EP3422815B1 - Induktionskochvorrichtung und verfahren zur ansteuerung einer induktionskochvorrichtung - Google Patents

Induktionskochvorrichtung und verfahren zur ansteuerung einer induktionskochvorrichtung Download PDF

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EP3422815B1
EP3422815B1 EP18180281.0A EP18180281A EP3422815B1 EP 3422815 B1 EP3422815 B1 EP 3422815B1 EP 18180281 A EP18180281 A EP 18180281A EP 3422815 B1 EP3422815 B1 EP 3422815B1
Authority
EP
European Patent Office
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induction
row
line
cooking device
column
Prior art date
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Active
Application number
EP18180281.0A
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English (en)
French (fr)
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EP3422815A1 (de
Inventor
Mathias Bellm
Timo Dalaker
Christian Egenter
Michael Riffel
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EGO Elektro Geratebau GmbH
Original Assignee
EGO Elektro Geratebau GmbH
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Publication date
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Publication of EP3422815A1 publication Critical patent/EP3422815A1/de
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    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05B—ELECTRIC HEATING; ELECTRIC LIGHT SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; CIRCUIT ARRANGEMENTS FOR ELECTRIC LIGHT SOURCES, IN GENERAL
    • H05B6/00—Heating by electric, magnetic or electromagnetic fields
    • H05B6/02—Induction heating
    • H05B6/10—Induction heating apparatus, other than furnaces, for specific applications
    • H05B6/12—Cooking devices
    • H05B6/1209—Cooking devices induction cooking plates or the like and devices to be used in combination with them
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05B—ELECTRIC HEATING; ELECTRIC LIGHT SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; CIRCUIT ARRANGEMENTS FOR ELECTRIC LIGHT SOURCES, IN GENERAL
    • H05B6/00—Heating by electric, magnetic or electromagnetic fields
    • H05B6/02—Induction heating
    • H05B6/06—Control, e.g. of temperature, of power
    • H05B6/062—Control, e.g. of temperature, of power for cooking plates or the like
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05B—ELECTRIC HEATING; ELECTRIC LIGHT SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; CIRCUIT ARRANGEMENTS FOR ELECTRIC LIGHT SOURCES, IN GENERAL
    • H05B2213/00—Aspects relating both to resistive heating and to induction heating, covered by H05B3/00 and H05B6/00
    • H05B2213/03—Heating plates made out of a matrix of heating elements that can define heating areas adapted to cookware randomly placed on the heating plate
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05B—ELECTRIC HEATING; ELECTRIC LIGHT SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; CIRCUIT ARRANGEMENTS FOR ELECTRIC LIGHT SOURCES, IN GENERAL
    • H05B2213/00—Aspects relating both to resistive heating and to induction heating, covered by H05B3/00 and H05B6/00
    • H05B2213/05—Heating plates with pan detection means

Definitions

  • the invention relates to an induction cooking device with a plurality of row lines, a plurality of column lines, a plurality of resonant circuit elements with a respective first pole and a respective second pole, a plurality of grid diodes and an inverter.
  • Each resonant circuit element is connected with its first pole to exactly one of the row lines.
  • Each resonant circuit element is connected with its second pole to exactly one of the column lines.
  • Each column line has a respective end column switch.
  • the invention also relates to a method for controlling such an induction cooking device.
  • Induction cooking devices of this type are known from the prior art and are used in particular to achieve real surface cooking.
  • the resonant circuit elements typically have induction heating coils with which pans standing on a hob can be heated.
  • Exemplary designs are in EP 1 303 168 A1 as EP 2 380 400 B shown.
  • an induction hob is known with a plurality of row lines and a plurality of column lines, a plurality of resonant circuit elements, which must be present, and at least one inverter.
  • Each resonant circuit element has a first pole connected to exactly one of the row lines and a second pole connected to exactly one of the column lines.
  • Each column line has an end column switch, and each row line has a first row line end and a second row line end, a respective row switch being arranged on one of them.
  • the respective first poles of the connected resonant circuit elements are connected between the row line ends, and they are each connected to the inverter.
  • the most widespread electronic power circuits for inductive heating of an induction hob are the resonant (series) oscillating circuit and the quasi-resonant parallel oscillating circuit.
  • the latter has the advantage that one switching element and one capacitor are required less than with the series resonant circuit.
  • each individual coil is controlled by a semiconductor transistor in the case of the quasi-resonant design or by two semiconductor transistors, usually IGBTs, in the case of the series resonant circuit.
  • IGBTs semiconductor transistors
  • This solution is very expensive due to the high number of semiconductors for many induction coils (for example 20 to 50). At least n semiconductors are required for n induction coils.
  • FIG Fig. 1 An exemplary implementation of an induction cooking device according to the prior art is shown in FIG Fig. 1 shown.
  • the induction coils of the induction heating device are controlled in series resonant circuits by means of half-bridge transistors.
  • a respective resonant circuit has a respective induction coil coil L and a respective capacitance or capacitor C.
  • six series resonant circuits are shown, which are arranged in a matrix of rows and columns.
  • the half bridge consists of switches S highside and S lowside , which can be implemented in particular by means of IGBT transistors or by means of MOSFETs. It is used to generate a high-frequency alternating voltage in the range from 20 kHz to 150 kHz, as is customary for the electrical excitation of inductive heating by means of induction coils.
  • a pulsating DC voltage source rectified from the mains voltage is designated with U. It may also be a pure DC voltage that is generated by a PFC (Power Factor Correction) circuit.
  • Cs is an intermediate circuit capacitor, which stabilizes the intermediate circuit voltage of the half bridges with resonant circuits.
  • Each row (Sx1a-Sx4a) or column (Sy1-Sy4) has a switch (IGBT transistors or MOSFET transistors).
  • the semiconductors for switching the rows and columns switch slowly and therefore do not have to be of high quality; alternatively, a low forward voltage Vce (sat) in IGBTs and / or a low forward resistance RDS (on) must be taken into account with MOSFETs.
  • a driver module is required for control of each transistor, also for the inverter.
  • So-called "high-side” drivers such as pulse transformers (galvanic separation possible) or charge pumps (without galvanic separation) come into question, this being true for all row switches and for the S highside .
  • the time course of the currents through the induction coils is shown if the induction coils L11 or L22 etc. are to be electrically excited at the time windows T11 or T22.
  • the desired current flow for the induction coil L11 is shown thick, for the other induction coils L the disturbances are shown thin.
  • the desired current flow for the induction coil L22 is shown thick, the interference for the other induction coils L is shown thin again. This applies in the event that a pot is placed on the induction coils L11 and L22. Therefore, current flows are only effected in their time windows T11 and T22.
  • the object of the invention is to create an induction cooking device and a method for controlling such an induction cooking device, with which problems of the prior art can be avoided and which are optimized in particular with regard to interference or possible leakage currents.
  • an induction cooking device with the features of claim 1 and by a method for controlling such an induction cooking device with the features of claim 14.
  • Advantageous and preferred embodiments of the invention are the subject of the further claims and are explained in more detail below. Some of the features are mentioned only for the induction cooking device or only for the process. However, they should be able to apply independently and independently of one another both to the induction cooking device and to the method. The wording of the claims is made part of the content of the description by express reference.
  • the invention relates to an induction cooking device.
  • This has a plurality of row lines and a plurality of column lines. It has a plurality of resonant circuit elements with a respective first pole and a respective second pole. It also has a plurality of grid diodes and an inverter. Each resonant circuit element is connected with its first pole to exactly one of the row lines. Each resonant circuit element is connected with its second pole to exactly one of the column lines.
  • Each column line has a respective end column switch.
  • each row line has a first row line end and a second row line end, between which the respective first poles of the connected resonant circuit elements are connected.
  • the first and second row line ends are each connected to the inverter, a respective row switch being arranged at least at one of the row line ends.
  • the respective first poles of the oscillating circuit elements are connected to a respective grid diode which is connected to the respective second row line end with the forward direction towards the second row line end, so that of the first poles connected to a row line at most one respective first pole is directly connected to the second row line end.
  • This embodiment avoids the disadvantage described at the beginning by a clever arrangement of the grid diodes.
  • a direct series connection of a diode to the resonant circuit is not possible, because otherwise free oscillation of the series resonant circuit is prevented.
  • the function of the resonant circuits is guaranteed by the design described here, in particular the separation by means of grid diodes. Unwanted currents through induction coils do not occur, as these are prevented by the diodes. At any point in time, a current flow takes place exclusively in the oscillating circuit elements that are to be electrically excited at a given point in time.
