CN1874621A - 感应加热装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供能对不同的材质的被加热物高效地供给所希望的功率的逆变器方式的电磁感应加热装置。本发明的感应加热装置具备包含被加热物的谐振负载电路、将直流电压变换为交流电压以对上述谐振负载电路供给功率的逆变器和生成直流电压的电源电路,该逆变器具有用串联地连接的至少2个半导体开关元件构成的上下支路,具备根据被加热物的材质切换缓冲电容器的电容的缓冲电容器切换单元和根据被加热物的材质切换谐振电容器的电容的谐振电容器切换单元。

Description

感应加热装置
技术领域
本发明涉及对不同的材质的金属制烹调器具能以高效率、低噪声加热的感应加热装置。
背景技术
一般来说,在感应加热装置中使用由2个半导体开关元件构成上下支路的半桥逆变器的方法。但近年来如专利文献1(特开平5-251172号公报(图1、图2和(0014)段落的记载。))中所示那样,为了与所有的材质的金属相对应,使用了能根据材质切换为半桥逆变器和全桥逆变器的电路。
但是,在用同一加热线圈加热非磁性烹调器具和磁性烹调器具的情况下,由于在非磁性烹调器具和磁性烹调器具中流过加热线圈的电流有很大的差别,故半导体开关元件的断路电流的变化很大,开关损耗增大了。此外,在用半桥使之工作的情况下,一方的下支路开关元件成为常时地导通状态,损耗增大了。此外,在开关元件的两端连接缓冲电容器来减少开关损耗的方法中,如果使缓冲电容器电容成为在磁性烹调器具中满足特性的设计,则在非磁性烹调器具中损耗、噪声的特性变差,相反,如果与非磁性烹调器具相一致地设计,则在磁性烹调器具中的损耗、噪声的特性变差。
发明内容
本发明的目的在于提供能对不同的材质的烹调器具高效地供给所希望的功率的逆变器方式的感应加热装置。
本发明的感应加热装置具备包含被加热物的谐振负载电路、将直流电压变换为交流电压以对上述谐振负载电路供给功率的逆变器和生成直流电压的电源电路,该逆变器具有用串联地连接的至少2个半导体开关元件构成的上下支路,具备依照被加热物的材质切换缓冲电容器的电容的缓冲电容器切换单元和依照被加热物的材质切换谐振电容器的电容的谐振电容器切换单元。
按照本发明,可提供能对不同的材质的烹调器具高效地供给所希望的功率的逆变器方式的感应加热装置。
附图说明
图1是实施例1的感应加热装置的电路结构图。
图2是表示实施例1的电磁感应加热装置的加热线圈的圈数与等效电阻的关系的曲线图。
图3是示出实施例1的感应加热装置的铁制被加热物的动作的时序图。
图4是示出实施例1的感应加热装置的铝、铜制被加热物的动作的时序图。
图5是实施例2的感应加热装置的电路结构图。
图6是实施例3的感应加热装置的电路结构图。
图7是直流电压与谐振电流的波形的说明图。
图8是直流电压与谐振电流的波形的说明图。
图9是实施例4的感应加热装置的电路结构图。
图10是实施例4的感应加热装置的动作时序图。
图11是实施例5中使用的SiC器件的耐压与导通电阻的说明图。
图12是实施例5的感应加热装置的正面示意图。
图13是实施例5的感应加热装置的说明图。
具体实施方式
以下,一边使用附图,一边说明本发明的细节。
【实施例1】
图1是本实施例的感应加热装置的电路结构图。在图1中,在电源电路101的正电极一侧的p点与负电极一侧的o点之间连接了串联地连接功率半导体开关元件即IGBT102与IGBT103的上下支路10和串联地连接IGBT114与IGBT115的上下支路20。在IGBT102、IGBT103和IGBT114、IGBT115上分别反向并联连接了二极管104、105和二极管116、117,此外,在各IGBT上分别并联连接了缓冲电容器106、107和缓冲电容器118、119。利用IGBT102、IGBT103、IGBT114、IGBT115的关断时的断路电流对缓冲电容器106、107和缓冲电容器118、119进行充电或放电。由于缓冲电容器106、107和缓冲电容器118、119的电容比IGBT102、IGBT103和IGBT114、IGBT115的集电极与发射极间的输出电容大很多,故减少了在关断时对两IGBT施加的电压的变化,抑制了关断损耗。
