JP3947189B2 - 誘導加熱装置 - Google Patents

Description

本発明は誘導加熱装置に関する。

現在の電磁誘導式の（主に家庭用であるがそれのみではない）クックトップの設計はガスクックトップと同様に「集中ホブ（concentrated hobs）」形状を実装しており、（一般に様々なガス出口に似せるために様々な最大電力レベルの）いくつかの主要熱源、一般には４つの主要熱源があり、一般にクックトップのガラスプレート下に配置されている熱源のうちの１つの上の適切な位置に平鍋や深鍋などの調理器具を置いた場合にのみ、調理器具が加熱される。各熱源またはホブはコイルによって稼働され、コイルは数十ｋＨｚで稼働している直列共振コンバータによって駆動され、電磁エネルギーを調理器具（金属製、例えば強磁性の底面を有していなければならない）に結合し、したがって調理器具に電流を誘導することで調理器具を加熱する。基準電力信号に従って周波数を変更することによって、コイル（および調理器具）に出力される実際の電力は、それに応じて変化する。

適切に機能するには、コイルと器具の間の相対的な位置を画定する必要がある。そうでない場合、電磁結合が弱く、共振コンバータは、適切な電力を器具に出力することなく、過度のストレスにさらされる。

「分散型」誘導加熱概念と呼ばれる別の概念によれば、器具は、クックトップのガラスプレート上のその位置とは無関係に加熱される。これには、小さいコイルを大量に使用する必要がある。コイルの数はクックトップの「分解能（resolution）」対器具のサイズを定義する。各コイルは、適切にサイズ設定された調整可能な高周波電源、および器具が覆うコイルのみを作動させるインテリジェント器具検出システム（intelligent utensil detection system）によって駆動される。このことは、電源が何個必要であるか、またそれらをどのようにコイルに接続すべきかという問題を提起する。電源の数およびコイルへのその接続は、次の要件に従う必要がある。

ａ）各サブセットにおいて要素（コイル）が互いに連続していることを除いて、熱源（ホブ）は、考え得る任意のサブセット構成で作動される必要がある。サブセット数は１から最大数まで異なり得る。実際に、器具は、四角、丸形、縦型、あるいは他の任意の形状とすることができる。

ｂ）（スイッチ行列に配置されている、または配置されていない）できるだけ少ない数の「スイッチ」要素で接続を得る必要がある。

ｃ）各サブセットは、「Ｍ」個の要素で構成されており、電力レベルにおいて別々に制御可能である必要がある。

ｄ）電力変換のコストは、最低限に抑える必要がある。

ａ）からｃ）の目的を達成する最も簡単な方法は、各コイルを駆動する電力コンバータを１つ備えることである。この場合、スイッチ行列は電力側には不要であり、各コンバータはコイルを駆動し、制御するように最適化され、コイルの電力制御は単に、スイッチ行列に配列されている低レベルの基準信号ネットワークを介して実現し（Ｎ×Ｎのコイルセットの場合、例えばＯＮ／ＯＦＦ制御には２×Ｎ列で十分であり、電力の微調整には別の２×Ｎ列で十分である）、中央コントローラによって制御することができる。この解決策は、おそらく一度も説明されたことはないが、非常に高額となる可能性があるため、その産業上の有効性は疑わしい。

考え得る別の解決策は、最大の全クックトップ電力のためにサイズ設定された単一のコンバータを使用することであり、スイッチ行列は、様々なコイルをコンバータの出力に適切に接続する。

こうしたスイッチ行列は、コイルの電力接続に直接作用しなければならないため、非常に高価な高出力リレーまたは高出力半導体スイッチが必要となる。こうした解決策は、例えば４つのハブの場合について例えば特許文献１に記載されており、これにはいくつかの欠点がある。特に、こうした最適化された（したがって「最低数のスイッチ」を有する）スイッチ行列では、調理器具のサイズが大きくなるにつれてコイルが互いに平行になる。これは、コイルの数が増えるにつれてコンバータから見た「同等の」インダクタンスが低下することを意味する（また、コンバータにより高い電力レベルが求められることも意味する）。これによって次に、電力レベルが上がるにつれてコンバータのスイッチング周波数が増大することになる。このことは許容できない。

