JP3997897B2 - 誘導加熱装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、一般家庭やオフィス、レストラン、工場等で使用される誘導加熱調理器、誘導加熱を利用した湯沸かし器、加温装置等の誘導加熱装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
誘導加熱装置の例として、誘導加熱調理器について説明する。誘導加熱調理器では、加熱コイルから高周波磁界が発生し、加熱コイル近傍に置かれた金属製の鍋等の被加熱体に電磁誘導によって渦電流が発生し、被加熱体が加熱される。
【０００３】
従来の誘導加熱調理器の例として、例えば特許文献１に開示された例を説明する。図５は、従来の誘導加熱調理器の全体の電気的構成を示している。図において、商用交流電源１の両端子は、その一方にコイル２を介して整流ブリッジ回路３の交流入力端子に接続されており、整流ブリッジ回路３の直流出力端子は、直流母線４ａ、４ｂに接続されている。
【０００４】
直流母線４ａ、４ｂには、平滑コンデンサ５が接続されていると共に、上アーム側のＮＰＮ形トランジスタ６及び下アーム側のＮＰＮ形トランジスタ７からなるハーフブリッジ型のインバータ主回路８が接続されている。インバータ主回路８の出力端子８ａと直流母線４ｂとの間には、加熱コイル２１Ａ、２１Ｂ及び共振コンデンサ２２Ａ、２２Ｂが接続されている。
【０００５】
また、平滑コンデンサ５とインバータ主回路８との間における直流母線４ａには、トランジスタ１３のコレクタ、エミッタ及びコイル１４が介挿されている。トランジスタ１３のエミッタと直流母線４ｂとの間にはフライホイールダイオード１５が接続されており、コイル１４のインバータ主回路８側には、平滑コンデンサ１６が接続されている。
【０００６】
トランジスタ１３、コイル１４、ダイオード１５及び平滑コンデンサ１６は、降圧チョッパ回路（電圧変換手段）１７を構成している。
【０００７】
また、加熱コイル２１Ａ及び共振コンデンサ２２Ａからなる直列共振回路２３Ａは、アルミニウムや銅などの非磁性材からなる鍋の加熱用であり、その共振周波数は、例えば１００ｋＨｚ程度に設定されている。加熱コイル２１Ｂ及び共振コンデンサ２２Ｂからなる直列共振回路２３Ｂは、鉄などの磁性材からなる鍋の加熱用であり、その共振周波数は、例えば２０数ｋＨｚ程度に設定されている。共振回路２３Ａ、２３Ｂは図示されていない鍋材質判定手段によって判定された鍋の材質に応じて切替えスイッチ２０により切り替えられる。
【０００８】
このように構成された誘導加熱調理器において、加熱出力の調整を、インバータ主回路８に駆動電源として供給される直流電圧のレベルを変化させて行うようにしており、インバータ主回路８の駆動周波数を常に共振回路２３Ａまたは２３Ｂの共振周波数に一致させる。鍋がアルミニウムや銅などの非磁性材である場合に対応して、共振回路２３Ａの共振周波数を１００ｋＨｚ程度に設定しても、インバータ主回路８の駆動周波数を常にその共振周波数に一致させることで、インバータ主回路８のトランジスタ６、７のスイッチング損失を増加させることがない。
【０００９】
【特許文献１】
特開平１１−２６０５４２号公報
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、使用者が調理動作中において鍋を移動させた場合、共振周波数は大きく変化する。例えば、鍋を加熱コイル中心付近よりずらした状態から戻した場合には、共振周波数が急激に上昇する。前記従来の構成では、何らかのフィードバックにより、共振周波数でインバータ主回路８が動作するよう制御するが、共振周波数の変化に対してフィードバックが遅れると、図６に示すように駆動周波数が共振周波数より低くなり、トランジスタ６、７に電圧が残った状態で導通するモード（短絡モード）が発生する。短絡モードでは、トランジスタ６、７駆動開始時に過大な電流が流れるため、トランジスタ６、７の耐量を超え、破壊に至る場合がある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
前記従来の課題を解決するために、本発明は、高周波磁界を発生し被加熱体を加熱する加熱コイルと、共振コンデンサと、スイッチング素子とを有し、前記加熱コイルと前記共振コンデンサの直列共振により共振するインバータと、前記スイッチング素子の導通時間及び駆動周波数を変更して前記インバータの出力を制御する制御手段と、前記駆動周波数が前記インバータの共振周波数を下回り前記スイッチング素子に電圧が加わった状態で前記スイッチング素子が導通する短絡モードが起きたことを検知する短絡モード検出手段と、前記インバータの出力の大きさを検出する出力検出手段とを備え、前記制御手段は、駆動周波数を低下して前記インバータの出力を増加させ、前記短絡モード検出手段が前記短絡モードを検知すると前記駆動周波数を高くして前記インバータの出力を下げるとともに、前記短絡モード検出手段が前記短絡モードを検知した時点で、前記出力検出手段の検知した前記インバータの出力の大きさが所定値より小さい場合には、前記共振周波数を変え前記インバータの出力の大きさを前記所定値まで増加させるべく前記共振コンデンサのインピーダンスを変化させるインピーダンス変更手段を動作させる誘導加熱装置とするものである。
【００１２】
これによって、被加熱体の移動などによる共振周波数の変化で生じる短絡モードを検知し、所定の制御を行う誘導加熱装置を提供することを目的とする。
【００１３】
【発明の実施の形態】
請求項１に記載の発明は、高周波磁界を発生し被加熱体を加熱する加熱コイルと、共振コンデンサと、スイッチング素子とを有し、前記加熱コイルと前記共振コンデンサの直列共振により共振するインバータと、前記スイッチング素子の導通時間及び駆動周波数を変更して前記インバータの出力を制御する制御手段と、前記駆動周波数が前記インバータの共振周波数を下回り前記スイッチング素子に電圧が加わった状態で前記スイッチング素子が導通する短絡モードが起きたことを検知する短絡モード検出手段と、前記インバータの出力の大きさを検出する出力検出手段とを備え、前記制御手段は、駆動周波数を低下して前記インバータの出力を増加させ、前記短絡モード検出手段が前記短絡モードを検知すると前記駆動周波数を高くして前記インバータの出力を下げるとともに、前記短絡モード検出手段が前記短絡モードを検知した時点で、前記出力検出手段の検知した前記インバータの出力の大きさが所定値より小さい場合には、前記共振周波数を変え前記インバータの出力の大きさを前記所定値まで増加させるべく前記共振コンデンサのインピーダンスを変化させるインピーダンス変更手段を動作させる誘導加熱装置とするものである。
【００１４】
特に低抵抗率金属製の被加熱体が、前記加熱コイル中心からずれた位置より中心付近へ戻された場合、前記被加熱体を含めた前記加熱コイルインダクタンスが急激に減少するため、前記被加熱体を含めた共振周波数も同様に急激に上昇する。前記インバータ動作周波数が共振周波数を下回った場合、前記スイッチング素子に電圧が加わった状態で導通開始する短絡モードが発生し、スイッチング損失が増大する現象が生じる。
【００１５】
しかしながら、請求項１記載の発明では、急激な共振周波数の上昇に伴って前記スイッチング素子の短絡モードが発生し、前記短絡モード検出手段が短絡モードを検知すると、前記制御手段は前記インバータ動作周波数を共振周波数よりも高くするために、短絡モードがなくなり、前記スイッチング素子のスイッチング損失の急激な増大を抑制し、安定に加熱を行うことが出来る。
【００１６】
また、被加熱体を含めた前記加熱コイルの抵抗が大きいければ、共振周波数で前記インバータが動作しても十分に共振電流が流れず、所定の出力が得られない場合が生じる。
【００１７】
前記制御手段は所定の出力を得るよう、前記インバータ動作周波数を下げるなどの出力上昇制御を行うため、前記インバータ動作周波数は共振周波数を下回り、短絡モードが発生する。請求項１に記載の発明では、所定の出力を得られない状態で短絡モードを検知した場合には、加熱コイル、共振コンデンサ及び被加熱体の共振状態が誘導加熱に適さないものと判定し、所定の共振状態を得るべく、前記加熱コイルもしくは前記共振コンデンサのインピーダンスを変化させるべく前記インピーダンス変更手段を動作させることにより、所定の出力を得られる誘導加熱を行うことが出来る。
【００１８】
