JP2018032619A - 誘導加熱装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】加熱コイルの巻き数が少ない場合においてもスイッチング素子に流れる電流を増加させずに被加熱物を効率良く加熱させること。
【解決手段】インバータ１１７における共振回路は、加熱コイル１１０と直列に接続される第１の共振コンデンサ１１１で構成される第１の共振回路と、第１の共振回路と並列に接続される第２の共振コンデンサ１１２で構成される第２の共振回路と、第２の共振回路と直列に接続される共振用チョークコイル１０９とを備える。共振回路は、加熱コイルを流れる電流の周波数に対して、加熱コイルと第１の共振コンデンサのインピーダンスが、第２の共振コンデンサのインピーダンスの近傍に設定される。これにより、スイッチング素子の電流を増加させずに、被加熱物を効率良く誘導加熱できる。
【選択図】図１

Description

本発明は、直流を交流に変換するインバータ制御装置を用いて、トッププレート上の被加熱物を加熱する複数の加熱部を備える誘導加熱装置に関するものである。
従来、加熱コイルで高周波磁界を発生させ、アルミニウム製の鍋を含む各種金属負荷を、電磁誘導によって発生する渦電流で加熱する誘導加熱装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
以下、特許文献１に記載の誘導加熱装置について、図４を参照しながら説明する。
図４は、特許文献１に記載の従来の誘導加熱装置の回路構成図である。
従来の誘導加熱装置は、整流回路５２、第１の平滑コンデンサ５３、第２の平滑コンデンサ６２、チョークコイル５４、インバータ５０、制御回路６３から構成され、電源５１に接続される。電源５１は商用交流電源で構成され、整流回路５２の入力端に接続される。整流回路５２の出力端は、第１の平滑コンデンサ５３に接続される。
インバータ５０は、第１のスイッチング素子５５、第２のスイッチング素子５７、加熱コイル５９、共振コンデンサ６０などから構成される。
整流回路５２の出力端間には、チョークコイル５４と、インバータ５０の第２のスイッチング素子５７とからなる直列接続体が接続される。加熱コイル５９は、被加熱物６１であるアルミニウム製の鍋と対向して配置される。
第２の平滑コンデンサ６２の低電位側端子は、整流回路５２の負極端子に接続される。第２の平滑コンデンサ６２の高電位側端子は、インバータ５０の第１のスイッチング素子５５の高電位側端子（コレクタ）に接続される。第１のスイッチング素子５５の低電位側端子（エミッタ）は、チョークコイル５４と第２のスイッチング素子５７の高電位側端子（コレクタ）との接続点Ｃに接続される。
インバータ５０の加熱コイル５９と共振コンデンサ６０とからなる直列接続体は、第２のスイッチング素子５７に並列に接続される。
以上のように、従来の誘導加熱装置は構成される。
以下に、上記誘導加熱装置の各部の動作波形について、図５を参照しながら、説明する。
図５は、従来の誘導加熱装置の回路構成における各部の各動作波形を示す図である。なお、同図は、誘導加熱装置の出力が２ｋＷ時における動作波形を示している。
ここで、図５の（ａ）は図４に示す第１のスイッチング素子５５および第１のダイオード５６に流れる電流Ｉｃ１の波形を、（ｂ）は第２のスイッチング素子５７および第２のダイオード５８に流れる電流Ｉｃ２の波形を示している。図５の（ｃ）は、第２のスイッチング素子５７のコレクタ―エミッタ間に生じる電圧Ｖｃｅ２を示している。図５の（ｄ）は第１のスイッチング素子５５のゲートに加わる駆動電圧Ｖｇ１を、（ｅ）は第２のス
イッチング素子５７のゲートに加わる駆動電圧Ｖｇ２を示している。図５の（ｆ）は、加熱コイル５９に流れる電流ＩＬを示している。
図４に示す構成の回路は、以下に示すように動作する。
