CN101390445A

CN101390445A - 感应加热装置

Info

Publication number: CN101390445A
Application number: CNA2007800039495A
Authority: CN
Inventors: 宫内贵宏; 弘田泉生
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2006-02-02
Filing date: 2007-02-01
Publication date: 2009-03-18
Anticipated expiration: 2027-02-01
Also published as: US8796602B2; EP1978786B1; DE602007007434D1; WO2007088931A1; JPWO2007088931A1; HK1124202A1; EP1978786A1; ES2348506T3; CN101390445B; EP1978786A4; US20100230401A1; JP4900248B2

Abstract

感应加热装置包括：谐振电路；功率因数改善电路，将整流输出升压并提供给逆变器，同时改善商用交流的功率因数；以及负载材质检测单元，检测负载的材质，逆变器具有构成全桥电路的开关元件，并具有根据负载材质检测结果而将开关元件的驱动频率切换到与谐振电路的谐振频率实质上等倍的频率和实质上1/n倍的频率的结构，其中，n为2以上的整数。

Description

感应加热装置

技术领域

本发明涉及感应加热烹调器、感应加热式的热水器、加湿器或电熨斗等的感应加热装置，其具有铝锅那样的高导电率并且能够高效率地感应加热低导磁率的被加热物。

背景技术

以下，作为以往的感应加热装置的例子，基于图6说明由加热线圈产生高频磁场，通过电磁感应造成的涡流而将锅等的负载进行加热的感应加热烹调器。

图6是表示在专利文献1中公开的以往的感应加热烹调器的电路结构的图。电源51是低频交流电源即200V的商用电源，被连接到桥接二极管的整流电路52的输入端。在整流电路52的输出端之间连接着第1平滑电容器53。在整流电路52的输出端之间，还连接着扼流圈54和第2开关元件57的串联连接体。加热线圈59与作为被加热物的铝制的锅61面对面配置。

如图6所示，用虚线包围的部分是逆变器50，第2平滑电容器62的低电位侧端子连接到整流电路52的负极端子，第2平滑电容器62的高电位侧端子连接到第1开关元件(IGBT)55的高电位侧端子(集电极)。而且，第1开关元件(IGBT)55的低电位侧端子连接到扼流圈54和第2开关元件(IGBT)57的高电位侧端子(集电极)之间的连接点。加热线圈59和谐振电容器60的串联连接体并联连接到第2开关元件57。

第1二极管56(第1反向导通元件)反向并联连接到第1开关元件55，第2二极管58(第2反向导通元件)反向并联连接到第2开关元件57。

此外，缓冲电容器(snubber capacitor)64并联连接到第2开关元件57。校正用谐振电容器65和继电器66的串联连接体并联连接到谐振电容器66。控制电路63输入变流器67和变流器68的检测信号，同时对第1开关元件55和第2开关元件57的栅极及继电器66的驱动线圈(未图示)输出信号，变流器67检测来自电源51的输入电流，变流器68检测加热线圈59的电流。

下面说明以上那样构成的以往的感应加热烹调器的动作。电源51通过整流电路52而被全波整流，提供给整流电路52的输出端上所连接的第1平滑电容器53。该第1平滑电容器53具有作为对逆变器50提供高频电流的供给源的功能。

图7A、图7B是表示以往的感应加热装置的电路中的各个部分波形的图，图7A是输出为大输出的2kW时的图。波形A1表示在第1开关元件55及第1二极管56中流过的电流波形Ic1，波形B1表示在第2开关元件57及第2二极管58中流过的电流波形Ic2。此外，波形C1表示在第2开关元件57的集电极-发射极之间产生的电压Vce2，波形D1表示在第1开关元件55的栅极上施加的驱动电压Vg1，波形E1表示在第2开关元件57的栅极上施加的驱动电压Vg2。此外，波形F1表示在加热线圈59中流过的电流IL。

如图7A所示，输出为2kW时，控制电路63如波形E1所示在时刻t0至时刻t1对第2开关元件57的栅极输出其驱动期间为T₂(约24微秒)的导通信号。在该驱动期间T₂的期间，在由第2开关元件57及第2二极管58、加热线圈59和谐振电容器60形成的闭合回路中产生谐振。而且，加热线圈59的圈数(40T)和谐振电容器60的电容量(0.04μF)被设定，以使在锅61为铝制的锅时的谐振周期达到驱动期间T₂的约2/3倍(约16微秒)。再有，在将谐振频率设为f时，谐振周期为1/f，在图7A中用1/f表示谐振周期。此外，扼流圈54在该第2开关元件57的驱动期间T₂中，将平滑电容器53的静电能量作为磁能量储备。

接着，在第2开关元件57中流过的谐振电流的第2峰值和谐振电流下次为零期间的定时的时刻t1，即第2开关元件57的集电极电流正向地流过的时刻，第2开关元件57的驱动被停止。

于是，由于第2开关元件57截止，所以与第2开关元件57的集电极连接的扼流圈54的端子的电位上升。然后，若该电位超过第2平滑电容器62的电位，则通过第1二极管56对第2平滑电容器62充电，从而将在扼流圈54中储备的磁能量释放。第2平滑电容器62的电压被升压到500V，以使其高于整流器52的直流输出电压Vdc的峰值(283V)。所升压的等级(level)依赖于第2开关元件57的导通时间，并具有导通时间变长时，在第2平滑电容器62上产生的电压变高的趋势。

