数字电源的制作方法

本分案申请是基于申请号为201710521776.1、申请日为2017年6月30日、发明名称为“数字电源”的中国专利申请的分案申请。

本发明涉及一种独立地控制两个或更多个大功率负载的数字电源，其中引入的谐波和电压闪烁降低。在非限制性实施方式中，数字电源可以用于电烤炉中，以独立地控制两个或更多个加热元件，同时降低引入到功率系统的谐波和电压闪烁。

背景技术：

对于能够在引入到电网中的谐波和/或电压闪烁的量降低的同时使用ac壁式插座独立地控制两个或更多个大功率负载的电源的期望在增加。城市人口正在增加，并且随之对于能够插入到ac壁式插座中的大功率负载的期望在增加。作为例子，城市居民住在公寓或者公寓楼中，他们想要在那里使用烤炉。由于烟、气或其他问题，使用典型的木炭或燃气烤炉可能是不被允许或者不令人满意的。

有多种可用的电烹饪设备，例如georgeforeman板式烤炉(及类似设备)、帕尼尼压烤机、电烤盘等。然而，这些现有的设备通常不传送可变的功率。此外，这些现有电烹饪设备常规地不会产生足够匹配燃气或电烤炉的功率。

一些现有的设备可以使用与电负载串联的可变的电阻来控制传送到负载的功率的量。举例来说，随着可变电阻器的电阻增加，可变电阻器限制传送到电负载的功率。使用可变电阻器控制功率到电负载的传送是公知的。但是可变电阻器存在缺点。例如，缺点可能包括引入谐波到电力系统中，其转换成为能够产生干扰和其他不可预测的电磁场的电磁发射。此外，可变电阻可能会因为它们消耗了大量的功率而低效。

其他现有设备可以使用双金属温度计，其打开和关断以控制功率传送。使用双金属温度计的缺点包括：其允许对于传送的功率的较少的离散(即，不太精确的)控制并且通常与响应时间中的相对长的延迟有关。长的延迟时间造成负面的烹饪体验，原因在于其导致对于温度较差的控制。此外，长的延迟时间是不利的，因为已知长的开/关工作循环会缩短加热元件的使用寿命。

一些设备可以使用半波控制技术来传送功率。例如，名称为“heatingcontrolsystemwhichminimizesacpowerlinevoltagefluctuations”的美国专利6,772,475公开了一种控制ac电流的传送的半波ac控制设备。这种控制方法与显著的缺点相关，原因在于其仅仅阶段性地传送功率，而不是从0-100％的连续范围的传送功率。与之相比，本发明的实施方式允许连续可变的功率传送。

还有的其他现有设备可以包括用于在打开电负载时限制电流的涌入的数字控制装置。例如，名称为“methodandapparatusforsupplyingacpowerwhilemeetingtheeuropeanflickerandharmonicrequirements”的美国专利6,111,230描述了一种用于在首先打开打印设备时限制电流涌入该打印设备的方法。然而，所公开的设备并未提供独立控制多个电负载，更不用说在独立控制多个负载的同时降低谐波电流和电压闪烁。

因此，需要一种数字电源，其能够在仅将降低的谐波和电压闪烁干扰引入功率系统的同时独立地控制两个或更多个电负载。

技术实现要素：

本发明克服了已知电源的很多缺点，并且为诸如电烤炉的设备提供了新的特征和优点。例如，本发明的实施方式提供了数字功率控制，其能够传送更精确量的功率到电负载。此外，本发明的实施方式允许多个电负载独立控制。本发明的另一些实施方式降低了由将电源插入到壁式插座中而导致的谐波电流和电压闪烁。

根据本发明的优选实施方式，提供了一种传送功率的方法。该方法可以包括以下步骤：使用一个或多个用户输入设备选择分别用于第一和第二加热元件的第一和第二功率设置；将功率设置电通信至微处理器，并且使用微处理器计算要求的功率的总量；使用微处理器填入分别与第一和第二加热元件对应的第一和第二功率阵列；使用微处理器计算与第一和第二功率阵列对应的第一和第二相位角阵列；使微处理器从零交叉检测单元接收零交叉信号；以及对于第一时间段，将第一相位角阵列表示的相位控制的ac波模式传送至第一加热元件，以及将第二相位角阵列表示的相位控制的ac波模式传送至第二加热元件。本发明的附加实施方式包括以下步骤：对于第二时间段，将第一相位角阵列表示的相位控制的ac波模式传送至第二加热元件，以及将第二相位角阵列表示的相位控制的ac波模式传送至第一加热元件。

进一步地，每个功率阵列可包括四个单元。附加地，使用微处理器填入第一和第二功率阵列的步骤还包括以下步骤：用与第一功率阵列的第三单元相同的值填入第一功率阵列的第一单元；用与第一功率阵列的第四单元相同的值填入第一功率阵列的第二单元；用与第二功率阵列的第三单元相同的值填入第二功率阵列的第一单元；以及用与第二功率阵列的第四单元相同的值填入第二功率阵列的第二单元。

在本发明的实施方式中，每个功率阵列的每个单元表示功率百分数并且范围从0≤x≤1.0。用“0”或“1”填入第一功率阵列中的每个交变单元。此外，用“0”或“1”填入第二功率阵列中的每个交变单元。在本发明的一些实施方式中，使用微处理器将方程角度＝arccos(2x-1)应用到第一和第二功率阵列来分别计算第一和第二相位角阵列。在进一步的实施方式中，第一时间段被计算为第一功率设置与要求的功率的总量的比率，并且第二时间段被计算为第二功率设置与要求的功率的总量的比率。进一步地，实施方式可以包括激活与加热元件连接的三端双向可控硅开关元件的步骤。

