JP2011103225A - 誘導加熱装置 - Google Patents

Abstract

【課題】複数の加熱コイルを駆動する複数のインバータを備えた誘導加熱装置において、複数のインバータのそれぞれの駆動周波数差よる干渉音を防止するのに駆動周波数を一定で制御すると、負荷によっては電力調整範囲に制約を受け、加熱出力の制御性が悪くなる。
【解決手段】複数インバータ４，５の同時動作をする場合には第１の最大電力を設定し、インバータ４，５の単独動作時に設定する第２の最大電力を設け、少なくとも第１の最大電力まではインバータ４，５の駆動周波数を一定にして動作させ、干渉音防止し、第１の最大電力を超え第２の最大電力まではインバータ４，５内の半導体スイッチ１１，１２，１４，１５の駆動周波数を可変して電力調整を行うことで電力調整範囲を大きくし、加熱出力制御性を向上させる。
【選択図】図１

Description

本発明は、複数の被加熱物を誘導加熱するための複数の加熱コイルを備えた誘導加熱装置に関するものである。

従来の誘導加熱調理装置について図９を用いて説明する。図９に示すように、従来の誘導加熱調理装置は、交流電源１と、被加熱物を誘導加熱する第１の加熱コイル６及び第２の加熱コイル７と、交流電源１を整流する整流回路２と、整流回路２の出力電圧を平滑する平滑コンデンサ９、１０と、整流回路２に対して並行接続された平滑コンデンサ９、１０のそれぞれの出力を高周波電力に変換し第１の加熱コイル６及び第２の加熱コイル７に各々供給する第１のインバータ４及び第２のインバータ５と、交流電源１からの入力電流を検出する入力電流検出手段３と、入力電流検出手段３の値が設定値となるように、第１のインバータ４及び第２のインバータ５内に各々ある半導体のスイッチング素子の駆動制御する制御手段８を有し、制御手段８はマイクロコンピュータなどで構成されている。

続いて、上記従来例の動作を説明する。制御手段８は、交流電源１からの入力電流をカレントトランスなどで構成される入力電流検出手段３で検出し、入力電流が予め設定された電流値になるように、第１及び第２のインバータ４，５内の半導体スイッチの導通時間を制御し、第１及び第２にインバータ４，５に各々接続された第１及び第２の加熱コイル６，７に必要な高周波電流を供給する。

そして、第１及び第２の加熱コイル６，７に供給された高周波電流により、第１及び第２の加熱コイル６，７より高周波磁界が発生し、第１及び第２の加熱コイル６，７上に載置され、第１及び第２の加熱コイル６，７と磁気的に結合する鍋などの負荷に高周波磁界が供給される。この高周波磁界により、鍋などの負荷に渦電流が発生し、この渦電流と鍋自身が持つ表皮抵抗により鍋などの負荷自身が発熱し、鍋などの負荷内の調理物を加熱する。

上記従来例では、整流回路２を第１のインバータ４及び第２のインバータ５で共用化しているため、回路構成を簡素化でき、また、第１のインバータ４及び第２のインバータ５に供給される電圧も同一なので、各インバータ４，５内のスイッチング素子を駆動するためのゲート信号電圧も同じになり、したがって、このゲート信号を供給して駆動制御を行っている制御手段８においても各スイッチング素子のゲート信号電圧に対応した設計を行うことがなく、１つの制御手段８で双方のインバータ４，５を制御できる利点がある。

一方、上記従来例の構成においては、それぞれのインバータ４，５を同時動作させると、加熱出力に応じて第１及び第２の加熱コイル６，７に流す高周波電流の周波数成分を変化させるため、第１及び第２の加熱コイル６，７に異なった周波数を持った電流が供給される。そのため、整流回路２を共用化して各インバータ４，５を並列接続している構成であると、それぞれの電流の周波数成分が反対の加熱コイルにも供給される。例えば、第１の加熱コイル６では、第１の加熱コイル６に電力を供給する周波数成分と、第２の加熱コイル７に電力を供給する周波数成分と、お互いの差の周波数成分などを持った電流が供給されることになる。ここで、第１の加熱コイル６に流れる電流の周波数と第２の加熱コイル７に流れる電流の周波数差が可聴域の周波数（２０〜２０ｋＨｚ）である場合、その周波数差による音（以下、干渉音という）が使用者に聞こえることになる。

２つのインバータ４，５の同時動作により発生する干渉音を抑制するため、各インバー
タで加熱する鍋の材質や加熱出力それぞれが異なっていても、スイッチング素子の駆動周波数を一定にしつつ、スイッチング素子の導通比率を変化させて制御することで、周波数差が生じず干渉音が発生しない方法が提案されている。また、特許文献１に示すように、インバータを単独動作させる際にはスイッチング素子の駆動周波数を変化させる、いわゆる周波数制御を行い、２つのインバータを同時に動作させる際には、それぞれのインバータを駆動するそれぞれの周波数の差が所定の周波数以上（１４ｋＨｚ以上）離して駆動させる方法などが提案されている。なお、周波数差が１４ｋＨｚ以上あれば、耳障りとなる周波数域を脱しており、この領域であれば、使用者はほとんど周波数差による干渉音を気にしない。

