專利名稱：將電能耦合到諧振電感負載的電路和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種給電感負載供電的電路。更具體地，本發(fā)明涉及一種用于將電能的電源耦合到與電容諧振的電感負載裝置的電路。本發(fā)明的特定應(yīng)用的示例包括驅(qū)動低-中頻感應(yīng)加熱和感應(yīng)電能傳輸裝置，或以諧振模式運行的交流電動機，例如感應(yīng)或同步磁阻。
背景技術(shù)：
諧振電路用于許多期望以感應(yīng)方式通過氣隙傳輸能量的電力裝置中，例如在感應(yīng)加熱器或爐灶面，感應(yīng)熱處理，感應(yīng)電爐和諸如用來對電池充電的感應(yīng)電能傳輸裝置，或在電動車輛、手機、便攜式計算機或其它可充電電器中的其它能量存儲裝置。諧振電路還用在包括照明電路、變壓器和電動機的其它裝置中。這里使用術(shù)語“加載諧振電路(loaded resonant circuit)”，其特征是一種具有在電路的電感元件中諧振能量積累并通過磁通量在空間中傳輸一部分該能量的電路，其感應(yīng)耦合或鏈接到負載電路的電感元件。在設(shè)計優(yōu)良的系統(tǒng)中可以獲得高的能量傳輸效率， 原因是相對于在諧振電路中振蕩的大的無功電能，諧振能量中只有一小部分被消耗。但是， 電路能量傳輸效率會隨著感應(yīng)耦合或鏈接的電感元件之間距離的增大而降低。傳統(tǒng)的感應(yīng)加熱驅(qū)動電路包括許多個逆變器配置，最通常的是準諧振、半橋和全橋逆變器驅(qū)動。這些電路的特征是在每半周波的一半以上或在每隔一個半周波中直接將能量輸入到負載電路。這些標準逆變器拓撲也典型地用在其它感應(yīng)電能傳輸裝置中。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明包括一種將電能的電源耦合到與電容諧振的電感負載電路的耦合電路。該耦合電路通過重復(fù)地配置開關(guān)電路，即首先由電能的電源對能量傳輸電容充電，然后其次通過使充電的能量傳輸電容至少部分或全部地對諧振負載電路放電來將電能注入到諧振負載電路中，來將來自電能的電源的能量傳輸?shù)街C振負載電路。本發(fā)明的目的是提供一種可以控制來自電能電源的能量并將其有效地傳輸?shù)诫姼胸撦d裝置的電路，或者提供一種對可以控制來自電能電源的能量并將其有效地傳輸?shù)诫姼胸撦d裝置的電路進行操作的方法，或者給公眾提供一種有用選擇。寬泛地講，本發(fā)明的第一方面包括一種將電能的電源耦合到電感負載裝置的耦合電路，其中
耦合電路包括開關(guān)電路、能量傳輸電容和諧振電容； 諧振電容和電感負載裝置一起形成諧振負載電路； 諧振負載電路具有固有諧振頻率；
開關(guān)電路可配置成充電配置，通過該配置能量傳輸電容由電能的電源充電； 開關(guān)電路可配置成注入配置，通過該配置能量傳輸電容至少部分地對諧振負載電路放電，從而將離散的能量脈沖注入到諧振負載電路中；開關(guān)電路可重復(fù)配置成充電配置，之后是注入配置，以將來自電能的電源的能量傳輸?shù)诫姼胸撦d裝置，傳輸?shù)诫姼胸撦d裝置的能量以振蕩頻率在諧振負載電路中循環(huán)； 振蕩頻率接近或者等于固有諧振頻率；和
在用于對能量傳輸電容充電的能量正在從電源傳輸?shù)介_關(guān)電路時，來自能量傳輸電容的能量不注入到諧振負載電路中。振蕩頻率可以在固有諧振頻率的士20%，士 10%，士5%或士2. 5%范圍內(nèi)。通過重復(fù)地在等于振蕩頻率或者是振蕩頻率的整數(shù)分之一(integral sub-multiple)的預(yù)定的開關(guān)頻率下配置開關(guān)電路，能量可以從電能的電源傳輸?shù)诫姼胸?br> 載裝置。可選地，在開關(guān)電路正處于充電配置中時，能量傳輸電容不對諧振負載電路放電?？蛇x地，在開關(guān)電路正處于注入配置中時，電源不對能量傳輸電容充電。諧振電容和電感負載裝置可以連續(xù)并聯(lián)連接在一起，并且在開關(guān)電路被配置成注入配置時，能量傳輸電容可以有效地并聯(lián)連接在諧振電容和電感負載裝置的兩端。在開關(guān)電路被配置成注入配置時，能量傳送電容、諧振電容和電感負載裝置可以有效地連接成串聯(lián)電路。在開關(guān)電路被配置成注入配置時，能量傳輸電容和電感負載裝置可以有效地連接成不包括諧振電容的串聯(lián)電路?？蛇x地，注入配置是第一注入配置，通過該配置，能量傳輸電容放電，以將電流在第一方向注入到諧振負載電路中；
開關(guān)電路可配置成第二注入配置，通過該配置，能量傳輸電容放電，以將電流在第二方向注入到諧振負載電路中，第二方向與第一方向相反；和
開關(guān)電路可重復(fù)配置成充電配置，之后是第一注入配置，再后面依次是充電配置和第二注入配置，以將來自電能的電源的能量傳輸?shù)诫姼胸撦d裝置?？蛇x地，能量傳輸電容是第一能量傳輸電容，耦合電路還包括第二能量傳輸電容；
充電配置是第一充電配置，開關(guān)電路可配置成第二充電配置，通過該配置，第二能量傳輸電容由電能的電源充電；
注入配置是第一注入配置，開關(guān)電路可配置成第二注入配置，通過該配置，第二能量傳輸電容至少部分地對諧振負載電路放電，從而將離散的能量脈沖注入到諧振負載電路中； 開關(guān)電路可重復(fù)配置成第一充電配置、第二注入配置、第二充電配置和第一注入配置， 以將來自電能的電源的能量傳輸?shù)诫姼胸撦d裝置；和
在用于對第二能量傳輸電容充電的能量正在從電源傳輸?shù)介_關(guān)電路時，來自第二能量傳輸電容的能量不注入到諧振負載電路中。在該選擇中，開關(guān)電路可以被重復(fù)連續(xù)配置成第一充電配置、第二注入配置、第二充電配置和第一注入配置?？商娲?，在該選擇中，開關(guān)電路可以被同時配置成第一充電配置和第二注入配置，開關(guān)電路可以被同時配置成第二充電配置和第一注入配置。寬泛地講，本發(fā)明的第二方面包括一種操作耦合電路以將電能的電源耦合到電感負載裝置的方法；
耦合電路包括開關(guān)電路、能量傳輸電容和諧振電容；諧振電容和電感負載裝置一起形成諧振負載電路；和諧振負載電路具有固有諧振頻率； 方法包括步驟
1.將開關(guān)電路配置成充電配置，其中能量傳輸電容連接到電能的電源；
2.由電能的電源對能量傳輸電容充電；
3.將開關(guān)電路配置成注入配置，其中能量傳輸電容連接到諧振負載電路；
4.能量傳輸電容至少部分地對諧振負載電路放電，從而將離散的能量脈沖注入到諧振負載電路中；和
5.重復(fù)執(zhí)行步驟1、2、3和4，以將來自電能的電源的能量傳輸?shù)诫姼胸撦d裝置； 其中
傳輸?shù)诫姼胸撦d裝置的能量以振蕩頻率在諧振負載電路中循環(huán)； 振蕩頻率接近或等于固有諧振頻率；和
在用于對能量傳輸電容充電的能量正在從電源傳輸?shù)介_關(guān)電路時，來自能量傳輸電容的能量不注入到諧振負載電路中。振蕩頻率可以在固有諧振頻率的士20%，士 10%，士5%或士2. 5%的范圍內(nèi)。在步驟5中，開關(guān)電路可被重復(fù)地配置成等于振蕩頻率或者是振蕩頻率的整數(shù)分之一的預(yù)定開關(guān)頻率。可選地，在執(zhí)行步驟1和2時，能量傳輸電容不對諧振負載電路放電。可選地，在執(zhí)行步驟3和4時，電源不對能量傳輸電容充電。在執(zhí)行步驟3和4時，能量傳輸電容、諧振電容和電感負載裝置可以有效地并聯(lián)連
接在一起。在執(zhí)行步驟3和4時，能量傳輸電容、諧振電容和電感負載裝置可以有效地一起連接成串聯(lián)電路。在執(zhí)行步驟3和4時，能量傳輸電容和電感負載裝置可以有效地一起連接成不包括諧振電容的串聯(lián)電路?？蛇x地，步驟3的注入配置是第一注入配置，步驟4中能量傳輸電容的放電是通過將電流在第一方向注入到諧振負載電路中執(zhí)行的；并且方法進一步包括另外的步驟
6.將開關(guān)電路配置成第二注入配置，其中能量傳輸電容連接到諧振負載電路；和
7.通過將電流在第二方向注入到諧振負載電路中來至少部分地使能量傳輸電容對諧振負載電路放電，從而將離散的能量脈沖注入到諧振負載電路中，第二方向與第一方向相反；和
8.在步驟5中每次重復(fù)步驟1、2、3和4之后，執(zhí)行步驟1、2、6和7，以將來自電能的電源的能量傳輸?shù)诫姼胸撦d裝置。寬泛講，本發(fā)明的第三方面包括一種操作耦合電路以將電能的電源耦合到電感負載裝置的方法，其中
耦合電路包括開關(guān)電路、第一能量傳輸電容、第二能量傳輸電容和諧振電容； 諧振電容和電感負載裝置一起形成具有固有諧振頻率的諧振負載電路；和方法包括步驟
A.將開關(guān)電路配置成第一注入配置，其中第一能量傳輸電容連接到諧振負載電路；B.至少部分地使第一能量傳輸電容對諧振負載電路放電，從而將離散的能量脈沖注入到諧振負載電路中；
C.將開關(guān)電路配置成第一充電配置，其中第一能量傳輸電容連接到電能的電源；
D.由電能的電源對第一能量傳輸電容充電；
E.將開關(guān)電路配置成第二注入配置，其中第二能量傳輸電容連接到諧振負載電路；
F.至少部分地使第二能量傳輸電容對諧振負載電路放電，從而將離散的能量脈沖注入到諧振負載電路中；
G.將開關(guān)電路配置成第二充電配置，其中第二能量傳輸電容連接到電源的電源；
H.由電能的電源對第二能量傳輸電容充電；
I.重復(fù)執(zhí)行包含A-H的步驟，以將來自電能的電源的能量傳輸?shù)诫姼胸撦d裝置； 并且其中
傳輸?shù)诫姼胸撦d裝置的能量以接近或等于固有諧振頻率的振蕩頻率在諧振負載電路中循環(huán)；和
在用于對第一能量傳輸電容充電的能量正在從電源傳輸?shù)介_關(guān)電路時，來自第一能量傳輸電容的能量不注入到諧振負載電路中，在用于對第二能量傳輸電容充電的能量正在從電源傳輸?shù)介_關(guān)電路時，來自第二能量傳輸電容的能量不注入到諧振負載電路中。本說明書中使用的術(shù)語定義
本說明書中使用的術(shù)語“包括”的意思是“至少部分包括”。也就是說，在本說明書中解讀包括“包括”的語句時，在每個語句中該術(shù)語之后的特征都需要出現(xiàn)，但也可以出現(xiàn)其它的特征。相關(guān)術(shù)語，如“包含”、“由…構(gòu)成”和“由…組成”，也以相似方式解讀。本文使用的術(shù)語“和/或”的意思是“和”或者“或”，或者這兩者。本文使用的名詞復(fù)數(shù)的意思是該名詞的復(fù)數(shù)和/或單數(shù)形式。本說明書中使用的術(shù)語“電感器”的意思是包含在電路中的主要適用于其電感性質(zhì)的無源元件。本說明書中使用的術(shù)語“電感負載裝置”應(yīng)理解為包括具有電感但包含于電路中的主要用于建立磁場以執(zhí)行工作功能的任何裝置，例如通過發(fā)動機驅(qū)動(motoring)、變換或感應(yīng)動作，或者通過磁吸引或排斥。電感負載裝置包括但不限于感應(yīng)電能傳輸線圈、變壓器、電磁電動機、直線驅(qū)動器線圈、電磁鐵、螺旋線圈和感應(yīng)線圈，感應(yīng)線圈包括用于感應(yīng)加熱的線圈、繞組等等。本文提到在磁場的增長或衰減過程中在電感裝置中感生的電流時，可以將其理解為是指在電感裝置中由于磁場的增長或衰減通過該裝置的繞組電感來感生的電壓驅(qū)動的電流。


參照下述附圖，僅通過示例而不旨在進行限制，來進一步描述本發(fā)明。圖IA顯示圖解說明本發(fā)明的第一實施例的電路，其用于將單向電流脈沖注入到由并聯(lián)連接的電感裝置和諧振電容器提供的諧振負載電路中；
圖IB顯示圖IA的電路在低于固有諧振下操作時的電流、電壓和功率波形； 圖IC顯示圖IA的電路在高于固有諧振下操作時的電流、電壓和功率波形；圖2A顯示圖解說明本發(fā)明的第二實施例的電路，其用于將單向電流脈沖注入到由串聯(lián)連接的電感裝置和諧振電容器提供的諧振負載電路中；
圖2B顯示圖2A的電路在低于固有諧振下操作時的電流、電壓和功率波形； 圖3A顯示圖解說明本發(fā)明的第三實施例的電路，其用于將單向電流脈沖注入到由電感裝置和諧振電容器提供的諧振負載電路的電感裝置中；
圖:3B顯示圖3A的電路在低于固有諧振下操作時的電流、電壓和功率波形； 圖4A顯示圖解說明本發(fā)明的第四實施例的電路，其用于將雙向電流脈沖注入到由并聯(lián)連接的電感裝置和諧振電容器提供的諧振負載電路中；
圖4B顯示圖4A的電路在高于固有諧振下操作時的電流、電壓和功率波形； 圖5A顯示圖解說明本發(fā)明的第五實施例的電路，其用于將雙向電流脈沖注入到由并聯(lián)連接的電感裝置和諧振電容器提供的諧振負載電路中；
圖5B顯示圖5A的電路在高于固有諧振下操作時的電流、電壓和功率波形； 圖5C顯示圖5A的電路在低于固有諧振下操作時的電流、電壓和功率波形； 圖6A顯示圖解說明本發(fā)明的第六實施例的電路，其用于將雙向電流脈沖注入到由串聯(lián)連接的電感裝置和諧振電容器提供的諧振負載電路中；
圖6B顯示圖6A的電路在高于固有諧振下操作時的電流、電壓和功率波形； 圖7A顯示圖解說明本發(fā)明的第七實施例的電路，其用于將雙向電流脈沖注入到由電感裝置和諧振電容器提供的諧振負載電路的電感裝置中；
圖7B顯示圖7A的電路在低于固有諧振下操作時的電流、電壓和功率波形； 圖8A顯示圖解說明本發(fā)明的第八實施例的電路，其用于將單向電流脈沖注入到由串聯(lián)連接的電感裝置和諧振電容器提供的諧振負載電路中；
圖8B顯示圖8A的電路的電流和電壓波形，其中兩個能量傳輸電容器輪流操作，任一電容器的再充電不與電流脈沖到諧振負載的注入重疊；
圖8C顯示圖8A的電路的電流和電壓波形，其中兩個能量傳輸電容器輪流操作，每一個電容器的再充電與另一電容器的放電重疊以將電流脈沖注入諧振負載中。這里，一個電路實施例的元件在功能上與另一電路實施例的元件對應(yīng)，圖中顯示的相應(yīng)的元件被相應(yīng)地標注xl，x2, x3等，其中χ是實施例和圖的編號。例如，每個電路實施例包括一個能量傳輸電容器和一個諧振電容器。能量傳輸電容器在圖IA中被標注C11， 在圖2A中被標注為C21，在圖3A中被標注為C31，以此類推，諧振電容器在圖1中被標注為 C12，在圖2A中被標注為C22，在圖3A中被標注為C32，以此類推。應(yīng)注意的是，在附圖中，導(dǎo)線之間的連接以點表示。交叉但沒有點的導(dǎo)線不連接。
具體實施例方式由附圖中可見，描述的本發(fā)明的每個實施例包括耦合電路，其將電能的電源耦合到電感負載裝置。電感負載裝置在特定實施例中是感應(yīng)加熱線圈，在該說明書的附圖中表示為變壓器的一次繞組。不過，電感負載裝置可以是例如感應(yīng)電動機的轉(zhuǎn)子或變壓器或其它感應(yīng)電能傳輸裝置。松耦合的變壓器的二次繞組連接到低電阻電路，以代表由感應(yīng)加熱線圈所包圍的工件中的渦流電路。在工件渦流電路中感生渦流。
諧振電容器連接到變壓器的一次繞組。諧振電容器、變壓器一次繞組和松耦合的二次繞組的電阻負載(代表渦流或其它負載電路)共同形成諧振負載電路。能量從電源經(jīng)由一個或若干能量傳輸電容器傳輸?shù)街C振負載電路的電感負載裝置。在本說明書中提到的能量傳輸電容器應(yīng)理解為包括由多個電容器提供的能量傳輸電容。 耦合電路包括受控開關(guān)電路。能量傳輸電容器通過適當(dāng)?shù)拿}沖成形諧振或降壓電感器(buck inductor)的受控開關(guān)，由諸如直流(DC)電源或濾波交流(AC)市電電源類的電源周期性充電，市電電源例如是110伏或240伏市電電源。在不改變本發(fā)明的范圍的情況下，可以使用其它對傳輸電容器進行充電的裝置。能量傳輸電容器上存儲的能量也是通過受控開關(guān)被周期性地注入諧振負載電路中的。開關(guān)電路被配置在充電配置中，其中電能的電源連接到能量傳輸電容器，以通過引導(dǎo)充電電流從電能的電源流入能量傳輸電容器中，來對能量傳輸電容器充電。能量傳輸電容器上的電荷量可以通過電路拓撲和/或通過開關(guān)電路中使用的方法進行控制。開關(guān)電路然后被配置在放電配置中。在此配置中，能量傳輸電容器連接到諧振負載電路，以通過引導(dǎo)放電電流從能量傳輸電容器流入諧振負載電路中從而部分或全部地使能量傳輸電容器放電。這將離散的電流脈沖和能量注入到諧振負載電路中。開關(guān)電路被重復(fù)配置在充電配置中，緊接著是放電配置，以將能量從電能的電源傳輸?shù)侥芰總鬏旊娙萜?，從能量傳輸電容器傳輸?shù)诫姼胸撦d裝置。注入電感負載裝置的能量的時序和幅度由開關(guān)電路控制。能量傳輸電容器優(yōu)選在每次能量注入周期中有效地與電源或動力源斷開，在注入周期之間由電源或動力源再充電。輸入功率可以通過離線市電電源提供，通過降壓變換器、 脈沖成形或諧振電感器或降壓-升壓變換器的各種配置實現(xiàn)功率控制。使用本發(fā)明，因為離散和數(shù)量受控的能量在精確的時間間隔并在諧振周波中的有利點被注入諧振負載電路中，所以能量以高傳輸效率從電源傳輸?shù)截撦d電路。能量優(yōu)選在諧振負載電路的振蕩周波中的最佳點被注入，此時諧振負載電路兩端的電壓為低。這是通過相對于諧振負載電路的固有諧振頻率周波提前或滯后每個能量注入脈沖的時序來自動實現(xiàn)的，使得能量注入要克服的電路電勢的量最少。這提高了將能量注入電路中的效率。在每個周波中注入點的時序也取決于能量傳輸電容器上的電壓。單獨或與注入頻率的位移結(jié)合，使用對能量傳輸電容器充電使其達到的電壓，以實現(xiàn)對諧振周波中注入點時序的控制。本發(fā)明可以提供下述特征 使用幾個元件的簡單電路 全波諧振模式操作
正弦工作線圈電流波形
工作線圈在固有諧振頻率或接近該頻率下操作，無復(fù)雜的時序電路 能量傳輸電容器的充電與將能量注入諧振負載電路中輪流進行 以工作線圈的高品質(zhì)因數(shù)(Q)獲得高效率 以正弦工作線圈獲得高效率，以及高耦合效率 相比標準半橋或準諧振感應(yīng)加熱電路，改進的操作效率 通過單極性，即單向，脈沖(例如每周波一個)或者通過交替極性，即雙向，脈沖(例如每周波兩個)來進行注入
與諧振負載電路串聯(lián)或并聯(lián)在諧振負載電路兩端來進行注入 在諧振負載電路的電壓波形過零或接近過零時注入，以獲得高效率的能量傳輸 從適當(dāng)尺寸的能量傳輸電容器注入，能量傳輸電容器優(yōu)選大小正好足夠大以注入足夠大小的電流脈沖，從而滿足諧振電路的能量衰減并從而用最小的輸入功率保持所需的工作線圈電流
對于寬的功率控制范圍，注入時段從短的持續(xù)時間到四分之一周期 通過以下一個或多個進行負載電路功率控制 ■選擇能量傳輸電容的電容值 ■改變注入電壓(即充電的能量傳輸電容上的電壓) ■改變離散注入脈沖的持續(xù)時間
■改變注入頻率(例如，由諧振負載電路的固有諧振頻率向上或向下改變) ■改變每個周波或每單位時間的能量注入次數(shù)操作頻率
