WO2024160664A1 - Induktionskochfeldvorrichtung - Google Patents

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WO2024160664A1
WO2024160664A1 PCT/EP2024/051869 EP2024051869W WO2024160664A1 WO 2024160664 A1 WO2024160664 A1 WO 2024160664A1 EP 2024051869 W EP2024051869 W EP 2024051869W WO 2024160664 A1 WO2024160664 A1 WO 2024160664A1
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WO
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induction hob
bus capacitor
hob device
switching elements
mains
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Ceased
Application number
PCT/EP2024/051869
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English (en)
French (fr)
Inventor
Diego Puyal Puente
Nicolas Blasco Rueda
Arturo Acevedo Simon
Jorge ESPAÑOL LEZA
Jorge VILLA LOPEZ
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
BSH Hausgeraete GmbH
Original Assignee
BSH Hausgeraete GmbH
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Ceased legal-status Critical Current

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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
    • H05B6/06—Control, e.g. of temperature, of power
    • H05B6/062—Control, e.g. of temperature, of power for cooking plates or the like

Definitions

  • the invention relates to an induction hob device according to the preamble of claim 1 and a method for operating an induction hob device according to the preamble of claim 12.
  • Induction hob devices with at least one bus capacitor which can be connected upstream of an inverter, for example, are already known from the prior art.
  • the bus capacitor is temporarily at least partially or completely discharged, for example to prevent noise.
  • Previously known methods for discharging bus capacitors for example via high-resistance resistors, are associated with high electrical losses, so that the efficiency of previously known induction hob devices with regard to discharging bus capacitors is disadvantageously very low.
  • the object of the invention is in particular, but not limited to, providing a generic device with improved properties in terms of efficiency.
  • the object is achieved according to the invention by the features of claims 1 and 12, while advantageous embodiments and further developments of the invention can be found in the subclaims.
  • the invention is based on an induction hob device with at least one bus capacitor, with at least one rectifier and with a mains connection for connection to a power supply network, wherein the bus capacitor is connected to the mains connection via the rectifier via at least one first charging path for charging during a positive mains voltage sub-cycle and via at least one second charging path for charging during a negative mains voltage sub-cycle.
  • the induction hob device has a discharge unit which comprises at least two switching elements for temporarily discharging the bus capacitor via the power supply network, wherein one of the switching elements as a high-side switching element and one of the switching elements is designed as a low-side switching element and the switching elements are provided to enable a discharge path from the bus capacitor back to the mains connection in a closed state and that the induction hob device comprises a driver unit for controlling the discharge unit, which has a high-side driver for controlling the high-side switching element and a bootstrap circuit for supplying energy to the high-side driver.
  • Such a design can advantageously provide an induction hob device with improved properties in terms of efficiency.
  • a periodic at least partial discharge of the bus capacitor with negligible losses can be made possible.
  • up to 10W per phase can advantageously be saved if the discharge unit comprises at least two switching elements for temporarily discharging the bus capacitor via the power supply network, which in a closed state enable a discharge path from the bus capacitor back to the mains connection.
  • the induction hob device can advantageously enable particularly efficient cooking utensil detection based on inverter power measurements at high sampling rates.
  • an energy supply to the high-side driver can advantageously be simplified by means of the bootstrap circuit, for example by dispensing with transformers in the power supply of the high-side switch.
  • direct control can advantageously be made possible at low frequencies without an otherwise required pulse transformer.
  • the bootstrap circuit can be used to supply power to additional units if required, for example a measuring unit for measuring a line current via a shunt resistor, which can advantageously improve efficiency even further.
  • an “induction hob device” is to be understood as at least one part, in particular a subassembly, of an induction hob, which may also include accessory units for the hob, such as a sensor unit for externally measuring a temperature of a Cooking utensils and/or food.
  • accessory units for the hob such as a sensor unit for externally measuring a temperature of a Cooking utensils and/or food.
  • Induction hob device also includes the entire induction hob.
  • An induction hob having the induction hob device comprises at least one inductor which, in at least one operating state, provides energy in the form of an alternating electromagnetic field to at least one object, in particular to a cooking utensil, and an inverter unit with at least two inverter switching elements for supplying energy to the inductor.
  • the inverter switching elements of the inverter unit can be designed as semiconductor switching elements, in particular as transistors, for example as a metal oxide semiconductor field effect transistor (MOSFET) or organic field effect transistor (OFET), advantageously as a bipolar transistor with preferably an insulated gate electrode (IGBT).
  • MOSFET metal oxide semiconductor field effect transistor
  • OFET organic field effect transistor
  • IGBT insulated gate electrode
  • the at least one bus capacitor of the induction hob device is preferably arranged electrically parallel to the at least two inverter switching elements of the inverter unit in an assembled state of the induction hob having the induction hob device.
  • the mains connection of the induction hob device is intended for connection to a multi-phase power supply network.
  • the induction hob device In an operating state, the induction hob device is connected to the power supply network via the mains connection and is supplied with an alternating mains voltage.
  • the alternating mains voltage changes its electrical polarity periodically within a mains voltage cycle, the period duration of which corresponds to the reciprocal of the mains frequency, whereby the period duration lasts, for example, 20 ms at a mains frequency of 50 Hz, which is typical for European power supply networks.
  • the alternating mains voltage has a positive electrical polarity and during the negative mains voltage sub-cycle, which corresponds to half the period duration of the alternating mains voltage, the alternating mains voltage has a negative electrical polarity.
  • the rectifier is at least temporarily connected to the mains connection and is intended to rectify the AC mains voltage present at the mains connection in the operating state, preferably into a pulsating DC voltage.
  • the rectifier is preferably designed as a single-phase Full-wave rectifier. Alternatively, however, the use of a multi-phase full-wave rectifier, in particular a three-phase rectifier, is also conceivable without departing from the scope of the invention described above and below.
  • the rectifier preferably comprises at least four rectifier elements, in particular diodes and/or thyristors and/or transistors and/or the like, which, in at least one switching state, enable a current flow in a forward direction and, in at least one further switching state, block a current flow in a reverse direction.
  • the induction hob device comprises a filter unit which is connected upstream of the rectifier and is intended to reduce interference.
  • the filter unit can comprise at least one filter capacitor and at least one filter coil.
  • the discharge unit is provided for at least partial or complete discharge of the bus capacitor within at least one mains voltage sub-cycle and for this purpose has at least two switching elements which, in their closed state, enable the discharge path.
  • the discharge unit can be provided for at least partial or complete discharge of the bus capacitor within the positive mains voltage sub-cycle, wherein for this purpose one of the switching elements is arranged electrically parallel to one of the rectifier elements of the rectifier unit which are assigned to the positive charging path and the switching elements are provided to bridge these rectifier elements in their closed state for the partial or complete discharge of the bus capacitor.
  • the discharge unit can alternatively or additionally be provided for the partial or complete discharge of the bus capacitor within the negative mains voltage sub-cycle, whereby for this purpose one of the switching elements is arranged electrically parallel to one of the rectifier elements of the rectifier unit, which are assigned to the positive charging path and the switching elements are provided to bridge these rectifier elements in their closed state for the partial or complete discharge of the bus capacitor.
  • the discharge unit is provided for at least partial or complete discharge of the bus capacitor via a first discharge path within the positive mains voltage sub-cycle and via a second discharge path within the negative mains voltage sub-cycle and for this purpose has at least four switching elements, two of the switching elements being designed as high-side switching elements and two of the switching elements being designed as low-side switching elements, and one of the switching elements being arranged electrically parallel to one of the rectifier elements of the rectifier unit.
  • a “high-side switching element” is to be understood as a switching element which, in an assembled state of the induction hob device, is arranged between a positive conductor, in particular a current-carrying conductor, of the mains connection and an electrical load, in particular the bus capacitor.
  • a “low-side switching element” is to be understood as a switching element which, in the assembled state of the induction hob device, is arranged between a negative conductor, in particular a neutral conductor and/or zero conductor, of the mains connection and the electrical load, in particular the bus capacitor.
  • the switching elements of the discharge unit can be designed as unidirectional switching elements, i.e. in the closed state they enable a current flow in a first direction and block it in a second direction opposite to the first direction. It is also conceivable that the switching elements are designed as bidirectional switching elements, i.e. in the closed state they enable a current flow both in a first direction and in a second direction opposite to the first direction.
  • the discharge unit can be at least partially formed as one piece with the rectifier.
  • the fact that two units are "partially formed as one piece" is to be understood as meaning that the units have at least one, in particular at least two, advantageously at least three common elements that are part of, in particular a functionally important part of, both units.
  • at least one rectifier switching element of the rectifier also functions as a switching element of the discharge unit.
  • the driver unit is designed to control the discharge unit and has a high-side driver for controlling the high-side switching element.
  • the driver unit preferably also has a low-side driver for controlling the low-side switching element.
  • the induction hob device preferably comprises at least one, preferably exactly one, control voltage source, which is intended to provide a direct voltage for supplying energy to the driver unit.
  • the induction hob device preferably has a control unit for controlling the driver unit.
  • the control voltage source is preferably provided for supplying energy to the control unit.
  • the control unit preferably comprises at least one control connection for controlling the high-side driver and at least one control connection for controlling the low-side driver.
  • the high-side driver is preferably connected to a control connection of the high-side switching element, permanently or temporarily via another switching element, for control.
  • the high-side driver can have one or more electrical resistors, which are provided for voltage adjustment of a control voltage on the high-side switching element and can form a voltage divider for this purpose.
  • the high-side driver comprises at least one high-side driver element, which is preferably designed as a semiconductor switching element.
  • the high-side driver element is galvanically decoupled from the control connection of the control unit in order to protect the control unit from overloading due to excessive voltages.
  • the low-side driver can be supplied with energy by the control voltage source indirectly via the control connection of the control unit for controlling the low-side driver.
  • the low-side driver is at a reference potential of the control voltage source, so that galvanic isolation of the low-side driver from the corresponding control connection of the control unit is not necessary.
  • the low-side driver comprises at least two low-side driver elements, which are designed as semiconductor switching elements and are interconnected in such a way that they form a non-inverting level converter.
  • a first low-side driver element can be designed as an NPN transistor and a second low-side driver element as a PNP transistor, and the low-side driver elements can form a non-inverting level converter in an NPN-PNP configuration.
  • the low-side driver may also comprise one or more electrical resistors, which may be connected, for example, to the input of the first low-side
  • the output of the second low-side driver element is for controlling preferably connected to a control terminal of the low-side switching element, permanently or temporarily via another switching element.
  • the bootstrap circuit is provided for supplying energy to the high-side driver, so that an additional control voltage source can advantageously be dispensed with.
  • the bootstrap circuit comprises at least one, preferably exactly one, bootstrap capacitor for temporarily storing the electrical energy required to supply energy to the high-side driver.
  • the bootstrap circuit also preferably comprises a diode which is electrically connected in series with the bootstrap capacitor.
  • the control voltage source of the induction hob device is preferably provided for providing the voltage required to charge the bootstrap capacitor.
  • a reference potential of the bootstrap circuit is preferably related to a conductor of the mains connection.
  • the bootstrap circuit comprises a bootstrap capacitor whose capacitance is lower than the capacitance of the bus capacitor.
  • a design can advantageously improve efficiency. Fast charging of the bootstrap capacitor can be enabled directly after activation of the control voltage source if the capacitance of the bootstrap capacitor is lower than the capacitance of the bus capacitor.
  • This also advantageously enables the discharge unit to be activated quickly if required, for example to discharge the bus capacitor in order to carry out cooking utensil detection directly after commissioning of a device having the induction hob device. Induction hob, can be made possible.
  • the capacitance of the bootstrap capacitor is at least a factor of 2 lower than the capacitance of the bus capacitor.
  • the capacitance of the bootstrap capacitor is advantageously at least a factor of 2.2, particularly advantageously at least a factor of 2.4, preferably at least a factor of 2.6, preferably at least a factor of 2.8 and particularly preferably at least a factor of 3.0 lower than the capacitance of the bus capacitor.
  • the bus capacitor can have a capacitance of 6.6 pF and the bootstrap capacitor can have a capacitance of between 1 pF and 2.2 pF.
  • the bootstrap circuit comprises at least one electrical resistor which is electrically connected in series with the bootstrap capacitor. This can advantageously further improve efficiency.
  • a limitation of inrush currents and thus the risk of damage to the bootstrap capacitor and/or other components of the induction hob device can be reduced if the bootstrap circuit comprises at least one electrical resistor which is electrically connected in series with the bootstrap capacitor.
  • the induction hob device has a power switch which is provided to establish or break an electrically conductive connection between the power supply and the rectifier.
  • a power switch which is provided to establish or break an electrically conductive connection between the power supply and the rectifier.
  • the induction hob device comprises a control voltage source which is intended to provide a direct voltage for supplying energy to the driver unit regardless of the switch position of the power switch.
  • a control voltage source which is intended to provide a direct voltage for supplying energy to the driver unit regardless of the switch position of the power switch.
  • the high-side driver comprises an optocoupler. This can advantageously further improve efficiency. It can advantageously enable galvanic isolation between the high-side driver and the control unit using simple technical means and at particularly low cost.
  • the discharge unit is provided to periodically discharge the bus capacitor. This can advantageously improve ease of use. Regular cooking utensil detection can be made possible.
  • the discharge unit can, for example, be provided to periodically discharge the bus capacitor at regular intervals of 60 milliseconds. Of course, other regular intervals for periodically discharging the bus capacitor by the discharge unit are also conceivable without departing from the scope of the present invention.
  • the switching elements of the discharge unit could be designed as mechanical and/or electromechanical switching elements, in particular as relays. In an advantageous embodiment, however, it is proposed that at least one of the switching elements is designed as a semiconductor switching element. Such a design can enable particularly fast and precise control of the switching element or the switching elements. Preferably, all switching elements of the discharge unit are designed as semiconductor switching elements.
