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GEBIET
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Die vorliegende Offenbarung betrifft das Gebiet der Hochfrequenz-Erhitzungsvorrichtungen und insbesondere eine Schutzschaltung für eine Hochfrequenz-Erhitzungsvorrichtung und eine Hochfrequenz-Erhitzungsvorrichtung mit einer solchen Schutzschaltung.
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HINTERGRUND
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Bei einer Spannungsquelle einer Hochfrequenz-Erhitzungsvorrichtung, wie zum Beispiel eines elektromagnetischen Herds oder eines Inverter-Mikrowellenherds, müssen zum Schutz eines Schaltelements und zur Bestimmung der AN/AUS-Zeit des Schaltelements eine Spannung und eine Phase an dem Schaltelement erfasst und verglichen werden, um den Schutzmechanismus auszulösen. Wie in 1 gezeigt, erfolgt die Erfassung herkömmlicherweise an einem zu erfassenden Punkt in der Schaltung, und anschließend wird die Spannung durch Widerstände geteilt, um ein Vergleichssignal zu erhalten.
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Da die Spannung mit circa 1000 Volt vergleichsweise hoch ist, müssen in der zu erfassenden Schaltung viele Elemente vorhanden sein, was die Kosten steigert, die Zuverlässigkeit aber verringert.
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Die
WO 97/12436 A1 offenbart eine Stromversorgungsschaltung. Die Stromversorgungsschaltung umfasst einen Transformator, dessen sekundäre Wicklung über eine Gleichrichterdiode einen Verbraucher und/oder einen Akkumulator versorgt. Der Verbraucher schließt die sekundäre Wicklung mittels eines Schalters kurz, der mit der Diode in Reihe geschaltet ist. Der Kurzschluss wird von einer Messschaltung erfasst, die eine Messwicklung und einen Komparator umfasst, der die Amplitudenvariation der Spannung über die Messwicklung mit einem Schwellwert vergleicht. Wenn ein Kurzschluss erkannt wird, wird die Steuerschaltung zur Steuerung des Schalttransistors des Sperrwandlers in einen Modus geschaltet, in dem ein bestimmter kleiner Strom eingespeist wird, der fast ausschließlich durch den Schalter fliest. Sobald der Kurzschluss endet, kehrt der Sperrwandler in seinen normalen Betriebszustand zurück. Der Verbraucher kann den zum Betrieb des Verbrauchers bzw. zum Laden des Akkus gewünschten Strom und/oder die gewünschte Spannung durch Einschalten und Ausschalten des Schalters nach Bedarf steuern.
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ZUSAMMENFASSUNG
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Das Ziel der vorliegenden Offenbarung ist es, mindestens eines der genannten technischen Probleme zu lösen.
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Somit besteht eine Aufgabe der vorliegenden Offenbarung darin, eine zweckmäßige und zuverlässige Schutzschaltung für eine Hochfrequenz-Erhitzungsvorrichtung mit einer einfachen Struktur und geringen Kosten bereitzustellen, um die im Stand der Technik bestehenden Mängel zu überwinden.
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Zur Lösung der Aufgabe sehen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung eine Schutzschaltung für eine Hochfrequenz-Erhitzungsvorrichtung vor. Die Schaltung umfasst: eine Eingangswicklung, die auf einer Primärseite eines Transformators angeordnet und mit einem Schaltelement der Hochfrequenz-Erhitzungsvorrichtung verbunden ist; eine Abtastwicklung, die auf der Primärseite oder einer Sekundärseite des Transformators angeordnet und zur Erfassung eines Spannungssignals an dem Schaltelement durch Kopplung ausgebildet ist; ein Phasenvergleichsmodul und ein Spannungsvergleichsmodul, die mit der Abtastwicklung verbunden sind, wobei das Phasenvergleichsmodul zur Ausgabe eines ersten Vergleichssignals in Abhängigkeit von einer Spannungsphase des Spannungssignals ausgebildet ist und das Spannungsvergleichsmodul zur Ausgabe eines zweiten Vergleichssignals in Abhängigkeit von einem Vergleich zwischen einer Spannungsamplitude des Spannungssignals und einer vorbestimmten Referenzspannung ausgebildet ist; und eine Steuerung, die mit einem Ausgang des Phasenvergleichsmoduls, einem Ausgang des Spannungsvergleichsmoduls und dem Schaltelement verbunden ist und zur einschaltenden oder ausschaltenden Steuerung des Schaltelements in Abhängigkeit von dem ersten Vergleichssignal und zur ausschaltenden Steuerung des Schaltelements in Abhängigkeit von dem zweiten Vergleichssignal ausgebildet ist.
