JP3708159B2 - 誘導加熱調理器 - Google Patents

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【0001】
【産業上の利用分野】
本発明は、インバータ回路を切り換えて負荷とのマッチングを補正する誘導加熱調理器に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
従来、この種の誘導加熱調理器は特公平2−31471号公報に示すような構成が一般的であった。以下、その構成について図9を参照しながら説明する。
【0003】
図に示すように、直流電源1と、直流電源1の高電位側に接続される第1の加熱コイル2と第2の加熱コイル3と、第1の加熱コイル2と第2の加熱コイル3に接続される切り換えスイッチ4と、切り換えスイッチ4に接続される切り換えスイッチ5と、切り換えスイッチ5に接続される第1の共振コンデンサ6と第2の共振コンデンサ7と、切り換えスイッチ5と第1の共振コンデンサ6または第2の共振コンデンサ7の直列回路と並列接続されるFWD内蔵のIGBT8によりインバータ回路が構成されている。また、周波数切り換え手段9と磁気検出装置10が備えられ、磁気検出装置10は、切り換えスイッチ4と切り換えスイッチ5と周波数切り換え手段9に接続される。
【0004】
上記構成において、図10を用いて動作を説明する。まず、磁気検出装置10は負荷の磁性を検出して磁性鍋か非磁性鍋かを判定し、その結果、負荷が磁性体の場合には、切り換えスイッチ4は第1の加熱コイル2に接続され、切り換えスイッチ5は第1の共振コンデンサ6に接続され、第1の加熱コイル2と第1の共振コンデンサ6で共振回路が構成される。周波数切り換え手段9は、第1の加熱コイル2と第1の共振コンデンサ6で構成された共振回路に対応する周波数でIGBT8を駆動する。この場合、図10に示すように、磁性体で作られた標準鍋は、最大入力を得ることができ、通常、回路の中で損失が最も大きくなるIGBT8も冷却可能損失以下にすることができる。仮に、共振回路が第1の加熱コイル2と第1の共振コンデンサ6とで構成されている状態で非磁性鍋を用いて動作させた場合、同じ入力におけるIGBT8の損失は、非磁性鍋を用いた時の方が磁性鍋使用時より大きくなるので、IGBT8の損失を冷却可能損失以下にするためには、図10の点線で示すように最大入力を得ることはできない。
【0005】
次に、磁気検出装置の判定により負荷が非磁性体の場合には、切り換えスイッチ4は第2の加熱コイル3に接続され、切り換えスイッチ6は第2の共振コンデンサ7に接続され、第2の加熱コイル3と第2の共振コンデンサ7で共振回路が構成される。周波数切り換え手段9は、第2の加熱コイル3と第2の共振コンデンサ7で構成された共振回路に対応する周波数でIGBT8を駆動する。
【0006】
この場合、第2の加熱コイル3のインダクタンスL2を第1の加熱コイル2のインダクタンスL1より大きく設定し、第2の共振コンデンサ7のキャパシタンスC2を第1の共振コンデンサ6のキャパシタンスC1より大きく設定しておけば、非磁性体負荷と回路とのマッチングを補正して良くすることができ、負荷が非磁性鍋の場合でも最大入力を得ることができ、IGBT8の損失も冷却可能損失以下にすることができる。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
このような従来の誘導加熱調理器では、磁気検出装置10により負荷の磁性を検出し、負荷の磁性に応じて切り換えスイッチ4と切り換えスイッチ5で加熱コイルと共振コンデンサを切り換えることで、それぞれの負荷と回路とのマッチングを補正して良くし、磁性鍋、非磁性鍋によらず最大入力を得ることができ、IGBT8の損失も冷却可能損失以下にすることができるものであるが、磁気検出装置10は、負荷の磁性だけを検出するものであるので、負荷が鍋底に銅をコートした磁性鍋(以下、銅ばり鍋と称す。)などの場合には、磁気検出装置10により負荷が銅ばり鍋であることを特定できず、負荷が銅ばり鍋の場合は、負荷と加熱コイルとの結合が良くなるため、入力を小さくした場合のIGBT8のスイッチング動作は、IGBT8の両端電圧(以下、Vceと称す。)がVce≦0Vでオンするゼロボルトスイッチング(以下、ZVSと称す。)にはならなく、IGBT8がオンする瞬間のVceは、Vce=Von>0Vとなり、最小入力時のIGBT8の損失は、Vonの2乗に比例するIGBT8のオン遷移時の損失の影響で冷却可能損失を大幅に超えてしまい、最小入力で動作させることができない。
