JP2017045505A - 電磁誘導加熱装置 - Google Patents

Abstract

【課題】簡単な構成で鍋等の被加熱物の材質に拘わらず高い加熱効率で被加熱物を加熱することができる新規な電磁誘導加熱装置を提供する。【解決手段】鍋等の被加熱物の材質が磁性金属の場合はアクティブクランプ電圧共振インバータ方式（８、９、１１、１３）で被加熱物を加熱し、被加熱物の材質が非磁性金属の場合は電流共振インバータ方式（８，９、１１、１２）で加熱する構成とした。これによれば、被加熱物の材質によって電流共振インバータ方式とアクティブクランプ電圧共振インバータ方式を切り替える。【選択図】図２

Description

本発明は電磁誘導加熱装置に係り、特に被加熱物の材質によって加熱方式を選択する電磁誘導加熱装置に関するものである。

近年、都市ガス等を使わずに鍋などの被加熱物を加熱するインバータ方式の電磁誘導加熱装置が広く用いられるようになってきている。電磁誘導加熱装置は、加熱コイルに高周波電流を流し、コイルに近接して配置された金属製の被加熱物に渦電流を発生させ、被加熱物自体の電気抵抗により発熱させるものである。

家庭で使われる電磁誘導加熱装置としてはＩＨクッキングヒータがある。ＩＨクッキングヒータで調理をするためには火力制御(電力制御)が必須となる。一般的な火力制御として、インバータの駆動周波数を制御する周波数制御や、インバータの導通比を制御するＰＷＭ制御がある。しかしながら、周波数制御やＰＷＭ制御ではパルス幅が小さくなると、インバータのスイッチング素子にスパイク状の電流が流れて、スイッチング素子であるＩＧＢＴの損失が増加する問題がある。

このような問題を解決する例として、例えば、特開２００４−１４２１８号公報（特許文献１）に開示されるような電磁誘導加熱装置が提案されている。この特許文献１では、電流共振インバータ方式において、共振コンデンサに流れる電流期間を制御することで、低電力でのスイッチング素子に流れるスパイク電流を抑え、スイッチング素子の損失を抑制するものである。

特開２００４−１４２１８号公報

ところで、特許文献１に記載の電磁誘導加熱装置においては、非磁性であるアルミニウム、銅、ステンレス等の金属で作られた鍋などの被加熱物を加熱する場合は、共振周波数から大きく外れているため、バイパス回路に流れる電流が増加して損失が大きくなり、加熱効率が低下する問題がある。したがって、被加熱物の材質によって共振周波数を適切に選ぶことが重要である。更には、簡単な構成でこれらを実現する必要がある。

本発明の目的は、簡単な構成で鍋等の被加熱物の材質に拘わらず高い加熱効率で被加熱物を加熱することができる新規な電磁誘導加熱装置を提供することである。

本発明の特徴は、鍋等の被加熱物の材質によって共振周波数を設定し、被加熱物が磁性金属の場合はアクティブクランプ電圧共振インバータ方式で被加熱物を加熱し、被加熱物の材質が非磁性金属の場合は電流共振インバータ方式で加熱する、ところにある。更に具体的には、以下のような構成をとることができる。

本発明になる第１の電磁誘導加熱装置では、直流電源と、加熱コイルと共振コンデンサで構成され、被加熱物を加熱する共振負荷回路と、直列に接続される第一のスイッチング素子及び第二のスイッチング素子で構成される上下アームを有し、直流電源が出力する直流電圧を交流電圧に変換して共振負荷回路に供給するハーフブリッジ型のインバータと、共振負荷回路の加熱コイルと共振コンデンサの接続点と直流電源の負極間に第三のスイッチング素子を備え、被加熱物が非磁性金属である場合は、第三のスイッチング素子をオフとして電流共振インバータ方式で被加熱物を加熱し、被加熱物が磁性金属である場合は、第二のスイッチング素子をオフ状態とし、第一のスイッチング素子と第三のスイッチング素子をスイッチングするアクティブクランプ電圧共振インバータ方式で被加熱物を加熱する、ところにある。

本発明になる第２の電磁誘導加熱装置では、直流電源と、加熱コイルと共振コンデンサで構成され、被加熱物を加熱する共振負荷回路と、直列に接続される第一のスイッチング素子及び第二のスイッチング素子で構成される上下アームを有し、直流電源が出力する直流電圧を交流電圧に変換して共振負荷回路に供給するハーフブリッジ型のインバータと、共振負荷回路の加熱コイルと共振コンデンサの接続点と直流電源の負極間にスイッチと第三のスイッチング素子の直列回路を備え、被加熱物が非磁性金属である場合は、スイッチと第三のスイッチング素子をオフとし、電流共振インバータ方式で被加熱物を加熱し、被加熱物が磁性金属である場合は、スイッチをオン状態、第二のスイッチング素子をオフ状態とし、第一のスイッチング素子と第三のスイッチング素子をスイッチングするアクティブクランプ電圧共振インバータ方式で被加熱物を加熱する、ところにある。