  • grid diodes is not a special type of diode, but that in principle all known designs of diodes can be used. Low-loss diodes or Schottky diodes are preferred.
  • the designation of the grid diodes is chosen to make it clear that they are located within a grid of row lines and column lines.
  • the resonant circuit elements are a respective capacitor and a respective coil connected in series. This can mean in particular that each resonant circuit element represents a resonant circuit per se.
  • the resonant circuit elements are a respective coil, a capacitor also being connected in each column line, which capacitor forms series resonant circuits with the respective connected coils.
  • an oscillating circuit cannot typically already be formed by the respective oscillating circuit elements per se, but rather it arises only in connection with the respective capacitor. This can significantly reduce the number of capacitors required overall.
  • the resonant circuit elements are a respective coil, two capacitors furthermore being connected to each column line which form resonant circuits in series with the respective connected coils.
  • the respective column line with the column switch is connected between the capacitors.
  • the column switches can in particular be bidirectionally conductive.
  • the coils are preferably induction coils. These can advantageously be used to heat cookware designed for this purpose and are then induction heating coils.
  • the induction coils or other resonant circuit elements can preferably be identical to one another. This can mean in particular that all resonant circuit elements of the same type used in the induction cooking device are identical to one another.
  • the resonant circuit elements are preferably arranged in rows and columns, in particular in the form of a matrix. This leads to a clear design which enables, for example, a uniform distribution of oscillating circuit elements over a cooking surface to be heated.
  • a first row switch is arranged at each first row line end and a second row switch is arranged at each second row line end.
  • the first row switch and the second row switch of each row line are preferably configured to be switched simultaneously. This enables an advantageous simultaneous connection of both row line ends, which ensures the operation of all resonant circuits even when the aforementioned grid diodes are present.
  • a row switch is arranged at each first row line end and a respective row diode is arranged with the forward direction away from the row switch at each second row line end.
  • the poles connected to a row line only that pole which is connected closest to the second row line end is directly connected to the second row line end. In this way, the already mentioned and desired suppression of leakage currents can be achieved in an advantageous manner.
  • the switches are preferably designed as self-locking N-channel MOSFETs. This has proven to be advantageous in practice. This can affect all switches or only some of the switches, for example row switches and / or column switches.
  • the column switches preferably have a respective freewheeling diode. Any parasitic currents can thus be diverted.
  • the line switches form an inverter.
  • additional switching elements for forming the inverter can be saved.
  • the grid diodes are connected between two first poles. They can thus advantageously exert the desired effect of suppressing undesired leakage currents.
  • each first pole is connected to the first row line end by means of a respective grid diode and connected to the second row line end by means of a respective further grid diode.
  • Each grid diode is connected with the forward direction towards the second row line end.
  • the induction cooking device preferably also has a pot detection system which is designed to switch the row switches and column switches in such a way that only resonant circuit elements under a recognized pot are excited by the inverter. This enables an optimal use and a saving of energy, since only the required oscillating circuit elements are actually controlled.
  • the resonant circuit elements are preferably induction coils or induction heating coils or have such which are arranged in rows and columns next to one another and one behind the other. They are therefore distributed in a corresponding configuration on a hob, the columns advantageously meaning the arrangement one behind the other.
  • the rows are the arrangement of induction coils side by side.
  • the induction coils are preferably arranged in at least four rows and three columns, that is to say in a field with three induction coils one behind the other and four induction coils side by side. This has proven itself for typical applications, since sufficient variability with regard to the pot sizes and positions used is achieved without using an excessive number of components.
  • the Fig. 1 shows an induction cooking device according to the prior art, which has already been described in the introduction to this application.
  • the Fig. 2 FIG. 13 shows currents through the induction coils of the induction cooking device of FIG Fig. 1 , which have already been described.
  • Fig. 3 shows an induction cooking device according to a first embodiment of the invention, which is in particular an induction hob.
  • Six resonant circuit elements are shown, each of which is formed from an induction coil L and a capacitor C each.
  • the induction coils L are induction heating coils.
  • the resonant circuit elements are arranged in a matrix form, the induction coils L and the capacitors C each being indexed with two letters. The first letter indicates the row, while the second letter indicates the column.
  • the respective row switches Sx1a, Sx1b, Sx2a, Sx2b are connected to an inverter, the output of which is labeled RF-Supply.
  • the inverter is formed by two inverter switches S highside , S lowside .
  • a capacitor Cs and a voltage source U are connected upstream of these.
  • the grid diodes D11, D12, D21, D22 ensure that no undesired currents occur through induction coils, since these are prevented by the grid diodes D11, D12, D21, D22.
  • Fig. 4 shows the respective coil currents through the induction coils L.
  • a pot stands on the coils L11 and L22.
  • FIG. 3 The illustrated embodiment with a 2x3 matrix can also be expanded, for example to a 4x4 matrix. It shows Fig. 5 an embodiment according to the prior art, whereas Fig. 6 shows an embodiment according to the invention, so with grid diodes D11, ..., D43.
  • Fig. 7 shows an exemplary embodiment in which the respective second row switches, that is to say on the right, are replaced by diodes SDx1, SDx2, SDx3, SDx4.
  • the advantage of such an embodiment is that an additional switch per line is saved.
  • a corresponding replacement of the first or left-hand line switches with respective diodes would also be possible.
  • Fig. 8 shows an embodiment in which in comparison to in Fig. 7 illustrated embodiment, all semiconductor switches can be realized by N-channel MOSFETs self-locking. It should be noted that the column switching elements, in contrast to the row switches, require a freewheeling diode. However, this does not mean that the line switches cannot or may not have a freewheeling diode.
  • Fig. 9 shows an embodiment which, compared to in Fig. 8 illustrated embodiment instead of MOSFETs N-channel IGBTs used in a self-locking manner. This is advantageous because when the gate is not activated (for example, if there is a fault in the power supply to the controller), no current can flow, even if voltage is present on the semiconductor.
  • N-channel semiconductors have a lower RDS (on) for MOSFETs and Vce (sat) for IGBTs, which is why they are more efficient than P-channel semiconductors.
  • Fig. 10 shows an embodiment of the invention in which only one resonant circuit capacitor C1, C2, C3, C4 is provided per column.
  • the resonant circuit elements are only formed by a respective induction coil L. Due to the line-by-line and time-shifted control, the induction coils L can share the resonant circuit capacitor C in each column.
  • the semiconductor switches Sy1-Sy4 are advantageously bi-directionally conductive so that the electrical current can flow back from the capacitor C to the induction coil L during an oscillation period. This is the case with MOSFETs or IGBTs with free-wheeling diodes.
  • Fig. 12 shows an embodiment in which the semiconductors for switching the rows are designed as fast inverter switches.
  • the main inverter (S (high side), S (low side)) of the previous exemplary embodiments can be dispensed with.
  • Each switch S1xa-S4xa or S1xb-S4xb can advantageously have a diode Dx1a-Dx4a or Dx1b-Dx4b (analogous to the freewheeling diode of the IGBT), which is connected anti-parallel to the current flow, in order to counter-voltage generated by the inductance of the induction coil during the dead time in the switching process prevent.
  • FIG. 4 shows an embodiment which, in comparison to the embodiment of FIG Fig. 12 is modified so that only a respective column capacitor C1, ..., C4 is used.
  • FIG. 4 shows an embodiment which, in comparison to the embodiment of FIG Fig. 12 it is modified so that the respective column capacitors are designed in two parts.
  • Fig. 15 shows an embodiment which counteracts the disadvantage that in previous embodiments the number of diodes which are connected in series increases with the number of columns. As a result, the loss increases with each additional column due to the Voltage drop across the diode lines. In addition, as the voltage is reduced, the transmittable power of the induction coils is also reduced. Since the current flow for column 4 flows through more diodes than for example to column 2, the voltage and thus the transmittable power at the induction coils in column 4 is lower than at the induction coils in column 2.
  • each induction coil L with two diodes D each connected directly to the respective row switch Sx1-4a is connected directly to the respective row switch Sx1-4a.
  • the disadvantage here is the almost doubling of the number of diodes compared to the exemplary embodiments described above.
  • Fig. 16 shows a timing diagram for a control variant of a hob with a 4x4 arrangement of induction coils L, in which each induction coil Lxy is excited in its assigned time window Txy, where x is the line number and y is the column number of the respective induction coil L.
