JP2000315572A - 誘導加熱装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 簡単な回路構成で、スイッチング素子の損失
を低減でき、かつ確実な保護機能を有する、小形かつ低
コストの誘導加熱装置を提供することを目的とする。 【解決手段】 電流共振型のインバータ構成とし、スイ
ッチング素子１３をゼロ電流で遮断するようにし、スイ
ッチング素子１３の両端電圧が所定値以上の時に自己ク
ランプする自己クランプ手段と、自己クランプ手段に流
れる電流を検知する自己クランプ手段電流検知手段とを
設けて、自己クランプ時に発振を停止することにより、
低損失かつ確実な保護機能を有する誘導加熱装置として
いる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、一般家庭及びレス
トランなどで使用される誘導加熱調理器などの誘導加熱
装置に関するもので、さらに詳しくはその高周波電力変
換手段（以下インバータとする）のスイッチング素子の
低損失化及び保護動作に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来の誘導加熱装置のインバータ回路構
成と制御方法について、図１１〜１３に基づいて説明す
る。

【０００３】図１１は誘導加熱装置のインバータの基本
回路である。１は直流電源で、具体的には商用交流電源
から整流器を介して得ている。２は加熱コイルで、図に
は特に記していないが、この上に被加熱物が載置され、
加熱コイル２からの高周波磁界により誘導加熱される。
３は加熱コイル２と並列接続された共振コンデンサ、４
はスイッチング素子で、この素子のオン・オフにより、
加熱コイルに高周波電流が供給される。スイッチング素
子４には駆動電力がバイポーラトランジスタなどより大
幅に少なくてすむＩＧＢＴを用いており、その耐圧は９
００Ｖ、電流定格は６０Ａである。５はスイッチング素
子４と並列接続された逆導通ダイオード、６はスイッチ
ング素子４のコレクタ−エミッタ間電圧などを検知し、
スイッチング素子４のオン・オフを制御する制御回路で
ある。

【０００４】図１２は、図１１のインバータの動作時の
各部波形を示した図である。（ア）は、制御回路６から
出力されるスイッチング素子４のドライブ信号で、ＨＩ
ＧＨの時にスイッチング素子４がオンする。（イ）は、
スイッチング素子４及び逆導通ダイオード５に流れる電
流を示している。（ウ）は、スイッチング素子４のコレ
クターエミッタ間に生じる電圧である。

【０００５】図１３は、図１２の動作波形中、スイッチ
ング素子４がオンからオフに遷移する期間（すなわち電
流遮断時＝ターンオフ時）のコレクタ電流、コレクタ−
エミッタ間電圧を拡大した図である。図でテール電流と
はＩＧＢＴ特有の現象であり、素子のスイッチング速度
が低速なものほど、その発生期間が長い。またテール電
流の温度特性は正であり、スイッチング素子が高温にな
るほど発生期間は長くなり、損失が大きくなる。

【０００６】以上より、本インバータの動作によって発
生するスイッチング素子４の損失は、図１２のドライブ
信号がＨＩＧＨの期間中に発生する導通損失と、図１３
に示すターンオフ時の損失すなわちターンオフ損失の二
つに分類される。導通損失は、スイッチング素子４のコ
レクタ電流と、そのコレクタ電流と相関のあるオン電圧
の積で決定される。一般に導通損失の損失温度特性は、
ほぼフラットか、スイッチング素子の性能によっては負
である。

【０００７】本インバータにおいて、スイッチング素子
４は２０ｋＨｚ〜３０ｋＨｚ程度の周波数でオン・オフ
しており、その発生損失は素子性能にもよるが、概略３
０〜４０Ｗ程度である。また発生損失のうち、ターンオ
フ損失の比率は、動作周波数にもよるが、概略３０〜５
０％程度である。発生損失が大きいため、スイッチング
素子４はヒートシンクに取り付けられ、冷却ファンによ
って強制冷却されている。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら従来の誘
導加熱装置には以下に記す課題があった。