まず、制御回路６３は、図５の（ｅ）に示すように、ｔ０からｔ１までの期間（駆動期間Ｔ２に相当）、第２のスイッチング素子５７のゲートにオン信号の駆動電圧Ｖｇ２を出力する。これにより、駆動期間Ｔ２の間、第２のスイッチング素子５７および第２のダイオード５８と、加熱コイル５９と、共振コンデンサ６０で形成される閉回路は、共振する。駆動期間Ｔ２は、例えば約２４μｓに設定される。つまり、被加熱物６１であるアルミニウム製の鍋の共振周期（１／ｆ）が、駆動期間Ｔ２の約２／３倍（約１６μｓ）となるように、駆動期間Ｔ２が設定される。具体的には、加熱コイル５９の巻き数（４０ターン）と、共振コンデンサ６０の容量（０．０４μＦ）とで、駆動期間Ｔ２を約２４μｓに設定している。このとき、チョークコイル５４は、駆動期間Ｔ２の間、第１の平滑コンデンサ５３の静電エネルギーを磁気エネルギーとして蓄える。
そして、ｔ０から第２のスイッチング素子５７に流れる共振電流の第２番目のピークの時間から、次に共振電流が零（ゼロ）となる時間までの間の、ｔ１の時点において、制御回路６３は、第２のスイッチング素子５７のゲートにオフ信号の駆動電圧Ｖｇ２を出力して、駆動を停止する。なお、ｔ１の時点は、第２のスイッチング素子５７の順方向（コレクタからエミッタ方向）に電流Ｉｃ２が流れているタイミング時点に相当する。
これにより、第２のスイッチング素子５７がオフし、第２のスイッチング素子５７のコレクタに接続されたチョークコイル５４の端子電位が上昇する。
そして、チョークコイル５４の端子電位が第２の平滑コンデンサ６２の電位を超えると、チョークコイル５４に蓄えた磁気エネルギーが放出され、第１のダイオード５６を通して第２の平滑コンデンサ６２を充電する。これにより、第２の平滑コンデンサ６２は、図４に示す整流回路５２の直流出力電圧Ｖｄｃのピーク値（２８３Ｖ）よりも高い電圧、例えば図５の（ｃ）に示すように、約５００Ｖまで昇圧される。
なお、昇圧される電圧のレベルは、第２のスイッチング素子５７の導通時間（オン時間）に依存する。そのため、導通時間が長くなると、第２の平滑コンデンサ６２に発生する電圧が高くなる傾向にある。
つまり、第２の平滑コンデンサ６２−第１のスイッチング素子５５あるいは第１のダイオード５６−加熱コイル５９−共振コンデンサ６０で形成される閉回路の共振により、直流電源として働く第２の平滑コンデンサ６２の電圧のレベルが上昇する。このとき、図５の（ａ）に示す第１のスイッチング素子５５に流れる共振電流のピーク値が、零（ゼロ）、またはその近傍まで小さくならないように制御される。
そして、第１のスイッチング素子５５の共振から継続して、第２のスイッチング素子５７あるいは第２のダイオード５８−加熱コイル５９−共振コンデンサ６０で形成される閉回路で共振する。図５の（ｂ）に示す第２のスイッチング素子５７に流れる共振電流のピーク値が、零（ゼロ）、またはその近傍まで小さくならないように制御される。その結果、被加熱物６１であるアルミニウム製の鍋を高出力で誘導加熱できる。さらに、加熱コイル５９の出力を連続的に増減させながら、加熱を制御できる。
このとき、図５の（ｄ）および（ｅ）で示すように、第１のスイッチング素子５５および第２のスイッチング素子５７のゲートに駆動電圧Ｖｇ１、Ｖｇ２を印加しない、ｔ１か
らｔ２までの休止期間ｄ１を設ける。そして、ｔ２の時点において、制御回路６３は、第１のスイッチング素子５５のゲートに駆動信号（オン信号）の駆動電圧Ｖｇ１を出力する。つまり、休止期間ｄ１により、ｔ１の時点における、第１のスイッチング素子５５と第２のスイッチング素子５７が同時に導通（オン）することを防止する。そして、図５の（ｂ）で説明した共振経路から、図５の（ａ）に示す加熱コイル５９−共振コンデンサ６０−第１のスイッチング素子５５、または第１のダイオード５６−第２の平滑コンデンサ６２の閉回路からなる共振経路に切り換える。これにより、第１のスイッチング素子５５を含む共振経路に共振電流が流れる。このとき、第１のスイッチング素子５５のゲートに出力される駆動信号の駆動期間Ｔ１は、第２のスイッチング素子５７の駆動期間Ｔ２と、ほぼ同じ（同じを含む）期間、例えば約２４μｓに設定される。そのため、第２のスイッチング素子５７が導通していた場合と同様に、駆動期間Ｔ１の約２／３の周期（例えば１６μｓ）で、第１のスイッチング素子５５を含む共振経路に共振電流が流れる。
