JP2014232623A - マグネトロン駆動用電源 - Google Patents

Abstract

【課題】広範囲に亘りインバータ回路の変換電力を制御してもマグネトロンのカソード電流を安定化し、かつ起動制御時間を短縮できるマグネトロン駆動用電源を提供する。
【解決手段】昇圧トランス３の３次巻線３３から共振要素８を介してマグネトロン１のカソード１１に電流を供給するとともに、共振要素８に第１の共振コンデンサ８１、第２の共振コンデンサ８２を備え、リレー８３によって起動制御時と定常制御時に切り替えを行い、共振周波数を切り替える。
【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。

従来の公知のマグネトロン駆動用電源は、マグネトロンに供給する電力の調整をインバータ制御回路の出力パルス幅を調整することで行っている。インバータ制御回路の出力パルス幅を広くすることでマグネトロンに供給する電力を大きくし、逆に狭くすることで電力を絞る構成となっている。この構成によってマグネトロンの加熱出力を連続的に可変することが可能となっていた。

また、マグネトロンは熱電子をカソード（フィラメント）から放出することによってその内部でマイクロ波を発生させる真空管である。マグネトロンが発振するためにはカソードを適正な温度に維持する必要がある。一方、マグネトロン駆動用電源には高圧トランスが備えられており、マグネトロンへ高電圧電力とカソードを加熱するヒータ電力を供給する多出力トランスの構造となっている。このためマグネトロンに供給する高電圧電力を変化させると、それに追随してカソードに供給するヒータ電力も変化していた。このため、カソードの温度を適正な範囲に保とうとすると、わずかな出力電力の変化幅しか取れず、加熱出力を連続的に変えることが出来なくなるという問題があった。

これを解決する高周波加熱装置として特許文献１にて開示された高周波加熱装置がある。図４は特許文献１に示された高周波加熱装置を説明するブロック図である。図４において、この高周波加熱装置の加熱制御方式はマグネトロン１と、マグネトロン１に２次巻線電力を供給する高圧整流回路４に高圧電力を供給すると同時にマグネトロン１のカソード１１に電力を供給する昇圧トランス３と、商用電源５を高周波電力に変換するインバータ回路６と、インバータ回路６の動作周波数を変化させてマグネトロン１の出力を可変制御する制御回路２と、マグネトロン１のカソード１１を加熱するフィラメント回路にコンデンサ７を直列接続し、マグネトロン１に供えられた高周波ノイズフィルタ用チョークコイル１２と前記のコンデンサ７によって直列共振回路を構成するとともにその共振周波数はインバータ回路６の動作周波数よりも高く設定する構成としている。

上記の高周波加熱装置のカソードヒータ回路を等価的に表現すると図５のようにあらわすことができる。図５でＬｃ１、Ｌｃ２はマグネトロンに供えられた高周波ノイズフィルタ用チョークコイル１２であり、Ｒｏはカソード１１の抵抗値を表している。さらに、トランスの等価回路モデルを用いて変換すると、図５は図６と表すことができる。ここでＶｔを一定とした場合、カソード１１の抵抗Ｒｏに流れる電流は周波数を高くすると大きくなる。一方、高周波加熱装置のインバータ回路６の制御において、その出力電力を減少させるときインバータ回路６の動作周波数は高くなるように働く。

インバータ回路６の出力電力を小さくなるように制御すると、結果としてカソード１１に電力を供給する巻線の電圧（すなわちＶｔ）が小さくなるため、上述の効果と相殺することでマグネトロン１への供給電力を変化させてもカソード１１への供給電流を一定に保つことができるというものである。

特許第２６９７１６８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、以下に述べるような課題を有している。

すなわち、フィラメント回路に共振用のコンデンサ７を直列に接続して、マグネトロン１が発振している状態でその出力電力が変化してもフィラメント回路の電流が安定するように共振用のコンデンサ７の容量を設定した場合、マグネトロン１が起動の状態から定常発振の状態に移るまでの時間が長くなってしまうという課題がある。以下その課題について説明する。

マグネトロン１はカソード１１から熱電子を放出してマグネトロン１に供えられた永久磁石（図示せず）による磁界と印加される高電圧の作用で電波を発生するデバイスであるため、電波を安定に発生させるためにはカソード１１を所定の温度範囲に制御する必要があることは前述のとおりであり、カソード１１が所定の温度に到達するまでは熱電子の放出が起こらずまたは不足しマグネトロン１は電波を発生しない。このため、加熱装置が停止状態から動作状態へ遷移すると必ずマグネトロン１のカソード１１を加熱し、電波の発生を準備する起動制御の期間が存在する。