此外，还提供了一种数字电源的实施方式，其具有：第一和第二用户输入设备；连接至电压线的第一和第二三端双向可控硅开关元件；分别与第一和第二三端双向可控硅开关元件通信的第一和第二三端双向可控硅开关元件驱动器；与第一和第二三端双向可控硅开关元件驱动器通信并且与第一和第二用户输入设备通信的微处理器；其中，微处理器特别配置成计算第一和第二用户输入设备要求的总功率以及基于要求的总功率填入第一和第二功率阵列；以及其中，微处理器特别配置成基于第一和第二功率阵列的各个值计算相位角的第一和第二阵列。

在本发明的实施方式中，第一和第二功率阵列均具有四个单元。微处理器可以特别配置成用两个交变值填入至少一个功率阵列的单元。在进一步的实施方式中，微处理器可以配置成通过以下计时模式接通第一和第二三端双向可控硅开关元件：该计时模式与第一和第二相位角阵列中的相位控制波形对应。

再进一步的实施方式包括一种电烤炉，其具有：安装在外壳上的第一旋钮、第二旋钮以及显示器；连接到电压线和零线的电源线；在外壳内的第一和第二加热元件，第一和第二加热元件连接至电压线和零线；分别连接在电压线与第一和第二加热元件之间的第一和第二三端双向可控硅开关元件；分别与第一和第二加热元件通信的第一和第二三端双向可控硅开关元件驱动器；配置成检测电压线中的ac电流的零交叉的零交叉检测单元；以及与第一和第二旋钮、第一和第二三端双向可控硅开关元件驱动器以及零交叉检测单元通信的微处理器，其中，微处理器还与时钟信号发生器和存储器通信。

此外，在一些实施方式中，存储器包括第一和第二功率阵列。第一功率阵列可以用两个交变值填入。第二功率阵列可以用两个交变值填入。第一功率阵列中的两个交变值中的一个可以表示整个“接通”波。在再一实施方式中，第一功率阵列中的两个交变值中的一个表示整个“关断”波。

因此，本发明的目的在于提供一种数字电源，其提供精确的功率控制，可以独立地控制多个负载，并且可以降低电源引入到壁式插座中的谐波电流和电压闪烁。

本发明的另一目的在于提供一种改进的电源，其包括但不限于可以用于电烤炉的电源。

本发明的附加目的在于提供一种数字电源，其可以用于电烤炉中以提供对于两个或更多个加热元件的独立控制。

本发明的附加目的在于提供一种数字电源，其引入较少的谐波电流到壁式插座中。

本发明的附加目的在于提供一种数字电源，其引入较少的电压闪烁到壁式插座中。

本发明的附加目的在于提供一种用于电烤炉的数字电源，其符合对于谐波电流和电压闪烁的标准限额和/或规则。

本发明的附加目的在于提供一种用于电烤炉中以传送可变功率到两个或更多个加热元件的数字电源。

本发明的附加目的在于提供一种数字电源，其使用相位剪切技术来传送可变功率。

本发明的附加目的在于提供一种数字电源，其传送在0-100％范围内连续可变的功率。

本发明的附加目的在于通过提供短的占空比提高加热元件的使用寿命。

发明人对于术语的定义

以下可以用在本专利的各个权利要求或说明书中的术语旨在使其最宽的含义与法律要求一致：

如本文所使用的，“功率阵列”被定义为值的阵列，每个值表示在一个波循环中的功率传送的百分比(0.0≤x≤1.0)。示例性的功率阵列被描述为具有四个单元，但是应该理解，其他大小的阵列也是可能的。

如本文所使用的，“相位角阵列”被定义为值的阵列，每个值表示在一个波循环中的相位角“剪切”。示例性的相位角阵列具有四个单元，但是应该理解，其他大小的阵列也是可能的。

如本文所使用的，“计时模式”被定义为产生相位控制ac波形的“接通”和“关断”的模式。

在备选含义在说明书或权利要求书是可能的情况下，最宽的含义旨在与所属领域技术人员的理解一致。用在权利要求书中的所有词汇旨在用于语法、行业和英语语言中正常惯用的用法。

附图说明

图1a是本发明的示例性烤炉的正视图。

图1b是示出代表性内部部件的代表性烤炉的烹饪表面的示意性俯视图。

图2是电路的示意性实施方式的示意图，其包括本发明的数字电源电路。

图3a是本发明的90度剪切的示例性波形。

图3b是本发明的90度剪切的示例性波形。

图3c示出了按标准限额绘制的谐波电流，所述标准限额示出了通过1150w元件的谐波电流。

图4a是本发明的“接通”波之后的示例性的剪切波形。

图4b是本发明的“接通”波之后的示例性的剪切波形。

图4c示出了按标准限额绘制的谐波电流，所述标准限额示出了通过1150w元件的谐波电流。

图5a是本发明的“关断”波之后的示例性的剪切波形。

图5b是本发明的“关断”波之后的示例性的剪切波形。

图5c示出了按标准限额绘制的谐波电流，所述标准限额示出了通过1150w元件的谐波电流。

图6是本发明的示例性微处理器配置的流程图。

图7是用于填入本发明的功率阵列的示例性算法。

图8示出了在本发明的时间段内传送给两个加热单元的示例性功率。

图9示出了传送给本发明的n个加热单元的示例性功率。

图10是本发明的微处理器的示例性输入和输出的流程图。

图11示出了电压闪烁的标准限额(iec61000-3-3)。

具体实施方式

以下说明的是当前被认为是所要求保护的本发明的优选实施方式或者代表性例子的描述。关注实施方式和优选实施方式的未来和当前的代表或修改。任何对功能、目的、结构或者结果进行非实质性的改变的变化或修改旨在由本专利的权利要求书涵盖。本发明可以用在电烤炉上和/或作为其一部分，该电烤炉具有由申请人在与本申请同一天提交的名称为“electricgrillwithcurrentprotectioncircuitry”并且委派给weber-stephen产品责任有限公司的共同未决的专利申请中讨论的电流保护电路，其整体通过援引并入本文。