上記動作により、加熱コイル５９に流れる電流ＩＬは、図５の（ｆ）に示す電流波形となる。このとき、第１のスイッチング素子５５および第２のスイッチング素子５７の駆動周期Ｔ０は、駆動期間Ｔ１、Ｔ２と休止期間（ｔ２−ｔ１＝ｄ１）の和となる。そのため、加熱コイル５９に流れる電流ＩＬである共振電流の周期は、第１のスイッチング素子５５および第２のスイッチング素子５７の駆動周期の約３倍となる。具体的には、第１のスイッチング素子５５および第２のスイッチング素子５７の駆動周波数（１／Ｔ０）が約２０ｋＨｚの場合、加熱コイル５９に流れる電流ＩＬに相当する共振電流の周波数は、約６０ｋＨｚとなる。
特開２００３−２５７６０９号公報
しかしながら、従来の誘導加熱装置の構成では、加熱コイルの薄型化や低コスト化などのために加熱コイルの巻き数を減らすと、以下に示す課題が発生する。
まず、加熱コイルの巻き数を減らした場合、減らす前と同じ電力を得るには、加熱コイルの電流を増加させる必要がある。このとき、各スイッチング素子に流れる電流は、加熱コイルの電流に比例するため、各スイッチング素子の損失が増加し、発熱量が増加する。そのため、各スイッチング素子を冷却するために、大型の冷却構成部品が必要となる。さらに、冷却性能を向上させるために、高価な部品が必要になる。
また、等価抵抗が小さいアルミニウム製などの非磁性の鍋を誘導加熱する場合、加熱コイルの巻き数の増加や、駆動周波数の高周波化により、等価抵抗を増加させる必要がある。しかしながら、等価抵抗の増加は、加熱コイルユニットの形状による制約や、使用する周波数帯域により規制される。そのため、加熱コイルの巻き数の減少と、スイッチング素子の損失低減との両立は、困難である。
本発明は、前記従来の課題を解決するもので、加熱コイルの巻き数が少ない場合でも、スイッチング素子に流れる電流の増加を抑制して、アルミニウム製の鍋を効率良く加熱できる誘導加熱装置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、本発明の誘導加熱装置は、スイッチング素子と、スイッチング素子に並列に接続される逆導通素子と、加熱コイルと被加熱物を含む共振回路
とを有し、直流電圧を入力してスイッチング素子の導通により共振回路に電力を供給するインバータを備える。共振回路は、加熱コイルと直列に接続される第１の共振コンデンサで構成される第１の共振回路と、第１の共振回路と並列に接続される第２の共振コンデンサで構成される第２の共振回路と、第２の共振回路と直列に接続される共振用チョークコイルを備える。そして、共振回路は、加熱コイルを流れる電流の周波数に対して、加熱コイルと第１の共振コンデンサのインピーダンスを、第２の共振コンデンサのインピーダンスの近傍に設定するように構成される。
この構成によれば、加熱コイルの巻き数を減らしても、共振により、加熱コイルに大電流を流すことができる。これにより、アルミニウム製などの非磁性の鍋を十分大きな出力で誘導加熱できる。また、共振用チョークコイルは、スイッチング素子に流れる電流を抑制する。これにより、スイッチング素子で発生する損失を大幅に低減できる。
本発明の誘導加熱装置は、加熱コイルの巻き数が少ない場合においてもアルミニウム製などの非磁性の鍋を効率良く加熱できる大電流を流し、スイッチング素子の電流は加熱コイル電流に比例することなく電流を抑制することが可能となるため、加熱コイルの薄型化とともに、スイッチング素子の冷却構成の簡素化が可能となる。
本発明の実施の形態における誘導加熱装置の回路構成図 本発明の実施の形態における誘導加熱装置の動作波形を示す図 （Ａ）従来の誘導加熱装置の各回路構成における加熱コイルに流れる電流波形とスイッチング素子に流れる電流波形および駆動電圧波形を示す図（Ｂ）本発明の実施の形態における誘導加熱装置の各回路構成における加熱コイルに流れる電流波形とスイッチング素子に流れる電流波形および駆動電圧波形を示す図 従来の誘導加熱装置の回路構成図 従来の誘導加熱装置の回路構成における動作波形を示す図
第１の発明は、スイッチング素子と、スイッチング素子に並列に接続された逆導通素子と、加熱コイルと被加熱物を含む共振回路とを有し、直流電圧の入力によりスイッチング素子が導通し共振回路に電力を供給するインバータを備え、共振回路は、加熱コイルと直列に接続される第１の共振コンデンサで構成される第１の共振回路と、第１の共振回路と並列に接続される第２の共振コンデンサで構成される第２の共振回路と、第２の共振回路と直列に接続された共振用チョークコイルとを備え、共振回路は、加熱コイルを流れる電流の周波数に対して、加熱コイルと第１の共振コンデンサのインピーダンスが、第２の共振コンデンサのインピーダンスの近傍に設定されるものである。