  • the number of time windows corresponds to the number of induction coils. If an induction coil L is not to be switched on, the corresponding switch in the column remains switched off in the corresponding time window Txy. If, for example, the induction coil L22 is not to be excited, the switch Sy2 blocks in the time window T22. This is shown in time window T22 for Sy2 by a dotted line.
  • the disadvantage here is that each induction coil requires a discrete time window and thus the instantaneous power must be N times the nominal voltage, where N represents the number of induction coils L.
  • Fig. 17 shows a timing diagram for the control of induction coils L, this control not taking place at fixed time windows.
  • the control can also take place line-by-line or column-wise, as is customary when controlling displays, for example, in time-division multiplexing.
  • Fig. 17 shows an example of the time course of a line-by-line control of a hob with a 4x4 arrangement of induction coils.
  • Txy for each line 1 to 4
  • the corresponding line switch Sx1a-b becomes conductive.
  • the corresponding switches in the column of induction coils to be excited electrically in this column are then also switched on.
  • Line 1 is drawn in thin lines
  • line 2 is thinly dashed
  • line 3 is drawn in thick
  • line 4 is thickly dashed.
  • the power of the induction coil should be N times the nominal power.
  • a corresponding algorithm can decide, as a function of the pot position, whether line-by-line or column-wise activation is more favorable for the corresponding constellation of induction coils L to be switched on.
  • induction coils can take place in pulse packets if a flicker standard is observed.
  • the nominal power can be less than N times the nominal power, since not all lines are or have to be in operation or some lines have the same pattern, which leads to the simplification of the control timing. This is explained using three examples, which are included in the Figs. 18-23 are shown.
  • Fig. 18 shows a 4x4 hob in matrix control with rows R1-4 and columns C1-4.
  • a pot 1 is set up above the induction coils L21 and L22, and a pot 2 is set up above the induction coils L33 and L34. These are shown with 1 and 2. This means that lines R1 and R4 are not required.
  • Fig. 17 can thus be considerably simplified, namely to that which is described in Fig. 19 is shown.
  • Lines R2 and R3 are excited twice per time period.
  • the maximum power of each induction coil L only has to be twice the nominal power.
  • Line 1 is again drawn with a thin line, line 2 with a thin dashed line, line 3 with a thick line and line 4 with a thick line.
  • the entire calculation process can or will not only be carried out line by line, but can or will also be carried out column by column.
  • the cheaper or less complex variant is then carried out.
  • more favorable is intended to mean that more columns can remain switched off or can be operated together, and thus the period of activation is shortened. The selection therefore depends on whether more rows or more columns remain switched off or can be operated together.

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Description

    Anwendungsgebiet und Stand der Technik
  • Die Erfindung betrifft eine Induktionskochvorrichtung mit einer Mehrzahl von Zeilenleitungen, einer Mehrzahl von Spaltenleitungen, einer Mehrzahl von Schwingkreiselementen mit einem jeweiligen ersten Pol und einem jeweiligen zweiten Pol, einer Mehrzahl von Gitterdioden und einem Inverter. Jedes Schwingkreiselement ist mit seinem ersten Pol mit genau einer der Zeilenleitungen verbunden. Jedes Schwingkreiselement ist mit seinem zweiten Pol mit genau einer der Spaltenleitungen verbunden. Jede Spaltenleitung weist einen jeweiligen endseitigen Spaltenschalter auf. Ebenso betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Ansteuerung einer solchen Induktionskochvorrichtung.
  • Derartige Induktionskochvorrichtungen sind aus dem Stand der Technik bekannt und dienen insbesondere zur Realisierung eines echten Flächenkochens. Typischerweise weisen die Schwingkreiselemente Induktionsheizspulen auf, mit welchen auf einem Kochfeld stehende Töpfe beheizt werden können. Beispielhafte Ausführungen sind in EP 1 303 168 A1 sowie EP 2 380 400 B gezeigt.
  • Aus der WO 97/19298 A1 ist ein Induktionskochfeld bekannt mit einer Mehrzahl von Zeilenleitungen und einer Mehrzahl von Spaltenleitungen, einer Mehrzahl von Schwingkreiselementen, die zwingend vorhanden sein müssen, und mindestens einem Inverter. Jedes Schwingkreiselement ist mit einem ersten Pol mit genau einer der Zeilenleitungen verbunden und mit einem zweiten Pol mit genau einer der Spaltenleitungen verbunden. Jede Spaltenleitung weist einen endseitigen Spaltenschalter auf, und jede Zeilenleitung weist ein erstes Zeilenleitungsende und ein zweites Zeilenleitungsende auf, wobei an einem davon ein jeweiliger Zeilenschalter angeordnet ist. Zwischen den Zeilenleitungsenden sind die jeweiligen ersten Pole der angeschlossenen Schwingkreiselemente angeschlossen, des Weiteren sind sie jeweils mit dem Inverter verbunden.
  • Aus der US 6,870,138 B2 ist eine ähnliche Induktionskochvorrichtung bekannt, bei der in den Zeilenleitungen noch Dioden angeordnet sind.
  • Aus der EP 2 928 265 A1 ist eine nochmals weitere Induktionskochvorrichtung bekannt mit einer Reihe von Induktionsspulen, die einzeln angesteuert werden können.
  • Die am weitesten verbreiteten leistungselektronischen Schaltungen für die induktive Beheizung eines Induktionskochfelds sind der resonante (Serien-)Schwingkreis und der quasi-resonante Parallelschwingkreis. Letzterer besitzt den Vorteil, dass ein Schaltelement und ein Kondensator weniger als mit dem Serienschwingkreis benötigt werden.
  • Es ist wünschenswert, eine große Anzahl von Induktionsspulen, insbesondere kleinere Induktionsspulen, ohne Relais mit wenigen Schaltelementen anzusteuern.
  • In bekannten Kochfeldern wird jede einzelne Spule im Fall der quasi-resonanten Ausführung durch einen Halbleitertransistor bzw. im Fall der Ausführung als Serienschwingkreis durch zwei Halbleitertransistoren, üblicherweise IGBTs, angesteuert. Diese Lösung ist aufgrund der hohen Anzahl an Halbleitern für viele Induktionsspulen (beispielsweise 20 bis 50) sehr teuer. Für n Induktionsspulen werden mindestens n Halbleiter benötigt.
  • Aus dem Stand der Technik ist das Ansteuern von Widerstandsheizelementen im Multiplexverfahren bekannt. Eine Verschaltung von Induktoren bzw. Induktionsspulen durch Zeilen und Spalten ermöglicht die Ersparnis von Halbleiterschaltern und eventuell von Kondensatoren. Der Aufbau eines Kochfelds vereinfacht sich außerdem, da nicht zu jeder Induktionsspule ein Leitungspaar für hohe Ströme von einem Inverter hingeführt werden muss, sondern die Leitung weitergeschleift wird.
  • Eine beispielhafte Implementierung einer Induktionskochvorrichtung gemäß dem Stand der Technik ist in Fig. 1 gezeigt. Dabei werden Induktionsspulen der Induktionsheizvorrichtung in Serienschwingkreisen mittels Halbbrückentransistoren angesteuert. Ein jeweiliger Schwingkreis weist eine jeweilige Induktionsspule Spule L und eine jeweilige Kapazität bzw. einen Kondensator C auf. In dem gezeigten Beispiel sind sechs Serienschwingkreise dargestellt, welche in einer Matrix aus Zeilen und Spalten angeordnet sind. Die Halbbrücke besteht aus Schaltern Shighside und Slowside, welche insbesondere mittels IGBT-Transistoren oder mittels MOSFETs realisiert werden können. Sie dient zur Erzeugung einer hochfrequenten Wechselspannung im Bereich von 20 kHz bis 150 kHz, wie sie für die elektrische Erregung einer induktiven Beheizung mittels Induktionsspulen üblich ist.
  • Mit U ist eine aus der Netzspannung gleichgerichtete, pulsierende Gleichspannungsquelle bezeichnet, eventuell kann es auch eine reine Gleichspannung sein, die durch eine PFC (Power Factor Correction)-Schaltung erzeugt ist. Cs ist ein Zwischenkreiskondensator, welcher die Zwischenkreisspannung der Halbbrücken mit Schwingkreisen stabilisiert. Jede Zeile (Sx1a-Sx4a) oder Spalte (Sy1-Sy4) verfügt über einen Schalter (IGBT-Transistoren oder MOSFET-Transistoren). Die Halbleiter zum Schalten der Zeilen und Spalten sind im Gegensatz zu den Wechselrichterschaltern (Shighside, Slowside) zur Erzeugung der Hochfrequenz langsam schaltend und müssen somit nicht hochwertig ausgeführt sein, alternativ kann auf eine geringe Durchlassspannung Vce(sat) bei IGBTs und/oder einen geringen Durchlasswiderstand RDS(on) bei MOSFETs geachtet werden.
