JP2004304869A - インバータ装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】インバータ装置の共振負荷回路に注入する有効電力をより広範囲に調整する。
【解決手段】電力調整回路（２３）の調整出力を受信して制御パルス信号（ＶＧ）の周波数（ｆ）を決定する周波数制御信号をＰＦＭ回路（４２）により発生し、ＰＦＭ回路（４２）の周波数制御信号をＰＷＭ回路（２４）に付与する。ＰＷＭ回路（２４）は、ＰＦＭ回路（４２）が決定した周波数（ｆ）での制御パルス信号（ＶＧ）の時比率（λ）を決定する。ＰＦＭ回路（４２）は、電力調整回路（２３）の調整出力により最適の周波数出力を発生し、ＰＷＭ回路（２４）は、ＰＦＭ回路（４２）から発生する周波数出力のパルス幅を重畳して制御するので、ＰＷＭ回路（２４）とＰＦＭ回路（４２）とを個別に制御する切替回路を必要とせず、回路構成を簡素化することができる。
【選択図】 図１
【解決手段】電力調整回路（２３）の調整出力を受信して制御パルス信号（ＶＧ）の周波数（ｆ）を決定する周波数制御信号をＰＦＭ回路（４２）により発生し、ＰＦＭ回路（４２）の周波数制御信号をＰＷＭ回路（２４）に付与する。ＰＷＭ回路（２４）は、ＰＦＭ回路（４２）が決定した周波数（ｆ）での制御パルス信号（ＶＧ）の時比率（λ）を決定する。ＰＦＭ回路（４２）は、電力調整回路（２３）の調整出力により最適の周波数出力を発生し、ＰＷＭ回路（２４）は、ＰＦＭ回路（４２）から発生する周波数出力のパルス幅を重畳して制御するので、ＰＷＭ回路（２４）とＰＦＭ回路（４２）とを個別に制御する切替回路を必要とせず、回路構成を簡素化することができる。
【選択図】 図１
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、インバータ装置、特に周波数とパルス幅とを重畳して制御した所望の高周波電力を共振負荷回路に供給するインバータ装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
図４に示す従来のインバータ装置は、直流電源（１）と、直流電源（１）から供給される直流電力を高周波交流電力に変換するスイッチング動作を行うスイッチング回路（１３）を有する交流変換回路（２）と、交流変換回路（２）の出力端子に接続された共振負荷回路（３）と、交流変換回路（２）のスイッチング回路（１３）にスイッチング動作を行わせる制御パルス信号（ＶＧ）を出力して、共振負荷回路（３）に高周波電力を供給する制御回路（４）とを備えている。
【０００３】
直流電源（１）は、商用電源等の交流電源（１０）と、ダイオードをブリッジ接続して構成されて交流電源（１０）の交流電力を直流電力に変換する整流回路（１１）と、整流回路（１１）の出力を平滑するコンデンサ（１２）とを備えている。スイッチング回路（１３）は、整流回路（１１）の正側端子と負側端子とに直列に接続されたそれぞれＩＧＢＴ（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）型の第１のスイッチング素子（１３ａ）と第２のスイッチング素子（１３ｂ）と、第１のスイッチング素子（１３ａ）と第２のスイッチング素子（１３ｂ）にそれぞれ逆並列に接続されたスナバダイオード（１３ｃ，１３ｄ）とを有する。第２のスイッチング素子（１３ｂ）に対し並列に接続される共振負荷回路（３）は、交流変換回路（２）から供給される高周波電力により鉄等の金属から成る被加熱物を誘導加熱する加熱コイル（３ａ）と、加熱コイル（３ａ）に直列に接続された共振用コンデンサ（３ｂ）とを備えている。
【０００４】
制御回路（４）は、共振負荷回路（３）への基準電力値を表す出力を発生する電力設定回路（２１）と、交流変換回路（２）から共振負荷回路（３）に供給される有効電力値を検出する電力検出回路（２２）と、電力検出回路（２２）が検出した有効電力値と電力設定回路（２１）の基準電力値とから偏差を演算して、調整出力を発生する電力調整回路（２３）と、電力調整回路（２３）の調整出力に従って偏差を減少する制御パルス信号（ＶＧ）のパルス周波数を決定する制御信号を発生するＰＦＭ回路（４２）と、ＰＦＭ回路（４２）の制御信号を受信して、交流変換回路（２）のスイッチング回路（１３）をスイッチング動作させる制御パルス信号（ＶＧ）を出力する駆動回路（２５）とを備えている。
【０００５】
