JP2019075217A - Grid control circuit and dielectric heating device - Google Patents

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励起 渡辺
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  • Control Of High-Frequency Heating Circuits (AREA)

Abstract

To provide a grid control circuit and dielectric heating device, capable of improving power coefficient even when an oscillation circuit with a vacuum tube is used.SOLUTION: The grid control circuit is a grid control circuit for intermittently applying a voltage to a grid 22b of a vacuum tube 22 provided in an oscillation circuit 2 of a dielectric heating device 1. If an LC resonance frequency of the oscillation circuit is taken as f and a positive integer is taken as N, the grid control circuit intermittently applies a voltage to a grid so that a switching frequency concerning voltage application becomes f/N.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明の実施形態は、グリッド制御回路、および誘電加熱装置に関する。   Embodiments of the present invention relate to grid control circuits and dielectric heating devices.

例えば、2つの電極を有する高周波誘電加熱装置(以下、誘電加熱装置と称する)がある。誘電加熱装置は、電極に印加する電圧の極性を高い周波数で反転させて、電極同士の間に設けられた誘電体を含むワークの分子の双極子(Dipole)を振動させることで発熱させる。誘電加熱装置は、樹脂、木材、繊維、食品、プラズマ生成などに関する多様な産業分野で利用されている。   For example, there is a high frequency dielectric heating device (hereinafter referred to as a dielectric heating device) having two electrodes. The dielectric heating device inverts the polarity of the voltage applied to the electrodes at a high frequency, and generates heat by vibrating the dipole (Dipole) of the molecule of the work including the dielectric provided between the electrodes. Dielectric heating devices are used in various industrial fields related to resin, wood, fiber, food, plasma generation and the like.

加熱対象となるワークの発熱量は、誘電体の物性に起因する損失係数、印加する電界強度、印加電圧の周波数、電極構造などにより決まる。一般的に、発熱量は、損失係数および周波数に比例する。そのため、損失係数が大きくなったり、周波数が高くなったりすれば、発熱量は増大する。   The calorific value of the work to be heated is determined by the loss coefficient resulting from the physical properties of the dielectric, the applied electric field strength, the frequency of the applied voltage, the electrode structure, and the like. Generally, the calorific value is proportional to the loss factor and the frequency. Therefore, if the loss factor is increased or the frequency is increased, the calorific value is increased.

また、電力半減深度は、損失係数および周波数に反比例する。電力半減深度は、ワークの表面に印加された高周波電圧のエネルギーが減衰により半分になる深さである。電力半減深度は、ワークの表面からどの程度の深さまで加熱が可能かを表す際に用いられる。そのため、損失係数が大きくなったり、周波数が高くなったりすれば、加熱が可能な深さが浅くなる。ここで、ワークの加熱装置であるマイクロ波加熱装置は、2.4GHz程度のマイクロ波を用いる。これに対して、誘電加熱装置においては、一般的に、20MHz〜40MHz程度の高周波が用いられる。そのため、マイクロ波加熱装置に比べて周波数が低い誘電加熱装置を用いれば、電力半減深度を深くすることができる。その結果、ワークの厚みが厚い場合などにおいても比較的均一な加熱が可能となる。   Also, the power half depth is inversely proportional to the loss factor and the frequency. The half power depth is the depth at which the energy of the high frequency voltage applied to the surface of the work is halved by attenuation. The half power depth is used to indicate how deep the heating is possible from the surface of the work. Therefore, if the loss factor is increased or the frequency is increased, the depth at which heating can be performed becomes shallow. Here, the microwave heating apparatus, which is a heating apparatus for a workpiece, uses microwaves of about 2.4 GHz. On the other hand, in the dielectric heating device, generally, a high frequency of about 20 MHz to 40 MHz is used. Therefore, if the dielectric heating device whose frequency is lower than that of the microwave heating device is used, the half power depth can be made deeper. As a result, even when the thickness of the workpiece is thick, relatively uniform heating is possible.

この様な誘電加熱装置には、出力が1kW以下の小型のものから、出力が数10kW程度の大型のものまで様々なものがある。出力が1kW以下の小型の誘電加熱装置には、半導体素子(スイッチング素子)を有する高周波発振回路(以下、発振回路と称する)が用いられることが多い。一方、出力が1kWを超えると、複数の半導体素子を並列あるいは直列に接続してスイッチングを行うことができる。発振回路に複数の半導体素子を用いると製造コストが大幅に増大するおそれがある。そのため、出力が1kWを超える誘電加熱装置には、真空管(三極管)を有する発振回路が用いられる場合が多い。また、誘電加熱装置は負荷変動が大きいため、異常発振が発生しやすくなる。そのため、真空管を有する発振回路とすれば、過電圧保護の簡素化を図ることができる。   There are various types of such dielectric heating devices, from small ones with an output of 1 kW or less to large ones with an output of about several tens of kW. A high frequency oscillation circuit (hereinafter referred to as an oscillation circuit) having a semiconductor element (switching element) is often used for a small-sized dielectric heating device whose output is 1 kW or less. On the other hand, when the output exceeds 1 kW, switching can be performed by connecting a plurality of semiconductor elements in parallel or in series. When a plurality of semiconductor elements are used for the oscillation circuit, the manufacturing cost may be significantly increased. Therefore, an oscillation circuit having a vacuum tube (triode) is often used for a dielectric heating device whose output exceeds 1 kW. Further, since the dielectric heating device has a large load fluctuation, abnormal oscillation is likely to occur. Therefore, if the oscillation circuit has a vacuum tube, the overvoltage protection can be simplified.