  • the at least one switching element of the discharge unit could be designed, for example, as a bipolar transistor, in particular with an insulated gate electrode (IGBT) and/or as a thyristor-based switching element, for example as a DIAC or TRIAC or SCR or the like, and/or as a MOSFET.
  • IGBT insulated gate electrode
  • the at least one switching element of the discharge unit could be designed as a P-MOSFET.
  • at least one of the switching elements of the discharge unit is designed as an N-MOSFET.
  • the invention further relates to an induction hob with an induction hob device according to one of the previously described embodiments.
  • Such an induction hob is characterized in particular by the advantageous properties that can be achieved by the previously described features of the induction hob device.
  • the induction hob can have several of the previously described induction hob devices.
  • the invention further relates to a method for operating an induction hob device, in particular according to one of the previously described embodiments, with at least one bus capacitor, with at least one rectifier and with a mains connection for connection to a power supply network, wherein the bus capacitor is connected to the mains connection via at least one first charging path for charging during a positive mains voltage sub-cycle and via at least one second charging path for charging during a negative mains voltage sub-cycle via the rectifier.
  • the bus capacitor is temporarily discharged via the power supply network by means of a discharge unit which comprises at least two switching elements, one of the switching elements being designed as a high-side switching element and one of the switching elements as a low-side switching element, a discharge path from the bus capacitor back to the mains connection being enabled via the switching elements and the discharge unit being controlled via a driver unit which has a high-side driver for controlling the high-side switching element and a bootstrap circuit, the high-side driver being supplied with energy via the bootstrap circuit.
  • a particularly efficient operation of the induction hob device can advantageously be achieved by means of such a method.
  • the method preferably comprises at least five method steps.
  • the control voltage source can be activated and the bootstrap capacitor can be at least partially charged.
  • the power switch can be closed and the bus capacitor can be charged.
  • the closing of the mains switch is carried out during a zero crossing of an alternating mains voltage applied to the mains connection.
  • a, in particular The BUS capacitor can be discharged several times, preferably periodically, in succession by means of the discharge unit, whereby the BUS capacitor can be partially or completely discharged and whereby after each discharge the BUS capacitor is at least partially recharged via the first charging path and/or the second charging path.
  • the discharging of the BUS capacitor can be terminated.
  • the power switch can be opened.
  • the power switch can be opened during the positive mains voltage sub-cycle.
  • the power switch is preferably opened during the negative mains voltage sub-cycle. This can enable the bootstrap capacitor to be recharged more quickly.
  • the method can be carried out again. If the method is carried out again without switching off the control voltage source and discharging the bootstrap capacitor in the meantime, the first and second method steps can be omitted and the method can be started directly with the third method step.
  • the induction hob device should not be limited to the application and embodiment described above.
  • the induction hob device can have a number of individual elements, components and units that differs from a number stated herein in order to fulfill a function described herein.
  • a number of method steps of the method according to the invention for operating the induction hob device can differ from a number stated previously and/or subsequently.
  • Fig. 1 an induction hob with an induction hob device in a schematic representation
  • Fig. 2 the induction hob device in a schematic electrical circuit diagram with a bus capacitor, with a rectifier, with a mains connection, with a mains switch, with a discharge unit and with a driver unit which comprises a bootstrap circuit with a bootstrap capacitor,
  • Fig. 3 is a schematic process flow diagram illustrating a method for operating the induction hob device
  • Fig. 4 is a schematic diagram showing the course of various electrical parameters of the induction hob device during the implementation of the method
  • Fig. 5 is a simplified schematic electrical diagram of the induction hob device showing a charging path of the bootstrap capacitor
  • Fig. 6 is a simplified schematic electrical circuit diagram of the induction hob device showing charging paths of the bus capacitor
  • Fig. 7 is a simplified electrical schematic diagram of the induction hob device showing relevant current paths when the power switch is opened during a positive mains voltage sub-cycle and
  • Fig. 8 is a simplified schematic electrical diagram of the induction hob device showing relevant current paths when the power switch is opened during a positive mains voltage sub-cycle.
  • FIG. 1 shows an induction hob 50 in a schematic representation.
  • the induction hob 50 comprises a hob plate 52 and four inductors 54 which are mounted under the hob plate 52.
  • the induction hob 50 comprises a hob plate 52 and four inductors 54 which are mounted under the hob plate 52.
  • only one of the objects present in multiple copies is provided with a reference symbol.
  • the induction hob 50 has a main control unit 56 which includes an inverter unit (not shown) for supplying power to the inductors 54.
  • the induction hob 50 has an induction hob device 10. In an assembled state of the induction hob 50, the induction hob device 10 is connected to the inverter unit of the main control unit 56.
  • FIG. 2 shows a simplified and schematic electrical circuit diagram of the induction hob device 10.
  • the induction hob device 10 has a mains connection 16 for connection to a power supply network (not shown).
  • the induction hob device 10 has a filter unit 58 which is provided to reduce interference.
  • the filter unit 58 is electrically connected to the mains connection 16 via a first conductor 72 and a second conductor 74.
  • the filter unit 58 comprises a first filter capacitor 60 and a second filter capacitor 62.
  • the filter capacitors 60, 62 are each arranged electrically parallel to the mains connection 16.
  • the filter unit 58 comprises four filter coils 64, 66, 68, 70.
  • a first filter coil 64 and a second filter coil 66 of the filter unit 58 are arranged electrically in series with one another and connected via the first conductor 72.
  • a third filter coil 68 and a fourth filter coil 70 of the filter unit 58 are arranged electrically in series with one another and connected to the second conductor 74.
  • the induction hob device 10 further comprises at least one rectifier 14 for rectifying an alternating mains voltage 86 provided by the power supply network (see Figure 4).
  • the rectifier 14 is designed as a single-phase full-wave rectifier.
  • the rectifier 14 comprises four diodes 76, 78, 80, 82, namely a first diode 76, a second diode 78, a third diode 80 and a fourth diode 82.
  • the induction hob device 10 comprises a power switch 44, which is provided to provide an electrically conductive connection between the power connection 16 and the rectifier 14.
  • the power switch 44 is provided to establish or break an electrically conductive connection between the mains connection 16 and the rectifier 14 via the first conductor 72.
  • the induction hob device 10 has a BUS capacitor 12.
  • an equivalent resistor 84 is shown for simplicity, which is arranged electrically parallel to the bus capacitor 12.
  • the equivalent resistor 84 represents all electrical loads that can be connected downstream of the bus capacitor 12, for example inverters (not shown) of the main control unit 56 of the induction hob 50 and/or at least one of the inductors 54 (see Figure 1) and/or the like.
  • the bus capacitor 12 is connected to the mains connection 16 via at least a first charging path 18 (see Figure 6) for charging during a positive mains voltage sub-cycle via the rectifier 14.
  • the first diode 76 and the fourth diode 82 of the rectifier 14 are assigned to the first charging path 18.
  • the bus capacitor 12 is connected to the mains connection 16 via the first diode 76 and the fourth diode 82 of the rectifier 14 and can be charged via the first charging path 18.
  • the bus capacitor 12 is connected to the mains connection 16 via at least one second charging path 20 (see Figure 6) for charging during a negative mains voltage sub-cycle via the rectifier 14.
  • the second diode 78 and the third diode 80 of the rectifier 14 are assigned to the second charging path 20.
  • the bus capacitor 12 is connected to the mains connection 16 via the second diode 78 and the third diode 80 of the rectifier 14 and can be charged via the second charging path 20.
  • the induction hob device 10 has a discharge unit 22.
  • the discharge unit 22 comprises at least two switching elements 24, 26 for temporarily discharging the bus capacitor 12 via the power supply network.
  • a first switching element 24 of the discharge unit 22 is designed as a high-side switching element 28.
  • the high-side switching element 28 is arranged between the first conductor 72 and the bus capacitor 12.
  • a second switching element 26 of the discharge unit 22 is designed as a low-side switching element 30.
  • the low-side switching element 30 is between the second conductor 74 and the bus capacitor 12.
  • the switching elements 24, 26 are provided to enable a discharge path 32 from the bus capacitor 12 back to the mains connection 16 in a closed state.
  • the first switching element 24 is arranged electrically parallel to the first diode 76 of the rectifier 14.
  • the second switching element 26 is arranged electrically parallel to the fourth diode 82 of the rectifier 14.
  • the discharge unit 22 is therefore provided exclusively for discharging the bus capacitor 12 during positive mains voltage partial cycles of an alternating mains voltage 86 provided by the power supply network (see Figure 4).
  • the discharge unit 22 could be provided for discharging the bus capacitor 12 during positive mains voltage sub-cycles, in which case the first switching element 24 would then have to be arranged electrically parallel to the second diode 78 and the second switching element 26 electrically parallel to the third diode 80, or the discharge unit 22 would have to have, in addition to the switching elements 24, 26, a third switching element electrically parallel to the second diode 78 and a fourth switching element electrically parallel to the third diode 80 (not shown).
  • At least one of the switching elements 24, 26 of the discharge unit 22 is designed as a semiconductor switching element. In the present case, both the first switching element 24 and the second switching element 26 are designed as a semiconductor switching element. At least one of the switching elements 24, 26 of the discharge unit 22 is designed as an N-MOSFET. In the present case, both the first switching element 24 and the second switching element 26 are designed as N-MOSFETs.
  • the discharge unit 22 has a first protective diode 116.
  • the first protective diode 116 is arranged in the reverse direction with respect to a source connection of the first switching element 24 designed as an N-MOSFET and is intended to prevent a current flow through the first switching element 24 when charging the bus capacitor 12 during the positive mains voltage partial cycles via the first charging path 18 (see Figure 6).
  • the discharge unit 22 has a second protective diode 118 which is arranged in the reverse direction with respect to a source connection of the second switching element 26 designed as an N-MOSFET and is intended to prevent a current flow through the first switching element 24 when charging the bus capacitor 12 during the positive mains voltage partial cycles via the first charging path 18 (see Figure 6).
  • the discharge unit 22 is provided here to periodically discharge the bus capacitor 12.
  • the bus capacitor 12 can be discharged periodically every 60 ms, for example. After the bus capacitor 12 has been discharged, cooking utensils (not shown) placed on the hob plate 52 of the induction hob 50 (see Figure 1) can be detected, for example by means of the inverter of the main control unit 56 (see Figure 1).
  • the induction hob device 10 has a control unit 92.
  • the control unit 92 is provided for controlling the driver unit 34 and the power switch 44.
  • the control unit 92 comprises several control connections 94, 96, 98.
  • the induction hob device 10 has a driver unit 34 for controlling the discharge unit 22.
  • the driver unit 34 has a high-side driver 36 for controlling the high-side switching element 28.
  • the high-side driver 36 comprises an optocoupler 48.
  • the optocoupler 48 is provided for galvanic isolation.
  • the high-side driver 36 comprises two electrical resistors 112, 114, which are arranged at the output of the optocoupler 48.
  • the electrical resistors 112, 114 are arranged electrically parallel to one another and form a voltage divider for setting a control voltage applied to a gate terminal of the high-side switching element 28 designed as an N-MOSFET.
  • the driver unit 34 also has a low-side driver 88 for controlling the low-side switching element 30.
  • the induction hob device 10 has a control voltage source 46.
  • the control voltage source 46 is intended to provide a direct voltage for supplying power to the driver unit 34, regardless of a switch position of the power switch 44.
  • the induction hob device 10 has a control unit 92.
  • the control unit 92 is provided for controlling the driver unit 34 and the power switch 44.
  • the control unit 92 comprises several control connections 94, 96, 98.
  • the high-side driver 36 can be controlled via a first control connection 94 of the control unit 96.
  • the low-side driver 88 can be controlled via a second control connection 96 of the control unit 92.
  • the power switch 44 can be controlled via a third control connection 96 of the control unit 92.
  • the driver unit 34 has a bootstrap circuit 38 for supplying energy to the high-side driver 36.
  • the bootstrap circuit 38 here comprises a bootstrap capacitor 40.
  • a capacitance of the bootstrap capacitor 40 is lower than a capacitance of the bus capacitor 12.
  • the capacitance of the bootstrap capacitor 40 is at least a factor of 2 lower than the capacitance of the bus capacitor 12.
  • the bus capacitor 12 could have a capacitance of 6.6 pF and the bootstrap capacitor 40 could have a capacitance between 1 pF and 2.2 pF.
  • other capacitances for the bus capacitor 12 and the bootstrap capacitor 40 are also conceivable without departing from the scope of the present invention.
  • the bootstrap circuit 38 has a diode 100.
  • the bootstrap circuit 38 comprises at least one electrical resistor 42, which is electrically connected in series with the bootstrap capacitor 40.
  • the diode 100 is connected upstream of the electrical resistor 42.
  • Figure 2 also shows an equivalent resistor 90, which is arranged electrically parallel to the bootstrap capacitor 40.
  • the equivalent resistor 90 represents the electrical losses of the high-side driver 36, as well as electrical losses of the diode 100 due to leakage currents at elevated temperatures and the like.
  • the equivalent resistor 90 is therefore not a physically present component of the induction hob device 10.
  • the low-side driver 88 comprises a first low-side driver element 120 and a second low-side driver element 122.
  • the first low-side driver element 120 is designed as an NPN transistor.
  • the second low-side driver element 122 is designed as a PNP transistor.
  • the first low-side driver element 120 and the second low-side driver element 122 form a non-inverting level converter NPN-PNP.
  • the control unit 92 provides a control voltage via the second control connection 96, which can be 3.3 volts, for example.
  • the low-side driver 88 has two electrical resistors 186, 188, which are arranged electrically parallel to one another and form a voltage divider at a base terminal of the first low-side driver element 120 in order to generate an input voltage at the first low-side driver element 120.
  • a base terminal of the second low-side driver element 122 is connected to a collector terminal of the first low-side driver element 120.
  • An emitter terminal of the second low-side driver element 122 is at a reference potential 128 of the control voltage source.