さらに、「ｍ１」、「ｍ２」・・・「ｍｎ」のコイル要素でそれぞれ構成されるより多くのサブセットの電力を別々に制御するには、以前の特許に記載されているように、コンバータを最大電力で全負荷に調整する、スイッチングリレーを介した低周波ＰＷＭ動作が求められる。しかしこれは、コンバータが動的に変化する負荷に接続されること、すなわち新しい負荷を選択するためにいくつかのリレーが切り換えられるたびに、または単に作動負荷をＰＷＭするたびに、コンバータから見た同等の負荷が変化することを意味する。

こうした設計のリレーは、けた外れの動作回数が必要となるため、寿命が非常に短い（例えば２．５秒の期間で切り換わり、４時間／日×３６５日／年×１０年の平均クックトップ使用率であると考えると、リレーは３０００万回の動作を行う必要がある）。

独立したコイルのサブセット数は、こうしたシステムでは減少することになる。コイルの矩形行列の中央対角線より上（または下）の要素のみを、リレーの動作を介して別々に制御することができることがわかるが、これは実際にはすべての場合においてではない。中央対角線より上の要素が別々に制御可能である場合、行列の中央対角線より下の要素は、制御できない電力量を受け取ることになる。すなわち２×Ｎリレーでは、Ｎ×Ｎ正方行列の場合、最高２Ｎ−１要素を別々に制御することができる。矩形行列では、別々に制御可能なコイルの数はＮ＋Ｍ−１であり、この場合、Ｎ＋Ｍはコンバータの総数に等しい（Ｎ＝列数、Ｍ＝行数）。

米国特許第５，７１４，７３９号明細書

上記問題および他の問題を本発明によって解決する。

本発明によれば、任意のリレーまたは半導体リレースイッチを必要とせず、互いに接続されるとともに、それぞれコイルおよび共振コンデンサを備える直列共振回路に接続される複数のコンバータを備え、コンバータのうちのいずれか２つをオンにすることで、その間の交差点の単一のコイルが作動されるような誘導加熱装置が提供される。

本発明の一態様によれば、電力を導電体に電磁結合して、電流を誘導して導電体内に流すことで導電体を加熱するように配置される少なくとも１つのインダクタに電力を供給する装置を備える。この装置は少なくとも１つのインダクタに電力を供給する装置であって、該少なくとも１つのインダクタが、電力を導電体に電磁結合させ、電流を誘導して該導電体に流すことで該導電体を加熱するように配置され、少なくとも１つのインダクタと、ＤＣバスに結合され、少なくとも１つのインダクタの第１の端子に結合される出力を有する少なくとも１つの第１のハーフブリッジコンバータと、該ＤＣバスに結合され、少なくとも１つのインダクタの第２の端子に結合される出力を有する少なくとも１つの第２のハーフブリッジコンバータとを備え、各ハーフブリッジコンバータは、ＤＣバスに接続される第１および第２の交互導電直列接続スイッチ（alternately conductive series connected switch）を含んでおり、各コンバータの第１および第２のスイッチのそれぞれを交互にオンにすることで少なくとも１つのインダクタが励磁され、第１および第２のコンバータから交互に、少なくとも１つのインダクタを介してＤＣバスから電流が流れる。

本発明の他の特徴および利点は、添付の図面を参照する本発明の以下の説明から明らかになる。

図面を参照すると、図１は、本発明のブロック図を示している（説明を簡明にするために６つのコイル−コンデンサネットワークのみに限定している）。

この配置は、ｎ１からｎＮ、およびｍ１からｍＭ、およびｍｍの複数のコネクタを含む。各コンバータ（ｎ１からｎＮおよびｍ１からｍＭ）は、ハーフブリッジタイプのものであり、単一のコイルＬ１２、Ｌ１３・・・ＬＭＮ（並列のその同等の調理器具抵抗器は図示せず）、および直列の共振コンデンサＣによって構成されるネットワークの共振周波数の近くの固定周波数で動作する。行（ｍ）および列（ｎ）で配列されているコンバータを示しているが、そうである必要はない。任意の配置を使用することができ、実際にコイルは、後述するように、Ｎ＋Ｍのコンバータを介してコイルの最大許容独立制御を提供するように配列され、コンバータに接続されるのが好ましい。

