JP2008159505A

JP2008159505A - 誘導加熱装置

Info

Publication number: JP2008159505A
Application number: JP2006349001A
Authority: JP
Inventors: Kenichiro Nishi; 健一郎西; Hiroyasu Shiichi; 広康私市
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2006-12-26
Filing date: 2006-12-26
Publication date: 2008-07-10
Anticipated expiration: 2026-12-26
Also published as: JP4494397B2

Abstract

【課題】回路構成の簡素化、コスト低減を図り、およびノイズ耐性の大きい誘導加熱装置を得る。
【解決手段】商用交流電源１を全波整流回路２と平滑コンデンサ３とチョークコイル４によって変換された直流電圧は、制御部７によるスイッチング素子５３と５４の駆動により高周波電流に変換され、加熱コイル５１と共振コンデンサ５２を流れる。また、上記直流電圧は、制御部７によるスイッチング素子６３〜６６の駆動により高周波電流に変換され、加熱コイル６１と共振コンデンサ６２を流れる。制御回路７はフルブリッジインバータ回路６を人の可聴域を外れた２０ｋＨｚ〜３０ｋＨｚで駆動し、ハーフブリッジインバータ回路５を人の可聴域を外れた４０ｋＨｚ以上で駆動する。また、上記双方のインバータ回路は、スイッチング素子を２個直列接続して成るアームを３組内蔵する１つのＩＰＭ（Intelligent Power Module）で構成される。
【選択図】図１

Description

本発明は、少なくとも１つのフルブリッジ構成のインバータ回路によって駆動される誘導加熱コイルと、少なくとも１つのハーフブリッジ構成のインバータ回路によって駆動される誘導加熱コイルを備えた誘導加熱装置に関するものであり、インバータ回路及びその制御部の制御によって、上記誘導加熱コイルを同時に又は選択して使用することが可能な誘導加熱装置に関する。

誘導加熱装置は、交流電源を整流回路で直流電源に変換し、この直流電源をインバータ回路に供給して高周波交流電流に変換し、この高周波交流電流を加熱コイルに流すことで加熱コイルに交番磁界を発生させるものである。この交番磁界により、トッププレートを介して加熱コイルに近接配置された鍋などの磁性材料で構成された金属製調理具（負荷と呼ぶこともある）の底に渦電流を発生させ、発生した渦電流と金属製調理具の抵抗により発生する熱を利用して調理が行なわれる。

ところで、誘導加熱調理装置の第１の従来技術として、ハーフブリッジ構成のスイッチング素子を用いた２口以上の誘導加熱装置で、２個のスイッチング素子を交互に導通させる駆動部を備え、この駆動部は、上記２個のスイッチング素子の制御を、導通比一定で周波数を変化させながら導通させる方法と、一定の周波数で導通比を変化させながら導通させる方法とに切り替え、あるいは同時に使用し、１口のみで使用するときには、２口以上を同時に使用するときよりもパワーを大きくすることができる技術が開示されている（例えば、特許文献１参照）。

第２の従来技術として、フルブリッジ構成のスイッチング素子を用いた加熱装置で、加熱出力に応じて遅延量のみを変えた制御信号を個別の電流経路のスイッチング素子に供給しオン／オフ駆動させることにより、インバータ回路の周波数の相違に起因する干渉音の発生を防止する技術が開示されている（例えば、特許文献２参照）。

特開平５−３１５０６９号公報（段落００１２、図１）特開平９−１８５９８６号公報（段落０００９、図１）

特許文献１で示される従来の誘導加熱装置では、その負荷回路である複数の加熱コイルを駆動するインバータ回路を加熱口毎に備え、インバータ回路をそれぞれディスクリート部品で加熱口毎に個別に構成しており、その結果、回路規模の増大やコストの増大を招くだけでなく、ノイズ耐性の向上を図ることが困難であるという問題があった。

この発明は、このような問題を解決するためになされたものであり、回路構成の簡素化とコスト低減を図り、さらにノイズ耐性の大きい誘導加熱装置を得ることを目的とする。

本発明に係る誘導加熱装置は、少なくとも２つの各加熱コイルと対応する共振コンデンサから成る負荷回路を駆動するインバータ回路を、スイッチング素子を２個直列接続したアームを３組内蔵する１つのＩＰＭ（Intelligent Power Module）で構成したものである。