米国特許第７５０４６０７号明細書

しかし、周波数を一定で加熱コイルの出力を可変する上記従来例では、電力が入りにくい鍋（加熱コイルから見た等価抵抗が大きい鍋）でも必要とされる最大電力が、所定の周波数で実現できる様に加熱コイル及びインバータの定数を設計する必要が生じる。一方、この条件で設計されたインバータを用いて、電力が入り易い鍋（加熱コイルから見た等価抵抗が適度な大きさの鍋）を加熱すると、導通時間が短い状態（導通時間比率が低い状態）で必要とされる最大電力がインバータに入ってしまうため、さらに入力電力を下げる場合は、電力制御の分解能が悪くなり細かい電力調整（火力調整）が出来ないなど、制御性が悪化する課題を有する。

また、他の従来例である所定の周波数以上離して２つのインバータを動作させるものでは、駆動周波数を高く設定した方の加熱コイル及びインバータにおいて加熱コイル線の銅損や半導体スイッチのスイッチング損失など周波数に依存する損失が大幅に増加し、加熱効率が悪くなる課題を有することになる。例えば、通常のインバータによる駆動周波数は負荷の材質および加熱出力に応じて２０〜３５ｋＨｚの範囲で変化しており、これに所定の周波数差１４ｋＨｚ以上を確保しようとすると、他のインバータの駆動周波数は３４ｋＨｚ〜４９ｋＨｚとなり、最悪、５０ｋＨｚもの高周波駆動が必要になり、その高周波による損失は大きいものとなる。更に、上記他の従来例ではインバータの単独動作から同時動作に切り替える場合、それぞれのインバータの駆動周波数を１４ｋＨｚ以上の周波数差がでるように設定し直さなければならないので、一時的にインバータの動作を停止させ、その後、同時動作を改めて始めるなどの対策が必要で、煩雑なインバータ駆動制御が必要であるという課題を有する。

本発明は上記従来の課題を解決するもので、複数の加熱コイルを同時動作させる場合にも、それらの駆動周波数差による干渉音の発生が抑制できるとともに、加熱出力調整が良好で、かつ、高周波による損失の小さい誘導加熱装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために本発明の誘導加熱装置は、複数の加熱コイルと、前記複数の加熱コイルにそれぞれ高周波電力を供給する複数のインバータと、前記複数のインバータ内にそれぞれ設けたスイッチング素子の駆動を制御する制御手段を備え、前記制御手段は、前記複数のインバータが同時に動作する場合に設定する第１の最大電力と、前記インバータが単独動作する場合に設定する前記第１の最大電力よりも大きい第２の最大電力を有し、前記第１の最大電力までは前記インバータ内のスイッチング素子の駆動周波数を同一周波数で動作させると共に、前記駆動周波数の一周期における前記スイッチング素子の導
通時間比率を可変して電力調整を行い、前記第１の最大電力を超え前記第２の最大電力までは前記インバータ内のスイッチング素子の駆動周波数を可変して電力調整を行う誘導加熱装置としている。

これにより、複数のインバータが同時動作する第１の最大電力までは駆動周波数を一定にして電力調整を行うので、複数のインバータからそれぞれの加熱コイルへ供給される高周波電流の周波数も一定になり、各加熱コイルの周波数差は実質的にゼロとなり、鍋等の干渉音が発生しない。また、第１の最大電力を超えて第２の最大電力までの電力調整を行う、いわゆるインバータの単独動作時には、駆動周波数を可変することになるが、第１の最大電力時においては、インバータ内のスイッチング素子の導通時間比率は第１の最大電力が得られる筆禍雨滴大きな値（最大で５０％）に達しているので、第１の最大電力を超えて電力調整する場合には、導通時間比率が大きな状況で、駆動周波数を可変していくことで電力調整を行えることになる。したがって、第１の最大電力までの同時動作から第１の最大電力を越え第２の最大電力までの単独動作への移行をスムーズに行うことができ、制御性の良い誘導加熱装置を実現できるものである。

本発明は、干渉音がなく音が静かで、かつ制御性の良い誘導加熱装置を実現できるものである。

本発明の第１の実施の形態を示す誘導加熱装置の回路構成図 同誘導加熱装置における負荷別の駆動周波数と入力電力の関係を示す特性図 同誘導加熱装置における負荷別の導通時間比率と入力電力との関係を示す特性図 （ａ）同誘導加熱装置における各インバータの電力設定を示す表図、（ｂ）同第１のインバータにおける負荷別の駆動周波数と電力との関係を示す図、（ｃ）同第１のインバータにおける負荷別の導通時間比率と電力との関係を示す図 同誘導加熱装置の各部の波形図 本発明の第２の実施の形態を示す誘導加熱装置の回路構成図 同誘導加熱装置における負荷別の導通時間比率と加熱コイル電流との関係を示す特性図 同誘導加熱装置における駆動周波数と入力電力との関係を示す特性図 従来の誘導加熱装置の回路構成図

