DE102014220047A1

DE102014220047A1 - Gargerätevorrichtung

Info

Publication number: DE102014220047A1
Application number: DE102014220047.4A
Authority: DE
Inventors: Sergio Llorente Gil; Oscar Lucia Gil; José Miguel Burdio Pinilla; Arturo Mediano Heredia; Daniel Palacios Tomas; Hector Sarnago Andia
Original assignee: BSH Hausgeraete GmbH
Current assignee: BSH Hausgeraete GmbH
Priority date: 2013-11-28
Filing date: 2014-10-02
Publication date: 2015-05-28

Abstract

Die Erfindung geht aus von einer Gargerätevorrichtung, insbesondere einer Kochfeldvorrichtung 36, mit zumindest einem Wechselrichter (10), der zumindest einen stromgesteuerten Halbleiterschalter (12, 14) aufweist, welcher in zumindest einem Schaltzustand zumindest einen Wechselrichterausgangsstrom trägt, mit zumindest einem Treiberschaltkreis (16), welcher dazu vorgesehen ist, zumindest einen Steuerstrom (18) für den zumindest einen Halbleiterschalter (12, 14) bereitzustellen, und mit einer Steuereinheit (20). Um eine Effizienz der Gargerätevorrichtung zu erhöhen, wird vorgeschlagen, dass die Steuereinheit (20) dazu vorgesehen ist, den zumindest einen Halbleiterschalter (12, 14) mittels des zumindest einen Treiberschaltkreises (16) in Abhängigkeit von zumindest einer Eigenschaft des Wechselrichterausgangsstroms wenigstens während des zumindest einen Schaltzustands zumindest im Wesentlichen in einem Bereich minimaler Sättigung zu betreiben.

Description

Die Erfindung geht aus von einer Gargerätevorrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und einem Verfahren zum Betrieb einer Gargerätevorrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 12.
Aus dem Stand der Technik sind Kochfelder bekannt, die zumindest einen Wechselrichter mit einem stromgetriebenen Halbleiterschalter und einen Treiberschaltkreis umfassen, der dazu vorgesehen ist, einen Steuerstrom für den stromgetriebenen Halbleiterschalter bereitzustellen.
Die Aufgabe der Erfindung besteht insbesondere darin, eine gattungsgemäße Vorrichtung mit verbesserten Eigenschaften hinsichtlich einer Energieeffizienz bereitzustellen. Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale der Patentansprüche 1 und 12 gelöst, während vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung den Unteransprüchen entnommen werden können.
Die Erfindung geht aus von einer Gargerätevorrichtung, insbesondere einer Kochfeldvorrichtung, mit zumindest einem Wechselrichter, der zumindest einen stromgesteuerten Halbleiterschalter aufweist, welcher in zumindest einem Schaltzustand zumindest einen Wechselrichterausgangsstrom trägt, mit zumindest einem Treiberschaltkreis, welcher dazu vorgesehen ist, zumindest einen Steuerstrom für den zumindest einen Halbleiterschalter bereitzustellen, und mit einer Steuereinheit.
Es wird vorgeschlagen, dass die Steuereinheit dazu vorgesehen ist, den zumindest einen Halbleiterschalter mittels des zumindest einen Treiberschaltkreises in Abhängigkeit von zumindest einer Eigenschaft des Wechselrichterausgangsstroms wenigstens während des zumindest einen Schaltzustands zumindest im Wesentlichen in einem Bereich minimaler Sättigung zu betreiben. Unter einer „Gargerätevorrichtung“ soll zumindest ein Teil, insbesondere eine Baugruppe, eines Gargerätes, insbesondere eines Kochfeldes und vorzugsweise eines Induktionskochfeldes verstanden werden, welche vorzugsweise zumindest eine Heizeinheit, insbesondere eine Induktionsheizeinheit, aufweist. Unter einem „Wechselrichter“ soll insbesondere eine elektrische Einheit, insbesondere ein Stromrichter, verstanden werden, die ein oszillierendes elektrisches Signal für eine Heizeinheit, insbesondere eine Induktionsheizeinheit, erzeugt. Vorzugsweise weist das oszillierende elektrische Signal, eine Schaltfrequenz von zumindest 1 kHz, vorteilhaft von wenigstens 10 kHz, vorzugsweise von mindestens 20 kHz und besonders bevorzugt von maximal 100 kHz auf. Ferner weist der Wechselrichter vorteilhaft zumindest zwei, vorzugsweise in Reihe geschaltete Schalter, insbesondere Halbleiterschalter, auf. Vorzugsweise ist zumindest einer der Schalter bidirektional und unipolar ausgebildet. Die Schalter können dabei insbesondere jeweils zumindest eine parallel geschaltete Diode aufweisen. Vorzugsweise weisen die Schalter zumindest jeweils eine parallel zu den Schaltern geschaltete Dämpfungskapazität auf, die insbesondere von zumindest einem Kondensator gebildet ist. Unter einer „Induktionsheizeinheit" soll insbesondere eine Einheit mit zumindest einem Induktor verstanden werden. Unter einem „Wechselrichterausgangsstrom“ soll insbesondere ein Strom verstanden werden, welcher in wenigstens einem Schaltzustand des zumindest einen Halbleiterschalters durch einen Ausgang des zumindest einen Wechselrichters fließt. Dabei kann der Wechselrichterausgangsstrom aus dem Wechselrichter heraus oder aber auch in den Wechselrichter hinein gerichtet sein. Insbesondere entspricht der Wechselrichterausgangsstrom in zumindest einem Schaltzustand des zumindest einen Wechselrichters zumindest im Wesentlichen einem Eingangsstrom des zumindest einen Halbleiterschalters. Vorzugsweise ist der Wechselrichterausgangsstrom in zumindest einem Schaltzustand des zumindest einen Wechselrichters durch einen Heizstrom gegeben. Als „Eingangsstrom“ soll dabei insbesondere ein Strom verstanden werden, welcher am Eingang des zumindest einen Halbleiterschalters, insbesondere an dessen Kollektor und/oder Emitter und/oder Source-Anschluss und/oder Drain-Anschluss anliegt. Unter einem „Heizsstrom“ soll dabei insbesondere ein Strom verstanden werden, welcher in zumindest einem Betriebszustand durch eine Heizeinheit, insbesondere eine Induktionsheizeinheit, fließt und insbesondere zu einem Erhitzen insbesondere von Gargeschirr vorgesehen ist. Darunter, dass der Wechselrichterausgangsstrom „zumindest im Wesentlichen“ dem Eingangsstrom entspricht, soll dabei insbesondere verstanden werden, dass eine relative Abweichung maximal 20%, vorteilhaft maximal 15%, vorzugsweise maximal 10% und besonders bevorzugt maximal 5% beträgt.
Unter einem „stromgesteuerten Halbleiterschalter“ soll in diesem Zusammenhang insbesondere ein Halbleiterschalter verstanden werden, dessen Schaltzustand durch einen einem Steuereingang, insbesondere einer Basis und/oder einem Gate, des Halbleiterschalters zugeführten Steuerstrom definiert und/oder änderbar ist. Insbesondere kann der zumindest eine Halbleiterschalter durch einen Transistor und/oder einen Thyristor und/oder eine steuerbare Diode gebildet sein. Vorzugsweise ist der zumindest eine Halbleiterschalter durch einen Bipolartransistor, vorzugsweise durch einen Si-Bipolartransistor und besonders bevorzugt durch einen SiC-Bipolartransistor gebildet. Unter einem „Schaltzustand“ soll dabei insbesondere ein leitender und/oder ein nichtleitender Zustand des zumindest einen Halbleiterschalters verstanden werden, wobei ein Wechsel der Schaltzustände insbesondere durch einen Schaltvorgang stattfindet. Ferner soll unter einem „Steuerstrom“ insbesondere ein Strom verstanden werden, welcher zumindest in einem Schaltzustand an einem Steuereingang des verwendeten Schalters benötigt wird, um den Schaltzustand des Schalters zu halten und/oder zu ändern. Insbesondere kann der Steuerstrom einen Gate-Strom und/oder Basisstrom darstellen. Vorteilhaft wird der Schaltzustand des Halbleiterschalters durch eine insbesondere zeitlich gemittelte Stärke des Steuerstroms definiert und/oder verändert.
