DE102013221145B4 - induction heating - Google Patents
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Abstract
Induktionsheizeinrichtung mit – einem ersten induktiv wirkenden Bauelement in Form einer ersten Spule (L1), welche als Induktionsspule ausgebildet ist, – einem Kondensator (C1), welcher der ersten Spule (L1) parallel geschaltet ist, wobei die erste Spule (L1) und der Kondensator (C1) einen Parallelschwingkreis (7) bilden, – einem ansteuerbaren Schaltmittel (T1), das in Serie mit dem Parallelschwingkreis (7) zwischen einen Anschlusspol, an dem ein positives Zwischenkreispotential (UZ) ansteht, und einem Anschlusspol, an dem ein Zwischenkreisbezugspotential (GND) ansteht, eingeschleift ist und derart angesteuert ist, dass während eines Heizbetriebs eine Schwingung des Parallelschwingkreises (7) bewirkt wird, und – einem zweiten induktiv wirkenden Bauelement (L2), das in Serie mit dem Schaltmittel (T1) und dem Parallelschwingkreis (7) zwischen den Anschlusspol, an dem das positive Zwischenkreispotential (UZ) ansteht, und den Anschlusspol, an dem das Zwischenkreisbezugspotential (GND) ansteht, eingeschleift ist, wobei das zweite induktiv wirkende Bauelement (L2) induktiv mit einer Energieaufnahmeschaltung (3) zur Aufnahme von in dem zweiten induktiv wirkenden Bauelement (L2) gespeicherter Energie gekoppelt ist, wobei die Energieaufnahmeschaltung (3) ein drittes induktiv wirkendes Bauelement (L3) aufweist, welches mit dem zweiten induktiv wirkenden Bauelement (L2) induktiv gekoppelt ist, wobei das dritte induktiv wirkende Bauelement (L3) gegenläufig zum zweiten induktiv wirkenden Bauelement (L2) gepolt ist.Induction heater with - a first inductively acting device in the form of a first coil (L1), which is designed as an induction coil, - a capacitor (C1) which is connected in parallel to the first coil (L1), wherein the first coil (L1) and the Condenser (C1) form a parallel resonant circuit (7), - a controllable switching means (T1) connected in series with the parallel resonant circuit (7) between a terminal pole, at which a positive intermediate circuit potential (UZ) is present, and a terminal pole at which a DC link reference potential (GND), is looped in and is controlled such that during a heating operation, a vibration of the parallel resonant circuit (7) is effected, and - a second inductance device (L2) connected in series with the switching means (T1) and the parallel resonant circuit ( 7) between the terminal pole at which the positive DC link potential (UZ) is present, and the terminal pole at which the DC link reference potential ( GND), is looped, wherein the second inductively acting device (L2) is inductively coupled to a power receiving circuit (3) for receiving stored in the second inductively acting device (L2) energy, wherein the energy receiving circuit (3) has a third inductively acting Device (L3), which is inductively coupled to the second inductively acting device (L2), wherein the third inductively acting device (L3) is polarized in opposite directions to the second inductively acting device (L2).
