TWI665941B - 感應加熱用電源裝置 - Google Patents

Abstract

感應加熱用電源裝置包含有：平滑化部，使從直流電源部輸出的直流電的脈動電流平滑化；以及逆變器，將經平滑化部予以平滑化後的直流電變換為交流電。平滑化部包含有連接至逆變器之一對匯流條以及連接至該一對匯流條之電容器。各匯流條具有在電流流動方向延伸之外表面，此外表面包含一個平面，此平面在與電流流動方向垂直之方向的表面尺寸係比該外表面的另一面大。該等匯流條係以層疊方式配置，使得該等匯流條的該等平面彼此相向且該等匯流條的該等平面間夾著絕緣體。

Description

感應加熱用電源裝置

本發明係關於感應加熱用電源裝置。

感應加熱(induction heating)係用作為一種在鋼鐵工件的表面處理中進行加熱之方法。感應加熱係施加交流電至加熱線圈使加熱線圈產生磁場，放在磁場中的工件受到工件中感應產生的電流而被加熱。

用來供給交流電至如上述的加熱線圈之習知的電源裝置係具有將市售電源的交流電變換為直流電之變換器(converter)、使直流電的脈動電流(pulsating current)平滑化之電容器、以及將平滑化後的直流電變回到交流電來產生要供給至加熱線圈的高頻交流電之逆變器(inverter)(參照例如日本特開2009-277577號公報)。

逆變器基本上係具有橋式電路(bridge circuit)，此橋式電路包含有複數個能夠進行高速開關動作以產生高頻交流電之功率半導體元件(power semiconductor device)。

功率半導體元件的高速開關動作會造成在 功率半導體元件中的電流流向的快速變化。因為功率半導體元件與用作為電壓源之電容器之間的導通路徑的寄生電感(parasitic inductance)L，電流變化di/dt會在功率半導體元件的端子間產生突波電壓(surge voltage)L×di/dt。

過度的突波電壓可能會造成功率半導體元件損壞。電流變化di/dt主要由功率半導體元件的特性所決定。因此，減低寄生電感L是一個抑制突波電壓的方法。

本發明之舉例說明的態樣提供一種抑制突波電壓以改善對於逆變器的保護之感應加熱用電源裝置。

根據本發明的一個舉例說明的態樣，感應加熱用電源裝置係包含有：平滑化部，用來使從直流電源部輸出的直流電的脈動電流(pulsating current)平滑化；以及逆變器，用來將經平滑化部予以平滑化後的直流電變換為交流電。平滑化部係包含有連接至逆變器之一對匯流條(bus bar)以及連接至該一對匯流條之至少一個電容器。各匯流條具有在電流流動方向延伸之外表面。此外表面包含至少一個平面，該至少一個平面在與電流流動方向垂直之方向的表面尺寸係比該外表面的另一面大。該一對匯流條以層疊方式配置，使得該一對匯流條的該等平面彼此相向且該等匯流條的該等平面間夾著絕緣體。

1、101‧‧‧感應加熱用電源裝置

2‧‧‧交流電源

3‧‧‧變換器

4‧‧‧直流電源部

5、105‧‧‧平滑化部

6、106‧‧‧逆變器

7‧‧‧加熱線圈

11a、11b、11a-1、11b-1、11a-2、11b-2、111a、111b、111a-1、 111b-1、111a-2、111b-2‧‧‧匯流條

12、112、121‧‧‧絕緣片(絕緣體)