これにより、加熱コイルの巻き数が少ない場合においても加熱コイルには大電流を流し、スイッチング素子に流れる電流は抑制することができ、効率良くアルミニウム製鍋を加熱することが可能となる。
第２の発明は、特に第１の発明において、第２の共振コンデンサのインピーダンスは、加熱コイルと第１の共振コンデンサとのインピーダンスの±３０％以内に設定されるものである。
これにより、加熱コイルの巻き数を減らしつつ、スイッチング素子の冷却が十分に行える電流に抑制することが可能となる。
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）
以下、本発明の実施の形態の誘導加熱装置について、図１を参照しながら説明する。
図１は、本実施の形態における誘導加熱装置の回路構成図である。
図１に示すように、本実施の形態の誘導加熱装置は、整流回路１０２、平滑用チョークコイル１０３、平滑用コンデンサ１０４、インバータ１１７、制御部１１４などで構成され、電源１０１に接続される。電源１０１は、商用交流電源で構成され、整流回路１０２の入力端に接続される。整流回路１０２は、例えばダイオードブリッジで構成され、電源１０１から入力される交流電圧を整流する。平滑用チョークコイル１０３は、整流回路１０２の出力側に直列に接続される。平滑用コンデンサ１０４は、平滑用チョークコイル１０３の出力側で、整流回路１０２と並列に接続される。
インバータ１１７は、図１の点線で示すように、第１のスイッチング素子１０５、第２のスイッチング素子１０６、第３のスイッチング素子１０７、第４のスイッチング素子１０８、共振用チョークコイル１０９、加熱コイル１１０、第１の共振コンデンサ１１１、第２の共振コンデンサ１１２、第１のスナバコンデンサ１１５、第２のスナバコンデンサ１１６などで構成される。
第１のスイッチング素子１０５、第２のスイッチング素子１０６、第３のスイッチング素子１０７および第４のスイッチング素子１０８のコレクターエミッタ間には、それぞれ、逆導通素子を構成するダイオード１０５ａ、ダイオード１０６ａ、ダイオード１０７ａ、ダイオード１０８ａが接続される。
第１のスイッチング素子１０５と第２のスイッチング素子１０６の接続点Ａと、第３のスイッチング素子１０７と第４のスイッチング素子１０８の接続点Ｂとの間には、共振用チョークコイル１０９、加熱コイル１１０および第１の共振コンデンサ１１１が直列に接続される。第２の共振コンデンサ１１２は、直列に接続される加熱コイル１１０と第１の共振コンデンサ１１１と並列に接続される。
このとき、直列に接続される加熱コイル１１０と第１の共振コンデンサ１１１とにより、第１の共振回路が構成される。また、並列に接続される第１の共振回路と第２の共振コンデンサ１１２とにより、第２の共振回路が構成される。そして、第２の共振回路は、共振用チョークコイル１０９と直列に接続される。
トッププレート（図示せず）は、例えば耐熱セラミック製の絶縁体で構成され、加熱コイル１１０の上部に配設される。そして、鍋などの被加熱物１１３が、トッププレートを挟んで加熱コイル１１０と対向するように載置される。
制御部１１４は、インバータ１１７を構成する。第１のスイッチング素子１０５、第２のスイッチング素子１０６、第３のスイッチング素子１０７、第４のスイッチング素子１０８を、それぞれ制御する。第２のスイッチング素子１０６のコレクタ−エミッタ間には、第１のスナバコンデンサ１１５が接続される。同様に、第４のスイッチング素子１０８のコレクタ−エミッタ間には、第２のスナバコンデンサ１１６が接続される。
インバータ１１７は、平滑用チョークコイル１０３を介して、直流電圧が入力される。そして、インバータ１１７の第１のスイッチング素子１０５、第２のスイッチング素子１
０６、第３のスイッチング素子１０７、第４のスイッチング素子１０８の導通制御により、第１の共振回路と第２の共振回路に電力が供給される。このとき、第２の共振コンデンサ１１２の容量を、第１の共振コンデンサ１１１の容量より、例えば３倍以上、大きくする。これにより、第２の共振コンデンサ１１２を高周波電源とみなすことができる。