在IGBT102、IGBT103的连接点、即上下支路10的输出点d点与电源电路101的负电极一侧的o点之间连接了加热线圈108、第1谐振电容器110和第1开关111。如果将上述加热线圈108与第1谐振电容器110的连接点定为c点、将IGBT114与IGBT115的连接点、即上下支路20的输出端子定为a点,则在a点与c点之间串联地连接了第2谐振电容器113和第2开关112。这样,包含加热线圈108和第1、2谐振电容器的谐振负载电路30成为被夹在上下支路10、20的输出端子间的结构。
在图1中示出的本实施例中,通过依照被加热物的材质选择上下支路10、20来切换谐振电容器的电容量。
在图2中示出加热线圈108的圈数与等效电阻的关系。由于在流过加热线圈108的电流为相同的状态下若增加线圈的圈数则磁通增加,故从加热线圈108一侧看的被加热物的等效电阻增加了。如上所述,根据被加热物的材质的不同,等效电阻的差别很大,材质为铁制的被加热物成为用图2中的(1)的曲线图示出的特性,在非磁性不锈钢制的被加热物中,成为用图2中的(2)的曲线图示出的特性,在铜或铝制的被加热物中,成为在图2中的(3)的曲线图中示出的特性。
因而,在等效电阻低的铜或铝制的被加热物的情况下,必须增大加热线圈108的圈数。在此,在将加热线圈108定为50圈的情况下,在被加热物是在图2中的(3)的曲线图中示出的那样的低电阻的情况下,等效电阻是1Ω,但在被加热物是在图2中的(1)的曲线图中示出的那样的高电阻的情况下,在图2中虽然省略了记载,但等效电阻增加到4Ω。因而,在本实施例中,在图2中的(1)的曲线图中示出的那样的高电阻的被加热物中,作成驱动上下支路10、20的全桥形,另一方面,在图2中的(2)的曲线图中示出的那样的低电阻的被加热物中,由于用全桥形过多地输入功率,故作成只驱动上下支路10或上下支路20的半桥形。
在图1的电路中加热铁制的被加热物的情况下,交替地导通关断上下支路10和上下支路20的IGBT。此时,IGBT102和IGBT115同步地动作或IGBT103和IGBT114同步地动作,开关111成为关断状态、开关112成为导通状态,以全桥形进行动作。
首先,使用图3中示出的时序图,说明加热铁制的被加热物的工作模式。在此,将图1的d点的电位定为Vd,将流过IGBT102和二极管104的电流定为Ic102,将流过IGBT103和二极管105的电流定为Ic103。由于如已说明的那样同步地驱动IGBT114和IGBT115,故在IGBT115和二极管117中也流过与Ic102同样的电流,在IGBT114和二极管116中也同样地流过Ic103。再有,在图3中,将流过加热线圈108的电流定为IL108,将从图1的d点到c点的方向定义为正。
(模式1)
当IGBT102和IGBT115接通、加热线圈108的蓄积能量为零后,谐振电流IL108的极性从负变为正,在从电源电路101至IGBT102、加热线圈108、谐振电容器110、开关111、IGBT115的路径中流过谐振电流IL108
(模式2)
其次,当IGBT102和IGBT115关断后,谐振电流IL108流过缓冲电容器106、加热线圈108、开关112、谐振电容器113、缓冲电容器119、电源电路101的路径、缓冲电容器106、加热线圈108、开关112、谐振电容器113、缓冲电容器118的路径、缓冲电容器107、加热线圈108、开关112、缓冲电容器119的路径和加热线圈108、谐振电容器113、缓冲电容器109的路径。
此时,对IGBT102和IGBT115施加的电压因缓冲电容器106、107、118、119的电容、串联地连接了的谐振电容器110与缓冲电容器109的合成电容(由于谐振电容器110的电容与缓冲电容器109的电容相比小到约为1/3,故大致由谐振电容器110的电容来决定)与IGBT102和IGBT115的断路电流决定的dv/dt的斜率而上升。因而,没有电流与电压的重叠的部分,实现了ZVS(零伏开关)关断。其后,如果对二极管105和二极管116施加正向电压,则谐振电流IL108在加热线圈108、开关112、谐振电容器110、二极管116、电源电路101、二极管105的路径中继续流动。
