DE102005038525A1

DE102005038525A1 - Induktionskocheinrichtung mit einstellbarer Heizleistung

Info

Publication number: DE102005038525A1
Application number: DE102005038525A
Authority: DE
Inventors: Sören Kaizik
Original assignee: EGO Elektro Geratebau GmbH
Current assignee: EGO Elektro Geratebau GmbH
Priority date: 2005-08-02
Filing date: 2005-08-02
Publication date: 2007-03-08

Abstract

Eine Induktionskocheinrichtung mit einstellbarer Heizleistung weist einen Resonanzschwingkreis-Wechselrichter (36) in Vollbrückenschaltung und eine zugehörige Steuereinrichtung auf, wobei ein induktiver Teil des Resonanzschwingkreis-Wechselrichters (36) als Induktionsheizspule (54) eines Induktionskochfeldes ausgebildet ist. Die Steuereinrichtung ist derart ausgebildet, dass eine Phasenverschiebung zwischen einem ersten, einer ersten Halbbrücke des Resonanzschwingkreis-Wechselrichters (36) zugeordneten Ansteuersignalpaar (O11, O12) und einem zweiten, einer zweiten Halbbrücke des Resonanzschwingkreis-Wechselrichters (36) zugeordneten Ansteuersignalpaar (O13, O14) in Abhängigkeit von der eingestellten Heizleistung eingestellt wird.

Description

Anwendungsgebiet und Stand der Technik
Die Erfindung betrifft eine Induktionskocheinrichtung mit einstellbarer Heizleistung.

Bei Induktionskocheinrichtung wird eine Induktionsheizspule mit einer Wechselspannung bzw. einem Wechselstrom beaufschlagt, wodurch in einem magnetisch mit der Induktionsheizspule gekoppelten, zu erhitzenden Kochgeschirr Wirbelströme induziert werden. Die Wirbelströme bewirken eine Erhitzung des Kochgeschirrs.

Zur Veränderung der Heizleistung sind unterschiedliche Schaltungsanordnungen und Ansteuerverfahren bekannt. Eine Möglichkeit bildet ein so genannter Resonanzschwingkreis-Wechselrichter in Vollbrückenschaltung, bei dem zwischen zwei so genannte Halbbrücken die Induktionsheizspule und ein Kondensator eingeschleift sind. Die Halbbrücken sind jeweils zwischen eine Versorgungsgleichspannung und ein Bezugspotential eingeschleift. Die Induktionsheizspule und der Kondensator bilden einen Schwingkreis.

Die Halbbrücken werden aus jeweils zwei Schaltmitteln, beispielsweise Transistoren, gebildet. Die Transistoren einer Halbbrücke werden dabei derart angesteuert, dass zu einem Zeitpunkt nur einer der beiden Transistoren leitend ist, da sonst ein Kurzschluss der Versorgungsgleichspannung auftreten würde.

Zur Erzeugung der Wechselspannung an der Induktionsheizspule wird beispielsweise der mit der Versorgungsgleichspannung verbundene Transistor der ersten Halbbrücke und der mit der Bezugsspannung verbundene Transistor der zweiten Halbbrücke durchgeschaltet und anschließend der mit der Bezugsspannung verbundene Transistor der ersten Halbbrücke und der mit der Versorgungsgleichspannung verbundene Transistor der zweiten Halbbrücke durchgeschaltet. Dieser Vorgang wiederholt sich periodisch.

Die Leistungseinstellung erfolgt herkömmlicherweise durch eine Frequenzänderung der Transistor-Ansteuersignale, wobei eine maximale Leistung abgegeben wird, wenn die Ansteuerfrequenz bzw. Arbeitsfrequenz im Bereich einer Resonanzfrequenz des Schwingkreises aus Induktionsheizspule und Kondensator liegt. Mit zunehmender Abweichung der Arbeitsfrequenz von der Resonanzfrequenz nimmt die abgegebene Leistung ab.

Eine derartige Verwendung von Wechselrichtern mit einem Schwingkreis, dessen induktiver Teil eine Induktionsheizspule ist, ist beispielsweise aus der DE 28 36 610 A1 bekannt.

Aufgabe und Lösung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Induktionskocheinrichtung mit einstellbarer Heizleistung zur Verfügung zu stellen, bei der eine einfache, zuverlässige und kostengünstige Realisierung der Leistungseinstellung möglich ist und die eine geringe Störabstrahlung aufweist.

Die Erfindung löst diese Aufgabe durch eine Induktionskocheinrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Vorteilhafte sowie bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der weiteren Ansprüche und werden im folgenden näher erläutert. Der Wortlaut der Ansprüche wird durch ausdrückliche Bezugnahme zum Inhalt der Beschreibung gemacht.

