FR2573604A1

FR2573604A1 - Electronic power device for induction heating

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Publication number: FR2573604A1
Application number: FR8418231A
Authority: FR
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1984-11-22
Filing date: 1984-11-22
Publication date: 1986-05-23

Abstract

Electronic power device designed for induction heating, consisting of a series oscillating circuit L1-C1, switched over by two electronic switches THY1-THY2, serving to charge and discharge the circuit L1-C1. These two phases generate energy in the utensil to be heated CH. A large number of applications can be envisaged: culinary cooking surface for example.

Description

La présente invention a pour objet les disnositifs de puissance pour chauffage a induction. The present invention relates to power devices for induction heating.

De nombreux circuits sont d'ores et déjà connus. Ces circuits peuvent être classés en catégories.Many circuits are already known. These circuits can be classified into categories.

- Les circuits produisant une forme d'onde sinusoidale, conforme pour exemple au schéma fig. 1, forme d'onde fig. 2 - Les circuits produisant une forme d'onde demi-sinusoïdale, conforme pour exemple au schéma fig. 3, forme d'onde fig. 4 - les circuits produisant une forme d'onde A front raide, suivie d'une oscillation sinusoïdale à fréquence plus élevée que la fréquence de récurance (ou de relance) permettant la remise en condition initiale du circuit. Flg 5
Tous ces circuits fonctionnent à des fréquences de
- @@@@@@ de l'ordre de 20 à 35 K.Hz soit un cycle récurant de 28 à 50 s; pour des applications de chauffage culinaire industrielles ou ménageres. - The circuits producing a sinusoidal waveform, conforming for example to the diagram fig. 1, waveform fig. 2 - The circuits producing a half-sinusoidal waveform, conforming for example to the diagram fig. 3, waveform fig. 4 - the circuits producing a waveform with a steep front, followed by a sinusoidal oscillation at a higher frequency than the recursion frequency (or restart) allowing the initial condition of the circuit to be restored. Flg 5
All these circuits operate at frequencies of
- @@@@@@ of the order of 20 to 35 K.Hz, ie a recurring cycle of 28 to 50 s; for industrial or household culinary heating applications.

En analysant les différentes phases de fonctionnement d'un circuit conforme à la fig. 5, ayant pour valeurs L1 : 35 L2 : lm.E, Cl : .45 pF, C2 : 10 nF, R1 : 68 #
Les sondes de l'oscilloscope étant connéctées : réf. point 0, sonde n 1 point 1, visualise une forme d'onde conforme à la fig. 6, courbe C.By analyzing the different operating phases of a circuit according to fig. 5, having the values L1: 35 L2: lm.E, Cl: .45 pF, C2: 10 nF, R1: 68 #
The oscilloscope probes being connected: ref. point 0, probe n 1 point 1, displays a waveform in accordance with fig. 6, curve C.

Sonde n 2 point 2, visualise une forme d'onde conforme à la fig. 6, courbe D.Probe n 2 point 2, displays a waveform in accordance with fig. 6, curve D.

La phase 1 fig. 6, courbe e et D correspond à la fermeture du thyristor (THY 1) due à un signal de commande envoyée sur sa gachette, et à la charge du circuit L1, Cl. Phase 1 fig. 6, curve e and D corresponds to the closing of the thyristor (THY 1) due to a control signal sent on its trigger, and to the load of the circuit L1, Cl.

Durée de cette phase : 8ys
La phase 2, correspond au blocage de THY1 due aux surtensions il, C1 mettant la diode Dl en conduction, pour la durée de cette phase : 10 s. @ la phase 3, correspond à l'ouverture de D1, après écoulement de l'énergie de la phase 2 vers la source* et décharge de B1, C1 par la self T2 monte en parallèle, dure de la phase : 22
La phase 4, le cycle récurant recommence.Duration of this phase: 8ys
Phase 2, corresponds to the blocking of THY1 due to overvoltages il, C1 putting the diode Dl in conduction, for the duration of this phase: 10 s. @ phase 3, corresponds to the opening of D1, after flow of the energy from phase 2 to the source * and discharge of B1, C1 by the self T2 rises in parallel, duration of the phase: 22
Phase 4, the recurring cycle begins again.