根據(jù)說明書中描述的本發(fā)明的開關(guān)電路被重復(fù)開關(guān)，以將電路配置成充電配置(將能量從電能的電源傳輸?shù)侥芰總鬏旊娙萜?和放電注入配置(使能量傳輸電容器放電，從而將能量注入到諧振負載電路中)。每個電路以具有基頻的各種周期電流和電壓操作。這些頻率包括充電頻率、注入頻率、振蕩頻率和諧振頻率。在本說明書中提到這些頻率時，應(yīng)理解為通過下述定義進行限定，除非上下文明確需要有可選含義。充電頻率是周期性充電電流的基頻，充電電流從電源傳輸以對能量存儲電容器進行充電。注入頻率是周期性放電和注入電流的基頻，其通過控制能量傳輸電容器的放電以注入到諧振負載電路中而得到。振蕩頻率是在周期性電流注入的激勵下，在諧振負載電路中振蕩的周期性電流和電壓的基頻。如下文將進一步解釋的，一部分振蕩周波的瞬時振蕩頻率不一定等于在一個或更多個完整振蕩周波上取平均的平均振蕩頻率。諧振頻率是諧振負載電路的固有諧振頻率。在圖1A、圖2A和圖3A所示的實施例中，能量傳輸電容器交替地以從電源傳輸?shù)碾娏髅}沖充電，并接著通過被注入到諧振負載電路中的電流脈沖放電。在這些電路中，注入諧振負載電路中的能量是通過一系列具有相同極性的單向電流脈沖進行的。注入電流脈沖的脈沖重復(fù)頻率等于對能量傳輸電容器充電的電流脈沖的脈沖重復(fù)頻率。在圖4A、圖5A、圖6A和圖7A中所示的實施例中，能量傳輸電容器交替地以從電源傳輸?shù)拿}沖充電，并接著通過被注入到諧振負載電路中的脈沖放電。在這些電路中，能量注入是通過一系列具有交替極性的雙向電流脈沖進行的。注入頻率等于充電頻率的一半，對于每個雙向注入周波，能量傳輸電容器被再充電兩次。對能量傳輸電容器充電的開關(guān)變換器可以以甚至更高的頻率運行；使得能量傳輸電容器以多個電流脈沖充電，然后再放電以將能量注入到諧振負載電路中。在這種情況下，注入頻率是充電頻率的因數(shù)(例如，三分之一、四分之一、五分之一等)。諧振頻率由諧振負載電路的電容和電感決定。能量作為一系列離散的脈沖被注入到諧振負載電路中，其激起負載電路中的電振蕩。在連續(xù)的注入脈沖之間，諧振負載電路以等于諧振負載電路的諧振頻率的瞬時振蕩頻率自由振蕩。但在一個或更多個完整的振蕩周波上取平均的平均振蕩頻率由注入頻率，即能量注入脈沖的重復(fù)頻率，決定。每個注入脈沖相對于注入脈沖之間的固有諧振振蕩的周期的時序影響下一振蕩的時序。例如，如果注入脈沖相對于注入脈沖之間的固有諧振振蕩的周期提前或滯后，則平均振蕩頻率將會分別在諧振負載電路的諧振頻率之上或之下被補償(offset)。進入負載電路的每次注入有效地重置注入周期之間的諧振振蕩，并將負載電路中振蕩的平均頻率“鎖定”為注入頻率。諧振負載電路的諧振增益和品質(zhì)因數(shù)Q不受本發(fā)明描述的能量注入方式的影響。 實際上，在諧振電路中振蕩的相對大的電抗能量中只有一小部分在負載中被消耗。例如，在感應(yīng)爐灶面中，諧振電路中可能有8kVAR，只有l(wèi)-2kW通過空間以90%的耦合效率傳輸?shù)秸?br> 煮罐中。盡管本發(fā)明在振蕩頻率接近固有諧振頻率時表現(xiàn)良好，但電路操作可能是不穩(wěn)定的和/或注入和/或整個電路效率可能會降低。電路操作可通過選擇注入頻率而被穩(wěn)定， 使得平均振蕩頻率在諧振頻率之上或之下被補償。補償?shù)拇笮】刂普袷幹懿ㄖ心芰勘蛔⑷胴撦d電路中的那個點。例如，注入頻率可以被降低，以將振蕩頻率減小到比固有諧振頻率低大約2%_5%。 該補償將注入點設(shè)置在諧振負載電路兩端的正弦電壓的第二象限(即，在下降但仍是正的四分之一周波)的過零之前。在此點注入，注入效率高，原因是正在放電的能量傳輸電容器上的電壓和諧振負載電路上的電壓彼此一起降低。在過零點或過零點以下注入仍可以獲得非常有效的結(jié)果，但可能會導(dǎo)致不穩(wěn)定的操作和/或引起破壞性的電壓振蕩。可替代地，注入頻率可能被提高，以將振蕩頻率增大到超過固有諧振頻率。該補償將注入點移到諧振負載電路兩端的正弦電壓的第一象限(即，在正的上升的四分之一周波)。通常，振蕩頻率的上移不象前面的段落中描述的下移選擇那樣有效，原因是源于正在放電的能量傳輸電容器上下降的電壓的注入沒有考慮負載電路中上升的電壓。不過，電路在此模式下仍可以工作。在圖1A、圖2A和圖3A所示的特定實施例中，注入頻率等于平均振蕩頻率，對于諧振負載電路中的每個全振蕩周波，開關(guān)電路提供一個注入脈沖?？蛇x地，可以使注入頻率等于平均振蕩頻率的整數(shù)倍。圖4A、圖5A、圖6A和圖7A 中所示的開關(guān)電路是這種情況的示例。在這些電路中，對于諧振負載電路中的每個全振蕩周波，(相反極性的)兩個脈沖被注入。另一種選擇是，平均振蕩頻率等于注入頻率的整數(shù)倍。在此情況下，對于諧振負載電路中每兩個或更多個完整的振蕩周波，開關(guān)電路提供一個注入脈沖。對于一些振蕩周波省略注入脈沖可能作為一種降低傳輸?shù)截撦d電路的能量的功率控制技術(shù)是有用的。在諧振負載電路中，一個或更多個注入脈沖可在一個或更多個振蕩周波中被注入，然后是不進行注入的一個或更多個振蕩周波。在一些振蕩周波上省略能量注入可以用來控制傳輸?shù)礁袘?yīng)負載裝置的能量的量。
在實施本發(fā)明時，注入頻率可以被設(shè)置，然后諧振電容可以被“調(diào)諧”以優(yōu)化品質(zhì)因數(shù)或Q，以及諧振電路的總效率目的是以能量輸入的最小值維持諧振負載電路的諧振振蕩。輸入能量應(yīng)該保持剛好足以滿足電路衰減。能量注入的電壓或周期可以通過微處理器或其它可編程邏輯控制裝置自動控制， 以維持諧振電容器的最佳“調(diào)諧”。例如，在不同的負載條件下，電路操作特性可被監(jiān)控，諧振電容可被調(diào)節(jié)以維持總的電路效率。電路效率
與諸如準諧振、半橋和全橋逆變器驅(qū)動的傳統(tǒng)的感應(yīng)加熱逆變器設(shè)計相比，根據(jù)本發(fā)明的電路的效率是高的，傳統(tǒng)的這類逆變器的特征是在每個或每兩個半周波中，使輸入能量在電路操作周期的一半或四分之一期間饋送到電路中。高效率是通過在能量傳輸電容器正向諧振負載電路中放電時將電源與能量傳輸電容器隔離來實現(xiàn)的。具體地，在沒有能量從能量傳輸電容器注入到諧振負載電路且同時用于使能量傳輸電容器充電的能量正從電源傳輸?shù)介_關(guān)電路中時可以獲得高效率。 在一些實施例中，再充電電流仍可以在注入控制晶體管“導(dǎo)通”時或在注入電流脈沖正在被注入到諧振負載電路時流入到能量傳輸電容器中。例如，圖2A的實施例使用降壓變換器拓撲來將電源V21連接到能量傳輸電容器C21。在此實施例中，來自飛輪電感器L21 的電流仍可以在注入控制晶體管Q22 “導(dǎo)通”且同時注入電流脈沖正在被注入到諧振負載電路時流入能量傳輸電容器C21中。效率增益是通過僅滿足諧振負載電路的“衰減”，即每個周波的能量損失，并通過有效控制經(jīng)由能量傳輸電容器的注入來抵銷該衰減所需的能量的量來得出的。通過比較， 傳統(tǒng)的半橋或全橋驅(qū)動電路是用電流“過驅(qū)動的”，不能達到輸入能量的最小注入。在本發(fā)明中，注入頻率被有利地設(shè)置，以提供低于固有諧振頻率的振蕩頻率。同樣，能量傳輸電容器被有利地制成尺寸大到保持足夠能量來滿足電路衰減，但也小到足以允許在注入周期中能量傳輸電容器上的電壓降低匹配或類似于在諧振負載電路兩端電壓過零附近的電壓降低。最佳尺寸的能量傳輸電容器在注入中放電，其上下降的電壓比傳統(tǒng)逆變器中使用的相對較大尺寸的儲存電容器可用的更加恒定電壓的使用更有效。本發(fā)明需要的能量比給諧振工作線圈電路供電典型所需的能量更少。例如，通過使用本發(fā)明來給工作線圈供電，可以典型地節(jié)省輸入功率的15%-30%，來獲得工作線圈中相同均方根(rms)的電流。在一個示例中，在負載的標定耦合效率為90%的商用感應(yīng)爐灶面中，在平螺旋纏繞的90μΗ 0. 1歐姆的帶有負載的工作線圈中，產(chǎn)生22Α rms的電流需要 1800W。使用本發(fā)明，以大約1550W的功率輸入可在同一工作線圈中產(chǎn)生22A rms的電流。不過，如果工作線圈通過使用較重的絞合線來配置為具有較高的Q因數(shù)并被制成螺線形而不是扁平型，則通過使用根據(jù)當(dāng)前發(fā)明的雙向能量注入技術(shù)，在相同的90%的耦合效率下并僅以900W的輸入功率在帶有負載的工作線圈中可以產(chǎn)生22A的電流。這是一種用于驅(qū)動諧振電路，特別是感應(yīng)加熱系統(tǒng)或感應(yīng)電能傳輸裝置，的非常有效的方法。在電路仿真軟件程序上仿真并比較圖6 (將在下文進一步描述)的耦合電路和典型的現(xiàn)有技術(shù)的四晶體管全橋逆變器電路，以提供通過使用當(dāng)前發(fā)明可獲得的效率增益的指示。在典型的現(xiàn)有技術(shù)的全橋逆變器中，104 μΗ的感應(yīng)加熱工作線圈與0.605 PF的諧振電容器結(jié)合，并在20kHz下由全波橋式逆變器電路中的四個開關(guān)晶體管驅(qū)動。該電路從電源中吸取1.055kW的功率，以在工作線圈中產(chǎn)生62安的電流。通過比較，當(dāng)相同的104 μΗ感應(yīng)加熱工作線圈連接在變壓器T61的適當(dāng)位置，并與20kHz下驅(qū)動的圖6A的電路中的0. 605 PF的電容器C62諧振時，該電路只從電源中吸取759瓦的功率以驅(qū)動62安的電流通過工作線圈。這表示要獲得相同的工作線圈電流，功率輸入會比現(xiàn)有技術(shù)的電路所需的降低觀％，這是本發(fā)明實際應(yīng)用在感應(yīng)加熱應(yīng)用中可以看到的典型結(jié)果。功率控制
通過控制或改變能量傳輸電容器中存儲的能量的量，可以容易地控制根據(jù)本發(fā)明的電路傳輸?shù)街C振負載電路或工作線圈的功率。這可以通過選擇適當(dāng)大小的能量傳輸電容器和/或通過在將能量注入到諧振負載電路之前控制能量傳輸電容器充電達到的電壓來實現(xiàn)。通過使用對能量傳輸電容器再充電的能量供應(yīng)的脈沖寬度調(diào)制可以實現(xiàn)該電壓控制。 也可以改變注入周期的注入頻率或時序或持續(xù)時間，以控制或限制饋送到諧振負載電路的能量。也可以控制每個諧振負載周波注入的電流脈沖的數(shù)目或者注入的電流脈沖的重復(fù)頻率，以改變饋送到諧振負載電路的能量的量。對于較高的功率需求，可以將每個注入周期延長到一個完整的四分之一周波，通過該延長，并控制注入方法、注入點和注入頻率，工作線圈中的電流波形可被擴展到攜帶相當(dāng)能量的“雙峰”脈沖，從而提供高功率操作模式。該注入方法仍保持高效率，并提供高功率下很大程度的感應(yīng)加熱功率控制。通過并聯(lián)負載電路的能量注入
對諧振負載電路的能量注入可以通過串聯(lián)或并聯(lián)注入進行。并聯(lián)注入通常更容易實現(xiàn)，原因是它不需要閉環(huán)諧振負載電路斷開以允許注入，而串聯(lián)注入則需要。在圖1A、圖4A和圖5A所示的實施例中，諧振電容器和電感負載裝置總是保持并聯(lián)連接，并在能量注入配置中設(shè)置開關(guān)電路，以有效地將能量傳輸電容器并聯(lián)連接到諧振電容器和電感負載裝置的并聯(lián)連接組合兩端。并聯(lián)注入的一個優(yōu)點是避免了并聯(lián)連接的負載電路中的高有源開關(guān)裝置，其中循環(huán)的諧振電流典型地比注入電流中要高很多。開關(guān)裝置如果在諧振負載電路回路內(nèi)部使用，則必須具有高得多的速度和電流額定值，其中循環(huán)的電流比在注入電路中的要高更多。當(dāng)來自能量傳輸電容器的放電電流被注入到諸如圖1A、圖4A和圖5A中的并聯(lián)連接的負載電路中時，注入效率可能被產(chǎn)生的相對高的流入諧振負載電路的電容引腳(leg) 的電流降低，特別是在低操作頻率下，例如50-500HZ。設(shè)計實施例3A和7A來克服此情況， 這將在下文描述。將能量注入到串聯(lián)負載電路中
在圖2A、圖6A和圖8A所示的實施例中，在能量注入配置中設(shè)置開關(guān)電路，以斷開諧振負載電路，并有效地將能量傳輸電容器、諧振電容器和電感負載裝置連接成串聯(lián)電路。該串聯(lián)注入方法可以提供高效率，原因是注入是通過諧振負載電路的電容器和電感負載裝置兩者進行的。注入電流能夠被準確地控制，并被定位在諧振周波中的最有效的點。不過，串聯(lián)注入方法需要更準確地控制開關(guān)時序，以便避免可能由于注入時序和諧振電路的斷開之間的交叉或重疊引起的尖峰和短路路徑。將能量注入到電感負載裝置中
在圖3A和圖7A所示的實施例中，在放電配置中設(shè)置開關(guān)電路，以斷開諧振負載電路并有效地將能量傳輸電容器和電感負載裝置的繞組不通過諧振電容器連接成串聯(lián)電路。如上所述，通過并聯(lián)方法將電流脈沖注入到諧振負載電路造成負載電路中的諧振電容器從能量傳輸電容器吸收不必要的大注入電流。這降低了整個電路的效率。通過在諧振電容器后設(shè)置“阻塞”開關(guān)，例如如圖3A和圖7A中的，注入電流被迫流過負載電路的電感元件，從而限制注入電流脈沖的幅度。這有助于提高注入效率，原因是注入的電流僅通過電感元件“抬高”循環(huán)電流，直接補充了每個周波的電流衰減。注入極性
在圖1A、圖2A、圖3A和圖8A所示的實施例中，設(shè)置開關(guān)電路以將來自能量傳輸電容器或在圖8A的情況中的若干電容器的能量以一系列單向電流脈沖的形式，即以一系列全部具有相同極性的脈沖的形式，注入到諧振負載電路中。在圖4A、圖5A、圖6A和圖7A所示的實施例中，設(shè)置開關(guān)電路以將來自能量傳輸電容器的能量以一系列雙向電流脈沖的形式，即以一系列極性交替變化的脈沖的形式，注入到諧振負載電路中。注入控制電感器
能量傳輸電容器到諧振負載電路的連接是通過圖1A、圖2A、圖3A、圖5A、圖7A和圖8A 所示的實施例中的串聯(lián)電感器L12、L22、L32、L52、L72和L82以及通過圖4A所示的實施例中的一對串聯(lián)電感器L42A和L42B進行的。這些串聯(lián)注入控制電感器用來控制注入到諧振負載電路中的電流脈沖。串聯(lián)注入控制電感器降低了來自能量傳輸電容器的初始放電電流瞬變，不然這會出現(xiàn)在例如圖1A、圖4A和圖5A所示的能量傳輸電容器直接并聯(lián)連接在諧振電容器兩端實施例中。這些注入控制電感器還可以阻止諧振負載電路將能量饋送回注入電路，尤其是在低頻下操作的并聯(lián)負載電路的兩端使用能量注入的電路中。在電路中包括串聯(lián)注入控制電感器是可選的，可取決于許多因素，諸如操作頻率、能量傳輸電容器的大小和能量傳輸電容器被充電達到的電壓。沒有任何注入控制電感器，由傳輸電容器直接注入可以在一些電路配置中產(chǎn)生較高的注入效率。注入諧振
選擇注入電路元件的值以降低且優(yōu)選避免在將能量注入到諧振負載電路期間的寄生振蕩開關(guān)瞬變，但允許負載電路在注入之間在其固有諧振或接近其固有諧振下振蕩。例如， 選擇注入電路回路中電感元件和電容元件的值，使得電路以適當(dāng)電壓存儲所需能量，并使得注入電路回路的固有諧振頻率不等于負載電路中的振蕩瞬時或平均頻率。該元件值的選擇抑制了寄生或瞬態(tài)注入諧振，不然這會使電路操作不穩(wěn)定。電源
電能的電源V11、V21、V31等各自在圖中顯示為DC電源。不過，本文所描述的電路可以從任何適當(dāng)電源供電，例如整流的50Hz或60Hz AC市電電源或開關(guān)模式電源，優(yōu)選經(jīng)由一個或更多個濾波電感器和濾波器或儲存電容器。優(yōu)選地，電源具有設(shè)置在驅(qū)動電路附近的該電源的DC輸出兩端的大的儲存電容器，用于供應(yīng)脈沖電流。適當(dāng)?shù)碾娫纯砂ň哂猩龎?、降低? 1繞組比的變壓器，和由離線AC提供DC的全波橋式整流器?？商娲兀苯玉詈系碾x線電源的輸出可以通過全波橋式整流器整流，以由離線AC提供DC。本發(fā)明的電路可以由電池供電，可選地通過適當(dāng)?shù)碾姼衅?電容器濾波電路和/ 或用于升高或降低電池電壓以獲得用于驅(qū)動電路的電壓的DC-DC變換器饋電。開關(guān)耦合器
本發(fā)明中使用的開關(guān)裝置優(yōu)選是金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管(MOSFET)或絕緣柵雙極性晶體管(IGBT)。當(dāng)前發(fā)明的實施例中所示的FET開關(guān)的柵極可以通過光隔離光耦合器，例如由Hewlett I^ackard供應(yīng)的HCPL-3120，來由脈沖發(fā)生器驅(qū)動。光耦合器可以由通過電隔離的DC-DC變換器得到的15伏電源供電。一種適當(dāng)?shù)淖儞Q器是來自C&D Technologies的NME 1215S，其提供2kV的隔離，并對于12伏輸入供應(yīng)15伏的1瓦輸出。用于電隔離變換器的12伏電源可以由AC或DC電源獲得。TRECO供應(yīng)一種將50Hz 240伏AC轉(zhuǎn)換成12伏DC以向電隔離變換器供電的適當(dāng)?shù)淖儞Q器。電源變換器
來自各個電源V11-V81的能量通過主要包括電源開關(guān)晶體管Q11_Q71、Q81A和Q81B的電源開關(guān)電路被傳輸?shù)侥芰總鬏旊娙萜鰿11-C71、C81A和C81B。電源開關(guān)電路在圖IA-圖6A和圖8A所示的電路中被配置成降壓型變換器(buck converter)，在圖7A所示的電路中被配置成升壓型變換器(boost converter)。電源變換器類型的選擇和其控制系統(tǒng)部分取決于電源電壓是高于還是低于能量傳輸電容器被充電達到的電壓。電源開關(guān)晶體管通過由串聯(lián)電感器L11-L71、L81A或L81B控制或成形的電源 V11-V81傳輸?shù)某潆婋娏髅}沖，控制能量傳輸電容器的充電。選擇電感器L11-L71、L81A和 L81B的值，以優(yōu)化電流脈沖的形狀和在可用時間傳輸?shù)侥芰總鬏旊娙萜鞯墓β仕?。開關(guān)控制器
附圖中所示的受控開關(guān)電路的開關(guān)裝置，例如MOSFET和IGBT，通過任何適當(dāng)?shù)目刂破?(對于每個開關(guān)裝置，僅示意性顯示為各自的柵極驅(qū)動器)控制。例如，控制器可以是離散邏輯控制器、微處理器、微控制器或其它能為開關(guān)裝置提供控制脈沖或所需幅度和時序的信號的適當(dāng)?shù)臄?shù)字邏輯或可編程邏輯器件。在一些應(yīng)用中，設(shè)想通過控制器提供給開關(guān)裝置的控制信號將響應(yīng)于與電感負載裝置相關(guān)的一個或更多個操作條件。例如，在電感負載裝置是感應(yīng)加熱線圈時，提供給開關(guān)的控制信號的時序可以響應(yīng)于被加熱物體或電路上負載的溫度?？商娲?，在諧振負載電路中循環(huán)的電流可以被感測，以向控制開關(guān)裝置的開關(guān)時間的控制裝置提供信息。受控開關(guān)
