JP2009289422A - 誘導加熱装置 - Google Patents

Abstract

【課題】従来の回路制御方式よりも加熱効率の向上を図ることができる誘導加熱装置を提供すること。
【解決手段】一方向のみに電流を流す第１のスイッチング素子と第１のダイオード１５の直列接続体と、第２のダイオード１６と第３のダイオード１４の直列接続体と、２つの直列接続体の両端を互いに接続することにより構成される整流ブリッジ１７と、交流電源１８と、整流ブリッジにより交流電源を整流した電源から負荷に電力を供給するためのインバータ２６と、第１のスイッチング素子および前記インバータを導通制御する制御手段２７とを備え、第１のスイッチング素子を制御することにより前記インバータに供給する電源電圧を制御することにより、加熱効率を向上することとなる。
【選択図】図１

Description

本発明は、誘導加熱を利用する誘導加熱調理器などの誘導加熱装置の加熱効率の向上手段に関するものである。

従来、この種の誘導加熱装置は加熱電力を調節する方法として、例えば隣接する２つの加熱部を異なる周波数で動作することにより動作周波数の差分のうなり干渉音が発生することのないように、インバータを構成する２つのスイッチング素子を排他的に導通制御するとともに、２つのスイッチング素子の導通比を変化させて電力調節を行うＤｕｔｙ制御をおこなっている（例えば、特許文献１参照）。また、加熱効率を向上させる方法として、例えば電力供給モードでは加熱コイルと共振コンデンサによって決まる共振周波数の近傍でインバータを動作させて加熱効率をよくし、電力休止モードでは全てのスイッチング素子の駆動を停止するようにしているものもある（例えば、特許文献２参照）。

図７は、特許文献１に記載された従来の誘導加熱調理器の回路図を示すものである。図８は、従来の誘導加熱調理器の動作波形を示す図である。図７に示すように、制御回路９によって発生させたゲート信号を第１のスイッチング素子３と第２のスイッチング素子４に与えると、図８のＶｃｅ１とＶｃｅ２のような電圧波形と、Ｉｃ１とＩｃ２のような電流波形が得られる。図８（ｂ）高入力の時の動作波形の状態から図８（ａ）の低入力の時の動作波形の状態にすることにより加熱電力を低下させることができる。つまり、２つのスイッチング素子のＤｕｔｙを変化することにより加熱電力を制御するようにしている。

図９は、特許文献２に記載された従来の誘導加熱装置の回路図を示すものである。図１０は、従来の誘導加熱装置の電圧波形と電流波形を示す図である。図９に示すように、制御回路１８によって発生させたゲート信号Ｖｇ１〜Ｖｇ４を各々のスイッチング素子に与えると、図１０の第１のスイッチング素子の電圧波形や第３のスイッチング素子の電圧波形と、Ｉｓｗ１やＩｓｗ２のような電流波形が得られるようにして、加熱電力に関わらず力率１の動作となり、その結果、高効率加熱を行うようにしている。
特許第２５３２５６５号公報 特開２００７−１０３０４９号公報

しかしながら、前記従来の構成では、電力制御を行うと２つのスイッチング素子の動作期間が異なる。その結果、一方のスイッチング素子では導通している電流を遮断する際の電流値が定格時に比べて大きくなるため、導通状態から非導通状態へと遷移する際に発生するターンオフ損失が大きくなり、もう一方のスイッチング素子では導通期間が定格時に比べて長くなるため導通損失が大きくなる。

また、この制御方法ではＤｕｔｙを５０％から遠ざける程、加熱コイルに流れる電流の波形のひずみが大きくなる。その結果、スイッチング素子の駆動周波数のｎ次倍の高周波電流を余計に流すことになり効率を低下させてしまうという課題があった。

被加熱物が単一で、一定の共振周波数しかもたない負荷を加熱する場合、インバータの動作周波数を負荷の共振周波数の近傍とすることにより定格加熱時の効率を高くすることができる。

しかし、誘導加熱調理器のように使用者が鍋、つまり負荷を変える場合、鍋の種類によって負荷の特性が異なるため、前記特許文献１や前記特許文献２に記載の技術では、加熱可能な全ての鍋を一定の駆動周波数且つＤｕｔｙ５０％で定格加熱電力となるようにすることができない。

そのため、鍋の種類に関わらず動作周波数を一定とする場合、動作周波数と共振周波数が異なる鍋では定格加熱時であってもＤｕｔｙが５０％よりも小さい、つまり加熱効率が低い状態で加熱させざるを得ない状態であった。