  • Für jeden Transistor wird ein Treiberbaustein zur Ansteuerung benötigt, auch für den Wechselrichter. Dafür kommen sogenannte "High-Side"-Treiber wie zum Beispiel Puls-Übertrager (galvanische Trennung möglich) oder aber auch Ladungspumpen (ohne galvanische Trennung) in Frage, wobei dies für alle Zeilenschalter und für den Shighside gilt.
  • Wird jetzt ein Schalter (Sx1a oder Sx2a) einer Zeile und einer Spalte (Sy1 bzw. Sy2) geschlossen, so wird der Schwingkreis L11C11 bzw. L22C22 angeregt (siehe Fig. 2). Jedoch findet gleichzeitig auch ein unerwünschter Stromfluss über alle weiteren Schwingkreise der Zeile 2 zum Schalter (Sy1 bzw. Sy2) statt. Derartige Leckströme sind zwar kleiner als der gewünschte Erregerstrom der eigentlichen Induktionsspule L11 bzw. L22, sie erzeugen jedoch störende Verluste und elektromagnetische Felder an den Induktivitäten aller anderen Schwingkreise der Matrix. Eine analytische Berechnung zur quantitativen Bestimmung dieser Leckströme ist nicht trivial. Zur Simulation kann dieser Stromfluss jedoch gezeigt und quantitativ bestimmt werden. In Fig. 2 ist der zeitliche Verlauf der Ströme durch die Induktionsspulen dargestellt, wenn zu den Zeitfenstern T11 bzw. T22 die Induktionsspulen L11 bzw. L22 usw. elektrisch erregt werden sollen. Im Zeitfenster T11 ist für die Induktionsspule L11 der erwünschte Stromfluss dick dargestellt, für die anderen Induktionsspulen L sind die Störungen dünn dargestellt. Zum Zeitfenster T22 ist für die Induktionsspule L22 der erwünschte Stromfluss dick dargestellt, die Störungen für die anderen Induktionsspulen L sind wieder dünn dargestellt. Dies gilt für den Fall, dass ein Topf auf den Induktionsspulen L11 und L22 aufgestellt ist. Deswegen werden nur in deren Zeitfenstern T11 und T22 Stromflüsse bewirkt.
    • Aufgabe und Lösung
  • Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Induktionskochvorrichtung sowie ein Verfahren zur Ansteuerung einer solchen Induktionskochvorrichtung zu schaffen, mit denen Probleme des Standes der Technik vermieden werden können und welche insbesondere in Bezug auf Störungen bzw. mögliche Leckströme optimiert sind.
  • Gelöst wird diese Aufgabe durch eine Induktionskochvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie durch ein Verfahren zur Ansteuerung einer solchen Induktionskochvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 14. Vorteilhafte sowie bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der weiteren Ansprüche und werden im Folgenden näher erläutert. Dabei werden manche der Merkmale nur für die Induktionskochvorrichtung oder nur für das Verfahren genannt. Sie sollen jedoch unabhängig davon sowohl für die Induktionskochvorrichtung als auch für das Verfahren selbständig und unabhängig voneinander gelten können. Der Wortlaut der Ansprüche wird durch ausdrückliche Bezugnahme zum Inhalt der Beschreibung gemacht.
  • Die Erfindung betrifft eine Induktionskochvorrichtung. Diese weist eine Mehrzahl von Zeilenleitungen und eine Mehrzahl von Spaltenleitungen auf. Sie weist eine Mehrzahl von Schwingkreiselementen mit einem jeweiligen ersten Pol und einem jeweiligen zweiten Pol auf. Außerdem weist sie eine Mehrzahl von Gitterdioden sowie einen Inverter auf. Jedes Schwingkreiselement ist mit seinem ersten Pol mit genau einer der Zeilenleitungen verbunden. Jedes Schwingkreiselement ist mit seinem zweiten Pol mit genau einer der Spaltenleitungen verbunden. Jede Spaltenleitung weist einen jeweiligen endseitigen Spaltenschalter auf.
  • Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass jede Zeilenleitung ein erstes Zeilenleitungsende und ein zweites Zeilenleitungsende aufweist, zwischen welchen die jeweiligen ersten Pole der angeschlossenen Schwingkreiselemente angeschlossen sind. Die ersten und zweiten Zeilenleitungsenden sind dabei jeweils mit dem Inverter verbunden, wobei zumindest an einem der Zeilenleitungsenden ein jeweiliger Zeilenschalter angeordnet ist. Jeweilige erste Pole der Schwingkreiselemente sind mit einer jeweiligen Gitterdiode verbunden, welche mit dem jeweiligen zweiten Zeilenleitungsende mit Durchlassrichtung zum zweiten Zeilenleitungsende hin verbunden ist, so dass von den an einer Zeilenleitung angeschlossenen ersten Polen höchstens ein jeweiliger erster Pol mit dem zweiten Zeilenleitungsende unmittelbar verbunden ist.
  • Diese Ausführung vermeidet den eingangs beschriebenen Nachteil durch eine geschickte Anordnung der Gitterdioden. Eine direkte Serienschaltung einer Diode zum Schwingkreis ist dabei nicht möglich, denn ansonsten wird ein freies Schwingen des Serienschwingkreises verhindert. Durch die hier beschriebene Ausführung, insbesondere die Trennung durch Gitterdioden, ist jedoch die Funktion der Schwingkreise gewährleistet. Unerwünschte Ströme durch Induktionsspulen treten dabei nicht auf, da diese durch die Dioden verhindert werden. Zu jedem Zeitpunkt findet dabei ein Stromfluss ausschließlich in den Schwingkreiselementen statt, die zu einem jeweiligen Zeitpunkt elektrisch erregt werden sollen.
  • Es sei verstanden, dass es sich bei dem Begriff der Gitterdioden nicht um eine spezielle Art von Dioden handelt, sondern dass grundsätzlich alle bekannten Ausführungen von Dioden verwendet werden können. Bevorzugt werden verlustarme Dioden bzw. Schottky-Dioden. Die Bezeichnung der Gitterdioden ist gewählt, um klarzustellen, dass sich diese innerhalb eines Gitters aus Zeilenleitungen und Spaltenleitungen befinden. Gemäß einer Ausführung sind die Schwingkreiselemente ein jeweiliger Kondensator und eine jeweilige Spule in Reihenschaltung. Dies kann insbesondere bedeuten, dass jedes Schwingkreiselement einen Schwingkreis an sich darstellt.
  • Gemäß einer Ausführung sind die Schwingkreiselemente eine jeweilige Spule, wobei ferner in jeder Spaltenleitung ein Kondensator verschaltet ist, welcher mit den jeweiligen angeschlossenen Spulen Reihenschwingkreise bildet. In diesem Fall kann typischerweise ein Schwingkreis nicht bereits durch die jeweiligen Schwingkreiselemente an sich gebildet werden, sondern er entsteht erst in Zusammenschaltung mit dem jeweiligen Kondensator. Dadurch kann die Anzahl an insgesamt benötigten Kondensatoren deutlich reduziert werden.
  • Gemäß einer anderen Ausführung sind die Schwingkreiselemente eine jeweilige Spule, wobei ferner an jeder Spaltenleitung zwei Kondensatoren verschaltet sind, welche mit den jeweiligen angeschlossenen Spulen Reihenschwingkreise bilden. Die jeweilige Spaltenleitung mit dem Spaltenschalter ist dabei zwischen den Kondensatoren angeschlossen.
  • Die Spaltenschalter können dabei insbesondere bidirektional leitend sein.
  • Bevorzugt sind die Spulen Induktionsspulen. Diese können vorteilhaft zum Beheizen von dafür ausgelegtem Kochgeschirr verwendet werden und sind dann Induktionsheizspulen. Die Induktionsspulen bzw. auch sonstige Schwingkreiselemente können vorzugsweise zueinander identisch sein. Dies kann insbesondere bedeuten, dass alle in der Induktionskochvorrichtung verwendeten gleichartigen Schwingkreiselemente zueinander identisch sind.