従来の高周波加熱装置に供えられたインバータ回路６はスイッチングタイミングでのスイッチングトランジスタ６１の損失を軽減するためにソフトスイッチング技術を用いている。この方式はスイッチングに共振現象を利用しているためスイッチング損失を非常に小さくすることができるが、その反面共振現象を利用しているためスイッチングのタイミングが共振回路の共振周波数に支配されてしまう。

フィラメント回路に共振用のコンデンサ７を直列接続することによって定常発振状態でマグネトロン１の出力が小さいとき即ちインバータ回路６の動作周波数が高いときでもフィラメント回路の電流が所定値流れるようにするということは、フィラメント回路のインピーダンスで考えると動作周波数が高いときにインピーダンスが低くなり、動作周波数が低いときインピーダンスが高くなるように設定することと同義である。マグネトロン１が起動制御の状態と定常発振の状態ではマグネトロン１のインピーダンスが大きく異なるため、前述のスイッチングのタイミングを決める共振回路の共振周波数が大きく異なり、定常発振状態の共振周波数ｆｒ２と起動制御状態の共振周波数ｆｒ１ではｆｒ２＞ｆｒ１なる関係にあり、定常発振時の動作周波数ｆｏ２と起動制御状態の動作周波数ｆｏ１はｆｏ２＞ｆｏ１という関係になる。この周波数関係で起動状態のフィラメント回路のインピーダンスを鑑みると共振用コンデンサ７を直列に接続しない状態と比べると、起動時のフィラメント回路のインピーダンスは高くなりカソード１１を流れる電流は小さくなる。この結果、カソード１１が所定の温度に到達し熱電子を安定に発生するまでの時間が長くなり、結果としてマグネトロン１が発振可能な状態になるまでの時間が長くなってしまう。

本発明は、前記従来の課題を解決するもので、起動制御と定常制御でフィラメント回路の共振用のコンデンサの容量を切り替えて、夫々の状態において最適なフィラメント回路のインピーダンスを実現し、マグネトロンの起動時間を損なうことなく広範囲にわたりマグネトロンの出力を制御可能な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、交流電源の電圧を整流し、スイッチングトランジスタの高周波スイッチングのオン時間を変調して高周波電力に変換するインバータ回路を制御するマグネトロン駆動用電源であって、前記イン
バータ回路における前記スイッチングトランジスタのスイッチング動作を制御する制御部と、前記スイッチングトランジスタのスイッチング動作によって高周波電力を伝達する昇圧トランスと、前記昇圧トランスは前記スイッチングトランジスタによって励振される１次巻線と前記１次巻線と磁気結合し高電圧を出力する２次巻線およびマグネトロンのフィラメント回路に電力を供給する３次巻線を備え、前記フィラメント回路に共振要素を直列接続し、マグネトロンが起動制御状態と定常発振状態で前記共振要素の数値を変える構成としたものである。

これによって、マグネトロンが非発振の状態である起動制御状態と電波を出力している定常発振状態でフィラメント回路のインピーダンスを各々独立の値にすることができるため、起動制御状態と定常発振状態でカソードを加熱するための電流を各々適切な値にすることができ、マグネトロンが非発振から電波を出力するまでの起動制御に要する時間を長くすることなく定常発振状態でカソードを加熱する電流を安定化できるので広範囲な電力制御を実現することができる。

本発明のマグネトロン駆動用電源は、マグネトロンが非発振の状態である起動制御状態と電波を出力している定常発振状態でフィラメント回路のインピーダンスを各々独立の値にすることができるため、起動制御状態と定常発振状態でカソードを加熱するための電流を各々適切な値にすることができ、マグネトロンが非発振から電波を出力するまでの起動制御に要する時間を長くすることなく定常発振状態でカソードを加熱する電流を安定化できるので広範囲な電力制御を実現することができる。

本発明の実施の形態１にかかるマグネトロン駆動用電源のブロック図 本発明の実施の形態１にかかるマグネトロン駆動用電源の特性図 本発明の実施の形態１にかかるマグネトロン駆動用電源の特性図 従来のマグネトロン駆動用電源を示すブロック図 従来のマグネトロン駆動用電源におけるヒータ電力供給回路図 従来のマグネトロン駆動用電源におけるヒータ電力供給等価回路図