本発明になる第３の電磁誘導加熱装置では、直流電源と、加熱コイルと共振コンデンサで構成され、被加熱物を加熱する共振負荷回路と、直列に接続される第一のスイッチング素子および第二のスイッチング素子で構成される上下アームを有し、直流電源が出力する直流電圧を交流電圧に変換して共振負荷回路に供給するハーフブリッジ型のインバータと、共振負荷の加熱コイルと共振コンデンサの接続点と直流電源の負極間にスイッチと第三のスイッチング素子の直列回路を備えると共に、直列回路の接続点とインバータの出力点間に第二の共振コンデンサを備え、被加熱物が非磁性金属である場合は、スイッチと第三のスイッチング素子をオフとし、電流共振インバータ方式で被加熱物を加熱し、被加熱物が磁性金属である場合は、スイッチをオン状態、第二のスイッチング素子をオフ状態とし、第一のスイッチング素子と第三のスイッチング素子をスイッチングするアクティブクランプ電圧共振インバータ方式で被加熱物を加熱する、ところにある。

本発明になる第４の電磁誘導加熱装置では、直流電源と、加熱コイルと第一の共振コンデンサで構成され、被加熱物を加熱する共振負荷回路と、直列に接続される第一のスイッチング素子及び第二のスイッチング素子で構成される上下アームを有し、直流電源が出力する直流電圧を交流電圧に変換して共振負荷回路に供給するハーフブリッジ型のインバータと、第一のスイッチング素子と第二のスイッチング素子の間に直列接続された第二の共振コンデンサと、第一のスイッチング素子と第二の共振コンデンサの接続点と第一の共振コンデンサを接続するか、第二の共振コンデンサと第二のスイッチング素子の接続点と加熱コイルを接続するかを切り替える切り替えスイッチを備え、被加熱物が非磁性金属である場合は、切り換えスイッチによって第二の共振コンデンサを短絡状態として電流共振インバータ方式で被加熱物を加熱し、被加熱物が磁性金属である場合は、切り換えスイッチによって第一の共振コンデンサを短絡状態としてアクティブクランプ電圧共振インバータ方式で被加熱物を加熱する、ところにある。

本発明によれば、被加熱物の材質によって電流共振インバータ方式とアクティブクランプ電圧共振インバータ方式を切り替えることで、簡単な構成で被加熱物の材質に拘わらず高い加熱効率で被加熱物を加熱することができるようになる。

電磁誘導加熱装置の概略構成を示す構成図である。 本発明の第１の実施形態になる電磁誘導加熱装置の回路図である。 第１の実施形態における被加熱物が非磁性金属の場合の動作波形図である。 第１の実施形態における被加熱物が磁性金属の場合の動作波形図である。 第１の実施形態における周波数と入力電力の関係を示す図である。 第１の実施形態の電磁誘導加熱装置の電流共振インバータ方式における電源回路の出力電圧と入力電力の関係を示す図である。 第１の実施形態の電磁誘導加熱装置の電流共振インバータ方式におけるＩＧＢＴ１１のＤｕｔｙと入力電力の関係である。 第１の実施形態の電磁誘導加熱装置のアクティブクランプ電圧共振インバータ方式におけるＩＧＢＴ１１のＤｕｔｙと入力電力の関係を示す図である。 本発明の第２の実施形態になる電磁誘導加熱装置の回路図である。 第２の実施形態における被加熱物が磁性金属の場合の動作波形図である。 第２の実施形態の電磁誘導加熱装置のアクティブクランプ電圧共振インバータ方式における入力電力とＩＧＢＴ１３のコレクタ電圧の関係である。 本発明の第３の実施形態になる電磁誘導加熱装置の回路図である。

次に、本発明の実施形態について図面を用いて詳細に説明するが、本発明は以下の実施形態に限定されることなく、本発明の技術的な概念の中で種々の変形例や応用例をもその範囲に含むものである。

まず、本発明の実施形態を説明する前に一般的な電磁誘導加熱装置の概略の構成を図１に基づき説明する。

図１は本発明が適用される電磁誘導加熱装置１００の概略の構成を示すものであり、電磁誘導加熱装置１００は、電源１と、整流回路２と、フィルタ３と、電流共振インバータ４と、制御回路６と、加熱コイル８と、トッププレート８１と、磁性体８２とを含んで構成される。また、操作部６５によって制御回路６が制御され、この制御によって電流共振インバータ４が駆動されるものである。操作部６５の操作状態は表示部６６によって表示されている。

そして、電磁誘導加熱装置１００はトッププレート８１に載置された被加熱物である鍋５０を誘導加熱する。鍋５０は加熱対象の調理器具であり、鍋５０はトッププレート８１に載置されて、加熱コイル８によって誘導加熱される。トッププレート８１は、鍋５０を載置するためプレートである。トッププレート８１は、磁気損失の少ない耐熱ガラスなどで構成され加熱コイル８の上面を覆っている。磁性体８２は、例えば高い透磁率を持つフェライトで構成され、加熱コイル８の下面に設けられる。