14a、14b、114a、114b‧‧‧端子

15、115‧‧‧螺帽

16、116‧‧‧絕緣墊片

17a、17b、117a、117b‧‧‧凸緣部

118、119‧‧‧連接部

120a、120b‧‧‧導電體

B1‧‧‧第一橋

B2‧‧‧第二橋

C、C1、C2‧‧‧電容器

D‧‧‧飛輪二極體

M1‧‧‧第一模組

M2‧‧‧第二模組

Nin‧‧‧輸入端子的負極

Nout‧‧‧輸出端子的負極

Pin‧‧‧輸入端子的正極

Pout‧‧‧輸出端子的正極

Q1、Q2、Q3、Q4‧‧‧功率半導體元件

第1圖係根據本發明的一實施形態之感應加熱用電源裝置的電路圖。

第2圖係顯示第1圖之感應加熱用電源裝置的平滑化部的構成的一例之透視圖。

第3圖係第2圖之平滑化部的分解透視圖。

第4圖係第2圖之平滑化部的斷面圖。

第5圖係平滑化部之一參考例的透視圖。

第6圖係平滑化部之另一參考例的透視圖。

第7圖係根據本發明的另一實施形態之感應加熱用電源裝置的電路圖。

第8圖係根據本發明的另一實施形態之感應加熱用電源裝置的電路圖。

第9圖係顯示第8圖之感應加熱用電源裝置的平滑化部的構成的一例之透視圖。

第10圖係第9圖之平滑化部的斷面圖。

第11圖係根據本發明的另一實施形態之感應加熱用電源裝置的電路圖。

第1圖顯示根據本發明的一實施形態之感應加熱用電源裝置1。

感應加熱用電源裝置1具有直流電源部4、平滑化部5及逆變器6。直流電源部4係包含用來將市電的交流電源2所供給的交流電變換為直流電之變換器3。平滑化部5係用來使從直流電源部4輸出的直流電的脈動電流平滑化。逆變器6係用來將經平滑化部5予以平滑化後的直流電變換為高頻交流電。

逆變器6具有一個包含有串聯連接的功率半導體元件Q1,Q2之臂(arm)、以及另一個包含有也是串聯連接的功率半導體元件Q3,Q4之臂。逆變器6係構成為全橋式電路(full bridge circuit)，使得各個臂中的功率半導體元件之間的串聯連接點作為輸出端子。各個功率半導體元件Q1,Q2,Q3,Q4都有一個飛輪二極體(freewheel diode)D與之並聯連接。

舉例來說，可採用各種可進行開關動作之功率半導體元件，例如絕緣閘雙極電晶體(Insulated Gate Bipolar Transistor：IGBT)及金屬-氧化物-半導體場效電晶體(MOSFET)來作為各功率半導體元件。而且，功率半導體元件的材料的例子可包含矽(Si)及碳化矽(SiC)。

一個加熱線圈7連接於功率半導體元件Q1,Q2的串聯連接點與功率半導體元件Q3,Q4的串聯連接點之間，以藉由功率半導體元件Q1,Q2,Q3,Q4的開關動作將高頻功率供給至加熱線圈7。

第2至4圖顯示平滑化部5的構成之一例。

平滑化部5係包含一對匯流條11a,11b、以及至少一個連接至該一對匯流條11a,11b之電容器C。

各匯流條11a,11b皆為具有一對平板面及一對平側面之平板導電體，且該一對平板面及一對平側面形成該導電體之在電流流動方向(長度方向)延伸之外表面。匯流條11a,11b係以層疊方式配置，使得在與電流流動方向垂直之方向(寬度方向)具有相對較大的表面尺寸之 匯流條11a,11b的平板面或匯流條11a,11b的平側面彼此相向且匯流條11a,11b間夾著絕緣片12。

匯流條11a的一端部連接至變換器3的輸出端子的正極Pout，而匯流條11a的另一端部連接至逆變器6的輸入端子的正極Pin。匯流條11b的一端部連接至變換器3的輸出端子的負極Nout，而匯流條11b的另一端部連接至逆變器6的輸入端子的負極Nin。

連接至匯流條11a,11b之電容器C的一對端子14a,14b係形成為螺牙端子且並排配置於電容器C的一側。端子14a,14b係配置成在匯流條11a,11b及絕緣片12以匯流條11a、絕緣片12及匯流條11b之順序層疊之方向延伸穿過匯流條11a,11b及絕緣片12。在端子14a,14b的末端分別鎖上螺帽15，使得電容器C固定於匯流條11a,11b。

如第3及4圖所示，端子14a與鎖至端子14a之螺帽15係藉由絕緣墊片16而與匯流條11b電性絕緣。另一方面，形成於端子14a的基部之大直徑凸緣(flange)部17a則是與匯流條11a接觸而使端子14a與匯流條11a相互電性連接。因此，端子14a只與匯流條11a連接。

端子14b與形成於端子14b的基部之大直徑凸緣部17b係藉由絕緣墊片16而與匯流條11a電性絕緣。另一方面，鎖至端子14b之螺帽15則是與匯流條11b接觸而使端子14b與匯流條11b透過螺帽15而相互電性連接。因此，端子14b只與匯流條11b連接。

第5及6圖分別顯示平滑化部5的參考例。

在第5圖所示之例中，一對匯流條11a,11b係以匯流條11a,11b的側面彼此相向之方式排列。在第6圖所示之例中，一對匯流條11a,11b係以匯流條11a,11b的平板面彼此相向且有電容器介於匯流條11a,11b之間之方式排列。在第6圖所示之例中，一對端子的其中一個係設在電容器的一側，另一個係設在電容器的另一側。