この発明によれば、少なくとも２つの加熱コイルを駆動するインバータ回路を、スイッチング素子を２個直列接続したアームを３組内蔵する１つのＩＰＭで構成するので、回路構成の簡素化とコスト低減が図れ、さらにノイズ耐性が向上するという効果がある。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１における誘導加熱装置の構成を示す回路図である。同図において、誘導加熱装置１０は、商用交流電源１とダイオードブリッジで構成される全波整流器２と平滑コンデンサ３とチョークコイル４とハーフブリッジ構成のインバータで構成される加熱回路５（以下、ハーフブリッジ回路という）と、フルブリッジ構成のインバータで構成される加熱回路（以下、フルブリッジ回路という）６と、これらを制御する制御回路７で構成される。
また、ハーフブリッジ回路５は、加熱コイル５１と、共振コンデンサ５２と、２つのスイッチング素子５３、５４と、これらのスイッチング素子がＯＦＦした時のスパイク電圧の発生を防止するスナバコンデンサ５５とから構成される。
また、フルブリッジ回路６は、加熱コイル６１と、共振コンデンサ６２と、４つのスイッチング素子６３〜６６と２つのスナバコンデンサ６７、６８とから構成される。

次に、実施の形態１の動作について図１を用いて説明する。
商用交流電源１から出力された交流電圧は、全波整流回路２によって全波整流されて直流電圧に変換される。また、平滑用コンデンサ３とチョークコイル４で構成されるフィルタによって、回路後段のインバータ回路（後述）で発生する高周波成分を低減するものである。ダイオードブリッジ２で全波整流された直流電圧は、ハーフブリッジ構成のインバータ回路（以下、ハーフブリッジ回路と呼ぶ）５とフルブリッジ構成のインバータ回路（以下、フルブリッジ回路と呼ぶ）６に供給される。

一方、制御部７は、ハーフブリッジ回路５のスイッチング素子５３、５４を高周波駆動するための原信号をＩＰＭ９（後述）に与え、スイッチング素子５３、５４が交互に高周波駆動されるとともに、共振コンデンサ５２の充放電を利用し、加熱コイル５１に高周波電流が流れる。この場合、ハーフブリッジ構成のインバータ回路であるため加熱コイル５１には電源電圧の半分しか印加されず、出力可能な火力は小さい。また制御部７はフルブリッジ回路６のスイッチング素子６３、６４、６５、６６を高周波駆動するための原信号をＩＰＭ９（後述）に与え、スイッチング素子６３と６６の組、６４と６５の組が交互に高周波駆動されることで、加熱コイル６１に高周波電流が流れる。この場合、フルブリッジ構成のインバータ回路であるため加熱コイル６１には電源電圧がそのまま印加されるため、出力可能な火力は加熱コイル５１よりも大きい。
従って、使用者は、調理の形態に応じて、出力可能な火力の大きい側（以下、火力大側と呼ぶ）加熱コイル６１と出力可能な火力の小さい側（以下、火力小側と呼ぶ）の加熱コイル５１を使い分けることができるので、調理効率が向上する。
また、制御部７には誘導加熱装置の負荷である鍋の材質を判定する負荷材質判定手段７０と鍋の材質と前記インバータ回路の動作条件とを対応させたテーブルを有し、この負荷材質判定手段７０が判定した鍋の材質と、負荷材質判定手段７０が判定した鍋の材質に応じて上記テーブルから鍋の材質に対応する動作周波数等を取得して、インバータ回路を駆動するように制御する。さらに、鍋に投入する加熱出力の制御は、後述の操作部において使用者が加熱出力の設定を行い、設定された加熱出力となるように、上述の取得した動作周波数や、導通比を変化させるように制御部７によって制御される。