  • Bevorzugt sind die Schwingkreiselemente in Zeilen und Spalten, insbesondere in Form einer Matrix, angeordnet. Dies führt zu einer übersichtlichen Ausführung, welche eine beispielsweise gleichmäßige Verteilung von Schwingkreiselementen über eine zu beheizende Kochfläche ermöglicht.
  • Gemäß einer Ausführung ist an jedem ersten Zeilenleitungsende ein erster Zeilenschalter angeordnet und an jedem zweiten Zeilenleitungsende ist ein zweiter Zeilenschalter angeordnet. Der erste Zeilenschalter und der zweite Zeilenschalter jeder Zeilenleitung sind dabei bevorzugt dazu konfiguriert, gleichzeitig geschaltet zu werden. Dadurch wird eine vorteilhafte gleichzeitige Schaltung beider Zeilenleitungsenden ermöglicht, was den Betrieb aller Schwingkreise auch bei Vorhandensein der bereits erwähnten Gitterdioden sicherstellt.
  • Gemäß einer Ausführung ist an jedem ersten Zeilenleitungsende ein Zeilenschalter angeordnet und an jedem zweiten Zeilenleitungsende ist eine jeweilige Zeilendiode mit Durchlassrichtung vom Zeilenschalter weg angeordnet. Auch mit einer solchen Ausführung wird der Betrieb der Schwingkreise auch bei Verwendung der Gitterdioden sichergestellt. Die erwähnte Zeilendiode stellt dabei ein im Vergleich zu Zeilenschaltern typischerweise günstigeres Bauelement dar, welches zudem nicht gesteuert zu werden braucht.
  • Gemäß einer Ausführung ist von den an einer Zeilenleitung angeschlossenen Polen nur derjenige Pol, welcher am nächsten zum zweiten Zeilenleitungsende angeschlossen ist, mit dem zweiten Zeilenleitungsende unmittelbar verbunden. Dadurch kann die bereits erwähnte und gewünschte Unterdrückung von Leckströmen in vorteilhafter Weise erreicht werden.
  • Bevorzugt sind die Schalter als selbstsperrende N-Kanal-MOSFETs ausgeführt. Dies hat sich in der Praxis als vorteilhaft erwiesen. Dies kann alle Schalter oder auch nur einen Teil der Schalter, beispielsweise Zeilenschalter und/oder Spaltenschalter betreffen.
  • Bevorzugt weisen die Spaltenschalter eine jeweilige Freilaufdiode auf. Damit können eventuelle parasitäre Ströme abgeleitet werden.
  • Die Zeilenschalter bilden gemäß einer Ausführung der Erfindung einen Inverter. Dadurch können zusätzliche Schaltelemente zum Ausbilden des Inverters eingespart werden. Die Gitterdioden sind gemäß einer Ausführung zwischen jeweils zwei ersten Polen verschaltet. Damit können sie vorteilhaft die gewünschte Wirkung zur Unterdrückung unerwünschter Leckströme ausüben.
  • Gemäß einer weiteren Ausführung ist jeder erste Pol mittels einer jeweiligen Gitterdiode mit dem ersten Zeilenleitungsende verbunden und mittels einer jeweiligen weiteren Gitterdiode mit dem zweiten Zeilenleitungsende verbunden. Jede Gitterdiode ist dabei mit Durchlassrichtung zum zweiten Zeilenleitungsende hin verschaltet. Diese Ausführung ist zwar komplexer, bietet jedoch den Vorteil einer gleichmäßigen Verteilung der Spannungen unter den Schwingkreiselementen.
  • Bevorzugt weist die Induktionskochvorrichtung ferner eine Topferkennung auf, welche dazu ausgebildet ist, die Zeilenschalter und Spaltenschalter so zu schalten, dass nur Schwingkreiselemente unter einem erkannten Topf durch den Inverter angeregt werden. Dies ermöglicht einen optimalen Einsatz und eine Einsparung von Energie, da nur die benötigten Schwingkreiselemente auch tatsächlich angesteuert werden.
  • Bevorzugt sind die Schwingkreiselemente Induktionsspulen bzw. Induktionsheizspulen oder weisen solche auf, welche in Zeilen und Spalten nebeneinander und hintereinander angeordnet sind. Sie sind also in entsprechender Konfiguration an einem Kochfeld verteilt, wobei vorteilhaft die Spalten die Anordnung hintereinander meint. Die Zeilen sind die Anordnung von Induktionsspulen seitlich nebeneinander. Vorzugsweise sind die Induktionsspulen in mindestens vier Zeilen und drei Spalten angeordnet, also in einem Feld mit drei Induktionsspulen hintereinander und vier Induktionsspulen seitlich nebeneinander. Dies hat sich für typische Anwendungen bewährt, da eine ausreichende Variabilität bezüglich verwendeter Topfgrößen und -positionen erreicht wird, ohne übermäßig viele Bauelemente einzusetzen.
  • Diese und weitere Merkmale gehen außer aus den Ansprüchen auch aus der Beschreibung und den Zeichnungen hervor, wobei die einzelnen Merkmale jeweils für sich allein oder zu mehreren in Form von Unterkombination bei einer Ausführungsform der Erfindung und auf anderen Gebieten verwirklicht sein und vorteilhafte sowie für sich schutzfähige Ausführungen darstellen können, für die hier Schutz beansprucht wird. Die Unterteilung der Anmeldung in einzelne Abschnitte sowie Zwischen-Überschriften beschränken die unter diesen gemachten Aussagen nicht in ihrer Allgemeingültigkeit.
    • Kurzbeschreibung der Ausführungsbeispiele
  • Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen schematisch dargestellt und werden im Folgenden näher erläutert. In den Zeichnungen zeigen:
    • Fig. 1:
    eine Induktionskochvorrichtung gemäß dem Stand der Technik,
    Fig. 2:
    Spulenströme der Induktionskochvorrichtung gemäß dem Stand der Technik,
    Fig. 3:
    ein Ausführungsbeispiel der Erfindung,
    Fig. 4:
    Spulenströme zum ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
    Fig. 5:
    eine Induktionskochvorrichtung gemäß dem Stand der Technik
    Fig. 6 bis 15:
    ein zweites bis elftes Ausführungsbeispiel der Erfindung,
    Fig. 16:
    ein Zeitdiagramm,
    Fig. 17:
    ein weiteres Zeitdiagramm,
    Fig. 18:
    eine mögliche Belegung eines Kochfelds,
    Fig. 19:
    ein zugehöriges Zeitdiagramm,
    Fig. 20:
    eine weitere mögliche Belegung eines Kochfelds,
    Fig. 21:
    ein zugehöriges Zeitdiagramm,
    Fig. 22:
    eine nochmals weitere mögliche Belegung eines Kochfelds,
    Fig. 23:
    ein zugehöriges Zeitdiagramm und
    Fig. 24:
    ein Ablaufdiagramm.
    Detaillierte Beschreibung der Ausführungsbeispiele
  • Die Fig. 1 zeigt eine Induktionskochvorrichtung gemäß dem Stand der Technik, welche bereits in der Einleitung dieser Anmeldung beschrieben wurde. Die Fig. 2 zeigt Ströme durch die Induktionsspulen der Induktionskochvorrichtung von Fig. 1, welche auch bereits beschrieben wurden.
  • Fig. 3 zeigt eine Induktionskochvorrichtung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung, die insbesondere ein Induktionskochfeld ist. Dabei sind sechs Schwingkreiselemente gezeigt, welche jeweils aus einer Induktionsspule L und jeweils einem Kondensator C gebildet sind. Bei den Induktionsspulen L handelt es sich dabei vorliegend um Induktionsheizspulen. Wie gezeigt sind die Schwingkreiselemente in einer Matrixform angeordnet, wobei die Induktionsspulen L und die Kondensatoren C jeweils mit zwei Buchstaben indiziert sind. Der erste Buchstabe gibt dabei die Zeile an, wobei der zweite Buchstabe die Spalte angibt.
  • In der Induktionskochvorrichtung von Fig. 3 sind des Weiteren zwei Zeilenschalter Sx1a, Sx1b der ersten Zeile und zwei weitere Zeilenschalter Sx2a, 2x2b der zweiten Zeile angeordnet. Zwischen diesen befinden sich jeweilige Zeilenleitungen, an welchen jeweilige erste Pole der Schwingkreiselemente angeschlossen sind. Jeweilige zweite Pole, welche den ersten Polen gegenüberliegen, sind dagegen mit Spaltenschalter Sy1, Sy2 und Sy3 verbunden, wobei jeder Spaltenschalter Sy1, Sy2, Sy3 zu einer jeweiligen Spalte der Matrix gehört. Die Spaltenschalter Sy1, Sy2, Sy3 sind gegenüberliegend mit Masse verbunden.
