JP2011135668A

JP2011135668A - インバータ装置

Info

Publication number: JP2011135668A
Application number: JP2009291720A
Authority: JP
Inventors: Takahiro Miyauchi; 貴宏宮内
Original assignee: Panasonic Corp
Current assignee: Panasonic Corp
Priority date: 2009-12-24
Filing date: 2009-12-24
Publication date: 2011-07-07
Anticipated expiration: 2029-12-24
Also published as: JP5621252B2

Abstract

【課題】雑音を低減すること。
【解決手段】図示してない鍋（負荷）に高周波電力を供給するインバータ７０と、商用交流を整流する整流手段５２と、商用交流入力部４を有し、インバータは少なくとも１つのハーフブリッジ回路を有し、ハーフブリッジ回路はハイサイドスイッチ７４、７６とローサイドスイッチ７５、７７からなり、ハイサイドスイッチ７４、７６は第１のヒートシンク１に熱的に結合されるとともにハイサイドスイッチ７４、７６の高電位側と少なくとも高周波では電気的に接続され、ローサイドスイッチ７５、７７は第２のヒートシンク２に熱的に結合され、第１のヒートシンク１の位置は商用交流入力部４と第２のヒートシンク２との間とすること。
【選択図】図１

Description

本発明は、誘導加熱調理器や、誘導加熱式の湯沸かし器、加湿器あるいはアイロンなどのインバータ装置に関するものである。

以下、従来のインバータ装置の例として、加熱コイルから高周波磁界を発生し、電磁誘導による渦電流によって鍋等の負荷を加熱する誘導加熱調理器について図３に基づいて説明する。

図３は従来の誘導加熱調理器の回路構成を示す図である。

図３において、電源５１は２００Ｖ商用電源であり、ダイオードブリッジからなる整流手段５２と第１の平滑コンデンサ７８とチョークコイル７９とダイオード８０とＭＯＳＦＥＴ８１と力率改善制御手段８２からなる力率改善コンバータ（力率改善手段）７１によって商用電源を昇圧した直流に変換し第２の平滑コンデンサ７３に蓄電しつつ商用電源の力率を１近くになるように制御を行う。インバータ７０により高周波に変換され、高周波磁界を加熱コイル５９に発生させる。加熱コイル５９と対向して負荷である図示してない鍋を設置する。共振コンデンサ６０は、加熱コイル５９とともに直列の共振回路を構成している。前記共振回路の共振周波数は約９０ｋＨｚに設定している。インバータ７０は前記共振回路を出力としたフルブリッジ回路となるよう第１のスイッチング素子７４および第２のスイッチング素子７５および第３のスイッチング素子７６および第４のスイッチング素子７７を接続している。スイッチング素子７４、７５、７６、７７はＩＧＢＴとＩＧＢＴに逆並列に接続したダイオードからなっている。加熱出力制御回路（加熱出力制御手段）６３により第１のスイッチング素子７４と第４のスイッチング素子７７または第２のスイッチング素子７５と第３のスイッチング素子７６を交互に駆動し、出力を増加させる場合にはスイッチング素子の駆動周波数が共振周波数に近づくように加熱出力制御回路６３によりスイッチング素子を駆動し、カレントトランスからなる加熱出力検知手段６７により加熱出力を検知して所定の加熱出力が得られるようにする周波数制御のインバータとしている。

以上述べたように、負荷を誘導加熱するよう動作するものであるが、各スイッチング素子のスイッチング動作に伴いいわゆるスイッチングノイズが発生する。

特開２００３−２７２８１７号公報

しかしながら、特許文献１に見られるような従来の構成では、特に各スイッチング素子には冷却するためヒートシンクをとりつけ強制冷却しているが各スイッチング素子とヒートシンクは非絶縁または絶縁されていてもスイッチング時間ほどの高周波では電気的に結合しているためヒートシンクからのノイズ放射があり、輻射ノイズや商用交流側に回り込み伝導ノイズになってしまう課題を有していた。