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Mit der Schutzschaltung nach Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung kann das Problem, dass bei dem Spannungsteilungsverfahren eine Vielzahl von Widerständen in Reihe geschaltet sind, umgangen werden, wodurch viele Spannungsteilungswiderstände entfallen, was die Zuverlässigkeit der Schaltung verbessert, aus einer Vielzahl von in Reihe geschalteten Widerständen resultierende additive Fehler verringert und Kosten spart. Darüber hinaus entspricht die induzierte Spannung an der Abtastwicklung der Spannung der Eingangswicklung, so dass es möglich ist, das Schaltelement synchron mit der Spannung einschaltend und ausschaltend zu steuern und das Schaltelement in einer Überspannungs- oder Unterspannungssituation durch die Spannungsphase und die Spannungsamplitude an der Abtastwicklung zu schützen.
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Bei einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung umfasst das zweite Vergleichssignal ein Überspannungsschutzauslösesignal und ein Unterspannungsschutzauslösesignal.
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Bei einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung umfasst die Schutzschaltung vorzugsweise des Weiteren ein Gleichrichtermodul, das mit der Abtastwicklung verbunden und zum Empfang eines Ausgangssignals von der Abtastwicklung zur Spannungsversorgung ausgebildet ist, wobei das Gleichrichtermodul eine Einweggleichrichterschaltung oder eine Vollbrückengleichrichterschaltung sein kann.
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Somit kann die Schutzschaltung nach Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung zur Verringerung der Kosten, des Volumens und des Energieverbrauchs eines Stromversorgungsteils einer Steuerungsschaltung eine Hilfsspannungsquelle bereitstellen.
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Bei einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung umfasst das Phasenvergleichsmodul insbesondere einen ersten Widerstand und einen ersten Kondensator, die in Reihe geschaltet sind, wobei der erste Widerstand eine mit einer ersten Klemme der Abtastwicklung verbundene erste Klemme und eine mit einer ersten Klemme des ersten Kondensators verbundene zweite Klemme definiert, wobei eine zweite Klemme des ersten Kondensators geerdet ist und zwischen dem ersten Widerstand und dem ersten Kondensator ein erster Knoten angeordnet ist; einen zweiten Widerstand, der mit dem ersten Kondensator parallel geschaltet ist und eine mit dem ersten Knoten verbundene erste Klemme und eine geerdete zweite Klemme definiert; eine erste Diode, die eine geerdete Anode und eine mit dem ersten Knoten verbundene Kathode definiert; und einen ersten Komparator, der eine mit dem ersten Knoten verbundene gleichphasige Eingangsklemme, eine mit einer zweiten Klemme der Abtastwicklung verbundene gegenphasige Eingangsklemme und eine mit der Steuerung verbundene Ausgangsklemme definiert.
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Das Spannungsvergleichsmodul umfasst einen zweiten Komparator, der eine mit dem ersten Knoten verbundene gleichphasige Eingangsklemme, eine mit der vorbestimmten Referenzspannung verbundene gegenphasige Eingangsklemme und eine mit der Steuerung verbundene Ausgangsklemme definiert.