また、前記特許文献２の構成は、前記特許文献１の課題を解決するものでもあるが、加熱制御を行うためには負荷の共振周波数の識別に対して精度が要求されるため、識別するための回路が複雑になるという課題があった。加えて、瞬時瞬時で最大加熱を行うため、ソフトスタートができずスイッチング素子を破壊してしまう恐れもあった。

前記課題を解決する手段として、電源とインバータとの間に降圧回路を設け、前記降圧回路によりインバータに供給する電源電圧を可変することにより、鍋の種類に左右されることなくインバータは一定の駆動周波数且つＤｕｔｙ５０％で定格加熱電力とする方式も考えられるが、部分点数が増加することや、前記降圧回路によるスイッチング損失が発生することなどから製品への応用は容易ではない。

本発明は、前記課題を解決するものであって、従来の回路構成に対して、部品の置き換えで、かつ複雑な制御を必要とすることなく加熱効率の向上を図ることができる誘導加熱装置を提供することを目的とする。

前記従来の課題を解決するために、本発明の誘導加熱装置は、一方向のみに電流を流す第１のスイッチング素子と第１のダイオードの直列接続体と、第２のダイオードと第３のダイオードの直列接続体と、２つの直列接続体の両端を互いに接続することにより構成される整流ブリッジと、交流電源と、整流ブリッジにより交流電源を整流した電源から負荷に電力を供給するためのインバータと、第１のスイッチング素子およびインバータを導通制御する制御手段とを備え、第１のスイッチング素子を制御することにより前記インバータに供給する電源電圧を制御するようにしたものである。

一定周波数且つＤｕｔｙ５０％でインバータを動作させても、加熱に寄与しない期間を設けることができるため、単位時間当たりの平均電力は定格以下に抑えることができ、従って、電力供給時は設定した加熱電力に関係なくインバータを一定周波数且つＤｕｔｙ５０％で動作させることにより、加熱効率の向上を図ることができる。

加熱電力は、第１のスイッチング素子の非導通期間を変化させることにより調節してもよい。

第１のスイッチング素子は、交流電源がゼロクロス点近傍で非導通状態から導通状態へと遷移してもよい。

加熱電力を小さくするときは、交流電源の周期よりも第１のスイッチング素子の動作周期を長くしてもよい。

抵抗率の低い材質を加熱するときは、交流電源の瞬時電圧の絶対値があるしきい値以上のときに前記インバータの駆動を停止してもよい。

加熱電力の制御は、インバータのＤｕｔｙ制御手段や周波数制御手段を併用してもよい。

本発明の誘導加熱装置は、整流ブリッジの一部として接続されたスイッチング素子の導通タイミングを制御することにより、インバータは一定の動作周波数且つＤｕｔｙ５０％で定格加熱電力とすることができるため、加熱効率の向上を図ることができる。また、鍋を変えることにより負荷の特性が異なった際にも、同じく一定の動作周波数且つＤｕｔｙ５０％で定格加熱電力とすることができるため、加熱効率の向上を図る手段として大いに適する。

第１の発明は、一方向のみに電流を流す第１のスイッチング素子と第１のダイオードの直列接続体と、第２のダイオードと第３のダイオードの直列接続体と、前記２つの直列接続体の両端を互いに接続することにより構成される整流ブリッジと、交流電源と、前記整流ブリッジにより前記交流電源を整流した電源から負荷に電力を供給するためのインバータと、前記第１のスイッチング素子および前記インバータを導通制御する制御手段とを備え、前記第１のスイッチング素子を制御することにより前記インバータに供給する電源電圧を制御するとすることにより、一定周波数且つＤｕｔｙ５０％でインバータを動作させても、加熱に寄与しない期間を設けることができるため、単位時間当たりの平均電力は定格以下に抑えることができる。従って、電力供給時は設定した加熱電力に関係なくインバータ２６を一定周波数且つＤｕｔｙ５０％で動作させることにより、加熱効率の向上を図ることができる。

第２の発明は、特に、第１の発明の加熱電力を前記第１のスイッチング素子の非導通期間を変化させることにより調節するとすることにより、低い加熱電力であってもインバータの動作周波数は共振周波数近傍、且つＤｕｔｙ５０％で動作させることができるため、加熱効率の向上を図ることができる。

