用于操作感应灶具的方法以及感应灶具与流程

用于操作感应灶具的方法以及感应灶具
[0001]
本发明总体上涉及感应灶具领域，具体地涉及准谐振感应灶具。更具体地，本发明涉及一种用于控制感应灶具的开关元件的操作参数，以补偿在向感应线圈输送电功率期间炊具与感应线圈之间的耦合条件的变化并使供电中断最小化的方法。


背景技术：

[0002]
用于制备食物的感应灶具在现有技术中是众所周知的。感应灶具通常包括放置在灶具板下方的至少一个感应线圈以便加热炊具。
[0003]
为了向感应线圈提供功率，感应灶具包括向感应线圈提供脉冲电功率的功率电路部。所述功率电路部包括一个或多个用于产生所述脉冲功率的开关元件(例如，igbt)。
[0004]
所述功率电路部中关键的限制参数是所述开关元件的集电极-发射极电压水平(v
ce
)。可能需要定义开关元件的激活脉冲长度(以下也称为导通时间t_on)、去激活脉冲长度(以下也称为关断时间t_off)或去激活脉冲长度范围，以避免在开关元件处造成会大大降低开关元件的使用寿命的损坏和/或高功率损耗。所述去激活脉冲长度可能取决于所述炊具与所述感应线圈之间的耦合特性。
[0005]
普通的感应灶具周期性地停止向感应线圈提供功率，并在所述供电中断期间测量耦合特性、相应地为关断时间t_off，以便根据变化的耦合条件调整t_off。
[0006]
不利的是，所述周期性的供电中断会带来很大的功率损耗。


技术实现要素：

[0007]
本发明实施例的目的是提供一种用于操作感应灶具的方法，该方法实现了功率开关的合理驱动以及所述功率损耗的最小化。从属权利要求中给出了优选实施例。如果没有另外明确指出，则本发明的实施例可以彼此自由组合。
[0008]
根据一个方面，本发明涉及一种用于操作感应灶具的方法。该感应灶具包括：功率电路部，该功率电路部具有被适配用于向感应线圈提供脉冲电功率的至少一个开关元件；以及控制实体，该控制实体用于控制该开关元件的操作参数。所述用于操作感应灶具的方法包括以下步骤：
[0009]-执行具有控制循环的控制回路，以检测该感应线圈与炊具之间的耦合变化，所述控制循环包括以下步骤：
[0010]
ο接收所述控制实体处的频率信息和功率信息；
[0011]
ο基于所述频率信息和所述功率信息来计算至少一个相关系数；以及
[0012]
ο将所述相关系数与相关系数边界进行比较，从而得出比较结果；
[0013]-基于该比较结果来决定：
[0014]
ο是执行所述控制回路的新控制循环，还是
[0015]
ο停止所述控制回路并停止向该感应线圈提供脉冲电功率，并且在更新该开关元件的操作参数之后重新开始所述控制回路。
[0016]
所述相关系数可以指示感应线圈与放置在所述感应线圈上的炊具之间的耦合系
数的变化。
[0017]
所述方法是有利的，因为通过所述控制循环，可以确定耦合特性是仅发生了不需要对开关元件的操作参数进行任何更改的微小变化(越过相关系数边界)，还是发生了会对功率电路部、特别是功率电路部中包括的所述至少一个开关元件不利的明显变化。从而，不需要周期性地中断对感应线圈的功率供应，并且因此使功率损耗最小化。
[0018]
根据实施例，所述频率信息指示提供给该感应线圈的脉冲电功率的当前频率，并且其中，所述功率信息指示当前提供给该炊具的功率。基于所述信息，可以确定该感应线圈与放置在所述感应线圈上的炊具之间的动态耦合变化(即，在向感应线圈提供功率期间的耦合变化)。
[0019]
根据实施例，所述至少一个相关系数是基于频率趋势信息来计算的，所述频率趋势信息指示不同控制循环之间、特别是两个或更多个后续控制循环之间的频率变化。因此，换句话说，所述频率趋势信息指示在一系列多个控制循环中提供给炊具的脉冲电功率的频率是上升还是下降。可以通过当前提供给感应线圈的频率与前一次控制循环中提供给感应线圈的频率的商来计算所述频率趋势信息。
[0020]