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Bei einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung kann das Schaltelement vorzugsweise ein Bipolartransistor mit isolierter Gate-Elektrode (IGBT) sein.
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Bei einigen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung kann die Hochfrequenz-Erhitzungsvorrichtung ein elektromagnetischer Herd oder ein Inverter-Mikrowellenherd sein, wobei die Abtastwicklung um die Eingangswicklung gewickelt ist und eine vorbestimmte Anzahl von Windungen aufweist.
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Bei einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Offenbarung kann die vorbestimmte Anzahl eins bis drei betragen.
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Außerdem ist gemäß der vorliegenden Offenbarung eine Hochfrequenz-Erhitzungsvorrichtung mit der vorstehend beschriebenen Schutzschaltung vorgesehen.
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Weitere Aspekte und Vorteile der vorliegenden Offenbarung sind zum Teil in der folgenden Beschreibung angegeben, ergeben sich zum Teil aus der folgenden Beschreibung oder sind der praktischen Umsetzung der Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung entnehmbar.
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Figurenliste
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Diese und/oder weitere Aspekte und Vorteile der vorliegenden Offenbarung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung in Zusammenschau mit der Zeichnung. Es zeigen:
- 1 ein schematisches Diagramm einer synchronen Schutzschaltung und einer IGBT-Überspannungsschutzschaltung nach dem Stand der Technik; und
- 2 ein schematisches Diagramm einer Schutzschaltung für eine Hochfrequenz-Erhitzungsvorrichtung nach einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Eingangswicklung
- 2
- Abtastwicklung
- 3
- Phasenvergleichsmodul
- 4
- Spannungsvergleichsmodul
- 5
- Steuerung
- 6
- Gleichrichtermodul
- R1
- erster Widerstand
- C1
- erster Kondensator
- R2
- zweiter Widerstand
- D1
- erste Diode
- IC1
- erster Komparator
- IC2
- zweiter Komparator
- 7
- Primärwicklung
- 8
- Sekundärwicklung
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
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Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung werden näher beschrieben und Ausführungsbeispiele sind in der Zeichnung dargestellt, in welcher identische oder gleiche Elemente oder Glieder mit identischen oder gleichen Funktionen mit identischen oder gleichen Bezugszeichen versehen sind. Die vorliegend mit Bezug auf die Zeichnung beschriebenen Ausführungsformen dienen der Erläuterung und Veranschaulichung der vorliegenden Offenbarung und sind nicht als die vorliegende Offenbarung einschränkend zu interpretieren.
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Im Folgenden werden eine Schutzschaltung für eine Hochfrequenz-Erhitzungsvorrichtung und eine Hochfrequenz-Erhitzungsvorrichtung mit einer solchen Schutzschaltung gemäß den Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung mit Bezug auf die Zeichnung beschrieben.
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2 zeigt ein schematisches Diagramm einer Schutzschaltung für eine Hochfrequenz-Erhitzungsvorrichtung nach einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung. Bei dieser Ausführungsform ist die Hochfrequenz-Erhitzungsvorrichtung ein Inverter-Mikrowellenherd. Wie 2 zeigt, umfasst die Schutzschaltung eine Eingangswicklung 1, eine Abtastwicklung 2, ein Phasenvergleichsmodul 3, ein Spannungsvergleichsmodul 4 und eine Steuerung 5.
