CN115769674A - 电阻液体加热器 - Google Patents

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Abstract

描述了一种液体加热器，包括用于接收液体的腔室、位于腔室内用于向液体施加电流的电极对、用于连接到电源的输入端子、用于将电极对连接到输入端子的多个开关、以及用于控制开关的控制单元。这些开关具有多个不同的状态，用于选择性地以多个电极配置之一将电极对连接到输入端子，在每个电极配置中，电极具有不同的总电阻。当在具有第一总电阻的第一电极配置和具有第二较低总电阻的第二电极配置之间切换时，控制单元控制开关，使得电极配置之间的切换响应于电源电压的过零点而发生。附加地或替代地，控制单元控制开关，使得第一电极配置的电极用具有第一占空比的电压来激励，第二电极配置的电极用具有第二较高占空比的电压来激励。

Description

电阻液体加热器
技术领域
本发明涉及一种采用电阻加热来加热液体的液体加热器。
背景技术
液体加热器可以采用电阻加热，也称为焦耳加热或欧姆加热，来提供液体的瞬时加热或按需加热。当液体通过加热器时，电极向液体施加电流，使液体加热。
发明内容
本发明提供了一种液体加热器，包括：用于容纳液体的腔室；位于腔室内用于向液体施加电流的电极对；用于连接到电源的输入端子；多个开关，用于将电极对连接到输入端子；以及用于控制开关的控制单元，其中：开关具有多个不同的状态，用于选择性地以多个电极配置之一将电极对连接到输入端子，电极在每个电极配置中具有不同的总电阻；并且当在具有第一总电阻的第一电极配置和具有第二较低总电阻的第二电极配置之间切换时，控制单元控制开关，使得：(i)响应于电源电压的过零点，在电极配置之间进行切换；和/或(ii)用具有第一占空比的电压激励第一电极配置的电极，用具有第二较低占空比的电压激励第二电极配置的电极。
通过具有不同的电极配置，每个电极配置具有不同的总电阻，可以实现相对高的热保真度。
加热器可以用于加热具有宽范围电导率的液体。通过具有许多不同的电极配置，可以更好地控制这种液体的加热。例如，可以根据液体的电导率选择电极配置，使得可以实现相同或相似的加热水平，而与电导率无关。
由于总电阻的变化，两个电极配置之间的切换可能会将显著的谐波引入从电源汲取的电流中。因此，控制单元可以在电源电压的过零点或其附近在电极配置之间切换。当电源电压为零或接近零时，通过切换电极配置，可以显著减少电流谐波。附加地或替代地，当在不同电极配置之间切换时，控制单元可以改变所施加电压的占空比，以便减小电输入功率的差值。更具体地，当在具有较高总电阻的第一电极配置和具有较低总电阻的第二电极配置之间切换时，控制单元可以用具有较低占空比的电压激励第二配置的电极。因此，两个电极配置之间的电输入功率的差值减小，并且因此在配置之间切换时引入到电流中的任何谐波可以减小。通过减少从电源汲取的电流中的谐波含量，可以使用具有较小阻抗的滤波器。
液体加热器可以包括至少六个电极配置。更具体地，液体加热器可以包括至少十三个电极配置。因此，可以实现对液体加热的改进控制。特别地，通过具有至少六个电极配置，每个电极配置具有不同的总电阻，可以实现更高的热保真度。
每个电极对具有不同的电阻。因此，总电阻不同的更多数量的电极配置是可能的，并且因此可以实现更精细的热控制。
电极对的电阻可以具有最大值Rmax和最小值Rmin，其中Rmax/Rmin至少为10。因此，可以实现各种电极配置的总电阻的相对宽的动态范围。
电极配置的总电阻可以具有最小值RTmin和最大值RTmax。此外，任何两个排序的电极配置的总电阻的差值可以具有Rmaxdiff的最大值。则RTmax/RTmin可以至少为20，并且Rmaxdiff/(RTmax-RTmin)可以不大于35％。这就在总电阻的动态范围(RTmax/RTmin)和分辨率(Rmaxdiff)之间提供了相对较好的平衡。特别地，加热器具有至少20的动态范围，同时确保任何两个排序配置之间的总电阻差值不大于总范围的35％。
两个排序的电极配置应当理解为当对总电阻进行排序时两个连续的电极配置。
控制单元可以控制开关，使得电极在每个配置中被施加交流电压。因此，可以避免电极的电解。
开关可以具有第一状态和第二状态，在第一状态下，电极由正电压激励，在第二状态下，电极由负电压激励。控制单元可以以至少300kHz的切换频率在第一状态和第二状态之间切换开关。因此，电极被频率至少为150kHz的交流电压激励。通过以如此高的频率激励电极，可以使用更小的电极来输送相同的电能，而不会发生电解。因此，加热器可以获得更高的功率密度。
