JP2010267517A - 誘導加熱装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ブロッキングコンデンサを配置した誘導加熱装置において、複数が並列に配置されて利用されるブロッキングコンデンサに流れる異常な高電流を抑えることができる技術を提供する。
【解決手段】プッシュプルスイッチング回路１０３ａ〜１０３ｄの出力のそれぞれに個別にインダクタ１０５ａ〜１０５ｄを挿入し、その先に分割されたコンデンサ１０６ａ〜１０６ｄを接続し、誘導加熱コイル１０２に高周波電力を供給する。コンデンサ１０６ａ〜１０６ｄのそれぞれがリードインダクタンスと構成する等価直列共振回路が、インダクタ１０５ａ〜１０５ｄにより分離されるので、特定の経路への電流の集中や、コンデンサを含む閉回路内を循環する循環電流の発生を抑えることができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、動作の安定性の高い誘導加熱装置に関する。

加熱処理を行う技術として誘導加熱が知られている（例えば、特許文献１を参照）。誘導加熱装置は、被加熱材料に誘導電流を生じさせるためのコイルに周期的に極性が反転する駆動電流（交番電流）を流す構造を備えている。このコイルに駆動電流を供給する駆動回路からの出力は、コンデンサを介してコイルに接続されている。このコンデンサは、コイルにＤＣ電圧が加わらないようにするためのもので、ブロッキングコンデンサと呼ばれている。

大型の誘導加熱装置は、数百ｋＷ以上の電力をコイルに供給する必要がある。そのため、上述のブロッキングコンデンサは、電力容量を確保するために、並列に複数に分割された構造や複数のコンデンサを並列に接続したものが用いられる。この用途のコンデンサは、扱う電力容量の関係から概して大型である。

特開２００３−１２９１２９号公報

上述した大型の誘導加熱装置では、上記並列配置されたブロッキングコンデンサの一部のコンデンサ素子に異常な大電流が流れる場合がある。この問題への対策としては、ブロッキングコンデンサの各端子への配線の長さや接続位置の設定を注意深く行い、更に一端組み立てた後の測定において、異常な大電流が見られるブロッキングコンデンサは、ユニット毎交換することで対応していた。

しかしながら上記の対策は、根本的に問題を解決するものではない。そこで本発明は、ブロッキングコンデンサを配置した誘導加熱装置において、複数が並列に配置されて利用されるブロッキングコンデンサに流れる異常な高電流を抑えることができる技術を提供することを目的とする。

請求項１に記載の発明は、誘導加熱コイルと、並列に接続された複数のコンデンサを介して前記誘導加熱コイルに電力を供給する駆動回路と、前記並列に接続された複数のコンデンサのそれぞれの入力側に個別に接続された複数のインダクタとを備えていることを特徴とする誘導加熱装置である。

高周波誘導加熱装置のブロッキングコンデンサに用いられるコンデンサは、電力容量を稼ぐために大型であり、その内部のリードインダクタンス（内部のリード線が持つインダクタンス）が無視できない。このため、コンデンサとその内部リードインダクタンスにより構成される直列共振回路を考慮する必要がある。

このようなコンデンサを複数並列にして用いる場合、等価的に上記の直列共振回路が複数並列に形成された状態となる。例えば、共振周波数が近い２つの直列共振回路を並列に接続した回路に、いずれかの共振周波数に一致する周波数の高周波電流を供給すると、この高周波電流は、周波数の一致した側の回路に優先的に流れる。これは、その回路の方が、この周波数の高周波電流に対するインピーダンスが低いからである。

また、同じ（あるいは近い）共振周波数の直列共振回路を並列に接続した場合、当該共振周波数の高周波電流が、この２つの直列共振回路を並列接続した閉回路内を一種の共振電流のように循環して流れる。この電流は負荷に供給される電流とは別の無駄な電流であり、その存在は、電力効率、素子への負担、発熱の観点から好ましくない。

実際には、各直列共振回路の結合や僅かな共振周波数の違いが影響して、上述した現象が複合的に発生する。これが、並列使用された大型のコンデンサに流れる異常な高電流の発生要因となる。

請求項１に記載の発明によれば、複数が並列配置された直列共振回路の入力のそれぞれに個別にインダクタが接続されるので、このインダクタのインダクタンスによって各直列共振回路が電気的に分離される。このため、上述した特定の経路に高周波電流が集中する現象の発生が抑えられる。また、複数の直列共振回路が並列接続されることで形成される閉回路の共振現象の発生が、インダクタの高インピーダンスにより防止され、循環する電流の発生が防止される。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記複数のインダクタのそれぞれのインダクタンスは、前記複数のコンデンサのそれぞれが有するリードインダクタンスの５０倍以上であることを特徴とする。