  • Die jeweiligen Zeilenschalter Sx1a, Sx1b, Sx2a, Sx2b sind mit einem Inverter verbunden, dessen Ausgang mit RF-Supply bezeichnet ist. Der Inverter wird dabei durch zwei Inverterschalter Shighside, Slowside, gebildet. Diesen vorgeschaltet sind ein Kondensator Cs sowie eine Spannungsquelle U.
  • In den Zeilen zwischen den Zeilenschaltern Sx1a, Sx1b, Sx2a, Sx2b sind jeweilige Gitterdioden D11, D12, D21, D22 verschaltet. Je Zeile sind dabei zwei dieser Gitterdioden verschaltet. Dies führt dazu, dass lediglich die am weitesten rechts in der Matrix liegenden Schwingkreiselemente unmittelbar mit den jeweiligen rechts liegenden Zeilenschaltern Sx1b, Sx2b verbunden sind. Die Durchlassrichtung weist dabei jeweils zu dem zweiten Zeilenschalter Sx1b, Sx2b hin.
  • Die Gitterdioden D11, D12, D21, D22 sorgen dafür, dass keine unerwünschten Ströme durch Induktionsspulen auftreten, da diese durch die Gitterdioden D11, D12, D21, D22 verhindert werden. Dies ist in Fig. 4 dargestellt, die der Fig. 2 ähnelt. Zu jedem Zeitpunkt findet dabei ein Stromfluss ausschließlich in den Induktionsspulen statt, die zu diesem Zeitpunkt (T11 bzw. T22 in Fig. 4) elektrisch erregt werden sollen. Fig. 4 zeigt dabei die jeweiligen Spulenströme durch die Induktionsspulen L. Ein Topf steht auf den Spulen L11 und L22.
  • Die in Fig. 3 dargestellte Ausführung mit einer 2x3-Matrix lässt sich auch erweitern, beispielsweise auf eine 4x4-Matrix. Dabei zeigt Fig. 5 eine Ausführung gemäß dem Stand der Technik, wohingegen Fig. 6 eine Ausführung gemäß der Erfindung zeigt, also mit Gitterdioden D11,..., D43.
  • Fig. 7 zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei welchem die jeweiligen zweiten, also rechts angeordneten Zeilenschalter durch Dioden SDx1, SDx2, SDx3, SDx4 ersetzt sind. Der Vorteil einer solchen Ausführungsform liegt darin, dass ein weiterer Schalter pro Zeile eingespart wird. Die Anzahl N der Halbleiterschalter reduziert sich deutlich zu N = Zeilen + Spalten anstelle von zuvor N = 2 x Zeilen + Spalten. Anstelle des Ersatzes der jeweiligen zweiten Zeilenschalter wäre auch ein entsprechender Ersatz der ersten bzw. links angeordneten Zeilenschalter durch jeweilige Dioden möglich.
  • Fig. 8 zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei welchem im Vergleich zum in Fig. 7 dargestellten Ausführungsbeispiel alle Halbleiterschalter durch N-Kanal-MOSFETs selbstsperrend realisiert werden. Es ist dabei zu beachten, dass die Spaltenschaltelemente im Gegensatz zu den Zeilenschaltern eine Freilaufdiode benötigen. Dies bedeutet jedoch nicht, dass die Zeilenschalter keine Freilaufdiode besitzen können bzw. dürfen.
  • Fig. 9 zeigt ein Ausführungsbeispiel, welches im Vergleich zum in Fig. 8 dargestellten Ausführungsbeispiel anstelle von MOSFETs N-Kanal-IGBTs selbstsperrend verwendet. Dies ist vorteilhaft, da im nicht angesteuerten Zustand des Gates (zum Beispiel Fehlerfall in der Spannungsversorgung der Steuerung) kein Strom fließen kann, auch wenn Spannung am Halbleiter anliegt. Außerdem weisen N-Kanal-Halbleiter einen niedrigeren RDS(on) bei MOSFETs bzw. Vce(sat) bei IGBTs auf, weshalb sie effizienter sind gegenüber den P-Kanal-Halbleitern.
  • Fig. 10 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei welchem nur ein Schwingkreiskondensator C1, C2, C3, C4 pro Spalte vorgesehen ist. Die Schwingkreiselemente werden dabei lediglich durch eine jeweilige Induktionsspule L gebildet. Aufgrund der zeilenweisen und zeitverschobenen Ansteuerung können sich die Induktionsspulen L in jeder Spalte den Schwingkreiskondensator C teilen. Vorteilhaft sind in diesem Fall die Halbleiterschalter Sy1-Sy4 bidirektional leitend, damit der elektrische Strom vom Kondensator C während einer Schwingungsperiode zur Induktionsspule L zurückfließen kann. Dies ist bei MOSFETs oder IGBTs mit Freilaufdioden gegeben.
  • Fig. 11 zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei welchem der jeweilige Spaltenkondensator als Doppelkondensator (C1a,b-C4a,b) zur highside und lowside ausgeführt ist, so wie es üblicherweise bei einem Serienschwingkreis mit Halbbrückenansteuerung für die induktive Erwärmung realisiert wird. Hierbei gilt vorteilhaft Cx/2=Cxa=Cxb.
  • Fig. 12 zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei welchem die Halbleiter zum Schalten der Zeilen als schnelle Wechselrichterschalter ausgeführt sind. Somit kann durch diese Maßnahme auf den Hauptwechselrichter (S (highside), S (lowside)) der vorherigen Ausführungsbeispiele verzichtet werden. Jeder Schalter S1xa-S4xa bzw. S1xb-S4xb kann vorteilhafterweise eine antiparallel zum Stromfluss geschaltete Diode Dx1a-Dx4a bzw. Dx1b-Dx4b (analog zur Freilaufdiode des IGBT) besitzen, um eine durch die Induktivität der Induktionsspule während der Totzeit im Umschaltvorgang erzeugte Gegenspannung zu verhindern.
  • Fig. 13 zeigt ein Ausführungsbeispiel, welches im Vergleich zum Ausführungsbeispiel von Fig. 12 so abgewandelt ist, dass nur ein jeweiliger Spaltenkondensator C1,...,C4 verwendet wird.
  • Fig. 14 zeigt ein Ausführungsbeispiel, welches im Vergleich zum Ausführungsbeispiel von Fig. 12 dahingehend abgewandelt ist, dass die jeweiligen Spaltenkondensatoren zweiteilig ausgeführt sind.
  • Bezüglich der entsprechenden Merkmale, mit welchen sich die Ausführungsbeispiele der Fig. 13 und 14 von dem Ausführungsbeispiel von Fig. 12 unterscheiden, sei auf die obigen Beschreibungen der Fig. 10 und 11 verwiesen.
  • Fig. 15 zeigt ein Ausführungsbeispiel, welches dem Nachteil begegnet, dass bei bisherigen Ausführungsformen mit der Anzahl der Spalten die Anzahl der Dioden, die in Reihe geschaltet werden, zunimmt. Dadurch erhöht sich der Verlust mit jeder zusätzlichen Spalte aufgrund des Spannungsabfalls an den Diodenstrecken. Außerdem wird mit der Verringerung der Spannung auch die übertragbare Leistung der Induktionsspulen reduziert. Da der Stromfluss für die Spalte 4 über mehrere Dioden fließt als beispielsweise zu Spalte 2, ist die Spannung und damit die übertragbare Leistung an den Induktionsspulen in Spalte 4 geringer als an den Induktionsspulen in Spalte 2.
  • Um dies zu vermeiden, wird bei dem in Fig. 15 dargestellten Ausführungsbeispiel jede Induktionsspule L mit je zwei Dioden D direkt mit dem jeweiligen Zeilenschalter Sx1-4a verbunden. Nachteilig ist hierbei die annähernde Verdopplung der Anzahl der Dioden im Vergleich zu oben beschriebenen Ausführungsbeispielen.
