專利名稱：數字式高頻開關電磁加熱電源系統集成模塊的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種數字式高頻開關電磁加熱電源系統集成模塊，屬于數字控制高頻開關 電源技術領域。
背景技術：
高頻電磁加熱技術是一種新型高效加熱方式，在工業、商業領域有著廣泛的應用，包 括食品加工、工業生產過程加熱、表面熱處理、工業生產過程焊接等，它是采用高頻電磁 波在被加熱金屬內產生渦流，金屬本身使金屬本身直接發熱，進而加熱金屬容器內部的介 質。傳統的電磁加熱電源在使用時存在功率調節不平滑、電源自身發熱大、保護設計不合 理導致故障率高、電路結構效率低等問題，同時，由于電磁加熱設備基本是非標設備，因 此在用戶需要時，都需要重新設計，這種狀態導致產品開發難度大、標準化程度差、可靠 性低、功能不完善、使用維護不便等問題，以上問題，使得大功率高頻電磁加熱設備效率 低、可靠性差、開發周期長、應用推廣難度大，無法滿足各領域對電磁加熱設備的需要。
發明內容
本發明的目的就在于避免和克服已有技術的缺點和不足而提供一種應用于電磁加熱設 備上的數字式高頻開關電磁加熱電源系統集成模塊。
數字式高頻開關電磁加熱電源系統集成模塊是一種用于電磁加熱設備的電源，本發明 使用模塊化結構設計替代傳統的一體化設計方式，數字式高頻開關電磁加熱電源系統集成 模塊主要完成電磁加熱控制及功率變換，并提供必要的通訊接口，電磁加熱設備設計人員 可以直接使用該模塊來設計電磁加熱設備，也可以設計其他控制電路，通過模塊提供通訊 接口控制電源模塊的工作，模塊可以根據需要進行組合，這樣實現，可以大大簡化產品設 計人員的設計難度，提高設計速度，保證產品質量。
鑒于以往電磁加熱設備所存在的問題，為保證電磁加熱用電源模塊的通用性、可靠性 和高性能，模塊在設計時采用了與以往不同的技術方法，這下方法包括功率半導體過流單 脈沖保護提高整機的可靠性、功率調節采用調頻調脈寬并用的形式使得功率調節平滑均勻、 最大輸出功率時工作頻率根據諧振頻率標定使得整機發熱大大降低、串行通訊接口方便產品設計廠家進行二次開發、精巧可靠方便的模塊化結構設計便于用戶根據需要合理布置電 源模塊在產品中的位置。
采用本發明所述數字式高頻開關電磁加熱電源系統集成模塊的電磁加熱設備具有功率 大、效率高、體積小、重量輕、穩定可靠、便于二次開發等效果；本發明能提高設備的功
率調節平滑度、效率，降低體積重量和發熱，提高整機可靠性，還可以大大簡化具體產品 開發的過程，降低產品開發難度，便于產品系列化，從而使電磁加熱產品在適應性、可靠 性、功率調節平穩性、產品開發簡便等方面得到很大提高。 本發明是采用以下技術措施來實現其發明目的的。
數字式高頻開關電磁加熱電源系統集成模塊，它是由整流濾波電路、逆變電路、IGBT
驅動隔離電路、輸入相電流采樣電路、IGBT電流采樣電路、IGBT驅動電路、控制單片機、 功率控制器、IGBT溫度檢測電路、鍋底溫度檢測電路、串行通訊接口、加熱線圈、電源模 塊整體結構所構成，其工作過程是由數字式脈沖頻率調制與脈沖寬度調制相結合的控制方 法，通過檢測功率控制器信號及其他采樣和反饋信號，控制單片機確定逆變電路開通的脈 沖寬度和脈沖頻率，經IGBT驅動電路放大后，再經IGBT驅動隔離電路驅動逆變電路，通 過加熱線圈產生高頻磁場，使其輸出滿足電磁加熱需要的輸出功率。其采用的技術措施是 電源系統集成模塊功率控制采用調頻調脈寬并用的形式使得功率調節平滑均勻，逆變電路 功率半導體過流單脈沖保護方法提高了可靠性，最大輸出功率時工作頻率根據諧振頻率標
定使得整機發熱大大降低，串行通訊接口便于產品設計廠家進行二次開發、精巧可靠方便 的模塊化結構設計便于用戶根據需要合理布置電源系統集成模塊在產品中的位置。 本發明技術方案如下
