DE102010039508B4 - Multiplexen von Induktionsheizlasten - Google Patents

Abstract

Verfahren zum Multiplexen von mindestens zwei Induktionsheizlasten (711 - 713, 806 - 807) über eine jeweilige elektronische Schaltvorrichtung (708 - 710, 804 - 805), die für jede Last (711 - 713, 806 - 807) eingesetzt wird;- wobei die mindestens zwei Induktionsheizlasten (711 - 713, 806 - 807) für ein vorab festgelegtes Zeitintervall (TOFF) deaktiviert sind, indem die jeweiligen elektronischen Schaltvorrichtungen (708 - 710, 804 - 805) ausgeschaltet werden,- wobei das besagte vorab festgelegte Zeitintervall (TOFF) in einer Austastlücke in Bezug auf das besagte Multiplexen angeordnet ist und- wobei ein Umrichter, der die mindestens zwei Induktionsheizlasten (711 - 713, 806 - 807) ansteuert, während des vorab festgelegten Zeitintervalls (TOFF) mindestens teilweise ausgeschaltet wird.

Description

• Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Multiplexen von Induktionsheizlasten, eine entsprechende Schaltung und eine Haushaltsheizvorrichtung, die eine derartige Schaltung umfasst.
• Das zeitliche Multiplexen von Haushalts-Induktionsheizlasten kann dadurch erzielt werden, dass bidirektionale Einpolschalter verwendet werden oder dass bidirektionale Zweipolschalter verwendet werden. Beispielsweise kann jede Art von Transistor mit einer intrinsischen Diode oder einer externen antiparallelen Diode eingesetzt werden. Auch elektronische oder elektromechanische Vorrichtungen können für Schaltzwecke eingesetzt werden. Beispielsweise kann eine Zweirichtungs-Thyristortriode (Triac) verwendet werden, wobei Zweirichtungs-Thyristortrioden bei niedrigen Schaltfrequenzen (bis 1 kHz) eingesetzt werden, beispielsweise für Zwecke der Motorsteuerung oder der Lichtregelung.
• zeigt eine beispielhafte Gruppe von Kombischaltern, beispielsweise IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistors, Bipolartransistoren mit isolierter Gate-Elektrode), die Schaltfrequenzen bis zu Zehnfachen von kHz ermöglichen. Eine Anordnung 101 zeigt einen herkömmlichen Lösungsansatz, der zwei IGBTs und zwei Dioden umfasst, eine Implementierung 102 stellt zwei rückwärts sperrende IGBTs dar und ein Beispiel 103 zeigt eine Implementierung aus vier Dioden und einem einzelnen IGBT.
• Außerdem kann der Schaltvorgang mittels elektromagnetischer Relais erfolgen, die in Einpol-Einschalter- (Single Pole Single Throw, SPST) oder Einpol-Wechselschalter-(Single Pole Double Throw, SPDT) Konfiguration ausgeführt sind. Die Einpol-Wechselschalter-Konfiguration (SPOT) ermöglicht ein direktes Multiplexen von zwei Lasten wie beispielsweise in EP 0 971 562 beschrieben.
• zeigt eine Implementierung von Einpol-Einschalter- (SPST) und Einpol-Wechselschalter- (SPOT) Konfigurationen mithilfe von Zweirichtungs-Thyristortrioden und Relais. Eine Spalte 201 zeigt schematische Symbole, eine Spalte 202 zeigt eine Relais-Implementierung und eine Spalte 203 zeigt eine Zweirichtungs-Thyristortrioden-Implementierung von Einpol-Einschalter- (SPST) und Einpol-Wechselschalter- (SPOT) Konfigurationen.
• Es ist anzumerken, dass jede beliebige Multiplexing-Funktionalität oder jede beliebige Routing-Matrix größerer Komplexität unter Verwendung von Einpol-Einschalter- (SPST) Vorrichtungen realisiert werden kann. zeigt ein Symbol 301 eines Multiplexers (ein Eingang und N Ausgänge) sowie eine entsprechende Implementierung 302 mithilfe von Zweirichtungs-Thyristortrioden.
• Zeitmultiplexing erfordert, dass Lasten und Wechselrichter anhand einer Routing-Matrix angeordnet werden, die für niedrige Frequenzwerte (unter 1 kHz) ausgelegt ist, damit eine zweipolige Vorrichtung wie etwa die besagte Zweirichtungs-Thyristortriode ordnungsgemäß arbeiten kann. Die Zweipol-Vorrichtung muss jedoch, auch wenn sie bei niedrigen Frequenzen schaltet, das Durchleiten von hochfrequenten Strömen (in der Größenordnung von Zehnfachen von kHz) durch die besagte Vorrichtung zulassen. Außerdem kann sich eine Spannung über die Zweirichtungs-Thyristortriode unter Umständen sehr schnell ändern (in der Größenordnung von Zehnfachen von kHz), während sich die Zweirichtungs-Thyristortriode im Sperrzustand befindet; in einem solchen Fall muss die Zweirichtungs-Thyristortriode oszillierende Spannungen ohne signifikante Verluste sperren.
• zeigt eine Niederfrequenz-Anwendung einer Zweirichtungs-Thyristortriode 401, die mit einer induktiven Last in Reihe geschaltet ist, welche einen Induktor 402 und einen Widerstand 403 umfasst. Die induktive Last ist über die besagte Zweirichtungs-Thyristortriode 401 mit einer Wechselspannung mit einer Schaltfrequenz von 50/60 Hz verbunden, wobei die besagte Zweirichtungs-Thyristortriode 401 eine Phasenregelung durchführt. Die Frequenz des Stroms, der durch die Zweirichtungs-Thyristortriode fließt, und die Schaltfrequenz der Vorrichtung sind gleich.