Erfindungsgemäß umfasst die Induktionskocheinrichtung ein erstes ansteuerbares Schaltmittel und ein zweites ansteuerbares Schaltmittel, wobei das erste Schaltmittel und das zweite Schaltmittel in Serie zwischen eine Versorgungsgleichspannung und eine Bezugsspannung eingeschleift sind. Des erste und das zweite Schaltmittel bilden hierbei eine erste Halbbrücke eines Wechselrichters in Vollbrückenschaltung. Eine zweite Halbbrücke des Wechselrichters bilden ein drittes ansteuerbares Schaltmittel und ein viertes ansteuerbares Schaltmittel, wobei das dritte Schaltmittel und das vierte Schaltmittel ebenfalls in Serie zwischen die Versorgungsgleichspannung und die Bezugsspannung eingeschleift sind. Mindestens ein Kondensator und mindestens eine Induktionsheizspule zur induktiven Beheizung eines Kochgeschirrs sind in Serie oder parallel zwischen einen Verbindungsknoten des ersten Schaltmittels und des zweiten Schaltmittels und einen Verbindungsknoten des dritten Schaltmittels und des vierten Schaltmittels eingeschleift, wobei die Induktionsheizspule und der Kondensator einen Schwingkreis bilden. Eine Steuereinrichtung ist derart eingerichtet, dass sie ein erstes rechteckförmiges Ansteuersignal für das erste Schaltmittel, ein zweites rechteckförmiges Ansteuersignal für das zweite Schaltmittel, ein drittes rechteckförmiges Ansteuersignal für das dritte Schaltmittel und ein viertes rechteckförmiges Ansteuersignal für das vierte Schaltmittel erzeugt.

Das erste Ansteuersignal und das zweite Ansteuersignal bilden hierbei ein erstes Ansteuersignalpaar und werden derart erzeugt, dass entweder das erste Schaltmittel oder das zweite Schaltmittel leitend ist. Das dritte Ansteuersignal und das vierte Ansteuersignal bilden ein zweites Ansteuersignalpaar und werden derart erzeugt, dass entweder das dritte Schaltmittel oder das vierte Schaltmittel leitend ist. Das erste und das zweite Schaltmittel sowie das dritte und das vierte Schaltmittel arbeiten folglich jeweils im Gegentaktbetrieb. Die Heizleistungseinstellung erfolgt durch Einstellung einer Phasenverschiebung zwischen dem ersten Ansteuersignalpaar und dem zweiten Ansteuersignalpaar. Eine maximale Heizleistung wird dann erzeugt, wenn die Phasenverschiebung zwischen den Ansteuersignalpaaren in etwa null ist. In diesem Fall ist abwechselnd der erste und der vierte Transistor oder der zweite und der dritte Transistor leitend. Mit zunehmender Phasenverschiebung nimmt die abgegebene Heizleistung ab, da nun in bestimmten Zeitintervallen gleichzeitig der erste und der dritte Transistor oder der zweite und der vierte Transistor leitend sind. Während dieser Zeitintervalle wird der Schwingkreis kurzgeschlossen, so dass keine Leistung in den Schwingkreis bzw. die Induktionsheizspule eingespeist wird. Aufgrund der Leistungseinstellung über die Einstellung der Phasenverschiebung kann auf eine aufwendige Frequenzsteuerung verzichtet werden, da lediglich die Phase nicht jedoch die Frequenz verändert wird. Dies vereinfacht die Ansteuerschaltung.

In einer Weiterbildung der Erfindung weisen das erste bis vierte Ansteuersignal eine gleiche Arbeitsfrequenz und ein gleiches Tastverhältnis, insbesondere von ca. 50 %, auf. Vorteilhaft liegt die Arbeitsfrequenz geringfügig über der Resonanzfrequenz des Schwingkreises. Die Resonanzfrequenz des Schwingkreises liegt vorteilhaft in einem Bereich zwischen 20kHz und 60kHz, vorzugsweise zwischen 22,5kHz und 35kHz.