請求項２に記載の発明は、高周波磁界を発生し被加熱体を加熱する加熱コイルと、共振コンデンサと、第１のスイッチング素子及び前記第１のスイッチング素子の高電位側に直列接続された第２のスイッチング素子とを有し、前記加熱コイルと前記共振コンデンサの直列共振により共振するインバータと、前記スイッチング素子の導通時間及び駆動周波数を変更して前記インバータの出力を制御する制御手段と、前記駆動周波数が前記インバータの共振周波数を下回り前記スイッチング素子に電圧が加わった状態で前記スイッチング素子が導通する短絡モードが起きたことを検知する短絡モード検出手段とを備え、前記制御手段は、前記駆動周波数を低下させて前記インバータの出力を増加させ、前記短絡モード検出手段が前記短絡モードを検知すると前記駆動周波数を高くして前記インバータの出力を下げるとともに、前記駆動周波数を一定のまま、前記第１のスイッチング素子と前記第２のスイッチング素子の駆動時間比を変化させることにより前記インバータの出力の大きさを制御する機能を有し、前記機能を使用する場合には短絡モード検出手段の検知結果に応じた前記インバータの出力制御を禁止することにより、駆動時間比を変化させて発生する短絡モードは共振周波数の変化とは関係がないため、短絡モード検知による制御を禁止することで、例えば、被加熱体の材質に応じて、駆動時間比をほぼ一定のまま駆動周波数を変化させる制御と、駆動周波数を一定のまま駆動時間比を変化させる制御との複数の加熱制御モードを持つことが出来る。
【００１９】
請求項３に記載の発明は、高周波磁界を発生し被加熱体を加熱する加熱コイルと、共振コンデンサと、スイッチング素子とを有し、前記加熱コイルと前記共振コンデンサの直列共振により共振するインバータと、前記スイッチング素子の導通時間及び駆動周波数を変更して前記インバータの出力を制御する制御手段と、前記駆動周波数が前記インバータの共振周波数を下回り前記スイッチング素子に電圧が加わった状態で前記スイッチング素子が導通する短絡モードが起きたことを検知する短絡モード検出手段とを備え、前記制御手段は、前記駆動周波数を低下させて前記インバータの出力を増加させるとともに前記短絡モード検出手段が前記短絡モードを検知すると前記駆動周波数を高くして前記インバータ の出力を下げるとともに、加熱開始時に、前記インバータが所定値より低い出力であると、前記短絡モード検出手段の検知結果に応じた前記インバータの出力制御を禁止することより、加熱開始時、スイッチング素子に過大な短絡電流が流れて負荷が増大しないよう、駆動時間を最小から徐々に長くしていく場合などに生じる短絡モードは、共振周波数の変化とは関係がないため、短絡モード検知による前記インバータ出力の制御を行わず、安定した加熱を行うことが出来る。
【００２０】
請求項４に記載の発明は、高周波磁界を発生し被加熱体を加熱する加熱コイルと、共振コンデンサと、スイッチング素子とを有し、前記加熱コイルと前記共振コンデンサの直列共振により共振するインバータと、前記スイッチング素子の導通時間及び駆動周波数を変更して前記インバータの出力を制御する制御手段と、前記駆動周波数が前記インバータの共振周波数を下回り前記スイッチング素子に電圧が加わった状態で前記スイッチング素子が導通する短絡モードが起きたことを検知する短絡モード検出手段と、前記インバータを所定の動作状態で動作すべく設定するための動作設定手段とを備え、前記制御手段は、前記駆動周波数を低下させて前記インバータの出力を増加させ、前記短絡モード検出手段が前記短絡モードを検知すると前記駆動周波数を記憶手段に記憶した前記駆動周波数に変更することにより高くして前記インバータの出力を下げるとともに、所定の前記被加熱物が前記加熱コイル近傍に置かれた後、前記動作設定手段により所定の動作設定がなされた場合に、前記動作設定手段の出力信号に応じて、前記インバータの入力電流が所定の入力電流となるように前記インバータを動作させるとともに、その際に測定した前記駆動周波数から演算により、前記短絡モードにならず過度に前記インバータの出力を下げることのない前記駆動周波数を決定して前記記憶手段に記憶するものである。
【００２１】
共振周波数は、前記加熱コイルや前記共振コンデンサの容量、前記加熱コイルと前記被加熱体との距離をはじめとする前記インバータばらつきによって大きく左右され、特に前記被加熱体が低抵抗率金属であった場合に顕著となる。そのため、短絡モード検知時に行われる制御手段の制御値が一定であると、共振周波数に対して駆動周波数が高くならず、短絡モードが継続する場合や、共振周波数に対して駆動周波数が過度に高く設定され、インバータ出力が低くなり過ぎて復帰に時間がかかる場合が生じ、実使用上問題である。
【００２２】
請求項４に記載の発明により、それぞれの誘導加熱装置が持つ前記インバータばらつきを含めた制御値を設定することが可能であるため、短絡モードが継続することなく、前記インバータの出力を下げすぎることなく、安定に加熱を継続することが可能になる。
【００２３】
請求項５に記載の発明は、短絡モード検出手段は、スイッチング素子の駆動信号と、前記スイッチング素子の電圧と、前記スイッチング素子の電流とのうちの少なくとも１つの検出結果に基づき短絡モードを検出するものである。短絡モードは前記インバータ動作周波数が共振周波数を下回る際に生じる現象であるから、周波数検出手段による短絡モードも可能ではあるが、一般に構成が複雑となる。
【００２４】
請求項５に記載の発明により、短絡モードを検知するために複雑な回路を使用することなく、比較的構成が簡単で、測定が容易な回路で短絡モードの検出を行うことが出来る。
【００２５】
【実施例】
以下本発明の実施例について、図面を参照しながら説明する。
【００２６】
（実施例１）
図１は、本実施例の誘導加熱装置の回路構成を示す図である。
【００２７】
電源２４は低周波交流電源である２００Ｖ商用電源であり、ブリッジダイオードである整流回路２５の入力端に接続される。整流回路２５の出力端間に第１の平滑コンデンサ２６が接続される。整流回路２５の出力端間には、さらにチョークコイル２７と第１のスイッチング素子２８の直列接続対が接続される。加熱コイル２９は被加熱体である鍋３０と対向して配置されている。
【００２８】
３１はインバータであり、第２の平滑コンデンサ３２の低電位側端子（エミッタ）は整流回路２５の負極端子に接続され、第２の平滑コンデンサ３２の高電位側端子は第２のスイッチング素子（ＩＧＢＴ）３３の高電位側端子（コレクタ）に接続され、第２のスイッチング素子（ＩＧＢＴ）３３の低電位側端子はチョークコイル２７と第１のスイッチング素子（ＩＧＢＴ）２８の高電位側端子（コレクタ）との接続点に接続される。加熱コイル２９と共振コンデンサ３４の直列接続体が第１のスイッチング素子２８に並列に接続される。
【００２９】
第１の逆導通素子３５（第１のダイオード）は第１のスイッチング素子２８に逆並列に接続（第１のダイオード３５のカソードと第１のスイッチング素子２８のコレクタとを接続）され、第２の逆導通素子３６（第２のダイオード）は第２のスイッチング素子３３に逆並列に接続される。補正用共振コンデンサ３８とリレー３９の直列接続体は共振コンデンサ３４に並列に接続されている。リレー３９は、前記共振コンデンサ３４のインピーダンスを変更する（前記補正用共振コンデンサ３８を並列に接続する）ためのインピーダンス変更手段である。制御手段４０は、第１のスイッチング素子２８を駆動する第１の駆動手段４３と、第２のスイッチング素子３３を駆動する第２の駆動手段４４と、リレー３９の駆動コイル（図示せず）に信号を出力する。
【００３０】
また、制御手段４０は、電源２４からの入力電流を検知するカレントトランス４１と、加熱コイル２９の電圧を検知する電圧検知手段４２の検知信号を入力するとともに、鍋３０の材質を判別する材質判別手段を内包する。
【００３１】
また、４５は第２の駆動手段４４による第２のスイッチング素子３３駆動信号を検知する信号検知手段、４６は第２のスイッチング素子３３の電圧を検知する電圧検知手段である。４７は比較回路であり、信号検知手段４５及び電圧検知手段４６出力が所定値より低いと判断すれば、制御手段４０に信号を出力する。信号検知手段４５、電圧検知手段４６及び比較回路４７により、第１のスイッチング素子２８短絡モードを検知する短絡モード検出手段４８が構成される。
【００３２】
また、４９は、制御手段４０に接続され、短絡モード検出手段４８検知結果に応じて行われる制御手段４０の制御値を保持する記憶手段、５０は、使用者が動作開始、停止、出力調整等を行うための動作設定手段である。
【００３３】
以上のように構成された誘導加熱装置において、以下動作を説明する。電源２４は整流回路２５により全波整流され、整流回路２５の出力端に接続された第１の平滑コンデンサ２６に供給される。この第１の平滑コンデンサ２６はインバータ３１に高周波電流を供給する供給源として働く。
【００３４】
図２、図３は上記回路における各部波形を示す図であり、図２は鍋３０の材質が低抵抗率金属であるアルミなどのものの場合である。
【００３５】
図２（ａ）は第１のスイッチング素子２８と第１の逆導通素子３５に流れる電流を、同図（ｂ）は第２のスイッチング素子３３と第２の逆導通素子３６に流れる電流を、同図（ｃ）は第１のスイッチング素子２８駆動制御端子電圧を、同図（ｄ）は第２のスイッチング素子３３駆動制御端子電圧を、同図（ｅ）は加熱コイル２９に流れる電流をそれぞれ示している。
【００３６】