第１の発明は、複数の加熱コイルと、前記複数の加熱コイルにそれぞれ高周波電力を供給する複数のインバータと、前記複数のインバータ内にそれぞれ設けたスイッチング素子の駆動を制御する制御手段を備え、前記制御手段は、前記複数のインバータが同時に動作する場合に設定する第１の最大電力と、前記インバータが単独動作する場合に設定する前記第１の最大電力よりも大きい第２の最大電力を有し、前記第１の最大電力までは前記インバータ内のスイッチング素子の駆動周波数を同一周波数で動作させると共に、前記駆動周波数の一周期における前記スイッチング素子の導通時間比率を可変して電力調整を行い、前記第１の最大電力を超え前記第２の最大電力までは前記インバータ内のスイッチング素子の駆動周波数を可変して電力調整を行う誘導加熱装置である。

この構成とすることにより、複数のインバータが同時動作する第１の最大電力までは駆動周波数を一定にして電力調整を行うので、複数のインバータからそれぞれの加熱コイルへ供給される高周波電流の周波数も一定になり、各加熱コイルの周波数差は実質的にゼロとなり、鍋等の干渉音が発生しない。また、第１の最大電力を超えて第２の最大電力まで
の電力調整を行う、いわゆるインバータの単独動作時には、駆動周波数を可変することになるが、第１の最大電力時においては、インバータ内のスイッチング素子の導通時間比率は第１の最大電力が得られる比較的大きな値（最大では５０％）に達しているので、第１の最大電力を超えて電力調整する場合には、導通時間比率が大きい状況で、駆動周波数を可変していくことで電力調整を行えることになる。したがって、第１の最大電力までの同時動作から第１の最大電力を越え第２の最大電力までの単独動作への移行をスムーズに行うことができ、制御性の良い誘導加熱装置を実現できるものである。

第２の発明は、第１の発明において、インバータ内のスイッチング素子の導通時間比率が１／２（５０％）に達した後、導通時間比率を維持したまま周波数を変化させる誘導加熱装置としたもので、この構成により、各加熱コイルへ供給する電力を変化させることにより、単独動作と同時動作で制御方法を共通化することができるため、単独動作と同時動作の移行をスムーズに行うことができるため制御性の良い誘導加熱装置を実現できるものである。

第３の発明は、整流回路の出力を平滑する平滑コンデンサと、前記平滑コンデンサに対してそれぞれ並列に接続され、スイッチング素子を用いて前記平滑コンデンサの出力を所定の周波数の電力変換する第１のインバータおよび第２のインバータと、前記第１および第２のインバータからそれぞれ高周波電力の供給を受ける第１の加熱コイルおよび第２の加熱コイルと、前記第１のインバータ及び第２のインバータ内にそれぞれ設けたスイッチング素子の駆動を制御する制御手段を備え、前記制御手段は、前記第１のインバータ及び前記第２のインバータが同時に動作する場合に設定する第１の最大電力と、前記インバータが単独動作する場合に設定する前記第１の最大電力よりも大きい第２の最大電力を有し、前記第１の最大電力までは前記第１及び第２のインバータ内のスイッチング素子を同一の駆動周波数で動作させると共に、前記駆動周波数の一周期における前記スイッチング素子の導通時間比率を可変して電力調整を行い、前記第１の最大電力を超え前記第２の最大電力までは前記インバータ内のスイッチング素子の駆動周波数を可変して電力調整を行う誘導加熱装置としたものである。

この構成とすることにより、複数の加熱コイルが動作している時は周波数差による鍋の干渉音が発生せず、同時動作と単独動作へ移行がスムーズであり、かつ等価抵抗の高い鍋の最大電力時は周波数制御で対応することから、制御性の良い誘導加熱装置を実現できるものである。

第４の発明は、第３の発明において、第１のインバータ内で第１の加熱コイルと直列に接続される第１の共振コンデンサと、第２のインバータ内で第２の加熱コイルと直列に接続される第２の共振コンデンサと、第１の加熱コイル上に戴置される負荷の材質を検出する第１の負荷材質検知手段と、第２の加熱コイル上に戴置される負荷の材質を検出する第２の負荷材質検知手段を備え、制御手段は、前記第１の負荷材質検知手段及び前記第２の負荷材質検知手段の検出結果に応じて、前記第１の共振コンデンサ及び前記第２の共振コンデンサの容量を変化させ、前記第１のインバータと第２のインバータが同時に動作する場合に、同一の駆動周波数で電力調整を行うことにより、負荷の材質が大きく違う場合でも複数の加熱コイルが動作する際に周波数の差による干渉音が生じないため、音の静かな誘導加熱装置を実現できるものである。

第５の発明は、第４の発明において、負荷材質検知手段の検出結果により、選択された共振コンデンサの容量を、同一負荷を加熱中には同一容量とするにより、調理中にコンデンサの切り替えるための停止状態が発生しないため、調理中に火力が急に変化せず使い勝手の良い誘導加熱装置を実現できるものである。

第６の発明は、第４または５の発明において、負荷材質検出手段は、共振コンデンサの容量が大きい状態で負荷の材質を検出することにより、負荷材質を検出する際により高い周波数で検出を行うことができるため、負荷材質の検出中に不必要に電力が入り鍋鳴りが発生することを防止することができるため、音の静かな誘導加熱装置を実現得できるものである。