【0008】
本発明は上記課題を解決するもので、銅ばり鍋を含め、いかなる負荷においても最小入力時のスイッチング素子(上記例ではIGBT8)の損失を冷却可能損失以下にし、最小入力を実現することに加え安定した制御動作を得ることである。
【0009】
【課題を解決するための手段】
た、目的を達成するために本発明の第の手段は、直流電源と、前記直流電源の高電位側に一端を接続される加熱コイルと、前記加熱コイルに並列接続される第1の共振コンデンサと、前記第1の共振コンデンサに並列接続される直列接続された第2の共振コンデンサと開閉手段と、前記加熱コイルの他端に接続されるスイッチング素子と、前記スイッチング素子の高電位側に接続され、前記スイッチング素子の両端電圧の最大値を検出する電圧検知手段とを備え、前記電圧検知手段が検出した前記スイッチング素子の両端電圧の最大値が、入力を下げることにより第1の所定値以下に下がると、前記開閉手段が前記第2の共振コンデンサを切り離し、前記第2の共振コンデンサを切り離した後は、前記電圧検知手段が検出した前記スイッチング素子の両端電圧の最大値が前記第1の所定値より大きく設定された第2の所定値より大きくならない限り、前記開閉手段は前記第2の共振コンデンサを接続しないことを特徴とする誘導加熱調理器とする。
【0010】
【作用】
には、加熱コイルに並列接続される第1の共振コンデンサと、前記第1の共振コンデンサに並列接続される第2の共振コンデンサと開閉手段との直列回路において、前記開閉手段は入力が小さくなって電圧検出手段が検出したVceが第1の所定値以下になると開放するので、前記加熱コイルと並列接続される前記第1の共振コンデンサと第2の共振コンデンサの合成静電容量は小さくなり、上記作用と同様にVonを小さくでき、最小入力時のスイッチング素子の損失を低減できる。この状態で、入力が多少変動しても開閉手段は、電圧検出手段が検出したVceが第1の所定値より大きく設定された第2の所定値より大きくならない限り閉塞しないので、安定した制御を得ることができる。
【0011】
【実施例】
以下、本発明の第1の実施例について図1〜図4を参照しながら説明する。図1において、101は直流電源で、直流電源101の高電位側には加熱コイル102の一端が接続され、加熱コイル102には、第1の共振コンデンサ103と、第2の共振コンデンサ104と開閉手段であるリレー105の直列回路とが共に並列接続され、加熱コイル102の他端にはスイッチング素子であるFWD内蔵のIGBT106が接続されており、インバータ回路が構成されている。IGBT106の高電位側には電圧検知手段であるVcep検知回路107が接続されている。
【0012】
上記構成において動作を説明すると、負荷が銅ばり鍋の場合、まずリレー105がオンして第2の共振コンデンサ104が接続され共振コンデンサの合成静電容量が大きい状態で動作が開始すると、入力は最大入力まで徐々に増加し、IGBT106の両端電圧の最大値(以下、Vcepと称す。)は、図2に示すように入力の増加に伴って徐々に増加し、図2のA点で安定する。
【0013】
この時、IGBT106の電圧・電流波形は図3(a)に示すようになり、IGBT106のスイッチング動作はZVSとなり、IGBT106がオフからオンに遷移する瞬間の両端電圧Vceは、Vce≦0Vとなり、IGBT106の損失は冷却可能損失以下となる。この状態から入力を小さくすると、Vcepは入力の減少に伴って小さくなり、IGBT106に流れる電流Icも小さくなるのでIGBT106の損失も徐々に減少する。
【0014】