受控開關(guān)電路的開關(guān)裝置可以是對于遇到的電流和電壓適當(dāng)且具有適當(dāng)?shù)拈_關(guān)特性的任何開關(guān)，所述開關(guān)特性諸如開關(guān)速度、低“導(dǎo)通”或關(guān)斷電阻和高“截止”或斷開電阻。對于感應(yīng)加熱應(yīng)用，作為絕緣柵雙極性晶體管(IGBT)的International Rectifier 的 IRGBH50F 或 IRGPC40U、 IRGPC50F 或 IRGPC50U、或 Motorola 的 MGY40N60、 或Philips Semiconductors的ECG3322，以及作為金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管 (MOSFET)的 International Rectifier 的 IRFPG50、 IRFK4HC50、 IRFK4HE50、 IRFK4JE50、 IRFK4J450、IRFK4HE450、IRFK6J350或IRFK6H350已被發(fā)現(xiàn)適用于附圖的電路中所示的半導(dǎo)體開關(guān)裝置。開關(guān)通過任何適當(dāng)手段耦合到控制器。不過，控制器、開關(guān)類型以及控制器和開關(guān)之間的耦合不會形成本發(fā)明的一部分。在一些特定的實施例中，F(xiàn)ET或IGBT開關(guān)通過隔離驅(qū)動器耦合到開關(guān)控制器，隔離驅(qū)動器例如來自Hewlett Packard的HCPL-3120柵極驅(qū)動光耦合器，柵極驅(qū)動由例如來自C & D Technologies的1215S的隔離變換器電源供電。該隔離耦合布局確保電容器充電或能量注入電路中受控開關(guān)的任何失效都不會損壞開關(guān)控制器。本文提到晶體管或開關(guān)切換到“截止”或使其“不導(dǎo)電”時，應(yīng)理解為指晶體管或開關(guān)在通過晶體管或開關(guān)的例如在源極和漏極之間的主路徑中表現(xiàn)出相對的不導(dǎo)電狀態(tài)， 電流在一個方向流動，但不排除電流在相反方向流動的導(dǎo)電狀態(tài)。例如，MOSFET可以切換到“截止”以基本阻止電流在一個方向通過MOSFET流動，但仍提供電流在相反方向流過 MOSFET的導(dǎo)電路徑。這種相反的導(dǎo)電路徑通常是由內(nèi)在的半導(dǎo)體二極管提供的，其由制造一些MOSFET使用的制造工藝產(chǎn)生。還要注意，附圖中所示的MOSFET沒有將內(nèi)在的體二極管(body diode)表示為分離元件。分立的輔助二極管(例如圖3A中的二極管D34)可以并聯(lián)連接在晶體管開關(guān)的主路徑兩端，以增大由內(nèi)在的體二極管提供的載流能力。二極管
本發(fā)明的開關(guān)裝置中有一些是內(nèi)在地對在一個方向流動的電流提供導(dǎo)電或閉合狀態(tài) (即相對低的電阻路徑)，但對在相反方向流動的電流提供不導(dǎo)電或開路狀態(tài)(即相對高的電阻路徑)的半導(dǎo)體二極管。二極管可以單獨使用或者與受控開關(guān)裝置結(jié)合使用。在后一種情況下，根據(jù)所需的開關(guān)情況，二極管可以與受控開關(guān)并聯(lián)或串聯(lián)使用。在使用分立的半導(dǎo)體二極管時，Intersil的1200V，超快速二極管RHRG30120 (30 A)和RHRG75120 (75 A)已被發(fā)現(xiàn)是適用的。半導(dǎo)體二極管要求有小的前向偏置電壓，以使二極管導(dǎo)通。在下文的描述中一般將該需求忽略，以簡化解釋電路操作。電容器
描述的本發(fā)明的每個實施例包括至少兩個電容。至少一個電容暫時存儲從能量電源獲得的能量，隨后將能量傳輸?shù)街C振負載電路。這些電容可以由一個或更多個分立的電容器提供，為了方便，在本說明書中通常稱作術(shù)語“能量傳輸電容器”。另一電容連接到電感負載裝置，以與電感負載裝置諧振，形成諧振負載電路。該電容可以由一個或更多個分立的電容器提供，為了方便，在本說明書中通常稱作術(shù)語“諧振電容器”。術(shù)語“能量傳輸電容器”和“諧振電容器”用在本說明書中，以幫助區(qū)分這些電容器彼此的功能并區(qū)分這些電容器與其它的電容器(在圖中未示出)的功能，所述其它的電容器例如電源儲存或濾波電容器，其可以用在所描述實施例的一些變形中。在下面的實施例中描述的能量傳輸電容器和諧振電容器優(yōu)選是具有低等效串聯(lián)電阻和電感的低損耗電容器。對于電容器必須承受高開關(guān)速度和頻率下的高電壓和電流的應(yīng)用，適當(dāng)?shù)碾娙萜魇墙饘倩郾┟}沖電容器或金屬化聚丙烯箔膜電容器。優(yōu)選的能量傳輸電容器是來自Cornel Dubilier Electronics、Evox Rifa或 EPCOS的金屬化聚酯或聚丙烯薄膜脈沖電容器。優(yōu)選的諧振電容器是聚丙烯薄膜金屬箔串聯(lián)卷繞式電容器，諸如來自LCRCapacitors (EU) Ltd 的 Type PC/HV/S/WF 電容器，或來自 Cornell Dubilier Electronics的Type 942 C聚丙烯薄膜、金屬箔且金屬化聚丙烯介電質(zhì)混合電容器。在每種情況下，可以并聯(lián)連接多個電容器，以獲得期望的電容值，從而大大降低等效串聯(lián)電阻(ESR)，并提供足夠的電流容量。例如，在下文描述的一些電路中，已經(jīng)使用14 個0. 047 μ F的電容器或7個0. 1 μ F的電容器的并聯(lián)組合來提供諧振電容器。能量傳輸電容器的適當(dāng)值可以通過在適當(dāng)?shù)碾娐贩抡孳浖袑﹄娐愤M行仿真并確定對于最大效率的電容值來確定。對于高功率應(yīng)用，其中大量的能量需要被饋送到諧振電路中，可以交替使用兩個能量傳輸電容器，或者可以連續(xù)使用超過兩個的能量傳輸電容器。在一種交替式兩電容器布局中，第一能量傳輸電容器放電，以將電流脈沖注入到諧振負載電路中。第一能量傳輸電容器然后由電源再充電。第二能量傳輸電容器然后放電， 以將第二電流脈沖注入到諧振負載電路中，最后第二能量傳輸電容器接著由電源再充電。 然后重復(fù)該循環(huán)。兩次充電和兩次放電階段會依次發(fā)生，沒有重疊。在另一種交替式兩電容器布局中，第一能量傳輸電容器放電，以將電流脈沖注入到諧振負載電路中，同時第二電容器正由電源再充電。第二能量傳輸電容器然后放電，以將第二電流脈沖注入到諧振負載電路中，同時第一能量傳輸電容器正由電源再充電。每個充電階段與一個放電階段重疊。除非鉗位(clamped)，例如通過二極管鉗位，如果電容器的值太小，則能量傳輸電容器上的電壓可以降低到低于0。這種情況會降低效率，需要來自電源的能量水平相對較高，以對能量傳輸電容器再充電。能量傳輸電容器上的電壓可被鉗位，例如通過二極管，以阻止它變成低于0，例如通過圖5A和圖6A中所示的實施例中的二極管D45或D65。諧振電容可以由單個電容器提供或可以由并聯(lián)和/或串聯(lián)組合的多個電容器提供，以獲得期望的電流和電壓等級。諧振電容的值可以在微處理器或其它可編程邏輯控制器件的控制下被控制，例如通過電路內(nèi)部和外部的開關(guān)電容器控制，以將諧振負載電路維持在適當(dāng)?shù)摹罢{(diào)諧”狀態(tài)，即在預(yù)定的最佳操作范圍之內(nèi)。諧振電容可以在電路中的一個位置提供，如圖中的電容器C12-C82所示的?？商娲?，諧振電容可以被分開，由電感負載裝置的每一側(cè)上的分立位置的兩個電容器提供。例如，圖2A和圖6A中的諧振電容器C22和C62可以被串聯(lián)連接于各自的變壓器繞組T21或 T61的一次繞組的每一端的電容器取代。電感負載裝置
在下文描述的特定實施例中的電感負載裝置是感應(yīng)加熱系統(tǒng)的工作線圈，但也可以是另一電感功率裝置，例如具有以諧振模式運行的繞組的AC感應(yīng)或同步磁阻電動機、或者耦合電感器的一次繞組、或者感應(yīng)電能傳輸或變壓器裝置的一次繞組。出于電路仿真目的，電感負載裝置是感應(yīng)加熱工作線圈，其在本說明書的附圖中表示為松耦合的變壓器的一次繞組。在下文描述的電路的實施例中，變壓器耦合典型地是 50%。變壓器的二次繞組和與二次繞組連接的低電阻負載代表工件中的渦流電路，其被感應(yīng)加熱線圈包圍，其中流過感應(yīng)渦流電流。由單個電容器或由多個電容器提供的諧振電容連接到變壓器的一次繞組。諧振電容、變壓器一次繞組和松耦合的二次繞組上的電阻負載一起形成諧振負載電路。
特定實施例的詳細描述第一實施例
圖IA顯示本發(fā)明的第一實施例的電路，圖IB和圖IC顯示對于該實施例的兩種特定形式的兩組波形。此電路將單向的電流脈沖注入到由連接到電感負載裝置的諧振電容器C12 形成的并聯(lián)諧振負載電路中。電感負載裝置是感應(yīng)加熱系統(tǒng)的工作線圈，在圖IA中由松耦合的變壓器Tll的一次繞組代表。諧振電容器C12連續(xù)與變壓器的一次繞組并聯(lián)連接。低電阻負載電阻器Rll連接在變壓器的二次繞組兩端，以代表感應(yīng)加熱系統(tǒng)的工件。電能的 DC電源Vll通過開關(guān)耦合電路耦合到諧振負載電路。如圖IA中所示，開關(guān)耦合電路包括充電控制晶體管Q11、串聯(lián)阻塞二極管D11、續(xù)流(free-wheel) 二極管D12、串聯(lián)電感器L11、能量傳輸電容器C11、能量注入控制晶體管 Q12、串聯(lián)阻塞二極管D13和串聯(lián)注入控制電感器L12。開關(guān)耦合電路被重復(fù)設(shè)置成以下時序的配置，以將來自電源的能量傳輸?shù)街C振負載電路。1.電容器充電配置，
2.第一可選隔離配置，
3.電容器放電及能量注入配置，和
4.第二可選隔離配置。在電容器充電配置中，充電控制晶體管Qll “導(dǎo)通”，即變成基本導(dǎo)電，能量注入控制晶體管Q12 “截止”，即變成基本為不導(dǎo)電。在此充電配置中，電能的電源Vll通過放電控制晶體管Q11、二極管Dll和電感器Lll的串聯(lián)電路連接到能量傳輸電容器C11。同時， 注入控制晶體管Q12正處于變成“關(guān)斷”狀態(tài)，確保能量傳輸電容器Cll與諧振負載電路斷開。能量傳輸電容器Cll由電能的電源Vll通過晶體管Q11、二極管Dll和串聯(lián)電感器Lll 充電。電感器Lll控制在充電控制晶體管Qll的初始導(dǎo)通時，汲取自電源Vll的電流的上升速率。能量傳輸電容器上的電荷量通過選擇電源Vll的電壓、能量傳輸電容器Cll的電容、電感器Lll的電感和晶體管Qll保持“導(dǎo)通”的時間段的持續(xù)時間而控制。在充電配置結(jié)束時，充電控制晶體管Qll變成“截止”。耦合電路然后可以被配置成可選的隔離配置，其中充電控制晶體管Qll和注入控制晶體管Q12兩者在短時間內(nèi)保持 “截止”。此時，電感器Lll可能具有一些殘余磁場。在這種情況下，能量傳輸電容器Cll將繼續(xù)由其殘余磁場的衰減在電感器Lll中感生的電流充電。續(xù)流二極管D12 (也已知為穩(wěn)流(fly-wheel) 二極管)然后導(dǎo)通以允許該充電電流圍繞由電感器L11、能量傳輸電容器 Cll和二極管D12提供的串聯(lián)電路流動，直到磁場已經(jīng)完全衰減，將另外的電荷添加到傳輸電容器Cll中。在一些實施例中，能量傳輸電容器Cl 1可以通過電容器Cl 1和串聯(lián)電感器Ll 1的暫態(tài)諧振或通過已知為“默克羅夫特效應(yīng)(Moorcroft effect)”的電感-電容過沖來充電達到比電源電壓更大的電壓。當(dāng)充電控制晶體管Qll是MOSFET或具有提供從源極到漏極的反向?qū)窂降膬?nèi)在的體二極管的類似器件時，甚至當(dāng)晶體管變成“截止”時，阻塞二極管Dll被包括在內(nèi)。阻塞二極管Dll防止來自能量傳輸電容器Cll的放電電流通過該內(nèi)在的MOSFET體二極管流回到電源Vll中。沒有阻塞二極管D11，該放電電流甚至在晶體管Qll變成“截止”時也可流動。一旦傳輸電容器的充電周波完成，耦合電路然后被配置成注入配置，其中充電控制晶體管Qll切換到“截止”，將能量傳輸電容器Cll與電能的電源Vll斷開，并且能量注入控制晶體管Q12切換為“導(dǎo)通”，將能量傳輸電容器Cll通過阻塞二極管D13和串聯(lián)脈沖控制電感器L12連接到諧振負載電路的兩端。能量傳輸電容器Cll通過變壓器Tll和負載電阻器Rll有效地連接在諧振電容器和圖IA中表示的電感負載裝置的并聯(lián)組合的兩端。在注入配置中，能量傳輸電容器Cll通過晶體管Q12、前向偏置阻塞二極管D13和注入控制電感器L12放電，以將能量注入到并聯(lián)諧振負載電路中。該注入發(fā)生在晶體管Q12 為“導(dǎo)通”并且能量傳輸電容器Cll上的電壓大于諧振負載電路兩端，即諧振電容器C12兩端，的瞬時電壓時。注入會繼續(xù)，直到在注入配置停止時晶體管Q12變成“截止”，或阻塞二極管D13變成反向偏置。二極管D13在正放電的能量傳輸電容器Cll上的電壓下降到低于諧振負載電路兩端，即諧振電容器C12兩端，的瞬時電壓時變成反向偏置。在能量注入控制晶體管Q12是MOSFET或具有提供從源極到漏極的反向?qū)щ娐窂降膬?nèi)在的體二極管的類似器件時，甚至當(dāng)晶體管變成“截止”時，阻塞二極管D13被包括在內(nèi)。阻塞二極管D13防止反向電流從諧振負載電路通過內(nèi)在的MOSFET體二極管流回到能量傳輸電容器Cll中。在沒有阻塞二極管D13時，該反向電流甚至?xí)诰w管Q12變成“截止”時流動。在此實施例中來自能量傳輸電容器Cll的放電電流總是以相同極性被注入到諧振負載電路中。即，放電電流以全部具有相同極性的一系列脈沖的形式被注入到諧振負載電路中。在圖IA所示的電路中，電流脈沖被注入到諧振負載電路中，以圍繞由電容器C11、 晶體管Q12、阻塞二極管D13、電感器L12以及諧振電容器C12和變壓器Tll的一次繞組的并聯(lián)連接形成的回路順時針流動。在注入配置之后，耦合電路被配置在隔離配置中。在隔離配置中，晶體管Qll和 Q12兩者都“截止”(即變成基本不導(dǎo)電)，從而將能量傳輸電容器Cll與電能的電源VII、與由諧振電容器C12以及由變壓器Tll和負載電阻器Rll表示的電感負載裝置形成的諧振負載電路斷開并隔離。當(dāng)能量注入控制晶體管Q12在隔離配置開始變成“截止”時，在諧振負載電路中流動的循環(huán)電流會繼續(xù)基本以諧振負載電路的固有諧振頻率或其近似值循環(huán)，直到下一次能
量注入。開關(guān)電路被重復(fù)以充電配置、可選的隔離配置、注入配置和隔離配置的時序配置， 以將來自電能的電源Vll的能量經(jīng)由能量傳輸電容器Cll傳輸?shù)诫姼胸撦d裝置。充電配置和注入配置可以通過省略一個或者兩個隔離配置階段而重疊。例如，注入控制晶體管Q12可以變成“導(dǎo)通”以在充電控制晶體管Qll在充電配置停止時變成“截止”之前將電路配置在注入配置中。但能量傳輸電容器Cll的放電以及能量進入到諧振負載電路中的伴隨注入不一定會在注入控制晶體管Q12導(dǎo)通時立即開始。圖IB顯示圖IA中所示的第一實施例電路的第一特定形式的電流、電壓和功率波形，詳細情況如下電源Vll3 00伏
晶體管 QllMOSFETIRFK4HC50
晶體管 Q12MOSFETIRFK4HE50 或 IRFK4JE50
晶體管Qll和Q12的開關(guān)頻率9. 52 kHz
晶體管Qll和Q12的開關(guān)周期105 μ S
電感器Lll195 μ H
能量傳輸電容器Cll1.50 μ F
電感器L124 μΗ
諧振電容器C121. 36 μ F
諧振負載電路的電感
(變壓器Tll的一次繞組)195 μ H
負載電路的固有諧振頻率9.77 kHz
能量注入(即開關(guān))頻率9. 52 kHz
在每次重復(fù)MOSFET晶體管Qll和Q12的105 μ S的開關(guān)周期時，充電控制晶體管Qll 從0-52 μ S “導(dǎo)通”，即導(dǎo)電，然后從52-102 μ S “截止”，注入控制晶體管Q12從0-50 μ S “截止”，即不導(dǎo)電，從50-76 μ S “導(dǎo)通”，即導(dǎo)電，從76-105 μ S “截止”。圖IB顯示圖IA的第一特定形式的電路自啟動后從1. 05-1. 3mS的下列波形。Idii 二極管Dll中的電流，顯示為5 A/刻度
Vcn能量傳輸電容器Cll兩端的電壓，顯示為100 V/刻度 Il12電感器L12中的電流，顯示為50 A/刻度 Vci2諧振電容器C12兩端的電壓，顯示為1000 V/刻度 Itiip變壓器Tll 一次繞組中的電流，顯示為100 A/刻度 Pkii負載電阻器Rll的功率，顯示為500 W/刻度
在充電控制晶體管Qll的導(dǎo)通過程中(例如從圖IB中的1.050-1. 102 mS)，能量傳輸電容器Cll被流過二極管Dll的電流Idii充電。該電流從0上升到大約3. 75A的峰值，然后再下降返回到0，大約為半個正弦的形狀是由電感器Lll和能量傳輸電容器Cll的串聯(lián)諧振組合的脈沖成形效應(yīng)決定的。在該充電過程中，能量傳輸電容器兩端的電壓Vai從大約255V 上升到大約345V。注入控制晶體管Q12切換到“導(dǎo)通”(例如在圖IB中的1. IOOmS),但從能量傳輸電容器Cll到諧振負載電路的電流和能量注入并沒有發(fā)生，直到諧振負載電路兩端的電壓， 由諧振電容器C12兩端的電壓Va2表示，下降到低于能量傳輸電容器兩端的345V，從而使阻塞二極管D13前向偏置。例如，圖IB顯示注入在大約1. 120mS時開始，并繼續(xù)到1. 126mS, 此時注入控制晶體管Q12關(guān)斷。注入電流在圖IB中表示為IU2，是峰值大約為34A的脈沖。注入電流從能量傳輸電容器Cll通過注入控制晶體管Q12、阻塞二極管D13、電感器L12流入諧振電容器C12和在圖IA中由變壓器Tll的一次繞組表示的電感負載裝置的并聯(lián)連接中。來自能量傳輸電容器Cll的注入電流的流動使能量傳輸電容器放電，能量傳輸電容器上的電壓從大約345V 下降到大約255V。注入到諧振負載電路中的周期性電流脈沖的重復(fù)頻率是由注入控制晶體管Q12的開關(guān)頻率決定的。在圖IA實 施例的此第一特定形式中，晶體管的開關(guān)頻率是9. 52kHz，其比諧振負載電路的固有諧振頻率9. 77kHz大約低2. 6%。注入到諧振負載電路中的周期性電流脈沖在諧振電容器C12兩端產(chǎn)生大約1000V 峰_峰的振蕩電壓，在圖IB中表示為Va2，在變壓器Tll的一次繞組中產(chǎn)生大約82A的峰-峰的振蕩電流，在圖IB中表示為IT11P。由于9. 52kHz的注入頻率向下移動到低于負載電路的9. 77kHz的固有諧振頻率大約2. 6%，能量注入在諧振負載電路兩端的正弦電壓波形的正在下降但仍為正的第二象限發(fā)生。該電壓在圖IB中表示為Va2。注入電流脈沖在圖IB中表示為波形IU2，其結(jié)果可以看作是在其它方面近似為正弦的波形的下降斜坡上的同步小干擾或增長。圖IC顯示圖IA中所示的第一實施例的電路的第二特定形式的電流、電壓和功率波形，具有以下詳細情況
電源Vll300伏
晶體管 QllMOSFETIRFK4HE50 或 IRFK4JE50
晶體管 Ql2MOSFETIRFK4HE50 或 IRFK4JE50
晶體管Qll和Q12的開關(guān)頻率10 kHz
晶體管Qll和Q12的開關(guān)周期100 μ S
電感器Lll195 μ H
能量傳輸電容器Cll1.50 μ F
電感器L125 μΗ
諧振電容器C121.36 μ F
諧振負載電路的電感
(變壓器Tll的一次繞組)195 μ H
負載電路的固有諧振頻率9.77 kHz
能量注入(即開關(guān))頻率10 kHz