【０００９】第１の課題は動作時に冷却ファンが駆動す
るため、その騒音が大きく、使用者に不快感を与えると
いうものである。この騒音は特に鍋物など調理器を使用
者が囲んで使用する場合において問題となる。炊飯器に
応用したものにおいては、タイマー炊飯などで早朝ある
いは深夜などに動作させた場合、同様にこの騒音が使用
者に不快感を与える。この課題は、一般の電熱ヒータタ
イプ、あるいはガスコンロなどの調理器においてはない
ことから、誘導加熱装置特有の重大な課題である。損失
全体の温度特性は、ターンオフ損失の温度特性が支配的
であり、スイッチング素子４の素子温度が上昇すると、
損失も上昇するため、ファンによる強制空冷の設計は充
分な検討が必要であり、開発工数上の問題も抱えてい
る。

【００１０】第２の課題は、素子の制御が、なんらかの
異常原因（瞬時停電や雷サージなどの電源異常あるい
は、外来ノイズなど）で、所定タイミングから外れた場
合、スイッチング素子４の耐圧以上の電圧が発生する可
能性があるため、その保護回路の設計に開発工数が大き
くかかるというものである。一般にスイッチング素子４
は、耐圧以上の電圧がかかると即時に破壊するため、図
には特に記載していないが、スイッチング素子４の両端
電圧と、入力電圧を検知して、異常時には即座に発振を
停止する保護回路が必要となっている。この保護回路は
コストアップの要因のひとつとなっている。

【００１１】本発明は上記従来の課題を解決し、スイッ
チング素子の損失を充分低減して、冷却ファン騒音の低
減や、簡易かつ確実な保護回路によるコストダウンを達
成できる、快適かつ省エネルギーさらに安価な誘導加熱
装置を実現することを目的とするものである。

【００１２】

【課題を解決するための手段】前記課題を解決するため
に、請求項１記載の手段は、スイッチング素子と、共振
要素として２つのコイルと１つのコンデンサとを有し、
前記２つのコイルの内、発振周期中常に共振電流が流れ
る第１のコイルのインダクタンスを、発振周期中部分的
に共振電流が流れる第２のコイルのインダクタンスより
大きくしたインバータ回路とし、前記スイッチング素子
に流れる高周波電流は、共振電流として、前記スイッチ
ング素子に流れる電流が零の時に遮断する構成とした高
周波電力変換手段と、前記スイッチング素子の耐圧以下
で前記スイッチング素子を自己クランプさせる自己クラ
ンプ手段と、前記自己クランプ手段クランプ時に流れる
自己クランプ手段電流検知手段とを有し、前記自己クラ
ンプ手段電流検知回路の出力によって発振を停止するこ
とを特徴とした誘導加熱装置とするものである。

【００１３】本構成により、スイッチング素子に流れる
電流は共振波形となり、その電流がゼロあるいは、逆導
通ダイオードに流れている間にターンオフするため、ス
イッチング素子の損失として、ターンオフ損失は発生せ
ず、導通損失のみとなり、スイッチング素子の損失を大
幅に低減することができる。さらにターンオフ損失がな
いため、損失温度特性は、ほぼフラットあるいは負の特
性となり、熱的に極めて安定で冷却設計の容易なインバ
ータ回路を得ることができる。

【００１４】また、上記自己クランプ手段とクランプ手
段電流検知手段を設けることにより、通常使用状態で発
生の可能性がある無負荷起動及び、電源異常や制御回路
誤動作によるスイッチング素子の耐圧を瞬時に越えるモ
ードでも、簡易かつ確実な保護機能を実現することがで
きる。

【００１５】請求項２記載の手段は、自己クランプ手段
を直列に接続されたツェナーダイオードと、逆阻止ダイ
オードとし、自己クランプ手段電流検知手段を並列に接
続されたコンデンサと抵抗回路にて構成したことを特徴
とする請求項１の誘導加熱装置とするものである。

【００１６】本構成によりコンデンサと抵抗だけの簡易
な回路構成で、自己クランプ手段電流検知手段を構成す
ることが可能となり、回路の小型化や、低コスト化が達
成できる。

