专利名称：感应加热器的制作方法
相关申请的交叉参考本申请要求2003年9月25日提交的题为“被优化用于驱动矩阵配置中的多个线圈的感应加热装置”的第60/506,189号美国临时专利申请的优先权权益，该美国临时申请的全部内容通过引用被并入本文。
背景技术：
现有的感应炉灶(cooktop)设计(主要是家用但不仅仅限于此)采用了“集中式炉架(hob)”拓扑结构。与燃气灶相似，它有多个主加热源，典型的为四个(它们具有不同的最大功率水平，以模拟不同的燃气出口)，并且烹饪用具(如平底锅或壶)只要置于加热源之一上的适当位置，就会被加热，加热源典型地被置于一个玻璃炉灶面板之下。每个加热源或炉架是由线圈来实现的，线圈由一串联的工作于几十个kHz的谐振转换器驱动，它将电磁能耦合至烹饪用具(其必须具有金属的，即，铁磁性底部)，由此通过将电流感应到烹饪用具中而对其进行加热。通过根据基准功率信号改变频率，提供给线圈(和烹饪用具)的实际功率也随之改变。
为了正确动作，必须确定线圈和用具之间的相对位置。否则，电磁耦合将很弱，并且谐振转换器会因超载而不能向用具提供正确的功率。
根据另一种概念(它也被称为“分布式”感应加热概念)，用具独立于其在炉灶面板上的位置而被加热。这需要使用大量较小的线圈以及智能用具检测系统，小线圈的数目决定了炉灶的“分辨率”与用具大小之间的关系，每个线圈由适当尺寸的可调节高频功率源来驱动，而智能用具检测系统仅激活那些被用具覆盖的线圈。这就引出了需要多少功率源和它们怎样与线圈连接的问题。电功率源的数量及其与线圈的连接必须根据下列的要求来确定a)加热源(炉架)必须是在任何可能的子集合构造中被激活，除非每个子集合中元件(线圈)都是相互邻接的；子集合数量可在1至最大值之间变化。实际上，用具可以是方的、圆的、长的或任何其他形状。
b)连接必须是以最小可能数量的“开关”元件(排列或未排列成开关矩阵)来实现的。
c)由“M”个元件构成的每个子集合必须在功率电平上独立可控。
d)功率转换的成本必须最小。
实现目的a)至c)的最简单的方法是每个线圈用一个功率转换器驱动；这种情况下在电源侧不需要开关矩阵，且必须优化每个转换器来驱动线圈并对其进行控制，线圈功率的控制可简单地通过以开关矩阵排列的低电平基准信号网络(对于N×N的线圈集，2×N行就足够用于开/关控制，另外的2×N行用于功率微调)来实现并由集中控制器控制。这个解决方案可能从来未被描述过，但是它很昂贵，因此其工业实用性成问题。
另外一种可能的解决方案是使用一个单转换器，其大小被设成可使整体炉灶功率最大化，同时开关矩阵正确地将各种的线圈连接到转换器的输出。
由于这样的开关矩阵直接作用于线圈的功率连接，所以需要非常昂贵的高功率继电器或高功率固态开关。这种方法在例如美国专利No.5，714,739中有过描述，其中是针对4个炉架的情况描述的。该方法具有一些缺点。具体而言，这种优化的开关矩阵(从而具有“最小数量的开关”)随着烹饪用具尺寸的增大将使线圈相互平行地排列。这意味着随着线圈数量的增加，从转换器看去的“等效”电感下降(这也意味着从转换器需要高功率电平)。这样将导致转换器的开关频率随着功率电平的增加而增加，而这是不可接受的。
而且，为了独立控制更多的由“m1”，“m2”...“mn”线圈元件组成的子集合，需要通过开关继电器进行低频PWM操作，如前面的专利中所述那样，这将使转换器转向最大功率的总负载。然而，这意味着转换器将会连接到动态变化的负载，即，每次当多个继电器被换向以选择一个新的负载或简单地来PWM一个激活的负载时，从转换器看去的等效负载都会改变。
这种设计中的继电器的使用寿命非常有限，因为它需要大量的操作(例如，以2.5秒的周期进行开关，且考虑到平均炉灶使用率4小时/天×365天/年×10年，继电器需要执行三千万次操作)。
