JP2013222619A - 誘導加熱調理器 - Google Patents

Abstract

【課題】進み位相の電流によるスイッチング素子等の保護を確実に行うことができ、使い勝手の良い誘導加熱調理器を提供する。
【解決手段】交流電力を直流電力に変換する直流生成回路１、２と、スイッチング素子３ａ、３ｂの駆動により直流生成回路１、２の直流電流を高周波電流に変換するインバータ３と、インバータ３出力端に接続され、共振回路を形成する加熱コイル４及び共振コンデンサ５とを有する誘導加熱調理器において、スイッチング素子３ａ、３ｂのうちの一方に流れる電流を検出する素子電流検出手段７と、スイッチング素子３ａ、３ｂが同時に短絡したときに流れる短絡電流を検出する短絡電流検出手段８と、素子電流検出手段７と短絡電流検出手段８からの検出信号に応じてインバータ３に駆動信号を出力しインバータ３の出力を制御する制御手段９とを備えた。
【選択図】図１

Description

本発明は、例えば、商用電力を整流するダイオードブリッジや、インバータのスイッチング素子などを異常電流から保護する機能を備えた誘導加熱調理器に関するものである。

従来の誘導加熱調理器では、例えば「電力演算回路１からの電力検出値Ｗと電力設定器７からの電力設定値ＷＡとを入力して動作する電力制御用差動増幅器４、位相差検出回路２からの位相差信号γと位相差設定器８からの位相差下限設定値γＡとを入力して動作する位相差制御用差動増幅器５、両差動増幅器４、５にそれぞれダイオードＤ１、Ｄ２を介して接続されたＶ／ｆコンバータ６、及びＶ／ｆコンバータ６からの周波数指令信号に応じてインバータのスイッチング素子ＳＷ１、ＳＷ２を駆動する駆動回路３を備え、位相差を遅れ位相の範囲内に保持するようインバータの出力周波数を制御する。」というものが提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００４−７１４４４号公報（要約書、図１）

被加熱体を誘導加熱する際、被加熱体の状態（材質、大きさ、位置等）やインバータの出力周波数により加熱コイルに流れる電流の位相がインバータの出力電圧の位相より進むと（進相状態）、スイッチング素子に進相電流が流れて素子損失が増大してしまう。また、この進相を回避する制御を行うことで所望の電力を投入できなくなるという課題があった。

本発明は、前述のような課題を解決するためになされたもので、進み位相の電流によるスイッチング素子等の保護を確実に行うことができ、使い勝手の良い誘導加熱調理器を提供することを目的とする。

本発明に係る誘導加熱調理器は、交流電力を直流電力に変換する直流生成回路と、直列に接続された複数のスイッチング素子を有し、前記複数のスイッチング素子の駆動により直流生成回路の直流電流を高周波電流に変換するインバータと、インバータの出力端に接続され、共振回路を形成する加熱コイル及び共振コンデンサとを有する誘導加熱調理器において、複数のスイッチング素子のうちの一方に流れる電流を検出する素子電流検出手段と、複数のスイッチング素子が同時に短絡したときに流れる短絡電流を検出する短絡電流検出手段と、素子電流検出手段と短絡電流検出手段からの検出信号に応じてインバータに駆動信号を出力しインバータの出力を制御する制御手段とを備えたものである。

本発明によれば、複数のスイッチング素子のうちの一方に流れる電流を検出する素子電流検出手段と、複数のスイッチング素子が同時に短絡したときに流れる短絡電流を検出する短絡電流検出手段とを備え、素子電流検出手段と短絡電流検出手段からの検出信号に応じてインバータに駆動信号を出力しインバータの出力を制御するようにしている。このように素子電流検出手段と短絡電流検出手段を併せ持つことにより、位相の進んだ電流及びインバータのスイッチング素子の短絡を検知することが可能になり、そのため、確実にインバータのスイッチング素子及び直流生成回路の素子を保護することができる。

実施の形態１に係る誘導加熱調理器の概略構成を示す回路図である。 図１の素子電流検出手段により検出された正常時の電流の波形と進み位相時の電流の波形の一例図である。 実施の形態２に係る誘導加熱調理器の概略構成を示す回路図である。 実施の形態２に係る誘導加熱調理器の動作を示すフローチャートである。