1、數字式高頻開關電磁加熱電源系統集成模塊，它是由整流濾波電路、逆變電路、IGBT 驅動隔離電路、輸入相電流采樣電路、IGBT電流采樣電路、IGBT驅動電路、控制單片機、 功率控制器、IGBT溫度檢測電路、鍋底溫度檢測電路、串行通訊接口、加熱線圈、電源模 塊整體結構所構成，其工作過程是由數字式脈沖頻率調制與脈沖寬度調制相結合的控制方 法，通過檢測功率控制器信號及其他采樣和反饋信號，控制單片機確定逆變電路開通的脈 沖寬度和脈沖頻率，經IGBT驅動電路放大后，再經IGBT驅動隔離電路驅動逆變電路，通 過加熱線圈產生高頻磁場，使其輸出滿足電磁加熱需要的輸出功率。其特征是電源系統集 成模塊功率控制采用調頻調脈寬并用的形式使得功率調節平滑均勻，逆變電路功率半導體
過流單脈沖保護方法提高了可靠性，最大輸出功率時工作頻率根據諧振頻率標定使得整機發熱大大降低，串行通訊接口便于產品設計廠家進行二次開發、精巧可靠方便的模塊化結 構設計便于用戶根據需要合理布置電源系統集成模塊在產品中的位置。
所述的數字式高頻開關電磁加熱電源系統集成模塊，其特征在于所述的數字脈沖調制 控制方法是由控制單元根據功率調節器信號確定當前的脈沖頻率和脈沖寬度，同時結合輸 入相電流采樣電路采集的輸入電流確定在有效距離內是否存在可以被加熱物體，如果此時 輸入電流小于設定值，則采用預先設定的脈沖頻率和脈沖寬度方式進行輸出控制，以檢測 可被加熱物體是否在有效距離內。 一旦發現存在有效的可被加熱物體，控制單片機將逐步 調節輸出達到根據功率調節器信號確定的脈沖頻率和脈沖寬度，脈沖調制信號由控制單片 機發出，經IGBT驅動電路放大后，再經IGBT驅動隔離電路驅動逆變電路，通過加熱線圈 產生高頻磁場，使其輸出滿足電磁加熱需要的輸出功率。功率調節器在調節范圍內是連續 可調的，因此輸出功率的控制也是從最小到最大連續可調。現有功率調節的方法采用的是 分段調頻的方式，功率調節不平滑，給使用者帶來不便，部分電磁加熱設備沒有檢測可被 加熱物體是否在有效距離內的功能，這樣會增大電磁輻射，并帶來安全隱患。
所述的數字式高頻開關電磁加熱電源系統集成模塊，其特征在于所述的逆變電路功率 半導體過流單脈沖保護方法是由IGBT管電流傳感器實時采集流過IGBT的電流，由IGBT 電流檢測前置放大電路對信號加以處理，傳送給過流驅動閉鎖電路，如果發現IGBT電流過 大，則立即將信號發送給IGBT驅動隔離電路，由IGBT驅動隔離電路關斷IGBT輸出，從 而達到保護IGBT的目的。現有的IGBT過流保護方式中，IGBT電流釆樣的位置不同，但 不如上述方法快速和精確。
所述的數字式高頻開關電磁加熱電源系統集成模塊，其特征在于所述的最大輸出功率 時工作頻率是根據諧振頻率進行標定的。控制單片機設置脈沖頻率調節范圍時，對于最大 功率對應的頻率應該按照整機諧振頻率進行確定，根據需要確定工作頻率與諧振頻率相差1 % 50%，由于越接近諧振頻率，整機發熱越小，因此按照該方法標定工作頻率可以達到 減少整機發熱、提高效率的目的。現有電磁加熱設備的工作頻率選擇距離諧振頻率點很遠， 一般工作頻率與諧振頻率相差50% 70%，這樣雖然便于生產，但是設備自身發熱十分嚴 重。
所述的數字式高頻開關電磁加熱電源系統集成模塊，其特征在于所述的數字式高頻開 關電磁加熱電源系統集成模塊具有串行通訊接口，通過串行通訊接口，產品設計人員可以 控制數字式高頻開關電磁加熱電源系統集成模塊的工作，也可以接收控制數字式高頻開關 電磁加熱電源系統集成模塊返回的工作狀態，從而達到便于產品設計人員根據用戶實際需要進行產品二次開發的目的。現有電磁加熱設備沒有為二次開發提供專用的串行通訊接口， 因此無法實現二次開發的目標。
