逆變拓撲在感應加熱處理中的專利發展技術綜述
國家知識產權局專利審查協作河南中心 李丹陽 王文曉 吳單單
摘要：感應加熱技術已經成為最具有市場前景和研究熱點的加熱方法，而其電路拓撲結構也是研究熱點之一。本文簡要介紹了感應加熱技術及其逆變拓撲的發展歷程，重點介紹了應用于感應加熱的逆變拓撲的發展過程和發展方向，并結合其專利申請情況，分析了目前發展趨勢和技術難點，最后總結了目前逆變電路需要解決的問題，并從現有技術角度分析了未來市場前景和發展方向。
關鍵詞：感應加熱、逆變拓撲、發展方向
Development of Inverter Topology in Induction Heating Process and Patent Analysis
Li Danyang，Wang Wenxiao，Wu Dandan
Abstract:Induction heating technology has become the heating method with the most market prospects and research hotspots, and its circuit topology is also one of the research hotspots. This paper briefly introduces the development process of induction heating technology and its inverter topology, and focuses on the development process and development direction of the inverter topology applied to induction heating. Combined with its patent application, it analyzes the current development trend and technical difficulties. Finally, the problems that the inverter circuit needs to solve are summarized, and the future market prospects and development directions are analyzed from the perspective of the prior art.
Key Word：Induction heating, inverter topology, development direction
1. 感應加熱和逆變技術簡介
當感應線圈中通以交變的電流時，線圈內部會產生相同頻率的交變磁場，將金屬放入該磁場中，金屬內部將在電磁感應的作用下產生渦流，從而使金屬內部發熱。這種加熱方式被廣泛用于工業中對工件表面淬火,由于淬火工藝的特殊性，通常僅需要對工件表層進行快速加熱，這就需要特殊的電源來產生高頻率、大功率的交變電流[1]。
逆變技術是將直流電轉換為交流電的變換技術。國網電力系統通常只能輸出特定頻率和特定電壓的電源（比如我國國網電力系統輸出220V/50Hz和380V/50Hz），而在工業應用時，往往需要特定頻率或特定功率的電力，采用逆變電路對國網電源進行轉換可得到特定的交變電源[2]。
感應加熱處理技術的研發最早始于l890年，瑞典技術人員發明了第一臺感應熔煉爐：開槽式有芯爐；到了1916年，美國人發明了閉槽有芯爐，用于熔煉金屬；而在1935年，前蘇聯對曲軸的軸頸進行感應淬火。此時的感應加熱電源的工作頻率主要是工頻，電源效率比較低（一般為50%-60%）。1957年，美國研制出作為電力電子器件里程碑的晶閘管，標志著現代電力電子技術的開始，也引發了感應加熱技術的革命；1964年，用于逆變器的晶閘管問世；1966年，瑞士和西德首先利用晶閘管研制感應加熱裝置，從此感應加熱技術開始飛速發展[3][4]。
