ES2362523A1 - Control de al menos una carga de calentamiento por inducción. - Google Patents

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Abstract

Control de al menos una carga de calentamiento por inducción.Se propone un circuito para controlar al menos una carga de calentamiento por inducción, que comprende al menos un elemento de conexión; una unidad de control que acciona el al menos un elemento de conexión, donde el al menos un elemento de conexión está conectado a la al menos una carga de calentamiento por inducción, y donde la unidad de control está dispuesta para poner en funcionamiento al menos parcialmente el al menos un elemento de conexión en un modo de funcionamiento esencialmente lineal. Asimismo, se proponen un método correspondiente, así como un dispositivo doméstico de calentamiento acorde.

Description

Control de al menos una carga de calentamiento por inducción.
La invención se refiere a un circuito y a un método para controlar al menos una carga de calentamiento por inducción. Asimismo, la invención se refiere a un dispositivo doméstico de calentamiento que comprende tal circui-
to.
Hay disponibles diferentes tipos de topologías de inversor para ser utilizadas en el campo de las aplicaciones domésticas de calentamiento por inducción. Un ejemplo es una topología de conmutación a tensión cero de interruptor único (1SW-ZVS. o single-switch zero voltaje switching), tal y como se muestra en la figura 1. Esta topología permite una implementación económica, ya que no existe la necesidad de una gran cantidad de dispositivos de conexión, y debido a la simplicidad del circuito de excitación (por ejemplo, no se requiere aislamiento).
La figura 1 muestra un esquema de circuito para una topología de inversor de conmutación a tensión cero de interruptor único (1SW-ZVS) que comprende un suministro de potencia 101, el cual provee una tensión AC suministrada a un filtro 102 y a un rectificador 103 resultante en una tensión DC pulsante 110, que es filtrada por un capacitor 104. La tensión DC filtrada es conectada a una conexión en serie de una carga de calentamiento por inducción 105 y un interruptor electrónico 107, donde dicha carga de calentamiento por inducción 105 comprende un inductor y un resistor. El interruptor electrónico 107 es accionado por una unidad de control y excitadora 106 que suministra, por ejemplo, una señal de salida de onda rectangular v_{c} al interruptor electrónico 107. El interruptor electrónico 107 puede comprender al menos uno de los siguientes: un transistor, un MOSFET (transistor de efecto de campo metal-óxido semiconductor), un IGBT (transistor bipolar de puerta aislada), o similares.
Un capacitor 108 está conectado en paralelo a través de la carga de calentamiento por inducción 105, y un capacitor 109 está conectado en paralelo a través del interruptor electrónico 107. Una capacitancia del capacitor 108 puede ascender a N\cdotC_{res}, y una capacitancia del capacitor 109 puede ascender a (1-N)\cdotC_{res}. El parámetro N \in [0,1] indica valores de los capacitores resonantes 108, 109 en relación a una capacitancia resonante C_{res}. En particular, se puede utilizar N = 1.
Basándose en la implementación económica de la conmutación a tensión cero de interruptor único (1SW-ZVS), puede aumentar una complejidad de otras partes del sistema. Por ejemplo, los requisitos relativos a filtros de entrada para cumplir los preceptos sobre interferencia electromagnética (IEM) son mayores que los exigidos para topologías de inversor que comprendan más de un interruptor electrónico.
El interruptor electrónico 107 puede ser un interruptor unipolar bidireccional único que sea accionado por la forma de onda cuadrada v_{c}, tal y como se muestra en la figura 2. La señal de forma de onda cuadrada tiene una duración de ciclo que asciende a T_{s} (=1/f_{s}), la cual es dividida en una duración de conexión T_{ON} y una duración de desconexión T_{OFF}.
Este interruptor electrónico 107 puede ser utilizado reduciendo un grado de libertad para controlar una potencia de salida a sólo un parámetro (T_{s} o f_{s}). Un ciclo de funcionamiento
D = \frac{T_{s}}{T_{ON}}
es ajustado para alcanzar condiciones de conmutación a tensión cero (ZVS.o zero voltaje switching) cuando el interruptor electrónico 107 esté siendo encendido.
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En la figura 3 se muestra un mapa de control de la potencia de salida, donde P_{i} representa una ubicación para una potencia de salida constante. Una zona 301 se corresponde con una región de conmutación a tensión cero (ZVS), la cual es preferida para ajustar la potencia de salida.
Un punto A representa una condición de funcionamiento continuo de potencia media, mientras que un punto C representa una situación de baja potencia de salida bajo condiciones de conexión no favorables. Una solución ejemplar que alcanza la salida de potencia inferior del punto C utiliza un funcionamiento discontinuo del inversor.
Un funcionamiento óptimo del inversor en términos de condiciones de conexión favorables como las conseguidas en el punto A se muestra en la figura 4.
La figura 4 representa una situación de condiciones de conexión optimizadas del inversor de conmutación a tensión cero de interruptor único (1SW-ZVS) en vista de la señal de forma de onda cuadrada v_{c}, una corriente i_{L} que pasa por la carga de calentamiento por inducción 105, y una tensión v_{T} a través del interruptor electrónico 107. Para fines explicativos provistos más adelante, se asume que el interruptor electrónico 107 es un transistor.
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Asimismo, en la figura 4 se muestra un intervalo de tiempo 401 que permite encender el interruptor electrónico 107 utilizando conmutación a tensión cero (ZVS). Durante un intervalo de tiempo 402, el interruptor electrónico 107 está en un estado conductivo y, durante un intervalo de tiempo 403, un diodo en antiparalelo del interruptor electrónico está en un estado conductivo.
Las pérdidas por conmutación de desconexión en el dispositivo de conexión son bajas debido al gran retraso en el ascenso en la forma de onda de la tensión v_{T} como resultado del elevado valor del capacitor resonante C_{res} (por ejemplo, en el intervalo de centenares de nF). Durante el apagado de la tensión v_{T}, este capacitor resonante C_{res} se comporta como un capacitor amortiguador, como se utiliza en topologías, por ejemplo, de inversores de semipuente resonantes en serie (que ascienden a decenas de nF).