Pour qu'un circuit de ce type fonctionne correcte- ment, il faut outre le fait évident de ne pas dépasser les tensions et les intensités tolérables par l'ensemble des composant, ainsi que les températures , que le temps de conduction de la diode D1 (Phase 2) soit supérieure au TQ de THY1. For a circuit of this type to function correctly, it is necessary besides the obvious fact of not exceeding the voltages and the intensities tolerable by all the components, as well as the temperatures, that the conduction time of the diode D1 (Phase 2) is greater than the TQ of THY1.

TQ = temps de désamorçage par commutation du circuit. TQ = deactivation time by circuit switching.

En d'autres termes, il est nécessaire que les surtensions de
L1, C1 dues à la résonnance de ce circuit, fassent conduire la diode D1 pendant un temps supérieure au TQ de THY1.In other words, it is necessary that the overvoltages of
L1, C1 due to the resonance of this circuit, cause the diode D1 to drive for a time greater than the TQ of THY1.

Dans l'exemple : TQ du thyristor 7 ps
Temps de conduction de la diode D1= 10 s
Marge de sécurité 3 s
Cette condition étant remplie, le thyristor THY1, à récupéré ces facultés de blocage initiale, le cycle peut continuer en toute sécurité : décharge du circuit T1, C1 par T2
Il est important pour conservez un fonctionnement correct, les valeurs de T1, C1 étant définies, de ne ras utiliser un thyristor de TQ plus lent, de même qu'il ne faut pas diminuer outre mesure la valeur de C1, pour conserver la marge de sécurité issue de la différence entre le TQ de THY1, et le temps de conduction de D1
il est important également de remarquer, que l'énergie que transmet la self L1 à l'objet récepteur à induire, (casserole, par exemple) nommé charge (C.H), se situe en phase 1 et 2, soit pour les valeurs pré-citées sur une oscillation de 18 s de durée.In the example: TQ of thyristor 7 ps
Conduction time of diode D1 = 10 s
Safety margin 3 s
This condition being fulfilled, the thyristor THY1, having recovered these initial blocking faculties, the cycle can continue in complete safety: discharge of the circuit T1, C1 by T2
It is important to keep correct functioning, the values of T1, C1 being defined, not to use a thyristor of TQ slower, just as it is not necessary to decrease excessively the value of C1, to preserve the margin of safety resulting from the difference between the TQ of THY1, and the conduction time of D1
It is also important to note that the energy that the self L1 transmits to the receiving object to be induced (pan, for example) called charge (CH), is in phase 1 and 2, either for the pre- cited on an oscillation of 18 s duration.

La phase 3 : décharge du circuit L1, C1 par L2 étant de 22 s de durde, et le cycle de récurance de 40 s.Phase 3: discharge of the circuit L1, C1 by L2 being 22 s of duration, and the recursion cycle of 40 s.

