JP4186947B2 - 誘導加熱装置 - Google Patents

Description

本発明は、誘導加熱調理器や、誘導加熱式の湯沸かし器、加湿器あるいはアイロンなどの誘導加熱装置に関するものである。

従来、この種の誘導加熱装置は、加熱コイルから高周波磁界を発生し、電磁誘導による渦電流によって鍋等の負荷を加熱している（例えば、特許文献１参照）。

図３は特許文献１に記載された従来の誘導加熱装置（誘導加熱調理器）の回路構成を示す図である。図３において１１は交流電源、１２は交流電源１１を直流に変換する整流回路、１３は負荷鍋を加熱する加熱コイル、１４は共振コンデンサ、１５はスイッチング素子、１６は逆導通ダイオードで、加熱コイル１３と共振コンデンサ１４とスイッチング素子１５と逆導通ダイオード１６でインバータ回路１７が構成されている。１８は交流電源１１からの入力電力を検知する入力電力検知手段、１９は負荷鍋への供給電力を設定する入力電力設定手段、２０はスイッチング素子１５のターンオン時の両端電圧を検知するターンオン電圧検知手段、２１はターンオン電圧検知手段の検知電圧が所定時間以上連続して予め設定されたしきい値を超えると、ターンオン電圧検知手段２０の検知結果が有効と判定するターンオン電圧判定手段、２２はスイッチング素子を駆動するドライブ回路、２３は入力電力検知手段１８の検知電力が入力電力設定手段１９で設定された電力となるようにスイッチング素子１５のオン時間を制御する制御手段、２４は入力電力のデューティー制御により前記入力電力設定手段１９で設定された電力を実現するデューティー制御手段、２５は入力電力検知手段１８の検知電力とスイッチング素子１５の両端電圧から加熱可能な負荷鍋の有無を検知する負荷検知手段、２６は調理器の動作状態を表示する表示手段、２７は報知手段である。図４はインバータ回路１７の動作時の、スイッチング素子１５と逆導通ダイオード１６に流れる電流と両端電圧の関係を示す図である。図４において、（ａ）は入力電力が小さい場合、（ｂ）は入力電力が大きい場合のそれぞれの関係を示す。図５はスイッチング素子１５のターンオン時に発生するスイッチング素子１５の両端電圧Ｖｏｎと負荷鍋への供給電力の特性を示す。図５において負荷Ａおよび負荷Ｃはホーロー鍋や銅張り鍋に代表される加熱コイル１３との磁気結合のよい負荷鍋、負荷Ｂは非磁性鍋に代表される加熱コイル１３との磁気結合の悪い負荷鍋を示す。また、負荷鍋を加熱した際にスイッチング素子１５の損失が誘導加熱調理器の冷却限界となるＶｏｎをそれぞれ点で示してあり、Ｖｏｎのしきい値はそれより低い電圧で設定されている。以上のように構成された誘導加熱調理器について、その動作を説明する。加熱コイル１３上方に負荷鍋を載置して加熱を開始すると、制御手段２３からの信号によりドライブ回路２２がスイッチング素子１５を駆動し、スイッチング素子１５のオンオフ動作により加熱コイル１３に高周波電流が供給され、加熱コイル１３上方に載置された負荷鍋が誘導加熱される。負荷鍋に供給される電力はスイッチング素子１５のオン時間を変えることにより自在に変化させることができる。ホーロー鍋や銅張り鍋のように加熱コイル１３との磁気結合がよい負荷鍋では入力電力が小さいときは、図４（ａ）に示すようにスイッチング素子１５のオン時間が短く加熱コイル１３に流れる電流が少ないため、スイッチング素子１５がオフしている間に加熱コイル１３と共振コンデンサ１４の共振により発生する電圧の振幅が小さく、スイッチング素子１５の両端電圧が０Ｖ以下に達しないので、スイッチング素子１５をターンオンした時にスイッチング素子１５に過大な電流が流れる。加熱開始時は負荷鍋に供給する電力を小さく、その後徐々に供給電力を増やしていき所定の電力となるように制御するソフトスタートを行っている。このため図５の負荷Ａや負荷Ｃのように最初はターンオン電圧がしきい値を越えるが、負荷への供給電力が大きくなりターンオン電圧判定手段２１で設定されている時間内にターンオン電圧がしきい値より低くなると、ターンオン電圧判定手段２１はターンオン電圧検知手段２０の検知結果を無効と判定するので、制御手段２３は連続加熱制御にて入力電力設定手段１９で設定された電力となるようにスイッチング素子１５のオン時間を制御する。いま、加熱コイル１３上方に負荷Ａが載置されて入力電力設定手段にて負荷鍋への供給電力がＰ１となるように設定されると、図５に示すようにソフトスタートが終了し負荷への供給電力がＰ１に達しても、ターンオン電圧はしきい値を越えているので、所定時間以上連続してターンオン電圧がしきい値より高くなり、ターンオン電圧判定手段２１はターンオン電圧検知手段２０の検知結果を有効と判定して、デューティー制御手段２４によりＰ１より大きい入力電力のデューティー制御をして負荷鍋への供給電力がＰ１となるように制御する。次に、入力電力設定手段１９にて負荷鍋への供給電力をＰ１からＰ２に変更すると、デューティー制御手段２４はデューティー制御を解除して、連続加熱制御で負荷への供給電力がＰ２となるようにスイッチング素子１５のオン時間を制御する。図５に示すように負荷鍋へ供給される電力がＰ２の時はターンオン電圧はしきい値より低いので、供給電力がＰ２に達した後も引き続き連続加熱制御にて加熱する。次に、負荷鍋への供給電力を再びＰ１と設定してデューティー制御にて加熱中に、負荷Ａを加熱コイル１３上方から外すと、負荷検知手段２５が負荷鍋無し状態と判定して加熱を停止する。そしてその後負荷Ｂが加熱コイル１３上方に載置されると、負荷検知手段２５は加熱可能な負荷鍋が載置された状態であると判断して、デューティー制御手段２４はデューティー制御を解除し連続加熱制御にて加熱を再開する。図５に示すように負荷Ｂでは負荷鍋へ供給される電力がＰ１でもターンオン電圧はしきい値より低いので、供給電力がＰ１に達した後も引き続き連続加熱制御にて加熱する。次に、負荷鍋を負荷Ｃに変更し入力電力設定手段１９にて負荷鍋への供給電力がＰ４となるように設定されると、図５に示すように負荷Ｃでは負荷鍋へ供給される電力がＰ４でもターンオン電圧がしきい値を越えるので、所定時間以上連続してターンオン電圧がしきい値より高くなり、ターンオン電圧判定手段２１はターンオン電圧検知手段２０の検知結果を有効と判定する。負荷鍋への供給電力がＰ３以上でターンオン電圧がしきい値を越えると加熱を停止するように設定されているので、負荷鍋への供給電力がＰ３より大きいＰ４でターンオン電圧判定手段２１にてターンオン電圧検知手段２０の検知結果が有効と判定されているこの状態では加熱を停止する。