なお、パワーエレクトロニクス技術の進歩に伴い、GaNデバイスなどのワイドバンドギャップ、高電子移動度の高周波半導体素子が開発されている。しかしながら、現時点では、出力が数kW〜数10kWの誘電加熱装置に半導体素子を有する発振回路を用いるのは困難である。
そのため、出力が1kWを超える誘電加熱装置には、真空管を有する発振回路を用いることが好ましい。
In addition, with the progress of power electronics technology, a wide band gap, such as a GaN device, a high frequency semiconductor element having a high electron mobility has been developed. However, at present, it is difficult to use an oscillation circuit having a semiconductor element for a dielectric heating device with an output of several kW to several tens of kW.
Therefore, it is preferable to use an oscillation circuit having a vacuum tube for a dielectric heating device whose output exceeds 1 kW.

ところが、真空管を有する発振回路を用いれば、グリッド損やプレート損により誘電加熱に寄与しない無効電力が増加して、電力効率が低下するという新たな課題が生じる。
そこで、真空管を有する発振回路を用いる場合であっても電力効率の向上を図ることができる技術の開発が望まれていた。
However, if an oscillation circuit having a vacuum tube is used, reactive power not contributing to dielectric heating is increased due to grid loss and plate loss, resulting in a new problem that power efficiency is reduced.
Therefore, it has been desired to develop a technology that can improve power efficiency even when using an oscillation circuit having a vacuum tube.

特開2015−140015号公報JP, 2015-140015, A

本発明が解決しようとする課題は、真空管を有する発振回路を用いる場合であっても電力効率の向上を図ることができるグリッド制御回路、および誘電加熱装置を提供することである。   The problem to be solved by the present invention is to provide a grid control circuit and an dielectric heating device capable of improving power efficiency even when using an oscillator circuit having a vacuum tube.

実施形態に係るグリッド制御回路は、誘電加熱装置の発振回路に設けられた真空管のグリッドに間欠的に電圧を印加するグリッド制御回路である。前記発振回路のLC共振周波数をf、正の整数をNとした場合に、前記グリッド制御回路は、前記電圧の印加に関するスイッチング周波数がf/Nとなるように前記グリッドに間欠的に前記電圧を印加する。   The grid control circuit according to the embodiment is a grid control circuit that intermittently applies a voltage to a grid of a vacuum tube provided in an oscillation circuit of a dielectric heating device. When the LC resonant frequency of the oscillation circuit is f and the positive integer is N, the grid control circuit intermittently applies the voltage to the grid such that the switching frequency related to the application of the voltage is f / N. Apply.

本実施の形態に係る誘電加熱装置を例示するための回路図である。It is a circuit diagram for illustrating a dielectric heating device concerning this embodiment. 比較例に係る誘電加熱装置を例示するための回路図である。It is a circuit diagram for illustrating a dielectric heating device concerning a comparative example. 他の実施形態に係る誘電加熱装置を例示するための回路図である。FIG. 7 is a circuit diagram for illustrating a dielectric heating device according to another embodiment. 電源を例示するための回路図である。It is a circuit diagram for illustrating a power supply. 他の実施形態に係る電源を例示するための回路図である。FIG. 6 is a circuit diagram for illustrating a power supply according to another embodiment.

以下、図面を参照しつつ、実施の形態について例示をする。なお、各図面中、同様の構成要素には同一の符号を付して詳細な説明は適宜省略する。
図1は、本実施の形態に係る誘電加熱装置1を例示するための回路図である。
図1に示すように、誘電加熱装置1には、発振回路2、直流電源3、およびグリッド制御回路4が設けられている。
発振回路2は、真空管22を有し、電極20に高周波電力を供給する。
電極20に印加される高周波電力は、1kW以上とすることができる。
発振回路2は、電極20、コイル21、真空管22、コンデンサ23、抵抗24、およびコイル25を有する。
Hereinafter, embodiments will be illustrated with reference to the drawings. In the drawings, the same components are denoted by the same reference numerals and the detailed description will be appropriately omitted.
FIG. 1 is a circuit diagram for illustrating a dielectric heating device 1 according to the present embodiment.
As shown in FIG. 1, the dielectric heating device 1 is provided with an oscillation circuit 2, a DC power supply 3, and a grid control circuit 4.
The oscillation circuit 2 has a vacuum tube 22 and supplies high frequency power to the electrode 20.
The high frequency power applied to the electrode 20 can be 1 kW or more.
The oscillation circuit 2 includes an electrode 20, a coil 21, a vacuum tube 22, a capacitor 23, a resistor 24, and a coil 25.

電極20は、金属などの導電性材料から形成することができる。電極20は、例えば、平板状を呈し、互いに平行となるように一対設けることができる。ただし、電極20は、いわゆる平行平板型電極に限定されるわけではなく、ワーク100に高周波電力を印加できるものであればよい。電極20は、例えば、格子状、コイル状、円筒状、ローラ状などであってもよい。また、電極20は、固定されたものであってもよいし、コンベアのように移動するものであってもよい。
電極20が平行平板型電極である場合には、ワーク100は、電極20同士の間に載置される。ワーク100は、誘電体を含むものであれば特に限定はない。
The electrode 20 can be formed of a conductive material such as metal. The electrodes 20 have, for example, a flat plate shape, and can be provided in pairs so as to be parallel to each other. However, the electrode 20 is not limited to a so-called parallel plate type electrode as long as it can apply high frequency power to the work 100. The electrode 20 may be, for example, a grid, a coil, a cylinder, a roller, or the like. The electrodes 20 may be fixed or move like a conveyor.
When the electrode 20 is a parallel plate type electrode, the work 100 is placed between the electrodes 20. The work 100 is not particularly limited as long as it contains a dielectric.