根据实施例，所述至少一个相关系数是基于功率趋势信息来计算的，所述功率趋势信息指示不同控制循环之间、特别是两个或更多个后续控制循环之间的功率变化。因此，换句话说，所述功率趋势信息指示提供给炊具的电功率是上升还是下降。可以通过当前提供给感应线圈的功率与前一次控制循环中提供给炊具的功率的商来计算所述功率趋势信息。
[0021]
根据实施例，基于频率信息和功率信息的相乘、具体为基于频率趋势信息和功率趋势信息的相乘来计算第一相关系数。所述第一相关系数可以指示线圈/锅具耦合的线性、相应地成比例的比趋势。
[0022]
根据实施例，基于以下公式来计算第一相关系数：
[0023][0024]
其中，
[0025]
fs是提供给该感应线圈的脉冲电功率的当前频率与在前一次控制循环中提供给该感应线圈的脉冲电功率的频率的商；并且
[0026]
ps是指示提供给该炊具的当前估计功率的值与指示前一次控制循环中提供给该炊具的估计功率的值的商。
[0027]
根据实施例，基于频率信息相对于频率目标值的偏差和功率信息相对于功率目标值的偏差的相乘、具体为基于频率趋势信息相对于目标值的偏差和功率趋势信息相对于目标值的偏差的相乘来计算第二相关系数。所述第二相关系数可以指示线圈/锅具耦合的抛物线形的比趋势。
[0028]
根据实施例，基于以下公式来计算第二相关系数：
[0029]
ds
″
[％]＝100％+{(100％-fs[％])*(100％-ps[％])}；
[0030]
其中，
[0031]
fs是提供给该感应线圈的脉冲电功率的当前频率与在前一次控制循环中提供给该感应线圈的脉冲电功率的频率的商；并且
[0032]
ps是指示提供给该炊具的当前估计功率的值与指示前一次控制循环中提供给该炊具的估计功率的值的商。
[0033]
根据实施例，在所述控制回路内，脉冲电功率的导通时间改变。优选地，导通时间改变，而关断时间恒定。优选地，导通时间改变，而关断时间恒定。从而，可以根据请求的功率来控制提供给炊具的功率。
[0034]
根据实施例，所述更新开关元件的操作参数包括定义脉冲电功率的关断时间(t_off)的新值。从而，可以根据当前的线圈/锅具耦合特性来调整脉宽调制的电功率。
[0035]
根据实施例，关断时间(t_off)在控制回路内保持不变。
[0036]
根据实施例，根据该功率电路部的当前操作状况、具体为根据感应线圈特性和/或所选择的功率水平来选择所述相关系数边界。更详细地，可以使用例如感应线圈的尺寸(如线圈直径)、感应线圈的电感值和/或感应线圈的电阻值来定义所述相关系数边界。
[0037]
根据实施例，只要越过所述相关系数边界，就运行所述控制回路。从而，尽可能地使供电中断最小化。
[0038]
根据实施例，在该控制回路内检查指示提供给该炊具的该估计功率的值的稳定性。从而，仅在功率状况稳定的情况下才通过控制回路来检测耦合变化，以避免由于功率波动而造成不必要的供电中断。
[0039]
根据另一个方面，本发明涉及一种感应灶具。该感应灶具包括：功率电路部，该功率电路部具有被适配用于向感应线圈提供脉冲电功率的至少一个开关元件；以及控制实体，该控制实体用于控制该开关元件的操作参数。所述控制实体被适配用于执行具有控制循环的控制回路，以检测感应线圈与炊具之间的耦合变化。所述控制实体被适配用于执行包括以下步骤的控制循环：
[0040]-接收所述控制实体处的频率信息和功率信息；
[0041]-基于所述频率信息和所述功率信息来计算至少一个相关系数；以及
[0042]-将所述相关系数与相关系数边界进行比较，从而得出比较结果；
[0043]
该控制实体还被适配用于基于该比较结果来决定：
[0044]-是执行所述控制回路的新控制循环，还是
[0045]-停止所述控制回路并停止向该感应线圈提供脉冲电功率，并且在更新该开关元件的操作参数之后重新开始所述控制回路。
[0046]
该感应烹饪灶具可以包括以下特征中的至少一个或多个：
[0047]