本发明通常包括数字电源，其可以提供独立的功率控制以及连续的可变功率给两个或更多个电力负载。本发明的实施方式可以降低引入到功率系统中的谐波和/或电压闪烁的量。所属领域技术人员应该意识到数字电源可以用于提供任何电力负载或者负载组合，包括加热器、发动机等。在本文所述的优选实施方式中，示例性负载是在电烤炉中发现的加热元件。

电烤炉是用于具有独立负载控制的数字电源的合适应用，原因在于用户可能希望在电烤炉的一侧上具有较高热量，而在烤炉的另一侧上具有较低热量。这样的布置允许用户同时烧烤要求不同温度的各种食物，或者使用间接烧烤方法。间接烧烤方法的例子包括将食物放在烹饪表面的一侧，同时加热另一侧，从而避免食物和热源之间的直接接触。可变的功率的进一步的益处在于其允许用户输入功率设置并且获得目标温度。这使得可以在低温下烹饪延长的时间段。

现在参照附图，图1-11示出了电烤炉110和数字电源200的优选实施方式。作为例子，图1a和图1b示出了电烤炉110。图1a示出了电烤炉110的外部，包括外壳106，左和右控制旋钮101和102以及显示器103可以安装在外壳106上。电烤炉110可以包括用于连接到ac壁式插座的电源线107。左和右控制旋钮101和102以及显示器103可以连接到微控制器213，其在下文中更加详细描述。

如图1b中所示，左和右控制旋钮101和102可以与第一和第二加热元件203和204分别关联，因而产生两个烹饪区域。在图1b中也示出了代表性栅格或烹饪表面112。每个加热元件203和204可以由旋钮101、102独立控制，或者由任何其他与加热元件203、204关联的控制器独立控制。左旋钮101和右旋钮102可以定位在烤炉外壳106的外部。旋钮101和102或者任何其他的所属领域技术人员理解的输入设备可以连接到微处理器213以设置一个或多个加热元件203、204中的操作模式。

使用旋钮101和102或者诸如触摸屏或按钮的任何其他输入设备，用户可以选择用于每个加热元件203和204的操作模式。操作模式可以包括用于加热元件的期望的温度或者功率设置。在下文中进一步详细描述的微处理器213控制传送到加热元件203和204中的电流，以便传送选择的功率。微处理器213可以使用反馈回路获得每个加热元件203和204的期望的温度，在反馈回路中，其接收从热电耦221和222读取的当前温度，热电耦221和222由各个加热元件203和204最接近地定位。所属领域技术人员应该意识到可使用各种类型和数量的旋钮、加热元件、温度传感器和/或显示器。

电烤炉110可以可选地包括显示器103或者其他用户接口。在一个例子中，显示器103可以连接至微处理器212，并且显示与加热元件203,204中的一个或多个的电流设置或操作有关的信息。例如，显示器103可以显示在加热元件203和204附近的当前温度(通过热电耦221和222测量)以及用户已经通过旋钮101和/或旋钮102选择的期望的温度或功率设置。

现在转到图2，在通常的非限制性术语中，数字功率传送可以通过微处理器213完成，微处理器213接收用户的期望功率设置并控制三端双向可控硅元件开关208和209来启用(或禁用)ac电流从电压线201流动通过加热元件203和204并通过零线202返回到壁式插座。本文中附加提供的是专门配置的微处理器213，其可以控制ac电流通过以下方式流到加热元件203和204：降低由电烤炉110引入的到ac壁式插座的谐波电流和电压闪烁。

如图2的实施方式中所示，微处理器213与三端双向可控硅开关元件驱动器211和212通信，该驱动器211和212转而控制相应的三端双向可控硅开关元件208和209。微处理器213可以将功率传送到加热元件203和204的机制是通过它们对应的三端双向可控硅开关元件驱动器211和212接通或关断(有时也分别称为“启用”和“禁用”)三端双向可控硅开关元件208和209。

特别地，三端双向可控硅开关元件208和209在它们被来自微处理器213的脉冲触发时接通。电流继续流动，直到ac电流波与零交叉。在零交叉之后，三端双向可控硅开关元件关断并且保持关断，直到下一次微处理器213使其接通。在一个例子中，在ac电流是60hz的情况下，例如典型的壁式插座，零交叉每个第1/120秒时出现。零交叉检测单元210设置成在每次ac波与零交叉时将信号通信给微处理器213。使用该信号，微处理器213可以将其定时与交流电的零交叉同步。

替代允许微处理器213与三端双向可控硅开关元件208和209之间的直接通信，三端双向可控硅开关元件驱动器211和212用于在微处理器213与三端双向可控硅开关元件208和209之间接口。三端双向可控硅开关元件驱动器可以利用低电压dc源(例如，微处理器)控制高电压三端双向可控硅开关元件(图2)。此外，三端双向可控硅开关元件驱动器用于将设备与三端双向可控硅开关元件中的可能的高电流或电压隔离。三端双向可控硅开关元件驱动器211和212接口在微处理器213以及三端双向可控硅开关元件208和209之间，同时保持微处理器213与三端双向可控硅开关元件208和209中的电压和电流隔离。