このような構成の電磁誘導加熱装置１００において、次に本発明の実施形態について説明する。

図１は、本発明の第１の実施形態になる電磁誘導加熱装置１００の回路構成を示す図である。電磁誘導加熱装置１００の回路は、商用電源１から整流回路２を介してフィルタ３が接続され、フィルタ３の出力であるコンデンサC0の両端に電源回路５が接続され、更に電源回路５の出力である正極端子のノードｐと負極端子のノードｎとの間に、電流共振インバータ４が接続されている。高周波インバータである電流共振インバータ４は、ＩＧＢＴ１１とＩＧＢＴ１２とが正極端子のノードｐと負極端子のノードｎとの間に直列接続されたハーフブリッジ回路であり、このハーフブリッジ回路に共振負荷回路７の加熱コイル８が接続されている。

ハイサイドのＩＧＢＴ１１（第１の半導体スイッチング素子）には、逆並列にダイオードＤ１（第１のダイオード）が接続され、これと並列にスナバコンデンサ２１（第１のスナバコンデンサ）が接続されている。

ローサイドのＩＧＢＴ１２（第２の半導体スイッチング素子）には、逆並列にダイオードＤ２（第２のダイオード）が接続され、これと並列にスナバコンデンサ２２（第２のスナバコンデンサ）が接続されている。ここで、ＩＧＢＴ１１、１２の接続点をノードａとする。

スナバコンデンサ２１、２２は、ＩＧＢＴ１１、１２のターンオフ時の遮断電流によって充放電される。スナバコンデンサ２１、２２の容量は、ＩＧＢＴ１１、１２のコレクタとエミッタ間の出力容量より十分に大きい。そのため、ターンオフ時にＩＧＢＴ１１、１２に印加される電圧の変化は低減され、ターンオフ損失は抑制される。

共振負荷回路７は、共振コンデンサ９（第１の共振コンデンサ）と加熱コイル８とを含んで構成される。ノードｂとノードｎ（負極端子）との間には、リレー２３とＩＧＢＴ１３の直列回路が接続されている。ＩＧＢＴ１３には逆並列にダイオードＤ３が接続されている。ここで加熱コイル７の共振電流ＩＬの向きは、ノードａからノードｂへの方向（図１の矢印方向）を正とする。リレー２３とＩＧＢＴ１３は制御回路６によって制御される。

制御回路６は、ＩＧＢＴ１１を駆動するドライブ回路６２−１と、ＩＧＢＴ１２を駆動するドライブ回路６２−２と、ＩＧＢＴ１３を駆動するドライブ回路６２−３を備えている。ドライブ回路６２−１、６２−２、６２−３は、いずれも駆動信号発生回路６１によって制御される。また、制御手段６４には電流センサ１０によって検出された加熱コイル８に流れるコイル電流が入力され、制御手段６４はこのコイル電流をフィードバックして駆動信号発生回路６１を制御している。

ここで、非磁性金属と磁性金属の鍋を判別する方法は種々あるが、例えば使用者が操作ボタンによって非磁性金属と磁性金属の鍋の種類を入力する方法や、所定の入力電流でインバータを動作させた場合に発生する回生電流の値が所定の閾値よりも小さい場合は磁性金属と判定し、回生電流の値が所定の閾値よりも大きい場合は非磁性金属と判定する方法等がある。更に、これら以外にも多くの方法が提案されているのでこれらを適宜使用すれば良い。そして、制御回路６はこれらの情報から使用される鍋の材質を判断して、リレー２３、ＩＧＢＴ１１、１２、１３の制御を行なっている。

図３には、第１の実施形態における非磁性金属からなる鍋を加熱する時の電磁誘導加熱装置１００の動作を示す波形を示している。

図３は、アルミニウムや銅、非磁性ステンレス等の非磁性金属からなる鍋を加熱する時の電流共振インバータ方式による加熱動作を示している。この場合、制御回路６によってリレー２３及びＩＧＢＴ１３はオフされている。

そして、横軸に示しているモードＭ１１において、ＩＧＢＴ１１はオフ、ＩＧＢＴ１２はオン、リレー２３及びＩＧＢＴ１３はオフしている。また、ＩＧＢＴ１１のコレクタ電圧は、ｐｎ間電圧を保っている。更に、ＩＧＢＴ１２のコレクタ電圧はほぼ０Ｖである。

このとき、電源回路５から加熱コイル８、共振コンデンサ９、ＩＧＢＴ１２の経路に電流が流れる。ハイサイド側のＩＧＢＴ１１はオフしているので電流は流れない。また、モードＭ１１において、制御回路６がＩＧＢＴ１２をターンオフすると、モードＭ１２に遷移する。

モードＭ１２において、ＩＧＢＴ１１とＩＧＢＴ１２はオフしている。この時、加熱コイル８に蓄えられたエネルギーにより、スナバコンデンサ２１から加熱コイル８、共振コンデンサ９の経路と、加熱コイル８、共振コンデンサ９、スナバコンデンサ２２、電源回路５の経路に電流が流れる。尚、ＩＧＢＴ１２のコレクタ電圧は緩やかに上昇し、ゼロ電圧スイッチングとなってスイッチング損失は小さくなる。ＩＧＢＴ１２のコレクタ電圧（ノードａの電圧）が正極端子のノードｐの電圧を超えると、モードＭ１３に遷移する。