a)其中，该感应烹饪灶具的烹饪区的三个或至少三个感应线圈按列、行、和/或阵列的形式布置，
[0048]
b)其中，这些感应线圈的形状为矩形或椭圆形，
[0049]
c)其中，成列、成阵列、或成行的感应线圈包括至少三个、至少四个、优选地四个、至少五个或至少六个感应线圈，
[0050]
d)其中，这些感应线圈的形状为三角形、特别地是等腰三角形，
[0051]
e)其中，三个感应线圈被布置成等腰三角形，
[0052]
f)其中，三个或至少三个感应线圈同心地布置，
[0053]
g)其中，每个感应线圈具有相同形状和尺寸或其中，这些感应线圈具有不同形状和/或尺寸，
[0054]
h)其中，烹饪区包括被布置成等腰三角形的三个椭圆形感应线圈，
[0055]
i)其中，烹饪区包括被布置成等腰三角形的三个圆形感应线圈，
[0056]
j)其中，烹饪区包括被布置成等腰三角形的三个三角形的、优选地等腰三角形的感应线圈，
[0057]
k)其中，感应烹饪灶具包括形成三角形的四个、至少四个、八个或至少八个三角形形状的感应线圈，
[0058]
l)其中，两个三角形彼此互补成正方形，
[0059]
m)其中，四个三角形彼此互补成矩形，
[0060]
n)其中，八个三角形彼此互补成至少一个或至少两个正方形，
[0061]
o)其中，八个三角形彼此互补成较大的外正方形和较小的内正方形和/或四个小正方形，其中特别地，该外正方形和该内正方形彼此旋转45
°
，
[0062]
p)其中，该感应烹饪灶具包括至少一个烹饪区，其中，这些三角形组合成至少一个小正方形和/或更小的正方形和/或外正方形以形成烹饪区，
[0063]
q)其中，这些发生器中的至少一个或每一个包括一个、至少一个、至少两个或两个igbt(绝缘栅双极型晶体管)和/或
[0064]
r)其中，这些igbt操作为全桥、半桥和/或准谐振电路。
[0065]
根据本发明的“相关系数”可以指指示感应线圈与放置在所述感应线圈上的炊具之间的耦合系数的变化的任何系数。
[0066]
根据本发明的“相关系数边界”是指用于确定相关系数是指示无需更新t_off的微小的动态耦合特性变化还是指示需要更新t_off的明显的动态耦合特性变化的任何边界(上边界、下边界或范围)。
[0067]
根据本发明的“提供给炊具的功率”或相应地“提供给感应线圈的功率”是指两种作用的叠加，即实际传递到锅具的功率和线圈内的电功率损耗的叠加。
[0068]
在本发明中使用的术语“基本上”或“大致”是指与准确值偏差+/-10％、优选地+/-5％，和/或呈对功能而言无关紧要的变化形式的偏差。
附图说明
[0069]
从以下详细说明和附图中将容易理解本发明的各个方面，包括其具体特征和优点，在附图中：
[0070]
图1示出了感应灶具的示例框图；
[0071]
图2示出了在感应灶具中执行的控制回路循环的流程图；以及
[0072]
图3示出了用于操作感应灶具的方法的流程图，该感应灶具包括用于确定动态耦合状态变化的控制回路。
具体实施方式
[0073]
现在将参照这些附图对本发明进行更全面的描述，在附图中示出了示例性实施例。然而，本发明不应当被解释为局限于本文中阐述的这些实施例。贯穿以下说明，当适用时，使用类似的附图标记来表示类似的元件、零件、物件或特征。
[0074]
图1公开了感应灶具1的示意图。感应灶具1包括一个或多个感应线圈3，在其上方
可以放置炊具以便加热灶具。此外，感应灶具1包括功率电路部2，所述功率电路部2被适配用于向与感应线圈3电耦合的振荡电路提供脉冲电功率。为了产生所述脉冲电功率，功率电路部2包括一个或多个开关元件。所述开关元件可以例如是igbt。
[0075]
感应灶具1包括用于接收用户输入的用户界面5。所述用户界面5可以是触敏界面或者基于开关或旋钮的用户界面。基于所述用户界面5，用户可以提供针对与感应线圈3相关联的加热区域的功率请求。
[0076]