ところで、２個のスイッチング素子を直列に接続したアームを３組（スイッチング素子の合計数は６個）と、それらのスイッチング素子を駆動するための駆動回路を内蔵したＩＰＭ（Intelligent Power Module）が３相モータ制御用インバータの構成部品として市販されている。そこで、上記ハーフブリッジ回路５のスイッチング素子５３と５４から構成されるアーム、及びフルブリッジ回路６のスイッチング素子６３と６４から構成されるアームと６５と６６から構成されるアームとして上記ＩＰＭ内蔵の３組のアームを流用することができる。
このＩＰＭを流用することで、本発明の誘導加熱装置は以下のＩＰＭ特有の優れた特徴を発揮することができる。
（１）スイッチング素子とそれらを駆動する回路はＩＰＭに内蔵されるため、回路のパターン配線が極めて短い。従って、パターン配線のインダクタンス成分が極めて小さく、ノイズが重畳しにくいため、ノイズ耐性が非常に良い。
（２）火力大側の加熱コイルで使用されるフルブリッジ回路と、火力小側の加熱コイルで使用されるハーフブリッジ回路の双方を１つのＩＰＭで構成できる。従って、それぞれのインバータに個別に駆動回路などを設ける必要がなく、回路構成を簡素化できる。
（３）従来は、上記インバータ回路のスイッチング素子をディスクリート部品で構成していたのに対して、１つのＩＰＭを利用するだけで済むため、小型化、省電力を図ることができる。
（４）インバータ回路の構成に際して、従来は部品点数が多く、作業工数が多かったのに対して、本発明では安価な市販品であるＩＰＭを１個利用するだけで済み、その結果作業工数も少ないため大幅なコスト低減を図ることができる。
（５）回路部品がチップ内に収容されているため、信頼性が高い。

実施の形態２．
この実施の形態２では、ＩＰＭで構成されたハーフブリッジ回路とフルブリッジ回路を制御部によってそれぞれ独立に制御する形態について説明する。
図２は、本発明の実施の形態２における誘導加熱装置の構成を示す回路図である。同図において、図１と同符号は同一または相当部分を示すので説明を省略する。制御部７は、ハーフブリッジ回路動作周波数設定部７１と、フルブリッジ回路動作周波数設定部７２とを備えており、操作部８には、火力小側の火力設定を行うスイッチ８１と火力大側の火力設定を行うスイッチ８２が設けられており、火力小側のスイッチ８１は、ハーフブリッジ回路動作周波数設定部７１と接続されている。また、火力大側のスイッチ８２は、フルブリッジ回路動作周波数設定部７２と接続されている。
また、ハーフブリッジ回路動作周波数設定部７１はＩＰＭ９内に備わり、スイッチング素子５３、５４を駆動する駆動回路に接続されている。
また、フルブリッジ回路動作周波数設定部７２はＩＰＭ９内に備わり、スイッチング素子６３〜６６を駆動する駆動回路に接続されている。

次に、実施の形態２の動作について図２を用いて説明する。実施の形態１と同じ部分については説明を省略し、異なる部分について説明する。
使用者は、調理の際に、調理対象の種類や量に応じて、操作部８の火力小側のスイッチ８１と火力大側のスイッチ８２の両方またはいずれか一方を使い分ける。
使用者が火力小側のスイッチ８１を操作し、加熱コイルの５１の火力を調整しようとする場合には、火力小側のスイッチ８１から火力に応じた制御信号を発生し、この信号はハーフブリッジ回路動作周波数設定部７１に送られる。ハーフブリッジ回路動作周波数設定部７１は、火力小側のスイッチ８１から火力に応じた制御信号が入力されると、その制御信号に応じた駆動用原信号を生成し、ＩＰＭ９内の駆動回路に入力し、ハーフブリッジ回路５を駆動する。
また、使用者が火力大側のスイッチ８２を操作した場合には、火力大側のスイッチ８２から火力に応じた制御信号を発生し、この信号はフルブリッジ回路動作周波数設定部７２に送られる。フルブリッジ回路動作周波数設定部７２は、火力大側のスイッチ８２から火力に応じた制御信号が入力されると、その制御信号に応じた駆動用原信号を生成し、ＩＰＭ９内の駆動回路に入力し、フルブリッジ回路６を駆動する。
ここで、ハーフブリッジ回路動作周波数設定部７１とフルブリッジ回路動作周波数設定部７２の動作周波数の決定方法について説明する。火力に応じた制御信号がハーフブリッジ回路動作周波数設定部７１もしくはフルブリッジ回路動作周波数設定部７２に入力されると、火力投入前に制御部７の負荷材質判定手段７０によって先ず、負荷である鍋の材質を判定する動作を実行する。また、鍋の材質を判定する目的としては、鍋と加熱コイル及び共振コンデンサから成る負荷の回路の共振点が、鍋の材質や鍋の大きさ等によって変化するため、その共振点よりも遅れの位相の範囲で適切な動作周波数を選定する必要があるためである。判定の仕方には種々方法があるが、例えば、ある動作周波数でインバータ回路を駆動し、そのときの加熱コイルに流れる電流或いは、インバータ回路に流れる電流などと、制御部７に有している負荷の材質と前記インバータ回路の動作条件（ある周波数で動作させたときの加熱コイル電流やインバータ回路電流など）とを対応させたテーブルから鍋の材質を判定し、インバータ回路の動作周波数を決定する。
インバータ回路の動作周波数を決定した後、火力に応じた例えば導通比を決定し、ハーフブリッジ回路動作周波数設定部７１やフルブリッジ回路動作周波数設定部７２で、それぞれの駆動用原信号を生成する。
火力小側のスイッチ８１と火力大側のスイッチ８２の双方を操作した場合には、同様にして、ハーフブリッジ回路５はハーフブリッジ回路動作周波数設定部７１が設定した周波数で駆動され、同時にフルブリッジ回路６はフルブリッジ回路動作周波数設定部７２が設定した周波数で駆動される。これにより、ハーフブリッジ回路５とフルブリッジ回路６はそれぞれ独立した周波数で動作する。