Vorteilhaft sind mindestens ein fünftes ansteuerbares Schaltmittel und mindestens ein sechstes ansteuerbares Schaltmittel, die in Serie zwischen die Versorgungsgleichspannung und die Bezugsspannung eingeschleift sind, mindestens ein weiterer Kondensator und mindestens eine weitere Induktionsheizspule zur induktiven Beheizung eines Kochgeschirrs vorgesehen. Diese ist in Serie mit dem weiteren Kondensator oder parallel zu dem weiteren Kondensator zwischen den Verbindungsknoten des ersten Schaltmittels und des zweiten Schaltmittels oder den Verbindungsknoten des dritten Schaltmittels und des vierten Schaltmittels und einen Verbindungsknoten des fünften Schaltmittels und des sechsten Schaltmittels eingeschleift. Die weitere Induktionsheizspule und der weitere Kondensator bilden einen weiteren Schwingkreis. Die Steuereinrichtung ist zur Erzeugung eines fünften rechteckförmigen Ansteuersignals für das fünfte Schaltmittel und eines sechsten rechteckförmigen Ansteuersignals für das sechste Schaltmittel ausgebildet, wobei das fünfte Ansteuersignal und das sechste Ansteuersignal ein drittes Ansteuersignalpaar bilden und derart erzeugt werden, dass entweder das fünfte Schaltmittel oder das sechste Schaltmittel leitend ist und eine Phasenverschiebung zwischen dem ersten Ansteuersignalpaar oder dem zweiten Ansteuersignalpaar und dem dritten Ansteuersignalpaar in Abhängigkeit von einer einstellbaren Heizleistung der weiteren Induktionsheizspule eingestellt wird. In anderen Worten bilden das erste Schaltmittel und das zweite Schaltmittel eine erste Halbbrücke eines Resonanzschwingkreis-Wechselrichters und das dritte Schaltmittel und das vierte Schaltmittel eine zweite Halbbrücke des Resonanzschwingkreis-Wechselrichters. Zu der ersten Halbbrücke und der zweiten Halbbrücke ist wenigstens eine weitere Halbbrücke in Form des fünften und des sechsten Schaltmittels parallel geschaltet. Zwischen die erste Halbbrücke oder die zweite Halbbrücke und die weitere Halbbrücke sind die weitere Induktionsheizspule und der weiterer Kondensator seriell oder parallel eingeschleift. Dies ermöglicht eine gemeinsame Nutzung einer Halbbrücke bzw. eines Schaltmittelpaares, d.h. bei einer Ansteuerung von beispielsweise zwei Induktionsheizspulen sind anstatt acht Schaltmitteln lediglich sechs Schaltmittel notwendig. Die Leistungen der einzelnen Induktionsheizspulen können trotzdem unabhängig voneinander eingestellt werden. Bevorzugt liegt die Arbeitsfrequenz geringfügig über einer Resonanzfrequenz desjenigen Schwingkreises mit der größten Resonanzfrequenz.

In einer Weiterbildung sind Vorrichtungen zur Ermittlung der Resonanzfrequenz des oder der Schwingkreise vorgesehen. Auf diese Weise kann beispielsweise ein Nachführen der Arbeitsfrequenz stattfinden, wenn unterschiedliche Kochgeschirre eine Veränderung der Arbeitsfrequenz verursachen.

In einer Weiterbildung sind die Schaltmittel Insulated-Gate-Bipolar-Transistoren.

Diese und weitere Merkmale gehen außer aus den Ansprüchen auch aus der Beschreibung und den Zeichnungen hervor, wobei die einzelnen Merkmale jeweils für sich alleine oder zu mehreren in Form von Unterkombinationen bei einer Ausführungsform der Erfindung und auf anderen Gebieten verwirklicht sein und vorteilhafte sowie für sich schutzfähige Ausführungen darstellen können, für die hier Schutz beansprucht wird. Die Unterteilung der Anmeldung in einzelne Abschnitte und Zwischen-Überschriften beschränkt die unter diesen gemachten Aussagen nicht in ihrer Allgemeingültigkeit.