コイル21は、一対の電極20と並列接続することができる。この場合、一対の電極20は、コンデンサとして機能する。そのため、コイル21および一対の電極20は、LC回路を構成する。なお、電極20同士の間にワーク100が載置された場合には、一対の電極20およびワーク100が、コンデンサとして機能する。   The coil 21 can be connected in parallel with the pair of electrodes 20. In this case, the pair of electrodes 20 functions as a capacitor. Therefore, the coil 21 and the pair of electrodes 20 constitute an LC circuit. When the work 100 is placed between the electrodes 20, the pair of electrodes 20 and the work 100 function as a capacitor.

また、必要に応じてコンデンサ20aやコイル21aを設けることもできる。コイルおよびコンデンサの接続形態により、直列共振回路や並列共振回路を構成することができる。
なお、電極20が平行平板型電極でない場合には、コイル21と並列または直列接続されたコンデンサを設けるようにすればよい。
また、真空管22と電極20(ワーク100)との間に、トランスやπ回路などのインピーダンス変換回路をさらに設けることもできる。
Moreover, the capacitor 20a and the coil 21a can also be provided as needed. A series resonance circuit or a parallel resonance circuit can be configured by the connection form of the coil and the capacitor.
If the electrode 20 is not a parallel plate type electrode, a capacitor connected in parallel or in series with the coil 21 may be provided.
In addition, an impedance conversion circuit such as a transformer or a π circuit may be further provided between the vacuum tube 22 and the electrode 20 (work 100).

真空管22は、送信管と呼ばれる大型の三極管とすることができる。真空管22が、送信管であれば、出力が数kW〜数10kWの誘電加熱装置に対応することができる。
三極管である真空管22は、フィラメント22a、グリッド22b、およびプレート22cを有する。フィラメント22aは直流電源3の一方の端子に接続され、プレート22cは直流電源3の他方の端子に接続されている。グリッド22bは、抵抗24およびコイル25を介してフィラメント22aと接続されている。抵抗24は、フィラメント22aから放出された熱電子がグリッド22bに飛び込む際に発生した電流を利用するためのものである。そのため、抵抗24に代えて、出力が100V〜2000V程度の直流マイナス電源を設けることもできる。
The vacuum tube 22 can be a large triode called a transmitter tube. If the vacuum tube 22 is a transmission tube, it can correspond to a dielectric heating device whose output is several kW to several tens of kW.
The vacuum tube 22 which is a triode has a filament 22a, a grid 22b, and a plate 22c. The filament 22 a is connected to one terminal of the DC power supply 3, and the plate 22 c is connected to the other terminal of the DC power supply 3. The grid 22 b is connected to the filament 22 a via the resistor 24 and the coil 25. The resistor 24 is for utilizing the current generated when the thermal electrons emitted from the filament 22a jump into the grid 22b. Therefore, in place of the resistor 24, it is also possible to provide a direct current negative power supply with an output of about 100V to 2000V.

コイル21の両端の電圧E1と電圧E2は逆位相となる。アノード側の電圧E1と逆位相の電圧E2をグリッド制御回路4を介してグリッド22bに帰還させることで自励発振させることができる。図1に例示をした発振回路2は、プレート同調形発振回路である。 コンデンサ23は、グリッド22bに帰還させる電圧E2における直流成分をカットするカップリングコンデンサである。
直流電源3は、100V〜20kV程度の直流電圧を出力する直流電源である。
The voltage E1 and the voltage E2 at both ends of the coil 21 are in opposite phase. Self-sustained oscillation can be achieved by feeding back the voltage E2 in reverse phase to the voltage E1 on the anode side to the grid 22b via the grid control circuit 4. The oscillation circuit 2 illustrated in FIG. 1 is a plate-tuned oscillation circuit. The capacitor 23 is a coupling capacitor that cuts a direct current component in the voltage E2 to be fed back to the grid 22b.
The DC power supply 3 is a DC power supply that outputs a DC voltage of about 100 V to 20 kV.

ここで、一般的に、真空管のグリッドは発振動作中、常にマイナスの電圧にバイアスされている。そのため、電圧が最も高い状態でも電圧はプラスにはならない。しかしながら、真空管が送信管である場合は、より多くのプレート電流を確保することになる。そのため、スイッチオン時には、グリッド電圧をフィラメント電圧よりも高くしている。ところが、グリッド電圧をフィラメント電圧よりも高くすると、グリッドにより多くの電子が飛び込むようになるため、グリッド損が増加する。
また、プレートにはフィラメントから放出された電子が衝突するので損失(以下、プレート損と称する)が発生する。
Here, generally, the grid of the vacuum tube is always biased to a negative voltage during the oscillation operation. Therefore, the voltage does not become positive even in the state of the highest voltage. However, if the vacuum tube is a transmitter tube, more plate current will be secured. Therefore, when the switch is turned on, the grid voltage is higher than the filament voltage. However, if the grid voltage is higher than the filament voltage, more electrons will be injected into the grid, thereby increasing grid loss.
In addition, since the electrons emitted from the filaments collide with the plate, a loss (hereinafter referred to as plate loss) occurs.

送信管は発振動作させてもグリッドやプレートが損傷しないように、表面処理やアノード構造を一般の真空管とは異なるものとしている。そのため、送信管は一般の真空管と比べて、耐熱電流や冷却効率が高くなっている。しかしながら、送信管のグリッド損、およびアノード損は、一般の真空管のグリッド損、およびアノード損に比べてかなり大きくなる。   The surface treatment and the anode structure are made different from general vacuum tubes so that the transmission tubes do not damage the grids and plates even when oscillating. Therefore, the heat-resistant current and the cooling efficiency of the transmission tube are higher than that of a general vacuum tube. However, the grid loss and the anode loss of the transmission tube are considerably larger than the grid loss and the anode loss of a general vacuum tube.

