DE102009054582A1 - Kochfeld mit einer Mehrzahl von Heizelementen - Google Patents

Kochfeld mit einer Mehrzahl von Heizelementen Download PDF

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Jose Miguel Burdio Pinilla
Ignacio Garde Aranda
Sergio Llorente Gil
Oscar Lucia Gil
Ignacio Millan Serrano
Diego Puyal Puente
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    • F24CDOMESTIC STOVES OR RANGES ; DETAILS OF DOMESTIC STOVES OR RANGES, OF GENERAL APPLICATION
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    • H05ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • H05B6/10Induction heating apparatus, other than furnaces, for specific applications
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    • H05B6/1209Cooking devices induction cooking plates or the like and devices to be used in combination with them
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    • H05ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • H05B2213/03Heating plates made out of a matrix of heating elements that can define heating areas adapted to cookware randomly placed on the heating plate

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Kochfeld, insbesondere ein Induktionskochfeld, mit einer Mehrzahl von Heizelementen (10) und einer Stromversorgungseinheit (12) zum Erzeugen eines Heizstroms zum Betreiben der Heizelemente (10), wobei eine Verbindung zwischen der Stromversorgungseinheit (12) und wenigstens einem der Heizelemente (10) durch wenigstens einen Schalter (14) hergestellt und unterbrochen werden kann. Um eine präzise Steuerung der Heizelemente (10) zu ermöglichen, wird vorgeschlagen, dass der Schalter (14) als unipolarer, bidirektionaler Halbleiterschalter ausgebildet ist.

Description

  • Die Erfindung geht aus von einem Kochfeld mit einer Mehrzahl von Heizelementen nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
  • Aus der EP 0 971 562 B1 ist ein Kochfeld mit mehreren Heizelementen und einer Stromversorgungseinheit zum Erzeugen eines Heizstroms bekannt. Der Heizstrom ist ein hochfrequenter Wechselstrom zum Betreiben der als Induktoren ausgebildeten Heizelemente. Der Wechselstrom in den Induktoren erzeugt ein wechselndes Magnetfeld, welches seinerseits Wirbelströme in einem auf das Kochfeld aufgestellten Kochtopfboden erzeugt. Die Heizelemente und die Stromversorgungseinheit können mithilfe eines Schalters in einem geschlossenen Stromkreis verbunden werden bzw. durch das Öffnen des Schalters kann diese Verbindung unterbrochen werden. Der Schalter ist ein einfaches elektromechanisches Relais, das nur zum Anpassen einer Heizzone an unterschiedliche Kochtopfgrößen betätigt werden muss. Dabei entstehen Geräusche, die aber wegen der geringen Häufigkeit einer solchen Anpassung kaum störend sind.
  • In den Kochfeldern mit einer großen Zahl von Heizelementen kann es aber aus Kostengründen vorteilhaft sein, zumindest in gewissen Situationen mehrere Heizzonen und/oder Heizelemente mit einer einzigen Stromversorgungseinheit zu betreiben. Um dennoch eine unabhängige Leistungssteuerung der Heizzonen bzw. Heizelemente zu ermöglichen, können die Heizzonen oder Heizelemente in einem getakteten Betrieb in abwechselnden oder überlappenden Phasen betätigt werden, deren Längenverhältnis gemäß dem Verhältnis der gewünschten Soll-Heizleistungen gewählt werden kann. Zur Realisierung einer solchen Pulsdichten-Steuerung sind aber Umschaltvorgänge mit einer hohen Schaltfrequenz notwendig, die mit elektromechanischen Relais entweder nicht erreichbar sind oder zu einer störenden Geräuschentwicklung führen.
  • Der Erfindung liegt insbesondere die Aufgabe zugrunde, ein Kochfeld bereitzustellen, mit dem eine hochfrequente Pulsdichten-Steuerung mehrerer Heizzonen einfach und geräuscharm realisiert werden kann.
  • Die Aufgabe wird insbesondere durch ein Kochfeld mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
  • Die Erfindung geht aus von einem Kochfeld, insbesondere einem Induktionskochfeld, mit einer Mehrzahl von Heizelementen und einer Stromversorgungseinheit zum Erzeugen eines Heizstroms, mit dem die Heizelemente betrieben werden. Eine Verbindung zwischen der Stromversorgungseinheit und wenigstens einem der Heizelemente kann durch wenigstens einen Schalter hergestellt und unterbrochen werden.
