JP2010177100A - 高周波加熱装置用電源装置 - Google Patents

Abstract

【課題】高周波加熱装置のスイッチング電源から漏れ出る雑音を低減させる高周波加熱装置用電源装置を提供する。
【解決手段】商用電源の電力を整流する半導体整流素子３と、その前段に商用電源への雑音漏れを抑制するフィルター回路と、整流後の直流を平滑するコンデンサー５と、平滑電力を高周波にするための半導体スイッチング素子２１，２２と、高周波電力を昇圧してマグネトロンに供給する高圧トランス１１と、これらの素子３，２１，２２の放熱のために装着するヒートシンク３２，３３と、これらの素子３，２１、２２や高圧トランス１１及びヒートシンクを装着する回路基板を備え、半導体スイッチング素子２２は、そのベースプレートが平滑コンデンサー５に接続する素子としている。素子３と２２を組み付けたヒートシンク３２と基板のＡＣラインパターンの間、及びヒートシンク３２と半導体整流素子３間の浮遊容量を介した商用電源への雑音漏洩が低減される。
【選択図】図１

Description

本発明は、電子レンジなどのようにマグネトロンを用いて誘電加熱を行う高周波加熱装置のための電源装置、特に、加熱調理用のマイクロ波を発生する高周波発生装置としてのマグネトロンを駆動する高周波加熱装置用電源装置に関する。

従来、電源回路が高速スイッチング処理を行うインバーター式高周波加熱装置においては、電源回路基板に起立して設けられた放熱フィン付きのヒートシンクにスイッチング素子が取り付けられている（特許文献１参照）。また、一般的に、スイッチング電源回路の具体的設計において、回路レイアウト設計が容易であり、また、回路の小型化と経済性を実現するため、半導体整流素子の隣に、半導体整流素子の負極と半導体スイッチング素子のエミッター側が直結となるよう半導体スイッチング素子が配され、半導体整流素子と半導体スイッチング素子が同一のヒートシンクに取り付けるという構造が採用されている。

一例として、図５に示す従来のインバーター式高周波加熱装置用電源装置について説明する。図５は従来の電源回路基板を半田面から見た導電パターンと部品の配置構成を示した図であり、図６は、図５の示す電源装置の回路図である。図５に示すように、ヒートシンク３２に半導体整流素子３と半導体スイッチング素子２１が並んで取り付けられている。ヒートシンク３２の延長上に、ヒートシンク３３と、ヒートシンク３３に取り付けられた半導体スイッチング素子２２とが配されている。ヒートシンク３２及び３３と対向する形で高圧トランス１１が配され、その間に、チョークコイル４、平滑コンデンサー５、及び共振コンデンサー２４，２５が置かれている。これらが、図に示すような基板の導電パターンで結ばれている。２３は、スイッチングロス低減及び高周波雑音低減のためのスナバー回路である。

半導体スイッチング素子２１，２２の入力端子であるベースは、高周波の発振回路が接続され且つマイクロコンピューターにより発振出力が制御されるスイッチング素子制御回路（図示しない）に接続されている。マイクロコンピューターは、スイッチング素子制御回路を介して、予め設定されたプログラムに基づいてスイッチング素子２１，２２を制御し、マグネトロンにトランスにて昇圧された高周波電圧を印加する。

ここで、図６に示す一般的な回路例に基づいて半導体整流素子３と半導体スイッチング素子２１及び２２の関係を比較すると、半導体スイッチング素子２１のエミッターが、半導体整流素子３と直結される構成となっている。また、高周波加熱装置用のスイッチング電源は、通常１０００Ｗ以上の大電力を処理するため、大電流を流せるよう印刷基板配線のパターン幅を広く取り抵抗を低減する必要がある。これらの理由から、従来の電源装置では、印刷基板配線が容易なように、半導体整流素子３の隣に半導体スイッチング素子２１を配して、印刷基板配線（半導体整流素子３の負極と半導体スイッチング素子２１のエミッターとの間の配線）を短くすることが、当業者の設計常識となっているものと思われる。