しかし、入力が例えばPin3になるとIGBT106の電圧・電流波形は図3(b)に示すようにZVSできなくなり、IGBT106がオフからオンに遷移する瞬間のVceは、Vce=Von3>0Vになり、IGBT106の損失は、Von3の2乗に比例するオン遷移時の損失成分が発生するので、入力Pin3付近を境に入力の減少に伴って上昇する。入力がPin1になるとIGBT106の損失は冷却許容損失値となるが、Vcepは第1の所定値Vcep1になるので、Vcep検知回路107は、IGBT106をオフしてインバータ回路の動作を停止して1秒経過後にリレー105をオフし、第2の共振コンデンサ104を切り離して再びインバータ回路を起動し、入力をPin1にする。
【0015】
この時、加熱コイル102と並列接続される共振コンデンサの合成静電容量は、第2の共振コンデンサが切り離されているので小さく、Pin1におけるIGBT106の両端電圧Vcep11は、第2の共振コンデンサ104が接続されている場合のIGBT106の両端電圧Vcep1に比べ大きくなり、IGBT106の両端電圧Vceは、直流電源101の電圧Eを漸近線として振動するので、Vonは小さくなることになり、Vonに起因するIGBT106の損失成分は低減でき、IGBT106の損失は冷却可能損失より小さくなる。
【0016】
この状態からさらに入力を小さくして最小入力にした場合、インバータ回路は第2の共振コンデンサ104を切り離した状態のまま動作するので、IGBT106の損失は入力の減少に伴って増加するが、その値は最小入力時でも冷却可能損失以下にすることができる。
【0017】
次に、この状態から入力を増加すると、入力の増加に伴ってVcepも増加するが、Vcepが第2の所定値Vcep2より小さい場合、インバータ回路は第2の共振コンデンサ104を切り離した状態で動作し、VcepがVcep2以上になると、Vcep検出回路107は、IGBT106をオフしてインバータ回路の動作を停止し1秒経過した後リレー105をオンし、第2の共振コンデンサ104を接続して共振コンデンサの合成静電容量を大きくして再びインバータ回路を起動し、入力をPin2にし、以降、最大入力までこの状態で動作するので、入力の増大によってVcepが過大になりIGBT106の耐圧を超えることはなく、IGBT106の損失も冷却許容損失以下にできる。
【0018】
このように、本発明の第1の実施例の誘導加熱調理器によれば、共振コンデンサ切り換え手段であるリレー105と、電圧検知手段であるVcep検知回路107を備えているので、Vcep検知回路107がスイッチング素子であるIGBT106の両端電圧の最大値Vcepを検出することで入力の減少に伴い発生するVonに起因するIGBT106の損失成分の増加を間接的に検出でき、IGBT106の損失が冷却許容損失になるとリレー105により第2の共振コンデンサ104を切り離して負荷とのマッチングを改良してVonを低減しIGBT106の損失を低減できるので、最小入力におけるIGBT106の損失を冷却許容損失以下にすることができ加熱効率を良くすることができ、銅ばり鍋においても最小入力を実現できる。
【0019】
また、Vcep検知回路107は、検出出力が所定値になった時に第2の共振コンデンサを開閉するが、第2の共振コンデンサ104を開放する時の所定値と第2の共振コンデンサ104を接続する時の所定値を幅を持たせた異なる値に設定しているので、Vcep検知回路107の検出出力が多少変動しても第2の共振コンデンサ104の開閉動作が頻繁に繰り返される心配はなく、安定した共振コンデンサ切り換え動作を得ることができる。
【0020】
さらに、Vcep検知回路107は、第2の共振コンデンサ104をリレー105により開閉する場合、IGBT106をオフしてインバータ回路の動作を停止して1秒経過後に切り換えるので、リレー105の接点は0Vで開閉でき、リレーの信頼性・耐久性を共に良くすることができる。
【0021】