第１の駆動手段４３は、制御手段４０からの信号に基づき、時点ｔ０から時点ｔ１まで図２（ｃ）に示すように第１のスイッチング素子２８駆動制御端子に駆動期間がＴ１（約２４μ秒）である駆動信号を出力する。この駆動期間Ｔ１の間では第１のスイッチング素子２８及び第１の逆導通素子３５と、加熱コイル２９と、共振コンデンサ３４で形成される閉回路で共振し、鍋３０がアルミ製などの鍋であるときの共振周期（１／ｆ）が駆動期間Ｔ１の約２／３倍（約１６μ秒）となるように加熱コイル２９の巻き数（４４Ｔ）と共振コンデンサ３４の容量（０．０３μＦ）と、駆動期間Ｔ１が設定されている。チョークコイル２７はこの第１のスイッチング素子２８の駆動期間Ｔ１において、第１の平滑コンデンサ２６の静電エネルギを磁気エネルギとして蓄える。
【００３７】
次に、第１のスイッチング素子２８に流れる共振電流の第２番目のピークと共振電流が次に零となる間のタイミングである時点ｔ１、すなわち第１のスイッチング素子２８の順方向に電流が流れている時点で第１のスイッチング素子２８の駆動が停止される。
【００３８】
第１のスイッチング素子２８の遮断後、第１のスイッチング素子２８のコレクタと接続されたチョークコイル２７の端子電圧が立ち上がり、この電位が第２の平滑コンデンサ３２の電位を越えると、第２の逆導通素子３６を通して第２の平滑コンデンサ３２に充電して、チョークコイル２７に蓄えた磁気エネルギを放出する。
【００３９】
第２の平滑コンデンサ３２の電圧は、整流回路２５の出力電圧のピーク値よりも高くなるよう昇圧される。昇圧されるレベルは第１のスイッチング素子２８の駆動期間に依存し、駆動期間が長くなると第２の平滑コンデンサ３２に発生する電圧が高くなる傾向にある。
【００４０】
このように、第２の平滑コンデンサ３２−第２のスイッチング素子３３あるいは第２の逆導通素子３６−加熱コイル２９−共振コンデンサ３４で形成される閉回路で共振する際に直流電源として働く第２の平滑コンデンサ３２の電圧レベルが昇圧されることにより、図２（ａ）で示す第１のスイッチング素子２８に流れる共振電流の尖頭値、及び共振経路を変えて継続して共振する同図（ｂ）の第２のスイッチング素子３３に流れる共振電流の尖頭値が零とならないように、あるいは小さくならないようにして、高導電率で非磁性であるアルミなどの鍋を高出力で誘導加熱し、かつ出力を連続的に増減して制御するように出来る。
【００４１】
また、図２（ｃ）、（ｄ）で示すように、第２の駆動手段４４は、制御手段４０からの信号に基づき、時点ｔ１から両スイッチング素子が同時遮断期間後の時点ｔ２において、第２のスイッチング素子３３駆動制御端子に駆動信号を出力する。この結果、同図（ｂ）に示すように加熱コイル２９−共振コンデンサ３４−第２のスイッチング素子３３または第２の逆導通素子３６−第２の平滑コンデンサ３２とからなる閉回路に経路を変えて共振電流が流れることになる。この駆動信号の駆動期間Ｔ２は、この場合にはＴ１とほぼ同じ期間に設定されているので、第１のスイッチング素子２８が導通していた場合と同様に、駆動期間Ｔ１の約２／３倍の周期の共振電流が流れる。
【００４２】
従って、加熱コイル２９に流れる電流は、図２（ｅ）に示すような波形となり、第１及び第２のスイッチング素子２８、３３の駆動周期（Ｔ１とＴ２と同時遮断期間の和）は共振電流の周期の約３倍となり、第１及び第２のスイッチング素子２８、３３の駆動周波数が約２０ｋＨｚであれば、加熱コイル２９に流れる共振電流の周波数は約６０ｋＨｚとなる。
【００４３】
図３は鍋３０の材質がアルミなどに比較して高抵抗率である鉄系のものの場合である。
【００４４】
図３（ａ）は第１のスイッチング素子２８と第１の逆導通素子３５に流れる電流を、同図（ｂ）は第２のスイッチング素子３３と第２の逆導通素子３６に流れる電流を、同図（ｃ）は第１のスイッチング素子２８駆動制御端子電圧を、同図（ｄ）は第２のスイッチング素子３３駆動制御端子電圧を、同図（ｅ）は加熱コイル２９に流れる電流をそれぞれ示している。
【００４５】
この場合においても、基本的な動作は図２に示すような、鍋３０の材質が低抵抗率であるアルミなどの場合と変わらない。しかしながら、鉄系の鍋を誘導加熱するには、共振電流周波数が従来の約２０ｋＨｚ程度で十分であるため、共振電流が約２０ｋＨｚになるよう、リレー３９を投入して、共振コンデンサ３４（０．０３μＦ）と補正用共振コンデンサ３８（０．２１μＦ）が電気的に並列接続されるよう切り換える。
【００４６】
さらに、第１のスイッチング素子２８と第２のスイッチング素子３３を一定の周波数（約２３ｋＨｚ）で所定の出力となるよう、駆動時間比で設定する。共振電流は約２０ｋＨｚ程度になるよう共振コンデンサ３４及び補正用共振コンデンサ３８が接続されているため、第１のスイッチング素子２８に流れる共振電流は第２番目のピークとなる前に駆動が停止される。
【００４７】
次に、起動時から安定動作までの一連の動作について説明する。制御手段４０はリレー３９を遮断状態にし、約３６ｋＨｚの駆動周波数で第１のスイッチング素子２８と第２のスイッチング素子３３を交互に駆動する。起動直後の短絡電流による第１及び第２のスイッチング素子２８、３３破壊を防止するために、起動時には、第１のスイッチング素子２８駆動時間を最小となるよう駆動し（本実施例では、約２μ秒）、徐々に所定の駆動時間比（本実施例では第１のスイッチング素子２８駆動時間比が約０．２５）になるよう制御する。
【００４８】
所定の駆動時間比に達した後は、駆動時間比を固定したまま、約３０ｋＨｚとなるまで駆動周波数を掃引する。その間に制御手段４０は、電源２４からの入力電流を検知するカレントトランス４１の検知出力、加熱コイル２９の電圧を検知する電圧検知手段４２の検知出力の関係から、鍋３０の材質を判別する。このとき、駆動時間比を変化させるため、加熱コイル２９に流れる共振電流に対する第１及び第２のスイッチング素子２８、３３のスイッチングタイミングによっては、短絡モードの発生が不可避となる。
【００４９】
しかしながら、この現象は鍋３０の移動などによる共振周波数の変化とは関係のない現象であり、またインバータ３１出力が小さく、第１及び第２のスイッチング素子２８、３３損失も抑えられるため、短絡モード検出手段４８に応じた制御手段４０による制御を行わない。
【００５０】
鍋３０が鉄などの高抵抗金属製であると判別した場合、制御手段４０は加熱を一時停止し、共振コンデンサ３４と補正用共振コンデンサ３８が並列接続されるよう、リレー３９を投入し、再度加熱を開始する。制御手段４０は、第１のスイッチング素子２８駆動時間を最小で、駆動周波数が約２０ｋＨｚとなるようにして駆動開始し、駆動周波数固定のまま、徐々に駆動時間比を増加させて所定の出力が得られるよう制御する。駆動周波数を固定とするのは、上記のように加熱コイル２９に流れる共振電流が約２０ｋＨｚになるよう設定しており、かつ隣接の加熱コイル（図示せず）との共振電流周波数の差により電磁音が発生しないようにするためである。
【００５１】
また、上記のように駆動周波数固定で、駆動時間比を変化させた場合、短絡モードの発生が不可避となる状態があり得る。しかしながら、この現象は鍋３０の移動などによる共振周波数の変化とは関係のない現象であり、また鍋３０が高抵抗金属で共振電流が少なく、第１及び第２のスイッチング素子２８、３３損失も抑えられるため、短絡モード検出手段４８に応じた制御手段４０による制御を行わない。
【００５２】
一方、鍋３０がアルミなどの低抵抗金属製であると判別した場合、制御手段４０は第１のスイッチング素子２８駆動時間比が約０．５となるよう設定し、徐々に駆動周波数を下げ、所定の出力が得られるよう制御する。制御手段４０は、カレントトランス４１から得られる検知出力から判断し、出力が所定値よりも小さければ制御手段４０が制御可能な最小単位の数倍で、所定値より大きければ最小単位で駆動周波数を変化させる。
【００５３】
また、ほぼ所定出力が得られたと判断すれば、出力の微調整が可能なように、駆動時間比を約０．４９から約０．５１まで可変とし制御を行う。本実施例では、鍋３０が通常のアルミ鍋である場合、第１のスイッチング素子２８駆動周波数が約２０ｋＨｚで加熱コイル２９に流れる共振電流周波数が約６０ｋＨｚとなり、最大出力（本実施例では２０００Ｗ）が得られるよう設定されている。
【００５４】
このとき、使用者が調理動作中において鍋を移動させた場合、共振周波数は大きく変化する。例えば、鍋を加熱コイル中心付近よりずらした状態から戻した場合には、鍋３０を含む加熱コイル２９のインダクタンスが減少するために、共振周波数が急激に上昇する。
【００５５】
本実施例では、駆動周波数が共振周波数の約１／３倍となるよう制御しているが、駆動周波数が共振周波数の１／３倍を下回る状態になると、第１及び第２のスイッチング素子２８、３３は短絡モードとなり、それぞれのスイッチング素子に電圧が残っている状態で駆動を開始するため、過大な短絡電流が流れて第１及び第２のスイッチング素子２８、３３が破壊に至る場合がある。
【００５６】
しかしながら、本実施例においては、短絡モード検出手段４８により短絡モードを検知し、制御手段４０は記憶手段４９に保持されている所定の制御値だけ駆動周波数を上げて、駆動周波数を共振周波数から遠ざけてインバータ３１出力を低下させる制御を行う。