Kurzbeschreibung der Zeichnungen
Ausführungsformen der Erfindung sind in den Zeichnungen schematisch dargestellt und werden im folgenden näher erläutert. Hierbei zeigen:
1 eine Draufsicht auf ein Kochfeld,
2 eine gemäß Linie II-II in 1 geschnittene Seitenansicht durch das Kochfeld,
3 eine Darstellung einer ersten erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung mit zwei Halbbrücken,
4 eine Darstellung von Ansteuersignalen der Schaltungsanordnung von 3 und eines daraus resultierenden Spannungs- und Stromverlaufs an einer Induktionsheizspule bei voller Leistung,
5 eine Darstellung der Ansteuersignale der Schaltungsanordnung von 3 und des daraus resultierenden Spannungs- und Stromverlaufs an der Induktionsheizspule bei reduzierter Leistung,
6 eine Darstellung einer zweiten erfindungsgemäße Schaltungsanordnung mit drei Halbbrücken,
7 eine Darstellung von Ansteuersignalen der Schaltungsanordnung von 6 und des daraus resultierenden Spannungs- und Stromverlaufs an Induktionsheizspulen bei voller Leistung und
8 eine Darstellung der Ansteuersignale der Schaltungsanordnung von 6 und des daraus resultierenden Spannungs- und Stromverlaufs an den Induktionsheizspulen bei reduzierter Leistung.
Detaillierte Beschreibung der Zeichnungen
Das in 1 dargestellte Kochfeld 10 weist vier Kochstellen 12, 14, 16 und 18 auf, die als Induktionskochstellen ausgebildet sind, denen eine oder mehrere erfindungsgemäße, nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschriebene Induktionskocheinrichtungen zuordenbar sind. Eine derartige Induktionskochstelle weist, wie in 2 schematisch dargestellt, eine Auflagefläche 20 auf, auf der zur Veranschaulichung ein Kochgeschirr 22 über der beispielhaft herangezogenen Kochstelle 18 angeordnet ist.
Im Bereich der Kochstelle 18 sind in einer Halterung 24 Induktionsheizspulen 26 angeordnet, die mittels elektrischer Verbindungsleitungen 28 mit einer Steuereinrichtung 30 verbunden sind. Zur Steuereinrichtung 30 führt außerdem wenigstens eine elektrische Zuleitung 32 und Steuerleitungen 34, die mit nicht dargestellten Leistungswahlschaltern verbunden sind.
Die Steuereinrichtung 30 dient zur Ansteuerung einer in 3 gezeigten Schaltungsanordnung 36 beziehungsweise einer in 6 gezeigten Schaltungsanordnung 36'. Die Schaltungsanordnung 36 weist zwei Halbbrücken 38 und 40 auf, die parallel zwischen eine Versorgungsgleichspannung bzw. eine Gleichspannungsquelle 42 und eine Bezugsspannung in Form eines Masse- oder Erdpunkts 44 eingeschleift sind. Die erste Halbbrücke 38 weist ein erstes Schaltmittel T11 und ein zweites Schaltmittel T12 auf, die in Reihe bzw. Serie geschaltet sind. Die zweite Halbbrücke 40 weist ein drittes Schaltmittel T13 und ein viertes Schaltmittel T14 auf, die ebenfalls in Reihe geschaltet sind. Die Schaltmittel sind als Insulated-Gate-Bipolar-Transistoren (IGBT) ausgebildet, können jedoch auch andere, für den Verwendungszweck geeignete Schaltmittel bzw. Transistoren sein. Die verwendeten Transistoren T11 bis T14 sind derart in Reihe geschaltet, dass der Emitter des ersten Transistors T11 beziehungsweise des dritten Transistors T13 jeweils mit dem Kollektor des zweiten Transistors T12 beziehungsweise des vierten Transistors T14 elektrisch verbunden ist.
Der Verbindungsbereich 46 zwischen T11 und T12 und der Verbindungsbereich 48 zwischen T13 und T14 sind untereinander mittels einer Brücke 50 elektrisch verbunden. Die Brücke 50 weist einen RLC-Schwingkreis 52 mit einem induktiven Anteil 54, einem kapazitiven Anteil 56 und einem Wirkwiderstand 58 auf. Der induktive Anteil 54 und der Wirkwiderstand 58 bilden hierbei eine der in 1 gezeigten Induktionsheizspulen 26 ab, wobei bei einer idealen Induktionsheizspule 26 der ohmsche Anteil in Form des Wirkwiderstands 58 entfällt. Parallel zu den Transistoren T11, T12, T13 und T14 ist jeweils eine zugehörige Diode 60, 62, 64 bzw. 66 geschaltet, die als Freilaufdiode dient.
