JP2011103270A - マグネトロン駆動用電源 - Google Patents

Abstract

【課題】マグネトロンのモーディング発振によって生じる異常動作からインバータ回路を保護すること。
【解決手段】半導体スイッチ素子８と高圧トランス７を有する共振回路と高圧整流回路９を有し、半導体スイッチ素子８のオンオフにより、マグネトロン１０に電力供給するインバータ回路１と、半導体スイッチ素子８のオンオフを制御する制御部１１を備え、制御部１１は半導体スイッチ素子８を駆動する駆動回路部１３とオンオフのタイミングを制御するスイッチング制御部１２とマグネトロン１０の電流を検出する電流検出部１４と電流検出部１４によって検出された電流の周波数成分を分析する周波数分析部１５を有し、周波数分析部１５によって検出されるマグネトロン１０の電流の周波数成分のうち動作周波数の基本波成分が所定の値を下回るとスイッチング制御部１２に動作停止指令を送信する構成とした。
【選択図】図１

Description

本発明は、電子レンジなどのマグネトロンを負荷とするマグネトロン駆動用電源に関するものである。

従来のマグネトロン駆動用電源について図面を用いて説明する。図６は主に日本国内で販売されている所謂インバータ式電子レンジに搭載されている従来のマグネトロン駆動用電源の回路図である。

従来のマグネトロン駆動用電源は交流である商用電源１を一旦ダイオードブリッジ２で直流電圧に変換し９、の直流電圧を半導体スイッチ素子５のオンオフによってインバータ回路は高圧トランス６の１次巻線に高周波電圧を発生し、高圧トランス６は２次巻線に高周波高電圧を励起する。

この高周波高電圧は高圧整流回路８によって直流高電圧に整流され、マグネトロン９に印加される。マグネトロン９はこの直流高電圧で駆動され、２．４５ＧＨｚの電波を発生する。

半導体スイッチ素子５には一般的にＩＧＢＴ（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）が使用され、この素子を数１０ｋＨｚの高周波でスイッチング動作させることで高圧トランス６に高周波電圧を発生している。

マグネトロン９はフィラメントを有する所謂真空管発振器であり、フィラメント回路からの熱電子放出によって発振動作を安定的に行うことができるが、このフィラメント回路には寿命があり、その寿命はその他の電子部品と比較すると比較的短いものである。

マグネトロン１０が寿命末期を迎えると発振動作が安定的に行えなくなり、所謂モーディング発振と呼ばれる異常発振動作を起こしてしまい、不規則にモーディング発振を行うことでインバータ回路１の共振動作に乱れを生じ、回路部品へダメージを与えてしまうため、マグネトロン１０の寿命末期において安全に回路動作を停止させる必要がある。

従来のこの種のマグネトロン駆動用電源では半導体スイッチング素子を保護するために、半導体スイッチング素子の過電圧を検出する過電圧検出手段を設け、そのフィードバック信号によって半導体スイッチング素子のオンパルスを制御することで半導体スイッチング素子の耐圧保護を行っているが、単発での異常動作を確実に検出することは困難であった。

そこで、マグネトロン１０がモーディング発振を呈した場合に、マグネトロン１０が発するマイクロ波の周波数が２倍になることを利用して加熱室にサーチアンテナを設け、高次の周波数成分を選択的に受信した後、そのマイクロ波を検波整流してそのレベルが所定値になるとインバータ回路１のスイッチング動作を停止させインバータ回路１の保護を実現していた（例えば、特許文献１参照）。

特開平３−７８９９５号公報

しかしながら、前記従来の構成では、下記説明のように、検知回路の誤動作やインバータ回路の発するノイズによる検知制度の信頼性を高くすることが困難であるという課題を有していた。