グリッド損およびプレート損は、誘電加熱に寄与しない無効電力となる。そのため、グリッド損およびプレート損の少なくともいずれかを抑制することができれば、誘電加熱装置の電力効率を向上させることができる。   Grid loss and plate loss are reactive powers that do not contribute to dielectric heating. Therefore, the power efficiency of the dielectric heating device can be improved if at least one of grid loss and plate loss can be suppressed.

図2は、比較例に係る誘電加熱装置11を例示するための回路図である。
図2に示すように、誘電加熱装置11には、発振回路2、および直流電源3が設けられている。すなわち、誘電加熱装置11には、グリッド制御回路4が設けられていない。誘電加熱装置11においては、アノード側の電圧E1と逆位相の電圧E2を配線26を介してグリッド22bに帰還させることで自励発振させる。この場合、LC共振周波数と同期したタイミングで真空管をスイッチングさせる自励式の同調発振回路となる。
FIG. 2 is a circuit diagram for illustrating a dielectric heating device 11 according to a comparative example.
As shown in FIG. 2, the dielectric heating device 11 is provided with an oscillation circuit 2 and a DC power supply 3. That is, the grid control circuit 4 is not provided in the dielectric heating device 11. In the dielectric heating device 11, self-oscillation is caused by causing the voltage E2 in reverse phase to the voltage E1 on the anode side to be fed back to the grid 22b via the wiring 26. In this case, it becomes a self-excited tuning oscillation circuit that switches the vacuum tube at a timing synchronized with the LC resonance frequency.

同調発振回路とすれば、発振回路の構成を簡易なものとすることができる。しかしながら、同調発振回路とすれば、原理的に、LC共振周波数と同期したタイミングで真空管をスイッチングさせることになる。同調発振回路の場合には、プレート損やアノード損は、真空管のスイッチングにより発生するため、スイッチングの回数が多くなる同調発振回路とすれば、誘電加熱装置11の電力効率を向上させるのが困難となる。   With the tuned oscillation circuit, the configuration of the oscillation circuit can be simplified. However, in the case of a tuned oscillation circuit, in principle, the vacuum tube is switched at a timing synchronized with the LC resonance frequency. In the case of the tuned oscillation circuit, plate loss and anode loss occur due to switching of the vacuum tube, and it is difficult to improve the power efficiency of the dielectric heating device 11 if the tuned oscillation circuit increases the number of times of switching. Become.

そこで、本実施の形態に係る誘電加熱装置1にはグリッド制御回路4が設けられている。グリッド制御回路4は、誘電加熱装置1の発振回路2に設けられた真空管22のグリッド22bに間欠的に電圧を印加する。また、後述するように、発振回路2のLC共振周波数をf、正の整数をNとした場合に、グリッド制御回路4は、電圧の印加に関するスイッチング周波数がf/Nとなるようにグリッド22bに間欠的に電圧を印加する。
グリッド制御回路4は、電源40、スイッチング素子41、ゲート駆動回路42を有する。
電源40は、直流電源とすることができる。この場合、電源40は、商用電源などからの交流電力を直流電力に変換するものであってもよい。また、電源40は、誘電加熱装置1の外部に設けられ、グリッド制御回路4に直流電力を供給するものであってもよい。
Therefore, the grid control circuit 4 is provided in the dielectric heating device 1 according to the present embodiment. The grid control circuit 4 intermittently applies a voltage to the grid 22 b of the vacuum tube 22 provided in the oscillation circuit 2 of the dielectric heating device 1. Further, as described later, when the LC resonance frequency of the oscillation circuit 2 is f and the positive integer is N, the grid control circuit 4 sets the grid 22 b so that the switching frequency related to the application of voltage becomes f / N. Apply voltage intermittently.
The grid control circuit 4 has a power supply 40, a switching element 41, and a gate drive circuit 42.
The power supply 40 can be a DC power supply. In this case, the power source 40 may convert AC power from a commercial power source or the like into DC power. Further, the power supply 40 may be provided outside the dielectric heating device 1 and supply DC power to the grid control circuit 4.

スイッチング素子41は、電源40からグリッド22bに供給する電力のスイッチングを行う。スイッチング素子41は、例えば、MOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor)、HEMT(High Electron Mobility Transistor)、JFET(Junction Field-Effect Transistor)、接合型トランジスタなどの半導体素子とすることができる。   The switching element 41 switches the power supplied from the power supply 40 to the grid 22b. The switching element 41 can be, for example, a semiconductor element such as a MOSFET (Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor), a HEMT (High Electron Mobility Transistor), a JFET (Junction Field-Effect Transistor), or a junction type transistor.

ゲート駆動回路42は、スイッチング素子41のON状態とOFF状態を切り替える。例えば、ゲート駆動回路42は、スイッチング素子41のゲート電極に所定の電圧を印加することで、スイッチング素子41をON状態にする。スイッチング素子41がON状態になると、スイッチング素子41を介して電源40からグリッド22bに直流電圧が印加される。   The gate drive circuit 42 switches the ON state and the OFF state of the switching element 41. For example, the gate drive circuit 42 turns on the switching element 41 by applying a predetermined voltage to the gate electrode of the switching element 41. When the switching element 41 is turned on, a DC voltage is applied from the power source 40 to the grid 22 b via the switching element 41.

