JP2015002002A - 誘導加熱調理器 - Google Patents

Abstract

【課題】様々な加熱条件においてスイッチング素子の損失やノイズを低減し、スイッチング素子の温度上昇を抑えるようにした誘導加熱調理器を提供すること。【解決手段】温度検出手段１１で測定したスイッチング素子１０の温度が所定温度以上となった場合に、スイッチング素子１０のターンオンのタイミングまたはデッドタイムの時間を変更し、温度検出手段１１で測定した温度が増加した場合はターンオンのタイミングまたはデッドタイムの時間を前回変更した方向とは逆の方向に変更するようにした。【選択図】図１

Description

本発明は、一般家庭及び業務用として使用される誘導加熱調理器に関するものである。

従来、この種の誘導加熱調理器は、交流電源を直流に変換する整流回路と、前記整流回路に接続されて高周波磁界を発生して鍋を加熱する加熱コイルと、前記加熱コイルと共に共振回路を構成する共振コンデンサと、前記共振回路に接続されて、前記の整流回路の出力を高周波交流に変換して、鍋を誘導加熱するスイッチング素子とを有したインバータと、前記スイッチング素子の両端の電圧を検知する素子電圧検知部と前記インバータの動作状態を検知する制御要素検知手段と、前記スイッチング素子の導通時間及び駆動周波数を変更して前記インバータの出力を制御する制御手段を備え、前記素子電圧検知部により検知される電圧が所定値より高い時には前記スイッチング素子のゲートへの充電抵抗を増加させるオン抵抗可変手段を備え、前記スイッチング素子のターンオン時に緩やかにターンオンさせ、スパイク電流の発生を抑制するとともに、過大なスパイク電流が発生しない時には小さな充電抵抗で速やかにターンオンさせ、ターンオン直後の損失の増加を抑制する誘導加熱調理器が開示されている（例えば、特許文献１参照）。

特開平１１−３２９６９７号公報

しかしながら、スイッチング素子のオン抵抗の切替えだけでは、様々な加熱条件に対応することが難しく、条件によってはターンオン時のスイッチング素子の損失を増加させ、スイッチング素子の安全動作領域を越え、最悪の場合は破壊にいたるという問題点があった。

本発明は、前記従来の課題を解決するもので、様々な加熱条件においてスイッチング素子の損失やノイズを低減し、スイッチング素子の温度上昇を抑えるようにした誘導加熱調理器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、交流電源を直流に変換する整流回路と、高周波磁界を発生して鍋を誘導加熱する加熱コイルと、前記加熱コイルと共に共振回路を構成する共振コンデンサと、前記共振回路および前記共振回路に接続されたスイッチング素子を有し前記整流回路の直流の出力を高周波交流に変換するインバータと、前記インバータの動作状態を検知する制御要素検知手段と、前記スイッチング素子の導通時間または駆動周波数を変更して前記インバータの出力を制御する制御手段と、絶縁部材と導体箔とで形成され、前記スイッチング素子が取り付けられた放熱体、前記制御手段または前記インバータの少なくとも何れかの一部を搭載した印刷配線板と、前記スイッチング素子か、前記放熱体または前記スイッチング素子の端子に接続された導体箔または前記印刷配線板のうち何れかの温度を測定する温度検知手段とを備え、前記制御手段は、前記温度検知手段で測定した温度が所定温度以上となった場合に、前記スイッチング素子のターンオンのタイミングを早めるかまたは遅らせる方向に変更し、その後、前記温度検知手段で測定した温度が増加したとき、前記ターンオンのタイミングを早める方向に変更していた場合は遅らせる方向に、遅らせる方向に変更していた場合は早める方向に変更するようにしたものである。

また、前記スイッチング素子を直列に２つ接続して構成し、前記制御手段は、前記温度検知手段で測定した温度が所定温度以上となった場合に、各々のスイッチング素子を共に非導通とするデッドタイムの時間を短くするかまたは長くする方向に変更し、その後、前記温度検知手段で測定した温度が増加したとき、前記デッドタイムの時間を短くする方向に変更していた場合は長くする方向に、長くする方向に変更していた場合は短くする方向に変更するようにしたものである。

