CN1937863A - 感应加热烹调器 - Google Patents

Abstract

不使逆变器电路中产生过电流等，来进行适当的负载判断。本发明的感应加热烹调器具有电源单元；逆变器电路；电源单元的输入电流检测单元；逆变器电流检测单元；根据所述输入电流检测单元和逆变器电流检测单元的输入，检测负载状态的负载状态检测单元；检测所述电源单元的输入电压的电压检测单元；以及至少控制所述电源单元的输出电压和所述逆变器电路的控制单元，逆变器电路为可以切换为半桥结构或全桥结构的结构，控制单元根据负载状态检测单元的输出、和输入到被加热金属体的设定功率，进行切换为半桥结构或全桥结构的动作，在通电开始时将逆变器电路切换为半桥结构。

Description

感应加热烹调器

技术领域

本发明涉及对作为感应加热烹调器的被加热金属体的金属锅(负载)进行加热用的功率控制方法。

背景技术

感应加热烹调器，使配置在流过高频率电流的加热线圈附近的、作为被加热金属体的金属锅(负载)中产生涡电流，通过其焦耳热，金属锅(负载)本身发热，由此可以高效率地对金属锅(负载)进行加热，近年来，相对于基于炉子或电热加热器的加热烹调器具，由于安全性和温度控制性的优点，不断取代它们。

在这样的感应加热烹调器中，用于使高频率电流在加热线圈内流动的功率控制电路，称为所谓的谐振型逆变器，一般是将含有被加热金属体的加热线圈的电感和谐振电容器相连，以20～40kHz左右的驱动频率对功率控制电路的开关元件进行导通(ON)断开(OFF)控制的结构。另外，谐振型逆变器中有电压谐振型和电流谐振型，多数情况下，前者应用于100V电源，后者应用于200V电源。

最初，只能够加热铁等磁性材料的被加热金属体，但近年来，也可以加热以非磁性不锈钢等制成的被加热金属体。还提出了可以对以往不能加热的铝制的非磁性被加热金属体进行加热的方案。

在使用了这种谐振型逆变器的感应加热烹调器中，在对被加热金属体进行加热的情况下，判断出由被加热金属体和加热线圈所决定的电感(等价电感L)和有助于加热的电阻分量(等价电阻R)对易发热性造成影响。即表现出，在被加热金属体为磁性的金属(铁或磁性不锈钢等)的情况下，易于输入功率；在为非磁性的金属(非磁性不锈钢或铝、铜等)的情况下，难以输入功率。这是由于，后者等价电阻R的值小，在被加热金属体中感生的涡电流难以产生焦耳热。

因此，使加热线圈的匝数固定(单一的加热线圈)，在非磁性的被加热金属体中可以输入功率，但在磁性的被加热体中难于输入功率，针对这一问题，提出了如下方案，即，在检测出非磁性的被加热金属体的情况下，使逆变器电路结构成为半桥(half bridge)结构，在检测出磁性的被加热金属体的情况下，将其切换为全桥(full bridge)结构(例如，参照专利文献1)。

【专利文献1】特开平5-251172号公报

发明内容

但是，在上述的现有技术中，固定加热线圈的匝数(单一的加热线圈)，当根据被加热金属体是磁性或非磁性，来将逆变器电路结构切换为全桥电路结构或半桥电路结构时，在是特性存在于其中间区域的被加热金属体的情况下，存在如下问题，即，被切换为不合适的逆变器电路并被通电，加热效率恶化并且对逆变器电路造成损坏。

另外，即便使用单一的加热线圈，切换逆变器电路结构，在逆变器电路的负载的阻抗较大的情况下，存在如下情况，即，电流难以流过作为负载的加热线圈，受到与逆变器电路的开关元件相连的缓冲电容器的影响，开关元件的损耗增大，在对负载输入低功率的情况下，影响增大。即，负载的阻抗较大的情况下，在低功率区域的控制中存在如下问题，缓冲电容器上残留的电荷的充放电电流流经开关元件的比率增大，由于过大的电流流过开关元件，开关元件的损耗增大，由于温度上升，开关元件的可靠性恶化，开关元件的冷却相关的费用增大，成为成本上升的主要原因。