所述的數字式高頻開關電磁加熱電源系統集成模塊，其特征在于所述的數字式高頻開 關電磁加熱電源系統集成模塊具有模塊化的結構設計，模塊整體IP防護等級達IP44，模塊 本身充分考慮了通風散熱的要求，體積小，便于安裝，從而達到便于產品設計人員根據用 戶需要合理布置電源系統集成模塊在產品中的位置。現有電磁加熱設備由于集成度不高， 因此不采用模塊化設計，而是采用整機一體化設計，導致產品通用型差，生產、維護不便。
本發明技術效果如下
本發明涉及一種數字式高頻開關電磁加熱電源系統集成模塊，屬于數字控制高頻開關
電源技術領域，本發明是由整流濾波電路、逆變電路、IGBT驅動隔離電路、輸入相電流采 樣電路、IGBT電流采樣電路、IGBT驅動電路、控制單片機、功率控制器、IGBT溫度檢測 電路、鍋底溫度檢測電路、串行通訊接口、加熱線圈、電源模塊整體結構所構成，其工作 過程是由數字式脈沖頻率調制與脈沖寬度調制相結合的控制方法，通過檢測功率控制器信 號及其他采樣和反饋信號，控制單片機確定逆變電路開通的脈沖寬度和脈沖頻率，經IGBT 驅動電路放大后，再經IGBT驅動隔離電路驅動逆變電路，通過加熱線圈產生高頻磁場，使 其輸出滿足電磁加熱需要的輸出功率。其特征是電源系統集成模塊功率控制采用調頻調脈 寬并用的形式使得功率調節平滑均勻，逆變電路功率半導體過流單脈沖保護方法提高了可 靠性，最大輸出功率時工作頻率根據諧振頻率標定使得整機發熱大大降低，串行通訊接口 便于產品設計廠家進行二次開發、精巧可靠方便的模塊化結構設計便于用戶根據需要合理 布置電源系統集成模塊在產品中的位置。
采用本發明所述數字式高頻開關電磁加熱電源系統集成模塊的電磁加熱設備具有功率 大、效率高、體積小、重量輕、穩定可靠、便于二次開發等效果；本發明能提高設備的功 率調節平滑度、效率，降低體積重量和發熱，提高整機可靠性，還可以大大簡化具體產品 開發的過程，降低產品開發難度，便于產品系列化，從而使電磁加熱產品在適應性、可靠 性、功率調節平穩性、產品開發簡便等方面得到很大提高。
圖1為一種應用本發明的數字式高頻開關電磁加熱電源系統集成模塊電路結構框圖。 如圖所示，其中l為整流濾波電路，2為逆變電路，3為IGBT驅動隔離電路，4為輸 入相電流采樣電路，5為IGBT電流采樣電路，6為IGBT驅動電路，7為控制單片機，8為功率控制器，9為IGBT溫度檢測電路，IO為鍋底溫度檢測電路，ll為串行通訊接口， 12
為加熱線圈。
圖2為數字式高頻開關電磁加熱電源系統集成模塊中逆變電路功率半導體過流單脈沖 保護電路結構框圖。
如圖所示，其中1為IGBT管電流傳感器，2為IGBT電流檢測前置放大電路，3為IGBT 過流閉鎖電路，4為IGBT驅動隔離電路。
圖3為為一種應用本發明的最大輸出功率達16千瓦的數字式高頻開關電磁加熱電源系 統集成模塊外形結構圖。
具體實施例方式
下面結合附圖所示內容對本發明及其應用作進一步的闡述。
如圖1所示，應用本發明的數字式高頻開關電磁加熱電源系統集成模塊，它是由整流 濾波電路l、逆變電路2、 IGBT驅動隔離電路3、輸入相電流采樣電路4、 IGBT電流采樣 電路5、 IGBT驅動電路6、控制單片機7、功率控制器8、 IGBT溫度檢測電路9、鍋底溫 度檢測電路IO、串行通訊接口 11、加熱線圈12、電源模塊整體結構所構成，其工作過程是 由數字式脈沖頻率調制與脈沖寬度調制相結合的控制方法，通過檢測功率控制器8信號及 其他采樣和反饋信號，控制單片機7確定逆變電路2開通的脈沖寬度和脈沖頻率，經IGBT 驅動電路6放大后，再經IGBT驅動隔離電路3驅動逆變電路2，通過加熱線圈12產生高 頻磁場，使其輸出滿足電磁加熱需要的輸出功率。