電力検出回路（２２）は、交流変換回路（２）に入力されるコンデンサ（１２）の両端電圧を検出する電圧検出回路（１４）と、直流電源（１）から交流変換回路（２）への経路に流れる電流を検出する電流検出回路（１５）とに接続される。電力検出回路（２２）は、電圧検出回路（１４）の検出電圧値と電流検出回路（１５）の検出電流値との乗算値を有効電力の検出値として電力調整回路（２３）に出力する図示しない乗算回路を備えている。
【０００６】
図４に示すインバータ装置（２）は、ハーフブリッジ方式の電圧形インバータ装置と称され、駆動回路（２５）の制御パルス信号（ＶＧ）により、ＩＧＢＴとダイオードとの逆並列回路で構成された第１のスイッチング素子（１３ａ）と第２のスイッチング素子（１３ｂ）を交互にオン・オフさせる。その際に、共振負荷回路（３）の加熱コイル（３ａ）と共振用コンデンサ（３ｂ）とから導出される共振周波数（ｆｃ）の周期に等しい周波数より高い周期で論理「Ｈ」レベルと論理「Ｌ」レベルとを繰り返すパルス信号をＰＦＭ回路（４２）から生成する。このとき、共振周波数（ｆｃ）に近い周波数でスイッチング動作を反復させて電力を共振負荷回路（３）に供給し、更に共振周波数（ｆｃ）より高い周波数でオン・オフを反復させて制御することにより、加熱コイル（３ａ）内の図示しない被加熱物を誘導加熱すると共に、共振負荷回路（３）に供給される有効電力を基準電力値に調整する。
【０００７】
図５は、有効電力値が基準電力値を超えるときにＰＷＭ制御に切り換えると共に、有効電力値が基準電力値に満たないときにＰＦＭ制御に切り換える切替回路（４１）を備え、共振負荷回路（３）への出力電力をより広範囲に制御する下記特許文献１に開示された従来の他のインバータ装置を示す。
【０００８】
図５に示すインバータ装置では、切替回路（４１）とＰＷＭ回路（２４）とが図４のインバータ装置に付加される。電力調整回路（２３）では、電力設定回路（２１）の基準電力値と電力検出回路（２２）の有効電力値との偏差を零にすべく比例−積分（ＰＩ）演算を行う。演算された有効電力値がＰＷＭ回路（２４）での時比率λ値を０．１以下にするとき、有効電力値が時比率λ＝０．１にする値を基準電力値として、λ＜０．１に対応する有効電力値をＰＦＭ回路（４２）へ別途入力するように切替回路（４１）によりＰＷＭ回路（２４）からＰＦＭ回路（４２）に切り換える。
【０００９】
ＰＦＭ回路（４２）では入力された有効電力値に基づき周波数変調（ＰＦＭ）演算を行い、演算された周波数の論理「Ｈ」レベルと論理「Ｌ」レベルとにより構成されるパルス信号を駆動回路（２５）へ出力する。このとき、ＰＦＭ回路（４２）での時比率λはインバータ装置が安定に動作する任意の値とし、共振負荷回路（３）の加熱コイル（３ａ）と共振用コンデンサ（３ｂ）とから導出される共振周波数（ｆｃ）の周期より小さい方向にパルス信号の反復周期を変更することにより、インバータ装置の安定動作領域で共振負荷回路（３）に供給する有効電力をより広い範囲で減少させることができる。
【００１０】
【特許文献１】
特開２００１−１２８４６２（図１、第３頁）
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
図４に示すインバータ装置では、例えば、共振周波数（ｆｃ）より大幅に上昇する周波数に出力高周波電力を調整する必要があるが、スイッチング素子（１３ａ， １３ｂ）を構成するＩＧＢＴはスイッチングスピードが遅く、周波数を高くすると十分追従動作することができず、スイッチング回路（１３）の動作が不安定になる恐れがある。その結果、インバータ装置の必要な高周波電力、即ち、共振負荷回路（３）に注入できる有効電力を広範囲に調整できない難点があった。
【００１２】
その対策として、図５では、切替回路（４１）により有効電力値が基準電力値を超えるときＰＷＭ制御に切り換え、有効電力値が基準電力値に満たないときＰＦＭ制御に切り換えて、共振負荷回路（３）への出力電力をより広範囲に制御するが、共振周波数（ｆｃ）近傍でＰＷＭ制御により時比率λを絞り込むとき、周波数制御が不能となり、時比率を過度に小さくすると共振負荷回路（３）との整合が取れず、共振はずれを発生し、最低時比率の制御に限界があり、スイッチング素子が破損する重大な難点があった。
