JP2017220995A - 電磁波発振装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ＡＣ／ＤＣコンバータから出力される電流を利用する電磁波発振装置であっても、ＡＣ／ＤＣコンバータの力率の低下を抑制することができる電磁波発振装置を提供すること。
【解決手段】流電源Ｐからの交流電圧を直流電圧に変換するＡＣ／ＤＣコンバータ２と、ＡＣ／ＤＣコンバータ２から印加される直流電圧によって電磁波をパルス発振する電磁波発振器３と、ＡＣ／ＤＣコンバータ２と電磁波発振器３とを制御する制御装置５とを備え、制御装置５は、交流電源ＰからＡＣ／ＤＣコンバータ２へ入力する入力電圧波形ＶＷに応じて、電磁波発振器３が発振する電磁波の１パルス周期Ｔにおけるパルス発振時間Ｔ１〜Ｔ７を変動させることで交流電源ＰからＡＣ／ＤＣコンバータ２へ入力する入力電流波形を調整するようにしている。
【選択図】図１

Description

本発明は、電磁波照射アンテナに電磁波を供給する電磁波発振装置に関する。

近年、マグネトロンに代わり、半導体素子によるマイクロ波発生装置を用いた電子レンジ等の加熱装置が検討されている。例えば、特許文献１では、加熱室の上下左右の壁面にマイクロ波を放射する電磁波照射アンテナを配備したマイクロ波加熱装置が開示されている。このマイクロ波加熱装置は２つの発振器を有し、第１の発振器から出力されたマイクロ波は第１の分配器で２分配されて上面と下面のアンテナに給電され、第２の発振器から出力されたマイクロ波は第２の分配器で２分配されて左面と右面のアンテナに給電される。

そして、半導体で構成される発振器（電磁波発振装置）には、商用の交流電源を整流する整流回路と平滑化コンデンサ等を備えたＡＣ／ＤＣコンバータから直流電圧が印加される。

ところで、ＡＣ／ＤＣコンバータの弊害として、電磁波発振装置へ高電圧の直流電圧をパルス発振で連続的又は連続波として印加し続けると、ＡＣ／ＤＣコンバータへの入力の電流波形が、ＡＣ／ＤＣコンバータへ入力の電圧波形からズレが生じ、力率が低下するという問題がある。通常、係る問題に対しては、ＡＣ／ＤＣコンバータ内で、コンバート回路以外に電圧の低いところで昇圧させ電圧の高いところで降圧させる等、ＡＣ／ＤＣコンバータのスイッチング素子のオンオフ動作で入力力率改善を行う力率制御回路を採用することが一般的である（例えば特許文献２参照）。

特許第５１６９３７１号公報 特開２０００−１１６１２６号公報

ところで、力率改善のために特許文献２に記載の力率制御回路等をＡＣ／ＤＣコンバータの基板に配設することは、回路が複雑になるとともに、基板価格が高騰するという問題がある。

本発明は、係る点に鑑みてなされたものであり、その目的は、ＡＣ／ＤＣコンバータから出力される電流を利用する電磁波発振装置であっても、ＡＣ／ＤＣコンバータの力率の低下を抑制することができる電磁波発振装置を提供することである。

上記課題を解決するためになされた第１の発明は、
交流電源からの交流電圧を直流電圧に変換するＡＣ／ＤＣコンバータと、
該ＡＣ／ＤＣコンバータから印加される直流電圧によって電磁波をパルス発振する電磁波発振器と、
該電磁波発振器を制御する制御装置とを備え、
該制御装置は、交流電源からＡＣ／ＤＣコンバータへ入力する入力電圧波形に応じて、電磁波発振器が発振する電磁波の１パルス周期におけるパルス発振時間を変動させることで交流電源からＡＣ／ＤＣコンバータへ入力する入力電流波形を調整するようにしている。

