JP2019121544A - 誘導加熱調理器 - Google Patents

Abstract

【課題】商用電源を製品に投入した直後や通電を開始した直後に発生する異音を抑制する。【解決手段】第１のスイッチ手段２に並列接続された第２のスイッチ手段３と、第１のスイッチ手段と直列的に接続された電流制限手段５と、電流制限手段に並列に接続された第３のスイッチ手段４と、第１のスイッチ手段と電流制限手段とを経由して接続された整流手段６と、整流手段の出力側に接続された電圧可変降圧手段８と、電圧可変降圧手段に接続されたインバータ手段９と、第２のスイッチ手段と第３のスイッチ手段と電圧可変降圧手段とインバータ手段とを制御する制御手段１００とを備え、制御手段は前記第２のスイッチ手段をオンにし、所定時間経過後に前記第３のスイッチ手段をオンさせインバータ手段を起動した後、電圧可変降圧手段の出力電圧をゼロから徐々に上げて所定の降圧電圧レベルまたは設定レベルに設定する。【選択図】図１

Description

本発明は、誘導加熱調理器に関するものである。

鍋を加熱する加熱調理器として、ガスに替わって電気を使用した誘導加熱調理器が普及してきた。

普及にともない、磁性体の鍋の他に非磁性の銅製やアルミ製の鍋も加熱できる誘導加熱調理器も製品化されている。

ガスを使用した加熱調理器と異なり、誘導加熱調理器は多くの回路構成が有り、例えば、使用者が操作するモーメンタリ型電源スイッチを経由して最初に制御手段に電源を供給し、そのオンを検出したのち自己保持スイッチをオンにし、整流した後にインバータ手段を接続する方法（特許文献１）、整流後に昇降圧回路や降圧回路を経由した後にインバータを接続する方法（特許文献２、３）等がある。

また、加熱時に大電流をオンオフすることで大きな雑音源となる場合があるため、インバータ手段の前段ないしは商用電源の入力部あるいはその両方にフィルタ手段を接続する先行技術が存在する。（特許文献４）

特開２００８−１７７０１１号公報 特開２０１０−８０３５９号公報 特開平１１−２６０５４２号公報 特開２００９−１４６８６９号公報

誘導加熱調理器の回路には、フィルムコンデンサやチョークコイルなどの部品が用いられており、急激な電圧変化や電流変化によって前記部品の内部に電歪、磁歪が生じる。例えばフィルムコンデンサは、電圧変化に伴い電極間にクーロン力が働き歪むことによって音を発する。また、チョークコイルは電流の変化が磁束密度の変化となり、磁性体が歪むことによって音を発する場合が多い。これらが使用者に異音となって認識される場合がある。

これらの現象は、製品の電源スイッチを投入した直後（製品の電源スイッチをオンしたとき）や、インバータの通電を開始したときが顕著となる。

異音の発生は、外部ノイズを低減するためのフィルタに設けたコンデンサやチョークコイル、インバータ内の平滑コンデンサ、スナバコンデンサの容量、材質や形状によって異なる。また、インバータ手段がオンオフ制御を行う場合、急激な電圧印加がスナバコンデンサなどに生じた時にも同様に異音となる場合があり、使用者にとっては、これらの異音が小さいレベルでも気になることがある。

この異音の発生について特許文献４に記載の図３を用いて概略を説明する。

交流電源１２にダイオードブリッジＤＢ１が接続されている。一般的にこの交流電源１２とダイオードブリッジＤＢ１との間に電源スイッチ（図示なし）を有し、ダイオードブリッジＤＢ１の出力側の出力間にフィルタ手段としてフィルムコンデンサ（図示なし）が設けられ、その後段に直流電源部（Ｌ１、Ｃ１）が接続し、インバータ３２に接続されている。