Description
Die Erfindung betrifft eine Induktionsheizeinrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The invention relates to an induction heating device according to the preamble of
Gattungsgemäße Induktionsheizeinrichtungen werden typischerweise in Kochfeldern verwendet. Dabei wird eine (Induktions-)Spule der Induktionsheizeinrichtung typischerweise unterhalb einer Kochplatte angeordnet, so dass sie mittels eines erzeugten magnetischen Wechselfelds Wirbelströme in einem oberhalb der Kochplatte befindlichen Kochgeschirr induzieren kann. Auf diese Weise wird Energie auf das Kochgeschirr übertragen, welches somit erhitzt wird. Eine gattungsgemäße Induktionsheizeinrichtung ist beispielsweise dem Dokument
Zur Erzeugung des magnetischen Wechselfelds wird der Schwingkreis, in welchen die entsprechende Spule integriert ist, in Schwingung versetzt. Typischerweise ist ein solcher Schwingkreis als Parallelschwingkreis ausgeführt, welcher außer der Spule zusätzlich noch einen Kondensator aufweist. Zur Energieversorgung des Schwingkreises wird dabei typischerweise eine Zwischenkreisspannung verwendet, welche beispielsweise mittels eines Brückengleichrichters aus der Netzwechselspannung erzeugt wird. Mittels eines Schaltmittels, beispielsweise eines IGBTs, welches periodisch zwischen hoch- und niederohmigen, also nichtleitenden und leitenden Zuständen, geschaltet wird, kann erreicht werden, dass die Zwischenkreisspannung relativ zum Zwischenkreisbezugspotential periodisch über dem Parallelschwingkreis anliegt, wobei der Schwingkreis während der hochohmigen Zustände schwingen kann.To generate the alternating magnetic field of the resonant circuit, in which the corresponding coil is integrated, set in vibration. Typically, such a resonant circuit is designed as a parallel resonant circuit, which also has a capacitor in addition to the coil. To power the resonant circuit typically a DC link voltage is used, which is generated for example by means of a bridge rectifier from the AC line voltage. By means of a switching means, such as an IGBT, which is periodically switched between high and low resistance, ie non-conductive and conductive states, can be achieved that the intermediate circuit voltage relative to the DC link reference potential periodically applied to the parallel resonant circuit, the resonant circuit can oscillate during the high-impedance states ,
Aufgrund des induktiven Belags der Spule und dem Kochgeschirr ist für die Übertragung einer gewünschten Wirkleistung auf das Kochgeschirr immer auch eine Magnetisierungsblindleistung erforderlich. Diese Blindleistung belastet in der zugrundeliegenden Topologie mit einem Parallelschwingkreis auch das Schaltmittel, welches typischerweise als Leistungshalbleiter ausgeführt ist, direkt in Form von Magnetisierungsstrom und indirekt in Form von Spannungsüberhöhungen zwischen Kollektor und Emitter. Des Weiteren besteht beim Übergang zu einem jeweiligen Schaltzeitraum, in welchem das Schaltmittel leitend geschaltet wird, häufig eine gewisse Restspannung über dem Schaltmittel, da bei Kochgeschirr mit entsprechend großer Dämpfung die Spannungsamplitude der Schwingkreisspannung zu stark gedämpft wird und damit nicht mehr auf das Zwischenkreisbezugspotential von 0 V absinken kann.Due to the inductive covering of the coil and the cookware, a magnetizing reactive power is always required for the transmission of a desired active power to the cookware. This reactive power loads in the underlying topology with a parallel resonant circuit and the switching means, which is typically designed as a power semiconductor, directly in the form of magnetizing current and indirectly in the form of voltage peaks between the collector and emitter. Furthermore, in the transition to a respective switching period in which the switching means is turned on, often a certain residual voltage across the switching means, since in cookware with a correspondingly large attenuation, the voltage amplitude of the resonant circuit voltage is too much attenuated and thus no longer on the DC link reference potential of 0 V can drop.
Eine ähnliche Problematik tritt bei kleinen Kochstufen auf, d. h. bei kleiner Leistungsschaltung, da aufgrund der verkürzten Schaltzeiträume die Energie in der Induktionsspule nicht maximal wird und somit die Amplitude der Schwingkreisspannung bei der Schwingung auch nicht auf das Zwischenkreisbezugspotential abklingen kann.A similar problem occurs at small cooking levels, d. H. With a small power circuit, since due to the shortened switching periods, the energy in the induction coil is not maximum and thus the amplitude of the resonant circuit voltage in the oscillation can not decay to the DC link reference potential.
Wenn aus einem der beschriebenen Gründe die Schwingkreisspannung nicht auf das Zwischenkreisbezugspotential abklingen kann, führt dies beim Wiedereinschalten des Schaltmittels, d. h. beim Übergang in den leitenden Zustand, zu einem kapazitiven Kurzschluss der Reihenschaltung des Kondensators des Parallelschwingkreises und eines üblicherweise vorhandenen Zwischenkreiskondensators. Dies führt zu einer hohen Verlustleistung an dem Schaltmittel und zu elektromagnetischen Störaussendungen. Der energietechnische Vorteil des Parallelschwingkreises gegenüber einem Serienschwingkreis, welcher insbesondere darin besteht, dass nur ein Schaltmittel anstatt von zwei Schaltmitteln benötigt wird und dass nur wenig Blindleistung im Schaltmittel zur Energieübertragung erforderlich ist, wird durch die hohe Verlustleistung zumindest teilweise, eventuell auch vollständig neutralisiert.If, for one of the reasons described, the resonant circuit voltage can not decay to the intermediate circuit reference potential, this will result when the switching device is switched back on, ie. H. at the transition to the conducting state, to a capacitive short circuit of the series connection of the capacitor of the parallel resonant circuit and a usually existing intermediate circuit capacitor. This leads to a high power loss at the switching means and electromagnetic emissions. The energy advantage of the parallel resonant circuit compared to a series resonant circuit, which consists in particular in that only one switching means is required instead of two switching means and that only little reactive power is required in the switching means for energy transfer, is at least partially neutralized or possibly completely neutralized by the high power loss.