第１の発明は、交流電源の電圧を整流し、スイッチングトランジスタの高周波スイッチングのオン時間を変調して高周波電力に変換するインバータ回路を制御するマグネトロン駆動用電源であって、前記インバータ回路における前記スイッチングトランジスタのスイッチング動作を制御する制御部と、前記スイッチングトランジスタのスイッチング動作によって高周波電力を伝達する昇圧トランスと、前記昇圧トランスは前記スイッチングトランジスタによって励振される１次巻線と前記１次巻線と磁気結合し高電圧を出力する２次巻線およびマグネトロンのフィラメント回路に電力を供給する３次巻線を備え、前記フィラメント回路に共振要素を直列接続し、マグネトロンが起動制御状態と定常発振状態で前記共振要素の数値を変える構成としたものであり、マグネトロンが非発振の状態である起動制御状態と電波を出力している定常発振状態でフィラメント回路のインピーダンスを各々独立の値にすることができるため、起動制御状態と定常発振状態でカソードを加熱するための電流を各々適切な値にすることができ、マグネトロンが非発振から電波を出力するまでの起動制御に要する時間を長くすることなく定常発振状態でカソードを加熱する電流を安定化できるので広範囲な電力制御を実現することができる。

第２の発明は、特に第１の発明の共振要素は、第１の共振用コンデンサと、切り替え部及び第２の共振用コンデンサの直列接続を、並列に接続して構成し、起動制御時は前記切り替え部を導通状態とし定常制御になると非導通状態として共振要素の値を変える構成と
したものであり、切り替え部によって起動制御状態と定常発振状態でフィラメント回路のインピーダンスを変えることができるためマグネトロンが非発振の状態である起動制御状態と電波を出力している定常発振状態でフィラメント回路のインピーダンスを各々独立の値にすることができるので、起動制御状態と定常発振状態でカソードを加熱するための電流を各々適切な値にすることができ、マグネトロンが非発振から電波を出力するまでの起動制御に要する時間を長くすることなく定常発振状態でカソードを加熱する電流を安定化できるので広範囲な電力制御を実現することが可能となる。

第３の発明は、特に第２の発明のマグネトロン駆動用電源の切り替え部はリレーによって構成し、制御部の制御信号によって導通／非導通を制御する構成としたものであり、リレーのオンオフによってフィラメント回路のインピーダンスを変えることができるのでマグネトロンが非発振の状態である起動制御状態と電波を出力している定常発振状態でフィラメント回路のインピーダンスを各々独立の値にすることができるため、起動制御状態と定常発振状態でカソードを加熱するための電流を各々適切な値にすることができ、マグネトロンが非発振から電波を出力するまでの起動制御に要する時間を長くすることなく定常発振状態でカソードを加熱する電流を安定化できるので広範囲な電力制御を実現することが可能となる。

第４の発明は、特に第２または第３の発明の制御部に交流電源からの入力電流を検出する入力電流検出部を設け、前記入力電流検出部の出力信号が所定値以上になると切り替え部に制御信号を伝達し導通状態とする構成としたものであり、マグネトロンが発振して定常発振状態になったことを検出してフィラメント回路のインピーダンスを変えることができるのでマグネトロンが非発振の状態である起動制御状態と電波を出力している定常発振状態でフィラメント回路のインピーダンスを各々独立の値にすることができるため、起動制御状態と定常発振状態でカソードを加熱するための電流を各々適切な値にすることができ、マグネトロンが非発振から電波を出力するまでの起動制御に要する時間を長くすることなく定常発振状態でカソードを加熱する電流を安定化できるので広範囲な電力制御を実現することができる。

