TWI531148B - 高頻式充磁裝置 - Google Patents

Description

高頻式充磁裝置

本發明為一種高頻式充磁裝置，尤指一種利用相對於市電電壓頻率為高頻(數kHz)充磁電路提高輸出電壓，以提供磁化所需之大電流。

一般所稱的磁性材料可分為軟磁、硬磁。所謂的軟、硬磁是依材料磁化後所殘留的保磁力硬度區分。一般而言硬磁是指不易磁化亦不易退磁，軟磁則反之。在工業界常見的硬磁種類包括合金磁鐵、陶瓷磁鐵、稀土類磁鐵。軟磁則為矽鋼片、軟質鐵氧磁體(例如錳鋅鐵氧磁體、鎳鋅鐵氧磁體)，另外稀土類磁鐵以釹鐵硼為目前性能最高之永磁材料。稀土磁鐵矯頑磁力強且不易被退磁，雖然其溫度穩定性較差，但隨著材料技術的進步，目前溫度已可達240℃以上。

在上述磁性材料的應用中，舉凡馬達、發電機、家電設備、工業生產儀器、機電系統都可以看到其扮演著極為關鍵之角色。為對該磁性材料加以磁化，須額外使用一充磁裝置，透過一充磁軛對磁性材料進行磁化。圖8為一傳統電容式充磁裝置的示意圖，交流市電AC輸入先經由一低頻變壓器81升壓至所需放電之電容電壓，升壓後的電壓經由一全橋整流電路82對一電容組C充電，圖中只以單一個電容的元件符號加以表示，該電容組C為多顆電容串、並聯組成之一電容模組，該電容組C之典型耐壓值約需數千伏特。當電容組C充電完成後，將連接在該電容組C與該全橋整流電路82之間的一電容組開關SCR1關閉，再將電容組C所儲存之能量透過一矽控整流器開關SCR2對電感性的一充 磁軛線圈83放電，產生強力磁場將磁性材料磁化。圖8所示的傳統電容式充磁裝置其電路動作，可大致分為以下三個階段：

一、電容充電階段：打開(ON)該電容組開關SCR1，交流市電AC輸入經由該低頻變壓器81升壓，透過該全橋整流電路82將交流弦波轉換為全波，接著對該電容組C充電。充電完成後，關閉(OFF)該電容組開關SCR1。

二、磁化階段：以脈波觸發該矽控整流器開關SCR2導通，令電容組C上的能量透過矽控整流器開關SCR2放電至充磁軛線圈83，產生強力磁場對待充磁材料84進行磁化。此一充磁過程需持續數百個ms。

三、飛輪二極體導通階段：當充磁軛線圈83開始放電，電流開始下降，充磁軛線圈之等效電感L與電容組C電壓同極性，此時飛輪二極體Dw成逆向偏壓狀態；當SCR2關閉，如充磁軛電流尚未降到零，則依據冷次定律，充磁軛線圈之等效電感L極性呈相反狀態，此時飛輪二極體Dw成順向偏壓狀態，以提供充磁電流續流路徑，直到該充磁電流降到零止。

傳統電容式充磁裝置係透過該低頻變壓器81升壓，經由全橋整流電路82對電容組C充電，再將儲存在電容組C能量放電至充磁軛負載。但由於需透過低頻變壓器81升壓，該電容組C又是使用多個串、並聯的大薄膜電容所構成，整體電容式充磁裝置具有重量高、體積大以及製作成本龐大等諸多問題。

鑑於上述問題，本發明之主要目的是提供一種重量、體積相對減小且較低成本即可製作之高頻式充磁裝置。

為達成上述目的，該高頻式充磁裝置包含：一整流電路，將一交流市電整流成為一直流電壓； 一充磁電路，連接該整流電路，利用該直流電壓建立一N倍直流電壓的充磁輸出電壓，其中N>=2；一輸出開關，串聯在該充磁電路及一充磁軛之間，其中該輸出開關依據一高頻驅動信號交替地導通/截止，令該充磁輸出電壓轉移至充磁軛並在該充磁軛上產生一充磁電流；一控制電路，控制該充磁電路建立該充磁輸出電壓，並連接該輸出開關以輸出該高頻驅動信號，其中該高頻驅動信號的頻率至少大於1kHz以上。

本發明之高頻式充磁裝置的電路動作包含一充電階段及一充磁階段，在該充電階段中，利用該充磁電路將直流電壓轉換升壓至所需的充磁電壓值，再於充磁階段中，以高頻的方式切換該輸出開關，令充磁電路累積的能量轉移至充磁軛，產生大輸出電流而對待充磁材料進行磁加載。