Aunque las pérdidas por conmutación de desconexión son bajas, se pueden reducir más usándose dispositivos de conexión rápidos, o aumentándose una velocidad de conmutación de cualquier dispositivo dado.
Las pérdidas por conmutación de conexión son insignificantes en la situación mostrada en la figura 4. Por tanto, el dispositivo es encendido cuando la corriente i_{L} fluye a través del diodo en antiparalelo del interruptor electrónico 107, estableciendo una caída a tensión cero en dicho interruptor.
Para un valor de la frecuencia dado de la frecuencia de conmutación f_{s} (véase la figura 2), el dispositivo puede ser encendido dentro de cualquier tiempo en el intervalo de tiempo 401, dando como resultado casi la misma potencia de salida. Esto explica también una propiedad de las curvas P_{i} mostradas en la figura 3: las curvas P_{i} se vuelven casi verticales al cruzar la zona de conmutación a tensión cero (ZVS) 301.
Por otra parte, las pérdidas son elevadas y el dispositivo accionado por la conmutación a tensión cero de interruptor único (1SW-ZVS) puede incluso resultar dañado si se produce cualquiera de las situaciones mostradas en la figura 5. Tales modos de funcionamiento ineficientes se corresponden con puntos de funcionamiento fuera de la zona de conmutación a tensión cero (ZVS) 301.
Los ejemplos 501 y 502 muestran cada uno un gráfico para condiciones de conexión no óptimas de un inversor de conmutación a tensión cero de interruptor único (1SW-ZVS), representando la señal de forma de onda cuadrada v_{c}, una corriente i_{L} que pasa por la carga de calentamiento 105, y una tensión v_{T} a través del interruptor electrónico 107.
La situación 501 se corresponde con un punto B1, tal y como se muestra en la figura 3, siendo un ciclo de funcionamiento D demasiado extenso, y la situación 502 se corresponde con un punto B2, tal y como se muestra en la figura 3, siendo un ciclo de funcionamiento D demasiado breve.
Cargar o descargar el capacitor resonante C_{res} (dependiendo del valor N como se muestra en la figura 1) da como resultado pérdidas como sigue a continuación:
P_{ON} = \frac{1}{2} \cdot C_{res} \cdot f_{s} \cdot \Delta\upsilon_{T}.
Tal y como se muestra en las situaciones 501 y 502, aparecen crestas de la corriente en el dispositivo de conexión. La amplitud de tal cresta de la corriente depende, para los valores predeterminados C_{res} y \Deltav_{T}, de la rapidez con la que se encienda el transistor. Cuanto más rápido sea el transistor, más elevada será la cresta de la corriente. En caso de que tal valor de cresta rebase un área de funcionamiento seguro (SOA, o Safe Operating Area) del dispositivo, puede conducir al fallo y/o destrucción del transistor.
La pérdida de potencia asociada con cargar y/o descargar el capacitor resonante sólo depende de los estados iniciales y finales del capacitor. El modo en que la carga es almacenada o retirada del capacitor (casi) no afecta a la potencia disipada.
Para un dispositivo de conexión dado, tales crestas de la corriente peligrosas producidas por condiciones que no sean de conmutación a tensión cero (ZVS) podrían ser eliminadas forzando el funcionamiento del inversor en la zona de conmutación a tensión cero (ZVS) 301. Si esto no es posible, la cresta de la corriente puede ser controlada al menos en cierta medida. Por ejemplo, la velocidad de conmutación del dispositivo puede ser reducida por medio de aumentar el valor de un resistor amortiguador colocado en el bucle del puerto de control del circuito de excitación. Si no se usan trayectos de excitación separados para el encendido y el apagado, esta solución iría en contra de una conmutación rápida que se requeriría en el apagado para reducir una pérdida por conmutación global.
El problema a resolver es superar las desventajas expuestas arriba y, en particular, proporcionar un enfoque eficaz para controlar un elemento de calentamiento por inducción.
Este problema se resuelve de conformidad con las características de las reivindicaciones independientes. Otras formas de realización resultan de las reivindicaciones dependientes.
\newpage
Con el fin de superar este problema, se propone un circuito para controlar al menos una carga de calentamiento por inducción, que comprenda
-
al menos un elemento de conexión;
-
una unidad de control que accione el al menos un elemento de conexión,
-
donde el al menos un elemento de conexión esté conectado a la al menos una carga de calentamiento por inducción,
-
donde la unidad de control esté dispuesta para poner en funcionamiento al menos parcialmente el al menos un elemento de conexión en un modo de funcionamiento esencialmente lineal.
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Ventajosamente, este enfoque permite la conmutación a tensión cero (ZVS), y también permite la conmutación que no sea a tensión cero (ZVS) mediante la reducción eficaz de una potencia de salida del circuito. Esto hace robusto al circuito con respecto a crestas de la corriente elevadas u oscilaciones transitorias de la corriente, que pueden ser reducidas o evitadas antes de que puedan dañar un componente del circuito.
En una forma de realización, la unidad de control suministra un número de impulsos al elemento de conexión con el fin de poner en funcionamiento sustancialmente el elemento de conexión en el modo de funcionamiento lineal.
Tales señales pulsadas pueden ser usadas para evitar cualquier acumulación de una carga elevada en, por ejemplo, un gran capacitor en el circuito que podría dañar un componente durante la conmutación que no sea a tensión cero (ZVS). Cualquier cresta u oscilación transitoria elevadas de la corriente es menos significativa en caso de que la unidad de control controle el al menos un elemento de conexión aplicando una señal pulsante.
Los impulsos son, en particular, de una duración predeterminada, y pueden ser más bien breves. Ventajosamente, por medio de tales impulsos (breves), se puede controlar, al menos parcialmente, una magnitud de la cresta de la corriente u oscilación transitoria de la corriente que pase por el al menos un elemento de conexión y/o la carga de calentamiento por inducción.
En otra forma de realización, la unidad de control acciona el al menos un elemento de conexión aplicando una señal polifásica.
La señal polifásica puede comprender al menos dos niveles de la tensión aplicada, utilizados para controlar el al menos un elemento de conexión.