Die von der Gleichspannungsquelle 42 zur Verfügung gestellte Gleichspannung wird durch Ansteuerung der Transistoren T11, T12, T13 und T14 mit von der Steuereinrichtung 30 erzeugten, in 4 und 5 gezeigten Ansteuersignalen O11 bis O14 in eine Wechselspannung U_RLC am RLC-Schwingkreis 52 umgewandelt.
Die Signalverläufe in 4 zeigen den Volllastbetrieb der Induktionskocheinrichtung, d.h. einen Betriebszustand mit maximaler Leistungsabgabe der Induktionsheizspule 26 bzw. 54, bei dem zum Zeitpunkt t₀ die Transistoren T11 und T14 gleichzeitig für eine Dauer t₁ – t₀ aktiviert werden, so dass ein Strom von der Gleichspannungsquelle dem Pfeil 68 folgend durch den RLC-Schwingkreis 52 fließt. Zum Zeitpunkt t₁ werden die Transistoren T11 und T14 gleichzeitig deaktiviert und zumindest annähernd gleichzeitig die Transistoren T12 und T13 für eine Dauer t₂ – t₁ aktiviert. Der Strom fließt nun dem Pfeil 70 folgend durch den RLC-Schwingkreis 52. Zum Zeitpunkt t₂ werden die Transistoren T12 und T13 gleichzeitig deaktiviert und die Transistoren T11 und T14 zumindest annähernd gleichzeitig aktiviert. Die Aktivierungs- und Deaktivierungsvorgänge werden dann im beschriebenen Wechsel periodisch wiederholt.
Wie aus 4 ersichtlich, sind die Ansteuersignale O11 bis O14 periodische Rechteckspannungen mit gleicher Frequenz, beispielsweise 30kHz, und einem Tastverhältnis von ca. 50%, d.h. t₁ – t₀ = t₂ – t₁, wobei das erste Ansteuersignal O11 und das zweite Ansteuersignal O12 ein erstes, der ersten Halbbrücke 38 zugeordnetes Ansteuersignalpaar und das dritte Ansteuersignal O13 und das vierte Ansteuersignal O14 ein zweites, der zweiten Halbbrücke 40 zugeordnetes Ansteuersignalpaar bilden. Ein jeweiliges Ansteuersignalpaar stellt sicher, dass zu einem Zeitpunkt nur ein Transistor der Halbbrücken 38 bzw. 40 leitend ist, d.h. die Transistoren einer Halbbrücke 38 bzw. 40 arbeiten im so genannten Gegentaktbetrieb.
Die Frequenz der am RLC-Schwingkreis anliegenden Wechselspannung U_RLC ergibt sich aus dem Kehrwert der Periodendauer der Ansteuersignale UO11 bis O14, d.h. beträgt 1/(t₂ – t₀). Diese Frequenz entspricht dabei der Arbeitsfrequenz und liegt geringfügig über der Resonanzfrequenz des RLC-Schwingkreises 52, wodurch dieser rein induktiv arbeitet. Die Resonanzfrequenz des RLC-Schwingkreises 52 kann dazu mittels entsprechender Vorrichtungen bestimmt oder als bekannt vorausgesetzt werden. Sie kann auch vom verwendeten Kochgeschirrs abhängen und dynamisch ermittelt werden, wobei die Arbeitsfrequenz der Ansteuersignale O11 bis O14 entsprechend nachgeführt werden kann.
Durch das induktive Verhalten des RLC-Schwingkreises entsteht ein in 4 gezeigter, durch den RLC-Schwingkreis 52 fließender, im wesentlichen sinusförmiger Strom I_RLC, der der Spannung U_RLC um Δt nacheilt, wobei Δt nicht maßstäblich dargestellt ist und beim Betrieb des Schwingkreises mit Resonanzfrequenz praktisch gegen null geht.
Um die abgebbare Leistung der Induktionsheizspule zu beeinflussen, wird bezugnehmend auf 5 eine Phasenverschiebung Δt₁ zwischen dem ersten Ansteuersignalpaar O11 und O12 und dem zweiten Ansteuersignalpaar O13 und O14 in Abhängigkeit von der gewünschten Heizleistung eingestellt. Das erste Ansteuersignalpaar O11 und O12 bleibt im Vergleich zu dem in 4 gezeigten Ansteuersignalpaar O11 und O12 unverändert. Das zweite Ansteuersignalpaar O13 und O14 wird jedoch gegenüber dem ersten Ansteuersignalpaar O11 und O12 um den Betrag Δt₁ phasenverschoben. Dies bewirkt, dass nur im Zeitintervall zwischen t₀ + Δt₁ bis t₁ die Transistoren T11 und T14 gleichzeitig leitend sind und nur im Zeitintervall zwischen t₁ + Δt₁ bis t₂ die Transistoren T12 und T13 gleichzeitig leitend sind, d.h. der RLC-Schwingkreis mit der Versorgungsgleichspannung mit wechselndem Vorzeichen beaufschlagt wird. Der genannte Vorgang wiederholt sich periodisch.