【００５７】
なお、鍋３０が、鉄などの高抵抗金属とアルミなどの低抵抗金属との中間の特性を有し、さらに、上記の鍋３０材質判別動作において低抵抗金属製と判別された場合、抵抗が比較的高く、駆動周波数を変化させても十分な共振電流が流れないために所定の出力が得られない。制御手段４０は、所定出力を得るよう駆動周波数を下げる動作を行うため、駆動周波数が共振周波数の１／３倍を下回り、短絡モードが発生する場合がある。
【００５８】
本実施例では、カレントトランス４１により電源２４からの入力電流、つまりインバータ３１出力を検知することにより、所定値（本実施例では約１２００Ｗ）より低い出力で短絡モードを検知した場合、低抵抗金属製鍋３０加熱用の制御では不適と判別し、高抵抗金属製鍋３０加熱用制御に移行する。
【００５９】
次に、短絡モード検出手段４８による短絡モード検出動作について説明する。図４は、短絡モード時における第１及び第２のスイッチング素子波形を示しており、図４（ａ）は第１のスイッチング素子２８と第１の逆導通素子３５に流れる電流を、図４（ｂ）は第２のスイッチング素子３３と第２の逆導通素子３６に流れる電流を、図４（ｃ）は第１のスイッチング素子２８駆動制御端子電圧（駆動信号）を、図４（ｄ）は第２のスイッチング素子３３駆動制御端子電圧（駆動信号）を、図４（ｅ）は第１のスイッチング素子２８にかかる電圧を、図４（ｆ）は第２のスイッチング素子３３にかかる電圧を、図４（ｇ）は比較回路４７出力を示している。これらの波形は、特に、鍋の移動などにより、共振周波数が急激に上昇し、駆動周波数が共振周波数の１／３倍を下回る場合を示すものである。
【００６０】
第２のスイッチング素子３３遮断前後の、第２の逆導通素子３６導通期間Ｔ１では、第２の駆動手段４４からの駆動信号が停止し、第２のスイッチング素子３３が遮断された状態であっても、次に第１のスイッチング素子２８が駆動開始されるまでは第２の逆導通素子３６が導通を続ける。第１のスイッチング素子２８の駆動開始時には過大な短絡電流が流れ、一方で第２のスイッチング素子３３電圧は急激に上昇する。
【００６１】
上記のように、第１及び第２のスイッチング素子２８、３３には、同時導通を回避するために、同時遮断期間Ｔ２（本実施例では約１〜２μ秒）が設けられているために、Ｔ１期間においては、第２の駆動手段４４の駆動信号が停止し、かつ第２のスイッチング素子３３電圧がほぼゼロとなる期間が、少なくとも同時遮断期間Ｔ２だけ生じることになる。第２の駆動手段４４による第２のスイッチング素子３３駆動信号を検知する信号検知手段４５の検出結果、第２のスイッチング素子３３の電圧を検知する電圧検知手段４６の検出結果について、比較回路４７はそれぞれ所定値と比較し、双方とも所定値より低いと判断すれば、制御手段４０に信号を出力し、所定の制御を行う。
【００６２】
また、共振周波数は、加熱コイル２９や共振コンデンサ３４の容量、加熱コイル２９と鍋３０との距離をはじめとするインバータ３１ばらつきや、鍋３０径などによって大きく左右されるため、短絡モード検出手段４８による短絡モード検知時に行われる制御手段４０の制御値が一定であると、共振周波数に対して駆動周波数が十分に高くならず、インバータ３１出力が低下しない場合や、共振周波数に対して駆動周波数が過度に高く設定され、インバータ３１出力が低くなり過ぎて復帰に時間がかかる場合が生じる。
【００６３】
本実施例では、所定の鍋３０が加熱コイル２９近傍に置かれた後、動作設定手段５０によって所定の動作設定がなされた場合には、動作設定手段５０から制御手段４０に信号が出力され、制御手段４０はカレントトランス４１検知結果より、インバータ３１の入力電流が所定値となるよう加熱制御を行う。このとき、所定の鍋３０で所定のインバータ３１入力電流が得られたスイッチング素子２８、３３の駆動周波数から演算により、鍋３０の形状や、インバータ３１ばらつきの如何に関わらず、短絡モードにならず、過度にインバータ３１出力を下げることのない駆動周波数を決定し、記憶手段４９に記憶する。
【００６４】
なお、この所定動作設定時には、インバータ３１ばらつきを見越し、スイッチング素子２８、３３駆動周波数の制限を通常より緩やかにして、所定鍋３０であればインバータ３１ばらつきがあったとしても、必ず加熱可能になるよう制御する。
【００６５】
なお、本実施例では、第２のスイッチング素子３３の駆動信号、電圧を検出することにより、第１のスイッチング素子２８の短絡モードを検知する構成について説明したが、これに限定するものではく、この逆の構成であってもよい。
【００６６】
特に本実施例においては、駆動時間比を約０．５としているため、どちらかのスイッチング素子が短絡モードになれば、もう一方のスイッチング素子も短絡モードになるため、両方のスイッチング素子の短絡モードを検出する必要はない。
【００６７】
また、短絡モード検知時には所定の制御値だけ駆動周波数を上げる制御について説明したが、これに限定するものではなく、例えば、第１及び第２のスイッチング素子２８、３３が短絡モードなく動作する所定の周波数を記憶手段に保持しておき、その所定の周波数に駆動周波数を変化させても同様の効果が得られる。
【００６８】
また、信号検知手段４５と電圧検知手段４６を用いた短絡モード検出手段４８について説明したが、これに限定するものではなく、例えば、信号検知手段４５により駆動信号が停止している期間に逆導通素子に電流が流れていることを検知してもよいし、それに類する構成であってもよい。
【００６９】
【発明の効果】
以上のように、本発明は、被加熱体の移動などによって共振周波数が急激に変化した場合にも、安定して加熱を行う誘導加熱装置を提供することが出来る。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の実施例１における誘導加熱調理器の回路構成を示す図
【図２】 同、各部波形を示す図
【図３】 同、各部波形を示す図
【図４】 同、短絡モードにおける各部波形を示す特性図
【図５】 従来の誘導加熱調理器の電気的構成を示す図
【図６】 同、短絡モードにおける各部波形を示す図
【符号の説明】
２８ 第１のスイッチング素子
２９ 加熱コイル
３１ インバータ
３３ 第２のスイッチング素子
３４ 共振コンデンサ
３９ リレー（インピーダンス変更手段）
４０ 制御手段
４１ カレントトランス（出力検出手段）
４２ 電圧検知手段（出力検出手段）
４５ 信号検知手段
４６ 電圧検知手段
４８ 短絡モード検出手段
４９ 記憶手段
５０ 動作設定手段
【発明の属する技術分野】
本発明は、一般家庭やオフィス、レストラン、工場等で使用される誘導加熱調理器、誘導加熱を利用した湯沸かし器、加温装置等の誘導加熱装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
誘導加熱装置の例として、誘導加熱調理器について説明する。誘導加熱調理器では、加熱コイルから高周波磁界が発生し、加熱コイル近傍に置かれた金属製の鍋等の被加熱体に電磁誘導によって渦電流が発生し、被加熱体が加熱される。
【０００３】
従来の誘導加熱調理器の例として、例えば特許文献１に開示された例を説明する。図５は、従来の誘導加熱調理器の全体の電気的構成を示している。図において、商用交流電源１の両端子は、その一方にコイル２を介して整流ブリッジ回路３の交流入力端子に接続されており、整流ブリッジ回路３の直流出力端子は、直流母線４ａ、４ｂに接続されている。
【０００４】
直流母線４ａ、４ｂには、平滑コンデンサ５が接続されていると共に、上アーム側のＮＰＮ形トランジスタ６及び下アーム側のＮＰＮ形トランジスタ７からなるハーフブリッジ型のインバータ主回路８が接続されている。インバータ主回路８の出力端子８ａと直流母線４ｂとの間には、加熱コイル２１Ａ、２１Ｂ及び共振コンデンサ２２Ａ、２２Ｂが接続されている。
【０００５】
また、平滑コンデンサ５とインバータ主回路８との間における直流母線４ａには、トランジスタ１３のコレクタ、エミッタ及びコイル１４が介挿されている。トランジスタ１３のエミッタと直流母線４ｂとの間にはフライホイールダイオード１５が接続されており、コイル１４のインバータ主回路８側には、平滑コンデンサ１６が接続されている。
【０００６】
トランジスタ１３、コイル１４、ダイオード１５及び平滑コンデンサ１６は、降圧チョッパ回路（電圧変換手段）１７を構成している。
【０００７】
また、加熱コイル２１Ａ及び共振コンデンサ２２Ａからなる直列共振回路２３Ａは、アルミニウムや銅などの非磁性材からなる鍋の加熱用であり、その共振周波数は、例えば１００ｋＨｚ程度に設定されている。加熱コイル２１Ｂ及び共振コンデンサ２２Ｂからなる直列共振回路２３Ｂは、鉄などの磁性材からなる鍋の加熱用であり、その共振周波数は、例えば２０数ｋＨｚ程度に設定されている。共振回路２３Ａ、２３Ｂは図示されていない鍋材質判定手段によって判定された鍋の材質に応じて切替えスイッチ２０により切り替えられる。