すなわち、特開平３−７８９９５号広報で公開されている技術は、マグネトロン１０がモーディング発振を起こした際にその発振周波数が正常発振時と大きく異なる点に着目し、異常検知する方法を採用し、オーブンキャビティにマイクロ波を受信するサーチアンテナを設けているため、オーブンキャビティの形状が異なるとその都度検知レベルを調整、整合させる必要がある上、マグネトロン１０は正常発振時においても高周波スプリアスを有しているため、この高周波スプリアスによって異常検知回路が誤動作を起こす恐れがある。

さらに、サーチアンテナはオーブンキャビティに装着するためインバータ回路が構成されるプリント基板と離れた位置に実装される。このため、サーチアンテナからの信号線はインバータ回路基板と離れた位置から引き回されるため、その信号線に高周波ノイズが重畳するため、耐ノイズ性・検知の信頼性に課題があった。

本発明は、前記従来の課題を解決するもので、マグネトロン１０のアノード電流の周波数成分を分析し、その周波数成分のインバータ周期の基本波成分の大小によって正常動作状態かモーディング発振状態かを判別するので、マグネトロン１０のモーディング発振を確実に検出で保護動作の信頼性向上を実現できるマグネトロン駆動用電源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、本発明のマグネトロン駆動用電源は、半導体スイッチ素子と高圧トランスを有する共振回路と高圧整流回路を有し、前記半導体スイッチ素子のオンオフにより、マグネトロンに電力供給するインバータ回路と、半導体スイッチ素子のオンオフを制御する制御部を備え、前記制御部は前記半導体スイッチ素子を駆動する駆動回路部とオンオフのタイミングを制御するスイッチング制御部と前記マグネトロンの電流を検出する電流検出部と前記電流検出部によって検出された電流の周波数成分を分析する周波数分析部を有し、前記周波数分析部によって検出されるマグネトロンの電流の周波数成分のうち動作周波数の基本波成分が所定の値を下回ると前記スイッチング制御部に動作停止指令を送信する構成としたものである。

これによって、マグネトロンの寿命末期で頻繁に発生する異常発振であるモーディング発振を確実に検出できるためインバータ回路の損傷、およびマグネトロンの損傷の進行を回避させることができる。

本発明のマグネトロン駆動用電源によれば、マグネトロンのモーディング発振による異常電流を確実に検出し、保護動作するため、半導体スイッチング素子や高圧回路などインバータ回路およびマグネトロンの損傷を防止することができる。

本発明の実施の形態１におけるマグネトロン駆動用電源の構成図 本発明の実施の形態１における定常時のマグネトロンの動作波形図 本発明の実施の形態１におけるモーディング発振時のマグネトロンの動作波形図 本発明の実施の形態２におけるマグネトロン駆動用電源の構成図 同マグネトロン駆動用電源のマグネトロン１０の印加電圧波形を示す図 従来のマグネトロン駆動用電源の構成図

第１の発明は、半導体スイッチ素子と高圧トランスを有する共振回路と高圧整流回路を有し、前記半導体スイッチ素子のオンオフにより、マグネトロンに電力供給するインバータ回路と、半導体スイッチ素子のオンオフを制御する制御部を備え、前記制御部は前記半導体スイッチ素子を駆動する駆動回路部とオンオフのタイミングを制御するスイッチング制御部と前記マグネトロンの電流を検出する電流検出部と前記電流検出部によって検出された電流の周波数成分を分析する周波数分析部を有し、前記周波数分析部によって検出されるマグネトロンの電流の周波数成分のうち動作周波数の基本波成分が所定の値を下回ると前記スイッチング制御部に動作停止指令を送信する構成としたものである。

モーディング発振時にマグネトロンのアノード電流の動作周波数基本波成分が減少したことを検出し、モーディングによる異常発振を検出するため、マグネトロンのモーディング発振を検出してインバータ回路の発振動作を停止することができるので、モーディング発振によるインバータ回路の共振動作の異常を防止し、インバータ回路を構成する回路部品を異常状態から保護することができる。