また、ゲート駆動回路42はコイル21に接続されている。そのため、ゲート駆動回路42は、電圧E2または電流からLC共振周波数を検出することができる。
また、ゲート駆動回路42は、カウンタ回路、チャージ回路、位相制御回路などを有することができる。そのため、ゲート駆動回路42は、スイッチング素子41のスイッチングのタイミングをLC共振周波数に基づいて決定することができる。例えば、ゲート駆動回路42は、真空管22が所定の回数のスイッチングを行った際には、スイッチング素子41が1回スイッチングを行うようにすることができる。すなわち、LC共振周波数をf、正の整数をNとした場合に、ゲート駆動回路42(スイッチング素子41)のスイッチング周波数がf/Nとなるようにすることができる。
Also, the gate drive circuit 42 is connected to the coil 21. Therefore, the gate drive circuit 42 can detect the LC resonance frequency from the voltage E2 or the current.
In addition, the gate drive circuit 42 can include a counter circuit, a charge circuit, a phase control circuit, and the like. Therefore, the gate drive circuit 42 can determine the switching timing of the switching element 41 based on the LC resonance frequency. For example, the gate drive circuit 42 can cause the switching element 41 to perform switching once when the vacuum tube 22 performs switching a predetermined number of times. That is, when the LC resonant frequency is f and the positive integer is N, the switching frequency of the gate drive circuit 42 (switching element 41) can be f / N.

誘電加熱装置1は、周囲への電波障害を発生させないようにすることが好ましい。この場合、ISM用周波数の帯域として、6.765MHz以上6.795MHz以下、13.553MHz以上13.567MHz以下、26.957MHz以上27.283MHz以下、および、40.66MHz以上40.70MHz以下を使用することができる。なお、ISM用周波数の帯域は、互いに2倍、3倍となるように設定されている。
そのため、LC共振周波数f、およびスイッチング周波数f/Nの少なくともいずれかが、6.765MHz以上6.795MHz以下、13.553MHz以上13.567MHz以下、26.957MHz以上27.283MHz以下、および、40.66MHz以上40.70MHz以下のいずれかの帯域に含まれるようにすることが好ましい。
Preferably, the dielectric heating device 1 does not generate radio interference to the surroundings. In this case, as the ISM frequency band, 6.765 MHz to 6.795 MHz, 13.553 MHz to 13.567 MHz, 26.957 MHz to 27.283 MHz, and 40.66 MHz to 40.70 MHz are used. be able to. The bands for ISM frequencies are set to be two and three times the other.
Therefore, at least one of the LC resonance frequency f and the switching frequency f / N is 6.765 MHz to 6.795 MHz, 13.553 MHz to 13.567 MHz, 26.957 MHz to 27.283 MHz, and 40. It is preferable to be included in any band of 66 MHz or more and 40.70 MHz or less.

ここで、LC共振回路は、電気抵抗によるエネルギーの消費を無視した理想的な回路であり、実際には、電気抵抗によるエネルギーの消費でエネルギーが減衰することになる。
減衰することなく共振(発振)を維持するためには、外部から共振周波数と同期したタイミングで毎回、エネルギーを補充する必要がある。
例えば、図2に例示をした比較例に係る誘電加熱装置11の場合には、配線26を介して電圧E2をグリッド22bに印加することで、LC共振周波数と同期したタイミングでLC共振回路にエネルギーが補充される。
しかしながらこの様にすると、プレート損やアノード損が共振周波数と同じ周波数で毎回発生するため、誘電加熱装置11の電力効率が低下することになる。
Here, the LC resonant circuit is an ideal circuit neglecting the consumption of energy by electrical resistance, and in fact, the energy is attenuated by the consumption of energy by electrical resistance.
In order to maintain resonance (oscillation) without attenuation, it is necessary to replenish energy from the outside each time at a timing synchronized with the resonance frequency.
For example, in the case of the dielectric heating device 11 according to the comparative example illustrated in FIG. 2, by applying the voltage E2 to the grid 22b via the wiring 26, the energy in the LC resonant circuit is synchronized with the LC resonant frequency. Is replenished.
However, in this case, the plate loss and the anode loss occur each time at the same frequency as the resonance frequency, so that the power efficiency of the dielectric heating device 11 is reduced.

これに対して、本実施の形態に係る誘電加熱装置1にはグリッド制御回路4が設けられているので、グリッド22bに間欠的に電圧を印加することができる。そのため、プレート損やアノード損の抑制、ひいては誘電加熱装置1の電力効率の向上を図ることができる。   On the other hand, since the grid control circuit 4 is provided in the dielectric heating device 1 according to the present embodiment, a voltage can be intermittently applied to the grid 22b. Therefore, it is possible to suppress the plate loss and the anode loss and to improve the power efficiency of the dielectric heating device 1.

また、グリッド22bへの電圧印加を間欠的に行えば、電圧を印加した際のLC共振周波数の振幅が最も大きくなり、電圧の印加を行わない間はLC共振周波数の振幅が減衰する。
そのため、発振回路2からの出力は、LC共振周波数と、スイッチング周波数f/Nの2つの周波数が重畳した交流出力(交流電流あるいは交流電圧)となる。
ワーク100の発熱量は、ワーク100の材料の影響を受ける。例えば、ワーク100の材料によっては高い周波数の交流出力が吸収されやすく、低い周波数の交流出力が吸収され難い場合がある。誘電加熱装置1の交流出力には、2つの周波数が重畳しているので、ワーク100への吸収効率、ひいてはワーク100の発熱効率を向上させることができる。
In addition, if voltage application to the grid 22b is performed intermittently, the amplitude of the LC resonance frequency when the voltage is applied becomes the largest, and while the voltage application is not performed, the amplitude of the LC resonance frequency is attenuated.
Therefore, the output from the oscillation circuit 2 is an AC output (AC current or AC voltage) in which two frequencies of the LC resonance frequency and the switching frequency f / N are superimposed.
The calorific value of the work 100 is affected by the material of the work 100. For example, depending on the material of the work 100, high frequency AC output may be easily absorbed, and low frequency AC output may be difficult to be absorbed. Since two frequencies overlap on the AC output of the dielectric heating device 1, it is possible to improve the absorption efficiency to the work 100 and, consequently, the heat generation efficiency of the work 100.

