感應加熱熱模型研究 (1)
鑑於平面感應加熱(無變壓器輸出)技術資料缺乏,因此本人已無私傳承心境發表研究.這是一个從來沒人解釋感應加熱熱模型,有興趣了解必須要靜心思考,如果一次看不懂建議多看幾遍,另外還必須上網多查有關L/C基本特性與資料.
有關感應功率大家都以入電耗能來標示,但是實際上這有誤區,因為整體功率消耗如下
1.控制電路
2.IGBT熱損
3.線圈熱損
4.諧振電容熱損
他門損失依序是 線圈>IGBT>諧振電容>控制電路
其中 控制電路 佔整體損耗相對而言是非常少,所以以下我門迂以忽略,僅探討 線圈與IGBT 及 諧振電容 對輸出功率引響,在這我門還是要聲明底下分析以<沒變壓器輸出>以及<半/全橋架構電路>來分析.
一.感應功率輸出模型分析:
1.如上圖是一大家都熟析基本半橋電路架構.
2.整體功率分佈如其標示.
3.上述標誌如下說明:
a.PU1 – IGBT 上半橋功率損耗.
b.PD2 – IGBT 下半橋功率損耗.
c.PL3 – 線圈損耗功率.
d.PF4 – 負載損耗功率(實際給予負载加熱功率).
e.PCD5 – 上半橋諧振電容損耗功率.
f.PCD6 – 下半橋諧振電容損耗功率.
4.由上圖我們可以了解我們希望功率全部消耗在負載上,但那是不可能的,為了要供給負載PF4功我們將有兩條功率供給線路.
a.一條由PU1 > PL3加載至PF4 > PCD6
b.另一條由 PCD5 > PL3加載至PF4 > PD2
5.如上述 我們可以先確定一件事 PL3 損耗是 IGBT 諧振電容 兩倍;當然PF4可以從PL3獲得兩條功率路徑功率.
6.為了要讓 PL3 產生最大磁場感應PF4,進而使PF4獲得最大功率,因此整工作網將工作在諧振上.
7.由輸出模型上我們可以看到,諧振路徑有 4a 4b 兩條路線,換角度說IGBT會參予諧振.
8.諧振時 諧振電容為-J功,他與線圈+J互抵,因此其損耗為虛功,理論上不損耗,但實際上還是有損耗;但是其損耗還是很小的,我們先暫時忽略.
9.諧振時 IGBT 損耗為 Vce 上最低電壓X上諧振電流,如果IGBT VCE=2V 以5KW感應機諧振電流約為300A (三鉻鋼)計算,IGBT損耗約 600W,這功率由上下兩顆IGBT平分,因此每顆為300W.
10.諧振時PL3+PF4耗能為5KW-300WW=4.7KW,在理想中 PL3=0 PF4要能獲得4.7KW,也就是這些耗能理想是發生在PF4上.
11.實際上網路 PF4沒任何實體接線與整體網路連結,因此他必須透過PL3產生磁力線來感應PF4.因此PL3與PF4距離就很重要;因為距離越近那PL3能量越容易導入PF4.
12.PF4熱是由於磁力線切割產生渦流,而渦流因為金屬電阻效應而產生熱.因此PF4發熱要大那就必須由PL3獲得更多磁力線.
13.PL3要產生更多磁力線就意味要流過更多電流,因為電流可以產生磁場.要讓PL3流過更多電流那也必將PL3端點電壓提高.這意味PL3會消耗功率.
14.在諧振時 –j(PL3.PL4) + (+j(PC5)) + (+j(PC6)) = 0 既 XL=XC 此時流過諧振網電流為 (PL3+PF4) 與PC5 及 (PL3+PF4) 與PC6 內阻 所產生電流.
15.假設 14式成立, 那PF4是不會想像中哪樣被加熱的.因此合理解釋負載會發熱我們又繪製下模型圖表示.
16.如上圖所示,要讓PF4功損最大PL3功損要最小,唯一能解釋模型如上,PF4與線圈負載間隔於空氣中產生電容又形成一串聯諧振,當 -j(PFC1)+(+j(PF4))-j(PFC2)=0時PF4將獲得最大電流.
17.由於PL3為+j功,他是虛功理因不發熱,而他會發熱原因就是他有消耗(-j)與(+j)一定對應能量,而PL3為了要提供空氣電容-j功,所以PL3必須要承受空氣電容-j功.
18.由於空氣電容非常小,因此要期望與PF4產生協振那將是不太可能;因此PFC1 與 PFC2 扮演角色則相當於交連;所以PFC1/PF4/PFC2則為不平衡網路,由PF4承受最大功(耗能).
19.如上分析我們可以得知如果依照傳統諧振或是組抗概念來分析加熱,那將無法解釋下列疑問:
a.為何PF4發熱大於PL3 ? 這也是我們最理想的!
b.如果諧振成立,流過網路電流為內阻,那以線圈材質來看其流過電流要比流過負載電流還大.因為線圈是用銅線其導電率勝於鐵負載.
待續 ………
刘永智 QQ:852221687