  • Fig. 16 zeigt ein Timing-Diagramm für eine Ansteuervariante eines Kochfelds mit einer 4x4-Anordnung von Induktionsspulen L, in der jede Induktionsspule Lxy in ihrem zugeordneten Zeitfenster Txy angeregt wird, wobei x die Zeilennummer und y die Spaltennummer der jeweiligen Induktionsspule L ist. Die Anzahl der Zeitfenster entspricht dabei der Anzahl der Induktionsspulen. Soll eine Induktionsspule L nicht eingeschaltet werden, so bleibt in dem entsprechenden Zeitfenster Txy der entsprechende Schalter der Spalte ausgeschaltet. Soll beispielhaft die Induktionsspule L22 nicht angeregt werden, so sperrt der Schalter Sy2 im Zeitfenster T22. Dies ist im Zeitfenster T22 für Sy2 durch eine gepunktete Linie dargestellt. Nachteilig ist hierbei, dass jede Induktionsspule ein diskretes Zeitfenster benötigt und somit die momentane Leistung das N-Fache der Nennspannung betragen muss, wobei N die Anzahl der Induktionsspulen L darstellt.
  • Fig. 17 zeigt ein Timing-Diagramm zur Ansteuerung von Induktionsspulen L, wobei diese Ansteuerung nicht zu festen Zeitfenstern erfolgt. Die Ansteuerung kann dabei auch zeilenweise oder spaltenweise erfolgen, wie es bei der Ansteuerung beispielsweise von Displays im Zeitmultiplex üblich ist. Fig. 17 zeigt dabei exemplarisch den Zeitverlauf einer zeilenweisen Ansteuerung eines Kochfelds mit einer 4x4-Anordnung von Induktionsspulen. In einem Zeitfenster Txy für jede Zeile 1 bis 4 wird hierbei der entsprechende Zeilenschalter Sx1a-b leitend. Die entsprechenden Schalter der Spalte elektrisch zu erregender Induktionsspulen dieser Spalte werden dann ebenfalls eingeschaltet. Dabei sind die Zeile 1 dünn durchgezogen, die Zeile 2 dünn strichliert, die Zeile 3 dick durchgezogen und die Zeile 4 dick strichliert.
  • Die Leistung der Induktionsspule soll im ungünstigsten Fall bei N Spalten (im Beispiel N=4) das N-Fache der Nennleistung betragen.
  • Ein entsprechender Algorithmus kann in Abhängigkeit von der Topfposition entscheiden, ob eine zeilenweise oder spaltenweise Ansteuerung für die entsprechende Konstellation der einzuschaltenden Induktionsspulen L günstiger ist.
  • Die Ansteuerung von Induktionsspulen kann in Pulspaketen bei Einhaltung einer Flicker-Norm erfolgen.
  • In der Praxis zeigt sich, dass die Nennleistung geringer als das N-Fache der Nennleistung sein kann, da nicht alle Zeilen in Betrieb sind bzw. sein müssen oder einige Zeilen das gleiche Muster aufweisen, welches zur Vereinfachung des Ansteuer-Timings führt. Dies wird an drei Beispielen erklärt, welche in den Fig. 18 bis 23 dargestellt sind.
  • Fig. 18 zeigt dabei ein 4x4-Kochfeld in Matrixansteuerung mit den Zeilen R1-4 und den Spalten C1-4. Über den Induktionsspulen L21 sowie L22 ist ein Topf 1 aufgestellt, und über den Induktionsspulen L33 sowie L34 ist ein Topf 2 aufgestellt. Diese sind mit 1 und 2 dargestellt. Somit werden die Zeilen R1 und R4 nicht benötigt.
  • Das Timing aus Fig. 17 kann somit wesentlich vereinfacht werden, nämlich zu demjenigen, welches in Fig. 19 dargestellt ist. Die Zeilen R2 und R3 werden dabei pro Zeitperiode zweimal angeregt. Die Maximalleistung jeder Induktionsspule L muss dabei nur noch dem Zweifachen der Nennleistung entsprechen. Wieder sind die Zeile 1 dünn durchgezogen, die Zeile 2 dünn strichliert, die Zeile 3 dick durchgezogen und die Zeile 4 dick strichliert.
  • Bei der Ausführung von Fig. 20 sind zwei Kochgefäße 1 und 2 aufgestellt und überdecken jeweils vier Induktionsspulen L. Zu beachten ist, dass das Ansteuermuster der Zeile R1 demjenigen von Zeile R2 entspricht. Somit kann die Ansteuerung des Zeilenschalters für R1 gleichzeitig mit demjenigen des Zeilenschalters für R2 erfolgen. Gleiches gilt für R3 und R4.
  • Dieses Timing ist in Fig. 21 dargestellt. Auch hier beträgt aufgrund der Vereinfachung des Timings die benötigte Maximalleistung jeder Induktionsspule das Zweifache der Nennleistung. Wieder sind die Zeile 1 dünn durchgezogen, die Zeile 2 dünn strichliert, die Zeile 3 dick durchgezogen und die Zeile 4 dick strichliert.
  • Wird die Ansteuerung von zwei Zeilen bzw. Spalten wie beschrieben durchgeführt und diese Art der Ansteuerung mit der Ausführung von Fig. 14 kombiniert, so kann es vorteilhaft sein, die Ansteuerung verschiedener Spalten bzw. Zeilen mit der gleichen Frequenz und phasengleich durchzuführen, um Interferenzen zwischen den einzelnen Induktionsspulen L zu vermeiden. Nicht phasengleiche oder nicht frequenzgleiche Ansteuerung kann sowohl zu ungewollten Induktionsströmen in den Induktionsspulen L als auch zu daraus resultierenden Störgeräuschen führen.
  • Bei der Ausführung von Fig. 22 ist nur ein Topf 1 mit dem Kochfeld vorhanden, so dass auf einen zeitlichen Multiplex der Ansteuerung komplett verzichtet werden kann. Es werden die Zeilen 1 und 4 nicht überdeckt und somit nicht angesteuert. Eine Ansteuerung der Spalten für die Zeilen 2 und 3 ist identisch. Somit kann auf ein Zeitmultiplex verzichtet werden. Die Schalter Sx2a/b und Sx3a/b können permanent geschlossen sein. Gleiches gilt für die Schalter Sy2 und Sy3. Ein entsprechendes Timing ist in Fig. 23 dargestellt. Wieder sind die Zeile 1 dünn durchgezogen, die Zeile 2 dünn strichliert, die Zeile 3 dick durchgezogen und die Zeile 4 dick strichliert.
  • Für Flächenkochfelder mit vielen kleinen Induktionsspulen ist es möglich, Zeilen, in denen nur eine einzige Induktionsspule von einem Topf überdeckt ist, wobei der Topf so groß ist, dass mehrere Induktionsspulen überdeckt werden, diese Zeile mit dieser Induktionsspule komplett ausgeschaltet zu lassen, um das Timing zu vereinfachen. Dies gilt unter der Voraussetzung, dass die Induktionsspulen klein genug sind und der Leistungsverlust durch die restlichen Induktionsspulen kompensiert werden kann. Weiterhin sollte dadurch auftretenden Inhomogenität in der Beheizung des Topfes im tolerierbaren Bereich liegen. Ebenso kann eine nicht überdeckte oder nicht ausreichend überdeckte Induktionsspule einer Zeile bestromt werden, um zeilenweise gleiche Ansteuermuster zu erhalten und somit das Timing ebenfalls zu vereinfachen. Damit ist ein geringer Anstieg des Streufeldes zu erwarten, der jedoch bei kleinen Spulen gering ausfällt. Das Finden eines geeigneten Ansteuer-Timings wird durch einen Algorithmus entsprechend einem erfindungsgemäßen Verfahren ermöglicht, welcher in Fig. 24 dargestellt ist. Ein solcher Algorithmus bzw. ein erfindungsgemäßes Verfahren beinhalten allgemein die folgenden Schritte:
    • Ermittlung der durch Töpfe auf der Induktionskochvorrichtung überdeckten Induktionsspulen,
    • Zuordnung der Induktionsspulen zu den jeweiligen Töpfen,
    • Zuordnung der Induktionsspulen zu den jeweiligen Zeilen,
    • Ermittlung nicht angesteuerter Zeilen für das Timing, da diese Zeilen nicht betrieben werden sollen,
    • Ermittlung der Zeilen mit gleicher Spaltenansteuerung, da diese Zeilen im gleichen Zeitfenster betrieben werden können,
    • Ermittlung der Zeilen, die durch Hinzufügen oder Weglassen einer Induktionsspule zeitgleich mit anderen Zeilen angesteuert werden können, da auch diese Zeilen im gleichen Zeitfenster betrieben werden können,
    • Ermittlung der Pulspakete für den entsprechenden Zustand und die entsprechende Kochstufe für jeden Topf.