在这样的系统中，独立线圈的子集合的数量减少。可知实际上，仅有在矩形矩阵的中心对角线之上(或之下)的元件可通过继电器的动作而受到独立控制，而不是所有的情况下都行。如果中心对角线之上的元件是独立可控的，则矩阵的中心对角线之下的元件将接收一非可控制量的电源，即，利用2×N个继电器，对于一方的N×N矩阵，最大有2N-1个元件可受到独立控制。在矩形矩阵中，独立可控的线圈的数量是N+M-1，其中N+M等于转换器的总数(N＝列数，M＝行数)。
发明内容
本发明解决了以上的和其它问题。根据本发明，它提供了一种感应加热装置，包括多个转换器，它们相互连接并连接到串联的谐振电路而不需要任何继电器或固态继电器开关，所述谐振电路包括线圈和谐振电容，从而，通过打开任何两个转换器，它们之间的交叉点处的线圈被激活。
根据一个方面，本发明包括一种装置，它用于向至少一个感应器供电，其中该至少一个感应器被设置用来感应地将电功率耦合至导电物体，以通过诱发电流在导电物体中流动而加热该导电物体，该装置包括至少一个感应器；至少一个第一半桥转换器，其与直流总线交叉连接并且具有连接到所述至少一个感应器的第一端的输出；以及至少一个第二半桥转换器，其与直流总线交叉连接，并且具有连接到所述至少一个感应器的第二端的输出，每个半桥转换器都包括第一和第二交替导电的串联连接的开关，所述开关连接在DC总线之间，通过交替地打开每个转换器的第一和第二开关中的一个，以使电流从直流总线通过所述第一和第二转换器交替流过所述至少一个感应器，从而使所述至少一个感应器获得电能。
本发明的其他特征和优点将会通过对本发明的下列参考附图的描述变得更加明显。
附图的简要说明
图1是根据本发明的感应加热装置的一部分的方块图。
图2是多个图1所示转换器中的两个的示意图，其中示出了它们与感应加热线圈元件的连接。
图3是说明相位控制的时序图，它显示了如何控制送往感应加热元件的功率。
图4显示了根据本发明的感应加热装置的一个结构。
图5的方块图示出了根据本发明的感应加热装置的另一个结构。
具体实施例方式
参考附图，图1显示了本发明的一个方块图(为清楚起见，仅限于6线圈电容器网络)。
该结构包括多个转换器n1至nN和m1至mM和mm。每个转换器(n1至nN和m1至mM)属于半桥型，它们在由单线圈L12，L13...LMN(其并联等效烹饪用具电阻未示出)和串联的谐振电容C构成的网络的谐振频率附近以固定个频率操作。尽管转换器在图中被显示为按行(m)和列(n)进行安排，但这并不是必须的。可以采用任何结构，并且实际上线圈最好以下面描述的方式排列并连接到转换器上，从而通过N+M个转换器提供最小可容许的线圈的独立控制。
每个谐振网络以这样的方式连接在两个转换器之间，以使全桥结构配有连接在半桥之间以形成全桥的谐振网络。
每对转换器以恒定频率进行操作，但是相互之间有相移，从而使提供给线圈的功率可根据基准功率控制信号改变。
发出开/关指令和功率基准电平的低电平信号网络将由中央控制器单元(图1中未显示)提供给每个转换器。
这样的网络将包括多(两)行，它等于转换器N+M的数量(在图1中未示出这样的网络)。
当同时操作多于一个的转换器时，即使它们相互邻接，每个转换器也将“看见”其自身的串联谐振电路，且不与任何其他转换器发生相互干扰。没有线圈是并联布置的，从而不会像现有技术方案那样改变任何转换器所见的谐振电路。
为了更好的解释当被激活时单个线圈“看见”什么，以及两个转换器之间如何进行相移，例如，(一个在列中，另一个在行中)能够改变两个转换器之间的交叉点处的线圈的功率水平，图2显示了用于操作控制单个线圈L中的功率的两个转换器的等效示意图，图3显示了在两个转换器中实现的高频PWM(脉宽调制)策略，其中显示了两者之间的相移。
