DE102013205746A1

DE102013205746A1 - Induktionsheizvorrichtung

Info

Publication number: DE102013205746A1
Application number: DE201310205746
Authority: DE
Inventors: Oscar Lucia Gil; Pablo Jesus Hernandez Blasco; Sergio Llorente Gil; Arturo Mediano Heredia; Daniel Palacios Tomas; Hector Sarnago Andia
Original assignee: BSH Bosch und Siemens Hausgeraete GmbH
Current assignee: BSH Hausgeraete GmbH
Priority date: 2012-04-02
Filing date: 2013-04-02
Publication date: 2013-10-02

Abstract

Die Erfindung geht aus von einer Induktionsheizvorrichtung (12), insbesondere einer Induktionskochfeldvorrichtung, mit zumindest einer Induktionsheizeinheit (20, 22, 24, 26) und zumindest einer Heizfrequenzeinheit (50), die dazu vorgesehen ist, in zumindest einem Betriebsmodus die zumindest eine Induktionsheizeinheit (20, 22, 24, 26) mit hochfrequentem Wechselstrom zu versorgen. Um eine Effizienzsteigerung zu erreichen, wird vorgeschlagen, dass die Heizfrequenzeinheit (50) zumindest eine unidirektionale, bipolare Schaltkomponente (52, 53) aufweist.

Description

Die Erfindung geht aus von einer Induktionsheizvorrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Es sind Induktionskochfelder bekannt, deren Induktionsheizeinheiten von Wechselrichtern mit hochfrequentem Wechselstrom versorgt werden.
Die Aufgabe der Erfindung besteht insbesondere darin, eine gattungsgemäße Vorrichtung mit verbesserten Eigenschaften hinsichtlich einer verbesserten Effizienz bereitzustellen. Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst, während vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung den Unteransprüchen entnommen werden können.
Die Erfindung geht aus von einer Induktionsheizvorrichtung, insbesondere einer Gargeräteinduktionsheizvorrichtung, vorteilhaft einer Induktionskochfeldvorrichtung, mit zumindest einer Induktionsheizeinheit und zumindest einer Heizfrequenzeinheit, die dazu vorgesehen ist, in zumindest einem Betriebsmodus die zumindest eine Induktionsheizeinheit mit hochfrequentem Wechselstrom zu versorgen.
Es wird vorgeschlagen, dass die Heizfrequenzeinheit zumindest eine unidirektionale, bipolare Schaltkomponente aufweist. Unter einer "Induktionsheizeinheit" soll insbesondere eine Einheit mit zumindest einem Induktionsheizelement verstanden werden. Insbesondere werden in einem Betriebszustand, in dem die Induktionsheizeinheit mit hochfrequentem Wechselstrom versorgt wird, alle Induktionsheizelemente der Induktionsheizeinheit, vorzugsweise gleichzeitig, mit hochfrequentem Wechselstrom versorgt. Unter einem „Induktionsheizelement“ soll insbesondere ein Heizelement mit zumindest einer Induktionsheizleitung verstanden werden, das dazu vorgesehen ist, durch Induktionseffekte, insbesondere Induzierung von elektrischem Strom und/oder Ummagnetisierungseffekte, in einem, vorzugsweise ferromagnetischen, insbesondere metallischen, Heizmittel, insbesondere in einem Gargeschirr, in einer Backofenwand und/oder in einem Heizkörper, der in einem Backofen angeordnet ist, eine Erwärmung des Heizmittels zu verursachen. Insbesondere ist das Induktionsheizelement dazu vorgesehen, in zumindest einem Betriebsmodus, in dem das Induktionsheizelement an eine Versorgungselektronik angeschlossen ist, eine Leistung von zumindest 100 W, insbesondere zumindest 500 W, vorteilhaft zumindest 1000 W, vorzugsweise zumindest 2000 W, zu übertragen, insbesondere elektrische Energie in elektromagnetische Feldenergie zu wandeln, die in einem geeigneten Heizmittel letztendlich in Wärme gewandelt wird. Unter einer „Induktionsheizleitung“ soll insbesondere eine elektrische Leitung verstanden werden, die dazu vorgesehen ist, einen elektrischen Strom zu führen, der dazu vorgesehen ist, in einem geeigneten Heizmittel Induktionseffekte hervorzurufen. Vorzugsweise ist die Induktionsheizleitung als Induktivität, insbesondere als Spule, vorteilhaft als Flachspule, vorzugsweise zumindest im Wesentlichen in Form einer Kreisscheibe, alternativ in Form eines