JP2012124081A

JP2012124081A - 誘導加熱装置

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Publication number: JP2012124081A
Application number: JP2010275326A
Authority: JP
Inventors: Yoichi Kurose; 洋一黒瀬; Takeshi Kitaizumi; 武北泉
Original assignee: Panasonic Corp
Current assignee: Panasonic Corp
Priority date: 2010-12-10
Filing date: 2010-12-10
Publication date: 2012-06-28
Anticipated expiration: 2030-12-10
Also published as: JP5605198B2

Abstract

【課題】安価なインバータ回路の構成で複数の加熱コイルから被加熱物に供給する電力を制御することができる誘導加熱装置を提供すること。
【解決手段】それぞれが被加熱物を誘導加熱するための第１の加熱コイル４８、第２の加熱コイル４９と第１の共振コンデンサ５０、第２の共振コンデンサ５１を含み、互いに異なる共振周波数を有する２つの第１の共振回路５６、第２の共振回路５７を同一のインバータ回路に接続し、一方の加熱コイルで誘導加熱することができる被加熱物が加熱コイルと磁気結合したときの共振周波数は、他方の加熱コイルで誘導加熱することができる被加熱物が加熱コイルと磁気結合したときの共振周波数よりも常に高くなるように設定し、少なくとも誘導加熱を開始する前には被加熱物判別手段７０により被加熱物の特性を判別し、被加熱物判別手段の判別結果に基づいてスイッチング素子の動作周波数を設定する。
【選択図】図１

Description

本発明は、誘導加熱調理器をはじめとする複数の加熱コイルを用いて被加熱物を誘導加熱する装置であって、特に、誘導加熱装置の回路構成および制御方法に関するものである。

従来この種の誘導加熱装置において、加熱コイルと共振コンデンサで構成された２つの共振回路を同一のインバータ回路に接続し、それぞれの共振回路は互いに異なった共振周波数を有するものがある（例えば、特許文献１参照）。図９はこの誘導加熱装置におけるインバータ回路の動作周波数とそれぞれの加熱コイルから被加熱物に供給できる電力の特性図である。

この誘導加熱装置は、それぞれの加熱コイルから被加熱物に供給する電力の比率に応じた周波数でインバータ回路を動作させることによって、加熱電力の比率を任意に可変することができる。

例えば一方の加熱コイルからの加熱電力を１０００Ｗ、他方の加熱コイルからの加熱電力を６００Ｗ、つまり加熱電力の比率を５対３に設定したい場合には、加熱電力の比率が５対３となる周波数である２６ｋＨｚでインバータ回路を動作させる。

また、直流電源のサイリスタを調節して直流電源の出力電圧を８５Ｖにすることにより、加熱電力の絶対値を調節して所望の加熱電力である１０００Ｗと６００Ｗに設定している。

特許第２７２２７３８号公報

しかしながら、前記従来の構成では、例えば２つの加熱コイルからの加熱電力の比率が同じ５対３であっても、加熱電力の絶対値が６７８Ｗと４０７Ｗの設定であれば、直流電源の出力電圧を７０Ｖにする必要がある。

このように直流電源の出力電圧の調節を行うためには、制御回路からの制御信号によって直流電源の出力電圧を制御できるスイッチング素子が必要となるため、高価な回路構成となってしまっていた。

また、例えば、誘導加熱調理器のように、被加熱物の材質や厚み、形状、載置位置などが変化する場合には、共振特性もそれらによって変化するため、設計段階で事前に動作周波数を決定しておくことはできない。

そのため、被加熱物の判別ができない２つの加熱コイルからの加熱電力の比率が満足されるように周波数を決定する必要があるが、従来の回路構成では、被加熱物が変化する誘導加熱装置のその決定手段が明記されておらず、インバータ回路として実用化することができなかった。

さらに、例えば、第１の加熱コイルからの加熱出力を６００Ｗと設定し、第２の加熱コイルからの加熱出力を１０００Ｗと設定すると、スイッチング素子に電流が流れていない状態でスイッチング動作を行うため、スイッチング損失が増大し、スイッチング時に発生するスイッチングノイズが増大する影響などによりスイッチング素子の破壊やスイッチングノイズの増大などを引き起こす可能性がある。