Por tanto, la unidad de control puede suministrar al menos un potencial intermedio entre tierra y la tensión de alimentación hacia el elemento de conexión. Esto comporta la ventaja de que la cresta de la corriente puede ser controlada eficazmente por una tensión por debajo de la tensión máxima. Por lo tanto, cualquier cambio transitorio de la tensión (dv/dt) es además reducido debido al valor de la tensión inferior aplicado en tal fase intermedia. Asimismo, el potencial intermedio puede ser utilizado para poner en funcionamiento al menos parcialmente el elemento de conexión en un modo lineal, más que en un modo de saturación. Por lo tanto, la corriente de salida puede ser controlada o limitada de manera eficaz.
En otra forma de realización, la unidad de control acciona el al menos un elemento de conexión en dos fases ocultando una primera señal por una segunda señal.
Así, la primera señal puede ser suministrada al elemento de conexión, y la segunda señal puede ser usada para activar o desactivar un interruptor electrónico que, al estar activado, reduzca el potencial suministrado al elemento de conexión por la primera señal.
En una siguiente forma de realización, el al menos un elemento de conexión es parte de un convertidor, en particular, de un inversor, comprendiendo al menos un capacitor de resonancia.
Tales convertidores existen en diversas topologías, y se pueden usar para controlar la al menos una carga de calentamiento por inducción.
También es una forma de realización que el convertidor comprenda varios capacitores de resonancia que puedan ser conectados o desconectados individualmente.
Cambiando la capacitancia de resonancia total del convertidor, se puede modificar el modo de funcionamiento de tal modo que, por ejemplo, todavía sea posible la conmutación a tensión cero (ZVS), incluso en caso de una potencia de salida reducida. Esto permite un modo eficaz de controlar tal convertidor y, por consiguiente, la al menos una carga de calentamiento por inducción.
\newpage
Según otra forma de realización, el convertidor comprende varios capacitores de resonancia que están conectados en paralelo, donde cada capacitor de resonancia en paralelo puede ser conectado o desconectado.
Se observa que, conmutando (desconectando) los capacitores de resonancia en paralelo (al menos una parte de los mismos), se puede fijar una potencia de salida diferente (por ejemplo, inferior) y, al mismo tiempo, se puede mantener un funcionamiento continuo del convertidor (por ejemplo, inversor). Por tanto, la posibilidad de ajustar el valor del capacitor de resonancia permite una utilización eficaz de una potencia de salida del circuito.
Según una forma de realización, dicho inversor es un inversor de interruptor único de una rama de semipuente, de un circuito de semipuente o un circuito de puente completo.
Según otra forma de realización, dicho elemento de conexión es un dispositivo controlado por la tensión.
En otra forma de realización, el elemento de conexión comprende al menos uno de los siguientes:
-
un IGBT (transistor bipolar de puerta aislada);
-
un MOSFET (transistor de efecto de campo metal-óxido semiconductor);
-
un transistor;
-
un BICMOS (Bipolar Complementary Metal Oxide Semiconductor, o metal-óxido semiconductor complementario bipolar).
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El problema expuesto arriba es solucionado también por un método para controlar al menos una carga de calentamiento por inducción que sea accionada por al menos un elemento de conexión,
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donde una unidad de control proporcione una señal para controlar el al menos un elemento de conexión
-
donde dicha señal ponga en funcionamiento al menos parcialmente el al menos un elemento de conexión en un modo de funcionamiento esencialmente lineal.
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Según una siguiente forma de realización, la unidad de control controla el al menos un elemento de conexión a través de una señal polifásica.
Según otra forma de realización, dicha señal polifásica comprende al menos dos niveles diferentes de tensión.
Según otra forma de realización, el al menos un elemento de conexión es parte de un inversor que comprende varios capacitores de resonancia que pueden ser conectados o desconectados, donde los varios capacitores de resonancia son conectados y desconectados para ajustar una potencia de salida del inversor.
El problema expuesto arriba también es resuelto por un dispositivo doméstico de calentamiento que comprenda el circuito tal y como es descrito aquí.
En las siguientes figuras se muestran e ilustran formas de realización de la invención:
Fig. 6 muestra diferentes formas de realización de circuitos de excitación con trayectos de la corriente separados para encender y apagar un IGBT posterior;
Fig. 7 muestra un gráfico de temporización que representa un esquema de control para reducir un valor de cresta de la corriente de encendido en condiciones que no sean de conmutación a tensión cero (ZVS);
Fig. 8 muestra un esquema de circuito con un circuito de activación que es controlado (en particular, encendido) en dos fases;
Fig. 9 muestra un gráfico de temporización que comprende formas de onda de control para el circuito de activación bifásico según la figura 8;
Fig. 10 muestra un esquema de circuito de una topología de conmutación a tensión cero de interruptor único (1SW-ZVS) modulable, donde varios capacitores pueden ser conectados en paralelo a una carga de calentamiento por inducción;
Fig. 11 muestra un mapa de control de la potencia de salida con respecto a una frecuencia y un ciclo de funcionamiento de un circuito de control;
\newpage
Fig. 12 muestra un mapa de control de la potencia de salida diferente, con respecto a una frecuencia y un ciclo de funcionamiento de un circuito de control, estando basado este mapa de control de la potencia de salida en un capacitor resonante Cres, B;
Fig. 13 muestra una topología de inversor de semipuente alimentado por tensión resonante en serie para controlar una carga de calentamiento por inducción;
Fig. 14 muestra un gráfico de temporización para el inversor de semipuente alimentado por tensión resonante en serie de la figura 13 funcionando por debajo de una frecuencia de resonancia, donde el inversor puede ser accionado por formas de onda cuadradas Q1, Q2 que son, en particular, esencialmente simétricas;
Fig. 15 muestra un gráfico de temporización para el inversor de semipuente alimentado por tensión resonante en serie de la figura 13 funcionando por debajo de una frecuencia de resonancia, donde el inversor usa un modo de control discontinuo simétrico, y es accionado por formas de onda cuadradas Q1, Q2 que son, en particular, esencialmente simétricas;
Fig. 16 muestra dos circuitos basados en los circuitos mostrados en la figura 8 con un circuito de activación que es controlado en dos fases;
Fig. 17 muestra el inversor de semipuente alimentado por tensión resonante en serie de la figura 13 con un conjunto ajustable de capacitores resonantes que pueden ser activados y desactivados usándose, por ejemplo, interruptores bipolares bidireccionales.