【００１７】請求項３記載の手段は、自己クランプ手段
を直列に接続されたツェナーダイオードと、逆阻止ダイ
オードとし、自己クランプ手段電流検知手段をカレント
トランスにて構成したことを特徴とする請求項１の誘導
加熱装置とするものである。

【００１８】本構成にすることにより、請求項２の構成
と比べて、自己クランプ手段電流検知手段をカレントト
ランスとすることにより、機器をより高速かつ確実に保
護することが可能な誘導加熱装置を実現できる。

【００１９】請求項４記載の手段は、自己クランプ手段
を直列に接続されたツェナーダイオードと、逆阻止ダイ
オードとし、自己クランプ手段電流検知手段を配線のイ
ンダクタンス成分にて構成したことを特徴とする請求項
１の誘導加熱装置とするものである。

【００２０】本構成にすることにより、請求項３の構成
と比べて、自己クランプ手段電流検知手段を配線のイン
ダクタンスとすることにより、より安価な誘導加熱装置
を実現できる。

【００２１】請求項５記載の手段は、自己クランプ手段
電流検知手段の出力をマイコン回路に接続し、クランプ
検出後に発振を停止することを特徴とした請求項１の誘
導加熱装置とするものである。

【００２２】本構成にすることにより、自己クランプ動
作をマイコン回路が認識できるため、発振停止後の処理
をより確実に行うことができる誘導加熱装置を実現でき
る。

【００２３】

【発明の実施の形態】請求項１記載の発明によれば、ス
イッチング素子に流れる電流は共振波形となり、その電
流がゼロあるいは、逆導通ダイオードに流れている間に
ターンオフすることができる。

【００２４】請求項２記載の発明によれば、簡易な回路
構成で、自己クランプ手段電流検知手段を構成すること
が可能となる。

【００２５】請求項３記載の発明によれば、自己クラン
プ手段電流検知手段をカレントトランスとすることがで
きる。

【００２６】請求項４記載の発明によれば、自己クラン
プ手段電流検知手段を配線のインダクタンスとすること
ができる。

【００２７】請求項５記載の発明によれば、自己クラン
プ動作をマイコン回路が認識できる。

【００２８】

【実施例】（実施例１）以下、本発明の第１の実施例に
ついて説明する。図１は本発明の第１の実施例を示す図
である。図１において１１は、直流電源で、具体的には
商用交流電源を整流器を介して得ている。１２は、直流
電源１１に直列に接続されたチョークコイルである。１
５はチョークコイル１２と直列に接続された加熱コイル
で、図には特に記載していないが、コイル上に鍋などの
被加熱物が載置されている。１６は加熱コイル１５と直
列に接続された共振コンデンサである。１３はスイッチ
ング素子で、本実施例の場合、耐圧９００ＶのＩＧＢＴ
を使用している。１４は逆導通ダイオード１４で、スイ
ッチング素子１３と並列に接続されている。スイッチン
グ素子１３の高周波スイッチングにより、加熱コイル１
５を介して被加熱物へ高周波電力が供給される。１８は
本インバータ回路における共振要素で、加熱コイル１５
のインダクタンスはチョークコイル１２のインダクタン
スよりも小さい値となっており、この定数設定により、
通常動作において、正常な発振信号をスイッチング素子
１３に加えれば、スイッチング素子１３に流れる電流は
共振電流となり、かつその電流が零の時（逆導通ダイオ
ードに電流が流れている時を含む）に遮断することが可
能である。

【００２９】１７は発振回路を含む制御回路で、スイッ
チング素子１３の制御を行う。１９は、自己クランプ手
段で、スイッチング素子１３の両端が所定値（具体的に
は通常動作時に発生する電圧よりも高く、スイッチング
素子１３の耐圧よりも低い値であり、本実施例の場合
は、通常動作時の電圧が５００Ｖ程度で、スイッチング
素子１３の耐圧が９００Ｖであるので、６００Ｖとして
いる。）以上となったときスイッチング素子１３を自己
クランプさせるものである。本実施例の場合、スイッチ
ング素子１３のコレクタ側とゲートの間に耐圧６００Ｖ
のツェナーダイオードと逆阻止ダイオードを直列に接続
したものを挿入することにより実現している。２０は、
自己クランプ手段１９が動作したとき（すなわちツェナ
ーダイオードに電流が流れた時）にその電流を検知し
て、発振を停止させる自己クランプ手段電流検知手段で
あり、本実施例の場合、ツェナーダイオードからの信号
を抵抗分割し、さらにその出力と所定電圧とをコンパレ
ータで比較して、自己クランプ時にＨｉｇｈの信号が出
力される回路構成としている。