インバータ３２には、トランジスタＱ１とＱ２、加熱コイルＬ３と共振コンデンサＣ４、Ｃ３で構成される共振回路があり、スイッチング素子（Ｑ１、Ｑ２）を高速で排他的にオンオフさせることにより加熱コイルに高周波数の電流を流し、近傍に配された金属負荷（鍋１７）の底面に渦電流を発生させて自己加熱させる。また、トランジスタＱ１とＱ２にはノイズ防止用のスナバコンデンサ（図示なし）がダイオードＤ１とＤ２にそれぞれ並列に接続している。

使用者が誘導加熱調理器を起動するため電源スイッチをオンすると、ダイオードブリッジＤＢ１に電源が供給されフィルタ手段のフィルムコンデンサには急激な充電が行われ、直流電源部のチョークコイルＬ１にも急激な電流が流れるとともにコンデンサＣ１にも充電が行われる。少なくとも商用電源の半周期以内には、商用電源１電圧の最大値まで達する。特に、交流電源のピーク電圧である位相で電源スイッチをオンした場合が最も厳しい条件になる。同様にインバータ３２の前記各スナバコンデンサには交流電源１２の約半分の電圧まで急激に充電される。このような急激な充電により、コンデンサやチョークコイルから異音が発生する。

インバータ３２がハーフブリッジ（ＳＥＰＰ）型やフルブリッジ型である場合、上アームのトランジスタと下アームのトランジスタの駆動は排他的に行われる。ＳＥＰＰ型のインバータを例にとると、上アームのトランジスタＱ１のインバータ駆動回路はブートストラップ電源を用いることがほとんどである。

ブートストラップ電源の詳細な説明は省略するが、ブートストラップ電源を採用した場合は、インバータ動作を開始するためにはトランジスタＱ２を先にオンさせてトランジスタＱ１を動作させるエネルギーを得た後にトランジスタＱ１をオンするものである。この動作の流れより、前記電源スイッチがオンし、電源が既に商用電源の最大値まで上昇している場合、トランジスタＱ２にかかる電圧、すなわち、ダイオードＤ１とＤ２に並列に設けた各スナバコンデンサにはそれぞれ前記電圧の約半分の電圧が充電されているため、トランジスタＱ２の駆動開始動作によって、ダイオードＤ１に並列に設けたスナバコンデンサは急激な短絡電流の発生とダイオードＤ２に並列に設けたスナバコンデンサの急激な充電動作が同時に発生するため、異音の要因となる。

さらには、インバータ通電開始時にはインバータ３２にかかる電圧は交流電源１２の最大の状態から開始されるため最少の電力が制限されてしまう。磁性体負荷（鉄ホーローなど）の場合、発生する磁束によって負荷との間に比較的大きな吸引力が発生しガラス天板間との衝撃音となり、これも異音の要因となる。

また、インバータ加熱のオンオフ制御を行う場合、オン時には毎回上記動作が行われるため、動作間隔にしたがって異音が発生することになる。

本発明は、上記の課題を解決するものであり、商用電源より電力の通電を制御するモーメンタリ型の第１のスイッチ手段と、該第１のスイッチ手段に並列接続された第２のスイッチ手段と、前記第１のスイッチ手段と直列的に接続された電流制限手段と、該電流制限手段に並列に接続された第３のスイッチ手段と、前記第１のスイッチ手段と前記電流制限手段とを経由して接続された整流手段と、該整流手段の出力側に接続された電圧可変降圧手段と、該電圧可変降圧手段に接続されたインバータ手段と、前記第２のスイッチ手段と前記第３のスイッチ手段と前記電圧可変降圧手段と前記インバータ手段とを制御する制御手段とを備え、該制御手段は前記第２のスイッチ手段をオンにし、所定時間経過後に前記第３のスイッチ手段をオンさせ前記インバータ手段を起動した後、前記電圧可変降圧手段の出力電圧をゼロから徐々に上げて所定の降圧電圧レベルまたは設定レベルに設定するものである。

