JP2019176631A - インバータ装置およびその制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】電流センサを使用することなく複数のインバータにおいて供給する電力検知を行うことができる低価格、小型のインバータ装置およびその制御方法を提供すること。【解決手段】インバータ装置は、電源部（１）と、電源部の電圧を安定化させるコンデンサ（２）と、コンデンサの充電電圧を検出する電力検出部（６）と、コンデンサの電力を高周波コイルに供給するスイッチング素子を含んで構成される複数のインバータ（４ａ、４ｂ）と、インバータを駆動制御する制御部（７）とを有し、制御部（７）は複数のインバータを構成するそれぞれのスイッチング素子のオン状態が重なるとき、オン状態が重なったスイッチング素子のオン時間を、オン状態の重なり状態に応じて制御するよう構成されている。【選択図】図１

Description

本開示は、トッププレート上に載置された金属製の調理用鍋等の被加熱物を誘導加熱する誘導加熱調理器等に用いられるインバータ装置およびその制御方法に関する。

インバータ装置を備えて一般的に用いられている誘導加熱調理器においては、高周波コイルがトッププレートの直下に配設されており、当該高周波コイルからの磁界によりトッププレート上に載置された被加熱物である金属製の調理用鍋等を誘導加熱するよう構成されている。

このような誘導加熱調理器では、電源から供給される電力をスイッチング素子等で構成されるインバータによって高周波電流を高周波コイルに供給することによって磁界を発生させ、調理用鍋を加熱している。

同一の電源から複数の負荷へ電力を供給する場合、電圧を安定化させるために容量の大きいコンデンサが必要となり、機器が大型化するという課題があった。また、コンデンサの容量を減らして小型化する場合には、複数の負荷に対して電力を供給するタイミングが重ならないようにするため、負荷に電力を供給するそれぞれのインバータの駆動周波数を同一駆動周波数として、同時にスイッチング素子がオン状態とならないようにする必要があった。

特開２０１０−５５８７３号公報

機器の小型化と低廉化のために、複数のインバータに接続されたコンデンサの容量値を減らした場合には、複数の負荷に対する電力供給のタイミングが重ならないようにインバータの駆動周波数を同一にする必要があった。このような構成においては、インバータの駆動周数数を変更して電力を制御することができないため、電力の制御範囲が限定されていた。一方、コンデンサの容量値をある程度確保して、異なる周波数でインバータを駆動させた場合には、複数のインバータが同時に動作したときと、インバータが単独で動作したときでは、同一の導通比であっても、そのときのコンデンサの電圧が異なるため負荷に供給される電力が異なるという課題があった。

本開示は、機器の小型化と低廉化を図り、負荷に必要な電力を確実に供給することができるインバータ装置およびその制御方法を提供することを目的とするものであり、当該インバータ装置を誘導加熱調理器に用いた場合には思い通りの調理性能を示す機器の構築を可能とするものである。

本開示における一態様のインバータ装置は、電源部と、前記電源部の電圧を安定化させるコンデンサと、前記コンデンサの充電電圧を検出する電力検出部と、前記コンデンサの電力を高周波コイルに供給するスイッチング素子を含んで構成される複数のインバータと、前記複数のインバータを駆動制御する制御部と、を有し、
前記制御部は、前記複数のインバータを構成するそれぞれのスイッチング素子において、前記スイッチング素子のオン状態が重なるとき、オン状態が重なったスイッチング素子のオン時間を、オン状態の重なり状態に応じて制御するよう構成されている。

本開示における一態様のインバータ装置の制御方法は、複数のインバータを構成するそれぞれのスイッチング素子において、前記スイッチング素子のオン状態が重なり、電源部の電圧を安定化させるコンデンサの充電電圧が複数の負荷に供給されるとき、前記複数のインバータを駆動するそれぞれの駆動周波数における各周期で負荷に供給されるエネルギが、前記スイッチング素子が単独でオン状態のときに負荷に供給するエネルギと同一となるように、各周期の導通比を制御する、ことを含むものである。

本開示におけるインバータ装置およびその制御方法においては、コンデンサの容量値を大きくすることなく、それぞれの負荷に供給する電力の変動を抑えて、安定した制御を行うことができるため、機器の小型化と低廉化を提供することが可能となる。

本開示に係る実施の形態１のインバータ装置の構成を示すブロック図 インバータ装置において、コンデンサ電圧と複数のインバータの動作とを示す波形図 インバータ装置において、コンデンサ電圧と複数のインバータの動作とを示す波形図 本開示に係る実施の形態１のインバータ装置におけるコンデンサ電圧と複数のインバータの動作とを示す波形図

本開示に係る第１の態様のインバータ装置は、電源部と、前記電源部の電圧を安定化させるコンデンサと、前記コンデンサの充電電圧を検出する電力検出部と、前記コンデンサの電力を高周波コイルに供給するスイッチング素子を含んで構成される複数のインバータと、前記複数のインバータを駆動制御する制御部と、を有し、
前記制御部は、前記複数のインバータを構成するそれぞれのスイッチング素子において、前記スイッチング素子のオン状態が重なるとき、オン状態が重なったスイッチング素子のオン時間を、オン状態の重なり状態に応じて制御するよう構成されている。

上記のように構成された第１の態様のインバータ装置は、複数のインバータを共通の電源で動作させる場合であっても、インバータの動作状態に応じてオン時間を変更することにより、負荷に供給する電力を安定させることができる。

本開示に係る第２の態様のインバータ装置は、前記の第１の態様における前記インバータのスイッチング素子において、オン状態が重なったときのオン時間は、前記スイッチング素子のオン状態が重ならないときのオン時間より長くなるよう設定してもよい。