  • a collector terminal of the second driver element 122 is connected to a gate terminal of the low-side switching element 30.
  • the control voltage provided via the second control terminal 96 can be amplified to a required level for controlling the gate terminal of the low-side switching element 30, in the range of approximately 20 volts.
  • the low-side driver 88 has two electrical resistors 124, 126, which are arranged electrically parallel to one another and form a voltage divider at the gate terminal of the low-side switching element 30 in order to more precisely set the voltage required there for control and to prevent overloading of the low-side switching element 30.
  • FIG. 3 shows a schematic process flow diagram of a method for operating the induction hob device 10.
  • the bus capacitor 12 is temporarily discharged via the power supply network by means of the discharge unit 22, which comprises the at least two switching elements 24, 26, the discharge path 32 from the bus capacitor 12 back to the mains connection 16 being activated via the switching elements 24, 26 and the discharge unit 22 being controlled via the driver unit 34, which has the high-side driver 36 for controlling the high-side switching element 28 and the bootstrap circuit 38 for supplying energy to the high-side driver 36.
  • the method in the present case comprises five method steps 102, 104, 106, 108, 110. Before the start of the method, the power switch 44 is opened and the control voltage source 46 is deactivated.
  • a first method step 102 of the method the control voltage source 46 is activated and the bootstrap capacitor 40 is at least partially charged.
  • the power switch 44 is closed and the bus capacitor 12 is charged.
  • the bus capacitor 12 is periodically discharged via the power supply network, namely by means of the discharge unit 22.
  • the periodic discharge of the bus capacitor 12 is terminated and the bus capacitor 12 is recharged.
  • the power switch 44 is opened again. The bus capacitor 12 is then discharged via the equivalent resistor 84.
  • Figure 4 shows a plurality of schematic diagrams to illustrate the progression of various electrical parameters of the induction hob device 10 during the execution of the method.
  • a time in seconds is plotted on an abscissa 130 of a first diagram in Figure 4.
  • a voltage in volts is plotted on an ordinate 132 of the first diagram.
  • a curve 134 shows a temporal progression of a direct voltage provided by the control voltage source 46.
  • the control voltage source 46 provides a direct voltage of 24 volts after activation in the first method step 102 during the entire further course of the method.
  • the time in seconds is plotted on an abscissa 136 of a second diagram in Figure 4.
  • a voltage in volts is plotted on an ordinate 138 of the second diagram.
  • a curve 140 in the second diagram shows a time profile of a control voltage at the third control terminal 98 of the control unit 92 (see Figure 2) and thus the switching state of the power switch 44.
  • a curve 142 in the second diagram shows a control voltage at the first control terminal 94 of the control unit 92.
  • the time in seconds is plotted on an abscissa 144 of a third diagram in Figure 4.
  • a voltage in volts is plotted on an ordinate 146 of the third diagram.
  • a curve 148 in the third diagram shows a time profile of the AC mains voltage 86.
  • a second curve 150 shows a time profile of a voltage at which the bus capacitor 12 is charged and discharged.
  • the time in seconds is plotted on an abscissa 158 of a fifth diagram in Figure 4.
  • a current in milliamperes is plotted on an ordinate 160 of the fifth diagram.
  • a curve 162 in the fifth diagram shows a temporal progression of a current flow through the electrical resistance 42 of the bootstrap circuit 38.
  • the time in seconds is plotted on an abscissa 164 of a sixth diagram in Figure 4.
  • a current in amperes is plotted on an ordinate 166 of the sixth diagram.
  • a curve 168 in the sixth diagram shows a temporal progression of a current flow through the first diode 76 of the rectifier 14.
  • the time in seconds is plotted on an abscissa 170 of a seventh diagram in Figure 4.
  • a current in amperes is plotted on an ordinate 172 of the seventh diagram.
  • a curve 174 in the seventh diagram shows a temporal progression of a current flow through the second diode 78 of the rectifier 14.
  • FIG. 5 shows a simplified schematic electrical circuit diagram of the induction hob device 10 to illustrate a charging path 176 of the bootstrap capacitor 40.
  • a current flows through the diode 100 and the electrical resistor 42, which can be seen in the fifth diagram of Figure 4 at the curve 162, and the bootstrap capacitor 40 is charged.
  • the voltage is divided between a first loop consisting of the bootstrap capacitor 40 and the equivalent resistor 90 and a second loop consisting of the bus capacitor 12 and the equivalent resistor 84.
  • the ratio of the capacitances between the bootstrap capacitor 40 and the bus capacitor 12 determines the behavior of the voltage increase when activating the control voltage source 46.
  • the capacitance of the bootstrap capacitor 40 is lower than the capacitance of the bus capacitor 12, almost the full voltage provided by the control voltage source 46 is present at the bootstrap capacitor 40 shortly after the control voltage source 46 is switched on.
  • the ratio between the equivalent resistors 84, 90 determines the stationary voltage division of the voltage provided by the control voltage source 46. provided voltage. If the equivalent resistance 90 is much smaller than the equivalent resistance 84, the bootstrap capacitor 40 is fully charged in the first method step 102 to the amount of the voltage provided by the control voltage source 46. Otherwise, as shown in the present embodiment, part of the voltage is delivered to the bus capacitor 12. As can be seen in the third diagram of Figure 4 from the curve 150, the bus capacitor 12 is already charged to a small extent during the first method step 102.
  • the bootstrap capacitor 40 is only partially charged during the first method step 102, to a voltage of approximately 14 volts.
  • a voltage to which the bus capacitor 12 is charged in the first method step 102 can be generally determined using the following formula (1): where Vßus is the voltage of the bus capacitor 12, V cc is the voltage provided by the control voltage source 46, RBUS is the value of the equivalent resistor 84 and RBOOT2 is the value of the equivalent resistor 90.
  • the voltage to which the boot capacitor 40 is charged in the first method step 102 can be generally determined using the following formula (2): where VßooT is the voltage to which the bootstrap capacitor 40 is charged.
  • FIG 6 shows a simplified schematic electrical circuit diagram of the induction hob device 10 to illustrate the charging paths 18, 20 of the bus capacitor 12.
  • the bus capacitor 12 is charged to the full amount of the AC mains voltage rectified by the rectifier 14, as can also be seen in the third diagram of Figure 4 using the curve 150.
  • the closing of the power switch 44 takes place during a zero crossing of the AC mains voltage 86.
  • a high current pulse can be seen on the curve 168 in the sixth diagram. This is the normal peak current caused by the charging of the bus capacitor 12.
  • the first diode 76 of the rectifier 14 is designed according to this peak current.
  • the bus capacitor 12 has a low power consumption, which is given by the equivalent resistance 84, and therefore the bus capacitor 12 is fully recharged at each maximum of the AC mains voltage 86 via the first charging path 18 and at each minimum of the AC mains voltage 86 via the second charging path 20.
  • the charging path 176 is also activated at the AC mains voltage 86 and the bootstrap capacitor 40 is gradually charged to the maximum voltage, as can be seen from the curve 156 in the fourth diagram of Figure 4.
  • the bus capacitor 12 is discharged periodically, for example every 60 milliseconds, by means of the discharge unit 22.
  • the discharge unit 22 is controlled by means of the control unit 92 via the driver unit 34, specifically by means of the first control connection 94, as can be seen in the second diagram of Figure 4 using the curve 142.
  • the periodic discharge of the bus capacitor 12 is terminated and the bus capacitor 12 is recharged.
  • the power switch 44 is opened again, as can be seen from the curve 140 of the second diagram in Figure 4.
  • the bus capacitor 12 is then discharged via the equivalent resistor 84. If the power switch 44 is not opened during a zero crossing of the If the mains switch is opened during a positive mains voltage sub-cycle, the filter capacitors 60, 62 remain charged to a positive voltage, as can be seen from the constant course of the curve 148 in the third diagram of Figure 4.
  • FIG. 7 shows a simplified schematic electrical circuit diagram of the induction hob device 10 to illustrate relevant current paths when the power switch 44 is opened during a positive mains voltage sub-cycle at the beginning of the fifth method step 110.
  • the first diode 76 and the fourth diode 82 are forward biased so that the filter capacitors 60, 62 are also discharged via the equivalent resistor 84, as shown in Figure 7 by a discharge path 180.
  • the bootstrap capacitor 40 is also partially discharged via the equivalent resistor 90, as shown in Figure 7 by a discharge path 182.
  • the diode 100 of the bootstrap circuit 38 is forward biased and the bootstrap capacitor 40 is recharged. The method can be carried out again from the second method step 102 by closing the power switch 44.
  • the filter capacitors 60, 62 remain charged to a negative voltage.
  • FIG 8 shows a simplified schematic electrical circuit diagram of the induction hob device 10 to illustrate relevant current paths when the power switch is opened during a positive mains voltage sub-cycle at the beginning of the fifth method step 110.
  • the second diode 78 and the third diode 80 are forward biased, so that the filter capacitors 60, 62 are also discharged via the equivalent resistor 84.
  • the bootstrap capacitor 40 is also partially discharged along the discharge path 182 via the equivalent resistor 90.
  • the bootstrap capacitor 40 can be recharged more quickly because the charging path 176 is enabled by the discharge of the filter capacitors 60, 62 and the diode 100 is forward biased as soon as the second diode 78 is activated.
  • Control unit first control connection second control connection third control connection

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Abstract

Die Erfindung geht aus von einer Induktionskochfeldvorrichtung (10) mit zumindest einem Bus-Kondensator (12), mit zumindest einem Gleichrichter (14) und mit einem Netzanschluss (16) zur Verbindung mit einem Stromversorgungsnetz, wobei der Bus-Kondensator (12) über zumindest einen ersten Ladepfad (18) zum Aufladen während eines positiven Netzspannungsteilzyklus und über zumindest einen zweiten Ladepfad zum Aufladen während eines negativen Netzspannungsteilzyklus über den Gleichrichter (14) mit dem Netzanschluss (16) verbunden ist. Um eine Effizienz zu verbessern wird vorgeschlagen, dass die Induktionskochfeldvorrichtung (10) eine Entladungseinheit (22) aufweist, welche zumindest zwei Schaltelemente (24, 26) zum zeitweisen Entladen des Bus-Kondensators (12) über das Stromversorgungsnetz umfasst, wobei eines der Schaltelemente (24) als ein Highside-Schaltelement (28) und eines der Schaltelemente (26) als ein Lowside-Schaltelement (30) ausgebildet ist und die Schaltelemente (24, 36) dazu vorgesehen sind, in einem geschlossenen Zustand einen Entladungspfad (32) von dem Bus-Kondensator (12) zurück zu dem Netzanschluss (16) freizuschalten und dass die Induktionskochfeldvorrichtung (10) eine Treibereinheit (34) zur Steuerung der Entladungseinheit (22) umfasst, welche einen Highside-Treiber (36) zur Steuerung des Highside-Schaltelements (28) und eine Bootstrap-Schaltung (38) zur Energieversorgung des Highside-Treibers (36) aufweist.

Description

Induktionskochfeldvorrichtung
Die Erfindung betrifft eine Induktionskochfeldvorrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und ein Verfahren zum Betrieb einer Induktionskochfeldvorrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 12.
Aus dem Stand der Technik sind bereits Induktionskochfeldvorrichtungen mit zumindest einem Bus-Kondensator, welcher beispielsweise einem Wechselrichter vorgeschaltet sein kann, bekannt. Für einige Anwendungen, beispielsweise zur Topferkennung auf der Grundlage von Wechselrichterleistungsmessungen bei hohen Abtastraten, kann es zweckdienlich sein, wenn der Bus-Kondensator zeitweise zumindest teilweise oder vollständig entladen wird, beispielsweise um Störgeräusche zu verhindern. Bisher bekannte Methoden zum Entladen von Bus-Kondensatoren, beispielsweise über hochohmige Widerstände, sind dabei mit hohen elektrischen Verlusten verbunden, sodass eine Effizienz bisher bekannter Induktionskochfeldvorrichtungen im Hinblick auf eine Entladung von Bus-Kondensatoren nachteilig sehr gering ist.
Die Aufgabe der Erfindung besteht insbesondere, aber nicht beschränkt darauf, darin, eine gattungsgemäße Vorrichtung mit verbesserten Eigenschaften hinsichtlich einer Effizienz bereitzustellen. Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale der Ansprüche 1 und 12 gelöst, während vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung den Unteransprüchen entnommen werden können.
Die Erfindung geht aus von einer Induktionskochfeldvorrichtung mit zumindest einem Bus- Kondensator, mit zumindest einem Gleichrichter und mit einem Netzanschluss zur Verbindung mit einem Stromversorgungsnetz, wobei der Bus-Kondensator über zumindest einen ersten Ladepfad zum Aufladen während eines positiven Netzspannungsteilzyklus und über zumindest einen zweiten Ladepfad zum Aufladen während eines negativen Netzspannungsteilzyklus über den Gleichrichter mit dem Netzanschluss verbunden ist.
Es wird vorgeschlagen, dass die Induktionskochfeldvorrichtung eine Entladungseinheit aufweist, welche zumindest zwei Schaltelemente zum zeitweisen Entladen des Bus- Kondensators über das Stromversorgungsnetz umfasst, wobei eines der Schaltelemente als ein Highside-Schaltelement und eines der Schaltelemente als ein Lowside- Schaltelement ausgebildet ist und die Schaltelemente dazu vorgesehen sind, in einem geschlossenen Zustand einen Entladungspfad von dem Bus-Kondensator zurück zu dem Netzanschluss freizuschalten und dass die Induktionskochfeldvorrichtung eine Treibereinheit zur Steuerung der Entladungseinheit umfasst, welche einen Highside- Treiber zur Steuerung des Highside-Schaltelements und eine Bootstrap-Schaltung zur Energieversorgung des Highside-Treibers aufweist.
