臺灣博碩士論文加值系統

摘 要

本文之研究在於建構一電流饋入式電源轉換裝置，應用於負載並聯諧振感應加熱系統之上，藉由相移調整技術、重疊時間控制方式以及功率變壓器雜散元件之運用，賦予功率開關具備柔性切換之性能，進而使開關上的切換能量獲得適當的轉換，以達降低電磁干擾、減少損失、提高加熱效率之目的；此外，相移技術之應用，亦可取代傳統電流饋入式換流器架構中之四顆串聯二極體需求，如此不但可簡化結構，亦可減少損失與降低成本。由於加熱負載之電氣特性伴隨加熱溫度的變化而改變，有鑑於此，本研究採用相鎖迴路控制技術，致使系統工作頻率於一定範圍內追隨諧振頻率，確保加熱系統於運作期間之效率為最佳狀態。

最後，針對本研究之感應加熱系統，其換流器控制信號、操作特性與整體效率進行量測與說明；此外，亦針對加熱溫度變化情況下，加熱負載電氣特性改變對於加熱效益做一探討。

Abstract

The main purpose of this study is to establish a current-fed switching power supply for load parallel resonant induction heating system. By utilizing phase shift regulation, overlap time control, and the stray components of the power transformer, the switches are enable to have the function of soft switching and the energy suitable transforming. The purposes are to reduce electromagnetic interference and losses and to improve efficiency. Furthermore, four series connection diodes of traditional current-fed inverter can be omitted by application of phase shift regulation. Therefore, a design with simplified structure, reduced losses and cost can be achieve.

The electric characteristics of heating load change with variations of temperature. For this reason, this paper has adopted technology of phase locked loop, causing switching frequency to follow resonant frequency, to ensure heating system is in the best efficiency.

Finally, the controlled signals of inverter, operation characteristics and efficiency of the system are measured and discussed.

目 錄

中文摘要………………………………………………………..i
英文摘要………………………………………………….........ii
誌謝............................................................................................iii
目錄……………………………………………………….......iv
圖目錄………………………………………………..….……vii
表目錄………………………………………………………….x

第一章 緒論
1.1研究背景與動機………………………………........................1
1.2研究內容………………………………………………………2
1.3論文架構………………………………………………………3

第二章 感應加熱理論基礎與負載特性分析
2.1感應加熱基本原理……………………………………………4
2.2感應加熱系統之設計考量……………………………………6
2.2.1系統頻率與功率…………………………………………..7
2.2.2加工物件上的電阻係數…………………………………..10
2.2.3加工物件上的相對導磁係數……………………………..12
2.2.4溫度分佈…………………………………………………..14
2.2.5加熱時間 …………………………………………………15
2.3加熱線圈之散熱與絕緣………………………………………16
2.4加熱線圈之型式………………………………………………17
2.5電磁效應………………………………………………………20
2.6焦耳效應………………………………………………………26
2.7加熱負載之等效模型…………………………………………29
2.8感應加熱之優點與應用………………………………………31

第三章 全橋相移式轉換器工作原理與分析
3.1換流器之結構…………………………………………………33
3.2柔性切換技術…………………………………………………35
3.3電流饋入式轉換器之優點……………………………………37
3.4主電路架構……………………………………………………38
3.5電路動作分析與說明…………………………………………39
3.5.1模式Ⅰ：Q4 / Q3重疊區間(t0≦t≦t1)………………..……...41
3.5.2模式Ⅱ：輸入電感 儲能區(t1≦t≦t2)……………..……...43
3.5.3模式Ⅲ：Q1/ Q2諧振轉移區間(t2≦t≦t3)……………..…....44
3.5.4模式Ⅳ： 放電區間(t3≦t≦t4)……………………….…….45
3.5.5模式Ⅴ：輸入電感 釋能區間(t4≦t≦t5)……...………......47
3.5.6模式Ⅵ至模式Ⅹ之狀態...........................................................47

第四章 感應加熱系統電路設計
4.1系統電路架構…………………………………………………48
4.2整流器與濾波容之選取………………………………………49
4.2.1整流器的選取……………………………………………..49
4.2.2濾波電容的選取…………………………………………..50
4.3輸入電感之設計………………………………………………51
4.4功率開關之選取………………………………………………52
4.5控制與隔離驅動電路之設計…………………………………53
4.5.1 PWM相移控制電路……………………………………..53
4.5.2重疊時間控制電路………………………………………..55
4.5.3隔離驅動電路……………………………………………..57
4.6功率變壓器之設計……………………………………………61
4.7加熱線圈之製作………………………………………………62
4.8諧振電容之設計………………………………………………63
4.9頻率迴授控制電路之製作……………………………………65

第五章 實驗結果與討論
5.1控制電路………………………………………………………67
5.1.1 PWM相移驅動信號……………………………………..67
5.1.2重疊時間驅動信號………………………………………..70
5.1.3隔離驅動信號……………………………………………..72
5.2功率開關之波形量測………………………………………....73
5.3輸入電感………………………………………………………74
5.4功率變壓器……………………………………………………75
5.5感應加熱系統效率與負載特性量測…………………………76
5.5.1加熱時間量測……………………………………………..76
5.5.2系統效率量測……………………………………………..77
5.5.3負載參數變動下之量測與分析…………………………..78