このように、火力小側のハーフブリッジ回路５の動作周波数と、火力大側のフルブリッジ回路６の動作周波数をそれぞれのインバータ回路の負荷である鍋の材質に適した動作周波数で駆動することが可能である。

次に、動作周波数について説明する。
人の可聴域は一般に２０Ｈｚ〜２０ｋＨｚとされており、この領域を外す必要がある。
また、家電機器などに用いられる赤外線リモコンの使用周波数帯域は、３０ｋＨｚ〜４０ｋＨｚ付近が多く使われており、このような周波数帯域も外して使用することが望ましい。
また、ハーフブリッジ回路５とフルブリッジ回路６を同時に動作させたときに双方の動作周波数によって発生する周波数の差が可聴域に入ると干渉音となるので、これを防ぐ必要がある。
また、鍋と加熱コイルと共振コンデンサとで構成される負荷回路のインピーダンスＺは、周波数をｆとすると、次の式１によって表される。
Ｚ＝（Ｒ²＋（２πｆＬ−１／２πｆＣ）²）^1/2………（１）
ここで、Ｒは加熱コイルと共振コンデンサから構成される負荷回路の抵抗Ｒ、Ｌは加熱コイルのインダクタンス、Ｃは共振コンデンサの容量である。
この式１から分かるように、抵抗Ｒは一定であるから第１項は一定であり、第２項は周波数ｆの増加とともに増大し、第３項は周波数ｆの増加とともに０に近づく。従って、２０ｋＨｚ以上の高周波領域では、インピーダンスＺに対するインダクタンス成分Ｌによる寄与が相当大きくなる。従って、周波数が低いほどインピーダンスが小さく、周波数が高いほどインピーダンスが大きくなる。
また、消費電力Ｐは、電圧をＶとすると、次の式２によって表される。
Ｐ＝Ｖ²／Ｚ………………………（２）
火力は消費電力Ｐに比例するので、式２より火力はインピーダンスに反比例する。従って、同じ電圧であれば周波数が低いほど火力が大きく設定可能で、周波数が高いほど得られる火力は小さくなる。
また、インバータ回路方式の違いによる火力に違いについては上述したように、ハーフブリッジ構成のインバータ回路の場合には、加熱コイル５１には電源電圧の半分しか印加されないため、出力可能な火力は小さい。また、フルブリッジ構成のインバータ回路の場合には、加熱コイル６１には電源電圧がそのまま印加されるため、出力可能な火力は加熱コイル５１よりも大きくなる。
以上の全ての条件を考慮すると、火力大側のフルブリッジ回路６の動作周波数を２０ｋＨｚ〜３０ｋＨｚとし、火力小側のハーフブリッジ回路５の動作周波数を４０ｋＨｚ以上とするのが好ましいことが分かる。
そこで、操作部８の火力大側のスイッチ８２が操作された場合には、このスイッチ８２からの信号を受けた制御部７のフルブリッジ回路動作周波数設定部７２は、上述のように鍋の材質の判定を行った後、図３に示すようにフルブリッジ回路６の動作周波数を相対的に低い２０〜３０ｋＨｚに設定し、操作部８の火力が小さい側のスイッチ８１が操作された場合には、このスイッチ８１からの信号を受けた制御部７のハーフブリッジ回路動作周波数設定部７１は、同様に鍋の材質の判定を行った後、図３に示すようにハーフブリッジ回路５の動作周波数を相対的に高い４０ｋＨｚ以上に設定する。