另外，由于缓冲电容器的充放电电流，作为无助于被加热金属体的加热的功率而被消耗掉，因此加热效率下降。

另外，使逆变器电路的结构成为半桥结构还是成为全桥结构的判断，使用者必须在开始通电时进行，但关于该方法不进行描述，当用不合适的电路结构进行用于判断负载的通电时，有如下问题，即，产生异常的大电流或电压，在构成逆变器电路的元件上施加过负荷，成为故障的原因。

本发明是为了解决上述问题中的至少一个而作出的发明。

为解决上述问题而作出本发明，其具有：输出直流电压的电源单元；经由所述电源单元，高频率电流流至由谐振电容器和加热线圈构成的串联谐振电路，使配置在所述加热线圈附近的被加热金属体中产生涡电流，进行加热的逆变器电路；检测所述电源单元的输入电流的输入电流检测单元；检测所述串联谐振电路中流动的电流的逆变器电流检测单元；根据所述输入电流检测单元以及逆变器电流检测单元的输入，检测负载的状态的负载状态检测单元；检测所述电源单元的输入电压的电压检测单元；和控制至少所述电源单元的输出电压以及所述逆变器电路的控制单元，所述逆变器电路成为对所述串联谐振电路可以切换为半桥结构或全桥结构的结构，所述控制单元，根据所述负载状态检测单元的输出、和输入到被加热金属体的设定功率，进行将所述逆变器电路切换为半桥结构或全桥结构的动作，在通电开始时，将所述逆变器电路切换为半桥结构。

本发明的感应加热烹调器，通过如上述那样构成，在通电开始时，以半桥结构的逆变器电路进行负载状态判断用的通电，与全桥结构的逆变器电路的情况相比，在对阻抗不明的负载、特别是低阻抗的负载通电等情况下产生的过电流或过电压可以大幅度降低。

另外，由于可以进行适当的负载判断，因此，可以将对构成逆变器电路的元件给予的压力控制得很小。

另外，通过在通电开始时进行适当的负载判断，可以抑制过电流的产生所导致的发出噪音，因此，可以消除产品本身的误动作或误检测，并且可以减少对收音机或电视机等的妨碍。

附图说明

图1是表示本发明的一实施例的主要部分电路框图。

图2是说明本发明的一实施例的负载状态检测单元的动作的图。

图3是本发明的一实施例的半桥结构的动作说明图。

图4是本发明的一实施例的全桥结构的动作说明图。

图5是说明本发明的一实施例的负载判断动作的流程图。

符号说明

3电源单元、4加热线圈、5、7谐振电容器、10输入电流检测单元、11电压检测单元、13逆变器电流检测单元、14负载状态检测单元、50逆变器电路、51串联谐振电路、300控制单元

具体实施方式

以下，根据附图说明本发明的一实施例。图1是说明本发明的一实施例的电路框图。在图中，用整流单元2将交流电源1直流化，通过电源单元3输出可以对交流电源的有效电压设定高低的、大体稳定化直流电源电压。

逆变器电路50，对于由加热线圈4和谐振电容器5或谐振电容器7构成的串联谐振电路51，以高频率仅驱动开关部100、或者驱动开关部100以及开关部200两者的开关元件，由此，高频率电流流过加热线圈4，使位于加热线圈4附近的作为被加热金属体的金属锅(负载)中产生涡电流，通过由此产生的焦耳热，使被加热金属体本身发热。

开关部100中，与开关元件101、102的串联体反并联地分别连接有阻尼二极管103、104。另外，根据需要，将缓冲电容器105、106分别与各开关元件101、102相连。将开关元件101、102的串联体的中心，与作为负载的串联谐振电路51(加热线圈4和谐振电容器5或谐振电容器7的串联体)的一端相连。开关部200也是和开关部100相同的结构。