电源可以提供交流电压，并且控制单元可以控制开关，使得在至少一个设置中，电极仅在交流电压的每第N个半周期期间被激励，其中N至少为2。因此，可以实现更高的热保真度。例如，控制单元可以包括第一设置，其中电极在每个第二半周期(N＝2)期间被激励，而不是交流电压的每个半周期。因此，该电极配置的电输入功率将减半。类似地，控制单元可以包括第二设置，其中电极在每个第三半周期(N＝3)期间被激励。因此，该电极配置的电输入功率将是三分之一。因此，更宽范围的电输入功率以及更宽范围的加热速率是可能的。
电源可以提供交流电压，并且控制单元可以控制开关，使得在至少一个设置中，电极仅在交流电压的每个半周期的一个或多个部分期间被激励。因此，可以实现更高的热保真度。特别地，通过仅在每个半周期的部分期间激励电极，可以实现较低的电输入功率。此外，可以通过改变这些部分的尺寸或长度来调整电输入功率。
液体加热器可以包括用于感测液体温度的温度传感器，并且控制单元可以控制开关，以便基于液体温度和温度设定点选择电极配置。特别地，控制单元可以响应于液体温度和温度设定点之间的较大差值，选择具有较低总电阻的电极配置。因此，可以实现良好的热控制。例如，在液体温度和设定点之间的差值大的情况下，控制单元可以选择具有较低总电阻的电极配置。相反，在液体温度和设定点之间的差值很小的情况下，控制单元可以选择具有较高总电阻的电极配置。因此，可以实现液体的快速而精确的加热。
液体加热器可以包括用于感测液体温度的温度传感器，并且控制单元可以控制开关，使得电极被具有由液体温度和温度设定点限定的占空比的电压激励。通过用具有可变占空比的电压激励电极，可以实现对液体温度的更精细控制。具体而言，改变占空比可以用于实现介于两种电极配置之间的电输入功率。因此，可以实现更高的热保真度。
控制单元可以控制开关，使得电极被具有不小于70％的可变占空比的电压激励。如前一段所述，占空比可以变化，以便获得更高的热保真度。此外，如上所述，当在电极配置之间切换时，电极可以用具有不同占空比的电压来激励，以减少电流谐波。用占空比小于100％的电压激励电极会引入一段时间，在此期间没有电压施加到电极上，因此电极不会从电源汲取电流。然而，通过确保占空比不小于70％，可以使用相对低阻抗的滤波器来实现对加热的相对良好的控制。
电源可以提供交流电压，并且开关可以是双向开关。这样做的优点是，不管电源的极性如何，电极都可以用交流电压激励。此外，可以用频率高于电源电压频率的交流电压来激励电极，而不需要提供AC-DC级或PFC电路。
电源可以提供具有第一频率的交流电压，并且控制单元可以控制开关，使得电极被具有第二较高频率的交流电压激励。因此，尽管电源电压的频率较低，也可以避免电解。第一频率可以不大于60Hz，第二频率可以不小于150kHz。因此，具有较小电极的加热器可以由市电电源供电(其通常具有50Hz或60Hz的频率)，然而通过以超过150kHz的频率激励可以避免电解。
附图说明
现在将参考附图通过示例的方式描述实施例，其中：
图1是液体加热器的框图；
图2是加热器的电路图；
图3示出了加热器的每个开关的可能状态；
图4是详细说明各种激励状态的表格，其中加热器的电极以不同的配置激励；
图5是详细说明加热器的每个电极配置的总电阻的表格；
图6示出了当在图4的激励状态1和2之间切换时加热器开关的状态转换序列；
图7是示出图5的电极配置的总电阻行为的曲线图；
图8详细说明了加热器的各种功率设置；
图9示出了加热器电极的基极电阻的变化如何影响动态范围(上图)和两个电极配置之间的总电阻的最大差值(下图)；和
图10是详细说明对于具有不同基极电阻的电极，两种电极配置之间的总电阻、动态范围以及总电阻的最大和平均差值的表格。
具体实施方式
图1和2的液体加热器10包括腔室20、电极30和控制系统40。
腔室20接收待加热的液体，并包括入口21和出口22，液体通过入口21和出口22进入和离开腔室20。
电极30包括位于腔室20内的三对电极E1-E3。每对电极30限定了通道，当液体从腔室20的入口21流向出口22时，液体通过该通道。第一对电极E1位于第二对电极E2的上游，第二对电极E2又位于第三对电极E3的上游。因此，液体首先在第一对电极E1之间通过，接着是第二对电极E2，最后在第三对电极E3之间通过。
