CN103079299A - 电磁感应加热装置 - Google Patents

Abstract

本发明的课题是提供一种电磁感应加热装置，其能够抑制从加热线圈发生的磁场的变动，防止从被加热物发生的蜂鸣音。一种电磁感应加热装置，具有：对来自直流电源的直流电压进行升压或者降压的斩波电路；和把来自斩波电路的直流电压变换为交流电压的逆变器，斩波电路在直流电源的正电极和负电极之间具有第一开关元件、电感器和第二开关元件的串联电路，电压共振型逆变器具有加热线圈和第二开关元件的串联电路和与加热线圈并列设置的共振电容器，与加热线圈和第二开关元件的串联电路并联设置滤波电路，用于滤波从斩波电路输出的直流电压，在斩波电路和逆变器中兼用的第二开关元件被用作斩波电路的升压用的开关元件。

Description

电磁感应加热装置

技术领域

本发明涉及感应加热烹调器等逆变方式的电磁感应加热装置。

背景技术

电磁感应加热装置，在加热线圈中流过高频电流，使在接近线圈配置的金属制的被加热物中发生涡流，通过被加热物自身的电阻发热。因为能够控制被加热物的温度，安全性高，所以作为新的热源被认知。

作为电磁感应加热装置的现有例，有在日本特许第4186946号公报中公开的感应加热装置。该装置由把交流电源变换为直流的整流电路、加热线圈、和逆变电路构成，该逆变电路具有与加热线圈串联连接的开关元件和与加热线圈或者开关元件并联连接的共振电容器，把通过整流电路变换的直流变换为高频电流后流过加热线圈，使在加热线圈附近设置的负荷感应加热。

专利文献1：日本特许第4186946号公报

在专利文献1中公开的现有技术中，因为逆变电路把通过整流电路变换的非平滑的直流电压变换为高频电流，所以在加热线圈中流过脉动电流。因此，因为从加热线圈发生的磁场也脉动，所以存在根据被加热物的材质发生蜂鸣音的问题。因此，为了防止该问题，需要滤波在逆变电路上施加的直流电压，抑制加热线圈电流的变动。因为在一般使用的电容器输入型的滤波电路中在输入电流中包含很对高次谐波，所以需要满足对电压进行滤波和抑制高次谐波双方的电源电路。

另外，在具有多个加热线圈的装置中，在分别加热不同的被加热物的情况下，当控制逆变器的驱动频率进行电力控制时，还存在发生由于逆变器之间的差频引起的干扰音的问题。

发明内容

本发明提供一种电磁感应加热装置，其能够抑制从加热线圈产生的磁场的变动，防止从被加热物发生的蜂鸣音，而且即使在同时驱动多个逆变器的情况下也能够防止干扰音的发生。

上述课题通过一种电磁感应加热装置来解决，该电磁感应加热装置具有：直流电源；对来自该直流电源的直流电压进行升压或者降压的斩波电路；和把来自该斩波电路的直流电压变换为交流电压的逆变器，上述斩波电路在上述直流电源的正电极和负电极之间具有第一开关元件、电感器和第二开关元件的串联电路，上述电压共振型逆变器具有加热线圈和上述第二开关元件的串联电路、以及与上述加热线圈并联设置的共振电容器，与上述加热线圈和上述第二开关元件的串联电路并联地设置滤波电路，用于对从上述斩波电路输出的直流电压进行滤波，把在上述斩波电路和上述逆变器中兼用的上述第二开关元件用作上述斩波电路的升压用的开关元件。

另外，上述课题通过一种电磁感应加热装置来解决，其具有：直流电源；对来自该直流电源的直流电压进行升压或者降压的斩波电路；和把来自该斩波电路的直流电压变换为交流电压的逆变器，上述斩波电路在上述直流电源的正电极和负电极之间具有第一开关元件、电感器和第二开关元件的串联电路，上述电压共振型逆变器具有加热线圈和上述第二开关元件的串联电路、以及与上述加热线圈并联设置的共振电容器和第三开关元件，与上述加热线圈和上述第二开关元件的串联电路并联设置滤波电路，用于对从上述斩波电路输出的直流电压进行滤波，在上述斩波电路和上述逆变器中兼用的上述第二开关元件用作上述斩波电路的升压用的开关元件。

根据本发明，尽管部件数少，但是仍然能够抑制加热线圈的电流脉动，即使在同时驱动多个逆变器的情况下也能够防止干扰音的发生，而且能够抑制开关元件的耐压，向负荷高效率地供给希望的电力。