これにより、火力大側と火力小側で駆動周波数を独立して設定可能であるため、それぞれのインバータ回路の負荷である鍋の材質に適した周波数で駆動することが可能である。
また、火力大側のフルブリッジ回路の動作周波数を相対的に低い２０ｋＨｚ〜３０ｋＨｚに設定し、火力小側のハーフブリッジ回路の動作周波数を相対的に高い４０ｋＨｚ以上に設定するため、加熱口に応じた火力を得ることができ、快適な調理を楽しむことが可能になる。
さらに、動作周波数は、フルブリッジ回路６側を相対的に低い２０ｋＨｚ〜３０ｋＨｚに、ハーフブリッジ回路５側を相対的に高い４０ｋＨｚ以上に設定するため、加熱口に応じた火力を得ることができ、快適な調理を楽しむことができる。
また、火力大側と小側の同時駆動時には、例えば、火力大側の動作周波数を２２ｋＨｚに設定し、火力小側の動作周波数を４５ｋＨｚに設定すれば、火力大側と火力小側の動作周波数の差は人の可聴域から外れた２０ｋＨｚ以上となるため、干渉音の発生を抑制することが可能になる。

また、制御部７は負荷材質判定手段７０を備えているので、火力大側の加熱コイル６１および火力小側の加熱コイル５１に載置する鍋の材質に応じて適切な動作周波数を設定することができる。この場合、制御部７は、予め図４に示すような火力大側および火力小側における鍋の材質と動作周波数との対応を表すテーブルを内部の記憶部（図示せず）に記憶させておく。そして、設定部８の火力大側のスイッチ８２または火力小側のスイッチ８１から使用者が加熱の開始や火加減（火力の制御）を行った場合に制御信号を発生し、この信号はフルブリッジ回路動作周波数設定部７２に送られる。フルブリッジ回路動作周波数設定部７２は、火力大側のスイッチ８２から火力に応じた制御信号が入力されると、上述のように負荷材質判定手段７０によって先ず、負荷である鍋の材質を判定する動作を実行し、鍋の材質に対応した動作周波数を決定し、使用者のスイッチ８２操作による制御信号に応じた駆動用原信号を生成し、ＩＰＭ９内の駆動回路に入力し、フルブリッジ回路６を駆動する。設定部８の火力小側の設定スイッチ８１が操作された場合においても同様に、鍋の材質に対応した動作周波数を決定し、使用者のスイッチ８１操作による制御信号に応じた駆動用原信号を生成し、ＩＰＭ９内の駆動回路に入力し、ハーフブリッジ回路６を駆動する。
これにより、使用する鍋の材質などに応じた適切な動作周波数で調理を行うことができ、省電力を図りつつ快適な調理を楽しむことができる。

実施の形態３．
この実施の形態３では、ＩＰＭ内蔵の３アームが３つのハーフブリッジ回路に用いられる形態について説明する。
図５は、本発明の実施の形態３における誘導加熱装置の構成を示す回路図である。同図において、図１と同符号は同一または相当部分を示すので説明を省略する。誘導加熱装置１０は、３つの加熱コイル５１ａ〜５１ｃを備えた３口の誘導加熱装置である。これらの加熱コイル５１ａ〜５１ｃを駆動するインバータ回路は、ＩＰＭ内蔵の３アームを夫々単独で使用し、火力が相対的に小さい３つのハーフブリッジ回路を構成することが可能である。
制御部７は、これらの３つのハーフブリッジ回路の周波数を独立に駆動する。
これにより、１つのＩＰＭで３つの加熱コイルを駆動することが可能になり、装置の小型化、回路構成の簡素化、ノイズ耐性の向上が可能になる。