Ferner soll unter einem „Treiberschaltkreis“ insbesondere ein Schaltkreis verstanden werden, der dazu vorgesehen ist, einen Steuerstrom für einen Halbleiterschalter bereitzustellen. Dazu umfasst der Treiberschaltkreis zumindest eine Spannungsquelle, vorzugsweise eine Gleichspannungsquelle. Insbesondere kann die Spannungsquelle des Treiberschaltkreises identisch mit der Spannungsquelle des zumindest einen Wechselrichters sein. Vorzugsweise ist die Spannungsquelle des Treiberschaltkreises durch eine separate Spannungsquelle gebildet. Vorzugsweise weist der zumindest eine Treiberschaltkreis zumindest eine direkte leitende Verbindung mit dem Steuereingang des zumindest einen Halbleiterschalters auf. Unter einer „direkten“ leitenden Verbindung soll in diesem Zusammenhang insbesondere eine Verbindung verstanden werden, welche höchstens einen Schalter aufweist. Insbesondere ist die Verbindung frei von induktiven Trennungen. Ferner soll unter einer „Eigenschaft“ des Wechselrichterausgangsstroms zumindest eine charakteristische Größe und/oder wenigstens ein Parameter, insbesondere ein Parametersatz, des Wechselrichterausgangsstroms verstanden werden. Insbesondere kann die Eigenschaft durch eine Frequenz des Wechselrichterausgangsstroms und/oder eine momentane Stromstärke und/oder eine maximale Stromstärke und/oder eine mittlere Stromstärke und/oder eine Einhüllende der Stromstärke gegeben sein.
Unter der Wendung, dass die Steuereinheit dazu vorgesehen ist, den zumindest einen Halbleiterschalter in Abhängigkeit von zumindest einer Eigenschaft des Wechselrichterausgangsstroms wenigstens während des zumindest einen Schaltzustands zumindest im Wesentlichen in einem Bereich minimaler Sättigung „zu betreiben", soll in diesem Zusammenhang insbesondere verstanden werden, dass die Steuereinheit dazu vorgesehen ist, in Abhängigkeit von der zumindest einen Eigenschaft des Wechselrichterausgangsstroms, insbesondere in Abhängigkeit von zumindest einem Messwert, einen Steuerstrom derart anzupassen und/oder zu regeln, dass der zumindest eine Halbleiterschalter wenigstens während des zumindest einen Schaltzustands zumindest im Wesentlichen in einem Bereich minimaler Sättigung ist. Vorzugsweise ist dabei in der Steuereinheit eine Tabelle hinterlegt, welche eine Steuerstromstärke abhängig von der Eigenschaft des Wechselrichterausgangsstroms festlegt.
Unter einem „Bereich minimaler Sättigung“ soll insbesondere ein Zustand eines Halbleiterschalters verstanden werden, in welchem eine leitende Verbindung zwischen dem Eingang und dem Ausgang des Halbleiterschalters gerade einen zumindest im Wesentlichen minimalen ohmschen Widerstand aufweist. In diesem Bereich entspricht der stromgesteuerte Halbleiterschalter insbesondere einem geschlossenen Schalter. Unter „gerade“ einen minimalen ohmschen Widerstand aufweist soll in diesem Zusammenhang insbesondere verstanden werden, dass der ohmsche Widerstand zwischen einem Eingang und einem Ausgang des Halbleiterschalters bezogen auf unterschiedliche Steuerströme und/oder unterschiedliche Spannungen zwischen dem Eingang und dem Ausgang des Halbleiterschalters minimal ist und insbesondere bei einer weiteren Erhöhung des Steuerstroms und/oder einer Spannung zwischen dem Eingang und dem Ausgang des Halbleiterschalters konstant bleibt, während der ohmsche Widerstand insbesondere bei einer Verringerung des Steuerstroms und/oder einer Spannung zwischen dem Eingang und dem Ausgang des Halbleiterschalters steigt. Unter einem „zumindest im Wesentlichen“ minimalen ohmschen Widerstand soll insbesondere ein Widerstand verstanden werden, welcher von einem minimalen Referenzwiderstand um höchstens 10%, vorzugsweise höchstens 5% und besonders bevorzugt höchstens 1% abweicht. Ferner ergibt sich insbesondere ein zumindest im Wesentlichen linearer Zusammenhang zwischen dem Eingangsstrom und dem Steuerstrom. Die Proportionalitätskonstante ist dabei insbesondere durch eine Basisverstärkung des Halbleiterschalters gegeben. Die Basisverstärkung beträgt für Silizium-Bipolartransistoren zwischen 5 und 20 und für SiC-Bipolartranistoren zwischen 20 und 100. Unter einem Betrieb in einem Bereich, welcher „zumindest im Wesentlichen“ einem Bereich minimaler Sättigung entspricht, soll insbesondere eine Betrieb mit einem Steuerstrom verstanden werden, welcher eine Abweichung von höchstens 30%, vorteilhaft von höchstens 20%, vorzugsweise von höchstens 10% und besonders bevorzugt von höchstens 5% von einem Steuerstrom für einen Betrieb in minimaler Sättigung aufweist. Vorteilhaft wird der Halbleiterschalter über zumindest einen Großteil des zumindest einen Schaltzustands in minimaler Sättigung betrieben. Unter „zumindest einem Großteil" des zumindest einen Schaltzustands soll in diesem Zusammenhang insbesondere 70%, vorteilhaft 85%, vorzugsweise 95% und besonders bevorzugt 100% der Schaltzustandsdauer verstanden werden. Unter einem „zumindest im Wesentlichen“ linearen Zusammenhang zwischen dem Eingangsstrom und dem Steuerstrom soll in diesem Zusammenhang insbesondere verstanden werden, dass sich bei Durchführung einer linearen Regression zwischen dem Eingangsstrom und dem Steuerstrom ein Bestimmtheitsmaß von zumindest 0,65, vorteilhaft von zumindest 0,75, vorzugsweise von zumindest 0,85 und besonders bevorzugt von zumindest 0,95 ergibt. Vorzugsweise ergibt sich ein linearer Zusammenhang zwischen dem Eingangsstrom und dem Steuerstrom über einen gesamten gesteuerten Bereich. Insbesondere ist der Bereich minimaler Sättigung von einem Bereich tiefer Sättigung verschieden. Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung kann insbesondere eine Energieeffizienz gesteigert werden. Insbesondere kann ein Durchlass- und/oder Schaltverhalten des zumindest einen Halbleiterschalters vorteilhaft verbessert werden, wobei insbesondere ein benötigter Steuerstrom zum Betrieb des Halbleiterschalters minimiert werden kann. Ferner können eine Ausschaltzeit und/oder Ausschaltverlustleistungen vorteilhaft reduziert werden.
