CN104541573A - 感应热发生器和感应式烹饪灶台 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种感应热发生器。这种感应热发生器包括或对应于一个整流电路(10)。整流电路(10)的输入端连接至或可连接至交流电源端子(12)上。四个电容器(C1，C2，C3，C4)在整流电路(10)的两个输出端子之间形成桥式电路。这个桥式电路包括第一电容器串列(C1，C2)和第二电容器串列(C3，C4)。感应线圈(L)互连在该桥式电路的中央。至少两个半导体开关(S1，S2)各自并联连接到至少第一电容器串列(C1，C2)的电容器(C1，C2)之一上。这种感应热发生器包括控制电路模块(14，16，18，20，22)，用于控制这些半导体开关(S1，S2)的控制电极。分流元件(SE)与第一电容器串列(C1，C2)串联连接，其中，所述分流元件(SE)与第一电容器串列(C1，C2)互连于整流电路(10)的这些输出端子之间；并且其中，分流元件(SE)连接至控制电路模块(14，16，18，20，22)的输入端上。此外，本发明涉及一种感应式烹饪灶台，这种感应式烹饪灶台包括至少一个感应热发生器。

Description

感应热发生器和感应式烹饪灶台

本发明涉及一种根据权利要求1的前序部分所述的感应热发生器。此外，本发明涉及一种感应式烹饪灶台，这种感应式烹饪灶台包括至少一个感应热发生器。

在感应式烹饪加热器中使用感应热发生器。图10展示了根据现有技术的一种具有控制电路模块的零电压切换(ZVS)半桥式感应热发生器。所述半桥式感应热发生器包括两个晶体管S1和S2、两个二极管D1和D2、感应线圈L以及四个电容器C1、C2、C3和C4。整流电路10包括四个二极管和另一个电容器。整流电路10被提供用于连接至交流电源端子12上。此外，该感应热发生器包括栅极驱动电路14、微控制器16、功率控制电路18、零交叉检测器20以及高频电流互感器40。图11中示出了感应线圈电流IL、逆变器输出电压VS以及栅极电压VG1和VG2的图。

然而，该感应热发生器不是在单个印刷电路板上实现的。一些集成电路是独立电路。该感应加热发生器的紧凑安排是不可能的。

本发明的一个目的是提供一种改进的感应热发生器，该感应热发生器允许对其部件进行紧凑安排。

本发明的目的是通过根据权利要求1所述的感应热发生器实现的。

根据本发明，分流元件与第一电容器串列串联连接，其中，所述分流元件与第一电容器串列互连于整流电路的这些输出端子之间；并且其中，该分流元件连接至控制电路模块的输入端上。

本发明的主要思想是分流元件与第一电容器串列串联连接。因此，分流元件也与半导体开关串联连接。由于分流元件连接至控制电路模块的输入端上，可以通过控制电路模块来分别检测或估计若干个参数。