本発明によれば、電源投入直後、あるいは、インバータ通電開始直後に、フィルタ手段やインバータ手段内に配されたコンデンサやチョークコイルから発生する異音を抑制することができ、使用者の不快感を低減できるとともに、負荷の判別を適切に行うことができる。

また、インバータ通電のオンオフ制御におけるインバータ通電開始直後に、フィルタ手段やインバータ手段内に配されたコンデンサやチョークコイルから発生する異音を抑制することができることから、インバータのオンオフ制御における異音による使用者の不快感を低減できる。

さらに、インバータ通電をオフした場合には、インバータにかかる電圧がほぼゼロ電圧になるため、インバータ内部素子の電圧ストレスを最小化でき、故障の発生を抑制できる。

本発明の第１の実施例の要部ブロック図 第１の実施例の起動手順を示す説明図 負荷加熱可否を判定するための第１の説明図 負荷加熱可否を判定するための第２の説明図 第１の実施例の停止手順を示す説明図 本発明の第２の実施例の要部ブロック図 第２の実施例における起動手順を示す説明図

本発明の第１の実施例について図１を用いて説明する。図１において、商用電源１に第１のスイッチ手段２（モーメンタリ型）と第２のスイッチ手段３の並列体を接続する。また、第３のスイッチ手段４と電流制限手段５の並列体を接続する。前記並列体を整流手段６に接続し直流化する。直流化した電源は入力コンデンサ７１、チョークコイル７２、出力コンデンサ７３等で構成されるフィルタ手段７に接続し、さらに、高速スイッチ手段８１、還流ダイオード８２、チョークコイル８３、平滑コンデンサ８４等で構成される電圧可変降圧手段８に接続したのち、インバータ手段９に接続する。

ここでは、インバータ手段９は、直列に接続した逆並列ダイオードを接続した高速スイッチ手段９１、９２、それぞれにスナバコンデンサ９５、９６を接続し、中点から加熱コイル９３と共振コンデンサ９４を接続し、電源の基準電位側に接続するＳＥＰＰ回路としている。

制御手段１００は、第１のスイッチ手段２のオンオフ状態の入力、第２のスイッチ手段３のオンオフの制御、第３のスイッチ手段４のオンオフ制御、電圧可変降圧手段８の制御およびインバータ手段９の制御を行い負荷への投入電力の制御を行う。第２のスイッチ手段３と第３のスイッチ手段４は制御手段１００からオンオフの制御が出来るリレーやトライアックなどのスイッチ手段を用いている。

次に図２を用いて動作開始シーケンスについて説明する。

時刻ｔ０において、使用者が第１のスイッチ手段２をオンすると商用電源１から電力の供給が開始し制御手段１００の電源手段（図示せず）が立ち上がり制御手段１００は起動する。

第１のスイッチ手段２がオンするタイミングによって、フィルタ手段７に印加される電圧は変化し、商用電源１のピーク位相の時が最も高くなる。しかし、電流制限手段５によって流れ込む電流が抑えられるため、緩やかに電圧は上昇していく。制御手段１００が起動し、時刻ｔ１に制御手段１００が第１のスイッチ手段２のオン状態を検出すると、利用者が電源スイッチを押したものと判断し、第２のスイッチ手段３をオンし、制御回路用電源手段の自己保持を行う。もしくは、制御手段１００が起動したことで利用者が前記電源スイッチを押したものと判断してもよい。

このとき、フィルタ手段の入力電圧Ｖａおよび電圧可変降圧手段８の入力電圧Ｖｂは、電流制限手段５を経由して電流が流れるために図２のように徐々に立ち上がる。

ｔ１から所定時間経過したｔ２において第３のスイッチ手段４をオンにする。
この時点で、ＶａおよびＶｂは電流制限手段５によって、ゼロ電圧と商用電源１のピーク電圧の間まで、任意に設定できる電圧に充電されているが、ｔ３において第３のスイッチ手段４をオンすることにより、商用電源１のピーク電圧まで充電される。このとき、充電されるまでの電位差ないし電流がフィルタ手段７に含まれるコンデンサやチョークコイルに異音を発生させる可能性はあるが、従来例のようにゼロ電圧から商用電源１のピーク電圧まで充電される場合よりもはるかに小さくなることは明白である。コンデンサがピーク電圧まで充電されてから第４のスイッチ手段４をオンすれば、この時点までの異音の発生は皆無となる。

