JP2011204543A - マグネトロン駆動用電源 - Google Patents

Abstract

【課題】マグネトロンの管内放電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】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８と高圧トランス７とを有する共振回路と、高圧整流回路９とを有し、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を備えたマグネトロン駆動用電源において、制御部１１は、マグネトロン１０のモーディングを検出するモーディング検出部１４を有し、モーディング検出部１４によってマグネトロン１０のモーディングが検出されると、インバータ回路１のスイッチング動作を停止させる。
【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５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構成図である。

従来のマグネトロン駆動用電源は交流である商用電源５１を一旦ダイオードブリッジ５２で直流電圧に変換し、この直流電圧を半導体スイッチ素子５５のオンオフによってインバータ回路は高圧トランス５６の１次巻線に高周波電圧を発生し、高圧トランス５６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５８によって直流高電圧に整流され、マグネトロン５９に印加される。マグネトロン５９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５５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５６に高周波電圧を発生している。

マグネトロン５９は所謂真空管発振器でアノードカソード間に高電圧を印可し、カソードを約２１００Ｋ以上に加熱して熱電子を放出する状態にすることによって安定にマイクロ波を取り出すことができる。

しかしながら、カソードの温度が所定の値を維持できなくなると熱電子の放出が不足し動作が不安定になり、モーディング発振を起こしてしまう。

従来の構成のマグネトロン駆動用電源では入力電流の平均値を所定の値と比較し、その大小関係によってマグネトロン５９が正常に発振しているか、モーディング発振をしているかを判定していた。

特開平７−１３５０７６号公報

しかしながら、従来の構成のマグネトロン駆動用電源では、インバータ回路の入力電流を一定に制御するフィードバック制御を働かせると、常に入力電流は所定の値に制御されるためモーディング発振を起こしている状態と、正常に発振している状態との識別が非常に困難である。

また、モーディング発振は安定に商用電源周期の全範囲において発生する現象ではなく散発的に発生する現象であるので入力電流の平均値を測定してもその発生を特定することは困難である。

本発明は、前記従来の課題を解決するもので、入力電流波形をサンプルホールド回路によって商用電源周期の特定の位置で基準値と比較してマグネトロンのモーディング発振による入力電流の異常を確実に検出でき、インバータ回路を保護停止できるので、保護動作信頼性の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モーディング発振を検出するモーディング発振検出部を有し、前記モーディング発振検出部は前記インバータ回路の入力電流と入力電圧を検出し、サンプルホールド回路を介して所定のタイミングでその差分を検出し、この差分を電圧変換し、この電圧値が所定の閾値より大きくなるとマグネトロンがモーディング発振をしていると判定する構成としたものである。

これによって、マグネトロンのモーディング発振を入力電流波形の異常から確実に検出することができ、インバータ回路およびマグネトロンの保護動作の信頼性向上させ、モーディング発振によるインバータ回路およびマグネトロンの損傷を確実に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は、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、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の損傷およびモーディング発振によるマグネトロンの損傷拡大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 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とを有し、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とを備え、前記制御部が、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モーディング発振を検出するモーディング発振検出部とを有し、前記モーディング発振検出部が、前記インバータ回路の入力電流と入力電圧を検出し、サンプルホールド回路を介して所定のタイミングで得られた前記入力電流と前記入力電圧との差分を電圧変換することにより得られた電圧値が所定の閾値より大きくなると、マグネトロンがモーディング発振をしていると判定するものである。

本発明によれば、入力電流と入力電圧の差分をサンプルホールド回路によって所定の時刻において比較することができるので、マグネトロンが正常発振しているかモーディング発振しているかを確実に識別することが可能である。

第２の発明は、特に第１の発明において、サンプルホールド回路が、インバータ回路に入力される商用電源が略零となったタイミングを検出するＺＶＰ回路によってタイミングを取り、サンプルホールドするタイミングを決定するものである。

本発明によれば、入力電流と入力電圧の差分を入力電圧が略零となったタイミングを検出するＺＶＰ回路でタイミングを合わせ、サンプルホールド回路によって所定の時刻において比較することができ、商用電源の特定の位相でマグネトロンのモーディング発振の判定ができるので、マグネトロンが正常発振しているかモーディング発振しているかを確実に識別することが可能である。

第３の発明は、特に第２の発明において、サンプルホールド回路が、ＺＶＰ回路によってタイミングを取り、商用電源の周期中の複数の時点でサンプルホールドし、モーディング発振検出部が、サンプルホールド毎にマグネトロンがモーディング発振しているか否かを判定するものである。

本発明によれば、入力電流と入力電圧の差分を入力電圧が略零となったタイミングを検出するＺＶＰ回路でタイミングを合わせ、サンプルホールド回路によって所定の時刻において比較することができ、また、この比較する時刻は複数のポイントで行うので、マグネトロンが正常発振しているかモーディング発振しているかをより確実に識別することが可能である。