逆变器电路50的电路结构，为了采用半桥结构(包含SEPP电路结构)以及全桥结构二者的结构，用切换继电器6和切换继电器8来切换作为负载的串联谐振电路51的连接目的地。

具体地，通过连接切换继电器6、切断切换继电器8，将作为负载的串联谐振电路51连接在开关部100的中点和电源单元3的基准电位侧，成为半桥结构(或SEPP)型的逆变器电路结构。若将切换继电器6即连接在电源单元3的高电压侧，也连接谐振电容器5，则构成半桥结构。在SEPP以及半桥结构中，基本的动作相同，因此以下说明SEPP的电路结构。

通过交替地、单独地驱动开关元件101及102，具有开关元件101、102的驱动频率的振动频率的高频率电流流经作为负载的串联谐振电路51。

为了构成全桥结构，切断切换继电器6，连接切换继电器8，将作为负载的串联谐振电路51与开关部200的开关元件201、202的串联体的中点相连。并且，通过交替地、单独地驱动开关元件101和202、以及102和201的组合，具有驱动频率的频率的高频率电流流经作为负载的串联谐振电路51。

控制单元300，根据使用者操作的操作部18的设定，设定输入到被加热金属体的目标功率，据此进行逆变器电路50的电路结构的设定，进行开关元件101、102、201、202的驱动频率的设定，进行电源单元3的直流电源电压输出的设定等。另外，给开关元件101、102、201、202的驱动信号，通过门驱动单元15转换为适当的信号电平。另外，具有使开关元件101、102以及开关元件201、202不发生断路动作的防止单元。另外，具有通过继电器驱动单元16将切换继电器6、8的驱动信号转换为适当的信号电平并且使切换继电器6、8不同时被驱动的防止单元。

控制单元300，为了检测逆变器电路50的动作，具有：通过电流检测元件9对流至交流电源1侧的电源单元3的输入电流进行检测，将该测得的电流转换为电压的输入电流检测单元10；检测交流电源1的电压的电压检测单元11；逆变器电流检测单元13，其将电流检测元件12所测得的电流转换为电压，所述电流检测元件12对流经作为逆变器电路50的负载的串联谐振电路51的电流(逆变器电流)进行检测。

负载状态检测单元14，根据输入电流检测单元10和逆变器电流检测单元13的输入，推断被加热金属体的材质或形状等，具体地，根据上述输入电流检测单元10和逆变器电流检测单元13的二者的输入，判断逆变器电路50的负载的状态是高阻抗还是低阻抗，或者，判断逆变器电路50的负载的谐振频率的高低状态。在多个阶段判断其结果，输出至控制单元300。

相位差检测单元17，检测逆变器电流相对于开关元件101、102、201、202的驱动定时(timing)的相位差。为了使逆变器电流相对于开关元件101、102、201、202的驱动定时不成为超前相位而进行该检测，输入逆变器电流检测单元13的输出、和控制单元300输出给开关元件101、102、201、202的驱动信号，在规定的相位差以下的情况下，产生检测信号，输出至控制单元300。

逆变器电流相对于开关元件101、102、201、202的驱动定时的相位差减小，是由于开关元件101、102、201、202的驱动频率和逆变器电路50的负载的谐振频率接近，当控制单元300检测该信号时，通过将开关元件101、102、201、202的驱动信号的频率设定得比既定值高，可以避免。

当开关元件101、102、201、202的驱动定时在规定的相位差以下时，产生如下情况，根据逆变器电路50的负载条件变化了的情况(被加热金属体相对于加热线圈4的相对位置的变化等)，开关元件101、102、201、202的驱动频率和逆变器电路50的负载的谐振频率一致，或者开关元件101、102、201、202的驱动频率较低，有可能产生过电流，或产生超过开关元件101、102、201、202的耐压的电压，导致开关元件101、102、201、202损坏以及逆变器电路50的故障。