本発明は、共振負荷回路に注入する有効電力をより広い範囲で調整できるインバータ装置を提供することを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明によるインバータ装置は、直流電源（１）と、直流電源（１）から供給される直流電力を高周波交流電力に変換するスイッチング動作を行うスイッチング回路（１３）を有する交流変換回路（２）と、交流変換回路（２）の出力端子に接続された共振負荷回路（３）と、交流変換回路（２）のスイッチング回路（１３）にスイッチング動作を行わせる制御パルス信号（ＶＧ）を出力して、共振負荷回路（３）に高周波電力を供給する制御回路（４）とを備えている。制御回路（４）は、基準電力値を表す出力を発生する電力設定回路（２１）と、交流変換回路（２）から共振負荷回路（３）に供給される有効電力値を検出する電力検出回路（２２）と、電力検出回路（２２）が検出した有効電力値と電力設定回路（２１）の基準電力値とから偏差を演算して、調整出力を発生する電力調整回路（２３）と、電力調整回路（２３）の調整出力に従って偏差を減少する制御パルス信号（ＶＧ）のパルス幅を決定する制御信号を発生するＰＷＭ回路（２４）と、ＰＷＭ回路（２４）の制御信号を受信して、交流変換回路（２）のスイッチング回路（１３）をスイッチング動作させる制御パルス信号（ＶＧ）を出力する駆動回路（２５）とを備えている。電力調整回路（２３）の調整出力を受信して制御パルス信号（ＶＧ）の周波数（ｆ）を決定する周波数制御信号をＰＦＭ回路（４２）により発生し、ＰＦＭ回路（４２）の周波数制御信号をＰＷＭ回路（２４）に付与する。ＰＷＭ回路（２４）は、ＰＦＭ回路（４２）が決定した周波数（ｆ）での制御パルス信号（ＶＧ）の時比率（λ）を決定する。ＰＦＭ回路（４２）は、電力調整回路（２３）の調整出力により最適の周波数出力を発生し、ＰＷＭ回路（２４）は、ＰＦＭ回路（４２）から発生する周波数出力のパルス幅を重畳して制御するので、ＰＷＭ回路（２４）とＰＦＭ回路（４２）とを個別に制御する切替回路を必要とせず、切替損失を回避すると共に、回路構成を簡素化することができる。また、共振負荷回路（３）の共振周波数（ｆＣ）を常時最適値に設定すると共に、広範囲且つ連続的に供給電力を調整し、共振負荷回路（３）に電力を効率よく供給することが可能となる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明によるインバータ装置の実施の形態を図１〜図３について説明する。図１では、図４及び図５に示す箇所と同一の部分には同一の符号を付して説明を省略する。
図１に示すように、本発明では、予め設定された上限周波数（ｆＭＡＸ）を記憶し、制御パルス信号（ＶＧ）の周波数（ｆ）が上限周波数（ｆＭＡＸ）に達したときにＰＦＭ回路（４２）に保持信号を出力する周波数設定回路（４３）と、電力調整回路（２３）の調整出力を受信して制御パルス信号（ＶＧ）の周波数（ｆ）を決定する周波数制御信号を発生するＰＦＭ回路（４２）と、ＰＦＭ回路（４２）の周波数制御信号が付与されてＰＦＭ回路（４２）が決定した周波数（ｆ）での制御パルス信号（ＶＧ）の時比率（λ）を決定するＰＷＭ回路（２４）とをインバータ装置に設ける。
【００１５】
周波数設定回路（４３）の保持信号を受信したとき、ＰＦＭ回路（４２）は、制御パルス信号（ＶＧ）の周波数（ｆ）を上限周波数（ｆＭＡＸ）に保持する。ＰＷＭ回路（２４）は、ＰＦＭ回路（４２）から受信した周波数と電力調整回路（２３）から受信した電力調整信号からパルス幅信号を決定する出力を形成して、駆動回路（２５）に出力を付与する。ＰＦＭ回路（４２）は、電力調整回路（２３）の調整出力により最適の周波数出力を発生し、ＰＷＭ回路（２４）は、ＰＦＭ回路（４２）から発生する周波数にパルス幅を重畳して制御するので、ＰＷＭ回路（２４）とＰＦＭ回路（４２）とを個別に制御する切替回路を必要とせず、切替損失を回避すると共に、回路構成を簡素化することができる。また、共振負荷回路（３）の共振周波数（ｆＣ）を常時最適値に設定すると共に、広範囲且つ連続的に供給電力を調整し、共振負荷回路（３）に電力を効率よく供給することが可能となる。
【００１６】
ＰＦＭ回路（４２）により制御される制御パルス信号（ＶＧ）の周波数（ｆ）が上限周波数（ｆＭＡＸ）に達したときに、制御パルス信号（ＶＧ）の周波数（ｆ）を上限周波数（ｆＭＡＸ）に保持して、ＰＷＭ回路（２４）により制御パルス信号（ＶＧ）の時比率（λ）を制御するので、共振負荷回路（３）の共振周波数（ｆＣ）よりも十分に高い上限周波数（ｆＭＡＸ）でも制御パルス信号（ＶＧ）の時比率（λ）を絞り込むことができる。また、制御パルス信号（ＶＧ）の周波数（ｆ）が上限周波数（ｆＭＡＸ）以上に上昇せずに、制御パルス信号（ＶＧ）の時比率（λ）を広い範囲で制御することができる。例えば電磁調理器等として使用される鉄鍋等の被加熱物を誘導加熱する際に、加熱コイル（３ａ）に供給される高周波電力のレベル及び周波数並びに被加熱物への加熱量をより広範囲に調整することができる。