実施の形態１．
図１は実施の形態１に係る誘導加熱調理器の概略構成を示す回路図、図２は図１の素子電流検出手段により検出された正常時の電流の波形と進み位相時の電流の波形の一例図である。
図１において、誘導加熱調理器は、商用電源の交流電力を整流する整流回路１と、整流回路１の出力を平滑して直流電力にする平滑回路２と、平滑回路２の直流電流を高周波電流に変換するインバータ３と、インバータ３の出力端に接続され、共振回路を形成する加熱コイル４及び共振コンデンサ５と、商用電源からの入力電流を検出する入力電流検出手段６と、インバータ３のスイッチング素子３ａに流れる電流（以下、「素子電流」という）を検出する素子電流検出手段７と、インバータ３のスイッチング素子３ａ、３ｂの短絡時に流れる短絡電流を検出する短絡電流検出手段８と、制御手段９とを備えている。

前述の整流回路１は、例えばダイオードブリッジにより構成され、交流電力を全波整流している。平滑回路２は、整流回路１の正極側母線に挿入されたインダクタ２ａと、正極側母線と負極側母線の間に接続された平滑コンデンサ２ｂとにより構成されている。インバータ３は、例えばハーフブリッジ形のインバータで、正極側及び負極側の各母線の間に直列に接続されたスイッチング素子３ａ、３ｂと、スイッチング素子３ｂに並列に接続されたスナバコンデンサ３ｃとにより構成されている。インバータ３のスイッチング素子３ａ、３ｂは、制御手段９からの駆動信号に基づいて交互にオン・オフし、高周波電流を前述の共振回路に供給する。

素子電流検出手段７は、整流回路１の正極側母線に設けられている。これは、図２からも分かるように、加熱コイル４に流れるコイル電流の波形から進み位相時の素子電流の検出を行なうことが困難のため、素子電流検出手段７を正極側母線に設けることで、正確に進み位相時の素子電流を検出することが可能となる。なお、素子電流検出手段７を整流回路１の正極側母線に設けたことを述べたが、負極側母線でも良い。

短絡電流検出手段８は、図１に示すように、負側極母線に設けられている。なお、短絡電流検出手段８を正極側母線に設けても良い。制御手段９は、短絡電流検出手段８により検出された電流が第３の所定閾値に達したときに、インバータ３のスイッチング素子３ａ、３ｂに短絡電流が流れたと判定して、インバータ３の駆動を停止する。また、制御手段９は、素子電流検出手段７により検出された素子電流が第１の所定閾値に達したときに、スイッチング素子３ａに流れる素子電流の位相が進み位相となっていると判定して、例えば、加熱コイル４の電力が設定電力より低くなるようにインバータ３の出力を制限する。

素子電流の位相が進み位相となる要因として、例えば鍋２０を加熱コイル４により加熱しているときに鍋振りを行ったときに起こる。即ち、鍋振り時に鍋２０を持ち上げると加熱コイル４のインダクタンス値が大きくなることから共振周波数が低くなり、電流共振形の場合、駆動周波数も低くなる。その状態で鍋２０を振り落とすと、急峻にインダクタンス値が小さくなり共振周波数も急峻に高くなることから、直前に駆動していた駆動周波数では進相状態となり、スイッチング素子３ａに過大な進み位相の素子電流が流れてしまうことになる。この過大な素子電流が継続して流れるとスイッチング素子は過剰発熱し、故障に至ることとなる。

そこで、本実施の形態においては、前述したように、素子電流検出手段７により検出された素子電流が第１の所定閾値に達したときに、加熱コイル４の電力が設定電力より低くなるようにインバータ３の出力を制限する。

前記のように構成された誘導加熱調理器の動作を図１を用いて説明する。
使用者が、トッププレートを介して加熱コイル４上に鍋２０を載置し、ついで、誘導加熱調理器の加熱開始スイッチ（図示せず）により加熱開始を指示すると、制御手段９は、インバータ３の駆動を開始し、初期負荷検知を実行する。