20世紀80年代后，電力電子器件再次快速發展，MOSFET、IGBT等器件相繼出現。感應加熱裝置也逐漸摒棄晶閘管，開始采用這些新器件，逐步提升工作頻率和輸出功率。隨著電力電子器件的發展，感應加熱電源的拓撲結構也在不斷地優化，逐漸形成一種固定的AC/DC/AC的變換形式[5]。逆變拓撲的優化使得感應加熱技術在工業上取得了更加廣泛的應用。電力電子器件的不斷出現，以及逆變拓撲的不斷優化，推動著感應加熱技術工作頻率和效率的不斷提升。
1.2 逆變拓撲在感應加熱應用中的研發進展
筆者首先在VEN和CNABS專利庫中對申請日為2017年之前的專利文件，共1326篇進行分析，其中使用IPC分類號H05B6/00及其所有下位組（含義為采用磁場進行加熱）和關鍵詞逆變和invert進行檢索。下圖1-3展示了應用于感應加熱的逆變拓撲在全球的專利申請趨勢以及主要申請國的申請趨勢。
圖 1 全球專利申請量趨勢
圖 2 主要申請國的申請趨勢
圖 3 主要申請人分布
從圖1-3中可以直觀看到，由于在20世紀80年代 MOSFET、IGBT電子器件的出現使得1987-1988年的專利申請量出現了爆炸性增長，而在1987年以后則一直保持穩定的發展。通過對申請人地域的分析可知，技術的推動主要是由日本帶來的，申請人主要集中在日本的MATSUSHITA ELECTRIC公司、MITSUBISHI ELECTRIC公司、TOSHIBA公司、PANASONIC公司、松下電器、FUJI ELECTRIC公司，以及韓國的LG ELECTRIC公司，并且其中日本的MATSUSHITA ELECTRIC公司的申請量遠超其他申請人，可見日本在該領域處于世界的領先水平。
并且，從圖1中看到2016年申請量出現了新的上升趨勢，可見逆變拓撲在感應加熱應用領域又出現了新的突破。
2. 應用于感應加熱處理中的逆變拓撲的發展過程
2.1 開關管的發展
在晶體管出現以前，一直使用晶閘管作為開關器件，但是晶閘管不易控制且容易導致失真，在晶體管出現后，使用晶體管替代晶閘管作為開關器件。TOKYO SHIBAURA ELECTRIC公司于1979年11月12日申請的日本發明專利（公開號：JP54145037A）中，首次采用晶體管替代晶閘管實現直流信號到交流信號的轉換。隨著電力電子器件的發展，在MOSFET和IGBT相繼出現后，由于其具由開關速度快、載流能力強等突出的優點，迅速替代了晶體管。MATSUSHITA ELECTRIC公司于1987年4月30日申請的日本發明專利（公開號：JP6327188A）中首次采用MOSFET替代傳統的晶體管完成逆變轉換；TOSHIBA 公司于1989年8月24日申請的韓國發明專利（公開號：KR19900004222A）中首次采用IGBT作為開關管實現電路轉換。由此可見，日本公司在該領域具有較雄厚的技術儲備和積累。
2.2 拓撲結構的發展
隨著電力電子器件的發展，盡管MOSFET和IGBT在很大程度上提升了逆變電源的性能，但是此時拓撲中僅采用單個開關管控制電路，電源效率較低。當開關管開通時，電源與開關管、電感形成回路，對負載輸出功率，而當開關管關斷時，電源無法對負載持續輸出功率。可見，此時僅采用單個開光管搭建的逆變電路電源只能有半個周期對負載輸出功率，工作效率不足50%。
圖 4 JP3838077B2
隨著技術的逐步發展，MATSUSHITA ELECTRIC公司于2001年11月14日申請的日本專利（授權號：JP3838077B2）中提出采用半橋式結構構建逆變拓撲。半橋逆變拓撲主要由2個開關管構成，負載輸出點位于兩個開關管橋臂的中點，當上橋臂開通、下橋臂關斷時，電源與上橋臂、電感、電容形成回路，對負載輸出功率；當下橋臂開通、上橋臂關斷時，電容與下橋臂與電感形成回路，電容放電對負載輸出功率。半橋式逆變拓撲能夠在全周期內持續對負載供能，極大的提高了輸出效率。但是由于負載連接在雙橋臂的中點和地線之間，因此負載電壓僅為電源的一半。為了解決這個問題，該專利申請進一步提出新的解決方案，在逆變結構的前級增加一個升壓電路模塊，通過升壓模塊提升逆變橋臂兩端的電壓，增加負載獲取的功率，從而提高半橋逆變拓撲的輸出功率。
