JP2893942B2 - Induction heating device - Google Patents

Induction heating device

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Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は誘導加熱装置に関するもので、特に被加熱物
として、アルミニウムなどの非磁性体金属を加熱可能な
誘導加熱装置に関する。
Description: BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an induction heating device, and more particularly to an induction heating device capable of heating a non-magnetic metal such as aluminum as an object to be heated.

従来の技術 従来、金属性鍋の加熱用として、様々な誘導加熱装置
が開発されてきた。
2. Description of the Related Art Conventionally, various induction heating devices have been developed for heating a metal pan.

第3図に従来の誘導加熱装置の回路構成を示す。第3
図で、商用電源1をダイオードブリッジ2で整流、平滑
コンデンサ3で平滑し、単方向電源4を構成している。
単方向電源4は、共振コンデンサ5,スイッチング素子6
などからなるインバータ回路7に接続されている。イン
バータ回路7で単方向電源4の出力を高周波電源の出力
に変換し、加熱コイル8に供給する。金属性の鍋などの
被加熱物9は加熱コイル8により磁束が供給され、金属
中に流れるうず電流で、ジュール熱が発生する。
FIG. 3 shows a circuit configuration of a conventional induction heating device. Third
In the figure, a commercial power supply 1 is rectified by a diode bridge 2 and smoothed by a smoothing capacitor 3 to constitute a unidirectional power supply 4.
The unidirectional power supply 4 includes a resonance capacitor 5, a switching element 6,
And the like. The output of the unidirectional power supply 4 is converted into the output of the high-frequency power supply by the inverter circuit 7 and supplied to the heating coil 8. Magnetic flux is supplied to the object to be heated 9 such as a metal pot by the heating coil 8, and Joule heat is generated by eddy current flowing in the metal.

発明が解決しようとする課題 しかし、このような構成のものでは、加熱される金属
の種類が限定されるという問題があった。例えば、アル
ミニウム鍋がある。アルミニウムは鉄などの磁性体に比
較し、透磁率が非常に小さいため、うず電流がほとんど
発生しない。このためアルミニウム鍋はほとんど加熱が
できないという課題があった。この課題を解決するため
に、さらに高い周波数でインバータ回路を動作させるこ
とが考えられるが、従来の構成ではスイッチング素子の
損失が大きくなってしまう。また、アルミニウム鍋の負
荷は入力インピーダンスが小さいので、鉄鍋と同じ電源
では負荷整合ができないという新たな課題が生ずる。
Problems to be Solved by the Invention However, such a configuration has a problem in that the type of metal to be heated is limited. For example, there is an aluminum pan. Aluminum has a very small magnetic permeability compared to a magnetic material such as iron, so that almost no eddy current is generated. For this reason, there was a problem that the aluminum pan could hardly be heated. In order to solve this problem, it is conceivable to operate the inverter circuit at a higher frequency, but in the conventional configuration, the loss of the switching element increases. Further, since the load of the aluminum pan has a small input impedance, a new problem arises in that load matching cannot be performed with the same power supply as the iron pan.

本発明は鉄はもちろんアルミニウムなどの透磁率の小
さい金属被加熱物でも加熱可能な誘導加熱装置を提供す
ることを目的としている。
SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide an induction heating apparatus capable of heating not only iron but also a metal object having a low magnetic permeability such as aluminum.

課題を解決するための手段 上記の目的を達成するために本発明は、単方向電源
と、前記単方向電源を低電圧直流電源に変換するととも
に前記直流電源の電圧が調整可能な直流電圧変換装置
と、前記直流電圧変換装置による低電圧直流電源の出力
を高周波出力に変換する半導体スイッチング素子とその
駆動制御回路からなるインバータ回路と、前記インバー
タ回路の出力が供給され金属性の被加熱物を誘導加熱す
るための高周波磁束をつくる加熱コイルとを備え、前記
インバータ回路のスイッチング周波数を前記金属性の被
加熱物を透磁率の小さい材料とした時のスイッチング周
波数に設定し、金属性の被加熱物が透磁率の大きな材料
の場合には、前記直流電圧変換装置の出力電圧を高く調
整設定する構成とした。
Means for Solving the Problems To achieve the above object, the present invention provides a unidirectional power supply, and a DC voltage converter capable of converting the unidirectional power supply to a low-voltage DC power supply and adjusting the voltage of the DC power supply. An inverter circuit including a semiconductor switching element for converting the output of the low-voltage DC power supply into a high-frequency output by the DC voltage converter and a drive control circuit for the semiconductor switching element; A heating coil for producing a high-frequency magnetic flux for heating, wherein the switching frequency of the inverter circuit is set to a switching frequency when the metallic object to be heated is made of a material having a low magnetic permeability; Is a material having a high magnetic permeability, the output voltage of the DC voltage converter is adjusted and set high.

