一種高頻大功率電子式功率切換器及切換方法
【專利摘要】本發明涉及電磁感應加熱【技術領域】，公開一種高頻率大功率電子式功率切換器及切換方法，包括:功率切換器主電路、四路驅動電路，所述功率切換器主電路輸入端與電源相連，功率切換器主電路輸出端分別與1#負載、2#負載相連，功率切換器主電路的控制端通過四路驅動電路與控制信號產生電路相連。本發明能夠有效提高功率切換器的切換頻率、生產效率、使用壽命，減少了切換器的體積、工作噪音、維護工作量以及故障帶來的直接經濟損失。
【專利說明】一種高頻大功率電子式功率切換器及切換方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及電磁感應加熱【技術領域】。尤其涉及一種高頻大功率電子式功率切換器及切換方法。
【背景技術】
[0002]目前，在汽車、工程機械、農用機械、工具等零部件鍛造成型前的感應加熱以及后續的表面淬火感應加熱，鋼管、鋼板、鋼筋生產過程中的感應熱處理，鑄造成型生產過程中的感應熔煉等領域；為了提高設備的利用率、生產效率，降低投資成本，因此普遍性采用一臺感應加熱電源帶兩套或多套加熱負載，在應用上必須使用切換器按規定的操作制度完成不同加熱負載之間的功率切換或選擇，如今，都是使用電動切換器、氣動切換器、手動切換完成功率切換的任務。
[0003]專利號為201120231878.8公開了一種“氣動高頻大功率切換器”，它是采用氣缸活塞桿運動帶動觸塊與靜觸塊閉合或斷開完成功率切換；在應用中切換器需要頻繁動作并有較大的沖擊力、接觸壓力容易造成觸塊表面疲勞點蝕、表面氧化物、機械機構松動等因素造成接觸不良，引起打火燒毀觸塊及感應加熱電源內部器件的損壞，并且結構復雜、后續維護工作量較大。
[0004]專利號為02280721.7公開了一種“水冷式功率切換器”，其結構是氣缸帶動動觸頭、與帶有冷卻水管的靜觸頭閉合或斷開完成功率切換，在電流較小、切換頻率較低時使用基本可以，然而在自動化程度較高、生產速度較快、電流較大，要求切換頻率較高、壽命較長的應用中已無法滿足生產要求。
[0005]因此，本行業迫切需要一種能夠連續高頻率切換、大功率、使用壽命無次數限制、安裝方便、維護簡單、體積小、噪音小的功率切換器。
【發明內容】
[0006]為了克服現有功率切換器存在的壽命短、故障率高、結構復雜、接觸不良打火、切換頻率低、噪音大的技術難題，本發明公開一種高頻率大功率電子式功率切換器及切換方法。
[0007]本發明解決上述技術問題所采用的技術方案是:
一種高頻率大功率電子式功率切換器，包括:功率切換器主電路、四路驅動電路，所述功率切換器主電路輸入端與電源相連，功率切換器主電路輸出端分別與1#負載、2#負載相連，功率切換器主電路的控制端通過四路驅動電路與控制信號產生電路相連。
[0008]一種高頻率大功率電子式功率切換器，所述功率切換器主電路包括.Λ#負載切換器電路、2#負載切換器電路，
所述1#負載切換器由兩個反向并聯的功率半導體器件Tl、Τ2組成，Tl的控制極連接Net009、Net008 端；T2 的控制極連接 NetOlO, NetOll 端；
所述2#負載切換器由兩個反向并聯的功率半導體器件Τ3、Τ4組成，Τ3的控制極連接Net013、Net012 端；T4 的控制極連接 Net015、Net014 端。
[0009]一種高頻率大功率電子式功率切換器，所述控制信號產生電路包括:同步變壓器BK1、電壓比較器U2、選通互鎖電路、觸發器，所述與電源相連的同步變壓器BKl經電壓比較器U2與選通互鎖電路相連，所述選通互鎖電路由邏輯或非門U3、邏輯與門U4、邏輯或門U5、邏輯與非門U6電連接構成，所述邏輯或非門U3、邏輯與門U4、邏輯或門U5、邏輯與非門U6的輸出端分別與觸發器U1A、U1B、U2A、U2B電連接構成。
[0010]一種高頻率大功率電子式功率切換器，所述功率半導體器件T1、T2、T3、T4為晶閘管或Mos管、IGBT。
[0011]一種高頻率大功率電子式功率切換器，所述同步變壓器BKl為鐵氧體磁芯，相位延時為小于 I。，觸發信號 Net020、Net021、Net022、Net023 與信號 Net014、Net016 同步。
[0012]一種高頻率大功率電子式功率切換器，所述4路驅動電路的觸發信號Net020、Net021、Net022、Net023為短脈沖信號；所述4路驅動電路的每路驅動電路由功率放大三極管與脈沖變壓器連接的隔離二次側二極管電路電連接構成，功率放大三極管的基極為短脈沖信號輸入端，脈沖變壓器輸出端連接的半波整流二極管負極為控制功率半導體開通與關斷的開關信號。