Durch eine derartige Ausgestaltung kann vorteilhaft eine Induktionskochfeldvorrichtung mit verbesserten Eigenschaften hinsichtlich einer Effizienz bereitgestellt werden. Es kann insbesondere eine periodische zumindest teilweise Entladung des Bus-Kondensators mit vernachlässigbaren Verlusten ermöglicht werden. Im Vergleich zu bisher bekannten dissipativen Methoden zum Entladen von Bus-Kondensatoren, beispielsweise über einen hochohmigen Widerstand, können vorteilhaft bis 10W pro Phase eingespart werden, wenn die Entladungseinheit zumindest zwei Schaltelemente zum zeitweisen Entladen des Bus- Kondensators über das Stromversorgungsnetz umfasst, die in einem geschlossenen Zustand einen Entladungspfad von dem Bus-Kondensator zurück zu dem Netzanschluss freischalten. Ferner kann durch die Induktionskochfeldvorrichtung vorteilhaft eine besonders effiziente Gargeschirrerkennung auf der Grundlage von Wechselrichterleistungsmessungen bei hohen Abtastraten ermöglicht werden. Zudem kann vorteilhaft eine Energieversorgung des Highside-Treibers mittels der Bootstrap- Schaltung vereinfacht werden, indem beispielsweise auf Transformatoren bei der Stromversorgung des Highside-Schalters verzichtet werden kann. Insbesondere kann vorteilhaft bei niedrigen Frequenzen eine direkte Ansteuerung ohne einen ansonsten erforderlichen Impulstransformator ermöglicht werden. Darüber hinaus kann die Bootstrap-Schaltung bei Bedarf zur Energieversorgung weiterer Einheiten, beispielsweise für eine Messeinheit zum Messen eines Leitungsstroms über einen Nebenwiderstand vorgesehen sein, wodurch vorteilhaft eine Effizienz noch weiter verbessert werden kann.
Unter einer „Induktionskochfeldvorrichtung“ soll zumindest ein Teil, insbesondere eine Unterbaugruppe, eines Induktionskochfelds, verstanden werden, wobei insbesondere zusätzlich auch Zubehöreinheiten für das Kochfeld umfasst sein können, wie beispielsweise eine Sensoreinheit zur externen Messung einer Temperatur eines Gargeschirrs und/oder eines Garguts. Insbesondere kann die
Induktionskochfeldvorrichtung auch das gesamte Induktionskochfeld umfassen.
Ein die Induktionskochfeldvorrichtung aufweisendes Induktionskochfeld umfasst zumindest einen Induktor, welcher in wenigstens einem Betriebszustand Energie in Form eines elektromagnetischen Wechselfelds an zumindest ein Objekt, insbesondere an ein Gargeschirr, bereitstellt und eine Wechselrichtereinheit mit zumindest zwei Wechselrichterschaltelementen zur Energieversorgung des Induktors. Die Wechselrichterschaltelemente der Wechselrichtereinheit können dabei als Halbleiterschaltelemente, insbesondere als Transistoren, beispielsweise als Metall-Oxid- Halbleiter-Feldeffekttransistor (MOSFET) oder Organischer Feldeffekttransistor (OFET), vorteilhaft als Bipolartransistor mit vorzugsweise isolierter Gate-Elektrode (IGBT), ausgebildet sein. Der zumindest eine Bus-Kondensator der Induktionskochfeldvorrichtung ist in einem montierten Zustand des die Induktionskochfeldvorrichtung aufweisenden Induktionskochfelds vorzugsweise elektrisch parallel zu den zumindest zwei Wechselrichterschaltelementen der Wechselrichtereinheit angeordnet.
Der Netzanschluss der Induktionskochfeldvorrichtung ist zur Verbindung mit einem mehrphasigen Stromversorgungsnetz vorgesehen. In einem Betriebszustand ist die Induktionskochfeldvorrichtung über den Netzanschluss mit dem Stromversorgungsnetz verbunden und wird mit einer Netzwechselspannung versorgt. Die Netzwechselspannung wechselt ihre elektrische Polarität periodisch innerhalb eines Netzspannungszyklus, dessen Periodendauer dem Kehrwert der Netzfrequenz entspricht, wobei die Periodendauer beispielsweise bei einer Netzfrequenz von 50 Hz, welche für europäische Stromversorgungsnetze typisch ist, 20 ms andauert. Während des positiven Netzspannungsteilzyklus, welcher einer halben Periodendauer der Netzwechselspannung entspricht, weist die Netzwechselspannung eine positive elektrische Polarität auf und während des negativen Netzspannungsteilzyklus, welcher einer halben Periodendauer der Netzwechselspannung entspricht, weist die Netzwechselspannung eine negative elektrische Polarität auf.
Der Gleichrichter ist zumindest zeitweise mit dem Netzanschluss verbunden und dazu vorgesehen, die in dem Betriebszustand an dem Netzanschluss anliegende Netzwechselspannung gleichzurichten, vorzugsweise in eine pulsierende Gleichspannung. Der Gleichrichter ist vorzugsweise als ein einphasiger Vollwellengleichrichter ausgebildet. Alternativ ist jedoch auch ein Einsatz eines mehrphasigen Vollwellengleichrichters, insbesondere eines Dreiphasengleichrichters, denkbar, ohne den vorhergehend und nachfolgend beschriebenen Rahmen der Erfindung zu verlassen. Der Gleichrichter umfasst vorzugsweise zumindest vier Gleichrichterelemente, insbesondere Dioden und/oder Thyristoren und/oder Transistoren und/oder dergleichen, welche, in zumindest einem Schaltzustand, einen Stromfluss in einer Durchlassrichtung ermöglichen und in zumindest einem weiteren Schaltzustand, einen Stromfluss in einer Sperrrichtung sperren. Vorzugsweise sind zumindest zwei der Gleichrichterelemente dem ersten Ladepfad zugeordnet und dazu vorgesehen, den Bus- Kondensator während des positiven Netzspannungsteilzyklus mit dem Netzanschluss zu verbinden. Vorzugsweise sind zumindest zwei der Gleichrichterelemente dem zweiten Ladepfad zugeordnet und dazu vorgesehen, den Bus-Kondensator während des negativen Netzspannungsteilzyklus mit dem Netzanschluss zu verbinden. Vorzugsweise umfasst die Induktionskochfeldvorrichtung eine Filtereinheit, welche dem Gleichrichter vorgeschaltet und zur Reduzierung von Störeinflüssen vorgesehen ist. Die Filtereinheit kann zumindest einen Filterkondensator und zumindest eine Filterspule umfassen.
Die Entladungseinheit ist zu einer zumindest teilweisen oder vollständigen Entladung des Bus-Kondensators, innerhalb zumindest eines Netzspannungsteilzyklus vorgesehen und weist hierzu die zumindest zwei Schaltelemente auf, welche in ihrem geschlossenen Zustand den Entladungspfad freischalten. Die Entladungseinheit kann zur zumindest teilweisen oder vollständigen Entladung des Bus-Kondensators innerhalb des positiven Netzspannungsteilzyklus vorgesehen sein, wobei hierzu jeweils eines der Schaltelemente elektrisch parallel zu jeweils einem der Gleichrichterelemente der Gleichrichtereinheit angeordnet ist, welche dem positiven Ladepfad zugeordnet sind und die Schaltelemente dazu vorgesehen sind, diese Gleichrichterelemente in ihrem geschlossenen Zustand zu der teilweisen oder vollständigen Entladung des Bus-Kondensators zu überbrücken. Die Entladungseinheit kann alternativ oder zusätzlich zur teilweisen oder vollständigen Entladung des Buskondensators innerhalb des negativen Netzspannungsteilzyklus vorgesehen sein, wobei hierzu jeweils eines der Schaltelemente elektrisch parallel zu jeweils einem der Gleichrichterelemente der Gleichrichtereinheit angeordnet ist, welche dem positiven Ladepfad zugeordnet sind und die Schaltelemente dazu vorgesehen sind, diese Gleichrichterelemente in ihrem geschlossenen Zustand zu der teilweisen oder vollständigen Entladung des Bus-Kondensators zu überbrücken. Denkbar ist auch, dass die Entladungseinheit zur zumindest teilweisen oder vollständigen Entladung des Bus- Kondensators über einen ersten Entladungspfad innerhalb des positiven Netzspannungsteilzyklus und über einen zweiten Entladungspfad innerhalb des negativen Netzspannungsteilzyklus vorgesehen ist und hierzu zumindest vier Schaltelemente aufweist, wobei jeweils zwei der Schaltelemente als Highside-Schaltelemente und jeweils zwei der Schaltelemente als Lowside-Schaltelemente ausgebildet sind und wobei jeweils eines der Schaltelemente elektrisch parallel zu jeweils einem der Gleichrichterelemente der Gleichrichtereinheit angeordnet ist. Unter einem „Highside-Schaltelement“ soll in diesem Zusammenhang ein Schaltelement verstanden werden, welches in einem montierten Zustand der Induktionskochfeldvorrichtung zwischen einem positiven Leiter, insbesondere stromführenden Leiter, des Netzanschlusses und einer elektrischen Last, insbesondere dem Bus-Kondensator, angeordnet ist. Unter einem „Lowside- Schaltelement“ soll in diesem Zusammenhang ein Schaltelement verstanden werden, welches in dem montierten Zustand der Induktionskochfeldvorrichtung zwischen einem negativen Leiter, insbesondere Neutralleiter und/oder Nullleiter, des Netzanschlusses und der elektrischen Last, insbesondere dem Bus-Kondensator, angeordnet ist.
Die Schaltelemente der Entladungseinheit können als unidirektionale Schaltelemente ausgebildet sein, das heißt in dem geschlossenen Zustand einen Stromfluss in einer ersten Richtung ermöglichen und in einer zu der ersten Richtung entgegengesetzten zweiten Richtung blockieren. Denkbar ist auch, dass die Schaltelemente als bidirektionale Schaltelemente ausgebildet sind, das heißt in dem geschlossenen Zustand einen Stromfluss sowohl in einer ersten Richtung als auch in einer zu der ersten Richtung entgegengesetzten zweiten Richtung ermöglichen. Die Entladungseinheit kann zumindest teilweise einstückig mit dem Gleichrichter ausgebildet sein. Darunter, dass zwei Einheiten „teilweise einstückig“ ausgebildet sind, soll verstanden werden, dass die Einheiten zumindest ein, insbesondere zumindest zwei, vorteilhaft zumindest drei gemeinsame Elemente aufweisen, die Bestandteil, insbesondere funktionell wichtiger Bestandteil, beider Einheiten sind. Beispielsweise ist denkbar, dass zumindest ein Gleichrichterschaltelement des Gleichrichters zugleich auch als Schaltelement der Entladungseinheit fungiert.
Die Treibereinheit ist zur Steuerung der Entladungseinheit vorgesehen und weist hierzu einen Highside-Treiber zur Steuerung des Highside-Schaltelements auf. Die Treibereinheit weist zur Steuerung des Lowside-Schaltelements zudem vorzugsweise einen Lowside-Treiber auf. Vorzugsweise umfasst die Induktionskochfeldvorrichtung zumindest eine, bevorzugt genau eine, Steuerspannungsquelle, welche dazu vorgesehen ist, eine Gleichspannung zur Energieversorgung der Treibereinheit bereitzustellen. Vorzugsweise weist die Induktionskochfeldvorrichtung eine Steuereinheit zur Ansteuerung der Treibereinheit auf. Vorzugsweise ist die Steuerspannungsquelle zur Energieversorgung der Steuereinheit vorgesehen. Vorzugsweise umfasst die Steuereinheit zumindest einen Steueranschluss zur Ansteuerung des Highside-Treibers und zumindest einen Steueranschluss zur Ansteuerung des Lowside-Treibers. Der Highside-T reiber ist zur Ansteuerung vorzugsweise mit einem Steueranschluss des Highside-Schaltelements, permanent oder zeitweise über ein weiteres Schaltelement, verbunden. Der Highside-T reiber kann einen oder mehrere elektrische Widerstände aufweisen, welche zur Spannungsanpassung einer Steuerspannung an dem Highside- Schaltelement vorgesehen sind und hierzu einen Spannungsteiler ausbilden können. Der Highside-T reiber umfasst zumindest ein Highside-Treiberelement, welches vorzugsweise als Halbleiterschaltelement ausgebildet ist. Vorzugsweise ist das Highside-Treiberelement bezüglich des Steueranschlusses der Steuereinheit galvanisch entkoppelt, um die Steuereinheit vor Überlastung durch zu hohe Spannungen zu schützen. Vorzugsweise kann eine Energieversorgung des Lowside-Treibers durch die Steuerspannungsquelle mittelbar über den Steueranschluss der Steuereinheit zur Ansteuerung des Lowside- Treibers erfolgen. Vorzugsweise liegt der Lowside-Treiber auf einem Referenzpotential der Steuerspannungsquelle, sodass eine galvanische Trennung des Lowside-Treibers bezüglich des entsprechenden Steueranschlusses der Steuereinheit nicht erforderlich ist. In einer vorteilhaften Ausgestaltung umfasst der Lowside-Treiber zumindest zwei Lowside-Treiberelemente, welche als Halbleiterschaltelemente ausgebildet und derart miteinander verschaltet sind, dass sie einen nicht invertierenden Pegelwandler ausbilden. Beispielsweise kann ein erstes Lowside-Treiberelement als ein NPN-Transistor und ein zweites Lowside-Treiberelement als ein PNP-Transistor ausgebildet sein und die Lowside-Treiberelemente können einen nicht invertierenden Pegelwandler in NPN-PNP- Konfiguration ausbilden. Der Lowside-Treiber kann zudem einen oder mehrere elektrische Widerstände umfassen, welche beispielsweise am Eingang des ersten Lowside-
Treiberelements und/oder am Ausgang des zweiten Lowside-Treiberelements angeordnet sein und einen oder mehrere Spannungsteiler zur Spannungsanpassung ausbilden können. Der Ausgang des zweiten Lowside-Treiberelements ist zur Ansteuerung vorzugsweise mit einem Steueranschluss des Lowside-Schaltelements, permanent oder zeitweise über ein weiteres Schaltelement, verbunden.