該高頻式充磁裝置主要以功率電晶體、二極體及電容組成，不需使用傳統變壓器、電感器及大體積的高壓電容，故整體體積可相對減小，並可降低製作成本。

10‧‧‧整流電路

20‧‧‧充磁電路

30‧‧‧充磁軛

40‧‧‧控制電路

50‧‧‧待充磁材料

81‧‧‧低頻變壓器

82‧‧‧全橋整流電路

83‧‧‧充磁軛線圈

84‧‧‧待充磁材料

圖1：本發明高頻式充磁裝置電路方塊圖。

圖2：本發明高頻式充磁裝置詳細電路圖。

圖3A~圖3D：本發明高頻式充磁裝置產生充磁輸出電壓Vo之電路動作圖。

圖4：本發明輸出開關其驅動信號Vpulse及輸出電流Iout的波形圖。

圖5：本發明以150伏特直流電壓Vm進行模擬之測試波形圖。

圖6：本發明以200伏特直流電壓Vm進行模擬之測試波形圖。

圖7：本發明以300伏特直流電壓Vm進行模擬之測試波形圖。

圖8：傳統電容式充磁裝置之電路圖。

請參考圖1、2所示，本創作高頻式充磁裝置包含有一整流電路10、一充磁電路20、一輸出開關S3、一充磁軛30及一控制電路40，通過該充磁軛30對一待充磁材料50進行充磁。

該整流電路10接收一交流市電AC，將該交流市電AC轉換為一直流電壓Vm，該整流電路10在本實施例中是一全波整流電路，具有兩輸出端。

該充磁電路20連接該整流電路10的輸出端，利用該直流電壓建立一N倍直流電壓Vm的充磁輸出電壓，其中N>=2。充磁電路20包含一儲能電容Cd、一第一開關S1、一第二開關S2、第一電容C1~第六電容C6、第一二極體D1~第四二極體D4。在本實施中，該第一電容C1與第二電容C2具有相同電容值；該第三電容C3與第四電容C4具有相同電容值；該第五電容C5與第六電容C6具有相同電容值。

該儲能電容Cd連接該整流電路10的兩輸出端；該第一開關S1與該第二開關S2串聯後，亦連接在整流電路10的兩輸出端，第一開關S1與該第二開關S2可由功率電晶體構成；該第一電容C1與該第二電容C2串聯後，同樣連接在整流電路10的兩輸出端，該第一電容C1與第二電容C2作為一分壓電路，可對直流電壓Vm進行分壓。其中，該第一開關S1與該第二開關S2之串聯節點作為一第一輸出端O1，該第一電容C1與該第二電容C2之串聯節點作為一第二輸出端O2，隨著交替導通該第一開關S1及第二開關S2可在兩輸出端O1、O2交替輸出該第一電容C1與第二電容C2上的電壓，因此在兩輸出端O1、O2輸出的電壓交替呈現不同極性。

該第三電容C3與該第四電容C4串聯，兩電容C3、C4的串聯節點連接第一輸出端O1。該第一二極體D1與該第三二極體D3串聯，且該第一極體D1的正極與該第三二極體D3的負極串聯相接後，再連接到該第二輸出端O2，該第一二極體D1的負極連接第三電容C3，該第三二極體D3的正極連接第四電容C4。該第五電容C5與該第六電容C6串聯，兩電容C5、C6的串聯節點連接該第二輸出端O2，其中該第五電容C5與該第六電容C6串聯後的兩端分別作為充磁電路20的正輸出端、負輸出端。該第二二極體D2的正極連接該第一二極體D1的負極，該第二二極體D2的負極連接充磁電路20的正輸出端。該第四二極體D4的負極連接該第三二極體D1的正極，該第四二極體D4的正極連接該充磁電路20的負輸出端。

該輸出開關S3的一端連接該充磁電路20的正輸出端，輸出開關S3的另一端連接該充磁軛30的其中一端。該充磁軛30的另外一端連接該充磁電路20的負輸出端。在充磁電路20的正、負輸出端之間可再連接一飛輪二極體Dw，其與充磁軛30並聯。

該控制電路40包含一微控制器，該微控制器通過驅動電路42連接該第一開關S1、第二開關S2及該充電開關S3，控制其開閉。

以下將詳細說明本發明的電路動作，包含一充電階段及一充磁階段。在該充電階段中，輸出開關S3維持截止(OFF)，而電路可細分為以下四個時段：

第一時段：請參考圖3A所示，交流市電AC經過整流電路10轉換後可在儲能電容Cd上建立一直流電壓Vm，直流電壓Vm經由串聯的第一電容C1及第二電容C2加以分壓，每個電容上的電壓為0.5Vm，該第一開關S1受微控制器51控制導通(ON)，第二開關S2則受控截止(OFF)，此時跨在該第一電容C1上的電壓(0.5Vm)會使得第三二極體D3處在順向偏壓狀態而導通、第四二極體 D4逆偏截止，對第四電容C4進行充電且充入電壓為第一電容C1上的電壓(0.5Vm)。又第一二極體D1、第二二極體D2處於逆偏電壓截止狀態。此第一時段之電流路徑如圖3A之虛線箭頭符號所示。