作用 本発明の誘導加熱装置は、電源電圧を電圧変換装置で
低い電圧に低下させてから、インバータ回路で高周波の
電圧に変換している。このため、インバータ回路のスイ
ッチング素子に印加する電圧が低くてすむ。したがっ
て、MOS・FETなどの耐圧は低いが高周波損失の少ない素
子の利用が可能となる。このため高周波スイッチングが
可能となりアルミニウムなどの被磁性材料の加熱が可能
となる。
Function The induction heating device of the present invention converts the power supply voltage to a high-frequency voltage by the inverter circuit after reducing the power supply voltage to a low voltage by the voltage conversion device. Therefore, the voltage applied to the switching element of the inverter circuit can be low. Therefore, it is possible to use an element such as a MOS / FET, which has a low withstand voltage but a small high-frequency loss. For this reason, high-frequency switching becomes possible and heating of a magnetic material such as aluminum becomes possible.

さらに、鉄などの磁性体負荷との入力インピーダンス
の違いを、電圧変換装置の出力を変化させることで、整
合をとることができ、負荷を選ばない誘導加熱装置が可
能となる。
Further, the difference in input impedance with respect to a magnetic material load such as iron can be matched by changing the output of the voltage conversion device, and an induction heating device that can select any load can be realized.

実施例 以下、本発明の一実施例を添付図面にもとづいて説明
する。
Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.

第1図は本発明の誘導加熱装置の回路図を示す。 FIG. 1 shows a circuit diagram of the induction heating apparatus of the present invention.

第1図において、商用電源11の出力はダイオードブリ
ッジ12で整流され、平滑コンデンサ13で平滑され単方向
電源14が形成されている。単方向電源14の出力電圧は直
流電圧変換装置15により10数Vの電圧に変換される。こ
れによって作られた低電圧直流電源の出力は、共振コン
デンサ17と、MOS・FETのスイッチング素子18、およびス
イッチング素子駆動用の駆動制御回路19からなるインバ
ータ回路20で、高周波出力に変換される。
In FIG. 1, the output of a commercial power supply 11 is rectified by a diode bridge 12 and smoothed by a smoothing capacitor 13 to form a unidirectional power supply 14. The output voltage of the unidirectional power supply 14 is converted by the DC voltage converter 15 into a voltage of about 10 volts. The output of the low-voltage DC power supply thus produced is converted into a high-frequency output by an inverter circuit 20 including a resonance capacitor 17, a switching element 18 of a MOS / FET, and a drive control circuit 19 for driving the switching element.

第2図にスイッチング素子18に印加される電圧Vsとス
イッチング素子18に流れる電流Isの波形、および、スイ
ッチング素子18の損失を示す。第2図において、スイッ
チング素子18が導通しているときには、素子のオン抵抗
による損失が発生し、オンオフ動作時にはスイッチング
損失が生じる。本実施例の回路は電圧共振型のスイッチ
ング回路であり、オンオフ時にスイッチング素子の電圧
がほとんどゼロになるように共振回路を設けてあり、損
失の低減を行なっている。
FIG. 2 shows waveforms of the voltage Vs applied to the switching element 18, the current Is flowing through the switching element 18, and the loss of the switching element 18. In FIG. 2, when the switching element 18 is conducting, a loss occurs due to the ON resistance of the element, and a switching loss occurs during the ON / OFF operation. The circuit of this embodiment is a voltage resonance type switching circuit, and a resonance circuit is provided so that the voltage of the switching element becomes almost zero at the time of ON / OFF, thereby reducing the loss.

従来、一般的に誘導加熱に使用される周波数は数十キ
ロHzである。アルミニウムのように透磁率の小さい金属
は表皮深さが大きい。すなわち、高周波磁束が透過しや
すいので、鉄などの強磁性体に比較して、高周波磁束に
よるうず電流がほとんど発生しない。これを補うために
は、より高い周波数でインバータ回路を動作させる必要
がある。
Conventionally, the frequency generally used for induction heating is several tens of kilohertz. Metals with low magnetic permeability, such as aluminum, have a large skin depth. That is, since the high-frequency magnetic flux is easily transmitted, almost no eddy current is generated by the high-frequency magnetic flux as compared with a ferromagnetic material such as iron. To compensate for this, it is necessary to operate the inverter circuit at a higher frequency.