Die Bootstrap-Schaltung ist zur Energieversorgung des Highside-Treibers vorgesehen, sodass vorteilhaft auf eine zusätzliche Steuerspannungsquelle verzichtet werden kann. Die Bootstrap-Schaltung umfasst zumindest einen, vorzugsweise genau einen, Bootstrap- Kondensator zur Zwischenspeicherung der zur Energieversorgung des Highside-Treibers erforderlichen elektrischen Energie. Die Bootstrap-Schaltung umfasst zudem vorzugsweise eine Diode, welche dem Bootstrap- Kondensator elektrisch in Reihe vorgeschaltet ist. Vorzugsweise ist die Steuerspannungsquelle der Induktionskochfeldvorrichtung dazu vorgesehen, die zum Laden des Bootstrap- Kondensators erforderliche Spannung bereitzustellen. Bevorzugt ist ein Referenzpotential der Bootstrap-Schaltung auf einen Leiter des Netzanschlusses bezogen.
In dem vorliegenden Dokument dienen Zahlwörter, wie beispielsweise „erste/r/s“ und „zweite/r/s“, welche bestimmten Begriffen vorangestellt sind, lediglich zu einer Unterscheidung von Objekten und/oder einer Zuordnung zwischen Objekten untereinander und implizieren keine vorhandene Gesamtanzahl und/oder Rangfolge der Objekte. Insbesondere impliziert ein „zweites Objekt“ nicht zwangsläufig ein Vorhandensein eines „ersten Objekts“.
Unter „vorgesehen“ soll speziell programmiert, ausgelegt und/oder ausgestattet verstanden werden. Darunter, dass ein Objekt zu einer bestimmten Funktion vorgesehen ist, soll verstanden werden, dass das Objekt diese bestimmte Funktion in zumindest einem Anwendungs- und/oder Betriebszustand erfüllt und/oder ausführt.
Ferner wird vorgeschlagen, dass die Bootstrap-Schaltung einen Bootstrap-Kondensator umfasst, dessen Kapazität geringer ist als eine Kapazität des Bus-Kondensators. Durch eine derartige Ausgestaltung kann vorteilhaft eine Effizienz verbessert werden. Es kann ein schnelles Laden des Bootstrap-Kondensators direkt nach Aktivierung der Steuerspannungsquelle ermöglicht werden, wenn die Kapazität des Bootstrap- Kondensators geringer ist als die Kapazität des Bus-Kondensators. Somit kann vorteilhaft auch eine schnelle Aktivierung der Entladeeinheit im Bedarfsfall, beispielsweise zum Entladen des Bus-Kondensators zur Durchführung einer Gargeschirrerkennung direkt nach Inbetriebnahme eines die Induktionskochfeldvorrichtung aufweisenden Induktionskochfelds, ermöglicht werden. In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung wird vorgeschlagen, dass die Kapazität des Bootstrap- Kondensators zumindest um einen Faktor von 2 geringer ist als die Kapazität des Bus-Kondensators. Hierdurch kann vorteilhaft eine Effizienz noch weiter verbessert werden und ein Auflade-Vorgang des Bootstrap-Kondensators direkt nach Aktivierung der Steuerspannungsquelle optimiert werden. Die Kapazität des Bootstrap-Kondensators ist vorteilhaft zumindest um einen Faktor von 2,2, besonders vorteilhaft zumindest um einen Faktor von 2,4, vorzugsweise zumindest um einen Faktor von 2,6, bevorzugt zumindest um einen Faktor von 2,8 und besonders bevorzugt zumindest um einen Faktor von 3,0 geringer als die Kapazität des Bus-Kondensators. Beispielsweise kann der Bus-Kondensator eine Kapazität von 6,6 pF und der Bootstrap-Kondensator eine Kapazität zwischen 1 pF und 2,2 pF aufweisen.
Des Weiteren wird vorgeschlagen, dass die Bootstrap-Schaltung zumindest einen elektrischen Widerstand umfasst, welcher elektrisch in Reihe mit dem Bootstrap- Kondensator verbunden ist. Hierdurch kann vorteilhaft eine Effizienz weiter verbessert werden. Es kann insbesondere eine Begrenzung von Einschaltströmen und damit die Gefahr einer Beschädigung des Bootstrap-Kondensators und/oder anderer Bauteile der Induktionskochfeldvorrichtung verringert werden, wenn die Bootstrap-Schaltung zumindest einen elektrischen Widerstand umfasst, welcher elektrisch in Reihe mit dem Bootstrap-Kondensator verbunden ist.
Weiterhin wird vorgeschlagen, dass die Induktionskochfeldvorrichtung einen Netzschalter aufweist, welcher dazu vorgesehen ist, eine elektrisch leitende Verbindung zwischen dem Netzanschluss und dem Gleichrichter herzustellen oder zu trennen. Durch eine derartige Ausgestaltung kann vorteilhaft eine Flexibilität verbessert werden. Es kann insbesondere eine Gargeschirrerkennung verbessert werden.
Darüber hinaus wird vorgeschlagen, dass die Induktionskochfeldvorrichtung eine Steuerspannungsquelle umfasst, welche dazu vorgesehen ist, unabhängig von einer Schalterstellung des Netzschalters eine Gleichspannung zur Energieversorgung der Treibereinheit bereitzustellen. Hierdurch können vorteilhaft eine Flexibilität und eine Effizienz weiter verbessert werden. Es kann insbesondere ein schnelles und von einer Schalterstellung des Netzschalters unabhängiges Laden des Bootstrap- Kondensators und damit im Bedarfsfall ein schnelles Entladen des Bus-Kondensators mittels der Entladungseinheit ermöglicht werden. Ferner wird vorgeschlagen, dass der Highside-Treiber einen Optokoppler umfasst. Hierdurch kann vorteilhaft eine Effizienz weiter verbessert werden. Es kann vorteilhaft eine galvanische Trennung zwischen dem Highside-Treiber und der Steuereinheit mit einfachen technischen Mitteln und besonders kostengünstig ermöglicht werden.
Zudem wird vorgeschlagen, dass die Entladungseinheit dazu vorgesehen ist, den Bus- Kondensator periodisch zu entladen. Hierdurch kann vorteilhaft ein Bedienkomfort verbessert werden. Es kann eine regelmäßige Gargeschirrerkennung ermöglicht werden. Die Entladungseinheit kann beispielsweise dazu vorgesehen sein, den Buskondensator in regelmäßigen Abständen von 60 Millisekunden periodisch zu entladen. Selbstverständlich sind auch andere regelmäßige Abstände zur periodischen Entladung des Bus- Kondensators durch die Entladungseinheit denkbar, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Die Schaltelemente der Entladungseinheit könnten als mechanische und/oder elektromechanische Schaltelemente, insbesondere als Relais, ausgebildet sein. In einer vorteilhaften Ausgestaltung wird jedoch vorgeschlagen, dass zumindest eines der Schaltelemente als ein Halbleiterschaltelement ausgebildet ist. Durch eine derartige Ausgestaltung kann eine besonders schnelle und präzise Ansteuerung des Schaltelements beziehungsweise der Schaltelemente ermöglicht werden. Vorzugsweise sind sämtliche Schaltelemente der Entladungseinheit als Halbleiterschaltelemente ausgebildet. Das zumindest eine Schaltelement der Entladungseinheit könnte, beispielsweise als Bipolartransistor, insbesondere mit isolierter Gate-Elektrode (IGBT) und/oder als thyristorbasiertes Schaltelement, beispielsweise als DIAC oder TRIAC oder SCR oder dergleichen, und/oder als MOSFET ausgebildet sein. Beispielsweise könnte das zumindest eine Schaltelement der Entladungseinheit als ein P-MOSFET ausgebildet sein. In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung wird jedoch vorgeschlagen, dass zumindest eines der Schaltelemente der Entladungseinheit als ein N-MOSFET ausgebildet ist. Hierdurch können vorteilhaft eine Effizienz und eine Flexibilität noch weiter verbessert werden. Es kann insbesondere eine Kosteneffizienz verbessert werden, da N- MOSFETS im Vergleich zu anderen Halbleiterschaltelementen in besonders großer Auswahl von verschiedenen Herstellern und besonders kostengünstig am Markt erhältlich sind. Die Erfindung betrifft ferner ein Induktionskochfeld mit einer Induktionskochfeldvorrichtung nach einer der vorhergehend beschriebenen Ausgestaltungen. Ein derartiges Induktionskochfeld zeichnet sich insbesondere durch die vorteilhaften Eigenschaften aus, welche durch die vorhergehend beschriebenen Merkmale der Induktionskochfeldvorrichtung erreicht werden können. Das Induktionskochfeld kann mehrere der vorhergehend beschriebenen Induktionskochfeldvorrichtungen aufweisen.
Die Erfindung geht ferner aus von einem Verfahren zum Betrieb einer Induktionskochfeldvorrichtung, insbesondere nach einer der vorhergehend beschriebenen Ausgestaltungen, mit zumindest einem Bus-Kondensator, mit zumindest einem Gleichrichter und mit einem Netzanschluss zur Verbindung mit einem Stromversorgungsnetz, wobei der Bus-Kondensator über zumindest einen ersten Ladepfad zum Aufladen während eines positiven Netzspannungsteilzyklus und über zumindest einen zweiten Ladepfad zum Aufladen während eines negativen Netzspannungsteilzyklus über den Gleichrichter mit dem Netzanschluss verbunden ist.
Es wird vorgeschlagen, dass der Bus-Kondensator mittels einer Entladungseinheit, welche zumindest zwei Schaltelemente umfasst, wobei eines der Schaltelemente als ein Highside-Schaltelement und eines der Schaltelemente als ein Lowside-Schaltelement ausgebildet ist, zeitweise über das Stromversorgungsnetz entladen wird, wobei über die Schaltelemente ein Entladungspfad von dem Bus-Kondensator zurück zu dem Netzanschluss freigeschaltet wird und wobei die Entladungseinheit über eine Treibereinheit gesteuert wird, welche einen Highside-Treiber zur Steuerung des Highside- Schaltelements und eine Bootstrap-Schaltung aufweist, wobei der Highside-Treiber über die Bootstrap-Schaltung mit Energie versorgt wird. Durch ein derartiges Verfahren kann vorteilhaft ein besonders effizienter Betrieb der Induktionskochfeldvorrichtung erreicht werden. Vorzugsweise umfasst das Verfahren zumindest fünf Verfahrensschritte. In einem ersten Verfahrensschritt des Verfahrens kann die Aktivierung der Steuerspannungsquelle und ein zumindest teilweises Aufladen des Bootstrap- Kondensators durchgeführt werden. In einem zweiten Verfahrensschritt des Verfahrens kann ein Schließen des Netzschalters und ein Aufladen des Bus-Kondensators durchgeführt werden. Vorzugsweise wird das Schließen des Netzschalters während eines Nulldurchgangs einer an dem Netzanschluss anliegenden Netzwechselspannung durchgeführt. In einem dritten Verfahrensschritt des Verfahrens kann ein, insbesondere mehrmalig, vorzugsweise periodisch, aufeinanderfolgendes Entladen des BUS- Kondensators mittels der Entladungseinheit erfolgen, wobei der BUS-Kondensator teilweise oder vollständig entladen werden kann und wobei nach jedem Entladen ein zumindest teilweises Wiederaufladen des BUS-Kondensators über den ersten Ladepfad und/oder den zweiten Ladepfad erfolgt. In einem vierten Verfahrensschritt des Verfahrens kann das Entladen des BUS-Kondensators beendet werden. Zu Beginn eines fünften Verfahrensschritts des Verfahrens kann ein Öffnen des Netzschalters durchgeführt werden. Das Öffnen des Netzschalters kann während des positiven Netzspannungsteilzyklus erfolgen. Vorzugsweise erfolgt das Öffnen des Netzschalters während des negativen Netzspannungsteilzyklus. Hierdurch kann ein schnelleres Wiederaufladen des Bootstrap-Kondensators ermöglicht werden. Nach Beendigung des Verfahrens kann das Verfahren erneut durchgeführt werden. Bei erneuter Durchführung des Verfahrens ohne zwischenzeitliche Abschaltung der Steuerspannungsquelle und Entladung des Bootstrap- Kondensators können der erste Verfahrensschritt und der zweite Verfahrensschritt entfallen und das Verfahren kann direkt mit dem dritten Verfahrensschritt begonnen werden.
Die Induktionskochfeldvorrichtung soll hierbei nicht auf die oben beschriebene Anwendung und Ausführungsform beschränkt sein. Insbesondere kann die Induktionskochfeldvorrichtung zu einer Erfüllung einer hierin beschriebenen Funktionsweise eine von einer hierin genannten Anzahl von einzelnen Elementen, Bauteilen und Einheiten abweichende Anzahl aufweisen. Eine Anzahl von Verfahrensschritten des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Betrieb der Induktionskochfeldvorrichtung kann von einer vorhergehend und/oder nachfolgend genannten Anzahl abweichen.