“接通”的三端双向可控硅开关元件允许电流通过该三端双向可控硅开关元件，而“关断”的三端双向可控硅开关元件不允许电流流动。因此，“接通”的三端双向可控硅开关元件208允许ac电流流动(从电压线201)通过第一加热元件203，而“接通”的三端双向可控硅开关元件209允许ac电流(从电压线201)流动通过第二加热元件204。说微处理器213将功率传送到加热元件203和/或加热元件204就意味着微处理器213启用各个三端双向可控硅开关元件驱动器，其使相关的三端双向可控硅开关元件“接通”并允许ac电流从线201流出。在本公开整个文本中，应该理解，提到微处理器213将功率传送到加热元件即意味着微处理器213正在经由“接通”或“启用”脉冲信号激活给定的加热元件的三端双向可控硅开关元件驱动器。

如本领域技术人员所理解，三端双向可控硅开关元件是三个电极设备或者三极管，其传导交流电。三端双向可控硅开关元件是固态双向开关的类型。虽然本公开文本描述了使用三端双向可控硅开关元件的数字电源，但是应该理解，任何固态双向开关可以替代三端双向可控硅开关元件使用。加热元件203和204可以是电阻加热器，其在更多电流通过它们时温度增加。示例性的加热元件可以抽运1150瓦特。如本领域技术人员所理解，也可以使用其他加热元件203、204。

在本发明的实施方式中，微处理器213可以从位于每个加热元件203和204附近的一个或多个热电耦221和222可选地接收温度反馈，以便于确认何时达到期望温度。图1b示出了邻近每个加热元件203和204的热电耦221和222的示例。在实施方式中，反馈可由微处理器213使用，以调整传送到加热元件203和204的电流，直到获得旋钮102和/或102选择的期望温度。因此，用户可以(独立地)选择用于加热元件203和204的期望的操作模式。在本发明的实施方式中，微处理器213可以控制传送的电流，直到达到期望温度设置并且然后保持该期望温度。

接着，转到微处理器213的操作，微处理器213可以配置成通过在“接通”和“关断”之间切换三端双向可控硅开关元件208和209传送合适量的功率(如用户所选择的)。如上所述，启用(或“接通”)的三端双向可控硅开关元件208或209分别允许ac电流从线201流动通过加热元件203或204。因此，可见较长的“接通”时段允许更多的ac电流流动，并因而传送更多的功率。相反，较长的“关断”时段导致较低的功率传送。

在本发明的实施方式中，微处理器213可以使用相位角控制技术来产生在“接通”和“关断”之间切换的模式。在“接通”和“关断”之间切换产生的控制模式控制从电压线201流动通过加热元件203和204的ac电流(以及扩展到功率)的相位角。这种类型的控制模式有时称为“相位剪切”，因为ac电流的波形可以被“剪切”掉。可以通过在部分ac波循环期间禁用电流的流动剪切波。这样，部分波变为“剪切”掉。“接通”和“关断”的计时模式产生相位控制波。为了确定正确角度，其中在该正确角度为期望的功率传送剪切波，微处理器213求解了以下方程：

(角度)＝arccos(2x-1)

其中，x是期望的功率传送(以百分比表示：0.0≤x≤1.0)。

微处理器213编程为求解角度，在该角度剪切传送到加热元件203和204的ac正弦波。本公开文本指的是以“度”计量的角度，但是所属领域技术人员应该理解，每个角度度量方式都可以转换为“弧度”单位。

在图3a中提供了一个例子，其示出了微处理器213在90°剪切ac波的例子。90°剪切产生了传送全部可用功率的一半(即，50％)的波。图3a示出了ac电流的一个波循环。所属领域技术人员应该理解，完整的波具有正的一半和负的一半。该波循环在301开始，在此处电流的值为零。301和303之间的以302数字标注的区域是灰色阴影，以指示三端双向可控硅开关元件未被启用，并因而电流未被传送。在表示90°相位角的303处，微处理器213发送脉冲信号以激活三端双向可控硅开关元件，并因而允许电流流动通过加热元件。(换句话说，微处理器213在303开始传送功率)。在305，电流与零交叉，并且三端双向可控硅开关元件关断。三端双向可控硅开关元件保持关断直到307，其表示270°相位角。在270°，微处理器213再次发送激活的脉冲，并且电流在307和309之间流动90°相位，即，从270°到360°。

概括而言，图3a示出了微处理器为标记304和308的区域传送功率，每个表示90°相位，用于组合180°。对于标记302和306的阴影区域，没有传送功率，每个也表示90°，用于组合180°。这样，微处理器213已经传送了可用的功率的一半或者50％。为了传送不同的功率百分数，微处理器213可以在半波中较早地发送激活的脉冲，以传送更多的功率，或者在半波中较晚地发送激活的脉冲，以传送较少的功率。为了任何期望的功率百分数，合适的相位角剪切可以通过微处理器213求解(角度)＝arccos(2x-1)来计算。在图3a的例子中，选择50％的功率传送。因此，微处理器213执行计算(相位角)＝arccos(2*0.5-1)＝90°。图3b去除了图3a的“剪切”掉的波部分，并且仅示出了实际传送的功率。

现在转到图3c，提供了绘图，其示出了以图3a和3b中所述的90°相位剪切引入到功率系统的谐波电流。换句话说，当电烤炉接入壁式插座并且产生如图3a/3b中所述的90°相位剪切时，可以将这些绘制的谐波电流引入到建筑物的电力线中。绘图使用1150w的加热元件产生。引入谐波是不期望的，因为其导致电磁干扰。此外，存在诸如iec61000-3-2电磁兼容性(emc)-部分3-2的标准，其限制可由设备引入到壁式插座中的谐波电流的水平。在图3c的绘图中，谐波电流限额被绘制成线段。如从图3c中清楚的，以90°相位剪切引入的谐波电流(以点绘制的)超出了谐波限额(以段绘制的)。换句话说，图3c中的绘图示出了点(表示rms电流)比标记谐波限额的线高。这意味着图3a/3b的波形具有高的谐波电流，并且不符合iec标准。例如，点310处的rms电流是超出(高于)谐波限额311的谐波电流的一个例子。