具体而言，该感应热发生器是一种半桥式感应热发生器。

优选地，至少两个二极管各自并联连接至这些半导体开关之一上。

此外，控制电路模块可以包括检测电路，用于检测分流元件的电压降。

另外，控制电路模块可以包括微控制器和模数转换器。

优选地，感应热发生器的这些部件都被安排在一个单个印刷电路板上。所述单个印刷电路板有助于感应热发生器的紧凑安排。

具体而言，感应热发生器的这些部件均是表面安装器件(SMD)。

根据本发明的优选实施例，分流元件具有0.01Ω与0.1Ω之间的电阻，具体是0.05Ω。这个低电阻不会干扰感应热发生器的运行。

优选地，该控制电路模块被提供用于估计在切换一个半导体开关与感应线圈电流的后续零交叉之间的相位角延迟。

例如，该控制电路模块被提供用于基于该相位角延迟估计在该感应线圈上方的锅的存在。

此外，该控制电路模块可以被提供用于基于该相位角延迟估计在该感应线圈上方的该锅内的耗散功率。

具体而言，该相位角延迟是基于该感应线圈电流与零值的相交线来估计的。

例如，该相交线是基于该感应线圈电流的至少两个采样点来估计的。

优选地，这些半导体开关是晶体管，具体是绝缘栅双极型晶体管。

最后，本发明涉及一种感应式烹饪灶台，该感应式烹饪灶台包括至少一个以上所提及的感应热发生器。

本发明的新颖性和创造性特征在所附权利要求书中列出。

将参考附图进一步详细地描述本发明，在附图中

图1展示了根据本发明的优选实施例的一种具有控制电路模块的半桥式感应热发生器的电路图，

图2展示了根据本发明的优选实施例的感应热发生器的感应线圈电流、逆变器输出电压、栅极电压以及分流电流的图，

图3展示了根据本发明的优选实施例的感应热发生器的分流电流的图，

图4展示了根据本发明的优选实施例的半桥式感应热发生器的检测电路的详细电路图，

图5展示了根据本发明的优选实施例的感应热发生器的感应线圈电流与分流电压的图，

图6展示了根据本发明的优选实施例的感应热发生器的感应线圈电流与分流电压的图，

图7展示了根据本发明的优选实施例的感应热发生器的感应线圈电流与分流电压的图，

图8展示了根据本发明的优选实施例的感应热发生器的感应线圈电流与分流电压的图，

图9展示了根据本发明的优选实施例的感应热发生器的感应线圈电流与分流电压的图，

图10展示了根据现有技术的半桥式感应热发生器的电路图，以及

图11展示了根据现有技术的感应热发生器的感应线圈电流、逆变器输出电压以及栅极电压的图。

图1展示了根据本发明的优选实施例的一种具有控制电路模块的半桥式感应热发生器的电路图。

这种半桥式感应热发生器包括整流电路10。整流电路10连接至交流电源端子12。适当的半桥式感应热发生器包括第一晶体管S1、第二晶体管S2、第一二极管D1、第二二极管D2、四个电容器C1、C2、C3、C4、感应线圈L以及分流元件SE。控制电路模块包括栅极驱动电路14、微控制器16、功率控制电路18、零交叉检测器20以及检测电路22。晶体管S1与S2可以是MOSFET、IGBT、MCT或SIT。

第一晶体管S1与第二晶体管S2串联连接。第一二极管D1并联连接至第一晶体管S1上。以同样的方式，第二二极管D2并联连接至第二晶体管S2上。此外，第一电容器C1并联连接至第一晶体管S1上。相应地，第二电容器C2并联连接至第二晶体管S2上。换言之，第一晶体管S1、第一二极管D1和第一电容器C1组成了第一组并联元件。以类似的方式，第二晶体管S2、第二二极管D2和第二电容器C2组成了第二组并联元件。第一组、第二组和分流元件SE串联连接。

此外，第一组、第二组和分流元件SE的串列并联连接至第三电容器C3和第四电容器C4的串列上。这个并联安排连接至整流电路10的输出端上。

另外，第一晶体管S1与第二晶体管S2之间的连接点连接至第三电容器C3与第四电容器C4之间的连接点上。感应线圈L的一个端子连接至第一晶体管S1与第二晶体管S2之间的连接点上。感应线圈L的另一个端子连接至第三电容器C3与第四电容器C4之间的连接点上。

检测电路22的输入端连接至第二晶体管S2与分流元件SE的连接点上。检测电路22的输出端连接至功率控制电路18上。零交叉检测器20的输出端也连接至功率控制电路18上。功率控制电路18的输出端连接至微控制器16的输入端上。微控制器16的输出端连接至栅极驱动电路14的输入端上。栅极驱动电路14的两个输出端分别连接至第一晶体管S1和第二晶体管S2的控制电极上。

分流元件SE具有非常低的电阻，例如大约0.05欧姆。因此，对半桥式感应热发生器的特性的影响是相对小的。分流元件SE不会干扰半桥式感应热发生器的运行。具体而言，参数相位角延迟、断开电流和峰值电流可以由检测电路22在分流元件SE上进行检测。这些检测值由检测电路22和/或功率控制电路18为微控制器16进行转换。

图2展示了根据本发明的优选实施例的感应热发生器的感应线圈电流IL、逆变器输出电压VS、第一栅极电压VG1、第二栅极电压VG2以及分流电流IS的图。

感应线圈电流IL、逆变器输出电压VS、第一栅极电压VG1、第二栅极电压VG2以及分流电流IS被同步示出为时间t的函数。

图3展示了根据本发明的优选实施例的感应热发生器的分流电流IS的图。

第一幅图示出了在检测电路22的输入端上的适当分流电流IS。第二幅图示出了具有偏移电压34时的分流电流IS。第三幅图示出了具有相位角延迟28时的分流电流IS。

图4展示了根据本发明的优选实施例的半桥式感应热发生器的检测电路22的详细电路图。检测电路22包括运算放大器30、二极管32、八个电阻器元件R1至R8以及两个电容器C。