また、本実施の形態では、加熱コイル１１０に流す高周波電流の周波数に対して、加熱コイル１１０と第１の共振コンデンサ１１１で構成される第１の共振回路のインピーダンスの値を、第２の共振コンデンサ１１２のインピーダンスの近傍の値となるように設定する。これによりの、第２の共振コンデンサ１１２−加熱コイル１１０−第１の共振コンデンサ１１１の閉ループで構成される第２の共振回路に、大電流を流すことが可能となる。
なお、もし、第１の共振回路のインピーダンスと第２の共振コンデンサ１１２のインピーダンスが近い値ではない場合、第２の共振コンデンサ１１２−加熱コイル１１０−第１の共振コンデンサ１１１の閉ループだけでなく、第２の共振コンデンサ１１２より共振用チョークコイル１０９の方向にも電流が流れる。そのため、第２の共振コンデンサ１１２−加熱コイル１１０−第１の共振コンデンサ１１１の閉ループだけに電流が流れなくなる。そこで、第１の共振回路のインピーダンスと第２の共振コンデンサ１１２のインピーダンスを近い値に設定する。これにより、第２の共振コンデンサ１１２−加熱コイル１１０−第１の共振コンデンサ１１１の閉ループだけに大電流を流すことができる。
具体的には、加熱コイル１１０と第１の共振コンデンサ１１１で構成される第１の共振回路のインピーダンスの値を、例えば１０オームに設定した場合、第２の共振コンデンサ１１２の容量を、インピーダンスの値が７〜１３オームになるように容量設定する。これにより、安定、かつ効率良く第２の共振コンデンサ１１２−加熱コイル１１０−第１の共振コンデンサ１１１の閉ループに大電流を流すことができる。
つまり、第２の共振コンデンサ１１２のインピーダンスの値を、第１の共振回路のインピーダンスの近傍の値（例えば、±３０％以内）になるように設定する。これにより、第２の共振コンデンサ１１２から共振用チョークコイル１０９への電流の流れを、大幅に抑制できる。その結果、第２の共振コンデンサ１１２−加熱コイル１１０−第１の共振コンデンサ１１１の閉ループに大電流を流すことが可能となる。
以上のように、誘導加熱装置は構成される。
以下、誘導加熱装置の動作および、作用について、図１を参照しながら、図２を用いて説明する。
図２は、本実施の形態における誘導加熱装置の動作波形を示す図である。
具体的には、図２はアルミニウム製の鍋の被加熱物１１３を誘導加熱する際の、第１のスイッチング素子１０５、第４のスイッチング素子１０８の電圧・電流波形（Ｖｇｅ、Ｖｃｅ、Ｉｃ）、共振用チョークコイル１０９の電流波形、第２のスナバコンデンサ１１６の電流波形、第２の共振コンデンサ１１２の電流波形、加熱コイル１１０の電流波形を示す図である。なお、駆動電圧Ｖｇｅは各スイッチング素子のゲート−エミッタ間に印加される電圧で、電圧Ｖｃｅは各スイッチング素子のコレクタ−エミッタ間の電圧を示している。
図１および図２に示すように、まず、制御部１１４は、インバータ１１７の第１のスイッチング素子１０５と第４のスイッチング素子１０８をオンするように制御する。このとき、制御部１１４は、インバータ１１７の第２のスイッチング素子１０６と第３のスイッ
チング素子１０７をオフするように制御する。
つぎに、上記と同様に、制御部１１４は、第１のスイッチング素子１０５と第４のスイッチング素子１０８をオフするように制御する。このとき、制御部１１４は、第２のスイッチング素子１０６と第３のスイッチング素子１０７をオンするように制御する。これにより、インバータ１１７の加熱コイル１１０には、加熱コイル１１０、第１の共振コンデンサ１１１、第２の共振コンデンサ１１２および被加熱物１１３で決まる共振周波数の共振電流が供給される。
加熱コイル１１０は、供給される共振電流により高周波磁界を発生し、被加熱物１１３を誘導加熱する。このとき、制御部１１４は、第１のスイッチング素子１０５、第２のスイッチング素子１０６、第３のスイッチング素子１０７および第４のスイッチング素子１０８を、加熱コイル１１０、第１の共振コンデンサ１１１および第２の共振コンデンサ１１２で決まる共振周波数より低い駆動周波数で駆動する。これにより、共振周波数より高い駆動周波数で駆動する場合に比べて、スイッチング素子の損失を抑制できる。