第７の発明は、第４〜６のいずれかの発明において、負荷材質検出手段は、インバータの同時動作する際の駆動周波数の２倍の周波数で負荷の材質を検出することにより、動作中の加熱コイルの駆動周波数と可聴域（概ね２０ｋＨｚ）以上かつ駆動周波数の２倍高調波と鍋検出時の駆動周波数との周波数差が発生しないため、負荷材質検出時も干渉音が発生せずに音の静かな誘導加熱装置を実現できるものである。

（実施の形態１）
本発明の第１の実施の形態における誘導加熱装置について図１〜図５を参照しながら説明する。

本実施の形態の誘導加熱装置の回路構成は、図１に示すように、交流電源１と、交流電源１を整流する整流回路２と、整流回路２の出力を平滑する平滑コンデンサ９と、平滑コンデンサ９の出力を高周波電力に変換する第１のインバータ４及び第２のインバータ５と、それぞれのインバータ４，５に接続され、各インバータ４，５から高周波電流が供給される第１の加熱コイル６及び第２の加熱コイル７と、交流電源１から整流回路２に流れる電流をカレントトランスなどで検出する入力電流検出手段３と、入力電流検出手段３の検出値が設定値になる様に第１及び第２のインバータ６，７内のスイッチング素子である半導体スイッチ１１，１２，１４，１５の駆動を制御する制御手段８より構成される。１３，１６は各インバータ４，５内にそれぞれ設けた共振コンデンサで、１７ａ、１７ｂ、１８ａ、１８ｂは、各インバータ４，５内の半導体スイッチ１１，１２，１４，１５とそれぞれ並列に接続されたスナバコンデンサで、各半導体スイッチ１１，１２，１４，１５のオフ時における各半導体スイッチへの印加電圧の急激上昇を抑制し、半導体スイッチを保護する機能を有する。

なお、制御手段８の検出値としては、入力電流検出手段３による入力電流値以外に加熱コイル６，７の電流や電圧などあり、入力電力に関連するパラメータを検出できるものであればよく、特に限定するものではない。

また、第１のインバータ４は、平滑コンデンサ９に並列に接続される第１の半導体スイッチ１１と第２の半導体スイッチ１２の直列接続体と、第１及び第２の半導体スイッチ１１，１２の直列接続体の接続点と平滑コンデンサ９の一端または両端に接続される第１の加熱コイル６と第１の共振コンデンサ１３で構成されるハーフブリッジ回路としたが、フルブリッジ回路であっても特に問題はない。

同様に、第２インバータ５は、平滑コンデンサ９に並列に接続される第３の半導体スイッチ１３と第４の半導体スイッチ１４の直列接続体と、第３の半導体スイッチ１３と第４の半導体スイッチ１４の直列接続体と接続点と平滑コンデンサ９の一端または両端に接続される第２の加熱コイル７と第２の共振コンデンサ１６で構成されるハーフブリッジ回路としたが、フルブリッジ回路であっても特に問題はない。

制御手段８は、第１のインバータ４及び第２のインバータ５内の半導体スイッチ１１，１２，１４，１５のオン、オフ駆動を制御することで、各インバータ４，５に接続された各加熱コイル６，７に２０ｋＨｚ程度の高周波電流を供給し、この高周波電流によって各加熱コイル６，７に発生した高周波磁界が鍋などの負荷に供給される。この高周波磁界に
よる鍋の表面に渦電流が発生し、渦電流と鍋などの負荷自身の抵抗により、鍋を加熱することになる。

図１の様に、第１の加熱コイル６と第１の共振コンデンサ１３の直列共振回路を利用した第１にインバータ４では、制御手段８は、第１の半導体スイッチ１１及び第２の半導体スイッチ１２を交互にオン、オフ駆動するが、入力電流などが所定値となるよう第１の半導体スイッチ１１及び第２の半導体スイッチ１２のオン、オフ駆動周波数を可変することができるようにしている。また、制御手段８は、第１の半導体スイッチ１１及び第２の半導体スイッチ１２のオン、オフ駆動周波数を一定にした状態で、その一定の駆動周波数の一周期当たりの第１の半導体スイッチ１１のオン時間とオフ時間の比率、すなわち、導通時間比率を変えることで、入力電流などが所定値になるように制御している。この動作は、第２のインバータ５内の第３半導体スイッチ１４及び第４の半導体スイッチ１５のオン、オフ駆動制御においても同様である。

また、本実施の形態の回路構成では、整流回路２及び平滑コンデンサ９が共用化されているため、回路スペースを小さくすることが出来る。しかし、第１のインバータ４及び第２のインバータ５が単独で動作する場合の最大電力で双方のインバータ４，５を動作させると、共用部分の負担が大きくなってしまい、結局、共用部品の定格電力を上げる必要が生じ、回路スペースの削減につながらないことになる。そこで、インバータ４，５の同時動作の時に、それぞれのインバータ４，５の定格電力を低く抑えて、それらインバータ４，５の合計電力にも定格電力を設けることで、省スペース性を確保することができることになる。つまり、インバータ４，５の同時動作の場合に設定する第１の最大電力と、インバータ４，５の単独動作の場合に設定する、第１の最大電力より大きい第２の最大電力を有し、これら最大電力の差が大きくなければ、誘導加熱装置の使用者も違和感を感じずに加熱調理を行うことができる。