【００１７】
電力調整回路（２３）では、基準電力値と有効電力検出値との偏差を零にすべく比例−積分（ＰＩ）演算を行い、この演算結果としてのインバータ装置（４）の有効電力値がＰＦＭ回路（２４）の周波数を可変するが、ＰＦＭ回路（２４）の周波数が周波数設定回路（４３）の予め設定された任意の最高周波数に達すると、それ以上の周波数上昇を阻止し、代わりにＰＷＭ回路（２４）の時比率λ（１周期中のオン期間比率）を調整し、基準電力値になるよう動作する。ＰＷＭ回路（２４）では入力された有効電力値に基づきパルス幅変調（ＰＷＭ）演算を行い、この演算結果のパルス信号を駆動回路（２５）へ出力する。このとき、パルス周波数変調（ＰＦＭ）の発振周波数（上限周波数（ｆＭＡＸ））は共振負荷回路（３）の共振周波数（ｆＣ）より十分に高い。ＰＷＭ回路（２４）でパルス幅変調を行うことにより、インバータ装置（４）の動作が安定な領域で共振負荷回路（３）に注入する有効電力をより広い範囲で電力制御を行うことができる。
【００１８】
図２は、図１に示すインバータ装置の動作特性を示すグラフである。図２の横軸はスイッチング回路（１３）への出力電圧設定値となる電力調整回路（２３）の出力を示し、縦軸は、ＰＦＭ回路（４２）又はＰＷＭ回路（２４）の出力であるパルス信号の周波数や時比率λ値を示し、最大負荷時は共振周波数（ｆｃ）近傍の周波数を出力し、出力電力の大きいときは周波数制御を行い、軽負荷になるほど周波数が上昇する。
【００１９】
周波数設定回路（４３）に予め設定された任意の最高周波数以上になると、それ以降の周波数上昇は抑制され、代わりにＰＷＭ回路の時比率λ（１周期中でのオン期間比率）を調整し、基準電力値に向かって動作する。出力が減少するにしたがって、最高周波数を維持する状態で、時比率λは減少する。
【００２０】
逆に、最小出力時は、図３（ｃ）に示すように、ＰＦＭ回路（４２）出力は最高周波数で、ＰＷＭ回路（２４）の出力の時比率λは最小値となる。図３（ｂ）に示すように、出力の増大に伴いＰＦＭ回路（４２）の出力は最高周波数を維持し、ＰＷＭ回路（２４）の出力の時比率λは増大する。時比率λが最大値となると、図３（ａ）に示すように、それ以降の出力に対し時比率λを最大値に固定し、ＰＦＭ回路（４２）の出力する周波数を共振周波数（ｆｃ）に近づける。最大負荷時は共振周波数（ｆｃ）近傍の周波数まで出力周波数を低下する。
【００２１】
前記のように調整することにより、共振負荷回路（３）に供給される有効電力をより広い範囲で調整でき、ＰＷＭ回路（２４）とＰＦＭ回路（４２）との連続制御動作時にスイッチング回路（１３）を円滑に動作させることができる。
【００２２】
図１〜図３に示す実施の形態の説明では、ハーフブリッジ方式の電圧形インバータ装置について説明したが、フルブリッジ方式の電圧形インバータ装置、ハーフブリッジ方式で共振用コンデンサを２個用いた電圧形インバータ装置でも、本発明の制御方法を実施することができる。本発明によるインバータ装置では、加熱電力をより広い範囲で調整して被加熱物を誘導加熱することができるので、例えば、被加熱物が多彩で、その加熱電力も広範囲にわたる電磁調理器のインバータ装置として好適である。
【００２３】
【発明の効果】
前記の通り、本発明では、ＰＷＭ回路とＰＦＭ回路とを個別に制御する切替回路を必要とせず、切替損失を回避すると共に、回路構成を簡素化することができる。また、共振負荷回路の共振周波数を常時最適値に設定すると共に、広範囲且つ連続的に供給電力を調整し、最適の周波数出力で電力を効率よく共振負荷回路に供給することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による実施の形態を示すインバータ装置の回路図
【図２】図１に示すインバータ装置の動作特性を示すグラフ
【図３】図１に示すインバータ装置の各モード時のタイムチャート
【図４】従来のインバータ装置を示す回路図
【図５】従来の他のインバータ装置を示す回路図
【符号の説明】
（１）・・直流電源、 （２）・・交流変換回路、 （３）・・共振負荷回路、（４）・・制御回路、 （１３）・・スイッチング回路、 （２１）・・電力設定回路、 （２２）・・電力検出回路、 （２３）・・電力調整回路、 （２４）・・ＰＷＭ回路、 （２５）・・駆動回路、 （４２）・・ＰＦＭ回路、 （４３）・・周波数設定回路、
【発明の属する技術分野】
