FR2495876A1 - ELECTRONIC INDUCTION HEATING DEVICE - Google Patents

Abstract

1. Electronic induction heating device comprising an oscillating circuit made up of a capacitor and an inductance coil which performs the function of a primary winding, the secondary winding being constituted by the charge to be heated, this oscillating circuit being connected to the supply circuit via two electronic switches associated with a control circuit, a resistor and a capacitor being mounted in parallel with each of these switches, characterized in that the two electronic switches - for example two thyristors (7) - are associated with a control oscillator (10) which causes them to operate at the resonance frequency of the oscillating circuit (2-3) so as to open and close at the same time, these switches being designed to perform the function of impedances of very high value at the time of opening.

Description

La présente invention concerne les dispositifsThe present invention relates to the devices

électronicques de chauffage à induction.  induction heating electronics.

Les ccoposants de puissance de tels dispositifs doi-  The power requirements of such devices must

vent répondre à des critères d'intensité, de vitesse et de tensicn relativement sévères, ce qui les rend peu courants et de prix élevé. En effet, pour satisfaire aux besoins, par exemple  These are relatively strict criteria for intensity, speed and tension, which makes them uncommon and expensive. Indeed, to meet the needs, for example

dans le cas d'un appareii de cuisson à induction à vocation mna-  in the case of an induction cooking appliance with a

gère, il faut que ces composants soient:  manages, these components must be:

a) suffisamment rapides en comnutation pour pouvoir fermer et ou-  a) sufficiently fast in comnutation to be able to close and / or

vrir un circuit oscillant à des fréquences de l'ordre de 20 à 40 kHz b) capables de supporter des intensités élevées, de l'ordre de ampères en régime permanent (pour une puissance de 2 kW induite) c) susceptibles de supporter, a leurs bornes, des tensions très élevées de l'ordre de 1000 volts compte tenu qu'un circuit résonnant pour un appareil de cuisson à usage ménager développe des tensions de l'ordre de 800 à 900 volts pour un foyer de  an oscillating circuit at frequencies of the order of 20 to 40 kHz b) capable of withstanding high currents, of the order of amperes in steady state (for a power of 2 kW induced) c) capable of supporting, a their terminals, very high voltages of the order of 1000 volts given that a resonant circuit for a cooking appliance for household use develops voltages of the order of 800 to 900 volts for a household of

2 kW alimenté par un réseau de 220 volts.  2 kW powered by a network of 220 volts.

Or, ces trois conditions sont difficiles à respecter ensemble. Il est par contre beaucoup plus aisé de trouver sur  These three conditions are difficult to meet together. On the other hand, it is much easier to find on

le marché actuel des composants répondant à deux de ces condi-  the current market for components that meet two of these conditions

ticns.ticns.

Le but de la présente invention est donc d'éliminer l'une de ces trois conditions, en l'occurrence celle relative au fait de pouvoir supporter une tension maximum répétitive à l'état  The purpose of the present invention is therefore to eliminate one of these three conditions, in this case that relating to being able to withstand a maximum repetitive voltage in the state

bloqué et ce, de façon à réaliser un dispositif de chauffage à induc-  blocked so as to provide an inductive heating device.

ticn, dont la conception est telle que celui-ci présente une très  ticn, whose design is such that it presents a very

grande fiabilité, malgré les limites de performances des com-  high reliability, despite the performance limits of

posants électroniques actuellement sur le marché.  electronic speakers currently on the market.

A cet effet, ce dispositif est caractérisé en ce que son circuit oscillant, qui comprend un condensateur et une self en parallèle, est raccordé au circuit d'alimentation par deux  For this purpose, this device is characterized in that its oscillating circuit, which comprises a capacitor and a choke in parallel, is connected to the supply circuit by two

interrupteurs électroniques - par exemple deux tyristors - as-  electronic switches - for example two tyristors - as-

sujettis à un circuit de conmmnande les faisant camuxter ensemble, de manière à ce que, lorsque ces deux interrupteurs se ferment, le  subject to a control circuit causing them to be camouflaged together, so that when these two switches close, the

circuit oscillant se trouve référencé entre ces deux lignes d'ali-  oscillating circuit is referenced between these two lines of

mentation et, par le fait, chargé en énergie.  mentation and, in fact, charged with energy.