ところで、第１及び第２のインバータ４，５の動作において、第１及び第２のインバータ４，５の駆動周波数そのものは人間の可聴域外になるように２０ｋＨｚ以上に設定されるが、第１のインバータ４と第２のインバータ５の駆動周波数に差があると、それぞれの加熱コイル上に載置された鍋などの負荷から駆動周波数差の干渉音が使用者に聞こえることになる。このため、負荷の種類や入力電力が変化しても駆動周波数一定での制御方法が必要となる。

図２には、本実施の形態例の誘導加熱装置において、負荷を含む加熱コイル６，７と共振コンデンサ１３，１６で決まる入力電力の駆動周波数に対する特性を示している。制御手段８は、各負荷Ａ、Ｂ，Ｃのそれぞれに対して共振周波数ｆａ、ｆｂ、ｆｃより高い駆動周波数領域でインバータ４，５内の半導体スイッチ１１，１２，１４，１５を駆動制御すせることで各負荷Ａ、Ｂ，Ｃに対する入力電力を調整しており、各負荷Ａ、Ｂ，Ｃの入力電力の特性は、駆動周波数を高くすると入力電力が低下していくので、駆動周波数を高くすると入力電力を小さくすることができる。一方、駆動周波数を変化させる代わりにインバータ４，５の半導体スイッチ１１，１２，１４，１５の導通時間比率を変えても、見かけ上周波数が高くなったのと同様な効果が得られるため、入力電力を調整することができる。

ここで、入力電力が入りにくい鍋（負荷Ａ）に対して定格電力が入るようにするには駆動周波数ｆａｔとし、入力電力が入り易い鍋（負荷Ｃ）ではさらに高い駆動周波数ｆｃｔが必要である。このように、通常の負荷Ｂの定格電力が入る駆動周波数ｆｂｔに比べて負荷Ａのそれは低く、負荷Ｃのそれは高くなるという特性をふまえて制御手段８は駆動制御する。一方、加熱コイル６，７間での駆動周波数差による干渉音を防止するためには、駆動周波数一定で入力電力を調整することができるが、負荷Ｃでは入力電力が入りすぎる。
つまり、負荷Ａへ定格電力を入れる駆動周波数ｆａｔの時、負荷Ｃの入力電力は共振周波数ｆｃに近い値となり、入力電力も負荷Ａに比べ大きくなる。そのため、負荷Ａの定格電力に相当する駆動周波数ｆａｔが一定になるように制御する場合、その駆動周波数の一定周期におけるオン、オフ時間比率、つまり、導通時間比率を変えることで入力電力を調整することができる。この入力電力の調整は、図３で示すように、負荷Ａでは導通時間比率５０％で低格電力なり、その導通時間比率を５０％より小さくすることで入力電力を調整できることがわかる。一方、負荷Ｃでは、導通時間比率５０％では大きく定格電力を超えてしますので、その定格電力より小さい電力で調整しようとすれば導通時間比率２５％以下の領域で電力調整することになり、同じく、負荷Ｂでは導通時間比率３５％以下の領域で電力調整することになる。このように、入力電力が入りやすい負荷Ｃを定格電力以下で電力調整しようとする場合、導通時間比率２５％以下の範囲での調整となるので、導通時間比率を少し変えただけで入力電力が大きく変わり、制御性が悪くなることになる。

次に、図４に基づき、各インバータ４，５の入力電力設定及び制御方法を説明する。図４（ａ）に示すように、整流回路２を複数のインバータ４，５が共用化する構成では、２つのインバータ４，５の同時動作の際に、インバータ４，５の単独動作するときの定格電力を越えないようにすることで、共用化部分の部品の定格が大きくならないようにしている。そのため、本実施の形態の誘導加熱装置では、インバータの単独動作のみが許される第２の最大電力「Ｐ」を設けている。具体的には、インバータ４，５を合計した定格電力３６００Ｗとすると、第１のインバータ４は、単独動作させる場合の第２の最大電力「Ｐ」を３３００Ｗ、両インバータを同時動作させる場合の第１の最大電力「７」を２０００Ｗに設定し、第２のインバータでは、単独動作させる場合の第２の最大電力「Ｐ」を１８００Ｗ、両インバータを同時動作させる場合の第１の最大電力「６」を１４００Ｗに設定している。これにより、同時動作が可能な電力設定値「１」〜「７」（第２のインバータ５は電力設定値「１」〜「６」）では最大でも２０００Ｗ＋１４００Ｗ＝３４００Ｗと合計した定格電力以下に抑えることができるようになっている。

一方、図４（ｃ）の第１のインバータ４の電力制御（通電時間比率）状況に示すように、駆動周波数を一定として通電時間比率を可変する場合、つまり、負荷Ａでは通電時間比率５０％で第１の最大電力「７」に達するように駆動周波数ｆｘを一定とした場合、負荷Ｂについては駆動周波数ｆｘを一定では導通時間比率５０％で最大の２８００Ｗ、負荷Ｃについては駆動周波数ｆｘを一定では導通時間比率５０％に到達するまでに第２の最大電力「Ｐ」３３００Ｗに到達する。次に、導通時間比率５０％を超える電力調整が必要な場合には、図４（ｂ）の第１のインバータ４の電力制御（駆動周波数）状況に示すように、駆動周波数による制御に移行する。負荷Ａについては、一定駆動周波数ｆｘで第１の最大電力になるので、これを越える第２の最大電力「Ｐ」３３００Ｗまでは、導通時間比率を５０％のまま、駆動周波数を低下させていくことで電力調整することができ、負荷Ｂについては、一定駆動周波数ｆｘで第１の最大電力を超える２８００Ｗになるので、これを越える第２の最大電力「Ｐ」３３００Ｗまでは、導通時間比率を５０％のまま、駆動周波数を低下させていくことで電力調整することができ、負荷Ｃについては、一定駆動周波数ｆｘであれば、導通時間比率の制御範囲内で第２の最大電力「Ｐ」３３００Ｗに到達するので、駆動周波数による制御は不要である。