Cette phase 3, ne transmet pas d'énergie à la charge (CH), son utilitée réside dans le fait que B2 associé à L1, C1 forme un circuit résonnant parallèle à fréquence basse, due à la forte valeur de L2 (1 mH), fig. 6 : partie de courbe phase 3 et pointillés 5
Le circuit résonnant parallèle ayant la particularité de se décharger automatiquement dès qu'il n'est plus alimenté, ce qui se passe à l'ouverture de D1 ; d'autre part, cette oscillation lente entraine le point 1 fig. 5, bien en dessous de la référence négative du circuit ligne B, fig. 6, Phase 3
Ce qui permet en réamorçant THYl a un moment ou le point 1 est fortement négatif, de provoquer une montée brutale de ce point, au niveau tension de la ligne A, par voie de conséquence, une grande énergie est accumulée dans T1, Cl. This phase 3, does not transmit energy to the load (CH), its utility lies in the fact that B2 associated with L1, C1 forms a parallel resonant circuit at low frequency, due to the high value of L2 (1 mH) , fig. 6: phase 3 and dotted curve part 5
The parallel resonant circuit having the particularity of discharging automatically as soon as it is no longer supplied, which happens at the opening of D1; on the other hand, this slow oscillation leads to point 1 fig. 5, well below the negative reference of the line B circuit, fig. 6, Phase 3
Which allows by re-priming THYl at a time when point 1 is strongly negative, to cause a sudden rise of this point, at the voltage level of line A, consequently, a great energy is accumulated in T1, Cl.

Dans le circuit décrit ci-dessus, si l'on change la durée du cycle de rkcurance, sans changer les valeurs L1, 12,
C1, par exemple de 40 s à 50 ps, il est important de constater, que la durée de la phase 1 reste identique, étant liée à la fréquence de résonnance du circuit T1, C1 série, qui bloquera toujours THY 1, dans le même temps.In the circuit described above, if we change the duration of the insurance cycle, without changing the values L1, 12,
C1, for example from 40 s to 50 ps, it is important to note that the duration of phase 1 remains identical, being linked to the resonance frequency of the circuit T1, C1 series, which will always block THY 1, in the same time.

- La phase 2 variera très peu, étant liée b la quantité d'énergie accumulée dans le circuit L1, C1 - La phase 3 variera de 10 s, moins la différence de temps de conduction de la diode Dl, différence faible, due à un léger écart d'énergie accumulé. - Phase 2 will vary very little, being linked to the amount of energy accumulated in the circuit L1, C1 - Phase 3 will vary by 10 s, minus the difference in conduction time of the diode Dl, small difference, due to a slight difference in accumulated energy.

Eh considérant le schéma de la fig. 7, utilisant les mêmes valeurs de comrosants, il est à noter, que la charge du circuit L1, C1 série, obtenue en passant par la self T2, en série également, et que la décharge brutale du circuit oscillant est assuré par la commutation de THY 1
Avec ce circuit, on obtient des courbes équivalentes au schéma fig. 3, courbes fig. 6 et 7, mais en inverse. La charge du circui étant lente, due à L2 et ne produit pas d'énergie dans 11. Eh considering the diagram of fig. 7, using the same values of components, it should be noted that the charge of the circuit L1, C1 series, obtained by passing through the choke T2, also in series, and that the sudden discharge of the oscillating circuit is ensured by the switching of THY 1
With this circuit, we obtain curves equivalent to the diagram in fig. 3, curves fig. 6 and 7, but vice versa. The charge of the circui being slow, due to L2 and does not produce energy in 11.

La décharge brusque, via THY 1 étant génératrice d'énergie, schéma fig. 8, courbes E et F . The sudden discharge, via THY 1 being generator of energy, diagram fig. 8, curves E and F.