そのため、２つの加熱コイルの共振周波数間の全ての周波数領域において制御可能ではないが、従来の発明ではその領域が明記されておらず、インバータ回路として実用化することができないとい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、従来の構成ではできなかった被加熱物の検知により、加熱可能などの被加熱物に対しても最適な動作を行うことができる誘導加熱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、本発明の誘導加熱装置は、電源に接続され、少なくとも１つのスイッチング素子を有するインバータ回路と、それぞれが被加熱物を誘導加熱するための加熱コイルと共振コンデンサを含み、互いに異なる共振周波数を有し、前記スイッチング素子から並列接続された少なくとも２つの共振回路と、前記スイッチング素子をオンオフ制御する制御手段と、前記それぞれの加熱コイルが誘導加熱する被加熱物の特性を判別する被加熱物判別手段とを備え、一方の加熱コイルで誘導加熱することができる被加熱物が加熱コイルと磁気結合したときの共振周波数は、他方の加熱コイルで誘導加熱することができる被加熱物が加熱コイルと磁気結合したときの共振周波数よりも常に高くなるように前記加熱コイルまたは前記共振コンデンサの値を設定し、少なくとも誘導加熱を開始する前には前記被加熱物判別手段によりそれぞれの加熱コイルと磁気結合している被加熱物の特性を判別し、前記被加熱物判別手段の判別結果に基づいて前記スイッチング素子の動作周波数を設定したものである。

これによって、被加熱物の材質や形状、厚みなどによって動作周波数の範囲を設定することができるため、安価な構成で、且つ、スイッチング素子に発生する損失が少ないインバータ回路を実用化することができる。

本発明の誘導加熱装置は、検知手段によって得られた結果に基づいて最適な制御ができるとともに、スイッチング損失を低減させることができる。

本発明の実施の形態１における誘導加熱装置のインバータ回路構成図本発明の実施の形態１における誘導加熱装置のインバータ回路の動作周波数と最大電力の関係を示す図本発明の実施の形態１における入力電流検出手段の出力と共振出力検出手段の出力の関係を示す図本発明の実施の形態２における誘導加熱装置のインバータ回路の動作周波数と電力の関係を示す図本発明の実施の形態３における誘導加熱装置のインバータ回路の動作周波数と最大電流の関係を示す図本発明の実施の形態３における誘導加熱装置のコイル電流とインバータ回路のスイッチング素子に流れる電流の関係を示す図本発明の実施の形態３における誘導加熱装置のコイル電流とインバータ回路のスイッチング素子に流れる電流の関係を示す図本発明の実施の形態３における誘導加熱装置のコイル電流とインバータ回路のスイッチング素子に流れる電流の関係を示す図従来の誘導加熱装置のインバータ回路の動作周波数と電力の関係を示す図

第１の発明は、電源に接続され、少なくとも１つのスイッチング素子を有するインバータ回路と、それぞれが被加熱物を誘導加熱するための加熱コイルと共振コンデンサを含み、互いに異なる共振周波数を有し、前記スイッチング素子から並列接続された少なくとも２つの共振回路と、前記スイッチング素子をオンオフ制御する制御手段と、前記それぞれの加熱コイルが誘導加熱する被加熱物の特性を判別する被加熱物判別手段とを備え、一方の加熱コイルで誘導加熱することができる被加熱物が加熱コイルと磁気結合したときの共振周波数は、他方の加熱コイルで誘導加熱することができる被加熱物が加熱コイルと磁気結合したときの共振周波数よりも常に高くなるように前記加熱コイルまたは前記共振コンデンサの値を設定し、少なくとも誘導加熱を開始する前には前記被加熱物判別手段によりそれぞれの加熱コイルと磁気結合している被加熱物の特性を判別し、前記被加熱物判別手段の判別結果に基づいて前記スイッチング素子の動作周波数を設定することにより、インバータ回路の動作周波数を被加熱物の状態に合わせて調節することができる。