Ovals oder eines Rechtecks, ausgebildet. Insbesondere weist die Induktionsheizleitung, insbesondere mit einem gekoppelten Heizmittel, eine Induktivität von zumindest 0,1 µH, insbesondere zumindest 1 µH, vorteilhaft zumindest 10 µH, auf. Insbesondere weist die Induktionsheizleitung, insbesondere ohne ein gekoppeltes Heizmittel, eine Induktivität von maximal 0,2 µH, insbesondere maximal 10 µH, vorteilhaft maximal 1000 µH, auf. Vorzugsweise ist die Induktionsheizleitung dazu vorgesehen, zumindest in einem Betriebszustand von hochfrequentem Wechselstrom, insbesondere einem Wechselstrom mit einer Frequenz von zumindest 1 kHz, insbesondere zumindest 3 kHz, vorteilhaft zumindest 10 kHz, vorzugsweise zumindest 20 kHz, insbesondere maximal 500 kHz, insbesondere mit einer Stromstärke von zumindest 0,5 A, insbesondere zumindest 1 A, vorteilhaft zumindest 3 A, vorzugsweise zumindest 10 A, durchflossen zu werden. Unter einer „Heizfrequenzeinheit“ soll insbesondere eine elektrische Einheit verstanden werden, die ein oszillierendes, elektrisches Signal, vorzugsweise mit einer Frequenz von zumindest 1 kHz, insbesondere von wenigstens 10 kHz vorteilhaft von mindestens 20 kHz, und insbesondere von maximal 100 kHz, für zumindest eine Induktionsheizeinheit erzeugt. Insbesondere ist die Heizfrequenzeinheit dazu vorgesehen, in zumindest einem Betriebszustand eine Gleichspannung, eine pulsierende Gleichspannung und/oder eine Wechselspannung, insbesondere eine Wechselspannung mit einer Frequenz von weniger als 200 Hz, insbesondere weniger als 60 Hz, vorteilhaft weniger als 50 Hz, in eine hochfrequente Wechselspannung zu wandeln. Insbesondere ist zumindest die Heizfrequenzeinheit dazu vorgesehen, eine, von der Induktionsheizeinheit geforderte, maximale elektrische Leistung von zumindest 1000 W, insbesondere zumindest 2000 W, vorteilhaft zumindest 3000 W und vorzugsweise zumindest 3700 W, bereitzustellen. Unter einer „unidirektionalen, bipolaren Schaltkomponente“ soll insbesondere eine für Strom unidirektionale und für Spannung bipolare Schaltkomponente verstanden werden, die dazu vorgesehen ist, eine Verbindung zwischen zwei Leistungskontakten herzustellen und/oder zu trennen, in zumindest einem Schaltzustand, insbesondere einem Trennzustand, eine Spannung zwischen den Leistungskontakten, deren Betrag zumindest 100 V, vorteilhaft zumindest 400 V, vorzugsweise zumindest 600 V, beträgt, zu halten, insbesondere einen Stromfluss zwischen den Leistungskontakten in beide Richtungen zu sperren, und in zumindest einem Schaltzustand, insbesondere einem Leitungszustand, einen Stromfluss zwischen den Leistungskontakten in eine Richtung zu sperren und in eine andere Richtung zuzulassen. Insbesondere weist die unidirektionale, bipolare Schaltkomponente zumindest einen Schaltkontakt auf, wobei eine an dem Schaltkontakt vorliegende elektrische Kenngröße, insbesondere ein Schaltstrom und/oder eine Schaltspannung, einen Schaltzustand, insbesondere einen von zwei Schaltzuständen, insbesondere einen Leitungszustand und/oder einen Trennzustand, der unidirektionalen, bipolaren Schaltkomponente bestimmt. Insbesondere unterscheidet sich die Schaltkomponente von einer Schaltkomponente mit parallel geschalteter Freilaufdiode und/oder mit parallel geschaltetem kondensator. Insbesondere ist die Schaltkomponente dazu vorgesehen, einen technischen Stromfluss von zumindest 3 A, insbesondere zumindest 8 A, vorteilhaft zumindest 12 A, vorzugsweise zumindest 15 A, von einem positiven Leistungskontakt zu einem negativen Leistungskontakt zuzulassen. Unter „vorgesehen“ soll insbesondere speziell programmiert, ausgelegt, beschaltet und/oder ausgestattet verstanden werden. Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung können, insbesondere durch eine Verringerung und oder Vermeidung von Rücklaufströmen, insbesondere von Resonanzumkehrströmen, Schaltverluste minimiert werden, wodurch eine Effizienz der Induktionsheizvorrichtung gesteigert werden kann.