盡管上述專利(JP3838077B2)提高了半橋的輸出功率，但是多余電子器件的增加勢必會對整個電路引入不必要的干擾，并且增加了電路的體積和成本。為了從根本上解決半橋式負載兩端的電壓為電壓源一半這個技術問題，FUJI ELECTRIC公司于2002年6月21日提出的日本專利申請（公開號：JP2004030965 A）在半橋結構的基礎上提出了全橋式逆變電路拓撲，全橋逆變拓撲由四個開關管組成，負載輸出點為兩組橋臂的中點。在工作期間，對角的兩個開關同時開啟或關斷，由于兩組管子交替導通，在整個周期內負載兩端的電壓等于電源1兩端的電壓，即電壓源能夠在整個周期內以全電壓持續對負載輸出功率，極大的提高了逆變電源負載的輸出功率。
隨后，為了進一步的提高逆變器的輸出功率，多家公司提出對負載網絡進行優化，提出負載LCR回路諧振的概念。利用LCR回路在諧振頻率下的等效阻抗最小的原理，令逆變拓撲的工作頻率等于諧振頻率，從而得到該LCR回路對應的最大輸出功率。TOKYO SHIBAURA ELECTRIC公司于2004年11月15日提出的日本發明專利（授權號：JP4444076B2）中對全橋逆變拓撲中負載網絡的工作頻率進行優化；HITACHI APPLIANCES公司于2006年11月8日提出的日本發明專利（授權號：JP4652983B2）中以半橋逆變拓撲為基礎，對負載網絡進行諧振優化，提高逆變網絡的輸出功率。
此后的一段時間，逆變電路的拓撲結構沒有再出現跨越性的發展，多家公司在已有的半橋、全橋基礎上，通過并聯的方式進行擴容，以進一步提高負載的輸出功率。MITSUBISHI ELECTRIC公司于2007年2月28日申請的日本發明專利（授權號：JP4901529B2）中提出將多個半橋逆變拓撲進行并聯，交替性的對負載進行加熱，并且其中的每一個逆變電源都可以單獨控制輸出功率。通過這種方式解決了半橋中電源僅有半個周期能夠對負載輸出功率的問題，提高了整體的輸出功率和效率。而MITSUBISHI ELECTRIC公司于2007年5月9日提出的日本發明專利（公開號：JP2008282609A）中提出將全橋拓撲和半橋拓撲疊加，同時對負載輸出功率。通過這種方式提高逆變電源的輸出功率。
盡管理想情況下開關管在導通時兩端電壓為零，然而事實上其兩端存在電壓差，因此，在開通和關斷的過程中必然會產生功率損耗。并且電路的工作頻率越高、開關管個數越多，損耗越大。雖然已經通過并網的方式提高了逆變電源的輸出功率，但是提升逆變電源的效率卻成了技術難點。MITSUBISHI ELECTRIC公司于2007年10月3日提出的日本發明專利申請（授權號：JP4981607B2）中提出一種零損耗開啟半橋拓撲中開關管的方法，在下橋臂的兩端并聯一個小電容，檢測輸入電壓的零點時刻，在輸入電壓過零點時刻時關閉上橋臂，等待小電容完全放電后開啟下橋臂，從而實現開關管的零損耗開啟。
FUJI ELECTRIC公司于2014年5月13日提出的日本發明專利（授權號：JP6425007B2）中提出基于全橋逆變電路的零電壓開啟方式，在每個晶體管兩端分別并聯一個電容，利用逆變電路諧振狀態下的正弦輸出，以及自感電流對晶體管兩端的并聯的電容充電，實現晶體管在開啟時刻兩端的電壓為零，實現功率開關管的零損耗。
在此后的一段時間里，逆變的拓撲結構沒有再出現飛躍性的發展，各個公司都在現有拓撲的基礎上進行工作頻率的提升和輸出功率的擴容。如，FUJI ELECTRONICS公司于2016年4月28日申請的日本發明專利（公開號：JP2017199628A）中基于成熟的全橋逆變拓撲，通過并聯多個全橋逆變電路同時對負載進行功率輸出，顯著提高了逆變電源的輸出功率。
2.3 近年來發展趨勢