半導体スイッチング素子の駆動用のゲート端子の配線引き出しの際は、電磁誘導による外乱信号を低減し素子の誤作動を防止する観点から、素子の基準電位となるエミッターラインと平行に引き出す必要がある。この観点からも、半導体整流素子３の隣にエミッターラインが直結となる半導体スイッチング素子２１を配することで、図５に示すように、半導体スイッチング素子２１のゲートラインをエミッターラインと平行して引き出しやすくなる上、半導体スイッチング素子２２のエミッターとゲートラインも引き出しやすくなると考えられていた。

図７には、図５に示す電源装置における放熱フィンへの素子取付例の概略が図示されている。図７（Ａ）に示すように、ヒートシンク３１に対して、半導体スイッチング素子２２が熱伝導性絶縁シート４１を介して取り付けられている。また、同じヒートシンク３１に対して、半導体整流素子３と、当該半導体整流素子３の負極に対してエミッターが接続される半導体スイッチング素子２１とが互いに隣接して直接に取り付けられている。図７（Ｂ）に示すように、ヒートシンク３３に対して半導体スイッチング素子２２が取り付けられ、別のヒートシンク３２に対して、図７（Ａ）の場合と同様に、半導体スイッチング素子２１と半導体整流素子３が取り付けられている。図７（Ｂ）の配置は、図５に示す配置パターンに対応している。

特開２００１−１１０５６１号公報

一般的に、インバーター式高周波加熱装置用の従来構造電源装置では、半導体スイッチング素子は、図１１に示すように、そのベースプレートがコレクター端子と一体接続されている。このため、従来例では、半導体スイッチング素子のスイッチングにより大きく電圧変化をする端子が放熱フィンと導通状態で組み立てられていたため、電子レンジの加熱調理時に放熱フィンの電位が高周波で変動することから、放熱フィンが一種のアンテナとなり不要輻射する現象が見られていた。これは、当初、放送電波の受信などを除けば、家庭内で電波を利用する機器が少なかったことから、不要輻射は問題とならないとされ、看過されていたものであり、このため、不要輻射の低減を配慮することなく、配線の容易さや小型化の容易さから従来構造が採られるようになっていたと思われる。

しかし、時とともに、家庭内のテレビ受像機台数が増えて、台所付近にも設置されるようになり、また、携帯電話、無線ドアホンなど家庭内で電波利用機器が普及し、さらには、インバーター電源を使用した冷蔵庫、空調機などの普及が進んだことから、相乗的に電気機器のスイッチング電源の不要輻射の影響が無視できなくなり、公的な規制も実施されることとなった。
このため、インバーター電源に対するフィルター回路の設置及び強化などの対策が取られるようになっていた。さらに、新しいジャンルの機器として、電灯線を媒体として高速で情報交換するＰＬＣ（Power Line Carrier）ホームネットワークの普及拡大も予想されることから、このような規制は今後も強化、拡大が必至であり、電気機器の発生する雑音電波の低減が大きな課題となっているが、前記従来構造電源装置の構成は引き続き継承され、専らフィルター回路の強化によって不要輻射の低減を図ることが進められている。

不要輻射の中で、特に問題となるのは、電気機器から商用電源へ流入する漏洩雑音であり、このような雑音電圧の低減を目的とした規制が厳しくなり、特に５００ｋＨｚ以下のＬＷバンド帯の漏洩雑音、ノイズ低減のため、インバーター電源搭載機器では雑音防止フィルター回路が重装備となる傾向が顕著であり、高周波加熱装置用電源装置においても、電源機器の小型化や低コスト化にとってフィルター回路が障害要素となっていた。

本発明の目的は、機器の小型化や低コスト化を維持しながら、フィルター回路を小型化することができ経済的であるだけでなく、スイッチング電源の利点で有る小型・高効率を最大限に活用できる高周波加熱装置用電源装置を提供することである。

前記課題を解決するために、本発明による高周波加熱装置用電源装置は、商用電源を整流する半導体整流素子と、前記商用電源と前記半導体整流素子との間に配設され前記半導体整流素子から前記商用電源への雑音信号侵入を抑制するフィルター回路と、前記半導体整流素子による整流後の脈流を平滑して直流とする平滑コンデンサーと、前記平滑コンデンサーによる平滑後の直流電力を高周波電力に変換する半導体スイッチング素子と、前記高周波電力を高電圧に昇圧して高周波発生装置に供給する高圧トランスと、前記半導体整流素子及び前記半導体スイッチング素子の放熱のために装着されるヒートシンクと、前記半導体整流素子、前記半導体スイッチング素子、前記高圧トランス及び前記ヒートシンクを装着する回路基板と、を備え、前記ヒートシンクが取り付けられる前記回路基板の取付面の直下に前記半導体整流素子の商用電源入力用回路パターンが配された高周波加熱装置用電源装置であって、ベースプレートが前記平滑コンデンサーに接続される前記半導体スイッチング素子を前記ヒートシンクに直接に装着することを特徴としている。