本発明の電磁波発振装置は、パルス発振する電磁波発振器の１パルス周期におけるパルス発振時間を交流電源からＡＣ／ＤＣコンバータへの入力電圧波形に応じて変動させることで、交流電源からＡＣ／ＤＣコンバータへの入力電流波形を入力電圧波形に合わせるようにする。

この場合において、前記制御装置は、交流電源からＡＣ／ＤＣコンバータへ入力する入力電圧波形の立ち上がり時から入力電圧波形が９０°までの期間は、パルス発振時間を順次短くするように制御することができる。

上記課題を解決するためになされた第２の発明は、
交流電源からの交流電圧を直流電圧に変換するＡＣ／ＤＣコンバータと、
該ＡＣ／ＤＣコンバータから印加される直流電圧によって電磁波をパルス発振する電磁波発振器と、
該電磁波発振器を制御する制御装置とを備え、
該制御装置は、電磁波発振器が非平滑連続波で発振する電磁波の振幅を、交流電源からＡＣ／ＤＣコンバータへ入力する入力電圧波形に合わせることで交流電源からＡＣ／ＤＣコンバータへ入力する入力電流波形を調整するようにしている。

本発明の電磁波発振装置は、非平滑連続波で発振する電磁波発振器から発振する電磁波の振幅を、交流電源からＡＣ／ＤＣコンバータへの入力電圧波形に合わせることで交流電源からＡＣ／ＤＣコンバータへの入力電流波形を入力電圧波形に合わせるようにする。

本発明の電磁波発振装置は、電磁波発振器からの電磁波発振を制御装置によって制御することで簡単に交流電源からＡＣ／ＤＣコンバータへの入力電流波形を入力電圧波形に合わせ、入力電流波形と入力電圧波形とのズレを抑制して力率の低下を抑制することができる。

本発明の電磁波発振装置の概略を示す回路図である。 同電磁波発振装置の電磁波発振器が発振する電磁波の発振パターンを説明する概略図である。 実施形態１の変形例の電磁波発振装置の概略を示す回路図である。 同変形例の電磁波発振装置の電磁波発振器が発振する電磁波の発振パターンを説明する概略図である。 交流電源からＡＣ／ＤＣコンバータへ入力する入力電圧波形と、実施形態２の電磁波発振装置の電磁波発振器が発振する非平滑連続波の波形を示す。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、以下の実施形態は、本質的に好ましい例示であって、本発明、その適用物、あるいはその用途の範囲を制限することを意図するものではない。

＜実施形態１＞
本実施形態１は、本第１の発明に係る電磁波発振装置である。この電磁波発振装置１は、図１〜図２に示すように、交流電源Ｐからの交流電圧を直流電圧に変換するＡＣ／ＤＣコンバータ２と、ＡＣ／ＤＣコンバータ２から印加される直流電圧によって電磁波をパルス発振する電磁波発振器３と、ＡＣ／ＤＣコンバータ２と電磁波発振器３とを制御する制御装置５とを備え、制御装置５は、交流電源ＰからＡＣ／ＤＣコンバータ２へ入力する入力電圧波形ＶＷに応じて、電磁波発振器３が発振する電磁波の１のパルス周期Ｔにおけるパルス発振時間Ｔ１〜Ｔ７を変動させることで交流電源ＰからＡＣ／ＤＣコンバータ２へ入力する入力電流波形を調整するようにしている。電磁波発振器３から発振される電磁波は、増幅器４によって所望の出力まで増幅され、電磁波照射アンテナに供給される。

電磁波発振器３への電流の供給は、ＡＣ／ＤＣコンバータ２から平滑回路３０を介し、低電圧、例えば５Ｖの電流が供給され、増幅器４には電磁波発振器３からの電磁波の増幅の割合によって異なるが、例えば３２Ｖの電圧が印加される。この増幅器４への電圧の印加は連続波で印加するようにしても構わないが、後述する電磁波発振器３の発振パターンに合わせて制御装置５がＡＣ／ＤＣコンバータ２を制御し出力パターンを変動させるように構成しても構わない。