以上のように、誘導加熱装置の動作および作用が行われる。
以下に、共振電流の流れる経路に着目して、インバータ１１７の動作を、具体的に説明する。
まず、図２のｔ１の期間は、第１のスイッチング素子１０５、第４のスイッチング素子１０８がオンし、第２のスイッチング素子１０６と第３のスイッチング素子１０７がオフするタイミングである。このとき、第２のスイッチング素子１０６と第３のスイッチング素子１０７がオフした後に、経路に流れていた電流は、第１のスナバコンデンサ１１５に流入する。これにより、第１のスナバコンデンサ１１５に、静電エネルギーが蓄積される。一方、第２のスナバコンデンサ１１６は、蓄えられた静電エネルギーを放出する動作となる。
このとき、加熱コイル１１０には、２つのループで流れる電流が発生する。第１のループは、第２の共振コンデンサ１１２−第１の共振コンデンサ１１１−加熱コイル１１０で電流が流れるループである。第２のループは、第２のスナバコンデンサ１１６−第１の共振コンデンサ１１１−加熱コイル１１０−共振用チョークコイル１０９−第１のスナバコンデンサ１１５で電流が流れるループである。
つぎに、ｔ２の期間は、第１のスイッチング素子１０５と第４のスイッチング素子１０８がオンの状態で、第１のスナバコンデンサ１１５に静電エネルギーが蓄積された後、共振用チョークコイル１０９に蓄えられた磁気エネルギーを放出までの期間である。このとき、第１のスナバコンデンサ１１５には、電流が流れない。そのため、第１のスイッチング素子１０５に並列に接続されたダイオード１０５ａと、第４のスイッチング素子１０８に並列に接続されたダイオード１０８ａを流れる電流のループが発生する。
このとき、加熱コイル１１０には、２つのループで流れる電流が発生する。第１のループは、第２の共振コンデンサ１１２−第１の共振コンデンサ１１１−加熱コイル１１０で電流が流れるループである。第２のループは、第４のスイッチング素子１０８のダイオード１０８ａ−第１の共振コンデンサ１１１−加熱コイル１１０−共振用チョークコイル１０９−第１のスイッチング素子１０５のダイオード１０５ａ−平滑用コンデンサ１０４で電流が流れるループである。
つぎに、ｔ３の期間は、共振用チョークコイル１０９の磁気エネルギーが放出された後
、共振用チョークコイル１０９を充電する期間である。このとき、ｔ２の期間中は、第１のスイッチング素子１０５と第４のスイッチング素子１０８をオンの状態とすることで、ソフトスイッチングの動作状態となる。これにより、第１のスイッチング素子１０５と第４のスイッチング素子１０８のスイッチング時の損失を低減できる。
このとき、加熱コイル１１０には、第２の共振コンデンサ１１２−加熱コイル１１０−第１の共振コンデンサ１１１の１つの第１のループで流れる電流が発生する。
つぎに、ｔ４の期間は、加熱コイル１１０および第１の共振コンデンサ１１１に印加する電圧が、ｔ３の期間と逆方向となる期間である。そのため、第２の共振コンデンサ１１２に蓄積された電荷を放電する状態となる。一方、共振用チョークコイル１０９は、充電期間であるため、ｔ３の期間と同じ方向に電流が流れる。
このとき、加熱コイル１１０には、２つのループで流れる電流が発生する。第１のループは、第２の共振コンデンサ１１２−加熱コイル１１０−第１の共振コンデンサ１１１で電流が流れるループである。第２のループは、第１のスイッチング素子１０５−共振用チョークコイル１０９−加熱コイル１１０−第１の共振コンデンサ１１１−第４のスイッチング素子１０８−平滑用コンデンサ１０４で電流が流れるループである。
そして、ｔ５の期間以降は、第１のスイッチング素子１０５、第４のスイッチング素子１０８がオフ状態、第２のスイッチング素子１０６、第３のスイッチング素子１０７がオン状態となり、上記ｔ１〜ｔ４の期間と同様の動作がｔ８の期間まで実行される。そのため、ｔ５〜ｔ８の期間の動作の説明は、省略する。
つまり、ｔ１〜ｔ４の期間およびｔ５〜ｔ８の期間の動作を繰り返すことにより、加熱コイル１１０に電流が供給され、高周波磁界を発生する。発生した高周波磁界は、被加熱物１１３に渦電流を発生させる。これにより、被加熱物１１３が誘導加熱される。