グリッド制御回路4に設けられたスイッチング素子41およびゲート駆動回路42は、半導体素子により構成することができるので小型化が容易である。また、図1に示すように、グリッド制御回路4は、発振回路2に簡単に接続することができる。すなわち、グリッド制御回路4は、発振回路2と着脱可能に接続することができる。
そのため、既存の誘電加熱装置にグリッド制御回路4を容易に取り付けることができる。
Since the switching element 41 and the gate drive circuit 42 provided in the grid control circuit 4 can be configured by semiconductor elements, miniaturization is easy. Further, as shown in FIG. 1, the grid control circuit 4 can be easily connected to the oscillation circuit 2. That is, the grid control circuit 4 can be detachably connected to the oscillation circuit 2.
Therefore, the grid control circuit 4 can be easily attached to the existing dielectric heating device.

図3は、他の実施形態に係る誘電加熱装置1aを例示するための回路図である。
図3に示すように、誘電加熱装置1aには、発振回路2、直流電源3、およびグリッド制御回路4aが設けられている。
グリッド制御回路4aは、電源40a、スイッチング素子41、ゲート駆動回路42を有する。
図1に例示をした電源40は独立した電源であるが、電源40aは発振回路2からの交流電圧を用いた電源である。
FIG. 3 is a circuit diagram for illustrating a dielectric heating device 1a according to another embodiment.
As shown in FIG. 3, the dielectric heating device 1a is provided with an oscillation circuit 2, a DC power supply 3, and a grid control circuit 4a.
The grid control circuit 4a includes a power supply 40a, a switching element 41, and a gate drive circuit 42.
The power supply 40 illustrated in FIG. 1 is an independent power supply, but the power supply 40 a is a power supply using an AC voltage from the oscillation circuit 2.

電源40aは、LC共振周波数の交流電圧、およびスイッチング周波数f/Nの交流電圧の少なくともいずれかを用いるものとすることができる。
例えば、LCフィルタなどでLC共振周波数の交流電圧をワーク100側に反射させ、スイッチング周波数f/Nの交流電圧のみを用いることもできる。
なお、電源40aに入力されるのは交流電圧であるが、電源40aから出力されグリッド22bに印加されるのは直流電圧である。そのため、電源40aは、交流直流変換回路40bを有するものとすることが好ましい。
The power supply 40a can use at least one of an alternating current voltage of LC resonant frequency and an alternating current voltage of switching frequency f / N.
For example, an AC voltage at the LC resonance frequency may be reflected toward the work 100 by an LC filter or the like, and only an AC voltage at the switching frequency f / N may be used.
Although an alternating voltage is input to the power supply 40a, a DC voltage is output from the power supply 40a and applied to the grid 22b. Therefore, it is preferable that the power supply 40a include an AC-DC converter circuit 40b.

ここで、重い負荷である真空管22のグリッド22bの駆動を高効率で行うためには、スイッチング素子41のスイッチングが行われない間に入力された交流のエネルギーを蓄積し、蓄積された交流のエネルギーを次のスイッチングが行われた際に用いるようにすることが好ましい。
すなわち、グリッド制御回路4aは、エネルギー蓄積回路40cをさらに有するものとすることが好ましい。エネルギー蓄積回路40cは交流直流変換回路40bと一体に設けることもできるし、交流直流変換回路40bとは別に設けることもできる。
Here, in order to drive the grid 22b of the vacuum tube 22 which is a heavy load with high efficiency, the AC energy input while the switching element 41 is not switched is stored, and the stored AC energy is stored. Is preferably used when the next switching is performed.
That is, it is preferable that the grid control circuit 4a further include an energy storage circuit 40c. The energy storage circuit 40c can be provided integrally with the AC / DC converter circuit 40b, or can be provided separately from the AC / DC converter circuit 40b.

以下においては、電源40aが交流直流変換機能とエネルギー蓄積機能とを有する場合を説明する。
図4は、電源40aを例示するための回路図である。
図4に示すように、電源40aはコッククロフト・ウォルトン回路(Cockcroft?Walton circuit)とすることができる。そして、エネルギー蓄積手段としてコンデンサを用いることができる。
Below, the case where the power supply 40a has an alternating current direct current conversion function and an energy storage function is demonstrated.
FIG. 4 is a circuit diagram for illustrating the power supply 40a.
As shown in FIG. 4, the power supply 40a can be a Cockcroft-Walton circuit. And a capacitor can be used as an energy storage means.

電源40aの端子40a1にはスイッチング素子41が接続され、端子40a2および端子40a3には発振回路2が接続される。
電源40aは、2つのダイオード40a4と2つのコンデンサ40a5とで構成される回路40a6を複数備えている。また、複数の回路40a6は直列接続されている。回路40a6は、入力された交流電圧の1サイクルを、整流すると共にチャージする。
The switching element 41 is connected to the terminal 40a1 of the power supply 40a, and the oscillation circuit 2 is connected to the terminal 40a2 and the terminal 40a3.
The power supply 40a includes a plurality of circuits 40a6 configured of two diodes 40a4 and two capacitors 40a5. The plurality of circuits 40a6 are connected in series. The circuit 40a6 rectifies and charges one cycle of the input AC voltage.

例えば、スイッチング周波数f/Nでスイッチング素子41をスイッチングする場合には、N個の回路40a6を直列接続することができる。なお、図4に例示をしたものは、「f/3」の周波数でスイッチング素子41をスイッチングする場合である。   For example, when switching the switching element 41 at the switching frequency f / N, N circuits 40a6 can be connected in series. In addition, what was illustrated in FIG. 4 is a case where the switching element 41 is switched at the frequency of "f / 3".