本発明の実施の形態１における誘導加熱装置の構成を示す回路図である。本発明の実施の形態２における誘導加熱装置の構成を示す回路図である。本発明の実施の形態２における火力大側の動作周波数範囲と火力小側の動作周波数範囲を示す図である。本発明の実施の形態２における火力大側および火力小側における鍋の材質と動作周波数との対応を示すテーブルである。本発明の実施の形態３における誘導加熱装置の構成を示す回路図である。

符号の説明

１商用交流電源、２全波整流器、３平滑コンデンサ、４チョークコイル、５ハーフブリッジ回路、５ａ〜ｃハーフブリッジ回路、６フルブリッジ回路、７制御部、８操作部、９ＩＰＭ（Intelligent Power Module）、１０誘導加熱装置、５１加熱コイル、５１ａ〜ｃ加熱コイル、５２共振コンデンサ、５２ａ〜ｃ共振コンデンサ、５３スイッチング素子、５４スイッチング素子、５５スナバコンデンサ、６３スイッチング素子、６４スイッチング素子、６５スイッチング素子、６６スイッチング素子、６７スナバコンデンサ、６８スナバコンデンサ、７０負荷材質判定手段、７１ハーフブリッジ回路動作周波数設定部、７２フルブリッジ回路動作周波数設定部、８１火力大側のスイッチ、８２火力小側のスイッチ。

Claims

鍋などの負荷を載置する天板と、
この天板の下側に配置され、前記負荷を誘導加熱する複数の加熱コイルと、
この加熱コイル毎に設けられた複数の共振コンデンサと、
前記加熱コイル毎に設けられ、交流電源を高周波電流に変換するスイッチング素子を備え、前記各加熱コイルと対応する前記共振コンデンサから成る負荷回路に前記高周波電流を流す複数のインバータ回路と、
このインバータを駆動制御する制御部と、を備え、
少なくとも２つの前記インバータ回路は、スイッチング素子を２個直列接続して成るアームを３組内蔵する１つのＩＰＭ（Intelligent Power Module）で構成されることを特徴とする誘導加熱装置。
前記ＩＰＭに内蔵された３アームの内の２アームは、フルブリッジ構成のインバータ回路に用いられ、
前記ＩＰＭに内蔵された３アームの内の残りの１アームは、ハーフブリッジ構成のインバータに用いられることを特徴とする請求項１記載の誘導加熱装置。
前記複数の負荷回路のうち、出力可能な最大火力が大きい側の加熱コイルを前記フルブリッジ構成のインバータ回路で駆動し、
出力可能な最大火力が小さい側の加熱コイルを前記ハーフブリッジ構成のインバータ回路で駆動することを特徴とする請求項２記載の誘導加熱装置。
前記制御部は、前記フルブリッジ構成のインバータ回路の動作周波数と、前記ハーフブリッジ構成のインバータ回路の動作周波数が異なるように制御することを特徴とする請求項２又は請求項３に記載の誘導加熱装置。
前記制御部は、前記フルブリッジ構成のインバータ回路の動作周波数よりも、前記ハーフブリッジ構成のインバータ回路の動作周波数を高く設定することを特徴とする請求項４記載の誘導加熱装置。
前記制御部は、前記フルブリッジ構成のインバータ回路の動作周波数を２０ｋＨｚ〜３０ｋＨｚの範囲に設定することを特徴とする請求項４記載の誘導加熱装置。
前記制御部は、前記ハーフブリッジ構成のインバータ回路の動作周波数を４０ｋＨｚ以上に設定することを特徴とする請求項４または請求項５に記載の誘導加熱装置。
前記制御部は、前記負荷の材質を判定する負荷材質判定手段と、前記負荷の材質と前記インバータ回路の動作周波数とを対応させたテーブルを有し、前記負荷材質判定手段が判定した負荷の材質に応じて前記テーブルより対応する動作周波数を取得して、前記インバータ回路を駆動することを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の誘導加熱装置。
前記ＩＰＭ内蔵の３アームは、３つのハーフブリッジ構成のインバータに用いられることを特徴とする請求項１記載の誘導加熱装置。