各共振回路は、共振回路がハーフブリッジの間でフルブリッジに結合されたフルブリッジ構成を備えるように、２つのコンバータの間に接続される。

次いでコンバータの各対は一定周波数で作動（activate）され、しかし互いの間の位相シフトで、コイルに出力される電力が基準電力制御信号に従って変化し得るように作動される。

低レベルの信号ネットワークは、ＯＮ／ＯＦＦコマンドおよび電力基準レベルを発行し、中央コントローラユニット（図１には図示せず）によってコンバータのそれぞれに提供される。

こうしたネットワークは、コンバータ数Ｎ＋Ｍに等しいいくつかの（二重）ラインを備える（こうしたネットワークは図１には図示せず）。

同時に複数のコンバータを作動させると、それらが互いに隣接しているときでさえ、各コンバータはそれ自体の直列共振回路を調べ（see）、他の任意のコンバータには干渉しない。コイルは互いに平行に配列されてはおらず、それによって、従来技術の解決策のように、任意のコンバータによって調べられる（seen）共振回路は変更されない。

作動されると単一のコイルが何を調べる（see）か、また例えば２つのコンバータ（一方は列、他方は行）の間の位相シフトが２つのコンバータの間の交差点のコイルの電力レベルをどのように変更することができるかをよりよく説明するために、図２は、単一のコイルＬで電力を制御するように動作する２つのコンバータの同等の概略図を示している。一方図３は、２つのコンバータに実装される高周波ＰＷＭストラテジーを、２つのコンバータの間の位相シフトとともに示している。

図２では、Ｓ１およびＳ２は、Ｄ１およびＤ２、Ｃ２およびＣ３、およびＶ２およびＶ３とともに、スイッチ行列のコンバータのうちの任意の１つを表しており、一方Ｓ３およびＳ４は、Ｄ３およびＤ４、Ｃ６およびＣ７、およびＶ４およびＶ５とともにスイッチ行列の他の任意のコンバータを表している。

Ｒ２、Ｒ３、Ｒ７、およびＲ８は、スイッチＳ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４の同等の直列抵抗を表すダミー抵抗であり、Ｖ１は、整流済みのＡＣライン（必ずしもフィルタ済みの必要はない）を表すＤＣ電圧である。

ＴＸ１、Ｒ１、およびＣ４は、Ｒ４とともに、１次コイルＬおよび２次コイルＰおよびその抵抗Ｒ１を表す（加熱される調理器具の同等の回路を備える）変成器ＴＸ１として示した、コイルと直列の直列共振コンデンサＣ４を備える共振回路のモデルを表す。

Ｓ１およびＳ２は一定周波数で操作されるため、５０％の負荷サイクルでは、Ｖ２およびＶ３は相互間で単に１８０度位相シフトされ、Ｖ４およびＶ５についても同様である。コイルの電力制御の変数は、例えばＶ２とＶ５との間、および（同じく）Ｖ３およびＶ４との間の位相シフトである。

図３は、それぞれ２５ｋＨｚでの電圧Ｖ２（ａ）、Ｖ３（ｂ）、Ｖ４（ｃ）、およびＶ５（ｄ）の位相配置の一例を示しており、Ｖ４はＶ３と位相が９０度ずれており、Ｖ５はＶ２と９０度ずれている。これによって全電力の半分が、対応する斜線によって示すようにコイルに供給されることになる。

Ｖ２とＶ５との間、およびＶ３とＶ４との間の位相シフトが０度の場合、コイルに出力される電力が最大になる。Ｖ２とＶ５との間、およびＶ３とＶ４との間の位相シフトが１８０度の場合、電力はゼロになる。これは、Ｖ５がＶ２からの１８０度の位相シフトで示されている図３（ｅ）と、Ｖ４がＶ３からの１８０度の位相シフトで示されている図３（ｆ）に示されている。いずれの場合でもパルスは重複しないため、電力はコイルに出力されない。位相シフトの中間値の場合、コイルの最大電力の中間値が得られる。

各直列共振コンバータの動作は、したがって動作周波数が直列共振回路の共振周波数を超えていなければならない。そうでなければ、スイッチに過度のストレスがかかる。

電力がゼロの状況は、上述したように１８０度の位相シフトによって各コンバータのスイッチ（ハイ側またはロー側）など一方をオフにするか、またはコンバータ対の一方の両方の装置をオフにする（３ステート状態）ことによって達成することができる。