Aufgrund der Phasenverschiebung Δt₁ ergeben sich in Zeitintervallen t₀ bis t₀ + Δt₁ und t₁ bis t₁ + Δt₁ Schaltzustände, bei denen die Transistoren T11 und T13 bzw. T12 und T14 gleichzeitig leitend sind. Dadurch wird der RLC-Schwingkreis 52 auf Versorgungsspannungsniveau bzw. Bezugsspannungsniveau kurzgeschlossen, d.h. es findet kein Energieeintrag durch die Versorgungsgleichspannung in die Induktionsheizspule 26 bzw. 54 statt. Die von der Induktionsheizspule 26 bzw. 54 abgebbare Leistung nimmt mit zunehmender Phasenverschiebung Δt₁ ab. Wenn die Phasenverschiebung Δt₁ gleich t₁ ist, wird keine Leistung mehr abgegeben.
Erfindungsgemäß können anstelle von zwei Halbbrücken 38, 40 gemäß 3 auch drei Halbbrücken 72, 74, 76 gemäß 6 parallel zwischen eine Gleichspannungsquelle 78 und einen Massepunkt 81 eingeschleift sein. Die Halbbrücken 72, 74, 76 können gemäß 6 den gleichen Aufbau aufweisen wie die Halbbrücken 38, 40 gemäß 3. Zwischen den in Reihe geschalteten Transistoren T21 und T22 der ersten Halbbrücke 72 und den in Reihe geschalteten Transistoren T23 und T24 der zweiten Halbbrücke 74 ist eine erste Brücke 80 mit einem ersten RLC- Schwingkreis 82 eingeschleift. Dessen induktiver Anteil 83 und ein Wirkwiderstand 85 bilden hierbei eine erste, der in 1 gezeigten Induktionsheizspulen 26 ab. Zwischen den in Reihe geschalteten Transistoren T23 und T24 der zweiten Halbbrücke 74 und den in Reihe geschalteten Transistoren T25 und T26 der dritten Halbbrücke 76 ist eine zweite Brücke 84 mit einem zweiten RLC-Schwingkreis 86 eingeschleift. Dessen induktiver Anteil 87 und ein Wirkwiderstand 89 bilden hierbei eine zweite, der in 1 gezeigten Induktionsheizspulen 26 ab. Parallel zu den Transistoren T21, T22, T23, T24, T25 und T26 ist jeweils eine zugehörige Freilaufdiode 88, 90, 92, 94, 96 bzw. 98 geschaltet.
Die von der Gleichspannungsquelle 78 zur Verfügung gestellte Gleichspannung wird durch Ansteuerung der Transistoren T21, T22, T23, T24, T25 und T26 mit von der Steuereinrichtung 30 erzeugten, in 7 und 8 gezeigten Ansteuersignalen O21 bis O26 in Wechselspannungen U_RLC1 am RLC-Schwingkreis 82 bzw. U_RLC2 am RLC-Schwingkreis 86 umgewandelt.
Die Signalverläufe in 7 zeigen den Volllastbetrieb der Induktionskocheinrichtung, d.h. einen Betriebszustand mit maximaler Leistungsabgabe der beiden Induktionsheizspulen 83 und 87, bei dem zum Zeitpunkt t₀ die Transistoren T22, T23 und T26 gleichzeitig für eine Dauer t₁ – t₀ aktiviert werden, so dass ein Strom von der Gleichspannungsquelle dem Pfeil 102 folgend durch die RLC-Schwingkreise 82 bzw. 86 fließt.
Zum Zeitpunkt t₁ werden die Transistoren T22, T23 und T26 gleichzeitig deaktiviert und zumindest annähernd gleichzeitig die Transistoren T21, T24 und T25 für eine Dauer t₂ – t₁ aktiviert, wobei t₂ – t₁ = t₁ – t₀ gilt. Es fließt nun ein Strom dem Pfeil 100 folgend durch die RLC-Schwingkreise 82 bzw. 86. Zum Zeitpunkt t₂ werden die Transistoren T21, T24 und T25 wieder gleichzeitig deaktiviert und die Transistoren T22, T23 und T26 zumindest annähernd gleichzeitig wieder aktiviert. Die Aktivierungs- und Deaktivierungsvorgänge werden dann im beschriebenen Wechsel periodisch wiederholt.
Ein Strom I_RLC1 durch den RLC-Schwingkreis 82 und ein Strom I_RLC2 durch den RLC-Schwingkreis 86 sind aufgrund des Resonanzbetriebs in Phase mit den entsprechenden Spannungen U_RLC1 bzw. U_RLC2. Ein Umschalten der Polungen an den RLC-Schwingkreisen 82 und 86 erfolgt daher im wesentlichen im stromlosen Zustand, wodurch die durch das Umpolen bzw. Umschalten hervorgerufenen Störungen minimiert werden.
Um die abgebbare Leistung der Induktionsheizspulen 83 und 87 zu beeinflussen, wird, wie in 8 gezeigt, eine Phasenverschiebung Δt₂ zwischen einem Ansteuersignalpaar O23 und O24 der zweiten Halbbrücke 74 und einem Ansteuersignalpaar O21 und O22 der ersten Halbbrücke 72 in Abhängigkeit von der gewünschten Heizleistung der Induktionsheizspule 83 und eine Phasenverschiebung Δt₃ zwischen dem Ansteuersignalpaar O23 und O24 der Halbbrücke 74 und einem Ansteuersignalpaar O25 und O26 der Halbbrücke 76 in Abhängigkeit von der gewünschten Heizleistung der Induktionsheizspule 87 eingestellt. Das Ansteuersignalpaar O23 und O24 der mittleren Halbbrücke 74 bildet hierbei die Referenz und bleibt gegenüber der in 7 gezeigten Betriebsart unverändert.