Bislang wurde zur Begrenzung der maximalen Verlustleistung und zur Vermeidung einer Zerstörung des Schaltmittels die kleinstmögliche Leistungsstufe für kontinuierlichen Betrieb auf etwa die halbe Spitzenleistung eingeschränkt. Auch in diesem Betriebspunkt treten jedoch große Restspannungen und damit hohe Wärmeverluste im Schaltmittel sowie elektromagnetische Störaussendungen auf. Noch niedrigere Leistungsstufen werden deshalb im ED-Betrieb realisiert, wobei ganze Schwingungszyklen übersprungen werden. Diese Betriebsart beeinflusst jedoch das Kochverhalten negativ.So far, to limit the maximum power dissipation and to avoid destruction of the switching means, the smallest possible power level for continuous operation has been limited to about half the peak power. Even at this operating point, however, large residual stresses and thus high heat losses occur in the switching means and electromagnetic emissions. Even lower power levels are therefore implemented in ED operation, skipping entire oscillation cycles. However, this mode of operation adversely affects the cooking behavior.
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Aufgabe und Lösung Task and solution
Es ist deshalb eine Aufgabe der Erfindung, die Verlustleistung am Schaltelement zu verringern und sie bevorzugt zusätzlich in den Schwingkreis zurückzuführen.It is therefore an object of the invention to reduce the power loss on the switching element and preferably additionally fed back into the resonant circuit.
Dies wird erfindungsgemäß durch eine Induktionsheizeinrichtung gemäß Anspruch 1 erreicht. Ausführungsbeispiele der Erfindung sind beispielsweise in den Unteransprüchen beansprucht. Der Inhalt der Ansprüche wird hiermit durch ausdrückliche Inbezugnahme zum Inhalt der Beschreibung gemacht.This is inventively achieved by an induction heater according to
Die Erfindung betrifft eine Induktionsheizeinrichtung, welche folgendes aufweist:
- – ein erstes induktiv wirkendes Bauelement in Form einer ersten Spule, welche als Induktionsspule ausgebildet ist,
- – einen Kondensator, welcher der ersten Spule parallelgeschaltet ist, wobei die erste Spule und der Kondensator einen Parallelschwingkreis bilden, und
- – ein ansteuerbares Schaltmittel, das in Serie mit dem Parallelschwingkreis zwischen einem Anschlusspol, an dem ein positives Zwischenkreispotential ansteht, und einem Anschlusspol, an dem ein Zwischenkreisbezugspotential ansteht, eingeschleift ist und derart angesteuert ist, dass während eines Heizbetriebs eine Schwingung des Parallelschwingkreises bewirkt wird.
- A first inductively acting component in the form of a first coil, which is designed as an induction coil,
- A capacitor which is connected in parallel with the first coil, the first coil and the capacitor forming a parallel resonant circuit, and
- - A controllable switching means, which is connected in series with the parallel resonant circuit between a terminal pole, at which a positive DC potential, and a terminal pole, at which a DC link reference potential is present, is looped in and is driven such that during a heating operation, a vibration of the parallel resonant circuit is effected.
Erfindungsgemäß ist in Serie mit dem Schaltmittel und dem Parallelschwingkreis ein zweites induktiv wirkendes Bauelement zwischen dem Anschlusspol, an dem das positive Zwischenkreispotential ansteht, und dem Anschlusspol, an dem das Zwischenkreisbezugspotential ansteht, eingeschleift.According to the invention, a second inductively acting component is connected in series with the switching means and the parallel resonant circuit between the terminal pole, at which the positive DC link potential is present, and the terminal pole, at which the DC link reference potential is present.