在图2中，S1和S2、D1和D2，C2和C3以及V2和V3代表了开关矩阵的任何一个转换器，而S3和S4、D3和D4、C6和C7以及V4和V5则代表了开关矩阵的任何其他转换器。
R2，R3，R7和R8是假负载电阻(dummy resistance)，它们代表了开关S1，S2，S3，S4的等效串联电阻；V1是直流电压，它代表了经过整流的交流(AC)线(没有必要经过滤波)。
TX1，R1和C4与R4代表了谐振电路的模型，该谐振电路包括与线圈串联的串联谐振电容C4，图中显示为变压器的TX1代表初级线圈L，次级线圈P及其电阻R1(包括被加热的烹饪用具的等效电路)。
由于S1和S2以固定的频率进行操作，具有50％的占空比，所以V2和V3之间相互简单地具有180度的相移，V4和V5也是。线圈的功率控制变量是例如V2和V5之间的相移，V3和V4之间的相移也是(相同)。
图3显示了电压V2(3A)，V3(3B)，V4(3C)和V5(3D)的相位结构的一个例子，每个都处于25kHz，其中V4超出V3 90度，V5超出V2 90度。如相应的阴影线所示，这导致全功率的一半提供给线圈。
单V2和V5、V3和V4之间为0度相移时，提供给线圈的功率最大。而当V2和V5、V3和V4之间为180度相移时，该功率将为0。这显示在其中V5与V2有180度相移的图3E中，以及其中V4与V3有180度相移的图3F中。两种情况下，脉冲都不重叠，因此没有功率被提供给线圈。对于相移的中间值，将得到线圈的最大功率的中间值。
每个串联谐振转换器的操作是这样的，即，工作频率必须高于串联谐振网络的谐振频率，否则，额外的过载将施加到开关上。
零功率条件可通过以下方式实现关闭每个转换器的一个开关(高端或低端)，进行如上所述的180度相移，或关闭一对转换器之一的两个设备(三态条件)。
在同时激活多个线圈的情况下，只要激活连接到这些线圈上的转换器对就足够了。
根据选定用于特定线圈的功率水平，每个转换器或转换器对利用相对于其它对转换器的不同的相位延迟来驱动。
从图1中可看出，转换器是以标准矩阵配置连接到线圈上。这样的配置呈现出一些已经描述过的现有技术的缺点，除非对线圈进行排列以优化它们的独立控制。
参考图4的例子，将更好的对此进行解释。
假定转换器按照标准矩阵配置(M行和N列)进行连接，且n1，n2...nN定义了列中的转换器，m1，m2，...mM定义了行中的转换器。
N和M可为大于1的任何数。图4显示了列中的转换器n1至nN和行中的转换器m1至M。然而，仅显示了中心对角线以上的线圈。
还假定下面的转换器对被激活n2和m1给线圈L21供电，n4和m1给线圈L41供电，n2和m4给线圈L24供电，n4和m4给线圈L44供电。
进一步假定每个线圈需要不同的功率水平P1，P2，P3和P4，即，线圈L21接收功率P1，L41接收功率P2，L24接收功率P3，线圈L44接收功率P4，其中每个线圈L采用Lnm的形式。
现在，为了向L21提供功率P1，如图4中所示，转换器n2和m1将按照相互间的适当相移Phn2-m1被激活。
为简单起见，定义了一“虚拟的”零相位。转换器n2具有相位Phn2，转换器m1具有相位Phm1。线圈网络将看见相差Phn2-Phm1＝Phn2-m1。
接着，为了将功率P3提供给n2和m4之间的交叉点处的线圈网络，由于转换器n2已经被激活，所以仅需要激活相位为Phm4的转换器n4，因此Phn2-Phm4将提供所需的功率P3。
还有，为了将功率P2提供给n4和m1之间的交叉点处的线圈网络，由于m1已经被打开，所以激活带有相位Phn4的转换器n4就已足够，因此Phn4-Phm1提供功率P2。
如果我们现在也试图控制线圈L44来向其独立地提供功率P4，我们发现这是不可能的。实际上，转换器n4和m4已经被激活，它们的相移是通过它们需要提供到其他线圈网络L24和L41的功率来固定的。