这样，在由第2平滑电容器62、第1开关元件55或第1二极管56、加热线圈59、谐振电容器60形成的闭合回路中产生谐振时，具有直流电源功能的第2平滑电容器62的电压电平被升压。由此，改变图7A的波形A1所示的第1开关元件55中流过的谐振电流的尖峰值(峰值)和谐振路径，可以使波形B1所示的产生连续谐振的第2开关元件57中流过的谐振电流的尖峰值不为零，或不变小，以高输出方式感应加热铝制的锅，并且连续地增减输出来进行控制。

而且，如图7A的波形D1及波形E1所示，控制电路63在为了防止从时刻t1起第1开关元件55、第2开关元件57同时导通而设置的暂停期间后的时刻t2，对第1开关元件55的栅极输出驱动信号。其结果，如波形A1所示，在由加热线圈59、谐振电容器60、第1开关元件5或第1二极管56、第2平滑电容器62组成的闭合回路上改变路径而流过谐振电流。该驱动信号的驱动期间T₁，在这种情况下被设定为与T₂大致相同的期间，所以与第2开关元件57导通的情况同样，驱动期间T₂的约2/3的周期流过谐振电流。

因此，加热线圈59中流过的电流I_L变为图7A的波形F1所示那样，第1及第2开关元件的驱动周期(T₁和T₂及暂停期间之和)为谐振电流周期的约3倍，如果第1及第2开关元件的驱动频率为约20kHz，则加热线圈59中流过的谐振电流的频率为约60kHz。

图7B的波形是输出为低输出的450W时的波形。虽然省略细节，但驱动周期比2kW输出时短。

在下次起动时，控制电路63使继电器66为截止状态，在一定的频率(约21kHz)下第1开关元件55和第2开关元件57被交替地驱动。以第1开关元件55的驱动期间比谐振电流的谐振周期短的模式而被驱动。即，从驱动时间比最小、被设定为最小的输出起，驱动时间比缓慢地增加。而且，在该期间，控制电路63根据变流器67的检测输出和变流器68的检测输出，检测负载锅61的材料。

控制电路63判断为负载锅61的材料为铁类的材料时，停止加热后接通继电器66，再次以低输出方式开始加热。此时，控制电路63将第1开关元件55和第2开关元件57在一定的频率(约21kHz)下再次以最小驱动时间比从最小输出开始起动，并使输出缓慢地增加，直至规定的输出为止。

另一方面，控制电路63在没有检测为负载锅61的材料是铁类的负载的情况下，若达到规定的驱动时间比，则转移到图7B所示的谐振电流的周期比第1开关元件55的驱动期间短的模式。此时，驱动期间被设定，以使输出为低输出状态。

如以上那样，通过加热线圈59产生的磁场来加热铝或铜等高导电率、低导磁率的负载时，流过第1开关元件55、第2开关元件57的加热线圈59和谐振电容器60产生的谐振电流，以比两开关元件各自的驱动期间(T₁)短的周期(2T₁/3)进行谐振。其结果，可以将频率比第1开关元件55、第2开关元件57的驱动频率高3倍的电流提供给加热线圈59来进行加热。而且，设有作为升压部分的扼流圈54和作为平滑部分的第2平滑电容器62，将作为高频电源的平滑电容器62的电压升压并进行平滑，在各个驱动期间中谐振电流的振幅增大。因此，驱动开始后，从谐振电流开始流动起第1周期结束，在到达第2周期以后，也能够继续流过振幅足够大的谐振电流。

在以上那样构成的以往的感应加热烹调器中，判别高导电率并且低导磁率的铝制等材质的负载和铁类的负载的负载检测能够正确并且在低输出状态下进行，所以通过切换继电器的导通/截止，从而进行谐振电容器的切换，可以进行根据负载的材质而获得高效率、较大的加热输出的感应加热。

此外，如专利文献2所展示的那样，公开了以下方法：通过以磁性锅和非磁性锅来切换全桥电路方式和半桥电路方式，从而在磁性锅和非磁性锅的任何一个中都不需要切换继电器。

但是，在专利文献1所展示的根据负载的材质而变更谐振电容器的电容量的以往结构中，就进行高导电率且低导磁率的铝等材质的负载和铁类的负载之间的加热来说，通过高耐压的继电器来切换谐振电容器等的结构变得复杂。此外，设定谐振电容器的电容量，以适合铝等的加热，如果不切换该电容量，则特别是在加热低导电率的铁类的负载的情况下，由于谐振电容器的电容量变小，开关元件的驱动频率变高并且开关元件上施加的电压变大，开关元件损耗变大，所以有难以获得足够的输出的课题。

此外，在专利文献2所展示的以往的结构中，若设为能够加热铁类那样的低导电率的材质，估计为了加热高导电率且低导磁率的铝等材质而获得高输出，逆变器的额定电流因包含了负载的谐振电路的等效电阻较小而变得非常大。此外，若设定能够加热高导电率且低导磁率的铝等材质的谐振电路，则谐振电路的最大输出功率(以下，称为最大加热输出)变小，低导电率的材质不能获得作为目标的加热输出，存在难以按实用等级(level)加热从铝或铜等高导电率且低导磁率的材质到磁性材质等低导电率的材质的课题。

专利文献1：专利第3460997号公报(日本)

专利文献2：专利第2816621号公报(日本)