モードＭ１３において、ダイオードＤ１がオンし、ダイオードＤ１、加熱コイル８、共振コンデンサ９の経路に電流が流れる。制御回路６は、このダイオードＤ１の通電期間中にＩＧＢＴ１１のゲートをターンオンする。電流共振インバータ４は、ダイオードＤ１に電流が流れなくなったならば、モードＭ１４に遷移する。

モードＭ１４において、ＩＧＢＴ１１は既にオンしているため、ゼロ電圧スイッチングとなってスイッチング損失が発生しない。共振コンデンサ９に蓄えられたエネルギーにより、共振コンデンサ９ら加熱コイル８、ＩＧＢＴ１１の経路に電流が流れる。これにより、加熱コイル８にエネルギーが蓄積される。モードＭ１４において、制御回路６がＩＧＢＴ１１をターンオフすると、モードＭ１５に遷移する。

モードＭ１５において、ＩＧＢＴ１１とＩＧＢＴ１２は、オフしている。加熱コイル８に蓄えられたエネルギーにより、加熱コイル８、スナバコンデンサ２１、共振コンデンサ９の経路と、加熱コイル８、電源回路５、スナバコンデンサ２２、共振コンデンサ９の経路に電流が流れる。このとき、ＩＧＢＴ１１のコレクタ電圧は緩やかに上昇し、ゼロ電圧スイッチングとなる。次にスナバコンデンサ２１がノードｐの電位まで充電され、スナバコンデンサ２２が放電されると、ダイオードＤ２がオンして、モードＭ１６に遷移する。

モードＭ１６において、ダイオードＤ２のオンにより、ダイオードＤ２、共振コンデンサ９、加熱コイル８、電源回路５の経路に電流が流れる。制御回路６は、このダイオードＤ２の通電期間中に、ＩＧＢＴ２２をターンオンする。ダイオードＤ２に電流が流れなくなったならば、再びモードＭ１１に遷移する。

以上のモードＭ１１〜Ｍ１６の６種類の動作を繰り返すことで、加熱コイル８に高周波の共振電流ＩＬが流れ、加熱コイル８の上側のトッププレート９１上に載置された非磁性金属よりなる鍋５０を加熱する。

図４には、第１の実施形態における磁性金属からなる鍋を加熱する時の電磁誘導加熱装置１００の動作を示す波形を示している。

図４は、鉄やホーロー、磁性ステンレス等の磁性金属からなる鍋を加熱する時のアクティブクランプ電圧共振インバータ方式の加熱動作を示している。この場合、ＩＧＢＴ１１とＩＧＢＴ１３を排他的にスイッチング動作し、ＩＧＢＴ１２はオフ状態とする。

モードＭ２１は、ＩＧＢＴ１１、ＩＧＢＴ１２はオフ、リレー２３、ＩＧＢＴ１３はオンしている。ＩＧＢＴ１１のコレクタ電圧は、スナバコンデンサ２１、２２により分圧されｐｎ間電圧の１/２電圧を保っている。ＩＧＢＴ１２のコレクタ電圧もＩＧＢＴ１１と同様に、ｐｎ間電圧の１/２電圧になる。このときインバータ４には、電源回路５から加熱コイル８、リレー２３、ＩＧＢＴ１３の経路に電流が流れる。モードＭ２１において、制御回路６がＩＧＢＴ１３をターンオフすると、モードＭ２２に遷移する。

モードＭ２２において、ＩＧＢＴ１１とＩＧＢＴ１２、ＩＧＢＴ１３は、オフしている。この時、加熱コイル８に蓄えられたエネルギーにより、加熱コイル８、共振コンデンサ９、スナバコンデンサ２２、電源回路５の経路と、加熱コイル８、共振コンデンサ９、スナバコンデンサ２１の経路に電流が流れる。尚、ＩＧＢＴ１３のコレクタ電圧は緩やかに上昇してゼロ電圧スイッチングとなり、スイッチング損失は小さくなる。ＩＧＢＴ１３のコレクタ電圧（ノードｂの電圧）が、ＩＧＢＴ１２コレクタ端子のノードａの電圧を超えると、モードＭ２３に遷移する。

モードＭ２３は、ＩＧＢＴ１３のコレクタ電圧のピークまでの期間である。ダイオードＤ１がオンし、ダイオードＤ１、加熱コイル８、共振コンデンサ９の経路に電流が流れる。制御回路６は、このダイオードＤ１の通電期間中に、ＩＧＢＴ１１のゲートをターンオンする。この時、共振コンデンサ９は、加熱コイル８のエネルギーにより電源電圧以上に上昇する。インバータ４は、ダイオードＤ１に電流が流れなくなったならば、モードＭ２４に遷移する。