附图说明

图1是实施例1的电磁感应加热装置的电路结构图。

图2是实施例1的电磁感应加热装置的动作说明图。

图3是实施例2的电磁感应加热装置的电路结构图。

图4是实施例2的电磁感应加热装置的动作说明图。

图5是实施例2的电磁感应加热装置的动作波形。

图6是实施例2的电磁感应加热装置的动作波形。

图7是实施例2的电磁感应加热装置的动作波形。

图8是实施例2的电磁感应加热装置的动作波形。

图9是实施例2的电磁感应加热装置的电路结构图。

图10是实施例2的商用频率一周期中的电流值、电压值。

图11是实施例3的电磁感应加热装置的电路结构图。

符号说明

1    直流电源

2    二极管整流电路

3a～3c    开关元件

4a～4c、42、43    二极管

8、41    电感器

9    电容器

11    加热线圈

13    共振电容器

14    缓冲电容器

44    滤波电容器

60    共振负荷电路

61    驱动电路

70    控制电路

71、73、75    电流传感器

72    线圈电流检测电路

74    AC电流检测电路

76    输入电流检测电路

78    INV电压检测电路

AC    商用交流电源

具体实施方式

下面参照附图说明本发明的希望的实施例。

（实施例1）

图1是实施例1的电磁感应加热装置的电路结构图，未图示的被加热物（例如烹调锅）与加热线圈磁耦合向被加热物（烹调锅）供给电力。在图1中，在直流电源1的正电极和负电极之间，串联连接了功率半导体开关元件3a、电感器41、开关元件3b。另外，在电感器41的两端，串联连接了共振负荷电路60、滤波电容器44、二极管43。共振负荷电路60通过并联连接的加热线圈11和共振电容器13构成。在开关元件3a、3b上分别反向并联连接了二极管4a、4b。

在图1中，开关元件3a、3b、电感器41、二极管43构成斩波电路10，通过对开关元件3a、3b进行接通关断控制，能够控制滤波电容器44的直流电压。在滤波电容器44的正电极和负电极之间，串联连接共振负荷电路60和开关元件3b，构成电压共振型逆变器20。开关元件3b被用作电压共振型逆变器20的开关元件，并且还被用作把电感器41作为斩波器用电感器的斩波电路10的升压斩波器用或升降压斩波器用开关元件。开关元件3a作为把电感器41作为斩波器用电感器的斩波电路10的降压斩波器用开关元件进行动作，二极管43作为环流二极管动作。

下面说明本实施例的动作。图2表示本实施例的各部的动作波形。图2（a）表示低电力输出时的动作波形，图2（b）表示高电力输出时的动作波形，固定开关元件3a、3b的驱动频率以及开关元件3b的接通时间占空比，通过控制开关元件3a的接通时间占空比，能够控制输出电力。

在各图中，vg（3a）表示开关元件3a的栅极信号，vg（3b）表示开关元件3b的栅极信号，i（3a）表示开关元件3a的电流，i（3b）表示开关元件3b的电流，i（4b）表示二极管4b的电流，i（41）表示电感器41的电流，i（11）表示加热线圈11的电流，i（13）表示共振电容器13的电流，vc（3b）表示在开关元件3b上施加的电压，v（44）表示滤波电容器44的电压。

在图2（a）中，在开关元件3a接通（vg（3a）：高）的期间，斩波电路10把直流电源1作为电压源在电感器41中积蓄能量。接着，当开关元件3a关断（vg（3a）：低），把电感器41从直流电源1断开时，开关元件3b尚处于接通状态（vg（3b）：高），所以电感器41通过开关元件3b、二极管43的路径成为短路状态，电感器41的电流i（41）几乎维持不变。另一方面，电压共振型逆变器20，在滤波电容器44、加热线圈11、开关元件3b的路径中流过电流，在开关元件3b中流过电感器41和加热线圈11的合成电流i（3b）。接着，当开关元件3b关断（vg（3b）：低）时，在电感器41内积蓄的能量通过共振电容器13被提供给滤波电容器44。另一方面，在加热线圈11中积蓄的能量被提供给共振电容器13。当加热线圈11的能量成为零时，从电感器41向加热线圈11供给电流，当加热线圈11的电流达到电感器41的电流值时共振电容器13开始放电。当开关元件3b的电压vc（3b）逐渐减小，二极管4b成为导通状态时，加热线圈11的电流i（11）在滤波电容器44、二极管4b的路径中环流。加热线圈11的电流i（11）减小，在降低到电感器41的电流值i（41）的期间二极管4b成为导通状态。如果在二极管4b为导通状态的期间接通开关元件3b，则开关元件3b成为零电流开关动作，不发生开关损失。