請求項２に記載の発明によれば、コンデンサのリードインダクタンスよりも遙かに大きなインダクタンスを有するインダクタが用いられることで、リードインダクタンスにより形成される直列共振回路の影響を抑える効果が有効に働く。

請求項３に記載の発明は、請求項１または２に記載の発明において、前記駆動回路の出力には、前記複数のコンデンサの一つと、このコンデンサのリードインダクタンスとで構成される直列共振回路の共振周波数を有する高周波が含まれていることを特徴とする。

駆動回路の出力には、基本波、高調波、スプリアス（ノイズ成分等）といった多様な波形成分が含まれている。この波形成分の周波数が、コンデンサの容量とリードインダクタンスとで構成される直列共振回路の共振周波数と一致すると（あるいは近いと）、上述したメカニズムが働き、異常高電流の発生が促される。従って、請求項３に記載する発明で規定される条件において、インダクタを各コンデンサの入力部のそれぞれに挿入する本発明の構成の優位性が顕著になる。

請求項４に記載の発明は、請求項１または２に記載の発明において、前記複数のコンデンサの一つと、このコンデンサのリードインダクタンスとで構成される直列共振回路の共振周波数は、前記駆動回路からの出力の中心周波数に対して、±２０％以内の範囲にあることを特徴とする誘導加熱装置。

駆動回路からの出力は、綺麗な単一の周波数スペクトルではなく、設定された周波数を中心周波数として、その前後に裾のように広がりがある周波数スペクトルを有している。一般に、ｋＷを超える出力を有する回路では、この広がりに含まれる周波数の高周波エネルギーは無視できない。したがって、コンデンサの容量とコンデンサのリードインダクタンスとで構成される直列共振回路の共振周波数が、上記広がりの範囲に存在すると、上述した異常な高電流の発生する可能性が増大する。この可能性は、当該複数のコンデンサの一つと、このコンデンサのリードインダクタンスとで構成される直列共振回路の共振周波数が、前記駆動回路からの出力の中心周波数に対して、±２０％以内の範囲にある場合に顕著となる。よって、上記請求項４に記載する構成とすることで、上述した異常電流が発生する可能性を抑えることができる。

請求項５に記載の発明は、請求項１〜３のいずれか一項に記載の発明において、前記駆動回路は、複数のスイッチング回路を並列に備えた構成を有し、前記複数のスイッチング回路のそれぞれには、前記複数のインダクタのそれぞれが個別に接続されていることを特徴とする。

請求項５に記載の発明によれば、複数並列に配置されたスイッチング回路の出力が個別にインダクタを介して、複数のコンデンサに接続される。このため、プッシュプルスイッチング回路等のスイッチング回路を複数並列に接続した構成において、各スイッチング回路の出力側がインダクタにより互いに分離される。この構成によれば、スイッチング回路毎のデバイスの特性や動作点のバラツキがあっても駆動回路の動作が安定する。

本発明によれば、ブロッキングコンデンサを配置した誘導加熱装置において、複数が並列に配置されて利用されるブロッキングコンデンサに流れる異常な高電流を抑えることができる技術が提供される。

実施形態の誘導加熱装置の回路図である。 実施形態の誘導加熱装置の終段に接続されたブロッキングコンデンサの周辺付近の等価回路図である。 比較例のブロッキングコンデンサの周辺付近の等価回路図である。 比較例の誘導加熱装置の回路図である。 計測を行った回路の回路図である。

（電気的な構成）
図１には、実施形態の誘導加熱装置１００が示されている。誘導加熱装置１００は、駆動回路の終段回路１０１と、この終段回路１０１から出力される駆動電流が供給される誘導加熱コイル１０２を備えている。

終段回路１０１は、直流を交流に変換するインバータ回路の出力部分であり、複数の上下対称スイッチング回路を並列配置（並列接続）したスイッチングユニット１０７と１０８を備えている。また、スイッチングユニット１０７と１０８は、バランススイッチング回路の構成に組み合わされた構成とされている。図１には、プッシュプルスイッチング回路１０３ａ〜１０３ｄを備えたスイッチングユニット１０７が示されている。プッシュプルスイッチング回路１０３ａ〜１０３ｄは、上下対称構造を有している。例えば、プッシュプルスイッチング回路１０３ａは、上側回路および下側回路にそれぞれＩＧＢＴ１０４ａおよび１０４ｂを備えている。ＩＧＢＴ１０４ａと１０４ａは、逆位相で駆動され、２つのＩＧＢＴの中点（出力点）にこのプッシュプルスイッチング回路１０３ａの出力が現れる。この構成は、他のプッシュプルスイッチング回路１０３ａ〜１０３ｄにおいても同じである。