Mit der erfindungsgemäßen Induktionsheizeinrichtung wird der kapazitive Einschaltstrom durch das Schaltmittel beim Übergang des Schaltmittels von einem nichtleitenden zu einem leitenden Zustand begrenzt, was durch das in Serie mit dem Schaltelement eingeschleifte induktiv wirkende Bauelement erfolgt. Die am Schaltmittel auftretenden Einschaltverluste, häufig auch als EON bezeichnet, werden damit ebenfalls begrenzt.With the induction heating device according to the invention, the capacitive inrush current is limited by the switching means at the transition of the switching means from a non-conductive to a conductive state, which is effected by the inductively acting component looped in series with the switching element. The on-switching losses occurring at the switching means, often referred to as E ON , are thus also limited.
Bei dem ersten induktiv wirkenden Bauelement handelt es sich um eine Spule, welche als Induktionsspule ausgebildet ist. Diese Induktionsspule ist typischerweise horizontal unterhalb einer Kochplatte eines Kochfelds angeordnet, so dass sie ein auf der Kochplatte aufliegendes Kochgeschirr, beispielsweise einen Topf oder eine Pfanne, erwärmen kann. Dies erfolgt dadurch, dass die Induktionsspule ein zeitlich veränderliches Magnetfeld erzeugt.The first inductively acting component is a coil which is designed as an induction coil. This induction coil is typically arranged horizontally below a cooking plate of a hob, so that it can heat a resting on the hotplate cookware, such as a pot or a pan. This is done by the induction coil generates a time-varying magnetic field.
Der Parallelschwingkreis, welcher aus dem Kondensator und der ersten Spule gebildet ist, wird mittels des ansteuerbaren Schaltmittels angeregt. Dies erfolgt bevorzugt dadurch, dass das ansteuerbare Schaltmittel während periodisch wiederkehrender Schaltzeiträume eingeschaltet wird. Das ansteuerbare Schaltmittel ist dabei bevorzugt ein Insulated Gate Bipolar Transistor (IGBT). Es können jedoch auch andere geeignete Schaltmittel, wie beispielsweise JFET oder MOSFET oder normale Bipolartransistoren verwendet werden.The parallel resonant circuit, which is formed from the capacitor and the first coil, is excited by means of the controllable switching means. This preferably takes place in that the controllable switching means is switched on during periodically recurring switching periods. The controllable switching means is preferably an insulated gate bipolar transistor (IGBT). However, other suitable switching means such as JFET or MOSFET or normal bipolar transistors may be used.
Bei jedem Einschalten des Schaltmittels fällt die Differenz zwischen dem Zwischenkreispotential und dem Zwischenkreisbezugspotential im Wesentlichen über dem Kondensator und dem ersten induktiv wirkenden Bauelement, welches auch als Induktor bezeichnet wird, ab. Dies führt dazu, dass der Kondensator aufgeladen wird und der Strom durch das erste induktiv wirkende Bauelement ansteigt.Each time the switching means is switched on, the difference between the DC link potential and the DC link reference potential essentially drops across the capacitor and the first inductively acting component, which is also referred to as an inductor. As a result, the capacitor is charged and the current through the first inductively acting device increases.
Nach dem Ende eines jeweiligen Schaltzeitraums schwingt der Parallelschwingkreis, was bedeutet, dass die in dem ersten induktiv wirkenden Bauelement in Form von Strom, also magnetisch gespeicherter Energie, in elektrische Feldenergie auf dem Kondensator umgewandelt wird. Typischerweise ist hierbei die maximal erreichbare Spannung über dem Kondensator viel höher als sie beim Ende des vorhergehenden Schaltzeitraums war. Wenn die über dem Kondensator abfallende Spannung nach einem Ende des Schwingungszyklus wieder minimal ist, wird bevorzugt das Schaltmittel wieder eingeschaltet. Damit kann die beim Einschalten über dem Schaltmittel abfallende Verlustleistung minimiert werden.After the end of a respective switching period oscillates the parallel resonant circuit, which means that in the first inductively acting device in the form of electricity, so magnetically stored energy is converted into electrical field energy on the capacitor. Typically, the maximum achievable voltage across the capacitor is much higher than it was at the end of the previous switching period. If the voltage drop across the capacitor is again minimal after one end of the oscillation cycle, the switching means is preferably switched on again. This can be minimized when switching over the switching means dropping power loss.