インバータ装置においては、インバータのオン状態が重なった場合には、コンデンサに充電されている電力値が満充電時よりも減少した状態になっている。このため、オン状態が重なっていないときの導通比と同じ導通比でインバータを動作させた場合には供給できる電力が減ってしまう。したがって、第２の態様のインバータ装置においては、インバータのオン状態が重なった場合には、オン時間を延ばすことによって、継続して同じ電力を高周波コイルに供給し、負荷に供給する電力を安定させている。

本開示に係る第３の態様のインバータ装置は、前記の第２の態様において、前記インバータのスイッチング素子のオン時間が、前記コンデンサの電圧に応じて制御されるよう構成してもよい。

インバータ装置においては、インバータのオン状態が重なっている場合、後でオン状態となるスイッチング素子では、先にオン状態となるスイッチング素子のオン時間に応じてコンデンサにおける充電状態が満充電時よりも減った状態になっている。このため、第３の態様のインバータ装置においては、インバータが同時にオン状態となっているときのコンデンサの充電電圧に応じてスイッチング素子のオン時間を決定して、継続して同じ電力を供給することを可能とし、負荷に供給する電力を安定させている。

本開示に係る第４の態様のインバータ装置は、前記の第２の態様の前記インバータのスイッチング素子において、オン状態が重なったときのオン時間が、前記スイッチング素子のオン状態が重なっている時間に応じて制御されるよう構成されてもよい。

インバータ装置は、インバータのオン状態が重なっている場合、後でオン状態となったインバータにおいては、先にオン状態となっているインバータのオン時間に応じてコンデンサにおける充電状態が満充電時よりも減った状態になっている。このため、第４の態様のインバータ装置においては、コンデンサにおける充電状態に合わせて、それぞれのインバータのオン時間を延ばしており、スイッチング素子のオン状態が重なっている時間に応じてオン時間を制御することによって、継続して同じ電力を高周波コイルに供給することを可能として、負荷に供給する電力を安定させている。

本開示に係る第５の態様のインバータ装置は、前記の第１の態様の前記制御部が、前記複数のインバータを駆動するそれぞれの駆動周波数における各周期で前記高周波コイルに供給されるエネルギを同一となるように、各周期の導通比を制御するよう構成してもよい。

このように構成された第５の態様のインバータ装置は、インバータを駆動する駆動周波数における各周期で略同一のエネルギを高周波コイルに供給することができ、負荷に供給する電力を安定させることができる。

本開示に係る第６の態様のインバータ装置は、前記の第１の態様の前記制御部が、前記複数のインバータを駆動するそれぞれの駆動周波数における各周期で前記高周波コイルに供給されるエネルギを同一となるように、前記電力検出部が検出した充電電圧に基づいて制御するよう構成してもよい。

このように構成された第６の態様のインバータ装置は、インバータを駆動する駆動周波数における各周期で略同一のエネルギを高周波コイルに供給することができ、負荷に供給する電力を安定させることができる。

本開示に係る第７の態様のインバータ装置は、前記の第１の態様の前記制御部が、前記複数のインバータを駆動するそれぞれの駆動周波数における各周期で前記高周波コイルに供給されるエネルギを同一となるように、各周期の導通比を前記複数のインバータのスイッチング素子のオン状態の重なる期間に応じて制御するよう構成してもよい。

このように構成された第７の態様のインバータ装置は、インバータを駆動する駆動周波数における各周期で略同一のエネルギを高周波コイルに供給することができ、負荷に供給する電力を安定させることができる。

本開示に係る第８の態様のインバータ装置の制御方法は、複数のインバータを構成するそれぞれのスイッチング素子において、前記スイッチング素子のオン状態が重なり、電源部の電圧を安定化させるコンデンサの充電電圧が複数の負荷に供給されるとき、前記複数のインバータを駆動するそれぞれの駆動周波数における各周期で負荷に供給されるエネルギが、前記スイッチング素子が単独でオン状態のときに負荷に供給するエネルギと同一となるように、各周期の導通比を制御する、ことを含む。

インバータのオン状態が重なっている場合、後でオン状態となるスイッチング素子においては、先にオン状態となるスイッチング素子のオン時間に応じてコンデンサにおける充電状態が満充電時よりも減った状態になっている。このため、第８の態様のインバータ装置の制御方法においては、複数のインバータを駆動の駆動周波数における各周期で負荷に供給されるエネルギを略同一とするために、インバータが同時にオン状態となっているときのコンデンサの電圧に応じてスイッチング素子のオン時間を決定して、継続して同じ電力を負荷に供給しており、負荷に供給する電力を安定化させている。

本開示に係る第９の態様のインバータ装置の制御方法は、前記の第８の態様における前記スイッチング素子のオン状態が重なり、電源部の電圧を安定化させるコンデンサの充電電圧が複数の負荷に供給されるとき、前記複数のインバータを駆動するそれぞれの駆動周波数における各周期で負荷に供給されるエネルギが、前記スイッチング素子が単独でオン状態のときに負荷に供給するエネルギと同一となるように、前記コンデンサの充電電圧に基づいて制御する、ことを含むものでもよい。

上記の第９の態様のインバータ装置の制御方法においては、複数のインバータを駆動の駆動周波数における各周期で負荷に供給されるエネルギを略同一とするために、コンデンサの充電電圧に基づいて制御して、継続して略同じ電力を負荷に対して供給することが可能となり、負荷に供給する電力を安定化させている。