上述したように、本実施の形態の誘導加熱装置は、第１のスイッチング素子１０５と第２のスイッチング素子１０６の接続点Ａに、共振用チョークコイル１０９を接続する。そして、共振用チョークコイル１０９の出力端に、加熱コイル１１０、第１の共振コンデンサ１１１、第２の共振コンデンサ１１２を接続する。このとき、共振用チョークコイル１０９の配設により、高周波駆動時における第１のスイッチング素子１０５〜第４のスイッチング素子１０８のそれぞれからみた入力インピーダンスが高くなる。これにより、第１のスイッチング素子１０５〜第４のスイッチング素子１０８に流れる電流の抑制が可能となる。さらに、電流の抑制により、第１のスイッチング素子１０５〜第４のスイッチング素子１０８のスイッチング時の損失の低減が可能となる。
また、第２の共振コンデンサ１１２−加熱コイル１１０−第１の共振コンデンサ１１１の閉回路のループで大電流を流すことができる。そのため、共振動作により、被加熱物１１３を十分加熱できる大電流を、加熱コイル１１０に流すことが可能となる。これにより、アルミニウム製などの非磁性の鍋からなる被加熱物１１３を、十分大きな出力で誘導加熱できる。
以下に、加熱コイル１１０と第１のスイッチング素子１０５〜第４のスイッチング素子１０８に流れる電流量について、従来の誘導加熱装置と比較して、図３（Ａ）および図３（Ｂ）を用いて、説明する。
図３（Ａ）は、図４に示す従来の誘導加熱装置の加熱コイルとスイッチング素子に流れる電流波形、およびスイッチング素子の駆動電圧波形を示す図である。図３（Ｂ）は、本
実施の形態の誘導加熱装置の加熱コイルとスイッチング素子に流れる電流波形、およびスイッチング素子の駆動電圧波形を示す図である。
具体的には、図３（Ａ）は、図４に示す回路構成において、例えば巻き数４０ターンの加熱コイル５９に流れる電流波形と、第１のスイッチング素子５５と第２のスイッチング素子５７に流れる電流波形および駆動電圧波形を示している。図３（Ｂ）は、本実施の形態の回路構成において、例えば巻き数３０ターンの加熱コイル１１０に流れる電流波形と、第１のスイッチング素子１０５〜第４のスイッチング素子１０８に流れる電流波形および駆動電圧波形を示している。このとき、図３（Ａ）に示す第１および第２のスイッチング素子の駆動電圧の周波数は、例えば３０ｋＨｚ、加熱コイルに流れる共振電流の周波数は、３倍の９０ｋＨｚである。この理由は、まず、被加熱物が鉄などの磁性の材質の場合、スイッチング素子がオン状態からオフ状態に切り替わると、加熱コイルに流れる電流は瞬時に減衰する。一方、被加熱物がアルミニウムなどの非磁性の材質の場合、抵抗値が小さいため加熱コイルに流れる電流はすぐに減衰しない。そこで、図４に示す回路構成の場合、上述の特性を活用し、スイッチング素子の駆動電圧の周波数を３０ｋＨｚにしても、加熱コイルに流れる共振電流の周波数を９０ｋＨｚにすることが可能になる。
一方、図３（Ｂ）に示す第１から第４のスイッチング素子の駆動電圧の周波数と、加熱コイルに流れる共振電流の周波数は、共に、９０ｋＨｚである。そのため、上述したように、第２の共振コンデンサ１１２−加熱コイル１１０−第１の共振コンデンサ１１１の閉回路のループに大電流を流すことができる。
つまり、従来の回路構成の場合、図３（Ａ）に示すように、スイッチング素子を周波数３０ｋＨｚの駆動電圧で駆動する。これにより、スイッチング素子のスイッチング回数を減らし、スイッチング時の損失を低減している。このとき、第１および第２のスイッチング素子のオン期間は、加熱コイルに流れる電流と同様の周波数で第１および第２のスイッチング素子に電流が流れる。
一方、本実施の形態の回路構成の場合、加熱コイルの巻き数を減らしている。そのため、従来の誘導加熱調理器と同様の加熱量を得ようとすると、加熱コイルの電流が増大する。
つまり、従来の回路構成で、本実施の形態と同様に、加熱コイルの巻き数を低減した場合、第１および第２のスイッチング素子に流れる電流が増大する。これにより、第１および第２のスイッチング素子のスイッチング時の損失と、スイッチング素子のオン期間での損失が増大する。
