǐng)先水平。

并且，從圖1中看到2016年申請量出現(xiàn)了新的上升趨勢，可見逆變拓?fù)湓诟袘?yīng)加熱應(yīng)用領(lǐng)域又出現(xiàn)了新的突破。

2.  應(yīng)用于感應(yīng)加熱處理中的逆變拓?fù)涞陌l(fā)展過程

2.1 開關(guān)管的發(fā)展

在晶體管出現(xiàn)以前，一直使用晶閘管作為開關(guān)器件，但是晶閘管不易控制且容易導(dǎo)致失真，在晶體管出現(xiàn)后，使用晶體管替代晶閘管作為開關(guān)器件。TOKYO SHIBAURA ELECTRIC公司于1979年11月12日申請的日本發(fā)明專利（公開號：JP54145037A）中，首次采用晶體管替代晶閘管實(shí)現(xiàn)直流信號到交流信號的轉(zhuǎn)換。隨著電力電子器件的發(fā)展，在MOSFET和IGBT相繼出現(xiàn)后，由于其具由開關(guān)速度快、載流能力強(qiáng)等突出的優(yōu)點(diǎn)，迅速替代了晶體管。MATSUSHITA ELECTRIC公司于1987年4月30日申請的日本發(fā)明專利（公開號：JP6327188A）中首次采用MOSFET替代傳統(tǒng)的晶體管完成逆變轉(zhuǎn)換；TOSHIBA 公司于1989年8月24日申請的韓國發(fā)明專利（公開號：KR19900004222A）中首次采用IGBT作為開關(guān)管實(shí)現(xiàn)電路轉(zhuǎn)換。由此可見，日本公司在該領(lǐng)域具有較雄厚的技術(shù)儲(chǔ)備和積累。

2.2 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的發(fā)展

隨著電力電子器件的發(fā)展，盡管MOSFET和IGBT在很大程度上提升了逆變電源的性能，但是此時(shí)拓?fù)渲袃H采用單個(gè)開關(guān)管控制電路，電源效率較低。當(dāng)開關(guān)管開通時(shí)，電源與開關(guān)管、電感形成回路，對負(fù)載輸出功率，而當(dāng)開關(guān)管關(guān)斷時(shí)，電源無法對負(fù)載持續(xù)輸出功率。可見，此時(shí)僅采用單個(gè)開光管搭建的逆變電路電源只能有半個(gè)周期對負(fù)載輸出功率，工作效率不足50%。

   圖 4 JP3838077B2            

隨著技術(shù)的逐步發(fā)展，MATSUSHITA ELECTRIC公司于2001年11月14日申請的日本專利（授權(quán)號：JP3838077B2）中提出采用半橋式結(jié)構(gòu)構(gòu)建逆變拓?fù)洹０霕蚰孀兺負(fù)渲饕��?span>2個(gè)開關(guān)管構(gòu)成，負(fù)載輸出點(diǎn)位于兩個(gè)開關(guān)管橋臂的中點(diǎn)，當(dāng)上橋臂開通、下橋臂關(guān)斷時(shí)，電源與上橋臂、電感、電容形成回路，對負(fù)載輸出功率；當(dāng)下橋臂開通、上橋臂關(guān)斷時(shí)，電容與下橋臂與電感形成回路，電容放電對負(fù)載輸出功率。半橋式逆變拓?fù)淠軌蛟谌�周期�?nèi)持續(xù)對負(fù)載供能，極大的提高了輸出效率。但是由于負(fù)載連接在雙橋臂的中點(diǎn)和地線之間，因此負(fù)載電壓僅為電源的一半。為了解決這個(gè)問題，該專利申請進(jìn)一步提出新的解決方案，在逆變結(jié)構(gòu)的前級增加一個(gè)升壓電路模塊，通過升壓模塊提升逆變橋臂兩端的電壓，增加負(fù)載獲取的功率，從而提高半橋逆變拓?fù)涞妮敵龉β省?span>

盡管上述專利(JP3838077B2)提高了半橋的輸出功率，但是多余電子器件的增加勢必會(huì)對整個(gè)電路引入不必要的干擾，并且增加了電路的體積和成本。為了從根本上解決半橋式負(fù)載兩端的電壓為電壓源一半這個(gè)技術(shù)問題，FUJI  ELECTRIC公司于2002年6月21日提出的日本專利申請（公開號：JP2004030965 A）在半橋結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上提出了全橋式逆變電路拓?fù)洌�全橋逆變拓�(fù)溆伤膫�(gè)開關(guān)管組成，負(fù)載輸出點(diǎn)為兩組橋臂的中點(diǎn)。在工作期間，對角的兩個(gè)開關(guān)同時(shí)開啟或關(guān)斷，由于兩組管子交替導(dǎo)通，在整個(gè)周期內(nèi)負(fù)載兩端的電壓等于電源1兩端的電壓，即電壓源能夠在整個(gè)周期內(nèi)以全電壓持續(xù)對負(fù)載輸出功率，極大的提高了逆變電源負(fù)載的輸出功率。