Die Phasenverschiebung Δt₂ bewirkt, dass nur im Zeitintervall zwischen t₀ + Δt₂ bis t₁ die Transistoren T22 und T23 gleichzeitig leitend sind und nur im Zeitintervall zwischen t₁ + Δt₂ bis t₂ die Transistoren T21 und T24 leitend sind, d.h. der erste RLC-Schwingkreis 82 mit der Versorgungsgleichspannung mit wechselndem Vorzeichen beaufschlagt wird. Der genannte Vorgang wiederholt sich periodisch. Aufgrund der Phasenverschiebung Δt₂ ergeben sich in Zeitintervallen t₀ bis t₀ + Δt₂ und t₁ bis t₁ + Δt₂ Schaltzustände, bei denen die Transistoren T21 und T23 bzw. T22 und T24 gleichzeitig leitend sind. Dadurch wird der erste RLC-Schwingkreis 82 auf Versorgungsspannungsniveau bzw. Bezugsspannungsniveau kurzgeschlossen, d.h. es findet kein Energieeintrag durch die Versorgungsgleichspannung in die Induktionsheizspule 83 statt. Die von der Induktionsheizspule 83 abgebbare Leistung nimmt mit zunehmender Phasenverschiebung Δt₂ ab. Die gezeigte Phasenverschiebung Δt₂ entspricht etwa einer Leistungsabgabe von 50% der Maximalleistung der ersten Induktionsheizspule 83.
Die Phasenverschiebung Δt₃ bewirkt, dass nur im Zeitintervall zwischen t₀ + Δt₃ bis t₁ die Transistoren T23 und T26 gleichzeitig leitend sind und nur im Zeitintervall zwischen t₁ + Δt₃ bis t₂ die Transistoren T24 und T25 gleichzeitig leitend sind, d.h. der zweite RLC-Schwingkreis 86 mit der Versorgungsgleichspannung mit wechselndem Vorzeichen beaufschlagt wird. Der genannte Vorgang wiederholt sich periodisch. Aufgrund der Phasenverschiebung Δt₃ ergeben sich in Zeitintervallen t₀ bis t₀ + Δt₃ und t₁ bis t₁ + Δt₃ Schaltzustände, bei denen die Transistoren T23 und T25 bzw. T24 und T26 gleichzeitig leitend sind. Dadurch wird der RLC-Schwingkreis 86 auf Versorgungsspannungsniveau bzw. Bezugsspannungsniveau kurzgeschlossen, d.h. es findet kein Energieeintrag durch die Versorgungsgleichspannung in die Induktionsheizspule 87 statt. Die von der Induktionsheizspule 87 abgebbare Leistung nimmt mit zunehmender Phasenverschiebung Δt₃ ab. Die gezeigte Phasenverschiebung Δt₃ entspricht etwa einer Leistungsabgabe von 20% der Maximalleistung der ersten Induktionsheizspule 89.
Der Strom I_RLC1 durch den RLC-Schwingkreis 82 und der Strom I_RLC2 durch den RLC-Schwingkreis 86 sind aufgrund des Resonanzbetriebs in Phase mit den entsprechenden Spannungen U_RLC1 bzw. U_RLC2. Ein Umschalten der Polungen an den RLC-Schwingkreisen 82 und 86 erfolgt daher im wesentlichen im stromlosen Zustand, wodurch die durch das Umpolen bzw. Umschalten hervorgerufenen Störungen minimiert werden.
In dem gezeigten Ausführungsbeispiel ist die Resonanzfrequenz des ersten RLC-Schwingkreises 82 und des zweiten RLC-Schwingkreises 86 im wesentlichen identisch. Wenn dies nicht der Fall ist, richtet sich die Arbeitsfrequenz der Signale, d.h. der Wert 1/(t₂ – t₀), nach der Resonanzfrequenz des Schwingkreises mit der größten Resonanzfrequenz.
Optional können nicht gezeigte Vorrichtungen zur Ermittlung der jeweiligen Resonanzfrequenzen vorgesehen sein, beispielsweise in Form eines Signalprozessors, der zur Ermittlung der Resonanzfrequenzen die Phasenverschiebungen zwischen zugehörigen Spannungen und Strömen auswertet.
Zusammenfassend weist die in den Ausführungsbeispielen beschriebene Induktionskocheinrichtung mit einstellbarer Heizleistung einen Resonanzschwingkreis-Wechselrichter in Vollbrückenschaltung und eine zugehörige Steuereinrichtung auf, wobei ein induktiver Teil des Resonanzschwingkreis-Wechselrichters als Induktionsheizspule eines Induktionskochfeldes ausgebildet ist. Die Steuereinrichtung ist derart ausgebildet, dass eine Phasenverschiebung zwischen einem ersten, einer ersten Halbbrücke des Resonanzschwingkreis-Wechselrichters zugeordneten Ansteuersignalpaar und einem zweiten, einer zweiten Halbbrücke des Resonanzschwingkreis-Wechselrichters zugeordneten Ansteuersignalpaar in Abhängigkeit von der eingestellten Heizleistung eingestellt wird.