每对电极30具有不同的电阻，也就是说，当腔室20充满液体时，一对电极(例如E1)的电阻将不同于另外两对电极(例如E2和E3)的电阻。不同的电阻可以通过具有不同横截面积和/或分隔距离的电极来实现。
控制系统40包括输入端子41、滤波器42、转换器43、温度传感器44、电流传感器45、过零检测器46和控制单元47。
输入端子41可以连接到提供交流电压的电源50，例如市电电源。
滤波器42包括电感器L1和电容器C1，它们衰减从电源50汲取的电流中的高频谐波。
转换器43包括并联连接在输入端子41两端的多个桥臂60。因此，每个桥臂60可以说包括连接到一个输入端子41的第一端61，以及连接到另一个输入端子41的第二端62。每个桥臂60包括一对开关Sn(例如S1和S2)和位于两个开关之间的节点63。
每个桥臂48的开关Sn是双向的。如图3所示，每个开关Sn有四种可能的状态：(1)断开，其中开关在任一方向上都不导通；(2)闭合，其中开关在两个方向都导通；(3)二极管模式#1，其中开关仅在一个方向上导通(例如B->A)；以及(4)二极管模式#2，其中开关仅在另一个方向上导通(例如A->B)。因此，可以在两个方向上控制每个开关Sn，也就是说，可以使每个开关在一个或两个方向上导通和不导通。因此，开关Sn不同于例如具有体二极管的MOSFET或具有反并联二极管的IGBT，后者虽然能够在两个方向上导通，但只能在一个方向上不导通。开关Sn是氮化镓开关，其具有相对较高的击穿电压，因此非常适合在市电电压下工作。此外，氮化镓开关能够具有相对较高的切换频率，其优点将在下文详述。然而，可以替代地使用能够在两个方向上被控制的其他类型的双向开关。
转换器43包括用于每对电极(例如E1)的各自的桥臂(例如S1和S2)，以及所有电极对30共用的公共桥臂(例如S7和S8)。在该特定实施例中，加热器10包括三对电极30，因此转换器43总共包括四个桥臂60。
对于每对电极(例如E1)，第一电极(例如E1a)连接到其相应桥臂(例如S1和S2)的节点63，第二电极(例如E1b)连接到公共桥臂(例如S7和S8)的节点63。因此，转换器43和电极30类似于三相四线Y形连接系统。
开关Sn具有多个不同的状态，用于选择性地激励一对或多对电极E1-E3(即施加电压)。
图4详细说明了用于激励不同电极配置的开关Sn的各种状态。在图4中，“//”表示并联连接，而“+”表示串联连接。因此，例如，电极配置“(E1//E2)+E3”应当被理解为意味着第一对电极E1和第二对电极E2并联连接，然后该并联组与第三对电极E3串联连接。
从图4中可以看出，有两种状态用于激励每个电极配置的电极：一种状态是正电压施加到电极，另一种状态是负电压施加到电极。图4中所施加电压的极性基于转换器43上部线路上的正电源电压；当然，如果上部线路上的电源电压为负，极性将会反转。
如果施加到第一电极(例如E1a)的电压是正的，则可以说正电压被施加到一对电极(例如E1)。因此，在图4中，所施加电压的极性指的是施加到所列电极对中的第一个电极对以及与第一个列出的电极对并联的任何电极对的极性。然而，施加到与第一个列出的电极对串联连接的电极对的电压将具有相反的极性。因此，当提到激励选定的电极对时，应当理解，电极对可以用相同或相反极性的电压激励。
图4的表格中列出了十三种不同的电极配置。每个电极配置具有不同的总电阻。图5详细说明了每种电极配置的总电阻。图5的总电阻基于第一对电极E1的65Ω、第二对电极E2的500Ω和第三对电极E3的1000Ω的基极电阻。虽然本文提到了具有特定基极电阻的电极或具有特定总电阻的电极配置，但是应当理解，电阻是由电极之间的液体产生的，并且电极本身具有相对较低的(理想情况下为零)电阻。
当选定配置的电极30被激励时，作为热量耗散在液体中的电输入功率取决于电极配置的总电阻。更具体地，对于给定的电源电压(例如RMS电压)，电输入功率与电极配置的总电阻成反比。因此，通过选择较低电阻的电极配置，从电源50汲取较高的电输入功率，从而可以实现较高水平的加热。
温度传感器44感测腔室20的出口22处的液体温度，并向控制单元47输出信号TEMP。在该特定示例中，温度传感器44包括热敏电阻RT1。
电流传感器45感测从电源50汲取的电流，并向控制单元47输出信号I_AC。在该特定示例中，电流传感器45包括电流换能器CT1，例如电流互感器或霍尔效应传感器。