一對平行的平板導電體的電感係與b/a相關，其中“a”係該一對平行的平板導電體的相向面的寬度，亦即在與導電體的延伸方向(電流的流動方向)垂直之方向的尺寸，“b”係導電體的相向面間的距離。詳言之，b/a變小電感就變小。若相向面的寬度“a”固定，則相向面間的距離“b”變小電感就變小。若相向面間的距離“b”固定，則相向面的寬度“a”變大電感就變小。

如第2至4圖所示，匯流條11a,11b係以層疊方式配置，使得匯流條11a,11b的平板面彼此相向且匯流條11a,11b間夾著絕緣片12。在此情況，與一對匯流條11a,11b的側面彼此相向之第5圖所示的參考例相比較，該一對匯流條11a,11b的相向面的寬度“a”較大，所以該一對匯流條11a,11b的電感會減小。

再者，與一對匯流條11a,11b的平板面彼此相向且有電容器介於匯流條11a,11b之間之第6圖所示的參考例相比較，該一對匯流條11a,11b的相向面間的距離“b”較短，所以該一對匯流條11a,11b的電感會更加減 小。

因此，藉由將匯流條11a,11b以層疊方式配置，使得匯流條11a,11b的平板面彼此相向且匯流條11a,11b間夾著絕緣片12，可減小電容器C與功率半導體元件Q1,Q2,Q3,Q4(有直流電從該電容器C供給到該等功率半導體元件)間的導通路徑的寄生電感。因此，會抑制因為寄生電感而在功率半導體元件Q1,Q2,Q3,Q4的端子間產生之突波電壓，從而改善對於逆變器6之保護。

最好採用薄膜電容器(film capacitor)、陶瓷電容器等之內部電感比電解電容器小的電容器來作為電容器C。

雖然在上述的例子中係連接一個電容器C至一對匯流條11a,11b，但亦可將複數個電容器C並聯連接至該一對匯流條11a,11b。

在第7圖所示之例中，包含功率半導體元件Q1,Q2之臂及包含功率半導體元件Q3,Q4之臂各自構成為一個模組。包含功率半導體元件Q1,Q2之第一模組M1係連接至一對匯流條11a-1,11b-1，包含功率半導體元件Q3,Q4之第二模組M2係連接至一對匯流條11a-2,11b-2。在此情況，該一對匯流條11a-1,11b-1及該一對匯流條11a-2,11b-2可設於平滑化部5之中，且該一對匯流條11a-1,11b-1及該一對匯流條11a-2,11b-2可構成為與前述的一對匯流條11a,11b一樣，將一對匯流條以層疊方式配置且該一對匯流條的平板面間夾著絕緣片12。至少一個電容器C連接 至該一對匯流條11a-1,11b-1，以及至少一個電容器C連接至該一對匯流條11a-2,11b-2。

第8圖顯示根據本發明的另一實施形態之感應加熱用電源裝置101。感應加熱用電源裝置101之與前述的感應加熱用電源裝置1相同的構成元件都標以相同的元件符號而將其說明予以省略或簡化。

感應加熱用電源裝置101包含有直流電源部4、平滑化部105、及逆變器106。直流電源部4係包含交流電源2及變換器3。平滑化部105係用來使從直流電源部4輸出的直流電的脈動電流平滑化。逆變器106係用來將經平滑化部105予以平滑化後的直流電變換為高頻交流電。

逆變器106中設有複數個橋式電路，各橋式電路都由一組功率半導體元件Q1,Q2,Q3,Q4所形成。在圖示的例子中，係在逆變器106中設置兩個橋式電路，亦即第一橋B1及第二橋B2。第一橋B1及第二橋B2係並聯連接至加熱線圈7，使得要供給至加熱線圈7之功率可被分至第一橋B1及第二橋B2。

第9及10圖顯示平滑化部105的構成例。

平滑化部105包含有一對匯流條111a,111b、電容器C1,C2以及連接部118,119。電容器C1,C2係連接至該一對匯流條111a,111b。該一對匯流條111a,111b透過連接部118,119而連接至逆變器106。