在每次重復(fù)MOSFET晶體管Qll和Q12的100 μ S開關(guān)周波時，充電控制晶體管Qll從 0-50 μ S “導(dǎo)通”，即導(dǎo)電，然后從50-100 μ S “截止”，注入控制晶體管Q12從0-55 μ S “截止”，即不導(dǎo)電，從55-81 μ S “導(dǎo)通”，即導(dǎo)電，從Sl-IOOyS “截止”。圖IC顯示圖IA中的電路的第二特定形式的自啟動后從5. 300-5. 550mS的下列波形。Idii 二極管Dll中的電流，顯示為5 A/刻度
Vcn能量傳輸電容器Cll兩端的電壓，顯示為100 V/刻度 Il12電感器L12中的電流，顯示為50 A/刻度 Vci2諧振電容器C12兩端的電壓，顯示為1000 V/刻度 Itiip變壓器Tll 一次繞組中的電流，顯示為100 A/刻度 Pkii負載電阻器Rll的功率，顯示為500 W/刻度
在充電控制晶體管Qll的導(dǎo)通過程中(例如從圖IC中的5. 300-5. 350 mS)，能量傳輸電容器Cll被流過二極管Dll的電流Idii充電。該電流從0上升到大約3. 7A的峰值，然后下降再返回到0，大約為半個正弦的形狀是由電感器Lll和能量傳輸電容器Cll的串聯(lián)諧振組合的脈沖成形效應(yīng)決定的。在該充電過程中，能量傳輸電容器兩端的電壓Vai從大約258V上升到大 約340V。注入控制晶體管Q12切換到“導(dǎo)通”(例如在圖IC中的5. 355mS),因此能量從能量傳輸電容器Cll注入到諧振負載電路中。與上述的第一特定形式相比，在此第二特定形式中，注入在注入控制晶體管Q12導(dǎo)通時立即發(fā)生。此時，能量傳輸電容器上的電壓是340V， 其大于由諧振電容器C12兩端的電壓Va2所示的諧振負載電路兩端的電壓200V。該電壓差使阻塞二極管D13前向偏置，所述二極管導(dǎo)通以傳輸注入電流IU2。電感器L12控制注入電流脈沖的上升速率，這在圖IC中開始于大約5. 355mS并持續(xù)到3. 560mS。注入電流在圖IC中表示為IU2，是峰值大約為43A的脈沖。注入電流從能量傳輸電容器Cll通過注入控制晶體管Q12、阻塞二極管D13、電感器L12流入諧振電容器 C12和在圖IA中由變壓器Tll的一次繞組表示的電感負載裝置的并聯(lián)連接中。來自能量傳輸電容器Cll的注入電流的流動使能量傳輸電容器放電，能量傳輸電容器上的電壓在注入過程中從大約340V下降到大約257V。注入到諧振負載電路中的周期性電流脈沖的重復(fù)頻率是由注入控制晶體管Q12 的開關(guān)頻率決定的。在圖IA的實施例的此第二特定形式中，晶體管的開關(guān)頻率是10kHz，其比諧振負載電路的固有諧振頻率9. 77kHz大約高2. 4%。注入到諧振負載電路中的周期性電流脈沖在諧振電容器C12兩端產(chǎn)生大約1037V 峰-峰的振蕩電壓，在圖IC中表示為Va2，在變壓器Tll的一次繞組中產(chǎn)生大約85A的峰-峰振蕩電流，在圖IC中表示為IT11P。由于IOkHz的注入頻率向上移動到比負載電路的9. 77kHz的固有諧振頻率大約高2. 4%，能量注入在諧振負載電路兩端的正弦電壓波形的正在上升但仍為正的第一象限發(fā)生。該電壓在圖IC中表示為Va2。注入脈沖在圖IC中表示為波形Iu2，其結(jié)果可以看作是在其它方面近似為正弦的電壓波形Va2的第一象限的上升斜坡上的同步小干擾或增長。如圖IB和圖IC中所示的兩種形式的演示及上文描述，負載電路必定會以與能量注入頻率，即注入控制晶體管Q12的開關(guān)頻率，對應(yīng)的平均頻率振蕩。該注入頻率和振蕩頻率可以偏離到高于或低于諧振負載電路的固有諧振頻率。在圖IA所示的電路中，注入到負載電路中的電流脈沖是單向的，即只有一種極性，并且在負載電路中電壓和電流振蕩的每個周波僅出現(xiàn)一次。諧振負載電路在注入脈沖之間自諧振，以維持負載電路在注入脈沖之間的振蕩。不過，由于反射回電感負載電路的變壓器一次側(cè)的電阻負載，電流振蕩會減小，結(jié)果電路受到能量衰減。振蕩電壓和電流的每隔一個半周波因此稍微小于緊接的下次注入的幅度。此效應(yīng)可以在圖IB和圖IC中可出，其顯示功率波形Pkii在較高和較低峰值功率幅度之間交替變化。第二實施例
圖2Α和圖2Β顯示本發(fā)明的第二實施例的電路和波形。該電路將單向電流脈沖注入到由串聯(lián)連接的諧振電容器C22和電感負載裝置形成的串聯(lián)諧振負載電路中。電感負載裝置是感應(yīng)加熱系統(tǒng)的工作線圈，在圖2Α中由松耦合的變壓器Τ21的一次繞組表示。諧振電容器C22連續(xù)與變壓器的一次繞組串聯(lián)連接。低電阻的負載電阻器R21連接在變壓器的二次繞組兩端，代表感應(yīng)加熱系統(tǒng)的工件。電能的DC電源V21通過開關(guān)耦合電路耦合到諧振負載電路。負載電路控制晶體管Q23控制串聯(lián)諧振負載電路的斷開和閉合。振蕩的負載電路電流可以在一個方向(在圖2A中 為逆時針)通過負載電路控制晶體管Q23循環(huán)，此時晶體管變成“導(dǎo)通”，并且即使當(dāng)晶體管Q23變成“截止”時，可以在相反方向(在圖2A中為順時針) 通過并聯(lián)連接在晶體管Q23兩端的二極管D24循環(huán)。并聯(lián)二極管D24提供順時針電流在負載電路中循環(huán)的路徑。如果晶體管Q23具有內(nèi)在的二極管，例如如果晶體管Q23是M0SFET，則分立的并聯(lián)二極管D24是可選的，但可包括以提供附加的載流能力。如圖2A所示，開關(guān)耦合電路包括充電控制晶體管Q21、串聯(lián)阻塞二極管D21、續(xù)流二極管D22、串聯(lián)電感器L21、能量傳輸電容器C21、能量注入控制晶體管Q22、兩個串聯(lián)阻塞二極管D23A和D23B以及串聯(lián)注入控制電感器L22。開關(guān)耦合電路被重復(fù)設(shè)置成以下時序的配置，以將來自電源的能量傳輸?shù)街C振負載電路
1.電容器充電配置，
2.第一可選隔離配置，
3.電容器放電及能量注入配置，和
4.第二可選隔離配置。在電容器充電配置中，充電控制晶體管Q11、串聯(lián)阻塞二極管D21、續(xù)流二極管 D22、串聯(lián)電感器L21類似于如上所述的圖IA的電路中的相應(yīng)元件來操作，以由電能的電源 V21對能量傳輸電容器C21充電。負載電路控制晶體管Q23在充電配置過程中切換到“導(dǎo)通”，即變成導(dǎo)電，然后在第一隔離配置的大部分時間中保持“導(dǎo)通”，允許諧振負載電路的電流在一個方向(在圖2A 中是逆時針)循環(huán)。并聯(lián)二極管D24允許諧振負載電路的電流在相反方向(在圖2A中是順時針)循環(huán)。當(dāng)開關(guān)耦合電路被配置在隔離配置中時，充電控制晶體管Q21和能量注入控制晶體管Q22兩者都“截止”(即，變成基本不導(dǎo)電)，從而有效地將能量傳輸電容器C21與電能的電源V21、以及與由諧振電容器C22和由變壓器T21和負載電阻器R21表示的電感負載裝置形成的諧振負載電路斷開和隔離。當(dāng)開關(guān)耦合電路被配置在隔離配置中時，在諧振負載電路中循環(huán)的電流繼續(xù)通過負載電路控制晶體管Q23在一個方向，并通過并聯(lián)二極管D24在相反方向基本以諧振負載電路的固有諧振頻率或該頻率近似值循環(huán)。在注入配置中，充電控制晶體管Q21“截止”，將能量傳輸電容器C21與電能的電源 V21斷開，能量注入控制晶體管Q22“導(dǎo)通”，將能量傳輸電容器C21通過阻塞二極管D23A和 D23B與串聯(lián)注入控制電感器L22連接在串聯(lián)連接的諧振負載電路兩端。在注入配置階段，電流脈沖從能量傳輸電容器C21注入，流過(在圖2A中是順時針方向)前向偏置阻塞二極管D23A、注入控制晶體管Q22、電感器L22、前向偏置阻塞二極管 D23B并流入由串聯(lián)連接的諧振電容器C22和電感負載裝置形成的諧振負載電路(在圖2A中由變壓器T21的一次繞組和連接在松耦合的二次繞組兩端的負載電阻器R21表示)中。注入到諧振負載電路中的注入電流脈沖通過串聯(lián)注入控制電感器L22平滑，其限制來自能量傳輸電容器C21的初始暫態(tài)放電電流。該電流的注入基本上使能量傳輸電容器C21放電， 將該電容器上的電壓降為0。
如果注入到諧振負載 電路中的電流脈沖延長，或者能量傳輸電容器的電容大小不夠大，則能量傳輸電容器C21上的電壓可能因為諧振負載電路從電容器C21汲取的電流而會下降到0以下，可能暫時變?yōu)樨摗＿@種狀況只會暫時出現(xiàn)，直到下一個再充電周波為止， 盡管它可能降低最佳效率，但它不會另外干擾電路的正常操作。在注入電流脈沖停止時，電流繼續(xù)在諧振負載電路中以其固有諧振頻率或該頻率近似值循環(huán)，一開始以順時針諧振負載電路電流通過并聯(lián)二極管D24。當(dāng)諧振負載電路的電流順時針流動時，負載電路控制晶體管Q23變成“導(dǎo)通”，即變成導(dǎo)電。在極性反轉(zhuǎn)時，諧振負載電路的電流以逆時針電流流過負載電路控制晶體管Q23。這樣，電流繼續(xù)在諧振負載電路中無中斷地振蕩。通過電流脈沖進行的能量注入的重復(fù)速率是由開關(guān)耦合電路的開關(guān)頻率控制的。 將該開關(guān)頻率選擇為接近諧振負載電路的固有諧振頻率，使得每次從能量傳輸電容器C21 注入到諧振負載電路中的電流注入發(fā)生在諧振負載電路的電流順時針流過并聯(lián)二極管D24 的半周波中。這樣，二極管D23A、D23B和D24允許從固有諧振模式平滑過渡到注入模式，在固有諧振模式，諧振負載電路中的順時針電流反向循環(huán)通過二極管D24，在注入模式，順時針電流從放電的能量傳輸電容器C21流過二極管D23A、注入控制電感器L22和二極管D23B，以將能量注入到諧振負載電路中。當(dāng)能量注入控制晶體管Q22是MOSFET或是具有提供從源極到漏極的反向?qū)щ娐窂降膬?nèi)在的體二極管的類似器件，甚至當(dāng)晶體管變成“截止”時，阻塞二極管D23A和D23B被包括在內(nèi)。阻塞二極管D23A和D23B防止反向電流從諧振負載電路通過內(nèi)在的MOSFET體二極管流回能量傳輸電容器C21。沒有阻塞二極管D23A和D23B，該反向電流甚至當(dāng)晶體管 Q22變成“截止”時也會流動。盡管表面上兩個阻塞二極管D23A和D23B中的任一個都會提供該阻塞動作，但在能量傳輸電容器和諧振負載電路之間的能量注入路徑的每一端使用各自的阻塞二極管，通過隔離注入控制晶體管Q22或串聯(lián)電感器L22與接地或地線或其它元件之間的寄生電感或寄生電容的潛在不利影響，改進了阻塞動作。當(dāng)阻塞二極管不導(dǎo)電時，這些寄生電容和電感通過反向偏置二極管的較小的結(jié)電容與耦合電路的其余部分隔離。如果不隔離，這些寄生電容電感可能會在電路中弓丨起不必要的暫態(tài)振蕩。來自能量傳輸電容器C21的放電電流總是以相同極性被注入到諧振負載電路中。 艮口，放電電流以全部具有相同極性的一系列脈沖被注入到諧振負載電路中。在圖2A所示的電路中，電流脈沖被注入到諧振負載電路中以圍繞由能量傳輸電容器C21、第一阻塞二極管 D23A、晶體管Q22、注入控制電感器L22、第二阻塞二極管D23B以及諧振電容器C22和變壓器T21的一次繞組的串聯(lián)連接形成的回路順時針流動。開關(guān)電路按充電配置、第一隔離配置、注入配置和第二隔離配置的時序重復(fù)配置， 以將來自電能的電源V21的能量經(jīng)由能量傳輸電容器C21傳輸?shù)诫姼胸撦d裝置中。傳輸?shù)街C振負載電路的能量的量在充電配置和注入配置重疊時可增加。該重疊可以通過省略一個或者兩個隔離配置階段獲得。不過，優(yōu)選隔離配置階段不重疊。例如，在注入配置停止時注入控制晶體管Q22變成“截止”之后，在充電配置開始時充電控制晶體管 Q21優(yōu)選變成“導(dǎo)通”。
注意，能量傳輸 電容器C21的放電和能量進入諧振負載電路中的伴隨注入并不一定在注入控制晶體管Q22導(dǎo)通時立即開始。例如，盡管能量控制晶體管Q22可能變成“導(dǎo)通”，即變成導(dǎo)電，但從能量傳輸電容器C21通過二極管D23A、通過能量控制晶體管Q22、通過注入控制電感器L22并通過二極管D23B到達諧振負載電路的注入路徑不會變成導(dǎo)通，直到諧振負載電路兩端的電壓下降到低于充電的能量傳輸電容器上的電壓。這有效地同步諧振負載電路兩端的振蕩電壓的波形上的能量注入點，該點與充電的能量傳輸電容器上的電壓匹配。這種自動同步以及然后放電的能量傳輸電容器上的下降電壓與諧振負載兩端的下降電壓的緊密匹配提供“軟”的能量有效的能量注入。圖2B顯示圖2A中所示的第二實施例電路的特定形式的電流、電壓和功率波形，具有以下詳細情況
電源V21200伏
晶體管 Q21MOSFETIRFK6J350
晶體管 Q22MOSFETIRFK4H350
晶體管 Q23 IGBTECG3322
晶體管Q21，Q22和Q23的開關(guān)頻率9. 34 kHz
晶體管Q21，Q22和Q23的開關(guān)周期107 μ S
電感器L211 mH
電感器L228 μ H
能量傳輸電容器C211.50 μ F
諧振電容器C221.36 μ F
諧振負載電路電感
(變壓器Τ21的一次繞組)205 μ H
負載電路的固有諧振頻率9.53 kHz
能量注入(即開關(guān))頻率9. 34 kHz
晶體管Q23可以是如上文詳述的特定形式中的IGBT，與圖2B中所示的波形相關(guān)?？商娲兀琎23可以是MOSFET。在每次重復(fù)107 μ S的開關(guān)周期中，充電控制晶體管Q21從0-40 μ S “導(dǎo)通”，即導(dǎo)電，然后從40-107 μ S “截止”；注入控制晶體管Q22從0-82 μ S “截止”，即不導(dǎo)電，從 82-94 μ S “導(dǎo)通”，即導(dǎo)電，從94-107 μ S “截止”，負載電路控制晶體管Q23從0_3 μ S “截止，，，從 3-78 μ S “導(dǎo)通”，從 78-107 μ S “截止，，。圖2Β顯示圖2Α的特定形式的電路自啟動后從3. 0-3. 35mS的下述波形。Id21 二極管D21中的電流，顯示為10 A/刻度 Id22 二極管D22中的電流，顯示為10 A/刻度 Il21電感器L21中的電流，顯示為10 A/刻度
Vc21能量傳輸電容器C21兩端的電壓，顯示為250 V/刻度 Il22電感器L22中的電流，顯示為50 A/刻度 It21p變壓器T21 —次繞組中的電流，顯示為50 A/刻度 Pk21負載電阻器R21的功率，顯示為500 W/刻度
能量傳輸電容器C21被流過電感器L21的電流Im充電。該電流從0平滑地上升到大約8. 2A的峰值，再平滑 下降到0，形狀由電感器L21和能量傳輸電容器C21的串聯(lián)諧振組合決定。在此充電過程中，能量傳輸電容器C21兩端的電壓Vc21從大約負40伏上升了大約 270伏，達到大約正的230伏。充電電流Im是在充電控制晶體管Q21 “導(dǎo)通”時通過二極管D21汲取自電源V21 的電流Id21和在晶體管Q21變成“截止”之后通過穩(wěn)流二極管D22汲取的電流Id22的和。注入控制晶體管Q22切換到“導(dǎo)通”(例如，圖2B中在3. 103mS)以將來自能量傳輸電容器C21的電流和能量注入到諧振負載電路中。在圖2B的波形I⑵中顯示為例如在大約3. 103mS開始的注入電流脈沖的峰值大約為36A。來自能量傳輸電容器C21的注入電流的流動使能量傳輸電容器放電；能量傳輸電容器上的電壓從大約正的230伏下降大約270 伏，達到大約負的40伏。當(dāng)能量傳輸電容器C21上的電壓下降到低于0時，電流流過二極管D22，如圖2B 的波形Id22所示。該電流繼續(xù)，直到充電控制晶體管Q21導(dǎo)通，電流從電源V21通過晶體管 Q21、二極管D21和電感器L21流入電容器C21中，這通過波形Im可見。當(dāng)放電控制晶體管Q21變成“截止”時，通過電感器L21相關(guān)的磁場的衰減在電感器L21中感生的電流流過二極管D22，繼續(xù)對電容器C21充電，直到電流Im下降到0。電流波形It21p顯示在來自能量傳輸電容器的注入時刻，在近似為正弦的波形的正峰值上出現(xiàn)小的增長。注入到諧振負載電路中的周期性電流脈沖的重復(fù)頻率是由充電控制晶體管Q21、 注入控制晶體管Q22和負載電路控制晶體管Q23的開關(guān)頻率決定的。在圖2A實施例的此特定形式中，晶體管的開關(guān)頻率是9. 34kHz，其比諧振負載電路的固有諧振頻率9. 53kHz大約低2%。注入到諧振負載電路中的周期性電流脈沖在諧振電容器C22和變壓器T21的一次繞組中產(chǎn)生大約71A的峰-峰振蕩電流，如圖2B中的It21p所示。在圖2A所示的電路中，注入到負載電路中的電流脈沖是單向的。出于與上述第一實施例相同的原因，圖2B中可見的功率波形Pk21顯示交替變化的較高和較低峰值功率幅度。諧振電容可以由單個電容器C22提供，如圖2A中所示，或者可以由并聯(lián)和/或串聯(lián)結(jié)合的多個電容器提供，以獲得期望的電流和電壓額定值。選擇各個電容器的電容值，以維持電容器的整體組合的電容值，使得諧振負載電路的諧振頻率不改變。在一種布局(附圖中沒有顯示)中，圖2A中1. 36 μ F的諧振電容器C22被兩個2. 72 μ F的電容器取代，它們與變壓器Τ21的一次繞組串聯(lián)連接，但分別在一次繞組的相對端。第三實施例