  • Es wird vorgeschlagen, dass der Schalter als unipolarer, bidirektionaler Halbleiterschalter ausgebildet ist. Durch die Verwendung eines Halbleiterschalters können schnelle Schaltvorgänge ohne Geräuschentwicklung realisiert werden. Durch die Verwendung eines unipolaren, bidirektionalen Halbleiterschalters kann die Anzahl von notwendigen Steuerungssignalen zum Steuern des Halbleiterschalters reduziert werden. Dadurch kann eine flexible Pulsdichten-Steuerung ohne aufwendige Treiber-Schaltkreise zum Betreiben der Schalter realisiert werden. Wegen der im Vergleich zu Strahlungsheizelementen schnellen Reaktionszeit von Induktoren kommen die Vorteile der hochfrequenten Pulsdichten-Steuerung insbesondere im Zusammenhang mit Induktionskochfeldern zum Tragen. Ein Parallelbetrieb mehrerer Heizelemente kann realisiert werden, wenn der Schalter mehrere Heizelemente gleichzeitig mit der Stromversorgungseinheit verbindet.
  • Der Schalter kann insbesondere einen bipolaren Transistor und eine parallel zu dem bipolaren Transistor geschaltete Diode umfassen. In einer alternativen Ausgestaltung der Erfindung kann der unipolare, bidirektionale Halbleiterschalter von einem MOSFET gebildet sein, dessen Body-Diode als Freilaufdiode für eine Stromrichtung verwendet werden kann.
  • Die Stromversorgungseinheit kann insbesondere einen oder mehrere Wechselrichter enthalten, die wenigstens einen weiteren unipolaren, bidirektionalen Halbleiterschalter umfassen. Insbesondere können aus zwei unipolaren, bidirektionalen Halbleiterschaltern Halbbrücken-Wechselrichter gebildet werden.
  • Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass mehrere Heizelemente eine gemeinsame Verbindung zur Stromversorgungseinheit aufweisen und dass die Heizelemente jeweils in Serie mit einem unipolaren, bidirektionalen Halbleiterschalter verbunden sind. Durch die Parallelschaltung der Heizelemente kann ein paralleler Betrieb der Heizelemente ermöglicht werden. Durch die Serienschaltung der Halbleiterschalter kann ein Rückfluss von in einem Heizelement gespeicherter Energie durch ein anderes Heizelement ermöglicht werden.
  • In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist eine Steuereinheit des Kochfelds dazu ausgelegt, beim Öffnen eines der Halbleiterschalter einen anderen der parallel geschalteten Halbleiterschalter zu schließen, um Energie, die in einem der Heizelemente gespeichert ist, in das parallel angeordnete Heizelement zu leiten.
  • Wenn die Steuereinheit ferner dazu ausgelegt ist, die Stromversorgungseinheit in einem Hochfrequenz-Pulsdichtenmodulationsverfahren so zu steuern, dass eine Gesamtheizleistung in einer vorgegebenen Verteilung auf die Heizelemente verteilt wird, kann eine präzise Verteilung der Heizleistung auch mit wenigen unabhängigen Stromversorgungseinheiten ermöglicht werden. Die Hochfrequenz-Pulsdichtenmodulation sieht vor, dass unterschiedliche Heizelemente in unterschiedlichen, durch Pulse beschriebenen Phasen aktiviert werden. Eine gemittelte Pulsdichte ist daher ein Maß für eine Heizleistung der Heizelemente. Ein hörbares Brummen des Kochfelds kann vermieden werden, wenn eine in dem Hochfrequenz-Pulsdichtenmodulationsverfahren verwendete Schaltfrequenz wenigstens 20 kHz beträgt.
  • In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass die Steuereinheit dazu ausgelegt ist, innerhalb einer Phase, in welcher die Stromversorgungseinheit einen Heizstrom mit einer Polarität liefert, mehrere Heizelemente zu unterschiedlichen Zeitpunkten zu aktivieren. Die Aktivierung kann erfolgen, indem die den Heizelementen zugeordneten unipolaren, bidirektionalen Halbleiterschalter nacheinander geschlossen werden. Am Ende der Phase hat der Heizstrom einen Nulldurchgang, so dass die Schalter aufgrund ihrer unipolaren Natur selbsttätig geöffnet werden. Als Öffnen eines Schalters wird in diesem Zusammenhang das Unterbrechen einer leitenden Verbindung zwischen einem Eingang und einem Ausgang bezeichnet und als Schließen das Herstellen einer solchen leitenden Verbindung.