複数のコイルが同時に作動される場合、こうしたコイルに接続されているコンバータ対を作動させれば十分である。

各コンバータまたはコンバータ対は、特定のコイルのために選択された電力レベルに応じて、対の他方のコンバータに対して異なる位相遅延で駆動される。

図１から、コンバータは、標準行列構成でコイルに接続されているように思われる。こうした構成は、コイルがその独立制御を最適化するように配列されない限り、従来技術の解決策についてすでに説明した欠点の一部を示す可能性がある。

図４を参照して、ある例でこれをよりよく説明する。

コンバータは、標準行列構成（Ｍ行およびＮ列）で接続されており、ｎ１、ｎ２、・・・ｎＮはコンバータの列、ｍ１、ｍ２、・・・ｍＭはコンバータの行を定義すると仮定する。

ＮおよびＭは、１を超える任意の数とすることができる。図４は、ｎ１からｎＮの列のコンバータ、およびｍ１からＭの行のコンバータを示している。ただし、中央対角線より上のコイルのみを示している。

また、コンバータの次の対、つまりコイルＬ２１を励磁するｎ２およびｍ１、コイルＬ４１を励磁するｎ４およびｍ１、コイルＬ２４を励磁するｎ２およびｍ４、コイルＬ４４を励磁するｎ４およびｍ４が作動されると仮定する。

さらに、各コイルは、異なる電力レベルＰ１、Ｐ２、Ｐ３、およびＰ４を必要とする、つまりコイルＬ２１は電力Ｐ１を受け、Ｌ４１は電力Ｐ２を、Ｌ２４は電力Ｐ３を、コイルＬ４４は電力Ｐ４を受けると仮定する。ここでは各コイルＬは、Ｌｎｍの形式である。

次に、図４に示すように、電力Ｐ１をＬ２１に出力するには、コンバータｎ２およびｍ１が相互間の適切な位相シフトＰｈｎ２−ｍ１で作動される。

明確にするために、「仮想」ゼロ位相が定義される。コンバータｎ２は位相Ｐｈｎ２を有しており、コンバータｍ１は位相Ｐｈｍ１を有している。コイルネットワークから見た差異はＰｈｎ２−Ｐｈｍ１＝Ｐｈｎ２−ｍ１である。

次いで、電力Ｐ３をｎ２とｍ４との間の交差点でコイルネットワークに出力するには、コンバータｎ２はすでに作動されているため、Ｐｈｎ２−Ｐｈｍ４が必要な電力Ｐ３を供給するように位相Ｐｈｍ４でコンバータｍ４を作動させるだけでよい。

さらに、電力Ｐ２を、ｎ４とすでにＯＮであるｍ１との間の交差点でコイルネットワークに出力するには、Ｐｈｎ４−Ｐｈｍ１が電力Ｐ２を供給するように位相Ｐｈｎ４でコンバータｎ４を作動させれば十分である。

ここで、コイルＬ４４に電力Ｐ４を独立して供給するようにコイルＬ４４の制御を試行した場合、これは不可能であることがわかった。実際にコンバータｎ４およびｍ４はすでに作動されており、その位相シフトは、他のコイルネットワークＬ２４およびＬ４１に出力するのに必要な電力によって固定されている。

そのため、リレースイッチ行列の場合と同様に、この技術の第１の限界は、コイルの対角線の上（または下）半分の行列のみが、電力を別々に選択できる要素を有していることである。これはすべての場合においてではない。このことを図４に示している。この図では、（示されているコイルＬ４４を除いて）対角線の上半分のコイルのみが示されており、対角線の上半分のコイルのみを別々に制御できることがわかる。ただしこれはすべての場合においてではない。対角線の下半分のコイルＬ４４は、個別に制御することはできない。コイルＬ１１、Ｌ２１、およびＬ１４が作動されると、例えばコイルＬ２４は、対角線の上半分にあるにも関わらず、個別に作動させることはできない。