【００３０】図２は通常動作時におけるスイッチング素
子１３の駆動信号と電流（Ｉｃ）電圧（Ｖｃｅ）波形で
ある。図でスイッチング素子は駆動信号がＨＩＧＨの時
にオンし、ＬＯＷの時にオフする。本実施例の場合の発
振周波数は略４５ｋＨｚ程度である。図２（イ）に示す
ように電流波形は本インバータ回路構成にすることによ
り、共振波形となり、スイッチング素子１３に流れる電
流が零または、逆導通ダイオード１４に電流が流れてい
る間にオフするため、従来のターンオフ損失は発生せ
ず、大幅な低損失化が可能となる。

【００３１】図３は無負荷起動時（例えば通常加熱コイ
ル１５の上に載置されているはずの負荷（鍋など）が使
用者の載置忘れにより載置されていなかった場合）にお
けるスイッチング素子の各部波形を示す。本実施例にお
いて発振起動のタイミングは商用電源の入力電圧を検知
して、その電圧が充分小さい時（すなわち５０Ｈｚ／６
０Ｈｚなる周波数できまる電源電圧エンベロープの谷
間）に設定されている。無負荷の場合本実施例のインバ
ータ定数（加熱コイル１５のインダクタンス値など）に
おいては、（ウ）に示すように、逆導通ダイオード１４
に通常動作時と比べて極めて大きい電流が流れる。逆導
通ダイオード１４に大きい電流が流れると、逆導通ダイ
オード１４に流れるリカバリー電流も大きくなり、結果
（エ）に示す様にスイッチング素子の両端電圧にサージ
電圧が発生することになる。

【００３２】（ア）に示すように、起動開始直後におい
ては、このサージ電圧は小さいが、電源電圧が増大する
につれて、サージ電圧も大きくなり、逆導通ダイオード
１４に流れる電流が所定値に達したとき自己クランプさ
れて、自己クランプ手段電流検知手段２０により発振は
停止される。発振停止をしなかった場合（かつ自己クラ
ンプ手段１９が存在しなかった場合）電源電圧ピーク付
近で、スイッチング素子１３の耐圧を越えるサージ電圧
が発生し、スイッチング素子１３は破壊する。また逆導
通ダイオード１４の許容電流にもよるが、過大な電流に
より逆導通ダイオード１４が熱破壊することも考えられ
る。また自己クランプ手段１９のみの場合においては、
連続クランプとなりスイッチング素子１３の発熱が大と
なって、素子が破壊にいたる。

【００３３】図４は、図３の検知タイミング時を拡大し
たものである。図に示すように自己クランプ手段１９電
流が流れると（ア）、自己クランプ手段電流検知手段２
０の出力がＨｉｇｈとなり、以降発振が停止される。

【００３４】以上の説明で明らかなように、本第１の実
施例によれば簡単な構成でスイッチング素子１３の損失
を低減できるため、必要冷却の少ない小形かつ低コスト
の誘導加熱装置を得ることができる。また、自己クラン
プ手段電流検知手段２０を設けることにより、負荷異常
検知が可能であり、確実にスイッチング素子１３の破壊
を防ぐことが可能である。また従来の誘導加熱装置のよ
うに保護回路に入力電圧を検知する手段は不要であり、
低コスト化が可能である。

【００３５】（実施例２）以下、本発明の第２の実施例
について説明する。図５は本発明の第２の実施例を示す
図である。図５において自己クランプ手段電流検知手段
２０はコンデンサ２１と放電抵抗２２の２つの部品で構
成されている。図６は本実施例の場合の自己クランプ検
知タイミング時の各部動作波形で、コンデンサ２１の電
圧は、自己クランプ手段１９からの電流により上昇し、
スレッシュ電圧以上となったときに制御回路１７によっ
て発振停止となるものである。