Weiterhin wird vorgeschlagen, dass die Heizfrequenzeinheit zumindest zwei unidirektionale, bipolare Schaltkomponenten aufweist. Insbesondere haben die Schaltkomponenten zumindest einen gemeinsamen Leistungskontakt. Insbesondere sind ein positiver Leistungskontakt der einen Schaltkomponente und ein negativer Schaltkontakt der anderen Schaltkomponente direkt verbunden. Unter einer „direkten Verbindung“ soll insbesondere eine elektrische Verbindung verstanden werden, die, zumindest in einem Betriebszustand mit einem Stromfluss von Wechselstrom über die
Verbindung mit einer Frequenz zwischen 1 kHz und 500 kHz, eine Impedanz aufweist, die von ihrem Betrag her kleiner ist als 10 V/A, insbesondere kleiner ist als 1 V/A, vorzugsweise kleiner ist als 0,1 V/A, und deren Betrag insbesondere über einen Frequenzbereich von 1 kHz bis 500 kHz um maximal 100 %, insbesondere maximal 40 %, vorteilhaft maximal 10 % und vorzugsweise maximal 3 %, schwankt. Unter einer „Impedanz“ soll insbesondere eine Division einer Effektivspannung durch einen Effektivstrom der elektrischen Verbindung verstanden werden. Es kann insbesondere eine einfache Steuerbarkeit erreicht werden.
Ferner wird vorgeschlagen, dass die Induktionsheizvorrichtung zumindest eine Resonanzeinheit aufweist, die dazu vorgesehen ist, mit der Induktionsheizeinheit zumindest einen Resonanzteilkreis zu bilden. Unter einer „Resonanzeinheit“ soll insbesondere eine Einheit verstanden werden, die zumindest eine Resonanzkapazität, die vorzugsweise von zumindest einem Kondensator gebildet ist, umfasst, der von einer Kapazität, die zu einem Schaltelement parallelgeschaltet ist, verschieden ist. Insbesondere ist eine Resonanzkapazität von einer Kombination aus Reihen- und Parallelschaltungen von mehreren Kondensatoren gebildet. Unter einem „Resonanzteilkreis“ soll insbesondere ein Teil eines Schaltkreises verstanden werden, in dem zumindest eine Resonanzkapazität der Resonanzeinheit in Reihe und/oder parallel zu der Induktionsheizeinheit geschaltet ist. Vorzugsweise beträgt eine Resonanzfrequenz des Resonanzteilkreises zumindest 20 kHz, vorzugsweise zumindest 50 kHz, vorteilhaft zumindest 70 kHz, vorzugsweise zumindest 90 kHz. Insbesondere ist die Resonanzkapazität direkt mit der Induktionsheizeinheit verbunden. Insbesondere weist der zumindest eine Resonanzteilkreis zumindest einen Kontakt auf, der mit einem gemeinsamen Leistungskontakt zweier bipolarer, unidirektionaler Schaltkomponenten direkt verbunden ist. Insbesondere ist die zumindest eine Resonanzkapazität dazu vorgesehen, in zumindest einem Betriebszustand, über zumindest eine der Schaltkomponenten und die Induktionsheizeinheit geladen und/oder entladen zu werden. Es kann insbesondere ein leicht kontrollierbarer Betrieb erreicht werden.
Weiterhin wird vorgeschlagen, dass die Induktionsheizeinheit in einer Halbbrückenschaltung angeordnet ist, wobei zumindest die Induktionsheizeinheit in einem Brückenzweig zwischen einem gemeinsamen Kontaktpunkt zweier unidirektionaler, bipolarer Schaltkomponenten und einem gemeinsamen Kontaktpunkt zweier Resonanzkapazitäten angeordnet ist. Insbesondere weist die Resonanzeinheit zumindest zwei Resonanzkapazitäten auf, die über einen gemeinsamen Kontakt direkt miteinander verbunden sind, wobei ein Kontakt der Induktionsheizeinheit und/oder ein Außenkontakt eines Resonanzteilkreises direkt mit dem gemeinsamen Kontakt der Resonanzkapazitäten verbunden ist. Es kann insbesondere eine einfache Steuerung und/oder eine erhöhte Effizienz erreicht werden. Alternativ ist die Induktionsheizeinheit in einer Vollbrückenschaltung angeordnet, wobei zumindest die Induktionsheizeinheit und zumindest eine Resonanzkapazität der Resonanzeinheit, vorzugsweise in Reihenschaltung, in einem Brückenzweig zwischen einem Kontaktpunkt zweier bipolarer, unidirektionaler Schaltkomponenten und einem Kontaktpunkt zweier weiterer bipolarer Schaltkomponenten angeordnet sind.
Ferner wird vorgeschlagen, dass die Induktionsheizvorrichtung zumindest eine Steuereinheit aufweist, die dazu vorgesehen ist, die Heizfrequenzeinheit in zumindest einem Betriebsmodus mit einer Frequenz zu betreiben, die kleiner ist als eine Resonanzfrequenz, die durch die Induktionsheizeinheit und die Resonanzeinheit gegeben ist. Insbesondere ist die Steuereinheit dazu vorgesehen, hochfrequente Schaltsignale zu erzeugen und damit den zumindest einen Schaltkontakt der zumindest einen Schaltkomponente anzusteuern. Insbesondere ist die Steuereinheit dazu vorgesehen, in Abhängigkeit von einer Bedienereingabe eine Heizleistung der Induktionsheizeinheit einzustellen. Insbesondere weist die Steuereinheit zumindest eine Recheneinheit und vorzugsweise zumindest eine Speichereinheit auf, in der insbesondere ein Betriebsprogramm abgelegt ist, das zumindest in einem Betriebszustand von der Recheneinheit ausgeführt wird. Insbesondere kann eine einfache Steuerung erreicht werden. Insbesondere kann eine zumindest im Wesentlichen lineare Frequenz-Leistungsabhängigkeit erreicht werden.