第２の発明は、特に、第１の発明において、スイッチング素子の動作周波数を異なる２つの共振周波数の間に設定することにより、スイッチング素子に流れる電流を少なくしてインバータ回路の電力変換効率を高くすることができる。

第３の発明は、特に、第１または第２の発明において、インバータ回路の導通状態と非導通状態の比率を調節して第１の共振回路及び第２の共振回路から負荷に供給する電力を制御することにより、所望の電力を被加熱物に供給することができる。

また、直流電源の出力電圧を制御するスイッチング素子がなく一定の出力電圧であっても、加熱コイルから被加熱物に供給する電力を制御することができる。

第４の発明は、特に、第１〜３のいずれか１つの発明において、少なくとも一部の電力供給時において、前記スイッチング素子が導通状態から非導通状態に遷移するタイミングでは、前記スイッチング素子にある閾値以上の電流が流れているようにスイッチング素子の動作周波数を設定することにより、スイッチング時に発生するスイッチング損失を抑制することができ、冷却装置の簡素化したり、発熱やスイッチングノイズによるスイッチング素子の破壊を防いだりすることができる。

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誘導加熱装置のインバータ回路構成図であり、インバータ回路の構成および複数の加熱コイルと共振コンデンサの接続関係を示すものである。

また、図２は、本発明の第１の実施の形態における誘導加熱装置のインバータ回路の動作周波数と被加熱物に供給できる最大電力の関係を示す図であり、共振回路毎及び被加熱物毎の電力特性を示すものである。

図１において、商用電源４１は交流電源であり、交流電源を直流電源に変換するためにダイオードブリッジ４２が接続されている。ダイオードブリッジ４２の出力端には、ダイ
オードブリッジ４２から出力される全波整流された電源を平滑することや、インバータ回路４０のスイッチング動作により発生する電磁ノイズを商用電源４１に伝播させないために、第１のフィルタコンデンサ４３、フィルタインダクタ４４、第２のフィルタコンデンサ４５が接続されている。

第２のフィルタコンデンサ４５の両端（以後、フィルタインダクタ４４が接続されている高電位側を正の母線と記し、もう一方の低電位側を負の母線と記す）には、逆導通ダイオード５４が並列接続された第１のスイッチング素子４６と、同じく逆導通ダイオード５５が並列接続された第２のスイッチング素子４７を電気的に直列接続したものが接続され、インバータ回路４０を構成している。

第１のスイッチング素子４６と第２のスイッチング素子４７の接続点には、第１の加熱コイル４８と第１の共振コンデンサ５０を含む第１の共振回路５６の一端および第２の加熱コイル４９と第２の共振コンデンサ５１を含む第２の共振回路５７の一端が接続されている。

そして、第１の共振回路５６の他方の端子および第２の共振回路５７の他方の端子は負の母線に接続されている。また、第１のスイッチング素子４６や第２のスイッチング素子４７のスイッチング動作によって発生するスイッチング損失を低減するために、スナバコンデンサ５３が第２のスイッチング素子４７と電気的に並列接続されている。

商用電源４１とインバータ回路４０の間には、商用電源４１からインバータ回路４０に流れる電流値を測定するため、カレントトランスを用いた入力電流検出手段６０が接続されている。

また、第１の共振回路と第２の共振回路のそれぞれには、共振電圧の大きさを測定する第１の共振出力検出手段６１および第２の共振出力検出手段６２が接続されている。

さらに、入力電流検出手段６０、第１の共振出力検出手段６１、第２の共振出力検出手段の検出値に基づいて第１のスイッチング素子４６および第２のスイッチング素子４７を駆動制御する制御手段５９を有することにより、本実施の形態の誘導加熱装置の回路を構成している。

なお、入力電流検出手段６０は入力電流を検出できればいかなる手段でもよく、カレントトランスを用いた方式に限定するものではない。また、第１の共振出力検出手段６１、第２の共振出力検出手段６２も同様に、共振出力を検出できればいかなる手段でもよく、例えば共振回路に流れる電流値を検出値として用いてもよい。