數字式高頻開關電磁加熱電源系統集成模塊使用的數字脈沖調制控制方法是由控制單 元根據功率調節器8信號確定當前的脈沖頻率和脈沖寬度，同時結合輸入相電流釆樣電路4 采集的輸入電流確定在有效距離內是否存在可以被加熱物體，如果此時輸入電流小于設定 值，則采用預先設定的脈沖頻率和脈沖寬度方式進行輸出控制，以檢測可被加熱物體是否 在有效距離內。 一旦發現存在有效的可被加熱物體，控制單片機7將逐步調節輸出達到根 據功率調節器8信號確定的脈沖頻率和脈沖寬度，脈沖調制信號由控制單片機7發出，經 IGBT驅動電路6放大后，再經IGBT驅動隔離電路3驅動逆變電路2，通過加熱線圈12產 生高頻磁場，使其輸出滿足電磁加熱需要的輸出功率。
如圖2所示，數字式高頻開關電磁加熱電源系統集成模塊使用的逆變電路功率半導體 過流單脈沖保護方法是由IGBT管電流傳感器1實時采集流過IGBT的電流，由IGBT電流 檢測前置放大電路2對信號加以處理，傳送給過流驅動閉鎖電路3，如果發現IGBT電流過大，則立即將信號發送給IGBT驅動隔離電路4，由IGBT驅動隔離電路4關斷IGBT輸出， 從而達到保護IGBT的目的。
數字式高頻開關電磁加熱電源系統集成模塊使用的最大輸出功率時工作頻率是根據諧 振頻率進行標定的。控制單片機設置脈沖頻率調節范圍時，對于最大功率對應的頻率應該 按照整機諧振頻率進行確定，根據需要確定工作頻率與諧振頻率相差1% 50%，由于越接 近諧振頻率，整機發熱越小，因此按照該方法標定工作頻率可以達到減少整機發熱、提高 效率的目的。
數字式高頻開關電磁加熱電源系統集成模塊具有串行通訊接口，通過串行通訊接口， 產品設計人員可以控制數字式高頻開關電磁加熱電源系統集成模塊的工作，也可以接收控 制數字式高頻開關電磁加熱電源系統集成模塊返回的工作狀態，從而達到便于產品設計人 員根據用戶實際需要進行產品二次開發的目的。
如圖3所示，數字式高頻開關電磁加熱電源系統集成模塊具有模塊化的結構設計，模 塊整體IP防護等級達IP44，模塊本身充分考慮了通風散熱的要求，體積小，便于安裝，從 而達到便于產品設計人員根據用戶需要合理布置電源系統集成模塊在產品中的位置。
采用本發明所述電磁加熱用電源模塊的電磁加熱設備具有功率大、效率高、體積小、 重量輕、穩定可靠、便于二次開發等效果；本發明能提高設備的功率調節平滑度、效率， 降低體積重量和發熱，提高整機可靠性，還可以大大簡化具體產品開發的過程，降低產品 開發難度，便于產品系列化，從而使電磁加熱產品在適應性、可靠性、功率調節平穩性、 產品開發簡便等方面得到很大提高。
權利要求
1、數字式高頻開關電磁加熱電源系統集成模塊，它是由整流濾波電路、逆變電路、IGBT驅動隔離電路、輸入相電流采樣電路、IGBT電流采樣電路、IGBT驅動電路、控制單片機、功率控制器、IGBT溫度檢測電路、鍋底溫度檢測電路、串行通訊接口、加熱線圈、電源模塊整體結構所構成，其工作過程是由數字式脈沖頻率調制與脈沖寬度調制相結合的控制方法，通過檢測功率控制器信號及其他采樣和反饋信號，控制單片機確定逆變電路開通的脈沖寬度和脈沖頻率，經IGBT驅動電路放大后，再經IGBT驅動隔離電路驅動逆變電路，通過加熱線圈產生高頻磁場，使其輸出滿足電磁加熱需要的輸出功率。其特征是電源系統集成模塊功率控制采用調頻調脈寬并用的形式使得功率調節平滑均勻，逆變電路功率半導體過流單脈沖保護方法提高了可靠性，最大輸出功率時工作頻率根據諧振頻率標定使得整機發熱大大降低，串行通訊接口便于產品設計廠家進行二次開發、精巧可靠方便的模塊化結構設計便于用戶根據需要合理布置電源系統集成模塊在產品中的位置。