なお、本第1の実施例では、加熱コイル102と並列接続される共振コンデンサについて、第1の共振コンデンサ103と第2の共振コンデンサ104を並列接続し、第2の共振コンデンサ104をリレー105で開閉することで共振コンデンサの合成静電容量を切り換えていたが、図4に示すように、加熱コイル102と並列接続される共振コンデンサを、第1の共振コンデンサ103と第2の共振コンデンサ104を直列接続し、第2の共振コンデンサ104と並列にリレー105を接続する構成にして、リレー105の開閉により共振コンデンサを切り換えても上記第1の実施例と同様の効果を有する。
【0022】
また、共振コンデンサの切り換えは2段階切り換えである必要はなく、図5に示すように3段階にしても、それ以上にしても良く、この場合、スイッチング素子であるIGBT106をさらに低損失化でき、加熱効率をさらに良くすることが期待できる。
【0023】
また、共振コンデンサ切り換え手段は、リレーに限る必要はなく、半導体素子を用いても上記第1の実施例と同様の効果を有する。
【0024】
さらに、共振コンデンサの接続場所は、図6に示すようにスイッチング素子と並列接続されても良い。
【0025】
以下、本発明の第2の実施例について図7〜図8を参照しながら説明する。図7において、214はAC200Vの商用電源で、商用電源214は、カレントトランス216を経て整流器215に入力され、整流器215の出力は、平滑コンデンサ201に接続され、整流器215と平滑コンデンサ201は直流電源を構成している。平滑コンデンサ201の高電位側には加熱コイル202の一端が接続され、加熱コイル202には、第1の共振コンデンサ203と、第2の共振コンデンサ204と開閉手段であるリレー205の直列回路とが共に並列接続され、加熱コイル202の他端にはスイッチング素子であるFWD内蔵のIGBT206が接続されており、インバータ回路が構成されている。カレントトランス216とリレー205とIGBT206は制御回路207にも接続され、制御回路207は入力設定手段である入力設定部208に接続される。入力設定部208は5つの入力設定キー209〜213を備えている。
【0026】
上記構成において動作を説明すると、制御回路207はカレントトランス216の出力より間接的に入力を検出し、入力設定部208にある入力設定キーで設定される入力になるようにIGBT206を駆動するが、入力設定部208にある入力設定キーと入力の関係は図8の表に示すようになっている。入力設定部208にあるいずれかの入力設定キーが押されると、制御回路207は、入力設定部208にある5つの入力設定キーの内いずれの入力設定キーが押されたかを検出する。
【0027】
その結果、入力設定キー212、213が押された場合は、まず、リレー205をオンして第2の共振コンデンサ204をインバータ回路に接続し、それからIGBT206を駆動を始めインバータ回路を動作させ、図8の表に示した入力にするが、入力設定キー212、213が押された場合に設定される入力は大きいので、負荷が銅ばり鍋の場合でもVonは発生せずIGBT206の損失は冷却可能損失以下になる。また、入力設定キー209、210、211が押された場合は、まず、リレー205をオフして第2の共振コンデンサ205をインバータ回路から切り離し、加熱コイル202と並列接続される共振コンデンサの静電容量を小さくした後IGBT206を駆動し始めインバータ回路を動作させ、図8の表に示した入力にするのであるが、入力設定キー209、210、211が押された場合に設定される入力は小さいのでVonは発生し易くなるが、加熱コイル202と並列接続される共振コンデンサの静電容量は小さい状態になっているので、Vonの値は小さくでき、IGBT206の損失は、この場合においても冷却許容損失以下にできる。
【0028】
このように、本発明の第2の実施例の誘導加熱調理器によれば、制御回路207が、入力設定手段である入力設定部208で設定される入力が小さい場合に、リレー205をオフし、加熱コイル202と並列接続される共振コンデンサの合成静電容量を小さくするので、入力が小さくなるに従って大きくなるVonを小さく抑えることができ、Vonの2乗に比例して増加するIGBT206のオン遷移時の損失成分を低減でき、最小入力におけるIGBT206の損失を冷却許容損失以下にすることができ、加熱効率を良くすることができる。