これによって、ターンオン時のターンオンのタイミングやデッドタイムの時間についてスイッチング素子の損失を減らすように調整でき、スイッチング素子の損失を最小化できる。

本発明の誘導加熱調理器は、動作するスイッチング素子の温度により、様々な加熱条件に合わせて、ターンオンタイミング、もしくは、デッドタイムを任意に設定することができ、それらの最適な値で加熱動作を行うことができ、スイッチング素子の損失やノイズを低減することができ、スイッチング素子の温度上昇を抑えることができる。

本発明の実施の形態における誘導加熱調理器のブロック図 本発明の実施の形態１における誘導加熱調理器の動作波形図 本発明の実施の形態１における誘導加熱調理器の動作フロー図 本発明の実施の形態２における誘導加熱調理器の動作フロー図 本発明の実施の形態２におけるデッドタイム（ターンオン）最適値検知工程のフロー図

第１の発明は、交流電源を直流に変換する整流回路と、高周波磁界を発生して鍋を誘導加熱する加熱コイルと、前記加熱コイルと共に共振回路を構成する共振コンデンサと、前記共振回路および前記共振回路に接続されたスイッチング素子を有し前記整流回路の直流の出力を高周波交流に変換するインバータと、前記インバータの動作状態を検知する制御要素検知手段と、前記スイッチング素子の導通時間または駆動周波数を変更して前記インバータの出力を制御する制御手段と、絶縁部材と導体箔とで形成され、前記スイッチング素子が取り付けられた放熱体、前記制御手段または前記インバータの少なくとも何れかの一部を搭載した印刷配線板と、前記スイッチング素子か、前記放熱体または前記スイッチング素子の端子に接続された導体箔または前記印刷配線板のうち何れかの温度を測定する温度検知手段とを備え、前記制御手段は、前記温度検知手段で測定した温度が所定温度以上となった場合に、前記スイッチング素子のターンオンのタイミングを早めるかまたは遅らせる方向に変更し、その後、前記温度検知手段で測定した温度が増加したとき、前記ターンオンのタイミングを早める方向に変更していた場合は遅らせる方向に、遅らせる方向に変更していた場合は早める方向に変更することを特徴とする。

これにより、ターンオン時のターンオンのタイミングについてスイッチング素子の損失を減らすように調整でき、スイッチング素子の損失やノイズを低減することができ、スイッチング素子の温度上昇を抑えることができる。

第２の発明は、交流電源を直流に変換する整流回路と、高周波磁界を発生して鍋を誘導加熱する加熱コイルと、前記加熱コイルと共に共振回路を構成する共振コンデンサと、前記共振回路および前記共振回路に接続されたスイッチング素子を有し前記整流回路の出力を高周波交流に変換するインバータと、前記インバータの動作状態を検知する制御要素検
知手段と、前記スイッチング素子の導通時間または駆動周波数を変更して前記インバータの出力を制御する制御手段と、絶縁部材と導体箔とで形成され、前記スイッチング素子が取り付けられた放熱体、前記制御手段または前記インバータの少なくとも何れかの一部を搭載した印刷配線板と、前記スイッチング素子か、前記放熱体または前記スイッチング素子の端子に接続された導体箔または前記印刷配線板のうち何れかの温度を測定する温度検知手段とを備え、前記インバータは前記スイッチング素子を直列に２つ接続して構成し、前記制御手段は、前記インバータの各々の前記スイッチング素子を互いに同時に導通しないように、導通する前記スイッチング素子を変更する際に、各々のスイッチング素子を共に非導通とするデッドタイムを設けて前記インバータを制御し、前記温度検知手段で測定した温度が所定温度以上となった場合に、前記デッドタイムの時間を短くするかまたは長くする方向に変更し、その後、前記温度検知手段で測定した温度が増加したとき、前記デッドタイムの時間を短くする方向に変更していた場合は長くする方向に、長くする方向に変更していた場合は短くする方向に変更することを特徴とする。

これにより、ターンオン時のデッドタイムの時間についてスイッチング素子の損失を減らすように調整でき、スイッチング素子の損失やノイズを低減することができ、スイッチング素子の温度上昇を抑えることができる。

第３の発明は、特に前記第２の発明の制御手段において、前記デッドタイムの時間を一定量変更したとき、前記温度検知手段で測定した温度の変化量が所定変更量未満であった場合は以後の前記デッドタイムの時間を固定することを特徴とする。