第２の発明は、計数手段を設け、周波数分析部よって検出されるマグネトロンの電流の動作周波数基本波成分が所定の値を下回った回数をカウントし、前記カウントが所定回数を超えるとスイッチング制御部に動作停止指令を送信するとしたものである。

計数手段でモーディング発振を起こした回数を計測でき、モーディング発振を頻繁に繰り返すことでマグネトロンが寿命末期に到達していることを予知できるので、インバータ回路を停止操作することでインバータ回路を構成する部品を異常状態から保護することができる。

第３の発明は、半導体スイッチ素子と高圧トランスを有する共振回路と高圧整流回路を有し、前記半導体スイッチ素子のオンオフにより、マグネトロンに電力供給するインバータ回路と、半導体スイッチ素子のオンオフを制御する制御部を備え、前記制御部は前記半導体スイッチ素子を駆動する駆動回路部とオンオフのタイミングを制御するスイッチング制御部と前記マグネトロンに印加する電圧を検出する電圧検出部を有し、前記電圧検出部によって検出される電圧が所定の値を下回ると前記スイッチング制御部に動作停止指令を送信する構成としたものである。

モーディング発振時にマグネトロンのアノード−カソード間電圧が正常発振時よりも減少したことを検出し、モーディングによる異常発振を検出するため、マグネトロンのモーディング発振を検出してインバータ回路の発振動作を停止することができるので、モーディング発振によるインバータ回路の共振動作の異常を防止し、インバータ回路を構成する回路部品を異常状態から保護することができる。

第４の発明は、計数手段を設け、電圧検出部よって検出されるマグネトロンの印加電圧が所定の値を下回った回数をカウントし、前記カウントが所定回数を超えるとスイッチング制御部に動作停止指令を送信する構成としたものである。

計数手段でモーディング発振を起こした回数を計測でき、モーディング発振を頻繁に繰り返すことでマグネトロンが寿命末期に到達していることを予知できるので、インバータ回路を停止操作することでインバータ回路を構成する部品を異常状態から保護することが
できる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。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マグネトロン駆動用電源の構成図である。

図１において、インバータ回路１は商用電源２から得られる交流電圧をダイオードブリッジ３によっていったん単方向電圧に整流し、チョークコイル４、平滑コンデンサ５で構成される平滑回路で平滑している。

この平滑回路は商用電源の周波数である６０Ｈｚあるいは５０Ｈｚに対しては電圧を維持し平滑する能力は持たず、インバータ回路１のスイッチング周波数に対して直流電圧を保持できる程度の平滑能力として回路の小型化を果たしている。

共振コンデンサ６と高圧トランス７で構成される共振回路を半導体スイッチ素子８のオンオフによって励振することで高圧トランス７の２次側に高周波高電圧を誘起する。

高圧整流回路９はこの高周波高電圧を整流しマグネトロン１０に直流高電圧を供給し、マグネトロン１０はこの直流高電圧によって２４５０ＭＨｚのマイクロ波を発生するように構成されている。

制御部１１は半導体スイッチ素子８のオンオフのタイミングを制御するスイッチング制御部１２と半導体スイッチ素子８を駆動する駆動回路部１３を有しており、駆動回路部１３はスイッチング制御部１２の出力するパルス列に基づいて半導体スイッチ素子８をオンオフする。

電流検出部１４はマグネトロン１０の電流を検出するように高圧整流回路９とアース接続部の間に装着されている。電流検出部１４は抵抗体１４によって電流を検出する構成となっている。

周波数分析部１５は電流検出部１４によって検出されたアノード電流Ｉａの周波数成分を分析するようになっている。具体的にはＦＦＴのような数値演算で行っても良いし、インバータ回路のスイッチング周波数成分のみを通過する帯域通過型のフィルタ回路によって構成しても良い。

以上のように構成されたマグネトロン駆動用電源について、以下その詳細な動作、作用を説明する。

図２はインバータ回路１が正常な状態におけるマグネトロン１０の印加電圧Ｖａｋおよび通過電流Ｉａを示した図である。（ａ）は商用電源２の周期における動作波形を示し、（ｂ）は（ａ）図の時刻Ｔ１におけるアノード電流Ｉａの波形を示し、（ｃ）は（ｂ）図の周波数成分を分析した結果を示した図である。