Claims

Induktionskocheinrichtung mit einstellbarer Heizleistung mit – einem ersten ansteuerbaren Schaltmittel (T11), – einem zweiten ansteuerbaren Schaltmittel (T12), wobei das erste Schaltmittel (T11) und das zweite Schaltmittel (T12) in Serie zwischen eine Versorgungsgleichspannung (42) und eine Bezugsspannung (44) eingeschleift sind, – einem dritten ansteuerbaren Schaltmittel (T13), – einem vierten ansteuerbaren Schaltmittel (T14), wobei das dritte Schaltmittel (T13) und das vierte Schaltmittel (T14) in Serie zwischen die Versorgungsgleichspannung (42) und die Bezugsspannung (44) eingeschleift sind, – mindestens einem Kondensator (56), – mindestens einer Induktionsheizspule (54) zur induktiven Beheizung eines Kochgeschirrs (22), die in Serie mit dem Kondensator (56) oder parallel zu dem Kondensator (56) zwischen einen Verbindungsknoten (46) des ersten Schaltmittels (T11) und des zweiten Schaltmittels (T12) und einen Verbindungsknoten (48) des dritten Schaltmittels (T13) und des vierten Schaltmittels (T14) eingeschleift ist, wobei die Induktionsheizspule (54) und der Kondensator (56) einen Schwingkreis (52) bilden, gekennzeichnet durch – eine Steuereinrichtung (30), die zur Erzeugung eines ersten rechteckförmigen Ansteuersignals (O11) für das erste Schaltmittel (T11), eines zweiten rechteckförmigen Ansteuersignals (O12) für das zweite Schaltmittel (T12), eines dritten rechteckförmigen Ansteuersignals (O13) für das dritte Schaltmittel (T13) und eines vierten rechteckförmigen Ansteuersignals (O14) für das vierte Schaltmittel (T14) ausgebildet ist, wobei das erste Ansteuersignal (O11) und das zweite Ansteuersignal (O12) ein erstes Ansteuersignalpaar bilden und derart erzeugt werden, dass entweder das erste Schaltmittel (T11) oder das zweite Schaltmittel (T12) leitend ist, und das dritte Ansteuersignal (O13) und das vierte Ansteuersignal (O14) ein zweites Ansteuersignalpaar bilden und derart erzeugt werden, dass entweder das dritte Schaltmittel (T13) oder das vierte Schaltmittel (T14) leitend ist, und eine Phasenverschiebung (Δt₁) zwischen dem ersten Ansteuersignalpaar und dem zweiten Ansteuersignalpaar in Abhängigkeit von der eingestellten Heizleistung eingestellt wird.
Induktionskocheinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das erste bis vierte Ansteuersignal eine gleiche Arbeitsfrequenz und ein gleiches Tastverhältnis, insbesondere von ca. 50 %, aufweisen.
Induktionskocheinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Arbeitsfrequenz geringfügig über der Resonanzfrequenz des Schwingkreises liegt.
Induktionskocheinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Resonanzfrequenz des Schwingkreises in einem Bereich zwischen 20kHz und 60kHz liegt, vorzugsweise zwischen 22,5kHz und 35kHz.
Induktionskocheinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch – mindestens ein fünftes ansteuerbares Schaltmittel (T25), – mindestens ein sechstes ansteuerbares Schaltmittel (T26), wobei das fünfte Schaltmittel (T25) und das sechste Schaltmittel (T26) in Serie zwischen die Versorgungsgleichspannung und die Bezugsspannung eingeschleift sind, – mindestens einen weiteren Kondensator, – mindestens eine weitere Induktionsheizspule (87) zur induktiven Beheizung eines Kochgeschirrs, die in Serie mit dem weiteren Kondensator oder parallel zu dem weiteren Kondensator zwischen den Verbindungsknoten des ersten Schaltmittels (T21) und des zweiten Schaltmittels (T22) oder den Verbindungsknoten des dritten Schaltmittels (T23) und des vierten Schaltmittels (T24) und einen Verbindungsknoten des fünften Schaltmittels (T25) und des sechsten Schaltmittels (T26) eingeschleift ist, wobei die weitere Induktionsheizspule (87) und der weitere Kondensator einen weiteren Schwingkreis bilden, die Steuereinrichtung (30) zur Erzeugung eines fünften rechteckförmigen Ansteuersignals (O25) für das fünfte Schaltmittel (T25) und eines sechsten rechteckförmigen Ansteuersignals (O26) für das sechste Schaltmittel (T26) ausgebildet ist, das fünfte Ansteuersignal (O25) und das sechste Ansteuersignal (O26) ein drittes Ansteuersignalpaar bilden und derart erzeugt werden, dass entweder das fünfte Schaltmittel (T25) oder das sechste Schaltmittel (T26) leitend ist und eine Phasenverschiebung (Δt₃) zwischen dem ersten Ansteuersignalpaar und/oder dem zweiten Ansteuersignalpaar und dem dritten Ansteuersignalpaar in Abhängigkeit von einer einstellbaren Heizleistung der weitere Induktionsheizspule (87) eingestellt wird.
Induktionskocheinrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Arbeitsfrequenz geringfügig über einer Resonanzfrequenz desjenigen Schwingkreises mit der größten Resonanzfrequenz liegt.
Induktionskocheinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Vorrichtungen zur Ermittlung der Resonanzfrequenz des oder der Schwingkreise (52, 82, 86) vorgesehen sind.
Induktionskocheinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltmittel Insulated-Gate-Bipolar-Transistoren sind.