过零检测器46感测电源50的电压VAC中的过零，并向控制单元47输出信号Z_CROSS。在这个特定的示例中，过零检测器46包括一对钳位二极管D1，D2。
控制单元47负责控制加热器10的操作。控制单元47接收设定点温度T_SET，以及由温度传感器44、电流传感器45和过零检测器46输出的信号。作为响应，控制单元47向转换器43输出控制信号，用于控制开关Sn的状态。
控制单元47基于液体的温度和温度设定点选择电极配置。然后，控制单元47向转换器43输出控制信号，以便根据所选择的电极配置来激励电极。控制单元47可以采用各种控制算法来选择电极配置。在一个示例中，控制单元47可以最初仅基于设定点温度T_SET来选择电极配置。如果液体的温度TEMP随后超过设定点温度或稳定在低于设定点温度的值，则控制单元47可以基于温度差选择不同的电极配置。在另一个示例中，控制单元47可以基于液体温度(或温度设定点)和液体温度与温度设定点之间的温差来选择电极配置。因此，控制单元47选择具有总电阻的电极配置，该总电阻不仅取决于液体和设定点之间的温差，还取决于液体的开始(或结束)温度。在另一个示例中，控制单元47可以使用PID控制或其他反馈机制的形式，以便基于液体的温度和温度设定点来选择电极配置。
如上所述，每个电极配置有两种激励状态：一种是正电压+VAC施加到电极30，另一种是负电压-VAC施加到电极30。当激励每个电极配置的电极30时，控制单元47在这两种激励状态之间切换，使得电极30被交流电压激励。此外，控制单元47以至少300kHz的切换频率在状态之间切换。因此，电极30被至少150kHz的交流电压激励；这比电源50的频率高得多，对于市电电源，电源50的频率通常为50Hz或60Hz。通过用如此高频率的交流电压激励电极30，可以使用较小的电极加热液体，而不发生电解，这将在下面解释。
对于每个电极(例如E1a)，在电极和液体之间的界面处产生双层电容。该双层的电容根据电极的材料和表面积而变化。对于给定的电极材料，由于与液体的接触面积较小，电容随着表面积的减小而减小。双层电容两端的电压是双层电容和施加电压频率的函数。因此，随着电极尺寸的减小，电容减小，电极两端的电压增加。当电极两端的电压超过液体的分解电位时，就会发生电解。一般认为，当电极以50Hz或60Hz的频率激励时，即以市电电源的频率激励时，电解不会发生。事实上，通过适当的电极尺寸，这是正确的。然而，通过以高得多的频率(例如，至少300kHz)激励电极，可以使用小得多的电极向液体传递相同的加热功率。因此，可以实现功率密度更大的加热器10。
开关Sn是双向开关。因此，交流电压可以被施加到电极30，而与电源电压VAC的极性无关。这些开关是氮化镓开关，它们不仅能够在这些相对高的切换频率(即至少300kHz)下工作，而且在这些频率下具有相对低的开关损耗。
当在每个电极配置内的激励状态之间切换时，或者当在两个电极配置之间切换时，控制单元47控制开关Sn的状态，以便避免直通，同时还为任何感应电流提供路径。图6示出了当在图4的激励状态1和2之间切换时的状态转换序列。该序列在图6(a)中开始，开关S1和S8闭合，使得正电压被施加到第一电极对E1。该序列移动到图6(b)，其中开关S1和S8继续闭合，使得正电压继续施加到电极对E1。然而，开关S2和S7现在被置于二极管模式。更具体地，G1被接通，G2被断开，使得开关S2、S7都在图6(b)所示的方向上导通。该序列移动到图6(c)，其中开关S1和S8断开。此时，没有电压施加到电极对E1上(即电极不再被激励)。S2和S7继续处于二极管模式，提供感应电流流动的路径，如图6(c)中的箭头所示。该序列在图6(d)中结束，其中开关S2和S7闭合，使得负电压被施加到电极对E1。
在图6所示的示例中，有一段时间，通常称为停滞时间，在此期间没有电流从电源50流出。在图6的示例中，这发生在开关Sn处于图6(c)所示的状态时。这个持续时间相对较短的停滞时间在从电源50汲取的电流中引入了相对高频的纹波。然后，滤波器41衰减该高频纹波。由于停滞时间的持续时间相对较短，滤波器41能够使用相对低阻抗的部件(例如L1和C1)来衰减高频纹波，从而减小控制系统40的尺寸和成本。