Bei dem zweiten induktiv wirkenden Bauelement handelt es sich bevorzugt um ein diskretes Bauelement, besonders bevorzugt um eine Spule, welche die hier erforderlichen Eigenschaften einer induktiven Wirkung aufweist. Sie verhindert die kapazitiven Einschaltstromspitzen in dem Schaltmittel bei Restspannung an dem Kondensator und speichert die Energie magnetisch.The second inductively acting component is preferably a discrete component, particularly preferably a coil, which has the properties of an inductive effect required here. It prevents the capacitive inrush current peaks in the switching means with residual voltage at the capacitor and stores the energy magnetically.
Bevorzugt ist das zweite induktiv wirkende Bauelement zwischen dem Parallelschwingkreis und dem Schaltmittel angeordnet.The second inductively acting component is preferably arranged between the parallel resonant circuit and the switching means.
Das zweite induktiv wirkende Bauelement ist induktiv mit einer Energieaufnahmeschaltung zur Aufnahme von in dem zweiten induktiv wirkenden Bauelement gespeicherter Energie gekoppelt bzw. ist Bestandteil der Energieaufnahmeschaltung. Die Energieaufnahmeschaltung ist dabei bevorzugt zur Aufnahme von Energie unmittelbar nach einem Übergang des Schaltmittels in einen nichtleitenden Zustand ausgebildet.The second inductively acting component is inductively coupled to an energy absorption circuit for receiving energy stored in the second inductively acting component or is a component of the energy absorption circuit. The energy absorption circuit is preferably designed to absorb energy immediately after a transition of the switching means into a non-conductive state.
Mit einer solchen Energieaufnahmeschaltung kann die Energie, welche während eines Einschaltvorgangs üblicherweise in Wärme im Schaltmittel umgewandelt wird, auf vorteilhafte Weise gespeichert werden. Wird das Schaltmittel abgeschaltet, d. h. in einen nichtleitenden Zustand überführt, würde diese Energie zu einer Belastung für das Schaltmittel werden. Anders ausgedrückt würde das zweite induktiv wirkende Bauelement versuchen, den Stromfluss weiter aufrecht zu erhalten, welcher durch ein ausgeschaltetes Schaltmittel gerade verhindert werden soll. With such an energy absorption circuit, the energy which is usually converted into heat in the switching means during a switch-on process can be stored in an advantageous manner. If the switching means is switched off, ie transferred to a non-conducting state, this energy would become a burden on the switching means. In other words, the second inductively acting device would try to maintain the flow of current, which should just be prevented by a switched-off switching means.
Die Energieaufnahmeschaltung ist bevorzugt derart ausgebildet, dass die aufgenommene Energie zumindest teilweise in einen Zwischenkreis bzw. den Parallelschwingkreis zurückgeführt wird. Es wird weiter unten genauer ausgeführt werden, wie die Energieaufnahmeschaltung hierzu ausgebildet sein kann.The energy absorption circuit is preferably designed such that the absorbed energy is at least partially returned to a DC link or the parallel resonant circuit. It will be explained in more detail below how the energy absorption circuit can be designed for this purpose.
Die Energieaufnahmeschaltung weist ein drittes induktiv wirkendes Bauelement auf, welches mit dem zweiten induktiv wirkenden Bauelement induktiv bzw. transformatorisch gekoppelt ist. Besonders bevorzugt handelt es sich bei dem dritten induktiv wirkenden Bauelement um eine Spule. In dem typischen Fall, in welchem das zweite induktiv wirkende Bauelement ebenfalls eine Spule, nämlich eine zweite Spule ist, handelst es sich bei dem dritten induktiv wirkenden Bauelement um eine dritte Spule. Die zweite und die dritte Spule können einen Transformator bilden.The energy absorption circuit has a third inductively acting component which is inductively or transformer-coupled to the second inductively acting component. Particularly preferably, the third inductively acting component is a coil. In the typical case where the second inductor is also a coil, namely a second coil, the third inductor is a third coil. The second and third coils may form a transformer.