これにより、ターンオン時のデッドタイムの時間についてスイッチング素子の損失が最小となるように調整が完了したことを判断でき、その後は最適なデッドタイムにて加熱制御を継続できる。

第４の発明は、特に前記第３の発明において、固定された前記デッドタイムの時間を前記インバータの設定火力毎に記憶し、前記制御手段は、設定火力が変更されると変更後の設定火力に対応して記憶した固定された前記デッドタイムの時間に基づいて前記インバータを制御することを特徴とする。

これにより、ターンオン時のデッドタイムの時間についてスイッチング素子の損失が最小となるように調整された設定火力においては、次回以降は設定直後から最適なデッドタイムで加熱制御でき、デッドタイムの調整中に発生する損失の増大を削減できる。

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における誘導加熱調理器のブロック図である。

図１に示すように、本実施の形態における誘導加熱装置は、商用交流電源である電源１からの交流電圧を整流するダイオードブリッジで構成した整流回路２と、その出力側に第１の平滑コンデンサ３が接続され、第１の平滑コンデンサ３の高電位側にチョークコイル４の一端を接続してチョークコイル４の他端と第１の平滑コンデンサ３の低電位出力側との間に第２の平滑コンデンサ５が接続されている。

そして、第２の平滑コンデンサ５の高電位側には、高周波磁界を発生し、被加熱物である鍋７を加熱する加熱コイル６と共振コンデンサ９とが並列接続された一端が接続され、その他端と第２の平滑コンデンサ５の低電位側の間には、内部に逆導通ダイオードを内包
するＩＧＢＴ等で構成したスイッチング素子１０が接続されている。

加熱コイル６の上部には、セラミック等の絶縁体で構成したトッププレート８が設けられており、鍋７は、トッププレート８を挟んで、加熱コイル６と対向するように載置されている。

制御手段１２は、インバータ１５の出力制御を行うもので、インバータ１５の動作状態を検知する制御要素検知手段である共振電圧検知手段１４および出力検出手段１３、スイッチング素子１０の温度を検出する温度検出手段１１、使用者による操作などに基づいて、スイッチング素子１０の導通／遮断を制御する。ここでは、図示していないが、インバータ１５がスイッチング素子１０を複数有する場合は、それぞれのスイッチング素子１０の導通期間の交替時に、両方共非導通となる期間であるデッドタイムを設けている。

出力検出手段１３は、具体的にはカレントトランスで構成されている。なお、制御要素検知手段は本実施の形態では共振電圧検知手段１４および出力検出手段１３で構成しているが、インバータの出力制御およびインバータの共振状態を検知するものであれば他の方法でも良い。

また、制御手段１２は、制御要素検知手段である共振電圧検知手段１４および出力検出手段１３からの検知信号を基に負荷の有無及び被加熱物である鍋７の材質を判定する材質判定手段（図示せず）を有し、鍋７の材質に応じて、離散的に設定した２つ以上のインバータ１５の基本駆動周波数を選択し、その基本駆動周波数にてスイッチング素子１０を駆動してインバータ１５の出力制御を行う。

出力検出手段１３の検知信号は、制御手段１２に出力されるよう接続されている。加熱コイル６と共振コンデンサ９との接点に接続された共振電圧検知手段１４は、具体的には抵抗で分圧された信号を制御手段１２に出力されるよう接続されている。