因此，本发明的实施方式包括微处理器213，其特别配置成使用引起具有降低的量级的谐波电流的波剪切将功率传送到电负载。首先，申请人的测试已经表明在波剪切之后紧接着整个波循环“接通”或整个波循环“关断”时，谐波电流的量级降低。图4和5中示出了申请人的测试结果。具体地，图4a示出了具有与图3a中相同的90°剪切的第一波循环，但是该第一波循环之后是完全“接通”的在后的第二波循环(在409和410之间)。类似地，图5a示出了具有与图3a相同的90°剪切的第一波循环，并且该第一波循环之后是附加的被完全“关断”的第二整个波循环(在509和510之间)。为了清楚，图4b和5b示出了没有波的“剪切”部分的相同的各个模式。在图4c和5c中示出的申请人的检测示出了当90°剪切被在后的整个“接通”或整个“关断”的波循环跟随时，90°剪切引起较少的谐波。这些结果可以在图4c和5c中看到，其中绘制的谐波电流(点)现在处在iec标准的谐波电流限额(以线段绘制)之下，并且明显地低于图3c中绘制的谐波电流。作为例子，图4c示出了低于谐波限额411的示例性rms的电流点410。与图3c不同，图4c的rms电流在谐波限额之下。相同的情况应用于图5c，其中示例性电流点510在511的谐波限额之下。

因此，本发明的实施方式包括微处理器213，其特别配置成用整个“接通”或整个“关断”的波跟随剪切波。此外，微处理器213可以特别配置成通过以下方式抽运电流：降低谐波电流，同时也设法在两个独立的加热元件203,204中拆分抽运的电流。换句话说，微处理器213必须管理电烤炉110抽运的整个电流的模式，同时满足两个独立的加热元件203,204的功率要求。由电烤炉110抽运的全部电流的模式可以称为电烤炉110的总功率阵列。电烤炉110的总功率阵列是第一加热元件203的功率阵列加第二加热元件204的功率阵列的和。示例性的功率阵列可以是四个单元，每个单元包括表示在波形中传送的功率的百分数的值(0.0≤x≤1.0)。因此，示例性功率阵列可以表示四个波的模式。应该理解，由电烤炉110抽运的总功率(或者电流)是由加热元件抽运的功率(电流)的和。传送到加热元件203,204的波形模式可以同样由四个单元的功率阵列表示。与第二热元件的功率阵列一起求和的第一加热元件的功率阵列等于电烤炉的总功率阵列。对于电烤炉110中的任何数量的加热元件而言，都是一样成立的。电烤炉110的谐波电流取决于电烤炉110抽运的、在总功率阵列中表示的波的模式。为了降低谐波电流，电烤炉110的总功率阵列应该表示每个“剪切”波由整个“接通”或整个“关断”循环跟随的模式。

图6是示出用于在引入较少谐波的同时控制两个加热元件的微处理器213的示例性配置的流程图。通常而言，微处理器213计算传送到每个加热元件203,204的功率阵列。功率阵列取决于用户的对于两个加热元件203,204中的每个的功率设置以及来自热电偶221和222的反馈。在该例子中，每个功率阵列由四个单元(但是也可以使用其他数量的单元)组成，每个单元包括范围在0.0≤x≤1.0的数量。四个单元中的每个表示波循环，单元的数量指示在该波循环期间传送的功率的百分数。作为例子，“1|0|1|0”的阵列表示一个“接通”波、一个“关断”波、另一个“接通”波和另一个“关断”波。微处理器213通过以上描述的方式切换三端双向可控硅开关元件驱动器211和212而将波形从两个计算的功率阵列传送到两个加热元件203,204。

更具体地处理图6，微处理器213与第一和第二用户输入设备(例如，左旋钮101和右旋钮102)通信。第一和第二用户输入设备为两个加热元件203,204中的每一个运送功率电平。在步骤601和602，微处理器213能够将期望的功率电平转换成总功率的百分数。在步骤604，微处理器213确定总功率603是否大于或等于50％。

在605，在用户选择的总功率小于50％的情况下，微处理器213开始填充(或“填入”)第一功率阵列的单元。图7示出了微处理器213配置成执行填充或者填入功率阵列的步骤。如在图7中所见，微处理器213的计算在701开始，其中总功率由用户要求。(这是如603中确定的对于右加热元件要求的功率和左加热元件要求的功率的和)。在步骤702，将要求的总功率的百分数乘以8(因为有2个阵列x每个阵列4个单元)。在703，步骤702的值(下文中使用符号[702]表示)被用于填入功率阵列。如果702的值小于或等于2.0，则将702的值均匀地分布在第一和第三阵列元素之间以达到“([702]/2)|0|([702]/2)|0”。这在步骤704处可见。如果702的值大于2.0，那么用“1”填充第一和第三阵列元素，并且将余数(从702的值减去2)均匀地分布在第二和第四单元之间。这在705可见。使用该技术，功率阵列被构造成具有跟随剪切波以降低谐波电流的量级的整个“接通”或者整个“关断”波。此外，功率阵列的交变模式降低了电压闪烁，以下将更加详细描述。现在回到图6，在步骤606，用四个零“0|0|0|0”填充第二功率阵列。