本開示に係る第１０の態様のインバータ装置の制御方法は、前記の第８の態様における複数のインバータを構成するそれぞれのスイッチング素子において、前記スイッチング素子のオン状態が重なり、電源部の電圧を安定化させるコンデンサの充電電圧が複数の負荷に供給されるとき、前記複数のインバータを駆動するそれぞれの駆動周波数における各周期で負荷に供給されるエネルギが、前記スイッチング素子が単独でオン状態のときに負荷に供給するエネルギと同一となるように、各周期の導通比を前記複数のインバータのスイッチング素子のオン状態の重なる期間に応じて制御する、ことを含むものでもよい。

上記の第１０の態様のインバータ装置の制御方法においては、複数のインバータを駆動する駆動周波数における各周期で負荷に供給されるエネルギを略同一とするために、インバータを駆動するそれぞれの駆動周波数における各周期の導通比をスイッチング素子のオン状態の重なる期間に応じて制御し、継続して略同じ電力を負荷に対して供給することが可能となり、負荷に供給する電力を安定化させている。

以下、本開示に係るインバータ装置およびその制御方法の一実施の形態について、適宜図面を参照しながら詳細に説明する。実施の形態の説明においては、例えば、既に良く知られた事項の詳細説明や実質的に同一の構成に対する重複説明を省略する場合がある。これは、以下の説明が不必要に冗長になるのを避け、当業者の理解を容易にするためである。

なお、発明者は、当業者が本開示を十分に理解するために添付図面および以下の説明を提供するものであって、これらによって特許請求の範囲に記載の主題を限定することを意図するものではない。

以下の実施の形態のインバータ装置およびその制御方法においては、インバータ装置を誘導加熱調理器に用いた構成について説明するが、この構成は例示であり、本開示は、以下の実施の形態において説明する構成に限定されるものではなく、本開示の技術的特徴を有するインバータ装置を含むものである。また、本開示には、以下に述べる各実施の形態において説明する任意の構成を適宜組み合わせることを含むものであり、組み合わされた構成においてはそれぞれの効果を奏するものである。

（実施の形態１）
図１は、本開示に係る実施の形態１のインバータ装置の構成を示す制御ブロック図である。図１に示すように、実施の形態１のインバータ装置は、電力を供給する電源部１と、電源部１の電圧を平滑して安定化させるコンデンサ２と、コンデンサ２の電力を複数の高周波コイル３ａ、３ｂに供給するスイッチング素子等で構成される複数のインバータ４ａ、４ｂと、コンデンサ２の電圧から各高周波コイル３ａ、３ｂで消費された電力を検知する電力検出部６と、電力検出部６で検知された電力に基づいてそれぞれのインバータ４ａ、４ｂの電力を制御する制御部７と、を有して構成されている。

なお、実施の形態１のインバータ装置においては、１つの電源部１から２つの負荷５ａ、５ｂに対して、それぞれのインバータ４ａ、４ｂおよび高周波コイル３ａ、３ｂにより電力供給可能な構成で説明するが、本開示のインバータ装置としては２つ以上の複数の負荷のそれぞれに対してインバータおよび高周波コイルを複数設けて電力供給可能な構成とすることを含むものである。

以下、上記のように構成された実施の形態１のインバータ装置における駆動動作について説明する。

［インバータ装置の駆動動作］
電源部１としては、商用の単相１００Ｖまたは２００Ｖの交流電源をダイオードブリッジで直流化した直流電源を用いている。なお、実施の形態１においては、交流電源をダイオードブリッジで直流化した直流電源を用いた例で説明するが、本開示はこのような構成に限定されるものではない。電源部１によって直流化された電力は、コンデンサ２によって平滑化され安定化されている。

コンデンサ２に蓄えられた充電電力は、インバータ４ａ、４ｂに送られる。それぞれのインバータ４ａ、４ｂは、スイッチング素子、ダイオード、コンデンサ等で構成されている。それぞれのインバータ４ａ、４ｂにおいては、スイッチング素子によって電流経路を切り替えることによって直流の電源を任意の周波数の交流に変換して、交流電源を形成する。

それぞれのインバータ４ａ、４ｂにおいて変換された交流電源は、高周波コイル３ａ、３ｂにそれぞれ供給され、高周波コイル３ａ、３ｂには高周波電流が流れる。高周波電流が流れた高周波コイル３ａ、３ｂにおいては高周波磁界が発生し、高周波コイル３ａ、３ｂの直上のトッププレートに載置された調理用鍋等の負荷５ａ、５ｂには電磁誘導による渦電流が流れる。その結果、負荷５ａ、５ｂである調理用鍋等においては、渦電流が流れることにより生じるジュール熱のために発熱し、調理動作等が行われている。

上記のように、複数の負荷５ａ、５ｂに対して電力を供給して調理動作等を実行させるためには、それぞれの負荷５ａ、５ｂに電気的に接続（磁界結合を含む）された高周波コイル３ａ、３ｂおよびインバータ４ａ、４ｂが必要となる。複数のインバータ４ａ、４ｂに電力を供給する電源部１とコンデンサ２の構成としては、それぞれのインバータ４ａ、４ｂに対応する複数の電源部と複数のコンデンサをそれぞれ設けて対応することは可能である。しかしながら、このような構成では部品点数が多く、大型化するため、装置の小型化および低廉化という重要な課題に逆行するものである。そのため、実施の形態１のインバータ装置においては、図１に示すように１組の電源部１とコンデンサ２で構成される１つの直流電源に対して、複数のインバータ４ａ、４ｂを並列接続して設け、複数の負荷５ａ、５ｂに対して電力を供給するよう構成されている。