发明内容

本发明的感应加热装置包括：谐振电路，具有加热线圈和谐振电容器，加热线圈的使负载进行磁耦合的圈数实质上被固定，而谐振电容器的电容量实质上被固定；逆变器，具有构成全桥电路的开关元件并对谐振电路提供电力；加热输出控制单元，驱动开关元件而控制加热线圈的加热输出；整流单元，对商用交流进行整流；功率因数改善单元，将来自整流单元的整流输出升压，并将输出电压提供给逆变器，同时改善商用交流的功率因数；以及负载材质检测单元，检测负载的材质，加热输出控制单元根据负载材质检测单元的负载材质检测结果，将开关元件的驱动频率切换为与谐振电路的谐振频率实质上等倍的频率和实质上1/n倍(n为2以上的整数)的频率，同时功率因数改善单元可变更输出电压的大小。

由此，从铝或铜等的高导电率，直至具有磁性的材质等的低导电率，可以在简单的结构下，无论负载的材质如何，都降低对开关元件施加的负载，并且获得更大的加热输出。

附图说明

图1是本发明实施方式1的感应加热装置的电路结构图。

图2是本发明实施方式1的感应加热装置的负载材质检测单元的检测输入的特性图。

图3是表示本发明实施方式1的感应加热装置的电路的低及中低导电率材质模式中的各个部分波形的图。

图4是表示本发明实施方式1的感应加热装置的电路的高导电率材质模式中的各个部分波形的图。

图5是表示本发明实施方式1的感应加热装置的电路的中等导电率材质模式中的各个部分波形的图。

图6是以往的感应加热装置的电路结构图。

图7A是表示以往的感应加热装置的电路的各个部分波形的图。

图7B是表示以往的感应加热装置的电路的各个部分波形的图。

标号说明

52整流单元

59加热线圈

60谐振电容器

63加热输出控制电路(加热输出控制单元)

67、68变流器

70逆变器

71功率因数改善电路(功率因数改善单元)

72负载材质检测单元

74第1开关元件

75第2开关元件

76第3开关元件

77第4开关元件

具体实施方式

以下，用附图说明本发明的实施方式。

(实施方式1)

图1是作为本发明实施方式1的感应加热装置的感应加热烹调器的电路结构图。如图1所示，感应加热装置被施加200V商用电源作为其电源51。而且，感应加热装置包括：二极管电桥构成的整流单元52；以及由虚线所包围的第1平滑电容器78、扼流圈79、二极管80、MOS-FET81和功率因数改善控制单元82构成的功率因数改善电路(功率因数改善单元)71。通过整流单元52和功率因数改善电路(功率因数改善单元)71，商用电源被升压，并被变换为直流，其输出电压可通过负载材质检测单元72或加热输出控制电路63的输出信号而变更。而且，以在第2平滑电容器73中蓄电并且使商用电源的功率因数接近1来进行控制。升压后的直流通过逆变器70而被变换为高频电流，并被提供给加热线圈59和谐振电容器60的谐振电路，加热线圈59的圈数被实质性地固定，而谐振电容器60的电容量被实质性地固定。加热线圈59中流过的高频电流产生高频磁场。此外，设置底面与加热线圈59相对并被作为负载的锅(未图示)。因而加热线圈59产生高频磁场时被磁耦合到负载上。此外，谐振电容器60和加热线圈59一起构成串联的谐振电路。该谐振电路的谐振频率被设定为约90kHz。

此外，为了成为将谐振电路作为输出的全桥电路，逆变器70的第1开关元件74和第2开关元件75的串联电路、第3开关元件76和第4开关元件77的串联电路连接到第2平滑电容器81的两端，谐振电路被构成在第1开关元件74和第2开关元件75的连接点与第3开关元件76和第4开关元件77的连接点之间。开关元件74、75、76、77由IGBT和与IGBT反向并联连接的二极管构成。而且，通过加热输出控制电路(加热输出控制单元)63，第1开关元件74和第4开关元件77、或第2开关元件75和第3开关元件76被交替驱动。而且，通过加热输出控制电路63来驱动开关元件，以在增加输出的情况下使开关元件的驱动频率接近谐振频率。此外，配备了变流器67的加热输出检测单元检测加热线圈59的加热输出。而且，开关元件的驱动频率通过输入了该检测结果的加热输出控制电路63而可改变，构成为了获得规定的加热输出而受到控制的频率控制的逆变器70。而且，包括了负载材质检测单元72，其输入并比较谐振电流检测单元的检测输出，并检测作为负载的锅的材质，谐振电流检测单元配备了变流器67和变流器68。

下面，说明这样构成的感应加热装置的动作。首先，说明在起动时感应加热装置的负载材质检测单元72检测作为负载的锅的材质的方法。图2是本发明实施方式1的感应加热装置的负载材质检测单元72的检测输入的特性图。横轴是通过变流器67检测的感应加热装置的输入电流。纵轴是通过变流器68检测的谐振电容器60中流过的谐振电流。在起动时，加热输出控制电路63在一定的频率(约60kHz)下交替地进行第1开关元件74和第4开关元件77的驱动、第2开关元件75和第3开关元件76的驱动。而且，在第1开关元件74和第4开关元件77的驱动期间，以比谐振电流的谐振周期短的模式进行驱动，使作为第1开关元件74和第4开关元件77的驱动期间与第2开关元件75和第3开关元件76的驱动期间之比的驱动时间比最小，在进行最小的加热输出后，使驱动时间比缓慢地增加。在该期间，负载材质检测单元72比较变流器67的检测输出和变流器68的检测输出，识别该检测输出大小的比率的大小，从而检测负载的材质，变流器67作为加热输出检测单元而检测输入电流，变流器68作为谐振电流检测单元而检测在谐振电容器60中流过的谐振电流。