当在两种电极配置之间切换时，总电阻可能会有显著变化。即使在总电阻排序的两个相邻电极配置之间切换时，这也可能是正确的。例如，在图5的表中，任何两个相邻排序的电极配置之间的总电阻的最大差值是435Ω(当在配置9和10之间以及在配置12和13之间切换时出现)。因此，在两个电极配置之间切换可能会将显著的谐波引入从电源50汲取的电流中。因此，控制单元47在由过零检测器46感测的电源电压VAC的过零点处在两个电极配置之间切换。当电源50的电压为零或接近零时，通过改变电极配置，由电极30的总电阻的突然变化引起的谐波含量可以显著减少。因此，可以实现电极配置的改变，而不会显著增加滤波器41的阻抗。可以想象，控制单元47可以在任何时候改变电极配置，并且所产生的谐波可以被滤波器41衰减。然而，这将要求滤波器41的阻抗显著增加。作为进一步的替代，当在两个电极配置之间改变时，控制单元47可以用占空比小于100％的电压激励电极30；这将在下面更详细地描述。
加热器10具有十三种不同的电极配置，每一种都具有不同的总电阻。通过具有相对大量的电极配置，每个电极配置提供不同的电输入功率，可以实现相对高的热保真度。此外，通过具有大量的电极配置，可以实现总电阻(从而电输入功率)的相对宽的动态范围，同时确保两个排序的电极配置之间的总电阻的平均和/或最大差值不会过大。例如，对于图5的电阻，电极30的总电阻范围从54Ω到1500Ω，这对应于28∶1的动态范围。然而，总电阻的平均和最大差值分别为121Ω和435Ω，相当于总范围的8％和30％。
通过提供公共桥臂(例如S7和S8)，大量的电极配置成为可能。没有公共桥臂时，加热器10将只有六种不同的配置；这些在图5中用*表示。除了更少数量的电极配置之外，如果没有公共桥臂，动态范围将显著降低。具体而言，使用图5的电阻，动态范围将从28：1(即54Ω至1500Ω)降至4：1(398Ω至1500Ω)。此外，任何两个相邻排序的电极配置之间的总电阻的平均和最大差值将分别从121Ω增加到220Ω和从435Ω增加到493Ω。通过仅提供两个额外的开关，电极配置的总数增加了一倍以上，动态范围显著增加，并且可以减小任何两个相邻排序的配置之间的总电阻的平均和最大差值。
图7示出了使用图5的值的各种电极配置的总电阻的行为。可以看出，配置4和5(268Ω)、9和10(435Ω)以及12和13(435Ω)之间的总电阻有显著变化。仅考虑配置4和5，总电阻从65Ω跃升至333Ω。这代表了电输入功率的显著变化。例如，如果电源电压的RMS值为230V，电输入功率将从配置4中的814W变为配置5中的159W。可能希望在这两个值之间的电输入功率下加热液体。这将对液体的温度提供更好的控制(即更好的分辨率/更高的保真度)。
实现交流电输入功率的一种方法是在电源电压VAC的每第N个半周期期间激励电极30。例如，通过在电源电压的每第二个半周期而不是每半个周期给电极30供电，该特定电极配置的电输入功率将减半。因此，为了获得在电极配置4(814W)和5(159W)之间的值的电输入功率，控制单元47可以激励配置编号1的电极：(i)在每第二个半周期(N＝2)期间，以便获得490W的电输入功率；(ii)在每三个半周期(N＝3)期间，以获得327W的电输入功率；(iii)在每四个半周期(N＝4)期间，以获得245W的电输入功率；以及(iv)在每第五个半周期(N＝5)期间，以便获得196W的电输入功率。
图8详细描述了加热器10的各种功率设置。对于每个功率设置，控制单元47采用特定的电极配置，并在电源电压VAC的每第N个半周期期间激励电极30。所列的电气输入功率值基于电源电压的RMS值230V。可以看出，通过选择不同的电极配置和通过改变激励的长度(即通过改变N的值)，大范围的不同电输入功率是可能的。特别地，不是像先前的情况那样输入功率从814W(功率设置4)跳到159W(功率设置9)，加热器10现在能够输入490W、327W、245W和196W的功率(功率设置5到8)。
实现交流电输入功率的另一种方法是仅在电源电压VAC的每个半周期的一部分期间激励电极30。例如，在电源电压过零之后，控制单元47可以在激励电极30之前等待一段时间。控制单元47继续激励电极30，直到下一个过零点，之后控制单元47在激励电极30之前再次等待一段时间。通过调整过零点和激励开始之间的时间段，控制单元47能够调整电输入功率。以这种方式控制激励可能会增加电流波形中的谐波含量。然而，由于电流波形的削波形状，最大的增加可能是在低阶谐波中，对于这种情况，规定通常更宽容。因此，随着滤波器41阻抗的适度增加，谐波可以被衰减到通过规定的水平。除了延迟激励的开始，控制单元47可以在下一个过零点之前停止激励。特别地，控制单元47可以在下一个过零点之前停止激励，停止时间与用于延迟激励开始的时间相同。因此，电流波形的形状更加对称，从而可以降低谐波的幅度。在另一个示例中，控制单元47可以在每个半周期的开始和结束时激励电极，并且在半周期的中间部分期间暂停激励，在该中间部分，电源电压的幅度最大。这样做，可以在激励的较短暂停时间内实现电输入功率的较大降低。通过暂停激励较短的时间，可以减少电流波形中的谐波含量。控制单元47可以采用不同的激励模式，以便实现电输入功率的给定降低，同时还最小化电流谐波的幅度。