  • Weitere Vorteile ergeben sich aus der folgenden Figurenbeschreibung. Die Figuren und die nachfolgende Beschreibung stellen Ausführungsbeispiele der Erfindung dar, die spezielle Kombinationen von vorteilhaften Merkmalen der Erfindung betreffen. Der Fachmann wird die Merkmale auch einzeln betrachten und zu sinnvollen weiteren Kombinationen zusammenfassen, die an einen spezifischen Verwendungszweck angepasst sind.
  • Es zeigen:
  • 1 ein Kochfeld mit mehreren Heizelementen, einer Stromversorgungseinheit und einer Schaltanordnung,
  • 2 eine schematische Darstellung zu einem Aufbau eines Kochfelds gemäß 1,
  • 3 eine weitere Darstellung des Aufbaus eines Kochfelds gemäß den 1 und 2,
  • 4 den Aufbau eines Kochfelds nach einer alternativen Ausgestaltung der Erfindung,
  • 5 den Aufbau eines Kochfelds nach einer weiteren alternativen Ausgestaltung der Erfindung,
  • 6 den Aufbau eines Kochfelds nach einer weiteren alternativen Ausgestaltung der Erfindung mit zwei parallel geschalteten Gruppen von Heizelementen,
  • 7 den Aufbau eines Kochfelds nach einer weiteren alternativen Ausgestaltung der Erfindung mit einem Vollgruppen-Wechselrichter,
  • 8 einen Graphen mit Steuersignalen verschiedener Schalter des Kochfelds aus 2 und mit den Strömen verschiedener Induktoren,
  • 9a9j verschiedene Arbeitszustände eines erfindungsgemäßen Halbbrücken-Wechselrichters mit zwei parallel geschalteten Heizelementen,
  • 10 verschiedene Wellenformen von Steuerungssignalen eines erfindungsgemäßen Kochfelds,
  • 11 eine Abfolge von Steuerungspulsen und die daraus resultierenden Induktorströme in einem möglichen Anwendungsfall der Erfindung,
  • 12a12f verschiedene alternative Möglichkeiten zum Antreiben der Schalter eines erfindungsgemäßen Kochfelds.
  • 1 zeigt Induktionskochfeld mit einer Vielzahl von als Induktoren 10 ausgebildeten Heizelementen. Die Induktoren 10 sind in einer 8×8-Matrix angeordnet und können von einer Steuereinheit 24 des Kochfelds zu flexibel definierbaren Heizzonen zusammengefasst werden. Dazu detektiert die Steuereinheit 24 auf das Kochfeld aufgestellte Kochgeschirrelemente 26 und fasst die unter dem Boden des Kochgeschirrelements 26 liegenden Induktoren 10 zu einer Heizzone zusammen. Die zu der Heizzone zusammengefassten Induktoren 10 werden von einer ebenfalls durch die Steuereinheit 24 betriebenen Stromversorgungseinheit 12 mit Heizströmen beaufschlagt. Die Heizströme sind hochfrequente Wechselströme mit einer Frequenz in einer Größenordnung zwischen 50 kHz und 100 kHz, wobei die Frequenz von der Steuereinheit 24 abhängig von einer Soll-Heizleistung variiert wird. Die zu einer Heizzone zusammengefassten Induktoren 10 werden gleichzeitig nur mit aufeinander abgestimmten Frequenzen betrieben, um ein hörbares Intermodulationsbrummen zu vermeiden.