Weiterhin wird vorgeschlagen, dass die zumindest eine Eigenschaft des Wechselrichterausgangsstroms durch eine Einhüllende des Wechselrichterausgangsstroms gegeben ist. Unter einer „Einhüllenden“ soll insbesondere eine Hüllkurve verstanden werden, welche insbesondere eine höherfrequente Signalkurve in einer Umgebung von deren Extremstellen, insbesondere deren Maxima und/oder Minima, vorzugsweise jeder Extremstelle, berührt, besonders vorteilhaft an lediglich einem Punkt. Insbesondere umhüllt die Hüllkurve die höherfrequente Signalkurve. Die höherfrequente Signalkurve kann sich dabei insbesondere aus zumindest zwei Signalkurven mit unterschiedlichen Frequenzen zusammensetzen. Im vorliegenden Fall ist die höherfrequente Signalkurve insbesondere durch eine zeitliche Darstellung des Wechselrichterausgangsstroms gebildet. Insbesondere kann vorgesehen sein, den Steuerstrom des zumindest einen Halbleiterschalters für die Dauer zumindest einer Schaltperiode des zumindest einen Wechselrichters konstant zu halten. Der Steuerstrom wird somit insbesondere gemäß einem Verlauf der Einhüllenden des Wechselrichterausgangsstroms angepasst. Hierdurch kann der Steuerstrom vorteilhaft an den Verlauf des Wechselrichterausgangsstroms des Halbleiterschalters angepasst werden, wodurch die Energieeffizienz weiter gesteigert und der benötigte Steuerstrom zum Betrieb des Halbleiterschalters weiter reduziert werden kann.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass die zumindest eine Eigenschaft des Wechselrichterausgangsstroms zumindest im Wesentlichen durch einen momentanen Wechselrichterausgangsstrom gegeben ist. Darunter, dass die zumindest eine Eigenschaft des Wechselrichterausgangsstroms „zumindest im Wesentlichen" durch einen momentanen Wechselrichterausgangsstrom gegeben ist, soll insbesondere verstanden werden, dass die Eigenschaft von einem Momentanwert eines Stroms gegeben ist, welcher um maximal 30%, insbesondere maximal 20%, vorteilhaft maximal 15%, vorzugsweise maximal 5% und besonders bevorzugt maximal 1% von dem momentanen Wechselrichterausgangsstrom abweicht. Unter einem „momentanen Wechselrichterausgangsstrom“ soll insbesondere ein Wechselrichterausgangsstrom verstanden werden, welcher zumindest in einem Schaltzustand, insbesondere zu einem gewissen Zeitpunkt, durch den Ausgang des zumindest einen Wechselrichters, insbesondere durch den zumindest einen stromgesteuerten Halbleiterschalter und/oder die Induktionsheizeinheit, fließt. Insbesondere ist die Steuereinheit dazu vorgesehen, den Wechselrichterausgangsstrom mit einer Abtastfrequenz von zumindest 0,1 MHz, vorzugsweise von zumindest 0,5 MHz und besonders bevorzugt von zumindest 1 MHz zu detektieren. Vorteilhaft wird die Abtastfrequenz so groß wie möglich gewählt. Vorzugsweise wird der Steuerstrom an jeden abgetasteten Wert angepasst. In diesem Fall kann die Energieeffizienz weiter gesteigert und der benötigte Steuerstrom zum Betrieb des Halbleiterschalters weiter reduziert werden.
Vorteilhaft ist die Steuereinheit dazu vorgesehen ist, den zumindest einen Halbleiterschalter mittels des zumindest einen Treiberschaltkreises wenigstens in zwei unterschiedlichen Betriebsmodi zu betreiben. Vorteilhaft ist die Steuereinheit dazu vorgesehen, den zumindest einen Halbleiterschalter mittels des zumindest einen Treiberschaltkreises wenigstens in einem Niederfrequenzmodus und einem Hochfrequenzmodus zu betreiben. Unter einem „Niederfrequenzmodus“ soll insbesondere ein Betriebsmodus verstanden werden, in welchem zumindest die Einhüllende des Wechselrichterausgangsstroms eine Frequenz zwischen 0 Hz und 500 Hz aufweist. Vorzugsweise weist die Einhüllende des Wechselrichterausgangsstroms im Niederfrequenzmodus eine Frequenz zwischen 50 Hz und 150 Hz und besonders bevorzugt zwischen 95 Hz und 105 Hz auf. Insbesondere ist die Frequenz der Einhüllenden des Wechselrichterausgangsstroms im Niederfrequenzmodus von der Netzfrequenz abhängig. Vorzugsweise ist die Steuereinheit im Niederfrequenzmodus dazu vorgesehen, den zumindest einen Halbleiterschalter mittels des zumindest einen Treiberschaltkreises in Abhängigkeit von der zumindest einen Einhüllenden des Wechselrichterausgangsstroms wenigstens während des zumindest einen Schaltzustands zumindest im Wesentlichen in einem Bereich minimaler Sättigung zu betreiben. Unter einem „Hochfrequenzmodus“ soll insbesondere ein Betriebsmodus verstanden werden, in welchem zumindest der Wechselrichterausgangsstrom eine Frequenz von zumindest 1 kHz, vorteilhaft von wenigstens 10 kHz, vorzugsweise von mindestens 20 kHz und besonders bevorzugt von maximal 100 kHz aufweist. Insbesondere weist der Wechselrichterausgangsstrom zumindest im Wesentlichen die gleiche Frequenz wie die Schaltfrequenz des Wechselrichters auf. Insbesondere ist die Steuereinheit im Hochfrequenzmodus dazu vorgesehen, den zumindest einen Halbleiterschalter mittels des zumindest einen Treiberschaltkreises im Wesentlichen in Abhängigkeit vom momentanen Wechselrichterausgangsstrom wenigstens während des zumindest einen Schaltzustands zumindest im Wesentlichen in einem Bereich minimaler Sättigung zu betreiben. Hierdurch kann die Verlustleistung der Gargerätevorrichtung vorteilhaft an die jeweiligen Bedürfnisse eines Bedieners angepasst werden. Insbesondere kann ein Betriebsmodus abhängig von der angeforderten Ausgangsleistung und/oder von der Anzahl aktiver Induktoren gewählt werden. Hierdurch können vorteilhaft Rechenressourcen der Steuereinheit eingespart und die Energieeffizienz weiter gesteigert werden. Ferner kann/können eine derartige Steuereinheit und/oder ein derartiges Steuerprogramm bei verschiedenen Gargerätetypen, insbesondere mit unterschiedlichen Leistungs- und/oder Ausstattungsdaten, zum Einsatz kommen.
Des Weiteren wird vorgeschlagen, dass der zumindest eine Treiberschaltkreis dazu vorgesehen ist, den zumindest einen Steuerstrom in Form eines gepulsten Stroms bereitzustellen. Unter einem „gepulsten Strom“ soll in diesem Zusammenhang insbesondere ein Strom verstanden werden, welcher alternierend zwischen zumindest zwei und vorzugsweise genau zwei Stromwerten schwankt. Vorzugsweise wird ein mittlerer Strom dabei mittels einer Pulsweitenmodulation eingestellt. Zusätzlich oder alternativ kann der Strom insbesondere auch durch eine Pulsfrequenzmodulation, eine Pulsamplitudenmodulation, eine Pulscodemodulation und/oder eine Pulsphasenmodulation bereitgestellt werden. Hierdurch kann eine vorteilhaft einfache und effektive Steuerbarkeit erreicht werden. Ferner kann die Energieeffizienz weiter gesteigert werden.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung weist der zumindest eine Treiberschaltkreis zumindest einen Gleichspannungswandler auf. Vorteilhaft ist der Gleichspannungswandler als Abwärtswandler ausgebildet. Unter einem „Abwärtswandler“ soll insbesondere ein Gleichspannungswandler verstanden werden, welcher eine am Eingang zugeführte Spannung, insbesondere eine Gleichspannung, in eine Gleichspannung mit niedrigerem Spannungsniveau umwandelt. Ferner weist der Abwärtswandler insbesondere zumindest eine Diode, wenigstens ein induktives Bauteil, vorzugsweise eine Spule, und zumindest einen bidirektionalen Schalter auf. Insbesondere ist die zumindest eine Diode dabei parallel zur Spannungsquelle des Treiberschaltkreises geschaltet. Insbesondere ist das wenigstens eine induktive Bauteil in Reihe zur Spannungsquelle geschaltet. Vorzugsweise weist das zumindest eine induktive Bauteil eine Induktivität von wenigstens 1 nH auf. Vorzugsweise weist das zumindest eine induktive Bauteil eine Induktivität von höchstens 10 µH auf. Ferner ist insbesondere der zumindest eine Schalter ebenfalls in Reihe zur Spannungsquelle geschaltet. Insbesondere kann durch geregeltes Ein- und Ausschalten des zumindest einen Schalters eine Höhe einer Ausgangsspannung variiert werden. Hierzu wird das wenigstens eine induktive Bauteil mit Hilfe des Schalters zyklisch mit Energie geladen sowie entladen. Die maximale Ausgangsspannung besitzt dabei insbesondere zumindest im Wesentlichen den gleichen Wert wie die Eingangsspannung. Durch den Einsatz eines Abwärtswandlers kann eine vorteilhafte Konstruktion erreicht werden.