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Die Eingangswicklung 1 ist auf einer Primärseite eines Transformators angeordnet und mit einem Schaltelement der Hochfrequenz-Erhitzungsvorrichtung verbunden. Die Abtastwicklung 2 kann auf der Primärseite oder einer Sekundärseite des Transformators angeordnet und zur Erfassung eines Spannungssignals an dem Schaltelement durch Kopplung ausgebildet sein. Wie in 2 dargestellt, ist die Abtastwicklung 2 auf der Sekundärseite angeordnet. Das Phasenvergleichsmodul 3 und das Spannungsvergleichsmodul 4 sind mit der Abtastwicklung 2 verbunden, wobei das Phasenvergleichsmodul 3 ein von einer Spannungsphase des Spannungssignals abhängendes erstes Vergleichssignal ausgibt und das Spannungsvergleichsmodul 4 ein von einem Vergleich zwischen einer Spannungsamplitude des Spannungssignals und einer vorbestimmten Referenzspannung abhängendes zweites Vergleichssignal ausgibt. Die Steuerung 5 ist mit einem Ausgangs des Phasenvergleichsmoduls 3, einem Ausgang des Spannungsvergleichsmoduls 4 und dem nicht dargestellten Schaltelement verbunden und zur einschaltenden oder ausschaltenden Steuerung des Schaltelements in Abhängigkeit von dem ersten Vergleichssignal und zum Schutz des Schaltelements in Abhängigkeit von dem zweiten Vergleichssignal ausgebildet.
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Bei einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung ist das Spannungsvergleichsmodul insbesondere zur Ausgabe eines Überspannungsschutzauslösesignals und/oder eines Unterspannungsschutzauslösesignals ausgebildet.
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Bei Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung wird das Spannungssignal an dem Schaltelement mittels Kopplung durch die Abtastwicklung 2 erfasst; eine Spannungsphase und eine Spannungsamplitude des Schaltelements in einer Hauptschaltung der Hochfrequenz-Erhitzungsvorrichtung werden präzise abgebildet; und ein Ausgangssignal wird über die Abtastwicklung 2 an das Spannungsvergleichsmodul 4 und an das Phasenvergleichsmodul übertragen. Das Ausgangssignal von der Abtastwicklung 2 wird mit dem Ausgangssignal von dem Phasenvergleichsmodul 3 verglichen, um einen Phasenvergleich durchzuführen. Das Ausgangssignal von der Abtastwicklung 2 wird durch das Spannungsvergleichsmodul 4 mit der vorbestimmten Referenzspannung verglichen, um ein Überspannungs- oder Unterspannungsschutzauslösesignal an die Steuerung 5 auszugeben. Die vorbestimmte Referenzspannung ist in 2 als „ref“ wiedergegeben, wobei es sich um einen softwaremäßig festgelegten Wert oder um einen im Voraus hardwareschaltungsmäßig festgelegten Wert handeln kann.
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Vorzugsweise umfasst die Schutzschaltung bei einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung, wie in 2 gezeigt, des Weiteren ein Gleichrichtermodul 6. Das Gleichrichtermodul 6 ist mit der Abtastwicklung 2 verbunden und zum Empfang des Ausgangssignals von der Abtastwicklung 2 zur Spannungsversorgung ausgebildet, wobei das Gleichrichtermodul eine Einweggleichrichterschaltung oder eine Vollbrückengleichrichterschaltung sein kann.
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Wie ersichtlich ist, kann die Schutzschaltung zur Verringerung der Kosten, des Volumens und des Energieverbrauchs eines Stromversorgungsteils einer Steuerungsschaltung eine Hilfsspannungsquelle bereitstellen.
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Wie in 2 gezeigt, umfasst das Phasenvergleichsmodul 3 bei einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung insbesondere einen ersten Widerstand R1, einen ersten Kondensator C1, einen zweiten Widerstand R2, eine erste Diode D1 und einen ersten Komparator IC1. Der erste Widerstand R1 und der erste Kondensator C1 sind in Reihe geschaltet, wobei der erste Widerstand R1 eine mit einer ersten Klemme der Abtastwicklung 2 verbundene erste Klemme und eine mit einer ersten Klemme des ersten Kondensators C1 verbundene zweite Klemme aufweist; eine zweite Klemme des ersten Kondensators C1 geerdet ist; und zwischen dem ersten Widerstand R1 und dem ersten Kondensator C1 ein erster Knoten A angeordnet ist. Der zweite Widerstand R2 ist mit dem ersten Kondensator C1 parallel geschaltet und weist eine mit dem ersten Knoten A verbundene erste Klemme und eine geerdete zweite Klemme auf. Die erste Diode D1 weist eine geerdete Anode und eine mit dem ersten Knoten A verbundene Kathode auf. Der erste Komparator IC1 weist eine mit dem ersten Knoten A verbundene gleichphasige Eingangsklemme, eine mit einer zweiten Klemme der Abtastwicklung 2 verbundene gegenphasige Eingangsklemme und eine mit der Steuerung 5 verbundene Ausgangsklemme auf.