スイッチングユニット１０７において、複数のプッシュプルスイッチング回路の出力のそれぞれには、個別にインダクタであるコイルとブロッキングコンデンサが直列に接続され、それらの直列回路の出力側がまとめられて誘導コイル１０２に接続されている。

すなわち、プッシュプルスイッチング回路１０３ａの出力は、インダクタ１０５ａおよびブロッキングコンデンサ１０６ａを介して、誘導加熱コイル１０２の一方の端子に接続されている。同様に、プッシュプルスイッチング回路１０３ｂの出力は、インダクタ１０５ｂおよびブロッキングコンデンサ１０６ｂを介して、誘導加熱コイル１０２の一方の端子に接続されている。また、プッシュプルスイッチング回路１０３ｃの出力は、インダクタ１０５ｃおよびブロッキングコンデンサ１０６ｃを介して、誘導加熱コイル１０２の一方の端子に接続されている。また、プッシュプルスイッチング回路１０３ｄの出力は、インダクタ１０５ｄおよびブロッキングコンデンサ１０６ｄを介して、誘導加熱コイル１０２の一方の端子に接続されている。

ブロッキングコンデンサ１０６ａ〜１０６ｄは、入出力にそれぞれ４端子を備え、内部に４素子のコンデンサを集積化して備えたものをパッケージに収めたキャパシタアレイ構造を有している。各コンデンサの耐圧は７２５Ｖｒｍｓであり、各端子間の電流容量は、２５ｋＨｚで７００Ａｒｍｓ、５０ｋＨｚで５００Ａｒｍｓ、１００ｋＨｚで３５０Ａｒｍｓである。

スイッチングユニット１０７は、他方のスイッチングユニット１０８とバランススイッチング回路を構成している。スイッチングユニット１０８は、スイッチングユニット１０７と同様な構成を有し、誘導加熱コイル１０２の他方の端子に接続されている。スイッチングユニット１０７と１０８がバランススイッチング回路として動作して、誘導加熱コイル１０２への高周波電流の供給が行われる。

図１には、符号１０３ａ〜１０３ｄによって示されるプッシュプルスイッチング回路が４つ並列に配置されてスイッチングユニット１０７が構成されているが、その並列配置されるプッシュプルスイッチング回路の数は任意である。また、終段回路１０１の数も一つに限定されず、必要とされる出力に応じて、複数が更に並列に接続された構成を採用することもできる。

この例において、誘導加熱コイル１０２に供給される駆動電力の周波数をｆ_０とする。ｆ_０は、例えば数百Ｈｚ〜１００ｋＨｚが選択される。ｆ_０は、加熱する材料の材質や寸法に応じて選択される。そして、ブロッキングコンデンサ１０６ａの容量をＣ、引き出し端子間の内部配線が持つインダクタンスがＬ_０であるとする。この場合、インダクタ１０５ａのインダクタンスＬの値は、Ｌ_０の５０倍以上の値とすることが望ましい。

この例では、ｆ_０＝５０ｋＨｚ、Ｌ_０＝約０．０６μＨ（但し素子毎にバラツキ有り）、Ｃ＝１２５μＦ、Ｌ＝１０μＨとしている。なお、ブロッキングコンデンサ１０６ａが有する内部のリードインダクタンスと容量Ｃとにより構成される直列共振回路の共振周波数は、約５８．５ｋＨｚである。

（機能）
図２は、図１に示す終段回路１０１を構成するスイッチングユニット１０７の出力部分を示す等価回路図である。図３は、図２に対応する等価回路図であり、本発明の構成を採用しない比較例の等価回路図である。図４は、図３に示す構成を採用した誘導加熱装置の回路図である。図３および図４の比較例では、ブロッキングコンデンサの入力側へのインダクタの個別配置を行わず、接続配線をまとめ、その接続点にスイッチングユニット１０７’を構成する４つのプッシュプル回路の出力をまとめて接続した構成としている。

ブロッキングコンデンサは、高電力を扱えるように、大型で余裕のある構造とされ、そのため比較的大きな内部配線インダクタンスを有している。図３には、このブロッキングコンデンサの内部配線インダクタンスがＬ_１により示されている。この内部配線インダクタンスＬ_１は、ブロッキングコンデンサの容量Ｃと直列共振回路を構成する。そして、図３に示すように複数のブロッキングコンデンサが並列に接続され、その入出力の配線が一つにまとめられている場合、図示するように、この直列共振回路が複数並列に接続された等価回路となる。