【０００８】
このように構成された誘導加熱調理器において、加熱出力の調整を、インバータ主回路８に駆動電源として供給される直流電圧のレベルを変化させて行うようにしており、インバータ主回路８の駆動周波数を常に共振回路２３Ａまたは２３Ｂの共振周波数に一致させる。鍋がアルミニウムや銅などの非磁性材である場合に対応して、共振回路２３Ａの共振周波数を１００ｋＨｚ程度に設定しても、インバータ主回路８の駆動周波数を常にその共振周波数に一致させることで、インバータ主回路８のトランジスタ６、７のスイッチング損失を増加させることがない。
【０００９】
【特許文献１】
特開平１１−２６０５４２号公報
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、使用者が調理動作中において鍋を移動させた場合、共振周波数は大きく変化する。例えば、鍋を加熱コイル中心付近よりずらした状態から戻した場合には、共振周波数が急激に上昇する。前記従来の構成では、何らかのフィードバックにより、共振周波数でインバータ主回路８が動作するよう制御するが、共振周波数の変化に対してフィードバックが遅れると、図６に示すように駆動周波数が共振周波数より低くなり、トランジスタ６、７に電圧が残った状態で導通するモード（短絡モード）が発生する。短絡モードでは、トランジスタ６、７駆動開始時に過大な電流が流れるため、トランジスタ６、７の耐量を超え、破壊に至る場合がある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
前記従来の課題を解決するために、本発明は、高周波磁界を発生し被加熱体を加熱する加熱コイルと、共振コンデンサと、スイッチング素子とを有し、前記加熱コイルと前記共振コンデンサの直列共振により共振するインバータと、前記スイッチング素子の導通時間及び駆動周波数を変更して前記インバータの出力を制御する制御手段と、前記駆動周波数が前記インバータの共振周波数を下回り前記スイッチング素子に電圧が加わった状態で前記スイッチング素子が導通する短絡モードが起きたことを検知する短絡モード検出手段と、前記インバータの出力の大きさを検出する出力検出手段とを備え、前記制御手段は、駆動周波数を低下して前記インバータの出力を増加させ、前記短絡モード検出手段が前記短絡モードを検知すると前記駆動周波数を高くして前記インバータの出力を下げるとともに、前記短絡モード検出手段が前記短絡モードを検知した時点で、前記出力検出手段の検知した前記インバータの出力の大きさが所定値より小さい場合には、前記共振周波数を変え前記インバータの出力の大きさを前記所定値まで増加させるべく前記共振コンデンサのインピーダンスを変化させるインピーダンス変更手段を動作させる誘導加熱装置とするものである。
【００１２】
これによって、被加熱体の移動などによる共振周波数の変化で生じる短絡モードを検知し、所定の制御を行う誘導加熱装置を提供することを目的とする。
【００１３】
【発明の実施の形態】
請求項１に記載の発明は、高周波磁界を発生し被加熱体を加熱する加熱コイルと、共振コンデンサと、スイッチング素子とを有し、前記加熱コイルと前記共振コンデンサの直列共振により共振するインバータと、前記スイッチング素子の導通時間及び駆動周波数を変更して前記インバータの出力を制御する制御手段と、前記駆動周波数が前記インバータの共振周波数を下回り前記スイッチング素子に電圧が加わった状態で前記スイッチング素子が導通する短絡モードが起きたことを検知する短絡モード検出手段と、前記インバータの出力の大きさを検出する出力検出手段とを備え、前記制御手段は、駆動周波数を低下して前記インバータの出力を増加させ、前記短絡モード検出手段が前記短絡モードを検知すると前記駆動周波数を高くして前記インバータの出力を下げるとともに、前記短絡モード検出手段が前記短絡モードを検知した時点で、前記出力検出手段の検知した前記インバータの出力の大きさが所定値より小さい場合には、前記共振周波数を変え前記インバータの出力の大きさを前記所定値まで増加させるべく前記共振コンデンサのインピーダンスを変化させるインピーダンス変更手段を動作させる誘導加熱装置とするものである。
【００１４】
特に低抵抗率金属製の被加熱体が、前記加熱コイル中心からずれた位置より中心付近へ戻された場合、前記被加熱体を含めた前記加熱コイルインダクタンスが急激に減少するため、前記被加熱体を含めた共振周波数も同様に急激に上昇する。前記インバータ動作周波数が共振周波数を下回った場合、前記スイッチング素子に電圧が加わった状態で導通開始する短絡モードが発生し、スイッチング損失が増大する現象が生じる。
【００１５】
しかしながら、請求項１記載の発明では、急激な共振周波数の上昇に伴って前記スイッチング素子の短絡モードが発生し、前記短絡モード検出手段が短絡モードを検知すると、前記制御手段は前記インバータ動作周波数を共振周波数よりも高くするために、短絡モードがなくなり、前記スイッチング素子のスイッチング損失の急激な増大を抑制し、安定に加熱を行うことが出来る。
【００１６】
また、被加熱体を含めた前記加熱コイルの抵抗が大きいければ、共振周波数で前記インバータが動作しても十分に共振電流が流れず、所定の出力が得られない場合が生じる。
【００１７】
前記制御手段は所定の出力を得るよう、前記インバータ動作周波数を下げるなどの出力上昇制御を行うため、前記インバータ動作周波数は共振周波数を下回り、短絡モードが発生する。請求項１に記載の発明では、所定の出力を得られない状態で短絡モードを検知した場合には、加熱コイル、共振コンデンサ及び被加熱体の共振状態が誘導加熱に適さないものと判定し、所定の共振状態を得るべく、前記加熱コイルもしくは前記共振コンデンサのインピーダンスを変化させるべく前記インピーダンス変更手段を動作させることにより、所定の出力を得られる誘導加熱を行うことが出来る。
【００１８】
請求項２に記載の発明は、高周波磁界を発生し被加熱体を加熱する加熱コイルと、共振コンデンサと、第１のスイッチング素子及び前記第１のスイッチング素子の高電位側に直列接続された第２のスイッチング素子とを有し、前記加熱コイルと前記共振コンデンサの直列共振により共振するインバータと、前記スイッチング素子の導通時間及び駆動周波数を変更して前記インバータの出力を制御する制御手段と、前記駆動周波数が前記インバータの共振周波数を下回り前記スイッチング素子に電圧が加わった状態で前記スイッチング素子が導通する短絡モードが起きたことを検知する短絡モード検出手段とを備え、前記制御手段は、前記駆動周波数を低下させて前記インバータの出力を増加させ、前記短絡モード検出手段が前記短絡モードを検知すると前記駆動周波数を高くして前記インバータの出力を下げるとともに、前記駆動周波数を一定のまま、前記第１のスイッチング素子と前記第２のスイッチング素子の駆動時間比を変化させることにより前記インバータの出力の大きさを制御する機能を有し、前記機能を使用する場合には短絡モード検出手段の検知結果に応じた前記インバータの出力制御を禁止することにより、駆動時間比を変化させて発生する短絡モードは共振周波数の変化とは関係がないため、短絡モード検知による制御を禁止することで、例えば、被加熱体の材質に応じて、駆動時間比をほぼ一定のまま駆動周波数を変化させる制御と、駆動周波数を一定のまま駆動時間比を変化させる制御との複数の加熱制御モードを持つことが出来る。
【００１９】
請求項３に記載の発明は、高周波磁界を発生し被加熱体を加熱する加熱コイルと、共振コンデンサと、スイッチング素子とを有し、前記加熱コイルと前記共振コンデンサの直列共振により共振するインバータと、前記スイッチング素子の導通時間及び駆動周波数を変更して前記インバータの出力を制御する制御手段と、前記駆動周波数が前記インバータの共振周波数を下回り前記スイッチング素子に電圧が加わった状態で前記スイッチング素子が導通する短絡モードが起きたことを検知する短絡モード検出手段とを備え、前記制御手段は、前記駆動周波数を低下させて前記インバータの出力を増加させるとともに前記短絡モード検出手段が前記短絡モードを検知すると前記駆動周波数を高くして前記インバータ の出力を下げるとともに、加熱開始時に、前記インバータが所定値より低い出力であると、前記短絡モード検出手段の検知結果に応じた前記インバータの出力制御を禁止することより、加熱開始時、スイッチング素子に過大な短絡電流が流れて負荷が増大しないよう、駆動時間を最小から徐々に長くしていく場合などに生じる短絡モードは、共振周波数の変化とは関係がないため、短絡モード検知による前記インバータ出力の制御を行わず、安定した加熱を行うことが出来る。
【００２０】
