CONTROL DE AL MENOS UNA CARGA DE CALENTAMIENTO POR INDUCCIÓN.

Control de al menos una carga de calentamiento por inducción.

Se propone un circuito para controlar al menos una carga de calentamiento por inducción,

que comprende al menos un elemento de conexión; una unidad de control que acciona el al menos un elemento de conexión, donde el al menos un elemento de conexión está conectado a la al menos una carga de calentamiento por inducción, y donde la unidad de control está dispuesta para poner en funcionamiento al menos parcialmente el al menos un elemento de conexión en un modo de funcionamiento esencialmente lineal. Asimismo, se proponen un método correspondiente, así como un dispositivo doméstico de calentamiento acorde.

Control de al menos una carga de calentamiento por inducción.

La invención se refiere a un circuito y a un método para controlar al menos una carga de calentamiento por inducción. Asimismo, la invención se refiere a un dispositivo doméstico de calentamiento que comprende tal circuito.

Hay disponibles diferentes tipos de topologías de inversor para ser utilizadas en el campo de las aplicaciones domésticas de calentamiento por inducción. Un ejemplo es una topología de conmutación a tensión cero de interruptor único (1SW-ZVS. o single-switch zero voltaje switching) , tal y como se muestra en la figura 1. Esta topología permite una implementación económica, ya que no existe la necesidad de una gran cantidad de dispositivos de conexión, y debido a la simplicidad del circuito de excitación (por ejemplo, no se requiere aislamiento) .

La figura 1 muestra un esquema de circuito para una topología de inversor de conmutación a tensión cero de interruptor único (1SW-ZVS) que comprende un suministro de potencia 101, el cual provee una tensión AC suministrada a un filtro 102 y a un rectificador 103 resultante en una tensión DC pulsante 110, que es filtrada por un capacitor 104. La tensión DC filtrada es conectada a una conexión en serie de una carga de calentamiento por inducción 105 y un interruptor electrónico 107, donde dicha carga de calentamiento por inducción 105 comprende un inductor y un resistor. El interruptor electrónico 107 es accionado por una unidad de control y excitadora 106 que suministra, por ejemplo, una señal de salida de onda rectangular vc al interruptor electrónico 107. El interruptor electrónico 107 puede comprender al menos uno de los siguientes: un transistor, un MOSFET (transistor de efecto de campo metal-óxido semiconductor) , un IGBT (transistor bipolar de puerta aislada) , o similares.

Un capacitor 108 está conectado en paralelo a través de la carga de calentamiento por inducción 105, y un capacitor 109 está conectado en paralelo a través del interruptor electrónico 107. Una capacitancia del capacitor 108 puede ascender a N·Cres, y una capacitancia del capacitor 109 puede ascender a (1-N) ·Cres. El parámetro N ∈ [0, 1] indica valores de los capacitores resonantes 108, 109 en relación a una capacitancia resonante Cres. En particular, se puede utilizarN=1.

Basándose en la implementación económica de la conmutación a tensión cero de interruptor único (1SW-ZVS) , puede aumentar una complejidad de otras partes del sistema. Por ejemplo, los requisitos relativos a filtros de entrada para cumplir los preceptos sobre interferencia electromagnética (IEM) son mayores que los exigidos para topologías de inversor que comprendan más de un interruptor electrónico.

El interruptor electrónico 107 puede ser un interruptor unipolar bidireccional único que sea accionado por la forma de onda cuadrada vc, tal y como se muestra en la figura 2. La señal de forma de onda cuadrada tiene una duración de ciclo que asciende a Ts (=1/fs) , la cual es dividida en una duración de conexión TON y una duración de desconexión TOFF.

Este interruptor electrónico 107 puede ser utilizado reduciendo un grado de libertad para controlar una potencia de salida a sólo un parámetro (Ts ofs) . Un ciclo de funcionamiento TsD=

TON

es ajustado para alcanzar condiciones de conmutación a tensión cero (ZVS.o zero voltaje switching) cuando el interruptor electrónico 107 esté siendo encendido.