直列共振回路は、その共振周波数においてインピーダンスが著しく低下する性質を持っている。また、上記の直列共振回路の共振周波数は、各ブロッキングコンデンサの値のバラツキやリードインダクタンスの値のバラツキに起因したバラツキを有する。従って、図３に示す回路に入力される高周波電流に含まれる波形の周波数が、経路３０１〜３０４のいずれかの共振周波数に一致すると、特定の経路に大電流が流れる。これは、経路３０１〜３０４における高周波電流の偏りの要因となる。

この現象は、駆動回路から出力される高周波電流の基本周波数（およびその高調波の周波数）やその出力に含まれるスプリアス成分等が、経路３０１〜３０４の何れかの直列共振回路の周波数に一致あるいは近い値である場合に顕著となる。

本実施形態では、図２に示すようにブロッキングコンデンサ１０６ａ〜１０６ｄの入力側のそれぞれに、インダクタ１０５ａ〜１０５ｄが個別に配置されている。このため、経路２０１〜２０４の入力側にインダクタによる高インピーダンス素子が挿入された形となり、上述したメカニズムによる特定の経路に大電流が流れる不都合が防止される。

また、同じあるいは近い共振周波数を有する直列共振回路を複数並列に接続すると、複数の共振回路が互いに干渉し、一つの等価共振回路が形成される。この等価共振回路の共振周波数を有する高周波電流がこの回路に供給されると、この高周波電流が、回路内（直列共振回路を複数並列に接続した閉回路内）を共振電流として循環する。これも異常高電流の要因となる。

図２に示す構成によれば、複数の直列共振回路がインダクタ１０５ａ〜１０５ｄによって互いに分離され、相互の干渉が防止されるので、上記循環電流の発生が抑えられる。

また、図２に示す回路構成は、図３に示す回路構成と異なり、ブロッキングコンデンサの入力側をまとめず、個別にインダクタ１０５ａ〜１０５ｄを介してプッシュプルスイッチング回路の出力に接続している。このため、経路２０１〜２０４のアイソレーションが高められ、各経路間の干渉が抑えられる。この各経路間の干渉が抑えられることで、迷走電流の発生が防止され、出力動作を安定して得ることができる。

また、プッシュプルスイッチング回路１０３ａ〜１０３ｄのそれぞれの出力を個別にインダクタ１０５ａ〜１０５ｄを介して出力しているので、プッシュプルスイッチング回路間の干渉が防止され、その特性や動作点のバラツキの影響が抑えられる。このため、多数のプッシュプルＩＧＢＴスイッチング回路を並列接続した構造であっても、寄生発振や不安定な動作が生じ難く、安定した動作が得られる。

（実証試験）
図５は、計測を行った回路の回路図である。この計測では、上述した実施形態で用いた４素子が集積化されたブロッキングコンデンサ装置を用いた。このブロッキングコンデンサ装置の４つの素子の容量は、それぞれＣ_Ａ＝１２５μＦであり、インダクタＬ_Ａのインダクタンスは、４．４μＨとした。また、駆動回路からは５８．５ｋＨｚの高周波を２００ｋＷで出力し、その電力は図示省略した水冷ダミーロードで消費させた。

ここで、駆動回路から供給する高周波の周波数を５８．５ｋＨｚとしたのは以下の理由による。まず、電子的な測定により、ブロッキングコンデンサ装置が有する内部のリードインダクタンスとＣ_Ａとで形成される直列共振回路の共振周波数は、およそ５８．５ｋＨｚであることが判明している。そこで、図３の等価回路を用いて説明した現象をより顕著に発生させるために、図５の駆動回路の出力の周波数を５８．５ｋＨｚとした。なお、この測定で用いたブロッキングコンデンサの内部インダクタンスは、約０．０６μＨであるので、上述のようにＬ_Ａの値をその５０倍以上の４．４μＨとしている。

駆動回路から高周波電力の供給を行っている状態において、図５（Ａ）の上側の回路と下側の回路とにおける計測点Ａ、計測点Ｂ、計測点Ｃの電流値を計測した結果を下記表１に示す。

表１において、電流比というのは、計測点Ａにおける電流の値と計測点Ｂにおける電流の値との比（小さい方を分母としている）である。表１から明らかなように、図５（Ａ）の回路では、計測点Ａと計測点Ｂでは、流れる電流が上側の回路において比率にして１．８８倍異なり、下側の回路において４．３８倍異なる。また、２つのコンデンサを流れる電流の合計値に比較して、計測点Ｃを流れる電流の値が著しく小さい。