上述のとおり、電力が入り難い負荷Ａにおいて、第１の最大電力「７」を越えるまでは、駆動周波数が一定かつ導通時間比率が５０％程度で入るように加熱コイル及びインバータを設定しておき、単独動作のみの第１の最大電力「７」から第２の最大電「Ｐ」までは、駆動周波数が５０％に達した段階で、周波数を変化させて電力を確保する制御を行っている。こうすることで、電力入りやすい負荷Ｃにおいて、導通比率を大きくした状態で、第１の最大電力「７」になるため、従来よりも制御性を向上させることが可能なる。

つぎに、図５に、第１の最大電力に達するまで入力電力を変えた場合における、第１及び第２のインバータ４、５内の半導体スイッチの駆動の様子を示す。インバータ４，５を同時動作するため、駆動周波数を２５ｋＨｚ一定としている。まず、図４（ａ）（ｂ）に示すように、第１のインバータ４内の第１及び第２の半導体スイッチ１１，１２を交互にオン、オフする駆動信号を出力しており、そのオンオフの駆動周波数の一周期の長さは４０マイクロ秒（２５ｋＨｚに相当）であり、図４（ｃ）（ｄ）に示すように、第２のインバータ５内の第３及び第４の半導体スイッチ１４，１５も同様に、交互にオン、オフする駆動信号を出力しており、そのオンオフの駆動周波数の一周期の長さは４０マイクロ秒（２５ｋＨｚに相当）で、第１のインバータ４と同一の駆動周波数で動作している。次に、第１のインバータ４内の第１及び第２の半導体スイッチ１１，１２を図４（ａ）（ｂ）に示すように駆動して第１のインバータ４における電力は一定とし、第２のインバータ５における電力を低下させる場合を説明する。図４（ｅ）（ｆ）に示すように、第２のインバータ５内の第３及び第４の半導体スイッチ１４，１５を交互にオン、オフする導通時間比率を図４（ｃ）（ｄ）の場合より小さくすることで、電力を低下させている。

このように、電力調整する場合、第１及び第２のインバータ４，５内の半導体スイッチは一定の駆動周波数（２５ｋＨｚ）で動作しており、第２のインバータ５内の半導体スイッチの導通時間比率を下げることで第２のインバータ５の入力電力を下げている。導通時間比率５０％の時に最大電力となるため、第１及び第２の半導体スイッチ１１、１２の組み及び第３及び第４の半導体スイッチ１３，１４の組みにおいて、どちらの導通時間が長くなるように設定するかは特に問題ではなく、それらの導通時間比率のみで電力が決定される。

また、本実施の形態では整流回路２及び平滑コンデンサ９を共用化した２つの加熱コイルに対する動作の例を示しているが、例えば、加熱コイルが４個の場合では、上述した２つの加熱コイルと２つのインバータを一組とすると、二組必要、インバータは４個必要となる。この際、それぞれの組のインバータが単独動作であっても、加熱コイル間での干渉音は生じる場合がある。そのため、本方式のように単独動作であってもできるだけ周波数を一定で動作させることで加熱コイル間の干渉音を減らすことができる。なお、干渉音に関しては、沸騰音などが少ない電力の小さな動作の場合の方が使用者に良く聞こえるため、低電力での周波数一定制御の方が有効である。

以上のように本実施の形態では、複数のインバータが同時に動作する際の第１の最大電力と、インバータが単独動作する際に前記第１の最大電力よりも大きい第２の最大電力をもち、少なくとも第１の最大電力まではインバータの駆動周波数を同一周波数で動作させることにより、複数の加熱コイルが動作している時は周波数差による鍋の干渉音が発生せず、同時動作と単独動作への移行がスムーズであり、かつ等価抵抗の高い鍋の最大電力時は周波数制御で対応することから、制御性が良い誘導加熱装置を実現できるものである。

（実施の形態２）
本発明の第２の実施の形態について図６〜図８を参照しながら説明する。本実施の形態の誘導加熱装置の回路構成を図６に示す。本実施の形態の構成が実施の形態１と異なるのは、負荷に応じて共振コンデンサの容量を切り替えるために、第１の共振コンデンサ１３と並列に接続される第３の共振コンデンサ２０と第１の切り替え手段２２の直列接続体と、第２の共振コンデンサ１６と並列に接続される第４の共振コンデンサ２１と第２の切り替え手段２３の直列接続体が加わる点と、第１のコイル電流検出手段２４、第２のコイル電流検出手段２５の検出値や入力電流検出手段３の検出値などを用いて加熱コイル６，７上に載置された負荷の材質を検出する第１の鍋材質検出手段２６及び第２の鍋材質検出手段２７が加わる点である。