また、第１の共振回路５６の他方の端子および第２の共振回路５７の他方の端子は負の母線でなく、正の母線に接続しても同様に動作することができる。

さらに、本実施の形態の誘導加熱装置は、スイッチング素子を２つ用いたＳＥＰＰ型のインバータ回路に２つの共振回路を接続した回路構成であるが、スイッチング素子を４つ用いたフルブリッジ型のインバータ回路に２つの共振回路を接続した回路構成などでもよく、インバータ回路の構成そのものを限定するものではない。

以上のように構成された誘導加熱装置について、以下その動作、作用を説明する。

まず、本実施の形態におけるインバータ回路の動作を説明する。本実施の形態のインバータ回路４０は、第１のスイッチング素子４６と第２のスイッチング素子４７の動作周波
数や導通時間と非導通時間の比率（０＜Ｄｕｔｙ＜１）を変更することにより、第１の共振回路５６に流れる電流および第２の共振回路５７に流れる電流を制御して、第１の加熱コイル４８および第２の加熱コイル４９から被加熱物に供給する電力を調節することができる。ここで、第１のスイッチング素子４６と第２のスイッチング素子４７は同時に導通することなく、排他的に動作することはいうまでもない。

Ｄｕｔｙを変更して加熱コイルから被加熱物に供給する電力を調節する場合、正の母線と負の母線の電位差が一定の条件下では、Ｄｕｔｙが０．５のときに、加熱コイルから被加熱物に供給する電力が最大となる。

一方、第１のスイッチング素子４６や第２のスイッチング素子４７のＤｕｔｙを０．１や０．９など、０．５から遠ざけるほど加熱コイルから被加熱物に供給する電力は小さくなる。

また、動作周波数を変更して加熱コイルから被加熱物に供給する電力を調節する場合、正の母線と負の母線の電位差が一定の条件下では、共振回路の違いおよび被加熱物の材質の違いに対して図２に示すような電力特性となる。

被加熱物に最大電力を供給できるのはインバータ回路４０の動作周波数が共振回路の共振周波数と一致したときであるため、図２における各波形の最大点が共振回路の共振周波数となる。

ここで、第１の共振回路５６の共振特性８３の領域内の波形８０、８１、８２は第１の加熱コイル４８から被加熱物に供給される電力特性であり、第２の共振回路５７の共振特性８７の領域内の波形８４、８５、８６は第２の加熱コイル４９から被加熱物に供給される電力特性である。

また、波形８０、８４は磁性ステンレスを被加熱物としたときの電力特性を示し、波形８１、８５は鉄を被加熱物としたときの電力特性を示し、波形８２、８６は非磁性ステンレスを被加熱物としたときの電力特性である。

同じ被加熱物であっても、それぞれの共振回路に含まれる共振コンデンサの容量または加熱コイルのインダクタンスを異なる値とすることにより、共振周波数の異なった電力特性を得ることができる。その他、加熱コイルと被加熱物の距離を異なるようにして磁気結合の度合を変更するなどしても共振周波数の異なった電力特性を得られることはいうまでもない。

図３は、本発明の第１の実施の形態における入力電流検出手段６０の検出値と第１の共振出力検出手段６１、第２の共振出力検出手段６２の検出値の関係を示す図であり、被加熱物を判別するための一方式を示すものである。

被加熱物と磁気結合した加熱コイルから測定した被加熱物の抵抗成分は、被加熱物の材質によって特性が異なる。一般的に、抵抗成分の大きい被加熱物は入力電流検出手段の検出値が大きくなっても共振出力検出手段の検出値は小さい傾向があり、一方、抵抗成分の小さい被加熱物は入力電流検出手段の検出値が大きくなると共振出力検出手段の検出値も大きくなる傾向がある。