次に、図５（Ｂ）の上側の回路と下側の回路とにおける計測点Ｄ、計測点Ｅ、計測点Ｆの電流値を計測した結果を下記表２に示す。

表２から明らかなように、図５（Ｂ）の回路では、計測点Ｄと計測点Ｅでは、流れる電流が上側および下側の回路においてほぼ同じである。つまり、図５（Ａ）の場合に比較すると、その偏りが大きく抑えられている。また、上側と下側を流れる電流の合計値が、計測点Ｆを流れる電流の値とほぼ同じである。

（考察）
上記表１と表２の結果について考察した結果を説明する。上下に隣接する２つのコンデンサＣ_Ａを流れる電流の比率が、図５（Ａ）の回路では大きく、図５（Ｂ）の回路で著しく低いのは、インダクタＬ_Ａの接続方法の違いに起因していると考えられる。

すなわち、図５（Ａ）の回路では、２つのコンデンサＣ_Ａの入力側が接続され、そこに駆動回路からの出力がインダクタＬ_Ａを介して接続されている。このため、図２に関連して説明した直列共振回路が２つ並列に接続された等価回路となり、両直列共振回路の僅かな共振周波数の違いに起因して、２つの経路のインピーダンスに違いが生じ、それ故に計測点Ａと計測点Ｂとにおける電流の値に大きな相違が生じたものと推察される。

また、図５（Ａ）の回路では、各経路を流れる電流値の合計と、この２つの経路が合流した部分の電流値とが一致しない。これは、計測点Ａと計測点Ｂを循環する電流があることを示している。この電流は、図５（Ａ）中の矢印で示されるような、２つの直列共振回路が並列接続されることで構成される等価共振回路内を流れる共振電流の一種であると考えられる。

一方、図５（Ｂ）の回路では、計測点Ｄと計測点Ｅとにおける電流の値に大きな相違が生じていない。これは、２つのコンデンサＣ_Ａのそれぞれの入力側に、個別にインダクタＬ_Ａが接続され、上下に隣接する２つの直列共振回路が分離されるので、より低インピーダンスの経路に電流が集中する現象が抑えられているためであると考えられる。

また、計測点Ｄと計測点Ｅの電流値の合計が、計測点Ｆの電流値に精度良く一致している。これは、２つの直列共振回路がインダクタにより高周波的に分離されるので、計測点Ｄと計測点Ｅを循環する電流がほとんど発生しないためであると考えられる。

この循環する電流は、負荷に供給されない無駄な電流であり、エネルギーの利用効率を低下させる。事実、表１と表２を比較すると、同じ電力を駆動回路から供給しているにも係わらず、計測点Ｃにおける電流値は、計測点Ｆにおける電流値よりも小さい。この差は、上記の循環する電流に消費されていると考えられる。図５（Ｂ）に示す回路では、この循環する電流をほぼ無くすことができるので、エネルギーの利用効率の点で有利となる。

本発明は、誘導加熱装置に利用することができる。

１００…誘導加熱装置、１０１…終段回路、１０２…誘導加熱コイル、１０３ａ〜１０３ｄ…プッシュプルスイッチング回路、１０４ａ…ＩＧＢＴ、１０４ｂ…ＩＧＢＴ、１０５ａ〜１０５ｄ…インダクタ、１０６ａ〜１０６ｄ…ブロッキングコンデンサ、１０７…スイッチングユニット、１０８…スイッチングユニット。

Claims (5)

1. 誘導加熱コイルと、
   並列に接続された複数のコンデンサを介して前記誘導加熱コイルに電力を供給する駆動回路と、
   前記並列に接続された複数のコンデンサのそれぞれの入力側に個別に接続された複数のインダクタと
   を備えていることを特徴とする誘導加熱装置。
2. 前記複数のインダクタのそれぞれのインダクタンスは、前記複数のコンデンサのそれぞれが有するリードインダクタンスの５０倍以上であることを特徴とする請求項１に記載の誘導加熱装置。
3. 前記駆動回路の出力には、前記複数のコンデンサの一つと、このコンデンサのリードインダクタンスとで構成される直列共振回路の共振周波数を有する高周波が含まれていることを特徴とする請求項１または２に記載の誘導加熱装置。
4. 前記複数のコンデンサの一つと、このコンデンサのリードインダクタンスとで構成される直列共振回路の共振周波数は、前記駆動回路からの出力の中心周波数に対して、±２０％以内の範囲にあることを特徴とする請求項１または２に記載の誘導加熱装置。
5. 前記駆動回路は、複数のスイッチング回路を並列に備えた構成を有し、
   前記複数のスイッチング回路のそれぞれには、前記複数のインダクタのそれぞれが個別に接続されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の誘導加熱装置。

Images