• zeigt ein Verhalten der Schaltung aus im Fall einer überwiegend resistiven Last (R >> ωL). Eine Betätigung der Zweirichtungs-Thyristortriode 401 wird basierend auf einer Verzögerung Δθ, die in die Steuerelektroden-Steuerungswellenform eingefügt wird, in Bezug auf den Nulldurchgang des Stroms verzögert. Ein Abschalten der Zweirichtungs-Thyristortriode 401 erfolgt beim nächsten Nulldurchgang des Stroms, nachdem das Steuerelektrodensignal v_G der Zweirichtungs-Thyristortriode deaktiviert worden ist. Die Zweirichtungs-Thyristortriode bleibt so lange ausgeschaltet, bis das besagte Steuerelektrodensignal v_G wieder aktiviert wird.
• zeigt ein Verhalten der Schaltung aus im Fall einer überwiegend induktiven Last (R << ωL). Hier erfolgt eine Phasenverzögerung zwischen der Spannung über den Induktor v_L und dem Strom i_L und tritt unter Umständen eine signifikante Spannungstransiente dv_L/dt in dem Augenblick auf, in dem der Strom von der Schaltung genommen wird. Eine solche Spannungstransiente dv_L/dt kann zu einer fehlerhaften Aktivierung der Zweirichtungs-Thyristortriode 401 führen. Um dieses Problem zu umgehen, wird eine RC-Snubber-Schaltung parallel zu der Zweirichtungs-Thyristortriode eingesetzt, um gegebenenfalls derartige Spannungstransienten zu verringern. Außerdem haben manche Hersteller snubberlose Zweirichtungs-Thyristortrioden herausgebracht, die große dv/dt-Werte bewältigen.
• EP 2 380 395 B1 offenbart ein Kochfeld mit mehreren Induktoren und mit wenigstens drei Heizzonen, die von den Induktoren betreibbar sind, wobei die Induktoren von einer einzigen Leistungselektronik-Baugruppe mit einem für die Induktoren gemeinsam verwendeten Gleichrichter zum Gleichrichten einer von einer einzigen Phase eines Haushaltsstromnetzes gelieferten Wechselspannung mit Heizströmen versorgt werden, wobei die Leistungselektronik-Baugruppe eine Anzahl von Wechselrichtern zum Erzeugen eines Heizstroms zum Betreiben der Induktoren umfasst, wobei eine Schaltvorrichtung die Induktoren mit einem der Wechselrichter verbindet, wobei die Schaltvorrichtung wenigstens einen der Induktoren in unterschiedlichen Schaltstellungen mit unterschiedlichen Wechselrichtern verbindet und /oder die Schaltvorrichtung zumindest einen der Induktoren in zumindest einer Schaltstellung mit mehreren Wechselrichtern verbindet, und wobei die Summe von Induktor-Nominalleistungen aller Induktoren größer als eine Nominalleistung der Leistungselektronik-Baugruppe ist, gekennzeichnet durch Mittel zum Anzeigen, dass die Summe der angeforderten Soll- Heizleistungen die verfügbare Heizleistung übertrifft und/oder ein Anzeigeelement zum Anzeigeneines Bruchteils der aktuell beanspruchten Nominalleistung der Leistungselektronik-Baugruppe.
• Das Problem, das gelöst werden soll, besteht darin, die vorstehend beschriebenen Nachteile zu beseitigen und insbesondere einen effizienten Lösungsansatz für Steuerschaltvorrichtungen, speziell Zweirichtungs-Thyristortrioden, bereitzustellen, wenn diese für das zeitliche Multiplexen von Haushalts-Induktionsheizlasten genutzt werden.
• Dieses Problem wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen gemäß Anspruch 1 sowie durch eine Schaltung mit den Merkmalen gemäß Anspruch 4 gelöst. Weitere Ausführungsformen leiten sich aus den abhängigen Patentansprüchen ab.
• Um dieses Problem zu überwinden, wird ein Verfahren zum Multiplexen von mindestens zwei Induktionsheizlasten über eine jeweilige elektronische Schaltvorrichtung, die für jede Last verwendet wird, bereitgestellt,
• - wobei die mindestens zwei Induktionsheizlasten für ein vorab festgelegtes Zeitintervall deaktiviert sind, indem die jeweiligen elektronischen Schaltvorrichtungen ausgeschaltet werden,
• - wobei das besagte vorab festgelegte Zeitintervall in einer Austastlücke in Bezug auf das besagte Multiplexen angeordnet ist und
• - wobei ein Umrichter, der die mindestens zwei Induktionsheizlasten ansteuert, während des vorab festgelegten Zeitintervalls mindestens teilweise ausgeschaltet wird.
• Das vorstehend beschriebene Problem wird ebenfalls durch eine Schaltung gelöst, welche Folgendes umfasst:
• - mindestens zwei Induktionsheizlasten, die durch eine jeweilige elektronische Schaltvorrichtung gesteuert werden, wobei die besagten mindestens zwei Induktionsheizlasten gemultiplext werden;
• - eine Steuerungseinheit, die zum Ansteuern der besagten elektronischen Schaltvorrichtungen ausgebildet ist, sodass die mindestens zwei Induktionsheizlasten für ein vorab festgelegtes Zeitintervall deaktivierbar sind, indem die jeweiligen elektronischen Schaltvorrichtungen ausschaltbar sind, wobei das besagte vorab festgelegte Zeitintervall in einer Austastlücke in Bezug auf das besagte Multiplexen angeordnet ist,
• - einen Umrichter, der zur Ansteuerung der mindestens zwei Induktionsheizlasten nach dem oben genannten Verfahren ausgebildet ist.