作为通常的动作，作为全桥或者半桥中某一种电路结构，驱动逆变器电路50，根据负载状态检测单元14的输出，控制单元300选择逆变器电路50的结构，继续驱动。

图2是说明负载状态检测单元14的动作的图。在图中，横轴是输入电流检测单元10的输出，纵轴是逆变器电流检测单元13的输出。并且利用了，输入电流检测单元10的输出和逆变器电流检测单元13的输出的组合根据负载的状态而变化。具体地，通过用AD转换器将输入的各个输出电压转换为数字值，作为地址信息来加以利用，可以对于两个输入，将负载的状态作为数据取出。

例如，图2的区域A是，铁或磁性不锈钢(SUS430)等最适于感应加热的被加热金属体所表现出的特性。作为磁性体，由于存在某种程度的电阻率，所以能够使加热线圈4所产生的磁束易于集中、高效率地产生涡电流，使自身发热。逆变器电路50的负载阻抗中的等价电阻成分大，所以可以用较小的逆变器电流得到较大功率。

区域B表示，由非磁性不锈钢(SUS304)等构成的、板厚较薄的被加热金属体的情况的特性。在非磁性不锈钢的情况下，加热线圈4所产生的磁束不集中在锅底，而且由于材质本身的电阻率较低(约为铁的4分之一)，能量的传递效率降低。但是，通过减薄锅底的板厚，产生的涡电流路径的电阻成分增加，因此，虽不如区域A，但若增加逆变器电流，则是充分发热的区域。

区域C表示，由非磁性不锈钢等构成的、板厚较厚的被加热金属体的情况下的特性。与区域B的负载不同，由于涡电流路径的电阻成分较低，因此，必须使更多的逆变器电流流过才能充分发热。

区域D是，非磁性的被加热金属体、特别是使用了电阻率较低的铝或铜的被加热金属体的情况，必须比区域C流过更大的逆变器电流才能发热。

例如，在高阻抗的被加热金属体中，逆变器电流难以流动，但是逆变器电路50的负载的等价电阻也倾向于较高，因此，相对于较小的逆变器电流，流过较大的输入电流。若令逆变器电流为I，逆变器电路50的负载阻抗中等价电阻成分为R，则被输入被加热金属体的功率W，当忽略加热线圈4本身中产生的损耗时，可以用W＝I²×R表示。

此外，该功率W，当由负载阻抗和谐振电容器5、7的容量所决定的谐振频率的高频率电流流过时达到最大。谐振频率，若使负载阻抗中的电感成分为L，谐振电容器容量为C，则如下式。

【数学式1】

$f=\frac{1}{2\mathrm{\π}\sqrt{\mathrm{LC}}}$

因此，在高阻抗负载中，即使相同等级的等价电阻值，若等价电感不同，则谐振频率不同，所以流经加热线圈4的电流根据驱动的逆变器频率而变化。

同样地，在低阻抗负载中，受到本来非磁性被加热金属体所特有的较低的等价电感影响，谐振频率增高。

为了加热区域D中的被加热金属体，需要提高逆变器电路50的负载阻抗。作为其方法，存在增加加热线圈4的匝数，提高与被加热金属体的磁性耦合，增大等价电阻和等价电感的方法；以及将逆变器电流的频率从适于区域A的低频率带(20～40kHz)提高至高频率带(60～90kHz)的方法。

根据上述的方法的组合已经存在实用化了的产品，但是最大输入功率或加热效率达不到铁或磁性不锈钢的程度。

如上所述，根据输入电流和逆变器电流的组合，可以在某种程度上推断逆变器电路50的负载的阻抗。另外，通过还结合控制单元300的驱动频率设定，可以推断逆变器电路50的负载阻抗的高低以及谐振频率的高低。