Weiterhin wird vorgeschlagen, dass die zumindest eine bipolare, unidirektionale Schaltkomponente zumindest ein bidirektionales Schaltelement und zumindest ein Gleichrichterelement aufweist. Vorzugsweise sind das Schaltelement und das Gleichrichterelement in Reihe geschaltet. Unter einem „bidirektionalen Schaltelement“ soll insbesondere ein Schaltelement verstanden werden, dass in zumindest einem Schaltzustand, insbesondere einem Leitungszustand, richtungsunabhängig einen Stromfluss zwischen Leistungskontakten des Schaltelements erlaubt. Insbesondere weist eine der Richtungen eine erhöhte Stromtragfähigkeit auf. Insbesondere ist das Schaltelement als Transistor, vorteilhaft als Bipolartransistor oder IGBT, ausgebildet. Unter einem „Gleichrichterelement“ soll insbesondere ein zweipoliges, elektrisches Element verstanden werden, das dazu vorgesehen ist, zumindest bis zu einer Spannung von betragsmäßig zumindest 300 V, vorteilhaft zumindest 450 V, vorzugsweise zumindest 600 V, in nur einer Richtung von Strom durchflossen zu werden. Insbesondere handelt es sich bei dem Gleichrichterelement um eine Diode, insbesondere um eine schnellerholende Diode. Unter einer „schnellerholenden Diode“ soll insbesondere eine Diode verstanden werden, die eine Sperrverzögerungszeit von maximal 100 ns, insbesondere maximal 50 ns, vorteilhaft maximal 30 ns, aufweist. Insbesondere ist denkbar, dass insbesondere aus Kostengründen ein Schaltelement verwendet wird, dem eine Freilaufdiode parallel geschaltet ist, die dem Gleichrichterelement entgegengesetzt geschaltet ist. Insbesondere ist die Schaltkomponente als integriertes Bauteil ausgebildet. Alternativ ist es denkbar, dass die Schaltkomponente als rückwärts sperrender Transistor, insbesondere rückwärtssperrender IGBT (Reverse-Blocking IGBT oder RB-IGBT), ausgebildet ist. Es kann insbesondere eine einfache und/oder preisgünstige Ausgestaltung erreicht werden.
Vorteilhaft weist die Induktionsheizvorrichtung zumindest eine Gleichrichtereinheit, vorzugsweise einen Brückengleichrichter, auf, die dazu vorgesehen ist, einen Strom einer Elektroenergiequelle gleichzurichten und der Heizfrequenzeinheit zuzuführen. Unter einer „Elektroenergiequelle“ soll insbesondere eine Energiequelle verstanden werden, die eine elektrische Spannung von zumindest 50 V, von insbesondere zumindest 100 V, vorteilhaft zumindest 200 V, insbesondere eine elektrische Wechselspannung mit einer Frequenz von maximal 200 Hz, vorteilhaft maximal 60 Hz, vorzugsweise maximal 50 Hz, und/oder einen elektrischen Strom von insbesondere bis zumindest 5 A, vorteilhaft zumindest 10 A, vorteilhaft zumindest 15 A, insbesondere einen elektrischen Wechselstrom mit einer Frequenz von maximal 200 Hz, vorteilhaft maximal 60 Hz, vorzugsweise maximal 50 Hz, bereitstellt. Insbesondere handelt es sich bei der Elektroenergiequelle um zumindest eine Phase eines Hausstromanschlusses. Insbesondere ist zwischen Ausgangskontakten der Gleichrichtereinheit zumindest eine Pufferkapazität geschaltet, um Stromspitzen abzufangen. Insbesondere ist vor oder nach der Gleichrichtereinheit eine Filtereinheit geschaltet, die dazu vorgesehen ist, eine Übertragung von, insbesondere hochfrequenten, Störströmen aus der Hochfrequenzeinheit und/oder der Induktionsheizeinheit in die Elektroenergiequelle zu vermeiden. Es kann insbesondere eine effiziente Schaltung erreicht werden.
Weiterhin wird ein Hausgerät, insbesondere Gargerät, vorteilhaft Backofen und/oder Kochfeld, mit einer erfindungsgemäßen Induktionsheizvorrichtung vorgeschlagen.