モードＭ２４において、ＩＧＢＴ１１は既にオンしているため、ゼロ電圧スイッチングとなってスイッチング損失が発生しない。共振コンデンサ９に蓄えられたエネルギーにより、共振コンデンサ９ら加熱コイル８、ＩＧＢＴ１１の経路に電流が流れる。これにより、電源電圧以上の電圧が加熱コイル８に印加するできるため、電気抵抗が大きい鉄やステンレス鍋においても大きなエネルギーを蓄積できる。モードＭ２４において、制御回路６がＩＧＢＴ１１をターンオフすると、モードＭ２５に遷移する。

モードＭ２５において、ＩＧＢＴ１１、ＩＧＢＴ１２、ＩＧＢＴ１３は、オフしている。加熱コイル８に蓄えられたエネルギーにより、加熱コイル８、スナバコンデンサ２１、共振コンデンサ９の経路と、加熱コイル８、電源回路５、スナバコンデンサ２２、共振コンデンサ９の経路に電流が流れる。このとき、ＩＧＢＴ１１のコレクタ電圧は緩やかに上昇してゼロ電圧スイッチングとなる。

次にスナバコンデンサ２１がノードｐの電位まで充電され、スナバコンデンサ２２がｐｎ間電圧の１/２放電され、ＩＧＢＴ１３のコレクタ電圧が０Ｖになると、ダイオードＤ３がオンして、モードＭ２６に遷移する。

モードＭ２６において、ダイオードＤ３のオンにより、ダイオードＤ３、加熱コイル８、電源回路５の経路に電流が流れる。制御回路６は、このダイオードＤ３の通電期間中にＩＧＢＴ１３をターンオンする。ダイオードＤ３に電流が流れなくなったならば、再びモードＭ２１に遷移する。

次に電流共振インバータ方式の電力制御方法を説明する。図５にアルミ鍋及び鉄鍋を加熱した時の周波数と入力電力の関係を示している。

非磁性金属であるアルミ鍋は電気抵抗が小さいため、共振特性のＱ値が大きく、周波数の変化に対して大きく電力が変動する。このため、電源回路５の出力電圧を変化させることで電力を制御する。

図６に電源回路５の出力電圧と入力電力の関係を示す。出力電圧５５０Ｖで２ｋＷ、３００Ｖで６００Ｗとなる。入力電力を２ｋＷ以上にするためには、ＩＧＢＴ１１のＤｕｔｙを広げ、ＩＧＢＴ１２のＤｕｔyを狭くするＰＷＭ制御(Pulse Width Modulation)を行うようにする。

図７にＩＧＢＴ１１のＤｕｔｙと入力電力の関係を示している。Ｄｕｔyを０.６５まで大きくすることで、入力電力を３ｋＷまで増大することができる。このように、非磁性金属よりなる鍋を加熱する場合は、電圧制御とＰＷＭ制御を組み合わせることで幅広い電力制御ができるようになる。

一方、磁性金属である鉄を加熱する場合の電力制御方法について説明する。図５に示すように鉄鍋は電気抵抗が大きいため、共振特性のＱ値が小さく緩やかな共振特性となっている。このためインバータの駆動周波数による電力制御が可能となり、インバータ駆動周波数を２０ｋＨｚでは入力電力を約３ｋＷ、４０ｋＨｚとすることで入力電力を約６００Ｗとすることができる。

また、複数の加熱コイルが搭載される場合は、加熱コイル間で干渉音が発生する問題がある。そこで各加熱コイルに接続されるインバータの駆動周波数の差分を可聴周波数以上(２０ｋＨｚ以上)に離す方法と、インバータ駆動周波数を固定にする方法がある。後者の固定周波数で電力を制御する場合は、アルミ鍋と同様に電源回路５の出力電圧を変化させることで可能である。或いは、ＩＧＢＴ１１のＤｕｔｙを広げ、ＩＧＢＴ１３のＤｕｔyを狭くするＰＷＭ制御をする方法がある。

図８にＩＧＢＴ１１のＤｕｔｙと入力電力の関係を示す。ＰＷＭ制御をすることにより加熱電流と共振電圧が同時に低減できるため電力を大きく制御することが可能になる。また、アクティブクランプ電圧共振インバータ方式にすることにより電圧共振インバータよりもＩＧＢＴ１３に印加される電圧ピーク、すなわち共振電圧が低減できる。
このように、電気抵抗の大きい磁性金属よりなる鍋においては、電流共振インバータ方式からアクティブクランプ電圧共振インバータ方式に切り替えることで、ＩＧＢＴ１３の素子耐圧を低くでき、低コスト、損失低減が可能である。

次に本発明の第２実施形態について説明する。図９は、第２の実施形態になる電磁誘導加熱装置１００の回路構成図である。図１に示した第１の実施形態の電磁誘導加熱装置１００と同一の構成部品には同一の符号を付与している。

第２の実施形態の電磁誘導加熱装置１００の回路は、リレー２３とＩＧＢＴ１３の接続点ノードｃとノードａ間に第二の共振コンデンサ９０を接続した点で実施例１と異なっている。それ以外は、第１の実施形態の電磁誘導加熱装置１００と同様に構成されている。