そこで、図３に示したように、入力電流検出手段６０の検出値と共振出力検出手段の検出値の関係に材質判別閾値を設け、例えば材質判別閾値Ａｔｈよりも低ければ材質Ａｍ（例えば磁性ステンレス）と判別し、材質判別閾値Ａｔｈよりも高く材質判別閾値Ｂｔｈよ
りも低ければ材質Ｂｍ（例えば非磁性ステンレス）と判別するなど、入力電流検出手段６０の検出値と第１の共振出力検出手段６１、第２の共振出力検出手段６２の検出値の関係がどの材質判別領域にあるかを被加熱物判別手段を兼ね備えた制御手段５９で判別することにより、その材質に適した動作周波数でインバータ回路４０を動作させることができる。

図２において、動作領域Ａｒは、第１の加熱コイル４８および第２の加熱コイル４９共に非磁性ステンレスを被加熱物としたときのインバータ回路４０の動作周波数領域である。また、動作領域Ｂｒは、第１の加熱コイル４８では非磁性ステンレスを被加熱物としているのに対し、第２の加熱コイル４９は鉄を被加熱物としたときのインバータ回路４０の動作周波数領域である。

共振回路において、共振回路が有する共振周波数よりもインバータ回路４０の動作周波数が高い場合、共振回路に印加される電圧に対して電流が遅れ位相となる。一方、共振回路が有する共振周波数よりもインバータ回路４０の動作周波数が低い場合、共振回路に印加される電圧に対して電流が進み位相となる。

また、本実施の形態の誘導加熱装置はインバータ回路４０を共有して２つの第１の共振回路５６、第２の共振回路５７を並列接続しているため、インバータ回路４０を構成する２つの第１のスイッチング素子４６、第２のスイッチング素子４７には２つの共振回路に流れる電流の和が流れることになる。

そこで、インバータ回路４０の動作周波数を異なる２つの共振周波数の間とすることにより、スイッチング素子には遅れ位相の電流と進み位相の電流が流れることになる。この条件下では、ある瞬間においては、一方の共振回路はスイッチング素子に正の電流が流れるように作用し、他方の共振回路はスイッチング素子に負の電流が流れる（図１に示したＩＧＢＴを用いたスイッチング素子では負の電流は流れないため実際は逆並列ダイオードに流れる）ように作用する。

すると、スイッチング素子に流れる電流は、それぞれの共振回路に単独に電力を供給したときの電流値の和よりも、２つの共振回路を並列接続して加熱した方の電流値が減少することになる。

スイッチング素子に流れる電流値を減少させることにより、スイッチング素子に電流が流れることによって発生する導通損失を低減することができ、冷却構成を簡素化して安価にすることができる。または、冷却ファンの風量を低下させることにより、低騒音の誘導加熱装置が実現可能となる。

それぞれの共振回路に単独に電力を供給したときよりも導通損失を低減するためには、インバータ回路４０の動作周波数は２つの共振周波数の間にあることが必要となる。そのため、第１の加熱コイル４８および第２の加熱コイル４９共に非磁性ステンレスを被加熱物としたときのインバータ回路４０の動作周波数は動作領域Ａｒである必要があり、また、第１の加熱コイル４８では非磁性ステンレスを被加熱物とし、第２の加熱コイル４９は鉄を被加熱物としたときのインバータ回路４０の動作周波数は動作領域Ｂｒである必要がある。そのため、さまざまな特性を有する被加熱物を加熱する必要がある誘導加熱装置においては、インバータ回路の動作周波数領域を決定するために被加熱物判別手段は必要となる。

なお、本実施の形態では、被加熱物の組み合わせを２種類のみ挙げて動作領域を説明したが、加熱することができる全ての被加熱物において、それぞれの被加熱物の組み合わせ
に合った動作領域を設定することにより、本発明の効果を得ることができる。

また、本実施の形態では、材質の違いによる特性の変化を挙げて説明したが、被加熱物の大きさや厚みなど、加熱コイルからみた被加熱物の特性に違いが生じる要因ならいかなる条件でも、閾値の設定に応じて同様の判別を行うことができる。