La figura 6 muestra circuitos de excitación 601, 602 y 603 con trayectos de la corriente separados para encender y apagar un IGBT siguiente.
En el caso de un circuito 601, un excitador 604 está conectado a través de un diodo D1 y un resistor R1 a la puerta de un IGBT 605, donde el cátodo del diodo D1 señala hacia la salida del excitador. Dispuesto en paralelo con respecto al diodo D1 y al resistor R1 hay un resistor R2. Por tanto, los trayectos de la corriente (fuente y disipador) están separados usándose un diodo D1, el cual es, preferiblemente, un diodo rápido de señal pequeña. En caso de apagarse el IGBT 605, un valor de la resistencia total proviene de la conexión en paralelo de los resistores R1 y R2, y asciende a
R_{OFF} R1||R2 = \frac{R1 \cdot R2}{R1 + R2} .
En caso de encenderse el IGBT 605, el valor de la resistencia total asciende a
R_{ON} = R2;
Por lo tanto, en caso de R2 >> R1,
R_{OFF} \approx R1 << R_{ON}.
En el caso del circuito 602, el excitador 604 está conectado a través de un diodo D1 y un resistor R1 a la puerta del IGBT 605, señalando el cátodo del diodo D1 hacia el excitador 604. Dispuesto en paralelo con respecto al diodo D1 y al resistor R1 hay una conexión en serie de un diodo D2 y un resistor R2, donde el cátodo del diodo D2 señala hacia el IGBT 605. Los trayectos de la corriente (fuente y disipador) están separados usándose dos diodos D1, D2, en particular, dos diodos rápidos de señal pequeña. Los valores de la resistencia totales para conectar/desconectar el IGBT 605 son como sigue a continuación:
R_{OFF} = R1,
R_{ON} = R2
\hskip0.3cm
con
\hskip0.3cm
R2 >> R1.
En el caso del circuito 603, el excitador 604 está conectado a través de salidas separadas (y a través de resistores separados R1, R2, asociados cada uno con una salida) al IGBT 605. En este caso, no se requiere diodo alguno, ya que el excitador 604 proporciona servicios de empuje y tracción. La resistencia total para conectar/desconectar el IGBT 605 es como sigue a continuación:
R_{OFF} = R1,
R_{ON} = R2
\hskip0.3cm
con
\hskip0.3cm
R2 << R1.
Este enfoque conlleva resistores de puerta separados y, por tanto, permite reducir las pérdidas por conmutación. No obstante, no se puede prever eficazmente protección contra las corrientes elevadas (en particular, oscilación transitoria de tales corrientes elevadas).
La figura 6 utiliza IGBTs. Se observa, no obstante, que cualquier otro tipo de dispositivos controlados por la tensión pueden ser utilizados correspondientemente, por ejemplo, transistores, MOSFETs, etc.
Por tanto, el enfoque propuesto permite una protección eficaz de un elemento de conexión, por ejemplo, un transistor, en una topología de inversor de conmutación a tensión cero de interruptor único (1SW-ZVS) contra oscilaciones transitorias de la corriente que puedan provenir de un ciclo de conmutación no óptimo.
Un enfoque es relativo a una modificación de la forma de onda activadora del dispositivo de conexión. Otra solución sugiere un esquema de control diferente, por ejemplo, para un excitador del elemento de conexión.
Además, un área de control de la conmutación a tensión cero (ZVS) podría ser ampliada modificándose el valor del capacitor resonante.
Los siguientes ejemplos pueden ser utilizados por separado o en combinación(es) unos con otros. Cualquier aspecto de cualquier ejemplo puede ser transferido a cualquier otro ejemplo.
\vskip1.000000\baselineskip
Ejemplo 1
Los impulsos de puerta pequeños repetitivos pueden ser usados para conectar lentamente al menos un IGBT o elemento de conexión de un inversor. Así, un objetivo es, en particular, evitar un sonido audible que sea producido por la descarga del capacitor del bus al comienzo de cada periodo activo del inversor tras un periodo inactivo (funcionamiento discontinuo).
Basándose en este enfoque, un valor de cresta de la corriente puede ser reducido cuando no haya conmutación a tensión cero (ZVS) en la topología de inversor de conmutación a tensión cero de interruptor único (1SW-ZVS).
La figura 7 muestra un gráfico de temporización que representa un esquema de control para reducir un valor de cresta de la corriente de encendido en condiciones que no sean de conmutación a tensión cero (ZVS). Se muestra una forma de onda de control con M impulsos de una duración T_{H, \ ON}, siendo generados a una frecuencia de repetición que asciende a 1/T_{S, \ ON} para conectar el elemento de conexión, por ejemplo, un transistor.
Este concepto evita una carga completa del capacitor de entrada (o varios de tal capacitor de entrada) del transistor controlado por la tensión. Por tanto, puede ser necesario más de un impulso para encender por completo el dispositivo.
La ventaja de este enfoque es que el dispositivo funciona en un modo lineal, y puede ser controlada una magnitud de la cresta de la corriente. Para cualquier valor del capacitor C_{res} y valor de tensión \Deltav_{T} dados, una cantidad de carga del capacitor (cantidad de carga y/o descarga) resulta en M crestas de la corriente menores en comparación con una gran cresta de la corriente única. Esta solución es compatible con la solución mostrada y explicada con el ejemplo 2 más adelante para obtener diferentes valores para resistores totales en un estado conectado y estado desconectado (R_{ON} y R_{OFF}).
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Ejemplo 2
La figura 8 muestra un esquema de circuito con un circuito de activación que es controlado (en particular, encendido) en dos fases.