インバータ回路１のスイッチング動作に同期して高圧トランス７に高周波高電圧が誘導されその高周波高電圧を高圧整流回路９で単方向電圧に整流するためマグネトロン１０のアノード電流Ｉａは図（ｂ）に示すような脈動した電流波形となる。これを各周波数成分に周波数分析部によって分解すると、各周波数成分は図２（ｃ）のような成分に分解される。

一方、図３はマグネトロン１０がモーディング発振を起こしたときのマグネトロン１０のアノード電流Ｉａの波形を示した図である。正常に発振している状態と異なり、直流バイアスを加えたような波形を示す。

これを前述と同様に周波数分析部によって各周波数成分に分解すると、図３（ｃ）のような周波数成分に分解される。ここで図２（ｃ）との差異に着目するとインバータ回路の動作周波数の基本波成分に大きな差異が見られる。すなわち、正常発振時に比較してモーディング発振時には基本波成分が著しく減少している。

周波数分析部１５はこの基本波成分の変化を捉え、基本波成分が所定の値を下回るとマグネトロン１０がモーディング発振を起こしていると判定し、計時手段１７に判定するつど制御信号を送信する。計時手段１６はこの制御信号の送信回数が所定の回数を超えるとスイッチング制御部１２に停止指令を送信し、インバータ回路１の発振動作を停止させる。

このように動作することによってマグネトロン１０のモーディング発振を検出し、インバータ回路１への過度なストレスがかかることを防止し、マグネトロンの異常動作によるインバータ回路への損傷を防止することが可能となる。

（実施の形態２）
図４は、本発明の第２の実施の形態におけるマグネトロン駆動用電源の構成図である。

図４において、インバータ回路１は商用電源２から得られる交流電圧をダイオードブリッジ３によっていったん単方向電圧に整流し、チョークコイル４、平滑コンデンサ５で構成される平滑回路で平滑している。

この平滑回路は商用電源の周波数である６０Ｈｚあるいは５０Ｈｚに対しては電圧を維持し平滑する能力は持たず、インバータ回路１のスイッチング周波数に対して直流電圧を保持できる程度の平滑能力として回路の小型化を果たしている。

また、共振コンデンサ６と高圧トランス７で構成される共振回路を半導体スイッチ素子８のオンオフによって励振することで高圧トランス７の２次側に高周波高電圧を誘起する。

高圧整流回路９はこの高周波高電圧を整流しマグネトロン１０に直流高電圧を供給し、マグネトロン１０はこの直流高電圧によって２４５０ＭＨｚのマイクロ波を発生するように構成されている。

制御部１１は半導体スイッチ素子８のオンオフのタイミングを制御するスイッチング制御部１２と半導体スイッチ素子８を駆動する駆動回路部１３を有しており、駆動回路部１３はスイッチング制御部１２の出力するパルス列に基づいて半導体スイッチ素子８をオンオフする。

電圧検出部１７はマグネトロン１０の印加電圧を検出するようにマグネトロン１０のアノード−カソード間に接続されている。マグネトロン１０は４ｋＶ以上の負の高電圧を印加して高周波を発生するため十分大きな抵抗によって分圧し信号レベルまでその出力信号を分圧している。

以上のように構成されたマグネトロン駆動用電源について、以下その詳細な動作、作用
を説明する。

図５はマグネトロン１０に印加する電圧波形を示した図であり、図中実線で示した特性波形は正常動作時における電圧波形であり、破線でしめした 特性波形はマグネトロン１０が寿命末期を迎えモーディング発振を起こしている状態の電圧波形を示している。

この図に示しているようにマグネトロン１０が正常な状態ではマグネトロン１０が非発振の状態において非常に高いインピーダンスを有しているためその印加電圧は商用電源２の電圧が低い状態であってもある程度の電圧を保持している。