複数の回路40a6を直列接続することで、1つのコンデンサ40a5およびダイオード40a4に印加される電圧を低減させることができる。また、1つのコンデンサ40a5およびダイオード40a4における発熱量を少なくすることができる。
また、回路40a6は、ダイオード40a4とコンデンサ40a5とで構成されるので、電源40aの小型化を図るのが容易となる。
また、コンデンサ40a5を用いてエネルギーを蓄積すれば、蓄積された電荷量(電圧)としきい値電圧を比較することで、スイッチングの位相を制御できるという利点もある。
なお、コンデンサを備え、交流直流変換機能とエネルギー蓄積機能とを有する回路である、倍圧整流回路、半端整流回路、ブリッジ整流回路などを用いることもできる。
By connecting the plurality of circuits 40a6 in series, the voltage applied to one capacitor 40a5 and the diode 40a4 can be reduced. In addition, the amount of heat generation in one capacitor 40a5 and the diode 40a4 can be reduced.
Further, since the circuit 40a6 is composed of the diode 40a4 and the capacitor 40a5, it becomes easy to miniaturize the power supply 40a.
Furthermore, if energy is stored using the capacitor 40a5, there is also an advantage that the phase of switching can be controlled by comparing the stored charge amount (voltage) with the threshold voltage.
Note that a voltage doubler rectifier circuit, a half rectifier circuit, a bridge rectifier circuit, or the like, which is a circuit including a capacitor and having an AC / DC conversion function and an energy storage function, can also be used.

図5は、他の実施形態に係る電源40aを例示するための回路図である。
図5に示すように、電源40aはフライバック回路とすることができる。フライバック回路は、エネルギーをコイル(フライバックトランス40a7)に流れる電流として蓄積する。
フライバックトランス40a7を用いれば、前述したコンデンサを用いたエネルギーの蓄積と比べて、より耐圧の低いスイッチング素子40a8を用いることができる。そのため、バンドギャップの小さいシリコンなどを用いた半導体素子を用いることができる。
FIG. 5 is a circuit diagram for illustrating a power supply 40a according to another embodiment.
As shown in FIG. 5, the power supply 40a can be a flyback circuit. The flyback circuit stores energy as a current flowing through the coil (flyback transformer 40a7).
When the flyback transformer 40a7 is used, the switching element 40a8 having a lower withstand voltage can be used as compared to the energy storage using the above-described capacitor. Therefore, a semiconductor element using silicon or the like with a small band gap can be used.

スイッチング素子40a8は、例えば、MOSFET、HEMT、JFET、接合型トランジスタなどの半導体素子とすることができる。
また、図5に示すように、電源40aにゲート駆動回路42を内蔵させることができる。
この場合、端子40a1は、スイッチング素子41のゲート電極に接続することができる。
また、端子40a1は、コンデンサ23に接続することもできる。この場合、電源40aに内蔵されたゲート駆動回路42により、直流電圧がグリッド22bに直接印加される。
The switching element 40a8 can be, for example, a semiconductor element such as a MOSFET, a HEMT, a JFET, or a junction transistor.
Further, as shown in FIG. 5, the gate drive circuit 42 can be built in the power supply 40a.
In this case, the terminal 40a1 can be connected to the gate electrode of the switching element 41.
The terminal 40a1 can also be connected to the capacitor 23. In this case, the DC voltage is directly applied to the grid 22b by the gate drive circuit 42 built in the power supply 40a.

以上に説明したように、グリッド制御回路4aは、電源40aを有し、電源40aには、LC共振周波数f、またはスイッチング周波数f/Nの交流電流あるいは交流電圧が入力される。
電源40aは、コッククロフト・ウォルトン回路、倍圧整流回路、半端整流回路、ブリッジ整流回路、およびフライバック回路のいずれかを有するものとすることができる。
As described above, the grid control circuit 4a has the power supply 40a, and an AC current or AC voltage of the LC resonance frequency f or the switching frequency f / N is input to the power supply 40a.
The power supply 40a may include one of a Cockcroft-Walton circuit, a voltage doubler rectifier circuit, a half rectifier circuit, a bridge rectifier circuit, and a flyback circuit.

グリッド制御回路4、4aに設けられたスイッチング素子41、40a8は、バンドギャップが1.4eV以上、あるいは電子移動度が1500cm/V・s以上の半導体素子とすることが好ましい。バンドギャップが1.4eV以上、あるいは電子移動度が1500cm/V・s以上の半導体素子は、例えば、GaAs、GaN、SiC、InPなどを含むものとすることができる。
この様な半導体素子とすれば、低損失とすることができ、スイッチング素子41、40a8の耐圧を高くすることができ、真空管22のスイッチング速度を速くすることができる。また、この様な半導体素子を用いれば、誘電加熱装置1の電力効率と信頼性を向上させることができる。
なお、電源40aなどに設けられたダイオード40a4も、バンドギャップが1.4eV以上、あるいは電子移動度が1500cm/V・s以上のダイオードとすることが好ましい。上記の「バンドギャップが1.4eV以上、あるいは電子移動度が1500cm/V・s以上」は、「バンドギャップが1.4eV以上」及び「電子移動度が1500cm/V・s以上」の少なくともいずれかが満たされれば良いことを意味する。
The switching elements 41 and 40a8 provided in the grid control circuits 4 and 4a are preferably semiconductor elements having a band gap of 1.4 eV or more or electron mobility of 1500 cm 2 / V · s or more. A semiconductor element having a band gap of 1.4 eV or more, or an electron mobility of 1500 cm 2 / V · s or more can include, for example, GaAs, GaN, SiC, InP, or the like.
With such a semiconductor element, low loss can be achieved, the withstand voltage of the switching elements 41 and 40a 8 can be increased, and the switching speed of the vacuum tube 22 can be increased. Moreover, if such a semiconductor element is used, the power efficiency and the reliability of the dielectric heating device 1 can be improved.
The diode 40a4 provided in the power source 40a or the like is also preferably a diode having a band gap of 1.4 eV or more or an electron mobility of 1500 cm 2 / V · s or more. The above “band gap is 1.4 eV or more, or electron mobility is 1500 cm 2 / V · s or more” is “band gap is 1.4 eV or more” and “electron mobility is 1500 cm 2 / V · s or more” It means that at least one should be satisfied.