本発明は、インバータ装置、特に周波数とパルス幅とを重畳して制御した所望の高周波電力を共振負荷回路に供給するインバータ装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
図４に示す従来のインバータ装置は、直流電源（１）と、直流電源（１）から供給される直流電力を高周波交流電力に変換するスイッチング動作を行うスイッチング回路（１３）を有する交流変換回路（２）と、交流変換回路（２）の出力端子に接続された共振負荷回路（３）と、交流変換回路（２）のスイッチング回路（１３）にスイッチング動作を行わせる制御パルス信号（ＶＧ）を出力して、共振負荷回路（３）に高周波電力を供給する制御回路（４）とを備えている。
【０００３】
直流電源（１）は、商用電源等の交流電源（１０）と、ダイオードをブリッジ接続して構成されて交流電源（１０）の交流電力を直流電力に変換する整流回路（１１）と、整流回路（１１）の出力を平滑するコンデンサ（１２）とを備えている。スイッチング回路（１３）は、整流回路（１１）の正側端子と負側端子とに直列に接続されたそれぞれＩＧＢＴ（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）型の第１のスイッチング素子（１３ａ）と第２のスイッチング素子（１３ｂ）と、第１のスイッチング素子（１３ａ）と第２のスイッチング素子（１３ｂ）にそれぞれ逆並列に接続されたスナバダイオード（１３ｃ，１３ｄ）とを有する。第２のスイッチング素子（１３ｂ）に対し並列に接続される共振負荷回路（３）は、交流変換回路（２）から供給される高周波電力により鉄等の金属から成る被加熱物を誘導加熱する加熱コイル（３ａ）と、加熱コイル（３ａ）に直列に接続された共振用コンデンサ（３ｂ）とを備えている。
【０００４】
制御回路（４）は、共振負荷回路（３）への基準電力値を表す出力を発生する電力設定回路（２１）と、交流変換回路（２）から共振負荷回路（３）に供給される有効電力値を検出する電力検出回路（２２）と、電力検出回路（２２）が検出した有効電力値と電力設定回路（２１）の基準電力値とから偏差を演算して、調整出力を発生する電力調整回路（２３）と、電力調整回路（２３）の調整出力に従って偏差を減少する制御パルス信号（ＶＧ）のパルス周波数を決定する制御信号を発生するＰＦＭ回路（４２）と、ＰＦＭ回路（４２）の制御信号を受信して、交流変換回路（２）のスイッチング回路（１３）をスイッチング動作させる制御パルス信号（ＶＧ）を出力する駆動回路（２５）とを備えている。
【０００５】
電力検出回路（２２）は、交流変換回路（２）に入力されるコンデンサ（１２）の両端電圧を検出する電圧検出回路（１４）と、直流電源（１）から交流変換回路（２）への経路に流れる電流を検出する電流検出回路（１５）とに接続される。電力検出回路（２２）は、電圧検出回路（１４）の検出電圧値と電流検出回路（１５）の検出電流値との乗算値を有効電力の検出値として電力調整回路（２３）に出力する図示しない乗算回路を備えている。
【０００６】
図４に示すインバータ装置（２）は、ハーフブリッジ方式の電圧形インバータ装置と称され、駆動回路（２５）の制御パルス信号（ＶＧ）により、ＩＧＢＴとダイオードとの逆並列回路で構成された第１のスイッチング素子（１３ａ）と第２のスイッチング素子（１３ｂ）を交互にオン・オフさせる。その際に、共振負荷回路（３）の加熱コイル（３ａ）と共振用コンデンサ（３ｂ）とから導出される共振周波数（ｆｃ）の周期に等しい周波数より高い周期で論理「Ｈ」レベルと論理「Ｌ」レベルとを繰り返すパルス信号をＰＦＭ回路（４２）から生成する。このとき、共振周波数（ｆｃ）に近い周波数でスイッチング動作を反復させて電力を共振負荷回路（３）に供給し、更に共振周波数（ｆｃ）より高い周波数でオン・オフを反復させて制御することにより、加熱コイル（３ａ）内の図示しない被加熱物を誘導加熱すると共に、共振負荷回路（３）に供給される有効電力を基準電力値に調整する。
【０００７】
図５は、有効電力値が基準電力値を超えるときにＰＷＭ制御に切り換えると共に、有効電力値が基準電力値に満たないときにＰＦＭ制御に切り換える切替回路（４１）を備え、共振負荷回路（３）への出力電力をより広範囲に制御する下記特許文献１に開示された従来の他のインバータ装置を示す。
【０００８】