（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誘導加熱装置のインバータ回路の動作周波数と被加熱物に供給できる電力の関係を示す図であり、電力の制御方法を示すものである。

図４において、非磁性ステンレスをＤｕｔｙが０．３で加熱したときのインバータ回路の動作周波数と被加熱物に供給できる電力の関係を示した点が図２とは異なる。

以上のような動作周波数と電力の関係について、以下その動作、作用を説明する。

図１に示したようなＳＥＰＰ型などのインバータ回路４０は、動作周波数を調節する他に、第１のスイッチング素子４６の導通時間と非導通時間のＤｕｔｙ比を調節することにより被加熱物に供給する電力を制御することができる。

本実施の形態のように、同一のインバータ回路４０に２つの第１の共振回路５６、第２の共振回路５７が並列接続された場合であっても、それぞれの共振回路からみたインバータ回路４０の動作は同じであることから、Ｄｕｔｙの調節による電力制御は可能である。

例えば、非磁性ステンレスをＤｕｔｙが０．３で加熱したときの電力特性は、第１の加熱コイル４８から非磁性ステンレスに供給できる電力は波形８８で示すような特性となり、第２の加熱コイル４９から非磁性ステンレスに供給できる電力は波形８９に示すような特性となる。

いずれもＤｕｔｙが０．５で加熱した波形８２や波形８６の特性よりも低くなっていることがわかる。Ｄｕｔｙ制御による電力調節が可能なり、直流電源の出力電圧を変更する必要がなくなるため、直流電源の出力電圧を変更するためのスイッチング素子や制御回路が必要なくなり、安価な回路構成で加熱電力を制御することができる。

（実施の形態３）
図５は、本発明の第３の実施の形態における誘導加熱装置のインバータ回路の動作周波数と被加熱物に流れる電流の関係を示す図であり、インバータ回路の動作周波数の選定基準を示すものである。

また、図６、図７、図８は、本発明の第３の実施の形態における誘導加熱装置のインバータ回路のスイッチング素子に流れる電流と共振回路に流れる電流の関係を示す図であり、スイッチング動作時の電流値を示すものである。

図５は、動作周波数に対する電力特性を電流特性に変換した点で図２とは異なる。

図６は、図５における周波数ＡｆでＤｕｔｙは０．５でインバータ回路を動作させた時の波形であり、図７は、図５における周波数ＡｆでＤｕｔｙは０．３でインバータ回路を動作させた時の波形であり、図８は、図５における周波数ＢｆでＤｕｔｙは０．５でインバータ回路を動作させた時の波形である点でそれぞれ異なる。

以上のような条件と電流値の関係について、以下その動作、作用を説明する。

図６において、電流波形１００は第１の加熱コイル４８で非磁性ステンレスを加熱したときの第１の加熱コイル４８に流れる電流波形であり、電流波形１０１は第２の加熱コイル４９で非磁性ステンレスを加熱したときの第２の加熱コイル４９に流れる電流波形である。

第１の加熱コイル４８を含む第１の共振回路５６の共振周波数は周波数Ａｆよりも低いため、第１の加熱コイル４８に流れる電流波形の位相は電圧に対して遅れ位相となることから、遷移点Ａｔｒ時に流れている電流値Ａｃは正、つまり第１のスイッチング素子４６には正の母線から共振回路の接続点の方向に電流が流れている。

一方、第２の加熱コイル４９を含む第２の共振回路５７の共振周波数は周波数Ａｆよりも高いため、第２の加熱コイル４９に流れる電流波形の位相は電圧に対して進み位相となることから、遷移点Ａｔｒ時に流れている電流値Ｂｃは負、つまり第１のスイッチング素子４６には共振回路の接続点から正の母線の方向に電流が流れている。

本実施の形態の誘導加熱装置において、２つの第１の共振回路５６と第２の共振回路５７が並列接続されていることから、スイッチング素子に流れる電流は第１の共振回路５６に流れる電流と第２の共振回路５７に流れる電流の和となるため、第１のスイッチング素子に流れる電流波形１０２は図６に示すようになる。