実施の形態１のインバータ装置において、それぞれの負荷５ａ、５ｂに対する電力制御は、電力検出部６によってインバータ４ａ、４ｂを介してコンデンサ２から高周波コイル３ａ、３ｂに供給された電力を検知し、その検知された電力に基づいて制御部７によって行われる。

［電力検出部による電力検知］
以下、実施の形態１のインバータ装置において、電力検出部６がコンデンサ２の充電電圧を検出して、その検出電圧からインバータ４ａ、４ｂに供給された電力を検知する方法について説明する。

先ず始めに、それぞれのインバータ４ａ、４ｂが同じ周期で駆動し、オン状態が重ならないように動作している場合について説明する。インバータ４ａ、４ｂの周期Ｔ[ｓｅｃ］、コンデンサ２の容量Ｃ[Ｆ］、コンデンサ２の充電電圧Ｖ_０[Ｖ］、インバータ４ａのオン状態によるコンデンサ２の放電後電圧Ｖ_１[Ｖ］、負荷５ａで消費された電力Ｐａ[Ｗ］とすると、インバータ４ａを構成するスイッチング素子がオン状態となり、コンデンサ２の電力が高周波コイル３ａに流れて、コンデンサ２の電圧がＶ_０からＶ_１まで降下したときのエネルギ差Ｅは、以下の（式１）で示される。

なお、実施の形態１の説明において、インバータ４ａ、４ｂを構成するスイッチング素子がオン状態とは、コンデンサ２の電力が高周波コイル３に流れる電流経路が確保された電力供給状態を示し、この電力供給状態をインバータ４ａ、４ｂのオン状態として説明する。

（式１）に示したエネルギ差Ｅは、所定の周期Ｔで発生するため、負荷５ａで消費された電力Ｐは、下記の（式２）で算出される。

上記の(式２）を用いることにより、負荷５ａで消費された電力Ｐを検知することが可能であり、高価であり、かつ形状が大きい部品である電流センサを用いることなく、負荷５ａで消費された電力検知が可能な構成となる。

図２は、それぞれのインバータ４ａ、４ｂが一定の周期Ｔで駆動しており、かつオン状態が重ならないように動作しているときのコンデンサ２の電圧Ｖｃの変位を示す波形図である。図２に示すように、１組の電源部１とコンデンサ２に対して複数のインバータ４ａ、４ｂが一定周期Ｔで駆動し、重ならないように動作している場合には、例えば、一方のインバータ４ａがオン状態となると、コンデンサ２の電圧ＶｃはＶ_０からＶ_１まで降下する。次に、インバータ４ａがオフ状態に移行するとコンデンサ２が充電されて電圧ＶｃはＶ_１からＶ_０に回復する。

他方のインバータ４ｂがオン状態に移行するときには、コンデンサ２の電圧ＶｃはＶ_０まで回復している。他方のインバータ４ｂがオン状態になると、コンデンサ２の電圧ＶｃはＶ_０からＶ_２まで降下する。次に、インバータ４ｂがオフ状態に移行するとコンデンサ２の電圧ＶｃはＶ_２からＶ_０に回復する。図２に示す波形図においては、一方のインバータ４ａのオン状態の時間（オン時間）が、他方のインバータ４ｂのオン時間に比べて短く設定されており、コンデンサ２おける電圧降下した電圧値は異なっている（Ｖ_１＞Ｖ_２）。

上記のように、それぞれのインバータ４ａ、４ｂが一定の周期Ｔで駆動し、かつオン状態が重ならないように動作している場合には、それぞれのインバータ４ａ、４ｂのオン時間とコンデンサ２の電圧Ｖｃの降下状態が対応し、前述の（式２）により負荷５ａ又は５ｂで消費された電力Ｐを検知することが可能となる。

なお、上記の説明は、インバータ４ａ、４ｂが同じ周期Ｔで駆動し、オン状態が重ならないように動作している場合についての説明であるが、インバータ４ａ、４ｂが異なる周期で駆動していても、オン状態が重ならない動作であれば適用される。

一方、それぞれのインバータ４ａ、４ｂが異なる周期Ｔ１、Ｔ２で駆動し、且つインバータ４ａ、４ｂのオン状態が重なる場合には、インバータ４ａ、４ｂのオン時間におけるコンデンサ２の電圧Ｖｃの降下状態が変化し、即ちインバータ４ａ、４ｂのオン時間と負荷５ａ又は５ｂで消費された電力Ｐとの関係が変動する。

図３は、それぞれのインバータ４ａ、４ｂが異なる周期Ｔ１、Ｔ２で駆動し、インバータ４ａ、４ｂのオン状態が重なる場合が生じるときのコンデンサ２の電圧Ｖｃの変位を示す波形図である。図３に示す波形図において、インバータ４ａ、４ｂのそれぞれの周期Ｔ１、Ｔ２における導通比（デューティ比）は同じであり、オン状態が重なる場合であっても同じ導通比で推移するよう設定されている。

図３の波形図において、時間ｔ_１は、一方のインバータ４ａを構成するスイッチング素子がオン状態、即ちインバータ４ａがオン状態である期間（オン時間）を示している。この時間ｔ_１においては、他方のインバータ４ｂを構成するスイッチング素子がオフ状態、即ちインバータ４ｂがオフ状態である期間（オフ時間）を示している。また、この時間ｔ_１においては、コンデンサ２の電圧ＶｃはＶ_０からＶ_１まで降下している。このとき、インバータ４ａで時間ｔ_１の期間に供給されるエネルギＥ１は、下記の（式３）により算出することができる。

