逆变拓扑在感应加热处理中的专利发展技术综述
国家知识产权局专利审查协作河南中心 李丹阳 王文晓 吴单单
摘要：感应加热技术已经成为最具有市场前景和研究热点的加热方法，而其电路拓扑结构也是研究热点之一。本文简要介绍了感应加热技术及其逆变拓扑的发展历程，重点介绍了应用于感应加热的逆变拓扑的发展过程和发展方向，并结合其专利申请情况，分析了目前发展趋势和技术难点，最后总结了目前逆变电路需要解决的问题，并从现有技术角度分析了未来市场前景和发展方向。
关键词：感应加热、逆变拓扑、发展方向
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. 感应加热和逆变技术简介
当感应线圈中通以交变的电流时，线圈内部会产生相同频率的交变磁场，将金属放入该磁场中，金属内部将在电磁感应的作用下产生涡流，从而使金属内部发热。这种加热方式被广泛用于工业中对工件表面淬火,由于淬火工艺的特殊性，通常仅需要对工件表层进行快速加热，这就需要特殊的电源来产生高频率、大功率的交变电流[1]。
逆变技术是将直流电转换为交流电的变换技术。国网电力系统通常只能输出特定频率和特定电压的电源（比如我国国网电力系统输出220V/50Hz和380V/50Hz），而在工业应用时，往往需要特定频率或特定功率的电力，采用逆变电路对国网电源进行转换可得到特定的交变电源[2]。
感应加热处理技术的研发最早始于l890年，瑞典技术人员发明了第一台感应熔炼炉：开槽式有芯炉；到了1916年，美国人发明了闭槽有芯炉，用于熔炼金属；而在1935年，前苏联对曲轴的轴颈进行感应淬火。此时的感应加热电源的工作频率主要是工频，电源效率比较低（一般为50%-60%）。1957年，美国研制出作为电力电子器件里程碑的晶闸管，标志着现代电力电子技术的开始，也引发了感应加热技术的革命；1964年，用于逆变器的晶闸管问世；1966年，瑞士和西德首先利用晶闸管研制感应加热装置，从此感应加热技术开始飞速发展[3][4]。
20世纪80年代后，电力电子器件再次快速发展，MOSFET、IGBT等器件相继出现。感应加热装置也逐渐摒弃晶闸管，开始采用这些新器件，逐步提升工作频率和输出功率。随着电力电子器件的发展，感应加热电源的拓扑结构也在不断地优化，逐渐形成一种固定的AC/DC/AC的变换形式[5]。逆变拓扑的优化使得感应加热技术在工业上取得了更加广泛的应用。电力电子器件的不断出现，以及逆变拓扑的不断优化，推动着感应加热技术工作频率和效率的不断提升。
1.2 逆变拓扑在感应加热应用中的研发进展
笔者首先在VEN和CNABS专利库中对申请日为2017年之前的专利文件，共1326篇进行分析，其中使用IPC分类号H05B6/00及其所有下位组（含义为采用磁场进行加热）和关键词逆变和invert进行检索。下图1-3展示了应用于感应加热的逆变拓扑在全球的专利申请趋势以及主要申请国的申请趋势。
图 1 全球专利申请量趋势
图 2 主要申请国的申请趋势
图 3 主要申请人分布
从图1-3中可以直观看到，由于在20世纪80年代 MOSFET、IGBT电子器件的出现使得1987-1988年的专利申请量出现了爆炸性增长，而在1987年以后则一直保持稳定的发展。通过对申请人地域的分析可知，技术的推动主要是由日本带来的，申请人主要集中在日本的MATSUSHITA ELECTRIC公司、MITSUBISHI ELECTRIC公司、TOSHIBA公司、PANASONIC公司、松下电器、FUJI ELECTRIC公司，以及韩国的LG ELECTRIC公司，并且其中日本的MATSUSHITA ELECTRIC公司的申请量远超其他申请人，可见日本在该领域处于世界的领先水平。
并且，从图1中看到2016年申请量出现了新的上升趋势，可见逆变拓扑在感应加热应用领域又出现了新的突破。
2. 应用于感应加热处理中的逆变拓扑的发展过程
2.1 开关管的发展
在晶体管出现以前，一直使用晶闸管作为开关器件，但是晶闸管不易控制且容易导致失真，在晶体管出现后，使用晶体管替代晶闸管作为开关器件。TOKYO SHIBAURA ELECTRIC公司于1979年11月12日申请的日本发明专利（公开号：JP54145037A）中，首次采用晶体管替代晶闸管实现直流信号到交流信号的转换。随着电力电子器件的发展，在MOSFET和IGBT相继出现后，由于其具由开关速度快、载流能力强等突出的优点，迅速替代了晶体管。MATSUSHITA ELECTRIC公司于1987年4月30日申请的日本发明专利（公开号：JP6327188A）中首次采用MOSFET替代传统的晶体管完成逆变转换；TOSHIBA 公司于1989年8月24日申请的韩国发明专利（公开号：KR19900004222A）中首次采用IGBT作为开关管实现电路转换。由此可见，日本公司在该领域具有较雄厚的技术储备和积累。