Weitere Vorteile ergeben sich aus der folgenden Zeichnungsbeschreibung. In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt. Die Zeichnung, die Beschreibung und die Ansprüche enthalten zahlreiche Merkmale in Kombination. Der Fachmann wird die Merkmale zweckmäßigerweise auch einzeln betrachten und zu sinnvollen weiteren Kombinationen zusammenfassen. Es zeigen:
Fig. 1 ein Induktionskochfeld mit einer Induktionskochfeldvorrichtung in einer schematischen Darstellung,
Fig. 2 die Induktionskochfeldvorrichtung in einem schematischen elektrischen Schaltbild mit einem Bus-Kondensator, mit einem Gleichrichter, mit einem Netzanschluss, mit einem Netzschalter, mit einer Entladungseinheit und mit einer Treibereinheit, welche eine Bootstrap- Schaltung mit einem Bootstrap-Kondensator umfasst,
Fig. 3 ein schematisches Verfahrensfließbild zur Darstellung eines Verfahrens zum Betrieb der Induktionskochfeldvorrichtung,
Fig. 4 ein schematisches Diagramm zur Darstellung von Verläufen verschiedener elektrischer Kenngrößen der Induktionskochfeldvorrichtung während der Durchführung des Verfahrens,
Fig. 5 ein vereinfachtes schematisches elektrisches Schaltbild der Induktionskochfeldvorrichtung zur Darstellung eines Ladepfads des Bootstrap-Kondensators,
Fig. 6 ein vereinfachtes schematisches elektrisches Schaltbild der Induktionskochfeldvorrichtung zur Darstellung von Ladepfaden des Bus- Kondensators,
Fig. 7 ein vereinfachtes schematisches elektrisches Schaltbild der Induktionskochfeldvorrichtung zur Darstellung relevanter Strompfade bei Öffnung des Netzschalters während eines positiven Netzspannungsteilzyklus und
Fig. 8 ein vereinfachtes schematisches elektrisches Schaltbild der Induktionskochfeldvorrichtung zur Darstellung relevanter Strompfade bei Öffnung des Netzschalters während eines positiven Netzspannungsteilzyklus.
Figur 1 zeigt ein Induktionskochfeld 50 in einer schematischen Darstellung. Das Induktionskochfeld 50 umfasst eine Kochfeldplatte 52 und vier Induktoren 54, welche unter der Kochfeldplatte 52 montiert sind. Von mehrfach vorhandenen Objekten ist in den Figuren jeweils lediglich eines mit einem Bezugszeichen versehen.
Das Induktionskochfeld 50 weist eine Hauptsteuereinheit 56 auf, welche eine Wechselrichtereinheit (nicht dargestellt) zur Energieversorgung der Induktoren 54 umfasst.
Das Induktionskochfeld 50 weist eine Induktionskochfeldvorrichtung 10 auf. In einem montierten Zustand des Induktionskochfelds 50 ist die Induktionskochfeldvorrichtung 10 mit der Wechselrichtereinheit der Hauptsteuereinheit 56 verbunden.
Figur 2 zeigt ein vereinfachtes und schematisches elektrisches Schaltbild der Induktionskochfeldvorrichtung 10. Die Induktionskochfeldvorrichtung 10 weist einen Netzanschluss 16 zur Verbindung mit einem Stromversorgungsnetz (nicht dargestellt) auf.
Die Induktionskochfeldvorrichtung 10 weist vorliegend eine Filtereinheit 58 auf, welche zur Reduzierung von Störeinflüssen vorgesehen ist. Die Filtereinheit 58 ist mit dem Netzanschluss 16 über einen ersten Leiter 72 und einen zweiten Leiter 74 elektrisch leitend verbunden. Vorliegend umfasst die Filtereinheit 58 einen ersten Filterkondensator 60 und einen zweiten Filterkondensator 62. Die Filterkondensatoren 60, 62 sind jeweils elektrisch parallel zu dem Netzanschluss 16 angeordnet. Die Filtereinheit 58 umfasst vorliegend vier Filterspulen 64, 66, 68, 70 auf. Ein erste Filterspule 64 und eine zweite Filterspule 66 der Filtereinheit 58 sind elektrisch in Reihe zueinander angeordnet und über den ersten Leiter 72 verbunden. Ein dritte Filterspule 68 und eine vierte Filterspule 70 der Filtereinheit 58 sind elektrisch in Reihe zueinander angeordnet und mit dem zweiten Leiter 74 verbunden.
Die Induktionskochfeldvorrichtung 10 weist ferner zumindest einen Gleichrichter 14 zur Gleichrichtung einer von dem Stromversorgungsnetz bereitgestellten Netzwechselspannung 86 (vgl. Figur 4) auf. Der Gleichrichter 14 ist vorliegend als ein Einphasen-Vollwellengleichrichter ausgebildet. Der Gleichrichter 14 umfasst vorliegend vier Dioden 76, 78, 80, 82, und zwar eine erste Diode 76, eine zweite Diode 78, eine dritte Diode 80 und eine vierte Diode 82.
Die Induktionskochfeldvorrichtung 10 umfasst einen Netzschalter 44, welcher dazu vorgesehen ist, eine elektrisch leitende Verbindung zwischen dem Netzanschluss 16 und dem Gleichrichter 14 herzustellen oder zu trennen. Vorliegend ist der Netzschalter 44 dazu vorgesehen, eine elektrische leitende Verbindung zwischen dem Netzanschluss 16 und dem Gleichrichter 14 über den ersten Leiter 72 herzustellen oder zu trennen.
Die Induktionskochfeldvorrichtung 10 weist einen BUS-Kondensator 12 auf. In dem schematischen elektrischen Schaltbild der Figur 2 ist vereinfachend ein Ersatzwiderstand 84 gezeigt, welcher elektrisch parallel zu dem Bus-Kondensator 12 angeordnet ist. Der Ersatzwiderstand 84 repräsentiert sämtliche elektrische Lasten, welche dem Bus- Kondensator 12 nachgeschaltet sein können, beispielsweise Wechselrichter (nicht dargestellt) der Hauptsteuereinheit 56 des Induktionskochfelds 50 und/oder zumindest einer der Induktoren 54 (vgl. Figur 1) und/oder dergleichen.
Der Bus-Kondensator 12 ist über zumindest einen ersten Ladepfad 18 (vgl. Figur 6) zum Aufladen während eines positiven Netzspannungsteilzyklus über den Gleichrichter 14 mit dem Netzanschluss 16 verbunden. Die erste Diode 76 und die vierte Diode 82 des Gleichrichters 14 sind dem ersten Ladepfad 18 zugeordnet. Während des positiven Netzspannungsteilzyklus ist der Bus-Kondensator 12 über die erste Diode 76 und die vierte Diode 82 des Gleichrichters 14 mit dem Netzanschluss 16 verbunden und kann über den ersten Ladepfad 18 geladen werden.
Der Bus-Kondensator 12 ist über zumindest einen zweiten Ladepfad 20 (vgl. Figur 6) zum Aufladen während eines negativen Netzspannungsteilzyklus über den Gleichrichter 14 mit dem Netzanschluss 16 verbunden. Die zweite Diode 78 und die dritte Diode 80 des Gleichrichters 14 sind dem zweiten Ladepfad 20 zugeordnet. Während des negativen Netzspannungsteilzyklus ist der Bus-Kondensator 12 über die zweite Diode 78 und die dritte Diode 80 des Gleichrichters 14 mit dem Netzanschluss 16 verbunden und kann über den zweiten Ladepfad 20 geladen werden.
Die Induktionskochfeldvorrichtung 10 weist eine Entladungseinheit 22 auf. Die Entladungseinheit 22 umfasst zumindest zwei Schaltelemente 24, 26 zum zeitweisen Entladen des Bus-Kondensators 12 über das Stromversorgungsnetz. Ein erstes Schaltelement 24 der Entladungseinheit 22 ist als ein Highside-Schaltelement 28 ausgebildet. Das Highside-Schaltelement 28 ist zwischen dem ersten Leiter 72 und dem Bus-Kondensator 12 angeordnet. Ein zweites Schaltelement 26 der Entladungseinheit 22 ist als ein Lowside-Schaltelement 30 ausgebildet. Das Lowside-Schaltelement 30 ist zwischen dem zweiten Leiter 74 und dem Bus-Kondensator 12 angeordnet. Die Schaltelemente 24, 26 sind dazu vorgesehen, in einem geschlossenen Zustand einen Entladungspfad 32 von dem Bus-Kondensator 12 zurück zu dem Netzanschluss 16 freizuschalten.
Das erste Schaltelement 24 ist elektrisch parallel zu der ersten Diode 76 des Gleichrichters 14 angeordnet. Das zweite Schaltelement 26 ist elektrisch parallel zu der vierten Diode 82 des Gleichrichters 14 angeordnet. Vorliegend ist die Entladungseinheit 22 daher ausschließlich zu einer Entladung des Bus-Kondensators 12 während positiver Netzspannungsteilzyklen einer von dem Stromversorgungsnetz bereitgestellten Netzwechselspannung 86 (vgl. Figur 4) vorgesehen.
Alternativ oder zusätzlich könnte die Entladungseinheit 22 jedoch zu einer Entladung des Bus- Kondensators 12 während positiver Netzspannungsteilzyklen vorgesehen sein, wobei das erste Schaltelement 24 dann elektrisch parallel zu der zweiten Diode 78 und das zweite Schaltelement 26 elektrisch parallel zu der dritten Diode 80 angeordnet sein müsste oder die Entladungseinheit 22 zusätzlich zu den Schaltelementen 24, 26 ein drittes Schaltelement elektrisch parallel zu der zweiten Diode 78 und ein viertes Schaltelement elektrisch parallel zu der dritten Diode 80 aufweisen müsste (nicht gezeigt).
Zumindest eines der Schaltelemente 24, 26 der Entladungseinheit 22 ist als ein Halbleiterschaltelement ausgebildet. Vorliegend ist sowohl das erste Schaltelement 24 als auch das zweite Schaltelement 26 als ein Halbleiterschaltelement ausgebildet. Zumindest eines der Schaltelemente 24, 26 der Entladungseinheit 22 ist als ein N-MOSFET ausgebildet. Vorliegend sind sowohl das erste Schaltelement 24 als auch das zweite Schaltelement 26 als N-MOSFETS ausgebildet.
Die Entladungseinheit 22 weist eine erste Schutzdiode 116 auf. Die erste Schutzdiode 116 ist bezüglich eines Source-Anschlusses des als N-MOSFET ausgebildeten ersten Schaltelements 24 in Sperrrichtung angeordnet und dazu vorgesehen, einen Stromfluss durch das erste Schaltelement 24 beim Laden des Bus- Kondensators 12 während der positiven Netzspannungsteilzyklen über den ersten Ladepfad 18 (vgl. Figur 6) zu verhindern. Analog dazu weist die Entladungseinheit 22 eine zweite Schutzdiode 118 auf, welche bezüglich eines Source-Anschlusses des als N-MOSFET ausgebildeten zweiten Schaltelements 26 in Sperrrichtung angeordnet und dazu vorgesehen ist, einen Stromfluss durch das zweite Schaltelement 26 beim Laden des Bus-Kondensators 12 während der negativen Netzspannungsteilzyklen über den zweiten Ladepfad 20 (vgl. Figur 6) zu verhindern.
Die Entladungseinheit 22 ist vorliegend dazu vorgesehen, den Bus-Kondensator 12 periodisch zu entladen. Eine Entladung des Bus-Kondensators 12 kann beispielsweise alle 60 ms periodisch wiederkehrend erfolgen. Nach Entladung des Bus-Kondensators 12 kann eine Gargeschirrerkennung von auf der Kochfeldplatte 52 des Induktionskochfelds 50 (vgl. Figur 1) aufgestelltem Gargeschirr (nicht dargestellt) durchgeführt werden, beispielsweise mittels des Wechselrichters der Hauptsteuereinheit 56 (vgl. Figur 1).
Die Induktionskochfeldvorrichtung 10 weist eine Steuereinheit 92 auf. Die Steuereinheit 92 ist zur Ansteuerung der Treibereinheit 34 und des Netzschalters 44 vorgesehen. Die Steuereinheit 92 umfasst mehrere Steueranschlüsse 94, 96, 98.
Die Induktionskochfeldvorrichtung 10 weist eine Treibereinheit 34 zur Steuerung der Entladungseinheit 22 auf. Die Treibereinheit 34 weist einen Highside-Treiber 36 zur Steuerung des Highside-Schaltelements 28 auf. Vorliegend umfasst der Highside-Treiber 36 einen Optokoppler 48. Der Optokoppler 48 ist zur galvanischen Trennung vorgesehen. Dier Highside-Treiber 36 umfasst zwei elektrische Widerstände 112, 114, die am Ausgang des Optokopplers 48 angeordnet sind. Die elektrischen Widerstände 112, 114 sind zueinander elektrisch parallel angeordnet und bilden einen Spannungsteiler zur Einstellung einer an einem Gate-Anschluss des als N-MOSFETS ausgebildeten Highside- Schaltelements 28 anliegenden Steuerspannung.
Die Treibereinheit 34 weist außerdem einen Lowside-Treiber 88 zur Steuerung des Lowside-Schaltelements 30 auf.
Die Induktionskochfeldvorrichtung 10 weist eine Steuerspannungsquelle 46 auf. Die Steuerspannungsquelle 46 ist dazu vorgesehen, unabhängig von einer Schalterstellung des Netzschalters 44 eine Gleichspannung zur Energieversorgung der Treibereinheit 34 bereitzustellen.
Die Induktionskochfeldvorrichtung 10 weist eine Steuereinheit 92 auf. Die Steuereinheit 92 ist zur Ansteuerung der Treibereinheit 34 und des Netzschalters 44 vorgesehen. Die Steuereinheit 92 umfasst mehrere Steueranschlüsse 94, 96, 98. Der Highside-Treiber 36 ist über einen ersten Steueranschluss 94 der Steuereinheit 96 ansteuerbar. Der Lowside- Treiber 88 ist über einen zweiten Steueranschluss 96 der Steuereinheit 92 ansteuerbar. Der Netzschalter 44 ist über einen dritten Steueranschluss 96 der Steuereinheit 92 ansteuerbar.