本実施形態の特徴は、第二の共振コンデンサ９０をリレー２３により共振コンデンサ９と並列に接続できるため、合成共振コンデンサ容量を大きくすることができる。このときの共振コンデンサ９と第二の共振コンデンサ９０の並列回路を９０Ａとする。このため、ＩＧＢＴ１３に印加される電圧、すなわち共振電圧を低くすることができ、ＩＧＢＴ１３の耐圧を低減することができる。

アルミや銅などの非磁性金属よりなる鍋を加熱する時は実施例１と同様なため説明を割愛する。したがって、以下では磁性金属の場合を説明する。

図１０には、第２の実施形態における磁性金属からなる鍋を加熱する時の電磁誘導加熱装置１００の動作を示す波形を示している。

図１０は、鉄やホーロー、磁性ステンレス等の磁性金属からなる鍋を加熱する時のアクティブクランプ電圧共振インバータ方式の加熱動作を示している。この場合も、ＩＧＢＴ１１とＩＧＢＴ１３をスイッチング動作し、ＩＧＢＴ１２はオフ状態とする。

モードＭ３１は、ＩＧＢＴ１１、ＩＧＢＴ１２はオフ、リレー２３、ＩＧＢＴ１３はオンしている。ＩＧＢＴ１１のコレクタ電圧は、スナバコンデンサ２１、２２により分圧されｐｎ間電圧の１/２電圧を保つ。ＩＧＢＴ１２のコレクタ電圧もＩＧＢＴ１１と同様に、ｐｎ間電圧の１/２電圧になる。このときインバータ４には、電源回路５から加熱コイル８、リレー２３、ＩＧＢＴ１３の経路に電流が流れる。モードＭ３１において、制御回路６がＩＧＢＴ１３をターンオフすると、モードＭ３２に遷移する。

モードＭ３２において、ＩＧＢＴ１１とＩＧＢＴ１２、ＩＧＢＴ１３は、オフしている。加熱コイル８に蓄えられたエネルギーにより、加熱コイル８、合成共振コンデンサ９０Ａ、スナバコンデンサ２２、電源回路５の経路と、加熱コイル８、合成共振コンデンサ９０Ａ、スナバコンデンサ２１の経路に電流が流れる。このとき、ＩＧＢＴ１３のコレクタ電圧は、緩やかに上昇してゼロ電圧スイッチングとなり、スイッチング損失は小さくなる。ＩＧＢＴ１３のコレクタ電圧（ノードｂの電圧）が、ＩＧＢＴ１２コレクタ端子のノードａの電圧を超えると、モードＭ３３に遷移する。

モードＭ３３は、ＩＧＢＴ１３のコレクタ電圧のピークまでの期間である。ダイオードＤ１がオンし、ダイオードＤ１、加熱コイル８、合成共振コンデンサ９０Ａの経路に電流が流れる。制御回路６は、このダイオードＤ１の通電期間中に、ＩＧＢＴ１１のゲートをターンオンする。この時、合成共振コンデンサ９０Ａは、加熱コイルのエネルギーにより電源電圧以上に上昇する。インバータ４は、ダイオードＤ１に電流が流れなくなったならば、モードＭ３４に遷移する。

モードＭ３４において、ＩＧＢＴ１１は既にオンしているため、ゼロ電圧スイッチングとなってスイッチング損失が発生しない。合成共振コンデンサ９０Ａに蓄えられたエネルギーにより、合成共振コンデンサ９０Ａら加熱コイル８、ＩＧＢＴ１１の経路に電流が流れる。これにより、電源電圧以上の電圧が、加熱コイル８に印加するできるため、等価抵抗が大きい鉄やステンレス鍋においても大きなエネルギーを蓄積できる。モードＭ３４において、制御回路６がＩＧＢＴ１１をターンオフすると、モードＭ３５に遷移する。

モードＭ３５において、ＩＧＢＴ１１、ＩＧＢＴ１２、ＩＧＢＴ１３は、オフしている。加熱コイル８に蓄えられたエネルギーにより、加熱コイル８、スナバコンデンサ２１、合成共振コンデンサ９０Ａの経路と、加熱コイル８、電源回路５、スナバコンデンサ２２、合成共振コンデンサ９０Ａの経路に電流が流れる。このとき、ＩＧＢＴ１１のコレクタ電圧は緩やかに上昇してゼロ電圧スイッチングとなる。次にスナバコンデンサ２１がノードｐの電位まで充電され、スナバコンデンサ２２がｐｎ間電圧の１/２放電され、ＩＧＢＴ１３のコレクタ電圧が０Ｖになると、ダイオードＤ３がオンして、モードＭ３６に遷移する。

モードＭ３６において、ダイオードＤ３のオンにより、ダイオードＤ３、加熱コイル８、電源回路５の経路に電流が流れる。制御回路６は、このダイオードＤ３の通電期間中に、ＩＧＢＴ１３をターンオンする。ダイオードＤ３に電流が流れなくなったならば、再びモードＭ３１に遷移する。

以上のモードＭ３１〜Ｍ３６の６種類の動作を繰り返すことで、加熱コイル８に高周波の共振電流ＩＬが流れ、加熱コイル８の上側のトッププレート９１上に載置された磁性金属よりなる鍋５０を加熱する。