Wenn der zumindest eine Gleichspannungswandler mit einer Schaltfrequenz zwischen 0,1 MHz und 100 MHz, vorzugsweise zwischen 1 MHz und 10 MHz, betrieben wird, kann eine vorteilhaft präzise Einstellbarkeit des zumindest einen Steuerstroms bewerkstelligt werden.
Vorteilhaft ist der zumindest eine Gleichspannungswandler als Synchronwandler ausgebildet. Unter einem „Synchronwandler“ soll insbesondere ein Gleichspannungswandler verstanden werden, welcher eine am Eingang zugeführte Spannung, insbesondere eine Gleichspannung, in eine Gleichspannung mit höherem oder niedrigerem Spannungsniveau umwandelt. Insbesondere ist der Synchronwandler als nicht invertierender Gleichspannungswandler ausgebildet, wodurch die Ausgangsspannung dasselbe Vorzeichen wie die Eingangsspannung aufweist. Vorteilhaft ist der Synchronwandler als Abwärtswandler ausgebildet. Insbesondere weist ein Synchronwandler zumindest zwei bidirektionale Schalter und wenigstens ein induktives Bauteil auf. Insbesondere ist das wenigstens eine induktive Bauteil in Reihe zur Spannungsquelle geschaltet. Vorzugsweise weist das wenigstens eine induktive Bauteil eine Induktivität von wenigstens 1 nH auf. Vorzugsweise weist das wenigstens eine induktive Bauteil eine Induktivität von höchstens 10 µH auf. Vorteilhaft ist das wenigstens eine induktive Bauteil als Spule ausgebildet. Insbesondere ist zumindest einer der bidirektionalen Schalter parallel zur Spannungsquelle des Treiberschaltkreises und zumindest ein weiterer bidirektionale Schalter in Reihe mit der Spannungsquelle des Treiberschaltkreises geschalten. Ferner werden die zumindest zwei bidirektionalen Schalter mit Hilfe einer Steuereinheit abwechselnd angesteuert. Hierdurch wird das wenigstens eine induktive Bauteil zyklisch geladen und entladen. Vorzugsweise ist zumindest einer der beiden Schalter als Bipolartransistor ausgebildet. Somit können im Treiberschaltkreis hohe Ströme bis einige Ampere eingesetzt werden. Um Schaltverluste für Frequenzen über 1 MHz gering zu halten, kann zumindest einer der Schalter alternativ als FET (Feldeffekttransistor), insbesondere als JFET (Sperrschicht-Feldeffekttransistor) oder MOSFET (Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor), ausgebildet sein. Durch den Einsatz eines Synchronwandlers kann vorteilhaft der Wirkungsgrad des zumindest einen Treiberschaltkreises erhöht werden. Ferner kann eine Steuerung und/oder Regelung des Synchronwandlers vereinfacht werden, da eine Ausgangsspannung des Synchronwandlers insbesondere linear von einer Eingangsspannung des Synchronwandlers und einem Pulsweitenverhältnis abhängt.
Umfasst der Treiberschaltkreis zumindest einen Hauptstrompfad, welcher zumindest in einem Betriebszustand einen ohmschen Widerstand von höchstens 10 Ω, insbesondere von maximal 1 Ω und vorzugsweise von höchstens 100 mΩ aufweist, kann die Effizienz weiter verbessert und insbesondere die Schaltkreisgröße reduziert werden. Unter einem „Hauptstrompfad“ soll insbesondere eine elektrische Verbindung, des zumindest einen Treiberschaltkreises verstanden werden, durch welche in zumindest einem Betriebszustand ein Großteil des Stroms, insbesondere des Stroms einer Spannungsquelle, vorzugsweise des Stroms einer Spannungsquelle des zumindest einen Treiberschaltkreises, fließt. Unter einem „Großteil des Stroms“ soll dabei insbesondere zumindest 80%, vorteilhaft zumindest 90%, vorzugsweise zumindest 95% und besonderes bevorzugt zumindest 99% eines insgesamt bereitgestellten Stroms verstanden werden. Insbesondere kann der Strom einer Spannungsquelle des Treiberschaltkreises auf den Hauptstrompfaden zumindest in einem Betriebszustand fließen. Insbesondere umfasst der Treiberschaltkreis zumindest einen Hauptstrompfad, welcher die Spannungsquelle des Treiberschaltkreises mit dem Steuereingang des Halbleiterschalters verbindet. Insbesondere ist zumindest ein Hauptstrompfad des Treiberschaltkreises frei von ohmschen Widerstandsbauteilen. Vorzugsweise sind alle Hauptstrompfade des Treiberschaltkreises frei von ohmschen Widerstandsbauteilen. Vorteilhaft weisen alle Hauptstrompfade des Treiberschaltkreises zumindest in einem Betriebszustand einen ohmschen Widerstand von höchstens 10 Ω, vorzugsweise von höchstens 1 Ω und besonders bevorzugt von höchstens 100 mΩ auf.
Des Weiteren wird vorgeschlagen, dass der Treiberschaltkreis zumindest einen Abschaltschaltkreis umfasst, welcher frei von kapazitiven Bauteilen ist. Unter einem „Abschaltschaltkreis“ soll insbesondere ein Schaltkreis verstanden werden, welcher wenigstens einen Steuereingang des zumindest einen Halbleiterschalters mit zumindest einem Ausgang und/oder zumindest einem Eingang des zumindest einen Halbleiterschalters verbindet. Dazu weist der Abschaltschaltkreis vorzugsweise zumindest einen Schalter auf. Vorteilhaft ist der zumindest eine Schalter parallel zur Spannungsquelle des zumindest einen Treiberschaltkreises angeordnet. Insbesondere kann der zumindest eine Schalter als Bipolartransistor oder alternativ als FET (Feldeffekttransistor), insbesondere als JFET (Sperrschicht-Feldeffekttransistor) oder MOSFET (Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor), ausgebildet sein. Insbesondere ist der zumindest eine Schalter zumindest während eines leitenden Zustands des stromgesteuerten Halbleiterschalters geöffnet. Bei einem Abschaltvorgang wird der zumindest eine Schalter insbesondere geschlossen. Somit können die Ladungsträger, welche sich in einer Steuerzone des stromgesteuerten Halbleiterschalters befinden, über den Abschaltschaltkreis abgeführt werden. Insbesondere können hierdurch Abschaltzeiten von unter 1 µs, vorzugsweise unter 200 ns und besonders bevorzugt unter 50 ns erreichet werden. Unter einem „kapazitiven Bauteil“ soll dabei insbesondere ein diskretes Bauteil verstanden werden, welches dazu vorgesehen ist, eine Kapazität bereitzustellen. Insbesondere kann das kapazitive Bauteil durch einen Kondensator gebildet sein oder auch durch entsprechend angeordnete Leiterbahnen auf einer Leiterplatte. Hierdurch lassen sich insbesondere Schaltverluste minimieren und somit die Effizienz der Kochfeldinduktionsvorrichtung weiter steigern.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren geht aus von einem Verfahren zum Betrieb einer Gargerätevorrichtung mit zumindest einem Wechselrichter, der zumindest einen stromgesteuerten Halbleiterschalter aufweist, welcher in zumindest einem Schaltzustand zumindest einen Wechselrichterausgangsstrom trägt, wobei ein Schaltzustand des zumindest einen Halbleiterschalters mittels zumindest eines Steuerstroms festgelegt wird.
Es wird vorgeschlagen, dass der zumindest eine Halbleiterschalter in Abhängigkeit von zumindest einer Eigenschaft des Wechselrichterausgangsstroms wenigstens während des zumindest einen Schaltzustands zumindest im Wesentlichen in einem Bereich minimaler Sättigung betrieben wird.