第二時段：如圖3B所示，該第一開關S1受微控制器51控制截止，該第二開關S2導通，則跨在第二電容C2上的電壓(0.5Vm)會使得二極體D1處於順向偏壓狀態而導通、第三二極體D3則逆偏狀態而截止，第二電容C2上的電壓對第三電容C3充電，且充入的電壓等於第二電容C2上的電壓(0.5Vm)。該第二二極體D2、第四二極體D4處於逆偏電壓截止狀態。第二工作時段之電流路徑如虛線箭頭所示。

第三時段：如圖3C所示，該第一開關S1再度受控導通，第二開關S2則截止，則先前工作時段中建立在第一電容C1上的電壓(0.5Vm)與第三電容C3上的電壓(0.5Vm)形成串聯之態勢，故可使得第一二極體D1處於逆偏電壓截止、第二二極體D2順偏導通。此時第五電容C5上的電壓為第一電容C1與第三電容C3之電壓和，故為Vm。又第三二極體D3、第四二極體D4處於逆偏電壓截止狀態。

第四時段：如圖3D所示，第一開關S1再度受控截止，第二開關S2則重新觸發導通，則跨在第二電容C2上的電壓(0.5Vm)與第四電容C4上的電壓(0.5Vm)形成串聯相加，故可使得第三二極體D3處於逆偏電壓截止、第四二極體D4則順偏電壓導通。此時第六電容C6之電壓為該第二電容C2與第四電容C4之電壓和，故為Vm。又第一、第二二極體D1、D2處於逆偏電壓截止狀態。

經過上述四個工作階段，即第一、第二開關S1、S2各轉態兩次後，該第五電容C5及第六電容C6電壓各可獲得2倍第一電容C1、第二電容C2上的電壓，而該充磁電路20所提供之充磁輸出電壓Vo為第五電容C5與第六電容 C6之電壓和，故該充磁輸出電壓Vo=2Vm，比起儲能電容Cd上的電壓Vm可得到升壓效果。

如圖4所示，當充磁輸出電壓Vo=2Vm建立後結束充電階段，轉而進入充磁階段。在充磁階段中，本發明設定以數kHz的高頻驅動信號控制該輸出開關S3開啟與關閉，該驅動信號的頻率是指相對於交流市電為高頻，頻率的選用取決於待充磁材料50的特性，在同一週期中開啟與關閉的時間相同均為t1，此時充磁電路20之第五、第六電容C5、C6隨著該輸出開關S3的交替導通/截止開始放電。當輸出開關S3導通(ON)時，該第五、第六電容C5、C6開始放電，流過充磁軛30的充磁電流Iout隨著電容放電時間的增長而逐漸增大。基於充磁軛30其線圈為電感性，具有電流續流的特性，故可透過輸出開關S3之交替導通/截止控制，令充磁電流Iout以能量累積形式增加，逐漸提高至可對磁性材料進行磁充填的電流值。

請參考圖5~7所示，為直流電壓Vm由150伏特、200伏特、300伏特時之模擬測試波形圖，各圖之橫軸代表時間(t)，該輸出開關S3以3kHz頻率的驅動訊號Vpulse高頻切換，電容C1、C2、C5、C6為1000uF，電容C3、C4選用470uF。由各圖中可看出該充磁電流Iout會隨著直流電壓Vm的增加而增大。輸出電壓Vo由於該第五、第六電容C5、C6持續階段性放電，使得充磁電流Iout以階梯狀累積爬升至最大值。如圖7所示，在直流電壓Vm為300伏的條件下，充磁輸出電壓Vo的峰值約為600伏特，充磁電流Iout的峰值已達400安培，該電流值已符合對磁性材料進行磁填充之使用。

本發明係橋式整流電路10將交流市電C先整流為直流電壓Vm，其後再結合以功率晶體構成的開關S1~S3、二極體D1~D4與電容器C1~C6等，透過微處理器控制不同開關S1~S3的開、關運作與二極體D1~D4之順偏、逆偏電壓工作特性，使得電容C1~C6透過該等開關S1~S3與二極體D1~D4之導通與 截止，以數kHz之速度變換得到適當之串並組合，進而將整流所得之直流電壓Vm以高頻方式升壓到所需之充磁電壓值Vo。

相較於傳統的電容式充磁裝置，本發明至少具有如下優點：

1、本發明以功率電晶體構成之開關、二極體與電容器組成一充磁電路可取代傳統體積笨重的變壓器，該電路同樣達到電壓升壓之功能，並可利用較小的電路體積與重量滿足充磁需求。