  • Die Induktoren 10 sind mit der Stromversorgungseinheit 12 über ein Schaltermodul 28 verbunden. Das Schaltermodul 28 umfasst mehrere Schalter 14, die eine Verbindung zwischen der Stromversorgungseinheit 12 und verschiedenen Heizelementen 10 herstellen oder trennen können. Die Stromversorgungseinheit 12 umfasst mehrere Wechselrichter 20, die mithilfe des Schaltermoduls 28 mit verschiedenen Induktoren 10 verbunden werden können. Umgekehrt können die Induktoren 10 mit verschiedenen Wechselrichtern 20 verbunden werden. Dabei muss das Schaltermodul 28 keine vollständige Verknüpfung herstellen. Nicht jedes Heizelement 10 muss mit jedem Wechselrichter 20 verbunden werden können und umgekehrt. Ferner ist es denkbar, dass einzelne Induktoren 10 fest mit der Stromversorgungseinheit 12 verdrahtet sind, so dass in der Verbindung zwischen dem Induktor 10 und einem der Wechselrichter 20 kein Schalter 14 liegt.
  • Erfindungsgemäß sind die Schalter 14 als unipolare, bidirektionale Halbleiterschalter ausgebildet. Der unipolare, bidirektionale Schalter ist ein gesteuerter Schalter, mit dem das Einschalten, das Ausschalten oder beides durch geeignete Steuersignale kontrolliert wer den kann. Unidirektionale Schalter ermöglichen einen Stromfluss nur in eine Richtung, während bidirektionale Schalter einen Stromfluss in beide Richtungen ermöglichen. Um den von den Wechselrichtern 20 erzeugten Wechselstrom übertragen zu können, sind die Schalter 14 des Schaltermoduls 28 bidirektionale Schalter.
  • Wenn einer Gate-Diode des Schalters 14 eine Steuerspannung anliegt, blockiert der Schalter 14 den Stromfluss in eine der beiden Richtungen, während der Strom in die andere Richtung im Wesentlichen frei fließen kann. Wenn die Steuerspannung den Wert 0 hat, wird der Schalter geöffnet. Die Verwendung von Halbleiterschaltern ermöglicht hohe Schaltfrequenzen. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel bestehen die Schalter 14 aus einer Kombination aus einem bipolaren Transistor 16 und einer zu dem Transistor 16 antiparallel geschalteten Diode 18. Eine solche Realisierung ist in 1 in einem vergrößerten Ausschnitt A dargestellt. In alternativen Ausführungsbeispielen kann der Schalter 14 aus einer Kombination aus einem Bipolar-Transistor mit isolierter Gate-Elektrode (IGBT) und einer antiparallelen Diode hergestellt werden. Ferner ist es denkbar, ein MOSFET als Schalter 14 einzusetzen.
  • Durch die Verwendung des unipolaren, bidirektionalen Halbleiterschalters können nicht nur die Bauteilzahl und die Kosten der Bauteile, sondern auch der für einen Treiberschaltkreis notwendige Aufwand und der Bauraum auf einer Platine reduziert werden. Das Schaltermodul 28 kann separat oder mit der Stromversorgungseinheit 12 zu einer Baugruppe zusammengefasst ausgestaltet werden. Die Stromversorgungseinheit 12 wird von einem Gleichrichter 32 mit einem Tiefpassfilter versorgt, der mit einem Haushalts-Stromnetz 36 verbunden ist. Die Darstellung in 1 ist vereinfacht, da in der Praxis mehre Gleichrichter 32 mit mehreren Phasen des Haushaltsstromnetzes verbunden sind.
  • 2 zeigt schematisch den Aufbau des Kochfelds aus 1. In dem in 2 dargestellten Ausführungsbeispiel sind eine Anzahl n von Induktoren 10 jeweils in Reihe mit einem Schalter 14 und einem Kondensator 30 verbunden. Die jeweils aus dem Schalter 14, dem Induktor 10 und dem Kondensator 30 bestehenden Gruppen sind zueinander parallel geschaltet. Ein Stromfluss durch jeden der Induktoren 10 in einer der beiden Richtungen kann durch das Öffnen des dem Induktor 10 zugeordneten Schalters 14 unterbrochen werden. Bei geschlossenem Schalter bzw. bei auf Durchlass geschaltetem Transistor 16 kann der Strom in eine Richtung durch die Diode 18 fließen.
  • Die in der Stromversorgungseinheit 12 enthaltenen Wechselrichter 20 sind Halbbrücken-Wechselrichter, die ebenfalls aus zwei unipolaren, bidirektionalen Halbleiterschaltern 22a, 22b gebildet sind.