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 ein Induktionskochfeld mit einer Gargerätevorrichtung in einer schematischen Ansicht von oben,
2 die Gargerätevorrichtung in einer schematischen Darstellung,
3 eine Darstellung einiger Signalkurven eines Wechselrichters der Gargerätevorrichtung,
4 eine schematische Ansicht eines Treiberschaltkreises der Gargerätevorrichtung,
5 eine Darstellung einiger Signalkurven des Treiberschaltkreises in einem schaltenden Zustand und
6 die Signalkurven des Treiberschaltkreises bei einem Ausschaltvorgang.
1 zeigt ein als Induktionskochfeld ausgebildetes Gargerät mit einer erfindungsgemäßen Gargerätevorrichtung. Die Gargerätevorrichtung ist als eine Kochfeldvorrichtung 36 ausgebildet. Die Kochfeldvorrichtung 36 weist im dargestellten Fall vier Induktoren 38, 40, 42, 44 auf, die unter einer Kochfeldplatte angeordnet sind. Des Weiteren ist ein Teil der Kochfeldplatte als ein Bedienbereich 48 ausgebildet, welcher einem Bediener die Möglichkeit gibt, zumindest einen der vier Induktoren 38, 40, 42, 44 anzuwählen und zu betreiben. Weiterhin weist die Kochfeldvorrichtung 36 ein Leistungsmodul 52 auf, das dazu vorgesehen ist, die Induktoren 38, 40, 42, 44 mit hochfrequentem Wechselstrom zu versorgen. Zur Steuerung einer Heizleistung umfasst die Kochfeldvorrichtung 36 insbesondere eine Steuereinheit 20, die einerseits mit einer dem Bedienbereich 48 zugeordneten Bedieneinheit (nicht dargestellt) und andererseits mit dem Leistungsmodul 52 verbunden ist. Die Steuereinheit 20 weist eine Recheneinheit, eine Speichereinheit und ein in der Speichereinheit hinterlegtes Betriebsprogramm auf, das dazu vorgesehen ist, von der Recheneinheit ausgeführt zu werden.
Das Leistungsmodul 52 kann beispielsweise in Form zumindest einer Leiterplatte ausgebildet sein. Gemäß 2 ist jedem Induktor 38, 40, 42, 44 ein Wechselrichter 10 des Leistungsmoduls 52 zugeordnet. Alternativ ist auch denkbar, dass ein Wechselrichter mehreren Induktoren zugeordnet ist, insbesondere über eine Schaltanordnung. Das Leistungsmodul 52 umfasst ferner einen Gleichrichter 56. Eine an einer Phase 50 anliegende Netzspannung, deren Effektivwert zumindest in Europa zwischen 220 V und 230 V liegt und eine Netzfrequenz zwischen 49 Hz und 51 Hz aufweist, wird durch den Gleichrichter 56 gleichgerichtet und in einer Pufferkapazität 58 des Leistungsmoduls 52 zumindest teilweise gespeichert. Im vorliegenden Fall ist der Gleichrichter 56, als Brückengleichrichter ausgebildet. Die Pole der Pufferkapazität 58 bilden zwei Außenkontakte 68, 70 zwischen denen in einem Betriebszustand eine pulsierende gleichgerichtete Netzspannung 72 anliegt.
Der Wechselrichter 10 ist dabei zwischen den Außenkontakten 68, 70 angeordnet. Der Wechselrichter 10 ist dazu vorgesehen, die pulsierende gleichgerichtete Netzspannung 72 in einen hochfrequenten Wechselstrom umzuwandeln. Der Wechselrichter 10 weist dazu zwei, zwischen den Außenkontakten 68, 70 in Reihe geschaltete bidirektionale unipolare stromgesteuerte Halbleiterschalter 12, 14 auf. Den beiden Halbleiterschaltern 12, 14 ist jeweils eine Diode parallel geschalten. Die Halbleiterschalter 12, 14 sind im gezeigten Fall durch jeweils einen normalleitenden Siliziumcarbid Bipolartransistor gebildet. Die Erfindung ist jedoch nicht auf NPN-SiC-Bipolartransistoren beschränkt. Vielmehr können auch PNP-SiC-Bipolartransistoren sowie viele andere dem Fachmann als geeignet erscheinende stromgesteuerte Halbleiterschalter verwendet werden.
Ein Spannungsabgriff 82 ist an einem gemeinsamen Kontakt der beiden Halbleiterschalter 12, 14 angeordnet. Der Spannungsabgriff 82 stellt einen Wechselrichterausgang dar. Der Spannungsabgriff 82 ist direkt mit dem zumindest einen Induktor 38, 40, 42, 44 verbunden. Der gegenüberliegende Kontakt des Induktors 38, 40, 42, 44 ist direkt mit einer Resonanzeinheit 84 verbunden. Somit ist der Induktor 38, 40, 42, 44 im Brückenzweig zwischen dem Spannungsabgriff 82 und der Resonanzeinheit 84 angeordnet. Der Induktor 38, 40, 42, 44 wird somit in einer Halbbrückenschaltung betrieben. Alternativ kann der Induktor 38, 40, 42, 44 auch in einer Vollbrückenschaltung betrieben werden.
Ferner ist die Resonanzeinheit 84 von zwei einzelnen Kondensatoren, sogenannten Resonanzkapazitäten 86, 88, gebildet. Dazu sind die Resonanzkapazitäten 86, 88 in Reihe geschaltet. Eine der Resonanzkapazitäten 86, 88 ist direkt mit einem der Außenkontakte 68, 70 verbunden. Die andere Resonanzkapazität 86, 88 ist direkt mit dem anderen Außenkontakt 68, 70 verbunden. Somit sind die Resonanzkapazitäten 86, 88 jeweils Bestandteil eines elektrischen Schwingkreises und können über den Wechselrichter 10 aufgeladen werden. Ferner kann die Resonanzeinheit 84 jedoch auch direkt mit zwei oder mehr Induktoren 38, 44 verbunden sein.
Die Steuereinheit 20 steuert zumindest einen erfindungsgemäßen Treiberschaltkreis 16, wodurch die beiden Halbleiterschalter 12, 14 abwechselnd mit einer hohen Frequenz angesteuert werden können. Die Schaltfrequenzen der Halbleiterschalter 12, 14 liegen zwischen 20 kHz und 100 kHz. Durch diese Ansteuerung ergibt sich am Spannungsabgriff 82 eine hochfrequente Wechselspannung mit pulsierender Amplitude, welcher bei Anschluss eines Induktors 38, 40, 42, 44 ein hochfrequenter Wechselstrom folgt.
3 zeigt einen zeitlichen Verlauf der gleichgerichteten Netzspannung 72, der Einhüllenden des hochfrequenten Wechselrichterausgangsstroms 22 sowie in einer vergrößerten Ansicht den zeitlichen Verlauf der momentanen Wechselrichterausgangsspannung 90 und des momentanen Wechselrichterausgangsstroms 24 zu verschiedenen Zeiten. Die beiden Signalverläufe der momentanen Wechselrichterausgangsspannung 90 und des momentanen Wechselrichterausgangsstroms 22 sind schematisch vergrößerte Darstellungen des jeweils eingekreisten Bereichs. Die Wechselrichterausgangsspannung 90 pendelt kontinuierlich zwischen 0 V und der in der Pufferkapazität 58 gespeicherten Netzspannung 72. Der momentane Wechselrichterausgangsstrom 24 am Wechselrichterausgang ändert sich demnach mit der gleichgerichteten Netzspannung 72. Der momentane Wechselrichterausgangsstrom 24 ändert sich ebenfalls mit der Schaltfrequenz des Wechselrichters 10. Die niederfrequente gleichgerichtete Netzspannung 72 weist eine relativ geringe Frequenz auf. Die niederfrequente gleichgerichtete Netzspannung 72 weist eine Frequenz von etwa 100 Hz auf. Die Frequenzen des hochfrequenten Wechselrichterausgangsstroms liegen zwischen 20 kHz und 100 kHz.