しかしながらマグネトロン１０が寿命末期を向かえモーディング発振を頻繁に起こすようになるとその電圧電流特性が変化し、正常な状態ではほぼ無限大のインピーダンスを示していた状態からインピーダンスが低下した状態へと変化する。このため高圧整流回路９で電圧を保持しきれなくなり商用電源２の電圧が低い期間でマグネトロン１０の両端電圧が図５中の破線のようにほぼ零近くまで落ちてしまう。

電圧検出手段１７はある所定の値に閾値を有しておりマグネトロン１０の印加電圧がこの閾値を下回ると制御信号を発する。計数手段１６はこの制御信号の回数をカウントし、インバータ回路１の動作中に所定回数制御信号をカウントすると、マグネトロン１０がモーディング発振を起こしていると判定し、スイッチング制御部１２に停止信号を送信し、インバータ回路１の発振動作を停止させる。

このように動作することによってマグネトロン１０のモーディング発振を検出し、インバータ回路１への過度なストレスがかかることを防止し、マグネトロンの異常動作によるインバータ回路への損傷を防止することが可能となる。

以上のように、本発明にかかるマグネトロン駆動用電源はマグネトロンのモーディング発振による異常電流を検出し、インバータ回路およびマグネトロンの損傷を防止するマグネトロン駆動電源を提供できるので、電子レンジで代表されるような誘電加熱を利用した加熱装置や生ゴミ処理機、あるいは半導体製造装置であるプラズマ電源のマイクロ波電源などの用途にも適用できる。

１ インバータ回路
７ 高圧トランス
８ 半導体スイッチ素子
９ 高圧整流回路
１０ マグネトロン
１１ 制御部
１２ スイッチング制御部
１３ 駆動回路部
１４ 電流検出部
１５ 周波数分析部
１６ 電圧検出部

Claims (4)

1. 半導体スイッチ素子と高圧トランスを有する共振回路と高圧整流回路を有し、前記半導体スイッチ素子のオンオフにより、マグネトロンに電力供給するインバータ回路と、半導体スイッチ素子のオンオフを制御する制御部を備え、前記制御部は前記半導体スイッチ素子を駆動する駆動回路部とオンオフのタイミングを制御するスイッチング制御部と前記マグネトロンの電流を検出する電流検出部と前記電流検出部によって検出された電流の周波数成分を分析する周波数分析部を有し、前記周波数分析部によって検出されるマグネトロンの電流の周波数成分のうち動作周波数の基本波成分が所定の値を下回ると前記スイッチング制御部に動作停止指令を送信する構成としたマグネトロン駆動用電源。
2. 計数手段を設け、周波数分析部よって検出されるマグネトロンの電流の動作周波数基本波成分が所定の値を下回った回数をカウントし、前記カウントが所定回数を超えるとスイッチング制御部に動作停止指令を送信する構成とした請求項１に記載のマグネトロン駆動用電源。
3. 半導体スイッチ素子と高圧トランスを有する共振回路と高圧整流回路を有し、前記半導体スイッチ素子のオンオフにより、マグネトロンに電力供給するインバータ回路と、半導体スイッチ素子のオンオフを制御する制御部を備え、前記制御部は前記半導体スイッチ素子を駆動する駆動回路部とオンオフのタイミングを制御するスイッチング制御部と前記マグネトロンに印加する電圧を検出する電圧検出部を有し、前記電圧検出部によって検出される電圧が所定の値を下回ると前記スイッチング制御部に動作停止指令を送信する構成としたマグネトロン駆動用電源。
4. 計数手段を設け、電圧検出部よって検出されるマグネトロンの印加電圧が所定の値を下回った回数をカウントし、前記カウントが所定回数を超えるとスイッチング制御部に動作停止指令を送信する構成とした請求項３に記載のマグネトロン駆動用電源。

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