圖3Α和圖3Β顯示本發(fā)明的第三實施例的電路和波形。該電路將單向電流脈沖注入到由連接到電感負載裝置的諧振電容器C32形成的諧振負載電路的電感引腳中。電感負載裝置是感應(yīng)加熱系統(tǒng)的工作線圈，在圖3Α中由松耦合的變壓器Τ31的一次繞組表示。諧振電容器C32的一端連續(xù)連接到變壓器Τ31的一次繞組的一端。低電阻的負載電阻器Rll連接在變壓器二次繞組兩端，以代表感應(yīng)加熱系統(tǒng)的工件。電能的DC電源V31通過開關(guān)耦合電路耦合到諧振負載電路。除電流和能量注入到諧振負載電路中以及兩個阻塞二極管D23A和D23B由單個阻塞二極管D33取代之外，圖3A的第三實 施例的電路類似于上文描述的圖2A的第二實施例的電路來操作。在圖3A的電路中，注入通過變壓器T31和負載電阻器R31進入到圖3A表示的電感負載裝置中。負載電路控制晶體管Q33與諧振電容器C32串聯(lián)，控制諧振負載電路的閉合。旁路二極管D34在晶體管Q33周圍提供并聯(lián)路徑。而且，在此實施例中，只有一個阻塞二極管D33阻塞反向電流，不然該反向電流會從諧振負載電路通過內(nèi)在的MOSFET體二極管流回到能量存儲電容器中。在其它方面，圖3A中所示的電路和電路元件以與圖2A中所示的電路和相應(yīng)元件類似地操作。在圖3A的電路中，負載電路控制晶體管Q33在充電配置中切換到“導(dǎo)通”，即變成導(dǎo)電，然后在第一隔離配置的大部分時間中保持“導(dǎo)通”，允許諧振負載電路的電流在一個方向(圖3A中的逆時針)循環(huán)。并聯(lián)旁路二極管D34允許諧振負載電路電流繞過晶體管Q33， 在相反方向(在圖3A中是順時針)循環(huán)。如果負載電路控制晶體管Q33包括內(nèi)在的體二極管，例如如果晶體管Q33是 M0SFET，內(nèi)在的體二極管為諧振負載電路中的順時針電流提供從源極到漏極的導(dǎo)電路徑。 電路中包括并聯(lián)旁路二極管D34，以為負載電路中循環(huán)的順時針電流提供附加的截流能力。當(dāng)開關(guān)耦合電路被配置在隔離配置中時，在諧振負載電路中循環(huán)的電流繼續(xù)基本以諧振負載電路的固有諧振頻率或其近似值通過負載電路控制晶體管Q33在一個方向循環(huán)，并通過并聯(lián)旁路二極管D34在相反方向循環(huán)。在注入配置階段，電流脈沖由能量傳輸電容器C31注入，以通過注入控制晶體管 Q32、前向偏置阻塞二極管D33、注入控制電感器L32流動到電感負載裝置中(在圖3A中由變壓器T31和負載電阻器R31代表)。注入電流脈沖被串聯(lián)注入控制電感器L32平滑。該注入基本上使能量傳輸電容器C31放電。類似于圖2A的電路，如果注入到諧振負載電路中的電流脈沖延長，或者能量傳輸電容器的電容大小不夠大，則能量傳輸電容器C31上的電壓可能降低到低于0。因此在充電控制晶體管Q31變成“導(dǎo)通”以傳輸來自電源V31的電流并使其通過晶體管Q31、二極管 D31和電感器L31以對能量傳輸電容器C31充電之前，通過二極管D32和電感器L31汲取電流。盡管此狀況(即能量傳輸電容器上的負電壓)可能降低最佳操作效率，但它不會干擾電路的正常操作，僅是暫時出現(xiàn)，直到能量傳輸電容器C31上的電壓在下一個再充電周波變成正為止。能量傳輸電容器C31的電容值通常增大以避免或至少降低能量傳輸電容器上的負電壓。例如，在使用下文詳述的元件值的電路中，如果能量傳輸電容器C31的值從0. 5μ F 增大到0. 75 μ F，能量傳輸電容器C31上的電壓不會擺動到負值。優(yōu)選選擇電容值，以通過降低負電壓擺動的可能性來優(yōu)化電路效率。鉗位二極管在圖3Α中未顯示，但類似于下文描述的二極管D45，其可見于圖4Α的能量傳輸電容器C41的兩端，鉗位二極管可并聯(lián)設(shè)置在能量傳輸電容器C31兩端，以基本防止電容器上的電壓變成負值，而不與其它電路操作產(chǎn)生任何沖突。在注入電流脈沖停止之后，電流繼續(xù)以其固有諧振頻率或該頻率近似值在諧振負載電路中循環(huán)，一開始以順時針諧振負載電路電流通過包括并聯(lián)旁路二極管D34、諧振電容器C32和變壓器Τ31 (其松耦合到、并加載負載電阻器R31)的一次繞組的電路回路。在諧振負載電流以順時針方向 通過旁路二極管D34在諧振電路回路中流動時，諧振電容控制晶體管Q33變成“導(dǎo)通”，即變成導(dǎo)電。在極性反轉(zhuǎn)時，諧振負載電流以逆時針電流的形式流過諧振電容器C32和諧振電路控制晶體管Q33。這樣，電流繼續(xù)在諧振負載電路中無中斷地振蕩。類似于圖2A的電路，通過電流脈沖進行的能量注入的重復(fù)速率在圖3A的電路中由開關(guān)耦合電路的開關(guān)頻率控制。將該開關(guān)頻率選擇為接近諧振負載電路的固有諧振頻率，使得從能量傳輸電容器C31到諧振負載電路的每次電流注入出現(xiàn)在諧振負載電路電流順時針流過并聯(lián)二極管D34和諧振電容器C32的半個周波中。在其它方面，參照圖3A的電路沒有特別討論的，圖3A的電路和相應(yīng)元件基本類似于圖2A的電路來操作，以充電配置、隔離配置和注入配置的時序重復(fù)配置開關(guān)電路，以將來自電能的電源V31的能量經(jīng)由能量傳輸電容器C31傳輸?shù)诫姼胸撦d裝置。圖3B顯示圖3A中所示的第三實施例電路的特定形式的電流、電壓和功率波形，具有以下詳細情況
電源V31100伏
晶體管 Q31MOSFETIRFPG50
晶體管 Q32MOSFETIRFK4J450
晶體管 Q33MOSFETIRFK4HE50 或 IRFK4JE50
晶體管Q31，Q32和Q33的開關(guān)頻率9. 52 kHz
晶體管Q31，Q32和Q33的開關(guān)周期105 μ S
電感器L31500 μ H
電感器L3245 μ H
能量傳輸電容器C310.5 UF
諧振電容器C321.36 μ F
諧振負載電路電感
(變壓器Τ31的一次繞組)180 μ H
負載電路的固有諧振頻率10. 17 kHz
能量注入(即開關(guān))頻率9. 52 kHz
在每次重復(fù)105 μ S開關(guān)周期的過程中，充電控制晶體管Q31從0-48 μ S “導(dǎo)通”，即導(dǎo)電，然后從48-105 μ S “截止”；注入控制晶體管Q32從0_80 μ S “截止”，即不導(dǎo)電，從 80-101 μ S “導(dǎo)通”，即導(dǎo)電，從101-105 μ S “截止”；諧振電路控制晶體管Q33 JA 0-3 μ S “截止，，，從 3-76 μ S “導(dǎo)通”，從 76-105 μ S “截止，，。圖3Β顯示圖3Α的特定形式的電路啟動后，從10. 5mS開始的下述波形。Id31 二極管D31中的電流，顯示為10 A/刻度 Id32 二極管D32中的電流，顯示為10 A/刻度
Il31電感器L31中的電流，顯示為10 A/刻度
Vrai能量傳輸電容器C31兩端的電壓，顯示為250 V/刻度
Il32電感器L32中的電流，顯示為20 A/刻度
It31p變壓器T31 —次繞組中的電流，顯示為50 A/刻度
Pk31負載電阻器R31的功率，顯示為250 W/刻度能量傳輸電容器C31被流過 電感器L31的電流I⑶充電。該電流從O平滑地上升到大約6. IA的峰值，再平滑下降到0，形狀由電感器L31和能量傳輸電容器C31的串聯(lián)諧振組合決定。在此充電階段中，能量傳輸電容器C31兩端的電壓Vrai從大約負100伏上升到大約正的290伏。充電電流Iui是在充電控制晶體管Q31變成“導(dǎo)通”時通過二極管D31汲取自電源V31的電流Id31和在晶體管Q31變成“截止”之后通過穩(wěn)流二極管D32汲取的電流I1132的禾口。注入控制晶體管Q32切換到“導(dǎo)通”(例如在圖3B中在10. 605mS)以將來自能量傳輸電容器C31的電流和能量注入到諧振負載電路中。注入電流脈沖，在圖3B的波形Iu2 中顯示為例如在大約10. 605mS開始并繼續(xù)直到大約10. 626mS,的峰值大約為14. 5A。來自能量傳輸電容器C31的注入電流的流動使能量傳輸電容器放電；能量傳輸電容器上的電壓從大約正的290伏下降大約390伏，達到大約負的100伏。注入到諧振負載電路中的周期性電流脈沖的重復(fù)頻率是由充電控制晶體管Q31、 注入控制晶體管Q32和諧振負載電路控制晶體管Q33的開關(guān)頻率決定的。在圖3A實施例的此特定形式中，晶體管的開關(guān)頻率是9. 52kHz，其比諧振負載電路的固有諧振頻率 10. 17kHz 大約低 6. 8%ο注入到諧振負載電路中的周期性電流脈沖在變壓器T31的一次繞組中產(chǎn)生大約 69A峰-峰的振蕩電流，在圖3B中顯示為IT31P。在圖3Α所示的電路中，注入到負載電路中的電流脈沖是單向的。出于與上述第一實施例相同的原因，圖3Β中可見的功率波形Pk31顯示交替變化的較高和較低峰值功率幅度。第四實施例
圖4Α和圖4Β顯示本發(fā)明的第四實施例的電路和波形。該電路將雙向電流脈沖注入到由連接到電感負載裝置的諧振電容器C42形成的并聯(lián)諧振負載電路中。電感負載裝置是感應(yīng)加熱系統(tǒng)的工作線圈，在圖4Α中由松耦合的變壓器Τ41表示。諧振電容器C42連續(xù)與變壓器Τ41的一次繞組并聯(lián)連接。低電阻的負載電阻器R41連接在變壓器二次繞組兩端，以代表感應(yīng)加熱系統(tǒng)的工件。電能的DC電源V41通過開關(guān)耦合電路耦合到諧振負載電路。開關(guān)耦合電路被重復(fù)設(shè)置成以下時序的配置，以將來自電源的能量傳輸?shù)街C振負載電路
1.第一電容器充電配置，
2.第一可選隔離配置，
3.第一電容器放電及能量注入配置，
4.第二電容器充電配置，
5.第二可選隔離配置，和
6.第二電容器放電及能量注入配置。在兩個電容器充電配置階段中的每一個中，充電控制晶體管Q41變成“導(dǎo)通”，即變成導(dǎo)電，以由電源V41對能量傳輸電容器C41充電。充電控制晶體管Q41和串聯(lián)阻塞二極管D41、續(xù)流二極管D42和串聯(lián)電感器L41以與如上所述的圖IA的電路中相應(yīng)的元件類似地操作，以由電能的電源V41對能量傳輸電容器C41充電。
鉗位二極管D45并聯(lián)連接在 能量傳輸電容器C41的兩端。該二極管通常保持反向偏置，但被包括以通過允許注入電流繞過電容器，來防止如果注入周期對于電容器的大小過大并且電容器變成完全放電時對能量傳輸電容器C41進行反向極性的充電。開關(guān)耦合電路還包括四個晶體管Q44、Q45、Q46和Q47。H橋中的對角線上的晶體管對交替導(dǎo)通，以將交替極性的電流脈沖注入到并聯(lián)諧振負載電路中。H橋的一個對角線上的晶體管對，Q44和Q47，在耦合電路被配置在操作時序的第三階段，即第一電容器放電及能量注入配置，時導(dǎo)通。H橋的另一對角線的晶體管對Q45和Q46在耦合電路被配置成操作時序的第六階段，即第二電容器放電及能量注入配置，時導(dǎo)通。在每一操作時序的第三和第六階段的電容器放電及能量注入配置過程中，能量傳輸電容器C41通過H橋的各自對角線的晶體管對、各自的阻塞二極管D44A或D44B以及串聯(lián)注入脈沖控制電感器L42A和L42B有效連接，以在諧振電容器C42以及在圖4A中由變壓器T41和負載電阻器R41表示的電感負載裝置的并聯(lián)組合兩端放電，同時充電控制晶體管 Q41 “截止”，將能量傳輸電容器C41與電能的電源V41斷開并有效隔離。來自能量傳輸電容器C41的放電電流以交替極性的脈沖注入到諧振負載電路中。 在第三階段，脈沖圍繞由電容器C41、H橋晶體管Q44、導(dǎo)電前向偏置阻塞二極管D44A、電感器L42A、諧振電容器C42和變壓器T41的一次繞組的并聯(lián)連接、電感器L42B以及H橋晶體管Q47形成的回路順時針流動。在第六階段，脈沖圍繞由電容器C41、H橋晶體管Q45、導(dǎo)電前向偏置阻塞二極管D44B、電感器L42B、諧振電容器C42和變壓器T41的一次繞組的并聯(lián)連接、電感器L42A以及H橋晶體管Q46形成的回路逆時針流動。在圖4A的一個變形(附圖中沒有顯示)中，省略電感器L42A和L42B，由連接在能量傳輸電容器C41以及開關(guān)晶體管Q44和Q45的漏極之間的共同結(jié)點之間的一個串聯(lián)注入脈沖控制電感器代替。在這種布局中，在每一操作時序的第三和第六階段的電容器放電及能量注入配置中，能量傳輸電容器C41通過單個注入脈沖控制電感器有效地連接到H橋的各自的對角線晶體管對、各自的阻塞二極管D44A或D44B，以在諧振電容器C42和電感負載裝置的并聯(lián)組合的兩端放電。在此變形中，來自能量傳輸電容器C41的放電電流以交替極性的脈沖注入到諧振負載電路中。在第三階段，脈沖圍繞由電容器C41、單個注入脈沖控制電感器、H橋晶體管 Q44、導(dǎo)電前向偏置阻塞二極管D44A、諧振電容器C42和電感負載裝置的并聯(lián)連接以及H橋晶體管Q47形成的回路順時針流動。在第六階段，脈沖圍繞由電容器C41、單個注入脈沖控制電感器、H橋晶體管Q45、導(dǎo)電前向偏置阻塞二極管D44B、諧振電容器C42和電感負載裝置的并聯(lián)連接以及H橋晶體管Q46形成的回路逆時針流動。在隔離配置中，所有晶體管041、044、045、046和047都“截止”(即基本不導(dǎo)電)， 從而有效將能量傳輸電容器C41與電能的電源V41、與由諧振電容器C42以及由變壓器T41 和負載電阻器R41代表的電感負載裝置形成的諧振負載電路斷開并隔離。當(dāng)H橋晶體管Q44和Q47或Q45和Q46在隔離配置開始變成“截止”時，在諧振負載電路中流動的循環(huán)電流會繼續(xù)基本以諧振負載電路的固有諧振頻率或其近似值循環(huán)。開關(guān)電路被重復(fù)配置成六階段的時序，以將來自電能的電源V41的能量經(jīng)由能量傳輸電容器C41傳輸?shù)诫姼胸撦d裝置。充電配置和注入配置可以重疊。例如，當(dāng)充電控制晶體管Q41在第一或第四階段的充電配置開始而“導(dǎo)通”時， H橋的各個晶體管對可在短的重疊周期保持“導(dǎo)通”。圖4B顯示圖4A中所示的第四實施例電路的特定形式的電流、電壓和功率波形，具有以下詳細情況
電源V41300伏
晶體管 Q41MOSFETIRFK4HE50 或 IRFK4JE50
晶體管 Q44MOSFETIRFK4J450
晶體管 Q45MOSFETIRFK4J450
晶體管 Q46IGBTIRGPC50U
晶體管 Q47IGBTIRGPC50U
晶體管Q41的開關(guān)頻率40 kHz
晶體管Q44 - Q47的開關(guān)頻率20 kHz
晶體管Q44 - Q47的開關(guān)周期50 μ S
電感器L4110 μ H
電感器L42A40 μ H
電感器L42B40 μ H
能量傳輸電容器4.0 yF
諧振電容器C420.7 UF
諧振負載電路的電感
(變壓器T41的一次繞組)95 μ H
負載電路的固有諧振頻率19.5 kHz
能量注入(即開關(guān))頻率20 kHz
在每次重復(fù)H橋晶體管Q44、Q45、Q46和Q47的50 μ S開關(guān)周期的過程中，充電控制晶體管Q41從0-12. 5μ S “導(dǎo)通”，即導(dǎo)電，從12. 5-25 μ S “截止”，即不導(dǎo)電，從25-37. 5 μ S “導(dǎo)通”，從37. 5-50 μ S “截止” ；H橋注入控制晶體管Q44和Q47從0-12. 5 μ S “截止”，從 12. 5-25 μ S “導(dǎo)通”，從25-50 μ S “截止”;H橋注入控制晶體管Q45和Q46從0-37. 5 μ S “截止，，，從 37. 5-50 μ S “導(dǎo)通，，。圖4Β顯示圖4Α中特定形式的電路啟動后，從1. 0-1. ImS的下述波形。Id41 二極管D41中的電流，顯示為5 A/刻度
Vc41能量傳輸電容器C41兩端的電壓，顯示為10 V/刻度 Ic41來自電容器C41的放電電流，顯示為5Α/刻度 Il42電感器L42中的電流，顯示為5 A/刻度 It4ip變壓器Τ41的一次繞組中的電流，顯示為50 A/刻度 Vt4ip變壓器Τ41的一次繞組兩端的電壓，顯示為500V/刻度 Pk41負載電阻器R41的功率，顯示為500 W/刻度
充電控制晶體管Q41在每個50μ S周波中兩次切換到“導(dǎo)通”(例如在圖4Β中從 1. 0125-1. 025 mS和從1.0375-1.050 mS)，以通過流過晶體管Q41和二極管D41的電流 Id41對能量傳輸電容器C41充電。該充電電流從0上升到大約3. 75A的峰值，正弦形狀由電感器L41和能量傳輸電容器C41的串聯(lián)諧振組合決定。當(dāng)充電控制晶體管Q41截止時，正弦形狀的充電脈沖的尾沿截止。充電控制晶體管Q41的開關(guān)的作用是控制傳輸?shù)侥芰總鬏旊娙萜鰿41的電荷的量。在 充電控制晶體管Q41關(guān)斷之后，下降的充電電流會繼續(xù)從電感器L41注入到能量傳輸電容器C41中，并通過續(xù)流二極管D42返回。在每個充電周期中，能量傳輸電容器C41兩端的電壓V㈨從大約293伏上升到大約302伏。H橋注入控制晶體管的第一對角線對的晶體管Q44和Q47在每個50 μ S周波中切換到“導(dǎo)通”一次，持續(xù)12. 5μ S (例如在圖4Β中從1. 024-1. 0375mS),以將來自能量傳輸電容器C41的電流和能量注入到諧振負載電路中。在圖4A的電路中，該電流順時針從H橋流過并聯(lián)諧振負載電路，主要流過諧振電容器C42。H橋注入控制晶體管的第二對角線對的晶體管Q45和Q46在每個50 μ S周波中切換到“導(dǎo)通”一次，持續(xù)12. 5μ S (例如在圖4Β中從1. 050-1. 0625mS),以將來自能量傳輸電容器C41的電流和能量注入到諧振負載電路中。在圖4A的電路中，該電流逆時針從H橋流過并聯(lián)諧振負載電路。來自能量傳輸電容器C41的放電電流脈沖通過H橋開關(guān)晶體管被注入到諧振負載電路中，在圖4B中顯示為波形Ie41。電流波形IM2A顯示相同的脈沖，但是通過電感器L42A 注入到并聯(lián)諧振負載電路中。如從圖4B可以看出，注入到諧振負載電路中的Im2a電流脈沖的極性交替變化。在每次注入電流脈沖的過程中，能量傳輸電容器放電，能量傳輸電容器C41兩端的電壓從大約302伏下降到大約293伏。注入到諧振負載電路中的周期性電流脈沖的重復(fù)頻率由四個H橋注入控制晶體管Q44、Q45、Q46和Q47的開關(guān)頻率決定。在圖4A實施例的特定形式中，這四個晶體管的開關(guān)頻率是20kHz，其比諧振負載電路的固有諧振頻率19. 5kHz大約高2. 5%。注入到諧振負載電路中的周期性電流脈沖在變壓器T41的一次繞組兩端產(chǎn)生大約750V峰-峰的振蕩電壓，如圖4B的Vt4ip所示，在變壓器T41的一次繞組中產(chǎn)生大約62A 峰"峰的振蕩電流，如圖4B的It4ip所示。在圖4A所示的電路中，注入到負載電路中的電流脈沖是雙向的，即交替極性的， 在負載電路的電壓和電流振蕩的每個周波中出現(xiàn)兩次。諧振負載電路在注入脈沖之間自諧振，維持注入脈沖之間的負載電路中的振蕩。因為注入在每個周波進行兩次，所以每半個周波的振蕩電壓和電流的幅度相似。該效應(yīng)可以從圖4B看出，其顯示具有一致峰值功率幅度的功率波形Pk41。第五實施例
圖5A、圖5B和圖5C顯示本發(fā)明的第五實施例的電路和波形。該電路將雙向電流脈沖注入到由連接到電感負載裝置的諧振電容器C52形成的并聯(lián)諧振負載電路中。電感負載裝置是感應(yīng)加熱系統(tǒng)的工作線圈，在圖5A中由松耦合的變壓器T51的一次繞組代表。諧振電容器C52連續(xù)與變壓器的一次繞組并聯(lián)連接。低電阻的負載電阻器R51連接在變壓器的二次繞組兩端，以代表感應(yīng)加熱系統(tǒng)的工件。電能的DC電源V51通過開關(guān)耦合電路耦合到諧振負載電路。在一種操作模式中，開關(guān)耦合電路被重復(fù)設(shè)置成以下時序的配置，以將來自電源的能量傳輸?shù)街C振負載電路。1.第一電容器充電配置，
2.第一電容器放電及能量注入配置，3.第一可選 隔離配置，
4.第二電容器充電配置，
5.第二電容器放電及能量注入配置，和