跨分流元件SE的电压被施加至电阻器元件R1上并且被电阻器元件R2和R3偏移，从而使得运算放大器30的输入端接收到正值。参照地面34，跨分流元件22的电压反映了感应线圈电流IL的一部分。由电阻器元件R2和R3进行的偏移允许只有正值被运算放大器30所放大并且被微控制器16的AD转换器输入端所读取。

对检测电路22的输出信号I1和I2进行滤波并且将其传输至微控制器16的AD转换器输入端上。例如，输出信号I1和I2被用作锅检测和功率估计的参数。这些参数可以通过感应热发生器的输出与感应线圈电流IL的零交叉之间的相位角延迟的值来获得。相位角延迟可以通过在微控制器16中的AD转换器的特征与软件算法的组合来导出。AD转换可以在周期的相对时间被触发开始。如果该相对时间是以角度给出的，那么完整的周期包括360度。

例如，AD转换器的采样在45°、70°、90°、135°和180°上被触发。所估计的这些参数可以是断开电流、峰值电流和相位角延迟。断开电流是在180°周期时间上的电流。这些采样值中的最大值可以被当作峰值电流。

相位角延迟是断开一个晶体管S1或S2直到感应线圈L中的电流为零之间的时间延迟。相位角延迟也可以被转化为相对于周期时间的相对值。在半个周期内，相对时间由0°与180°之间的值给出。假设每一个半个周期都是对称的，从而使得相位角延迟将始终在90°以下的区间内移动。在实际应用中，相位角延迟的范围是在20°至90°之间。如果没有功率被耗散在负载内，那么相位角延迟将会接近于90°。因此，锅24或26的出现可以通过使用相位角延迟来检测。此外，相位角延迟可以被用于估计锅24或26内的功率耗散。

相位角延迟是通过计算感应线圈电流IL在零上的交叉确定的。使用这些样本值。当已知半桥的性态时，那么可以选择正确的采样值进行这个计算。该计算通过假设两个采样点之间的直线来粗略估计交点。在零处的交点可以通过简单的公式来进行计算。该半桥的状态根据感应线圈L上方的负载和/或锅24或26而发生变化。只有在一方面没有锅24或26并且另一方面状态接近谐振、以及它们之间的状态的情况下，该半桥的状态才会在循环电流之间变化。正确的采样点需要依赖于感应热发生器的状态来进行选择。图的这一部分应该被用于电流斜率(dI/dt)被假定为或可以被假定为接近直线的情况下。在这种情况下，误差相对较小。

图5至图9中示出了发生器状态的示例。

图5展示了根据本发明的优选实施例的感应热发生器的感应线圈电流IL与逆变器输出电压VS的图。该功率是非常高的，并且该状态接近于共振。示出了相交线36。相交线36的采样点在0°和45°上。零交叉点由参考号38来表示。

图6展示了根据本发明的优选实施例的感应热发生器的感应线圈电流IL与逆变器输出电压VS的图。在这种状态下，感应线圈L上方没有锅。零交叉点由参考号38来表示。

图7展示了根据本发明的优选实施例的感应热发生器的感应线圈电流IL与逆变器输出电压VS的图。在这种状态下，功率较低。

图8展示了根据本发明的优选实施例的感应热发生器的感应线圈电流IL与逆变器输出电压VS的图。在这种状态下，出现中低的功率。

图9展示了根据本发明的优选实施例的感应热发生器的感应线圈电流IL与逆变器输出电压VS的图。在这种状态下的功率是中高的。

图10展示了根据现有技术的一种具有控制电路模块的零电压切换半桥式感应热发生器。所述半桥式感应热发生器包括晶体管S1和S2、二极管D1和D2、感应线圈L以及四个电容器C1、C2、C3和C4。整流电路10还包括四个二极管和另一个电容器。整流电路10被提供用于连接至交流电源端子12上。此外，该感应热发生器包括栅极驱动电路14、微控制器16、功率控制电路18、零交叉检测器20以及高频电流互感器40。

图11展示了根据现有技术的感应热发生器的感应线圈电流IL、逆变器输出电压VS以及栅极电压VG1和VG2的图。

尽管本文已经描述了本发明的说明性实施例，但是应该理解的是，本发明并不受限于这种具体实施例，并且在不脱离本发明的范围或精神的情况下，本领域技术人员可以进行各种其他改动和修改。所有这些改变和修改都旨在被包含在由所附权利要求定义的本发明的范围之内。