電磁波発振器３は、常時所定電圧、例えば１２Ｖを直流電源Ｐから供給される。そして、制御装置５から電磁波発振信号（例えばＴＴＬ信号）を制御チップ５０が受けると、制御チップ５０から所定のデューティー比、パルス時間等を設定したパターンで電磁波（マイクロ波、例えば２．４５ＧＨｚ）を出力する。３０は、電磁波発振器３へ供給される電流の平滑回路である。

増幅器４は、電磁波発振器３から出力された数Ｗ程度の電磁波を数ｋＷまで増幅し、電磁波照射アンテナに供給する。

電磁波発振器３の電磁波の発振パターンは、制御チップ５０の内部仕様によって異なるが、本実施形態においては、交流電源ＰからＡＣ／ＤＣコンバータ２へ入力する入力電圧波形ＶＷが０°（立ち上がり時で電圧が０のとき）から入力電圧波形ＶＷが９０°（電圧最大時）までの間で、パルス発振時間を順次短くするように制御する。具体的には図２に示すように、入力電圧波形ＶＷが０°に対応するときにはパルス周期をＴ秒に対してパルス発振時間をＴ１秒（例えば、Ｔ１＝０．８Ｔ）とし、その後、Ｔ２＝０．７Ｔ、Ｔ３＝０．６Ｔと順次パルス発振時間を短くし、入力電圧波形ＶＷが９０°に対応するときに最も発振時間が短いＴ７＝０，２Ｔとなるように設定する。その後、入力電圧波形ＶＷが９０°から１８０°（立ち下がり時で電圧が０のとき）までの間は、０°から９０°のときと逆となるようにパルス発振時間を順次長くなるように発振時間をＴ６、Ｔ５・・・Ｔ１となるように設定する。通常、入力電圧波形ＶＷの０°から１８０°までの時間（周期）は電磁波発振時間（発振周期）に比べ長いため、各パルス発振回数は、複数回、例えば、Ｔ１〜Ｔ７秒の各パルス発振を全て同じ複数回又はそれぞれＡＣ／ＤＣコンバータ２へ入力する入力電流波形がＡＣ／ＤＣコンバータ２へ入力する入力電圧波形ＶＷと等しくなるように異なる複数回とすることができる。これらの調整・制御は、制御装置５が、ＡＣ／ＤＣコンバータ２の入力電圧波形及び入力電流波形の信号を受け、フィードバック制御・ＰＷＭ制御によって制御するようにしている。

このように電磁波発振器３から発振される電磁波の発振パターンを制御することで、増幅器４に印加される直流電圧の消費タイミングが変化し、ＡＣ／ＤＣコンバータ２へ入力する入力電流波形がコントロールされることとなる。また、ＡＣ／ＤＣコンバータ２の内部の平滑化コンデンサを設けることなくＡＣ／ＤＣコンバータ２からの出力される直流電圧を電磁波発振器３から発振される電磁波の発振パターンに合わせてパルスで発振するように構成することもできる。

そして、増幅器４から出力される電磁波は、分配器６を介して所望の電磁波照射アンテナ７に供給される。

このような電磁波発振器３から発振する電磁波の発振パターンを制御することで、交流電源ＰからＡＣ／ＤＣコンバータ２へ入力する入力電圧波形ＶＷに対して、交流電源ＰからＡＣ／ＤＣコンバータ２へ入力する入力電流波形のズレを抑え、力率の低下を抑制することができる。