第３の発明は、特に、第１または第２の発明の第１のスイッチング素子を、前記交流電源がゼロクロス点近傍で非導通状態から導通状態へと遷移するとすることにより、整流ブリッジの出力電圧は、零電圧から電源周波数で徐々に電圧が上昇していくため、インバータ２６を構成するスイッチング素子をはじめとする回路構成部品の破壊を防ぐことができる。

第４の発明は、特に、第１〜３のいずれか１つの発明の加熱電力を小さくするときは、前記交流電源の周期よりも前記第１のスイッチング素子の動作周期を長くするとすることにより、ＩＧＢＴ１１の導通から非導通へと遷移するとき、導通から非導通状態へと遷移するときの両方において、電源電圧が零付近でスイッチングすることができるため、インバータに用いられているＩＧＢＴ２１およびＩＧＢＴ２２のみならず、整流ブリッジに用いられているＩＧＢＴ１１のスイッチング素子の破壊も抑制することができる。

第５の発明は、特に、第１〜４のいずれか１つの発明の加熱電力の制御を、前記インバータのＤｕｔｙ制御手段や周波数制御手段を併用するとすることにより、加熱電力をきめ細かく制御することができる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。なお、この実施の形態によって本発明が限定されるものではない。

（実施の形態１）
図１は、本発明の第１の実施の形態における誘導加熱装置の回路図を示すものである。

図１において、ＩＧＢＴ１１と、ＩＧＢＴ１１と直列に接続されたダイオード１２からなる一方向のみ電流導通を可能とした第１のスイッチング素子と、第１のダイオード１５と、第２のダイオード１６と、第３のダイオード１４とで構成される整流ブリッジ１７と、交流電源１８と、ＬＣフィルタ１９と、整流ブリッジ１７およびＬＣフィルタ１９により交流電源１８を整流した電源から鍋２０に電力を供給するための、ＩＧＢＴ２１およびＩＧＢＴ２２、加熱コイル２３、共振コンデンサ２４、スナバコンデンサ２５からなるインバータ２６と、ＩＧＢＴ１１、ＩＧＢＴ１３、ＩＧＢＴ２１およびＩＧＢＴ２２を導通制御する制御手段２７とで構成している。

図２は、本発明の第１の実施の形態における誘導加熱装置のＩＧＢＴ１１を導通状態と非導通状態に切り替えない場合の整流ブリッジの構成部品であるＩＧＢＴのゲート信号と、整流ブリッジの出力電圧、加熱電力の関係を示す図である。

図３は、本発明の第１の実施の形態における誘導加熱装置のＩＧＢＴ１１を導通状態と非導通状態に切り替える場合の整流ブリッジの構成部品であるＩＧＢＴのゲート信号と、整流ブリッジの出力電圧、加熱電力の関係を示す図である。

ここで、電力の変化をわかりやすくするために、インバータ２６の動作周波数およびＤｕｔｙは一定とし、インバータ２６の電源電圧と加熱電力は、同一の鍋においては１対１の関係とする。

図３に示すように、あるタイミングでＩＧＢＴ１１を導通状態から非導通状態へと遷移させると、整流ブリッジ１７の回路は開放状態となり、整流ブリッジ１７の出力電圧は零となる。その結果、インバータ２６の動作に関わらず鍋２０は加熱されなくなる。

本開発の方式を用いれば、一定周波数且つＤｕｔｙ５０％でインバータ２６を動作させても、加熱に寄与しない期間を設けることができるため、単位時間当たりの平均電力は定格以下に抑えることができる。従って、電力供給時は設定した加熱電力に関係なくインバータ２６を一定周波数且つＤｕｔｙ５０％で動作させることにより、加熱効率の向上を図ることができる。

また、従来の方式では、鍋の種類を変えることにより負荷の特性が変化した場合、インバータ２６を一定周波数且つＤｕｔｙ５０％で動作させると加熱電力が変化してしまい定格加熱電力を一定にすることができなかったが、本開発の方式を用いれば、加熱しやすい特性の鍋を加熱する場合は、加熱に寄与しない期間を長く設けることにより、定格加熱電力を一定にすることができる（図２中のＡ＝図３中のＢ）。

ＩＧＢＴ１１を非導通状態にすることなく、負荷の共振周波数近傍の駆動周波数且つＤｕｔｙ５０％でインバータ２６を動作させることにより加熱電力が定格となる鍋に比べて、抵抗率が低い鍋２０を加熱する場合、定格加熱電力を鍋２０に与えるためには回路に流れる電流値が大きくなる。電流が増えると共振によりインバータ２６の部品などに印加される電圧も大きくなり、その結果、部品の耐電流や耐電圧を増加させる必要がある。