实现交流电输入功率的另一种方法是用具有可变占空比的电压激励电极30。也就是说，激励电极的时间周期可以小于循环时间的100％。例如，通过用占空比为70％的电压激励电极30，该特定电极配置的电输入功率大约减半。用占空比小于100％的电压激励电极30不可避免地引入了一段时间，在此期间没有电压施加到电极30上，因此没有电流从电源50流出。因此，谐波被引入到电流波形中，然后必须被滤波器41滤波。随着所施加电压的占空比减小，谐波含量的幅度增加，因此滤波器41所需的阻抗增加。因此，控制系统47可以用占空比不小于70％的电压激励电极30。因此，相对较低阻抗的滤波器41可以实现相对较好的热控制。
控制单元47可以采用两种或多种上述方法，以便获得不同的电输入功率。例如，在图8中，功率设置4的电输入功率为814W，功率设置5的电输入功率为490W。同样，可能希望在这两个值之间的电输入功率下加热液体。因此，控制单元47可以选择功率设置4，并以小于100％的占空比给电极30激励，以便实现这两个值之间的电输入功率。例如，通过以90％或80％的占空比激励电极30，可以实现659W和521W的电输入功率。在另一个示例中，控制单元47可以最初增加占空比，以便降低特定电极配置内的电输入功率。然而，当占空比达到70％时，控制单元47可以采用不同的激励模式(例如，每第N个半周期激励或者仅在每个半周期的一部分期间激励)，以便实现电输入功率的进一步降低。通过采用不同方法的组合，可以实现更高的热保真度。
可以想象，加热器10可以采用具有最低总电阻(例如54Ω)的单电极配置，并且控制单元47可以控制所施加电压的占空比，以便实现电输入功率的所有其他值。然而，对于相同范围的电输入功率，控制单元47将需要采用相对较大范围的占空比。例如，为了实现与图8所示相同的电输入功率范围，占空比需要在100％(980W)到19％(35W)之间变化。然而，19％的占空比需要阻抗相当大的滤波器。相反，通过在许多不同的电极配置之间切换，改变激励模式(例如，每第N个半周期激励或仅在每个半周期的一部分期间激励)，并用具有不小于70％的可变占空比的电压激励电极，可以用较低阻抗的滤波器41实现相似水平的热保真度。
如上所述，当在两种电极配置之间改变时，总电阻可能会有显著变化。因此，控制单元47仅响应于电源电压VAC的过零点而在电极配置之间切换。因此，可以实现电极配置之间的切换，而不需要显著增加滤波器41的阻抗。附加地或替代地，控制单元47可以改变所施加电压的占空比，以便在不同电极配置之间切换时减小电输入功率的差值。更具体地，当在具有较高总电阻的第一电极配置和具有较低总电阻的第二电极配置之间切换时，控制单元47可以用具有较低占空比的电压激励第二配置的电极30。因此，两种电极配置之间的电输入功率的差值减小。因此，在配置之间切换时引入到电流中的谐波可以减少，因此可以使用阻抗更小的滤波器41。也就是说，与控制单元47仅响应于电源电压VAC的过零点而在不同配置之间切换的方案相比，仍然需要更高阻抗的滤波器。然而，阻抗的增加可以相对适度，可以省略过零检测器47，并且控制单元47可以在任何时候在电极配置之间切换。
图9示出了对图5的电极对的基极电阻的调整如何影响动态范围(上图)和两个相邻排序的电极配置之间的总电阻的最大差值(下图)。可以看出，在这些值下，第一对电极E1和第三对电极E3的电阻对动态范围具有最大的影响。还可以看出，第一对电极E1的电阻对最大差值几乎没有影响。此外，第二对电极E2的电阻的任何变化，无论是增加还是减少，都只会增加峰值差。已经发现，通过确保第二对电极E2的电阻大约是第三对电极E3的电阻的一半，即0.45≤R2/R3≤0.55，可以实现动态范围和峰值差之间的良好平衡。
图10示出了具有不同基极电阻的电极30的总电阻。可以看出，通过确保第三对电极E3的电阻至少是第一对电极E1的电阻的十倍，即R3/R1至少为10，可以实现相对宽的动态范围(即大约20:1或更大)。
