JP2018026220A - 誘導加熱調理器 - Google Patents

Abstract

【課題】 出力を下げるためにインバータの上下ＩＧＢＴのＯＮ時間に差をつけた際に、内部の素子の発熱やノイズの発生を抑えることができる誘導加熱調理器を提供する。
【解決手段】
被加熱物を誘導加熱によって加熱する加熱コイル１３と、加熱コイル１３に電力を供給する上下アームのＩＧＢＴ６９とＩＧＢＴ６９に流れる短絡電流を抑えるスナバコンデンサ７０を有した電流共振型のハーフブリッジ方式のインバータ回路と、ＩＧＢＴ６９のＯＮ／ＯＦＦを制御する制御部８０とを備え、制御部８０は、加熱コイル１３の出力を小さくした時にデッドタイムの途中でスナバコンデンサ７０の充放電がピークを迎えるようになった場合に、その充放電のピークと次のスイッチングタイミングが合致するようにデッドタイム時間を調整する機能を有するものである。
【選択図】 図５

Description

本発明は、被加熱物を誘導加熱によって加熱する加熱手段を備え、該加熱手段をインバータ回路によって駆動する形式の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は、本体上面に配置されたプレートに被加熱物である鍋を載置し、該鍋をプレート下方の本体内に設けられた加熱コイルにより加熱するものであり、インバータ回路により該加熱コイルに流れる電流を調整することで、加熱の出力を調整するものである。

前記インバータ回路では、ＩＧＢＴに並列してコンデンサが実装されており、上下のＩＧＢＴが共にＯＦＦとなるデッドタイム中に、該コンデンサへの充放電が行われることでスイッチング時の短絡電流の発生を抑制し、素子の発熱やノイズの発生を低減している。また、所定の周波数内で出力の制御を行うために、インバータの上下ＩＧＢＴのＯＮ時間の長さを非対称にして、その差を調整することで、該加熱コイルに流れる電流を調整する。

特開２００９-４０９９号公報

該インバータ回路では、出力を小さくするために上下ＩＧＢＴのＯＮ時間の差を大きくしていくと、ＯＮ時間の長い側のＩＧＢＴは、次第に該加熱コイルの電流波形のゼロクロス付近でＯＦＦするようになり、やがてゼロクロスのタイミングがデッドタイムと重なるようになる。このとき、ゼロクロスのタイミングを境に該コンデンサの充放電が逆転するため、そこが該コンデンサの充放電のピークとなり、その後デッドタイムが終了し次のＩＧＢＴがＯＮするタイミングでは、該コンデンサの充放電が不十分になってしまう。その結果、スイッチング時の短絡電流が大きくなり、素子の発熱やノイズの発生につながる。

本発明は、上記の問題を解決するためになされたものであり、被加熱物を誘導加熱によって加熱する加熱コイルと、該加熱コイルに電力を供給する上下アームのＩＧＢＴと該ＩＧＢＴに流れる短絡電流を抑えるスナバコンデンサを有した電流共振型のハーフブリッジ方式のインバータ回路と、前記ＩＧＢＴのＯＮ／ＯＦＦを制御する制御部とを備え、該制御部は、前記加熱コイルの出力を小さくした時にデッドタイムの途中で前記スナバコンデンサの充放電がピークを迎えるようになった場合に、その充放電のピークと次のスイッチングタイミングが合致するようにデッドタイム時間を調整する機能を有するものである。

本発明によれば、低出力動作時においても、スイッチング時のＩＧＢＴの短絡電流を抑制し、素子の発熱やノイズの発生を低減することが出来る。

本発明の誘導加熱調理器をシステムキッチンに収納した状態の斜視図である。 同誘導加熱調理器のプレートを外した状態を示す説明図である。 同誘導加熱調理器の側面から見た主要断面図である。 同誘導加熱調理器の上面操作部の説明図である。 同誘導加熱調理器のインバータ部の回路の説明図である。 同誘導加熱調理器の加熱コイル電流波形の説明図である。