この時、制御手段９は、先ず、例えば４０ｋＨｚの高周波の駆動信号でインバータ３を駆動する。次いで、制御手段９は、入力電流検出手段６により検出された入力電流及びコイル電流検出手段（図示せず）により検出されたコイル電流と加熱不適切判定用の閾値とに基づいて鍋２０が適正かどうかを判定する。制御手段９は、その判定結果から鍋２０を加熱適正と判定した場合には、入力電流及びコイル電流と材質判定用の閾値とに基づいて鍋２０の材質判定を行って加熱を開始し、初期負荷検知を終了する。

その後、制御手段９は、鍋２０の材質判定に応じた駆動信号でインバータ３の駆動を開始して電力フィードバック制御を実施し、電力フィードバック制御時に、素子電流検出手段７により検出された素子電流が第１の所定閾値に達したかどうか、短絡電流検出手段８により検出された電流が第３の設定閾値に達したかどうかを判定する。

制御手段９は、素子電流検出手段７により検出された素子電流が第１の所定閾値に達したときには、スイッチング素子３ａに流れる素子電流が進み位相になっていると判定して、加熱コイル４の電力が設定電力より低くなるようにインバータ３の出力を制限する。また、制御手段９は、短絡電流検出手段８により検出された電流が第３の設定閾値に達したときには、インバータ３のスイッチング素子３ａ、３ｂの両方が同時に短絡を起こしたと判定して、インバータ３の駆動を停止する。

以上のように実施の形態１によれば、素子電流検出手段７により検出された素子電流が第１の所定閾値に達したときに、加熱コイル４の電力が設定電力より低くなるようにインバータ３の出力を制限してインバータ３を安全な動作へ遷移させるようにし、短絡電流検出手段８により検出された電流が第３の設定閾値に達したときには、インバータ３の駆動を停止するようにしている。このように素子電流検出手段７と短絡電流検出手段８を併せ持つことにより、確実にインバータ３のスイッチング素子３ａ、３ｂや整流回路１のダイオードブリッジ、電流ヒューズ等の基板素子を保護することができる。

なお、実施の形態１では、素子電流検出手段７により検出された素子電流が第１の所定閾値に達したときに、加熱コイル４の電力が設定電力より低くなるようにインバータ３の出力を制限するようにしたが、これに限定されるものではない。前述のように素子電流が第１の所定閾値に達したときに、低電力による初期負荷検知の動作へ移行するようにしても良い。この場合も、インバータ３の駆動を安全な方へ遷移させることができ、確実にインバータ３のスイッチング素子３ａ、３ｂや整流回路１のダイオードブリッジ等の基板素子を保護することができる。

また、実施の形態１では、素子電流検出手段７により検出された素子電流が第１の所定閾値に達したときに、素子電流の位相が進み位相と判定するようにしたが、図２に示すように、素子電流検出手段７により検出された素子電流（コレクタ電流）の単位時間当たりの変化量ｄＩ／ｄｔが予め設定された第２の所定閾値に達したときに、加熱コイル４の電力が設定電力より低くなるようにインバータ３の出力を制限したり、低電力による初期負荷検知の動作へ移行するようにしても良い。

この場合も、素子電流の位相の進みによる過大な電流を低く抑えることができるので、確実にインバータ３のスイッチング素子３ａ、３ｂや整流回路１のダイオードブリッジ等の基板素子を保護することができる。

実施の形態２．
本実施の形態２は、例えば、素子電流検出手段７により検出された素子電流が第１の所定閾値に達したときに、これをトリガとして、短絡電流検出手段からの検出信号を無効にするようにしたものである。
図３は実施の形態２に係る誘導加熱調理器の概略構成を示す回路図、図４は実施の形態２に係る誘導加熱調理器の動作を示すフローチャートである。なお、実施の形態２においては、実施の形態１と同様の部分には同じ符号を付している。

図３において、図中に示す短絡電流検出手段１０は、整流回路１の負極側母線に挿入されたシャント抵抗１１と、例えば５Ｖの電源を分圧する抵抗１２、１３と、抵抗１２、１３により分圧された電圧を基準電圧とするコンパレータ１４とで構成されている。コンパレータ１４の（＋）入力端子に前述の基準電圧が入力され、（−）入力端子にはシャント抵抗１１によって得られた電圧が入力される。このコンパレータ１４は、インバータ３のスイッチング素子３ａ、３ｂの短絡により整流回路１の負極側母線に短絡電流が流れると、（−）入力端子に基準電圧以下の電圧が入力し、出力端からＬｏからＨｉに反転した検出信号を制御手段９ａに出力する。なお、前述の基準電圧は、第３の所定閾値に応じて設定される。