En la figura 3 se muestra un mapa de control de la potencia de salida, donde Pi representa una ubicación para una potencia de salida constante. Una zona 301 se corresponde con una región de conmutación a tensión cero (ZVS) , la cual es preferida para ajustar la potencia de salida.

Un punto A representa una condición de funcionamiento continuo de potencia media, mientras que un punto C representa una situación de baja potencia de salida bajo condiciones de conexión no favorables. Una solución ejemplar que alcanza la salida de potencia inferior del punto C utiliza un funcionamiento discontinuo del inversor.

Un funcionamiento óptimo del inversor en términos de condiciones de conexión favorables como las conseguidas en el punto A se muestra en la figura 4.

La figura 4 representa una situación de condiciones de conexión optimizadas del inversor de conmutación a tensión cero de interruptor único (1SW-ZVS) en vista de la señal de forma de onda cuadrada vc, una corriente iL que pasa por la carga de calentamiento por inducción 105, y una tensión vT a través del interruptor electrónico 107. Para fines explicativos provistos más adelante, se asume que el interruptor electrónico 107 es un transistor.

Asimismo, en la figura 4 se muestra un intervalo de tiempo 401 que permite encender el interruptor electrónico 107 utilizando conmutación a tensión cero (ZVS) . Durante un intervalo de tiempo 402, el interruptor electrónico 107 está en un estado conductivo y, durante un intervalo de tiempo 403, un diodo en antiparalelo del interruptor electrónico está en un estado conductivo.

Las pérdidas por conmutación de desconexión en el dispositivo de conexión son bajas debido al gran retraso en el ascenso en la forma de onda de la tensión vT como resultado del elevado valor del capacitor resonante Cres (por ejemplo, en el intervalo de centenares de nF) . Durante el apagado de la tensión vT, este capacitor resonante Cres se comporta como un capacitor amortiguador, como se utiliza en topologías, por ejemplo, de inversores de semipuente resonantes en serie (que ascienden a decenas de nF) .

Aunque las pérdidas por conmutación de desconexión son bajas, se pueden reducir más usándose dispositivos de conexión rápidos, o aumentándose una velocidad de conmutación de cualquier dispositivo dado.

Las pérdidas por conmutación de conexión son insignificantes en la situación mostrada en la figura 4. Por tanto, el dispositivo es encendido cuando la corriente iL fluye a través del diodo en antiparalelo del interruptor electrónico 107, estableciendo una caída a tensión cero en dicho interruptor.

Para un valor de la frecuencia dado de la frecuencia de conmutación fs (véase la figura 2) , el dispositivo puede ser encendido dentro de cualquier tiempo en el intervalo de tiempo 401, dando como resultado casi la misma potencia de salida. Esto explica también una propiedad de las curvas Pi mostradas en la figura 3: las curvas Pi se vuelven casi verticales al cruzar la zona de conmutación a tensión cero (ZVS) 301.

Por otra parte, las pérdidas son elevadas y el dispositivo accionado por la conmutación a tensión cero de interruptor único (1SW-ZVS) puede incluso resultar dañado si se produce cualquiera de las situaciones mostradas en la figura 5. Tales modos de funcionamiento ineficientes se corresponden con puntos de funcionamiento fuera de la zona de conmutación a tensión cero (ZVS) 301.

Los ejemplos 501 y 502 muestran cada uno un gráfico para condiciones de conexión no óptimas de un inversor de conmutación a tensión cero de interruptor único (1SW-ZVS) , representando la señal de forma de onda cuadrada vc, una corriente iL que pasa por la carga de calentamiento 105, y una tensión vT a través del interruptor electrónico 107.

La situación 501 se corresponde con un punto B1, tal y como se muestra en la figura 3, siendo un ciclo de funcionamiento D demasiado extenso, y la situación 502 se corresponde con un punto B2, tal y como se muestra en la figura 3, siendo un ciclo de funcionamiento D demasiado breve.

Cargar o descargar el capacitor resonante Cres (dependiendo del valor N como se muestra en la figura 1) da como resultado pérdidas como sigue a continuación:

PON = · Cres · fs · ΔυT.