図２は本実施の形態における誘導加熱調理器の動作波形図である。

図２に基づいて、スイッチング素子１０に印加される電圧、電流について説明する。図２（１）は、スイッチング素子１０のゲート信号の波形であり、図２（２）は横軸の時間を同一としたときのスイッチング素子１０のコレクタ−エミッタ間電圧（ＶＣＥ）の波形を示す。図２（１）に示すターンオンＡのタイミング、ターンオンＢのタイミング、ターンオンＣのタイミングにおけるターンオンスイッチング時のコレクタ電流波形をそれぞれ、図２（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）に示している。ターンオンＡのタイミングは、スイッチング素子１０のＶＣＥが０Ｖになるタイミングであり、負の電流すなわち逆導通ダイオードに電流がしばらく流れた後、スイッチング素子１０に流れる電流は加熱コイル６と鍋７によって決まるインダクタンスにより規定される傾きで増加し図２（Ａ）に示すような電流波形となる。一方、ターンオンＢのタイミングはスイッチング素子１０のＶＣＥが０Ｖに達する前のタイミングであり、ターンオン時において共振コンデンサ９の電圧を０Ｖ付近まで急激に降下させる急峻な電流がスイッチング素子に印加されることになり図２（Ｂ）に示すようなスパイク電流が発生する。また、ターンオンＣのタイミングはスイッチング素子１０のＶＣＥが０Ｖに達した後、スイッチング素子１０に流れる負の電流が０に戻った以降のタイミングであり、ターンオンのタイミングが遅すぎると、コレクタ―エミッタ間電圧が上昇し、図２（Ｃ）のように、過大な損失が発生することになる。

このようにターンオンのタイミングによっては大きな損失が発生するが、本実施の形態におけるターンオンのタイミングを調節して損失を低減する具体的な方法について、以下、その動作、作用を図３、図４、図５により説明する。

図３は、本実施形態における誘導加熱調理器の動作フロー図を示すものである。

図３において、Ｓｔｅｐ１にて加熱を開始し、Ｓｔｅｐ２にて鍋７の材質を判定する。

Ｓｔｅｐ３にて鍋の材質判定手段が判定した材質に応じて離散的に設定した２つ以上のインバータ１５の基本駆動周波数を選択し、その基本駆動周波数と設定したスイッチングのターンオンタイミング時間にてスイッチング素子１０を駆動する。

Ｓｔｅｐ４にて現在駆動しているスイッチング素子１０の温度を検知する。

次に、Ｓｔｅｐ５にてスイッチング素子１０の温度が、予め設定された温度閾値以上になっているかの判定を行う。ここで、スイッチング素子１０の温度が温度閾値以上に達していない場合は、Ｓｔｅｐ４に戻り温度検知の工程を繰り返す。一方、スイッチング素子１０の温度が温度閾値以上に達した場合は、Ｓｔｅｐ６に移行し、ターンオンタイミングが所定時間だけ遅くなる方向に変更する。

Ｓｔｅｐ７にてスイッチング素子１０の温度が下がったかを確認し、スイッチング素子の温度が下がった場合は、変更前のターンオンのタイミングが、図２におけるターンオンＢのように最適位置よりも早かったと考えられ、デッドタイムを遅くしたことによりスイッチング素子１０の温度が下がったので、そのまま遅くしたターンオンタイミングで加熱を継続する。

一方、Ｓｔｅｐ７にてスイッチング素子１０の温度が増加してしまった場合は、変更前のターンオンのタイミングが、図２におけるターンオンＣのように最適位置よりも遅かったと考えられ、Ｓｔｅｐ６にてターンオンタイミングの変更した方向が逆であったと判断し、Ｓｔｅｐ８にてターンオンタイミングがＳｔｅｐ６で変更した遅くなる方向とは逆の方向の早くなる方向に変更し、Ｓｔｅｐ３で設定されたターンオンタイミングよりも早くなるようにして加熱を継続する。

なお、スイッチング素子１０の温度が温度閾値以上になったときはＳｔｅｐ６にてターンオンタイミングが遅くなる方向に変更するとしたが、早くなる方向に変更するようにしてもよく、その場合はＳｔｅｐ７でスイッチング素子１０の温度が上昇した場合はＳｔｅｐ８にてターンオンタイミングがＳｔｅｐ６で変更した早くなる方向とは逆の方向の遅くなる方向に変更するようにすれば同様の効果が得られる。

このように当初のスイッチング素子１０の駆動タイミングが最適な値でなくとも、その加熱条件に合わせた最適なターンオンタイミングに設定を変更できる為、スイッチング素子の損失やノイズを低減することができ、スイッチング素子の温度上昇を抑えることができ、安全動作領域を越えることなく加熱を継続することができる。

（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誘導加熱調理器のフロー図を示したものである。なお、本実施の形態２の基本構成は図１と同じであるので、その同じ部分の説明は省略し、図４、図５を中心に相違点を説明する。