本発明は、前記従来の課題を解決するもので、容易な構成で雑音特に雑音端子電圧を低減するインバータ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、本発明のインバータ装置は、負荷に高周波電力を供給するインバータと、商用交流を整流する整流手段と、商用交流入力部を有し、インバータは少なくとも１つのハーフブリッジ回路を有し、ハーフブリッジ回路はハイサイドスイッチとローサイドスイッチからなり、ハイサイドスイッチは第１のヒートシンクに熱的に結合されるとともにハイサイドスイッチの高電位側と少なくとも高周波では電気的に接続され、ローサイドスイッチは第２のヒートシンクに熱的に結合され、第１のヒートシンクの位置は商用交流入力部と第２のヒートシンクの間とする構成とした。この構成により、よりフィルタが容易な構成で雑音特に雑音端子電圧を低減したインバータ装置とすることができる。

本発明のインバータ装置は、容易な構成で雑音特に雑音端子電圧を低減することが出来る。

本発明の実施の形態１におけるインバータ装置のプリント配線板構成図同インバータ装置のヒートシンクの断面図本発明の実施の形態１におけるインバータ装置及び従来のインバータ装置の回路構成図

第１の発明は、負荷に高周波電力を供給するインバータと、商用交流を整流する整流手段と、商用交流入力部とを有し、前記インバータは少なくとも１つのハーフブリッジ回路を有し、前記ハーフブリッジ回路はハイサイドスイッチとローサイドスイッチとからなり、前記ハイサイドスイッチは第１のヒートシンクに熱的に結合されるとともに前記ハイサイドスイッチの高電位側と少なくとも高周波では電気的に接続され、前記ローサイドスイッチは第２のヒートシンクに熱的に結合され、前記第１のヒートシンクの位置は前記商用交流入力部と前記第２のヒートシンクとの間とする構成とすることにより、第２のヒートシンクから発生する放射ノイズを第１のヒートシンクでシールドする効果を得て商用交流入力部への放射ノイズを低減することが出来る。

第２の発明は、負荷に高周波電力を供給するインバータと、力率改善コンバータと、商用交流を整流する整流手段と、商用交流入力部とを有し、前記インバータは少なくとも１つのハーフブリッジ回路を有し、前記ハーフブリッジ回路はハイサイドスイッチとローサイドスイッチとからなり、前記ハイサイドスイッチは第１のヒートシンクに熱的に結合されるとともに前記ハイサイドスイッチの高電位側と少なくとも高周波では電気的に接続され、前記力率改善コンバータは少なくとも１つのスイッチを有し、前記スイッチは第３のヒートシンクに熱的に結合され、前記第１のヒートシンクの位置は前記商用交流入力部と第３のヒートシンクとの間とする構成とすることにより、第３のヒートシンクから発生する放射ノイズを第１のヒートシンクでシールドする効果を得て商用交流入力部への放射ノイズを低減することが出来る。

第３の発明は、特に、第１の発明において、第１のヒートシンクの高さは第２のヒートシンクの高さより高いことにより、放射ノイズ低減効果をより大きくすることができる。

第４の発明は、特に、第１の発明において、第１のヒートシンクの第２のヒートシンクに対向する面の横幅は第２のヒートシンクより長いことにより、放射ノイズ低減効果をより大きくすることができる。

第５の発明は、特に、第２の発明において、第１のヒートシンクの高さは第３のヒートシンクの高さより高いことにより、放射ノイズ低減効果をより大きくすることができる。

第６の発明は、特に、第２の発明において、第１のヒートシンクの第３のヒートシンクに対向する面の横幅は第３のヒートシンクより長いことにより、放射ノイズ低減効果をより大きくすることができる。

第７の発明は、特に、第１または第２の発明において、整流手段を第１のヒートシンクに熱的に結合する構成とすることにより、商用交流入力部への放射ノイズをより低減することが出来る。

第８の発明は、特に、第１または第２の発明において、複数のハイサイドスイッチを同一ヒートシンクに熱的に結合する構成として、ヒートシンクの隙間をなくしかつ大きさを大きく出来ることにより放射ノイズ低減効果をより大きくすることが出来る。

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インバータ装置である誘導加熱調理器のプリント配線板構成図、図２はインバータ装置のヒートシンクの断面図である。

図１において、第１のヒートシンク１は第１のスイッチング素子７４および第３のスイッチング素子７６および整流素子５２を載置している。第２のヒートシンク２は第２のスイッチング素子７５および第４のスイッチング素子７７を載置している。コレクタ第３のヒートシンク３はＭＯＳＦＥＴ（スイッチ）８１を載置している。商用交流入力部４は図示しない商用交流入力端子や電源フィルタ回路やそれぞれを結線する配線パターンからなっている。