2、本發明之充磁裝置不需使用供大電流通過之電感器，故本發明在充磁裝置中即使採用數kHz的高頻切換控制，也不會發生高頻控制後之大充磁電流可能遭遇之電感鐵心磁飽和問題。

3、本發明捨棄傳統之高壓大電容組一次放電型之充磁方式(電容組典型值為耐壓1kV、10,000uF以上)，利用高頻升壓控制使充磁電路僅需使用耐壓數百伏之相對小電容Cd及C1~C6作為充磁過程之能量儲存元件，例如圖4~圖7測試範例所用之電容Cd、C1、C2、C5、C6為1000uF，C3、C4為470uF，在充磁期間對電容以數kHz頻率之速度重複充放電，配合充磁軛線圈等效之電感續流特性設計得到大充磁電流。

10‧‧‧整流電路

20‧‧‧充磁電路

30‧‧‧充磁軛

40‧‧‧控制電路

50‧‧‧待充磁材料

Claims (9)

1. 一種高頻式充磁裝置，包含：一整流電路，將一交流市電整流成為一直流電壓；一充磁電路，連接該整流電路，利用該直流電壓建立一N倍直流電壓的充磁輸出電壓，其中N>=2；一輸出開關，串聯在該充磁電路及一充磁軛之間，其中該輸出開關依據一高頻驅動信號交替地導通/截止，令該充磁輸出電壓轉移至充磁軛並在該充磁軛上產生一充磁電流；一控制電路，控制該充磁電路建立該充磁輸出電壓，並連接該輸出開關以輸出該高頻驅動信號，其中該高頻驅動信號的頻率至少大於1kHz。
2. 如請求項1所述之高頻式充磁裝置，包含一充電階段及一充磁階段，在該充電階段中，該充磁電路建立該充磁輸出電壓，且該輸出開關維持截止；在該充磁階段中，該輸出開關依據該高頻驅動信號交替地導通/截止。
3. 如請求項1或2所述之高頻式充磁裝置，該充磁電路包含：一儲能電容，連接該整流電路的兩輸出端；一第一開關與一第二開關，該第一開關與第二開關串聯後與該儲能電容並聯，其中，該第一開關與第二開關之串聯節點為一第一輸出端；一第一電容與一第二電容，該第一電容與第二電容串聯後與該儲能電容並聯，其中，該第一電容與第二電容之串聯節點為一第二輸出端；一第三電容與一第四電容，該第三電容與第四電容之串聯節點連接該第一輸出端；一第一二極體與一第三二極體，該第一二極體與第三二極體相串聯，且該第一極體的正極與該第三二極體的負極共同連接到該第二輸出端，該第一二極體的負極連接第三電容，該第三二極體的正極連接第四電容； 一第五電容與一第六電容，該第五電容與第六電容的串聯節點連接該第二輸出端，其中該第五電容與該第六電容串聯後的兩端分別作為充磁電路的一正輸出端與一負輸出端；一第二二極體，其正極連接該第一二極體的負極，該第二二極體的負極連接充磁電路的正輸出端；一第四二極體，其負極連接該第三二極體的正極，該第四二極體的正極連接該充磁電路的負輸出端。
4. 如請求項3所述之高頻式充磁裝置，該充電階段包含有第一工作時段~第四工作時段，其中：在第一工作時段中，該第一開關導通，第二開關截止，該第一電容上的電壓對第四電容進行充電且充入電壓等於該第一電容上的電壓；在第二工作時段中，該第二開關導通，第一開關截止，該第二電容上的電壓對第三電容進行充電且充入電壓等於該第二電容上的電壓；在第三工作時段中，該第一開關導通，第二開關截止，該第一電容與第三電容形成串聯，並共同對第五電容充電，第五電容上的電壓為第一電容與第三電容之電壓和；在第四工作時段中，該第二開關導通，第一開關截止，該第二電容與第四電容形成串聯，並共同對第六電容充電，第六電容上的電壓為第一電容與第三電容之電壓和。
5. 如請求項4所述之高頻式充磁裝置，在該充磁階段中，該輸出開關以相同的時間交替地導通/截止。
6. 如請求項5所述之高頻式充磁裝置，該充磁電路的正、負輸出端連接一飛輪二極體，該飛輪二極體與該充磁軛並聯。
7. 如請求項6所述之高頻式充磁裝置，該第一電容與第二電容具有相同電容值；該第三電容與第四電容具有相同電容值；該第五電容與第六電容具有相同電容值。
8. 如請求項7所述之高頻式充磁裝置，該第一開關、第二關關、第三開關皆為功率電晶體。
9. 如請求項8所述之高頻式充磁裝置，該整流電路為一全橋整流電路。