Die Treibereinheit 34 weist eine Bootstrap-Schaltung 38 zur Energieversorgung des Highside-Treibers 36 auf. Die Bootstrap-Schaltung 38 umfasst vorliegend einen Bootstrap-Kondensator 40. Eine Kapazität des Bootstrap-Kondensators 40 ist geringer als eine Kapazität des Bus-Kondensators 12. Vorliegend ist die Kapazität des Bootstrap- Kondensators 40 zumindest um einen Faktor von 2 geringer als die Kapazität des Bus- Kondensators 12. Beispielsweise könnte der Bus-Kondensator 12 eine Kapazität von 6,6 pF aufweisen und der Bootstrap- Kondensator 40 könnte eine Kapazität zwischen 1 pF und 2,2 pF aufweisen. Selbstverständlich sind auch andere Kapazitäten für den Bus- Kondensator 12 und den Bootstrap- Kondensator 40 denkbar, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Die Bootstrap-Schaltung 38 weist vorliegend eine Diode 100 auf. Die Bootstrap-Schaltung 38 umfasst vorliegend zumindest einen elektrischen Widerstand 42, welcher elektrisch in Reihe mit dem Bootstrap-Kondensator 40 verbunden ist. Die Diode 100 ist dem elektrischen Widerstand 42 vorgeschaltet.
In der Figur 2 ist außerdem ein Ersatzwiderstand 90 gezeigt, welcher elektrisch parallel zu dem Bootstrap-Kondensator 40 angeordnet ist. Der Ersatzwiderstand 90 repräsentiert die elektrischen Verluste des Highside-Treibers 36, sowie elektrische Verluste der Diode 100 aufgrund von Leckströmen bei erhöhten Temperaturen und dergleichen. Bei dem Ersatzwiderstand 90 handelt es sich somit nicht um ein physisch vorhandenes Bauteil der Induktionskochfeldvorrichtung 10.
Der Lowside-Treiber 88 umfasst ein erstes Lowside-Treiberelement 120 und ein zweites Lowside-Treiberelement 122. Das erste Lowside-Treiberelement 120 ist als ein NPN- Transistor ausgebildet. Das zweite Lowside-Treiberelement 122 ist als ein PNP-Transistor ausgebildet. Das erste Lowside- Treiberelement 120 und das zweite Lowside- Treiberelement 122 bilden einen nicht-invertierender Pegelwandler NPN-PNP. Über den zweiten Steueranschluss 96 stellt die Steuereinheit 92 eine Steuerspannung bereit, welche beispielsweise 3,3 Volt betragen kann. Der Lowside-Treiber 88 weist zwei elektrische Widerstände 186, 188 auf, welche zueinander elektrisch parallel angeordnet sind und einen Spanungsteiler an einem Basis-Anschluss des ersten Lowside- Treiberelements 120 bilden, um eine Eingangsspannung an dem ersten Lowside- Treiberelement 120. Ein Basis-Anschluss des zweiten Lowside-Treiberelements 122 ist mit einem Kollektor-Anschluss des ersten Lowside-Treiberelements 120 verbunden. Ein Emitter-Anschluss des zweiten Lowside-Treiberelements 122 liegt auf einem Referenzpotential 128 der Steuerspannungsquelle. Ein Kollektor-Anschluss des zweiten Treiberelements 122 ist mit einem Gate-Anschluss des Lowside-Schaltelements 30 verbunden. Mittels des ersten Lowside-Schaltelements 30 und des zweiten Lowside- Treiberelements 122 kann die über den zweiten Steueranschluss 96 bereitgestellte Steuerspannung auf ein erforderliches Niveau zur Ansteuerung des Gate-Anschlusses des Lowside-Schaltelements 30, im Bereich von etwa 20 Volt, verstärkt werden. Der Lowside-Treiber 88 weist zwei elektrische Widerstände 124, 126 auf, welche zueinander elektrisch parallel angeordnet sind und einen Spannungsteiler an dem Gate-Anschluss des Lowside-Schaltelements 30 bilden, um die dort zur Ansteuerung erforderliche Spannung genauer einzustellen und eine Überlastung des Lowside-Schaltelements 30 zu verhindern.
Figur 3 zeigt ein schematisches Verfahrensfließbild eines Verfahrens zum Betrieb der Induktionskochfeldvorrichtung 10. In dem Verfahren wird der Bus-Kondensator 12 mittels der Entladungseinheit 22, welche die zumindest zwei Schaltelemente 24, 26 umfasst, zeitweise über das Stromversorgungsnetz entladen, wobei über die Schaltelemente 24, 26 der Entladungspfad 32 von dem Bus-Kondensator 12 zurück zu dem Netzanschluss 16 freigeschaltet wird und wobei die Entladungseinheit 22 über die Treibereinheit 34 gesteuert wird, welche den Highside-Treiber 36 zur Steuerung des Highside- Schaltelements 28 und die Bootstrap-Schaltung 38 zur Energieversorgung des Highside- Treibers 36 aufweist. Das Verfahren umfasst vorliegend fünf Verfahrensschritte 102, 104, 106, 108, 110. Vor Beginn des Verfahrens ist der Netzschalter 44 geöffnet und die Steuerspannungsquelle 46 deaktiviert. In einem ersten Verfahrensschritt 102 des Verfahrens wird die Steuerspannungsquelle 46 aktiviert und der Bootstrap- Kondensator 40 wird zumindest teilweise aufgeladen. In einem zweiten Verfahrensschritt 104 des Verfahrens wird der Netzschalter 44 geschlossen und der Bus-Kondensator 12 wird aufgeladen. In einem dritten Verfahrensschritt 106 des Verfahrens wird der Bus- Kondensator 12 periodisch zeitweise über das Stromversorgungsnetz entladen, und zwar mittels der Entladungseinheit 22. In einem vierten Verfahrensschritt 108 des Verfahrens wird die periodische Entladung des Bus-Kondensators 12 beendet und der Bus- Kondensator 12 wird wieder aufgeladen. In einem fünften Verfahrensschritt 110 des Verfahrens wird der Netzschalter 44 wieder geöffnet. Anschließend wird der Bus- Kondensator 12 über den Ersatzwiderstand 84 entladen.
Die Verfahrensschritte 102, 104, 106, 108, 110 des Verfahrens werden anhand der Figuren 4 bis 8 nachfolgend noch genauer beschrieben.
Figur 4 zeigt eine Mehrzahl von schematischen Diagrammen zur Darstellung von Verläufen verschiedener elektrischer Kenngrößen der Induktionskochfeldvorrichtung 10 während der Durchführung des Verfahrens. Auf einer Abszisse 130 eines ersten Diagramms der Figur 4 ist eine Zeit in Sekunden aufgetragen. Auf einer Ordinate 132 des ersten Diagramms ist eine Spannung in Volt aufgetragen. Eine Kurve 134 zeigt einen zeitlichen Verlauf einer von der Steuerspannungsquelle 46 bereitgestellten Gleichspannung. Vorliegend stellt die Steuerspannungsquelle 46 nach Aktivierung in dem ersten Verfahrensschritt 102 während des gesamten weiteren Verlaufs des Verfahrens eine Gleichspannung von 24 Volt bereit.
Auf einer Abszisse 136 eines zweiten Diagramms der Figur 4 ist die Zeit in Sekunden aufgetragen. Auf einer Ordinate 138 des zweiten Diagramms ist eine Spannung in Volt aufgetragen. Eine Kurve 140 in dem zweiten Diagramm zeigt einen zeitlichen Verlauf einer Steuerspannung an dem dritten Steueranschluss 98 der Steuereinheit 92 (vgl. Figur 2) und damit den Schaltzustand des Netzschalters 44. Eine Kurve 142 in dem zweiten Diagramm zeigt eine Steuerspannung an dem ersten Steueranschluss 94 der Steuereinheit 92 an.
Auf einer Abszisse 144 eines dritten Diagramms der Figur 4 ist die Zeit in Sekunden aufgetragen. Auf einer Ordinate 146 des dritten Diagramms ist eine Spannung in Volt aufgetragen. Eine Kurve 148 in dem dritten Diagramm zeigt einen zeitlichen Verlauf der Netzwechselspannung 86. Eine zweite Kurve 150 zeigt einen zeitlichen Verlauf einer Spannung, auf welcher der Bus-Kondensator 12 aufgeladen und entladen wird.
Auf einer Abszisse 152 eines vierten Diagramms der Figur 4 ist die Zeit in Sekunden aufgetragen. Auf einer Ordinate 154 des vierten Diagramms ist eine Spannung in Volt aufgetragen. Eine Kurve 156 in dem dritten Diagramm zeigt einen zeitlichen Verlauf der Spannung, auf die der Bootstrap- Kondensator 40 aufgeladen wird.
Auf einer Abszisse 158 eines fünften Diagramms der Figur 4 ist die Zeit in Sekunden aufgetragen. Auf einer Ordinate 160 des fünften Diagramms ist eine Stromstärke in Milliampere aufgetragen. Eine Kurve 162 in dem fünften Diagramm zeigt einen zeitlichen Verlauf eines Stromflusses durch den elektrischen Widerstand 42 der Bootstrap- Schaltung 38.
Auf einer Abszisse 164 eines sechsten Diagramms der Figur 4 ist die Zeit in Sekunden aufgetragen. Auf einer Ordinate 166 des sechsten Diagramms ist eine Stromstärke in Ampere aufgetragen. Eine Kurve 168 in dem sechsten Diagramm zeigt einen zeitlichen Verlauf eines Stromflusses über die erste Diode 76 des Gleichrichters 14.
Auf einer Abszisse 170 eines siebten Diagramms der Figur 4 ist die Zeit in Sekunden aufgetragen. Auf einer Ordinate 172 des siebten Diagramms ist eine Stromstärke in Ampere aufgetragen. Eine Kurve 174 in dem siebten Diagramm zeigt einen zeitlichen Verlauf eines Stromflusses über die zweite Diode 78 des Gleichrichters 14.
Figur 5 zeigt ein vereinfachtes schematisches elektrisches Schaltbild der Induktionskochfeldvorrichtung 10 zur Darstellung eines Ladepfads 176 des Bootstrap- Kondensators 40. Sobald die Steuerspannungsquelle 46 in dem ersten Verfahrensschritt 102 aktiviert wurde, fließt ein Strom über die Diode 100 und den elektrischen Widerstand 42, welcher in dem fünften Diagramm der Figur 4 an der Kurve 162 erkennbar ist und der Bootstrap-Kondensator 40 wird geladen. Die Spannung teilt sich dabei zwischen einer ersten Masche bestehend aus dem Bootstrap-Kondensator 40 und dem Ersatzwiderstand 90 und einer zweiten Masche bestehend aus dem Bus-Kondensator 12 und dem Ersatzwiderstand 84 auf. Das Verhältnis der Kapazitäten zwischen dem Bootstrap- Kondensator 40 und dem Bus-Kondensator 12 bestimmt dabei das Verhalten des Spannungsanstiegs beim Aktivieren der Steuerspannungsquelle 46. Da vorliegend die Kapazität des Bootstrap-Kondensators 40 geringer ist als die Kapazität des Bus- Kondensators 12 liegt kurz nach dem Einschalten der Steuerspannungsquelle 46 an dem Bootstrap-Kondensator 40 nahezu die volle von der Steuerspannungsquelle 46 bereitgestellte Spannung an. Das Verhältnis zwischen den Ersatzwiderständen 84, 90 bestimmt die stationäre Spannungsteilung der von der Steuerspannungsquelle 46 bereitgestellten Spannung. Wenn der Ersatzwiderstand 90 viel kleiner ist als der Ersatzwiderstand 84 wird der Bootstrap- Kondensator 40 in dem ersten Verfahrensschritt 102 vollständig auf den Betrag der von der Steuerspannungsquelle 46 bereitgestellten Spannung aufgeladen. Andernfalls wird, wie im vorliegenden Ausführungsbeispiel gezeigt, ein Teil der Spannung an den Bus-Kondensator 12 abgegeben. Wie in dem dritten Diagramm der Figur 4 an der Kurve 150 zu erkennen, wird der Bus-Kondensator 12 bereits während des ersten Verfahrensschritts 102 zu einem kleinen Teil aufgeladen. Wie anhand der Kurve 156 in dem vierten Diagramm der Figur 4 gezeigt, wird der Bootstrap- Kondensator 40 während des ersten Verfahrensschritts 102 nur zum Teil, auf eine Spannung von etwa 14 Volt, aufgeladen. Eine Spannung, auf welche der Bus- Kondensator 12 in dem ersten Verfahrensschritt 102 aufgeladen wird, lässt sich anhand der nachfolgenden Formel (1) allgemein bestimmen:
Figure imgf000023_0001
wobei Vßus für die Spannung des Bus-Kondensators 12, Vcc für die von der Steuerspannungsquelle 46 bereitgestellte Spannung, RBUS für den Betrag des Ersatzwiderstands 84 und RBOOT2 für den Betrag des Ersatzwiderstands 90 stehen.
Gleichermaßen lässt sich die Spannung, auf welche der Boot-Kondensator 40 in dem ersten Verfahrensschritt 102 aufgeladen wird, anhand der nachfolgenden Formel (2) allgemein bestimmen:
Figure imgf000023_0002
wobei VßooTfür die Spannung steht, auf die der Bootstrap-Kondensator 40 aufgeladen wird. Während des ersten Verfahrensschritts 102 ist nur die erste Diode 76 des Gleichrichters
14 aktiv, wie auch anhand der Kurve 168 in dem sechsten Diagramm und anhand der Kurve 174 in dem siebten Diagramm der Figur 4 erkennbar ist.