図３は本発明の第１の実施の形態におけるインバータ装置である誘導加熱調理器の構成図である。

図３において、電源５１は２００Ｖ商用電源であり、ダイオードブリッジからなる整流手段５２と第１の平滑コンデンサ７８とチョークコイル７９とダイオード８０とＭＯＳＦＥＴ８１と力率改善制御手段８２からなる力率改善回路（力率改善手段）７１によって商用電源を昇圧した直流に変換し第２の平滑コンデンサ７３に蓄電しつつ商用電源の力率を１近くになるように制御を行う。インバータ７０により高周波に変換され、高周波磁界を加熱コイル５９に発生させる。加熱コイル５９と対向して負荷である図示してない鍋を設置する。共振コンデンサ６０は、加熱コイル５９とともに直列の共振回路を構成している。共振コンデンサ６０は第１のコンデンサ８５と第２のコンデンサ８６と第３のコンデンサ８７からなり第１の切替手段８３と第２の切替手段８４で本発明ではリレーとして開閉することにより共振コンデンサ６０の静電容量を変化させる。インバータ７０は前記共振回路を出力としたフルブリッジ回路となるよう第１のスイッチング素子７４および第２のスイッチング素子７５および第３のスイッチング素子７６および第４のスイッチング素子７７を接続している。スイッチング素子７４、７５、７６、７７はＩＧＢＴとＩＧＢＴに逆並列に接続したダイオードからなっている。加熱出力制御回路（加熱出力制御手段）６３により第１のスイッチング素子７４と第４のスイッチング素子７７または第２のスイッチング素子７５と第３のスイッチング素子７６を交互に駆動し、出力を増加させる場合にはスイッチング素子の駆動周波数が共振周波数に近づくように加熱出力制御回路６３によ
りスイッチング素子を駆動し、第１のカレントトランスからなる加熱出力検知手段６７により加熱出力を検知して所定の加熱出力が得られるようにする周波数制御のインバータとしている。起動時においては、第１の切替手段８３および第２の切替手段８４はそれぞれ開放している。このときの前記共振回路の共振周波数は約９０ｋＨｚとしている。加熱出力制御回路６３は一定の周波数（約６０ｋＨｚ）で第１のスイッチング素子７４と第４のスイッチング素子７７または第２のスイッチング素子７５と第３のスイッチング素子７６を交互に駆動する。負荷材質検知手段７２は加熱出力検知手段６７の検知出力と第２のカレントトランスからなる共振電圧検知手段６８の検知出力から、負荷の材質を検知する。

アルミニウム系の負荷であると検知した場合には、所定の駆動時間比に到達すると、第１のスイッチング素子７４と第４のスイッチング素子７７の駆動期間より共振電流の周期の短いモードに移行する。このとき、出力は低出力状態になるように駆動期間が設定される。スイッチング素子７４、７５、７６、７７の駆動周波数は共振回路の共振周波数の１／３である約３０ｋＨｚとなるようにしている。また、力率改善回路７１は４００Ｖに昇圧しつつ商用電源の力率改善を行うよう動作している。このようにスイッチング素子７４、７５、７６、７７の損失を低減しつつ昇圧することでアルミニウムのような低透磁率かつ高導電率である金属も加熱できる高導電率材質モードで動作するようにしているものである。

負荷材質検知手段７２は負荷の材料が鉄系など低電導率のものであると判断すると、切替手段８４は短絡することで前記共振回路の共振周波数を約２０ｋＨｚとしている。駆動周波数は前記共振回路の略共振周波数となるようにして駆動周波数を下げ、再度低出力で加熱を開始する。スイッチング素子７４、７５、７６、７７の駆動周波数は前記共振回路の共振周波数である約２０ｋＨｚとなるようにして、最小出力からスタートして所定の出力まで徐々に増加させる低導電率材質モードで動作させる。このとき力率改善回路７１は４５０Ｖに昇圧して十分な加熱出力を得ることが出来るものである。