図５に示すインバータ装置では、切替回路（４１）とＰＷＭ回路（２４）とが図４のインバータ装置に付加される。電力調整回路（２３）では、電力設定回路（２１）の基準電力値と電力検出回路（２２）の有効電力値との偏差を零にすべく比例−積分（ＰＩ）演算を行う。演算された有効電力値がＰＷＭ回路（２４）での時比率λ値を０．１以下にするとき、有効電力値が時比率λ＝０．１にする値を基準電力値として、λ＜０．１に対応する有効電力値をＰＦＭ回路（４２）へ別途入力するように切替回路（４１）によりＰＷＭ回路（２４）からＰＦＭ回路（４２）に切り換える。
【０００９】
ＰＦＭ回路（４２）では入力された有効電力値に基づき周波数変調（ＰＦＭ）演算を行い、演算された周波数の論理「Ｈ」レベルと論理「Ｌ」レベルとにより構成されるパルス信号を駆動回路（２５）へ出力する。このとき、ＰＦＭ回路（４２）での時比率λはインバータ装置が安定に動作する任意の値とし、共振負荷回路（３）の加熱コイル（３ａ）と共振用コンデンサ（３ｂ）とから導出される共振周波数（ｆｃ）の周期より小さい方向にパルス信号の反復周期を変更することにより、インバータ装置の安定動作領域で共振負荷回路（３）に供給する有効電力をより広い範囲で減少させることができる。
【００１０】
【特許文献１】
特開２００１−１２８４６２（図１、第３頁）
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
図４に示すインバータ装置では、例えば、共振周波数（ｆｃ）より大幅に上昇する周波数に出力高周波電力を調整する必要があるが、スイッチング素子（１３ａ， １３ｂ）を構成するＩＧＢＴはスイッチングスピードが遅く、周波数を高くすると十分追従動作することができず、スイッチング回路（１３）の動作が不安定になる恐れがある。その結果、インバータ装置の必要な高周波電力、即ち、共振負荷回路（３）に注入できる有効電力を広範囲に調整できない難点があった。
【００１２】
その対策として、図５では、切替回路（４１）により有効電力値が基準電力値を超えるときＰＷＭ制御に切り換え、有効電力値が基準電力値に満たないときＰＦＭ制御に切り換えて、共振負荷回路（３）への出力電力をより広範囲に制御するが、共振周波数（ｆｃ）近傍でＰＷＭ制御により時比率λを絞り込むとき、周波数制御が不能となり、時比率を過度に小さくすると共振負荷回路（３）との整合が取れず、共振はずれを発生し、最低時比率の制御に限界があり、スイッチング素子が破損する重大な難点があった。
本発明は、共振負荷回路に注入する有効電力をより広い範囲で調整できるインバータ装置を提供することを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明によるインバータ装置は、直流電源（１）と、直流電源（１）から供給される直流電力を高周波交流電力に変換するスイッチング動作を行うスイッチング回路（１３）を有する交流変換回路（２）と、交流変換回路（２）の出力端子に接続された共振負荷回路（３）と、交流変換回路（２）のスイッチング回路（１３）にスイッチング動作を行わせる制御パルス信号（ＶＧ）を出力して、共振負荷回路（３）に高周波電力を供給する制御回路（４）とを備えている。制御回路（４）は、基準電力値を表す出力を発生する電力設定回路（２１）と、交流変換回路（２）から共振負荷回路（３）に供給される有効電力値を検出する電力検出回路（２２）と、電力検出回路（２２）が検出した有効電力値と電力設定回路（２１）の基準電力値とから偏差を演算して、調整出力を発生する電力調整回路（２３）と、電力調整回路（２３）の調整出力に従って偏差を減少する制御パルス信号（ＶＧ）のパルス幅を決定する制御信号を発生するＰＷＭ回路（２４）と、ＰＷＭ回路（２４）の制御信号を受信して、交流変換回路（２）のスイッチング回路（１３）をスイッチング動作させる制御パルス信号（ＶＧ）を出力する駆動回路（２５）とを備えている。電力調整回路（２３）の調整出力を受信して制御パルス信号（ＶＧ）の周波数（ｆ）を決定する周波数制御信号をＰＦＭ回路（４２）により発生し、ＰＦＭ回路（４２）の周波数制御信号をＰＷＭ回路（２４）に付与する。ＰＷＭ回路（２４）は、ＰＦＭ回路（４２）が決定した周波数（ｆ）での制御パルス信号（ＶＧ）の時比率（λ）を決定する。ＰＦＭ回路（４２）は、電力調整回路（２３）の調整出力により最適の周波数出力を発生し、ＰＷＭ回路（２４）は、ＰＦＭ回路（４２）から発生する周波数出力のパルス幅を重畳して制御するので、ＰＷＭ回路（２４）とＰＦＭ回路（４２）とを個別に制御する切替回路を必要とせず、切替損失を回避すると共に、回路構成を簡素化することができる。また、共振負荷回路（３）の共振周波数（ｆＣ）を常時最適値に設定すると共に、広範囲且つ連続的に供給電力を調整し、共振負荷回路（３）に電力を効率よく供給することが可能となる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明によるインバータ装置の実施の形態を図１〜図３について説明する。図１では、図４及び図５に示す箇所と同一の部分には同一の符号を付して説明を省略する。