【0029】
また、制御回路207は、入力設定手段208の入力設定キーに応じて共振コンデンサを切り換えるので、上記第1の実施例で示したVcep検知回路107などインバータ回路の動作状態を検出する必要はなく、回路を低コスト化できる。
【0030】
なお、本第2の実施例では、入力設定手段である入力設定部208について5段階の非連続的な入力設定にしたが、5段階に限る必要はなく、また、入力を最小入力から最大入力まで連続的に可変できるものであっても良い。
【0031】
【発明の効果】
以上実施例から明らかなように本発明によれば、インバータ回路を構成する共振コンデンサの静電容量を切り換え可能とし、スイッチング素子の高電位側に電圧検知手段を接続しているので、電圧検知手段は、入力が小さくなりスイッチング素子がZVSできなくなった場合のオン遷移時の電圧Vonを、スイッチング素子の両端電圧Vceにより間接的に検出でき、Vceが第1の所定値以下になりVonが増大すると、共振コンデンサを切り換えて静電容量を小さくするのでVonを低減でき、Vonの2乗に比例するスイッチング素子のオン遷移時の損失成分を著しく低減でき、最小入力時のスイッチング素子の損失を冷却可能損失以下にでき、加熱効率を良くすることができ、負荷が銅ばり鍋の場合でも最小入力での動作を実現できる。
【0032】
また、共振コンデンサの静電容量を小さく切り換える場合のスイッチング素子の両端電圧と、元に戻す場合のスイッチング素子の電圧を異なる値に設定しているので、スイッチング素子の両端電圧が多少変動しても共振コンデンサが頻繁に切り換わることはなく、安定した動作を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の第1の実施例における誘導加熱調理器の概略回路図
【図2】 (a)同誘導加熱調理器のPin−Vcep特性図
(b)同誘導加熱調理器のPin−Von特性図
(c)同誘導加熱調理器のPin−IGBT106の損失特性図
(d)同誘導加熱調理器のPin−共振コンデンサの合成容量特性図
【図3】 (a)同誘導加熱調理器の最大入力時の電圧電流波形図
(b)同誘導加熱調理器のPin3時の電圧電流波形図
【図4】 同誘導加熱調理器の他の概略回路図
【図5】 同誘導加熱調理器の他の概略回路図
【図6】 同誘導加熱調理器の他の概略回路図
【図7】 本発明の第2の実施例における誘導加熱調理器の概略回路図
【図8】 同誘導加熱調理器の動作を説明する図
【図9】 従来の誘導加熱調理器の概略回路図
【図10】 従来の誘導加熱調理器の動作を説明する波形図
【符号の説明】
101…直流電源
102、202…加熱コイル
103、203…第1の共振コンデンサ
104、204…第2の共振コンデンサ
114…共振コンデンサ
106、206…IGBT(スイッチング素子)
105、115…リレー(共振コンデンサ切換手段、開閉手段)
107…Vcep検知回路(電圧検知手段)
208…入力設定部(入力設定手段)

Claims (1)

  1. 直流電源と、前記直流電源の高電位側に一端を接続される加熱コイルと、前記加熱コイルに並列接続される第1の共振コンデンサと、前記第1の共振コンデンサに並列接続される直列接続された第2の共振コンデンサと開閉手段と、前記加熱コイルの他端に接続されるスイッチング素子と、前記スイッチング素子の高電位側に接続され、前記スイッチング素子の両端電圧の最大値を検出する電圧検知手段とを備え、
    前記電圧検知手段が検出した前記スイッチング素子の両端電圧の最大値が、入力を下げることにより第1の所定値以下に下がると、前記開閉手段が前記第2の共振コンデンサを切り離し、前記第2の共振コンデンサを切り離した後は、前記電圧検知手段が検出した前記スイッチング素子の両端電圧の最大値が前記第1の所定値より大きく設定された第2の所定値より大きくならない限り、前記開閉手段は前記第2の共振コンデンサを接続しないことを特徴とする誘導加熱調理器。
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