しかしながら、本実施の形態の回路構成の場合、加熱コイルの巻き数を減らしても、図３（Ｂ）に示すように、第１から第４のスイッチング素子に流れる電流を低減しながら、加熱コイルを流れる電流を増大させることが可能となる。これにより、第１から第４のスイッチング素子を周波数が９０ｋＨｚの駆動電圧で駆動しても、スイッチング時の損失と、スイッチング素子のオン期間での損失を低減できる。さらに、加熱コイルの巻き数を減らしても、加熱コイルに大電流を流すことができる。その結果、薄型化や低コスト化が可能な誘導加熱装置を実現できる。
本実施の形態の誘導加熱装置は、加熱コイルの巻き数を減らしても、加熱コイルに大電流を流すことが可能となる。これにより、非磁性の鍋などの被加熱物を効率よく加熱できる。
また、第１から第４のスイッチング素子を少ない電流で動作させることができる。これ
により、第１から第４のスイッチング素子のスイッチング時の損失の増大を抑制できる。
その結果、薄型化とともに、第１から第４のスイッチング素子のスイッチング時の損失の低減が可能となる。そのため、さらに、冷却構成の簡素化や、回路構成の小型化が可能となる。
以上で説明したように、本発明の誘導加熱装置は、スイッチング素子と、スイッチング素子に並列に接続される逆導通素子と、加熱コイルと被加熱物を含む共振回路とを有し、直流電圧を入力してスイッチング素子の導通により共振回路に電力を供給するインバータを備える。共振回路は、加熱コイルと直列に接続される第１の共振コンデンサで構成される第１の共振回路と、第１の共振回路と並列に接続される第２の共振コンデンサで構成される第２の共振回路と、第２の共振回路と直列に接続される共振用チョークコイルを備える。そして、共振回路は、加熱コイルを流れる電流の周波数に対して、加熱コイルと第１の共振コンデンサのインピーダンスが、第２の共振コンデンサのインピーダンスの近傍に設定されるように構成される。
これにより、加熱コイルの巻き数が少ない場合でも、加熱コイルに大電流を流しながら、スイッチング素子に流れる電流を抑制することができる。その結果、効率良く、アルミニウム製の鍋などの被加熱物を誘導加熱できる。
また、本発明の誘導加熱装置は、特に、第２の共振コンデンサのインピーダンスを、加熱コイルと第１の共振コンデンサとのインピーダンスの±３０％以内に設定してもよい。これにより、加熱コイルの巻き数を減らしながら、スイッチング素子に流れる電流を、冷却が十分に行える電流に抑制することができる。
以上のように、本発明にかかる誘導加熱装置は、加熱コイルを含むインバータの低損失化により、薄型化や小型化が可能な誘導加熱装置を提供できるので、誘導加熱式炊飯器や、その他の誘導加熱調理器などの用途にも有用である。
１０１ 電源
１０２ 整流回路
１０３ 平滑用チョークコイル
１０４ 平滑用コンデンサ
１０５ 第１のスイッチング素子
１０６ 第２のスイッチング素子
１０７ 第３のスイッチング素子
１０８ 第４のスイッチング素子
１０５ａ，１０６ａ，１０７ａ，１０８ａ ダイオード（逆導通素子）
１０９ 共振用チョークコイル
１１０ 加熱コイル
１１１ 第１の共振コンデンサ
１１２ 第２の共振コンデンサ
１１３ 被加熱物
１１４ 制御部
１１５ 第１のスナバコンデンサ
１１６ 第２のスナバコンデンサ
１１７ インバータ
Ａ，Ｂ，Ｃ 接続点

Claims (2)

  1. スイッチング素子と、前記スイッチング素子に並列に接続された逆導通素子と、加熱コイルと被加熱物を含む共振回路とを有し、直流電圧の入力により前記スイッチング素子が導通し前記共振回路に電力を供給するインバータを備え、
    前記共振回路は、前記加熱コイルと直列に接続される第１の共振コンデンサで構成される第１の共振回路と、前記第１の共振回路と並列に接続される第２の共振コンデンサで構成される第２の共振回路と、前記第２の共振回路と直列に接続された共振用チョークコイルとを備え、
    前記共振回路は、前記加熱コイルを流れる電流の周波数に対して、前記加熱コイルと前記第１の共振コンデンサのインピーダンスが、前記第２の共振コンデンサのインピーダンスの近傍に設定される誘導加熱装置。
  2. 前記第２の共振コンデンサのインピーダンスは、前記加熱コイルと前記第１の共振コンデンサとのインピーダンスの±３０％以内に設定される請求項１記載の誘導加熱装置。
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