ところで、現在1キロワット程度の電力を扱う半導体
スイッチング素子で、比較的、駆動制御が容易な自己消
弧型素子としてはバイポーラトランジスタ,IGBT,MOS・F
ETがある。このうち、スイッチング損失が少なく高周波
での使用に適しているのは、MOS・FETであることが知ら
れている。しかしながら、MOS・FETは、導通時にバイポ
ーラトランジスタのようにホールと電子の再結合が行な
われていないために、結晶内に荷電粒子が残存し、これ
が自由電子の流れをさまたげるのでオン抵抗が大きくな
る。このため、いわゆるオンロスといわれる導通時の損
失が大きくなる。このオンロスを低減するためには、素
子のチャンネル層を薄くし内部ロスを小さくする必要が
ある。しぃかし、この場合ドレイン−ソース間が短くな
るので素子の耐圧が低くなる。
By the way, as a semiconductor switching element that currently handles about 1 kilowatt of power, a self-extinguishing element that is relatively easy to control is a bipolar transistor, IGBT, MOS / F.
There is ET. Among them, it is known that MOS • FETs having low switching loss and suitable for use at high frequencies are used. However, MOS-FETs do not recombine holes and electrons when conducting, unlike bipolar transistors, so charged particles remain in the crystal and block the flow of free electrons, increasing the on-resistance. . For this reason, the loss at the time of conduction, which is called on-loss, becomes large. In order to reduce the on-loss, it is necessary to make the channel layer of the element thinner to reduce the internal loss. However, in this case, since the distance between the drain and the source is short, the breakdown voltage of the element is low.

本実施例では、直流電圧変換装置15をもちいて電圧を
十数Vにしているため、スイッチング素子18にかかる電
圧も小さくてすむ。すなわち、高周波動作に適したMOS
・FETが使用可能となる。本実施例の誘導加熱装置のス
イッチング素子には高周波スイッチングに適したMOS・F
ETを使用している。このようにして、スイッチング周波
数を数100KHzにすることで、アルミニウム鍋の加熱を可
能としている。
In the present embodiment, the voltage applied to the switching element 18 can be small because the voltage is set to more than ten volts by using the DC voltage converter 15. In other words, MOS suitable for high-frequency operation
・ FET can be used. MOS / F suitable for high-frequency switching is used as a switching element of the induction heating device of the present embodiment.
Uses ET. Thus, by setting the switching frequency to several hundred KHz, it is possible to heat the aluminum pan.

インバータ回路20で高周波に変換された電力は高周波
用の加熱コイル21に供給され、高周波の磁束となって金
属性の被加熱物22に供給される。金属に流れるうず電流
で、被加熱物は加熱される。
The power converted to high frequency by the inverter circuit 20 is supplied to the high-frequency heating coil 21 and is supplied to the metallic object to be heated 22 as high-frequency magnetic flux. The object to be heated is heated by the eddy current flowing through the metal.

ここで、アルミニウム鍋と鉄鍋を同じ構成の加熱コイ
ル21に接続した場合、加熱コイル21の入力インピーダン
スは、アルミニウム鍋の方が小さくなる。したがって、
同じ加熱コイルで、2種類の鍋を加熱するのは困難であ
る。ところが、本実施例では、電圧変換装置15で電源電
圧を調整することが可能なので、入力インピーダンスが
大幅に変わったときでも、同等の電力供給ができる。す
なわち、鉄系の鍋得の場合電源電圧を高くして、電力を
調整すればよい。
Here, when the aluminum pan and the iron pan are connected to the heating coil 21 having the same configuration, the input impedance of the heating coil 21 is smaller in the aluminum pan. Therefore,
It is difficult to heat two types of pots with the same heating coil. However, in this embodiment, since the power supply voltage can be adjusted by the voltage conversion device 15, the same power supply can be performed even when the input impedance changes significantly. That is, in the case of an iron-based hot pot, the power supply voltage may be increased to adjust the power.

負荷の入力インピーダンスを測定するために、所定の
微小な入力電圧を加熱コイルに加え、その際に流れる電
流により、入力インピーダンスの大小を判断する。すな
わちアルミニウム負荷の場合は鉄に比べて、大きな電流
が流れる。このようにして負荷を判別し、負荷に適正な
電源電圧並びに周波数を選択する。
In order to measure the input impedance of the load, a predetermined minute input voltage is applied to the heating coil, and the magnitude of the input impedance is determined based on the current flowing at that time. That is, in the case of an aluminum load, a larger current flows than in the case of iron. In this way, the load is determined, and an appropriate power supply voltage and frequency are selected for the load.