Par contre, lorsque les deux interrupteurs sont ouverts, le circuit oscillant, chargé en énergie (et comparable dans cette phase à un générateur), va trouver à ses bornes deux interrupteurs ouverts, et par suite, se référencer à travers deux  On the other hand, when the two switches are open, the oscillating circuit, charged with energy (and comparable in this phase with a generator), will find at its terminals two open switches, and consequently, reference through two

très grandes iniédances. Ceci aura pour effet que ce circuit aura tendan-  very large iniedances. This will have the effect that this circuit will tend to

ce à se centrer, ou à trouver son équilibre, entre ces deux impé-  to focus, or find its balance, between these two

dances de grande valeur.great value.

Du reste, les particularités et avantages du  Moreover, the peculiarities and advantages of

présent dispositif apparaîtront plus clairement au cours de la des-  this device will become clearer in the course of

cription suivante, donnée en référence aux dessins annexes.  following description, given with reference to the accompanying drawings.

Sur ceux-ci: La figure 1 est un schéma général d'une forme préférentielle de réalisation du dispositif selon l'invention; La figure 2 représente les courbes de variation des tensions aux bornes des deux interrupteurs électroniques, ainsi que la courbe de variation de l'intensité dans la self du circuit oscillant; La figure 3 est un schén6 général d'une autre  In these: Figure 1 is a general diagram of a preferred embodiment of the device according to the invention; FIG. 2 represents the variation curves of the voltages at the terminals of the two electronic switches, as well as the curve of variation of the intensity in the inductor of the oscillating circuit; Figure 3 is a general schema of another

forme de réalisation du dispositif selon l'invention.  embodiment of the device according to the invention.

Dans l'exemple illustré à la figure 1, le circuit oscillant 1 du dispositif correspondant est constitué par un circuit  In the example illustrated in FIG. 1, the oscillating circuit 1 of the corresponding device consists of a circuit

connu sous l'appellation "circuit bouchon".  known as the "stopper circuit".

Celui-ci comprend une self plane 2 mnntée en parallèle avec un condensateur 3, dont les valeurs sont telles que le circuit résonne à la fréquence désirée, par exemple de 25 k.Hertz  It comprises a plane self 2 mnntée in parallel with a capacitor 3, whose values are such that the circuit resonates at the desired frequency, for example 25 k.Hertz

dans le cas précité d'un appareil menager. La self 2 fait alors offi-  in the aforementioned case of a household appliance. The self 2 then makes

ce d'enroulenint primaire, le secondaire étant constitué par la charge à chauffer, dans l'appareil correspondant, en l'occurrence un  primary winding, the secondary being constituted by the charge to be heated, in the corresponding apparatus, in this case a

ustensile de cuisson (casserole, poêle, etc...).  cooking utensil (pan, stove, etc ...).

Conformément à la caractéristique essentielle du dispositif selon l'invention, le circuit oscillant 1 est relié aux deux lignes 5 et 6 du circuit d'alimentation par l'intermédiaire de deux interrupteurs électroniques, qui se trouvent donc disposés de part et d'autre de ce circuit oscillant. Dans l'exemple représenté à  According to the essential characteristic of the device according to the invention, the oscillating circuit 1 is connected to the two lines 5 and 6 of the supply circuit by means of two electronic switches, which are therefore located on either side of the this oscillating circuit. In the example shown in

la figure 1, chacun de ces interrupteurs est constitué par un tyris-  Figure 1, each of these switches is constituted by a tyrist

tor 7 avec lequel est montée en anti-parallèle une diode 8 dont le  tor 7 with which is mounted in antiparallel a diode 8 whose

sens de conduction est donc inverse.  conduction direction is therefore inverse.

La gachette de chacun des tyristors 7 est reliée à un circuit de coanmande très simplifié dans l'exemple et désigné par la  The trigger of each of the tyristors 7 is connected to a circuit of coanmande very simplified in the example and designated by the

référence générale 9. L'agencement de ce circuit est tel que les ty-  9. The layout of this circuit is such that the

ristors fonctionnent à la fréquence de réscOnnance du circuit oscillant 1 en s'ouvrant et en se fermant en même temps. Ce circuit comprend un oscillateur de cormmande 10 de type astable, suivi d'un, voire de  The ristors operate at the resonant frequency of the oscillating circuit 1, opening and closing at the same time. This circuit comprises a controllable oscillator 10 of the astable type, followed by one or even

plusieurs, transistors) permettant d'obtenir des impulsions de comnran-  several, transistors) making it possible to obtain communication pulses

de compatibles en durée, en polarité et en puissance pour commander  compatible in duration, polarity and power to control

correctement les interrupteurs de puissance.  correctly the power switches.