图2（b），因为开关元件3a的接通期间比开关元件3b的接通期间长，所以在直到开关元件3b关断的期间，斩波电路10把直流电源1作为电压源在电感器41中积蓄能量。当开关元件3b关断时，在电感器41中积蓄的能量通过共振电容器13被提供给滤波电容器44。另一方面，把加热线圈11中积蓄的能量提供给共振电容器13。当加热线圈11的能量成为零时，从电感器41向加热线圈11供给电流，当加热线圈11的电流i（11）达到电感器41的电流值i（41）时共振电容器13开始放电。当开关元件3a关断，把电感器41从直流电源1断开时，电感器41的积蓄能量通过二极管43被提供给滤波电容器44。当开关元件3b的电压逐渐减小二极管4b成为导通状态时，加热线圈11的电流i（11）在滤波电容器44、二极管4b的路径中环流。加热线圈11的电流减小，在降低到电感器41的电流值的期间二极管4b成为导通状态。和图2a的情况相同，如果在二极管4b为接通状态的期间接通开关元件3b则开关元件3b成为零电流开关动作，不发生开关损失。

图2（b）相对于图2（a），因为开关元件3a的接通时间长，所以在电感器41中积蓄的能量也多，滤波电容器44的电压v（44）图2（b）比图2（a）高。由此，因为在逆变器20上施加的电源电压升高，所以加热线圈11的电流i（11）也增加，电力增加。

本实施例因为能够在固定了驱动频率的状态下进行电力控制，所以即使在具有多个加热线圈的装置中，也能够使驱动频率相同。由此，能够一并防止由差频引起的干扰音。

以上说明的本实施例的电磁感应加热装置，以在一般家庭或者营业用途中使用的感应加热烹调器为首，用作产生热水、低温·高温的水蒸气产生装置、金属的熔化、复印机色粉的定影用热转印鼓等多种热源的电源。

（实施例2）

图3是实施例2的电磁感应加热装置的电路结构图。对于和实施例1的图1、图2的相同部分附以相同的符号，省略说明。

在图3中，与图1的不同点在于，在共振电容器13和开关元件3b之间连接开关元件3c、在开关元件3c上反向并联连接了二极管4c以及与开关元件3b并联连接了缓冲电容器14。此外，缓冲电容器14的容量比共振电容器13的容量小。

下面说明本实施例的动作。图4表示本实施例的各部的动作波形。图4（a）表示低电力输出时的动作波形，图4（b）表示高电力输出时的动作波形。在图4中，向图2追加的波形是开关元件3c的栅极信号vg（3c）、开关元件3c的电流i（3c）、二极管4c的电流i（4c）、在开关元件3c上施加的电压vc（3c）。在本实施例中，固定开关元件3a、3b、3c的驱动频率以及开关元件3b、3c的接通时间占空比，通过控制开关元件3a的接通时间占空比能够控制电力。

在图4（a）中，在开关元件3a导通的期间，斩波电路10把直流电源1作为电压源在电感器41中积蓄能量。接着，当开关元件3a关断，把电感器41从直流电源1断开时，开关元件3b尚处于接通状态，所以电感器41通过开关元件3b、二极管43的路径成为短路状态，电感器41的电流几乎维持不变。另一方面，逆变器20，在滤波电容器44、加热线圈11、开关元件3b的路径中流过电流，在开关元件3b中流过电感器41和加热线圈11的合成电流。接着，当开关元件3b关断时，电感器41和加热线圈11的电流在给缓冲电容器14充电后，通过二极管14c流过共振电容器13。因此，电感器41的能量通过共振电容器13被提供给滤波电容器44。如果在二极管4c成为导通状态的期间接通开关元件3c，则开关元件3c成为零电流开关动作，不发生开关损失。

当加热线圈11的能量成为零时，从电感器41向加热线圈11供给电流，因为当加热线圈11的电流达到电感器41的电流值时开关元件3c处于导通状态，所以共振电容器13开始放电。接着当开关元件3c关断时，加热线圈11的电流向缓冲电容器14放电。当开关元件3b的电压逐渐减小二极管4b成为接通状态时，加热线圈11的电流在滤波电容器44、二极管4b的路径中环流。加热线圈11的电流减小，在降低到电感器41的电流值的期间二极管4b成为导通状态。如果在二极管4b为导通状态的期间接通开关元件3b，则开关元件3b成为零电流开关动作，不发生开关损失。

