臺灣博碩士論文加值系統

摘 要

由於現今環保意識提升，感應加熱相較於一般傳統電熱或瓦斯加熱方式，大部份的熱能會散溢至周圍，熱轉換效率不高，而感應加熱器直接加熱具備無環境污染及加熱速度快、安全性高…等許多優點；另一方面，隨著半導體晶體元件製成的進步，使轉換器上的功率開關能夠操作在更高頻率的範圍，致使高頻感應加熱裝置具備了輕、薄、短、小、效率高的特色。

本篇論文採全橋式電路建構一電壓饋入式電源轉換裝置，應用於負載串聯共振式感應加熱系統之上，功率開關具備零電壓切換之性能，以達降低功率開關之切換應力、切換損失及改善電磁干擾現象，成功達到提高加熱效率之目的。加熱過程中負載之電氣特性伴隨加熱溫度的變化而改變，有鑑於此，本研究採用鎖相迴路控制技術追隨共振頻率，確保加熱系統於運作期間之效率為最佳狀態；此外，利用熱電耦之溫度感測器配合相移技術，設計出溫度回授控制功能，藉由調整工作週期來改變轉換器之輸出功率，進而精確控制加熱溫度。

最後，對本研究的感應加熱系統操作特性與整體效率進行說明與量測，對多個加工物件同時進行加熱做測試，以單顆變壓器即可達到輸出多負載之功能，減少電路構件數目，使功率關關達到柔性切換，大幅降低開關的切換損失，並在加熱溫度變化下，負載電氣特性改變對於加熱效果做一併探討。

Abstract

Because of environmental consciousness, compared with conventional electric heating and gas heating which a large part of heat energy is lost, the induction heating has many advantages such as cleanliness, high-speed heating, high safety and better heating quality. On the other aspect, with advances of the latest power semiconductor devices, the switches of inverter can operate in higher frequency ranges, this bring the induction-heating systems to reach small, compact, and high efficient .

In this study, a load series resonant induction heating system with voltage source full bridge inverter has been constructed and tested. The system can reach reducing switching losses, component stresses, and electromagnetic interference of power semiconductor devices. Since the characteristics of load change with variations of temperature, a Phase Locked Loop (PLL) technology has been adopted. By this, the heating system can operate in the most efficient state. Additionally, this research proposes a temperature control by temperature-sensing incorporating with phase-shift Pulse-Width-Modulated (PWM) technology.

Finally, the operation characteristics and efficiency of the induction heating system are measured and analyzed.

目 錄

中文摘要．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．i
英文摘要．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．ii
誌謝．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．iii
目錄．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．iv
圖目錄．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．viii
表目錄．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．xii

第一章 緒論
1.1研究背景．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．1
1.2研究動機．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．3
1.3研究內容．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．3
1.4文獻探討．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．4
1.5論文架構．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．5