第４の発明は、特に第１から第３の発明において、マグネトロン駆動用電源に、操作部を設け、操作部の制御信号によってインバータ回路が電力変換する電力の大小を決定するとともに、モーディング発振検出部の閾値を前記操作部の制御信号によって決定するものである。

本発明によれば、操作部によってインバータ回路の変換電力が変動しても、それに応じた基準電圧電源が設定されるため、インバータ回路の変換電力によらずマグネトロンがモーディング発振しているか否かを確実に判定し、インバータ回路の保護動作の信頼性を向上させることできる。

第５の発明は、特に第１から第４の発明において、モーディング発振検出部によってマグネトロンのモーディング発振が検出されると、インバータ回路のスイッチング動作を停止するように発振回路の動作を停止させるものである。

本発明によれば、マグネトロンがモーディング発振することによって、インバータ回路に過大な電圧、電流が発生することを防止でき、インバータ回路を構成する半導体スイッチ素子などの構成部品に過大な電流電圧責務がかかることのない、信頼性の高いマグネトロン駆動用電源を実現することができる。

第６の発明は、特に第１から第４の発明において、モーディング発振検出部にカウンタ手段を設け、マグネトロンがモーディングした回数が所定回数を超えると、マグネトロンがモーディング発振していると判定し、インバータ回路のスイッチング動作を停止させるものである。

本発明によれば、単発的なノイズによって、モーディング発振検出部が誤ってマグネトロンのモーディングを感知しても、それによってインバータ回路が即停止することがなく高い確度でマグネトロンのモーディングを検出することができる。

第７の発明は、特に第６の発明において、モーディング発振検出部にタイマ手段を設け、マグネトロンが正常に発振している時間を計時し、最後にモーディング発振が検出されてから、所定時間モーディング発振の検出がなされなかった場合、モーディング回数のカウントをクリアするものである。

本発明によれば、偶発的に発生したマグネトロンのモーディングを無視し、動作を継続することができるので、マグネトロンが劣化して発生するモーディングと偶発的に発生したモーディングを識別することができる。そのため、高い確度で寿命末期のマグネトロンモーディング発振を検出し、モーディング発振によって引き起こされる過大な電流電圧責務の印可によるインバータ回路の破壊から保護することができる。

第８の発明は、特に第６の発明において、モーディング発振検出部にＺＶＰカウント回路を設け、最後にモーディング発振が検出されてから、モーディング発振の検出がなされずに所定回数ＺＶＰカウント回路が回数をカウントした場合、モーディング回数のカウントをクリアするものである。

本発明によれば、偶発的に発生したマグネトロンのモーディングを無視し、動作を継続することができるので、マグネトロンが劣化して発生するモーディングと偶発的に発生したモーディングを識別することができる。そのため、高い確度で寿命末期のマグネトロンモーディング発振を検出し、モーディング発振によって引き起こされる過大な電流電圧責務の印可によるインバータ回路の破壊から保護することができる。

第９の発明は、特に第５から第８の発明において、制御部にマグネトロン起動判定手段を設け、マグネトロンが起動状態で制御されている間はモーディング発振検出部による判定を無効とするものである。

本発明によれば、起動状態から定常発振状態への遷移期間中に発生するモーディング発振を感知しないので、確実にマグネトロンを発振状態にすることができ、保護動作を過剰に働かせることなくマグネトロン駆動用電源を動作させることができる。

第１０の発明は、特に第５から第８の発明において、制御部にマグネトロン起動判定手段を設け、マグネトロンが起動状態で制御されている期間とマグネトロンの起動判定後所定の時間は、モーディング発振検出部による判定を無効とするものである。

本発明によれば、起動状態から定常発振状態への遷移期間中に発生するモーディング発振を感知しないので、確実にマグネトロンを発振状態にすることができ、保護動作を過剰に働かせることなくマグネトロン駆動用電源を動作させることができる。

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。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。また、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とマグネトロンモーディング検出部１４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。

マグネトロンモーディング検出部１４は、商用電源２の電流を検出する電流検出部１６の検出信号をサンプルホールドして検出するサンプルホールド回路１４１と、ダイオードブリッジ３によって整流された電圧を検出してサンプルホールドするサンプルホールド回路１４２と、この２つのサンプルホールド回路１４１、１４２の検出信号の差分を演算する差分回路１４３と、基準電圧電源１４４と前述の差分回路１４３の出力信号を比較する比較回路１４５と、比較回路１４５の出力をカウントするカウント回路１４６と、比較手段１４５の出力をトリガにして計時するタイマ回路１４７とから構成されている。