La Drésente invention prend appui sur cette analyse, principalement sur le fait que : en chargeant,ou en déchargeant brusquement un circuit L.C série, de valeur définie, sa résonnance, génératrice de surtensions bloquera toujours le thyristor le commandant, dans le même temps et ceci, quelque soit la tension de la source, et quelque soit la fréquence de récurance imposée au circuit ; d'où le schéma fig. 9, conforme à l'invention sur lequel on peut voir un circuit L.C. composé d'éléments de même valeur que le schéma fig. 5, commandé pour charger le circuit
L1, C1 par l'interrupteur électronique THY 1, et commandé pour décharger le dit circuit par un autre interrupteur él@ctronique
THY 2 . Le circuit ne présente à L1, CI qu'une différence de potentiel égale à la source qui l'alimente nar ces lignes A et B, ne bénéficiant plus de la décharge oscillante de L2
Fonctionnement du circuit fig. 9, planche 3/S, conforme à l'invention : Une impulsion sur la vachette de
THY 1, fig. 10, courbe G, provoque sa conduction qui charge le circuit L1, C1. La résonnance du circuit T1, C1 bloque (ou ouvre) THY 1, 8 us plus tard, ce qui imnlique la conduction de D1, pour écouler l'énergie conséquente à la résonnance, et non absorbée par la charge (CH), vers la source.Ceci étant fait, la diode D1 s'ouvre, n'ayant plus de tension de niveau supérieur@à la source à écouler.The present invention is based on this analysis, mainly on the fact that: by suddenly loading or unloading a serial LC circuit, of defined value, its resonance, generating overvoltages will always block the thyristor controlling it, at the same time and this , whatever the voltage of the source, and whatever the frequency of recursion imposed on the circuit; hence the diagram fig. 9, in accordance with the invention on which an LC circuit can be seen composed of elements of the same value as the diagram in fig. 5, ordered to charge the circuit
L1, C1 by the electronic switch THY 1, and controlled to discharge the said circuit by another electronic switch
THY 2. The circuit presents at L1, CI only a potential difference equal to the source which supplies it by these lines A and B, no longer benefiting from the oscillating discharge of L2
Circuit operation fig. 9, plate 3 / S, in accordance with the invention: An impulse on the cowhide of
THY 1, fig. 10, curve G, causes its conduction which charges the circuit L1, C1. The resonance of the circuit T1, C1 blocks (or opens) THY 1, 8 us later, which imnllates the conduction of D1, to drain the energy consequent to the resonance, and not absorbed by the load (CH), towards the This being done, the diode D1 opens, no longer having a higher level voltage @ than the source to be drained.

Le circuit T1, C1 reste charge, ne disDosant plus d'une self parallèle T2 comme dans le schéma fig. 5
Pour décharger le circuit 11, C1, il est nécessaire d'envoyer une impulsion sur la gachette de commande de THY 2, fig. 10, courbe H, se qui le met en conduction, et permet d'écouler l'énergie accumulée dans le circuit T1, C1, via THY 2 et D2
THY 2 se bloquera 8 jis plus tard selon les mimes critères que
THY 1 . Le circuit est positionné pour le cycle récurant suivant.The circuit T1, C1 remains charged, no longer having a parallel choke T2 as in the diagram fig. 5
To discharge the circuit 11, C1, it is necessary to send a pulse to the trigger of THY 2, fig. 10, curve H, which turns it on, and allows the energy accumulated in the circuit T1, C1 to flow, via THY 2 and D2
THY 2 will crash 8 days later according to the same criteria as
THY 1. The circuit is positioned for the next scouring cycle.

IL est important de remarquer
1 Le temps de repos après conduction des thyristors n'est plus tributaire du temps de conduction des diodes D1etD2. It is important to note
1 The rest time after conduction of the thyristors is no longer dependent on the conduction time of the diodes D1 and D2.

Il est donc possible avec le schéma fig. 9, conforme à l'invention, d'imposer un temps de repos. après conduction, adaptée aux types de thyristors employés, sachant que, pour les valeurs B1, C1, pré-citées, le temps de conduction des thyristors est égale à 8 s, et le temps de conduction des diodes à 10 s .It is therefore possible with the diagram fig. 9, according to the invention, to impose a rest time. after conduction, suitable for the types of thyristors used, knowing that, for the values B1, C1, mentioned above, the conduction time of the thyristors is equal to 8 s, and the conduction time of the diodes to 10 s.

En fixant la fréquence de commande de gachettes par exemole, à 20 K.Hz, soit un cycle récurant de 50 s, et, en grenant soin d'assurer un décalage de 25 s sur la commande de THY 2, fig.tO, courbe G et H
Le temps de repos de chaque thyristor sera de 25 s moins 8 s de temps de conduction, soit 17 us.By setting the trigger control frequency for example, at 20 K.Hz, i.e. a scouring cycle of 50 s, and, taking care to ensure an offset of 25 s on the control of THY 2, fig.tO, curve G and H
The rest time of each thyristor will be 25 s minus 8 s of conduction time, or 17 us.