【００３６】また本実施例の場合そのスレッシュ電圧
は、自己クランプ動作の２回目程度で発生する様に設計
されているので、図の（ア）に示すように検知前に（１
回目の自己クランプ動作によって）既にある程度の値と
なっている。スレッシュ電圧をこのように若干高めに設
定している理由は、外来ノイズ等によって、コンデンサ
２１が自己クランプ動作以外の時にチャージされて、誤
動作する可能性があるためである。

【００３７】本構成にすることにより、請求項１の構成
と比べて、自己クランプ手段電流検知手段２０を簡易か
つ安価に実現することが可能となり、結果安価な誘導加
熱装置を実現できる。

【００３８】（実施例３）以下、本発明の第３の実施例
について説明する。図７は本発明の第３の実施例を示す
図である。図７おいて２３は、自己クランプ手段１９の
ツェナーダイオードに流れる電流を検知するＣＴ（カレ
ントトランス）であり、その出力は制御回路１７に接続
している。

【００３９】図８は本実施例の場合の自己クランプ検知
タイミング時の各部動作波形で、ＣＴ２３の出力は、自
己クランプ手段１９に流れる電流と同様となり、その出
力によって発振停止となるものである。また検知タイミ
ングは１回目のクランプ動作で行うようになっている。
これは、自己クランプ手段電流検知手段をＣＴとしたこ
とにより、外来ノイズなどの影響を請求項２の構成と比
較して受けにくいために可能となったものである。

【００４０】本構成とすることにより、請求項２の構成
と比べてより高速に検知が可能となり、より確実な保護
機能を有した誘導加熱装置を実現できるものである。

【００４１】（実施例４）以下、本発明の第４の実施例
について説明する。図９は本発明の第４の実施例を示す
図である。図９おいて２４は、自己クランプ手段１９の
ツェナーダイオードに流れる電流が流れる配線であり、
その出力は制御回路１７に接続している。本構成によっ
て自己クランプ手段１９のツェナーダイオードに流れる
電流のｄｉ／ｄｔ成分を配線のインダクタンス分で検知
できるため、請求項３と同様の保護動作を簡単かつ低コ
ストで実現できる。

【００４２】（実施例５）以下、本発明の第５の実施例
について説明する。図１０は本発明の第５の実施例を示
す図である。図１０おいて２５は、マイコン回路で、自
己クランプ手段電流検知手段２０と接続され、かつ制御
回路１７とも接続されている。

【００４３】本構成により、自己クランプを検知したこ
とをマイコン回路が認識できるようになるため、例えば
発振停止後の任意の時間経過後に再度発振開始して、負
荷異常の検知を行う、あるいは、使用者に負荷異常の旨
の報知を行うなどの動作を行うことが可能となる。

【００４４】

【発明の効果】以上のように、請求項１記載の発明によ
れば、スイッチング素子に流れる電流は共振波形とな
り、その電流がゼロあるいは、逆導通ダイオードに流れ
ている間にターンオフするため、スイッチング素子の損
失として、ターンオフ損失は発生せず、導通損失のみと
なり、スイッチング素子の損失を大幅に低減することが
できる。さらにターンオフ損失がないため、損失温度特
性は、ほぼフラットあるいは負の特性となり、熱的に極
めて安定で冷却設計の容易なインバータ回路を得ること
ができる。

【００４５】また、上記自己クランプ手段とクランプ手
段電流検知手段を設けることにより、通常使用状態で発
生の可能性がある無負荷起動及び、電源異常や制御回路
誤動作によるスイッチング素子の耐圧を瞬時に越えるモ
ードでも、簡易かつ確実な保護機能を実現することがで
きる、より信頼性の高い誘導加熱装置を簡易な構成で得
ることができるものである。

【００４６】また、請求項２記載の発明によれば、請求
項１記載の特徴に加えて、コンデンサと抵抗だけの簡易
な回路構成で、自己クランプ手段電流検知手段を構成す
ることが可能となり、回路の小型化や、低コスト化が達
成でき、より安価で部品点数の少ない誘導加熱装置とす
ることができる。