为了减少用于确定脉冲电功率的关断时间的脉冲电功率提供的中断，感应灶具1执行控制回路。所述控制回路的目的是检测感应线圈3与炊具之间的耦合变化，并且仅限于要求时才启动中断。控制回路利用了感应灶具的功率电路部2中包括的准谐振转换器的物理延迟。值得一提的是，由于对开关元件的一个或多个操作参数进行了较小的修改，因此可以补偿感应线圈3与炊具之间的耦合变化，而不会对功率电路部(提供脉冲电功率)造成任何中断。一个或多个操作参数的所述较小修改是通过控制回路执行的。
[0077]
图2示出了通过控制回路的控制循环所执行的步骤。
[0078]
在开始控制回路之前，必须确定感应线圈3与炊具之间的耦合。所述确定可以是测量步骤。基于所述测量结果，可以定义提供给开关元件的脉冲电信号的关断时间(t_off)。换句话说，可以基于感应线圈3与炊具之间的耦合状态来确定占空比中的、提供给开关元件的开关信号为低的时间段。为了获得可靠的耦合状态结果，可以执行多次测量以确定感应线圈3与炊具之间的耦合。
[0079]
另外，确定提供给感应线圈3的脉冲电功率信号的频率(其与提供给开关元件的开关信号的频率相关)的频率范围。更详细地，确定最小驱动频率和最大驱动频率。在控制回路内使用所述最小驱动频率/最大驱动频率的值，以根据用户的功率请求向炊具提供功率。
[0080]
在确定耦合条件(具体为关断时间(t_off))和频率范围之后，功率电路部2可以基于脉宽调制(pwm)方案开始向感应线圈提供功率。具体地，可以基于自由运行的pwm模式向感应线圈提供电功率。所述自由运行的pwm模式是有利的，因为它增强了功率控制的鲁棒性。另外，可以根据锅具位置/检测来监测和调节锅具/线圈的耦合状态。
[0081]
在开始通过功率电路部2向感应线圈提供功率后，根据图2开始控制回路。所述控制回路可以由所述控制实体4执行，具体地，由基于微处理器的控制实体执行。
[0082]
在第一步骤中，接收频率信息和功率信息(s10)。所述频率信息可以是通过感应线圈3提供的电流的当前频率，即在本次控制循环中当前施加/测得的频率。类似地，所述功率信息可以是提供给感应线圈、相应地炊具的当前功率，即在本次控制循环中提供的电功率。所述功率信息可以由功率估计实体提供。
[0083]
根据实施例，所述频率信息和所述功率信息可以直接用于计算至少一个相关系数(s11)。根据其他实施例，可以基于所述频率信息和所述功率信息来计算趋势信息。所述趋势信息可以指示两个或更多个控制循环之间的频率/功率的变化。例如，所述趋势信息可以指示频率/功率随时间增大/减小。
[0084]
根据一个实施例，可以通过以下公式来计算频率趋势信息：
[0085]
[0086]
其中，
[0087]
f
当前
是本次控制循环中的频率；并且
[0088]
f
先前
是前一次控制循环中的频率。
[0089]
类似地，根据一个实施例，可以通过以下公式计算来功率趋势信息：
[0090][0091]
其中，
[0092]
p
当前
是本次控制循环中的功率；并且
[0093]
p
先前
是前一次控制循环中的功率。
[0094]
基于所述频率信息和所述功率信息(其可以直接是频率/功率值或频率/功率趋势信息)来计算一个或多个相关系数。
[0095]
第一相关系数ds'可以指示通过将频率信息和功率信息相乘获得的相乘结果的变化。所述第一相关系数ds'可以提供成比例的趋势信息。
[0096]
具体地，可以基于以下公式来计算所述第一相关系数ds'：
[0097][0098]
其中，fs和ps根据公式1和2来计算。
[0099]
另外，可以计算第二相关系数ds”。所述第二相关系数ds”可以提供抛物线形的趋势信息。
[0100]
具体地，可以基于以下公式来计算所述第二相关系数ds”：
[0101]
ds
″
[％]＝100％+{(100％-fs[％])*(100％-ps[％])}；
ꢀꢀ
(公式4)
[0102]
其中，fs和ps根据公式1和2来计算。
[0103]