因此，类似于继电器开关矩阵的情况，该拓扑结构的第一个限制是仅有线圈的上(或下)半对角矩阵具有功率可独立选择的元件，而不是所有情况。这显示于图4。在该图中，仅显示了半对角阵之上的线圈(除线圈L44之外)，可看到仅有半对角线之上的线圈可被独立控制，但不是所有情况。位于半对角线之下的线圈L44不能被独立控制。如果线圈L11，L21和L14被激活，则例如线圈L24也不能被独立激活，即使它也是在半对角线之上。
为了显示这个进一步的限制，假定仅有对角的上部被实际连线，并且N＝M＝5。还假定必须有4个相邻线圈被激活以加热一个大壶或平底锅，并且这些线圈位于炉灶的左上角，也就是说，被列转换器n1和n2以及行转换器m1和m2激活。这包括图4的线圈L11，L12，L21和L22。
此时，我们也想加热一小的平底锅，它可用通过转换器n1和m4驱动的单个线圈来加热。
由于n1和n2是有源转换器，所以不仅n1和m4之间的交叉点处的线圈被激活，其邻近线圈(n2和m4之间的交叉点处的那一个)也被激活。由于N＝M＝5，L14和线圈L24位于半对角之上，见图4。
在N×M的转换器的矩形矩阵中，真正能独立控制的线圈网络的理论数量仅为N+M-1。
为了降低这些限制的影响，使用了另一概念即，“相邻线圈”的概念。它的基本想法是相邻线圈不需要以不同的功率水平来驱动。
这看起来像是一个限制(而且从纯理论的角度来说确实是)，然而从实践的角度来说却并不是，因为a)在使用覆盖多于一个线圈的大烹饪用具的情况下，由于加热相同的用具，相邻线圈当然共享相同的功率水平。
b)在使用仅覆盖一个线圈的小烹饪用具的情况下，相邻线圈根本不被激活。
基于这一点，可以引入改进的开关矩阵，其采纳了“相邻线圈”概念的长处。
在图5中，这样的矩阵以树形和分支结构的形式被示出。
图5中的方块代表转换器，圆圈代表线圈。
图中示出了6个转换器的例子。从图中可以看出，6个转换器可驱动的最大数目的线圈是15。每个方块(转换器)至多可驱动5个线圈(圆圈)。
公式(如果采用“相邻线圈”的原理)为N线圈＝N转换器*(N转换器-1)/2，其中N转换器是转换器的总数。
在图5所示的15个线圈中，根据用于方阵的公式2N-1或用于矩形矩阵的N+M-1，其中N和M分别代表列数和行数，仅有5个线圈实际上是真正相互独立的。但是，通过适当的连线，可按照一种方式将非独立的线圈放置成与独立的线圈相邻，即，使需要单个线圈的小型烹饪用具可被独立地控制，而覆盖几个相邻线圈的较大的平底锅需要用相同的功率水平激活非独立的相邻线圈。
如果不使用“相邻线圈”原理，真正可独立驱动的线圈数的一般公式如上面所讨论的那样对于方矩阵是2N-1，对应一般矩形矩阵是N+M-1。
图5的开关矩阵的另一优点是，每个转换器都连接到等数量的线圈，因此其功率负载(影响其大小和成本)相同。
尽管参照特定实施方案对本发明进行了描述，对于本领域的普通技术人员来说，许多其他变化和改进以及其他应用都是显而易见的。因此，本发明不局限于本文的特定公开，而仅由所附权利要求书限定。
权利要求
1.一种用于向至少一个感应器供电的装置，其中，所述至少一个感应器被设置用来感应地将电能耦合到导电物体，以通过诱发电流在所述导电物体中流动来加热所述导电物体，所述装置包括至少一个感应器；至少一个第一半桥转换器，其与一直流总线交叉连接并且具有连接到所述至少一个感应器的第一端的输出；以及至少一个第二半桥转换器，其与所述直流总线交叉连接，并且具有连接到所述至少一个感应器的第二端的输出；所述每个半桥转换器都包括第一和第二交替导电的串联连接的开关，所述开关连接在所述直流总线之间；通过交替地打开每个转换器的所述第一和第二开关中的一个，以使电流从所述直流总线通过所述第一和第二转换器交替流过所述至少一个感应器，从而使所述至少一个感应器获得电能。