【００４７】また、請求項３記載の発明によれば、請求
項２の構成と比べて、自己クランプ手段電流検知手段を
カレントトランスとすることにより、機器をより高速か
つ確実に保護することが可能な誘導加熱装置を実現でき
る。

【００４８】また、請求項４記載の発明によれば、請求
項３の構成と比べて、自己クランプ手段電流検知手段を
配線のインダクタンスとすることにより、より安価な誘
導加熱装置を実現できる。

【００４９】また、請求項５記載の発明によれば、自己
クランプ動作をマイコン回路が認識できるため、発振停
止後の処理をより確実に行うことができる誘導加熱装置
を実現できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例である誘導加熱装置の回
路構成を示す回路図

【図２】同、通常動作時の動作波形を示す図

【図３】同、異常負荷時の動作波形を示す図

【図４】同、図３の検知タイミング時の拡大動作波形を
示す図

【図５】本発明の第２の実施例である誘導加熱装置の回
路構成を示す回路図

【図６】同、検知タイミング時の拡大動作波形を示す図

【図７】本発明の第３の実施例である誘導加熱装置の回
路構成を示す回路図

【図８】同、検知タイミング時の拡大動作波形を示す図

【図９】本発明の第４の実施例である誘導加熱装置の回
路構成を示す回路図

【図１０】本発明の第５の実施例である誘導加熱装置の
回路構成を示す回路図

【図１１】従来の誘導加熱装置の回路構成を示す回路図

【図１２】同、動作波形を示す図

【図１３】同、スイッチング素子のターンオフ時の動作
波形を示す図

【符号の説明】

１３ スイッチング素子 １８ 共振要素 １９ 自己クランプ手段 ２０ 自己クランプ手段電流検知手段

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 宮内 貴宏 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内 (72)発明者 大森 英樹 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内 Ｆターム(参考） 3K051 AA02 AA04 AA07 AB06 AC08 AD25 AD26 BD19 CD10 CD17 3K059 AA02 AA04 AA07 AA18 AC08 AD25 AD26 BD19 CD10 CD17

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 スイッチング素子と、共振要素として２
   つのコイルと１つのコンデンサとを有し、前記２つのコ
   イルの内、発振周期中常に共振電流が流れる第１のコイ
   ルのインダクタンスを、発振周期中部分的に共振電流が
   流れる第２のコイルのインダクタンスより大きくしたイ
   ンバータ回路とし、前記スイッチング素子に流れる高周
   波電流は、共振電流として、前記スイッチング素子に流
   れる電流が零の時に遮断する構成とした高周波電力変換
   手段と、前記スイッチング素子の耐圧以下で前記スイッ
   チング素子を自己クランプさせる自己クランプ手段と、
   前記自己クランプ手段クランプ時に流れる自己クランプ
   手段電流検知手段とを有し、前記自己クランプ手段電流
   検知回路の出力によって発振を停止することを特徴とし
   た誘導加熱装置。
2. 【請求項２】 自己クランプ手段を直列に接続されたツ
   ェナーダイオードと、逆阻止ダイオードとし、自己クラ
   ンプ手段電流検知手段を並列に接続されたコンデンサと
   抵抗回路にて構成したことを特徴とする請求項１の誘導
   加熱装置。
3. 【請求項３】 自己クランプ手段を直列に接続されたツ
   ェナーダイオードと、逆阻止ダイオードとし、自己クラ
   ンプ手段電流検知手段をカレントトランスにて構成した
   ことを特徴とする請求項１の誘導加熱装置。
4. 【請求項４】 自己クランプ手段を直列に接続されたツ
   ェナーダイオードと、逆阻止ダイオードとし、自己クラ
   ンプ手段電流検知手段を配線のインダクタンス成分にて
   構成したことを特徴とする請求項１の誘導加熱装置。
5. 【請求項５】 自己クランプ手段電流検知手段の出力を
   マイコン回路に接続し、クランプ検出後に発振を停止す
   ることを特徴とした請求項１の誘導加熱装置。