In 4 ist der Treiberschaltkreis 16 zur Bereitstellung eines Steuerstroms 18 für einen der Halbleiterschalter 12, 14 gezeigt. Der Steuerstrom 18 stellt dabei einen Basisstrom dar. Der Treiberschaltkreis 16 weist eine Sekundärspannungsquelle 94 auf, die dazu vorgesehen ist, den Steuerstrom 18 des Halbleiterschalters 12, 14 bereitzustellen. Insbesondere liefert die Sekundärspannungsquelle 94 eine Gleichspannung. Der Treiberschaltkreis 16 umfasst einen Gleichspannungswandler 26. Der Treiberschaltkreis 16 weist ferner einen Abschaltschaltkreis 32 auf.
Der Gleichspannungswandler 26 ist als Synchronwandler 28 ausgebildet. Der Synchronwandler 28 weist ein induktives Bauteil 96, insbesondere eine Spule, und zwei Schalter 100, 102 auf. Die zwei Schalter 100, 102 sind in diesem Fall durch MOSFETs gebildet. Ein erster Schalter 100 wird in Reihe zum verwendeten induktiven Bauteil 96 geschalten. Ferner wird der erste Schalter 100 in Reihe zur Sekundärspannungsquelle 94 geschalten. Ein zweiter Schalter 102 wird parallel zur Sekundärspannungsquelle 94 geschalten. Ein zweiter Kontakt des induktiven Bauteils 96 wird in Reihe mit einem Steuereingang 98 des Halbleiterschalters 12, 14 geschalten. Das induktive Bauteil 96 ist somit zwischen dem ersten Schalter 100 und dem Steuereingang 98 des Halbleiterschalters 12, 14 angeordnet. Der Synchronwandler 28 wird im vorliegenden Fall als Abwärtswandler betrieben. Die Ausgangsspannung des Synchronwandlers 28 ist somit stets kleiner als der Betrag der Eingangsspannung. Die zeitlich gemittelte Höhe der Ausgangsspannung und damit ein mittlerer Steuerstrom 18 können durch geregeltes Ein- und Ausschalten des ersten und des zweiten Schalters 100, 102 eingestellt werden. Dazu ist die Steuereinheit 20 mit den Steueranschlüssen 104, 106 der beiden Schalter 100, 102 verbunden. Im Betrieb werden die beiden Schalter 100, 102 abwechselnd mit einer hohen Frequenz angesteuert. Die Schaltfrequenz hängt vom verwendeten induktiven Bauteil 96 ab. Die Schaltfrequenz liegt im vorliegenden Fall zwischen 1 MHz und 10 MHz. Die Induktivität des induktiven Bauteils 96 beträgt zwischen 10 nH und 10 µH. Die Funktionsweise des Synchronwandlers 28 zeigt die 5 und wird weiter unten näher erläutert.
Der Treiberschaltkreis 16 weist einen Hauptstrompfad 30 auf, welcher zumindest in einem Betriebszustand einen ohmschen Widerstand von höchstens 50 mΩ aufweist. Der Hauptstrompfad 30 erstreckt sich in diesem Fall von der Sekundärspannungsquelle 94 bis zum Steuereingang 98 des Halbleiterschalters 12, 14. Vorteilhaft weisen wie in 4 gezeigt, alle Hauptstrompfade einen ohmschen Widerstand von höchstens 1 Ω, vorzugsweise von höchstens 50 mΩ auf. Vorzugsweise ist der gesamte Treiberschaltkreis 16, insbesondere alle Hauptstrompfade des Treiberschaltkreises 16, frei von ohmschen Widerstandsbauteilen.
Der Abschaltschaltkreis 32 ermöglicht ein schnelles Abschalten des Halbleiterschalters 12, 14. Ferner ermöglicht der Abschaltschaltkreis 32 ein schnelles Umschalten zwischen den beiden Halbleiterschaltern 12, 14. Hierdurch können Schaltverluste vorteilhaft gering gehalten werden. Im vorliegenden Fall umfasst der Abschaltschaltkreis 32 lediglich einen einzelnen, dritten Schalter 110. Der dritte Schalter 110 des Treiberschaltkreises 16 ist durch einen MOSFET gebildet. Der dritte Schalter 110 ist parallel zur Sekundärspannungsquelle 94 geschalten. Der dritte Schalter 110 bildet zusammen mit dem Steuereingang 98 des Halbleiterschalters 12, 14 und einem Eingang und oder Ausgang des Halbleiterschalters 12, 14 eine Masche eines elektrischen Schaltkreises.
Der dritte Schalter 110 kann über die Steuereinheit 20 angesteuert werden. Dazu ist der Steueranschluss 112 des dritten Schalters 110 mit der Steuereinheit 20 verbunden. Der Abschaltschaltkreis 32 ist ferner frei von kapazitiven Bauteilen.
Die Steuereinheit 20 ist im vorliegenden Fall dazu vorgesehen, den Halbleiterschalter 12, 14 wenigstens während eines Schaltzustands zumindest im Wesentlichen in einem Bereich minimaler Sättigung zu betreiben. Hierzu muss der Steuerstrom 18 des Halbleiterschalters 12, 14, insbesondere kontinuierlich, an den Verlauf des Wechselrichterausgangsstroms angepasst werden. Da sich der Wechselrichterausgangsstrom mit der gleichgerichteten Netzspannung 72 und der Schaltfrequenz des Wechselrichters 10 ändert, muss demnach auch der Steuerstrom 18 je nach Betriebsmodus zumindest an die gleichgerichtete Netzspannung 72 und/oder die Schaltfrequenz des Wechselrichter 10 angepasst werden. Dazu wird zumindest der Wechselrichterausgangsstrom mit Hilfe eines Stromsensors 108 gemessen (vgl. 2). Der Steuerstrom 18 kann dann über die Schaltfrequenz der beiden Schalter 100, 102 geregelt werden. Hierbei ist in der Speichereinheit der Steuereinheit 20 eine Tabelle hinterlegt, welche den Steuerstrom 18 abhängig von dem gemessenen Wechselrichterausgangsstrom festlegt. Alternativ kann in einer Speichereinheit auch eine mathematische Funktion hinterlegt sein, welche einen Steuerstrom abhängig von einem gemessenen Wechselrichterausgangsstrom festlegt. Gleichzeitig kann durch die verwendeten Bauteile des erfindungsgemäßen Treiberschaltkreises 16 der Steuerstrom 18 des Halbleiterschalters 12, 14 möglichst effizient bereitgestellt werden.
Die Steuereinheit 20 ist ferner dazu vorgesehen, die Halbleiterschalter 12, 14 mittels des zumindest einen Treiberschaltkreises 16 wenigstens in zwei unterschiedlichen Betriebsmodi zu betreiben und/oder zwischen den beiden Betriebsmodi zu wechseln. In einem ersten Betriebsmodus, insbesondere einem Niederfrequenzmodus, wird der Steuerstrom 18 durch die Einhüllende des Wechselrichterausgangsstroms 22 gesteuert. In einem zweiten Betriebsmodus, insbesondere einem Hochfrequenzbetriebsmodus, wird der Steuerstrom 18 an den momentanen Wechselrichterausgangsstrom 24 angepasst. Hierbei ändert sich der momentane Wechselrichterausgangsstrom 24 jedoch zusätzlich zur hochfrequenten Schaltfrequenz auch mit der Netzspannung, insbesondere auch mit der gleichgerichteten Netzspannung 72, und somit mit der Einhüllenden des Wechselrichterausgangsstroms 22. Zur Anpassung des Steuerstroms 18 genügt es dabei den Wechselrichterausgangsstrom mit Hilfe des Stromsensors 108 zu messen. Da der Wechselrichterausgangsstrom zur Berechnung der Ausgangsleistung der Kochfeldvorrichtung 36 ebenfalls gemessen werden muss, ergibt sich insbesondere kein zusätzlicher Messaufwand. Zusätzlich oder alternativ kann jedoch auch ein Eingangsstrom des Halbleiterschalters 12, 14 gemessen werden. Der Wechselrichterausgangsstrom entspricht zumindest in einem leitenden Zustand des Halbleiterschalters 12, 14 zumindest im Wesentlichen dem Eingangsstrom. Der Aufwand für die Ansteuerung der beiden Schalter 100, 102 im Hochfrequenzbetriebsmodus wird zwar im Vergleich zum Niederfrequenzmodus erhöht, gleichzeitig ergeben sich jedoch auch geringere Leistungsverluste aufgrund der besseren Schalteffizienz. In alternativen Ausgestaltungen kann auch lediglich einer der beiden Betriebsmodi, das heißt entweder der Niederfrequenzmodus oder der Hochfrequenzmodus, in einem Gargerät vorgesehen sein.