尚、電流共振インバータ方式の電力制御方法については、実施例１と同様のため詳細な説明は割愛する。

次にＩＧＢＴ１３のコレクタ電圧の低減効果について説明する。図１１に入力電力とＩＧＢＴ１３のコレクタ電圧の関係を示している。本実施例では、リレー２３のオンによりアクティブクランプ電圧共振インバータ方式に切り替えると共に、共振コンデンサ容量を増大することができるため、出力電圧（ＩＧＢＴ１３のコレクタ電圧）４３０Ｖで３ｋＷ、２５０Ｖで１ｋＷとなり、実施例１よりも大きく電圧を低減することができる。したがって、ＩＧＢＴ１３の素子耐圧を低減することができ、低コスト、損失低減が可能である。

次に本発明の第３実施形態について説明する。図１２は、第３の実施形態における電磁誘導加熱装置１００の回路構成図である。図１に示した第１の実施形態の電磁誘導加熱装置１００と同一の構成部品には同一の符号を付与している。

電磁誘導加熱装置１００の回路は、商用電源１から整流回路２を介してフィルタ３に接続され、フィルタ３の出力であるコンデンサC0の両端に電源回路５が接続され、更に電源回路５の出力である正極端子のノードｐと負極端子のノードｎとの間に、インバータ４Ａが接続されている。

高周波インバータであるインバータ４Ａは、ＩＧＢＴ１１、共振コンデンサ９１、ＩＧＢＴ１２が直列接続され、共振コンデンサ９１とＩＧＢＴ１２の接続点をノードｄ、共振コンデンサ９１とＩＧＢＴ１１の接続点をノードｅとすると、ノードｄ−ｂ間に加熱コイル８と共振コンデンサ９の直列回路が接続され、ノードｄとノードｅまたはノードｂを接続するリレースイッチ（切り替えスイッチ）２４が接続されている。

ＩＧＢＴ１１（第１の半導体スイッチング素子）には、逆並列にダイオードＤ１（第１のダイオード）が接続され、並列にスナバコンデンサ２１（第１のスナバコンデンサ）が接続されている。ＩＧＢＴ１２（第２の半導体スイッチング素子）には、逆並列にダイオードＤ２（第２のダイオード）が接続され、並列にスナバコンデンサ２２（第２のスナバコンデンサ）が接続されている。

スナバコンデンサ２１、２２は、ＩＧＢＴ１１、１２のターンオフ時の遮断電流によって充放電される。スナバコンデンサ１１、１２の容量は、ＩＧＢＴ１１、１２のコレクタとエミッタ間の出力容量より十分に大きい。そのため、ターンオフ時にＩＧＢＴ１１、１２に印加される電圧の変化は低減され、ターンオフ損失は抑制される。

ここで、加熱コイル８の共振電流ＩＬの向きは、ノードｐからノードｂへの方向（図１２の矢印方向）を正とする。

制御回路６Ａは、ＩＧＢＴ１１を駆動するドライブ回路６２−１と、ＩＧＢＴ１２を駆動するドライブ回路６２−２を備えている。ドライブ回路６２−１、６２−２は、いずれも駆動信号発生回路６１によって制御される。

本実施形態では、実施例１と同様に制御回路６によって制御されるリレースイッチ２４により、共振コンデンサ９または９１を切り替えることができる。リレースイッチ２４が端子Ａと接続されると電流共振インバータ方式となり、リレースイッチ２４が端子Ｂと接続されるとアクティブクランプ電圧共振インバータ方式となる。制御回路６によって制御されるリレースイッチ２４により、これらのインバータ方式を切り替えることができる。
したがって、アルミや銅などの非磁性金属よりなる鍋を加熱する場合については、リレースイッチ２４が端子Ａを選択して実施例１の電流共振インバータ方式と同様の動作となるものである。また、鉄やステンレスなどの磁性金属よりなる鍋を加熱する場合については、リレースイッチ２４が端子Ｂを選択して実施例２のアクティブクランプ電圧共振インバータ方式と同様の動作になるものである。

以上述べた通り、本発明によれば、鍋等の被加熱物の材質によって共振周波数を設定し、被加熱物が磁性金属の場合はアクティブクランプ電圧共振インバータ方式で被加熱物を加熱し、被加熱物の材質が非磁性金属の場合は電流共振インバータ方式で加熱する構成とした。

これによれば、被加熱物の材質によって電流共振インバータ方式とアクティブクランプ電圧共振インバータ方式を切り替えることで、簡単な構成で被加熱物の材質に拘わらず高い加熱効率で被加熱物を加熱することができるようになる。