6.第二可選隔離配置。在電容器充電配置的每個階段，充電控制晶體管Q51變成“導(dǎo)通”，即變成導(dǎo)電，以由電源V51對能量傳輸電容器C51充電。充電控制晶體管Q51、串聯(lián)阻塞二極管D51、續(xù)流二極管D52和串聯(lián)電感器L51類似于如上所述的圖IA中電路的相應(yīng)元件來操作，以由電能的電源V51對能量傳輸電容器C51充電。開關(guān)耦合電路還包括由四個晶體管Q54、Q55、Q56和Q57組成的H橋開關(guān)電路。H 橋中的對角線上的晶體管對交替導(dǎo)通，以將交替極性的電流脈沖注入到并聯(lián)諧振負載電路中。四個H橋晶體管中一個對角線對的晶體管Q54和Q57在耦合電路被配置在第一電容器放電及能量注入配置中時導(dǎo)通。在此配置中，注入電流脈沖圍繞由電容器C51、能量注入控制晶體管Q52、串聯(lián)阻塞二極管D53、串聯(lián)電感器L52、H橋晶體管Q54、諧振電容器C52 和變壓器T51的一次繞組的并聯(lián)連接以及H橋晶體管Q57形成的回路順時針流動。四個H橋晶體管中另一對角線對的晶體管Q55和Q56在耦合電路被配置成第二電容器放電及能量注入配置中時導(dǎo)通。在此配置中，注入電流脈沖圍繞由電容器C51、能量注入控制晶體管Q52、串聯(lián)阻塞二極管D53、串聯(lián)電感器L52、H橋晶體管Q55、諧振電容器C52 和變壓器T51的一次繞組的并聯(lián)連接以及H橋晶體管Q56形成的回路逆時針流動。能量注入控制晶體管Q52控制能量傳輸電容器C51通過H橋?qū)Σ⒙?lián)諧振負載電路的放電。來自電容器C51的放電電流脈沖流過晶體管Q52、串聯(lián)阻塞二極管D53和串聯(lián)電感器L52，交替通過H橋的四個晶體管各自的對角線對來到達諧振負載電路。注入在充電控制晶體管Q51 “截止”時發(fā)生，有效地將能量傳輸電容器C51與電能的電源V51斷開。在能量注入控制晶體管Q52變成“截止”時流過串聯(lián)電感器L52的電流由流過續(xù)流二極管D56的電流維持，直到與電感器L52相關(guān)的磁場衰減。該電流通過H橋各自的對角線對的晶體管被注入到諧振負載電路中，這些晶體管在能量注入控制晶體管Q52變成“截止”之后，保持在導(dǎo)電的“導(dǎo)通”狀態(tài)一段時間。在第一和第二隔離配置中，充電控制晶體管Q51和能量注入控制晶體管Q52 “截止”(即變成基本不導(dǎo)電)，從而有效地將能量傳輸電容器C51與電能的電源V51、與由諧振電容器C52以及由變壓器T51和負載電阻器R51代表的電感負載裝置形成的諧振負載電路斷開并隔離。當(dāng)電路被配置在隔離配置時，在并聯(lián)諧振負載電路中流動的循環(huán)電流將繼續(xù)基本以諧振負載電路的固有諧振頻率或其近似值循環(huán)。開關(guān)電路被重復(fù)配置成上述時序，以將來自電能的電源V51的能量經(jīng)由能量傳輸電容器C51傳輸?shù)诫姼胸撦d裝置。圖5B顯示圖5A中所示的第五實施例電路的第一形式的電流、電壓和功率波形，具有以下詳細情況。電源V51300 伏
晶體管 Q51MOSFETIRFK4J450晶體管 Q52MOSFET IRFK4HE50 或 IRFK4JE50
晶體管 Q54MOSFETIRFK4HE50 或 IRFK4JE50
晶體管 Q55MOSFETIRFK4HE50 或 IRFK4JE50
晶體管 Q56IGBTIRGPC50U
晶體管 Q57IGBTIRGPC50U
晶體管Q51和Q52的開關(guān)頻率40 kHz
晶體管Q54 - Q57的開關(guān)頻率20 kHz
晶體管Q54 - Q57的開關(guān)周期50 μ S
電感器L5110 μ H
電感器L5280 μ H
能量傳輸電容器C515.0 UF
諧振電容器C520.7 UF
諧振負載電路的電感
(變壓器Τ51的一次繞組)95 μ H
負載電路的固有諧振頻率19.5 kHz
能量注入(即開關(guān))頻率20 kHz
在每次重復(fù)H橋晶體管Q54、Q55、Q56和Q57的50 μ S開關(guān)周期的過程中，充電控制晶體管Q51從0-12. 5yS “導(dǎo)通”，即導(dǎo)電，從12. 5-25 μ S “截止”，即不導(dǎo)電，從 25-37. 5 μ S“導(dǎo)通”，從37. 5-50 μ S“截止”;能量注入控制晶體管Q52從0-12. 5 μ S“截止”，從 12. 5-20. 5 μ S“導(dǎo)通”，從 20. 5-37. 5 μ S“截止”，從 37. 5-45. 5 μ S“導(dǎo)通”，從 45. 5-50 μ S“截止” ；H橋晶體管Q54和Q57從0-12. 5 μ S “截止”，從12. 5-25 μ S “導(dǎo)通”，從25-50 μ S “截止” ；H橋晶體管Q55和Q56從0-37. 5 μ S “截止”，從37. 5-50 μ S “導(dǎo)通”。圖5Β顯示圖5Α中第一形式的電路啟動后，從1. 0-1. ImS的下述波形。I1151 二極管D51中的電流，顯示為5 A/刻度
Vc51能量傳輸電容器C51兩端的電壓，顯示為10 V/刻度 Il52電感器L52中的電流，顯示為5 A/刻度 Ix注入諧振負載電路中的雙向電流，顯示為5 A/刻度 It51p變壓器Τ51的一次繞組中的電流，顯示為25 A/刻度 Vt51p變壓器Τ51的一次繞組兩端的電壓，顯示為250V/刻度 Pk51負載電阻器R51的功率，顯示為250 W/刻度
充電控制晶體管Q 51在每一 5 0 μ S周波中切換到“導(dǎo)通”兩次(例如在圖5 B中從 1. 0375-1. 050 mS和從1. 0625-1. 075 mS)，以通過流過晶體管Q51和二極管D51的電流Id51 對能量傳輸電容器C51充電。該充電電流平滑地從0上升到大約3. 6A的峰值，正弦形狀由電感器L51和能量傳輸電容器C51的串聯(lián)諧振組合決定。正弦形狀的充電脈沖的尾沿在充電控制晶體管Q51關(guān)斷時截止。充電控制晶體管Q51的開關(guān)作用是控制傳輸?shù)侥芰總鬏旊娙萜鰿51上的電荷的量。在充電控制晶體管Q51關(guān)斷之后，下降的充電電流會繼續(xù)從電感器L51流入能量傳輸電容器C51，通過續(xù)流二極管D52返回。在每個充電周期中，能量傳輸電容器C51兩端的電壓Vc51從大約294V上升到大約300V。能量注入控制晶體管Q52在每一 50 μ S的周波中切換到“導(dǎo)通”兩次(例如在圖5Β中從1. 025-1. 033 mS和 從1. 050-1. 058mS),以通過電流脈沖，參見圖5B中的波形Il52，使能量傳輸電容器C51放電，該電流脈沖流過晶體管Q52、二極管D53、電感器L52和H橋的各個對角線上的晶體管對，進入到并聯(lián)諧振負載電路中。H橋注入控制晶體管的第一對角線對的晶體管Q54和Q57在每個50 μ S的周波中切換到“導(dǎo)通”一次，持續(xù)12. 5μ S (例如在圖5Β中從1. 050-1. 0625 mS),以引導(dǎo)來自能量傳輸電容器C51的注入電流和能量進入諧振負載電路中。在圖5A的電路中，該電流從H橋順時針流過并聯(lián)諧振負載電路，主要是通過諧振電容器C52。H橋注入控制晶體管的第二對角線對的晶體管Q55和Q56在每個50 μ S的周波中切換到“導(dǎo)通”一次，持續(xù)12. 5μ S (例如在圖5Β中從1. 025-1. 0375 mS),以引導(dǎo)來自能量傳輸電容器C51的注入電流和能量進入諧振負載電路中。在圖5A的電路中，該電流從H橋逆時針流過并聯(lián)諧振負載電路。來自能量傳輸電容器C51的放電電流脈沖以交替方向被H橋開關(guān)晶體管引導(dǎo)到諧振負載電路中，示于圖5B的波形Ix。電流Ix在H橋開關(guān)晶體管和并聯(lián)連接的諧振負載電路之間流動，如圖5A中所示。來自能量傳輸電容器C51的注入電流的流動使能量傳輸電容器放電，能量傳輸電容器上的電壓從大約300V降低到大約294V。注入到諧振負載電路中的周期性電流脈沖的重復(fù)頻率由四個H橋注入控制晶體管Q54、Q55、Q56和Q57的開關(guān)頻率決定。在圖5A實施例的第一特定形式中，這四個晶體管的開關(guān)頻率是20kHz，其比諧振負載電路的固有諧振頻率19. 5kHz大約高2. 5%。注入到諧振負載電路中的周期性電流脈沖在變壓器T51的一次繞組兩端產(chǎn)生大約720V峰-峰的振蕩電壓，如圖5B中的Vt51p所示，在變壓器T51的一次繞組中產(chǎn)生大約 60A峰-峰的振蕩電流，如圖5B中的It51p所示。圖5C顯示圖5A中所示的第五實施例電路的第二形式的電流、電壓和功率波形。在圖5A的電路的該形式中，變壓器T51的電感是85 μ H，代替在上述的第一形式中的95 μ H， 第二特定形式的諧振負載電路的固有諧振頻率是20. 6kHz。在所有其它方面，晶體管的元件、元件值和開關(guān)時刻是如上文針對圖5A的第一形式的描述一樣。圖5C顯示自圖5A的第二形式的電路啟動后，從1.0-1. 1 mS的下述波形。I1151 二極管D51中的電流，顯示為2. 5 A/刻度
Vc51能量傳輸電容器C51兩端的電壓，顯示為5 V/刻度 Il52通過電感器L52的電流，顯示為5 A/刻度 Ix進入諧振負載電路中的雙極型注入電流，顯示為5 A/刻度 It51p變壓器T51的一次繞組中的電流，顯示為25 A/刻度 Vt51p變壓器T51的一次繞組兩端的電壓，顯示為250 V/刻度 Pk51負載電感器R51的功率，顯示為250 W/刻度
通過二極管D51傳輸?shù)侥芰總鬏旊娙萜鰿51的充電電流從0平滑上升到大約2. 3A的峰值，形狀由電感器L51和能量傳輸電容器C51的串聯(lián)諧振組合決定。在每個充電周期中， 能量傳輸電容器C51兩端的電壓Vc51從大約296V上升到大約300V。來自能量傳輸電容器C51的注入電流的流動使能量傳輸電容器放電，能量傳輸電容器上的電壓從大約300V下降到大約296V。
注入到諧振負載電 路中的周期性電流脈沖的重復(fù)頻率由四個H橋注入控制晶體管Q54、Q55、Q56和Q57的開關(guān)頻率決定。在圖5A實施例的第二特定形式中，這四個晶體管的開關(guān)頻率是20kHz，其比諧振負載電路的固有諧振頻率20. 6kHz大約低3%。注入到諧振負載電路中的周期性電流脈沖在變壓器T51的一次繞組兩端產(chǎn)生大約520V峰-峰的振蕩電壓，如圖5C中的Vt51p所示，在變壓器T51的一次繞組中產(chǎn)生大約 51A峰-峰的振蕩電流，如圖5C中的It51p所示。在圖5A所示的電路中，注入到負載電路中的電流脈沖是雙向的。出于與上述第四實施例相同的原因，圖5B和圖5C中可見的功率波形Pk51具有一致的峰值功率幅度。第六實施例
圖6A和圖6B顯示本發(fā)明的第六實施例的電路和波形。該電路將雙向電流脈沖注入到由連接到電感負載裝置的諧振電容器C62形成的串聯(lián)諧振負載電路中。電感負載裝置是感應(yīng)加熱系統(tǒng)的工作線圈，在圖6A中由松耦合的變壓器T61的一次繞組代表。諧振電容器 C62連續(xù)與變壓器T61的一次繞組串聯(lián)連接。低電阻的負載電阻器R61連接在變壓器的二次繞組兩端，以代表感應(yīng)加熱系統(tǒng)的工件。電能的DC電源V61通過開關(guān)耦合電路耦合到諧振負載電路。開關(guān)耦合電路被重復(fù)設(shè)置成以下時序的配置，以將來自電源的能量傳輸?shù)街C振負載電路
1.第一電容器充電配置，
2.第一隔離配置，
3.第一電容器放電及能量注入配置，
4.第二隔離配置，
5.第二電容器充電配置，
6.第三隔離配置，
7.第二電容器放電及能量注入配置，和
8.第四隔離配置。在兩個電容器充電配置階段的每一個中，充電控制晶體管Q61變成“導(dǎo)通”，即變成導(dǎo)電，以由電源V61對能量傳輸電容器C61充電。充電控制晶體管Q61、串聯(lián)阻塞二極管 D61、續(xù)流二極管D62和串聯(lián)電感器L61類似于如上所述的圖IA中電路的相應(yīng)元件來操作， 以由電能的電源V61對能量傳輸電容器C61充電。二極管D65并聯(lián)連接在能量傳輸電容器C61的兩端。該二極管通常保持為反向偏置和不導(dǎo)電的，但被包括以允許電路在能量傳輸電容器C61變成完全放電時繼續(xù)起作用， 此時注入周期相對于電容器的大小是過大的。在此情況下，二極管D65是前向偏置且導(dǎo)電的。開關(guān)耦合電路還包括由四個晶體管Q64、Q65、Q66和Q67。H橋中的對角線上的晶體管對交替導(dǎo)通，以將交替極性的電流脈沖注入到串聯(lián)諧振負載電路中。H橋晶體管中一個對角線對的兩個晶體管Q64和Q67在耦合電路被配置在所述操作時序的第三階段，即第一電容器放電及能量注入配置，時導(dǎo)通。H橋晶體管中另一對角線對的兩個晶體管Q65和 Q66在耦合電路被配置成所述操作時序的第七階段，即第二電容器放電及能量注入配置，中時導(dǎo)通。
在每個操作時序的 第三和第七階段的電容器放電及能量注入配置中，能量傳輸電容器C61通過H橋各自的對角線對的晶體管有效地連接，以在諧振電容器C62以及由圖6A 中變壓器T61和負載電阻器R61代表的電感負載裝置的串聯(lián)組合兩端放電，同時充電控制晶體管Q61 “截止”，將能量傳輸電容器C61與電能的電源V61斷開。來自能量傳輸電容器C61的放電電流以交替極性的脈沖被注入到諧振負載電路中。在第三階段中，脈沖圍繞由電容器C61、H橋晶體管Q64、諧振電容器C62、變壓器T61的一次繞組和H橋晶體管Q67形成的回路順時針流動。在第七階段，脈沖圍繞由電容器C61、 H橋晶體管Q65、變壓器T61的一次繞組、諧振電容器C62和H橋晶體管Q66形成的回路逆時針流動。在所述操作時序的第二、第四、第六和第八階段的隔離配置中，晶體管Q61 “截止” (即基本不導(dǎo)電)，從而將能量傳輸電容器C61與電能的電源V61斷開并隔離。在所述操作時序的第二和第四階段的隔離配置中，晶體管Q66和Q67 “截止”(即基本不導(dǎo)電)，在所述操作時序的第六和第八階段的隔離配置中，晶體管Q66和Q67 “截止” (即基本不導(dǎo)電)，從而有效地將能量傳輸電容器C61與串聯(lián)諧振負載電路斷開并隔離。當(dāng)電路不處于兩個電容器放電及能量注入配置階段中的任何一個時，晶體管Q64 或晶體管Q65切換到“導(dǎo)通”。這兩個晶體管中的一個與這兩個晶體管中的另一個中內(nèi)在的二極管結(jié)合，閉合串聯(lián)諧振負載電路回路以使電流以各自的方向在其中流動。例如，當(dāng)晶體管Q64 “導(dǎo)通”時，該晶體管與晶體管Q65的內(nèi)在的體二極管串聯(lián)作用，以允許順時針電流在圖6A的諧振負載電路中循環(huán)。同時可替代地，當(dāng)晶體管Q65 “導(dǎo)通”時，該晶體管與晶體管Q64的內(nèi)在的體二極管串聯(lián)作用，允許逆時針電流在圖6A的諧振負載電路中循環(huán)。開關(guān)電路被重復(fù)配置成8個階段的時序，以將來自電能的電源V61的能量經(jīng)由能量傳輸電容器C61傳輸?shù)诫姼胸撦d裝置。圖6B顯示圖6A中所示的第六實施例電路的特定形式的電流、電壓和功率波形，具有以下詳細情況。電源V61300 伏
晶體管 Q61MOSFETIRFK6H350
晶體管 Q64MOSFETIRFK6H350
晶體管 Q65MOSFETIRFK6H350
晶體管 Q66IGBTIRGPC50F
晶體管 Q67IGBTIRGPC50F
晶體管Q61的開關(guān)頻率40 kHz
晶體管Q64 - Q67的開關(guān)頻率20 kHz
晶體管Q64 - Q67的開關(guān)周期50 μ S
電感器L6175 μ H
能量傳輸電容器C612.0 UF
諧振電容器C620. 68 μ F
諧振負載電路的電感
(變壓器Τ61的一次繞組)104 μ H
負載電路的固有諧振頻率18.9 kHz能量注入(即開關(guān))頻率20 kHz
在每次重復(fù)H橋晶體管Q64、Q65、 Q66和Q67的50 μ S開關(guān)周期的過程中，充電控制晶體管Q61 JA 0-1 μ S “截止”，即不導(dǎo)電，從1-15 μ S “導(dǎo)通”，即導(dǎo)電，從15-26 μ S “截止”， 即不導(dǎo)電，從26-40 μ S “導(dǎo)通”，從40-50 μ S “截止”；H橋晶體管Q64從0-40. 5 μ S “導(dǎo)通，，，從 40. 5-50 μ S “截止” ；H 橋晶體管 Q65 從 0-15. 5 μ S “導(dǎo)通”，從 15. 5-25 μ S “截止”，從25-50 μ S “導(dǎo)通” ；H橋晶體管Q66從0-41 μ S “截止”，從41-49. 5 μ S “導(dǎo)通”， 從49. 5-50 μ S “截止”；H橋晶體管Q67從0-16 μ S “截止”，從16-24. 5 μ S “導(dǎo)通”，從 24. 5-50 μ S “截止”。圖6Β顯示圖6Α中特定形式的電路啟動后，從1. 0-1. 12mS的下述波形。I1161 二極管D61中的電流，顯示為50 A/刻度 Id62 二極管D62中的電流，顯示為50 A/刻度
Il61電感器L61中的電流，顯示50 A/刻度
VC61能量傳輸電容器C61兩端的電壓，顯示為200 V/刻度
Iy來自電容器C61的放電電流，顯示為100 A/刻度
It61p變壓器T61的一次繞組中的電流，顯示為100 A/刻度
Pe61負載電阻器R61的功率，顯示為2. 5kff/刻度
充電控制晶體管Q61在每一 5 0 μ S周波中切換到“導(dǎo)通”兩次(例如在圖6B中從 1. 01-1. 024 mS和從1. 035-1. 049mS),以通過流過晶體管Q61、二極管D61和電感器L61的電流Id61對能量傳輸電容器C61充電。該充電電流從0上升到大約28. 5A的峰值，形狀由電感器L61和能量傳輸電容器C61的串聯(lián)組合決定。在晶體管Q61關(guān)斷之后，在電感器L61 中建立的電流繼續(xù)流動，同時相關(guān)的磁場衰減。該電流流過穩(wěn)流二極管D62和電感器L61， 在圖6B中顯示為波形ID62。電感器L61中的電流Iuil因此是兩個電流Id61和Id62的組合。 在該操作中，傳輸電容器被充電達到的電壓低于電源電壓，是典型的降壓電感器供能。在每次充電周期中，能量傳輸電容器C61兩端的電壓Vrei從大約IlOV上升到大約243V。H橋注入控制晶體管的第一對角線對的晶體管Q64和Q67在每個50 μ S的周波中切換到“導(dǎo)通”一次，持續(xù)8. 5μ S (例如在圖6Β中從1. 025-1. 0335 mS),以將來自能量傳輸電容器C61的電流和能量注入到諧振負載電路中。在圖6A的電路中，該電流從H橋順時針流過并聯(lián)諧振負載電路。H橋注入控制晶體管的第二對角線對的晶體管Q65和Q66在每個50 μ S的周波中切換到“導(dǎo)通”一次，持續(xù)8. 5μ S (例如在圖6Β中從1. 050-1. 0585 mS),以將來自能量傳輸電容器C61的電流和能量注入到諧振負載電路中。在圖6A的電路中，該電流從H橋逆時針流過并聯(lián)諧振負載電路。來自能量傳輸電容器C61的放電電流脈沖具有72A的峰值電流，示于圖6B的電流波形Ιγ。該放電電流Iy從能量傳輸電容器C61流到H橋開關(guān)晶體管，如圖6Α所示。這些放電脈沖被H橋開關(guān)晶體管Q64、Q65、Q66和Q67交替反轉(zhuǎn)，然后以交替極性的脈沖注入到由諧振電容器C62以及在圖6Α中由變壓器Τ61和電阻器R61代表的電感負載裝置的并聯(lián)連接形成的諧振負載電路中。來自能量傳輸電容器C61的注入電流的流動使能量傳輸電容器放電；能量傳輸電容器上的電壓從大約243V降低到大約110V。