为了确定在感应线圈3和炊具之间是仅发生了对于功率电路部2而言并不重要的轻微的耦合变化(即可以继续进行该控制回路)，还是发生了需要更新关断时间(t_off)的耦合变化，将至少一个相关系数与相关系数边界进行比较(s12)。根据情况、相应地感应灶具1的工作模式(例如，功率水平、线圈的温度等)，可以仅使用第一相关系数或第二相关系数与相应的相关系数边界进行比较。另外，也可以同时使用两个相关系数与相应的相关系数边界进行比较。所述相关系数边界可以提供上边界、下边界或者相应的相关系数应该包括在内的范围。可以考虑线圈特性(例如线圈尺寸、感应线圈的欧姆电阻和/或感应线圈的电感值)来确定相关系数边界。
[0104]
基于所述比较步骤(s12)来获得比较结果。所述比较结果可以指示所述相关系数是否越过所述相关系数边界。
[0105]
基于所述比较结果，可以执行决策步骤(s13)。在没有越过相关系数边界的情况下，可以继续进行该控制回路，并开始新控制循环。反之，如果越过相关系数边界，则可以停止所述控制回路，更新至少一个操作参数，并基于所述更新后的操作参数来开始该控制回路。
[0106]
根据实施例，在越过相关系数边界的情况下，可以更新取决于感应线圈和炊具之间的耦合状态的操作参数(具体是关断时间t_off)。另外，还可以更新频率范围(最小驱动
频率/最大驱动频率)。
[0107]
最后，基于所述至少一个更新后的操作参数来重新开始控制回路。
[0108]
图3示出了用于在感应灶具1处进行动态锅具检测的方法的实施例。
[0109]
在开始之后，可以在用户界面5处接收输入(s20)。所述输入可以是用于向与加热区域相关联的一个或多个感应线圈提供功率的功率请求。在功率请求不为零(s21)的情况下，确定感应线圈与炊具之间的耦合状态。可以基于一次、优选地多次耦合测量来确定所述耦合状态。在执行了所述耦合测量之后，确定测得的耦合状态当前所需的关断时间(t_off)(s22)。
[0110]
随后，可以基于所述关断时间(t_off)来确定提供给感应线圈的电流的最小频率/最大频率(s23)。基于所述参数，开始向感应线圈提供功率(s24)。可以在自由运行的脉宽调制(pwm)模式下开始所述功率供应。
[0111]
在开始向感应线圈提供功率后，开始前述控制回路(如虚线框所示)。首先，计算频率信息和功率信息(s25)。所述计算可以包括计算前述频率趋势信息fs和功率趋势信息ps。
[0112]
为了获得可靠的结果，可以检查计算出的(具体为估计出的)功率信息是否稳定(s26)。如果否，则该方法返回到步骤s25。
[0113]
如果计算出的功率信息稳定，则启用动态锅具检测过程(s27)。这意味着只有在实现功率稳定之后，才监测有关动态锅具检测的参数。
[0114]
之后，计算上述相关系数ds'和ds”(s28)。如前所述，所述相关系数指示炊具与感应线圈之间的耦合的动态变化。
[0115]
在步骤s29中，检查(多个)相关系数是否越过相关系数边界。如果没有，则认为耦合状态仅发生了很小的变化，并且控制回路可以在不中断功率电路部的情况下开始新控制循环。否则，在不满足相关系数边界的情况下，停止向感应线圈提供脉冲电功率(s30)，并且该方法返回到步骤s21，这是因为已经检测到耦合状态的明显变化，这可能对功率电路部2中包括的开关元件不利。因此，在功率请求分别不为零的情况下，再次确定t_off、相应地感应线圈与炊具之间的耦合特性(s22)。否则，在功率请求为零的情况下，去激活功率电路部，即停止向感应线圈提供电功率(s31)，并且终止该方法。
[0116]
应注意的是，说明书和附图仅展示了所提出的发明的原理。本领域技术人员将能够实施体现本发明的原理的尽管没有在本文中明确地描述或示出的各种布置。
[0117]
附图标记清单
[0118]1ꢀꢀ
感应灶具
[0119]2ꢀꢀ
功率电路部
[0120]3ꢀꢀ
感应线圈
[0121]4ꢀꢀ
控制实体
[0122]5ꢀꢀ
用户界面