以下、本発明の実施例を上記図面に従って説明する。

尚、本実施例は、キッチンに嵌め込むビルトイン型の他にキッチンに載置する据置型の加熱調理器であっても差し支えない。

図１に示すように、加熱調理器の本体２は、システムキッチン１の上面から落とし込んで設置することで組み込まれる。

調理を行う被加熱物の鍋（図示せず）は、本体２の上面に配置された耐熱ガラス等からなり光を透過するプレート３の載置部６に載置されることで調理可能となる。

載置部６は、本体２上面のプレート３の上面手前に載置部右６ａと載置部左６ｂが配置され、これら両載置部６ａおよび６ｂの間の奥（中央後部）に載置部中央６ｃが配置されている。そして、プレート３を挟んで各載置部６の下に鍋を加熱するための後述する加熱コイルユニット２５がそれぞれ設置されている。配置は、載置部右６の下方には加熱コイルユニット右２５ａが、載置部左６ｂの下方には加熱コイルユニット左２５ｂが、載置部中央６ｃの下方には加熱コイルユニット中央２５ｃが設けられている。

プレート３の周囲端面には、プレート３を保護するためにフレーム１４が設けられている。該フレーム１４は、プレート３の手前の上端縁に取り付けられるフレーム前１４ａと、プレート３の後方上端縁に取り付けられるフレーム後１４ｂと、右側上端縁に取り付けられる１４ｃと、左側上端縁に取り付けられるフレーム左１４ｄとで構成されている。

本体２の内部には、発熱部材である後述する加熱コイルユニット２５や制御回路を構成する電子部品が設けられており、該加熱コイルユニット２５や制御回路の後方には、これらを冷却するための送風ファン２０と、本体２の外部から空気を吸込むための吸気口７及び冷却後の排気を排出する排気口８が設けられている。

前記吸気口７で吸入した空気は、本体２の内部で発熱する後述する加熱コイルユニット２５や電子部品を冷却した後に排気口８から本体２外に排出される。

また、本体２の左側には、魚やピザなどを焼くためのロースター４が設けられている。

次に被加熱物の鍋を加熱する加熱手段である加熱コイルについて図２を用いて、説明する。

鍋（図示せず）を加熱するための加熱コイルユニット２５は、加熱コイル１３とコイルベース２４とフェライト（図示せず）から構成されている。そして、プレート３と加熱コイルユニット２５との間には一定の隙間が設けられ、この隙間に前記送風ファン２０からの冷却風の一部を流して、プレート３の裏面と加熱コイルユニット２５を冷却している。

加熱コイル１３の巻線は表皮効果を抑制するためリッツ線を採用している。この加熱コイル１３には調理鍋（図示せず）を加熱するために後述するインバータ基板（左右インバータ基板１８、中央インバータ基板１７）から数十ｋＨｚ、数百Ｖの電圧が印加される。

コイルベース２４は、加熱コイル１３を下から固定すると共に、フェライト（図示せず）が略放射状に埋設されている。

また、加熱コイル１３の略中央部の空間には、自動調理時など鍋の温度を検知する温度検知素子２１が取付けられている。

次に、加熱コイル１３とインバータ基板の冷却について、図３を用いて説明する。

インバータ基板は、左右の加熱コイル１３ａ、１３ｂを駆動するインバータ回路を搭載した左右インバータ基板１８と、加熱コイル中央１３ｃを駆動する中央インバータ基板１７とで構成されている。

該左右インバータ基板１８、中央インバータ基板１７は基板ケース２６内に配置され、電子部品で発熱した熱を効率よく送風ファン２０からの冷却風と熱交換して温度を下げるように放熱フィン２２、２３が設けられしている。

送風ファン２０により吸気口７から吸込まれた冷却用の外気は、基板ケース２６内を通流し、左右インバータ基板１８や中央インバータ基板１７、制御回路を搭載した制御基板１９の電子部品から熱を奪った後、基板ケース２６から吹き出て、各加熱コイル１３や本体２内のその他の部品やプレート３の裏面を冷却した後に排気口８から外部に排出する。

基板ケース２６は、ロースター４が設置されている加熱コイルユニット左２５ｂとは反対の加熱コイルユニット右２５ａの下方に設置されている。本実施例では加熱コイルユニット右２５ａの下側に設置され、中に左右インバータ基板１８、中央インバータ基板１７を配置することで調理時に加熱コイル１３やロースター４からのふく射熱を遮り、また、内部に冷却用空気が効率よく行き渡るように冷却用空気が通る風路が形成されている。

次に操作部と表示部について説明する。

主電源スイッチ９ｄは押しボタンによって構成されており、押下する毎に電源投入状態と停止状態とを切り替える。

上面操作部９は、図４に示すように、静電容量式の変化を検出するタッチキーによって構成されている。具体的には、プレート３の下方には指を触れた時の静電容量の変化を検出する後述する電極３６を備えた操作基板１２から構成されている。