• Dementsprechend wird die Austastlücke zwischen den (beispielsweise abwechselnden) Aktivitätszeiten der Induktionsheizlasten bereitgestellt. Wenn beispielsweise eine Induktionsheizlast deaktiviert und eine andere Induktionsheizlast aktiviert ist, indem das besagte Multiplexen eingesetzt wird, bestimmt die besagte Austastlücke einen Zeitraum, während dem keine der Induktionsheizlasten aktiviert ist. Die elektronischen Schaltvorrichtungen können für die gesamte Dauer dieser Austastlücke oder nur für einen Teil davon deaktiviert sein.
• Dies vermeidet oder verringert in vorteilhafter Weise eventuelle Spannungstransienten, die zu einer fälschlichen Auslösung der elektronischen Schaltvorrichtung führen könnten, und verringert wirksam den Strom von der Induktionsheizlast oder schaltet diese stromlos.
• Das besagte Multiplexen kann gegebenenfalls für eine abwechselnde Aktivierung einer oder mehrerer Induktionsheizlast(en) sorgen. Insbesondere kann, wenn mindestens eine Induktionsheizlast aktiviert ist, mindestens eine weitere Induktionsheizlast deaktiviert sein (beispielsweise können alle übrigen Induktionsheizlasten deaktiviert sein). Deaktiviert bedeutet in diesem Zusammenhang, dass keine Aktivierung über die elektronische Schaltvorrichtung erfolgt, die für die jeweilige Induktionsheizlast vorgesehen ist. Dementsprechend bedeutet aktiviert, dass die elektronische Schaltvorrichtung die ihr zugeordnete Induktionsheizlast aktiviert.
• Wie dargestellt kann für jede Induktionsheizlast eine elektronische Schaltvorrichtung bereitgestellt werden. Diese elektronische Schaltvorrichtung kann somit die zugehörige Induktionsheizlast aktivieren/deaktivieren und auf diese Weise ein Multiplexen zwischen mehreren Induktionsheizlasten ermöglichen. Das Multiplexen kann durch eine zentrale Steuerungseinheit gesteuert werden, die die elektronischen Schaltvorrichtungen entsprechend aktiviert und/oder deaktiviert.
• Eine weitere Möglichkeit ist, dass einer elektronischen Schaltvorrichtung mehr als eine Induktionsheizlast zugeordnet ist.
• Der besagte Umrichter kann die Induktionsheizlast und die elektronische Schaltvorrichtung steuern, wobei die elektronische Schaltvorrichtung und die Induktionsheizlast in Reihe geschaltet sind. Der Umrichter kann unter Umständen mehrere solcher Induktionsheizlasten mit ihren zugehörigen elektronischen Schaltvorrichtungen steuern. Die besagte Induktionsheizlast und die elektronische Schaltvorrichtung können als eine Einheit verstanden werden, in der mehrere solcher Einheiten parallel zueinander geschaltet sind und von dem besagten Umrichter angesteuert werden. Der Umrichter kann mindestens einen elektronischen Schalter umfassen, der durch eine zentrale Steuerungsfunktion gesteuert wird.
• In einer Ausführungsform wird der besagte Umrichter für die Dauer der Austastlücke ausgeschaltet.
• Demzufolge wird der besagte Umrichter in dem Fall ausgeschaltet, dass keine Last mit ihm verbunden ist. Dies erlaubt auf effiziente Weise, eventuell in einem Kondensator an der Eingangsseite eines solchen Umrichters gespeicherten Strom zu entladen. Ein solcher Kondensator kann insbesondere ein Glättungskondensator sein, der nach einem Gleichrichter vor dem besagten Umrichter angeordnet ist. Daher kann eine Richtung der Versorgung der mindestens einen Induktionsheizlast wahrgenommen werden von einer Energiequelle (beispielsweise einer Wechselspannungsquelle) über ein Filter und einen Gleichrichter über den besagten Kondensator zu dem Umrichter und weiter zu der Induktionsheizlast, die durch den besagten Umrichter angesteuert wird. Wie vorstehend beschrieben umfasst jede derartige Induktionsheizlast eine elektronische Schaltvorrichtung (die mit der besagten Induktionsheizlast in Reihe geschaltet ist), welche zum Multiplexen mehrerer derartiger Induktionsheizlasten verwendet wird.
• In einer weiteren Ausführungsform besteht der besagte Umrichter aus einem Halbbrücken-Resonanzwechselrichter oder einem Vollbrücken-Resonanzwechselrichter, wobei die Induktionsheizlasten insbesondere mit dem Ausgang des besagten Umrichters verbunden sind.
• Vorteilhafterweise ermöglicht der Resonanzwechselrichter einen effizienten Betrieb der besagten mehreren Induktionsheizlasten. Sobald eine bestimmte Induktionsheizlast aktiviert (gemultiplext) wird, kann der Umrichter verschiedene Modulationsparameter bereitstellen, die von der tatsächlich angeschlossenen Last und dem Soll- oder Zielwert, der - beispielsweise durch einen Benutzer der Haushaltsheizvorrichtung - eingestellt wurde, abhängig sind. Dementsprechend können die Modulationsparameter für jeden aktivierten Multiplexing-Zyklus, das heißt, für jeden Zeitraum, der einer bestimmten Induktionsheizlast zugeordnet ist, verschieden sein.