如图2所示，用于烹调的锅的材质，例如根据感应加热装置的输入电流的大小和谐振电容器60中流过的谐振电流的大小之间的关系，一般可以分类为四种。即，铁或磁性不锈钢锅等磁性材质的低导电率材质，作为铝和磁性材质的中间材质的非磁性不锈钢薄板(例如0.5mm)等的中低导电率材质，在非磁性不锈钢的厚板(例如2mm)或非磁性不锈钢的薄板材上粘贴铝或铜等的高导电率材料的多层锅等的中等导电率材质，以及铝或铜锅等的高导电率材质。如图2所示，对这些材质的每一种材质，谐振电容器60的电流大小相对于感应加热装置的输入电流的大小之间大小关系的特性在可识别的程度上不同。因此，期望通过比较输入电流的大小和输出电流的大小，能够高精度地区别这些材质，控制感应加热装置，以进行适合于负载材质的开关元件的驱动。

下面，用图3～图5说明实施方式1的感应加热装置的动作。图3～图5是表示本发明实施方式1的感应加热装置的电路的各个部分波形的图。

首先，用图3说明负载为铁锅等的作为磁性材质的低导电率材质情况下的感应加热装置的动作。在逆变器70起动后，在约60kHz的驱动频率下从低输出开始将输出缓慢地增加的途中，若负载材质检测单元72将负载的材料判断为低导电率材质的材料，则加热输出控制电路63将驱动频率提高至与谐振频率约等倍的约90kHz，再次以低输出开始加热。即，以开关元件74、75、76、77的驱动频率变成谐振电路的谐振频率即约90kHz，感应加热装置将驱动频率从设定开始起动，以便在比谐振频率高的频率成为最小输出，然后以一边将驱动频率缓慢地降低而使其接近谐振频率，一边使输出增加至规定的输出为止的低导电率材质模式进行动作。

此时，感应加热装置的电路在谐振点附近，即在变为最大加热输出的点中，以图3所示的各个部分波形动作。图3的最上段表示在加热线圈59中流过的电流的波形。此外，Ic1、4分别是第1开关元件74和第4开关元件77的集电极电流的波形。Ic2、3分别是第2开关元件75和第3开关元件76的集电极电流的波形。此外，在下段，分别表示第1开关元件74和第4开关元件77的栅极电压的波形，以及第2开关元件75和第3开关元件76的栅极电压的波形。这里，功率因数改善电路71根据负载材质检测单元72的输出信号而将商用电源的200V升压到450V，从而在第2平滑电容器73中蓄电。这种情况下，包含了负载的谐振时等效电阻较大，谐振电路的Q(谐振的锐度)较小，所以与铝那样的等效谐振时电阻较小的负载材质相比，加热输出变小。但是，开关元件74、75、76、77的驱动频率为谐振电路的谐振频率的等倍即约90kHz，所以与驱动频率为谐振电路的谐振频率的1/n倍(n＝2以上)的情况相比，谐振时的最大加热输出变大，并且逆变器70的输入电压被升压至450V的高压，所以最大加热输出进一步变大，可以获得充分的加热输出。

下面，同样用图3，说明负载为非磁性不锈钢的薄板等的中低导电率材质的情况下的感应加热装置的动作。非磁性不锈钢由于导磁率较小，所以高频电流的渗透深度比磁性材质的低导电率材质大，相对于高频的感应电流的等效导电率比磁性材质小。另一方面，即使是非磁性不锈钢，在板厚度为比渗透深度小的薄板等的中低导电率材质的情况下，感应电流的分布因板厚度而受到物理性限制，所以与板厚度较大的情况相比，相对于感应电流的等效导电率变大。在负载材质检测单元72检测为中低导电率的负载材质的情况下，功率因数改善电路71将200V的商用电源升压到330V而在第2平滑电容器73中蓄电。然后，加热输出控制电路63以中低导电率模式进行动作。即，加热输出控制电路63使开关元件的驱动频率变成谐振电路的谐振频率的约等倍即约90kHz。而且，感应加热装置的电路以与图3所示的低导电率材质模式同样的各个部分波形进行动作。由此，在中低导电率材质模式中，使开关元件74、75、76、77上施加的逆变器70的输入电压为330V，使其低于低导电率材质模式的450V，从而降低开关损耗。即使逆变器70的输入电压为比低导电率材质模式低的值，由于负载的高频电阻较小，包含负载的谐振电路的Q比低导电率材质模式大，所以仍然可以获得足够的加热输出。换句话说，通过将逆变器70的输入电压降低得比低导电率材质模式低，以使最大加热输出接近所需的加热输出，从而确保所需的加热输出，并且防止增大在开关元件74、75、76、77上施加的电压/电流的负载。即，通过构成为根据负载材质检测单元72的负载材质检测结果，在负载的导电率变大时改变功率因数改善电路71的输出电压，以使最大加热输出接近加热输出的设定值，从而可以用简单的结构而降低开关元件74、75、76、77的损耗或降低逆变器70的电流，从而提高热效率。