注入到諧振負載電路中的周期 性電流脈沖的重復(fù)頻率由H橋的四個注入控制晶體管Q64、Q65、Q66和Q67的開關(guān)頻率決定。在圖6A實施例的特定形式中，這四個晶體管的開關(guān)頻率是20kHz，其比諧振負載電路的固有諧振頻率18. 9kHz大約高5. 8%。注入到諧振負載電路中的周期性電流脈沖在變壓器T61的一次繞組中產(chǎn)生大約 148A峰-峰的振蕩電流，如圖6B中的I胃所示，在代表工件中的渦流加熱的負載電阻器R61 中產(chǎn)生大約2. 4kff的平均功率。在圖6A所示的電路中，注入到負載電路中的電流脈沖是雙向的。出于與上述第四實施例相同的原因，圖6B中可見的功率波形Pk61具有一致的峰值功率幅度。諧振電容可以由如圖6A中所示的單個電容器C62提供，或者可以由并聯(lián)和/或串聯(lián)組合的多個電容器提供，以獲得期望的電流或電壓額定值。選擇各個電容器的電容值以維持電容器的全部組合的電容值，使得諧振負載電路的諧振頻率不改變。例如可以通過在微處理器或其它可編程邏輯控制器件的控制下將多個并聯(lián)電容器接入或切出電路，來控制諧振電容的值，以維持諧振負載電路在適當(dāng)?shù)摹罢{(diào)諧”狀態(tài)，即處于或接近諧振。在圖6A所示的電路的一個變形(未顯示)中，用兩個1. 36 μ F的電容器來代替圖 6Α的0. 68 μ F的諧振電容器C62，這兩個電容器各自串聯(lián)連接在變壓器Τ61的一次繞組的相對端。第七實施例
圖7Α和圖7Β顯示本發(fā)明的第七實施例的電路和波形。該電路將雙向電流脈沖注入到由連接到電感負載裝置的諧振電容器C72形成的諧振負載電路的電感引腳中。電感負載裝置是感應(yīng)加熱系統(tǒng)的工作線圈，在圖7Α中由松耦合的變壓器Τ71的一次繞組代表。諧振電容器C72通過諧振電容器開關(guān)晶體管Q73A和Q73B連接在變壓器Τ71的一次繞組兩端。低電阻的負載電阻器R71連接在變壓器的二次繞組兩端，以代表感應(yīng)加熱系統(tǒng)的工件。電能的DC電源V71通過開關(guān)耦合電路耦合到諧振負載電路。開關(guān)耦合電路被重復(fù)設(shè)置成以下時序的配置，以將來自電源的能量傳輸?shù)街C振負載電路。1.第一預(yù)充電配置，
2.第一電容器充電配置，
3.第一電容器放電及能量注入配置，
4.第一隔離配置，
5.第二預(yù)充電配置，
6.第二電容器充電配置，
7.第二電容器放電及能量注入配置，和
8.第二隔離配置。在預(yù)充電配置階段的每一個中，步進式(step-up)升壓變換器電路布局中的充電控制晶體管Q78切換到“導(dǎo)通”，即變成導(dǎo)電，以通過串聯(lián)阻塞二極管D71、電感器L71和阻塞二極管D77汲取來自電源V71的電流。該電流建立與電感器L71相關(guān)的磁場。阻塞二極管D78反向偏置，以阻止能量傳輸電容器C71通過二極管D77和晶體管Q78放電。在電容器充電配置階段中每一個的開始，充電控制晶體管Q78切換到“截止”，但電流繼續(xù)從電源通過電感器L71流動，同時相關(guān)磁場衰減。由于晶體管Q78不導(dǎo)電，電流實際流過阻塞二極管D78，此時前向偏置 ，以繼續(xù)對能量傳輸電容器C71充電。開關(guān)耦合電路還包括四個晶體管Q74、Q75、Q76和Q77。H橋中的對角線對上的晶體管交替導(dǎo)通，以將交替極性的電流脈沖注入到串聯(lián)諧振負載電路中。H橋晶體管中的一個對角線對的兩個晶體管Q74和Q77在耦合電路被配置在所述操作時序的第三階段，即第一電容器放電及能量注入配置，時導(dǎo)通。H橋晶體管中的另一對角線對的兩個晶體管Q75和 Q76在耦合電路被配置成所述操作時序的第七階段，即第二電容器放電及能量注入配置，中時導(dǎo)通。在每個操作時序的第三和第七階段的電容器放電及能量注入配置中，能量傳輸電容器C71通過H橋各自的對角線對的晶體管有效地連接，以在由圖7A中變壓器T71和負載電阻器R71代表的電感負載裝置的兩端放電。來自能量傳輸電容器C71的放電電流以交替極性的脈沖被注入到諧振負載電路中。在第三階段中，注入脈沖圍繞由電容器C71、電感器L72、H橋晶體管Q74、二極管 D74A、變壓器T71的一次繞組和H橋晶體管Q77形成的回路順時針流動。在該第三階段，諧振電容器開關(guān)晶體管Q73B切換到“截止”，斷開變壓器T71的一次繞組兩端的諧振電容器的并聯(lián)連接，阻止電流如圖7A中可見地自左向右流過諧振電容器C72。應(yīng)認識到，盡管諧振電容器開關(guān)晶體管Q73B切換到“截止”，但如果晶體管Q73A切換到“導(dǎo)通”，則電流可在相反方向流動。這允許順時針電流在由變壓器T71的一次繞組和諧振電容器C72形成的并聯(lián)諧振電路循環(huán)中，以如圖7A中可見地自右向左流過晶體管Q73B 的內(nèi)在的體二極管、諧振電容器C72和“導(dǎo)通”的晶體管Q73A。在第七階段，注入脈沖圍繞由電容器C71、電感器L72、H橋晶體管Q75、二極管 D74B、變壓器T71的一次繞組和H橋晶體管Q76形成的回路逆時針流動。在該第七階段，諧振電容器開關(guān)晶體管Q73A切換到“截止”，斷開變壓器T71的一次繞組兩端的諧振電容器 C72的并聯(lián)連接，防止電流通過諧振電容器C72如圖7A中可見地自右向左流動。應(yīng)認識到， 盡管諧振電容器開關(guān)晶體管Q73A切換到“截止”，但如果晶體管Q73B切換到“導(dǎo)通”，則電流可在相反方向流動。這允許在由變壓器T71的一次繞組和諧振電容器C72形成的并聯(lián)諧振電路中循環(huán)的順時針電流如圖7A中可見地自左向右通過晶體管Q73A的內(nèi)在的體二極管、 諧振電容器C72和“導(dǎo)通”的晶體管Q73B流動。諧振電容器開關(guān)晶體管Q73A和Q73B切換到“截止”以斷開諧振電容器C72，同時 H橋的各對晶體管Q75和Q76以及Q74和Q77切換到“導(dǎo)通”以將來自能量傳輸電容器C71 的電流注入到諧振負載電路的電感引腳，即變壓器T71的一次繞組。 阻塞二極管D74A和D74B阻止電流流過各自的H橋晶體管Q74和Q75，特別是在這些晶體管切換到“截止”時阻止電流流過這些晶體管中的體二極管。在所述操作時序的第四和第八階段的隔離配置中，晶體管Q78切換到“導(dǎo)通”(即基本導(dǎo)電)，從而將汲取自電源V71的電流分流到地線，有效地將能量傳輸電容器C71與電能的電源V71斷開。在所述操作時序的第四和第八階段的隔離配置中，H橋的四個晶體管Q74、Q75、 Q76和Q77 “截止”(即基本不導(dǎo)電)，從而有效地將能量傳輸電容器C71與串聯(lián)諧振負載電路斷開。
當(dāng)電路不處于兩個電容器 放電及能量注入配置階段中的任何一個中時，晶體管 Q73A和晶體管Q73B切換到“導(dǎo)通”。這兩個晶體管中的一個與這兩個晶體管中的另一個的內(nèi)在的二極管結(jié)合，將諧振電容器C72連接到諧振負載電路回路的電感引腳兩端，使電流以各自的方向在其中流動。例如，當(dāng)晶體管Q73A“導(dǎo)通”時，該晶體管與晶體管Q73B的內(nèi)在的體二極管串聯(lián)作用，以允許順時針電流在圖7A的諧振負載電路中循環(huán)。同時可替代地， 當(dāng)晶體管Q73B “導(dǎo)通”時，該晶體管與晶體管Q73A的內(nèi)在的體二極管串聯(lián)作用，允許逆時針電流在圖7A的諧振負載電路中循環(huán)。開關(guān)電路被重復(fù)配置成8個階段的時序，以將來自電能的電源V71的能量經(jīng)由能量傳輸電容器C71傳輸?shù)诫姼胸撦d裝置。圖7B顯示圖7A中所示的第七實施例電路的特定形式的電流、電壓和功率波形，具有以下詳細情況。電源V71300 伏
晶體管 Q73A MOSFETIRFK4HE50 或 IRFK4JE50
晶體管 Q73B MOSFETIRFK4HE50 或 IRFK4JE50
晶體管 Q74MOSFETIRFK4HE50 或 IRFK4JE50
晶體管 Q75MOSFETIRFK4HE50 或 IRFK4JE50
晶體管 Q76IGBTIRGBH50F
晶體管 Q77IGBTIRGBH50F
晶體管 Q78MOSFETIRFK4JE50
晶體管Q78的開關(guān)頻率40 kHz
晶體管Q73A-Q77的開關(guān)頻率20 kHz
晶體管Q73A-Q77的開關(guān)周期50 μ S
電感器L7175 μ H
電感器L7210 μ H
能量傳輸電容器C710. 68 μ F
諧振電容器C720. 68 μ F
諧振負載電路的電感
(變壓器Τ71的一次繞組)82 μ H
負載電路的固有諧振頻率21.3 kHz
能量注入頻率20 kHz
在每次重復(fù)晶體管Q73A、Q73B、Q74、Q75、Q76和Q77的50 μ S開關(guān)周期的過程中， 充電控制晶體管Q78從0-4. 72 μ S “導(dǎo)通”，即導(dǎo)電，從4. 72-25 μ S “截止”，即不導(dǎo)電，從 25-29. 72 μ S “導(dǎo)通”，即導(dǎo)電，從29. 72-50 μ S “截止” ；H橋注入控制晶體管Q74和Q77從 0-15 μ S “截止”，從15-18 μ S “導(dǎo)通”，從18-50 μ S “截止”;H橋注入控制晶體管Q75和Q76 從0-40 μ S “截止”，從40-43 μ S “導(dǎo)通”，從43-50 μ S “截止”；諧振電容器開關(guān)晶體管Q73A 從0-39. 5 μ S “導(dǎo)通”，從39. 5-43. 5 μ S “截止”，從43. 5-50 μ S “導(dǎo)通”；諧振電容器開關(guān)晶體管 Q73B 從 0-14. 5 μ S “導(dǎo)通”，從 14. 5-18. 5 μ S “截止”，從 18. 5-50 μ S “導(dǎo)通，，。圖7Β顯示圖7Α中特定形式的電路啟動后，從1. 50-1. 58mS的下述波形。I1171 二極管D71中的電流，顯示為50 A/刻度Id77 二極管D77中的電流，顯示為50 A/刻度
I· 二極管D78中的電流，顯示為50 A/刻度
Vc71能量傳輸電容器C71兩端的電壓，顯示為250 V/刻度
Il72電感器L72中的電流，顯示為100 A/刻度
Imp變壓器T71的一次繞組中的電流，顯示為50 A/刻度
Pr71負載電阻器R71的功率，顯示為IkW/刻度
充電控制晶體管Q78在每一 50 μ S周波中切換到“導(dǎo)通”兩次，持續(xù)4. 72 μ S (例如在圖7Β中從大約1. 51-1. 515mS和從1. 535-1. 54mS),以汲取來自電源V71的電流，并將能量存儲在與電感器L71相關(guān)的磁場中。在圖7A的電路中，流過晶體管Q78的電流還流過二極管D77，顯示為圖7B中的波形ID71。該電流上升到大約19A的峰值，并在晶體管Q78截止時突然停止。此時，從電源通過二極管D71和電感器L71流動的電流被轉(zhuǎn)向以通過二極管D78 流動，進入能量傳輸電容器C71中。通過二極管D78的該電流顯示為圖7B的波形ID78。從電源流過二極管D71和電感器L71的電流在圖7B中顯示為Id71，是電流Id77和Id78的和。能量傳輸電容器C71因此在每個50 μ S的周波中充電兩次，能量傳輸電容器C71 兩端的電壓Ve71每次從大約350V上升到大約507V。H橋注入控制晶體管的第一對角線對的晶體管Q74和Q77在每個50 μ S的周波中切換到“導(dǎo)通”一次，持續(xù)3μ S (例如在圖7Β中從1. 525-1. 528 mS),以將來自能量傳輸電容器C71的電流和能量注入到諧振負載電路中。在圖7A的電路中，該電流從H橋順時針流過并聯(lián)諧振負載電路。H橋注入控制晶體管的第二對角線對的晶體管Q74和Q76在每個50 μ S的周波中切換到“導(dǎo)通”一次，持續(xù)3μ S (例如在圖7Β中從1. 550-1. 553 mS),以將來自能量傳輸電容器C71的電流和能量注入到諧振負載電路中。在圖7A的電路中，該電流從H橋逆時針流過并聯(lián)諧振負載電路。來自能量傳輸電容器C71的放電電流脈沖具有52A的峰值電流。這些脈沖通過電感器L72傳輸，示于圖7B的波形Ι 72。這些脈沖由H橋開關(guān)晶體管Q74、Q75、Q76和Q77交替反轉(zhuǎn)，以交替極性的脈沖注入到諧振負載電路的電感引腳中。來自能量傳輸電容器C71的注入電流的流動使能量傳輸電容器放電，能量傳輸電容器上的電壓從大約507V降低到大約350V。注入到諧振負載電路中的周期性電流脈沖的重復(fù)頻率由H橋的四個注入控制晶體管Q74、Q75、Q76和Q77的開關(guān)頻率決定。在圖7A實施例的特定形式中，這四個晶體管的開關(guān)頻率是20kHz，其比諧振負載電路的固有諧振頻率21. 3kHz大約低6. 5%。注入到諧振負載電路中的周期性電流脈沖在變壓器T71的一次繞組中產(chǎn)生大約 108A峰-峰的振蕩電流，如圖7B中的Imp所示，在代表工件中的渦流加熱的負載電阻器R71 中產(chǎn)生大約900W的平均功率。在圖7A所示的電路中，注入到負載電路中的電流脈沖是雙向的。出于與上述第四實施例相同的原因，圖7B中可見的功率波形Pk71具有一致的峰值功率幅度。第八實施例
圖8A、圖8B和圖8C顯示本發(fā)明的第八實施例的電路和波形。該電路將單向電流脈沖注入到由串聯(lián)連接的電感負載裝置和諧振電容器C82形成的串聯(lián)諧振負載電路中。電感負載裝置是感應(yīng)加熱系統(tǒng)的工作線圈，在圖8A中由松耦合的變壓器T81的一次繞組代表。諧振電容器C82連續(xù)與變壓器的一次繞組串聯(lián)連接。低電阻的負載電阻器R81連接在變壓器的二次繞組兩端，以代表感應(yīng)加熱系統(tǒng)的工件。電能的DC電源V81通過兩個開關(guān)耦合電路耦合到諧振負載電路。負載電路控制晶體管Q83控制串聯(lián)諧振負載電路的斷開和閉合。振蕩的負載電路電流可以在負載電路控制晶體管Q83變成“導(dǎo)通”時在一個方向(在圖8A中是逆時針)通過該晶體管循環(huán)，并且即使在晶體管Q83變成“截止”時，也可以在相反方向(在圖8A中是順時針)通過并聯(lián)連接在晶體管Q83兩端的二極管D84循環(huán)。并聯(lián)二極管D84為負載電路中循環(huán)的順時針電流提供路徑。如果晶體管Q83具有內(nèi)在的二極管，例如如果晶體管Q93是M0SFET，則分立的并聯(lián)二極管D84是可選的，但可以被包括以提供附加的載流能力。如圖8A所示，該開關(guān)耦合電路包括兩個開關(guān)耦合電路。每一耦合電路包括串聯(lián)阻塞二極管D8IA和D81B ；充電控制晶體管Q81A和Q81B ；續(xù)流二極管D82A和D82B ；串聯(lián)電感器L81A和L81B ；能量傳輸電容器C81A和C81B ；能量注入控制晶體管Q82A和Q82B ；以及串聯(lián)阻塞二極管D83和，D8!3B。兩個耦合電路將電流脈沖經(jīng)由共同的串聯(lián)注入控制電感器L82注入到負載電路中。每個開關(guān)耦合電路被重復(fù)設(shè)置成以下時序的配置，以將來自電源V81的能量傳輸?shù)街C振負載電路。1.電容器充電配置，
2.第一可選隔離配置，
3.電容器放電及能量注入配置，和
4.第二可選隔離配置。在各開關(guān)耦合電路的每一個的電容器充電配置中，充電控制晶體管Q81A和Q81B， 串聯(lián)阻塞二極管D8IA和D8IB，續(xù)流二極管D82A和D82B以及串聯(lián)電感器L8IA和L8IB類似于如上所述的圖IA中電路的相應(yīng)元件來操作，以由電能的共用電源V81對各自的能量傳輸電容器C81A和C81B充電。在各開關(guān)耦合電路的每一個的電容器放電及能量注入配置中，充電控制晶體管 Q81A和Q81B “截止”，使能量傳輸電容器C81A和C81B與電能的電源V81斷開，能量注入控制晶體管Q82A和Q82B “導(dǎo)通”，將能量傳輸電容器C81A和C81B通過阻塞二極管D83A和 D83B以及共用的串聯(lián)注入控制電感器L82連接在串聯(lián)連接的諧振負載電路兩端。下文參照圖8B的波形描述圖8A電路的一個實施例。在此實施例中，兩個充電注入電路交替操作，任一能量傳輸電容器C81A和C81B的再充電不與進入到諧振負載中的電流脈沖的注入重疊。在此實施例中，重復(fù)下述的動作時序，以有效地將來自電源的能量傳輸?shù)街C振負載電路。首先，使第一注入控制晶體管Q82A導(dǎo)通，以使第一能量傳輸電容器C81A 放電，從而將電流脈沖注入到諧振負載電路中。其次，使第一充電控制晶體管Q81A導(dǎo)通，以由電源V81對第一能量傳輸電容器C81A再充電。第三，使第二注入控制晶體管Q82B導(dǎo)通， 以使第二能量傳輸電容器C81B放電，從而將電流脈沖注入到諧振負載電路中。第四，使第二充電控制晶體管Q81B導(dǎo)通，以由電源V81對第二能量傳輸電容器C81B再充電。
下文參照圖8C的波形描述圖8A電路的另一實施例。在此實施例中，兩個充電注入電路交替操作，每一能量傳輸電容器C81A和C81B的再充電與另一能量傳輸電容器的放電重疊，以將電流脈沖注入到諧振負載中。在此實施例中，重復(fù)下述動作時序，以有效地將來自電源的能量傳輸?shù)街C振負載電路。首先，由電源V81對第一能量傳輸電容器C81A充電。 在對該第一能量傳輸電容器充電的至少一部分周期中，第二能量傳輸電容器C81B放電，以將電流脈沖注入到諧振負載電路中。其次，由電源V81對第二能量傳輸電容器C81B充電。 在對該第二能量傳輸電容器充電的至少一部分周期中，第一能量傳輸電容器C81A放電，以將電流脈沖注入到諧振負載電路中。兩個能量傳輸電容器的充電可以彼此重疊。在這兩個實施例的每一個中，在將電流脈沖注入到諧振負載電路的過程中，負載電路控制晶體管Q83切換到“截止”，即不導(dǎo)電。負載電路控制晶體管Q83切換到“導(dǎo)通”， 即導(dǎo)電，以允許諧振負載電路的電流在一個方向(在圖8A中是逆時針)循環(huán)。并聯(lián)連接在負載電路控制晶體管Q83兩端的二極管D84允許負載電路的電流在相反方向(在圖8A中是順時針)循環(huán)。當(dāng)每一開關(guān)耦合電路被配置在可選的隔離配置中時，各自的充電控制晶體管Q81A 和Q81B以及各自的能量注入控制晶體管Q82A和Q82B“截止”(即基本不導(dǎo)電)，從而有效地將各自的能量傳輸電容器C81A和C81B與共用的電能的電源V81、以及與由諧振電容器C82 和在圖8A中由變壓器T81和負載電阻器R81代表的電感負載裝置提供的諧振負載電路斷開并隔離。在能量注入控制晶體管Q82A和Q82B全都不切換到“導(dǎo)通”時，在諧振負載電路中循環(huán)的電流繼續(xù)基本以諧振負載電路的固有諧振頻率或其近似值通過負載電路控制晶體管Q83在一個方向循環(huán)，并通過并聯(lián)二極管D84在相反方向循環(huán)。當(dāng)每一耦合電路被配置在注入配置時，電流脈沖從各自的能量傳輸電容器C81A 和C81注入，通過各自的前向偏置阻塞二極管D83A和D8!3B、各自的注入控制晶體管Q82A和 Q82B以及共用的串聯(lián)注入控制電感器L82流入到諧振負載電路的上引腳中，該諧振負載電路由諧振電容器C82和電感負載裝置(在圖8A中由變壓器T81的一次繞組和連接在松耦合的二次繞組兩端的負載電阻器R81代表)的串聯(lián)連接形成。注入到諧振負載電路中的注入電流脈沖由串聯(lián)注入控制電感器L82平滑，其限制來自各自的能量傳輸電容器C81A和C81B 的初始暫態(tài)放電電流。注入電流汲取自各自的能量傳輸電容器C81A和C81B，使電容器放電，可選地使電容器兩端的電壓下降到低于0.