隨后，為了進(jìn)一步的提高逆變器的輸出功率，多家公司提出對負(fù)載網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行優(yōu)化，提出負(fù)載LCR回路諧振的概念。利用LCR回路在諧振頻率下的等效阻抗最小的原理，令逆變拓?fù)涞墓ぷ黝l率等于諧振頻率，從而得到該LCR回路對應(yīng)的最大輸出功率。TOKYO  SHIBAURA  ELECTRIC公司于2004年11月15日提出的日本發(fā)明專利（授權(quán)號：JP4444076B2）中對全橋逆變拓?fù)渲胸?fù)載網(wǎng)絡(luò)的工作頻率進(jìn)行優(yōu)化；HITACHI  APPLIANCES公司于2006年11月8日提出的日本發(fā)明專利（授權(quán)號：JP4652983B2）中以半橋逆變拓?fù)錇榛�礎(chǔ)，對負(fù)載網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行諧振優(yōu)化，提高逆變網(wǎng)絡(luò)的輸出功率。

此后的一段時(shí)間，逆變電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)沒有再出現(xiàn)跨越性的發(fā)展，多家公司在已有的半橋、全橋基礎(chǔ)上，通過并聯(lián)的方式進(jìn)行擴(kuò)容，以進(jìn)一步提高負(fù)載的輸出功率。MITSUBISHI  ELECTRIC公司于2007年2月28日申請的日本發(fā)明專利（授權(quán)號：JP4901529B2）中提出將多個(gè)半橋逆變拓?fù)溥M(jìn)行并聯(lián)，交替性的對負(fù)載進(jìn)行加熱，并且其中的每一個(gè)逆變電源都可以單獨(dú)控制輸出功率。通過這種方式解決了半橋中電源僅有半個(gè)周期能夠?qū)ω?fù)載輸出功率的問題，提高了整體的輸出功率和效率。而MITSUBISHI  ELECTRIC公司于2007年5月9日提出的日本發(fā)明專利（公開號：JP2008282609A）中提出將全橋拓?fù)浜桶霕蛲負(fù)浏B加，同時(shí)對負(fù)載輸出功率。通過這種方式提高逆變電源的輸出功率。

盡管理想情況下開關(guān)管在導(dǎo)通時(shí)兩端電壓為零，然而事實(shí)上其兩端存在電壓差，因此，在開通和關(guān)斷的過程中必然會(huì)產(chǎn)生功率損耗。并且電路的工作頻率越高、開關(guān)管個(gè)數(shù)越多，損耗越大。雖然已經(jīng)通過并網(wǎng)的方式提高了逆變電源的輸出功率，但是提升逆變電源的效率卻成了技術(shù)難點(diǎn)。MITSUBISHI ELECTRIC公司于2007年10月3日提出的日本發(fā)明專利申請（授權(quán)號：JP4981607B2）中提出一種零損耗開啟半橋拓?fù)渲虚_關(guān)管的方法，在下橋臂的兩端并聯(lián)一個(gè)小電容，檢測輸入電壓的零點(diǎn)時(shí)刻，在輸入電壓過零點(diǎn)時(shí)刻時(shí)關(guān)閉上橋臂，等待小電容完全放電后開啟下橋臂，從而實(shí)現(xiàn)開關(guān)管的零損耗開啟。

FUJI  ELECTRIC公司于2014年5月13日提出的日本發(fā)明專利（授權(quán)號：JP6425007B2）中提出基于全橋逆變電路的零電壓開啟方式，在每個(gè)晶體管兩端分別并聯(lián)一個(gè)電容，利用逆變電路諧振狀態(tài)下的正弦輸出，以及自感電流對晶體管兩端的并聯(lián)的電容充電，實(shí)現(xiàn)晶體管在開啟時(shí)刻兩端的電壓為零，實(shí)現(xiàn)功率開關(guān)管的零損耗。

在此后的一段時(shí)間里，逆變的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)沒有再出現(xiàn)飛躍性的發(fā)展，各個(gè)公司都在現(xiàn)有拓?fù)涞幕�礎(chǔ)上進(jìn)行工作頻率的提升和輸出功率的擴(kuò)容。如，FUJI  ELECTRONICS公司于2016年4月28日申請的日本發(fā)明專利（公開號：JP2017199628A）中基于成熟的全橋逆變拓?fù)洌�通過并聯(lián)多個(gè)全橋逆變電路同時(shí)對負(fù)載進(jìn)行功率輸出，顯著提高了逆變電源的輸出功率。