[0013]一種高頻率大功率電子式功率切換方法，其步驟如下:
1)、同步變壓器BKl的輸入端信號取至電源輸出母線，經降壓隔離后產生低電壓信號Net003傳輸至比較器U2 ；
2)、經比較器U2處理后產生占空比為50%的對稱方波信號Net002傳輸至W、2#負載的選通、互鎖電路U3-1、U4-2、U5-3、U6-1引腳端口 ；
3)、將控制的選通信號NetOOl傳輸至互鎖電路U3-2、U4-l、U5-l、U6-2引腳端口； 當選通信號NetOOl為高電平時，互鎖電路U3-3、U5-3輸出為低電平，互鎖電路U4-3、
U6-3輸出方波信號Net004、Net005 ;其上升沿使觸發器U1A、UlB輸出短脈沖信號Net020、Net021傳輸并控制驅動電路使1#負載工作，驅動電路每路經三極管功率放大脈沖變壓器隔離二次側二極管半波整流后輸出觸發信號分別為Net008/Net009、NetOlO/NetOll，分別控制功率半導體器件的控制極用于控制Tl、T2的開通與關斷，1#負載工作時，電源正半周經Tl，負半周經T2到負載形成電流回路；
當選通信號NetOOl為低電平時，互鎖電路U4-3、U6-3輸出為低電平，互鎖電路U3-3、U5-3輸出方波信號Net006、Net007 ;其上升沿使觸發器U2A、U2B輸出短脈沖信號Net022、Net023傳輸并控制驅動電路使2#負載工作；驅動電路每路經三極管功率放大脈沖變壓器隔離二次側二極管半波整流后輸出觸發信號分別為Net012/Net013、Net014/Net015，分別控制功率半導體器件的控制極用于控制T3、T4的開通與關斷，2#負載工作時電源正半周經Τ3、負半周經Τ4負載形成電流回路。
[0014]其中，Net003為同步變壓器降壓后的信號，Net002為比較器U2輸出的方波信號，NetOOl為1#負載、2#負載之間的選通與互鎖信號，Net004、Net005、Net020、Net021為NetOOl高電平1#負載選通時的輸出波形，Net006、Net007、Net022、Net023為NetOOl低電平2#負載選通時的輸出波形。
[0015]由于采用如上所述的技術方案，本發明具有如下優越性:
本發明能夠有效提高功率切換器的切換頻率、生產效率、使用壽命，減少了切換器的體 積、工作噪音、維護工作量以及故障帶來的直接經濟損失。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0016]圖1是功率切換器主電路與驅動電路圖。
[0017]圖2是控制信號產生電路圖。
[0018]圖3是高頻率大功率電子式功率切換器關鍵控制點的時序波形圖。
【具體實施方式】
[0019]如圖1、2、3所示，一種高頻率大功率電子式功率切換器，包括:功率切換器主電路、四路驅動電路，所述功率切換器主電路輸入端與電源相連，功率切換器主電路輸出端分別與1#負載、2#負載相連，功率切換器主電路的控制端通過四路驅動電路與控制信號產生電路相連。
[0020]所述功率切換器主電路包括:1#負載切換器電路、2#負載切換器電路，
所述1#負載切換器由兩個反向并聯的功率半導體器件Tl、T2組成，Tl的控制極連接Net009、Net008 端；T2 的控制極連接 NetOlO, NetOll 端；
所述2#負載切換器由兩個反向并聯的功率半導體器件Τ3、Τ4組成，Τ3的控制極連接Net013、Net012 端；T4 的控制極連接 Net015、Net014 端。
[0021]所述控制信號產生電路包括:同步變壓器BK1、電壓比較器U2、選通互鎖電路、觸發器，所述與電源相連的同步變壓器BKl經電壓比較器U2與選通互鎖電路相連，所述選通互鎖電路由邏輯或非門U3、邏輯與門U4、邏輯或門U5、邏輯與非門U6電連接構成，所述邏輯或非門U3、邏輯與門U4、邏輯或門U5、邏輯與非門U6的輸出端分別與觸發器U1A、U1B、U2A、U2B電連接構成。
[0022]所述功率半導體器件Tl、T2、T3、T4為晶閘管或Mos管、IGBT。所述同步變壓器BKl為鐵氧體磁芯，相位延時為小于1°，觸發信號Net020、Net021、Net022、Net023與信號Net014、Net016同步。所述4路驅動電路的觸發信號Net020、Net021、Net022、Net023為短脈沖信號；所述4路驅動電路的每路驅動電路由功率放大三極管與脈沖變壓器連接的隔離二次側二極管電路電連接構成，功率放大三極管的基極為短脈沖信號輸入端，脈沖變壓器輸出端連接的半波整流二極管負極為控制功率半導體開通與關斷的開關信號。