また、図４のフロー図に記載している符号において、実施の形態１の図３と同じものには同じ符号を付してその説明を省略する。

本実施の形態が第１の実施の形態と異なる点は、スイッチング素子１０のデッドタイム
を調整するもので、現状の加熱条件のデッドタイム（ターンオン）の最適値を検知するために、Ｓｔｅｐ４において、現状のスイッチング素子の温度を計測し、Ｓｔｅｐ４１で、図５に示すデッドタイム（ターンオン）の最適値検知処理を行う。

図５は、デッドタイム（ターンオン）の最適値検知処理のフロー図を示すものである。図５において、Ｓｔｅｐ５１にて検知開始し、Ｓｔｅｐ５２にてデッドタイム（ターンオン）を増加させ、予め設定された一定量だけデッドタイム（ターンオン）時間が長くなる方向に変更する。そして、Ｓｔｅｐ５３にてデッドタイムを増加させた後のスイッチング素子１０の温度を検知し、デッドタイムを増加させたことの効果を図４のＳｔｅｐ４で検知したスイッチング素子１０の温度とＳｔｅｐ５３におけるスイッチング素子１０の温度とを比較することにより検証し、温度が低下しているのなら、Ｓｔｅｐ５４からＳｔｅｐ５２に戻り、再度デッドタイム（ターンオン）が長くなる方向に変更するように動作する。また、変化がなかったならば、Ｓｔｅｐ５５からＳｔｅｐ５９に移行して最適なデッドタイム（ターンオン）を決定し、最適デッドタイム（ターンオン）検知処理を終了する。以後は決定したデッドタイムにて固定して加熱動作を継続する。

一方、Ｓｔｅｐ５５において、スイッチング素子１０の温度が増加した場合は、Ｓｔｅｐ５６にてデッドタイム（ターンオン）を予め設定された時間だけＳｔｅｐ５２の変更とは逆の方向の短くなる方向に変更する。そして、Ｓｔｅｐ５７にてデッドタイムを減少させた後のスイッチング素子１０の温度を検知し、デッドタイムを減少させたことの効果をＳｔｅｐ５３で検知したスイッチング素子１０の温度とＳｔｅｐ５８におけるスイッチング素子１０の温度とを比較することにより検証し、温度が低下しているのなら、Ｓｔｅｐ５８からＳｔｅｐ５６に戻り、再度デッドタイム（ターンオン）を短くする方向に動作する。また、変化がなかったならば、Ｓｔｅｐ５８からＳｔｅｐ５９に移行して最適なデッドタイム（ターンオン）を決定し、最適デッドタイム（ターンオン）検知処理を終了する。以後は決定したデッドタイムにて固定して加熱動作を継続する。

このように当初のスイッチング素子の駆動タイミングが最適な値でなくとも、その加熱条件に合わせた最適なデッドタイム（ターンオン）値に追従しながら設定できる為、スイッチング素子の損失やノイズを最大限に低減することができ、スイッチング素子の温度上昇を抑えることができ、安全動作領域を越えることなく加熱を継続することができる。

なお、Ｓｔｅｐ５２にてデッドタイム（ターンオン）が長くなる方向に変更するとしたが、短くなる方向に変更するとしてもよく、その場合、Ｓｔｅｐ５５でスイッチング素子１０の温度が増加したときはＳｔｅｐ５６にてデッドタイム（ターンオン）をＳｔｅｐ５２の変更とは逆の方向の短くなる方向に変更するようにすれば同様の効果が得られる。

また、図示しないが、使用者が操作部などから入力して設定する設定火力毎に、上記の最適デッドタイム（ターンオン）検知を行い、各設定火力毎の最適なデッドタイム（ターンオン）を決定し、設定火力が変更される度に各々対応して決定した最適なデッドタイム（ターンオン）に変更することで、火力設定条件に合わせた最適なデッドタイム（ターンオン）値がすぐに設定できる。このように当初のスイッチング素子の駆動タイミングが最適な値でなくとも、その加熱条件に合わせた最適なデッドタイム（ターンオン）値に設定でき、一旦、設定火力毎に最適なデッドタイムが決定されると次にその設定火力にされたときには最適デッドタイム（ターンオン）検知を行う必要が無く、最適デッドタイムを検知するときに発生するスイッチング素子の損失やノイズを低減することができ、スイッチング素子の温度上昇を抑えることができ、安全動作領域を越えることなく加熱を継続することができる。