Dans l'exemple, les thyristors pourront être séléctionnés en
TQ, jusqu'à 12 s, en conservant une marge de sécurité de 5 s.In the example, the thyristors could be selected by
TQ, up to 12 s, retaining a safety margin of 5 s.

Un cycle récurant plus lent augmente le temps de repos.A slower scouring cycle increases the rest time.

2 La charge et la décharge du circuit L1, CI transmet de l'énergie via L1 à l'objet métallique récepteur (CH) placé en regard de L1 . 2 The charge and discharge of the circuit L1, CI transmits energy via L1 to the receiving metal object (CH) placed opposite L1.

Soit dans l'exemple tous les 25 8, planche 3/4 fig.10, coùrbe 4, ou deux fois par cycle récurant de 50 s.Either in the example every 25 8, board 3/4 fig. 10, coùrbe 4, or twice per scouring cycle of 50 s.

Comparativement au circuit de la fig.5, dans les mimes conditions le temps de repos de THY1 est toujours de 10 ps, et l'énergie transmise, via L1 à l'objet récepteur (CH) n'est fourni que tous les 50 s; soit une seule fois par cycle récurant.Compared to the circuit in fig. 5, in the same conditions the rest time of THY1 is always 10 ps, and the energy transmitted, via L1 to the receiving object (CH) is only supplied every 50 s ; or only once per recurring cycle.

3 La décharge du circuit L1, C1 n'étant plus assujetti à l'ouverture de la diode D1, et disposant d'un temps de repos après son ouverture, peut également être plus lente. 3 The discharge of the circuit L1, C1 is no longer subject to the opening of the diode D1, and having a rest time after its opening, can also be slower.

Exemple : Le schéma de la fig.5 préconise un thyristor de 7 s de TQ et une diode de 150 n.s de trr (trr : temps de recouvrement inverse)
Le schéma conforme à l'invention peut être équipé de diodes disnosant d'un trr de 250 nS ou plus, le temps de repos étant de 7 Ps dans l'exemple.Example: The diagram in fig. 5 recommends a thyristor of 7 s of TQ and a diode of 150 ns of trr (trr: reverse recovery time)
The diagram according to the invention can be fitted with disnosing diodes with a trr of 250 nS or more, the rest time being 7 Ps in the example.

La puissance issue du schéma conforme à l'invention pour une valeur de cycle récurant définie, est liée aux valeurs
L1, Cl, et doivent être des valeurs permettant un temps de repos après conduction offrant une bonne sécurité.The power from the diagram according to the invention for a defined recurring cycle value is linked to the values
L1, Cl, and must be values allowing a rest time after conduction offering good security.

Ainsi qu'à la tension continue disponible sur les lignes A et B.As well as the DC voltage available on lines A and B.

En effet, ne disposant plus de la self L2, fig. 5, la tension offerte au circuit T1, CI n'est que de 320 Volts continu environ, pour un réseau de 220 Volts
Comparer au schéma fig. 5, courbe C, la tension dè charge passe de moins 600 Volts à plus 320 Volts (Fin de phase 3), et, consomme 1800 Watts; il est donc nécessaire de disposer sur les lignes
A-B, d'une tension plus haute.Indeed, no longer having the L2 choke, fig. 5, the voltage offered to the circuit T1, CI is only about 320 Volts continuous, for a network of 220 Volts
Compare to the diagram in fig. 5, curve C, the charging voltage goes from minus 600 Volts to plus 320 Volts (End of phase 3), and consumes 1800 Watts; it is therefore necessary to have on the lines
AB, of a higher tension.