再次参照图6，在步骤(607)，如果总功率603等于或者超出50％，微处理器213用所有1(“1|1|1|1”)填入第一功率阵列。微处理器213然后使用706和707的条件填入第二功率阵列。不管用户是否已经要求大于或小于50％的功率，两个功率阵列中的一个将具有交变模式“a|b|a|b”，而另一个阵列将具有模式“c|c|c|c”，其中c＝0或者1。一旦第一和第二功率阵列被填入，就将它们传送到加热元件203和204。

由微处理器213基于四个单元功率阵列中的值将功率传送给三端双向可控硅开关元件驱动器。如上所述，每个单元表示一个完整的波循环，并且单元的数字值表示在那个波循环中传送的功率的百分数。也如上所述，本发明的实施方式可以使用相位剪切技术来控制功率。因此，在步骤609，微处理器213配置成计算相位角以便获得功率阵列中由单元表示的功率，其中在该相位角剪切“波”。微处理器213配置成求解方程：

(角度)＝arccos(2*功率-1)，

其中，“功率”是功率阵列的单元中的数量表示的功率。

微处理器213使用该角度来传送具有与单元的数量值对应的功率的波循环。对于每个功率阵列中的每个单元可以重复计算。可以将每个功率阵列的每个单元转换成对应的相位角610和611。对应的相位角阵列包括相位角而不是功率百分数，并且可以相同格式存储在功率阵列。

在步骤614，微处理器213可以同步对于线201中的ac电流的相位角的计时。如上所述，微处理器213在每次ac电流与来自零交叉检测单元210的零交叉时，接收来自零交叉检测单元210的零交叉信号。因而，零交叉信号可以与ac波的微处理器213的计时(并且因此，扩展到角度)同步。例如，所属领域技术人员然后将意识到ac电流的波在时间上指定的时间点具有以下角度：

表1

使用该信息，微处理器213可以使用内部计时机制(例如，时钟信号发生器或者任何其他合适的机制)来在与正确的“剪切”所要求的角度对应的情况下发送“接通”或“启用”脉冲。例如，表1示出了通过在零交叉之后激活三端双向可控硅开关元件0.004166667秒而进行90度剪切。微处理器213可以使用时钟信号在合适的时间点启用三端双向可控硅开关元件。阅读本公开文本的所属领域技术人员应该理解如何来计算用于任何期望的波“剪切”的计时。

现在转到步骤612和613，在等于t1的时间段将第一功率阵列传送到第一三端双向可控硅开关元件驱动器211并且将第二功率阵列传送到第二三端双向可控硅开关元件驱动器212，持续一段等于t1的时间段。这种功率传送重复持续第一时间段t1，在此之后，微处理器213将第一功率阵列重复传送到第二三端双向可控硅开关元件驱动器211并且将第二功率阵列重复传送到第一三端双向可控硅开关元件驱动器212，持续第二时间段t2。在t1之后，传送被“翻转”，第一三端双向可控硅开关元件驱动器211在t2期间接收第二功率阵列。第一和第二功率阵列合在一起等于电烤炉110的总功率阵列，因此，明显地，第一和第二功率阵列必须一直同时传送。

在615和616，讨论现在转到时间段t1和t2的计算。时间段t1和t2的目的在于：根据针对每个对应的加热元件独立选择的功率，在两个加热元件(或者任何其他电负载)之间“拆分”或者按比例分配电烤炉(或者使用本发明的实施方式的任何其他设备)抽运的总功率。在步骤605到608产生的功率阵列对于电烤炉整体产生可接受的波模式。作为电烤炉110的总功率阵列的功率阵列的和将具有跟随每个剪切波的整个“接通”或者整个“关断”波，这降低了谐波电流的量级。附加地，需要计算每个功率阵列到各个加热元件203、204的传送时间。

时间段t1通过采用用于第一加热元件203的功率设置并将其除以603选择的总功率来计算。然后将比例乘以功率传送阶段，在该实例中，功率传送阶段为2秒，但是可以变化。t1和t2是给定的加热元件的功率设置与总的要求的功率的简单比率。该计算可以通过以下方程总结：

t1＝2秒*(用于第一加热元件的功率选择)/((用于第一加热元件的功率选择)+(用于第二加热元件的功率选择))

类似地，t2是相同的计算，该时间用于第二加热元件204：

t2＝2秒*(用于第二加热元件的功率选择)/((用于第一加热元件的功率选择)+(用于第二加热元件的功率选择))

图8总结了微处理器213的第一和第二功率阵列在2秒的功率传送阶段内传送到第一和第二三端双向可控硅开关元件驱动器的功率传送：第一三端双向可控硅开关元件驱动器211(并且扩展到第一加热元件203)接收第一功率阵列表示的波，持续时间t1。其然后接收第二功率阵列的单元表示的波，持续时间t2。相反地，第二三端双向可控硅开关元件驱动器212(并且扩展到第二加热元件204)在时间段t1期间接收第二功率阵列的单元表示的波，并且然后在时间周期t2期间接收第一功率阵列的单元表示的波。

本发明的实施方式可以按比例变化为独立地传送功率到超过两个负载。在数字电源独立地控制“n”个负载的实施方式中，要求n个功率阵列。此外，在604的决定将比较总功率与100％/n。用于填充图7的功率阵列的技术仍然是可应用的，虽然不是乘以八(8)，必须将步骤702乘以(n*4)。此外，在步骤615和616，需要n个时间段。图9示出了跨越n个时间段传送的n个功率阵列的计时。应该理解，具有多个加热器而没有独立控制的实施方式也是本公开本文的预期。