[0023]一種高頻率大功率電子式功率切換方法，其步驟如下:
1)、同步變壓器BKl的輸入端信號取至電源輸出母線，經降壓隔離后產生低電壓信號Net003傳輸至比較器U2 ；
2)、經比較器U2處理后產生占空比為50%的對稱方波信號Net002傳輸至W、2#負載的選通、互鎖電路U3-1、U4-2、U5-3、U6-1引腳端口 ；
3)、將控制的選通信號NetOOl傳輸至互鎖電路U3-2、U4-l、U5-l、U6-2引腳端口； 當選通信號NetOOl為高電平時，互鎖電路U3-3、U5-3輸出為低電平，互鎖電路U4-3、
U6-3輸出方波信號Net004、Net005 ;其上升沿使觸發器U1A、UlB輸出短脈沖信號Net020、Net021傳輸并控制驅動電路使1#負載工作，驅動電路每路經三極管功率放大脈沖變壓器隔離二次側二極管半波整流后輸出觸發信號分別為Net008/Net009、NetOlO/NetOll，分別控制功率半導體器件的控制極用于控制Tl、T2的開通與關斷，1#負載工作時，電源正半周經Tl，負半周經T2到負載形成電流回路；
當選通信號NetOOl為低電平時，互鎖電路U4-3、U6-3輸出為低電平，互鎖電路U3-3、U5-3輸出方波信號Net006、Net007 ;其上升沿使觸發器U2A、U2B輸出短脈沖信號Net022、Net023傳輸并控制驅動電路使2#負載工作；驅動電路每路經三極管功率放大脈沖變壓器隔離二次側二極管半波整流后輸出觸發信號分別為Net012/Net013、Net014/Net015,分別控制功率半導體器件的控制極用于控制T3、T4的開通與關斷，2#負載工作時電源正半周經Τ3、負半周經Τ4負載形成電流回路。
[0024]其中，Net003為同步變壓器降壓后的信號，Net002為比較器U2輸出的方波信號，NetOOl為1#負載、2#負載之間的選通與互鎖信號，Net004、Net005、Net020、Net021為NetOOl高電平1#負載選通時的輸出波形，Net006、Net007、Net022、Net023為NetOOl低電平2#負載選通時的輸出波形。
[0025]在圖1中，觸發信號Net020、Net021、Net022、Net023為短脈沖信號控制4路驅動電路，經三極管功率放大脈沖變壓器隔離二次側二極管半波整流后輸出4路觸發信號分別為 Net008/Net009、NetOlO/NetOll、Net012/Net013、Net014/Net015,分別控制功率半導體器件的控制極用于控制T1、T2、T3、T4的開通與關斷，1#負載工作時電源正半周經Tl、負半周經Τ2到負載形成電流回路，2#負載工作時電源正半周經Τ3、負半周經Τ4負載形成電流回路。
[0026]在圖2中，同步變壓器BKl的輸入端信號取至電源輸出母線經降壓隔離后產生低電壓信號Net003連接至比較器U2，經比較器處理后產生占空比為50%的對稱方波信號Net002連接至1#、2#負載的選通、互鎖電路U3_l、U4_2、U5_3、U6-1引腳端口，選通信號NetOOl連接至U3-2、U4-1、U5-1、U6-2引腳端口且為高電平時，U3_3、U5-3輸出為低電平，U4-3、U6-3輸出方波信號Net004、Net005其上升沿使觸發器U1A、UlB輸出短脈沖信號Net020、Net021并控制驅動電路使1#負載工作；選通信號NetOOl為低電平時U4_3、U6-3輸出為低電平，U3-3、U5-3輸出方波信號Net006、Net007其上升沿使觸發器U2A、U2B輸出短脈沖信號Net022、Net023并控制驅動電路使2#負載工作。
[0027]在圖3中，Net003為同步變壓器降壓后的信號，Net002為比較器U2輸出的方波信號，NetOOl為1#負載、2#負載之間的選通與互鎖信號，Net004、Net005、Net020、Net021為NetOOl高電平1#負載選通時的輸出波形，Net006、Net007、Net022、Net023為NetOOl低電平2#負載選通時的輸出波形。
【權利要求】
1.一種高頻率大功率電子式功率切換器，其特征在于:包括:功率切換器主電路、四路驅動電路，所述功率切換器主電路輸入端與電源相連，功率切換器主電路輸出端分別與1#負載、2#負載相連，功率切換器主電路的控制端通過四路驅動電路與控制信號產生電路相連。