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．．．．．．．．．．．．．．．．6
2.2感應加熱系統之設計考量．．．．．．．．．．．．．8
2.2.1系統頻率與功率．．．．．．．．．．．．．．．．9
2.2.2加工物件上的電阻係數．．．．．．．．．．．．．12
2.2.3加工物件上的相對導磁係數．．．．．．．．．．．14
2.2.4溫度分佈．．．．．．．．．．．．．．．．．．．16
2.2.5加熱時間．．．．．．．．．．．．．．．．．．．17
2.3加熱線圈的散熱與絕緣．．．．．．．．．．．．．．17
2.4加熱線圈之型式．．．．．．．．．．．．．．．．．19
2.5電磁效應．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．23
2.5.1集膚效應．．．．．．．．．．．．．．．．．．．23
2.5.2鄰近效應．．．．．．．．．．．．．．．．．．．25
2.5.3線圈效應．．．．．．．．．．．．．．．．．．．27
2.5.4磁場集中效應．．．．．．．．．．．．．．．．．28
2.5.5邊界效應．．．．．．．．．．．．．．．．．．．28
2.6焦耳效應．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．29
2.6.1磁滯損．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．29
2.6.2渦流損．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．30
2.7加熱負載之等效模型．．．．．．．．．．．．．．．31
2.8感應加熱之優點與應用．．．．．．．．．．．．．．33
第三章 全橋相移式反流器工作原理與分析
3.1反流器之結構．．．．．．．．．．．．．．．．．．36
3.2硬切與柔切技術之差異．．．．．．．．．．．．．．38
3.2.1硬切之定義．．．．．．．．．．．．．．．．．．38
3.2.2硬切時電壓及電流波形之軌跡．．．．．．．．．．39
3.2.3柔切之定義．．．．．．．．．．．．．．．．．．40
3.2.4柔切時電壓及電流波形之軌跡．．．．．．．．．．41
3.3主電路架構．．．．．．．．．．．．．．．．．．．42
3.4電路動作分析與說明．．．．．．．．．．．．．．．44
3.4.1模式Ⅰ:正半週能量傳送區間．．．．．．．．．． 45
3.4.2模式Ⅱ:超前臂諧振轉移區間．．．．．．．．． ．45
3.4.3模式Ⅲ:DS2續流過程區間．．．．．．．．．．．．47
3.4.4 模式Ⅳ:落後臂諧振轉移區間．．．．．．．．．．47
3.4.5模式Ⅴ:DS3續流過程區間．．．．．．．．．．．．49
3.4.6模式Ⅵ:負半週能量傳送區間．．．．．．．．． ．49
3.4.7模式VII:落後臂諧振轉移區間．．．．．．．．．．50
3.4.8模式VIII:DS4續流過程區間．．．．．．．．．．．51
3.4.9模式IX:超前臂諧振轉移區間．．．．．．．．． ．51
3.4.10模式X:DS1續流過程區間．．．．．．．．．．．．52
3.5共振週期能量分析．．．．．．．．．．．．．．．．53
．
第四章 高頻感應加熱電路設計
4.1高頻感應加熱電路架構．．．．．．．．．．．．．．55
4.2 EMI濾波器設計．．．．．．．．．．．．．．．．．57
4.3整流器與濾波電容器的選取．．．．．．．．．．．．58
4.3.1整流器選取．．．．．．．．．．．．．．．．．．58
4.3.2濾波電容器選取．．．．．．．．．．．．．．．．59
4.4功率開關．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．60
4.4.1功率開關元件選取．．．．．．．．．．．．．．．60
4.5控制信號元件．．．．．．．．．．．．．．．．．．62
4.5.1 UCC3895特點．．．．．．．．．．．．．．．．．63
4.5.2 UCC3895接腳功能．．．．．．．．．．．．．．．63
4.6驅動電路與隔離電路．．．．．．．．．．．．．．．64
4.6.1 IR2110驅動隔離功能．．．．．．．．．．． ．．65
4.6.2 IR2110高壓側懸浮驅動的靴帶(Bootstrap)原理．．67
4.6.3靴帶電容的設計．．．．．．．．．．．．．．．．67
4.6.4 IR2110在全橋厲流器中之應用．．．．．．．． ．68
4.7高頻功率變壓器之設計．．．．．．．．．．．．．．69
4.8加熱線圈之設計．．．．．．．．．．．．．．．．．71
4.9諧振電容之設計．．．．．．．．．．．．．．．．．72
4.10 鎖相迴路控制方法．．．．．．．．．．．．．．．74
4.10.1 參考電流偵測電路．．．．．．．．．．．．．．74
4.10.2 零交越點偵測電路．．．．．．．．．．．．．．75
4.10.3MC14046B ．．．．．．．．．．．．．．．．．．76
4.11 溫度控制方法．．．．．．．．．．．．．．．．．79
4.11.1 熱電耦的應用原理．．．．．．．．．．．．．．79
4.11.2 K型熱電耦．．．．．．．．．． ．．．．．．．81
4.11.3功率控制方式．．．．．．．．．．． ．．．．．82

第五章 實驗結果與說明
5.1控制電路PWM訊號．．．．．．．．．．．．． ．．．86
5.2盲時時間設計．．．．．．．．．．．．．．．．．．88
5.3隔離驅動信號．．．．．．．．．．．．．．．．．．89
5.4功率開關柔性切換之波形量測．．．．． ．．．．．90
5.5功率變壓器．．．．．．．．．．．．．．．．．．．95
5.6感應加熱器之負載特性量測．．．．．．．．．．．．97
5.6.1負載參數變動下之量測與分析．．．．．．．．．98
5.7負載共振頻率的量測．．．．．．．．．．．．．．．101
5.8溫度控制與相移量關係．．．．．．．．．．．．．．101
5.9加熱時間量測．．．．．．．．．．．．．．．．．．103
5.10系統效率量測．．．．．．．．．．．．．．．． ．105
5.10單一加工物件與多加工物件的量測．．．．．．． ．107

第六章 結論與未來展望
6.1結論．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．111
6.2未來展望．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．112

參考文獻．．．．．．．．．．．．．．．．．．． ．．114
作者簡介．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． ．119