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は本発明の実施の形態１にかかるマグネトロン駆動用電源を説明するブロック図である。図１において従来のマグネトロン駆動用電源と同様の機能を果たす構成要素には同一の番号を付している。５は商用電源でありマグネトロン駆動用電源に外部から電力を供給する。マグネトロン駆動用電源はスイッチングトランジスタ６１を備えたインバータ回路６を備えており、制御部２から送られるスイッチングするスイッチングトランジスタ６１によって高周波電力を発生させる。昇圧トランス３は１次巻線３１、２次巻線３２、３次巻線３３を備えた多出力トランスの構造になっており、１次巻線３１がインバータ回路６に接続され、スイッチングトランジスタ６１のスイッチング動作によって生じる高周波電力を磁気結合によって伝達する構造になっている。２次巻線３２の出力は高圧整流回路４によって一旦単方向電圧に整流され、マグネトロン１に直流高電圧を印加する。３次巻線３３の出力は共振要素８を介してマグネトロン１のカソード１１を加熱する電力を伝達するように構成されており、マグネトロン１のカソード１１にはマグネトロン１から生じる高周波ノイズを除去するためにフィルタコイル１２が直列に接続されている。共振要素８は第１の共振コンデンサ８１と第２の共振コンデンサ８２とリレー８３によって構成されリレー８３を起動制御状態と定常発振状態でオンオフを切り替えることによってマグネトロンのフィラメント回路のインピーダンスを変化させるように構成している。

次に本実施の形態のマグネトロン駆動用電源の動作について詳細に説明する。インバータ回路６に供えられたスイッチングトランジスタ６１は制御部２から出力されるパルス信号によって駆動され、オンオフ動作を繰り返すことによって昇圧トランス３の１次巻線３１に高周波電力を発生させる。このスイッチングトランジスタ６１のオンオフのタイミングはインバータ回路６に供えられた共振コンデンサ６２と昇圧トランス３の１次巻線３１によって構成される共振回路によって決まり、所定時間、スイッチングトランジスタ６１をオンさせたのちターンオフするとこの共振回路によってスイッチングトランジスタ６１に印加される電圧が共振波形を示し、緩やかに上昇を始める。このためスイッチングトランジスタ６１のターンオフ時に生じるスイッチング損失を非常に小さく抑えることができる。インバータ回路６によって生成される高周波電力はスイッチングトランジスタ６１のオン時間によって決まり、オン時間を短くすると高周波電力が小さくなるように働く。一方、スイッチングトランジスタ６１のオフ期間は共振コンデンサ６２と昇圧トランス３の１次巻線３１による共振のため高周波電力の大小によらずほぼ一定の時間となる。このため、インバータ回路６が発生する高周波電力とインバータ回路６の動作周波数ｆｏの関係は、周波数が高くなると変換電力が小さくなるという特性を示す。

昇圧トランス３は前述のスイッチングトランジスタ６１に動作によって１次巻線３１に励起された高周波電力を磁気結合によって２次巻線３２と３次巻線３３にそれぞれ伝達する。２次巻線３２は高電圧を出力する巻線で、高圧整流回路４を介してマグネトロン１に高電圧を印加する。マグネトロン１はこの高電圧によってカソード１１が所定の温度に達しているときは電波を発生する。３次巻線３３はマグネトロン１のカソード１１を加熱するヒータ電力を供給する巻線であり、数Ｖ程度の低電圧で大電流を供給する巻線である。

マグネトロン１はカソード１１が所定の温度に加熱された状態で高電圧が印加されると電波を発生し、その電圧−電流特性はツェナーダイオードのような特性を示して低いインピーダンスを示すが、カソード１１の温度が所定の温度に達していないときは電波を発生せず、そのインピーダンスもほぼ無限大の特性を示す。このため昇圧トランス３の１次巻線３１側からマグネトロン１に向かって等価的なインピーダンスを考えると、カソード１１が所定の温度に達した定常制御状態と所定温度に達していない起動制御状態ではそのインピーダンスが大きく異なり、定常制御状態のインピーダンスに対して起動制御状態のインピーダンスは大きな値となる。この結果、共振コンデンサ６２との共振周波数も定常制御状態と起動制御状態では大きく異なり、定常制御状態の共振周波数に対して起動制御状態の共振周波数は低い値となる。このため起動制御状態の動作周波数は定常動作状態の動作周波数よりも低くなる。