なお、負荷に応じて共振コンデンサの容量を所定値に切り替えるのであれば、第１及び第２の共振コンデンサ１３，１６の両端以外に、共振コンデンサと加熱コイルの接続点と平滑コンデンサ９の片端間に第３の共振コンデンサ２０と第１の切り替え手段２２及び第４の共振コンデンサ２１と第２の切り替え手段２３を接続する構成であれば良い。

また、第１及び第２の切り替え手段２２，２３はリレーや半導体スイッチなどがあるが、制御手段８からの制御信号で状態を変更できるのであれば特に限定するものではない。

更に、本実施の形態では、鍋材質検出手段２６，２７は、各検出手段からの検出値を制御手段８内のマイクロコンピュータで判定し鍋材質を判断しているが、コンパレータなどを組み合わせた電子回路で構成しても良い。

次に、本実施の形態の動作に関して説明する。制御手段８は、起動時にインバータ内の半導体スイッチを駆動させ、その際の加熱コイルの電流を第１及び第２のコイル電流検出手段２４，２５や入力電流検出手段３などの検出値を用いて、鍋などの負荷の材質を特定し、負荷の材質に応じて第１及び第２の切り替え手段２２，２３を用いて共振コンデンサの容量を決定する。共振コンデンサを切り替えた後の動作は、実施の形態１と同様である。

図７に、負荷の材質を決める一例を示す。同図において、負荷Ａは、負荷の等価抵抗が大きく電力が入りにくい負荷であるため、導通時間比率に対して加熱コイルに流れる電流は小さくなる。一方、負荷Ｃは負荷の等価抵抗が小さく電力が入り易いであるため、導通時間比率に対して加熱コイルの流れる電流は大きくなる。そこで、判別ラインを設けることで負荷の材質を検出することができる。この負荷の材質を検出する方法に関しては、加熱コイルの共振電圧などを用いてあるいは複数の検出方法を組み合わせて行う方法などがあるが特に限定するものではない。

負荷の材質検出を行う場合、制御手段８は、入力電力が入りにくくなるように、導通時間比率を絞った状態あるいは駆動周波数が高い状態で判別する。これは、材質判別時に急激に入力電力が増加することを防止するためである。

次に、制御手段８は負荷の材質を検出すると、負荷の材質に応じて共振コンデンサの容量を切り替える。この共振コンデンサの切り替えにより、大きく周波数特性がずれ同一の駆動周波数での加熱が困難であった負荷であっても、共振周波数に対する入力電力の特性が異なる材質間であってもより近い状態にすることができるため、同一の駆動周波数での加熱範囲が拡がることになる。具体的には、図８に示すように、第１のインバータ４に接続した加熱コイル６の負荷が、等価抵抗が大きく電力が入りにくい負荷Ａの場合、同時動作時の駆動周波数で第１の最大電力よりはるか低い入力電力しか得られない（負荷Ａの破線を参照）。このような負荷Ａであると制御手段８が判別すると、第１の共振コンデンサ１３のみから、第１の切り替え手段２２を動作させ、第１の共振コンデンサ１３と第３の共振コンデンサ２０の合成キャパシタンスとし、負荷Ａの入力電力の特性を実線のように変更する。この実線の負荷Ａでは同時動作の駆動周波数において第１の最大設定電力以上の入力電力を得られるようになる。

なお、本実施の形態のように、負荷に応じて共振コンデンサの切り替えが行う場合であっても、第１の最大電力設定と第２の最大電力設定間で周波数制御を行うことは制御性が向上させる点及び切り替えるコンデンサの数を少なくすることができる点で有効である。

また、負荷材質を検出し共振コンデンサの容量を変更した時点で同一負荷であれば電力設定が変わってもコンデンサの切り替えを行わないことが望ましい。例えば、切り替え手
段として電磁リレーなどを用いた場合、コンデンサを切り替えるにはインバータを停止させ共振コンデンサの両端電圧及び電流値が下がった状態でリレーの切り替えを行う必要がリレーの耐久性や信頼性を向上させるためには必要である。そのためには調理中において加熱を一旦、停止することになるが、調理性能からして加熱動作中には加熱停止を避ける必要から、同一負荷であれば電力設定が変わってもコンデンサの切り替えを行わないとしたものでる。

更に負荷材質を検出する際には、共振コンデンサの容量が大きい状態で行うと共振周波数が低くなり、鍋材質検出手段の駆動周波数との差を大きく取ることができ、負荷材質検出中に必要以上に電力が増加することを防止することができるためである。

また、一方の加熱コイル（本実施の形態では第１の加熱コイル６）が動作中に、もう一方の加熱コイル（本実施の形態では第２の加熱コイル７）上の負荷の材質を検出する際に、第１のインバータ４の駆動周波数の２倍の周波数で第２のインバータ５の負荷の材質判別を行なうことで、不要な干渉音を防止することができる。これは、第１のインバータ４の２倍高調波と第２のインバータ５の材質判別時の周波数を同一にすることで、第１のインバータ４の２倍の高調波と第２のインバータ５間の干渉音を抑制することができ、かつそれぞれの基本周波数は２０ｋＨｚ以上離すことができるためである。