図１に示すように、本発明では、予め設定された上限周波数（ｆＭＡＸ）を記憶し、制御パルス信号（ＶＧ）の周波数（ｆ）が上限周波数（ｆＭＡＸ）に達したときにＰＦＭ回路（４２）に保持信号を出力する周波数設定回路（４３）と、電力調整回路（２３）の調整出力を受信して制御パルス信号（ＶＧ）の周波数（ｆ）を決定する周波数制御信号を発生するＰＦＭ回路（４２）と、ＰＦＭ回路（４２）の周波数制御信号が付与されてＰＦＭ回路（４２）が決定した周波数（ｆ）での制御パルス信号（ＶＧ）の時比率（λ）を決定するＰＷＭ回路（２４）とをインバータ装置に設ける。
【００１５】
周波数設定回路（４３）の保持信号を受信したとき、ＰＦＭ回路（４２）は、制御パルス信号（ＶＧ）の周波数（ｆ）を上限周波数（ｆＭＡＸ）に保持する。ＰＷＭ回路（２４）は、ＰＦＭ回路（４２）から受信した周波数と電力調整回路（２３）から受信した電力調整信号からパルス幅信号を決定する出力を形成して、駆動回路（２５）に出力を付与する。ＰＦＭ回路（４２）は、電力調整回路（２３）の調整出力により最適の周波数出力を発生し、ＰＷＭ回路（２４）は、ＰＦＭ回路（４２）から発生する周波数にパルス幅を重畳して制御するので、ＰＷＭ回路（２４）とＰＦＭ回路（４２）とを個別に制御する切替回路を必要とせず、切替損失を回避すると共に、回路構成を簡素化することができる。また、共振負荷回路（３）の共振周波数（ｆＣ）を常時最適値に設定すると共に、広範囲且つ連続的に供給電力を調整し、共振負荷回路（３）に電力を効率よく供給することが可能となる。
【００１６】
ＰＦＭ回路（４２）により制御される制御パルス信号（ＶＧ）の周波数（ｆ）が上限周波数（ｆＭＡＸ）に達したときに、制御パルス信号（ＶＧ）の周波数（ｆ）を上限周波数（ｆＭＡＸ）に保持して、ＰＷＭ回路（２４）により制御パルス信号（ＶＧ）の時比率（λ）を制御するので、共振負荷回路（３）の共振周波数（ｆＣ）よりも十分に高い上限周波数（ｆＭＡＸ）でも制御パルス信号（ＶＧ）の時比率（λ）を絞り込むことができる。また、制御パルス信号（ＶＧ）の周波数（ｆ）が上限周波数（ｆＭＡＸ）以上に上昇せずに、制御パルス信号（ＶＧ）の時比率（λ）を広い範囲で制御することができる。例えば電磁調理器等として使用される鉄鍋等の被加熱物を誘導加熱する際に、加熱コイル（３ａ）に供給される高周波電力のレベル及び周波数並びに被加熱物への加熱量をより広範囲に調整することができる。
【００１７】
電力調整回路（２３）では、基準電力値と有効電力検出値との偏差を零にすべく比例−積分（ＰＩ）演算を行い、この演算結果としてのインバータ装置（４）の有効電力値がＰＦＭ回路（２４）の周波数を可変するが、ＰＦＭ回路（２４）の周波数が周波数設定回路（４３）の予め設定された任意の最高周波数に達すると、それ以上の周波数上昇を阻止し、代わりにＰＷＭ回路（２４）の時比率λ（１周期中のオン期間比率）を調整し、基準電力値になるよう動作する。ＰＷＭ回路（２４）では入力された有効電力値に基づきパルス幅変調（ＰＷＭ）演算を行い、この演算結果のパルス信号を駆動回路（２５）へ出力する。このとき、パルス周波数変調（ＰＦＭ）の発振周波数（上限周波数（ｆＭＡＸ））は共振負荷回路（３）の共振周波数（ｆＣ）より十分に高い。ＰＷＭ回路（２４）でパルス幅変調を行うことにより、インバータ装置（４）の動作が安定な領域で共振負荷回路（３）に注入する有効電力をより広い範囲で電力制御を行うことができる。
【００１８】
図２は、図１に示すインバータ装置の動作特性を示すグラフである。図２の横軸はスイッチング回路（１３）への出力電圧設定値となる電力調整回路（２３）の出力を示し、縦軸は、ＰＦＭ回路（４２）又はＰＷＭ回路（２４）の出力であるパルス信号の周波数や時比率λ値を示し、最大負荷時は共振周波数（ｆｃ）近傍の周波数を出力し、出力電力の大きいときは周波数制御を行い、軽負荷になるほど周波数が上昇する。
【００１９】
周波数設定回路（４３）に予め設定された任意の最高周波数以上になると、それ以降の周波数上昇は抑制され、代わりにＰＷＭ回路の時比率λ（１周期中でのオン期間比率）を調整し、基準電力値に向かって動作する。出力が減少するにしたがって、最高周波数を維持する状態で、時比率λは減少する。
【００２０】