Cependant, l'agencement d'un tel circuit n'est pas complet, tel que présenté ci-dessous. En effet, il faut tenir compte du fait que les interrupteurs de puissance ne se désamorcent pas lorsque  However, the arrangement of such a circuit is not complete, as shown below. Indeed, it must be taken into account that the power switches do not defuse when

l'impulsion sur l'électrode de conmmande tombe à zéro volt. Pour attein-  the pulse on the control electrode drops to zero volts. To reach

dre ce but, il faut inverser la polarité à ses bornes (anode-cathode).  To this end, it is necessary to reverse the polarity at its terminals (anode-cathode).

Le circuit bouchon est tout à fait adéquat pour assurer ce rôle supplémentaire. En effet, les phénomènes de surtension de tels  The plug circuit is quite adequate for this extra role. Indeed, the surge phenomena of such

circuits sant bien connus.circuits well known.

Cependant, il existe une difficulté due à la faible valeur  However, there is a difficulty due to low value

selfique utilisée (34 jaH) dans le présent exemple. En effet, c&te fai-  used inductive (34 jaH) in the present example. Indeed, it makes

ble valeur provoque l'ouverture des tyristors en 2,5/*seccndes, ce qui n'est pas suffisant pour charger correctement le circuit oscillant,  This value causes the tyristors to open in 2.5 seconds, which is not enough to correctly charge the oscillating circuit.

en maintenant la fréquence de travail envisagée.  maintaining the intended working frequency.

Cependant, une augmentation de la valeur de la self 2 n'est pas envisageable, car ses dimensions iécaniques deviendraient vite  However, an increase in the value of the self 2 is not conceivable, because its iechanical dimensions would become fast

inexploitables et, de plus, il serait difficile de trouver des réci-  unusable and, furthermore, it would be difficult to find

pients pouvant s'apairer à la self. Il est donc inutile d'énumérer tou -  pients that can be seen in the self. It is therefore useless to enumerate all

tes les autres raisons.your other reasons.

C'est pourquoi, dans le but de conserver une fréquence de  Therefore, in order to maintain a frequency of

résonnance de 25 à 30 k.Hzet un temps de conduction des interrup-  resonance of 25 to 30 kHz and a conduction time of interrupts

teurs de l'ordre de 10 /seccndes, il est inclus, dans la ligne qui alimente le circuit résonnant, une petite self 13 de 3,5 mHenri dans l'exemple. Cette self peut être constituée de différentes façons, par exemple sur air, sur noyau de différentes formes, ou plus simplement en passant le fil d'alimentation du circuit oscillant dans un tore  In the order of 10 / sec, it is included, in the line which feeds the resonant circuit, a small self 13 of 3.5 mHenri in the example. This inductor can be constituted in different ways, for example on air, on a core of different shapes, or simply by passing the supply wire of the oscillating circuit in a torus.

de bonne valeur.good value.

Cette petite self a pour effet de ralentir ou plutôt de retarder l'action de la self de chauffe 2, ce qui se traduit par un  This small self has the effect of slowing or rather delaying the action of the heating self 2, which results in a

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temps de conduction des tyristors de l'ordre de 10 Asecondes  conduction time of tyristors of the order of 10 Aseconds

dans l'exemple.in the example.

Tout ceci apparaîtra plus clairement en décomposant les  All this will appear more clearly by breaking down the

différentes phases de conduction et d'oscillation libre du cir-  different phases of conduction and free oscillation of the cir-

cuit, lesquelles apparaissent sur les courbes de variation des tensions aux bornes des deux interrupteurs électroniques. Celles-ci sont représentées à la figure 2, sur laquelle: A est la phase de conduction (interrupteur fermé) B est la phase de ccnduction des diodes C est la phase d'oscillation libre 1. Phase de fermeture des deux interrupteurs Dans cette phase, le circuit oscillant se charge en énergie à travers les deux tyristors 7 de puissance. Le circuit bouchoa se trouve alors normalement référencé entre les lignes 5 et 6  fired, which appear on the curves of variation of the voltages at the terminals of the two electronic switches. These are represented in FIG. 2, in which: A is the conduction phase (closed switch) B is the conduction phase of the diodes C is the free oscillation phase 1. The closing phase of the two switches In this phase , the oscillating circuit charges energy through the two power tyristors 7. The Bouchoa circuit is then normally referenced between lines 5 and 6

du circuit d'alimentation.of the supply circuit.

2. Phase d'ouverture des deux interrupteurs C'est dans cette phase que se manifeste l'originalité  2. Opening phase of the two switches It is in this phase that the originality manifests itself

du dispositif selon l'invention.of the device according to the invention.