以上のように本実施の形態では、制御手段８は、第１の負荷材質検知手段２６及び第２の負荷材質検知手段２７の検出結果に応じて、第１の共振コンデンサ１３及び第２の共振コンデンサ１６の容量を変化させることで、負荷の特性が大きく異なる場合であっても同時動作の際に第１のインバータ４と第２のインバータ５が同一周波数で動作させることができるため、周波数の差による干渉音が生じず音の静かな誘導加熱装置を実現できるものである。

以上のように、本発明にかかる誘導加熱装置は、干渉音がなく静かで、かつ制御性の良いので、被加熱物を誘導加熱するための複数の加熱コイルを備えた誘導加熱調理装置、特に、トッププレート上に複数の加熱領域を設け、複数の鍋などを同時加熱調理する誘導加熱調理器に適用できる。

２ 整流回路
４ 第１のインバータ
５ 第２のインバータ
６ 第１の加熱コイル
７ 第２の加熱コイル
８ 制御手段
９ 平滑コンデンサ
１１ 第１の半導体スイッチ（スイッチング素子）
１２ 第２の半導体スイッチ（スイッチング素子）
１３ 第１の共振コンデンサ
１４ 第３の半導体スイッチ（スイッチング素子）
１５ 第４の半導体スイッチ（スイッチング素子）
１６ 第２の共振コンデンサ
２０ 第３の共振コンデンサ
２１ 第４の共振コンデンサ
２２ 第１の切り替え手段
２３ 第２の切り替え手段
２４ 第１のコイル電流検出手段
２５ 第２のコイル電流検出手段
２６ 第１の負荷材質検出手段
２７ 第２の負荷材質検出手段

Claims (7)

1. 複数の加熱コイルと、前記加熱コイルにそれぞれ高周波電力を供給する複数のインバータと、前記インバータ内にそれぞれ設けたスイッチング素子の駆動を制御する制御手段を備え、前記制御手段は、前記複数のインバータが同時に動作する場合に設定する第１の最大電力と、前記インバータが単独動作する場合に設定する、前記第１の最大電力よりも大きい第２の最大電力を有し、前記第１の最大電力までは前記インバータ内のスイッチング素子の駆動周波数を同一周波数で動作させると共に前記駆動周波数の一周期における前記スイッチング素子の導通時間比率を可変して電力調整を行い、前記第１の最大電力を超え前記第２の最大電力までは前記インバータ内のスイッチング素子の駆動周波数を可変して電力調整を行う誘導加熱装置。
2. インバータ内のスイッチング素子の導通時間比率が１／２に達した後、導通時間比率を維持したまま周波数を変化させることで、各加熱コイルへ供給する電力を変化させる請求項１記載の誘導加熱装置。
3. 整流回路の出力を平滑する平滑コンデンサと、前記平滑コンデンサに対してそれぞれ並列に接続され、スイッチング素子を用いて前記平滑コンデンサの出力を所定の周波数の電力に変換する第１のインバータおよび第２のインバータと、前記第１および第２のインバータからそれぞれ高周波電力の供給を受ける第１の加熱コイルおよび第２の加熱コイルと、前記第１のインバータ及び第２のインバータ内にそれぞれ設けたスイッチング素子を駆動制御する制御手段を備え、前記制御手段は、前記第１のインバータ及び前記第２のインバータが同時に動作する場合に設定する第１の最大電力と、前記インバータが単独動作する場合に設定する前記第１の最大電力よりも大きい第２の最大電力を有し、前記第１の最大電力までは前記第１及び第２のインバータ内のスイッチング素子を同一の駆動周波数で動作させると共に、前記駆動周波数の一周期における前記スイッチング素子の導通時間比率を可変して電力調整を行い、前記第１の最大電力を超え前記第２の最大電力までは前記インバータ内のスイッチング素子の駆動周波数を可変して電力調整を行う誘導加熱装置。
4. 第１のインバータ内で第１の加熱コイルと直列に接続される第１の共振コンデンサと、第２のインバータ内で第２の加熱コイルと直列に接続される第２の共振コンデンサと、第１の加熱コイル上に戴置される負荷の材質を検出する第１の負荷材質検知手段と、第２の加熱コイル上に戴置される負荷の材質を検出する第２の負荷材質検知手段を備え、制御手段は、前記第１の負荷材質検知手段及び前記第２の負荷材質検知手段の検出結果に応じて、前記第１の共振コンデンサ及び前記第２の共振コンデンサの容量を変化させ、前記第１のインバータと第２のインバータが同時動作する場合に、同一の駆動周波数で電力調整を行う請求項３記載の誘導加熱装置。
5. 負荷材質検知手段の検出結果により選択された共振コンデンサの容量は、同一負荷を加熱中は同一容量とする請求項４記載の誘導加熱装置。
6. 負荷材質検出手段は、共振コンデンサの容量が大きい状態で負荷の材質を検出する請求項４または５記載の誘導加熱装置。
7. 負荷材質検出手段は、インバータの同時動作で使用する駆動周波数の２倍の周波数で負荷の材質を検出する請求項４〜６のいずれか一項に記載の誘導加熱装置。