利用上述加热器，有可能实现相对较宽的动态范围，同时还确保任何两个排序配置之间的总电阻差值不会过大。特别地，如果电极配置的总电阻具有最小值RTmin和最大值RTmax，并且如果任意两个排序配置之间的总电阻差值具有最大值Rmaxdiff，则有可能实现其中RTmax/RTmin至少为20(即动态范围至少为20:1)并且Rmaxdiff/(RTmax-RTmin)不大于35％(即两个排序配置之间的最大差值不大于动态范围的35％)的布置。
对于上述控制系统，并非所有可能的电极配置排序都是可能的。特别是不能配置开关实现以下配置：(E1+E2)//E3，(E1+E3)//E2，(E2+E3)//E1和E1+E2+E3。虽然需要额外的配置，但是这些不存在的配置中的一些可能具有与现有配置相似的总电阻。比如(E1+E2)//E3很可能和E1//E3有相似的总电阻值，(E1+E3)//E2很可能和E1//E2有相似的总电阻值。可以想象，可以通过向转换器添加两个或更多附加开关来获得一个或多个缺少的配置。然而，对于相同数量的开关，通过具有四对电极和五个桥臂，可以实现更多数量的电极配置。利用这种特定的布置，开关可以被配置为选择性地以36种可能的电极配置中的一种来激励电极。
加热器10可能需要加热不同电导率的液体。例如，自来水的导电率在不同国家之间，甚至在同一个国家的不同地区之间都有很大差值。每对电极E1-E3的基极电阻以及每个电极配置的总电阻将取决于液体的电导率。特别地，对于较低电导率的液体，每个电极配置的总电阻将较高，因此电输入功率将较低。相反，对于较高电导率的液体，每个电极配置的总电阻将较低，因此电输入功率将较高。因此，在加热器10需要加热不同电导率的液体的情况下，电导率的显著变化可能使得难以实现液体的快速和精确加热。因此，控制单元47可以选择另外基于液体电导率的功率设置或电极配置，以便实现更好的热控制。有各种方法可以实现这一点。例如，在安装加热器10之后，控制单元47可以基于设定点温度T_SET选择功率设置(即，电极配置、激励模式和/或电压占空比)。对于标称电导率的液体，选定的功率设置应使液体被加热到设定点温度。然而，如果液体的温度TEMP超过设定点温度或者稳定在低于设定点温度的值，控制单元47可以调整功率设置(例如，不同的电极配置、激励模式和/或电压占空比)直到达到设定点温度。对功率设置的这种调整然后可以由控制单元47存储。当随后接收到不同的设定点温度时，控制单元47可以再次选择功率设置(基于标称电导率的液体)，然后将存储的调整应用于所选择的功率设置。这种特殊类型的控制相对简单，非常适合液体电导率恒定但未知的应用(例如自来水供应)。在另一个示例中，控制单元47可以利用电流传感器45，该电流传感器45主要由控制单元47用来监控和避免过大的电流。对于给定的电源电压，加热器10汲取的电流与电极配置的总电阻成正比。因此，控制单元47可以使用电流测量来间接测量液体的电导率。例如，控制单元47可以选择基于设定点温度的功率设置，然后基于从电源50汲取的电流的大小调节功率设置。
在上述示例中，加热器10包括三对电极E1-E3。然而，加热器10可以包括任意数量的电极对。转换器43包括用于每对电极的相应桥臂，以及所有电极对共用的公共桥臂。
如已经提到的，提供公共桥的优点在于，它显著增加了电极配置的数量，以及总电阻的动态范围。然而，尽管有这些优点，可能有一些应用并不需要具有这样多的电极配置和/或宽的动态范围。在这种情况下，公共桥可以被省略。
在每个电极配置中，控制单元47控制转换器43的开关Sn，使得电极30被频率至少为150kHz的交流电压激励。如上所述，通过用如此高频率的交流电压激励电极30，可以使用较小的电极加热液体，而不会发生电解。根据电极的材料和尺寸，以及所施加电压的大小，可以在较低频率下避免电解。然而，通过用频率至少为150kHz的交流电压激励电极，可以在市电电压下实现电极尺寸的显著减小。
转换器43包括双向开关。此外，控制单元控制开关Sn，使得电极30由非连续的或未调节的电功率激励。更具体地，从电源50汲取的电输入功率具有正弦平方波形。因此，控制系统40作为直接AC/AC转换器操作，并且能够用高频交流电压激励电极30，而不需要整流电源电压，或者提供AC到DC级、主动功率因数校正或能量存储。