  • Der ganze Berechnungsvorgang kann bzw. wird nicht nur zeilenweise vorgenommen, sondern kann bzw. wird auch spaltenweise erfolgen. Die günstigere oder weniger aufwändige Variante wird dann eben ausgeführt. Günstiger soll hier bedeuten, dass mehr Spalten ausgeschaltet bleiben oder zusammen betrieben werden können und somit die Periodendauer der Ansteuerung verkürzt wird. Die Auswahl hängt also davon ab, ob mehr Zeilen oder ob mehr Spalten ausgeschaltet bleiben oder zusammen betrieben werden können.
  • Bei Betrachtung der Leistungsverteilung fällt auf, dass üblicherweise Kochfelder mit zwei Phasen betrieben werden. Dadurch beträgt beispielsweise die Nenn-Gesamtaufnahmeleistung 7,2 kW. Bei einer Leistung von 400 W pro Induktionsspule ergibt sich daraus, dass maximal 7,2 kW/400 = 18 Induktionsspulen gleichzeitig während eines Zeitfensters betrieben werden können. Diese Überlegung zeigt auch, dass bei einer Ansteuerung im Zeitmultiplex nur 18 Induktionsspulen berücksichtigt werden müssen. Dies gilt für dieses Ausführungsbeispiel und bei maximaler Leistung aller Induktionsspulen. Bei geringerer Leistung können entsprechend mehr Induktionsspulen betrieben werden.

Claims (15)

  1. Induktionskochvorrichtung, aufweisend
    - eine Mehrzahl von Zeilenleitungen,
    - eine Mehrzahl von Spaltenleitungen,
    - eine Mehrzahl von Schwingkreiselementen (L, C) mit einem jeweiligen ersten Pol und einem jeweiligen zweiten Pol, und
    - einen Inverter (Shighside, Slowside),
    - wobei jedes Schwingkreiselement (L, C) mit seinem ersten Pol mit genau einer der Zeilenleitungen verbunden ist,
    - wobei jedes Schwingkreiselement (L, C) mit seinem zweiten Pol mit genau einer der Spaltenleitungen verbunden ist,
    - wobei jede Spaltenleitung einen jeweiligen endseitigen Spaltenschalter (Sy) aufweist,
    - jede Zeilenleitung ein erstes Zeilenleitungsende und ein zweites Zeilenleitungsende aufweist, zwischen welchen die jeweiligen ersten Pole der angeschlossenen Schwingkreiselemente (L, C) angeschlossen sind,
    - die ersten und zweiten Zeilenleitungsenden jeweils mit dem Inverter (Shighside, Slowside) verbunden sind, wobei zumindest an einem der Zeilenleitungsenden ein jeweiliger Zeilenschalter (Sx) angeordnet ist,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    - eine Mehrzahl von Gitterdioden (D) vorgesehen ist,
    - jeweilige erste Pole der Schwingkreiselemente (L, C) mit einer jeweiligen Gitterdiode (D) verbunden sind, welche mit dem jeweiligen zweiten Zeilenleitungsende mit Durchlassrichtung zum zweiten Zeilenleitungsende hin verbunden ist,
    - so dass von den an einer Zeilenleitung angeschlossenen ersten Polen höchstens ein jeweiliger erster Pol mit dem zweiten Zeilenleitungsende unmittelbar verbunden ist.
  2. Induktionskochvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schwingkreiselemente (L, C) ein jeweiliger Kondensator (C) und eine jeweilige Induktionsspule (L) in Reihenschaltung sind.
  3. Induktionskochvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schwingkreiselemente (L, C) eine jeweilige Induktionsspule (L) sind, wobei vorzugsweise in jeder Spaltenleitung ein Kondensator (C) verschaltet ist, welcher mit den jeweiligen angeschlossenen Induktionsspulen (L) Reihenschwingkreise bildet, wobei insbesondere die Spaltenschalter (Sy) bidirektional leitend sind.
  4. Induktionskochvorrichtung nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    - die Schwingkreiselemente (L, C) eine jeweilige Induktionsspule (L) sind,
    - wobei ferner an jeder Spaltenleitung zwei Kondensatoren (C) verschaltet sind, welche mit den jeweiligen angeschlossenen Induktionsspulen (L) Reihenschwingkreise bilden,
    - wobei die jeweilige Spaltenleitung mit dem Spaltenschalter (Sy) zwischen den Kondensatoren (C) angeschlossen ist,
    wobei insbesondere die Spaltenschalter (Sy) bidirektional leitend sind.
  5. Induktionskochvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schwingkreiselemente (L, C) in Zeilen und Spalten angeordnet sind, insbesondere in Form einer Matrix.
  6. Induktionskochvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an jedem ersten Zeilenleitungsende ein erster Zeilenschalter (Sx1a, Sx2a) angeordnet ist und an jedem zweiten Zeilenleitungsende ein zweiter Zeilenschalter (Sx1b, Sx2b) angeordnet ist, wobei vorzugsweise der erste Zeilenschalter (Sx) und der zweite Zeilenschalter (Sx) jeder Zeilenleitung dazu konfiguriert sind, gleichzeitig geschaltet zu werden.
  7. Induktionskochvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass an jedem ersten Zeilenleitungsende ein Zeilenschalter (Sx) angeordnet ist und an jedem zweiten Zeilenleitungsende eine jeweilige Zeilendiode (SDx) mit Durchlassrichtung vom Zeilenschalter (Sx) weg angeordnet ist.
  8. Induktionskochvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass von den an einer Zeilenleitung angeschlossenen Polen nur derjenige Pol, welcher am nächsten zum zweiten Zeilenleitungsende angeschlossen ist, mit dem zweiten Zeilenleitungsende unmittelbar verbunden ist.
  9. Induktionskochvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Spaltenschalter (Sy) eine jeweilige Freilaufdiode aufweisen und/oder die Zeilenschalter (Sx) den Inverter (Shighside, Slowside) bilden.
  10. Induktionskochvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Gitterdioden (D) zwischen jeweils zwei erste Pole verschaltet sind.
  11. Induktionskochvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass jeder erste Pol mittels einer jeweiligen Gitterdiode (D) mit dem ersten Zeilenleitungsende verbunden ist und mittels einer jeweiligen weiteren Gitterdiode (D) mit dem zweiten Zeilenleitungsende verbunden ist, wobei insbesondere jede Gitterdiode (D) mit Durchlassrichtung zum zweiten Zeilenleitungsende hin verschaltet ist.
  12. Induktionskochvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Induktionskochvorrichtung ferner eine Topferkennung aufweist, welche dazu konfiguriert ist, die Zeilenschalter (Sx) und die Spaltenschalter (Sy) so zu schalten, dass nur Schwingkreiselemente (L, C) unter einem erkannten Topf (Pan) durch den Inverter (S) angeregt werden.
  13. Induktionskochvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schwingkreiselemente (L, C) Induktionsheizspulen sind oder aufweisen, welche in Zeilen und Spalten nebeneinander und hintereinander angeordnet sind, vorzugsweise mindestens in vier Zeilen und drei Spalten.
  14. Verfahren zur Ansteuerung einer Induktionskochvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch die Schritte:
    - Ermittlung der durch Töpfe überdeckten Induktionsspulen,
    - Zuordnung der Induktionsspulen zu den jeweiligen Töpfen,
    - Zuordnung der Induktionsspulen zu jeweiligen Zeilen oder zu jeweiligen Spalten,
    - Ermittlung nicht angesteuerter Zeilen oder nicht angesteuerter Spalten für das Timing, da diese Zeilen oder Spalten nicht zu betrieben sind,
    - Ermittlung der Zeilen mit gleicher Spaltenansteuerung oder der Spalten mit gleicher Zeilenansteuerung, da diese Zeilen oder Spalten im gleichen Zeitfenster betrieben werden können,
    - Ermittlung der Zeilen oder Spalten, die durch Hinzufügen oder Weglassen einer Induktionsspule zeitgleich mit anderen Zeilen oder Spalten ansteuerbar sind, wobei diese Zeilen oder Spalten im gleichen Zeitfenster betrieben werden können,
    - Ermittlung von Pulspaketen für den entsprechenden Zustand und die entsprechende Kochstufe für jeden Topf auf der Induktionskochvorrichtung.
  15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass diejenige Variante der Zeilenansteuerung oder Spaltenansteuerung ausgeführt wird, bei der mehr Zeilen oder Spalten ausgeschaltet bleiben können oder zusammen betrieben werden können, wobei vorzugsweise dadurch die Periodendauer der Ansteuerung verkürzt wird.
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