In 5 ist die Funktionsweise des Synchronwandlers 28 gezeigt. Von oben nach unten zeigt die erste Signalkurve 114 das Schaltverhalten des ersten Schalters 100 des Synchronwandlers 28, die zweite Signalkurve 116 das Schaltverhalten des zweiten Schalters 102 des Synchronwandlers 28, die dritte Signalkurve 118 zeigt das Schaltverhalten des dritten Schalters 110 des Abschaltschaltkreises 32, während die vierte Signalkurve 120 und die fünfte Signalkurve 122 eine Lastspannung 124 sowie einen Laststrom 126 durch das induktive Bauteil 96 (vgl. 4) während eines Schaltzustands, insbesondere eines leitenden Zustands, eines Halbleiterschalters 12, 14 zeigen. Bei den ersten drei Signalkurven 114, 116, 118 beschreibt ein oberer Zustand 128, 130, 132 einen geschlossenen Schalter 100, 102, 110. Außerdem beschreibt bei den ersten drei Signalkurven 114, 116, 118 ein unterer Zustand 134, 136, 138 einen offenen Schalter 100, 102, 110.
Eine Schaltperiode der beiden Schalter 100, 102 ist in diesem Fall durch eine Zeit T_d gegeben. Der zeitliche Verlauf der dritten Signalkurve 118 ändert sich dabei nicht. Demnach ist der dritte Schalter 110 über den gesamten dargestellten Zeitausschnitt geöffnet, was einem leitenden Zustand des Halbleiterschalters 12, 14 entspricht. Die beiden Schalter 100, 102 werden abwechselnd durch die Steuereinheit 20 angesteuert.
Ferner ist der Treiberschaltkreis 16 dazu vorgesehen, den Steuerstrom 18 in Form eines gepulsten Stroms bereitzustellen. Dazu wird die Ausgangsspannung des Synchronwandlers 28, welche insbesondere den Steuerstrom 18 bereitstellt, durch eine Pulsweitenmodulation in einem kontinuierlichen Betrieb geregelt. Dazu schaltet zum Zeitpunkt t₀ der erste Schalter 100 für eine Einschaltzeit T_d1. Während dieser Einschaltzeit T_d1 fließt ein Laststrom 126 durch das induktive Bauteil 96. Gleichzeitig fließt der Steuerstrom 18 in den Halbleiterschalter 12, 14. Zum Zeitpunkt t₁ wird der erste Schalter 100 geschlossen. Zum Zeitpunkt t₁ wird der zweite Schalter 102 für eine Ausschaltzeit T_d2 geöffnet. In dieser Ausschaltzeit T_d2 wird die im induktiven Bauteil 96 gespeicherte Energie abgebaut. Der Laststrom 126 des induktiven Bauteils 96 fließt nun durch den zweiten Schalter 102. Dabei nimmt auch der Steuerstrom 18 kontinuierlich ab. Der Steuerstrom 18 nimmt insbesondere kontinuierlich ab, da die Polarität der Lastspannung 124 zum Zeitpunkt t₁ wechselt. Zum Zeitpunkt t₂ ist eine Schaltperiode beendet. Die Schaltperiode setzt sich somit aus der Einschaltzeit T_d1 und der Ausschaltzeit T_d2 zusammen. Die Schaltfrequenz liegt zwischen 1 MHz und 10 MHz. Die Schaltfrequenz ist im vorliegenden Fall 4 MHz. Somit ergibt sich die Zeit T_d einer Periode zu etwa 0,3 µs.
Durch das periodische Ein- und Ausschalten der beiden Schalter 100, 102 ergibt sich eine periodische Schwankung des Laststroms 126 des induktiven Bauteils 96. Der Laststrom 126 ergibt sich im vorliegenden Fall durch eine zeitliche Integration der an dem induktiven Bauteil 96 abfallenden Lastspannung 124 über die Einschaltzeit T_d1 und/oder die Ausschaltzeit T_d2. Insbesondere wird zusätzlich eine Normierung über die Induktivität des verwendeten induktiven Bauteils 96 durchgeführt. Die Lastspannung 124 entspricht zumindest im Wesentlichen der Spannung der Sekundärspannungsquelle 94. Der Laststrom 126 entspricht zumindest im Wesentlichen dem Steuerstrom 18.
Die Spannung des Halbleiterschalters 140 sowie der Steuerstrom 18 zeigen die beiden unteren Signalkurven 142, 144 der 5. Die Spannung des Halbleiterschalters 140 entspricht im vorliegenden Fall einer Basis-Emitter-Spannung. Der Laststrom 126 des induktiven Bauteils 96 fällt demnach nicht auf null ab. Der Steuerstrom 18 fällt ebenfalls nicht auf null ab. Der Laststrom 126 pendelt um einen Mittelwert. Auch der Steuerstrom 18 pendelt um einen Mittelwert. Die Stromwelligkeit des Laststroms 126 und/oder des Steuerstroms 18 hängt von der Zeit T_d ab. Die Zeit T_d wird derart gewählt, dass die Stromwelligkeit bei gegebener Induktivität des induktiven Bauteils 96 möglichst klein wird. Somit kann die Zeit T_d fest gewählt werden. Der mittlere Steuerstrom 18 und/oder eine Stärke des mittleren Steuerstroms 18 hängt dabei linear von der Einschaltzeit T_d1 ab.
Demnach wird die Einschaltzeit T_d1 und/oder die Ausschaltzeit T_d2 durch die Steuereinheit 20 derart angepasst, dass der Halbleiterschalter 12, 14 im Wesentlichen über eine gesamte Schaltzustandsdauer in einem Bereich minimaler Sättigung betrieben wird. Im vorliegenden Fall wird die Einschaltzeit T_d1 und somit der Steuerstrom 18 durch die Steuereinheit 20 linear anhand des gemessenen Wechselrichterausgangsstroms angepasst. Die Proportionalitätskonstante zwischen dem Wechselrichterausgangsstrom und dem Steuerstrom 18, insbesondere eine Basisverstärkung, ergibt sich dabei anhand des Verstärkungsfaktors des verwendeten Halbleiterschalters 12, 14. Die Proportionalitätskonstante ist dabei in der Speichereinheit der Steuereinheit 20 hinterlegt. Die Einschaltzeit T_d1 und insbesondere der Steuerstrom 18 wird je nach Betriebsmodus an die Einhüllende des Wechselrichterausgangsstroms 22 und/oder den momentanen Wechselrichterausgangsstrom 24 angepasst. Im Niederfrequenzmodus wird der Steuerstrom 18 des Halbleiterschalters 12, 14 für die Dauer zumindest einer Schaltperiode des Wechselrichters 10 und/oder zumindest der Dauer, in welchem sich der Halbleiterschalter 12, 14 in einem leitenden Zustand befindet, konstant gehalten. Somit wird auch die Einschaltzeit T_d1 während zumindest zwei Schaltperioden des Wechselrichters 10 konstant gehalten. Der Steuerstrom 18 wird dabei an den Verlauf der Einhüllenden des Wechselrichterausgangsstroms 22 angepasst. Demnach ändert sich auch die Einschaltzeit T_d1 mit der Einhüllenden des Wechselrichterausgangsstroms 22. Im Hochfrequenzmodus wird der Steuerstrom 18 des Halbleiterschalters 12, 14 stetig an den momentanen Wechselrichterausgangsstrom 24 angepasst. Somit wird die Einschaltzeit T_d1 ebenfalls abhängig vom momentanen Wechselrichterausgangsstrom 24 angepasst. Eine Abtastfrequenz des Wechselrichterausgangsstroms liegt in diesem Fall bei 1 MHz.