图4（b），因为开关元件3a的接通期间比开关元件3b的导通期间长，所以在直到开关元件3b关断的期间，斩波电路10把直流电源1作为电压源在电感器41中积蓄能量。当开关元件3b关断时，电感器41和加热线圈11的电流在对缓冲电容器14充电后，通过二极管4c流入共振电容器13。因此，电感器41的能量通过共振电容器13供给滤波电容器44。如果在二极管4c为导通状态的期间接通开关元件3c，则开关元件3c成为零电流开关动作，不发生开关损失。

当加热线圈11的能量成为零时，从电感器41向加热线圈供给电流，当加热线圈11的电流达到电感器41的电流值时，因为开关元件3c处于导通状态，所以共振电容器13开始放电。当开关元件3a关断，把电感器41从直流电源1断开时，电感器41的积蓄能量通过二极管43被提供给滤波电容器44。接着当开关元件3c关断时，加热线圈11的电流在缓冲电容器14放电。当开关元件3b的电压逐渐减小二极管4b成为导通状态时，加热线圈11的电流在滤波电容器44、二极管4b的路径中环流。加热线圈11的电流减小，在降低到电感器41的电流值的期间二极管4b成为接通状态。如果在二极管4b为导通状态的期间接通开关元件3b则成为零电流开关动作，不发生开关损失。

图4（b）相对于图4（a），因为开关元件3a的接通时间长，所以和图2同样，在电感器41中积蓄的能量也多，滤波电容器44的电压v（44）如图所示比图4（a）高。由此，因为在逆变器20上施加的电源电压升高，所以加热线圈11的电流i（11）也增加，电力增加。

和实施例1相比，本实施例因为在开关元件3b上施加的电压被钳位，所以能够抑制开关元件3b的耐压。图5表示开关元件3a的接通时间占空比和滤波电压的关系，图6表示滤波电压和输入电力的关系。滤波电压，如图5所示，与开关元件3a的接通时间占空比成比例增加，输入电力如图6所示，与滤波电压的平方成比例增加。

另外，图7表示输入电力和在开关元件3b上施加的电压的关系，图8表示输入电力和共振电容器电压的关系。实线表示本实施例的特性，虚线表示除去斩波电路10的情况下的特性。

根据图7，因为逆变器以电压共振型为基本结构，所以和输入电力的增加一起，开关元件3b的施加电压也增加，但是在本实施例中施加电压的上升被抑制。其原因在于，在本实施例中作为输入电力的控制方法，不使开关元件3b、3c的接通时间变化，主要控制开关元件3a的接通时间，如图8的实线所示，抑制了与电力增加相伴的共振电容器的电压上升。

这样，因为通过控制开关元件3a的占空比控制滤波电压，抑制在开关元件上施加的电压上升，所以即使在电压共振型逆变器中也能够减低元件耐压利用低接通电阻的元件。

图9是实施例2中把商用交流电源作为输入的电路结构图。如图9所示，把商用交流电源AC与二极管整流电路2的交流输入端子连接，在二极管整流电路2的直流输出端子上，连接由电感器8和电容器9构成的滤波器。在电容器9的两端输出包含由商用频率引起的脉动的直流电压，作为直流电源1来发挥作用。在电容器9的后级连接图3的电路，但是因为通过二极管整流电路2整流后的电压从0V变动到最大电压值，所以经由二极管42连接，以便不会从逆变器侧向电容器9侧逆流电流。此外，如果把开关元件3a置换为具有逆耐压的逆截止型开关元件，则也可以去除二极管42。

接着说明为控制本实施例中的各开关元件必要的电压电流检测位置。

为检测从商用交流电源AC输入的电力或者为了检测被加热物的材质，需要检测从商用交流电源AC流出的AC电流。在本实施例中，通过电流传感器73把从商用交流电源AC流出的AC电流变换为电压后，通过AC电流检测电路74进行检测。

另外，为了与商用交流电源AC的电压对应地进行AC电流的波形生成，从而改善功率因数，需要成为电流波形的基准的信号。一般检测二极管桥的输出电压，即整流后的直流电压。在本实施例中，通过输入电压检测电路77检测二极管整流电路2的直流输出端子间的电压。为削减部件，不检测输入电压在控制电路内部求出基准波形，也能够进行AC电流的波形生成。此时，能够去除输入电压检测电路77。

为进行AC电流的波形生成，能够通过控制流过斩波电路的电流波形来实现。在本实施例中，在通过电流传感器75把流过开关元件3a的电流变换为电压后，通过输入电流检测电路76检测。

为了检测输入电力的控制或被加热物的材质、状态，需要检测流过加热线圈的电流。在本实施例中，通过电流传感器71把流过加热线圈11的电流变换为电压后，通过线圈电流检测电路72检测。