また、本発明による高周波加熱装置用電源装置は、商用電源を整流する半導体整流素子と、前記商用電源と前記半導体整流素子との間に配設され前記半導体整流素子から前記商用電源への雑音信号侵入を抑制するフィルター回路と、前記半導体整流素子による整流後の脈流を平滑して直流とする平滑コンデンサーと、前記平滑コンデンサーによる平滑後の直流電力を高周波電力に変換する半導体スイッチング素子と、前記高周波電力を高電圧に昇圧して高周波発生装置に供給する高圧トランスと、前記半導体整流素子及び前記半導体スイッチング素子の放熱のために装着されるヒートシンクと、前記半導体整流素子、前記半導体スイッチング素子、前記高圧トランス及び前記ヒートシンクを装着する回路基板と、を備え、前記ヒートシンクが取り付けられる前記回路基板の取付面の直下に前記半導体整流素子の商用電源入力用回路パターンが配された高周波加熱装置用電源装置であって、ベースプレートが前記平滑コンデンサーに接続されない前記半導体スイッチング素子を熱伝導性絶縁シートを介して前記ヒートシンクに装着することを特徴としている。

更に、この高周波加熱装置用電源装置は、前記高周波発生装置を加熱調理用のマイクロ波を発生するマグネトロンとする高周波加熱調理器に適用されていることを特徴とする。

以上のように、本発明による高周波加熱装置用電源装置は、商用電源の電力を整流するための半導体整流素子と、そのベースプレートが前記平滑コンデンサーに接続される半導体スイッチング素子とを同一のヒートシンク（放熱フィン）に装着することで、ヒートシンクと商用電源入力用（即ち、交流電源ライン）回路パターン間の浮遊容量、及びヒートシンクと半導体整流素子間の浮遊容量による商用電源への雑音漏洩を低減させ、機器の小型化や経済設計を維持しながらフィルター回路を小型化することができる。

この発明による高周波加熱装置用電源装置の一実施例を示す導電パターンと部品の配置構成を示す図である。 図１に示す電源装置における半導体整流素子と半導体スイッチング素子の同一ヒートシンクへの取付状態を示す斜視図である。 図１に示す電源装置における放熱フィンへの素子取付構成を示す概略図である。 図１に示す電源装置における放熱フィンへの素子取付構成の別例を示す概略図である。 従来の高周波加熱装置用電源装置の一例を示す導電パターンと部品の配置構成を示す図である。 図５に示す電源装置の回路図である。 図５に示す電源装置における放熱フィンへの素子取付構成を示す概略図である。 従来の高周波加熱装置用電源装置の別例を示す導電パターンと部品の配置構成を示す図である。 図８に示す電源装置の回路図である。 図８に示す電源装置における放熱フィンへの素子取付構成を示す概略図である。 半導体スイッチング素子と整流素子の構造説明図である。

ここに、図６に示す２石式のインバーター電源回路は、電子レンジ用インバーター電源回路の設計例であり、各電子レンジ機種に対して高圧回路部を共用する設計構想により、当初、図８及び図９に示すような１００Ｖ電源系で一般的な回路の従来基板に対して整流素子とスイッチング素子の間で、基板を分割し延長、その間に、２石目のスイッチング素子を配し、インバーター電源回路への修正を試みたものである。

図８に示す電源装置では、図５に示す電源装置と同様に、半導体整流素子３と、当該半導体整流素子３の負極に対してエミッターが接続される単一の半導体スイッチング素子７とが互いに隣接して直接に取り付けられている。半導体整流素子３の負極との半導体スイッチング素子７のエミッターとの間が、短い配線で結ばれている。