• In einer nächsten Ausführungsform ist die mindestens eine Induktionsheizlast mit einem Mittelabgriff zwischen den Schaltern des besagten Umrichters verbunden.
• Es ist ebenfalls eine Ausführungsform, dass die besagte elektronische Schaltvorrichtung mindestens eine der folgenden Komponenten beinhaltet:
• - eine Zweirichtungs-Thyristortriode;
• - eine snubberlose Zweirichtungs-Thyristortriode;
• - einen Transistor;
• - einen MOSFET;
• - einen IGBT.
• Derartige elektronische Schaltvorrichtungen finden insbesondere für das zeitliche Multiplexen mehrerer Induktionsheizlasten Verwendung, wobei jede derartige Induktionsheizlast über ihre jeweilige elektronische Schaltvorrichtung aktiviert bzw. deaktiviert wird. Es ist anzumerken, dass die elektronische Schaltvorrichtung die jeweilige Induktionsheizlast aktivieren kann und dass das Ausgangssignal, das von dem Umrichter bereitgestellt wird, dazu verwendet werden kann, die Modulationsparameter in Abhängigkeit von der tatsächlichen Induktionsheizlast zu steuern. Es wird insbesondere angemerkt, dass mittels des besagten Multiplexens während eines gegebenen Zeitintervalls immer nur eine Induktionsheizlast aktiviert werden kann, wohingegen die übrigen Induktionsheizlasten durch die besagten elektronischen Schaltvorrichtungen deaktiviert werden. Ebenso können während des besagten gegebenen Zeitintervalls mehrere Induktionsheizlasten aktiviert werden.
• Gemäß einer anderen Ausführungsform ist das vorab festgelegte Zeitintervall derart bemessen, dass ein Kondensator, der an der Eingangsseite des Wechselrichters angeordnet ist, während des besagten vorab festgelegten Zeitintervalls im Wesentlichen entladen werden kann.
• Somit können eventuelle Transienten, die aus der Ladung dieses Kondensators entspringen, verringert und/oder völlig eliminiert werden. Insbesondere wird jedweder kumulative Effekt von Ladung, der zu einer signifikanten Transiente führen könnte, wirksam vermieden, indem während des besagten vorab festgelegten Zeitintervalls die elektronischen Schaltvorrichtungen (und der Umrichter) ausgeschaltet werden.
• Das vorstehend beschriebene Problem wird ferner durch eine Haushaltsheizvorrichtung gelöst, die die in der vorliegenden Patentschrift beschriebene Schaltung beinhaltet.
• Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden schematisch in den folgenden Abbildungen veranschaulicht:
• zeigt eine beispielhafte Ansteuerungsschaltung für eine Zweirichtungs-Thyristortriode, wobei ein Generator eine Rechteckwelle erzeugt, die in einen Optokoppler eingespeist wird, um die besagte Zweirichtungs-Thyristortriode zu steuern;
• zeigt ein weiteres Beispiel einer Ansteuerungsschaltung für eine Zweirichtungs-Thyristortriode, wobei ein Generator mit einer Eingangsseite eines Transformators verbunden ist, dessen Ausgangsseite mit der Steuerelektrode der besagten Zweirichtungs-Thyristortriode verbunden ist;
• zeigt ein Schaltbild, in dem Zweirichtungs-Thyristortrioden als Vorrichtungen zum Multiplexen von Lasten zum Einsatz kommen, wobei ein spannungsgespeister Halbbrücken-Reihenresonanzwechselrichter eine Mehrzahl von Ausgängen bereitstellt, die durch die besagten Zweirichtungs-Thyristortrioden gemultiplext werden;
• zeigt ein gleichwertiges Schaltbild für die in dargestellte Wechselrichtertopologie, wobei eine pulsierende Gleichspannung in einen Modulator eingespeist wird, der außerdem ein Signal von einem Generator erhält, um ein moduliertes Ausgangssignal bereitzustellen, mit dem verschiedene Induktionsheizlastzweige angesteuert werden;
• zeigt Zeitdiagramme, die Wellenformen der in dargestellten Ströme und Spannungen darstellen;
• zeigt Zeitdiagramme, die Wellenformen der in dargestellten Ströme und Spannungen im Zusammenhang mit dem Verhalten einer Zweirichtungs-Thyristortriode im leitenden Zustand darstellen;
• zeigt Zeitdiagramme auf Grundlage der in und dargestellten Schaltungen, wobei ein Aus-Zeitraum T_OFF zwischen den Multiplex-Segmenten bereitgestellt wird, um eine Transiente des Stroms zu vermeiden.
• zeigt eine beispielhafte Schaltung zum Ansteuern von Zweirichtungs-Thyristortrioden mit einer Zweirichtungs-Thyristortriode 501 (umfassend die Anschlussklemmen T1, T2 und eine Steuerelektrode G), wobei ein Generator 506 eine Rechteckwelle erzeugt, die in einen Optokoppler 505 eingespeist wird, welcher eine Fotodiode 504 und einen Optotriac 503 umfasst. Der Generator 506 ist mit der Fotodiode 504 des Optokopplers 505 verbunden und der Opto-Triac 503 ist mit der Steuerelektrode G der Zweirichtungs-Thyristortriode 501 sowie über einen Widerstand 502 mit der Anschlussklemme T2 der Zweirichtungs-Thyristortriode 501 verbunden.