請求項４に記載の発明は、高周波磁界を発生し被加熱体を加熱する加熱コイルと、共振コンデンサと、スイッチング素子とを有し、前記加熱コイルと前記共振コンデンサの直列共振により共振するインバータと、前記スイッチング素子の導通時間及び駆動周波数を変更して前記インバータの出力を制御する制御手段と、前記駆動周波数が前記インバータの共振周波数を下回り前記スイッチング素子に電圧が加わった状態で前記スイッチング素子が導通する短絡モードが起きたことを検知する短絡モード検出手段と、前記インバータを所定の動作状態で動作すべく設定するための動作設定手段とを備え、前記制御手段は、前記駆動周波数を低下させて前記インバータの出力を増加させ、前記短絡モード検出手段が前記短絡モードを検知すると前記駆動周波数を記憶手段に記憶した前記駆動周波数に変更することにより高くして前記インバータの出力を下げるとともに、所定の前記被加熱物が前記加熱コイル近傍に置かれた後、前記動作設定手段により所定の動作設定がなされた場合に、前記動作設定手段の出力信号に応じて、前記インバータの入力電流が所定の入力電流となるように前記インバータを動作させるとともに、その際に測定した前記駆動周波数から演算により、前記短絡モードにならず過度に前記インバータの出力を下げることのない前記駆動周波数を決定して前記記憶手段に記憶するものである。
【００２１】
共振周波数は、前記加熱コイルや前記共振コンデンサの容量、前記加熱コイルと前記被加熱体との距離をはじめとする前記インバータばらつきによって大きく左右され、特に前記被加熱体が低抵抗率金属であった場合に顕著となる。そのため、短絡モード検知時に行われる制御手段の制御値が一定であると、共振周波数に対して駆動周波数が高くならず、短絡モードが継続する場合や、共振周波数に対して駆動周波数が過度に高く設定され、インバータ出力が低くなり過ぎて復帰に時間がかかる場合が生じ、実使用上問題である。
【００２２】
請求項４に記載の発明により、それぞれの誘導加熱装置が持つ前記インバータばらつきを含めた制御値を設定することが可能であるため、短絡モードが継続することなく、前記インバータの出力を下げすぎることなく、安定に加熱を継続することが可能になる。
【００２３】
請求項５に記載の発明は、短絡モード検出手段は、スイッチング素子の駆動信号と、前記スイッチング素子の電圧と、前記スイッチング素子の電流とのうちの少なくとも１つの検出結果に基づき短絡モードを検出するものである。短絡モードは前記インバータ動作周波数が共振周波数を下回る際に生じる現象であるから、周波数検出手段による短絡モードも可能ではあるが、一般に構成が複雑となる。
【００２４】
請求項５に記載の発明により、短絡モードを検知するために複雑な回路を使用することなく、比較的構成が簡単で、測定が容易な回路で短絡モードの検出を行うことが出来る。
【００２５】
【実施例】
以下本発明の実施例について、図面を参照しながら説明する。
【００２６】
（実施例１）
図１は、本実施例の誘導加熱装置の回路構成を示す図である。
【００２７】
電源２４は低周波交流電源である２００Ｖ商用電源であり、ブリッジダイオードである整流回路２５の入力端に接続される。整流回路２５の出力端間に第１の平滑コンデンサ２６が接続される。整流回路２５の出力端間には、さらにチョークコイル２７と第１のスイッチング素子２８の直列接続対が接続される。加熱コイル２９は被加熱体である鍋３０と対向して配置されている。
【００２８】
３１はインバータであり、第２の平滑コンデンサ３２の低電位側端子（エミッタ）は整流回路２５の負極端子に接続され、第２の平滑コンデンサ３２の高電位側端子は第２のスイッチング素子（ＩＧＢＴ）３３の高電位側端子（コレクタ）に接続され、第２のスイッチング素子（ＩＧＢＴ）３３の低電位側端子はチョークコイル２７と第１のスイッチング素子（ＩＧＢＴ）２８の高電位側端子（コレクタ）との接続点に接続される。加熱コイル２９と共振コンデンサ３４の直列接続体が第１のスイッチング素子２８に並列に接続される。
【００２９】
第１の逆導通素子３５（第１のダイオード）は第１のスイッチング素子２８に逆並列に接続（第１のダイオード３５のカソードと第１のスイッチング素子２８のコレクタとを接続）され、第２の逆導通素子３６（第２のダイオード）は第２のスイッチング素子３３に逆並列に接続される。補正用共振コンデンサ３８とリレー３９の直列接続体は共振コンデンサ３４に並列に接続されている。リレー３９は、前記共振コンデンサ３４のインピーダンスを変更する（前記補正用共振コンデンサ３８を並列に接続する）ためのインピーダンス変更手段である。制御手段４０は、第１のスイッチング素子２８を駆動する第１の駆動手段４３と、第２のスイッチング素子３３を駆動する第２の駆動手段４４と、リレー３９の駆動コイル（図示せず）に信号を出力する。
【００３０】
また、制御手段４０は、電源２４からの入力電流を検知するカレントトランス４１と、加熱コイル２９の電圧を検知する電圧検知手段４２の検知信号を入力するとともに、鍋３０の材質を判別する材質判別手段を内包する。
【００３１】
また、４５は第２の駆動手段４４による第２のスイッチング素子３３駆動信号を検知する信号検知手段、４６は第２のスイッチング素子３３の電圧を検知する電圧検知手段である。４７は比較回路であり、信号検知手段４５及び電圧検知手段４６出力が所定値より低いと判断すれば、制御手段４０に信号を出力する。信号検知手段４５、電圧検知手段４６及び比較回路４７により、第１のスイッチング素子２８短絡モードを検知する短絡モード検出手段４８が構成される。
【００３２】
また、４９は、制御手段４０に接続され、短絡モード検出手段４８検知結果に応じて行われる制御手段４０の制御値を保持する記憶手段、５０は、使用者が動作開始、停止、出力調整等を行うための動作設定手段である。
【００３３】
以上のように構成された誘導加熱装置において、以下動作を説明する。電源２４は整流回路２５により全波整流され、整流回路２５の出力端に接続された第１の平滑コンデンサ２６に供給される。この第１の平滑コンデンサ２６はインバータ３１に高周波電流を供給する供給源として働く。
【００３４】
図２、図３は上記回路における各部波形を示す図であり、図２は鍋３０の材質が低抵抗率金属であるアルミなどのものの場合である。
【００３５】
図２（ａ）は第１のスイッチング素子２８と第１の逆導通素子３５に流れる電流を、同図（ｂ）は第２のスイッチング素子３３と第２の逆導通素子３６に流れる電流を、同図（ｃ）は第１のスイッチング素子２８駆動制御端子電圧を、同図（ｄ）は第２のスイッチング素子３３駆動制御端子電圧を、同図（ｅ）は加熱コイル２９に流れる電流をそれぞれ示している。
【００３６】
第１の駆動手段４３は、制御手段４０からの信号に基づき、時点ｔ０から時点ｔ１まで図２（ｃ）に示すように第１のスイッチング素子２８駆動制御端子に駆動期間がＴ１（約２４μ秒）である駆動信号を出力する。この駆動期間Ｔ１の間では第１のスイッチング素子２８及び第１の逆導通素子３５と、加熱コイル２９と、共振コンデンサ３４で形成される閉回路で共振し、鍋３０がアルミ製などの鍋であるときの共振周期（１／ｆ）が駆動期間Ｔ１の約２／３倍（約１６μ秒）となるように加熱コイル２９の巻き数（４４Ｔ）と共振コンデンサ３４の容量（０．０３μＦ）と、駆動期間Ｔ１が設定されている。チョークコイル２７はこの第１のスイッチング素子２８の駆動期間Ｔ１において、第１の平滑コンデンサ２６の静電エネルギを磁気エネルギとして蓄える。
【００３７】
次に、第１のスイッチング素子２８に流れる共振電流の第２番目のピークと共振電流が次に零となる間のタイミングである時点ｔ１、すなわち第１のスイッチング素子２８の順方向に電流が流れている時点で第１のスイッチング素子２８の駆動が停止される。
【００３８】
第１のスイッチング素子２８の遮断後、第１のスイッチング素子２８のコレクタと接続されたチョークコイル２７の端子電圧が立ち上がり、この電位が第２の平滑コンデンサ３２の電位を越えると、第２の逆導通素子３６を通して第２の平滑コンデンサ３２に充電して、チョークコイル２７に蓄えた磁気エネルギを放出する。
【００３９】
第２の平滑コンデンサ３２の電圧は、整流回路２５の出力電圧のピーク値よりも高くなるよう昇圧される。昇圧されるレベルは第１のスイッチング素子２８の駆動期間に依存し、駆動期間が長くなると第２の平滑コンデンサ３２に発生する電圧が高くなる傾向にある。
【００４０】
このように、第２の平滑コンデンサ３２−第２のスイッチング素子３３あるいは第２の逆導通素子３６−加熱コイル２９−共振コンデンサ３４で形成される閉回路で共振する際に直流電源として働く第２の平滑コンデンサ３２の電圧レベルが昇圧されることにより、図２（ａ）で示す第１のスイッチング素子２８に流れる共振電流の尖頭値、及び共振経路を変えて継続して共振する同図（ｂ）の第２のスイッチング素子３３に流れる共振電流の尖頭値が零とならないように、あるいは小さくならないようにして、高導電率で非磁性であるアルミなどの鍋を高出力で誘導加熱し、かつ出力を連続的に増減して制御するように出来る。
【００４１】