ｔ４において、インバータ手段９の動作を開始する。ただし、電圧可変降圧手段８の動作は停止状態（スイッチング素子８１がオフ）のため、インバータ手段９の入力電圧Ｖｃの電圧はゼロであり、インバータ手段９の内部にある各部品に電圧はかかっていないのでスイッチング素子９１、９２が排他的にオンオフしても動作電流もゼロであり、スナバコンデンサ９５、９６からの異音発生は無い。

ｔ５において、電圧可変降圧手段８の動作を開始する。このときの動作はソフトスタートとする。したがって、インバータ手段９に印加される電圧Ｖｃも徐々に上昇していき、例えばスナバコンデンサ９６にかかる電圧Ｖｃも同様であり、加熱コイル９３、共振コンデンサ９４に流れる電流も緩やかに上昇していくため、負荷９７（金属鍋）に対して急激な磁束鎖交も発生しない。このため、インバータ手段９および負荷９７から発生する異音も抑制される。

これらの動作の後、制御手段１００による所定の電圧可変降圧手段８の出力設定電圧またはスイッチング手段８１の設定デューティにするとともに、インバータ手段９の動作状態（周波数やデューティ等）から、負荷電流検出回路ＩＬ、商用電源電流検出回路Ｉｉｎ等から負荷の加熱可否を判断する。

図３は負荷加熱可否を判定するための第１の判定図例である。例えば、電圧可変降圧手段８の出力電圧およびインバータ手段９の動作状態を固定した状態において、図３のような負荷電流・商用電源電流の特性図に照らし合わせて加熱可否を判断することができる。この図においては、商用電源電流を横軸、負荷電流を縦軸として表したとき、商用電源電流に対して負荷電流が大きいほどインバータ負荷の等価抵抗が小さく加熱しにくいこと（非磁性ステンレスやアルミニウム製の鍋など）を示している。

図４は負荷加熱可否を判定するための第２の判定図例である。電圧可変降圧手段８の降圧設定デューティとインバータ手段９の動作状態を固定した状態において、降圧設定デューティを固定すると、負荷インピーダンスによって電圧が変化する。例えば非磁性ステンレスやアルミニウム製の負荷では、負荷電流が大きくインバータ入力電流も低下する。また、等価抵抗の小さな負荷（例えば、無負荷の場合）では電力が消費されないため、インバータ入力電圧は下がらない。このような特性を図４のような負荷電流・インバータ入力電圧Ｖｃの特性図に照らし合わせて加熱可否を判断することができる。

次に図５を用いて動作停止シーケンスについて説明する。

時刻ｔ６まで通常のインバータ動作を継続しているものとする。このとき、加熱電力は電圧可変降圧手段８の出力を１００％としてインバータ手段９の動作設定を可変していても、また、電圧可変降圧手段８の出力を可変してインバータ手段９の動作設定を固定していても、また、電圧可変降圧手段８の出力とインバータ動作９の動作設定を組み合わせて動作させてもよい。

ｔ６において、使用者の設定した加熱の電力設定が低く、オンオフ制御を行っている場合、あるいは、使用者が加熱中に加熱停止操作をした場合、加熱中に第１のスイッチ手段２のオンを検出した場合には、以下の動作を行う。