下面，用图4说明负载为铝锅或铜锅等的高导电率且非磁性材质(以下，称为高导电率材质)情况下的感应加热装置的动作。这种情况下，感应加热装置的电路以图4那样的各个部分波形进行动作。这里，图4的各个部分波形中的纵轴、横轴与图3相同，省略详细的说明。

在起动时，在负载材质检测单元72检测出负载的材料为高导电率材质的负载的情况下，若达到规定的驱动时间比，则如Ic1、4所示，第1开关元件74和第4开关元件77的驱动期间首先转移到谐振电流周期较短的高导电率材质模式。然后，接着如Ic2、3所示，第2开关元件75和第3开关元件76的驱动期间转移到谐振电流周期较短的高导电率材质模式。在该模式转移时，驱动期间被设定，以使输出为低输出状态。再有，进行模式转移时的开关元件74、77和开关元件75、76的顺序，哪个在前面都没有关系。

在高导电率材质模式，通过使开关元件74、75、76、77的驱动频率为谐振电路的谐振频率的约1/3即约30kHz，从而降低各个开关元件的损耗。此外，功率因数改善电路71将200V的商用电源升压到比中低导电率材质模式的情况高、比低导电率材质模式的情况低的400V后输出到逆变器70，并进行动作，以一边增大开关元件的驱动频率为谐振频率的1/3附近的谐振点上所获得的最大加热输出，一边进行商用电源的功率因数改善的动作。由此，感应加热装置以通过使驱动频率比谐振频率低而一边降低开关元件74、75、76、77的损耗，一边通过对逆变器70的输入电压升压而使最大加热输出接近所需的加热输出即设定输出，或使最大加热输出为设定输出以上，从而确保驱动频率所需的加热输出，同时在还能够加热铝那样的低导磁率且高导电率的金属的高导电率材质模式进行动作。

下面，用图5说明在负载为多层锅等的中等导电率材质情况下的感应加热装置的动作。在负载材质检测单元72检测出负载的材料为高导电率材质和中低导电率材质的中间材质即非磁性不锈钢的厚板，或为在非磁性不锈钢的薄板材的上面粘贴了铝或铜等的高导电率材料的多层锅等的复合材料的情况下，加热输出控制电路63将开关元件74、75、76、77按图5所示的集电极电流和栅极电压的波形来驱动。与图3同样，Ic1、4分别是第1开关元件74和第4开关元件77的集电极电流的波形。而Ic2、3分别是第2开关元件75和第3开关元件76的集电极电流的波形。

开关元件的驱动频率被设定，以使其为谐振电路的谐振频率的约1/2即约45kHz。具体地说，如Ic1、4所示，在驱动了第1开关元件74和第4开关元件77后，流过半周期的谐振电流而停止第1开关元件74和第4开关元件77的驱动。接着，如Ic2、3所示，重复进行在开始第2开关元件75和第3开关元件76的驱动后，流过一个半周期的谐振电流而停止第2开关元件75和第3开关元件76的驱动。这样的驱动方法是中等导电率材质模式的动作。此时，功率因数改善电路71将200V的商用电源升压到与中低导电率模式相同的330V而在第2平滑电容器73中蓄电，并进行动作以达到平滑。在中等导电率模式的情况下，与中低导电率的情况比较，由于驱动频率从谐振频率的约等倍变为约1/2倍，所以可以降低开关元件的损耗，并且对于加热输出来说，由于驱动频率从谐振频率的约等倍变为约1/2倍造成的最大加热输出的下降与等效谐振时电阻变小造成的最大加热输出的增加相互抵消，所以可以获得作为逆变器70的同一输入电压所需的加热输出。此外，与高导电率材质模式的情况比较，在中等导电率模式的情况下，最大加热输出因谐振电路的谐振时等效电阻比高导电率材质模式变大并且逆变器70的输入电压变小而变小，但由于使驱动频率为谐振频率的约1/2即约45kHz，比高导电率材质模式的驱动频率(为谐振频率的数量的约1/3)高，所以可以使驱动频率附近的最大加热输出足够大。通过这样的动作，感应加热装置在中等导电率材质模式中，使驱动频率比低导电率模式、中低导电率模式低，从而降低开关元件的损耗，同时使驱动频率比高导电率材质模式高，可以获得足够的加热输出，并且通过功率因数改善电路71使开关元件上施加的电压比高导电率材质模式低，从而降低开关元件损耗。

再有，在上述中，在低导电率模式、中低导电率模式、中等导电率模式、高导电率模式中，通过功率因数改善电路71，升压到规定的值，但不限于此，也可以根据所需的加热输出或所设定的加热输出(包含用户设定的加热输出、加热输出控制电路63预先存储并使负载的温度调节功能或防止温度过度升高功能生效时的温度控制、或自动烹调时所设定的加热输出)，改变功率因数改善电路71的输出电压。在中等导电率模式、高导电率模式中，使驱动频率比谐振频率低而可以降低开关元件的损耗，但在驱动频率附近的最大加热输出比谐振频率附近变小。因此，如果进行调整，以使最大加热输出为所需的加热输出或所设定的加热输出以上，则能够获得期望的加热输出并且不必提高逆变器70的输入电压，能够用简单的结构抑制开关元件等的逆变器结构部件的损耗的增加。