筆者檢索了申請日在2016年以來該領域專利文件，發現逆變電路出現了新的優化拓撲，提出了開關管工作在E類狀態的新思路。PHILIP公司于2016年11月18日提出的國際發明專利申請（公開號：WO2017085242A1）中提出使用單個開關管作為逆變電路中的開關器件，并且使得該開關管工作在E類工作狀態的思路。利用E類狀態開關管損耗極小的特點，極大的提升逆變的工作頻率，并且由于電路簡單，可以縮小電源體積，減少成本。隨后，INFINEON TECHNOLOGIES AMERICAS公司于2017年2月13日提出的美國專利發明專利申請（公開號：US2017170718 A1）給出了具體的實現過程。利用E類工作特點，實現了單管的零電壓開啟和零電壓關斷，最大化的減少了功率損耗。可見，通過將開關管的工作狀態調整在E類，能夠最大化實現開關管的零電壓開啟和關斷，極大的降低了開關管上的功率損耗，從而能夠使開關管的工作頻率能夠再次得到極大的提升，同時使整個電源輕量化。但是，維持開關管持續工作在E類狀態不是容易的事情，這將對控制電路的精準性提出了更高的要求。
此外，通過檢索還發現，近年來各個公司除了致力于提出新的逆變拓撲結構，還逐步將感應加熱的新技術從工業應用擴展到民用家電應用。在民用家電應用上，雖然對加熱的最大輸出功率沒有過高的要求，卻對加熱溫度的調節靈敏度提出了更高的要求，這便是提出的新的難題。CATA CORPORACIÓN 2000 S L公司于2016年11月3日提出的PCT發明專利申請（公開號：WO2017125177 A1）提出了檢測與感應加熱線圈接觸介質的溫度、以及加熱器皿中食物的溫度，根據對二者的溫度來共同調控感應加熱的輸出功率，從而更加精確的調整加熱輸出功率。并且NUWAVE LLC公司于2018年1月9日申請的美國發明專利（申請號：US201815866159A）提出一種更適應圓底烹飪器具的溫度控制方法，根據圓底器皿的形狀特點，對圓底器皿不同的位置設置不同的輸出功率，使得在使用圓底器皿烹飪時，內部食物能夠受熱均勻。可見，將感應加熱應用的民用家電領域，通過對溫度的精準控制提高烹飪體驗，這是一個新的發展方向。
3. 結論
從目前的技術來看，通過調整逆變電路拓撲結構減少損耗，提高輸出功率，一直是各個國家和各大公司一直以來不斷研發和改進的方向。國外已經提出了通過使開關管工作在E類狀態來減少功率損耗的思路，并且也有公司提出了精確控制開通和關斷時刻的方案來維持開關管的E類工作狀態；而國內公司目前還處于控制半橋和全橋零開啟來減少損耗的階段，與國外公司的技術水平還存在一定的差距。在以后的發展中，國內的企業可以朝向開關管E類工作狀態控制方向發展，提出精確、穩定的控制方案，如合理的設計反饋匹配網格的參數，控制反饋的能量以保證E類振蕩的起振、精確的設計E類振蕩下用于充放電的電容值，以確保開關管的零電壓開關等。與此同時，還可以將該技術向其他領域，如航空航天、智能家居等領域延伸，進而逐步建立起我國在逆變器E類振蕩控制方面的技術體系。
[1] 劉宗昌，馮佃臣，熱處理工藝學[M]，北京：冶金工業出版社，2015.08
[2] 康勁松，陶生桂，電力電子技術[M]，北京：中國鐵道出版社，2015.12
[3] 俞勇祥，陳輝明，感應加熱電源的發展[J].金屬熱處理，2000，8
[4] 李丹陽，DE類逆變電源直流調功方法的研究與實現[D]，鄭州大學，2016
[5] 全亞杰，感應加熱電源的發展歷程與動向[J].電焊機，2001，3（11）
作者簡介
李丹陽：（1991-），女，碩士研究生，實習研究員，審查員，研究方向：計算機輔助設計，GUI界面操作等領域發明專利申請實質審查；
王文曉：（1985-），男，本科，助理研究員，審查員，研究方向：計算機輸入輸入設備與技術，防偽印刷技術，靜態存儲器驅動電路技術等領域發明專利申請實質審查；
吳單單：（1989-），女，碩士研究生，助理研究員，審查員，研究方向：計算機輔助設計，GUI界面操作等領域發明專利申請實質審查。