En effet, les surtensions du circuit bouchon survenant 10/s après la fermeture des tyristors ont pour effet de polariser en inverse les tyristors, qui se bloquent. Les tensions supérieures aux références sont oécoulées par les diodes 8 et le circuit bouchon  In fact, the overvoltages of the plug circuit occurring 10 / s after the closing of the tyristors have the effect of polarizing inversely the tyristors, which are blocked. The voltages above the references are discharged by the diodes 8 and the plug circuit

part en oscillation libre.part in free oscillation.

Dès cet instant, le circuit oscillant (assimilable dans  From this moment, the oscillating circuit (assimilable in

cette phase à un générateur d'énergie)va, pour se référencer, trou-  this phase to an energy generator) goes, to refer to,

ver à ses bornes les interrupteurs 7 ouverts. Ces derniers servent donc de référence au circuit oscillant, ce qui a pour effet d'essayer de centrer les tensions aux bornes de ce circuit entre  open the 7 open switches. These latter serve as a reference to the oscillating circuit, which has the effect of trying to center the voltages at the terminals of this circuit between

deux très grandes impédances.two very large impedances.

Le centrage exact des tensions est directement lié aux  The exact centering of the tensions is directly related to

paramètres internes des interrupteurs.  internal parameters of the switches.

Aussi, pour éviter un tri des composants, afin de les apai-  Also, to avoid sorting the components, in order to

rer, il est intéressant de monter en parallèle avec chaque tyris-  it is interesting to parallel each tyrant

tor, un condensateur de petite valeur 11 et une résistance 12.  tor, a small capacitor 11 and a resistor 12.

Ceci permet d'équilibrer convenablement les tensions aux bornes de  This allows to properly balance the voltages across

chaque tyristor 7.every tyristor 7.

En conséquence, chaque interrupteur supporte à ses bornes la  Consequently, each switch supports at its terminals the

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moitié de la tension développée par le circuit oscillant, soit  half of the voltage developed by the oscillating circuit,

300 volts dans l'exemple.300 volts in the example.

Il est à remarquer que la tension développée par ce type de circuit oscillant est plus faible que dans d'autres types de circuits oscillants. Il l'occurrence, cette tension est de  It should be noted that the voltage developed by this type of oscillating circuit is lower than in other types of oscillating circuits. In this case, this tension is

l'ordre de 600 à 700 volts au lieu de 800 à 900 volts.  the order of 600 to 700 volts instead of 800 to 900 volts.

Ce fait est dû a la faible valeur selfique 34 Henri, qui cumule les fonctions.l'enroulement primaire et moyen de décharge. Or, cette faible valeur permet d'écculer, plus rapidement que dans d'autres types cv circuits,l'énergie emmagasinée dans la  This fact is due to the low inductive value of Henri, which combines the functions of the primary winding and the medium of discharge. However, this low value makes it possible to calculate, more quickly than in other types of circuits, the energy stored in the

capacité 3, d'o des tensions développées plus basses.  capacity 3, hence lower developed voltages.

D'autre part, le fait que les tyristors ne voient que la demi-tension présente aux bornes du circuit oscillant, offre de multiples avantages, dont les principaux sont: 1. En conservant des tyristors de mnêmes caractéristiques que sur un montage à un interrupteur (tenue en tension 1000 V), ce nouveau système offre une marge de sécurité pour une tension de 1400 V  On the other hand, the fact that the tyristors only see the half-voltage present at the terminals of the oscillating circuit, offers multiple advantages, the main ones are: 1. Keeping tyristors of the same characteristics as on a switch mounting (1000 V voltage withstand), this new system offers a safety margin for a voltage of 1400 V

dans l'exemple.in the example.

2. La marge de sécurité de tension peut être réduite en augmentant  2. The voltage safety margin can be reduced by increasing

la tension d'alimentation si l'on désire augmenter la puissance.  the supply voltage if one wishes to increase the power.

3. Il est possible, en gardant une marge raisonnable de sécurité de tension (600 V par exemple) d'utiliser des tyristors moins  3. It is possible, while keeping a reasonable margin of safety of tension (600 V for example) to use tyristors less

performants en tension.performing in tension.

4. Il est évidemment toujours possible, pour augmenter la puissance,  4. It is obviously always possible, to increase the power,

de nultiplier le nombre de paires de tyristors par montage.  to nullify the number of pairs of tyrist by assembly.

La conception particulière du dispositif selon 1' inven-  The particular design of the device according to the invention

tion nultiplie donc largement les coefficients de sécurité, puisque  therefore largely eliminates safety factors, since

les tensions aux bornes des interrupteurs sont divisées par deux.  the voltages across the switches are divided by two.