また、図２（ｃ）、（ｄ）で示すように、第２の駆動手段４４は、制御手段４０からの信号に基づき、時点ｔ１から両スイッチング素子が同時遮断期間後の時点ｔ２において、第２のスイッチング素子３３駆動制御端子に駆動信号を出力する。この結果、同図（ｂ）に示すように加熱コイル２９−共振コンデンサ３４−第２のスイッチング素子３３または第２の逆導通素子３６−第２の平滑コンデンサ３２とからなる閉回路に経路を変えて共振電流が流れることになる。この駆動信号の駆動期間Ｔ２は、この場合にはＴ１とほぼ同じ期間に設定されているので、第１のスイッチング素子２８が導通していた場合と同様に、駆動期間Ｔ１の約２／３倍の周期の共振電流が流れる。
【００４２】
従って、加熱コイル２９に流れる電流は、図２（ｅ）に示すような波形となり、第１及び第２のスイッチング素子２８、３３の駆動周期（Ｔ１とＴ２と同時遮断期間の和）は共振電流の周期の約３倍となり、第１及び第２のスイッチング素子２８、３３の駆動周波数が約２０ｋＨｚであれば、加熱コイル２９に流れる共振電流の周波数は約６０ｋＨｚとなる。
【００４３】
図３は鍋３０の材質がアルミなどに比較して高抵抗率である鉄系のものの場合である。
【００４４】
図３（ａ）は第１のスイッチング素子２８と第１の逆導通素子３５に流れる電流を、同図（ｂ）は第２のスイッチング素子３３と第２の逆導通素子３６に流れる電流を、同図（ｃ）は第１のスイッチング素子２８駆動制御端子電圧を、同図（ｄ）は第２のスイッチング素子３３駆動制御端子電圧を、同図（ｅ）は加熱コイル２９に流れる電流をそれぞれ示している。
【００４５】
この場合においても、基本的な動作は図２に示すような、鍋３０の材質が低抵抗率であるアルミなどの場合と変わらない。しかしながら、鉄系の鍋を誘導加熱するには、共振電流周波数が従来の約２０ｋＨｚ程度で十分であるため、共振電流が約２０ｋＨｚになるよう、リレー３９を投入して、共振コンデンサ３４（０．０３μＦ）と補正用共振コンデンサ３８（０．２１μＦ）が電気的に並列接続されるよう切り換える。
【００４６】
さらに、第１のスイッチング素子２８と第２のスイッチング素子３３を一定の周波数（約２３ｋＨｚ）で所定の出力となるよう、駆動時間比で設定する。共振電流は約２０ｋＨｚ程度になるよう共振コンデンサ３４及び補正用共振コンデンサ３８が接続されているため、第１のスイッチング素子２８に流れる共振電流は第２番目のピークとなる前に駆動が停止される。
【００４７】
次に、起動時から安定動作までの一連の動作について説明する。制御手段４０はリレー３９を遮断状態にし、約３６ｋＨｚの駆動周波数で第１のスイッチング素子２８と第２のスイッチング素子３３を交互に駆動する。起動直後の短絡電流による第１及び第２のスイッチング素子２８、３３破壊を防止するために、起動時には、第１のスイッチング素子２８駆動時間を最小となるよう駆動し（本実施例では、約２μ秒）、徐々に所定の駆動時間比（本実施例では第１のスイッチング素子２８駆動時間比が約０．２５）になるよう制御する。
【００４８】
所定の駆動時間比に達した後は、駆動時間比を固定したまま、約３０ｋＨｚとなるまで駆動周波数を掃引する。その間に制御手段４０は、電源２４からの入力電流を検知するカレントトランス４１の検知出力、加熱コイル２９の電圧を検知する電圧検知手段４２の検知出力の関係から、鍋３０の材質を判別する。このとき、駆動時間比を変化させるため、加熱コイル２９に流れる共振電流に対する第１及び第２のスイッチング素子２８、３３のスイッチングタイミングによっては、短絡モードの発生が不可避となる。
【００４９】
しかしながら、この現象は鍋３０の移動などによる共振周波数の変化とは関係のない現象であり、またインバータ３１出力が小さく、第１及び第２のスイッチング素子２８、３３損失も抑えられるため、短絡モード検出手段４８に応じた制御手段４０による制御を行わない。
【００５０】
鍋３０が鉄などの高抵抗金属製であると判別した場合、制御手段４０は加熱を一時停止し、共振コンデンサ３４と補正用共振コンデンサ３８が並列接続されるよう、リレー３９を投入し、再度加熱を開始する。制御手段４０は、第１のスイッチング素子２８駆動時間を最小で、駆動周波数が約２０ｋＨｚとなるようにして駆動開始し、駆動周波数固定のまま、徐々に駆動時間比を増加させて所定の出力が得られるよう制御する。駆動周波数を固定とするのは、上記のように加熱コイル２９に流れる共振電流が約２０ｋＨｚになるよう設定しており、かつ隣接の加熱コイル（図示せず）との共振電流周波数の差により電磁音が発生しないようにするためである。
【００５１】
また、上記のように駆動周波数固定で、駆動時間比を変化させた場合、短絡モードの発生が不可避となる状態があり得る。しかしながら、この現象は鍋３０の移動などによる共振周波数の変化とは関係のない現象であり、また鍋３０が高抵抗金属で共振電流が少なく、第１及び第２のスイッチング素子２８、３３損失も抑えられるため、短絡モード検出手段４８に応じた制御手段４０による制御を行わない。
【００５２】
一方、鍋３０がアルミなどの低抵抗金属製であると判別した場合、制御手段４０は第１のスイッチング素子２８駆動時間比が約０．５となるよう設定し、徐々に駆動周波数を下げ、所定の出力が得られるよう制御する。制御手段４０は、カレントトランス４１から得られる検知出力から判断し、出力が所定値よりも小さければ制御手段４０が制御可能な最小単位の数倍で、所定値より大きければ最小単位で駆動周波数を変化させる。
【００５３】
また、ほぼ所定出力が得られたと判断すれば、出力の微調整が可能なように、駆動時間比を約０．４９から約０．５１まで可変とし制御を行う。本実施例では、鍋３０が通常のアルミ鍋である場合、第１のスイッチング素子２８駆動周波数が約２０ｋＨｚで加熱コイル２９に流れる共振電流周波数が約６０ｋＨｚとなり、最大出力（本実施例では２０００Ｗ）が得られるよう設定されている。
【００５４】
このとき、使用者が調理動作中において鍋を移動させた場合、共振周波数は大きく変化する。例えば、鍋を加熱コイル中心付近よりずらした状態から戻した場合には、鍋３０を含む加熱コイル２９のインダクタンスが減少するために、共振周波数が急激に上昇する。
【００５５】
本実施例では、駆動周波数が共振周波数の約１／３倍となるよう制御しているが、駆動周波数が共振周波数の１／３倍を下回る状態になると、第１及び第２のスイッチング素子２８、３３は短絡モードとなり、それぞれのスイッチング素子に電圧が残っている状態で駆動を開始するため、過大な短絡電流が流れて第１及び第２のスイッチング素子２８、３３が破壊に至る場合がある。
【００５６】
しかしながら、本実施例においては、短絡モード検出手段４８により短絡モードを検知し、制御手段４０は記憶手段４９に保持されている所定の制御値だけ駆動周波数を上げて、駆動周波数を共振周波数から遠ざけてインバータ３１出力を低下させる制御を行う。
【００５７】
なお、鍋３０が、鉄などの高抵抗金属とアルミなどの低抵抗金属との中間の特性を有し、さらに、上記の鍋３０材質判別動作において低抵抗金属製と判別された場合、抵抗が比較的高く、駆動周波数を変化させても十分な共振電流が流れないために所定の出力が得られない。制御手段４０は、所定出力を得るよう駆動周波数を下げる動作を行うため、駆動周波数が共振周波数の１／３倍を下回り、短絡モードが発生する場合がある。
【００５８】
本実施例では、カレントトランス４１により電源２４からの入力電流、つまりインバータ３１出力を検知することにより、所定値（本実施例では約１２００Ｗ）より低い出力で短絡モードを検知した場合、低抵抗金属製鍋３０加熱用の制御では不適と判別し、高抵抗金属製鍋３０加熱用制御に移行する。
【００５９】
次に、短絡モード検出手段４８による短絡モード検出動作について説明する。図４は、短絡モード時における第１及び第２のスイッチング素子波形を示しており、図４（ａ）は第１のスイッチング素子２８と第１の逆導通素子３５に流れる電流を、図４（ｂ）は第２のスイッチング素子３３と第２の逆導通素子３６に流れる電流を、図４（ｃ）は第１のスイッチング素子２８駆動制御端子電圧（駆動信号）を、図４（ｄ）は第２のスイッチング素子３３駆動制御端子電圧（駆動信号）を、図４（ｅ）は第１のスイッチング素子２８にかかる電圧を、図４（ｆ）は第２のスイッチング素子３３にかかる電圧を、図４（ｇ）は比較回路４７出力を示している。これらの波形は、特に、鍋の移動などにより、共振周波数が急激に上昇し、駆動周波数が共振周波数の１／３倍を下回る場合を示すものである。
【００６０】
第２のスイッチング素子３３遮断前後の、第２の逆導通素子３６導通期間Ｔ１では、第２の駆動手段４４からの駆動信号が停止し、第２のスイッチング素子３３が遮断された状態であっても、次に第１のスイッチング素子２８が駆動開始されるまでは第２の逆導通素子３６が導通を続ける。第１のスイッチング素子２８の駆動開始時には過大な短絡電流が流れ、一方で第２のスイッチング素子３３電圧は急激に上昇する。
【００６１】