(模式3)
其次,当IGBT103和IGBT114接通、加热线圈108的蓄积能量为零后,谐振电流IL108的极性从正反转为负,流过IGBT114、谐振电容器113、开关112、加热线圈108、IGBT103、电源电路101的路径。此时,由于IGBT103和IGBT114在电流流过二极管105和二极管116的期间中预先使栅电压导通,故实现了不发生开关损耗的ZCS(零电流开关)、ZVS(零伏开关)接通。
(模式4)
其次,当关断IGBT103和IGBT114后,谐振电流IL108流过电源电路101、缓冲电容器118、谐振电容器113、开关112、加热线圈108、缓冲电容器107的路径、缓冲电容器118、谐振电容器113、开关112、加热线圈108、缓冲电容器106的路径、缓冲电容器119、谐振电容器113、开关112、加热线圈108、缓冲电容器106的路径和加热线圈108、缓冲电容器109、谐振电容器110的路径。
此时,对IGBT103和IGBT114施加的电压因缓冲电容器106、107、118、119的电容、串联地连接了的谐振电容器110与缓冲电容器109的合成电容(由于谐振电容器110的电容与缓冲电容器109的电容相比小到约为1/3,故大致由谐振电容器110的电容来决定)和IGBT103和IGBT114的断路电流决定的dv/dt的斜率而上升。因而,没有电流与电压的重叠的部分,实现了ZVS(零伏开关)关断。其后,如果对二极管104和二极管116施加正向电压,则谐振电流IL108流过加热线圈108、二极管104、电源电路101、二极管117、谐振电容器113、开关112的路径。
通过重复以上那样的动作,以电源电路101为电源,可对加热线圈108和第1谐振电容器113供给高频电流,利用从加热线圈108发生的磁通对被加热物进行感应加热。
其次说明加热铝、铜等的非磁性金属制的被加热物的动作模式。在本动作模式中,交替地导通关断上下支路10的IGBT,上下支路20成为关断状态,开关111成为导通状态,开关112成为关断状态。以下,使用图4的时序图,说明动作模式。
(模式1)
当IGBT102接通、加热线圈108的蓄积能量为零后,谐振电流IL108的极性从负变为正,在从电源电路101至IGBT102、加热线圈108、谐振电容器110、开关111的路径中流过谐振电流IL108
(模式2)
其次,当IGBT102关断后,谐振电流IL108流过缓冲电容器106、加热线圈108、谐振电容器110、开关111、电源电路101的路径、缓冲电容器107、加热线圈108、谐振电容器110、开关111的路径和缓冲电容器109、加热线圈108、谐振电容器110的路径。此时,在IGBT102施加的电压因缓冲电容器106、缓冲电容器107与缓冲电容器109的合成电容和IGBT102的断路电流决定的dv/dt的斜率而上升。该合成电容成为缓冲电容器107与缓冲电容器109的并列连接的值,成为大的电容。在铝、铜等的非磁性体中,由于与铁等的磁性体相比电阻值显著地小,故流过大的断路电流。在本实施例中,由于切换缓冲电容器电容,故电流与电压的重叠的部分小,实现了ZVS关断。其后,当对二极管105施加正向电压后,谐振电流IL108在加热线圈108、谐振电容器110、二极管105的路径中继续流动。
(模式3)
其次,当IGBT103接通、加热线圈108的蓄积能量为零后,谐振电流IL108的极性从正反转为负,在IGBT103、开关111、谐振电容器110、加热线圈108的路径中流动。此时,由于IGBT103在电流流过二极管105的期间中预先使栅电压导通,故成为不发生开关损耗的ZCS、ZVS接通。
(模式4)