另外，为控制负荷的输出电力，需要检测滤波电压即逆变器的电源电压进行反馈控制。在本实施例中，通过INV电压检测电路78检测滤波电容器44的两端的电压。控制电路70，根据上述各检测电路的检出值和来自输入电力设定部80的电力指令值，生成各开关元件的驱动信号。

开关元件3a到3c，根据从控制电路70给予的控制信号由驱动电路61驱动。

图10表示商用频率的一周期中的商用交流电源AC的电压v（ac）、来自商用交流电源AC的输入电流i（ac）、加热线圈的电流i（11）、滤波电容器44的电压v（44）。通过控制开关元件3a、3b，能够一边滤波滤波电容器44的电压，一边控制振幅抑制加热线圈11的电流脉动。另外，通过控制电感器41的电流，扩大输入电流i（ac）的接通期间，也能够抑制高次谐波。

（实施例3）

图11是实施例3的电磁感应加热装置的电路结构图。和图3相同的部分附以相同的符号，省略说明。

在图11中，和图3不同的点在于，把开关元件3c兼用作升压斩波器或者升降压斩波器用开关元件。在开关元件3c中流过电感器41和加热线圈11的合成电流，和上述同样进行斩波动作和逆变动作。

作为控制方法，和上述实施例2同样，通过固定开关元件3a、3b、3c的驱动频率以及开关元件3b、3c的接通时间占空比，控制开关元件3a的接通时间占空比，能够控制电力。

Claims (7)

1.一种电磁感应加热装置，具有：

直流电源；

对来自该直流电源的直流电压进行升压或者降压的斩波电路；和

把来自该斩波电路的直流电压变换为交流电压的电压共振型逆变器，

上述电磁感应加热装置的特征在于，

上述斩波电路在上述直流电源的正电极和负电极之间具有第一开关元件、电感器和第二开关元件的串联电路，

上述电压共振型逆变器具有加热线圈和上述第二开关元件的串联电路、以及与上述加热线圈并联设置的共振电容器，

与上述加热线圈和上述第二开关元件的串联电路并联地设置滤波电路，用于对从上述斩波电路输出的直流电压进行滤波，

把在上述斩波电路和上述逆变器中兼用的上述第二开关元件用作上述斩波电路的升压用的开关元件。

2.一种电磁感应加热装置，具有：

直流电源；

对来自该直流电源的直流电压进行升压或者降压的斩波电路；和

把来自该斩波电路的直流电压变换为交流电压的电压共振型逆变器，

上述电磁感应加热装置的特征在于，

上述斩波电路在上述直流电源的正电极和负电极之间具有第一开关元件、电感器和第二开关元件的串联电路，

上述电压共振型逆变器具有加热线圈和上述第二开关元件的串联电路、以及与上述加热线圈并联设置的共振电容器和第三开关元件，

与上述加热线圈和上述第二开关元件的串联电路并联设置滤波电路，用于对从上述斩波电路输出的直流电压进行滤波，

在上述斩波电路和上述逆变器中兼用的上述第二开关元件用作上述斩波电路的升压用的开关元件。

3.根据权利要求2所述的电磁感应加热装置，其特征在于，

在上述斩波电路和上述逆变器中兼用的上述第三开关元件用作上述斩波电路的升压用的开关元件。

4.根据权利要求1或权利要求2所述的电磁感应加热装置，其特征在于，

上述斩波电路在上述直流电源的正电极和负电极之间具有上述第一开关元件和环流二极管的串联电路，

上述第一开关元件用作上述斩波电路的降压用的开关元件。

5.根据权利要求1或权利要求2所述的电磁感应加热装置，其特征在于，

上述直流电源具有把商用交流电源的交流电压变换为直流电压的整流电路和与该整流电路并联设置的由二极管和电容器构成的滤波器。

6.根据权利要求1或权利要求2所述的电磁感应加热装置，其特征在于，

上述斩波电路在上述直流电源的正电极和负电极之间具有上述第一开关元件和环流二极管的串联电路，

上述第一开关元件用作上述斩波电路的降压用的开关元件。

上述直流电源具有把商用交流电源的交流电压变换为直流电压的整流电路和与该整流电路并联设置的由二极管和电容器构成的滤波器，

使上述第一开关元件为逆截止型开关元件。

7.根据权利要求1至6的任意一项所述的电磁感应加热装置，其特征在于，

通过固定上述第二开关元件的占空比，使上述第一开关元件的占空比可变，来控制上述斩波电路的输出电压。

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