逆に、最小出力時は、図３（ｃ）に示すように、ＰＦＭ回路（４２）出力は最高周波数で、ＰＷＭ回路（２４）の出力の時比率λは最小値となる。図３（ｂ）に示すように、出力の増大に伴いＰＦＭ回路（４２）の出力は最高周波数を維持し、ＰＷＭ回路（２４）の出力の時比率λは増大する。時比率λが最大値となると、図３（ａ）に示すように、それ以降の出力に対し時比率λを最大値に固定し、ＰＦＭ回路（４２）の出力する周波数を共振周波数（ｆｃ）に近づける。最大負荷時は共振周波数（ｆｃ）近傍の周波数まで出力周波数を低下する。
【００２１】
前記のように調整することにより、共振負荷回路（３）に供給される有効電力をより広い範囲で調整でき、ＰＷＭ回路（２４）とＰＦＭ回路（４２）との連続制御動作時にスイッチング回路（１３）を円滑に動作させることができる。
【００２２】
図１〜図３に示す実施の形態の説明では、ハーフブリッジ方式の電圧形インバータ装置について説明したが、フルブリッジ方式の電圧形インバータ装置、ハーフブリッジ方式で共振用コンデンサを２個用いた電圧形インバータ装置でも、本発明の制御方法を実施することができる。本発明によるインバータ装置では、加熱電力をより広い範囲で調整して被加熱物を誘導加熱することができるので、例えば、被加熱物が多彩で、その加熱電力も広範囲にわたる電磁調理器のインバータ装置として好適である。
【００２３】
【発明の効果】
前記の通り、本発明では、ＰＷＭ回路とＰＦＭ回路とを個別に制御する切替回路を必要とせず、切替損失を回避すると共に、回路構成を簡素化することができる。また、共振負荷回路の共振周波数を常時最適値に設定すると共に、広範囲且つ連続的に供給電力を調整し、最適の周波数出力で電力を効率よく共振負荷回路に供給することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による実施の形態を示すインバータ装置の回路図
【図２】図１に示すインバータ装置の動作特性を示すグラフ
【図３】図１に示すインバータ装置の各モード時のタイムチャート
【図４】従来のインバータ装置を示す回路図
【図５】従来の他のインバータ装置を示す回路図
【符号の説明】
（１）・・直流電源、 （２）・・交流変換回路、 （３）・・共振負荷回路、（４）・・制御回路、 （１３）・・スイッチング回路、 （２１）・・電力設定回路、 （２２）・・電力検出回路、 （２３）・・電力調整回路、 （２４）・・ＰＷＭ回路、 （２５）・・駆動回路、 （４２）・・ＰＦＭ回路、 （４３）・・周波数設定回路、
Claims (3)
- 直流電源と、該直流電源から供給される直流電力を高周波交流電力に変換するスイッチング動作を行うスイッチング回路を有する交流変換回路と、該交流変換回路の出力端子に接続された共振負荷回路と、前記交流変換回路のスイッチング回路にスイッチング動作を行わせる制御パルス信号を出力して、前記共振負荷回路に高周波電力を供給する制御回路とを備え、
該制御回路は、基準電力値を表す出力を発生する電力設定回路と、前記交流変換回路から前記共振負荷回路に供給される有効電力値を検出する電力検出回路と、前記電力検出回路が検出した有効電力値と前記電力設定回路の基準電力値とから偏差を演算して、調整出力を発生する電力調整回路と、該電力調整回路の調整出力に従って前記偏差を減少する前記制御パルス信号のパルス幅を決定する制御信号を発生するＰＷＭ回路と、該ＰＷＭ回路の制御信号を受信して、前記交流変換回路のスイッチング回路をスイッチング動作させる制御パルス信号を出力する駆動回路とを備えたインバータ装置において、
前記電力調整回路の調整出力を受信して前記制御パルス信号の周波数を決定する周波数制御信号をＰＦＭ回路により発生し、
該ＰＦＭ回路の周波数制御信号を前記ＰＷＭ回路に付与し、
前記ＰＷＭ回路は、前記ＰＦＭ回路が決定した周波数での前記制御パルス信号の時比率を決定することを特徴とするインバータ装置。 - 予め設定された上限周波数を記憶し、前記制御パルス信号の周波数が上限周波数に達したときに前記ＰＦＭ回路に保持信号を出力する周波数設定回路を備え、
前記ＰＦＭ回路は、前記周波数設定回路の保持信号を受信したとき、前記制御パルス信号の周波数を前記上限周波数に保持する請求項１に記載のインバータ装置。 - 前記ＰＷＭ回路は、前記ＰＦＭ回路から受信した周波数を表す出力からパルス幅信号を決定する出力を形成して、前記駆動回路に出力を付与する請求項１又は２に記載のインバータ装置。
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