图3表示逆变器电路50的各桥结构的示意图，和对于负载的电压施加状态。

图3(a)是SEPP(Single Ended Push Pull)的逆变器电路结构，在开关部100的中点和电源单元3的基准电位之间，连接有加热线圈4和谐振电容器5构成的负载。此外，当将谐振电容器5、5a两个串连地与电源单元3相连并在中点连接加热线圈4时，则成为半桥结构，但即使是SEPP电路，基本的动作也相同。

图3(b)表示，在图3(a)的电路中，上下桥臂的开关元件101、102反复交替地导通断开的情况下的、对于负载的电压施加状态。其中，在本图中，省略防止上下桥臂间的短路用的空(blank)时间来进行说明。

波形A表示上桥臂的开关元件101的导通断开状态，波形B表示下桥臂的开关元件102的导通断开状态。

当上桥臂导通时，将被施加在逆变器电路50上的电源电压，原样地施加在负载的X端子上。负载的Y端子与基准电位相连，所以其间的负载被施加了电源电压E。

接下来，当上桥臂断开、下桥臂导通时，X端子成为与基准电位相连的状态，成为不从X端子对Y端子施加电压的状态。

此后，重复这两种状态，所以如波形C所示，负载的X端子和Y端子上施加的电压，被交替地施加E和O。

图4(a)是全桥结构的逆变器电路结构，在开关部100的中点和开关部200的中点，连接有加热线圈4和谐振电容器7构成的负载。

图4(b)表示，在图4(a)的电路中，上下桥臂的开关元件101、102、201、202反复交替地导通断开的情况下的、对于负载的电压施加状态。其中，在本图中，省略防止各个上下桥臂间的短路用的空时间来进行说明。

波形D表示，开关部100的上桥臂和开关部200的下桥臂的开关元件101、202的导通断开状态，波形E表示开关部100的下桥臂和开关部200的上桥臂的开关元件102、201的导通断开状态。并且，波形D的导通状态为状态f，波形E的导通状态为状态g。

在状态f中，将被施加在逆变器电路50上的电源电压E，原样地施加在负载的X端子上。负载的Y端子与基准电位相连，因此，其间的负载被施加了电源电压E。

接下来，在状态g中，X端子处于和基准电位相连的状态，成为在Y端子上施加了电源电压E的状态。

此后，成为这两种状态的反复，因此如波形F所示，施加在负载的X端子和Y端子上的电压，交替地被施加E和-E。

这样，在全桥结构的逆变器电路50中，相对于半桥结构的逆变器电路50，在将相同电源电压施加在逆变器电路50上的状态下，且以相同条件驱动开关元件101、102、201、202时，施加在负载上的电压相当于2倍，此时的输入功率成为4倍。

因此，通过改变逆变器电路结构，流经负载和开关元件101、102、201、202的电流变大。

通常，在铁或磁性不锈钢等高阻抗或低谐振频率的负载中，即使不增大加热线圈4中流动的电流，也可以实现充分的自身发热。但是，如非磁性金属的负载那样，在共用低阻抗的负载和加热线圈4的情况下，必须使加热线圈4的线圈匝数增加，提高磁性耦合度，但是相反地，对于高阻抗负载，为了使阻抗变得更高，必须提高施加在逆变器电流50上的电源电压。

因此，全桥结构的逆变器电路50变得有效，可以用一个加热线圈4处理多种负载。

其中，在用全桥结构的逆变器电路50对低阻抗的负载进行驱动的情况下，可能会流过非常大的电流，由于过负荷或损耗增大，成为构成逆变器电路50的元件发热或者过电压导致的元件故障产生的诱因。

如现有的感应加热烹调器，若以某种逆变器电路结构被固定，则为了能够处理各个负载，可以预先设定电源电压或逆变器驱动频率，但是，为了如上述那样进行宽范围的处理，必须使更大的电流流过构成逆变器电路50的元件。例如，相对于磁性体，在非磁性体的负载中得到相同的加热效果的情况下，为了使有助于加热的等价电阻在1/20以下，必须流过5倍以上的电流，开关元件101、102、201、202和谐振电容器5、7等的形状变得非常大，损耗也大，考虑到成本是不现实的。