本发明还提供了一种用于独立控制两个加热元件以及在提供降低的谐波电流和电压闪烁的同时提供可变功率的方法。在本发明的实施方式中，用户激活电烤炉110并且例如通过控制旋钮101和102选择第一和第二功率电平。通过激活电烤炉110，用户控制微处理器213来执行有益于控制一个或多个加热元件的以下步骤。应该理解，一些实施方式可以包括任何数量的旋钮或者其他用户输入设备。通过激活电烤炉110，用户接通微处理器213。微处理器213接收用户的选择的功率设置并且执行上述计算以通过以下控制模式激活三端双向可控硅开关元件驱动器211和212：将相位控制波形传送到加热元件203和204。

在本发明的实施方式中，微处理器213执行通过填入两个功率阵列605-608计算合适的相位控制波形的步骤。每个功率阵列可以具有四个单元。每个单元包括数量“n”，其中0.0≤n≤1.0。数量“n”表示具有功率的n百分比的波形。将所述波剪切以消除“过量”的功率。微处理器213执行通过计算所有加热元件203,204要求的总功率而填充功率阵列的步骤，该总功率可以表达成选择的功率与整个可用功率的百分比(小数形式)。

如果用户要求的总功率(即，用于所有加热元件的总要求功率)小于总的可用功率的50％，那么微处理器213执行填充第一功率阵列的步骤(605)。功率阵列通过将总功率数量分布在功率阵列四个单元中来填入。在606，微处理器213执行将所有零填充到第二功率阵列中的步骤(即，“0000”)。如果用户要求的总功率大于或等于整个功率的50％，那么微处理器213执行用1填充第一功率阵列(即，“1|1|1|1”)的步骤，并且第二功率阵列根据图7的步骤填充(用总功率-50％，即，[702]减去4)。

一旦计算了第一和第二功率阵列，微处理器213传送与每个功率阵列的单元对应的波形。特别地，每个单元的值表示在一个波循环中传送的功率的百分数。为了传送具有给定功率百分数的波，微处理器213计算相位＝arccos(2*x-1)，其中x是在任何给定单元中描述的功率百分数。微处理器213使用计算的角度在与计算的相位角对应的时间点将“接通”信号传送到三端双向可控硅开关元件驱动器211或212。微处理器213可以使用零交叉信号以及上述表1来确定正确的计时。

微处理器213将第一功率阵列重复地传送到第一三端双向可控硅开关元件驱动器211并且将第二功率阵列传送到第二三端双向可控硅开关元件驱动器212，持续时间段t1。在t1过去之后，微处理器213“翻转”第一和第二功率阵列，持续时间段t2。换句话说，如图8中所见，在t1结束和t2开始之后，第一功率阵列被传送到第二三端双向可控硅开关元件驱动器212，而第二功率阵列被传送到第一三端双向可控硅开关元件驱动器211。

微处理器213执行计算t1和t2的步骤：

t1＝2秒*(第一加热器总功率/合并的加热器总功率)

t2＝2秒*(第二加热器总功率/合并的加热器总功率)。

数学上，于是出现t1+t2＝2秒的功率传送阶段(phase)的结果。

这样，功率阵列被传送2秒的组合的功率传送阶段。预计可以使用更长的或者更短的功率传送阶段。在2秒之后，微处理器213可以重新计算功率阵列。通过重新计算功率阵列，微处理器213可以考虑用户设置的改变，或者从提高加热元件的温度切换到保持温度。

提供了应用上述的设备和方法的操作实例。例如，用户可能希望使用对于第一和第二加热元件203和204具有不同功率电平的烤炉110，例如，微处理器213可以确定第一加热元件203应该具有其最大功率的17.5％，而第二加热元件204应该仅具有其最大功率的5％。根据本文描述的实施方式，微处理器213配置成分别传送17.5％和5％功率，同时按照降低电烤炉引入到ac壁式插座中的谐波电流的方式抽运功率。

在该例子中，第一和第二功率阵列如下计算：将第一和第二选择的功率电平合并以达到总选择的功率：17.5％+5％＝22.5％，或者0.225(参见603)。因为这小于50％，微处理器213继续步骤605。使用本文描述的技术，微处理器213乘以八(8)以达到0.225*8＝1.8。接着，微处理器213将值1.8填充到第一功率阵列中。具体地，第一单元和第三单元接收(1.8)/2＝0.9的值。第二和第四单元保持“0”。因此，第一功率阵列是“0.9|0|0.9|0”，而第二功率阵列是“0|0|0|0”。

对于时间段t1，第一功率阵列被传送到第一三端双向可控硅开关元件驱动器211，而第二功率阵列被同时传送到第二三端双向可控硅开关元件驱动器212。在传送第一和第二功率阵列时，微处理器213在与波的“剪切”对应的时间将“接通”信号发送到对应的三端双向可控硅开关元件驱动器211和/或212。例如，第一功率阵列的第一单元指示传送90％功率波(即，0.9)。90％功率波要求arccos(2*.9-1)＝36.86°的“剪切”角。微处理器213通过在36.86°将三端双向可控硅开关元件驱动器211“接通”而传送90％功率波。与表1的值类似，36.86°剪切可以通过在零交叉之后传送功率0.0017秒来实现。随后，第二单元指出传送具有0％的“关断”波。第三波与第一波相同，即，在36.86°剪切，第四波与第二波相同，即，“关断”。该例子中的第二功率阵列为“0|0|0|0”，因此第二三端双向可控硅开关元件驱动器212从未激活。

如在612和613所述，该传送模式持续时间段t1。这里，t1计算成t1＝2秒*(第一加热器总功率/合并的加热器总功率)＝2*(0.175/0.225)＝2*0.78＝1.56秒。类似地，t2＝2*(0.05/0.225)＝0.44秒。在该例子中，第一功率阵列(“0.9|0|0.9|0”)传送到第一加热元件203并且第二功率阵列(“0|0|0|0”)传送到第二加热元件204，持续t1＝1.56秒。在1.56秒之后，微处理器“翻转”第一和第二功率阵列的传送，持续0.44秒的周期。在合并的2秒过去之后，微处理器213可以通过根据时间中的那个点的功率需要重新填充第一和第二功率阵列而开始。