• Die Zweirichtungs-Thyristortriode 501 wird durch den besagten Generator 506 über den Optokoppler 505 angesteuert. Ein Hauptstrom i₂ wird verwendet, um den benötigten Steuerelektrodenstrom i_G zum Ansteuern der Zweirichtungs-Thyristortriode 501 bereitzustellen, wobei der besagte Steuerelektrodenstrom i_G durch den Widerstand 502 begrenzt wird. Wenn die Zweirichtungs-Thyristortriode 501 einschaltet, beträgt der Strom i₂', der durch die Zweirichtungs-Thyristortriode 501 fließt, i₂, wobei der Strom i_G aufgrund der in diesem Pfad vorhandenen niedrigsten Impedanz 0 beträgt.
• Das Signal von dem Generator 506 kann eine Zweipegel-Wellenform sein, die die Dauer des leitenden Zustands anzeigt. Zu dem Zeitpunkt i₂'=0 kann, wenn die Spannung v_G an der Steuerelektrode der Zweirichtungs-Thyristortriode 501 im Zustand hoch ist, der Strom i₂ wieder zu der Steuerelektrode der Zweirichtungs-Thyristortriode 501 fließen.
• Es ist zu beachten, dass der Opto-Triac 503 zwischen die Steuerelektrode und die Anschlussklemme T2 der Zweirichtungs-Thyristortriode 501 geschaltet ist. Dieser Opto-Triac 503 kann in dem vorliegenden Beispiel als Auslöserschaltung betrachtet werden.
• zeigt ein weiteres Beispiel einer Ansteuerungsschaltung für eine Zweirichtungs-Thyristortriode mit einer Zweirichtungs-Thyristortriode 601 (umfassend die Anschlussklemmen T1, T2 und eine Steuerelektrode G). Ein Generator 604 ist mit einer Eingangsseite 603 eines Transformators verbunden, dessen Ausgangsseite 602 über die Steuerelektrode G und die Anschlussklemme T1 der besagten Zweirichtungs-Thyristortriode 601 verbunden ist.
• Der Transformator dient als Auslöserschaltung. Ein kurzer, von dem Generator 604 bereitgestellter Impuls dient dazu, der Steuerelektrode G der Zweirichtungs-Thyristortriode 601 den benötigten Strom zuzuführen. Vorzugsweise können kleine Transformatoren (kleine verfügbare dv/dt) eingesetzt werden, um kurze Impulse an die Ausgangsseite zu übertragen; der Auslöseimpuls kann während eines Ein-Intervals der Zweirichtungs-Thyristortriode 601 kontinuierlich wiederholt werden, insbesondere im Wesentlichen beim Nulldurchgang des Stroms i₂'.
• zeigt ein Schaltbild, in dem Zweirichtungs-Thyristortrioden als Vorrichtungen zum Multiplexen von Lasten zum Einsatz kommen, wobei ein spannungsgespeister Halbbrücken-Reihenresonanzwechselrichter eine Mehrzahl von Ausgängen bereitstellt, die durch die besagten Zweirichtungs-Thyristortrioden gemultiplext werden.
• Eine Energiequelle 701 stellt eine Wechselspannung bereit, die in ein Filter 702 und einen Gleichrichter 703 eingespeist wird, was eine pulsierende Gleichspannung ergibt, die durch einen Kondensator 704 geglättet wird. Die geglättete Gleichspannung wird auf eine Halbbrücke geschaltet, die die beiden Schalter 706 and 707 umfasst, wobei jeder Schalter 706, 707 einen parallel geschalteten Snubber-Kondensator besitzt (C_snb1, C_snb2). Eine Zweirichtungs-Thyristortriode 708 ist mit einer Last 711 in Reihe geschaltet, eine Zweirichtungs-Thyristortriode 709 ist mit einer Last 712 in Reihe geschaltet und eine Zweirichtungs-Thyristortriode 710 ist mit einer Last 713 in Reihe geschaltet. Jede derartige Last umfasst eine Reihenschaltung aus einem Induktor und einem Widerstand (beispielsweise ein Induktionsheizelement). Die Reihenschaltungen aus Zweirichtungs-Thyristortriode 708, Last 711, Zweirichtungs-Thyristortriode 709, Last 712 und Zweirichtungs-Thyristortriode 710, Last 713 sind zueinander parallel geschaltet und über einen Mittelabgriff zwischen den besagten Schaltern 706, 707 sowie einen Mittelabgriff zwischen den beiden Kondensatoren 714 und 715, die in Reihe geschaltet und mit der pulsierenden Gleichspannung verbunden sind, angeschaltet. Bei den Kondensatoren 714 und 715 kann es sich um Resonanzkondensatoren handeln, die beispielsweise jeweils C_res/2 betragen.
• Die Schalter 706, 707 werden durch eine Steuerungs- und Treibereinheit 705 mittels Signalen Q₁ (für Schalter 706) und Q₂ (für Schalter 707) angesteuert.
• Die Wechselrichtertopologie aus umfasst den besagten spannungsgespeisten Halbbrücken-Reihenresonanzwechselrichter, der Strom an N Haushalts-Induktionsheizlasten 711 bis 713 liefert. Alle Haushalts-Induktionsheizlasten 711 bis 713 werden in bestimmten (jeweils verschiedenen) Intervallen von ihren jeweiligen Zweirichtungs-Thyristortrioden 708 bis 710 aktiviert.