圖 目 錄

圖 2.1感應加熱器基本原理及架構方塊圖．．．．．．．．．．7
圖 2.2金屬圓柱導體內電流分佈情況．．．．．．．．．．．．9
圖 2.3溫度變化下的電阻係數．．．．．．．．．．．．．．．13
圖 2.4鋼的與溫度之關係．．．．．．．．．．．．．．．．．14
圖 2.5磁化強度與溫度的關係．．．．．．．．．．．．．．．15
圖 2.6表面硬化感應加熱工作曲線．．．．．．．．．．．．．17
圖 2.7圓柱體在長扁圓型感應線圈中的橫向磁通加熱．．．．．19
圖 2.8圓柱體在螺旋型感應線圈中的縱向磁通加熱．．．．．．19
圖 2.9閉磁路感應加熱形式．．．．．．．．．．．．．．．．20
圖 2.10開磁路感應加熱形式．．．．．．．．．．．．．．． 20
圖 2.11常見的加熱線圈型態．．．．．．．．．．．．．．． 22
圖 2.12加熱物件受集膚效應而導致的感應電流及功率之分佈． 25
圖 2.13在扁平加熱物上的鄰近效應．．．．．．．．．．．． 26
圖 2.14在平行匯流板上的鄰近效應．．．．．．．．．．．． 26
圖 2.15磁場集中效應．．．．．．．．．．．．．．．．．． 28
圖 2.16加工物件與線圈末端效應所導致的功率分佈．．．．． 29
圖 2.17磁滯曲線．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 29
圖 2.18鐵損與加熱頻率之關係．．．．．．．．．．．．．． 31
圖 2.19加熱負載之參數模型．．．．．．．．．．．．．．． 32
圖 2.20感應加熱之應用領域．．．．．．．．．．．．．．． 33
圖 3.1全橋反流器結構．．．．．．．．．．．．．．．．．．37
圖 3.2開關硬式切換之狀態．．．．．．．．．．．．．．．．39
圖 3.3功率開關元件硬切時電壓及電流波形軌跡圖．．．．．．39
圖 3.4開關柔性切換之狀態．．．．．．．．．．．．．．．．40
圖 3.5功率開關元件柔切時電壓及電流波形軌跡圖．．．．．．41
圖 3.6電壓饋入式全橋相移式感應加熱器架構．．．．．．．．42
圖 3.7開關控制訊號時序圖及變壓器一次側電壓、電流波形圖．43
圖 3.8能量傳送區導通電流路徑．．．．．．．．．．．．．．45
圖 3.9超前臂諧振導通電流路徑 ．．．．．．．．．．．．．.46
圖 3.10DS2續流路徑．．．．．．．．．．．．．．．．．．．47
圖 3.11落後臂諧振導通電流路徑．．．． ．．．．．．．．．48
圖 3.12 DS3續流路徑．．． ．．．．．．．．．．．．．．．49
圖 3.13 負半週能量傳送區．．．．．．．．．．．．．．．．50
圖 3.14 落後臂諧振轉移區間．．．．．．．．．．．．．．．50
圖 3.15 DS4續流過程區間．．．．．．．．．．．．． ．．．51
圖 3.16超前臂諧振轉移區間．．．．．．．．．．．．． ．．52
圖 3.17 DS1續流過程區間．．．．．．．．．．．．．．． ．52
圖 4.1高頻感應加熱系統方塊圖．．．．．．．．．．．．．．55
圖 4.2高頻感應加熱系統之電路架構．．．．．．．．．．．．56
圖 4.3多負載高頻感應加熱系統之電路架構．．．．．．．．．56
圖 4.4 EMI濾波器電路．．．．．．．．．．．．．．．．．．58
圖 4.5 UCC3895內部方塊圖．．．．．．．．．．．．．．．．62
圖 4.6 UCC3895控制IC腳位圖．．．．．．．．．．．．．．．63
圖 4.7 IR2110內部方塊圖．．．．．．．．．．．．．．． ．66
圖 4.8 IR2110驅動電路．．．．．．．．．．．．．．． ．．67
圖 4.9單一橋臂之IR2110隔離驅動路圖．．．．．．．．．．．68
圖 4.10高頻變壓器示意圖．．．．．．．．．．．．．．． ．69
圖 4.11圓桶形螺旋線圈圖．．．．．．．．．．．．．． ．．72
圖 4.12感應加熱器負載諧振型式．．．．．．．．．．． ．．73
圖 4.13頻率控制系統流程圖．．．．．．．．．．．．．． ．74
圖 4.14電流信號偵測電路．．．．．．．．．．．．．．． ．75
圖 4.15零交越偵測電路．．．．．．．．．．．．．．．．． 75
圖 4.16鎖相迴路方塊圖．．．．．．．．．．．．．．．．． 77
圖 4.17 MC14046B控制電路．．．．．．．．．．．．．．．．77
圖 4.18相位比較器與輸出電壓關係．．．．．．．．．．． ．78
圖 4.19相位調整電路．．．．．．．．．．．．．．．．． ．78
圖 4.20頻率控制之電壓信號 調整電路．．．．．．．．．． 78
圖 4.21功率控制系統流程圖．．．．．．．．．．．．．． ．79
圖 4.22熱電耦效應．．．．．．．．．．．．．．．．．． ．80
圖 4.23 K型熱電耦外型圖．．．．．．．．．．．．．．． ．81
圖 4.24電壓控制相移模式脈波寬度調變示意圖．．．．．． ．82
圖 4.25回授電壓範圍調整電路．．．．．．．．．．．．． ．83
圖 4.26改良後回授電壓調整電路圖．．．．．．．．．．． ．84
圖 5.1 UC3895脈波信號Out A（上）與Out B（上）．．．．． 86
圖 5.2 UC3895脈波信號Out C（上）與Out D（上）．．．．． 87
圖 5.3 UC3895脈波信號Out A（上）與Out C（上）相移90度． 87
圖 5.4 IR2110隔離驅動訊號Out S1（上）與Out S2（下）．． 89
圖 5.5 IR2110隔離驅動訊號Out S3（上）與Out S4（下）．． 90
圖 5.6超前臂開關S1之驅動訊號VGS與開關輸出電壓VDS．．．．91
圖 5.7超前臂開關S2之驅動訊號VGS與開關輸出電壓VDS．．．．91
圖 5.8落後臂開關S3之驅動訊號VGS與開關輸出電壓VDS．．．．92
圖 5.9落後臂開關S4之驅動訊號VGS與開關輸出電壓VDS．．．．92
圖 5.10超前臂開關S1之驅動訊號VGS與開關輸出電壓VDS．．． 93
圖 5.11超前臂開關S2之驅動訊號VGS與開關輸出電壓VDS．．． 93
圖 5.12落後臂開關S3之驅動訊號VGS與開關輸出電壓VDS．．． 94
圖 5.13落後臂開關S4之驅動訊號VGS與開關輸出電壓VDS．．． 94
圖 5.14功率變壓器一次側電壓與電流 ．．．．．．．．．．．95
圖 5.15功率變壓器二次側電壓與電流． ．．．．．．．．．．96
圖 5.16多負載A電壓 與電流 ．．．．．．．．．．．．．．．96
圖 5.17多負載B電壓 與電流 ．．．．．．．．．．．．．．．97
圖 5.18溫度改變時之負載等效串聯電感變化情形．．．．．． 99
圖 5.19溫度改變時之負載等效串聯電阻變化情形．．．．．．100
圖 5.20感應加熱系統中，共振頻率之變化．．．．．．．．．101
圖 5.21 430℃時電壓波形．．．．．．．．．．．．．．．．102
圖 5.22 450℃時電壓波形．．．．．．．．．．．．．．．．102
圖 5.23 480℃時電壓波形．．．．．．．．．．．．．．．．103
圖 5.24加熱溫度與加熱時間關係圖．．．．．．．．．．．．104
圖 5.25多負載加熱溫度與加熱時間關係圖．．．．．．．．．104
圖 5.26系統輸出功率與效率的關係．．．．．．．．．．．．106
圖 5.27多負載系統輸出功率與效率的關係．．．．．．．．．107
圖 5.28單一加工物件未加熱圖．．．．．．．．．．．．．．108
圖 5.29單一加工物件已加熱圖．．．．．．．．．．．．．．108
圖 5.30多加工物件加熱溫差圖．．．．．．．．．．．．．．109
圖 5.31多加工物件已加熱圖．．．．．．．．．．．．．．．110