＜実施形態１の変形例＞
実施形態１の変形例について説明する。この変形例の電磁波発振装置１は、図３に示すように、交流電源Ｐからの交流電圧を直流電圧に変換するＡＣ／ＤＣコンバータ２を１基と、ＡＣ／ＤＣコンバータ２から印加される直流電圧によって電磁波をパルス発振する電磁波発振器３及び増幅器４を複数台配設し、ＡＣ／ＤＣコンバータ２と電磁波発振器３とを制御する制御装置５とを備えるようにしている。制御装置５は、実施形態１と同様、交流電源ＰからＡＣ／ＤＣコンバータ２へ入力する入力電圧波形ＶＷに応じて、電磁波発振器３が発振する電磁波の１パルス周期Ｔにおけるパルス発振時間Ｔ１〜Ｔ７を変動させることで交流電源からＡＣ／ＤＣコンバータ２へ入力する入力電流波形を調整するようにしている。

本変形例では、電磁波発振器３及び増幅器４を複数台、例えば、それぞれ４台配設することで、１台の電磁波発振器３及び増幅器４から電磁波を発振するときは他の３台からの発振を停止する。そして、順次発振する電磁波発振器３及び増幅器４を変更する。具体的には、図４に示すように、第１の電磁波発振器及び増幅器Ａから発振するときは、第２〜第４の電磁波発振器及び増幅器Ｂ〜Ｄの発振を停止し、第２の電磁波発振器及び増幅器Ｂから発振するときは、第１、第３、第４の電磁波発振器及び増幅器Ａ、Ｃ、Ｄの発振を停止する。これにより、各電磁波発振器３及び増幅器４の発熱を抑え、高出力（例えば１ｋＷ以上）の電磁波を出力することができるとともに、耐久性を向上させることができる。

複数の増幅器４ａ〜４ｄから出力される増幅された電磁波は１の分配器６に入力される。分配器６は制御装置５によって制御され、所望の電磁波照射アンテナ７に送信される．この際、分配器６からは１の電磁波照射アンテナ７だけでなく同時に複数の電磁波照射アンテナ７に電磁波を供給することもできる。

＜実施形態２＞
本実施形態２は、本第２の発明に係る電磁波発振装置である。この電磁波発振装置１は、交流電源Ｐからの交流電圧を直流電圧に変換するＡＣ／ＤＣコンバータ２と、ＡＣ／ＤＣコンバータ２から印加される直流電圧によって電磁波を非平滑連続波で発振する電磁波発振器３と、ＡＣ／ＤＣコンバータ２と電磁波発振器３とを制御する制御装置５とを備え、制御装置５は、電磁波発振器３が非平滑連続波で発振する電磁波の振幅を、交流電源ＰからＡＣ／ＤＣコンバータ２へ入力する入力電圧波形に合わせることで交流電源ＰからＡＣ／ＤＣコンバータへ入力する入力電流波形を調整するようにしている。電磁波発振器３から発振される電磁波は、実施形態１と同様、増幅器４によって所望の出力まで増幅され、電磁波照射アンテナに供給される。

ＡＣ／ＤＣコンバータ２、電磁波発振器３及び増幅器４の構成は実施形態１と同様でありその説明を省略する。また、実施形態１の変形例と同様、電磁波発振器３及び増幅器４を複数配設することもできる。

そして、本実施形態の制御チップ５０は、電磁波発振器３に対して、図５に示す交流電源ＰからＡＣ／ＤＣコンバータ２へ入力する入力電圧波形ＶＷ（実線）に合わせた非平滑の連続波ＮＳ（破線）を発振するように制御している。具体的には、制御装置５から電磁波発振信号（例えばＴＴＬ信号）を制御チップ５０が受けると、制御チップ５０から所定の振幅・周期となる非平滑の連続波の電磁波（マイクロ波、例えば２．４５ＧＨｚ）を出力するようにしている。

なお、制御チップ５０が指令信号として出力する振幅・周期も、実施形態１と同様、制御装置５がＡＣ／ＤＣコンバータ２の入力電圧波形及び入力電流波形の信号を受け、フィードバック制御・ＰＷＭ制御によって制御するようにしている。通常、交流電源Ｐ（例えば家庭用電源）からの周期は一定である。そのため制御装置５は、電磁波発振器３の発振周期に関しては、一定となるように制御するだけで、変動の可能性がある振幅に関してフィードバック制御を行う。