以上のように、本発明にかかる誘導加熱調理器は、当初のスイッチング素子の駆動タイミングが最適な値でなくとも、その加熱条件に合わせた最適なデッドタイム（ターンオン）値に設定できる為、インバータを利用し、スイッチング素子の損失が課題とされる用途に適用できる。

１ 電源
２ 整流回路
３ 第１の平滑コンデンサ
４ チョークコイル
５ 第２の平滑コンデンサ
６ 加熱コイル
７ 鍋
８ トッププレート
９ 共振コンデンサ
１０ スイッチング素子
１１ 温度検出手段
１２ 制御手段
１３ 出力検出手段
１４ 共振電圧検知手段
１５ インバータ

Claims (4)

1. 交流電源を直流に変換する整流回路と、高周波磁界を発生して鍋を誘導加熱する加熱コイルと、前記加熱コイルと共に共振回路を構成する共振コンデンサと、前記共振回路および前記共振回路に接続されたスイッチング素子を有し前記整流回路の直流の出力を高周波交流に変換するインバータと、前記インバータの動作状態を検知する制御要素検知手段と、前記スイッチング素子の導通時間または駆動周波数を変更して前記インバータの出力を制御する制御手段と、絶縁部材と導体箔とで形成され、前記スイッチング素子が取り付けられた放熱体、前記制御手段または前記インバータの少なくとも何れかの一部を搭載した印刷配線板と、前記スイッチング素子か、前記放熱体または前記スイッチング素子の端子に接続された導体箔または前記印刷配線板のうち何れかの温度を測定する温度検知手段とを備え、前記制御手段は、前記温度検知手段で測定した温度が所定温度以上となった場合に、前記スイッチング素子のターンオンのタイミングを早めるかまたは遅らせる方向に変更し、その後、前記温度検知手段で測定した温度が増加したとき、前記ターンオンのタイミングを早める方向に変更していた場合は遅らせる方向に、遅らせる方向に変更していた場合は早める方向に変更する誘導加熱調理器。
2. 交流電源を直流に変換する整流回路と、高周波磁界を発生して鍋を誘導加熱する加熱コイルと、前記加熱コイルと共に共振回路を構成する共振コンデンサと、前記共振回路および前記共振回路に接続されたスイッチング素子を有し前記整流回路の直流の出力を高周波交流に変換するインバータと、前記インバータの動作状態を検知する制御要素検知手段と、前記スイッチング素子の導通時間または駆動周波数を変更して前記インバータの出力を制御する制御手段と、絶縁部材と導体箔とで形成され、前記スイッチング素子が取り付けられた放熱体、前記制御手段または前記インバータの少なくとも何れかの一部を搭載した印刷配線板と、前記スイッチング素子か、前記放熱体または前記スイッチング素子の端子に接続された導体箔または前記印刷配線板のうち何れかの温度を測定する温度検知手段とを備え、前記インバータは前記スイッチング素子を直列に２つ接続して構成し、前記制御手段は、前記インバータの各々の前記スイッチング素子を互いに同時に導通しないように、導通する前記スイッチング素子を変更する際に、各々のスイッチング素子を共に非導通とするデッドタイムを設けて前記インバータを制御し、前記温度検知手段で測定した温度が所定温度以上となった場合に、前記デッドタイムの時間を短くするかまたは長くする方向に変更し、その後、前記温度検知手段で測定した温度が増加したとき、前記デッドタイムの時間を短くする方向に変更していた場合は長くする方向に、長くする方向に変更していた場合は短くする方向に変更する誘導加熱調理器。
3. 前記制御手段は、前記デッドタイムの時間を一定量変更したとき、前記温度検知手段で測定した温度の変化量が所定変化量未満であった場合は以後の前記デッドタイムの時間を固定する請求項２に記載の誘導加熱調理器。
4. 固定された前記デッドタイムの時間を前記インバータの設定火力毎に記憶し、前記制御手段は、設定火力が変更されると変更後の設定火力に対応して記憶した固定された前記デッドタイムの時間に基づいて前記インバータを制御する請求項３に記載の誘導加熱調理器。