上記のように、第１及び第２のスイッチング素子２８、３３には、同時導通を回避するために、同時遮断期間Ｔ２（本実施例では約１〜２μ秒）が設けられているために、Ｔ１期間においては、第２の駆動手段４４の駆動信号が停止し、かつ第２のスイッチング素子３３電圧がほぼゼロとなる期間が、少なくとも同時遮断期間Ｔ２だけ生じることになる。第２の駆動手段４４による第２のスイッチング素子３３駆動信号を検知する信号検知手段４５の検出結果、第２のスイッチング素子３３の電圧を検知する電圧検知手段４６の検出結果について、比較回路４７はそれぞれ所定値と比較し、双方とも所定値より低いと判断すれば、制御手段４０に信号を出力し、所定の制御を行う。
【００６２】
また、共振周波数は、加熱コイル２９や共振コンデンサ３４の容量、加熱コイル２９と鍋３０との距離をはじめとするインバータ３１ばらつきや、鍋３０径などによって大きく左右されるため、短絡モード検出手段４８による短絡モード検知時に行われる制御手段４０の制御値が一定であると、共振周波数に対して駆動周波数が十分に高くならず、インバータ３１出力が低下しない場合や、共振周波数に対して駆動周波数が過度に高く設定され、インバータ３１出力が低くなり過ぎて復帰に時間がかかる場合が生じる。
【００６３】
本実施例では、所定の鍋３０が加熱コイル２９近傍に置かれた後、動作設定手段５０によって所定の動作設定がなされた場合には、動作設定手段５０から制御手段４０に信号が出力され、制御手段４０はカレントトランス４１検知結果より、インバータ３１の入力電流が所定値となるよう加熱制御を行う。このとき、所定の鍋３０で所定のインバータ３１入力電流が得られたスイッチング素子２８、３３の駆動周波数から演算により、鍋３０の形状や、インバータ３１ばらつきの如何に関わらず、短絡モードにならず、過度にインバータ３１出力を下げることのない駆動周波数を決定し、記憶手段４９に記憶する。
【００６４】
なお、この所定動作設定時には、インバータ３１ばらつきを見越し、スイッチング素子２８、３３駆動周波数の制限を通常より緩やかにして、所定鍋３０であればインバータ３１ばらつきがあったとしても、必ず加熱可能になるよう制御する。
【００６５】
なお、本実施例では、第２のスイッチング素子３３の駆動信号、電圧を検出することにより、第１のスイッチング素子２８の短絡モードを検知する構成について説明したが、これに限定するものではく、この逆の構成であってもよい。
【００６６】
特に本実施例においては、駆動時間比を約０．５としているため、どちらかのスイッチング素子が短絡モードになれば、もう一方のスイッチング素子も短絡モードになるため、両方のスイッチング素子の短絡モードを検出する必要はない。
【００６７】
また、短絡モード検知時には所定の制御値だけ駆動周波数を上げる制御について説明したが、これに限定するものではなく、例えば、第１及び第２のスイッチング素子２８、３３が短絡モードなく動作する所定の周波数を記憶手段に保持しておき、その所定の周波数に駆動周波数を変化させても同様の効果が得られる。
【００６８】
また、信号検知手段４５と電圧検知手段４６を用いた短絡モード検出手段４８について説明したが、これに限定するものではなく、例えば、信号検知手段４５により駆動信号が停止している期間に逆導通素子に電流が流れていることを検知してもよいし、それに類する構成であってもよい。
【００６９】
【発明の効果】
以上のように、本発明は、被加熱体の移動などによって共振周波数が急激に変化した場合にも、安定して加熱を行う誘導加熱装置を提供することが出来る。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の実施例１における誘導加熱調理器の回路構成を示す図
【図２】 同、各部波形を示す図
【図３】 同、各部波形を示す図
【図４】 同、短絡モードにおける各部波形を示す特性図
【図５】 従来の誘導加熱調理器の電気的構成を示す図
【図６】 同、短絡モードにおける各部波形を示す図
【符号の説明】
２８ 第１のスイッチング素子
２９ 加熱コイル
３１ インバータ
３３ 第２のスイッチング素子
３４ 共振コンデンサ
３９ リレー（インピーダンス変更手段）
４０ 制御手段
４１ カレントトランス（出力検出手段）
４２ 電圧検知手段（出力検出手段）
４５ 信号検知手段
４６ 電圧検知手段
４８ 短絡モード検出手段
４９ 記憶手段
５０ 動作設定手段
Claims (5)
- 高周波磁界を発生し被加熱体を加熱する加熱コイルと、共振コンデンサと、スイッチング素子とを有し、前記加熱コイルと前記共振コンデンサの直列共振により共振するインバータと、前記スイッチング素子の導通時間及び駆動周波数を変更して前記インバータの出力を制御する制御手段と、前記駆動周波数が前記インバータの共振周波数を下回り前記スイッチング素子に電圧が加わった状態で前記スイッチング素子が導通する短絡モードが起きたことを検知する短絡モード検出手段と、前記インバータの出力の大きさを検出する出力検出手段とを備え、前記制御手段は、駆動周波数を低下して前記インバータの出力を増加させ、前記短絡モード検出手段が前記短絡モードを検知すると前記駆動周波数を高くして前記インバータの出力を下げるとともに、前記短絡モード検出手段が前記短絡モードを検知した時点で、前記出力検出手段の検知した前記インバータの出力の大きさが所定値より小さい場合には、前記共振周波数を変え前記インバータの出力の大きさを前記所定値まで増加させるべく前記共振コンデンサのインピーダンスを変化させるインピーダンス変更手段を動作させる誘導加熱装置。
- 高周波磁界を発生し被加熱体を加熱する加熱コイルと、共振コンデンサと、第１のスイッチング素子及び前記第１のスイッチング素子の高電位側に直列接続された第２のスイッチング素子とを有し、前記加熱コイルと前記共振コンデンサの直列共振により共振するインバータと、前記スイッチング素子の導通時間及び駆動周波数を変更して前記インバータの出力を制御する制御手段と、前記駆動周波数が前記インバータの共振周波数を下回り前記スイッチング素子に電圧が加わった状態で前記スイッチング素子が導通する短絡モードが起きたことを検知する短絡モード検出手段とを備え、前記制御手段は、前記駆動周波数を低下させて前記インバータの出力を増加させ、前記短絡モード検出手段が前記短絡モードを検知すると前記駆動周波数を高くして前記インバータの出力を下げるとともに、前記駆動周波数を一定のまま、前記第１のスイッチング素子と前記第２のスイッチング素子の駆動時間比を変化させることにより前記インバータの出力の大きさを制御する機能を有し、前記機能を使用する場合には短絡モード検出手段の検知結果に応じた前記インバータの出力制御を禁止する誘導加熱装置。
- 高周波磁界を発生し被加熱体を加熱する加熱コイルと、共振コンデンサと、スイッチング素子とを有し、前記加熱コイルと前記共振コンデンサの直列共振により共振するインバータと、前記スイッチング素子の導通時間及び駆動周波数を変更して前記インバータの出力を制御する制御手段と、前記駆動周波数が前記インバータの共振周波数を下回り前記スイッチング素子に電圧が加わった状態で前記スイッチング素子が導通する短絡モードが起きたことを検知する短絡モード検出手段とを備え、前記制御手段は、前記駆動周波数を低下させて前記インバータの出力を増加させるとともに前記短絡モード検出手段が前記短絡モードを検知すると前記駆動周波数を高くして前記インバータの出力を下げるとともに、加熱開始時に、前記インバータが所定値より低い出力であると、前記短絡モード検出手段の検知結果に応じた前記インバータの出力制御を禁止する誘導加熱装置。
- 高周波磁界を発生し被加熱体を加熱する加熱コイルと、共振コンデンサと、スイッチング素子とを有し、前記加熱コイルと前記共振コンデンサの直列共振により共振するインバータと、前記スイッチング素子の導通時間及び駆動周波数を変更して前記インバータの出力を制御する制御手段と、前記駆動周波数が前記インバータの共振周波数を下回り前記スイッチング素子に電圧が加わった状態で前記スイッチング素子が導通する短絡モードが起きたことを検知する短絡モード検出手段と、前記インバータを所定の動作状態で動作すべく設定するための動作設定手段とを備え、前記制御手段は、前記駆動周波数を低下させて前記インバータの出力を増加させ、前記短絡モード検出手段が前記短絡モードを検知すると前記駆動周波数を記憶手段に記憶した前記駆動周波数に変更することにより高くして前記インバータの出力を下げるとともに、所定の前記被加熱物が前記加熱コイル近傍に置かれた後、前記動作設定手段により所定の動作設定がなされた場合に、前記動作設定手段の出力信号に応じて、前記インバータの入力電流が所定の入力電流となるように前記インバータを動作させるとともに、その際に測定した前記駆動周波数から演算により、前記短絡モードにならず過度に前記インバータの出力を下げることのない前記駆動周波数を決定して前記記憶手段に記憶する誘導加熱装置。
- 短絡モード検出手段は、スイッチング素子の駆動信号と、前記スイッチング素子の電圧と、前記スイッチング素子の電流とのうちの少なくとも１つの検出結果に基づき短絡モードを検出してなる請求項１〜４のいずれか１項に記載の誘導加熱装置。
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