再有，在图3～图5中，表示了靠近谐振点成为最大加热输出时的波形，即在开关元件74、75、76、77中流过的电流为零的点开关元件截止的例子，但将开关元件截止的定时不限于此，为了防止在开关元件中流过短路电流，也可以在开关元件中正向地流过电流时使其截止，在谐振频率附近比谐振频率高的频率下驱动开关元件并以比最大加热输出低的加热输出使其动作。这种情况下，在开关元件74、75、76、77中，流过图3～图5未示出的作为相反电流的二极管电流。

再有，在图1中，开关元件74、75、76、77由IGBT和与IGBT反向并联地连接的二极管构成，但IGBT和二极管可以装入在同一外壳(package)，也可以装入在单独的外壳中。此外，IGBT也可以替换为MOS-FET(场效应晶体管)。

如上述实施方式1中说明的那样，根据本发明，在负载为磁性材质的情况下，若将开关元件的驱动频率设定为谐振频率的等倍，则在负载为高导电率且非磁性体的情况下，驱动频率为谐振频率的1/n倍。驱动频率必须为超过了听觉区域的值，所以谐振频率需要设定为n×20kHz以上。因此，在检测为磁性材质的情况下，需要将开关元件的驱动频率设定在n×20kHz以上，在实施方式1中，谐振频率为约30kHz，磁性材质的情况下的开关元件的驱动频率为约90kHz(n＝3)。这样，本发明具有可以对应于负载而高效率地抑制在开关元件中流过的电流的大小，而磁性材质的情况下的驱动频率变高的特性。因此，在本发明的结构中，作为开关元件，可以有效地灵活使用导通损耗比IGBT大，但开关速度快的MOS-FET的特性，即使开关元件的驱动频率为约90kHz，也可以将开关元件的损耗抑制到可实用的等级。

再有，在图1中示出了加热输出控制电路63和负载材质检测单元72分离的结构，但不用说，也可以用同一微计算机构成等而将部件或功能共用。例如，加热输出控制电路63具有负载材质检测单元72的功能，加热输出控制电路63也可以控制功率因数改善电路71的升压动作。

如以上所述，实施方式1中的感应加热装置包括：谐振电路，其具有加热线圈59和谐振电容器60，所述加热线圈的使负载进行磁耦合的圈数实质上被固定，而所述谐振电容器的电容量实质上被固定；作为功率因数改善单元的功率因数改善电路71，其将200V的商用电源升压并将其提供给对谐振电路提供电力的逆变器70，同时改善商用交流的功率因数；以及负载材质检测单元72，检测负载的材质。而且，构成为逆变器70具有全桥电路，作为加热输出控制单元的加热输出控制电路63根据负载材质检测单元72的负载材质检测结果，将开关元件74、75、76、77的驱动频率切换为与谐振电路的谐振频率实质上等倍的频率和实质上1/n倍的频率(n为2以上的整数)，同时功率因数改善电路71可变更输出电压值。此外，谐振电路的谐振频率被固定，以在n为最大的情况下开关元件的驱动频率比听觉频率(约20kHz以下)大。根据这样的结构，可以通过使商用电源的功率因数接近1的功率因数改善电路71和全桥电路切换加热模式，以从高导电率至低导电率，根据负载的材质同时地切换驱动频率和谐振频率之间的关系及逆变器70的输入电压，所以谐振电路为简单的结构，无论负载材质如何，都可以使开关元件损耗更小，可以进一步增大加热输出。

此外，实施方式1中的感应加热装置，在根据负载材质检测单元72的负载材质检测结果而检测为磁性材质的情况下，使开关元件74、75、76、77的驱动频率与谐振电路的谐振频率实质上等倍。此外，在检测为高导电率且非磁性材质的情况下，使开关元件74、75、76、77的驱动频率与所述谐振电路的谐振频率实质上为1/n倍(n为2以上的整数)，并且使功率因数改善电路71的输出电压比检测为所述磁性材质的情况下小。根据这样的结构，在简单的结构下，铝或铜等非磁性且高导电率的材质使加热线圈59的电流的频率比开关元件的驱动频率高，而铁或磁性不锈钢等具有磁性的低导电率的材质使加热线圈59的电流的频率和开关元件的驱动频率一致，从而通过提高谐振电路的谐振能量，无论负载的材质如何，都可以抑制开关元件的损耗，同时获得更大的加热输出。

而且，实施方式1的感应加热装置，根据负载材质检测单元72的负载材质检测结果，在检测为与铝同等的高导电率且非磁性材质的情况下，使n＝3，在检测出与铝比为低导电率且非磁性材质的情况下，使n＝2。根据这样的结构，铝或铜等非磁性且高导电率的材质使加热线圈59的电流的频率为开关元件的驱动频率的约3倍，而在非磁性不锈钢等的其导电率比铝低的非磁性材质的情况下，使加热线圈59的电流的频率为开关元件的驱动频率的约2倍，即使是相同的非磁性材质的负载，与导电率较大的情况相比，在导电率较小的情况下也通过使谐振能量变大、使n变小进行变更而增大最大加热输出，可以在负载为非磁性的情况下抑制开关元件的损耗，同时获得更大的加热输出。