上述加热器10旨在与提供AC电压的电源50一起使用。然而，加热器10同样可以与提供DC电压的电源50一起使用。控制单元47继续控制转换器43的开关Sn，使得每种配置的电极30由交流电压激励。因此，转换器43继续包括用于每对电极的相应桥臂。然而，由于电源电压不再是交变的，而是极性不变，因此开关Sn不必是双向的。因此，转换器43的开关可以是传统的MOSFETs或IGBTs。
在上述示例中，控制系统40包括温度传感器44，其用于感测液体的输出温度。控制单元47然后使用该温度测量来选择或调整功率设置或电极配置。如上所述，控制单元47也可以使用电流传感器45的输出来选择或调整功率设置或电极配置。控制系统40可以包括额外的传感器，控制单元47可以使用这些传感器来选择或调整功率设置或电极配置。例如，控制系统40可以包括附加的温度传感器，用于测量腔室内各点的液体温度，或者包括流量传感器，用于测量流经腔室20的液体的流速。此外，控制系统40可以包括流量阀或其他用于控制移动通过腔室20的液体的流速的器件。
虽然至此已经描述了特定的实施例，但是应当理解，在不脱离由权利要求限定的本发明的范围的情况下，可以进行各种修改。

Claims (15)

1.一种液体加热器，包括：
腔室，用于接收液体；
电极对，位于所述腔室内用于向液体施加电流；
输入端子，用于连接到电源；
多个开关，用于将所述电极对连接到输入端子；和
控制单元，用于控制所述开关，
其中：
所述开关具有多个不同的状态，用于选择性地以多个电极配置之一将所述电极对连接到所述输入端子，在每个电极配置中，电极具有不同的总电阻；并且
当在具有第一总电阻的第一电极配置和具有第二较低总电阻的第二电极配置之间切换时，控制单元控制开关使得：
(i)电极配置之间的切换响应于电源电压的过零点而发生；和/或
(ii)用具有第一占空比的电压激励第一电极配置的电极，用具有第二较高占空比的电压激励第二电极配置的电极。
2.根据权利要求1所述的液体加热器，其中，所述液体加热器包括至少六个电极配置。
3.根据权利要求1或2所述的液体加热器，其中，每个电极对具有不同的电阻。
4.根据前述权利要求中任一项所述的液体加热器，其中，所述电极对的电阻具有最大值Rmax和最小值Rmin，其中Rmax/Rmin至少为10。
5.根据前述权利要求中任一项所述的液体加热器，其中，电极配置的总电阻具有最小值RTmin和最大值RTmax，并且任意两个排序的电极配置的总电阻之差具有最大值Rmaxdiff，其中RTmax/RTmin至少为20，并且Rmaxdiff/(RTmax-RTmin)不大于35％。
6.根据前述权利要求中任一项所述的液体加热器，其中，所述控制单元控制所述开关，使得在每个配置中，所述电极由交流电压激励。
7.根据权利要求6所述的液体加热器，其中，所述开关具有第一状态和第二状态，在第一状态下所述电极由正电压激励，在第二状态下所述电极由负电压激励，所述控制单元以至少300kHz的切换频率在所述第一状态和所述第二状态之间切换所述开关。
8.根据前述权利要求中任一项所述的液体加热器，其中，所述电源供应交流电压，并且所述控制单元控制所述开关，使得在至少一个设置中，所述电极仅在所述交流电压的每第N个半周期期间被激励，其中N至少为2。
9.根据前述权利要求中任一项所述的液体加热器，其中，所述电源供应交流电压，并且所述控制单元控制所述开关，使得在至少一个设置中，所述电极仅在所述交流电压的每个半周期的一个或多个部分期间被激励。
10.根据前述权利要求中任一项所述的液体加热器，其中，所述液体加热器包括用于感测液体温度的温度传感器，并且所述控制单元控制所述开关，以便基于液体温度和温度设定点来选择电极配置。
11.根据前述权利要求中任一项所述的液体加热器，其中，所述液体加热器包括用于感测液体温度的温度传感器，并且所述控制单元控制所述开关，使得电极由具有由液体温度和温度设定点限定的占空比的电压激励。
12.根据前述权利要求中任一项所述的液体加热器，其中，所述控制单元控制所述开关，使得电极由可变占空比不小于70％的电压激励。
13.根据前述权利要求中任一项所述的液体加热器，其中，所述电源供应交流电压，并且所述开关是双向开关。
14.根据前述权利要求中任一项所述的液体加热器，其中，所述电源供应具有第一频率的交流电压，所述控制单元控制所述开关，使得所述电极由具有第二较高频率的交流电压激励。
15.根据权利要求14所述的液体加热器，其中，所述第一频率不大于60Hz，所述第二频率不小于150kHz。
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