Mit einer solchen Ausführung kann in vorteilhafter Weise eine Abführung der in dem zweiten induktiv wirkenden Bauelement enthaltenen Energie erreicht werden, da sich zwei induktiv wirkende Bauelemente, besonders bevorzugt zwei Spulen, zur Energieübertragung in bekannter Weise vorteilhaft induktiv bzw. transformatorisch koppeln lassen.With such an embodiment, a dissipation of the energy contained in the second inductively acting component can be achieved in an advantageous manner, since two inductively acting components, particularly preferably two coils, can be inductively or transformerically coupled for energy transfer in a known manner.
Das dritte induktiv wirkende Bauelement weist dabei bevorzugt eine Induktivität ähnlich oder identisch zum zweiten induktiv wirkenden Bauelement auf. Dies bewirkt eine besonders effektive Kopplung.The third inductively acting component preferably has an inductance similar or identical to the second inductively acting component. This causes a particularly effective coupling.
Das dritte induktiv wirkende Bauelement ist gegenläufig bzw. gegensinnig zum zweiten induktiv wirkenden Bauelement gepolt.The third inductively acting component is poled in opposite directions or in opposite directions to the second inductively acting component.
Bevorzugt ist das dritte induktiv wirkende Bauelement über eine Diode an den Zwischenkreis bzw. den Parallelschwingkreis gekoppelt. Mit einer solchen Schaltung kann die Energie von dem zweiten induktiv wirkenden Bauelement in den Zwischenkreis bzw. den Schwingkreis zurückgespeist werden. Eine solche Diode bewirkt weiter, dass während der Schaltzeiträume, d. h. während das Schaltmittel leitend geschaltet ist, das dritte induktiv wirkende Bauelement und damit auch das zweite induktiv wirkende Bauelement von der Zwischenkreisspannung entkoppelt sind.Preferably, the third inductively acting device is coupled via a diode to the intermediate circuit or the parallel resonant circuit. With such a circuit, the energy from the second inductively acting device in the DC link or the resonant circuit can be fed back. Such a diode further causes that during the switching periods, d. H. while the switching means is turned on, the third inductively acting device and thus also the second inductively acting device are decoupled from the intermediate circuit voltage.
Gemäß einer Ausführung ist die Diode zwischen dem dritten induktiv wirkenden Bauelement und einem Verbindungsknoten zwischen dem Kondensator bzw. der ersten Spule und dem zweiten induktiv wirkenden Bauelement angeordnet.According to one embodiment, the diode is arranged between the third inductively acting component and a connection node between the capacitor or the first coil and the second inductively acting component.
Gemäß einer hierzu alternativen Ausführung ist die Diode zwischen dem dritten induktiv wirkenden Bauelement und dem Zwischenkreisbezugspotential angeordnet. Die Anode der ersten Diode kann mit dem Zwischenkreisbezugspotential verbunden sein.According to an alternative embodiment, the diode is arranged between the third inductively acting component and the intermediate circuit reference potential. The anode of the first diode may be connected to the DC link reference potential.
Die erfindungsgemäße Induktionsheizeinrichtung kann zusammengefasst folgendermaßen wirken:
Beim Einschalten des Schaltmittels werden der Anstieg des Stroms und damit die Verlustleistung durch das zweite induktiv wirkende Bauelement begrenzt. Beim Ausschalten des Schaltmittels wird die in dem zweiten induktiv wirkenden Bauelement gespeicherte Energie induktiv auf das dritte induktiv wirkende Bauelement übertragen. Dabei wird die Diode leitend und die Energie wird unmittelbar in den Zwischenkreis bzw. Parallelschwingkreis zurückübertragen.The induction heater according to the invention can be summarized as follows:
When switching the switching means of the increase of the current and thus the power loss are limited by the second inductively acting device. When the switching means is switched off, the energy stored in the second inductively acting component is inductively transmitted to the third inductively acting component. In this case, the diode is conductive and the energy is directly transferred back into the DC link or parallel resonant circuit.
Es versteht sich, dass die beschriebenen Prozesse teilweise gleichzeitig ablaufen.It is understood that the processes described run partially simultaneously.