Plusieurs solutions sont possibles pour exemple et non limitatif - Une solution simple consiste à alimenter le schéma fig. 9 sur un réseau 380 Volts - soit 510 Volts continu environ0 En conservant un réseau 220 Volts - , une autre solution illustrés fig 11, planche 4/4. Les lignes A-B, dans cette configuration présentent une tension de l'ordre de 650 Volts environ il est nécessaire de disposer d'un ensemble THY diodes, offrant une tenue en tensions suffisament Haute.Several solutions are possible for example and not limiting - A simple solution consists in feeding the diagram fig. 9 on a 380 Volts network - about 510 Volts continuous approx. 0 Keeping a 220 Volts network - another solution illustrated in fig 11, plate 4/4. The lines A-B, in this configuration have a voltage of the order of 650 Volts approximately, it is necessary to have a set of THY diodes, offering a sufficiently high voltage withstand.

- Une autre est illustrée fig. 12, toujours sur un réseau 220 Vol en remplaçant l'un des thyristors assymétrique par un thyristor symétrique, disposant d'un TQ de 7 s à 15 s par exemple, et, en supprimant la diode anti-parallèle qui lui est associée. - Another is illustrated in fig. 12, still on a 220 Vol network by replacing one of the asymmetric thyristors with a symmetrical thyristor, having a TQ of 7 s to 15 s for example, and, by removing the anti-parallel diode which is associated with it.

le THY, symétrique permet au point 1 de dépasser le niveau tension de la ligne source qui le concerne (Ligne B dans l'exemp- le) fig. 12, courbe K et L, comme le permettait la self L2 du schéma fig. 5 . La commutation du THY symétrique génère peu de puissance dans la charge (CH), mais le dénassement de 200 Volts dans l'exemple sous la référence (Ligne B) permet une charge sous une tension de 630 Volts environ. THY, symmetrical, allows point 1 to exceed the voltage level of the source line which concerns it (Line B in the example) fig. 12, curve K and L, as allowed by the self L2 of the diagram fig. 5. Switching the symmetrical THY generates little power in the load (CH), but the derating of 200 Volts in the example under the reference (Line B) allows a load under a voltage of approximately 630 Volts.

Claims

1 Electronic power device for inductia heating composed of an oscillating circuit L1, C1, the choke Il acting as primary winding, the secondary winding being constituted by the load to be heated.

Characterized by the fact that the charge of circuit T1, Cl1 series, consisting of a single capacitor and a single choke is controlled by an electronic switch. The discharge of said circuit being controlled. by another electronic switch, making this circuit very powerful, while offering the possibility of using asymmetric or symmetrical thyristors, and less efficient diodes in TQ and trr, or transistors.

This circuit can be supplied with high voltages.

2 electronic power device for induction heating according to claim 1, characterized rar the fact that the phase, charge of the circuit LI, Cl, as well as the discharge phase, both generate energy in the choke L1.

3 electronic power device for induction heating according to claim 1 and 2, characterized in that the energy transmitted to the inductor L1 in the phase, discharge of the circuit L1, C1, draws no energy from the network.

4 electronic power device for induction heating: according to claim 1, .lcaractdrisd in that the end of the rest time after conduction of the electronic switches is consequent to the closure of the electronic switch triggering the next phase.

2 electronic power device for induction heating according to claim 1 and 4, characterized in that the circuit allows the use of thyristors and diodes having TO and trr characteristics less efficient than in known circuits.

6 Electronic power device for induction heating according to claim 1, characterized in that by associating a symmetrical thyristor, without anti-parallel diode, with an asymmetric thyristor, the circuit develops, under an identical potential difference, available on lines A and 3, and at the same recursion frequency, more power.

7 electronic power device for induction heating according to claim 1, characterized in that the potential difference on lines A and B, supplying circuit 11, Cl, can be close to repetitive maximum voltages, admissible by the active components .

Different types of food achieve this goal.