従って、時間ｔ_１の期間においては、図２の波形図で示した場合と同様に、当該インバータ装置は、一方のインバータ４ａにより所定の電力を供給している状態である。そして、時間ｔ_１の期間が終了すると、インバータ４ａおよびインバータ４ｂは共にオフ状態となり、電源部１から供給される電力によりコンデンサ２の電圧はＶ_０まで回復する。

次に、時間ｔ_２の期間は、一方のインバータ４ａがオフ状態であり、他方のインバータ４ｂがオン状態である期間を示している。この時間ｔ_２においては、コンデンサ２の電圧ＶｃはＶ_０からＶ_２まで降下する。このときインバータ４ｂで時間ｔ_２の期間に供給されるエネルギＥ２は、下記の（式４）により算出することができる。

従って、時間ｔ_２の期間においては、図２の波形図で示した場合と同様に、当該インバータ装置は、他方のインバータ４ｂにより所定の電力を供給している状態である。そして、時間ｔ_２の期間が終了すると、インバータ４ａおよびインバータ４ｂは共にオフ状態となり、電源部１から供給される電力によりコンデンサ２の電圧はＶ_０まで回復する。

上記のように、一方のインバータ４ａと他方のインバータ４ｂが交互にオン状態となる場合には、それぞれのインバータ４ａ、４ｂにより供給される電力はお互いのインバータ４ａ、４ｂにより供給された電力の影響を受けることなく、コンデンサ２における充電電力に対して所定の電力を消費することができる。

しかしながら、一方のインバータ４ａと他方のインバータ４ｂが同時にオン状態となり、コンデンサ２からの電力が供給されるオン状態が重なる場合には、コンデンサ２における電圧変位が大きく変動する。

図３の波形図において、時間ｔ_３の期間は一方のインバータ４ａがオン状態であり、他方のインバータ４ｂがオフ状態を示している。そして、時間ｔ_３に続く時間ｔ_４の期間になると、インバータ４ａとインバータ４ｂの両方がオン状態となるため、コンデンサ２の電圧は、２つのインバータ４ａ、４ｂが同時に動作している状況であり、急激に電圧が降下する。更に、時間ｔ_４に続くｔ_５の時間は、インバータ４ａがオフ状態であり、インバータ４ｂがオン状態であり、コンデンサ２の電圧がＶ_５まで降下する。

図３の波形図に示すように、一方のインバータ４ａのオン状態と、他方のインバータ４ｂのオン状態が重なっている場合、一方のインバータ４ａによる供給電力は、時間ｔ_３の期間が開始したタイミングから、時間ｔ_４が終了したタイミングまでとなる。しかしながら、時間ｔ_４の期間は他方のインバータ４ｂも動作しているため、コンデンサ２においては、一方のインバータ４ａと他方のインバータ４ｂの両方に電力を供給することになり、コンデンサ２は大きく電圧降下する。従って、時間ｔ_４の期間においては、一方のインバータ４ａに対しては、所定の電力よりも少ない電力しか供給されていないことになる。

また、他方のインバータ４ｂも同様に、時間ｔ_４の期間が開始したタイミングでオン状態となるが、そのときのコンデンサ２の電圧は、一方のインバータ４ａに対する電力供給により電圧Ｖ_３まで低下している。このため、他方のインバータ４ｂは、時間ｔ_４の期間と時間ｔ_５の期間とを合わせた期間は、時間ｔ_２と同じ期間だけオン状態となっているにもかかわらず、時間ｔ_２の期間よりもインバータ４ｂに供給される電力は少なくなる。

そこで、本開示のインバータ装置においては、複数のインバータにおいて、インバータのオン状態が重なっている場合と、重なっていない場合とで、インバータのオン時間を変更する制御を行うように構成されている。このように構成することにより、オン状態における供給電力の減少分を補填し、オン状態において同じ電力が負荷に対して供給することが可能となり、電力を安定させることができる。このように構成された本開示のインバータ装置においては、負荷に供給される電力の変動を確実に抑制することが可能であり、安定した動作を行うことができる装置を実現することができる。

図４は、本開示のインバータ装置の構成を実現した一例である実施の形態１のインバータ装置による動作を示す波形図である。図４の波形図においては、それぞれのインバータ４ａ、４ｂが異なる周期Ｔ１、Ｔ２で駆動し、インバータ４ａ、４ｂのオン状態が重ならない場合と、重なる場合とにおけるコンデンサ２の電圧Ｖｃの変位を示している。

図４の波形図において、一方のインバータ４ａと他方のインバータ４ｂが同時にオン状態の時間ｔ_４’の期間は、前述の図３に示した波形図における時間ｔ_４の期間と比べて長くなっている（ｔ_４’＞ｔ_４）。従って、インバータ４ａのオン時間は、図３に示した波形図においては、時間ｔ_１＝時間（ｔ_３＋ｔ_４）であったが、図４に示す波形図においては、時間ｔ_１＜時間（ｔ_３＋ｔ_４’）となる。

一方に、他方のインバータ４ｂのオン時間は、図３に示した波形図においては、時間ｔ_２＝時間（ｔ_４＋ｔ_５）であったが、図４に示した波形図においては、時間ｔ_２＜時間（ｔ_４’＋ｔ_５’）となる。それぞれのインバータ４ａ、４ｂにおける周期は一定で推移するため、オン時間が増えることは導通比（デューティ比）が上昇したことを意味する。

また、図３に示した波形図においては、時間ｔ_４の期間が終了したときのコンデンサ２の電圧ＶｃはＶ_４であるが、図４に示した波形図において時間ｔ_４’の期間が終了したときのコンデンサ２の電圧ＶｃはＶ_４’であり、その電圧Ｖｃの関係は、Ｖ_４＞Ｖ_４’となる。更に、図３に示した波形図において時間ｔ_５の期間が終了したときのコンデンサ２の電圧ＶｃはＶ_５であるが、図４に示した波形図において時間ｔ_５’の期間が終了したときのコンデンサ２の電圧ＶｃはＶ_５’であり、その電圧Ｖｃの関係は、Ｖ_５＞Ｖ_５’となる。