Weitere Vorteile ergeben sich aus der folgenden Zeichnungsbeschreibung. In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Die Zeichnung, die Beschreibung und die Ansprüche enthalten zahlreiche Merkmale in Kombination. Der Fachmann wird die Merkmale zweckmäßigerweise auch einzeln betrachten und zu sinnvollen weiteren Kombinationen zusammenfassen.
Es zeigen:
1 eine schematische Ansicht eines Kochfelds mit einer erfindungsgemäßen Induktionsheizvorrichtung,
2 ein elektrisches Schaltbild einer erfindungsgemäßen Induktionsheizvorrichtung und
3 eine schematische Darstellung eines Kenngrößenverlaufs einer erfindungsgemäßen Induktionsheizvorrichtung.
1 zeigt ein als Kochfeld ausgebildetes Hausgerät 10. Das Hausgerät 10 weist vier Induktionsheizeinheiten 20, 22, 24, 26 auf. Die Induktionsheizeinheiten 20, 22, 24, 26 sind als Kochfeldinduktoren ausgebildet, die unter einer Kochfeldplatte angeordnet sind. Weiterhin weist das Hausgerät 10 eine Leistungselektronikeinheit 14 auf, die dazu vorgesehen ist, die Induktionsheizeinheiten 20, 22, 24, 26 mit Energie zu versorgen. Die Leistungselektronikeinheit 14 und die Induktionsheizeinheiten 20, 22, 24, 26 sind Teil von Induktionsheizvorrichtungen 12.
2 zeigt eine Induktionsheizvorrichtung 12 mit der Induktionsheizeinheit 20. Die Induktionsheizeinheit 20 ist hierbei als Spule mit in Reihe geschaltetem Wiederstand, der einem aufgestellten Gargeschirr entspricht, dargestellt. Die Induktionsheizvorrichtung 12 weist eine Gleichrichtereinheit 30 auf, die dazu vorgesehen ist, einen Strom einer Elektroenergiequelle 40 gleichzurichten. Die Elektroenergiequelle 40 ist hierbei an Eingangskontakten 32, 34 der Gleichrichtereinheit 30 angeschlossen. Die Gleichrichtereinheit 30 ist als Brückengleichrichter mit vier Dioden ausgebildet. Die Gleichrichtereinheit 30 stellt einen gleichgerichteten Strom bzw. eine gleichgerichtete Spannung an Ausgangskontakten 36, 38 bereit. Ein erster Ausgangskontakt 36 liegt hierbei auf positivem Potential und ein zweiter Ausgangskontakt 38 auf negativem Potential.
Weiterhin weist die Induktionsheizvorrichtung 12 eine Heizfrequenzeinheit 50 auf. Die Gleichrichtereinheit 30 ist dazu vorgesehen, der Heizfrequenzeinheit 50 Energie zuzuführen. Die Heizfrequenzeinheit 50 ist dazu vorgesehen, in Betriebsmodi die Induktionsheizvorrichtung 12 mit hochfrequentem Wechselstrom zu versorgen. Die Heizfrequenzeinheit 50 weist eine erste und eine zweite unidirektionale, bipolare Schaltkomponente 52, 53 auf.
Die erste unidirektionale, bipolare Schaltkomponente 52 weist einen ersten und einen zweiten Leistungskontakt 58 und einen Steuerkontakt 42 auf. Der erste Leistungskontakt 58 ist als positiver Leistungskontakt ausgebildet. Der zweite Leistungskontakt ist als negativer Leistungskontakt ausgebildet. Die erste unidirektionale bipolare Schaltkomponente 53 weist einen ersten und einen zweiten Leistungskontakt 59 und einen Steuerkontakt 44 auf. Der erste Leistungskontakt ist als positiver Leistungskontakt ausgebildet. Der zweite Leistungskontakt 59 ist als negativer Leistungskontakt ausgebildet. Der zweite Leistungskontakt der ersten unidirektionalen, bipolaren Schaltkomponente 52 und der erste Leistungskontakt der zweiten bipolaren Schaltkomponente 53 sind direkt verbunden und als gemeinsamer Kontakt 51 ausgebildet. Der erste Leistungskontakt 58 der ersten Schaltkomponente 52 ist direkt mit dem ersten Ausgangskontakt 36 der Gleichrichtereinheit 30 verbunden. Der zweite Leistungskontakt 59 der zweiten Schaltkomponente 52 ist direkt mit dem zweiten Ausgangskontakt 38 der Gleichrichtereinheit 30 verbunden.
Weiterhin weist die Induktionsheizvorrichtung 12 eine Pufferkapazität 46 auf, die zwischen die Ausgangskontakte 36, 38 der Gleichrichtereinheit 30 geschaltet ist.