各匯流條111a,111b皆為具有一對平板面 及一對平側面之平板導電體，且該一對平板面及該一對平側面形成該導電體之在電流流動方向(長度方向)延伸之外表面。匯流條111a,111b係以層疊方式配置，使得在與電流流動方向垂直之方向(寬度方向)具有相對較大的表面尺寸之匯流條111a,111b的平板面或匯流條111a,111b的平側面彼此相向且匯流條111a,111b間夾著絕緣片112。以此方式，與前述的平滑化部5的一對匯流條11a,11b一樣，可減小匯流條111a,111b的電感。

連接部118,119係分別針對逆變器106的兩個橋式電路而設置。連接部118連接至第一橋B1。連接部119連接至第二橋B2。

連接部118包含有一對平板導電體120a,120b、以及一個絕緣片121。各導電體120a,120b皆具有一對平板面及一對平側面，且該一對平板面及該一對平側面形成該導電體之在電流流動方向延伸之外表面。一對導電體120a,120b係以層疊方式配置，使得在與電流流動方向垂直之方向具有相對較大的表面尺寸之導電體120a,120b的平板面或導電體120a,120b的平側面彼此相向且導電體120a,120b間夾著絕緣體121。導電體120a的基端部係在匯流條111b上配置成將該絕緣體121夾在匯流條111b與導電體120a的基端部之間。因此，導電體120a與匯流條111b係相互電性絕緣。導電體120b的基端部係直接配置在匯流條111b上。因此，導電體120b與匯流條111b係相互電性連接。

連接部119也包含有一對平板導電體120a,120b、以及一個絕緣片121。一對導電體120a,120b係以層疊方式配置，使得導電體120a,120b的平板面彼此相向且導電體120a,120b間夾著絕緣體121。導電體120a的基端部係在匯流條111b上配置成將該絕緣體121夾在匯流條111b與導電體120a的基端部之間。因此，導電體120a與匯流條111b係相互電性絕緣。導電體120b的基端部係直接配置在匯流條111b上。因此，導電體120b與匯流條111b係相互電性連接。

電容器C1的一對端子114a,114b係形成為螺牙端子且並排配置於電容器的一側。端子114a,114b係配置成在匯流條111a,111b及絕緣體112以匯流條111a、絕緣體112及匯流條111b之順序層疊之方向延伸穿過匯流條111a,111b及絕緣體112。端子114a的末端部還延伸穿過配置於匯流條111b上之連接部118的絕緣體121及導電體120a。端子114b的末端部還延伸穿過疊置於匯流條111b上之連接部118的導電體120b。在端子114a,114b的末端部分別鎖上螺帽115，使得電容器C1固定至匯流條111a,111b及連接部118。

端子114a與匯流條111b係藉由絕緣墊片116而相互電性絕緣。形成於端子114a的基部之大直徑凸緣部117a與匯流條111a接觸，使得端子114a與匯流條111a相互電性連接。此外，鎖至端子114a之螺帽115與連接部118的導電體120a接觸因而端子114a與導電體120a可透 過螺帽115而相互電性連接。因此，端子114a係與匯流條111a及導電體120a連接。

端子114b與形成於端子114b的基部之大直徑凸緣部117b係藉由絕緣墊片16而與匯流條111a電性絕緣。另一方面，鎖至端子114b之螺帽115則是與連接部118的導電體120b接觸，因而可透過螺帽115使端子114b與導電體120b及匯流條11b電性連接。因此，端子114b係與匯流條111b及導電體120b連接。

連接部118的導電體120a的末端部連接至第一橋B1的輸入端子的正極Pin。連接部118的導電體120b的末端部連接至第一橋B1的輸入端子的負極Nin。直流電從電容器C1供給至第一橋B1。

與電容器C1的端子114a,114b一樣，電容器C2的一對端子114a,114b係固定至匯流條111a,111b及連接部119。端子114a係連接至匯流條111a及導電體120a。端子114b係連接至匯流條111b及導電體120b。

連接部119的導電體120a的末端部連接至第二橋B2的輸入端子的正極Pin。連接部119的導電體120b的末端部連接至第二橋B2的輸入端子的負極Nin。直流電從電容器C2供給至第二橋B2。

用來將匯流條111a,111b連接至逆變器106之複數個連接部係，分別針對該逆變器106的各個橋而設置。電容器係分別連接至連接部118,119。如此，就可縮短第一橋B1與作為第一橋B1的電壓源之電容器C1之間 的導通路徑的長度，以及第二橋B2與作為第二橋B2的電壓源之電容器C2之間的導通路徑的長度，從而可減小兩個導通路徑的各個的寄生電感。因此，可抑制因為寄生電感而在功率半導體元件Q1,Q2,Q3,Q4的相對端子間產生之突波電壓，進而可改善對於逆變器106之保護。