上記のように実施の形態１のインバータ装置においては、インバータのオン状態が重なった場合には、コンデンサ２の電圧Ｖｃに応じてインバータのオン時間を変更するよう制御して、オン状態における供給電力の減少分を補填し、オン状態において同じ電力を負荷に対して供給することが可能な構成となっている。その結果、実施の形態１のインバータ装置は、負荷に供給する電力の変動を抑制することが可能となり、安定した動作を行うことができる。

また、実施の形態１のインバータ装置においては、負荷として調理用鍋を誘導加熱する場合について説明したが、インバータ装置としては同じ構成により、負荷として受電コイルを設けて電力を受電して、その電力で動作する非接触給電装置の電力供給源として動作させることが可能である。更に、実施の形態１のインバータ装置の構成においては、一方のインバータにより誘導加熱を行い、他方のインバータにより非接触給電を行う場合においても同様の制御を行って対応することが可能である。

（実施の形態２）
以下、本開示に係る実施の形態２のインバータ装置について説明する。実施の形態２のインバータ装置は、実施の形態１のインバータ装置と実質的に同様の構成（図１参照）を有するものであるが、実施の形態１のインバータ装置との相違点は、インバータのオン状態が重なった場合におけるインバータのオン時間の割合（導通比）を変更する制御について更に具体的な構成を有する点である。なお、実施の形態２の説明において、前述の実施の形態１と同様の作用、構成、および機能を有する要素には同じ参照符号を付し、重複する記載を避けるため説明を省略する場合がある。

実施の形態２のインバータ装置における構成においても、前述の実施の形態１の構成と同様に、１つの電源部１から２つの負荷５ａ、５ｂに対して、それぞれのインバータ４ａ、４ｂおよび高周波コイル３ａ、３ｂにより電力供給可能な構成で説明するが、本開示のインバータ装置としては２つ以上の複数の負荷のそれぞれに対してインバータおよび高周波コイルを設けて電力供給可能な構成とすることを含むものである。

実施の形態１で説明したように、共通の電源で複数のインバータが同時に動作すると、コンデンサ２に蓄えられたエネルギを取り合うこととなる。それぞれのインバータを構成するスイッチング素子は、導通比（デューティ比）により制御されており、即ち、スイッチング素子のオン時間と、オフ時間により制御されている。このため、同じオン時間であっても元の電源電圧であるコンデンサ２の電圧Ｖｃが異なると、高周波コイル３ａ、３ｂに供給される電力も変わってしまう。従って、インバータを構成するスイッチング素子のオン状態が重なっているか否かで、スイッチング素子のオン時間を変更することによって、継続して同じ電力を高周波コイル３ａ、３ｂに供給することが可能となり、インバータ装置における出力電力の変動を抑えることができる構成となる。

なお、実施の形態２のインバータ装置における説明においても、インバータ４ａ、４ｂを構成するスイッチング素子がオン状態とは、コンデンサ２の電力が高周波コイル３ａ、３ｂに流れる電流経路が確保された電力供給状態を示し、この電力供給状態をインバータ４ａ、４ｂのオン状態とする。

実施の形態１において図３を用いて説明したように、インバータ４ａ、４ｂのオン状態が重なったとき（時間ｔ_４）には、両方のインバータ４ａ、４ｂによってコンデンサ２に蓄えられたエネルギが供給される。このため、インバータ４ａ、４ｂのオン状態が重なったときのコンデンサ２の電圧Ｖｃは、１つのインバータ４ａ又は４ｂがオン状態のときのコンデンサの電圧（Ｖ_１又はＶ_２）よりも低い電圧（例えば、Ｖ_４）となる。従って、インバータ４ａ、４ｂのオン状態が重なっているときには、インバータ４ａ、４ｂのオン時間を重なっていないときのオン時間に比べて長くすることにより、各周期におけるオン状態において電力の変動を抑えて負荷に対して安定した電力供給を行うことができる。

上記のようにインバータ４ａ、４ｂのオン時間の割合については、コンデンサ２の電圧によって決める方法と、オン状態が重なるインバータのオン時間に基づいて決める方法があるが、本開示はそれらの方法に限定されるものではない。インバータ４ａ、４ｂのオン時間の割合は、インバータ４ａ、４ｂを構成するスイッチング素子の導通比（デューティ比）に対応し、以下の説明ではインバータの導通比として説明する。

［インバータの導通比の決定方法］
以下、インバータ４ａ、４ｂのオン時間の割合である導通比（デューティ比）をコンデンサ２の電圧によって決める導通比決定方法の一例について図４を用いて説明する。

図４に示す波形図において、インバータ４ａが時間ｔ_１の期間にコンデンサ２の電力を高周波コイルに供給するエネルギＥ１は、前述の（式３）により表される。従って、時間ｔ_３の期間に供給するエネルギは、コンデンサ２の電圧ＶｃがＶ_０からＶ_３に降下しているため、下記の（式５）により表される。

このため、時間ｔ_３の期間に続く時間ｔ_４’の期間において、インバータ４ａにより高周波コイル３ａに供給すべきエネルギは、下記の（式６）となる。

時間ｔ_４’の期間のエネルギは、図４に示すように、コンデンサ２の電圧ＶｃがＶ_３からＶ_４’に降下しているため、下記の（式７）により表される。

しかし、この時間ｔ_４’の期間においては、一方のインバータ４ａと他方のインバータ４ｂが同時にエネルギを供給している。このため、時間ｔ_４’の期間において一方のインバータ４ａで供給しているエネルギＥ４ａは、Ｅ１およびＥ２の関係から、下記の(式８）で表される。