図９に示す回路構造では、平滑コンデンサー５に並列に、共振コンデンサー６と半導体スイッチング素子７とを配置し、半導体スイッチング素子７のエミッターが半導体整流素子３の負極に接続されている。
共振コンデンサー６の両端に印加される電圧が取り出される高周波加熱装置用スイッチング電源負荷部分１０において、１１は高圧トランス、１２は高圧ダイオード、１３は高圧ダイオード、１４，１５は高圧コンデンサーである。発信回路の周波数が入力される半導体スイッチング素子７のスイッチ作用と高圧トランス１１とによって高周波電圧がマグネトロン１６に印加され、マグネトロン１６はマイクロ波を発生させる。

図１０は、図８に示す電源装置において、ヒートシンク３２に対する半導体スイッチング素子７と半導体整流素子３との取付けの様子を示す概略図である。半導体スイッチング素子７は熱伝導性絶縁シート４１を介してヒートシンク３２に取り付けられている。

発明者は、図６に示す２石式のインバーター電源回路において各構成部品の仕様変更の雑音電圧への影響を確認することにより雑音防止対策の最適化を行なうべく、雑音端子電圧の測定を行なったところ、従来の検討では雑音防止効果の少なかったチョークコイル４のインダクタンス増加が、今回の検討においては顕著な効果を示していることを確認した。
この要因を解析した結果、本試作品の構成の電源回路は雑音端子電圧として従来の構成の電源回路と同程度であるが、従来無視できる程度であった浮遊容量を介した雑音漏洩が比較的大きな構成比を占め、他の原因による雑音漏洩の構成比が低下していることを確認した。本発明は、かかる確認をもとに、従来の電源回路の構成を変革して本発明の構成とし、さらに、浮遊容量を低減することにより雑音漏洩の総量を低減し、従来困難であったインバーター電源回路のフィルター回路の小型化を可能とするものである。

以下、本発明による高周波加熱装置用電源装置の第１実施例について図１と図２を参照して説明する。図１は、実施例について電源回路基板の半田面から見た導電パターンと部品の配置構成を示した図であり、図２は、半導体整流素子と半導体スイッチング素子の同一ヒートシンクへの取付状態例を示した図である。本実施例における電源装置の回路構造は、図６に示す回路構造と同等であってよい。したがって、回路構造についての再度の説明を省略する。

図１及び図２を参照して、本発明による高周波加熱装置用電源装置の実施例について説明する。放熱用のヒートシンク３２が回路基板上に設けられており（図２参照）、ヒートシンク３２には、その取付け側面に半導体整流素子３と半導体スイッチング素子２２が並んで取り付けられている。ヒートシンク３２の延長上には、ヒートシンク３３と、ヒートシンク３３に取り付けられた半導体スイッチング素子２１が配されている。更に、従来例と同様に、ヒートシンク３２及び３３と対向する形で高圧トランス１１が配されており、ヒートシンク３２，３３と高圧トランス１１との間において、回路基板には、チョークコイル４、平滑コンデンサー５、及び共振コンデンサー２４，２５が置かれている。これらが、図１に示すような基板の導電パターンで結ばれている。

図３及び図４は、ヒートシンク３１，３２，３３への、半導体整流素子３及び半導体スイッチング素子２１，２２との配置の様子を模式的に示した図である。図３（Ａ）に示すように、共通のヒートシンク３１に対して、半導体スイッチング素子２１は熱伝導性絶縁シート４１を介して取り付けられており、半導体スイッチング素子２２と半導体整流素子３とがヒートシンク３１に直接に取り付けられている。また、図３（Ｂ）に示すように、ヒートシンク３３に対して半導体スイッチング素子２１が取り付けられ、別のヒートシンク３２に対して半導体スイッチング素子２２と半導体整流素子３が取り付けられている。図３（Ｂ）の配置は、図１に示す配置パターンと同等である。更に、図４は、ヒートシンク３２に対して熱伝導性絶縁シート４１を介して半導体スイッチング素子７を、また、半導体整流素子３を直接に取り付けた取付けを示している。

本実施例の配置図においては、これを一見すると、半導体スイッチング素子２１のエミッターラインが非常に長くなり、配線上の抵抗損失等の面で不利なように考えられがちである。しかし、実際に配置設計を行なってみると、大電流回路の全体、即ち、半導体整流素子３の正極からチョークコイル４を経て、平滑コンデンサー５を介し、更に半導体スイッチング素子２１と２２を経由して、半導体整流素子３の負極にいたる配線全体を見ると、図５に示した従来例と比較して、その配線長には大きな差が無いことが解る。