Figur 6 zeigt ein vereinfachtes schematisches elektrisches Schaltbild der Induktionskochfeldvorrichtung 10 zur Darstellung der Ladepfade 18, 20 des Bus- Kondensators 12. Sobald der Netzschalter 44 zu Beginn des zweiten Verfahrensschritts 104 geschlossen wird, wird der Bus-Kondensator 12 auf den vollen Betrag der durch den Gleichrichter 14 gleichgerichteten Netzwechselspannung aufgeladen, wie auch in dem dritten Diagramm der Figur 4 anhand der Kurve 150 erkennbar. Das Schließen des Netzschalters 44 erfolgt während eines Nulldurchgangs der Netzwechselspannung 86. Beim Schließen des Netzschalters 44 ist ein hoher Stromimpuls an der Kurve 168 in dem sechsten Diagramm erkennbar. Dies ist der normale Spitzenstrom, der durch das Aufladen des Bus-Kondensators 12 verursacht wird. Die erste Diode 76 des Gleichrichters 14 ist entsprechend dieses Spitzenstroms ausgelegt. Der Bus-Kondensator 12 hat eine geringe Leistungsaufnahme, die durch den Ersatzwiderstand 84 gegeben ist, und daher wird der Bus-Kondensator 12 bei jedem Maximum der Netzwechselspannung 86 über den ersten Ladepfad 18 und bei jedem Minimum der Netzwechselspannung 86 über den zweiten Ladepfad 20 wieder vollständig aufgeladen. In dem zweiten Verfahrensschritt 104 wird beim der Netzwechselspannung 86 zudem der Ladepfad 176 freigeschaltet und der Bootstrap-Kondensator 40 wird schrittweise auf die maximale Spannung aufgeladen, wie anhand der Kurve 156 in dem vierten Diagramm der Figur 4 zu erkennen ist.
In dem dritten Verfahrensschritt 106 wird der Bus-Kondensator 12 periodisch, beispielsweise alle 60 Millisekunden, mittels der Entladungseinheit 22 entladen. Die Entladungseinheit 22 wird dabei mittels der Steuereinheit 92 über die Treibereinheit 34 angesteuert, und zwar mittels des ersten Steueranschlusses 94, wie in dem zweiten Diagramm der Figur 4 anhand der Kurve 142 zu erkennen ist.
In dem vierten Verfahrensschritt 108 des Verfahrens wird die periodische Entladung des Bus- Kondensators 12 beendet und der Bus-Kondensator 12 wird wieder aufgeladen. Zu Beginn des fünften Verfahrensschritts 110 wird der Netzschalter 44 wieder geöffnet, wie an der Kurve 140 des zweiten Diagramms der Figur 4 zu erkennen. Anschließend wird der Bus-Kondensator 12 über den Ersatzwiderstand 84 entladen. Wenn der Netzschalter 44 in dem fünften Verfahrensschritt 110 nicht während eines Nulldurchgangs der Netzwechselspannung 86 geöffnet wird, bleiben die Filterkondensatoren 60, 62 geladen. Erfolgt die Öffnung des Netzschalters während eines positiven Netzspannungsteilzyklus, bleiben die Filterkondensatoren 60, 62 auf einer positiven Spannung geladen, wie an dem konstanten Verlauf der Kurve 148 in dem dritten Diagramm der Figur 4 entnommen werden kann.
Figur 7 ein vereinfachtes schematisches elektrisches Schaltbild der Induktionskochfeldvorrichtung 10 zur Darstellung relevanter Strompfade bei Öffnung des Netzschalters 44 während eines positiven Netzspannungsteilzyklus zu Beginn des fünften Verfahrensschritts 110. Wenn die Filterkondensatoren 60, 62 auf einer positiven Spannung geladen bleiben, ist die Spannung am Bus-Kondensators 12 zunächst höher als die Spannung an den Filterkondensatoren 60, 62, sodass die erste Diode 76 und die vierte Diode 82 sperren. Der Bus-Kondensator 12 wird über den Ersatzwiderstand 84 entladen, wie in der Figur 7 durch einen Entladepfad 178 dargestellt. Sobald die Spannung am Bus-Kondensator 12 auf die gleiche Spannung abgefallen ist, die zwischen dem ersten Leiter 72 und dem zweiten Leiter 74, also an den Filterkondensatoren 60, 62, anliegt, sind die erste Diode 76 und die vierte Diode 82 in Durchlassrichtung vorgespannt, sodass auch die Filterkondensatoren 60, 62 über den Ersatzwiderstand 84 entladen werden, wie in der Figur 7 durch einen Entladepfad 180 dargestellt. Gleichzeitig wird auch der Bootstrap-Kondensator 40 über den Ersatzwiderstand 90 teilweise entladen, wie in der Figur 7 durch einen Entladepfad 182 dargestellt. Sobald die Spannung am Bootstrap- Kondensator 40 jedoch unter die von der Steuerspannungsquelle 46 bereitgestellte Spannung abfällt, ist die Diode 100 der Bootstrap-Schaltung 38 in Durchlassrichtung vorgespannt und der Bootstrap-Kondensator 40 wird wieder aufgeladen. Das Verfahren kann erneut ab dem zweiten Verfahrensschritt 102 durch Schließen des Netzschalters 44 durchgeführt werden.
Erfolgt die Öffnung des Netzschalters 44 zu Beginn des fünften Verfahrensschritts 110 während eines negativen Netzspannungsteilzyklus, bleiben die Filterkondensatoren 60, 62 auf einer negativen Spannung geladen.
Figur 8 zeigt ein vereinfachtes schematisches elektrisches Schaltbild der Induktionskochfeldvorrichtung 10 zur Darstellung relevanter Strompfade bei Öffnung des Netzschalters während eines positiven Netzspannungsteilzyklus zu Beginn des fünften Verfahrensschritts 110. Wenn die Filterkondensatoren 60, 62 auf einer negativen Spannung geladen bleiben, ist die Spannung am Bus-Kondensator 12 zunächst ebenfalls höher als die Spannung an den Filterkondensatoren 60, 62, sodass die zweite Diode 78 und die dritte Diode 80 sperren. Der Bus-Kondensator 12 wird wiederum über den Ersatzwiderstand 84 entladen, wie in der Figur 8 durch den Entladepfad 178 dargestellt. Sobald die Spannung am Bus- Kondensator 12 auf die gleiche Spannung abgefallen ist, die zwischen dem ersten Leiter 72 und dem zweiten Leiter 74, also an den Filterkondensatoren 60, 62, anliegt, sind die zweite Diode 78 und die dritte Diode 80 in Durchlassrichtung vorgespannt, sodass auch die Filterkondensatoren 60, 62 über den Ersatzwiderstand 84 entladen werden. Im Unterschied zur Figur 7 jedoch anhand eines Entladepfads 184. Gleichzeitig wird wiederum auch der Bootstrap- Kondensator 40 entlang des Entladepfads 182 über den Ersatzwiderstand 90 teilweise entladen. Im Unterschied zu dem in der Figur 7 dargestellten Fall kann der Bootstrap-Kondensator 40 jedoch schneller wieder aufgeladen werden, da der Ladepfad 176 durch die Entladung der Filterkondensatoren 60, 62 freigeschaltet und die Diode 100 in Durchlassrichtung vorgespannt ist, sobald die zweite Diode 78 aktiviert ist.
Bezugszeichen
10 Induktionskochfeldvorrichtung
12 Bus-Kondensator
14 Gleichrichter
16 Netzanschluss
18 erster Ladepfad
20 zweiter Ladepfad
22 Entladungseinheit
24 erstes Schaltelement
26 zweites Schaltelement
28 Highside-Schaltelement
30 Lowside-Schaltelement
32 Entladungspfad
34 Treibereinheit
36 Highside-Treiber
38 Bootstrap-Schaltung
40 Bootstrap-Kondensator
42 elektrischer Widerstand
44 Netzschalter
46 Steuerspannungsquelle
48 Optokoppler
50 Induktionskochfeld
52 Kochfeldplatte
54 Induktor
56 Hauptsteuereinheit
58 Filtereinheit
60 erster Filterkondensator
62 zweiter Filterkondensator
64 erste Filterspule zweite Filterspule dritte Filterspule vierte Filterspule erster Leiter zweiter Leiter erste Diode zweite Diode dritte Diode vierte Diode
Ersatzwiderstand
Netzwechselspannung
Lowside-Treiber
Ersatzwiderstand
Steuereinheit erster Steueranschluss zweiter Steueranschluss dritter Steueranschluss
Diode erster Verfahrensschritt zweiter Verfahrensschritt dritter Verfahrensschritt vierter Verfahrensschritt fünfter Verfahrensschritt elektrischer Widerstand elektrischer Widerstand erste Schutzdiode zweite Schutzdiode erstes Lowside-Treiberelement zweites Lowside-Treiberelement elektrischer Widerstand elektrischer Widerstand Referenzpotential
Abszisse
Ordinate
Kurve
Abszisse
Ordinate
Kurve
Kurve
Abszisse
Ordinate
Kurve
Kurve
Abszisse
Ordinate
Kurve
Abszisse
Ordinate
Kurve
Abszisse
Ordinate
Kurve
Abszisse
Ordinate
Kurve
Ladepfad
Entladepfad
Entladepfad
Entladepfad
Entladepfad elektrischer Widerstand elektrischer Widerstand

Claims

Ansprüche
1. Induktionskochfeldvorrichtung (10) mit zumindest einem Bus-Kondensator (12), mit zumindest einem Gleichrichter (14) und mit einem Netzanschluss (16) zur Verbindung mit einem Stromversorgungsnetz, wobei der Bus-Kondensator (12) über zumindest einen ersten Ladepfad (18) zum Aufladen während eines positiven Netzspannungsteilzyklus und über zumindest einen zweiten Ladepfad zum Aufladen während eines negativen Netzspannungsteilzyklus über den Gleichrichter (14) mit dem Netzanschluss (16) verbunden ist, gekennzeichnet durch eine Entladungseinheit (22), welche zumindest zwei Schaltelemente (24, 26) zum zeitweisen Entladen des Bus-Kondensators (12) über das Stromversorgungsnetz umfasst, wobei eines der Schaltelemente (24) als ein Highside-Schaltelement (28) und eines der Schaltelemente (26) als ein Lowside- Schaltelement (30) ausgebildet ist und die Schaltelemente (24, 36) dazu vorgesehen sind, in einem geschlossenen Zustand einen Entladungspfad (32) von dem Bus-Kondensator (12) zurück zu dem Netzanschluss (16) freizuschalten, und durch eine Treibereinheit (34) zur Steuerung der Entladungseinheit (22), welche einen Highside-Treiber (36) zur Steuerung des Highside-Schaltelements (28) und eine Bootstrap-Schaltung (38) zur Energieversorgung des Highside-Treibers (36) aufweist.
2. Induktionskochfeldvorrichtung (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Bootstrap-Schaltung (38) einen Bootstrap-Kondensator (40) umfasst, dessen Kapazität geringer ist als eine Kapazität des Bus-Kondensators (12).
3. Induktionskochfeldvorrichtung (10) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kapazität des Bootstrap- Kondensators (40) zumindest um einen Faktor von 2 geringer ist als die Kapazität des Bus- Kondensators (12).
4. Induktionskochfeldvorrichtung (10) nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Bootstrap-Schaltung (38) zumindest einen elektrischen Widerstand (42) umfasst, welcher elektrisch in Reihe mit dem Bootstrap-Kondensator (40) verbunden ist.
5. Induktionskochfeldvorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen Netzschalter (44), welcher dazu vorgesehen ist, eine elektrisch leitende Verbindung zwischen dem Netzanschluss (16) und dem Gleichrichter (14) herzustellen oder zu trennen.
6. Induktionskochfeldvorrichtung (10) nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch eine Steuerspannungsquelle (46), welche dazu vorgesehen ist, unabhängig von einer Schalterstellung des Netzschalters (44) eine Gleichspannung zur Energieversorgung der Treibereinheit (34) bereitzustellen.
7. Induktionskochfeldvorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Highside-Treiber (36) einen Optokoppler (48) umfasst.
8. Induktionskochfeldvorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Entladungseinheit (22) dazu vorgesehen ist, den Bus-Kondensator (12) periodisch zu entladen.
9. Induktionskochfeldvorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eines der Schaltelemente (24, 26) der Entladungseinheit (22) als ein Halbleiterschaltelement ausgebildet ist.
10. Induktionskochfeldvorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eines der Schaltelemente (24, 26) der Entladungseinheit (22) als ein N-MOSFET ausgebildet ist.
11. Induktionskochfeld (50) mit zumindest einer Induktionskochfeldvorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
12. Verfahren zum Betrieb einer Induktionskochfeldvorrichtung (10), insbesondere nach einem der Ansprüche 1 bis 10, mit zumindest einem Bus-Kondensator (12), mit zumindest einem Gleichrichter (14) und mit einem Netzanschluss (16) zur Verbindung mit einem Stromversorgungsnetz, wobei der Bus-Kondensator (12) über zumindest einen ersten Ladepfad (18) zum Aufladen während eines positiven Netzspannungsteilzyklus und über zumindest einen zweiten Ladepfad (20) zum Aufladen während eines negativen Netzspannungsteilzyklus über den Gleichrichter (14) mit dem Netzanschluss (16) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Bus-Kondensator (12) mittels einer Entladungseinheit (22), welche zumindest zwei Schaltelemente (24, 26) umfasst, wobei eines der Schaltelemente (24) als ein Highside-Schaltelement (28) und eines der Schaltelemente (26) als ein Lowside-Schaltelement (30) ausgebildet ist, zeitweise über das Stromversorgungsnetz entladen wird, wobei über die Schaltelemente (24, 26) ein Entladungspfad (32) von dem Bus-Kondensator (12) zurück zu dem Netzanschluss (16) freigeschaltet wird und wobei die Entladungseinheit (22) über eine Treibereinheit (34) gesteuert wird, welche einen Highside-Treiber (36) zur Steuerung des Highside-Schaltelements (28) und eine Bootstrap-Schaltung (38) aufweist, wobei der Highside-Treiber (36) über die Bootstrap-Schaltung (38) mit Energie versorgt wird.
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EP2582201B1 (de) * 2011-10-11 2017-04-19 BSH Hausgeräte GmbH Induktionsheizvorrichtung
EP2747514B1 (de) * 2012-12-20 2019-03-27 Groupe Brandt Verfahren und Vorrichtung zur Leistungszuführung von Induktionsmitteln
WO2022059861A1 (ko) * 2020-09-21 2022-03-24 엘지전자 주식회사 무소음 용기 감지 기능을 제공하는 유도 가열 장치 및 그의 동작 방법

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