前述の（式６）の（Ｅ１−Ｅ３）は、時間ｔ_４’の期間において一方のインバータ４ａで供給しているエネルギＥ４ａであるため、（式６）＝（式８）となる。このため、電圧Ｖ_４’は、下記の（式９）で算出することができる。

他方のインバータ４ｂにおいて、時間ｔ_２の期間に高周波コイル３ｂに供給するエネルギは、前述の（式４）で表すことができる。また、時間ｔ_４’の期間において他方のインバータ４ｂで供給しているエネルギＥ４ｂは、Ｅ１およびＥ２の関係から、下記の(式１０）で表される。

また、時間ｔ_５’の期間において高周波コイル３ｂに供給されるエネルギは、コンデンサ２の電圧ＶｃがＶ_４’からＶ_５’に降下しているため、下記の（式１１）で表される。

更に、Ｅ５＝Ｅ２−Ｅ４ｂで表されるため、（式１１）＝（式４）−（式１０）となる。従って、電圧Ｖ_５’は、下記の（式１２）により算出することができる。

上記のように、一方のインバータ４ａのオン時間をコンデンサ２の電圧ＶｃがＶ_４’となるまで、そして、他方のインバータ４ｂのオン時間をコンデンサ２の電圧ＶｃがＶ_５’となるまで延長することにより、オン状態が重なったときでも所定の電力をそれぞれの高周波コイル３ａ、３ｂに供給することができる。

上記のように、実施の形態２のインバータ装置においては、インバータ４ａ、４ｂのオン時間の割合（導通比）をコンデンサ２の電圧によって決めることにより、インバータ４ａ、４ｂのオン状態が重なっている場合のオン時間を重なっていないときのオン時間に比べて長くすることが可能となり、各周期におけるオン状態において電力の変動を抑えて負荷に対して安定した電力供給を行うことができる。

（実施の形態３）
以下、本開示に係る実施の形態３のインバータ装置について説明する。実施の形態３のインバータ装置は、実施の形態１のインバータ装置と実質的に同様の構成（図１参照）を有するものであるが、実施の形態１のインバータ装置との相違点は、インバータのオン状態が重なった場合におけるインバータのオン時間の割合（導通比）を変更する制御方法が異なっている。なお、実施の形態３の説明において、前述の実施の形態１と同様の作用、構成、および機能を有する要素には同じ参照符号を付し、重複する記載を避けるため説明を省略する場合がある。

実施の形態３のインバータ装置における構成においても、前述の実施の形態１および実施の形態２の構成と同様に、１つの電源部１から２つの負荷５ａ、５ｂに対して、それぞれのインバータ４ａ、４ｂおよび高周波コイル３ａ、３ｂにより電力供給可能な構成で説明するが、本開示のインバータ装置としては２つ以上の複数の負荷のそれぞれに対してインバータおよび高周波コイルを設けて電力供給可能な構成とすることを含むものである。

前述の実施の形態２で説明したように、他のインバータを構成するスイッチング素子がオンしているか否かでオン時間の割合（導通比）を変更することによって、高周波コイル（負荷）に対して同じ電力を供給するように制御して、負荷に対する供給電力の変動を抑えることができる構成となる。

その導通比決定方法の一例として、前述の実施の形態２においては、コンデンサ２の電圧Ｖｃによって決める方法について説明したが、実施の形態３においては、オン状態が重なるそれぞれのインバータのオン時間に基づいて決定している。

前述の実施の形態２における導通比決定方法では、（式９）および（式１２）により電圧Ｖ_４’およびＶ_５’を算出して制御しており、複雑な計算が必要となる。実施の形態３における導通比決定方法においては、簡便な方法の一例であり、他のスイッチング素子のオン時間に基づいて決定している。

実施の形態３における他のスイッチング素子のオン時間に基づいて決定する方法について図３を参照して説明する。図３の波形図は、インバータ４ａ、４ｂは異なる駆動周期で動作し、それぞれのインバータ４ａ、４ｂにおいては一定の導通比で動作している場合を示している。

一方のインバータ４ａにおいては、時間ｔ_３のオン時間後に時間ｔ_４のオン時間が開始するが、時間ｔ_４の期間においては他方のインバータ４ｂがオン状態となるため、インバータ４ａのオン時間（ｔ_４＝ｔ_１−ｔ_３）ではコンデンサ２の電圧Ｖｃが本来供給すべき電圧より低下している。その結果、インバータ４ａのオン時間における供給電力は少なくなる。

時間ｔ_４の期間においては、コンデンサ２に蓄えられているエネルギをインバータ４ａとインバータ４ｂで取り合うことになるため、このときに供給するエネルギが減少している。このようなエネルギの不足分を補うために、オン時間を長くする、例えば倍にするといった方法が考えられる。即ち、インバータ４ａおよびインバータ４ｂのオン状態が重なっている場合には、そのときのオン時間ｔ_４’を、ｔ_４’＝（ｔ_１−ｔ_３）＊２とすることによって、一方のインバータ４ａに供給される電力が所定の電力に近い値に制御することができる。