2、 根據權利要求l所述的數字式高頻開關電磁加熱電源系統集成模塊，其特征在于所 述的數字脈沖調制控制方法是由控制單元根據功率調節器信號確定當前的脈沖頻率和脈沖 寬度，同時結合輸入相電流采樣電路采集的輸入電流確定在有效距離內是否存在可以被加 熱物體，如果此時輸入電流小于設定值，則采用預先設定的脈沖頻率和脈沖寬度方式進行 輸出控制，以檢測可被加熱物體是否在有效距離內。 一旦發現存在有效的可被加熱物體， 控制單片機將逐步調節輸出達到根據功率調節器信號確定的脈沖頻率和脈沖寬度，脈沖調制信號由控制單片機發出，經IGBT驅動電路放大后，再經IGBT驅動隔離電路驅動逆變電 路，通過加熱線圈產生高頻磁場，使其輸出滿足電磁加熱需要的輸出功率。功率調節器在 調節范圍內是連續可調的，因此輸出功率的控制也是從最小到最大連續可調。現有功率調 節的方法采用的是分段調頻的方式，功率調節不平滑，給使用者帶來不便，部分電磁加熱 設備沒有檢測可被加熱物體是否在有效距離內的功能，這樣會增大電磁輻射，并帶來安全 隱患。
3、 根據權利要求l所述的數字式高頻開關電磁加熱電源系統集成模塊，其特征在于所 述的逆變電路功率半導體過流單脈沖保護方法是由IGBT管電流傳感器實時采集流過IGBT 的電流，由IGBT電流檢測前置放大電路對信號加以處理，傳送給過流驅動閉鎖電路，如果 發現IGBT電流過大，則立即將信號發送給IGBT驅動隔離電路，由IGBT驅動隔離電路關斷 IGBT輸出，從而達到保護IGBT的目的。現有的IGBT過流保護方式中，IGBT電流采樣的位 置不同，但不如上述方法快速和精確。
4、 根據權利要求l所述的數字式高頻開關電磁加熱電源系統集成模塊，其特征在于所 述的最大輸出功率時工作頻率是根據諧振頻率進行標定的。控制單片機設置脈沖頻率調節 范圍時，對于最大功率對應的頻率應該按照整機諧振頻率進行確定，根據需要確定工作頻 率與諧振頻率相差1% 50%，由于越接近諧振頻率，整機發熱越小，因此按照該方法標定 工作頻率可以達到減少整機發熱、提高效率的目的。現有電磁加熱設備的工作頻率選擇距 離諧振頻率點很遠， 一般工作頻率與諧振頻率相差50% 70%，這樣雖然便于生產，但是 設備自身發熱十分嚴重。
5、 根據權利要求l所述的數字式高頻開關電磁加熱電源系統集成模塊，其特征在于所 述的數字式高頻開關電磁加熱電源系統集成模塊具有串行通訊接口，通過串行通訊接口， 產品設計人員可以控制數字式高頻開關電磁加熱電源系統集成模塊的工作，也可以接收控 制數字式高頻開關電磁加熱電源系統集成模塊返回的工作狀態，從而達到便于產品設計人 員根據用戶實際需要進行產品二次開發的目的。現有電磁加熱設備沒有為二次開發提供專 用的串行通訊接口，因此無法實現二次開發的目標。
6、 根據權利要求l所述的數字式高頻開關電磁加熱電源系統集成模塊，其特征在于所 述的數字式高頻開關電磁加熱電源系統集成模塊具有模塊化的結lt設計，模塊整體IP防護 等級達IP44，模塊本身充分考慮了通風散熱的要求，體積小，便于安裝，從而達到便于產 品設計人員根據用戶需要合理布置電源系統集成模塊在產品中的位置。現有電磁加熱設備 由于集成度不高，因此不采用模塊化設計，而是采用整機一體化設計，導致產品通用型差， 生產、維護不便。
全文摘要
數字式高頻開關電磁加熱電源系統集成模塊，由整流濾波電路、逆變電路、IGBT驅動隔離電路、輸入相電流采樣電路、IGBT電流采樣電路、IGBT驅動電路、控制單片機、功率控制器、IGBT溫度檢測電路、鍋底溫度檢測電路、串行通訊接口、加熱線圈、電源模塊整體結構所構成。電源系統集成模塊功率控制采用調頻調脈寬并用的形式使得功率調節平滑均勻，逆變電路功率半導體過流單脈沖保護方法提高了可靠性，最大輸出功率時工作頻率根據諧振頻率標定使得整機發熱大大降低。
文檔編號H05B6/04GK101437333SQ200710177478
公開日2009年5月20日 申請日期2007年11月16日 優先權日2007年11月16日
發明者仲維濱, 冰 姜, 姜明建, 勤 孫 申請人:青島雅合科技發展有限公司