スイッチング素子が導通状態から非導通状態に遷移するとき、スイッチング素子に流れている電流が多いほどスイッチング時に発生するスイッチング損失が大きくなる。本実施の形態の誘導加熱装置は、図６に示すように、スイッチング時である遷移点Ａｔｒでは少なくとも、進み位相と遅れ位相の電流の和をとることによってスイッチング素子に流れている電流が相殺され、第１の加熱コイルに流れている電流よりも少ない電流値、且つ、正の値である電流値Ｃｃでスイッチング動作を行うことにより、スイッチング損失を低減することができ、それぞれの被加熱物を単独で加熱したときの和よりも電力変換効率を高くする、またはスイッチング素子の放熱構成を簡素化することが可能となる。

また、電圧源を電源とするようなインバータ回路４０においては、共振回路が有する共振周波数よりも動作周波数の方が低いと、スイッチング時はスイッチング素子と並列接続された逆導通ダイオードに電流が流れることになり、スイッチング素子が大きくなってしまう。

しかし、一方の共振回路においては共振周波数よりも高い周波数でインバータ回路４０を動作させることにより、スイッチング素子が導通状態から非導通状態へと遷移するときは、スイッチング素子に電流が流れている状態とすることができるため、遷移中の電流はスナバコンデンサ５３に流れ、スナバコンデンサ５３の充放電に伴った一定の変化量でスイッチング素子に印加される電圧が変動することにより、スイッチング素子に印加される電圧とスイッチング素子に流れる電流の積で発生するスイッチング損失を少なくして、電力変換効率を高くする、またはスイッチング素子の放熱構成を簡素化することができる。

ここで、スイッチング時にスイッチング素子に正の電流が流れているか否かを判別する指標の一つとして、図５に示した電流特性がある。電流波形１００をはじめ、スイッチング時にスイッチング素子に正の電流を流すのは動作周波数よりも低い共振周波数をもつ共振回路であり、電流波形１０１をはじめ、スイッチング時にスイッチング素子に負の電流を流すのは動作周波数よりも高い共振周波数をもつ共振回路であることから、スイッチング時にスイッチング素子に流れている電流の和が正であるためには、動作周波数における
第１の共振回路に流れている電流が第２の共振回路に流れている電流よりも多いことが条件となる。

つまり、第１の共振回路５６の共振周波数と上記条件との間に動作周波数を設定することにより、スイッチング時にスイッチング素子に流れている電流の和は第１の共振回路５６を単独で加熱したときのスイッチング時の電流値よりも少ないとともに、スイッチング素子には正の電流が流れている状態でスイッチングを行うことができるため、スイッチング損失を低減することが可能となる。

また、動作周波数と共振回路に流れる電流の関係は、被加熱物判別手段の検出値に基づいて予測することができるため、電流特性を実動により値をとる必要はない。もちろん、リアルタイムで電流値を実測できればより高精度に制御することが可能となる。

図７に示したように、例えばＤｕｔｙ（＝Ｔｏｎ／Ｔ）が０．７で動作したとしても、第１のスイッチング素子４６に流れている電流（電流波形１０２）と第２のスイッチング素子４７に流れている電流（電流波形１０３）のいずれもスイッチング素子に正の電流が流れている状態でスイッチング動作を行うことができるため、スイッチング損失の著しい増大を防止したりスイッチングノイズの発生を低減したりすることができる。

図５において、共振周波数の低い共振回路に流れる電流が共振周波数の高い共振回路に流れる電流よりも少ない周波数Ｂｆでインバータ回路を動作させたときのスイッチング素子に流れる電流を図８に示す。

図８において、スイッチング時である遷移点Ａｔｒでは、第１のスイッチング素子に流れている電流は負の値になっている（実際には並列に接続された逆導通ダイオードに流れている）。

この状態でスイッチング動作を行うと、スナバコンデンサ５３を短絡することになり、スイッチング損失やスイッチングノイズが増大するため望ましくない。

なお、共振周波数の低い共振回路に流れる電流が共振周波数の高い共振回路に流れる電流よりも多い条件であっても、Ｄｕｔｙを０．５から遠ざけるにつれてスイッチング時の電流が負となる条件が発生する。