如果注入到諧振負載電路中的電流脈沖延長，或者能量傳輸電容器的電容不夠大，則由于諧振負載電路從電容器汲取的電流，能量傳輸電容器C81A和C81B上的電壓可能降低到低于0，并可能暫時變?yōu)樨撝怠＿@種狀況只會暫時發(fā)生，直到下一再充電周波為止，盡管它可能降低最佳效率，但它不會另外干擾電路的正常操作。在每一注入電流脈沖停止時，電流繼續(xù)在諧振負載電路中以其固有諧振頻率或該頻率近似值循環(huán)，一開始是通過并聯(lián)二極管D84的順時針諧振負載電路電流。在諧振負載電路電流順時針流動時，負載電路控制晶體管Q83變成“導(dǎo)通”，即導(dǎo)電。在極性反轉(zhuǎn)時，諧振負載電路的電流以逆時針電流通過負載電路控制晶體管Q83流動。這樣，電流繼續(xù)在諧振負載電路中無中斷地振蕩。電流脈沖進行的能量注入的重復(fù)速率受開關(guān)耦合電路的開關(guān)頻率控制。將該開關(guān)
46頻率或者該開關(guān)頻率的整數(shù)倍選擇為接近諧振負載電路的固有諧振頻率，使得從能量傳輸電容器C81A和C81B到諧振負載電路中的每次電流注入發(fā)生在諧振負載電路的電流順時針流過并聯(lián)二極管D84的半個周波中。這樣，二極管D83A、D83B和D84允許從固有諧振模式平滑過渡到注入模式，在固有諧振模式中，諧振負載電路中的順時針電流反向循環(huán)通過二極管D84，在注入模式中，電流從放電的能量傳輸電容器C81A和C81B開始通過各自的二極管D83A和D8!3B以及注入控制電感器L82，在諧振負載電路的上引腳中從左到右地流動，以將能量注入到諧振負載電路中。在能量注入控制晶體管Q82A和Q82B是MOSFET或具有提供從源極到漏極的反向?qū)щ娐窂降膬?nèi)在的體二極管的類似器件時，甚至當(dāng)晶體管變成“截止”時，阻塞二極管D83A 和D8!3B被包括在內(nèi)。阻塞二極管D83A和D8!3B防止反向電流從諧振負載電路通過內(nèi)在的 MOSFET體二極管流回到各自的能量傳輸電容器C81A和C81B中。沒有阻塞二極管D83A和 D83B,該反向電流甚至?xí)诟骶w管Q82A和Q82B變成“截止”時流動。來自能量傳輸電容器C81A和C81B的放電電流脈沖總是以相同極性被注入到諧振負載電路中。即，放電電流以全部具有相同極性的脈沖序列被注入到諧振負載電路中。在圖8A所示的電路中，電流脈沖被注入到諧振負載電路中，以圍繞由能量傳輸電容器C81A和 C81B、阻塞二極管D83A和D8!3B、晶體管Q82A和Q82B、共用的注入控制電感器L82以及諧振電容器C82和變壓器T81的一次繞組的串聯(lián)連接形成的各自的回路順時針流動。圖8A的開關(guān)電路被重復(fù)配置成如上所述的時序，以將來自電能的電源V81的能量經(jīng)由兩個能量傳輸電容器C81A和C81B通過交替路線傳輸?shù)诫姼胸撦d裝置中。在圖8A的電路中，通過交替使用兩個能量傳輸電容器，增加可以傳輸?shù)街C振負載電路的能量的量。在另一布局中，在附圖中沒有顯示，多于兩個的能量傳輸電容器和相關(guān)的充電和注入開關(guān)電路分別將連續(xù)的電流脈沖注入到諧振負載中，以進一步增大傳輸?shù)截撦d的能量的量。注意，能量傳輸電容器C81A和C81B的放電以及進入諧振負載電路的能量的伴隨注入不一定在各自的注入控制晶體管Q82A和Q82B —導(dǎo)通時就立即開始。例如，盡管能量控制晶體管Q82A可能變成“導(dǎo)通”，即導(dǎo)電，但直到諧振負載電路兩端的電壓降低到低于充電的能量傳輸電容器上的電壓時，二極管D83A變成導(dǎo)通之后，從能量傳輸電容器C81A到諧振負載電路的注入路徑才完成。這有效地同步了諧振負載電路兩端的振蕩電壓的波形上的能量注入點，該點與被充電的能量注入電容器上的電壓匹配。這種自動同步以及然后放電的能量傳輸電容器上的下降的電壓與諧振負載兩端的下降電壓的緊密匹配，提供“軟”的能量有效的能量注入。圖8B顯示圖8A中所示的第八實施例電路的第一特定形式的電流和電壓波形，具有以下詳細情況。電源V81 晶體管 Q81A&BMOSFET 晶體管 Q82A&B MOSFET 晶體管Q83 IGBT 晶體管Q81A&B，Q82A&B的開關(guān)頻率
100伏
IRFK6J350 IRFK4J450
MGY40N60
4. 76 kHz晶體管Q81A&B, Q82A&B的開關(guān)周期210 u S
晶體管Q83的開關(guān)頻率9. 52 kHz
晶體管Q83的開關(guān)周期105 US
電感器 L81A&B1. 7 mH
電感器L8230 UH
電感器L831 UH
能量傳輸電容器C81A&B1.0 UF
諧振電容器C821.36 UF
諧振負載電路的電感
(變壓器T21的一次繞組)205 UH
負載電路的固有諧振頻率9.65 kHz
能量注入頻率9. 52 kHz
在每對交替注入周波的210PS的開關(guān)周期中，第一注入控制晶體管Q82A從 0-22 u S“導(dǎo)通”，即導(dǎo)電，持續(xù)22 u S，從22-210 u S“截止”，即不導(dǎo)電；第一充電控制晶體管 Q81A從0-24iiS “截止”，即不導(dǎo)電，從24-94 ii S “導(dǎo)通” 70 y S，然后從94-210 y S “截止”； 第二注入控制晶體管Q82B從0-105 ii S “截止”，即不導(dǎo)電，從105-127P S “導(dǎo)通”，即導(dǎo)電， 持續(xù)22 u S，然后從127-210 u S “截止”;第二充電控制晶體管Q81B從0-129 u S “截止”，即 不導(dǎo)電，從129-199P S “導(dǎo)通”70 ii S，然后從199-210P S “截止”;負載電路控制晶體管Q83 從 0-28 u S “截止”，從 28-101 u S “導(dǎo)通”73 u S,從 101-133 u S “截止”，從 133-206 u S “導(dǎo) 通”，持續(xù)73 ii S。圖8B顯示圖8A的電路形式啟動后，從3. 1-3. 55mS的下述波形，使用前兩段中描 述的元件值和開關(guān)時序。Id8ia ニ極管D81A中的電流，顯示為10 A/刻度
Vc8ia第一個能量傳輸電容器C8IA上的電壓，顯示為500 V/刻度
Id83a ニ極管D83A中的電流，顯示為50 A/刻度
Id81b ニ極管D81B中的電流，顯示為10 A/刻度
Vc81b第二個能量傳輸電容器C81B上的電壓，顯示為500 V/刻度
Id83b ニ極管D8!3B中的電流，顯示為50 A/刻度
IL82電感器L82中的電流，顯示為50 A/刻度
IT81P變壓器T81的一次繞組中的電流，顯示為50 A/刻度
在此實施例中，注入到諧振負載電路中的周期性電流脈沖在諧振電容器C82和變壓器 T81的一次繞組中建立大約72A峰-峰的振蕩電流，如圖8B中的It81p所示。圖8C顯示圖8A中所示的第八實施例電路的第二特定形式的電流和電壓波形，具 有以下細節(jié)。該電路具有與參照圖8B的波形描述的電路相同的拓撲，不同之處是電感器 L81A和L81B的電感值從1. 7mH翻了 一倍為3. 4mH,能量傳輸電容器C81A和C8IB的充電時 間的持續(xù)時間從70 y S翻了一倍為140 y S。通過此變化，一個能量傳輸電容器的充電與另 一能量傳輸電容器的放電重疊，以將電流脈沖注入到負載電路中，導(dǎo)致在負載電路中的電 流増大。電源V81100 伏晶體管 Q81A&BMOSFETIRFK6J350
晶體管 Q82A&BMOSFETIRFK4J450
晶體管 Q83IGBTMGY40N60
晶體管Q81A&B, Q82A&B的開關(guān)頻率4. 76 kHz
晶體管Q81A&B, Q82A&B的開關(guān)周期210 u S
晶體管Q83的開關(guān)頻率9. 52 kHz
晶體管Q83的開關(guān)周期105 u S
電感器 L81A&B3. 4 mH
電感器L8230 UH
電感器L831 UH
能量傳輸電容器C81A&B1.0 UF
諧振電容器C821.36 UF
諧振負載電路的電感
(變壓器T21的一次繞組)205 UH
負載電路的固有諧振頻率9.65 kHz
能量注入頻率9. 52 kHz
在每對交替注入周波的210PS的開關(guān)周期中，第一注入控制晶體管Q82A從 0-22 u S“導(dǎo)通”，即導(dǎo)電，持續(xù)22 u S，從22-210 u S“截止”，即不導(dǎo)電；第一充電控制晶體管 Q81A從0-24iiS “截止”，即不導(dǎo)電，從M_164iiS “導(dǎo)通” 140 y S，然后從164-210 u S “截 止”;第二注入控制晶體管Q82B從0-105 u S “截止”，即不導(dǎo)電，從105-127 u S “導(dǎo)通”，即導(dǎo) 電，持續(xù)22 u S，然后從127-210 u S “截止”;第二充電控制晶體管Q81B從0-59 u S “導(dǎo)通”， 即導(dǎo)電，從59-1 ii S “截止”，即不導(dǎo)電，從129-210 u S “導(dǎo)通”；負載電路控制晶體管Q83 從 0-28 u S “截止”，從 28-101 u S “導(dǎo)通”73 u S,從 101-133 u S “截止”，從 133-206 u S “導(dǎo) 通” 73ii S。圖8C顯示圖8A中形式的電路啟動后，從3. 1-3. 55 mS的下述波形，使用前兩段中 描述的元件值和開關(guān)時序。Id8ia ニ極管D81A中的電流，顯示為10 A/刻度
Vc8ia第一個能量傳輸電容器C8IA上的電壓，顯示為500 V/刻度
Id83a ニ極管D83A中的電流，顯示為50 A/刻度
Id81b ニ極管D81B中的電流，顯示為10 A/刻度
Vc81b第二個能量傳輸電容器C81B上的電壓，顯示為500 V/刻度
Id83b ニ極管D8!3B中的電流，顯示為50 A/刻度
Il82電感器L82中的電流，顯示為50 A/刻度
It81p變壓器T81的一次繞組中的電流，顯示為50 A/刻度
在此實施例中，注入到諧振負載電路中的周期性電流脈沖在諧振電容器C82和變壓器 T81的一次繞組中建立大約100A峰-峰的振蕩電流，在圖8C中顯示為IT81P。對于圖8A電路的兩個實施例，注入到諧振負載電路中的周期性電流脈沖是從兩 個能量傳輸電容器C81A和C81B得到的交替注入的組合。注入到諧振負載電路中的周期性 電流脈沖的重復(fù)頻率是充電控制晶體管Q81A和Q81B以及注入控制晶體管Q82A和Q82B的開關(guān)頻率(4. 76kHz)的兩倍，等于負載電路控制晶體管Q83的開關(guān)頻率(9. 52kHz)。在圖8A 的實施例的此特定形式中，9. 52kHz的注入頻率比諧振負載電路的固有諧振頻率9. 65kHz 大約低1. 5%。
權(quán)利要求
1.一種將電能的電源耦合到電感負載裝置的耦合電路，其中所述耦合電路包括開關(guān)電路、能量傳輸電容和諧振電容；所述諧振電容和所述電感負載裝置一起形成具有固有諧振頻率的諧振負載電路； 所述開關(guān)電路可配置成充電配置，通過該充電配置所述能量傳輸電容由所述電能的電源充電；所述開關(guān)電路可配置成注入配置，通過該注入配置所述能量傳輸電容至少部分地對所述諧振負載電路放電，從而將離散的能量脈沖注入到所述諧振負載電路中；所述開關(guān)電路可重復(fù)配置成充電配置，之后是注入配置，以將來自所述電能的電源的能量傳輸?shù)剿鲭姼胸撦d裝置，傳輸?shù)剿鲭姼胸撦d裝置的能量在所述諧振負載電路中以接近或者等于所述固有諧振頻率的振蕩頻率循環(huán)；和在用于對所述能量傳輸電容充電的能量正在從所述電源傳輸?shù)剿鲩_關(guān)電路時，來自所述能量傳輸電容的能量不注入到所述諧振負載電路中。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的耦合電路，其中所述振蕩頻率在所述固有諧振頻率的士20% 的范圍內(nèi)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的耦合電路，其中通過重復(fù)地以等于所述振蕩頻率或者是所述振蕩頻率的整數(shù)分之一的預(yù)定的開關(guān)頻率配置所述開關(guān)電路，使能量從所述電能的電源傳輸?shù)剿鲭姼胸撦d裝置。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的耦合電路，其中在所述開關(guān)電路正處于充電配置中時，所述能量傳輸電容不對所述諧振負載電路放電。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的耦合電路，其中在所述開關(guān)電路正處于注入配置中時，所述電源不對所述能量傳輸電容充電。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的耦合電路，其中所述諧振電容和所述電感負載裝置連續(xù)并聯(lián)連接在一起，并且在所述開關(guān)電路被配置成注入配置時，所述能量傳輸電容有效地并聯(lián)連接在所述諧振電容和所述電感負載裝置的兩端。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的耦合電路，其中在所述開關(guān)電路被配置成注入配置時，所述諧振電容和所述電感負載裝置有效地連接成串聯(lián)電路。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的耦合電路，其中在所述開關(guān)電路被配置成注入配置時，所述能量傳輸電容和所述電感負載裝置有效地連接成不包括所述諧振電容的串聯(lián)電路。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的耦合電路，其中所述注入配置是第一注入配置，通過該第一注入配置，所述能量傳輸電容放電，以將電流在第一方向注入到所述諧振負載電路中；所述開關(guān)電路可配置成第二注入配置，通過該第二注入配置，所述能量傳輸電容放電， 以將電流在第二方向注入到所述諧振負載電路中，所述第二方向與所述第一方向相反；和所述開關(guān)電路可重復(fù)配置成充電配置，之后是第一注入配置，再后面依次是充電配置和第二注入配置，以將來自所述電能的電源的能量傳輸?shù)剿鲭姼胸撦d裝置。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的耦合電路，其中所述能量傳輸電容是第一能量傳輸電容，所述耦合電路還包括第二能量傳輸電容； 所述充電配置是第一充電配置，所述開關(guān)電路可配置成第二充電配置，通過該第二充電配置，所述第二能量傳輸電容由所述電能的電源充電；所述注入配置是第一注入配置，所述開關(guān)電路可配置成第二注入配置，通過該第二注入配置，所述第二能量傳輸電容至少部分地對所述諧振負載電路放電，從而將離散的能量脈沖注入到所述諧振負載電路中；所述開關(guān)電路可重復(fù)配置成所述第一充電配置、所述第二注入配置、所述第二充電配置和所述第一注入配置，以將來自所述電能的電源的能量傳輸?shù)剿鲭姼胸撦d裝置；和在用于對所述第二能量傳輸電容充電的能量正在從所述電源傳輸?shù)剿鲩_關(guān)電路時， 來自所述第二能量傳輸電容的能量不注入到所述諧振負載電路中。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的耦合電路，其中所述開關(guān)電路被重復(fù)連續(xù)配置成所述第一充電配置、所述第二注入配置、所述第二充電配置和所述第一注入配置。
12.根據(jù)權(quán)利要求10所述的耦合電路，其中所述開關(guān)電路被同時配置成所述第一充電配置和所述第二注入配置，所述開關(guān)電路被同時配置成所述第二充電配置和所述第一注入配置。
13.一種操作耦合電路以將電能的電源耦合到電感負載裝置的方法，其中 所述耦合電路包括開關(guān)電路、能量傳輸電容和諧振電容；所述諧振電容和所述電感負載裝置一起形成具有固有諧振頻率的諧振負載電路；并且所述方法包括步驟1.將所述開關(guān)電路配置成充電配置，其中所述能量傳輸電容連接到所述電能的電源；2.由所述電能的電源對所述能量傳輸電容充電；3.將所述開關(guān)電路配置成注入配置，其中所述能量傳輸電容連接到所述諧振負載電路；4.使所述能量傳輸電容至少部分地對所述諧振負載電路放電，從而將離散的能量脈沖注入到所述諧振負載電路中；和5.重復(fù)執(zhí)行步驟1、2、3和4，以將來自所述電能的電源的能量傳輸?shù)剿鲭姼胸撦d裝置；并且其中傳輸?shù)剿鲭姼胸撦d裝置的能量以接近或等于所述固有諧振頻率的振蕩頻率在所述諧振負載電路中循環(huán)；以及在用于對所述能量傳輸電容充電的能量正在從所述電源傳輸?shù)剿鲩_關(guān)電路時，來自所述能量傳輸電容的能量不注入到所述諧振負載電路中。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的操作耦合電路的方法，其中所述振蕩頻率優(yōu)選在所述固有諧振頻率的士20%的范圍內(nèi)。
15.根據(jù)權(quán)利要求13所述的操作耦合電路的方法，其中在步驟5中，所述開關(guān)電路以等于所述振蕩頻率或者是所述振蕩頻率的整數(shù)分之一的預(yù)定開關(guān)頻率而被重復(fù)地配置。
16.根據(jù)權(quán)利要求13所述的操作耦合電路的方法，其中在執(zhí)行步驟1和2時，所述能量傳輸電容不對所述諧振負載電路放電。
17.根據(jù)權(quán)利要求13所述的操作耦合電路的方法，其中在執(zhí)行步驟3和4時，所述電源不對所述能量傳輸電容充電。
18.根據(jù)權(quán)利要求13所述的操作耦合電路的方法，其中在執(zhí)行步驟3和4時，所述能量傳輸電容、所述諧振電容和所述電感負載裝置有效地并聯(lián)連接在一起。
19.根據(jù)權(quán)利要求13所述的操作耦合電路的方法，其中在執(zhí)行步驟3和4時，所述能量傳輸電容、所述諧振電容和所述電感負載裝置有效地一起連接成串聯(lián)電路。
20.根據(jù)權(quán)利要求13所述的操作耦合電路的方法，其中在執(zhí)行步驟3和4時，所述能量傳輸電容和所述電感負載裝置有效地一起連接成不包括所述諧振電容的串聯(lián)電路。
21.根據(jù)權(quán)利要求13所述的操作耦合電路的方法，其中步驟3的注入配置是第一注入配置，步驟4中所述能量傳輸電容的放電是通過將電流在第一方向注入到所述諧振負載電路中執(zhí)行的；所述方法進一步包括另外的步驟6.將所述開關(guān)電路配置成第二注入配置，其中所述能量傳輸電容連接到所述諧振負載電路；和7.通過將電流在第二方向注入到所述諧振負載電路中來至少部分地使所述能量傳輸電容對所述諧振負載電路放電，從而將離散的能量脈沖注入到所述諧振負載電路中，所述第二方向與所述第一方向相反；以及8.在步驟5中每次重復(fù)步驟1、2、3和4之后，執(zhí)行步驟1、2、6和7，以將來自所述電能的電源的能量傳輸?shù)剿鲭姼胸撦d裝置。
22.—種操作耦合電路以將電能的電源耦合到電感負載裝置的方法，其中所述耦合電路包括開關(guān)電路、第一能量傳輸電容、第二能量傳輸電容和諧振電容；所述諧振電容和所述電感負載裝置一起形成具有固有諧振頻率的諧振負載電路；以及所述方法包括步驟A.將所述開關(guān)電路配置成第一注入配置，其中所述第一能量傳輸電容連接到所述諧振負載電路；B.至少部分地使所述第一能量傳輸電容對所述諧振負載電路放電，從而將離散的能量脈沖注入到所述諧振負載電路中；C.將所述開關(guān)電路配置成第一充電配置，其中所述第一能量傳輸電容連接到所述電能的電源；D.由所述電能的電源對所述第一能量傳輸電容充電；E.將所述開關(guān)電路配置成第二注入配置，其中所述第二能量傳輸電容連接到所述諧振負載電路；F.至少部分地使所述第二能量傳輸電容對所述諧振負載電路放電，從而將離散的能量脈沖注入到所述諧振負載電路中；G.將所述開關(guān)電路配置成第二充電配置，其中所述第二能量傳輸電容連接到所述電源的電源；H.由所述電能的電源對所述第二能量傳輸電容充電；I.重復(fù)執(zhí)行包含A-H的步驟，以將來自所述電能的電源的能量傳輸?shù)剿鲭姼胸撦d裝置；并且其中傳輸?shù)剿鲭姼胸撦d裝置的能量以接近或等于所述固有諧振頻率的振蕩頻率在所述諧振負載電路中循環(huán)；并且在用于對所述第一能量傳輸電容充電的能量正在從所述電源傳輸?shù)剿鲩_關(guān)電路時， 來自所述第一能量傳輸電容的能量不注入到所述諧振負載電路中，在用于對所述第二能量傳輸電容充電的能量正在從所述電源傳輸?shù)剿鲩_關(guān)電路時，來自所述第二能量傳輸電容的能量不注入到所述諧振負載電路中。
全文摘要
開關(guān)電路(Q11、Q12、D11、D12、D13、L11、L12)被重復(fù)配置成由電源(V11)對能量傳輸電容(C11)充電，然后通過使電容放電來將離散的能量脈沖注入到諧振負載電路中。負載電路由諧振電容(C12)和電感負載裝置(T11、R11)，例如電動機、或者感應(yīng)加熱或功率傳輸裝置，形成。能量在負載電路中以其固有諧振頻率或其近似值循環(huán)。在用于對傳輸電容充電的能量正在從電源傳輸?shù)介_關(guān)電路時，沒有能量注入到負載電路中。在注入過程中，兩個電容和電感負載裝置可以并聯(lián)或串聯(lián)連接在一起，或者傳輸電容可以與電感負載裝置串聯(lián)連接，而不與諧振電容器串聯(lián)連接。
文檔編號H02M7/537GK102388530SQ200980148114
公開日2012年3月21日 申請日期2009年9月30日 優(yōu)先權(quán)日2008年10月1日
發(fā)明者J. 格雷 A., R. S. 伊爾斯利 N. 申請人:雷斯特克有限公司