Il faut également observer que cette conception a pour avantage d'éliminer les inconvénients habituels des dispositifs électroniques de chauffage par induction, parmi lesquels les  It should also be noted that this design has the advantage of eliminating the usual drawbacks of electronic induction heating devices, among which the

risques d'emballement thermique des composants actifs (interrup-  risks of thermal runaway of the active components (interrup-

teur de puissance). En effet, dans ce cas de figure, un interrup-  power transmitter). In this case, an interrup-

teur protege efficacement l'autre, sachant que les composants  effectively protects the other, knowing that the components

ne sont jamais parfaitement identiques, et de plus, jamais expo-  are never perfectly identical, and moreover, never expo-

ses aux mêmes températures.its at the same temperatures.

D'autre part, les courants de fuite sont diminués par le  On the other hand, the leakage currents are decreased by the

montage de deux interrupteurs, ce qui offre une bonne garantie con-  two switches, which offers a good guarantee

tre l'enmballement thermiqueobe the thermo packaging

Mais, ainsi qu'il a déjà été indiqué, le principal avan-  But, as already indicated, the main advantage

tage du dispositif selon l'invention réside dans le fait que, pour un nmême voltage da circuit oscillant, la nmarge de sécurité tension des interrupteurs électroniques se trcuve considérablennt aug- mnentée. Cependant, il va de soi que le dispositif selon l'invention  The device according to the invention lies in the fact that, for the same voltage of an oscillating circuit, the voltage safety margin of the electronic switches is considerably increased. However, it goes without saying that the device according to the invention

n'est pas limité au seul exemple préférentiel décrit ci-dessus.  is not limited to the single preferred example described above.

Ainsi, le circuit oscillant de ce dispositif peut être réalisé différemment. D'autre part, les tyristors de puissance pourraient être remplacés par des transistors de puissance, moyennant quelques  Thus, the oscillating circuit of this device can be realized differently. On the other hand, the power tyristors could be replaced by power transistors, with a few

retouches inhérentes au matériel employé.  alterations inherent to the equipment used.

Du reste, la figure 3 représente le schema d'une forme de réalisation dans laquelle les tyristors 7 du précédent exemple sonlt  Moreover, FIG. 3 represents the diagram of an embodiment in which the tyrants 7 of the previous example are

remplacés par des transistors 7a.replaced by transistors 7a.

Par ailleurs, il va de soi que le présent dispositif n'est pas limité à la réalisation d'appareils de cuisson à usage  Moreover, it goes without saying that the present device is not limited to the production of cooking appliances for use

ménager, car il peut faire l'objet d'applications diverses.  because it can be used in a variety of applications.

Claims (3)

REVENDICATIONS 1. Dispositif électronique de chauffage à induction, comportant un circuit oscillant comprenant un condensateur et une  An electronic induction heating device comprising an oscillating circuit comprising a capacitor and a self qui fait office d'enroulement primaire, l'enroulement se-  self which acts as a primary winding, winding se- condaire étant constitué par la charge à chauffer, caractérisé en ce que ce circuit oscillant est raccordé au circuit d'alimentation  condenser being constituted by the charge to be heated, characterized in that this oscillating circuit is connected to the supply circuit par deux interrupteurs électroniques - par exemple deux tyristors (7) -  by two electronic switches - for example two tyristors (7) - assujettis à deux circuits de comrande (9) les faisant fonctionner à la fréquence de résonnance du circuit oscillant (2-3) pour s'ouvrir  subject to two control circuits (9) operating them at the resonant frequency of the oscillating circuit (2-3) to open et se fermer en mnme temps, ces interrupteurs jouant le role d'im-  and close at the same time, these switches acting as im- pédances de très grande valeur lors de leur ouverture.  very valuable qualities when they are opened. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que dans l'une des lignes d'alimentation du circuit oscillant, il est prévu une self (13) ayant pour fonction de retarder l'action  2. Device according to claim 1, characterized in that in one of the supply lines of the oscillating circuit, there is provided a self (13) having the function of delaying the action de la self ( 2) du circuit oscillant.  the self (2) of the oscillating circuit. 3. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'une résistance (12) et une capacité (11) sont montées en parallèle avec chaque interrupteur électronique (7) pour centrer les  3. Device according to claim 1, characterized in that a resistor (12) and a capacitor (11) are connected in parallel with each electronic switch (7) to center the tensions du circuit oscillant (2-3).  oscillating circuit voltages (2-3).