再者，將各個連接部118,119的一對導電體120a,120b以層疊方式配置，使得導電體120a,120b的平板面彼此相向且導電體120a,120b間夾著絕緣片121，就與一對匯流條111a,111b一樣，可減小各個連接部118,119的電感。因此，可進一步抑制因為寄生電感而在功率半導體元件Q1,Q2,Q3,Q4的相對端子間產生之突波電壓，進而改善對於逆變器106之保護。

雖然在上述說明的例子中，係將一個電容器連接至各連接部118,119，但亦可將複數個電容器並聯連接至各連接部118,119。

在第11圖所示之例中，將包含功率半導體元件Q1,Q2之各個臂及包含功率半導體元件Q3,Q4之各個臂都構成為模組。包含功率半導體元件Q1,Q2且分別屬於第一橋B1及第二橋B2之兩個第一模組M1係連接至一對匯流條111a-1,111b-1。包含功率半導體元件Q3,Q4且分別屬於第一橋B1及第二橋B2之兩個第二模組M2係連接至一對匯流條111a-2,111b-2。在此例中，一對匯流條111a-1,111b-1及一對匯流條111a-2,111b-2可設於平滑化部105中，且該一對匯流條111a-1,111b-1及該一對匯流條 111a-2,111b-2可構成為與前述的一對匯流條111a,111b一樣，將一對匯流條以匯流條的平板面之間夾著絕緣體之方式層疊配置。可在一對匯流條111a-1,111b-1中按各個模組分別設置與各個第一模組M1之連接部，以及可在一對匯流條111a-2,111b-2中按各個模組分別設置與各個第二模組M2之連接部。至少一個電容器C連接至該一對匯流條111a-1,111b-1中的連接部118-1,119-1。至少一個電容器C連接至該一對匯流條111a-2,111b-2中的連接部118-2,119-2。

在上述的說明中，一對匯流條11a,11b、一對匯流條111a,111b及導電體120a,120b皆為平板，亦即具有在與電流流動方向垂直之面上為長方形之斷面。然而，該等匯流條及導電體亦可不是平板。例如，該等匯流條及導電體亦可具有在與電流流動方向垂直之面上為半圓形之斷面。在此例中，各匯流條之在電流流動方向延伸之外表面係具有形成半圓形斷面的直徑部之平面及形成半圓形斷面的圓弧部之半圓柱面，且一對匯流條係以層疊方式配置，使得匯流條的平面彼此相向且匯流條的平面間夾著絕緣體。

本申請案係根據2015年9月9日在日本提出申請之第2015-177757號申請案而提出，在此將其全部內容併入以作為參考。

Claims (1)

1. 一種感應加熱用電源裝置，包括：平滑化部，用來使從直流電源部輸出的直流電的脈動電流平滑化；以及逆變器，用來將經該平滑化部予以平滑化後的直流電變換為交流電；其中該逆變器具有：一個以上的橋式電路，係分別包含由串聯連接可進行開關動作之兩個半導體元件所形成之第一模組及第二模組；該平滑化部係包括：第一對匯流條，係具有分別供該橋式電路的該第一模組連接之一個以上的連接部；第二對匯流條，係具有分別供該橋式電路的該第二模組連接之一個以上的連接部；及複數個平滑用電容器，係按該第一對匯流條及該第二對匯流條的每個該連接部設置至少一個；該第一對匯流條及該第二對匯流條係於在電流流動方向延伸之外表面包含至少一個平面，且該第一對匯流條及該第二對匯流條係以層疊方式配置，使得該至少一個平面之中之在與該電流流動方向垂直之方向的表面尺寸相對較大的平面彼此相向且在其間夾著第一絕緣材；該第一對匯流條及該第二對匯流條的該連接部之各者包括一對導電體及第二絕緣材；該一對導電體係於在電流流動方向延伸之外表面包含至少一個平面，且該一對導電體係以層疊方式配置，使得該至少一個平面之中之在與該電流流動方向垂直之方向的表面尺寸相對較大的平面彼此相向且在其間夾著該第二絕緣材；該一對導電體為與該第一對匯流條及該第二對匯流條不同的構成元件，且可對於該第一對匯流條及該第二對匯流條進行安裝及拆卸。