第１〜第４のスイッチング素子７４、７５、７６、７７及びＭＯＳＦＥＴ８１はいわゆる非絶縁パッケージのＩＧＢＴまたはＭＯＳＦＥＴを使用しておりパッケージに露出している金属部はコレクタと同電位である。また、スイッチング素子７５、７７はローサイドスイッチ、スイッチング素子７４、７６はハイサイドスイッチとしているためスイッチング素子７５、７７のいずれかはショート防止のため第２のヒートシンクと電気的に絶縁して載置しているものであるが、スイッチング素子７４、７６は電気的にも第１のヒートシンク２と接続するよう載置している。またＭＯＳＦＥＴ８１も高周波スイッチングをおこなっているためスイッチング損失が大きく放熱性を向上させるため第３のヒートシンク３に電気的に非絶縁で載置している。第１のヒートシンク１はハイサイドスイッチのコレクタと同電位であり、電位は安定している。しかしながら、第２のヒートシンク２はローサイドスイッチのコレクタと同電位であり、第３のヒートシンク３はＭＯＳＦＥＴ８１のドレインと同電位でありそれぞれスイッチングに応じて電位が高周波的に変動することから放射ノイズが発生するが、第１のヒートシンク１が商用交流入力部に対して第２及び第３のヒートシンク２、３からの放射ノイズへのシールド効果を発揮するような位置配置にしていることから雑音特に雑音端子電圧を低減できるものである。さらに、図１、図２で示すように第１のヒートシンク１の形状は第２及び第３のヒートシンク２、３より大きくすなわち高さも高く、長さも長くしていることからより優れた雑音低減効果が得られるものである。以上述べたように、本実施の形態では第１のヒートシンク１が商用交流入力部に対して第２及び第３のヒートシンク２、３からの放射ノイズへのシールド効果を発揮するような構成としているので、よってよりフィルタが容易な構成で雑音特に雑音端子電圧を低減したインバータ装置することができる。

以上のように、本発明にかかるインバータ装置は、容易な構成で雑音を低減することが可能となるので、モーター用や工業用誘導加熱等の用途にも適用できる。

１第１のヒートシンク
２第２のヒートシンク
３第３のヒートシンク
４商用交流入力部
５１商用交流
５２整流手段
７０インバータ
７１力率改善コンバータ（力率改善手段）
７４第１のスイッチング素子（ハイサイドスイッチ）
７５第２のスイッチング素子（ローサイドスイッチ）
７６第３のスイッチング素子（ハイサイドスイッチ）
７７第４のスイッチング素子（ローサイドスイッチ）
８１ＭＯＳＦＥＴ（スイッチ）

Claims

負荷に高周波電力を供給するインバータと、商用交流を整流する整流手段と、商用交流入力部とを有し、前記インバータは少なくとも１つのハーフブリッジ回路を有し、前記ハーフブリッジ回路はハイサイドスイッチとローサイドスイッチとからなり、前記ハイサイドスイッチは第１のヒートシンクに熱的に結合されるとともに前記ハイサイドスイッチの高電位側と少なくとも高周波では電気的に接続され、前記ローサイドスイッチは第２のヒートシンクに熱的に結合され、前記第１のヒートシンクの位置は前記商用交流入力部と前記第２のヒートシンクとの間とすることを特徴としたインバータ装置。
負荷に高周波電力を供給するインバータと、力率改善コンバータと、商用交流を整流する整流手段と、商用交流入力部とを有し、前記インバータは少なくとも１つのハーフブリッジ回路を有し、前記ハーフブリッジ回路はハイサイドスイッチとローサイドスイッチとからなり、前記ハイサイドスイッチは第１のヒートシンクに熱的に結合されるとともに前記ハイサイドスイッチの高電位側と少なくとも高周波では電気的に接続され、前記力率改善コンバータは少なくとも１つのスイッチを有し、前記スイッチは第３のヒートシンクに熱的に結合され、前記第１のヒートシンクの位置は前記商用交流入力部と第３のヒートシンクとの間とすることを特徴としたインバータ装置。
第１のヒートシンクの高さは第２のヒートシンクの高さより高いことを特徴とした請求項１に記載のインバータ装置。
第１のヒートシンクの第２のヒートシンクに対向する面の横幅は第２のヒートシンクより長いことを特徴とした請求項１に記載のインバータ装置。
第１のヒートシンクの高さは第３のヒートシンクの高さより高いことを特徴とした請求項２に記載のインバータ装置。
第１のヒートシンクの第３のヒートシンクに対向する面の横幅は第３のヒートシンクより長いことを特徴とした請求項２に記載のインバータ装置。
整流手段は、第１のヒートシンクに熱的に結合される構成にした請求項１または２に記載のインバータ装置。
複数のハイサイドスイッチは、同一ヒートシンクに熱的に結合される構成にした請求項１または２に記載のインバータ装置。