Kurze Beschreibung der ZeichnungShort description of the drawing
Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnung detailliert beschrieben. Hierbei zeigen schematisch:The invention will be described in detail below with reference to the drawing. Here are shown schematically:
Detaillierte Beschreibung des AusführungsbeispielsDetailed description of the embodiment
Die gezeigte Induktionsheizeinrichtung wird von einer Netzwechselspannung UN gespeist, welche an zwei Polen
Am Ausgang des Brückengleichrichters
Als Referenzpotential sowohl für den Brückengleichrichter
Mit einem Pol des Zwischenkreiskondensators CZK ist ein Pol eines Kondensators C1 verbunden. Der Kondensator C1 bildet zusammen mit einer ersten Spule L1 einen Parallelschwingkreis
An demjenigen Pol des Kondensators C1, welcher dem mit dem Zwischenkreiskondensator CZK verbundenen Pol gegenüberliegt, liegt eine Schwingkreisspannung an. Mit diesem Pol ist auch eine zweite Spule L2 sowie ein Insulated Gate Bipolar Transistor (IGBT) T1 in Serie verbunden, wobei der Transistor T1 wiederum mit der Massespannung GND verbunden ist. Der Transistor T1 bildet vorliegend das Schaltmittel. Parallel hierzu ist eine Freilaufdiode DF geschaltet.At that pole of the capacitor C 1 which is opposite to the pole connected to the intermediate circuit capacitor C ZK , there is a resonant circuit voltage. This pole also has a second coil L 2 and an insulated gate bipolar transistor (IGBT) T 1 connected in series, the transistor T 1 in turn being connected to the ground voltage GND. The transistor T 1 in the present case forms the switching means. Parallel to this, a freewheeling diode D F is connected.
Der Transistor T1 kann einen leitenden und einen nichtleitenden Zustand einnehmen. Im leitenden Zustand ist der Transistor T1 niederohmig, im nichtleitenden Zustand ist er hochohmig. Er wird von einer nicht dargestellten Steuerungseinrichtung angesteuert, welche dafür sorgt, dass der Transistor T1 innerhalb periodisch wiederkehrender Schaltzeiträume eingeschaltet wird, d. h. seinen leitenden Zustand annimmt. Während dieser Schaltzeiträume ist somit eine leitende Verbindung von dem Kondensator C1 über die zweite Spule L2 durch den Transistor T1 zu der Massespannung GND hergestellt. Während solcher Schaltzeiträume können somit der Kondensator C1 und die erste Spule L1 Energie aufnehmen. Nach dem Ende eines solchen Schaltzeitraums wird der Transistor T1 wieder ausgeschaltet, nimmt also seinen nichtleitenden Zustand ein. Dann schwingt der aus dem Kondensator C1 und der ersten Spule L1 bestehende Parallelschwingkreis
Eine Schaltfrequenz des Transistors T1 kann beispielsweise im Bereich zwischen 10 kHz und 100 kHz liegen.A switching frequency of the transistor T 1 may for example be in the range between 10 kHz and 100 kHz.
Bevorzugt wird der Transistor T1 genau dann wieder eingeschaltet, wenn die Spannung an dem Transistor T1 ihr Minimum erreicht hat. Diese wird jedoch nach einer Schwingungsperiode nicht unbedingt wieder bis auf die Massespannung GND abfallen. Hierdurch ergibt sich beim Einschalten des Transistors T1 eine über dem Transistor T1 abfallende Spannung, welche zu Einschaltverlusten führt.Preferably, the transistor T 1 is exactly turned on again when the voltage across the transistor T 1 has reached its minimum. However, this will not necessarily fall back to the ground voltage GND after a period of oscillation. This results in turning on the transistor T 1, a voltage drop across the transistor T 1 , which leads to turn-on.
Beim Einschalten des Transistors T1 wird ein durch den Transistor T1 fließender Strom bzw. Stromanstieg durch die zweite Spule L2 reduziert.When the transistor T 1 is turned on, a current or current increase flowing through the transistor T 1 is reduced by the second coil L 2 .