其次,当关断IGBT103后,谐振电流IL108在缓冲电容器107、开关111、谐振电容器110、加热线圈108的路径、缓冲电容器109、开关111、谐振电容器110、加热线圈108的路径和缓冲电容器106、电源电路101、开关111、谐振电容器110、加热线圈108的路径中流动。此时,对IGBT103施加的电压因缓冲电容器106、107、109的电容和IGBT103的断路电流决定的dv/dt的斜率而上升。此时的电容成为缓冲电容器107与缓冲电容器109并联连接了的大电容。在铝、铜等的非磁性体中,由于与铁等的磁性体相比电阻值显著地小,故流过大的断路电流。因而,可切换缓冲电容器电容以减小电流与电压的重叠的部分,实现了ZVS关断。其后,当对二极管104施加正向电压后,谐振电流IL108在加热线圈108、谐振电容器110、二极管104的路径中继续流动。
如上所述,在本实施例中,通过与被加热物的材质相一致地切换逆变器的动作,可投入所希望的功率。此外,与被加热物的材质相一致地切换缓冲电容器电容,可实现低损耗、低噪声。进而,由于磁性、非磁性被加热物的切换开关用缓冲电容器切换开关即可,故电路可实现小型化。
【实施例2】
图5是本实施例的感应加热装置的电路结构图。在图5中,对于与图1相同的构成要素附赋予同样的符号。图5在上下支路10和20中分别设置了电源电路101、501这一点上与图1不同。
在电源电路101的正电极一侧的p点与负电极一侧的o点之间连接着功率半导体开关元件即串联地连接IGBT102与IGBT103的上下支路10。另一方面,串联地连接IGBT114与IGBT115的上下支路20上同样地连接着另一电源电路501。在IGBT102、IGBT103和IGBT114、IGBT115上分别反向并联连接了二极管104、105和二极管116、117,此外,在各IGBT上分别并联连接了缓冲电容器106、107和缓冲电容器118、119。利用IGBT102、IGBT103、IGBT114、IGBT115的关断时的断路电流对缓冲电容器106、107和缓冲电容器118、119进行充电或放电。由于缓冲电容器106、107和缓冲电容器118、119的电容比IGBT102、IGBT103和IGBT114、IGBT115的集电极与发射极间的输出电容大很多,故减少了在关断时对两IGBT施加的电压的变化,抑制了关断损耗。在IGBT102、IGBT103的连接点、即作为上下支路10的输出点的d点与o点之间连接着加热线圈108、第1谐振电容器110和第1开关111。如果将上述加热线圈108与第1谐振电容器110的连接点定为c点、将IGBT114与IGBT115的连接点、即上下支路20的输出端子定为a点,则在a点与c点之间串联地连接着第2谐振电容器113和第2开关112。这样,具备加热线圈108和第1、2谐振电容器110、113的谐振负载电路30成为被夹在上下支路10、20的输出端子间的结构。再有,本实施例的电路动作与实施例1是同样的。
在本实施例中,由于构成为如图5中示出的电,故因为可分别对上下支路10和20施加任意的电源电压,故依照被加热物输入所希望的功率变得容易,即使被加热物改变,也可进行精细的功率控制。
【实施例3】
图6是本实施例的电磁感应加热装置的电路结构图。在图6中,对二极管整流电路604施加商用交流电源603并对其进行了全波整流后,用电感器605和电容器606对其进行平滑,将其变换为直流电压。对于电源电路601来说,由于电容器606的电容小,未完全地平滑,故使商用交流电源603的输入电流接近于正弦波,减少了高次波。在本实施例中,如图7中所示,由于直流电压从0变动为商用交流电源603的电压峰值,故在加热铁制的被加热物时,如果驱动上下支路617,则在谐振负载电路618的未图示的加热线圈中流过从0到峰值变动的谐振电流。另一方面,在加热铜或铝制的被加热物时,如果用上述那样的从0为峰值变动的高频电流进行感应加热,则从被加热物发生起因于商用频率的哼哼音。因而,在加热铜或铝制的被加热物的情况下,为了防止该哼哼音,如图8中所示,对直流电压进行平滑以抑制谐振电流的变动。在一般使用的电容器输入型的平滑电路中,由于在输入电流中包含较多的高次波,故是不充分的,必须有满足电压平滑和抑制高次波这两者的电源电路。