Tal y como se muestra en las situaciones 501 y 502, aparecen crestas de la corriente en el dispositivo de conexión. La amplitud de tal cresta de la corriente depende, para los valores predeterminados Cres y ΔvT, de la rapidez con la que se encienda el transistor. Cuanto más rápido sea el transistor, más elevada será la cresta de la corriente. En caso de que tal valor de cresta rebase un área de funcionamiento seguro (SOA, o Safe Operating Area) del dispositivo, puede conducir al fallo y/o destrucción del transistor.

La pérdida de potencia asociada con cargar y/o descargar el capacitor resonante sólo depende de los estados iniciales y finales del capacitor. El modo en...

1. Circuito para controlar al menos una carga de calentamiento por inducción, que comprende -al menos un elemento de conexión; -una unidad de control que acciona el al menos un elemento de conexión, -donde el al menos un elemento de conexión está conectado a la al menos una carga de calentamiento por inducción, -donde la unidad de control está dispuesta para poner en funcionamiento al menos parcialmente el al menos un elemento de conexión en un modo de funcionamiento esencialmente lineal.

2. Circuito según la reivindicación 1, donde la unidad de control suministra un número de impulsos al elemento de conexión con el fin de poner en funcionamiento sustancialmente el elemento de conexión en el modo de funcionamiento lineal.

3. Circuito según cualquiera de las reivindicaciones enunciadas anteriormente, donde la unidad de control acciona el al menos un elemento de conexión aplicando una señal polifásica.

4. Circuito según cualquiera de las reivindicaciones enunciadas anteriormente, donde la unidad de control acciona el al menos un elemento de conexión en dos fases ocultando una primera señal por una segunda señal.

5. Circuito según cualquiera de las reivindicaciones enunciadas anteriormente, donde el al menos un elemento de conexión es parte de un convertidor, en particular, de un inversor, que comprende al menos un capacitor de resonancia.

6. Circuito según la reivindicación 5, donde el convertidor comprende varios capacitores de resonancia que pueden ser conectados o desconectados individualmente.

7. Circuito según cualquiera de las reivindicaciones 5 ó 6, donde el convertidor comprende varios capacitores de resonancia que están conectados en paralelo, donde cada capacitor de resonancia en paralelo puede ser conectado o desconectado.

8. Circuito según cualquiera de las reivindicaciones 5 a 7, donde dicho inversor es un inversor de interruptor único, un circuito de semipuente o un circuito de puente completo.

9. Circuito según cualquiera de las reivindicaciones enunciadas anteriormente, donde dicho elemento de conexión es un dispositivo controlado por la tensión.

10. Circuito según cualquiera de las reivindicaciones enunciadas anteriormente, donde el elemento de conexión comprende al menos uno de los siguientes: -un IGBT (transistor bipolar de puerta aislada) ; -un MOSFET (transistor de efecto de campo metal-óxido semiconductor) ; -un transistor;

- un BICMOS (Bipolar Complementar y Metal Oxide Semiconductor, o metal-óxido semiconductor complementario bipolar) .

11. Método para controlar al menos una carga de calentamiento por inducción que es accionada por al menos un elemento de conexión,

- donde una unidad de control proporciona una señal para controlar el al menos un elemento de conexión

- donde dicha señal pone en funcionamiento al menos parcialmente el al menos un elemento de conexión en un modo de funcionamiento esencialmente lineal.

12. Método según la reivindicación 11, donde la unidad de control controla el al menos un elemento de conexión a través de una señal polifásica.

13. Método según la reivindicación 12, donde dicha señal polifásica comprende al menos dos niveles diferentes de tensión.

14. Método según cualquiera de las reivindicaciones 11 a 13, donde el al menos un elemento de conexión es parte de un inversor que comprende varios capacitores de resonancia que pueden ser conectados o desconectados,

- donde los varios capacitores de resonancia son conectados y desconectados para ajustar una potencia de salida del inversor.

15. Dispositivo doméstico de calentamiento que comprende el circuito según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 10.