インバータ２６に発生する電圧や電流は、インバータ２６に供給される電源電圧に相関があり、電源電圧が高いほど電圧や電流が大きくなる。従って、抵抗率の低い材質を加熱するときは、ＩＧＢＴ１１を非導通とするタイミングは交流電源１８の瞬時電圧が大きなところとするとともに、ＩＧＢＴが非導通状態となる電源電圧が負の半波のときはインバータ２６を停止することにより、インバータ２６に発生する電圧や電流のピーク値を抑え
ることができるため、定格の小さい部品を使用することができ、安価に実現することができる。

さらに、整流ブリッジ内部の第１のＩＧＢＴ１１を設けず、インバータ２６の駆動を停止して負荷に供給する電力をオンオフする場合に比べ、ＩＧＢＴ１１を設けることによりＬＣフィルタ１９の前段階で電源電圧をオフすることができるため、交流電源１８の電圧が高い時点で加熱をスタートする際、インバータ２６に印加される電源電圧はＬＣフィルタ１９の時定数で決まる時間で徐々に上昇していくため、その結果、インバータ２６のＩＧＢＴ２１やＩＧＢＴ２２がＤｕｔｙ５０％の定格出力動作をしていてもソフトスタート動作となり、インバータ２６のＩＧＢＴ２１やＩＧＢＴ２２の破壊を防ぐことができる。

さらに、本開発の方式での電力調節は、整流ブリッジ１８とインバータ２６との間に降圧回路を設ける方式よりも動作周波数が低いため、スイッチング素子での損失を低くすることができる。

（実施の形態２）
図４は、本発明の第２の実施の形態の誘導加熱装置の加熱電力の制御手段を示す図であり、ＩＧＢＴ１１の非導通期間を調節した図である。

平均電力は単位時間当たりの加熱量であるため、鍋を加熱していない非導通期間を制御（ｔ１→ｔ２など）することにより、加熱電力を調節することができる（図４中のＣ＞図４中のＤ）。

本開発の方式で電力を調節する場合、低い加熱電力であってもインバータ２６の動作周波数は共振周波数近傍、且つＤｕｔｙ５０％で動作させることができるため、加熱効率の向上を図ることができる。

図５は、本発明の第２の実施の形態における誘導加熱装置の整流ブリッジの構成部品であるＩＧＢＴ１１が非導通期間から導通期間に遷移するタイミングを示す図である。インバータ２６は鍋の種類に関わらず一定周波数且つＤｕｔｙ５０％近傍で動作しているため、交流電源１８の電源電圧が大きい状態でＩＧＢＴ１１を非導通状態から導通状態へと遷移させると、インバータ２６に印加される電圧はＬＣフィルタ１９によって少しのソフトスタート効果はあるものの、それでもインバータ２６には急激に大電流が流れ、スイッチング素子を破壊してしまう可能性がある。そこで、ＩＧＢＴ１１を非導通状態から導通状態へと遷移するタイミングは、交流電源１８の電源電圧が零付近とする。

これにより、整流ブリッジ１７の出力電圧は、零電圧から電源周波数で徐々に電圧が上昇していくため、インバータ２６を構成するスイッチング素子をはじめとする回路構成部品の破壊を防ぐことができる。

図６は、本発明の第２の実施の形態における誘導加熱装置の加熱電力を小さくするときの整流ブリッジ１７の構成部品であるＩＧＢＴのゲート信号と整流ブリッジの出力電圧の関係を示す図である。

インバータ２６に供給する電源電圧が殆ど必要のないときは、交流電源１８の電源周期毎にＩＧＢＴ１１を制御する必要がないため、ＩＧＢＴ１１の動作周期を交流電源１８の電源周期よりも長くすることにより、ＩＧＢＴ１１の導通から非導通へと遷移するとき、導通から非導通状態へと遷移するときの両方において、電源電圧が零付近でスイッチングすることができるため、インバータ２６に用いられているＩＧＢＴ２１およびＩＧＢＴ２２のみならず、整流ブリッジ１７に用いられているＩＧＢＴ１１のスイッチング素子の破
壊も抑制することができる。

また、インバータ２６の動作期間中は、交流電源１８の電圧と交流電源１８から流れる電流の位相差が零となるため、力率が１の状態で動作することにより、高い効率で負荷に電力を供給することができる。