このような電磁波発振器３から発振する電磁波の振幅パターンを制御することで、交流電源ＰからＡＣ／ＤＣコンバータ２へ入力する入力電圧波形ＶＷに対して、交流電源ＰからＡＣ／ＤＣコンバータ２へ入力する入力電流波形のズレを抑え、力率の低下を抑制することができる。

また、実施形態１の変形例と同様に、電磁波発振器３及び増幅器４を複数台、例えば、それぞれ４台配設することもできる。本実施形態では、電磁波を連続波として出力するため、増幅器４によって出力する電磁波出力とその発振時間に限界があるため、半導体チップの耐熱性能を考慮して、発振時間を定め、順次出力していくことで長時間の発振時間を確保することができる。

＜電磁波加熱装置の電磁波発振装置としての効果＞
本発明の電磁波発振装置１を電磁波加熱装置に電磁波（例えば、２．４５ＧＨｚのマイクロ波）を供給する電磁波発振装置として使用する場合、上述した効果に加え、以下の効果を有する。

電磁波加熱装置において、一般的なマグネトロンを電磁波発振源とする場合、ＡＣ／ＤＣコンバータでの電力損失は入力電力に対して７〜８％程度の損失に対して、本発明の電磁波発振装置を用いる場合、６％程度に低減することができる。

以上説明したように、本発明の昇圧回路を含む電磁波発振装置は、電磁波照射アンテナの電磁波発振源として利用するときは電子レンジに代表される誘電加熱を利用した加熱装置に好適に用いることができる。また、自動車エンジン等の内燃機関の点火プラグによるプラズマに電磁波を照射する電磁波照射アンテナの電磁波発振源として利用するときは、点火プラグによるプラズマを維持拡大する用途に用いることもできる。また、高周波吸収体を利用した加熱装置にマイクロ波を供給する装置に使用する場合や、電磁波を利用した生ゴミ処理機等にも好適に用いることができる。

１ 電磁波発振装置
２ ＡＣ／ＤＣコンバータ
３ 電磁波発振器
４ 増幅器
５ 制御装置
Ｐ 交流電源
ＶＷ 交流電源からＡＣ／ＤＣコンバータへ入力する入力電圧波形

Claims (3)

1. 交流電源からの交流電圧を直流電圧に変換するＡＣ／ＤＣコンバータと、
   該ＡＣ／ＤＣコンバータから印加される直流電圧によって電磁波をパルス発振する電磁波発振器と、
   該電磁波発振器を制御する制御装置とを備え、
   該制御装置は、交流電源からＡＣ／ＤＣコンバータへ入力する入力電圧波形に応じて、電磁波発振器が発振する電磁波の１パルス周期におけるパルス発振時間を変動させることで交流電源からＡＣ／ＤＣコンバータへ入力する入力電流波形を調整するようにした電磁波発振装置。
2. 前記制御装置は、交流電源からＡＣ／ＤＣコンバータへ入力する入力電圧波形の立ち上がり時から入力電圧波形が９０°までの期間は、パルス発振時間を順次短くするように制御するようにした請求項１に記載の電磁波発振装置
3. 交流電源からの交流電圧を直流電圧に変換するＡＣ／ＤＣコンバータと、
   該ＡＣ／ＤＣコンバータから印加される直流電圧によって電磁波を非平滑連続波で発振する電磁波発振器と、
   該電磁波発振器を制御する制御装置とを備え、
   該制御装置は、電磁波発振器が非平滑連続波で発振する電磁波の振幅を、交流電源からＡＣ／ＤＣコンバータへ入力する入力電圧波形に合わせることで交流電源からＡＣ／ＤＣコンバータへ入力する入力電流波形を調整するようにした電磁波発振装置。

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