  • 3 zeigt eine Verdrahtung eines Wechselrichters 20 mit zwei unipolaren, bidirektionalen Halbleiterschaltern 22a, 22b mit einer Gruppe von Induktoren 10a, 10b in einer möglichen Ausgestaltung der Erfindung. In weiteren Ausgestaltungen der Erfindung können zwischen dem Wechselrichter 20 und dem unmittelbar vor den Induktoren 10a, 10b angeordneten Schaltern 14 weitere Schalter angeordnet sein, die den Wechselrichter 20 mit anderen Gruppen von Induktoren verbinden können.
  • 4 zeigt einen weiteres alternative Ausführungsbeispiel der Erfindung, in dem zwischen der Stromversorgungseinheit 12 mit dem Wechselrichter 20 und einem Block 38, der Induktoren 10, die den Induktoren 10 unmittelbar zugeordneten Schalter 14 sowie Kondensatoren 30 umfasst, ein weiterer Kondensator 34 angeordnet ist. Der Kondensator 34 ermöglicht eine bessere Leistungskontrolle der Schalter 14.
  • In einem in 5 dargestellten Ausführungsbeispiel ist jeder Induktor 10 mit zwei parallel geschalteten Kondensatoren 30, 34 verbunden, wodurch die elektromagnetische Verträglichkeit verbessert werden kann.
  • 6 zeigt eine Topologie mit zwei Gruppen von Induktoren 10, wobei eine Gruppe von Induktoren mit einer in 6 oberen Seite eines Wechselrichters 20 verbunden ist und eine zweite Gruppe von Induktoren 10 mit einer in 6 unteren Seite des Wechselrichters 20 verbunden ist. Ein weiterer Anschluss der beiden Gruppen von Induktoren 10 ist mit einem Mittelpunkt des Wechselrichters 20 verbunden, der als Halbbrücken-Wechselrichter ausgebildet ist.
  • 7 zeigt ein weiteres alternatives Ausführungsbeispiel der Erfindung mit einem Vollbrücken-Wechselrichter 20, der insgesamt vier Halbleiterschalter 22 umfasst.
  • Die erfindungsgemäße Hochfrequenz-Pulsdichtenmodulation aktiviert die Schalter 14 und 22 in einer zeitlichen Abfolge, die von der Steuereinheit 24 (1) abhängig von der für die einzelnen Induktoren 10 gewünschten Soll-Leistung bestimmt wird. Dabei werden verschiedene Induktoren 10 in einem Multiplex-Verfahren in ineinander verschachtelten, teil weise überlappenden Phasen betrieben. Durch die bidirektionalen, unipolaren Schalter 14 können mehrere Induktoren 10 gleichzeitig mit der Stromversorgungseinheit 12 verbunden werden, wodurch eine höhere Effizienz des Kochfelds erreicht werden kann. Ferner ist es, wie weiter unten beschrieben, in einem speziellen Betriebszustand möglich, in einem Induktor 10 gespeicherte Restenergie auf einen anderen Induktor 10 zu übertragen, wodurch Leitungsverluste verringert werden können.
  • Die Parameter des Steuerungsverfahrens sind in 10 dargestellt und umfassen insbesondere die Periode T der von dem Wechselrichter 20 erzeugten Wechselspannung, Lastperioden Ti für die Induktoren mit den Nummern i = 1...n, den Arbeitszyklus D des Wechselrichters 20 und die Arbeitszyklen Di der Induktoren 10. Durch die Wahl dieser Parameter kann jedem Induktor 10 in der Nähe seiner Resonanzfrequenz Leistung bereitgestellt werden, wodurch die Effizienz gesteigert werden kann.
  • 8 zeigt die Steuersignale Vgh und Vgl des oberen bzw. unteren Halbleiterschalters 22 des Wechselrichters 20 und die Steuersignale Vgl–Vg6 der jeweils einem Induktor 10 zugeordneten Schalter 14.
  • Die 9a9j erläutern verschiedene Betriebsphasen anhand der Darstellung des Betriebs von zwei Induktoren 10a, 10b, deren Schalter 14a, 14b von den Steuerspannungen Vgl und Vg2 aus 8 betrieben werden. Die Dickeren Linien mit Pfeilen stellen Strom führende Verbindungen und die Stromrichtung dar. Die in der Beschreibung zu den 9a9j verwendeten Bezugszeichen beziehen sich auf 3.