昇圧トランス３の３次巻線３３はマグネトロン１のカソード１１を加熱する電力を供給する巻線であり、共振要素８を介してマグネトロン１のカソード１１に高周波電流を流してカソード１１を加熱している。マグネトロン１に供えられたチョークコイル１２と共振要素８に供えられた第１の共振コンデンサ８１、第２の共振コンデンサ８２は直列共振回路を構成しており、３次巻線３３側から見た直列共振回路のインピーダンスは図２のような特性を示す。図２中で破線は起動制御時の特性であり、この時、リレー８３は導通状態になっている。起動制御時のインバータ回路６の動作周波数はｆ０の周波数であり、共振周波数をｆ１に対してやや高い周波数に設定することによって起動制御時に十数Ａの電流を流して、カソード１１を短時間でマグネトロン１が発振できる状態に加熱することができる。一方、図２中の実線は定常制御状態のインピーダンス特性であり、リレー８３を開放状態にすることによって直列共振回路の共振周波数ｆ２は起動制御状態よりも高い周波数に設定される。共振周波数ｆ２は定常制御状態のインバータ回路６の動作周波数に対して高い周波数に設定することによって、動作周波数を高くしてインバータ回路６の変換電力を小さくすると直列共振回路のインピーダンスが小さくなる特性を示すようになっている。この結果、定常制御状態でのカソード１１に流れる電流は図３のごとき特性を示し、
インバータ回路６の変換電力が増減しても、ほぼ一定値に保つことができる。

ここで再び起動制御状態について鑑みると、起動制御時の動作周波数ｆ０における実線のインピーダンスと破線のインピーダンスを比較すると実線のインピーダンスのほうが大きな値を示している。これは実線の特性で動作を行うと破線の特性に比べてマグネトロン１のカソード１１に流れる電流が小さくなることを意味しており、結果としてマグネトロン１のカソード１１が所定の温度に到達する時間が長くなることになる。しかし名が本実施の形態においてはリレー８３によって第２の共振コンデンサ８２を起動時は導通させ、直列共振回路のインピーダンス特性を破線のごとくしているため起動制御時の電流は実線のインピーダンス特性のときよりも多く流すことができ、マグネトロン１のカソード１１を所定の温度に加熱する時間を短縮することができる。

以上のように本実施の形態のマグネトロン駆動用電源はマグネトロン１のカソード１１に電力を供給する昇圧トランス３の３次巻線３３に直列に共振要素８を挿入し、起動制御時と定常制御時で共振要素８に備えた第１の共振コンデンサ８１、第２の共振コンデンサ８２を切り替えることによって共振要素８とマグネトロン１に供えられたチョークコイル１２によって形成される直列共振回路のインピーダンス特性を切り替えることで、起動制御時と定常制御時の各々に適したインピーダンス特性とすることができ、マグネトロン１のカソード１１を所定温度に加熱する起動制御の時間を損なうことなく定常制御時にカソード１１に供給される電流を安定化し、広範囲に亘ってインバータ回路６の変換電力を制御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広範囲に亘ってインバータ回路の変換電力を制御してもマグネトロンのカソードを加熱する電流を安定にすることができ、かつマグネトロンのカソードが所定温度に到達するまでの時間を短縮することができるので、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 マグネトロン
２ 制御部
３ 昇圧トランス
４ 高圧整流回路
５ 商用電源
６ インバータ回路
８ 共振要素
３１ １次巻線
３２ ２次巻線
３３ ３次巻線
６１ スイッチングトランジスタ
８１ 第１の共振コンデンサ
８２ 第２の共振コンデンサ
８３ リレー

Claims (4)

1. 交流電源の電圧を整流し、スイッチングトランジスタの高周波スイッチングのオン時間を変調して高周波電力に変換するインバータ回路を制御するマグネトロン駆動用電源であって、
   前記インバータ回路における前記スイッチングトランジスタのスイッチング動作を制御する制御部と、
   前記スイッチングトランジスタのスイッチング動作によって高周波電力を伝達する昇圧トランスと、
   前記昇圧トランスは前記スイッチングトランジスタによって励振される１次巻線と前記１次巻線と磁気結合し高電圧を出力する２次巻線およびマグネトロンのフィラメント回路に電力を供給する３次巻線を備え、
   前記フィラメント回路に共振要素を直列接続し、マグネトロンが起動制御状態と定常発振状態で前記共振要素の数値を変える構成としたマグネトロン駆動用電源。
2. 共振要素は、第１の共振用コンデンサと、切り替え部及び第２の共振用コンデンサの直列接続を、並列に接続して構成し、起動制御時は前記切り替え部を導通状態とし定常制御になると非導通状態として共振要素の値を変え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. 切り替え部はリレーによって構成し、制御部の制御信号によって導通／非導通を制御する構成とした請求項２に記載のマグネトロン駆動用電源。
4. 制御部に交流電源からの入力電流を検出する入力電流検出部を設け、前記入力電流検出部の出力信号が所定値以上になると切り替え部に制御信号を伝達し導通状態とする構成とした請求項２または３に記載のマグネトロン駆動用電源。