前記実施の形態１および２では、インバータ２６内のＩＧＢＴ２１およびＩＧＢＴ２２のＤｕｔｙは常に５０％一定としたが、加熱電力をきめ細かく制御したいときなどは、Ｄｕｔｙ制御や周波数制御などを併用してもよい。

また、前記実施の形態１および２では、整流ブリッジ１７を構成するスイッチング素子としてＩＧＢＴを適用した場合を挙げたが、一方向のみに電流を流すように制御することができるスイッチング素子であればどのようなスイッチング素子でも本発明に適用することができるため、例えばサイリスタなど低周波数駆動向きのスイッチング素子やリレーなど機械的なスイッチング素子も適用することができ、スイッチング素子をＩＧＢＴのみに限定する必要はない。

さらに、インバータ２６の形態はＩＧＢＴを２つ用いたＳＥＰＰ回路を例に挙げたが、これに限るものではない。

例えば、ＩＧＢＴを１つのみ用いたインバータを電力制御する手段としては周波数制御しかないが、本発明を取り入れることにより、インバータ部はＩＧＢＴが１つしか用いられていなくても周波数制御以外の電力制御が可能となるため、隣接するインバータでのうなり干渉音を発生せず、かつ安価でインバータを構成することができる。

以上のように、本発明にかかる誘導加熱装置は、インバータの駆動周波数やＤｕｔｙを変更することなく、電力を調節することができるため、誘導加熱装置の加熱効率の向上を図る手段として有効である。

本発明の実施の形態１における誘導加熱装置の回路図 本発明の実施の形態１における誘導加熱装置のＩＧＢＴ１１を導通状態と非導通状態に切り替えない場合の整流ブリッジの構成部品であるＩＧＢＴのゲート信号と、整流ブリッジの出力電圧、加熱電力の関係を示す図 本発明の実施の形態１における誘導加熱装置のＩＧＢＴ１１を導通状態と非導通状態に切り替える場合の整流ブリッジの構成部品であるＩＧＢＴのゲート信号と、整流ブリッジの出力電圧、加熱電力の関係を示す図 本発明の実施の形態２における誘導加熱装置の加熱電力の制御手段を示す図 本発明の実施の形態２における誘導加熱装置の整流ブリッジの構成部品であるＩＧＢＴが非導通期間から導通期間に遷移するタイミングを示す図 本発明の実施の形態２における誘導加熱装置の加熱電力を小さくするときの整流ブリッジの構成部品であるＩＧＢＴのゲート信号と整流ブリッジの出力電圧の関係を示す図 従来の誘導加熱調理器の回路図 従来の誘導加熱調理器の動作波形を示す図 従来の誘導加熱装置の回路図 従来の誘導加熱装置の電圧波形と電流波形を示す図

符号の説明

１１ ＩＧＢＴ
１２ ダイオード
１４ 第３のダイオード
１５ 第１のダイオード
１６ 第２のダイオード
１７ 整流ブリッジ
１８ 交流電源
１９ ＬＣフィルタ
２０ 鍋（負荷）
２１ ＩＧＢＴ
２２ ＩＧＢＴ
２３ 加熱コイル
２４ 共振コンデンサ
２５ スナバコンデンサ
２６ インバータ
２７ 制御手段

Claims (5)

1. 一方向のみに電流を流す第１のスイッチング素子と第１のダイオードの直列接続体と、第２のダイオードと第３のダイオードの直列接続体と、前記２つの直列接続体の両端を互いに接続することにより構成される整流ブリッジと、交流電源と、前記整流ブリッジにより前記交流電源を整流した電源から負荷に電力を供給するためのインバータと、前記第１のスイッチング素子および前記インバータを導通制御する制御手段とを備え、前記第１のスイッチング素子を制御することにより前記インバータに供給する電源電圧を制御する誘導加熱装置。
2. 加熱電力は、前記第１のスイッチング素子の非導通期間を変化させることにより調節する請求項１に記載の誘導加熱装置。
3. 前記第１のスイッチング素子は、前記交流電源がゼロクロス点近傍で非導通状態から導通状態へと遷移する請求項１または２に記載の誘導加熱装置。
4. 加熱電力を小さくするときは、前記交流電源の周期よりも前記第１のスイッチング素子の動作周期を長くする請求項１〜３のいずれか１項に記載の誘導加熱装置。
5. 加熱電力の制御は、前記インバータのＤｕｔｙ制御手段や周波数制御手段を併用する請求項１〜４のいずれか１項に記載の誘導加熱装置。