• Das Beispiel von zeigt einen gemeinsamen Resonanzkondensator 714, 715 für alle Lasten 711 bis 713, obwohl auch separate Resonanzkondensatoren für jede Last 711 bis 713 eingesetzt werden könnten.
• Ein ähnliches Schema gilt gegebenenfalls auch für eine Vollbrückentopologie mit einem einzelnen Reihenresonanzkondensator mit einem Betrag von C_res anstelle von zwei separaten Kondensatoren 714 und 715.
• Wenn eine der Lasten 711 bis 713 mit dem Wechselrichter verbunden ist, kann eine gleichartige Schaltung wie die in dargestellt werden.
• zeigt eine pulsierende Gleichspannung 801, die in einen Modulator 803 eingespeist wird. Außerdem wird ein Signal von einem Generator 802 in den besagten Modulator 803 eingespeist. Das Ausgangssignal aus dem Modulator 803 wird in einen Zweig A eingespeist, der eine Reihenschaltung aus einer Zweirichtungs-Thyristortriode 804, einer Last 806 und einem Resonanzkondensator 808 umfasst. Eine Erde ist mit der Gleichspannung 801, dem Generator 802, dem Modulator 803 und dem verbleibenden Stift des Kondensators 808 verbunden.
• Darüber hinaus ist ein Zweig B dargestellt, der eine Reihenschaltung aus einer Zweirichtungs-Thyristortriode 805 und einer Last 807 umfasst und der über den Resonanzkondensator 808 mit der Erde verbunden ist.
• Jede Last 806, 807 umfasst eine Reihenschaltung aus einem Induktor und einem Widerstand (Induktionsheizelement).
• Der Generator 802 kann ein Rechteckwellensignal in den Modulator 803 einspeisen. Der Modulator 803 kann ein amplitudenmoduliertes Signal bereitstellen.
• Der Modulator 803 moduliert insbesondere das pulsierende Gleichspannungssignal mit einer Frequenz, die (mehr als) das Zweifache der Hauptfrequenz betragen kann. Als Trägerfrequenz kann eine Rechteckwelle (unipolar oder bipolar je nach Schaltungstopologie, also Halbbrücken- (unipolar) oder Vollbrücken- (bipolar) Topologie) verwendet werden. Diese Trägerfrequenz entspricht dem Ausgangssignal des Wechselrichters gemäß .
• Das amplitudenmodulierte Signal wird auf eine Reihenresonanzlast 806 (oder 807) geschaltet, die die Induktionsheizlast und den gemeinsamen Resonanzkondensator umfasst.
• Das Verhalten der Zweirichtungs-Thyristortrioden 708 bis 710 oder 804, 805 lässt sich wie folgt veranschaulichen:
• Zweirichtungs-Thyristortriode im Sperrzustand:
• Wenn sich die Zweirichtungs-Thyristortriode 804 in einem EIN-Zustand befindet, ist die parallel geschaltete Zweirichtungs-Thyristortriode 805 in einem AUS-Zustand, wodurch eine Lastspannung v_L gesperrt wird, wenn es sich um einen gemeinsamen Resonanzkondensator 808 handelt (oder eine Ausgangsspannung vo gesperrt wird, wenn es sich um einen - in nicht dargestellten - einzelnen Resonanzkondensator handelt).
• Beispielhafte Spannungswellenformen über die Zweirichtungs-Thyristortriode für den Sperrzustand auf Grundlage der Schaltung von sind in dargestellt.
• Damit der Sperrzustand der Zweirichtungs-Thyristortriode 805 bestehen bleibt, darf ein maximaler dv/dt-Wert über die Anschlussklemmen T2 und T1 der Zweirichtungs-Thyristortriode 805 nicht überschritten werden. Andernfalls könnte die Zweirichtungs-Thyristortriode 805 aufgrund einer falschen Auslösung fälschlicherweise eingeschaltet werden. Eine Spannung v_L über die Last 807 und eine Ausgangsspannung vo des Modulators 803 können basierend auf der Schaltgeschwindigkeit des Wechselrichters und basierend auf den Snubber-Kondensatoren C_SNB1, C_SNB2 scharfe Kanten erzeugen. Daher kann der Wechselrichter dafür ausgelegt sein, ein Erreichen oder Überschreiten eines solchen maximalen dv/dt-Wertes zu vermeiden.
• Vorzugsweise kann der Wechselrichter in einem ZVS-Modus (Zero Voltage Switching, Nullspannungsschaltung) arbeiten, was heißt, dass die Snubber-Kondensatoren C_SNB1, C_SNB2 gegebenenfalls ausreichend groß bemessen sein können. Auch ein Kurzschlussschalter-Stromwert kann unter erwarteten Arbeitsbedingungen begrenzt sein.
• Zusätzlich dazu kann ein hoher dv/dt-Wert auftreten, wenn sich die Zweirichtungs-Thyristortriode 805 in einem AUS-Zustand befindet und alle Lasten von dem Wechselrichter abgeklemmt sind. Daher werden die Snubber-Kondensatoren C_SNB1, C_SNB2 kontinuierlich geladen und entladen. Die effektive Wechselrichterlast resultiert in einer hochimpedanten ohmschen Last. Demzufolge sperren alle Zweirichtungs-Thyristortrioden die Ausgangsspannung vo, bei der es sich um eine Rechteckwellenform mit scharfen Kanten und einem hohen dv/dt-Wert handelt. Vorzugsweise kann diese Situation umgangen werden, indem jeglicher Betriebsmodus vermieden wird, in dem an dem Wechselrichter keine tatsächliche Last aufliegt. In dem Fall, dass auf den Wechselrichter keine Last geschaltet ist, kann die Modulation des Wechselrichters ausgeschaltet werden.