時刻ｔ６からｔ７にかけて、インバータ９の動作は継続したまま電圧可変降圧手段８の出力を下げていく。これにより、電圧可変降圧手段８の出力コンデンサ８４が放電されていき電圧が下がるので、インバータ手段９のスイッチング素子にかかる電圧が低下するとともに、スナバコンデンサ９５、９６にかかる電圧が低下し、最終的にはインバータ手段９の入力電圧Ｖｃがゼロ電圧になったまま動作する状態になる。

時刻ｔ７になったあと、時刻ｔ８においてインバータ手段９の制御信号を下げていき、時刻ｔ９において停止する。

このような動作を行うと、フィルタ手段７の入力電圧Ｖａおよび電圧可変降圧手段８の入力電圧Ｖｂは商用電源１の最大電圧になったままであるが、インバータ手段９の入力電圧Ｖｃはほぼゼロとなる。

オンオフ制御の場合は、この状態から、再度インバータ通電を開始するものであり、インバータ手段９の動作を先に行い、電圧可変降圧手段８の出力電圧を徐々に高くしていくことで図２における時刻ｔ４以降と同等となるので、異音の発生は抑制されたままでインバータ加熱のオンオフ制御を行うことができる。

また、使用者が加熱動作中に第１のスイッチ２手段をオンした場合は、制御手段１００は引き続き第２のスイッチ３と第３のスイッチ手段４をオフする。これにより、インバータ手段９にかかる電圧はほぼゼロ電圧のまま停止されるので、インバータ手段９の素子への電圧ストレスが最少となり安全が確保される。

次に、本発明の第２の実施例について図６を用いて説明する。

図６は、図１におけるフィルタ手段７の代わりに、商用電源１側にコモンモードフィルタ手段２００を挿入した例である。

図６において、商用電源１に第１のスイッチ手段２（モーメンタリ型）と第２のスイッチ手段３の並列体を接続する。また、第３のスイッチ手段４と電流制限手段５の並列体を接続する。

前記並列体にアクロスコンデンサ２０１、２０３、コモンモードチョークコイル２０２で構成されるフィルタ手段２００を接続し、その出力を整流手段６に接続し直流化する。直流化した電源は平滑コンデンサ８０、高速スイッチ手段８１、還流ダイオード８２、チョークコイル８３、平滑コンデンサ８４等で構成される電圧可変降圧手段８に接続したのち、インバータ手段９に接続する。
ここでは、インバータ手段９は、直列に接続した逆並列ダイオードを接続した高速スイッチ手段９１、９２、それぞれにスナバコンデンサ９５、９６を接続し、中点から加熱コイル９３と共振コンデンサ９４を接続し、電源の基準電位端に接続するＳＥＰＰ回路としている。

制御手段１００は、第１のスイッチ手段２のオンオフ状態の入力、第２のスイッチ手段３のオンオフの制御、第３のスイッチ手段４のオンオフ制御、電圧可変降圧手段８の制御およびインバータ手段９の制御を行い負荷への投入電力の制御を行う。

次に図７を用いて動作開始シーケンスについて説明する。

時刻ｔ０において、第１のスイッチ手段２がオンすると制御回路用電源手段（図示せず）が立ち上がる。第１のスイッチ手段２がオンするタイミングによって、フィルタ部２００に最も大きな電流が流れ込むのは、商用電源１の電圧が最も高い位相の時であるが、この時、流れこむ電流は電流制限手段５によって制限されるため抑制されることになるので、フィルタ手段２００内の各素子にかかる電圧や電流が抑えられ、異音の発生も抑制される。制御手段１００が起動し、時刻ｔ１に制御手段１００が第１のスイッチ手段２のオン状態を検出すると、利用者が電源スイッチを押したものと判断し、第２のスイッチ手段３をオンし、制御回路用電源手段の自己保持を行う。このとき、フィルタ手段２００の入力電圧Ｖａおよび出力電圧Ｖｂは、電流制限手段５を経由して電流が流れるために、整流手段６によって直流化した電圧Ｖｄは図７のように徐々に立ち上がる。