従来の電圧変換装置を用いない誘導加熱装置では、負
荷の変動に対して整合をとるために、スイッチング素子
の駆動周波数を変えていた。すなわち、軽負荷の場合は
周波数を高くしていた。しかしながら、アルミニウムの
ような非磁性体では、単に動作周波数の変更だけでは、
十分な整合を得られず、出力電力が制限されてしまうと
いう課題があった。その解決方法として、負荷に応じ
て、加熱コイルや共振用のコンデンサを切り換えるなど
の工夫が考えられていたが、構造が複雑となる上、大電
流の切り換え装置の実現が困難であるなどの課題があっ
た。本発明の誘導加熱装置は直流電圧変換装置で電源電
圧を調整し、負荷との整合を得るため、広範囲にわたる
負荷に対応して加熱できる誘導加熱装置を実現してい
る。
In a conventional induction heating device that does not use a voltage conversion device, the driving frequency of the switching element is changed in order to match the fluctuation of the load. That is, in the case of a light load, the frequency is increased. However, for non-magnetic materials such as aluminum, simply changing the operating frequency
There was a problem that sufficient matching could not be obtained and output power was limited. As a solution to this problem, various measures have been considered, such as switching between a heating coil and a capacitor for resonance according to the load. was there. The induction heating device of the present invention realizes an induction heating device capable of heating a wide range of loads in order to adjust a power supply voltage by a DC voltage converter and obtain matching with a load.

発明の効果 以上のように本発明の誘導加熱装置では以下のような
効果が得られる。
Effects of the Invention As described above, the following effects can be obtained with the induction heating device of the present invention.

(1) 電源電圧を直流電圧変換装置で低くしているた
め、耐圧の低い、すなわち、オン抵抗が小さいMOS・FET
が使用可能となる。したがって、数100KHzのスイッチン
グが可能となるので、アルミニウムのような透磁率の小
さい金属も加熱可能な誘導加熱装置が実現できる。
(1) MOS / FET with low withstand voltage, that is, low on-resistance, because the power supply voltage is lowered by the DC voltage converter.
Can be used. Therefore, switching at several hundred KHz is possible, so that an induction heating device capable of heating even a metal having low magnetic permeability such as aluminum can be realized.

(2) 直流電圧変換装置で、電源電圧を調整すること
が可能なため、鉄とアルミニウムなどのように入力イン
ピーダンスが大きく異なる負荷を、同じ回路構成で同等
の電力供給が可能な誘導加熱装置を実現できる。
(2) Since a DC voltage converter can adjust the power supply voltage, an induction heating device that can supply the same power to loads such as iron and aluminum that have greatly different input impedances with the same circuit configuration is used. realizable.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

第1図は本発明の一実施例における誘導加熱装置の回路
図、第2図は同装置のスイッチング素子の電圧電流波形
図、第3図は従来例の誘導加熱装置の回路図である。 14……単方向電源、15……直流電圧変換装置、18……半
導体スイッチング素子、19……駆動制御回路、20……イ
ンバータ回路、21……加熱コイル。
FIG. 1 is a circuit diagram of an induction heating device in one embodiment of the present invention, FIG. 2 is a voltage / current waveform diagram of a switching element of the device, and FIG. 3 is a circuit diagram of a conventional induction heating device. 14 ... unidirectional power supply, 15 ... DC voltage converter, 18 ... semiconductor switching element, 19 ... drive control circuit, 20 ... inverter circuit, 21 ... heating coil.

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 中林 裕治 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電 器産業株式会社内 (56)参考文献 特開 昭63−128581(JP,A) 実開 昭52−83047(JP,U) (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) H05B 6/12 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continuation of front page (72) Inventor Yuji Nakabayashi 1006 Kazuma Kadoma, Kadoma City, Osaka Inside Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. (56) References −83047 (JP, U) (58) Field surveyed (Int. Cl. 6 , DB name) H05B 6/12

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】単方向電源と、前記単方向電源を低電圧直
流電源に変換するとともに前記直流電源の電圧が調整可
能な直流電圧変換装置と、前記直流電圧変換装置による
低電圧直流電源の出力を高周波出力に変換する半導体ス
イッチング素子とその駆動制御回路からなるインバータ
回路と、前記インバータ回路の出力が供給され金属性の
被加熱物を誘導加熱するための高周波磁束をつくる加熱
コイルとを備え、前記インバータ回路のスイッチング周
波数を前記金属性の被加熱物を透磁率の小さい材料とし
た時のスイッチング周波数に設定し、金属性の被加熱物
が透磁率の大きな材料の場合には、前記直流電圧変換装
置の出力電圧を高く調整設定することを特徴とする誘導
加熱装置。
1. A unidirectional power supply, a DC voltage converter for converting the unidirectional power supply to a low voltage DC power supply and capable of adjusting the voltage of the DC power supply, and an output of the low voltage DC power supply by the DC voltage converter. An inverter circuit comprising a semiconductor switching element and a drive control circuit for converting a semiconductor switching element into a high-frequency output, and a heating coil for generating a high-frequency magnetic flux for inductively heating a metallic object to be supplied with the output of the inverter circuit, The switching frequency of the inverter circuit is set to a switching frequency when the metallic object to be heated is made of a material having a low magnetic permeability. An induction heating device, wherein the output voltage of the converter is adjusted and set high.
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