制御手段９ａは、短絡電流検出手段１０からの検出信号がＬｏからＨｉに反転したときに、スイッチング素子３ａ、３ｂが短絡したと判定して、インバータ３の駆動を停止する。

また、制御手段９ａは、素子電流検出手段７により検出された素子電流が第１の所定閾値に達したかどうかを判定する。制御手段９ａは、素子電流が第１の所定閾値に達したときには、それをトリガとして、短絡電流検出手段１０からの検出信号を無効にする。第１の所定閾値に達する素子電流は、実施の形態１で述べたように、使用者の鍋振りより位相の進んだ素子電流で、過大な素子電流となっている。

この過大な素子電流（急峻なサージ電流）の発生に伴い、短絡電流検出手段１０のＧＮＤ電位が変動し、短絡電流検出手段１０が誤動作する場合がある。即ち、実際に短絡電流は流れていないが、短絡電流検出手段１０が検出信号を出力してしまう。この誤動作により、制御手段９ａがインバータ３の駆動を停止しないようにするために、素子電流検出手段７により検出された素子電流が第１の所定閾値に達したときに、短絡電流検出手段１０からの検出信号を無効にして、短絡電流検出手段１０の誤動作を回避している。

次に、実施の形態２の動作を図４のフローチャートに基づいて説明する。
実施の形態１と同様に、使用者が、トッププレートを介して加熱コイル４上に鍋２０を載置し、ついで、誘導加熱調理器の加熱開始スイッチ（図示せず）により加熱開始を指示すると、制御手段９ａは、インバータ３の駆動を開始し、初期負荷検知を実行する（Ｓ１）。

この時、制御手段９ａは、先ず、例えば４０ｋＨｚの高周波の駆動信号でインバータ３を駆動する。次いで、制御手段９ａは、入力電流検出手段６により検出された入力電流及びコイル電流検出手段（図示せず）により検出されたコイル電流と加熱不適切判定用の閾値とに基づいて鍋２０が適正かどうかを判定する。制御手段９ａは、その判定結果から鍋２０を加熱適正と判定したときには、入力電流及びコイル電流と材質判定用の閾値とに基づいて鍋２０の材質判定を行い、初期負荷検知を終了する。

その後、制御手段９ａは、鍋２０の材質判定に応じた駆動信号でインバータ３の駆動を開始して電力フィードバック制御を実施し、電力フィードバック制御時に、素子電流検出手段７により検出された素子電流が第１の所定閾値に達したかどうかを判定する（Ｓ２）。制御手段９ａは、素子電流が第１の所定閾値に達していないときには、インバータ３の駆動を継続する（Ｓ５）。また、制御手段９ａは、素子電流が第１の所定閾値に達したときには、それをトリガとして、短絡電流検出手段１０からの検出信号を無効にし（Ｓ３）、前述した初期負荷検知の動作へ移行し（Ｓ４）、インバータ３の駆動を継続する（Ｓ５）。

また、制御手段９ａは、図４には示していないが、第１の所定閾値に達する素子電流を検知していないときに、前述の短絡電流が第３の所定閾値に達しているかどうかを判定し、短絡電流が第３の所定閾値に達しているときには、スイッチング素子３ａ、３ｂが短絡したと判定して、インバータ３の駆動を停止する。

以上のように実施の形態２においては、素子電流が第１の所定閾値に達したタイミングをトリガとして、短絡電流検出手段１０からの検出信号を無効にするようにしている。これにより、第１の所定閾値に達する素子電流、即ち進み位相による過大な素子電流（サージ電流）で短絡電流検出手段１０が誤動作して短絡電流を検出したとみなしても、短絡電流検出手段１０からの検出信号を無効にしているので、短絡電流検出手段１０の誤動作に伴うインバータ３の駆動を停止するということがなくなる。そのため、誘導加熱調理器の使い勝手が悪くなることを回避でき、基板の交換が誤って行われるということがなくなる。