ｔ１から所定時間経過したｔ２において第３のスイッチ手段４をオンにする。この時点で、電圧可変降圧手段８の入力電圧Ｖｄは電流制限手段５によって、ゼロ電圧と商用電源１のピーク電圧の間まで、任意に設定できる電圧に充電されているが、第３のスイッチ４をオンすることにより、商用電源１のピーク電圧まで充電される。このとき、充電されるまでの電位差ないし電流がフィルタ手段２００に含まれるコンデンサやチョークコイルに異音を発生させる可能性はあるが、従来例のようにゼロ電圧から商用電源１のピーク電圧まで充電される場合よりもはるかに小さくなることは明白である。コンデンサがピーク電圧まで充電されてから第４のスイッチ手段４をオンすれば、この時点までの異音の発生は皆無となる。

ｔ４において、インバータ手段９の動作を開始する。ただし、電圧可変降圧手段８の動作は行っていないため、インバータ手段９の入力電圧Ｖｃの電圧はゼロであり、インバータ手段９の内部にある各部品に電圧はかかっていないのでスイッチング素子９１、９２が排他的にオンオフしても動作電流もゼロであり、スナバコンデンサ９５、９６等からの異音発生は無い。

ｔ５において、電圧可変降圧手段８の動作を開始する。このときの動作はソフトスタートである。したがって、インバータ手段９に印加される電圧Ｖｃも徐々に上昇していき、例えばスナバコンデンサ９６にかかる電圧Ｖｃも同様であり、加熱コイル９３、共振コンデンサ９４に流れる電流も緩やかに上昇していくため、負荷９７（金属鍋）に対して急激な磁束鎖交も発生しない。このため、インバータ手段９および負荷９７から発生する異音も抑制される。

第２の実施例における動作停止シーケンス、負荷の判別方法については、第１の実施例と同様であるので省略する。

なお、第１の実施例はフィルタ手段が整流手段６の後段に、第２の実施例はフィルタ手段が整流手段の前段にあるが、必ずしもこれに限るわけではなく、前後段両方にフィルタ手段があっても同様の効果が期待できる。

２・・・第１のスイッチ手段、３・・・第２のスイッチ手段、４・・・第３のスイッチ手段、５・・・電流制限手段、６・・・整流手段、７・・・フィルタ手段、８・・・電圧可変降圧手段、９・・・インバータ手段、８１・・・スイッチング手段、９１・・・スイッチング手段、９２・・・スイッチング手段、９３・・・加熱コイル、９４・・・共振コンデンサ、９５・・・スナバコンデンサ、９６・・・スナバコンデンサ、１００・・・制御手段

Claims (2)

1. 商用電源より電力の通電を制御するモーメンタリ型の第１のスイッチ手段と、
   該第１のスイッチ手段に並列接続された第２のスイッチ手段と、
   前記第１のスイッチ手段と直列的に接続された電流制限手段と、
   該電流制限手段に並列に接続された第３のスイッチ手段と、
   前記第１のスイッチ手段と前記電流制限手段とを経由して接続された整流手段と、
   該整流手段の出力側に接続された電圧可変降圧手段と、
   該電圧可変降圧手段に接続されたインバータ手段と、
   前記第２のスイッチ手段と前記第３のスイッチ手段と前記電圧可変降圧手段と前記インバータ手段とを制御する制御手段とを備え、
   該制御手段は前記第２のスイッチ手段をオンにし、
   所定時間経過後に前記第３のスイッチ手段をオンさせ前記インバータ手段を起動した後、
   前記電圧可変降圧手段の出力電圧をゼロから徐々に上げて所定の降圧電圧レベルまたは設定レベルに設定することを特徴とする誘導加熱調理器。
2. 前記インバータ手段がオフする際は、前記電圧可変降圧手段の出力を最低値に低下させてから行うことを特徴とする、請求項１記載の誘導加熱調理器。

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