2.2 拓扑结构的发展
随着电力电子器件的发展，尽管MOSFET和IGBT在很大程度上提升了逆变电源的性能，但是此时拓扑中仅采用单个开关管控制电路，电源效率较低。当开关管开通时，电源与开关管、电感形成回路，对负载输出功率，而当开关管关断时，电源无法对负载持续输出功率。可见，此时仅采用单个开光管搭建的逆变电路电源只能有半个周期对负载输出功率，工作效率不足50%。
图 4 JP3838077B2
随着技术的逐步发展，MATSUSHITA ELECTRIC公司于2001年11月14日申请的日本专利（授权号：JP3838077B2）中提出采用半桥式结构构建逆变拓扑。半桥逆变拓扑主要由2个开关管构成，负载输出点位于两个开关管桥臂的中点，当上桥臂开通、下桥臂关断时，电源与上桥臂、电感、电容形成回路，对负载输出功率；当下桥臂开通、上桥臂关断时，电容与下桥臂与电感形成回路，电容放电对负载输出功率。半桥式逆变拓扑能够在全周期内持续对负载供能，极大的提高了输出效率。但是由于负载连接在双桥臂的中点和地线之间，因此负载电压仅为电源的一半。为了解决这个问题，该专利申请进一步提出新的解决方案，在逆变结构的前级增加一个升压电路模块，通过升压模块提升逆变桥臂两端的电压，增加负载获取的功率，从而提高半桥逆变拓扑的输出功率。
尽管上述专利(JP3838077B2)提高了半桥的输出功率，但是多余电子器件的增加势必会对整个电路引入不必要的干扰，并且增加了电路的体积和成本。为了从根本上解决半桥式负载两端的电压为电压源一半这个技术问题，FUJI ELECTRIC公司于2002年6月21日提出的日本专利申请（公开号：JP2004030965 A）在半桥结构的基础上提出了全桥式逆变电路拓扑，全桥逆变拓扑由四个开关管组成，负载输出点为两组桥臂的中点。在工作期间，对角的两个开关同时开启或关断，由于两组管子交替导通，在整个周期内负载两端的电压等于电源1两端的电压，即电压源能够在整个周期内以全电压持续对负载输出功率，极大的提高了逆变电源负载的输出功率。
随后，为了进一步的提高逆变器的输出功率，多家公司提出对负载网络进行优化，提出负载LCR回路谐振的概念。利用LCR回路在谐振频率下的等效阻抗最小的原理，令逆变拓扑的工作频率等于谐振频率，从而得到该LCR回路对应的最大输出功率。TOKYO SHIBAURA ELECTRIC公司于2004年11月15日提出的日本发明专利（授权号：JP4444076B2）中对全桥逆变拓扑中负载网络的工作频率进行优化；HITACHI APPLIANCES公司于2006年11月8日提出的日本发明专利（授权号：JP4652983B2）中以半桥逆变拓扑为基础，对负载网络进行谐振优化，提高逆变网络的输出功率。
此后的一段时间，逆变电路的拓扑结构没有再出现跨越性的发展，多家公司在已有的半桥、全桥基础上，通过并联的方式进行扩容，以进一步提高负载的输出功率。MITSUBISHI ELECTRIC公司于2007年2月28日申请的日本发明专利（授权号：JP4901529B2）中提出将多个半桥逆变拓扑进行并联，交替性的对负载进行加热，并且其中的每一个逆变电源都可以单独控制输出功率。通过这种方式解决了半桥中电源仅有半个周期能够对负载输出功率的问题，提高了整体的输出功率和效率。而MITSUBISHI ELECTRIC公司于2007年5月9日提出的日本发明专利（公开号：JP2008282609A）中提出将全桥拓扑和半桥拓扑叠加，同时对负载输出功率。通过这种方式提高逆变电源的输出功率。
尽管理想情况下开关管在导通时两端电压为零，然而事实上其两端存在电压差，因此，在开通和关断的过程中必然会产生功率损耗。并且电路的工作频率越高、开关管个数越多，损耗越大。虽然已经通过并网的方式提高了逆变电源的输出功率，但是提升逆变电源的效率却成了技术难点。MITSUBISHI ELECTRIC公司于2007年10月3日提出的日本发明专利申请（授权号：JP4981607B2）中提出一种零损耗开启半桥拓扑中开关管的方法，在下桥臂的两端并联一个小电容，检测输入电压的零点时刻，在输入电压过零点时刻时关闭上桥臂，等待小电容完全放电后开启下桥臂，从而实现开关管的零损耗开启。