参考标号列表

10 整流电路

12 交流电源端子

14 栅极驱动电路

16 微控制器

18 功率控制电路

20 零交叉检测器

22 检测电路

24 小负载

26 大负载

28 相位角延迟

30 运算放大器

32 二极管

34 地

36 相交线

38 零交叉

40 高频电流互感器

42 偏移电压

S1 第一晶体管

S2 第二晶体管

D1 第一二极管

D2 第二二极管

C1 第一电容器

C2 第二电容器

C3 第三电容器

C4 第四电容器

L  感应线圈

SE 分流元件

C  电容器

R1 电阻器元件

R2 电阻器元件

R3 电阻器元件

R4 电阻器元件

R5 电阻器元件

R6 电阻器元件

R7 电阻器元件

R8 电阻器元件

IL 感应线圈电流

VS 逆变器输出电压

VG1 第一栅极电压

VG2 第二栅极电压

IS 分流电流

I1 第一输出信号

I2 第二输出信号

Claims (15)

1.一种感应热发生器，其中：

-该感应加热发生器包括或对应于一个整流电路(10)，

-该整流电路(10)的一个输入端连接至或可连接至一个交流电源端子上(12)，

-四个电容器(C1，C2，C3，C4)在该整流电路(10)的两个输出端子之间形成一个桥式电路，

-该桥式电路包括一个第一电容器串列(C1，C2)和一个第二电容器串列(C3，C4)，

-一个感应线圈(L)互连在该桥式电路的中央，

-至少两个半导体开关(S1，S2)各自并联连接到至少该第一电容器串列(C1，C2)的电容器(C1，C2)之一上，并且

-该感应热发生器包括一个控制电路模块(14，16，18，20，22)，用于控制这些半导体开关(S1，S2)的控制电极，

其特征在于

一个分流元件(SE)与该第一电容器串列(C1，C2)串联连接，其中，所述分流元件(SE)与该第一电容器串列(C1，C2)互连于该整流电路(10)的这些输出端子之间，并且其中，该分流元件(SE)连接至该控制电路模块(14，16，18，20，22)的一个输入端上。

2.根据权利要求1所述的感应热发生器，

其特征在于

该感应热发生器是一个半桥式感应热发生器。

3.根据权利要求1或2所述的感应热发生器，

其特征在于

至少两个二极管(D1，D2)各自并联连接至这些半导体开关(S1，S2)之一上。

4.根据以上权利要求中任一项所述的感应热发生器，

其特征在于

该控制电路模块(14，16，18，20，22)包括一个检测电路(22)，用于检测该分流元件(SE)的电压降(VS)。

5.根据以上权利要求中任一项所述的感应热发生器，

其特征在于

该控制电路模块(14，16，18，20，22)包括一个微控制器(16)和一个模数转换器。

6.根据以上权利要求中任一项所述的感应热发生器，

其特征在于

该感应热发生器的这些部件被安排在一个印刷电路板上。

7.根据以上权利要求中任一项所述的感应热发生器，

其特征在于

该感应热发生器的部件均是表面安装器件(SMD)。

8.根据以上权利要求中任一项所述的感应热发生器，

其特征在于

该分流元件(SE)具有0.01Ω与0.1Ω之间的电阻，具体是0.05Ω。

9.根据以上权利要求中任一项所述的感应热发生器，

其特征在于

该控制电路模块(14，16，18，20，22)被提供用于估计在切换一个半导体开关(S1，S2)与一个感应线圈电流(IL)的后续零交叉之间的一个相位角延迟(28)。

10.根据权利要求9所述的感应热发生器，

其特征在于

该控制电路模块(14，16，18，20，22)被提供用于基于该相位角延迟(28)估计在该感应线圈(L)上方的一个锅(24，26)的存在。

11.根据权利要求9或10所述的感应热发生器，

其特征在于

该控制电路模块(14，16，18，20，22)被提供用于基于该相位角延迟(28)估计在该感应线圈(L)上方的该锅(24，26)内的耗散功率。

12.根据权利要求9至11中任一项所述的感应热发生器，

其特征在于

该相位角延迟(28)是基于该感应线圈电流(IL)与一个零值的一条相交线(36)来估计的。

13.根据权利要求12所述的感应热发生器，

其特征在于

该相交线(36)是基于该感应线圈电流(IL)的至少两个采样点来估计的。

14.根据以上权利要求中任一项所述的感应热发生器，

其特征在于

这些半导体开关(S1，S2)是晶体管，具体是绝缘栅双极型晶体管(IGBT)。

15.一种感应式烹饪灶台，

其特征在于

该感应式烹饪灶台包括至少一个根据权利要求1至14任一项所述的感应热发生器。