Die Induktionsheizvorrichtung 12 weist weiterhin eine Resonanzeinheit 60 mit zwei Resonanzkapazitäten 62, 64 auf. Die Resonanzeinheit 60 ist dazu vorgesehen, mit der Induktionsheizeinheit 20 zwei Resonanzteilkreise zu bilden. Die Resonanzkapazitäten 62, 64 weisen eine gleiche Kapazität auf. Die Induktionsheizeinheit 20 ist in einer Halbbrückenschaltung angeordnet.
Die Resonanzkapazitäten 62, 64 sind jeweils mit einem ersten Pol über einen gemeinsamen Kontakt 61 direkt miteinander verbunden. Ein erster Kontakt der Induktionsheizeinheit 20 ist direkt mit dem gemeinsamen Kontakt 51 der Schaltkomponenten 52, 53 verbunden. Ein zweiter Kontakt der Induktionsheizeinheit 20 ist direkt mit dem gemeinsamen Kontakt 61 der Resonanzkapazitäten 62, 64 verbunden. Ein zweiter Pol der ersten Resonanzkapazität 62 ist direkt mit dem ersten Ausgangskontakt 36 der Gleichrichtereinheit 30 verbunden. Ein zweiter Pol der zweiten Resonanzkapazität 64 ist direkt mit dem zweiten Ausgangskontakt 38 der Gleichrichtereinheit 30 bzw. dem ersten Leistungskontakt 58 der ersten Schaltkomponente 52 verbunden. Die erste Resonanzkapazität 62 und die Induktionsheizeinheit 20 bilden einen ersten Resonanzteilkreis. Die zweite Resonanzkapazität 64 und die Induktionsheizeinheit 20 bilden einen zweiten Resonanzteilkreis. Eine Resonanzfrequenz der Resonanzteilkreise liegt, in Abhängigkeit von einem verwendeten Gargeschirr, insbesondere in Abhängigkeit von einer Größe und einem Material des Gargeschirrs, zwischen 20 kHz und 500 kHz.
Die bipolaren, unidirektionalen Schaltkomponenten 52, 53 weisen jeweils ein bidirektionales Schaltelement 56, 57 und ein Gleichrichterelement 54, 55 auf. Die Schaltelemente 56, 57 sind als Transistoren ausgebildet. Die Gleichrichterelemente 54, 55 sind als schnellerholende Dioden ausgebildet. Die Gleichrichterelemente 54, 55 erlauben jeweils, in einem Leitungszustand der Schaltelemente 56, 57 bzw. der Schaltkomponenten 52, 53, einen Stromfluss vom positiven Leistungskontakt 58 bzw. 51 zum negativen Leistungskontakt 51 bzw. 58 und sperren einen Strom in die andere Richtung.
Weiterhin weist die Induktionsheizvorrichtung 12 eine Steuereinheit 16 auf. Die Steuereinheit 16 ist dazu vorgesehen, die Steuerkontakte 42, 44 der Schaltkomponenten 52, 53 bzw. der Schaltelemente 56, 57 separat mit jeweils einer Ansteuerkenngröße S₁, S₂, beispielsweise einem Schaltstrom oder einer Schaltspannung, anzusteuern, um Schaltzustände der Schaltkomponenten 52, 53 zu verändern. Die Steuereinheit 16 ist dazu vorgesehen, die Heizfrequenzeinheit 50 und die Schaltkomponenten 52, 53 in jedem Betriebsmodus mit einer Frequenz zu betreiben, die kleiner ist als die Resonanzfrequenz, die durch die Induktionsheizeinheit 20 und die Resonanzeinheit 60 gegeben ist.
3 zeigt den Verlauf verschiedener Kenngrößen S₁, S₂, U₁, U₂, I₁, I₂, I_L der Induktionsheizvorrichtung 12 in mehreren übereinander angeordneten Diagrammen in Abhängigkeit von einer Zeit t für einen einzelnen Steuerzyklus. Die Steuerzyklen wiederholen sich hierbei periodisch. In einem obersten, ersten Diagramm ist eine erste Ansteuerkenngröße S₁ der ersten Schaltkomponente 52 dargestellt, in deren Abhängigkeit sich der Schaltzustand der Schaltkomponente 52 ändert. In einem zweiten Diagramm ist eine erste Spannung U₁ dargestellt, die über der ersten Schaltkomponente 52, gemessen vom Leistungskontakt 58 zum gemeinsamen Kontakt 51, abfällt. Im dritten Diagramm ist ein erster Strom I₁ dargestellt, der durch die erste Schaltkomponente 52 vom positiven zum negativen Leistungskontakt 58, 51 fließt. In einem vierten Diagramm von oben ist eine zweite Ansteuerkenngröße S₂ der zweiten Schaltkomponente 53 dargestellt, in deren Abhängigkeit sich der Schaltzustand der Schaltkomponente 53 ändert. In einem fünften Diagramm ist eine zweite Spannung U₂ dargestellt, die über der zweiten Schaltkomponente 53, gemessen vom gemeinsamen Kontakt 51 zum Leistungskontakt 59, abfällt. Im sechsten Diagramm ist ein zweiter Strom I₂ dargestellt, der durch die zweite Schaltkomponente 53 vom positiven zum negativen Leistungskontakt 51, 59 fließt. In einem untersten, siebten Diagramm ist ein Leistungsstrom I_L dargestellt, der vom gemeinsamen Kontakt 51 der Schaltkomponenten 52, 53 zum gemeinsamen Kontakt 61 der Resonanzkapazitäten 62, 64 fließt.