Una unidad de control 801 provee una señal V_{CM} que es suministrada a un excitador 802, y una señal V_{CS} que es suministrada a la puerta de un MOSFET 807, el cual es un MOSFET mejorado de canal n. La salida del excitador 802 está conectada a través de un diodo 803 y un resistor 804 (los cuales están conectados en serie) a la puerta de un IGBT 808. Un resistor 805 está conectado en paralelo a través de dicho diodo 803 y resistor 804. El cátodo del diodo 803 está dirigido hacia el excitador 802. La puerta del IGBT 808 está conectada a través de un resistor 806 al drenaje del MOSFET 807. El emisor del IGBT 808, la fuente del MOSFET 807, el excitador 802, así como la unidad de control 801 están conectados a tierra.
El IGBT 808 es un elemento de conexión ejemplar que es accionado por la unidad de control 801 a través de dicho excitador 802 (y el MOSFET 807). El IGBT 808 actúa como interruptor principal, y el MOSFET 807 actúa como interruptor secundario. El ejemplo mostrado en la figura 8 se basa en la situación 601 tal y como está representada en la figura 6, complementado por componentes para permitir un grado aumentado de libertad para controlar la cresta de la corriente. En el caso de que el MOSFET 807 esté en un estado desconectado, el circuito se comporta de manera similar al representado en la situación 601. Si el MOSFET 807 está conectado, el divisor de la tensión que comprende los resistores 805 y 806 provoca que una tensión V_{DEV} (a través de la conexión en serie del resistor 806 y el MOSFET 807) alcance un potencial intermedio entre tierra y una tensión de alimentación V_{CC} conforme a
\upsilon_{DEV} = \frac{R_{806}}{R_{805} + R_{806}} ,
donde R_{NR} indica el valor de la resistencia del resistor NR. Esto da como resultado un efecto de filtración en contraste con conectar directamente a la cantidad total de la tensión de alimentación V_{CC}.
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El MOSFET 807 es controlado por la señal V_{CS} suministrada por el excitador 801, y permite introducir un paso intermedio \Deltav_{STEP} y una duración T_{STEP} en el borde ascendente de la señal de control V_{CM}. Durante este paso intermedio, el IGBT 808 es accionado en un modo (esencialmente) lineal, en lugar de un modo de saturación. Así, la corriente de salida puede ser limitada eficazmente.
El dispositivo que actúa como el interruptor principal de la potencia, por ejemplo, el IGBT 808 conforme a la figura 8, puede ser implementado por medio de un dispositivo controlado por la tensión, por ejemplo, un IGBT o un MOSFET. El interruptor secundario (en la figura 8, el MOSFET 807) puede ser implementado, por ejemplo, como cualquier transistor de señal pequeña de baja potencia.
La figura 9 muestra un gráfico de temporización que comprende formas de onda de control para el circuito de activación bifásico conforme a la figura 8, que representa la señal de control V_{CM}, la señal de control V_{CS}, la salida de la tensión en dos fases V_{DEV} en la puerta del IGBT 808, y una corriente i_{T} que pasa por el interruptor electrónico 808, así como una tensión v_{T} a través del interruptor electrónico 808.
La señal de control V_{CM} es una señal de salida de onda rectangular que es suministrada para controlar el interruptor electrónico 808. La señal de control v_{CS} define la duración del paso intermedio T_{STEP} por un intervalo de tiempo cuando ambas señales V_{CM} y V_{CS} están lógicamente en un estado elevado. Por tanto, un borde ascendente de la señal de control V_{CM} puede producirse en cualquier momento dentro de un área representada como "tiempo de CONEXIÓN opcional", es decir, en cualquier momento cuando la señal de control V_{CS} esté en estado elevado.
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Ejemplo 3
La figura 10 muestra un esquema de circuito de una topología de conmutación a tensión cero de interruptor único (1SW-ZVS) modulable, donde varios capacitores pueden ser conectados en paralelo a una carga de calentamiento por inducción.
Un suministro de potencia 1001 provee una tensión AC que es suministrada a un filtro 1002 y a un rectificador 1003, resultando en una tensión DC pulsante 1014 que es filtrada por un capacitor 1004. La tensión DC filtrada 1014 es conectada a una conexión en serie de una carga de calentamiento por inducción 1007 y un interruptor electrónico 1006, donde dicha carga de calentamiento por inducción 1007 comprende un inductor y un resistor en una conexión en serie.
El interruptor electrónico 1006 es accionado por una unidad de control y excitadora 1005 que suministra, por ejemplo, una señal de salida de onda rectangular v_{c} al interruptor electrónico 1006. El interruptor electrónico 1006 puede comprender al menos uno de los siguientes: un transistor, un MOSFET, un IGBT, o similares.
Una conexión en serie que comprenda un capacitor 1008 y un interruptor 1011 está dispuesta en paralelo a la carga de calentamiento por inducción 1007. Asimismo, otros capacitores 1009, 1010 en conexiones en serie con interruptores 1012, 1013 respectivos pueden ser dispuestos en paralelo con respecto a dicha carga de calentamiento por inducción 1007.
Una tensión a través del capacitor 1004 está indicada como v_{bus}, una corriente que pasa por la carga de calentamiento por inducción 1007 está indicada como i_{L}, y una corriente que pasa por el interruptor electrónico 1006 está indicada como i_{T}.
Este ejemplo mostrado en la figura 10 está basado en el caso de N = 1 conforme a la figura 1. No obstante, ha de señalarse que son aplicables diferentes soluciones para N de manera correspondiente. Una capacitancia resonante total asciende a
C_{res} = \sum\limits^{K}_{i=1} C_{res},
y es obtenida por la conexión en paralelo de K capacitores resonantes (2K capacitores resonantes en el caso general). Cada capacitor 1008 a 1010 puede ser conectado o desconectado a través de los interruptores 1011 a 1013. Cada interruptor 1011 a 1013 puede ser un interruptor bipolar bidireccional (por ejemplo, un relé).
\newpage
La figura 11 muestra un mapa de control de la potencia de salida con respecto a una frecuencia y un ciclo de funcionamiento de un circuito de control, donde P_{i} representa una ubicación para una potencia de salida constante. Una zona 1102 se corresponde con una región de conmutación a tensión cero (ZVS), la cual es preferida para ajustar la potencia de salida.