キー部とは、上面操作部９に設けられた切/スタートキー４８・５６・６１、とろ火キー４９ａ・５７ａ、弱火キー４９ｂ・５７ｂ、中火キー４９ｃ・５７ｃ、強火キー４９ｄ・５７ｄ、メニューキー５２・６０・６４などを示す。

上面操作部９はプレート３の前面側に設けられ、載置部右６ａ、載置部中央６ｃ、載置部左６ｂに対応して右から、上面操作部右９ａ、上面操作部中央９ｃ、上面操作部左９ｂが配置されている。そして各上面操作部９の上側には上面表示部右１０ａ、上面表示部中央１０ｃ、上面表示部左１０ｂからなる上面表示部１０が設けられている。

上面表示部１０は、表示ホルダ３２によってプレート３に押さえられ、中央部には、表示部に文字等を表示する駆動回路を含んだ表示基板３３を固定している。

次に、鍋への加熱条件を設定する上面操作部９（代表して上面操作部右９ａ）の各キー部について説明する。

４８は調理の開始や停止するための切/スタートキーで、調理中は切/スタートキー４８のキー部の表示された「切/スタート」が点灯する。キー部の点灯についての詳細は後述する。

調理の火力は火力キー４９によって選択する。該火力キー４９は、「とろ火」、「弱火」、「中火」、「強火」の４段階のキーに分かれ、必要な火力を一回の操作で設定できるようになっている。４段階の火力キー４９のうち、とろ火キー４９ａは「１」、弱火キー４９ｂは「４」、中火キー４９ｃは「７」、強火キー４９ｄは「１０」の火力に設定でき、設定したキー部の表示が点灯する。

５１は主に煮込みや保温などタイマー調理を実施するときに選択するタイマーキーである。５２は自動調理の炊飯、揚げもの、湯沸し等を選択するための「メニュー」キーで、該メニューキー５２を押す（指で接触する）ことで上面表示部１０にメニューが表示され、メニューキー５２を押すたびに表示されているメニューが切り替わり、これによって使用するメニューを選択する。

また、火力の調節やタイマー調理時の時間の設定、炊飯時における米の量の設定、自動調理の仕上がり調整の設定、揚げものをする時の油温の設定を設定キー５０により行うことができる。この設定キー５０は、設定時の数量などを増やすＵＰキー５０ａと減らすＤＯＷＮキー５０ｂからなっている。

なお、上面操作部左９ｂは上面操作部右９ａと同じ操作、配列であるので説明を省略する。

次に上面操作部中央９ｃについて説明する。載置部中央６ｃの主な調理は保温や煮込みである。従って、加熱コイル中央１３ｃの火力も他の加熱コイルの火力よりも小さく設計されている。このため火力表記は、とろ火、弱火、中火の三段階で足り、設定キー６２をサイクリック式としても、最大３回押せば元に戻るので、手前２つの加熱コイル２５ａ、２５ｂのように火力毎に対応した火力設定キーを設けていない。

前記した上面操作部９の各入力キーとなる静電容量の変化を検出するための電極は、プレート３の下面に配置された操作基板１２に設けられている。

操作基板１２は、操作基板１２ａと操作基板１２ｂとに別れ、操作基板１２ａは上面操作部右９ａと上面操作部中央９ｃに、操作基板１２ｂは上面操作部左９ｂに対応している。

３４は基板間を接続するケーブルである。

制御基板１９に組み込まれた制御回路は、上面操作部９で設定された内容及び事前に組み込まれた自動調理などのプログラムに基づき、調理の開始、停止、火力の設定情報を制御信号として左右インバータ基板１８や中央インバータ基板１７に送り、加熱コイル１３などを制御する。

また、同時に後述する送風ファン２０の制御も行い、調理中は送風ファン２０を動作させる。

次に、インバータ基板におけるインバータ回路について、図５に基づいて詳細を説明する。

電源から供給された交流電圧は、ダイオードブリッジ６５によって整流され、チョークコイル６６を通じてインバータ駆動部へ供給される。インバータ駆動部は、上下アーム１組のＩＧＢＴ６９、スナバコンデンサ７０、共振コンデンサ７１、および加熱コイル１３から構成されており、制御部８０によって上下のＩＧＢＴ６９を交互にＯＮさせることで、加熱コイル１３から交流磁界を発生させ、被加熱物にエネルギーを供給する。