Zu einem Anfangszeitpunkt t₀ wird durch Setzen der ersten Ansteuerkenngröße S₁ auf einen Schaltwert die erste Schaltkomponente 52 in den Leitungszustand versetzt, nachdem durch Zurücksetzen der zweiten Ansteuerkenngröße S₂ auf Null die zweite Schaltkomponente 53 in den Trennzustand versetzt wurde. Die erste Resonanzkapazität 62 entlädt sich daraufhin über die erste Schaltkomponente 52 und die Induktionsheizeinheit 20. Weiterhin lädt gleichgerichteter Strom vom ersten Ausgangskontakt 36 über die erste Schaltkomponente 52 und die Induktionsheizeinheit 20 die zweite Resonanzkapazität 64. Die Induktionsheizeinheit 20 verzögert zunächst einen Anstieg des ersten Stroms I₁. Über der ersten Schaltkomponente 52 liegt eine Spannung von nahezu 0V an. Über der zweiten Schaltkomponente 53, die im Trennzustand ist, fällt entsprechend eine von der Gleichrichtereinheit 30 gelieferte Spannung ab. Der Leistungsstrom I_L entspricht hierbei dem ersten Strom I₁.
Zu einem ersten Zeitpunkt t₁ kommt der Leistungsstrom I_L durch die Induktionsheizeinheit 20 zum Erliegen. Ein Kehrwert eines Doppelten der Zeitdifferenz t₁ – t₀ entspricht der Eigenfrequenz der Resonanzteilkreise. Zuvor wurde durch Selbstinduktion der Induktionsheizeinheit 20 die erste Resonanzkapazität 62 teilweise mit einer Gegenspannung geladen und die zweite Resonanzkapazität 64 über die Spannung hinaus, die von der Gleichrichtereinheit 30 geliefert wird, mit einer Überspannung geladen. Die Gegenspannung fällt ab dem Zeitpunkt t₁ rückwärtig als erste Spannung U₁ an der ersten Schaltkomponente 52 an. Die Überspannung fällt ab dem Zeitpunkt t₁ als zweite Spannung U₂ an der zweiten Schaltkomponente 53 an.
Zu einem zweiten Zeitpunkt t₂ wird, analog zum Anfangszeitpunkt t₀, durch Setzen der zweiten Ansteuerkenngröße S₂ auf den Schaltwert die zweite Schaltkomponente 53 in den Leitungszustand versetzt, nachdem durch Zurücksetzen der ersten Ansteuerkenngröße S₁ auf Null, die erste Schaltkomponente 52 in den Trennzustand versetzt wurde. Ein Kehrwert eines Doppelten der Zeitdifferenz t₂ – t₀ entspricht der Frequenz, mit der die Heizfrequenzeinheit 50 betrieben wird. Die zweite Resonanzkapazität 64 entlädt sich daraufhin über die zweite Schaltkomponente 53 und die Induktionsheizeinheit 20. Weiterhin lädt gleichgerichteter Strom vom zweiten Ausgangskontakt 38 über die zweite Schaltkomponente 53 und die Induktionsheizeinheit 20 die erste Resonanzkapazität 62. Die Induktionsheizeinheit 20 verzögert zunächst einen Anstieg des zweiten Stroms I₂. Über der zweiten Schaltkomponente 53 liegt eine Spannung von nahezu 0V an. Über der ersten Schaltkomponente 52, die im Trennzustand ist, fällt entsprechend eine von der Gleichrichtereinheit 30 gelieferte Spannung ab. Der Leistungsstrom I_L entspricht hierbei einem negativen des zweiten Stroms I₂.
Zu einem dritten Zeitpunkt t₃ kommt, analog zu Zeitpunkt t₁, der Leistungsstrom I_L durch die Induktionsheizeinheit 20 zum Erliegen. Zuvor wurde durch Selbstinduktion der Induktionsheizeinheit 20 die zweite Resonanzkapazität 64 teilweise mit einer Gegenspannung geladen und die erste Resonanzkapazität 62 über die Spannung hinaus, die von der Gleichrichtereinheit 30 geliefert wird, mit einer Überspannung geladen. Die Gegenspannung fällt ab dem Zeitpunkt t₃ rückwärtig als zweite Spannung U₂ an der zweiten Schaltkomponente 53 an. Die Überspannung fällt ab dem Zeitpunkt t₃ als erste Spannung U₁ an der ersten Schaltkomponente 52 an.