Un trayecto 1101 a través de los parámetros de control puede usarse para ajustar la potencia de salida. Un punto A indica un punto de potencia de salida máxima dentro de la zona de conmutación a tensión cero (ZVS) 1102 para un valor de capacitor resonante C_{res, \ A}, dado.
El valor para la potencia de salida máxima en el punto A está limitado normalmente por la cresta máxima de la corriente o por la cresta máxima de la tensión admisibles para un elemento de conexión particular.
La potencia de salida puede ser reducida desde el punto A a un valor de la potencia de salida mínimo mostrado por el punto B, mediante el aumento de la frecuencia de conmutación f_{s} (véase el trayecto 1101 que señala de A a B).
Un ciclo de funcionamiento puede ser ajustado en conformidad para alcanzar condiciones de conmutación de encendido de conmutación a tensión cero (ZVS). Para cualquier valor de la potencia de salida por debajo de aquel del punto B, no es posible la conmutación a tensión cero (ZVS) en lo que se refiere al valor del capacitor resonante C_{res, \ A}, predeterminado en el caso de que se requiera funcionamiento continuo del inversor.
Con el fin de alcanzar una potencia de salida inferior también con un funcionamiento continuo del inversor, el valor del capacitor resonante puede ser reducido a
C_{res, \ B} < C_{res, \ A}
desconectando cualquiera de los interruptores 1011 a 1013. Tal reducción de la capacitancia resonante da como resultado un mapa de control de la potencia de salida diferente para el valor del capacitor resonante C_{res, \ B}, como se muestra en la figura 12.
Las curvas representadas en el mapa de control de la potencia de salida de la figura 12 son similares a las representadas en la figura 11, pero están desplazadas hacia arriba y a la derecha. Como resultado, el punto B se encuentra ahora fuera de una zona de conmutación a tensión cero (ZVS) 1202 aplicable para C_{res, \ B}.
Por tanto, después de que el valor total de la capacitancia haya sido cambiado a C_{res, \ B}, los parámetros de control pueden ser adaptados para corresponder al punto C. Por tanto, se provee la misma potencia de salida que antes, y se consigue un funcionamiento continuo del inversor.
Asimismo, después de que el valor total de la capacitancia haya sido cambiado a C_{res, \ B}, una potencia de salida puede ser reducida de P_{MIN, \ A} a P_{MIN, \ B}, tal y como está indicado por medio de una flecha 1201 que señala hacia el punto D. Esta nueva potencia de salida P_{MIN, \ B} está todavía dentro de la zona de conmutación a tensión cero
(ZVS).
No obstante, el valor C_{res, \ B} no puede ser seleccionado al comienzo del proceso de control de la potencia de salida, ya que el punto A estaría dentro de una zona de sobretensión que dañaría o destruiría el elemento de conexión. Con otras palabras, la potencia de salida P_{MAX, \ A} a no puede ser alcanzada con tal valor de C_{res, \ B} debido a la limitación de la tensión.
Las soluciones de protección sugeridas también son aplicables para topologías de inversor basadas en una rama de semipuente, tales como los inversores de semipuente o de puente completo.
El inversor de semipuente alimentado por tensión resonante en serie como se muestra en la figura 13 es una topología a modo de ejemplo que puede ser utilizada adecuadamente.
Un suministro de potencia 1301 provee una tensión AC que es suministrada a un filtro 1302 y a un rectificador 1303, dando como resultado una tensión DC pulsante 1311, que es filtrada por un capacitor 1304. La tensión DC filtrada 1311 es conectada a una conexión en serie de dos interruptores electrónicos 1306 y 1307, donde cada interruptor electrónico 1306, 1307 es accionado por una unidad de control y excitadora 1305. Un diodo 1312 y un capacitor 1313 (por ejemplo, capacitor amortiguador) están conectados en paralelo al interruptor electrónico 1306, mientras que el diodo 1312 está dispuesto con su cátodo dirigido hacia la tensión DC 1311. Asimismo, un diodo 1314 y un capacitor 1315 (por ejemplo, capacitor amortiguador) están conectados en paralelo al interruptor electrónico 1307, mientras que el diodo 1314 está dispuesto con su cátodo dirigido hacia la tensión DC 1311.
La toma central entre los interruptores electrónicos 1306 y 1307 está conectada a través de una carga de calentamiento por inducción 1308 (que comprende un resistor y un inductor) a una toma central entre una conexión en serie de dos capacitores 1309 y 1310, donde dichos capacitores 1309 y 1310 están conectados a dicha tensión DC 1311.
\newpage
La unidad de control y excitadora 1305 suministra, por ejemplo, una señal de salida de onda rectangular Q1 al interruptor electrónico 1306, y otra señal de salida de onda rectangular Q2 que es suministrada al interruptor electrónico 1307. Los interruptores electrónicos 1306, 1307 pueden comprender al menos uno de los siguientes: un transistor, un MOSFET, un IGBT, o similares.
La disposición de inversor de la figura 13 puede estar diseñada para un funcionamiento equilibrado, es decir, la capacitancia del capacitor 1309 puede ascender a la mitad de la capacitancia de resonancia C_{res}/2, como la capacitancia del capacitor 1310.
El capacitor 1313 y el capacitor 1315 pueden comprender cada uno la capacitancia de salida del interruptor electrónico (1306 y 1307), así como una capacitancia amortiguadora externa.
Ventajosamente, un inversor para aplicaciones domésticas de calentamiento por inducción es accionado por encima de la frecuencia resonante de carga, dando como resultado conmutación a tensión cero (ZVS) para la conmutación de encendido, y pérdidas pequeñas en la desconexión debido a la presencia de los capacitores amortiguadores 1313 y 1315. La potencia de salida puede ser reducida aumentándose la frecuencia de conmutación y/o reduciéndose el ciclo de funcionamiento.
Se puede perder el impacto positivo de la conmutación a tensión cero (ZVS) dependiendo de una estrategia de control aplicada para reducir la potencia de salida. Entonces, puede tener lugar una conmutación dura (hard switching). Por ejemplo, si un ciclo de funcionamiento es extremadamente breve en lo referente a una frecuencia de conmutación dada, tal funcionamiento por debajo de una frecuencia de resonancia puede evitar la conmutación a tensión cero (ZVS) cuando el elemento de conexión se conecte. Esto puede conducir a un aumento de la pérdida por conmutación debido al funcionamiento de conmutación dura. Además, el inversor puede ser dañado si esas condiciones de conmutación indeseables dan como resultado un funcionamiento del elemento de conexión fuera de su área de funcionamiento seguro (SOA).