この制限をさらに示すために、対角線の上半分のみが実際に配線されており、Ｎ＝Ｍ＝５であると仮定する。また、大きい深鍋または平鍋を加熱するには隣接する４つのコイルを作動させる必要があり、こうしたコイルは、クックトップの左上角にあり、つまり列コンバータｎ１およびｎ２、および行コンバータｍ１およびｍ２によって作動されると仮定する。これは、図４のコイルＬ１１、Ｌ１２、Ｌ２１、およびＬ２２から成ることになる。

この時点で、より小さい平鍋も加熱したい。この平鍋は、コンバータｎ１およびｍ４によって駆動される単一のコイルによって加熱することができる。

ｎ１およびｎ２は、稼働中のコンバータであるため、ｎ１とｍ４との間の交差点のコイルだけではなく、隣接するコイル（ｎ２とｍ４との間の交差点にあるもの）も作動される。Ｎ＝Ｍ＝５であるため、Ｌ１４およびコイルＬ２４は、対角線の上半分にある。図４を参照されたい。

Ｎ×Ｍコンバータの矩形行列で実際に別々に制御することができるコイルネットワークの理論上の数字は、Ｎ＋Ｍ−１にすぎない。

こうした制限の影響を低減するために、別の概念、すなわち「隣接コイル」の概念を使用する必要がある。隣接するコイルは異なる電力レベルで駆動される必要の可能性がないことが基本的な考え方である。

これは（純粋に理論的な面から見ると）制限に思われるが、それは実際的な面から見ると制限ではない。というのは、
ａ）複数のコイルを覆う大きい調理器具の場合、隣接するコイルは、同じ器具を加熱するため、当然同じ電力レベルを共有する
ｂ）１つのコイルのみを覆う小さい器具の場合、隣接するコイルは、まったく作動する必要がない
からである。

現時点では、「隣接コイル」概念を利用する、変形スイッチ行列を導入することができる。

こうした行列を、図５に木および枝構造で概略的に示している。

図５の矩形ブロックはコンバータを表し、円はコイルを表す。

６つのコンバータの例を示している。６つのコンバータによって駆動することができるコイルの最大数は１５であることがわかる。各ブロック（コンバータ）は、最高５つまでのコイル（円）を駆動することができる。

式は（「隣接コイル」の原理が適用される場合）、
Ｎｃｏｉｌｓ＝Ｎｃｏｎｖｅｒｔｅｒ＊（Ｎｃｏｎｖｅｔｒｅｒ−１）／２となり、式中、Ｎｃｏｎｖｅｒｔｅｒはコンバータの総数である。

正方行列の場合は式２Ｎ−１により、または矩形行列の場合は式Ｎ＋Ｍ−１により、図５に示した１５個のコイルのうち、実際に互いに独立しているのは５つのみである。式中、ＮおよびＭは、それぞれ行および列の数を示す。しかし、接続の適切な配線によって、単一のコイルを必要とする小さい調理器具は個別に制御でき、一方隣接するいくつかのコイルを覆う、より大きい平鍋は、独立していない隣接するコイルが同じ電力レベルで作動されることを必要とするように、独立していないコイルを互いに「隣接」させ、かつ独立したコイルに隣接させて配置することができる。

「隣接コイル」の原理が適用されない場合、実際に別々に駆動させることができるコイル数についての一般式は、上述したように正方行列では２Ｎ−１、一般の矩形行列ではＮ＋Ｍ−１である。

図５のスイッチ行列の別の利点は、すべてのコンバータが等しい数のコイルに接続されるため、（そのサイズおよびコストに影響を与える）その電力負荷が同じであることである。

本発明は、その特定の実施形態に関して説明してきたが、当分野の技術者には他の多くの変形形態および変更形態、および他の使用が明らかである。したがって本発明は、本明細書の特定に開示によってではなく、添付の特許請求の範囲によってのみ限定されるものとする。

本発明による誘導加熱装置の一部を示すブロック図である。 図１の複数のコンバータのうちの２つのコンバータの誘導加熱コイル要素への各接続を示す概略図である。 誘導加熱要素への電力がどのように制御されるかを示す位相制御を示すタイミングチャートである。 本発明による誘導加熱装置の一配置を示す図である。 本発明による誘導加熱装置の別の配置を示すブロック図である。