• Ferner kann im Fall des diskontinuierlichen Betriebs des Wechselrichters der Kondensator 704 zu Beginn eines nachfolgenden aktiven Zeitintervalls nicht vollständig entladen werden. Demzufolge können während mehrerer Zyklen, in denen der Wechselrichter wiederholt aktiv ist, am Ausgang des Wechselrichters Spannungstransienten erzeugt werden. Je höher die Spannung des Kondensators 704 eingestellt ist, desto größer ist die Gefahr im Hinblick auf mögliche Transienten (dv/dt-Werte). Eine derartige Erzeugung von Transienten (dv/dt) kann zumindest teilweise verringert (insbesondere vermieden) werden, indem der Kondensator 704 vor Beginn eines nachfolgenden Zyklus (zumindest teilweise) entladen wird oder wenn die verbleibende Spannung des Kondensators 704 klein genug ist.
• Zweirichtungs-Thyristortriode im leitenden Zustand:
• zeigt Wellenformen, die das Verhalten einer Zweirichtungs-Thyristortriode während eines EIN-Zustands veranschaulichen, also wenn eine Last angeschlossen ist. Nach jedem Zyklus wird (mit einstellbarer Verzögerung) die Last mit dem Wechselrichter verbunden.
• stellt einen Laststrom i_L dar, der gleichzeitig der Strom ist, welcher durch die Zweirichtungs-Thyristortriode 804 fließt. Es ist anzumerken, dass ein von dem Wechselrichter erzeugter hochfrequenter Strom an der Zweirichtungs-Thyristortriode 804 erkennbar ist. Bei hohen di/dt-Werten kann die Zweirichtungs-Thyristortriode 804 unter Umständen anders reagieren als bei Anwendungen mit niedrigen Frequenzen.
• Um die Zweirichtungs-Thyristortriode 804 AUSzuschalten, muss die Einhüllende des Stroms i_L sich Null annähern, damit i_L=0 und di_L/dt=0 sichergestellt sind. Somit ist bei hohen Frequenzen das Ausschalten der Zweirichtungs-Thyristortriode 804 stärker von der niederfrequenten Einhüllenden des Stroms als von dem momentanen Stromwert abhängig.
• Um das effiziente Ausschalten der Zweirichtungs-Thyristortriode 804 zu gewährleisten, muss die Einhüllende des Stroms annähernd Null erreichen, wie im unteren Teil von dargestellt. Da der Strom i_L von der Spannung v_bus über den Kondensator 704 (siehe ) abhängig ist, muss v_bus ebenfalls Null erreichen. Diese Anforderung kann erfüllt werden, wenn der Kondensator 704 (im Wesentlichen) zum Ende jedes Zyklus vollständig entladen wird, ohne dass eine (nennenswerte) Spannung in diesem Kondensator 704 verbleibt.
• Der Wert des Kondensators 704 beeinflusst hochfrequente Ströme und einen eventuellen Entkopplungseffekt zwischen dem Gleichrichter 703 und dem Wechselrichter. Daher kann der Wert des Kondensators nicht willkürlich verringert werden. Der in dieser Patentanmeldung bereitgestellte Lösungsansatz regt speziell an sicherzustellen, dass die Zweirichtungs-Thyristortriode 804 AUSgeschaltet ist, um den Modulator abzukoppeln und sicherzustellen, dass iL=0 ebenso wie di_L/dt=0 ist.
• Steuerungsschema:
• Um die Zweirichtungs-Thyristortriode in einer Multiplex-Anwendung effizient zu steuern, kann das folgende Steuerungsschema zur Anwendung kommen. Dies vermeidet jede fälschliche Auslösung der Zweirichtungs-Thyristortriode aufgrund hoher dv/dt-Transienten. Insbesondere wird mit dem Lösungsansatz eine effiziente Verringerung von di/dt-Transienten vorgeschlagen.
• zeigt Zeitdiagramme auf Basis der in und in dargestellten Schaltungen. Das Signal Q₁ zeigt die Steuerung von Schalter 706, das Signal Q₂ zeigt die Steuerung von Schalter 707, das Signal 1101 zeigt das Steuerungssignal für die Zweirichtungs-Thyristortriode 708, das Signal 1102 zeigt das Steuerungssignal für die Zweirichtungs-Thyristortriode 709, das Signal 1103 zeigt das Steuerungssignal für die Zweirichtungs-Thyristortriode 710, v_bus ist die Spannung über den Kondensator 704, i_L1 ist der Laststrom für Last 711, i_L2 ist der Laststrom für Last 712 und i_LN ist der Laststrom für Last 713.
• Die Signale Q₁ und Q₂ repräsentieren die Steuerungswellenform, die an die Schalter 706, 707 des Wechselrichters angelegt wird. Sie können auf einem willkürlichen Modulationsschema beruhen. Die Signale 1101 bis 1103 repräsentieren Aktivierungssignale für jede der Zweirichtungs-Thyristortrioden 708 bis 710 des Multiplexers. Die Spannung v_bus entspricht der gleichgerichteten Spannungswellenform bei einer Frequenz, die speziell 100/120 Hz betragen kann. Die Signale i_L1 bis i_LN stellen die Laststrom-Wellenformen dar.