また、他方のインバータ４ｂにおいて、時間ｔ_２では本来供給すべき電力（Ｅ２）が供給されるが、インバータ４ａおよびインバータ４ｂのオン状態が重なっている時間ｔ_４’の期間はコンデンサ２の電圧が低下しており供給電力が少ない期間となる。このため、この時間ｔ_４’においては、インバータ４ｂに供給される電力が、例えば所定の半分であるとして、時間ｔ_４’に続く時間ｔ_５’を、例えばｔ_５’＝ｔ_２と設定する。このように設定されたインバータ４ｂのオン時間は、例えば図４に示した波形図と同様に、（ｔ_４’＋ｔ_５’）とする。即ち、インバータ４ａおよびインバータ４ｂのオン状態が重なっている場合においては、重なっているオン時間の長さに応じて、それぞれのインバータ４ａおよびインバータ４ｂのオン時間が設定される。

上記のように、実施の形態３のインバータ装置においては、オン状態が重なるそれぞれのインバータのオン時間に基づいて、各インバータの導通比が決定されている。このように導通比を決定することにより、実施の形態３のインバータ装置は、煩雑な計算を行う必要がなく所望の電力を安定して負荷に供給することができる構成となる。

本開示のインバータ装置においては、前述の各実施の形態において具体的に説明したように、同一の電源部により複数のインバータを駆動する構成においては、インバータのオン状態が重なる期間では、インバータが単独で駆動する場合に比べて本来供給すべき電力を供給できないため、その不足分に対してオン時間を長くする調整を行うことによって、本来意図した電力を負荷に対して安定的に供給できる構成となる。

本開示のインバータ装置は、機器の小型化と低廉化を図り、負荷に必要な電力を十分に供給することができる装置を提供することが可能となり、誘導加熱調理器に用いた場合には思い通りの調理性能を示す構成となる。

本開示は、優れた商品価値を有し、信頼性および安全性の高いインバータ装置を提示するものであり、例えば誘導加熱調理器等の誘導加熱を行う各種機器に搭載されるインバータ装置において適用可能であり、さらに非接触給電を行うことも可能となるインバータ装置を提供することが可能となる。

１ 電源部
２ コンデンサ
３ａ、３ｂ 高周波コイル
４ａ、４ｂ インバータ
５ａ、５ｂ 負荷
６ 電力検出部
７ 制御部

Claims (10)

1. 電源部と、前記電源部の電圧を安定化させるコンデンサと、前記コンデンサの充電電圧を検出する電力検出部と、前記コンデンサの電力を高周波コイルに供給するスイッチング素子を含んで構成される複数のインバータと、前記複数のインバータを駆動制御する制御部と、を有し、
   前記制御部は、前記複数のインバータを構成するそれぞれのスイッチング素子において、前記スイッチング素子のオン状態が重なるとき、オン状態が重なったスイッチング素子のオン時間を、オン状態の重なり状態に応じて制御するよう構成されたインバータ装置。
2. 前記インバータのスイッチング素子において、オン状態が重なったときのオン時間は、オン状態が重ならないときのオン時間より長くなるよう設定された、請求項１に記載のインバータ装置。
3. 前記インバータのスイッチング素子のオン時間は、前記電力検出部が検出した充電電圧に応じて制御されるよう構成された、請求項２に記載のインバータ装置。
4. 前記インバータのスイッチング素子において、オン状態が重なったときのオン時間は、オン状態が重なっている時間に応じて制御されるよう構成された、請求項２に記載のインバータ装置。
5. 前記制御部は、前記複数のインバータを駆動するそれぞれの駆動周波数における各周期で前記高周波コイルに供給されるエネルギを同一となるように、各周期の導通比を制御するよう構成された、請求項１に記載のインバータ装置。
6. 前記制御部は、前記複数のインバータを駆動するそれぞれの駆動周波数における各周期で前記高周波コイルに供給されるエネルギを同一となるように、前記電力検出部が検出した充電電圧に基づいて制御するよう構成された、請求項１に記載のインバータ装置。
7. 前記制御部は、前記複数のインバータを駆動するそれぞれの駆動周波数における各周期で前記高周波コイルに供給されるエネルギを同一となるように、各周期の導通比を前記複数のインバータのスイッチング素子のオン状態の重なる期間に応じて制御するよう構成された、請求項１に記載のインバータ装置。
8. 複数のインバータを構成するそれぞれのスイッチング素子において、前記スイッチング素子のオン状態が重なり、電源部の電圧を安定化させるコンデンサの充電電圧が複数の負荷に供給されるとき、前記複数のインバータを駆動するそれぞれの駆動周波数における各周期で負荷に供給されるエネルギが、前記スイッチング素子が単独でオン状態のときに負荷に供給するエネルギと同一となるように、各周期の導通比を制御するステップを含む、インバータ装置の制御方法。
9. 前記スイッチング素子のオン状態が重なり、電源部の電圧を安定化させるコンデンサの充電電圧が複数の負荷に供給されるとき、前記複数のインバータを駆動するそれぞれの駆動周波数における各周期で負荷に供給されるエネルギが、前記スイッチング素子が単独でオン状態のときに負荷に供給するエネルギと同一となるように、前記コンデンサの充電電圧に基づいて制御するステップを含む、請求項８に記載のインバータ装置の制御方法。
10. 複数のインバータを構成するそれぞれのスイッチング素子において、前記スイッチング素子のオン状態が重なり、電源部の電圧を安定化させるコンデンサの充電電圧が複数の負荷に供給されるとき、前記複数のインバータを駆動するそれぞれの駆動周波数における各周期で負荷に供給されるエネルギが、前記スイッチング素子が単独でオン状態のときに負荷に供給するエネルギと同一となるように、各周期の導通比を前記複数のインバータのスイッチング素子のオン状態の重なる期間に応じて制御するステップを含む、請求項８に記載のインバータ装置の制御方法。

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