在本实施例中,如图6中所示,在电源电路601之后配置了具备电感器608、IGBT609、二极管610和电容器611的升压斩波电路607。升压斩波电路607在IGBT609的导通期间中对电感器608施加商用交流电源电压以蓄积能量,在关断期间中经二极管610对电容器611放出能量。
因而,由于控制IGBT609的导通期间以使商用交流电源603的输入电流成为正弦波,故减少了高次波,同时可利用电容器611对直流电压进行平滑。在此,在加热上述的等效电阻小的铜或铝等低电阻的被加热物的情况下,谋求因图6中未图示的加热线圈的圈数增加或因高频化导致的等效电阻的增加。但是,由于装置形状或可使用的频带区域的制约,故单单通过圈数增加或高频化存在极限。
在用实施例1的图1中示出的那样的加热线圈108和谐振电容器构成的串联谐振电路中,表示谐振的尖锐性的电路的Q随等效电阻而变化,在等效电阻小的情况下Q大,在谐振电路中流过的电流也变大。在本实施例那样流过谐振电路的电流成为正弦波状的电流谐振型的逆变器中,通过从谐振频率提高驱动频率,可限制谐振电流。
但是,如果谐振频率与驱动频率的差大,则由于逆变器的输出电压与谐振电流的相位差变大,上下支路的断路电流变大,故开关损耗增加。因而,希望以接近于谐振频率的频率来驱动逆变器以减小断路电流,最好降低直流电压来限制谐振电流。
在本实施例中,为了减少输入电流的高次波,设置了升压斩波电路607,电容器611的电压下限值比商用交流电源603的电压峰值高。因此,如图6中所示,在升压斩波电路607之后配置了具备电感器615、IGBT613、二极管614和电容器616的降压斩波电路612以降低直流电压来限制谐振电流。此外,在本实施例中,由于能控制降压斩波电路612的IGBT613的导通时间占空比使电容器616的电压变化,故也可利用该电压变化来进行功率控制。
再有,如果将升压斩波电路607的输出电压连接到上下支路619上来代替从图6的电源电路601对上下支路619施加电压,则由于可对上下支路619施加用升压斩波电路607进行了升压的电压,故可施加比电源电路601的电压高的电压,可容易地实现高输出化。
【实施例4】
在图9中示出本实施例的感应加热装置的电路结构图。本实施例也与实施例3同样,具备升压斩波电路607和降压斩波电路612。这样,如果配置升压斩波电路607,则可对电源电压进行升压,可实现高输出化,进而使输入电流波形成为正弦波,可抑制高次波。但是,如果为了抑制高次波而使升压斩波电路连续地动作,则由于在升压斩波电路607中也消耗功率,故在本实施例中通过如图10中示出的动作时序图那样间歇地驱动来兼顾高次波的抑制和在升压斩波电路607中的功率损耗的减少。
使用图10中示出的动作时序图来说明本实施例的动作。对于IGBT609来说,从商用交流电源电压的零交叉点起设置所希望的延迟时间使之进行斩波动作,从商用交流电源603引入电流。由于与负载的大小、即与所希望的输出功率相一致地控制IGBT609的斩波时间和导通期间,故可减少高次波。再有,也可用在实施例3中已说明的图6的电路进行相同的控制。
【实施例5】
使用图11至图13说明本实施例。在本实施例中,将图6和图10的二极管610和二极管614作成了碳化硅器件(以下称为SiC器件)的二极管。图11示出了硅器件(以下称为Si器件)与碳化硅器件(以下称为SiC器件)的耐压与导通电阻的关系。已知一般来说与Si器件相比在SiC器件中可大幅度地改善耐压与导通电阻的折衷关系。在图11中,如果比较Si器件与SiC器件的600V元件,则与Si器件相比,在SiC器件中其导通电阻为Si器件的导通电阻的1/1000,可大幅度地减少。在将Si器件作为二极管或开关器件使用了的感应加热装置中,冷却装置、散热扇是必须的,但通过将这样的SiC器件使用于二极管或开关器件,可大幅度地减少元件损耗,可实现冷却装置、散热扇的小型化或将其省略。