  • In einer Phase I (9a) wird ein Schalter 22a des Wechselrichters 20 und ein Schalter 14a eines ersten Induktors 10a eingeschaltet und der Strom fließt durch den Transistor des Schalters 22a zum Induktor 10a. Gleichzeitig fließt in einem benachbarten Induktor 10b gespeicherte Energie durch eine Diode 18 eines Schalters 14a zum ersten Induktor 10a. In einer Phase II (9b) endet die Aufteilung des Stroms, da die in dem zweiten Induktor 10b gespeicherte Energie aufgebraucht ist. Der Strom fließt nur noch durch den linken Induktor 10a.
  • Zu Beginn einer Phase III (9c) wird der obere Transistor 22a des Wechselrichters 20 ausgeschaltet und der Strom in dem Induktor 10a fließt durch die Diode 18 des unteren Schalters 22b des Wechselrichters 20. Während dieser Phase wird der Transistor 16 des unteren Schalters 14b des Wechselrichters 20 aktiviert, um reduzierte Schaltverluste zu ermöglichen. Der Transistor 16 des Schalters 22b beginnt in der Phase IV (9d) mit dem Wechsel der Polarität des Stroms zu leiten.
  • In einer Phase V (9e) wird der Transistor 16 des unteren Schalters 22b ausgeschaltet, so dass der Strom durch die Diode 18 des oberen Schalters 22a fließt. Während dieser Phase wird auch der Transistor 16 des oberen Schalters 22a eingeschaltet. Dieser Transistor 16 beginnt in der Phase VI (9f) zu leiten. In dieser Phase wird der Strom auf die beiden Induktoren 10a, 10b aufgeteilt.
  • Zu Beginn der Phase VI wechselt der Wechselrichter-Strom I0 wieder sein Vorzeichen, so dass der Transistor 16 des oberen Schalters 22a zu leiten beginnt. Die Aufteilung des Stroms auf die beiden Induktoren 10a, 10b endet, wenn die in dem linken Induktor 10a gespeicherte Energie aufgebraucht ist. Dies ist zu Beginn einer Phase VII (9g) der Fall, in der der Strom durch den Transistor 16 des Schalters 14b und des Schalters 22a fließt.
  • In einer Phase VIII (9h) wird der Transistor 16 des oberen Schalters 22a deaktiviert, so dass der Strom durch die Diode 18 des unteren Schalters 22b fließt. Während dieser Phase wird auch der Transistor 16 des unteren Schalters 22b eingeschaltet. Dieser Transistor 16 beginnt in der Phase IX (9i) zu leiten.
  • In der Phase X (9j) wird der Transistor 16 des unteren Schalters 22b ausgeschaltet, so dass der Strom durch die Diode 18 des oberen Schalters 22a fließt. Während dieser Phase ist der Transistor 16 des oberen Schalters 22a aktiviert und die in dem rechten Induktor 10b gespeicherte Energie fließt in den linken Induktor 10a.
  • 10 zeigt verschiedene Pulsformen und die einstellbaren Parameter des erfindungsgemäßen Steuerungsverfahrens. Ein wesentlicher Aspekt der Erfindung betrifft die Übertragung von Energie zwischen verschiedenen Induktoren ohne die Beteiligung des Schaltermoduls 28.
  • 11 zeigt exemplarisch ein Ausführungsbeispiel, in dem nacheinander drei Induktoren 10 über das Schaltermodul 28 mit Energie versorgt werden und anschließend die gespeicherte Energie in drei andere Induktoren geleitet wird.
  • Die 12a12f zeigen verschiedene Möglichkeiten der Stromversorgung der verschiedenen Schalter 14, 22. In der in 12a dargestellten Variante verfügt jeder Schalter 14, 22 über eine eigene Stromversorgung bzw. einen eigenen Transformator. In der in 12b dargestellten Ausführungsform sind die obere und die untere Hälfte der Schaltung jeweils mit einer eigenen Stromversorgungseinheit ausgestattet. Allgemein können die Schalter 14, 22 zu Gruppen verbunden werden, die jeweils einen eigenen Transformator oder eine eigene Stromversorgungseinheit haben. 12c zeigt eine Variante, in der die Schalter 14 der Induktoren 10 mit eigenen Stromversorgungseinheiten ausgestattet sind, während ein oberer Schalter 22a des Wechselrichters 20 mit einer sogenannten Bootstrap-Technik gesteuert wird. Während einer Leitungsphase des mit einer eigenen Stromversorgungseinheit ausgestatteten unteren Schalters 22b wird ein Kondensator des oberen Schalters 22a durch eine Diode aufgeladen. Wenn die Ladung einen Schwellenwert erreicht hat, wird der Schalter 22a betätigt. 12d zeigt eine weitere alternative Ausführungsform der Erfindung, in der die den Induktoren 10 zugeordneten Schalter 14 zu Gruppen mit jeweils einer Stromversorgungseinheit zusammengefasst sind und in der für den Wechselrichter 20 die in 12c dargestellte Bootstrap-Technik verwendet wird.