2.3 近年來發(fā)展趨勢

筆者檢索了申請日在2016年以來該領(lǐng)域?qū)＠�文件，發(fā)現(xiàn)逆變電路出現(xiàn)了新的優(yōu)化拓?fù)洌�提出了開關(guān)管工作在E類狀態(tài)的新思路。PHILIP公司于2016年11月18日提出的國際發(fā)明專利申請（公開號：WO2017085242A1）中提出使用單個(gè)開關(guān)管作為逆變電路中的開關(guān)器件，并且使得該開關(guān)管工作在E類工作狀態(tài)的思路。利用E類狀態(tài)開關(guān)管損耗極小的特點(diǎn)，極大的提升逆變的工作頻率，并且由于電路簡單，可以縮小電源體積，減少成本。隨后，INFINEON TECHNOLOGIES AMERICAS公司于2017年2月13日提出的美國專利發(fā)明專利申請（公開號：US2017170718 A1）給出了具體的實(shí)現(xiàn)過程。利用E類工作特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了單管的零電壓開啟和零電壓關(guān)斷，最大化的減少了功率損耗。可見，通過將開關(guān)管的工作狀態(tài)調(diào)整在E類，能夠最大化實(shí)現(xiàn)開關(guān)管的零電壓開啟和關(guān)斷，極大的降低了開關(guān)管上的功率損耗，從而能夠使開關(guān)管的工作頻率能夠再次得到極大的提升，同時(shí)使整個(gè)電源輕量化。但是，維持開關(guān)管持續(xù)工作在E類狀態(tài)不是容易的事情，這將對控制電路的精準(zhǔn)性提出了更高的要求。

此外，通過檢索還發(fā)現(xiàn)，近年來各個(gè)公司除了致力于提出新的逆變拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，還逐步將感應(yīng)加熱的新技術(shù)從工業(yè)應(yīng)用擴(kuò)展到民用家電應(yīng)用。在民用家電應(yīng)用上，雖然對加熱的最大輸出功率沒有過高的要求，卻對加熱溫度的調(diào)節(jié)靈敏度提出了更高的要求，這便是提出的新的難題。CATA CORPORACIÓN 2000 S L公司于2016年11月3日提出的PCT發(fā)明專利申請（公開號：WO2017125177 A1）提出了檢測與感應(yīng)加熱線圈接觸介質(zhì)的溫度、以及加熱器皿中食物的溫度，根據(jù)對二者的溫度來共同調(diào)控感應(yīng)加熱的輸出功率，從而更加精確的調(diào)整加熱輸出功率。并且NUWAVE  LLC公司于2018年1月9日申請的美國發(fā)明專利（申請?zhí)枺?span>US201815866159A）提出一種更適應(yīng)圓底烹飪器具的溫度控制方法，根據(jù)圓底器皿的形狀特點(diǎn)，對圓底器皿不同的位置設(shè)置不同的輸出功率，使得在使用圓底器皿烹飪時(shí)，內(nèi)部食物能夠受熱均勻。可見，將感應(yīng)加熱應(yīng)用的民用家電領(lǐng)域，通過對溫度的精準(zhǔn)控制提高烹飪體驗(yàn)，這是一個(gè)新的發(fā)展方向。

3.  結(jié)論

從目前的技術(shù)來看，通過調(diào)整逆變電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)減少損耗，提高輸出功率，一直是各個(gè)國家和各大公司一直以來不斷研發(fā)和改進(jìn)的方向。國外已經(jīng)提出了通過使開關(guān)管工作在E類狀態(tài)來減少功率損耗的思路，并且也有公司提出了精確控制開通和關(guān)斷時(shí)刻的方案來維持開關(guān)管的E類工作狀態(tài)；而國內(nèi)公司目前還處于控制半橋和全橋零開啟來減少損耗的階段，與國外公司的技術(shù)水平還存在一定的差距。在以后的發(fā)展中，國內(nèi)的企業(yè)可以朝向開關(guān)管E類工作狀態(tài)控制方向發(fā)展，提出精確、穩(wěn)定的控制方案，如合理的設(shè)計(jì)反饋匹配網(wǎng)格的參數(shù)，控制反饋的能量以保證E類振蕩的起振、精確的設(shè)計(jì)E類振蕩下用于充放電的電容值，以確保開關(guān)管的零電壓開關(guān)等。與此同時(shí)，還可以將該技術(shù)向其他領(lǐng)域，如航空航天、智能家居等領(lǐng)域延伸，進(jìn)而逐步建立起我國在逆變器E類振蕩控制方面的技術(shù)體系。

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