La figura 14 muestra un gráfico de temporización para el inversor de semipuente alimentado por tensión resonante en serie de la figura 13 funcionando por debajo de una frecuencia de resonancia. Los gráficos de temporización muestran las señales de salida Q1, Q2 de la unidad de control y excitadora, una tensión v_{O} a través del interruptor electrónico 1307, una corriente i_{L} que pasa por la carga de calentamiento por inducción 1308, y una corriente i_{D1} que pasa por el diodo 1312. El inversor de la figura 13 puede ser accionado por formas de onda cuadradas Q1, Q2 que son, en particular, esencialmente simétricas.
La figura 14 representa un segmento A con corriente fluyendo a través del interruptor electrónico 1306. Puesto que el inversor funciona por debajo de una frecuencia de resonancia, se permite una oscilación de la carga de calentamiento por inducción 1308 por encima de la mitad de un periodo de la propia frecuencia de la carga. Como resultado, la corriente i_{L} cambia de dirección, y fluye a través del diodo en antiparalelo 1312, como se muestra en el segmento B. Durante este segmento B, el interruptor electrónico 1306 puede ser desconectado obteniéndose condiciones de Conmutación a Corriente Cero (ZCS, o Zero Current Switching) en la desconexión.
Mientras que la corriente i_{L} fluye a través del diodo 1312, el interruptor electrónico 1307 es encendido, obligando de ese modo al capacitor amortiguador a cargar/descargar y, así, la tensión de salida v_{O} llega a cero. Una oscilación transitoria de la tensión de salida dv_{O}/dt depende de lo rápido que sea conectado el interruptor electrónico 1307, pero es (esencialmente) independiente de una corriente de carga I_{SW} (que se asume constante) en el momento de la conexión (por el contrario, esta corriente I_{SW} determina el valor de dv_{O}/dt para el funcionamiento por encima de la resonancia). La carga y descarga de los capacitores amortiguadores producen crestas de corriente elevadas en el interruptor electrónico 1307, las cuales dependen de la capacitancia de los capacitores amortiguadores y de la velocidad de conmutación del interruptor electrónico.
Al mismo tiempo, la corriente i_{D1} a través del diodo 1312 empieza a disminuir a partir de un valor final i_{D1, \ B} adoptado al final del segmento B. La oscilación transitoria negativa di_{D1}/dt depende de lo rápido que se conecte el interruptor electrónico 1307. Como resultado de la desconexión forzada en el diodo 1312, una cresta de la corriente correspondiente a una recuperación inversa del diodo 1312 se produce al final del segmento C (línea discontinua o momento D). El valor de cresta de la corriente puede depender de la tecnología de diodo usada, así como del valor de la corriente i_{D1, \ B} y de lo rápido que se reduzca conforme a di_{D1}/dt.
En la figura 14, T1 indica un periodo de tiempo en el que el interruptor electrónico 1306 está activo (cerrado, es decir, en estado conductivo), D1 indica un periodo de tiempo en el que el diodo 1312 está en estado conductivo, T1 indica un periodo de tiempo en el que el interruptor electrónico 1307 está activo (cerrado, es decir, en estado conductivo), y D2 indica un periodo de tiempo en el que el diodo 1314 está en estado conductivo.
Las crestas de carga/descarga y la corriente de recuperación del diodo pueden forzar el funcionamiento fuera de un área de funcionamiento seguro (SOA) del interruptor electrónico; en ambos casos, tales efectos perjudiciales pueden ser reducidos con una velocidad lenta de conmutación de encendido. Como resultado, los enfoques propuestos para el inversor de conmutación a tensión cero de interruptor único (1SW-ZVS) para reducir la velocidad de encendido pueden aplicarse también para topologías basadas en el inversor de semipuente.
La figura 15 muestra un gráfico de temporización para el inversor de semipuente alimentado por tensión resonante en serie de la figura 13 funcionando por debajo de una frecuencia de resonancia. El inversor usa un modo de control discontinuo simétrico. Los gráficos de temporización muestran las señales de salida Q1, Q2 de la unidad de control y excitadora, una tensión v_{O} a través del interruptor electrónico 1307, y una corriente i_{L} que pasa por la carga de calentamiento por inducción 1308. El inversor de la figura 13 puede ser accionado por formas de onda cuadradas Q1, Q2 que son, en particular, esencialmente simétricas.
El funcionamiento es similar al ejemplo mostrado en la figura 14. En un segmento B, se alcanzan las condiciones de apagado por conmutación a corriente cero (ZCS) en los interruptores electrónicos 1306 y 1307, pero los diodos en antiparalelo 1312 y 1314 se apagan debido a la baja frecuencia de conmutación y al extenso tiempo inactivo.
Después de que los diodos 1312 y 1314 se desconecten, puede tener lugar un funcionamiento discontinuo cuando quede energía en los capacitores resonantes 1309 y 1310 y no pueda fluir corriente alguna a través del inversor, al no haber vía disponible. Una vez que el interruptor electrónico 1307 está conectado de nuevo, una cresta de la corriente pasa por el interruptor electrónico 1307, iniciando el momento C. Este valor de cresta de la corriente depende de la tensión \Deltav_{O} durante el intervalo discontinuo, los capacitores 1313 y 1315, y la velocidad de encendido del interruptor electrónico 1307.
\vskip1.000000\baselineskip
Otros ejemplos
El ejemplo 1 mostrado para el inversor de conmutación a tensión cero de interruptor único (1SW-ZVS) puede ser aplicado a un inversor de semipuente de manera conforme, por ejemplo, para reducir una velocidad de encendido de un interruptor electrónico. La figura 16 muestra un esquema de circuito para una implementación a modo de ejemplo.