しかし、少なくとも一部の電力、望ましくは最も多くの電流を流す必要がある定格電力近傍ではスイッチング損失を低減するようにインバータ回路を動作させることにより、スイッチング素子が発生する損失の最大値を抑制することができるため、本発明の動作は有効である。

また、図５の指標はあくまで一例であり、要はスイッチング時に流れる電流値を大凡でも把握できるのであればいかなる手段でもよい。

上記全ての実施の形態において、２つの加熱コイルに流れる電流を制御しているにもかかわらず、インバータ回路内のスイッチング素子の数は従来のインバータ回路のスイッチング素子の数と変わらず２個で制御できるため、安価に構成することができる。

また、上記全ての実施の形態において、被加熱物の材質に対する特性の違いを図示したが、被加熱物の形状や厚みの違いなどによる特性の変化も同様に判別して制御することは可能である。

さらに、上記全ての実施の形態は、それぞれ異なる被加熱物を加熱する場合を説明したが、例えば径の異なる２つの加熱コイルを同心円状に配置し、同一の被加熱物を加熱するような形態としてもよく、２つ以上の共振回路を同一のインバータ回路に接続する構成であれば、加熱コイル等の形態を限定するものではない。

さらに、共振回路を３つ以上接続したとしても、共振周波数が隣接する２つの共振回路間では上記全ての効果があるため、共振回路の数を限定するものではない。

以上のように、本発明にかかる誘導加熱装置は、複数の加熱コイルから被加熱物に供給する電力を同一のインバータ回路で制御するものであって、インバータ回路を安価に構成することができると共に、スイッチング素子に発生する損失はそれぞれ独立に加熱したときの和の損失よりも小さいため、民生用、産業用に限らず全ての誘導加熱装置の用途として有効である。

４０インバータ回路
４６第１のスイッチング素子
４７第２のスイッチング素子
４８第１の加熱コイル
４９第２の加熱コイル
５０第１の共振コンデンサ
５１第２の共振コンデンサ
５６第１の共振回路
５７第２の共振回路
５９制御手段
６０入力電流検出手段
６１第１の共振出力検出手段
６２第２の共振出力検出手段
７０被加熱物判別手段

Claims

電源に接続され、少なくとも１つのスイッチング素子を有するインバータ回路と、それぞれが被加熱物を誘導加熱するための加熱コイルと共振コンデンサを含み、互いに異なる共振周波数を有し、前記スイッチング素子から並列接続された少なくとも２つの共振回路と、前記スイッチング素子をオンオフ制御する制御手段と、前記それぞれの加熱コイルが誘導加熱する被加熱物の特性を判別する被加熱物判別手段とを備え、一方の加熱コイルで誘導加熱することができる被加熱物が加熱コイルと磁気結合したときの共振周波数は、他方の加熱コイルで誘導加熱することができる被加熱物が加熱コイルと磁気結合したときの共振周波数よりも常に高くなるように前記加熱コイルまたは前記共振コンデンサの値を設定し、少なくとも誘導加熱を開始する前には前記被加熱物判別手段によりそれぞれの加熱コイルと磁気結合している被加熱物の特性を判別し、前記被加熱物判別手段の判別結果に基づいて前記スイッチング素子の動作周波数を設定する誘導加熱装置。
スイッチング素子の動作周波数を異なる２つの共振周波数の間に設定する請求項１に記載の誘導加熱装置。
インバータ回路の導通状態と非導通状態の比率を調節して第１の共振回路及び第２の共振回路から負荷に供給する電力を制御する請求項１または２に記載の誘導加熱装置。
少なくとも一部の電力供給時において、前記スイッチング素子が導通状態から非導通状態に遷移するタイミングでは、前記スイッチング素子にある閾値以上の電流が流れているようにスイッチング素子の動作周波数を設定する請求項１〜３のいずれか１項に記載の誘導加熱装置。