以上、本発明のいくつかの実施形態を例示したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更などを行うことができる。これら実施形態やその変形例は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。また、前述の各実施形態は、相互に組み合わせて実施することができる。   While certain embodiments of the present invention have been illustrated, these embodiments have been presented by way of example only, and are not intended to limit the scope of the invention. These novel embodiments can be implemented in other various forms, and various omissions, replacements, changes, and the like can be made without departing from the scope of the invention. These embodiments and modifications thereof are included in the scope and the gist of the invention, and are included in the invention described in the claims and the equivalent scope thereof. In addition, the embodiments described above can be implemented in combination with each other.

1 誘電加熱装置、2 発振回路、3 直流電源、4 グリッド制御回路、20 電極、21 コイル、22 真空管、22a フィラメント、22b グリッド、22c プレート、40 電源、40a 電源、40a4 ダイオード、40a5 コンデンサ、40a6 回路、40a7 フライバックトランス、40a8 スイッチング素子、40b 交流直流変換回路、40c エネルギー蓄積回路、41 スイッチング素子、42 ゲート駆動回路、100 ワーク   DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 dielectric heating apparatus, 2 oscillation circuits, 3 DC power supplies, 4 grid control circuits, 20 electrodes, 21 coils, 22 vacuum tubes, 22a filaments, 22b grids, 22c plates, 40 power supplies, 40a power supplies, 40a4 diodes, 40a5 capacitors, 40a6 circuits , 40a7 flyback transformer, 40a8 switching element, 40b AC DC conversion circuit, 40c energy storage circuit, 41 switching element, 42 gate drive circuit, 100 work

Claims (9)

誘電加熱装置の発振回路に設けられた真空管のグリッドに間欠的に電圧を印加するグリッド制御回路であって、
前記発振回路のLC共振周波数をf、正の整数をNとした場合に、前記グリッド制御回路は、前記電圧の印加に関するスイッチング周波数がf/Nとなるように前記グリッドに間欠的に前記電圧を印加するグリッド制御回路。
A grid control circuit for intermittently applying a voltage to a grid of a vacuum tube provided in an oscillation circuit of a dielectric heating device, comprising:
When the LC resonant frequency of the oscillation circuit is f and the positive integer is N, the grid control circuit intermittently applies the voltage to the grid such that the switching frequency related to the application of the voltage is f / N. Grid control circuit to apply.
前記LC共振周波数、および前記スイッチング周波数の少なくともいずれかが、6.765MHz以上6.795MHz以下、13.553MHz以上13.567MHz以下、26.957MHz以上27.283MHz以下、および、40.66MHz以上40.70MHz以下のいずれかの帯域に含まれる請求項1記載のグリッド制御回路。   40. at least one of the LC resonant frequency and the switching frequency is 6.765 MHz to 6.795 MHz, 13.553 MHz to 13.567 MHz, 26.957 MHz to 27.283 MHz, and 40.66 MHz to 40. The grid control circuit according to claim 1, wherein the grid control circuit is included in any band of 70 MHz or less. 前記グリッド制御回路は、電源を有し、前記電源には、前記LC共振周波数、または前記スイッチング周波数の交流電流あるいは交流電圧が入力される請求項1または2に記載のグリッド制御回路。   The grid control circuit according to claim 1 or 2, wherein the grid control circuit has a power supply, and an AC current or an AC voltage of the LC resonance frequency or the switching frequency is input to the power supply. 前記電源は、コッククロフト・ウォルトン回路、倍圧整流回路、半端整流回路、ブリッジ整流回路、およびフライバック回路のいずれかを有する請求項3記載のグリッド制御回路。   The grid control circuit according to claim 3, wherein the power supply includes one of a Cockcroft-Walton circuit, a voltage doubler rectifier circuit, a half rectifier circuit, a bridge rectifier circuit, and a flyback circuit. 前記グリッド制御回路に設けられたスイッチング素子は、バンドギャップが1.4eV以上、あるいは電子移動度が1500cm/V・s以上の半導体素子である請求項1〜4のいずれか1つに記載のグリッド制御回路。 The switching element provided in the grid control circuit is a semiconductor element having a band gap of 1.4 eV or more, or an electron mobility of 1500 cm 2 / V · s or more. Grid control circuit. 前記電源に設けられたダイオードは、バンドギャップが1.4eV以上、あるいは電子移動度が1500cm/V・s以上のダイオードである請求項3または4に記載のグリッド制御回路。 The grid control circuit according to claim 3 or 4, wherein the diode provided in the power supply is a diode having a band gap of 1.4 eV or more or an electron mobility of 1500 cm 2 / V · s or more. 電極と、
真空管を有し、前記電極に高周波電力を供給する発振回路と、
前記真空管のグリッドに間欠的に電圧を印加する請求項1〜6のいずれか1つに記載のグリッド制御回路と、
を備えた誘電加熱装置。
An electrode,
An oscillator circuit having a vacuum tube and supplying high frequency power to the electrodes;
The grid control circuit according to any one of claims 1 to 6, wherein a voltage is intermittently applied to a grid of the vacuum tube;
Dielectric heating device.
前記グリッド制御回路は、前記発振回路と着脱可能に接続されている請求項7記載の誘電加熱装置。   The dielectric heating apparatus according to claim 7, wherein the grid control circuit is detachably connected to the oscillation circuit. 前記電極に印加される高周波電力は、1kW以上である請求項7または8に記載の誘電加熱装置。   The dielectric heating device according to claim 7 or 8, wherein the high frequency power applied to the electrode is 1 kW or more.
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