应该理解，微处理器213可以包括用于结合执行本文所述的步骤和配置读取和/或写入的内部或外部存储器1000。此外，应该理解，微处理器213可以具有内部或外部时钟信号，其可以用于对发送到三端双向可控硅开关元件的“接通”信号计时。时钟信号可以通过车载时钟信号发生器1001或者通过外部时钟产生。图10是示出对微处理器213的输入和输出的示例性示意图。例子包括左和右旋钮101、102以及显示器103。附加的例子包括热电偶221、222以及与三端双向可控硅开关元件驱动器208和209的通信装置。存储器1000和时钟1001也被示出，也示出了来自零交叉单元210的输入信号1002。

本文描述的设备和方法的实施方式的附加益处在于降低了数字电源200引入到壁式插座中的电压闪烁。电压闪烁是不期望的，因为在一定频率下，其将导致与插座连接的光闪烁或者变暗。图11示出了iec61000-3-3电磁兼容性(emc)-部分3-3(电压波动和电压闪烁)的电压闪烁限额。电压闪烁作为电压变化a％测量。

本发明的实施方式可以基于由单个功率传送阶段中的波剪切导致的电压变化而降低壁式插座的电压闪烁程度。所属领域技术人员将意识到电压闪烁通常在设备的“稳定状态”期间测量。

单个功率传送相位中的电压变化符合电压闪烁规则。如在1101所见(在标准中将进一步描述)，iec61000-3-3要求的最后的数据点出现在每分钟2875电压变化处。这相当于23.96hz的循环频率。换句话说，出现在高于23.96hz的频率处的电压变化没有电压闪烁要求，因为它们超出了人类感知。本文公开的设备和方法的实施方式产生了波模式，其中电烤炉110在剪切波和整个“接通”或整个“关断”波之间交变。在该模式之后，电烤炉110将在50hz_ac产生每秒25电压变化(25hz)以及在60hz产生每秒30电压变化(30hz)。整个波跟随的剪切波视为一个电压变化。25hz和30hz循环频率在23.96hz的标准的最后的数据点之上，因此符合电压闪烁要求。

本发明的实施方式的附加益处来源于将功率拆分成多个功率阵列并且将它们传送给多个加热元件。使用图6和7所述的技术，功率阵列中的一个将一直是“0|0|0|0”or“1|1|1|1”。这就确保加热元件203或204中仅一个可以在给定时间接收“剪切”波。因此，电烤炉110的使用的电流(或功率)将绝不会降低超过最大额定功率的一半(1/2)。为了给定例子，如果两个加热元件203和204对于电烤炉110抽运的合并的2300瓦特，每个抽运1150瓦特，那么甚至在一个加热元件203或204中的90°也仅产生1150瓦特的最大功率降。这帮助降低了谐波电流的量级。

公开的用于传送功率的数字电源和方法的实施方式可以可选地实现在电烤炉的电路中。图2示出了附加的部件，其可以可选地加入至保护电路200以为电烤炉提供电路。例如，线201和零线202可以连接到降压变压器215，零交叉检测单元210连接到降压变压器215。降压变压器215提供降低的次级电压，以使得零交叉检测单元210可以检测线201和零线202之间的ac电流中的零交叉，而不需要暴露于高电压。

进一步可选的实施方式包括全波整流器216，其馈送至接地故障检测单元217，该接地故障检测单元217接着与用于使机电锁206或207跳闸的跳闸控制器218通信。接地故障检测单元217可以接收指示线201和零线202之间的电流失衡的信号，并且可以适当锁跳闸也防止危险的电流情况。

附加的可选实施方式包括看门狗监控器220，其监控微处理器213的操作并且可以在微处理器213故障的情况下禁用三端双向可控硅开关元件驱动器211和212。也提供了ac/dc功率转换器214以及电流传感器(例如，霍尔效应传感器219)，ac/dc功率转换器214可以用于供电微处理器213，电流传感器可以由微处理器213使用来监控流到加热元件203和204的电流。

为了上述原因，本发明的一些实施方式可以提供数字电源，其增加加热元件的使用寿命，符合电压闪烁要求，并且还符合谐波要求。这些益处可以使用本文所述的设备和方法来实现。例如，使用2秒的功率传送阶段防止加热元件永不充分膨胀或者充分收缩。允许加热元件充分膨胀或者充分收缩的冗长的功率传送阶段对于加热元件的使用寿命是非常有害的。电压闪烁要求通过产生描述交变的波模式的总功率阵列而满足，所述交变的波模式具有根据ac电流的25-30hz的循环频率。此外，可以使用本发明的设备和方法产生的总功率阵列跟在具有整个“接通”或者整个“关断”波的每个剪切波之后，因此降低了谐波电流。谐波电流也通过将电烤炉110的合并负载拆分成两个或更多个元件而被降低。

以上描述并不旨在限制限定本发明的所附权利要求中使用的词汇的含义或者范围。相反，描述和图示已经被用来帮助理解各个实施方式。应该预期到未来在结构、功能或结果上的修改将会存在，其并不是实质性变化并且权利要求书中的任何这样的非实质性变化旨在由权利要求书所涵盖。因此，虽然已经图示和描述了本发明的优选实施方式，但是所属领域技术人员应该理解可以进行多个改变和修改，但不背离要求保护的发明。此外，虽然术语“要求保护的发明”或者“本发明”有时候以单数形式用在本文中，但是应该理解，具有多个所描述和要求保护的发明。

本发明的各个特征在所附权利要求书描述。