表 目 錄

表2.1感應加熱頻率之選擇．．．．．．．．．．．．．．．．11
表2.2不同加工物件 、 與熔點大小．．．．．．．．．．．．13
表2.3加熱線圈常見的散熱方式．．．．．．．．．．．．．．18
表2.4常見的加熱線圈特色與用途．．．．．．．．．．．．．21
表3.1開關動作模式．．．．．．．．．．．．．．．．．．．44
表4.1 DD100GB80規格表．．．．．．．．．．．．．．．．．59
表4.2IRFP31N50L規格表．．．．．．．．．．．．．．．．．61
表4.3 UCC3895控制IC腳位功能說明．．．．．．．．．．．．64
表4.4光耦合器與脈波變壓器隔離之比較．．．．．．．．．．65
表4.5IR2110各腳位功能說明．．．．．．．．．．．．．．．66
表4.6 K型熱電耦溫度表．．．．．．．．．．．．．．．．．81
表4.7 RV1參數值與溫度對照表．．．．．．．．．．．．．．84
表4.8 RV2參數值與溫度對照表．．．．．．．．．．．．．．85
表5.1不同頻率及溫度下，負載之等效串聯電感值(μH) ．．．99
表5.2不同頻率及溫度下，負載之等效串聯電阻值(Ω)．．．．100
表5.3感應加熱系統操作在不同輸出功率時之整體效率．．．．106
表5.4多負載系統操作在不同輸出功率時之整體效率．．．．．107

參考文獻

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