2.根據權利要求1所述的一種高頻率大功率電子式功率切換器，其特征在于:所述功率切換器主電路包括:1#負載切換器電路、2#負載切換器電路， 所述1#負載切換器由兩個反向并聯的功率半導體器件Tl、T2組成，Tl的控制極連接Net009、Net008 端；T2 的控制極連接 NetOlO, NetOll 端； 所述2#負載切換器由兩個反向并聯的功率半導體器件Τ3、Τ4組成，Τ3的控制極連接Net013、Net012 端；T4 的控制極連接 Net015、Net014 端。
3.根據權利要求1所述的一種高頻率大功率電子式功率切換器，其特征在于:所述控制信號產生電路包括:同步變壓器BK1、電壓比較器U2、選通互鎖電路、觸發器，所述與電源相連的同步變壓器BKl經電壓比較器U2與選通互鎖電路相連，所述選通互鎖電路由邏輯或非門U3、邏輯與門U4、邏輯或門U5、邏輯與非門U6電連接構成，所述邏輯或非門U3、邏輯與門U4、邏輯或門U5、邏輯與非門U6的輸出端分別與觸發器U1A、U1B、U2A、U2B電連接構成。
4.根據權利要求1所述的一種高頻率大功率電子式功率切換器，其特征在于:所述功率半導體器件Tl、T2、T3、T4為晶閘管或Mos管、IGBT0
5.根據權利要求1所述的一種高頻率大功率電子式功率切換器，其特征在于:所述同步變壓器BKl為鐵氧體磁芯，相位延時為小于1°，觸發信號Net020、Net02U Net022、Net023 與信號 Net01 4、Net016 同步。
6.根據權利要求1所述的一種高頻率大功率電子式功率切換器，其特征在于:所述4路驅動電路的觸發信號Net020、Net021、Net022、Net023為短脈沖信號；所述4路驅動電路的每路驅動電路由功率放大三極管與脈沖變壓器連接的隔離二次側二極管電路電連接構成，功率放大三極管的基極為短脈沖信號輸入端，脈沖變壓器輸出端連接的半波整流二極管負極為控制功率半導體開通與關斷的開關信號。
7.一種高頻率大功率電子式功率切換方法，其特征在于:其步驟如下: 1)、同步變壓器BKl的輸入端信號取至電源輸出母線，經降壓隔離后產生低電壓信號Net003傳輸至比較器U2 ； 2)、經比較器U2處理后產生占空比為50%的對稱方波信號Net002傳輸至W、2#負載的選通、互鎖電路U3-1、U4-2、U5-3、U6-1引腳端口 ； 3)、將控制的選通信號NetOOl傳輸至互鎖電路U3-2、U4-l、U5-l、U6-2引腳端口； 當選通信號NetOO I為高電平時，互鎖電路U3-3、U5-3輸出為低電平，互鎖電路U4-3、U6-3輸出方波信號Net004、Net005 ;其上升沿使觸發器U1A、UlB輸出短脈沖信號Net020、Net021傳輸并控制驅動電路使1#負載工作，驅動電路每路經三極管功率放大脈沖變壓器隔離二次側二極管半波整流后輸出觸發信號分別為Net008/Net009、NetOlO/NetOll，分別控制功率半導體器件的控制極用于控制Tl、T2的開通與關斷，1#負載工作時，電源正半周經Tl，負半周經T2到負載形成電流回路； 當選通信號NetOOl為低電平時，互鎖電路U4-3、U6-3輸出為低電平，互鎖電路U3-3、U5-3輸出方波信號Net006、Net007 ;其上升沿使觸發器U2A、U2B輸出短脈沖信號Net022、Net023傳輸并控制驅動電路使2#負載工作；驅動電路每路經三極管功率放大脈沖變壓器隔離二次側二極管半波整流后輸出觸發信號分別為Net012/Net013、Net014/Net015,分別控制功率半導體器件的控制極用于控制T3、T4的開通與關斷，2#負載工作時電源正半周經Τ3、負半周經Τ4負載形成電流回路； 其中，Net003為同步變壓器降壓后的信號，Net002為比較器U2輸出的方波信號，NetOOl為1#負載、2#負載之間的選通與互鎖信號，Net004、Net005、Net020、Net021為NetOOl高電平1#負載選通時的輸出波形，Net006、Net007、Net022、Net023為NetOOl低電平2#負載選通時的輸出波形。
【文檔編號】H05B6/06GK103813555SQ201410041809
【公開日】2014年5月21日 申請日期:2014年1月29日 優先權日:2014年1月29日
【發明者】劉光輝, 王傳智, 郭鵬超 申請人:洛陽科諾工業設備有限公司