  • 12e zeigt ein weiteres alternatives Ausführungsbeispiel der Erfindung, in der eine untere Gruppe von Schaltern 22, 14 eine eigene Stromversorgungseinheit hat, während eine obere Gruppe von Schaltern 22, 14 über die Bootstrap-Technik betätigt wird. In einem in 12f dargestellten Ausführungsbeispiel ist schließlich jeder Schalter 22, 14 mit einem Pulstransformations-Treiber ausgestattet.
  • 10
    Heizelement
    12
    Stromversorgungseinheit
    14
    Schalter
    16
    Transistor
    18
    Diode
    20
    Wechselrichter
    22
    Halbleiterschalter
    24
    Steuereinheit
    26
    Kochgeschirrelement
    28
    Schaltermodul
    30
    Kondensator
    32
    Gleichrichter
    34
    Kondensator
    36
    Haushaltsstromnetz
    38
    Block
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • - EP 0971562 B1 [0002]

Claims (9)

  1. Kochfeld, insbesondere Induktionskochfeld, mit einer Mehrzahl von Heizelementen (10) und einer Stromversorgungseinheit (12) zum Erzeugen eines Heizstroms zum Betreiben der Heizelemente (10), wobei eine Verbindung zwischen der Stromversorgungseinheit (12) und wenigstens einem der Heizelemente (10) durch wenigstens einen Schalter (14) hergestellt und unterbrochen werden kann, dadurch gekennzeichnet, dass der Schalter (14) als unipolarer, bidirektionaler Halbleiterschalter ausgebildet ist.
  2. Kochfeld nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Schalter (14) mehrere Heizelemente (10) gleichzeitig mit der Stromversorgungseinheit (12) verbindet.
  3. Kochfeld nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Schalter (14) einen bipolaren Transistor (16) und eine parallel zu dem bipolaren Transistor (16) geschaltete Diode (18) umfasst.
  4. Kochfeld nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromversorgungseinheit (12) einen Wechselrichter (20) enthält, der wenigstens einen weiteren unipolaren, bidirektionalen Halbleiterschalter (22) umfasst.
  5. Kochfeld nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Heizelemente (10) eine gemeinsame Verbindung zur Stromversorgungseinheit (12) aufweisen und jeweils in Serie mit jeweils einem unipolaren, bidirektionalen Halbleiterschalter (14) verbunden sind.
  6. Kochfeld nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch eine Steuereinheit (24), die dazu ausgelegt ist, beim Öffnen eines der Halbleiterschalter einen anderen der parallel geschalteten Halbleiterschalter selbsttätig zu schließen, um Energie, die in einem der Heizelemente (10) gespeichert ist, in das parallel angeordnete Heizelement (10) zu leiten.
  7. Kochfeld nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Steuereinheit (24), die dazu ausgelegt ist, die Stromversorgungseinheit (12) in einem Hochfrequenz-Pulsdichtenmodulationsverfahren so zu steuern, dass eine Gesamtheizleistung in einer vorgegebenen Verteilung auf die Heizelemente (10) verteilt wird.
  8. Kochfeld nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine in dem Hochfrequenz-Pulsdichtenmodulationsverfahren verwendete Schaltfrequenz zumindest 20 kHz beträgt.
  9. Kochfeld nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (24) dazu ausgelegt ist, innerhalb einer Phase, in welcher die Stromversorgungseinheit (12) einen Heizstrom mit einer Polarität liefert, mehrere Heizelemente (10) zu unterschiedlichen Zeitpunkten zu aktivieren, indem die den Heizelementen (10) zugeordneten unipolaren, bidirektionalen Halbleiterschalter (14) nacheinander geschlossen werden.
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