このインバータは電流共振型のハーフブリッジ方式で、通常時は、インバータは上下アームのＩＧＢＴ６９のそれぞれのＯＮ時間が互いに等しい状態で動作しており、また同時ＯＮ状態を防止するために、上下アームのＩＧＢＴ６９のＯＮ状態が切り替わる間に、両方のＩＧＢＴ６９をＯＦＦにするデッドタイムが設けられている。さらに、デッドタイム中にスナバコンデンサ７０への充放電が行われることで、ＩＧＢＴ６９がＯＮになる瞬間のコレクタ−エミッタ間電圧を０に近付けて、短絡電流の発生を抑制している。

続いて、インバータの出力制御方法について、図６を用いて説明する。

インバータはその動作周波数を高くしてインバータ回路の共振周波数から遠ざけることで、加熱コイル１３に流れる電流を小さくして出力を下げる。インバータ回路の共振周波数は、加熱コイル１３と被加熱物とで決まる等価インダクタンスと、共振コンデンサ７１のキャパシタンスによって決定される。各加熱コイル１３の動作周波数には、複数の加熱コイル１３を同時に動作させたときにうなり音が発生しないように、最大値および最小値が定められている。

動作周波数が最大に達した後に出力を下げる際は、インバータの上下アームのＩＧＢＴ６９のＯＮ時間について、下アームのＩＧＢＴ６９ｂのＯＮ時間を長くして、上アームのＩＧＢＴ６９ａのＯＮ時間を短くすることで、加熱コイル１３に流れる電流を小さくして出力を下げる。

上下アームのＩＧＢＴ６９のＯＮ時間に大きな差をつけた時、加熱コイル１３に流れる電流の波形と、インバータの上下アームのＩＧＢＴ６９のスイッチングのタイミングを比較すると、下ＩＧＢＴ６９ｂがＯＦＦした後のデッドタイムに、加熱コイル１３に流れる電流のゼロクロスのタイミングが重なるようになる。このとき、電流のゼロクロスのタイミングでスナバコンデンサ７０の充放電が逆転するため、そこがスナバコンデンサ７０の充放電のピークとなる。その後デッドタイムが終了し上アームのＩＧＢＴ６９ａがＯＮするタイミングでは、スナバコンデンサ７０の充放電が不十分になる。その結果、スイッチング時の上アームのＩＧＢＴ６９ａのコレクタ−エミッタ間電圧が０Ｖから大きく外れてしまうため、短絡電流が大きくなり、素子の発熱やノイズの発生につながる。

そこで、スナバコンデンサ７０の充放電がデッドタイムの途中でピークを迎えるときに、加熱コイル１３を流れる電流のゼロクロスのタイミングからスナバコンデンサ７０の充放電のピークのタイミングを検知し、その瞬間に上アームのＩＧＢＴ６９ａのＯＮが行われるようにデッドタイム時間を調整する。それにより、上アームのＩＧＢＴ６９ａのコレクタ−エミッタ間電圧が０Ｖに近い状態でスイッチングをすることができる。

前記タイミングの検知は、電流検出回路を設けても良いし、事前にシミュレーションから求めた結果のタイムテーブルを設けてデッドタイミング時間を調整しても良い。

上記した本実施例によれば、低出力動作時においても、スイッチング時のＩＧＢＴの短絡電流を抑制し、素子の発熱やノイズの発生を低減することが出来る。

１：システムキッチン、２：本体、 ３：プレート、１７：中央インバータ基板、１８：左右インバータ基板

Claims (1)

1. 被加熱物を誘導加熱によって加熱する加熱コイルと、
   該加熱コイルに電力を供給する上下アームのＩＧＢＴと該ＩＧＢＴに流れる短絡電流を抑えるスナバコンデンサを有した電流共振型のハーフブリッジ方式のインバータ回路と、
   前記ＩＧＢＴのＯＮ／ＯＦＦを制御する制御部とを備え、
   該制御部は、
   前記加熱コイルの出力を小さくした時にデッドタイムの途中で前記スナバコンデンサの充放電がピークを迎えるようになった場合に、
   その充放電のピークと次のスイッチングタイミングが合致するようにデッドタイム時間を調整する機能を有することを特徴とした誘導加熱調理器。

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