第六章 結論與未來展望
6.1結論……………………………………………………………82
6.2未來展望………………………………………………………83

參考文獻……………………………………………………................85


圖 目 錄

圖2.1 感應加熱器基本原理及架構方塊圖………………………5
圖2.2 金屬圓柱導體內電流分佈情況……………………………7
圖2.3 溫度變化下的電阻係數……………………………………11
圖2.4 鐵的 與溫度之關係……………………………………......12
圖2.5 磁化強度與溫度的關係……………………………………13
圖2.6 表面硬化感應加熱工作曲線………………………………...15
圖2.7 圓柱體在長扁圓型感應線圈中的橫向磁通加熱………17
圖2.8 圓柱體在螺旋型感應線圈中的縱向磁通加熱……………17
圖2.9 常見的加熱線圈型態………………………………………...19
圖2.10 加熱物件受集膚效應而導致的感應電流及功率之分佈……22
圖2.11 在扁平加熱物上的鄰近效應………………………………23
圖2.12 在平行匯流板上的鄰近效應………………………………....23
圖2.13 磁場集中效應……………………………………….………....25
圖2.14 加工物件與線圈末端效應所導致的功率分佈…….…………26
圖2.15 磁滯曲線……………………………………………………….26
圖2.16 鐵損與加熱頻率之關係…………………………………….…28
圖2.17 加熱負載之參數模型………………………………………….30
圖2.18 感應加熱之應用……………………………………………….31
圖3.1 全橋換流器結構…………………………………………….33
圖3.2 開關硬式切換之狀態………………………………………35
圖3.3 開關柔性切換之狀態……………………………………36
圖3.4 全橋相移式柔切轉換器拓樸………………………………38
圖3.6 模式Ⅰ之前的狀態 ……..……………………………40
圖3.7 模式Ⅰ：Q4 / Q3重疊區間 …..………………..41
圖3.8 模式Ⅱ：輸入電感 儲能區間 ………………...43
圖3.9 模式Ⅲ：Q 1/ Q2諧振轉移區間 ……..………..44
圖3.10 模式Ⅳ： 放電區間 ……………..………………45
圖3.11 模式Ⅴ：輸入電感 釋能輸出區間 …………......47
圖4.1 高頻感應加熱系統方塊圖…………………………….…48
圖4.2 感應加熱系統之電路架構…………………………………48
圖4.3 輸入電感之鐵心規格………………………………………52
圖4.4 UC3875 PWM 相移IC內部接線圖………………………54
圖4.5 UC3875實際外部電路接線圖………………………………..54
圖4.6 工作頻率選擇對照圖………………………………………55
圖4.7 改變輸出波形斜率及重疊時間示意圖……………………56
圖4.8 實際重疊時間控制電路……………………………………57
圖4.9 TLP250光耦合器內部構造電路…………………………..59
圖4.10 光耦合器隔離驅動電路所需之獨立電源電路…………….59
圖4.11 光耦合器隔離驅動電路……………………………………….60
圖4.12 空心圓桶形螺旋線圈………………………………………63
圖4.13 感應加熱器負載型式………………………………………….64
圖4.14 頻率控制電路………………………………………………….66
圖4.15 頻率控制之電壓信號 調整電路…………………………66
圖5.1 開關驅動信號Out A（上）與Out B（下）………………68
圖5.2 開關驅動信號Out C（上）與Out D（下）……………..68
圖5.3 開關相移驅動信號(OutA，OutC)與(OutB，OutD) ………….69
圖5.4 RC放電延緩截止之開關驅動信號……………………….70
圖5.5 重疊時間之驅動信號………………………………………71
圖5.6 實際重疊時間之驅動信號…………………………………71
圖5.7 光耦合器隔離驅動信號，輸入（上）及輸出（下）……72
圖5.8 上臂開關的驅動信號 與輸出電壓 …..…………73
圖5.9 下臂開關的驅動信號 與輸出電壓 …..…………74
圖5.10 輸入電感儲能與釋能………………………………………….74
圖5.11 功率變壓器一次側電壓與電流……………………………….75
圖5.12 加熱線圈兩端電壓與電流……………………………….……76
圖5.13 加熱溫度與加熱時間關係圖………………………………….77
圖5.14 系統輸出功率與效率的關係………………………….…….78
圖5.15 溫度改變時，負載等效電感變化情形……………………..81
圖5.16 溫度改變時，負載等效電阻變化情形……………………..81


表 目 錄

表2.1 感應加熱頻率之選擇………………………………………9
表2.2 不同加工物件 、 與熔點大小………………………...11
表2.3 加熱線圈常見的散熱方式…………………………………16
表2.4 常見的加熱線圈特色與用途………………………………18
表3.1 電壓饋入式/電流饋入式換流器之特性與差異…………...34
表3.2 開關動作模式………………………………………………39
表4.1 IRFP460A規格………………………………………………53
表4.2 光耦合器與脈波變壓器隔離之比較………………………58
表5.1 感應加熱系統操作在不同輸出功率時之整體效率………77
表5.2 不同頻率及溫度下，負載之等效電感值( )……………...79
表5.3 不同頻率及溫度下，負載之等效電阻值( )……………80

參考文獻

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