2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述至少一个第一和第二转换器被设置用来通过改变所述转换器的各开关的打开时期之间的相移以向所述至少一个感应器提供可变功率。
3.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述至少一个第一转换器包括多个第一转换器，所述至少一个第二转换器包括多个第二转换器，所述至少一个感应器包括多个感应器，每个所述第一转换器都具有连接到所述多个感应器中的相应的一个感应器的第一端的输出，每个所述第二转换器都具有连接到所述多个感应器中的相应的一个感应器的第二端的输出，由此各感应器通过打开所述第一和第二转换器中相应的一个转换器中的被选定的开关而获得电能。
4.如权利要求3所述的装置，其特征在于，各第一和第二转换器中选定的开关的相移决定了供应给各感应器的电能。
5.如权利要求3所述的装置，其特征在于，所述多个第一转换器和多个第二转换器按照一种结构布置来排列，以使所述各感应器连接在排列于所述结构布置之中的转换器的输出的交叉点处。
6.如权利要求5所述的装置，其特征在于，所述结构布置包括矩阵。
7.如权利要求6所述的装置，其特征在于，所述矩阵包括行结构和列结构。
8.如权利要求5所述的装置，其特征在于，所述结构布置包括矩阵，在所述矩阵中，所述转换器与排列在所述矩阵的中心对角线之上或之下的感应器连接。
9.如权利要求5所述的装置，其特征在于，所述结构布置包括互连的树形和分支结构。
10.如权利要求3所述的装置，其特征在于，所述感应器被安置在一定电范围的炉灶中，用以加热一个或多个诸如烹饪用具的导电物体。
11.如权利要求10所述的装置，其特征在于，所述感应器以格栅的形式排列。
12.如权利要求4所述的装置，其特征在于，所述感应器的数量(N线圈)由下式决定N线圈＝N*(N-1)/2，其中N是转换器的总数。
13.如权利要求7所述的装置，其特征在于，所述感应器的数量(N线圈)由下式决定N线圈＝N*(N-1)/2，其中N是转换器的总数。
14.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第一和第二转换器的选中的开关由脉冲宽度调制指令来打开。
15.如权利要求3所述的装置，进一步包括控制器，其用于根据对所述感应器之一的所需选择，以特定的时期打开所述多个第一和第二转换器的选中的开关，以向指定的感应器供电，从而使电流在所述待被加热的导电物体中流动。
16.如权利要求3所述的装置，其特征在于，所述感应器被设置成使得当它获得电能时，与所述感应器相邻的至少一些感应器被提供以相同的电能。
17.如权利要求3所述的装置，其特征在于，所述至少一个感应器与所述至少一个第一和第二转换器之间的谐振电容器串联连接。
全文摘要
一种用于向至少一个感应器供电的装置，其中该至少一个感应器被设置用来感应地将电功率耦合至导电物体，以通过诱发电流在导电物体中流动而加热该导电物体，该装置包括至少一个感应器；至少一个第一半桥转换器，其与直流总线交叉连接并且具有连接到至少一个感应器的第一端的输出；以及至少一个第二半桥转换器，其与直流总线交叉连接，并且具有连接到至少一个感应器的第二端的输出，每个半桥转换器都包括第一和第二交替导电的串联连接的开关，开关连接在DC总线之间，通过交替地打开每个转换器的第一和第二开关中的一个，以使电流从直流总线通过第一和第二转换器交替流过至少一个感应器，从而使至少一个感应器获得电能。
文档编号H02M7/5387GK1606385SQ20041008093
公开日2005年4月13日 申请日期2004年9月27日 优先权日2003年9月25日
发明者切萨雷·博基奥拉 申请人:国际整流器公司