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Wie 2 zeigt, umfasst das Spannungsvergleichsmodul 4 einen zweiten Komparator IC2. Der zweite Komparator IC2 weist eine mit dem ersten Knoten A verbundene gleichphasige Eingangsklemme, eine mit der vorbestimmten Referenzspannung ref verbundene gegenphasige Eingangsklemme und eine mit der Steuerung 5 verbundene Ausgangsklemme auf.
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Es wird darauf hingewiesen, dass der Schaltungstyp des Phasenvergleichsmoduls 3, des Spannungsvergleichsmoduls 4 und des Gleichrichtermoduls 6 nicht auf die in 2 gezeigte Schaltung beschränkt ist.
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Wie 2 außerdem zeigt, umfasst die Schutzschaltung des Weiteren eine Primärwicklung 7 und eine entsprechende Sekundärwicklung 8.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung kann das Schaltelement ein Bipolartransistor mit isolierter Gate-Elektrode (IGBT) sein.
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Somit wird das Spannungssignal an dem Schaltelement bei Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung mittels Kopplung durch die Abtastwicklung 2 erfasst; die Spannungsphase und die Spannungsamplitude des Schaltelements in der Hauptschaltung der Hochfrequenz-Erhitzungsvorrichtung werden präzise abgebildet, und das Signal wird in einer Vergleichsschaltung verwendet. Der Transformator ist mit ein bis zwei Windungen als Abtastwicklung gewickelt. Durch Erfassung einer induzierten Spannungsphase auf der Abtastwicklung kann der IGBT in der Hauptschaltung synchron mit dem Spannungssignal eingeschaltet oder ausgeschaltet werden, und durch Erfassung einer induzierten Spannung auf der Abtastwicklung kann der IGBT in einer Überspannungs- oder Unterspannungssituation geschützt werden. Dabei ist eine Hilfsspannungsquelle zur Verringerung der Kosten, des Volumens und des Energieverbrauchs des Stromversorgungsteils der Steuerschaltung vorgesehen. Erstens kann der Überspannungsschutz des Schaltelements erfolgen; zweitens kann die EIN/AUS-Zeit des Schaltelements bestimmt werden; drittens kann die Abtastwicklung als Spannungsquelle für eine Hilfsstromversorgung für die Steuerschaltung eingesetzt werden.
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Bei weiteren Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung kann die Hochfrequenz-Erhitzungsvorrichtung wie vorstehend erwähnt ein Inverter-Mikrowellenherd oder ein elektromagnetischer Herd sein. Die Abtastwicklung 2 kann um die Eingangswicklung 1 gewickelt sein und weist eine vorbestimmte Anzahl von Windungen auf. Bei einem Ausführungsbeispiel beträgt die vorbestimmte Anzahl eins bis drei. Es wird darauf hingewiesen, dass die Abtastwicklung 2 durch Wickeln mehrerer Windungen auf den Magnetkern unter einer Herdplatte ausgebildet sein kann, da der elektromagnetische Herd keinen Transformator aufweist.
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Außerdem sieht die vorliegende Offenbarung des Weiteren eine Hochfrequenz-Erhitzungsvorrichtung vor, welche die vorstehend beschriebene Schutzschaltung umfasst.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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