La figura 16 representa dos circuitos 1601 y 1602 con un circuito de activación que es controlado en dos fases. Cada uno de estos circuitos 1601 y 1602 se corresponde con el mostrado en la figura 8. La unidad de control de cada circuito 1601 y 1602 es accionada por una unidad de control 1603 común. Además, está previsto un suministro de potencia 1604 para el circuito 1601, y está previsto un suministro de potencia 1605 para el circuito 1602.
La figura 17 muestra el inversor de semipuente alimentado por tensión resonante en serie de la figura 13 con un grupo ajustable de capacitores resonantes que pueden ser activados y desactivados usándose, por ejemplo, interruptores bipolares bidireccionales.
Por lo tanto, los capacitores 1309 y 1310 son reemplazados en la figura 17 por varias conexiones en serie de capacitores (1701 y 1702; 1703 y 1704; 1705 y 1706), donde cada conexión en serie puede ser activada o desactivada por un interruptor (por ejemplo, un interruptor electrónico) 1707 a 1709. Cada uno de los dos capacitores conectados en serie tiene una capacitancia C_{res(i)}/2, donde (i) indica el número de la conexión en serie (esto es, la conexión en serie i = 1 comprende los capacitores 1701, 1702; i = 2 comprende los capacitores 1703, 1704, e i = N comprende los capacitores 1705, 1706).
Ha de señalarse que se pueden prever varias ramas de capacitores resonantes. Cada rama puede ser activada o desactivada por separado mediante un interruptor asociado con esta rama particular.
En esta situación de la figura 17, la conmutación a tensión cero (ZVS) por encima de una frecuencia de resonancia puede ser asegurada para un intervalo de frecuencia de conmutación predeterminado, independientemente de los parámetros de la carga de calentamiento por inducción.
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Otras ventajas
Las soluciones proporcionadas con la presente solicitud permiten evitar el funcionamiento que no sea de conmutación a tensión cero (ZVS) en el encendido en una situación de inversor de conmutación a tensión cero (ZVS) de interruptor único. Los ejemplos primero y segundo pueden así limitar la cresta de la corriente debido a la carga y/o descarga forzada del capacitor resonante. El primer ejemplo permite limitar la cresta de la corriente descargando al menos parcialmente un capacitor de filtro de bus, evitando de ese modo ruido audible.
El segundo ejemplo puede ser implementado añadiéndose un conjunto de circuitos económicos a un inversor existente. Ventajosamente, se puede conseguir un control más preciso de la corriente de la cresta.
El tercer ejemplo reduce o evita ventajosamente el funcionamiento bajo condiciones que no sean de conmutación a tensión cero (ZVS).
Esta solución puede ser aplicada también a topologías de inversor diferentes al inversor de semipuente.

Claims (15)

1. Circuito para controlar al menos una carga de calentamiento por inducción, que comprende
-
al menos un elemento de conexión;
-
una unidad de control que acciona el al menos un elemento de conexión,
-
donde el al menos un elemento de conexión está conectado a la al menos una carga de calentamiento por inducción,
-
donde la unidad de control está dispuesta para poner en funcionamiento al menos parcialmente el al menos un elemento de conexión en un modo de funcionamiento esencialmente lineal.
\vskip1.000000\baselineskip
2. Circuito según la reivindicación 1, donde la unidad de control suministra un número de impulsos al elemento de conexión con el fin de poner en funcionamiento sustancialmente el elemento de conexión en el modo de funcionamiento lineal.
3. Circuito según cualquiera de las reivindicaciones enunciadas anteriormente, donde la unidad de control acciona el al menos un elemento de conexión aplicando una señal polifásica.
4. Circuito según cualquiera de las reivindicaciones enunciadas anteriormente, donde la unidad de control acciona el al menos un elemento de conexión en dos fases ocultando una primera señal por una segunda señal.
5. Circuito según cualquiera de las reivindicaciones enunciadas anteriormente, donde el al menos un elemento de conexión es parte de un convertidor, en particular, de un inversor, que comprende al menos un capacitor de resonancia.
6. Circuito según la reivindicación 5, donde el convertidor comprende varios capacitores de resonancia que pueden ser conectados o desconectados individualmente.
7. Circuito según cualquiera de las reivindicaciones 5 ó 6, donde el convertidor comprende varios capacitores de resonancia que están conectados en paralelo, donde cada capacitor de resonancia en paralelo puede ser conectado o desconectado.
8. Circuito según cualquiera de las reivindicaciones 5 a 7, donde dicho inversor es un inversor de interruptor único, un circuito de semipuente o un circuito de puente completo.
9. Circuito según cualquiera de las reivindicaciones enunciadas anteriormente, donde dicho elemento de conexión es un dispositivo controlado por la tensión.
10. Circuito según cualquiera de las reivindicaciones enunciadas anteriormente, donde el elemento de conexión comprende al menos uno de los siguientes:
-
un IGBT (transistor bipolar de puerta aislada);
-
un MOSFET (transistor de efecto de campo metal-óxido semiconductor);
-
un transistor;
-
un BICMOS (Bipolar Complementary Metal Oxide Semiconductor, o metal-óxido semiconductor complementario bipolar).
\vskip1.000000\baselineskip
11. Método para controlar al menos una carga de calentamiento por inducción que es accionada por al menos un elemento de conexión,
-
donde una unidad de control proporciona una señal para controlar el al menos un elemento de conexión
-
donde dicha señal pone en funcionamiento al menos parcialmente el al menos un elemento de conexión en un modo de funcionamiento esencialmente lineal.
\vskip1.000000\baselineskip
12. Método según la reivindicación 11, donde la unidad de control controla el al menos un elemento de conexión a través de una señal polifásica.
\newpage
13. Método según la reivindicación 12, donde dicha señal polifásica comprende al menos dos niveles diferentes de tensión.
14. Método según cualquiera de las reivindicaciones 11 a 13, donde el al menos un elemento de conexión es parte de un inversor que comprende varios capacitores de resonancia que pueden ser conectados o desconectados,
-
donde los varios capacitores de resonancia son conectados y desconectados para ajustar una potencia de salida del inversor.
\vskip1.000000\baselineskip
15. Dispositivo doméstico de calentamiento que comprende el circuito según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 10.
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