尚、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。

１…商用電源、２…整流回路、３…フィルタ、４…電流共振インバータ（高周波インバータ）、５…電源回路、６…制御回路、７…共振負荷回路、８…加熱コイル、９…共振コンデンサ、１０…電流センサ、１１…ＩＧＢＴ（第１の半導体スイッチング素子）、１２…ＩＧＢＴ（第２の半導体スイッチング素子）、１３…ＩＧＢＴ（第３の半導体スイッチング素子）、２１…スナバコンデンサ（第１のスナバコンデンサ）、２２…スナバコンデンサ（第２のスナバコンデンサ）、２３…リレー、２４…リレースイッチ、５０…被加熱物、６１…駆動信号発生回路、６２…ドライブ回路、６４…制御手段、８１…トッププレート、８２…磁性体、９０、９１…共振コンデンサ、１００…電磁誘導加熱装置、Ｌ０…インダクタ、Ｃ０…フィルタコンデンサ、Ｄ１…ダイオード（第１のダイオード）、Ｄ２…ダイオード（第２のダイオード）、Ｄ３…ダイオード（第３のダイオード）。

Claims (4)

1. 直流電源と、
   加熱コイルと共振コンデンサで構成され、被加熱物を加熱する共振負荷回路と、
   直列に接続される第一のスイッチング素子及び第二のスイッチング素子で構成される上下アームを有し、前記直流電源が出力する直流電圧を交流電圧に変換して前記共振負荷回路に供給するハーフブリッジ型のインバータと、
   前記共振負荷回路の前記加熱コイルと前記共振コンデンサの接続点と前記直流電源の負極間に第三のスイッチング素子を備え、
   前記被加熱物が非磁性金属である場合は、前記第三のスイッチング素子をオフとして電流共振インバータ方式で前記被加熱物を加熱し、
   前記被加熱物が磁性金属である場合は、前記第二のスイッチング素子をオフ状態とし、前記第一のスイッチング素子と前記第三のスイッチング素子をスイッチングするアクティブクランプ電圧共振インバータ方式で前記被加熱物を加熱することを特徴とする電磁誘導加熱装置。
2. 直流電源と、
   加熱コイルと共振コンデンサで構成され、被加熱物を加熱する共振負荷回路と、
   互いに直列に接続される第一のスイッチング素子及び第二のスイッチング素子で構成される上下アームを有し、前記直流電源が出力する直流電圧を交流電圧に変換して前記共振負荷回路に供給するハーフブリッジ型のインバータと、
   前記共振負荷回路の前記加熱コイルと前記共振コンデンサの接続点と前記直流電源の負極間にスイッチと第三のスイッチング素子の直列回路を備え、
   前記被加熱物が非磁性金属である場合は、前記スイッチと前記第三のスイッチング素子をオフとして電流共振インバータ方式で前記被加熱物を加熱し、
   前記被加熱物が磁性金属である場合は、前記スイッチをオン状態、前記第二のスイッチング素子をオフ状態とし、前記第一のスイッチング素子と前記第三のスイッチング素子をスイッチングするアクティブクランプ電圧共振インバータ方式で前記被加熱物を加熱することを特徴とする電磁誘導加熱装置。
3. 直流電源と、
   加熱コイルと第一の共振コンデンサで構成され、被加熱物を加熱する共振負荷回路と、
   互いに直列に接続される第一のスイッチング素子及び第二のスイッチング素子で構成される上下アームを有し、前記直流電源が出力する直流電圧を交流電圧に変換して前記共振負荷回路に供給するハーフブリッジ型のインバータと、
   前記共振負荷回路の前記加熱コイルと前記共振コンデンサの接続点と直流電源の負極間にスイッチと第三のスイッチング素子の直列回路を備えると共に、前記直列回路の接続点と前記インバータの出力点間に第二の共振コンデンサを備え、
   前記被加熱物が非磁性金属である場合は、前記スイッチと前記第三のスイッチング素子をオフとして電流共振インバータ方式で前記被加熱物を加熱し、
   前記被加熱物が磁性金属である場合は、前記スイッチをオン状態、前記第二のスイッチング素子をオフ状態とし、前記第一のスイッチング素子と前記第三のスイッチング素子をスイッチングするアクティブクランプ電圧共振インバータ方式で前記被加熱物を加熱することを特徴とする電磁誘導加熱装置。
4. 直流電源と、
   加熱コイルと第一の共振コンデンサで構成され、被加熱物を加熱する共振負荷回路と、
   直列に接続される第一のスイッチング素子及び第二のスイッチング素子で構成される上下アームを有し、前記直流電源が出力する直流電圧を交流電圧に変換して前記共振負荷回路に供給するハーフブリッジ型のインバータと、
   前記第一のスイッチング素子と前記第二のスイッチング素子の間に直列接続された第二の共振コンデンサと、
   前記第一のスイッチング素子と前記第二の共振コンデンサの接続点と前記第一の共振コンデンサを接続するか、前記第二の共振コンデンサと前記第二のスイッチング素子の接続点と前記加熱コイルを接続するかを切り替える切り替えスイッチを備え、
   前記被加熱物が非磁性金属である場合は、前記切り替えスイッチによって前記第二の共振コンデンサを短絡状態として電流共振インバータ方式で前記被加熱物を加熱し、
   前記被加熱物が磁性金属である場合は、前記切り替えスイッチによって前記第一の共振コンデンサを短絡状態として、アクティブクランプ電圧共振インバータ方式で前記被加熱物を加熱することを特徴とする電磁誘導加熱装置。

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