カウント回路１４６は、比較回路１４５の出力信号が反転した回数をカウントし、このカウント数をマグネトロン１０がモーディング発振を起こした回数としてカウントする。マグネトロンモーディング検出部１４は、このカウント数が所定の回数に達するとスイッチング制御部１２に信号を伝達し、半導体スイッチ素子８へのスイッチング信号の伝達を阻止するように構成されている。

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と商用電源２の電圧Ｖ２および電流波形Ｉ２を示した図である。

前述のようにインバータ回路の入力に備えられた平滑回路は商用電源２の電圧を平滑する能力を持たせていない。このためインバータ回路１の入力電圧は商用電源２の電圧に同期して変動する。

半導体スイッチ素子８によって励振される共振回路は、この変動する電圧によって変動し、結果として高圧トランス７の出力電圧もおのずと変動し、マグネトロン１０の印加電圧も商用電源２の電圧が低い期間では昇圧が不足し、マグネトロン１０の発振が停止している。

図３は、インバータ回路１の動作中にマグネトロン１０でモーディング発振を生じた際のマグネトロン１０の印加電圧Ｖａｋと通過電流Ｉａを示した図である。時刻Ｔ１からＴ２の期間においてマグネトロン１０がモーディング発振を起こしたことを想定している。マグネトロン１０がモーディング発振を起こすと、マグネトロン１０は通常発振の状態よりも高い電圧（約６ｋＶ）で発振する。

この結果、マグネトロン１０のアノード電流は急激に低下してしまう。また、入力電流Ｉ２も同時に正常な発振をしている状態から急激に減少する動作となる。

電流検出手段１６は、カレントトランスなどによって構成され、この入力電流を検出するので、この電流変化をそのまま検出することになる。サンプルホールド回路１４１は、商用電源の電圧が略ゼロとなったタイミングを検出するＺＶＰ回路１４０でタイミングを取り、ＺＶＰ回路１４０から信号を受けて所定の時間後に入力電流を検出する。また、同時に整流後の電圧もサンプルホールド回路１４２でタイミングを合わせて商用電源２の電圧を検出する。

差分回路１４３は、この２つのサンプルホールド回路１４１、１４２の差分を演算する。正常に発振している状態では差分回路の出力は一定の値を出力するが、マグネトロン１０がモーディング発振を起こした状態では図３のように波形が変化するので、差分回路１４３の出力は正常な状態よりも大きな値となる。

比較回路１４５は、この変化を基準電圧電源１４４と比較することによってマグネトロン１０がモーディング発振を起こした際にパルスを発生し、マグネトロン１０がモーディング発振を起こしていることを感知できる。

カウンタ回路１４６は、比較回路１４５が出力するパルスの回数をカウントすることによって、マグネトロン１０がモーディング発振を起こした回数を計測することができる。この計測回数が所定の回数に到達すると、マグネトロン１０が異常であると判定し、マグネトロン１０がモーディング発振していると判定し、マグネトロンモーディング発振検出部１４がスイッチング制御部１２に停止指令を電圧し、インバータ回路１の動作が停止する。

このため、マグネトロン１０が継続してモーディング発振を起こすことがなく、インバータ回路の過大な電圧電流責務が印可されることのない、信頼性の高いマグネトロン駆動用電源を実現することが可能となる。

また、カウンタ回路１４６によるマグネトロン１０のモーディング発振回数のカウントにより偶発的に生じたモーディングやノイズの混入によって、比較回路１４５が誤って検出パルスを発生した場合でも、誤動作でインバータ回路１の動作を停止させてしまうことのない、安定したモーディング発振の検知が可能である。

さらにまた、タイマ回路１４７は比較回路１４５が最後に検出パルスを発してからの時間を計時し、この時間が所定の時間以上経過するとカウンタ回路１４６のモーディング発振感知回数をクリアするので、偶発的に生じたモーディングやノイズの混入によって比較回路１４５が誤って検出パルスを発生した場合でも、より確実に誤動作でインバータ回路１の動作を停止させてしまうことがなく安定したモーディング発振の検知が可能である。

操作部１５は、インバータ回路１の変換電力を決定するための制御信号を送信するものであり、この信号に基づいてインバータ回路１は半導体スイッチング素子８のスイッチング動作を制御して所定の電力変換を行う。

同時に、この制御信号によってマグネトロンモーディング発振検出部１４の異常判定基準電圧電源１４４を増減することによって、どのような変換電力設定でインバータ回路１が動作していても、常にマグネトロン１０のモーディング発振を確実に検出することができるので、より信頼性の高いマグネトロン駆動用電源を実現することができる。

（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。前述の第１の実施の形態と同一の符号を付した構成要素は同一の動作・作用をなすものであり、ここでは詳細な説明については割愛する。本実施の形態では、制御部１１に起動制御部１７を付加した点が前述の実施の形態とは異なっている。