6 zeigt einen Schaltvorgang, insbesondere einen Ausschaltvorgang, eines Halbleiterschalter 12, 14. Die Signalkurven der 6 sind analog zu den Signalkurven der 5 angeordnet. Zu einem Zeitpunkt t₃ wird durch ein Signal der Steuereinheit 20 der erste Schalter 100 geöffnet. Ferner wird zum Zeitpunkt t₃ der zweite Schalter 102 geschlossen. Außerdem wird zum Zeitpunkt t₃ der dritte Schalter 110 ebenfalls geschlossen. Somit fließt der Steuerstrom 18 über den dritten Schalter 110 ab. In diesem Fall nimmt der Laststrom 126 durch das induktive Bauteil 96 langsam und kontinuierlich ab. Der Steuerstrom 18 und die Spannung des Halbleiterschalters 140 fallen hingegen schnell auf null ab. Die Spannung des Halbleiterschalters 140 fällt dabei nahezu direkt auf null. Der Steuerstrom 18 fällt hingegen langsamer ab. Aufgrund parasitärer Impedanzen im Treiberschaltkreis 16 benötigt der Steuerstrom 18 etwa 10 ns bis 100 ns um auf null zu fallen.
Durch den erfindungsgemäßen Treiberschaltkreis 16 kann die Verlustleistung der Kochfeldvorrichtung 36 reduziert werden. Im Niederfrequenzmodus kann die Verlustleistung der Kochfeldvorrichtung 36 im Vergleich zu einem Standardschaltkreis mit festem Steuerstrom 18 und einem Steuerwiderstand, insbesondere einem Basiswiderstand, zumindest auf die Hälfte reduziert werden. Dies wird erreicht, indem der jeweilige Halbleiterschalter 12, 14 über zumindest einen gesamten Schaltzustand im Wesentlichen in einem Bereich minimaler Sättigung betrieben wird. Ferner weist die Gargerätevorrichtung für unterschiedliche Heizleistungen keine feste Verlustleistung auf. Somit kann die Verlustleistung bei einer Heizleistung von 1000 W im Vergleich zum Standardschaltkreis um einen Faktor 0,3 gesenkt werden. Die maximale Verlustleistung bei einer Heizleistung von 3600 W beträgt weniger als 20 W. Wird der Treiberschaltkreis 16 im Hochfrequenzmodus betrieben kann die Verlustleistung der Gargerätevorrichtung, insbesondere aufgrund der höheren Genauigkeit, weiter reduziert werden. Die maximale Verlustleistung bei einer Heizleistung von 3600 W beträgt somit weniger als 3 W. Die maximale Verlustleistung bei einer Heizleistung von 1000 W beträgt weniger als 1 W.
Bezugszeichenliste

10: Wechselrichter
12: Halbleiterschalter
14: Halbleiterschalter
16: Treiberschaltkreis
18: Steuerstrom
20: Steuereinheit
22: Einhüllende des Wechselrichterausgangsstroms
24: Momentaner Wechselrichterausgangsstrom
26: Gleichspannungswandler
28: Synchronwandler
30: Hauptstrompfad
32: Abschaltschaltkreis
36: Kochfeldvorrichtung
38: Induktor
40: Induktor
42: Induktor
44: Induktor
48: Bedienbereich
50: Phase
52: Leistungsmodul
56: Gleichrichter
58: Pufferkapazität
68: Außenkontakt
70: Außenkontakt
72: Gleichgerichtete Netzspannung
82: Spannungsabgriff
84: Resonanzeinheit
86: Resonanzkapazität
88: Resonanzkapazität
90: Momentane Wechselrichterausgangsspannung
94: Sekundärspannungsquelle
96: Induktives Bauteil
98: Steuereingang
100: Erster Schalter
102: Zweiter Schalter
104: Steueranschluss
106: Steueranschluss
108: Stromsensor
110: Dritter Schalter
112: Steueranschluss
114: Erste Signalkurve
116: Zweite Signalkurve
118: Dritte Signalkurve
120: Vierte Signalkurve
122: Fünfte Signalkurve
124: Lastspannung
126: Laststrom
128: Geschlossener Zustand
130: Geschlossener Zustand
132: Geschlossener Zustand
134: Offener Zustand
136: Offener Zustand
138: Offener Zustand
140: Spannung des Halbleiterschalter
142: Signalkurve
144: Signalkurve

Claims

Gargerätevorrichtung, insbesondere Kochfeldvorrichtung 36, mit zumindest einem Wechselrichter (10), der zumindest einen stromgesteuerten Halbleiterschalter (12, 14) aufweist, welcher in zumindest einem Schaltzustand zumindest einen Wechselrichterausgangsstrom trägt, mit zumindest einem Treiberschaltkreis (16), welcher dazu vorgesehen ist, zumindest einen Steuerstrom (18) für den zumindest einen Halbleiterschalter (12, 14) bereitzustellen, und mit einer Steuereinheit (20), dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (20) dazu vorgesehen ist, den zumindest einen Halbleiterschalter (12, 14) mittels des zumindest einen Treiberschaltkreises (16) in Abhängigkeit von zumindest einer Eigenschaft des Wechselrichterausgangsstroms wenigstens während des zumindest einen Schaltzustands zumindest im Wesentlichen in einem Bereich minimaler Sättigung zu betreiben.
Gargerätevorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine Eigenschaft des Wechselrichterausgangsstroms durch eine Einhüllende des Wechselrichterausgangsstroms (22) gegeben ist.
Gargerätevorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine Eigenschaft des Wechselrichterausgangsstroms zumindest im Wesentlichen durch einen momentanen Wechselrichterausgangsstrom (24) gegeben ist.
Gargerätevorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (20) dazu vorgesehen ist, den zumindest einen Halbleiterschalter (12, 14) mittels des zumindest einen Treiberschaltkreises (16) wenigstens in zwei unterschiedlichen Betriebsmodi zu betreiben.
Gargerätevorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine Treiberschaltkreis (16) dazu vorgesehen ist, den zumindest einen Steuerstrom (18) in Form eines gepulsten Stroms bereitzustellen.
Gargerätevorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine Treiberschaltkreis (16) zumindest einen Gleichspannungswandler (26) aufweist.
Gargerätevorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (20) dazu vorgesehen ist, den zumindest einen Gleichspannungswandler (26) mit einer Schaltfrequenz zwischen 0,1 MHz und 100 MHz zu betreiben.
Gargerätevorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine Gleichspannungswandler (26) als Synchronwandler (28) ausgebildet ist.
Gargerätevorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine Treiberschaltkreis (16) zumindest einen Hauptstrompfad (30) aufweist, welcher zumindest in einem Betriebszustand einen ohmschen Widerstand von höchstens 10 Ω aufweist.
Gargerätevorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine Treiberschaltkreis (16) zumindest einen Abschaltschaltkreis (32) umfasst, welcher frei von kapazitiven Bauteilen ist.
Gargerät, insbesondere Kochfeld, mit einer Gargerätevorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
Verfahren zum Betrieb einer Gargerätevorrichtung mit zumindest einem Wechselrichter (10), der zumindest einen stromgesteuerten Halbleiterschalter (12, 14) aufweist, welcher in zumindest einem Schaltzustand zumindest einen Wechselrichterausgangsstrom trägt, insbesondere nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei ein Schaltzustand des zumindest einen Halbleiterschalters (12, 14) mittels zumindest eines Steuerstroms (18) festgelegt wird, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine Halbleiterschalter (12, 14) in Abhängigkeit von zumindest einer Eigenschaft des Wechselrichterausgangsstroms wenigstens während des zumindest einen Schaltzustands zumindest im Wesentlichen in einem Bereich minimaler Sättigung betrieben wird.