更に、半導体スイッチング素子のゲートパターンの引き出しについても、ヒートシンク下のスペースを有効活用し、半導体スイッチング素子２１のゲートをエミッターラインに沿って引き出し、従来例と同様の引き出しを可能にし、併せて、半導体スイッチング素子２２のエミッターとゲートも、外部ハーネスを使用せず、引き出しを可能としている。

このように、スイッチング電源からなる高周波加熱装置用電源装置においては、商用電源の電力を整流するための半導体整流素子３と、そのベースプレートが平滑コンデンサー５に接続される半導体スイッチング素子２２とが同一のヒートシンク３２に装着されているので、ヒートシンク３２と商用交流電源の入力用回路パターン（ＡとＢ）間の浮遊容量、及び、ヒートシンク３２と半導体整流素子３間の浮遊容量による商用電源への雑音漏洩を低減させ、機器の小型化や低コスト化を維持しながらフィルター回路を小型化することができる。

１ 商用交流電源 ２ フィルター回路
３ 整流用ブリッジダイオード ４ チョークコイル
５ 平滑コンデンサー ６ 共振コンデンサー
７ 半導体スイッチング素子
１０ 高周波加熱装置用スイッチング電源負荷部分 １１ 高圧トランス
１２ 高圧ダイオード １３ 高圧ダイオード
１４ 高圧コンデンサー １５ 高圧コンデンサー
１６ マグネトロン
２１ 半導体スイッチング素子 ２２ 半導体スイッチング素子
２３ スナバー ２４ 共振コンデンサー
２５ 共振コンデンサー
３１ ヒートシンク ３２ ヒートシンク
３３ ヒートシンク
４１ 熱伝導性絶縁シート

Claims (3)

1. 商用電源を整流する半導体整流素子と、
   前記商用電源と前記半導体整流素子との間に配設され前記半導体整流素子から前記商用電源への雑音信号侵入を抑制するフィルター回路と、
   前記半導体整流素子による整流後の脈流を平滑して直流とする平滑コンデンサーと、
   前記平滑コンデンサーによる平滑後の直流電力を高周波電力に変換する半導体スイッチング素子と、
   前記高周波電力を高電圧に昇圧して高周波発生装置に供給する高圧トランスと、
   前記半導体整流素子及び前記半導体スイッチング素子の放熱のために装着されるヒートシンクと、
   前記半導体整流素子、前記半導体スイッチング素子、前記高圧トランス及び前記ヒートシンクを装着する回路基板と、を備え、
   前記ヒートシンクが取り付けられる前記回路基板の取付面の直下に前記半導体整流素子の商用電源入力用回路パターンが配された高周波加熱装置用電源装置において、
   ベースプレートが前記平滑コンデンサーに接続される前記半導体スイッチング素子を前記ヒートシンクに直接に装着することを特徴とする高周波加熱装置用電源装置。
2. 商用電源を整流する半導体整流素子と、
   前記商用電源と前記半導体整流素子との間に配設され前記半導体整流素子から前記商用電源への雑音信号侵入を抑制するフィルター回路と、
   前記半導体整流素子による整流後の脈流を平滑して直流とする平滑コンデンサーと、
   前記平滑コンデンサーによる平滑後の直流電力を高周波電力に変換する半導体スイッチング素子と、
   前記高周波電力を高電圧に昇圧して高周波発生装置に供給する高圧トランスと、
   前記半導体整流素子及び前記半導体スイッチング素子の放熱のために装着されるヒートシンクと、
   前記半導体整流素子、前記半導体スイッチング素子、前記高圧トランス及び前記ヒートシンクを装着する回路基板と、を備え、
   前記ヒートシンクが取り付けられる前記回路基板の取付面の直下に前記半導体整流素子の商用電源入力用回路パターンが配された高周波加熱装置用電源装置において、
   ベースプレートが前記平滑コンデンサーに接続されない前記半導体スイッチング素子を熱伝導性絶縁シートを介して前記ヒートシンクに装着することを特徴とする高周波加熱装置用電源装置。
3. 前記高周波発生装置を加熱調理用のマイクロ波を発生するマグネトロンとする高周波加熱調理器に適用されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の高周波加熱装置用電源装置。

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