Durch den Strom, welcher dann auch durch die zweite Spule L2 fließt, wird in der zweiten Spule L2 Energie gespeichert. Wenn der Transistor T1 abgeschaltet wird, also in einen Zustand übergeht, in welchem er nicht mehr leitend ist, tendiert die Schaltung grundsätzlich dazu, den Stromfluss, welcher durch das Ausschalten des Transistors T1 gerade verhindert werden soll, mittels der in der zweiten Spule L2 gespeicherten Energie aufrecht zu erhalten.By the current, which then flows through the second coil L 2 , 2 energy is stored in the second coil. When the transistor T 1 is turned off, that is, in a state in which it is no longer conductive, the circuit basically tends to the current flow, which is just to be prevented by turning off the transistor T 1 , by means of the second coil L 2 stored energy to maintain.
Zur Abführung der in der zweiten Spule L2 gespeicherten Energie ist eine Energieabführschaltung
Zunächst ist eine dritte Spule L3 vorgesehen, welche mit der zweiten Spule L2 induktiv gekoppelt ist. Dabei ist die dritte Spule L3 entgegengesetzt zur zweiten Spule L2 gewickelt oder gepolt. Wenn der Transistor T1 abgeschaltet wird, führt die in der zweiten Spule L2 gespeicherte Energie dazu, dass an einem Verbindungsknoten zwischen der zweiten Spule L2 und dem Transistor T1 eine im Vergleich zum gegenüberliegenden Pol der zweiten Spule L2 positive Spannung anliegt. Aufgrund der bereits erwähnten induktiven Kopplung der zweiten und der dritten Spulen wird jedoch die in der zweiten Spule L2 gespeicherte Energie zumindest teilweise auf die dritte Spule L3 übertragen.First, a third coil L 3 is provided, which is inductively coupled to the second coil L 2 . In this case, the third coil L 3 is opposite to the second coil L 2 wound or poled. When the transistor T 1 is switched off, the energy stored in the second coil L 2 causes a positive voltage to be present at a connection node between the second coil L 2 and the transistor T 1 in comparison to the opposite pole of the second coil L 2 . Due to the already mentioned inductive coupling of the second and third coils, however, the energy stored in the second coil L 2 is at least partially transmitted to the third coil L 3 .
Die dritte Spule L3 ist in Serie mit einer Diode D1 verbunden. Aufgrund der umgekehrten Polung der dritten Spule L3 im Vergleich zur zweiten Spule L2 liegt an dem Verbindungsknoten zwischen der dritten Spule L3 und der Diode D1 unmittelbar nach dem Ausschalten des Transistors T1 eine positive Spannung an. Der entsprechende Pol der dritten Spule L3 ist mit der Anode der Diode D1 verbunden, so dass die Diode D1 genau in diesem Zustand leitend wird. Damit kann die von der zweiten Spule L2 auf die dritte Spule L3 übertragene Energie unmittelbar in den Parallelschwingkreis
Im Unterschied zum ersten Ausführungsbeispiel ist bei dem in
Die abgeführte Energie wird somit zumindest teilweise wieder in den Parallelschwingkreis
Die gezeigte Induktionsheizeinrichtung weist im Vergleich zu Induktionsheizeinrichtungen gemäß dem Stand der Technik deutlich geringere Verluste auf. Bei einer angenommenen Spannung von 140 V über dem Transistor T1 beim Einschalten verringern sich die Gesamtverluste in allen beteiligten Leistungsbauteilen auf ca. 10 W, verglichen mit etwa 30 W bei einer Ausführung gemäß dem Stand der Technik. Gleichzeitig ergibt sich durch die Unterdrückung kapazitiven Einschaltens eine signifikante Reduzierung elektromagnetischer Störaussendungen sowie eine Verbesserung des Komforts für den Anwender.The illustrated induction heater has significantly lower losses compared to prior art induction heaters. Assuming a voltage of 140 V across the transistor T 1 at power-up, the total losses in all power components involved decrease to about 10 W, compared to about 30 W in a prior art embodiment. At the same time, the suppression of capacitive switching results in a significant reduction of electromagnetic emissions as well as an improvement in user comfort.
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|---|---|
| DE (1) | DE102013221145B4 (en) |
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-
2013
- 2013-10-17 DE DE102013221145.7A patent/DE102013221145B4/en not_active Expired - Fee Related
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| DE102013221145A1 (en) | 2015-04-23 |
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