如上所述,在本实施例中,通过将二极管或半导体开关元件(IGBT、结型FET、MOSFET)从Si器件作成SiC器件,可实现大幅度的低损耗,不需要冷却装置、散热扇。由此,在图12和图13中示出的那样的电磁感应加热装置的顶板1201的下部的整个面上可作成配置了烤炉1202的结构。在此,如图12、图13中示出的那样,本实施例的电磁感应加热装置,在其顶板1201中配置了多个加热板1205,在顶板1201的下方配置了具备拉手1204、窗口1203和网1402的拉出式的烤炉1202。
在本实施例中以SiC器件为例进行了说明,但除此以外,如果使用金刚石或氮化镓(GaN)等的宽能带间隙半导体器件,则也是同样的,对于本领域技术人员来说,这是很明白的。
在以上的实施例1至实施例5中,说明了使用IGBT的情况,但本发明的感应加热装置不限定于IGBT,即使用功率MOSFE或其它的绝缘栅半导体装置、双极型晶体管,也是同样的,对于本领域技术人员来说,这一点是很明白的。

Claims (9)

1.一种电磁感应加热装置,具备具有谐振电容器和加热线圈的谐振负载电路以及将直流电源的直流电压变换为交流电压以对上述谐振负载电路供给功率的逆变器,该逆变器具有用串联地连接的至少2个功率半导体开关元件构成的上下支路,其特征在于:
上述逆变器具备多个上下支路、根据被加热物的材质来切换缓冲电容器的电容的缓冲电容器切换单元和根据被加热物的材质来切换谐振电容器的电容的谐振电容器切换单元。
2.如权利要求1中所述的电磁感应加热装置,其特征在于:
上述直流电源具备生成大于等于2个的不同的直流电压的电源电路,与上述被加热物的材质相一致地切换该电源电路的直流电压。
3.如权利要求2中所述的电磁感应加热装置,其特征在于:
上述电源电路切换单元是上述上下支路,至少具备2个上述上下支路,将上述电源电路连接到上述上下支路上,通过根据上述被加热物的材质来选择进行开关的上下支路来切换上述电源电路。
4.如权利要求1中所述的电磁感应加热装置,其特征在于:
上述电磁感应加热装置的上述多个上下支路是第1上下支路和第2上下支路,该第1上下支路和第2上下支路具备功率半导体开关元件、与该功率半导体开关元件反并联连接了的二极管和与该功率半导体开关元件并联连接了的缓冲电容器,
具有加热线圈和第1谐振电容器的第1谐振负载电路连接到上述第1上下支路的输出端子上,
将另外的缓冲电容器并联连接到该第1谐振负载电路上,
具有上述加热线圈和第2谐振电容器的第2谐振负载电路连接在上述第1上下支路的输出端子与第2上下支路的输出端子之间,
具有分离上述第1谐振负载电路与上述第1上下支路的输出端子的第1开关和分离上述第2谐振负载电路与上述第1上下支路的输出端子的第2开关。
5.如权利要求1中所述的电磁感应加热装置,其特征在于:
在上述上下支路中具备的功率半导体开关元件是IGBT。
6.如权利要求1中所述的电磁感应加热装置,其特征在于:
上述直流电源具备:对商用交流电源进行整流的整流电路;具有具备电感器和电容器的平滑电路的第1电源电路;以及从上述第1电源电路的输出生成任意的直流电压的第2电源电路,
该第2电源电路具备半导体开关元件、电感器、电容器和二极管,使该第2电源电路的开关元件的导通时间占空比变化来生成任意的直流电压。
7.如权利要求1中所述的电磁感应加热装置,其特征在于:
上述直流电源具备:对商用交流电源进行整流的整流电路;具有半导体开关元件、电感器、电容器和二极管的第1电源电路;以及从上述第1电源电路的输出生成任意的直流电压的第2电源电路,
该第2电源电路具备半导体开关元件、电感器、电容器和二极管,
上述第1电源电路是升压电路,上述第2电源电路是降压电路。
8.如权利要求1中所述的电磁感应加热装置,其特征在于:
上述二极管和上述开关元件是宽能带间隙半导体器件。
9.如权利要求7中所述的电磁感应加热装置,其特征在于:
上述电磁感应加热装置具有:具备上述加热线圈的加热板;安装了该加热板的顶板;以及在该顶板的下部配置了的烤炉。
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