因此，在具有取得半桥结构和全桥结构的某种的状态的逆变器电路50的感应加热烹调器中，用于进行通电开始时的负载判断的通电，可以通过半桥结构的逆变器电路来进行。

这是由于，若为半桥结构，则尽管负载的阻抗不明，在进行通电的情况下，相对于全桥结构的逆变器，施加在负载上的电压相对地变为一半，异常的电流流过、或损耗增大所引起的故障的发生主要原因大幅度减少。

另外，通过进行这样的负载判断通电，在通电初期的阶段可以进行适当的负载判断，可以选择用于高效率地加热的逆变器电路结构。

图5是说明负载判断的动作的流程图。通过使用者的操作来指示负载的加热开始时，进行下述的动作。

在步骤501，控制单元300将逆变器电路50设定为半桥结构。在步骤502，将电源单元3的电压输出设定为负载判断用的电压、以及设定逆变器驱动频率。在步骤503，开始逆变器电路50的动作。在步骤504，在规定的时间后，检查负载状态检测单元14的输出，在判断为负载是高阻抗或低谐振频率的情况下，进行步骤506的处理。在步骤506，若使用者设定的目标功率在低功率区域，则设定为步骤507a的半桥结构的逆变器电路50，并进行通电。在步骤506，若使用者设定的目标功率在高功率区域，则设定为步骤507b的全桥结构的逆变器电路50，并进行通电。在步骤504，在判断为负载是低阻抗或高谐振频率的情况下，进行步骤507c的处理，设定为半桥结构的逆变器电路50，并进行通电。

此外，在步骤501和502中，在设定为半桥结构的情况下，图1中的切换继电器6、8和开关部200的组合，成为以下的某一种。将切换继电器6导通，将切换继电器8断开，将开关元件202断开。或者，将切换继电器6断开，将切换继电器8导通，将开关元件202导通。

在通过负载状态检测单元14判断为高阻抗或低谐振频率的负载中，在低功率设定的情况下成为半桥结构，这是由于，若原本是低功率，则通过半桥结构也是可以加热的功率区域，可以将逆变器驱动频率设定得较低，所以可以谋求开关元件的开关损耗降低。

这样，在通电开始时，以半桥结构的逆变器电路50进行负载状态判断用的通电，与全桥结构的逆变器电路50的情况相比，在对阻抗不明的负载、特别是低阻抗的负载通电等情况下产生的过电流或过电压可以大幅度降低。

另外，由于可以进行适当的负载判断，所以，可以将对构成逆变器电路50的元件给予的压力控制得很小。

另外，通过在通电开始时进行适当的负载判断，可以抑制过电流的产生导致的发出噪音，因此，可以消除产品本身的误动作或误检测，并且可以减小对收音机或电视机等的妨碍。

Claims (1)

1.一种感应加热烹调器，具有：

输出直流电压的电源单元；

经由所述电源单元使高频率电流流过由谐振电容器和加热线圈构成的串联谐振电路，使配置在所述加热线圈附近的被加热金属体中产生涡电流，进行加热的逆变器电路；

检测所述电源单元的输入电流的输入电流检测单元；

检测流经所述串联谐振电路的电流的逆变器电流检测单元；

根据所述输入电流检测单元以及逆变器电流检测单元的输入，检测负载的状态的负载状态检测单元；

检测所述电源单元的输入电压的电压检测单元；以及

至少控制所述电源单元的输出电压和所述逆变器电路的控制单元，

所述逆变器电路，对所述串联谐振电路可以切换为半桥结构或全桥结构，

所述控制单元，根据所述负载状态检测单元的输出、和输入被加热金属体的设定功率，进行将所述逆变器电路切换为半桥结构或全桥结构的动作，在所述加热线圈的加热开始时，将所述逆变器电路切换为半桥结构。

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