而且，实施方式1的感应加热装置，在检测出与铝比为低导电率且为规定的导电率以上的非磁性材质的情况下，使n＝2，在检测出比规定的导电率小的非磁性材质的情况下，使n＝1。根据这样的结构，在检测为非磁性不锈钢等的其导电率比铝低的非磁性材质且为比较厚的(例如约2mm)材质等规定的导电率以上的负载的情况下，使加热线圈59的电流的频率为开关元件的驱动频率时的2倍，即使是与铝相比为低导电率非磁性的材质的负载，在比规定的导电率小的情况下，与为规定的导电率以上的情况相比，以谐振能量变大而使n＝1，即通过加热线圈59的电流的频率和开关元件的驱动频率为等倍那样变更而增大最大加热输出，在负载的导电率比铝低的非磁性的情况下，例如可以根据负载的板的厚度而改变加热模式，抑制开关元件的损耗，同时获得更大的加热输出。

此外，实施方式1的感应加热装置，通过构成为根据加热输出的设定值而改变功率因数改善电路71的输出电压，以使最大加热输出接近加热输出的设定值，从而没有使谐振电路的谐振电压变得过小而在开关元件上产生短路模式，或者相反地，没有使谐振电路的谐振电压变得过大而增大开关元件的损坏或损耗。

此外，实施方式1的感应加热装置构成为，在n为2以上的情况下，根据加热输出的设定值改变功率因数改善电路71的输出电压，以使最大加热输出为加热输出的设定值以上。根据这样的结构，在n为2以上的情况下，最大加热输出比n＝1时小，加热控制单元设定比最大加热输出大的加热输出时，即使达到设定值也不存在稳定地动作的工作点，不但不能获得目标的加热输出而且还有产生在开关元件上施加过大的负荷的短路模式的危险，但由于将功率因数改善电路71升压的电压增加，以使最大加热输出变为加热输出的设定值以上，所以损坏或损耗没有增大，而且可以获得目标的加热输出。

此外，实施方式1的感应加热装置构成为，根据负载材质检测单元72的负载材质检测结果，若负载的导电率变大，则改变功率因数改善电路71的输出电压，以使最大加热输出接近加热输出的设定值，从而增大由谐振电路的谐振电压决定的最大加热输出，获得足够的加热输出，或者相反地，可以不使谐振电路的谐振电压变得过大，不加大开关元件的负载，不增大损坏或损耗。

此外，实施方式1的感应加热装置，在n为2以上的情况下，根据加热输出的设定值而改变功率因数改善电路71的输出电压，以使最大加热输出变为加热输出的设定值以上，从而加大由谐振电路的谐振电压决定的最大加热输出并可以按加热输出的设定值进行加热，同时可以不使谐振电路的谐振电压变得过大，不加大开关元件的负载，不增大损坏或损耗。

此外，实施方式1的感应加热装置通过构成为根据负载材质检测单元72的负载材质检测结果，停止功率因数改善电路71的升压功能，从而能够成为以下感应加热装置：可以通过停止功率因数改善电路71的升压功能，将商用电源电压提供给逆变器70，所以在加热输出较小等情况下，抑制在开关元件上施加的电压或电流，并用简单的结构获得更高的热效率。

而且，实施方式1的感应加热装置通过构成为负载材质检测单元72至少输入变流器67的检测输出和变流器68的检测输出，并比较加热输出和谐振电路的谐振能量的大小，相对于加热输出检测单元的输出的大小的谐振电流检测单元的输出的大小较大时判断为谐振电路的等效谐振时电阻较小，输出与等效谐振时电阻的大小对应的检测结果，从而可以判别使开关元件驱动频率为谐振频率的1/n(n为2以上的整数)时的最大加热输出的大小，变流器67作为加热输出检测单元产生与加热输出对应的输出，而变流器68作为检测谐振电容器60或加热线圈59的电压或电流的谐振电流检测单元。即，最大加热输出与谐振电路谐振能量的等效谐振时电阻的大小成反比，与谐振电路的谐振的锐度(Q)的大小成正比。因此，可以用简单的结构，高精度地判别从铝或铜等高导电率至具有磁性的材质等低导电率为止的负载材质的谐振电路的最大加热输出的大小。

此外，实施方式1的感应加热装置通过在谐振电路的等效谐振时电阻变大时，增大功率因数改善电路71的输出电压，从而可以在n为相同的情况下，对于低导电率的负载仅增大所需的最大加热输出，使加热效率高。

此外，实施方式1的感应加热装置通过在谐振电路的等效谐振时电阻变大时，使n减小地变更，从而可以在功率因数改善电路71的输出电压为相同的情况下，对于低导电率的负载仅增大所需的最大加热输出，获得所需的加热输出。

此外，实施方式1的感应加热装置通过在谐振电路的等效谐振时电阻变大时，使n减小并且增大功率因数改善电路71的输出电压，从而可以对于低导电率的负载，仅增大所需的最大加热输出，使加热效率高。

此外，实施方式1的感应加热装置在第1开关元件74和第4开关元件77的驱动期间内流过半周期以内的谐振电流，在第2开关元件75和第3开关元件76的驱动期间内流过1周期以上的谐振电流，但即使在第2开关元件75和第3开关元件76的驱动期间内流过半周期以内的谐振电流，在第1开关元件74和第4开关元件77的驱动期间内流过1周期以上的谐振电流，也可获得同样的效果。

而且，实施方式1的感应加热装置，即使负载材质检测单元72成为谐振电容器60的电压检测单元，也可进行开关元件74、75、76、77的电流增大的检测，可以用更简单的结构进行负载材质检测，切换加热模式。即，通过构成为加热输出检测单元检测输入电流、输入功率，或检测由加热线圈59和谐振电容器60组成的谐振电路的电压或电流的至少一个来估计输入电流，能够形成用简单的结构，从铝或铜等高导电率至具有磁性的材质等低导电率为止，无论负载的材质如何，都可以获得更大的加热输出的感应加热装置。