起動制御部１７は、インバータ回路１がスイッチング動作を開始してからマグネトロン１０がマイクロ波を発振可能状態になるまでの起動状態を制御する。マグネトロン１０はカソードの温度が所定の温度（一般的には２０００Ｋ〜２１００Ｋ）に達するまではマイクロ波を発振することはできない。

特に家庭用電子レンジなどでは、マグネトロン駆動用電源を小型化するという目的のために、マグネトロン１０のカソードの加熱を昇圧トランス６の補助ヒータ巻線から供給する構成をとることが一般的である。

マグネトロン１０を発振可能な状態に遷移させるためには、カソードの加熱を行うことが必要であるが、このウォームアップの状態が長いと実効的な加熱時間が短くなってしまうため、可能な限りウォームアップ時間を短縮することが望ましく、このためウォームアップの間はマグネトロン１０に約７ｋＶの電圧を印可して、カソードへの供給電流が定常発振状態よりも多い状態でマグネトロンをウォームアップさせる。

このため、ウォームアップから定常発振状態へ遷移する際に、かならず瞬間的にモーディング発振の状態を遷移することになる。

本実施の形態では、起動制御部１７がウォームアップ中またはウォームアップ動作終了から一定時間の間は、マグネトロンモーディング検出部１４の比較回路１４５の動作を禁止するため、この遷移中に検出されるモーディング発振はカウントされず、マグネトロン駆動用電源を動作させる毎に発生するモーディング発振を異常とカウントせずに正常動作を行うことができるので、より信頼性の高いマグネトロン駆動用電源を実現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、電子レンジに代表される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 マグネトロンモーディング検出部
１４１、１４２ サンプルホールド回路
１４３ 差分回路
１４６ カウント回路
１４７ タイマ回路

Claims (10)

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とを有し、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とを備え、前記制御部が、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モーディング発振を検出するモーディング発振検出部とを有し、前記モーディング発振検出部が、前記インバータ回路の入力電流と入力電圧を検出し、サンプルホールド回路を介して所定のタイミングで得られた前記入力電流と前記入力電圧との差分を電圧変換することにより得られた電圧値が所定の閾値より大きくなると、マグネトロンがモーディング発振をしていると判定するマグネトロン駆動用電源。
2. サンプルホールド回路が、インバータ回路に入力される商用電源が略零となったタイミングを検出するＺＶＰ回路によってタイミングを取り、サンプルホールドするタイミングを決定する請求項１に記載のマグネトロン駆動用電源。
3. サンプルホールド回路が、ＺＶＰ回路によってタイミングを取り、商用電源の周期中の複数の時点でサンプルホールドし、モーディング発振検出部が、サンプルホールド毎にマグネトロンがモーディング発振しているか否かを判定する請求項２に記載のマグネトロン駆動用電源。
4. 操作部を設け、操作部の制御信号によってインバータ回路が電力変換する電力の大小を決定するとともに、モーディング発振検出部の閾値を前記操作部の制御信号によって決定する請求項１〜３のいずれか１項に記載のマグネトロン駆動用電源。
5. モーディング発振検出部によってマグネトロンのモーディング発振が検出されると、インバータ回路のスイッチング動作を停止するように発振回路の動作を停止させる請求項１から４のいずれか１項に記載のマグネトロン駆動用電源。
6. モーディング発振検出部にカウンタ手段を設け、マグネトロンがモーディングした回数が所定回数を超えると、マグネトロンがモーディング発振していると判定し、インバータ回路のスイッチング動作を停止させる請求項１から４のいずれか１項に記載のマグネトロン駆動用電源。
7. モーディング発振検出部にタイマ手段を設け、マグネトロンが正常に発振している時間を計時し、最後にモーディング発振が検出されてから、所定時間モーディング発振の検出がなされなかった場合、モーディング回数のカウントをクリアする請求項６に記載のマグネトロン駆動用電源。
8. モーディング発振検出部にＺＶＰカウント回路を設け、最後にモーディング発振が検出されてから、モーディング発振の検出がなされずに所定回数ＺＶＰカウント回路が回数をカウントした場合、モーディング回数のカウントをクリアする請求項６に記載のマグネトロン駆動用電源。
9. マグネトロン起動判定手段を設け、マグネトロンが起動状態で制御されている間はモーディング発振検出部による判定を無効とする請求項５から８のいずれか１項に記載のマグネトロン駆動用電源。
10. マグネトロン起動判定手段を設け、マグネトロンが起動状態で制御されている期間とマグネトロンの起動判定後所定の時間はモーディング発振検出部による判定を無効とする請求項５から８のいずれか１項に記載のマグネトロン駆動用電源。

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