• Jede Last 711 bis 713 ist mit dem Wechselrichter für eine willkürliche Anzahl von Halbzyklen auf periodische Weise verbunden. Der Wechselrichter wird mittels verschiedener Modulationsparameter (T_S,N, T_ON,N, t_m,_N) gesteuert, abhängig von der jeweiligen damit verbundenen Last.
• Um eine fälschliche Auslösung einer beliebigen Zweirichtungs-Thyristortriode zu vermeiden, kann es vorteilhaft sein, die Zweirichtungs-Thyristortriode AUSzuschalten und sicherzustellen, dass das Wechselrichtermodulationssignal Q_i während eines Zeitintervalls T_OFF rund um den Null-Volt-Durchgang der Spannung v_bus getrennt wird. Hierdurch erhält man i_L=0 und di_L/dt=0.
• Das Zeitintervall T_OFF kann ausreichend lang bemessen werden, um das Ausschalten der Zweirichtungs-Thyristortriode zu ermöglichen.
• Weitere Vorteile:
• Die in der vorliegenden Patentschrift vorgeschlagene Lösung verwendet Zweirichtungs-Thyristortrioden in hochfrequenten Anwendungen wie beispielsweise induktive Haushaltsheizvorrichtungen. Andernfalls wäre die Verwendung derartiger Zweirichtungs-Thyristortrioden als Multiplex-Elemente nicht realisierbar.
• Der Lösungsansatz, Zweirichtungs-Thyristortrioden zu verwenden, ermöglicht eine ausreichend hohe Schaltfrequenz, wie sie durch die Anwendung gefordert wird (um 1 kHz).
• Es ist ein weiterer Vorteil, dass aufgrund der Verwendung von Zweirichtungs-Thyristortrioden während des Schaltens keinerlei akustisches Geräusch entsteht.

Claims (8)

1. Verfahren zum Multiplexen von mindestens zwei Induktionsheizlasten (711 - 713, 806 - 807) über eine jeweilige elektronische Schaltvorrichtung (708 - 710, 804 - 805), die für jede Last (711 - 713, 806 - 807) eingesetzt wird; - wobei die mindestens zwei Induktionsheizlasten (711 - 713, 806 - 807) für ein vorab festgelegtes Zeitintervall (T_OFF) deaktiviert sind, indem die jeweiligen elektronischen Schaltvorrichtungen (708 - 710, 804 - 805) ausgeschaltet werden, - wobei das besagte vorab festgelegte Zeitintervall (T_OFF) in einer Austastlücke in Bezug auf das besagte Multiplexen angeordnet ist und - wobei ein Umrichter, der die mindestens zwei Induktionsheizlasten (711 - 713, 806 - 807) ansteuert, während des vorab festgelegten Zeitintervalls (T_OFF) mindestens teilweise ausgeschaltet wird.
2. Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei der besagte Umrichter für die Dauer der Austastlücke ausgeschaltet wird.
3. Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das vorab festgelegte Zeitintervall (T_OFF) derart bemessen ist, dass ein Kondensator (704), der an der Eingangsseite des Wechselrichters angeordnet ist, während des besagten vorab festgelegten Zeitintervalls im Wesentlichen entladen werden kann.
4. Schaltung, welche Folgendes umfasst: - mindestens zwei Induktionsheizlasten (711 - 713, 806 - 807), die durch eine jeweilige elektronische Schaltvorrichtung (708 - 710, 804 - 805) gesteuert werden, wobei die besagten mindestens zwei Induktionsheizlasten (711 - 713, 806 - 807) gemultiplext werden; - eine Steuerungseinheit, die zum Ansteuern der besagten elektronischen Schaltvorrichtungen (708 - 710, 804 - 805) ausgebildet ist, sodass die mindestens zwei Induktionsheizlasten (711 - 713, 806 - 807) für ein vorab festgelegtes Zeitintervall (T_OFF) deaktivierbar sind, indem die jeweiligen elektronischen Schaltvorrichtungen (708 - 710, 804 - 805) ausschaltbar sind, wobei das besagte vorab festgelegte Zeitintervall (T_OFF) in einer Austastlücke in Bezug auf das besagte Multiplexen angeordnet ist, - einen Umrichter, der zur Ansteuerung der mindestens zwei Induktionsheizlasten (711 - 713, 806 - 807) nach einem Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3 ausgebildet ist.
5. Schaltung gemäß Anspruch 4, wobei der besagte Umrichter ein Vollbrücken-Resonanzwechselrichter oder ein Halbbrücken-Resonanzwechselrichter ist, wobei die Induktionsheizlasten (711 - 713, 806 - 807) insbesondere mit dem Ausgang des besagten Umrichters verbunden sind.
6. Schaltung gemäß Anspruch 5, wobei die mindestens eine Induktionsheizlast (711 - 713, 806 - 807) mit einem Mittelabgriff zwischen den Schaltern des besagten Umrichters verbunden ist.
7. Schaltung gemäß einem der Ansprüche 4 bis 6, wobei die besagte elektronische Schaltvorrichtung (708 - 710, 804 - 805) mindesten eine der folgenden Komponenten umfasst: - eine Zweirichtungs-Thyristortriode; - eine snubberlose Zweirichtungs-Thyristortriode; - einen Transistor; - einen MOSFET; - einen IGBT.
8. Haushaltsheizvorrichtung, die die Schaltung gemäß einem der Ansprüche 4 bis 7 umfasst.

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