FUJI ELECTRIC公司于2014年5月13日提出的日本发明专利（授权号：JP6425007B2）中提出基于全桥逆变电路的零电压开启方式，在每个晶体管两端分别并联一个电容，利用逆变电路谐振状态下的正弦输出，以及自感电流对晶体管两端的并联的电容充电，实现晶体管在开启时刻两端的电压为零，实现功率开关管的零损耗。
在此后的一段时间里，逆变的拓扑结构没有再出现飞跃性的发展，各个公司都在现有拓扑的基础上进行工作频率的提升和输出功率的扩容。如，FUJI ELECTRONICS公司于2016年4月28日申请的日本发明专利（公开号：JP2017199628A）中基于成熟的全桥逆变拓扑，通过并联多个全桥逆变电路同时对负载进行功率输出，显著提高了逆变电源的输出功率。
2.3 近年来发展趋势
笔者检索了申请日在2016年以来该领域专利文件，发现逆变电路出现了新的优化拓扑，提出了开关管工作在E类状态的新思路。PHILIP公司于2016年11月18日提出的国际发明专利申请（公开号：WO2017085242A1）中提出使用单个开关管作为逆变电路中的开关器件，并且使得该开关管工作在E类工作状态的思路。利用E类状态开关管损耗极小的特点，极大的提升逆变的工作频率，并且由于电路简单，可以缩小电源体积，减少成本。随后，INFINEON TECHNOLOGIES AMERICAS公司于2017年2月13日提出的美国专利发明专利申请（公开号：US2017170718 A1）给出了具体的实现过程。利用E类工作特点，实现了单管的零电压开启和零电压关断，最大化的减少了功率损耗。可见，通过将开关管的工作状态调整在E类，能够最大化实现开关管的零电压开启和关断，极大的降低了开关管上的功率损耗，从而能够使开关管的工作频率能够再次得到极大的提升，同时使整个电源轻量化。但是，维持开关管持续工作在E类状态不是容易的事情，这将对控制电路的精准性提出了更高的要求。
此外，通过检索还发现，近年来各个公司除了致力于提出新的逆变拓扑结构，还逐步将感应加热的新技术从工业应用扩展到民用家电应用。在民用家电应用上，虽然对加热的最大输出功率没有过高的要求，却对加热温度的调节灵敏度提出了更高的要求，这便是提出的新的难题。CATA CORPORACIÓN 2000 S L公司于2016年11月3日提出的PCT发明专利申请（公开号：WO2017125177 A1）提出了检测与感应加热线圈接触介质的温度、以及加热器皿中食物的温度，根据对二者的温度来共同调控感应加热的输出功率，从而更加精确的调整加热输出功率。并且NUWAVE LLC公司于2018年1月9日申请的美国发明专利（申请号：US201815866159A）提出一种更适应圆底烹饪器具的温度控制方法，根据圆底器皿的形状特点，对圆底器皿不同的位置设置不同的输出功率，使得在使用圆底器皿烹饪时，内部食物能够受热均匀。可见，将感应加热应用的民用家电领域，通过对温度的精准控制提高烹饪体验，这是一个新的发展方向。
3. 结论
从目前的技术来看，通过调整逆变电路拓扑结构减少损耗，提高输出功率，一直是各个国家和各大公司一直以来不断研发和改进的方向。国外已经提出了通过使开关管工作在E类状态来减少功率损耗的思路，并且也有公司提出了精确控制开通和关断时刻的方案来维持开关管的E类工作状态；而国内公司目前还处于控制半桥和全桥零开启来减少损耗的阶段，与国外公司的技术水平还存在一定的差距。在以后的发展中，国内的企业可以朝向开关管E类工作状态控制方向发展，提出精确、稳定的控制方案，如合理的设计反馈匹配网格的参数，控制反馈的能量以保证E类振荡的起振、精确的设计E类振荡下用于充放电的电容值，以确保开关管的零电压开关等。与此同时，还可以将该技术向其他领域，如航空航天、智能家居等领域延伸，进而逐步建立起我国在逆变器E类振荡控制方面的技术体系。
[1] 刘宗昌，冯佃臣，热处理工艺学[M]，北京：冶金工业出版社，2015.08
[2] 康劲松，陶生桂，电力电子技术[M]，北京：中国铁道出版社，2015.12
[3] 俞勇祥，陈辉明，感应加热电源的发展[J].金属热处理，2000，8
[4] 李丹阳，DE类逆变电源直流调功方法的研究与实现[D]，郑州大学，2016
[5] 全亚杰，感应加热电源的发展历程与动向[J].电焊机，2001，3（11）
作者简介
李丹阳：（1991-），女，硕士研究生，实习研究员，审查员，研究方向：计算机辅助设计，GUI界面操作等领域发明专利申请实质审查；
王文晓：（1985-），男，本科，助理研究员，审查员，研究方向：计算机输入输入设备与技术，防伪印刷技术，静态存储器驱动电路技术等领域发明专利申请实质审查；
吴单单：（1989-），女，硕士研究生，助理研究员，审查员，研究方向：计算机辅助设计，GUI界面操作等领域发明专利申请实质审查。