符号の説明

ｎ１〜ｎＮ，ｍ１〜ｍＭ コンバータ
Ｌ１２，Ｌ１３〜ＬＭＮ コイル
Ｃ 共振コンデンサ

Claims (17)

1. 行列状に配列された複数のインダクタに電力を供給する装置であって、該複数のインダクタが、電力を導電体に電磁結合させ、電流を誘導して該導電体に流すことで該導電体を加熱するように配置されるものにおいて、
   夫々がＤＣバスに結合され、前記複数のインダクタの夫々の第１の端子に結合される出力を有する複数の第１のハーフブリッジコンバータと、
   夫々が該ＤＣバスに結合され、前記複数のインダクタの夫々の第２の端子に結合される出力を有する複数の第２のハーフブリッジコンバータとを備え、
   前記複数の第１および第２のハーフブリッジコンバータは夫々、前記ＤＣバスに接続される第１および第２の交互導電直列接続スイッチを含んでおり、
   前記第１および第２の交互導電直列接続スイッチが交互にターンオンし、前記複数の第１のハーフブリッジコンバータと前記複数の第２のハーフブリッジコンバータから前記複数のインダクタを介して交互に前記ＤＣバスからの電流が流れて、前記複数のインダクタが励磁されることを特徴とする装置。
2. 前記第１および第２のハーフブリッジコンバータは、各ハーフブリッジコンバータの前記第１および第２の交互導電直列接続スイッチのオン期間に位相シフトを変えることで、前記複数のインダクタの夫々に可変電力を供給するように構成されることを特徴とする請求項１に記載の装置。
3. 前記第１および第２のハーフブリッジコンバータのうちのそれぞれの選択されたスイッチをオンすることで前記複数のインダクタの夫々に電力が供給されることを特徴とする請求項１に記載の装置。
4. 前記選択されたスイッチの位相シフトが前記複数のインダクタの夫々に供給される電力を決定することを特徴とする請求項３に記載の装置。
5. 前記複数の第１および第２のハーフブリッジコンバータが構造的配置で配列され、前記複数のインダクタの夫々は該構造的配置で配列された前記複数の第１および第２のハーフブリッジコンバータの出力の交差点で結合されることを特徴とする請求項３に記載の装置。
6. 前記構造的配置は行および列の配置を含むことを特徴とする請求項５に記載の装置。
7. 前記行列は行および列の配置を含むことを特徴とする請求項１に記載の装置。
8. 前記複数のインダクタは前記行列の中央対角線より上または下に配列されることを特徴とする請求項５に記載の装置。
9. 前記構造的配置は相互接続された木および枝構造を含むことを特徴とする請求項５に記載の装置。
10. 前記複数のインダクタはクックトップの電子レンジ内に配列されて、調理器具など１つまたは複数の導電体を加熱することを特徴とする請求項３に記載の装置。
11. 前記行列は格子を含むことを特徴とする請求項１０に記載の装置。
12. コンバータの総数がＮのとき、インダクタ数（Ｎｃｏｉｌ）はＮｃｏｉｌ＝Ｎ＊（Ｎ−
    １）／２で決定されることを特徴とする請求項４に記載の装置。
13. コンバータの総数がＮのとき、前記インダクタ数（Ｎｃｏｉｌ）はＮｃｏｉｌ＝Ｎ＊（
    Ｎ−１）／２で決定されることを特徴とする請求項７に記載の装置。
14. 前記第１および第２のハーフブリッジコンバータの選択されたスイッチはパルス幅変調（ＰＷＭ）コマンドでオンになることを特徴とする請求項１に記載の装置。
15. 前記複数の第１および第２のハーフブリッジコンバータの選択されたスイッチを指定時にオンにして、前記複数のインダクタのうちのいくつかの所望の選択に従って前記複数のインダクタのうちの指定されたものに電力を供給して、加熱すべきインダクタに電流を流すためのコントローラをさらに含むことを特徴とする請求項３に記載の装置。
16. 前記複数のインダクタのうちの隣接する幾つかは励磁されると同一の電力が供給されるように、前記複数のインダクタが接続されることを特徴とする請求項３に記載の装置。
17. 前記複数のインダクタの夫々は、前記第１および第２のハーフブリッジコンバータ間の共振コンデンサと直列結合されることを特徴とする請求項１に記載の装置。

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