Zu einem vierten Zeitpunkt t₄ beginnt ein neuer Zyklus wie ab dem Anfangszeitpunkt t₀. Ein Kehrwert der Differenz t₄ – t₀ entspricht der Frequenz, mit der die Heizfrequenzeinheit 50 angesteuert wird. Durch Veränderung der Frequenz, mit der die Heizfrequenzeinheit 50 betrieben wird, wird ein Abstand t₂ – t₁ bzw. t₄ – t₃, in dem keine Leistung umgesetzt wird, verändert. So kann die Leistung der Induktionsheizeinheit 20 in linearer Abhängigkeit von der Frequenz verändert werden, solange die Frequenz kleiner ist als die Resonanzfrequenz, wobei eine Verringerung der Frequenz einer Verringerung der Leistung entspricht. Dies wird durch die Steuereinheit 16 und Stromsensoren (nicht näher dargestellt) sichergestellt. Da die Ströme I₁, I₂, I_L zu den Zeitpunkten t₀, t₂, t₄ Null sind, werden Schaltverluste in den Schaltkomponenten 52, 53 vermieden.
Bezugszeichenliste

10: Hausgerät
12: Induktionsheizvorrichtung
14: Leistungselektronikeinheit
16: Steuereinheit
20: Induktionsheizeinheit
22: Induktionsheizeinheit
24: Induktionsheizeinheit
26: Induktionsheizeinheit
30: Gleichrichtereinheit
32: Eingangskontakt
34: Eingangskontakt
36: Ausgangskontakt
38: Ausgangskontakt
40: Elektroenergiequelle
42: Steuerkontakt
44: Steuerkontakt
46: Pufferkapazität
50: Heizfrequenzeinheit
51: gemeinsamer Kontakt
52: Schaltkomponente
53: Schaltkomponente
54: Gleichrichterelement
55: Gleichrichterelement
56: Schaltelement
57: Schaltelement
58: Leistungskontakt
59: Leistungskontakt
60: Resonanzeinheit
61: gemeinsamer Kontakt
62: Resonanzkapazität
64: Resonanzkapazität
I₁: Strom
I₂: Strom
I_L: Leistungsstrom
S₁: Ansteuerkenngröße
S₂: Ansteuerkenngröße
U₁: Spannung
U₂: Spannung
t: Zeit
t₀: Anfangszeitpunkt
t₁: Zeitpunkt
t₂: Zeitpunkt
t₃: Zeitpunkt
t₄: Zeitpunkt

Claims

Induktionsheizvorrichtung, insbesondere Induktionskochfeldvorrichtung, mit zumindest einer Induktionsheizeinheit (20, 22, 24, 26) und zumindest einer Heizfrequenzeinheit (50), die dazu vorgesehen ist, in zumindest einem Betriebsmodus die zumindest eine Induktionsheizeinheit (20, 22, 24, 26) mit hochfrequentem Wechselstrom zu versorgen, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizfrequenzeinheit (50) zumindest eine unidirektionale, bipolare Schaltkomponente (52, 53) aufweist.
Induktionsheizvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizfrequenzeinheit (50) zumindest zwei unidirektionale, bipolare Schaltkomponenten (52, 53) aufweist.
Induktionsheizvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch zumindest eine Resonanzeinheit (60), die dazu vorgesehen ist, mit der Induktionsheizeinheit (20, 22, 24, 26) zumindest einen Resonanzteilkreis zu bilden.
Induktionsheizvorrichtung nach Anspruch 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Induktionsheizeinheit (20, 22, 24, 26) in einer Halbbrückenschaltung angeordnet ist.
Induktionsheizvorrichtung zumindest nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch zumindest eine Steuereinheit (16), die dazu vorgesehen ist, die Heizfrequenzeinheit (50) in zumindest einem Betriebsmodus mit einer Frequenz zu betreiben, die kleiner ist als eine Resonanzfrequenz, die durch die Induktionsheizeinheit (20, 22, 24, 26) und die Resonanzeinheit (60) gegeben ist.
Induktionsheizvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine bipolare, unidirektionale Schaltkomponente (52, 53) zumindest ein bidirektionales Schaltelement (56, 57) und zumindest ein Gleichrichterelement (54, 55) aufweist.
Induktionsheizvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch zumindest eine Gleichrichtereinheit (30), die dazu vorgesehen ist, einen Strom einer Elektroenergiequelle (40) gleichzurichten und der Heizfrequenzeinheit (50) zuzuführen.
Hausgerät, insbesondere Gargerät, mit einer Induktionsheizvorrichtung (12) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
Verfahren zum Betrieb einer Induktionsheizvorrichtung (12) nach einem der Ansprüche 1 bis 7.