なお、実施の形態２では、素子電流検出手段７により検出された素子電流が第１の所定閾値に達したときに、低電力による初期負荷検知の動作へ移行するようにしたが、これに限定されるものではない。前述したように素子電流が第１の所定閾値に達したときに、加熱コイル４の電力が設定電力より低くなるようにインバータ３の出力を制限するようにしても良い。この場合も、インバータ３の駆動を安全な方へ遷移させることができ、確実にインバータ３のスイッチング素子３ａ、３ｂや整流回路１のダイオードブリッジ等の基板素子を保護することができる。

また、実施の形態２では、素子電流検出手段７により検出された素子電流が第１の所定閾値に達したときに、それをトリガとして、短絡電流検出手段１０からの検出信号を無効にするようにしたが、これに限定されるものではない。例えば、素子電流検出手段７により検出された素子電流（コレクタ電流）の単位時間当たりの変化量ｄＩ／ｄｔが予め設定された第２の所定閾値に達したときに（図２参照）、それをトリガとして、短絡電流検出手段１０からの検出信号を無効にするようにしても良い。この場合も、前述の基板素子を保護するために、低電力による初期負荷検知の動作へ移行したり、加熱コイル４の電力が設定電力より低くなるようにインバータ３の出力を制限する。

１ 整流回路、２ 平滑回路、２ａ インダクタ、２ｂ 平滑コンデンサ、３ インバータ、３ａ、３ｂ スイッチング素子、３ｃ スナバコンデンサ、４ 加熱コイル、５ 共振コンデンサ、６ 入力電流検出手段、７ 素子電流検出手段、８ 短絡電流検出手段、９、９ａ 制御手段、１０ 短絡電流検出手段、１１ シャント抵抗、１２、１３ 抵抗、１４ コンパレータ、２０ 鍋。

Claims (7)

1. 交流電力を直流電力に変換する直流生成回路と、
   直列に接続された複数のスイッチング素子を有し、前記複数のスイッチング素子の駆動により前記直流生成回路の直流電流を高周波電流に変換するインバータと、
   前記インバータの出力端に接続され、共振回路を形成する加熱コイル及び共振コンデンサとを有する誘導加熱調理器において、
   前記複数のスイッチング素子のうちの一方に流れる電流を検出する素子電流検出手段と、
   前記複数のスイッチング素子が同時に短絡したときに流れる短絡電流を検出する短絡電流検出手段と、
   前記素子電流検出手段と前記短絡電流検出手段からの検出信号に応じて前記インバータに駆動信号を出力し前記インバータの出力を制御する制御手段と
   を備えたことを特徴とする誘導加熱調理器。
2. 前記素子電流検出手段および前記短絡電流検出手段は、前記直流生成回路と前記インバータとの間の正極側あるいは負極側の母線に設けられたことを特徴とする請求項１記載の誘導加熱調理器。
3. 前記制御手段は、前記素子電流検出手段で検出された電流値が予め設定された第１の所定閾値に達したときに、前記インバータの出力を低下するように制限することを特徴とする請求項２記載の誘導加熱調理器。
4. 前記制御手段は、前記素子電流検出手段で検出される電流の単位時間当たりの変化量が予め設定された第２の所定閾値に達したときに、前記インバータの出力を低下するように制限することを特徴とする請求項２記載の誘導加熱調理器。
5. 前記制御手段は、前記素子電流検出手段で検出された電流が前記第１の所定閾値に達したときに、前記短絡電流検出手段からの検出信号を受け付けないようにしたことを特徴とする請求項３記載の誘導加熱調理器。
6. 前記制御手段は、前記素子電流検出手段で検出された電流の単位時間当たりの変化量が前記第２の所定閾値に達したときに、前記短絡電流検出手段からの検出信号を受け付けないようにしたことを特徴とする請求項４記載の誘導加熱調理器。
7. 前記制御手段は、前記短絡電流検出手段で検出された電流値が予め設定された第３の所定閾値に達したときに、前記インバータの出力を停止することを特徴とする請求項２乃至６のいずれか一項に記載の誘導加熱調理器。

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