此外，实施方式1的感应加热装置具有可以对应于负载或加热输出，将在逆变器70的开关元件74、75、76、77中流过的电流的大小控制为合适的值，磁性材质情况下的驱动频率变高的特征，所以作为开关元件，通过使用MOS-FET，可以有效地灵活使用其特性，MOS-FET具有导通电压比IGBT高，导通损耗较大，但开关速度较快的特性。例如在磁性材质的情况下，使开关元件的驱动频率与谐振频率实质上等倍，即使在约60～90kHz左右的驱动频率下驱动，也可以将开关元件的损耗抑制到可实用的等级。

工业上的利用性

如上所述，本发明的感应加热装置无论负载的材质如何，都可以进一步增大加热输出，所以在工业感应加热等的用途中也是有用的。

Claims

1.一种感应加热装置，其特征在于，包括:

谐振电路，具有加热线圈和谐振电容器，所述加热线圈的使负载进行磁耦合的圈数实质上被固定，而所述谐振电容器的电容量实质上被固定；

逆变器，具有构成全桥电路的开关元件并对所述谐振电路提供电力；

加热输出控制单元，驱动所述开关元件而控制所述加热线圈的加热输出；

整流单元，对商用交流进行整流；

功率因数改善单元，将来自所述整流单元的整流输出升压，并将输出电压提供给所述逆变器，同时改善商用交流的功率因数；以及

负载材质检测单元，检测所述负载的材质，

所述加热输出控制单元根据所述负载材质检测单元的负载材质检测结果，将所述开关元件的驱动频率切换为与所述谐振电路的谐振频率实质上等倍的频率和实质上l/n倍的频率，其中，n为2以上的整数，

同时所述功率因数改善单元可变更所述输出电压的大小。

2.如权利要求1所述的感应加热装置，其中，

根据所述负载材质检测单元的负载材质检测结果，

在检测出磁性材质的情况下，使所述开关元件的驱动频率与所述谐振电路的谐振频率实质上为等倍，

在检测出高电导率且非磁性材质的情况下，使所述开关元件的驱动频率实质上为所述谐振电路的谐振频率的1/n倍，其中，n为2以上的整数，并且使所述功率因数改善单元的输出电压比检测出所述磁性材质时小。

3.如权利要求2所述的感应加热装置，其中，

根据所述负载材质检测单元的负载材质检测结果，

在检测出与铝同等的高导电率且为非磁性材质的情况下，n＝3，

在检测出导电率比铝低且为非磁性材质的情况下，n＝2。

4.如权利要求3所述的感应加热装置，其中，

取代在检测出导电率比铝低且为非磁性材质的情况下n＝2，

在检测出导电率比铝低且为规定的导电率以上的非磁性材质的情况下，n＝2，

在检测出比所述规定的导电率小的非磁性材质的情况下，n＝1。

5.如权利要求1或权利要求2所述的感应加热装置，其中，

根据所述加热输出的设定值而改变所述功率因数改善单元的输出电压，以使最大加热输出接近所述加热输出的设定值。

6.如权利要求1或权利要求2所述的感应加热装置，其中，

在n为2以上的情况下，根据所述加热输出的设定值而改变所述功率因数改善单元的输出电压，以使最大加热输出达到加热输出的设定值以上。

7.如权利要求1或权利要求2所述的感应加热装置，其中，

根据所述负载材质检测单元的负载材质检测结果，在负载的导电率增大时，改变所述功率因数改善单元的输出电压，以使最大加热输出接近所述加热输出的设定值。

8.如权利要求1或权利要求2所述的感应加热装置，其中，

在n为2以上的情况下，根据所述负载材质检测单元的负载材质检测结果而改变所述功率因数改善单元的输出电压，以使最大加热输出达到所述加热输出的设定值以上。

9.如权利要求1或权利要求2所述的感应加热装置，其中，

根据所述负载材质检测单元的负载材质检测结果，停止所述功率因数改善单元的升压功能。

10.如权利要求1或权利要求2所述的感应加热装置，其中，

所述负载材质检测单元至少比较加热输出检测单元的检测输出和谐振电流检测单元的检测输出，在谐振电流检测单元的输出的大小大于加热输出检测单元的输出的大小时，判断为谐振电路的等效谐振时电阻较小，并输出与所述等效谐振时电阻的大小对应的检测结果，所述加热检测单元的检测输出为产生与加热输出对应的输出，而所述谐振电流检测单元的检测输出为检测谐振电容器或加热线圈的电压或电流的检测输出。

11.如权利要求10所述的感应加热装置，其中，

在所述谐振电路的等效谐振时电阻变大时，将功率因数改善单元的输出电压增大。

12.如权利要求10所述的感应加热装置，其中，

在所述谐振电路的等效谐振时电阻变大时，将n减小地变更。

13.如权利要求11所述的感应加热装置，其中，

在所述谐振电路的等效谐振时电阻变大时，将n减小并且将功率因数改善单元的输出电压增大。

14.如权利要求10所述的感应加热装置，其中，

所述加热输出检测单元检测输入电流、输入电压，或检测谐振电路的电压或电流的至少一个，从而估计所述输入电流。

15.如权利要求1或权利要求2所述的感应加热装置，其中，

所述开关元件至少由MOS-FET构成。