以上のように構成された誘導加熱調理器において、スイッチング素子１５のターンオン電圧がしきい値を越えても、加熱開始時のソフトスタートによるものであればターンオン電圧判定手段２１にてターンオン電圧検知手段の検知結果が無効と判定され、連続加熱制御により所望の入力電力を得ることができる。また、電力安定時にスイッチング素子１５のターンオン電圧がしきい値を越えると、ターンオン電圧判定手段２１にてターンオン電圧検知手段２０の検知結果が有効と判定され、デューティー制御により所望の入力電力を実現し、スイッチング素子の損失を低減することを可能としていた。
特許第３１６８９５６号公報

しかしながら、前記従来の構成では、ターンオン電圧検知手段が必要など構成が複雑になり、実施が困難であるという課題を有していた。

本発明は、前記従来の課題を解決するもので、容易な構成でかつ広い電源電圧範囲においてターンオンモードであることを判定することができる誘導加熱装置を提供することを目的とする。

前記従来の課題を解決するために、本発明の誘導加熱装置は交流電源を直流に変換する整流回路と、加熱コイル、前記加熱コイルと直列に接続されたスイッチング素子及び前記加熱コイルまたはスイッチング素子に並列に接続した共振コンデンサを有し前記整流回路により変換された直流を高周波電流に変換して前記加熱コイルに流し、前記加熱コイル近傍に設置した負荷を誘導加熱するインバータ回路と、前記スイッチング素子を高周波数でオンオフ駆動しそのオン時間を制御して瞬時の加熱出力を制御する制御手段と、前記交流電源からの入力電流を検知する入力電流検知手段または前記交流電源からの入力電力を検知する入力電力検知手段と、前記加熱コイルに流れる加熱コイル電流を検知する加熱コイル電流検知手段と、前記交流電源からの入力電圧または前記整流回路で直流に変換後の入力電圧を検知する入力電圧検知手段と、前記スイッチング素子がゼロ電圧スイッチングできなくなるターンオンモードが発生していることを判定するターンオンモード判定手段とを備え、前記ターンオンモードが発生していると前記ターンモード判定手段が判定すると、前記制御手段が前記瞬時の加熱出力を増加させて前記スイッチング素子のターンオン損失を抑制するように制御する誘導加熱装置であって、前記ターンオンモード判定手段は、所定の前記瞬時の加熱出力において、前記加熱コイル電流検知手段の検出する前記加熱コイル電流が、前記入力電圧検知出力に応じて設定された所定値以下であるとターンオンモードが発生していると判定する構成とした。この構成により、容易な構成でかつ広い電源電圧範囲においてターンオンモードを検知することができることから広い電源電圧範囲においてスイッチング素子のターンオン損失を抑制できる誘導加熱装置とすることができる。

本発明の誘導加熱装置は、容易な構成でかつ広い電源電圧範囲においてスイッチング素子のターンオン損失増大による素子破壊を防止できる。

第１の発明は、交流電源を直流に変換する整流回路と、加熱コイル、前記加熱コイルと直列に接続されたスイッチング素子及び前記加熱コイルまたはスイッチング素子に並列に接続した共振コンデンサを有し前記整流回路により変換された直流を高周波電流に変換して前記加熱コイルに流し、前記加熱コイル近傍に設置した負荷を誘導加熱するインバータ回路と、前記スイッチング素子を高周波数でオンオフ駆動しそのオン時間を制御して瞬時の加熱出力を制御する制御手段と、前記交流電源からの入力電流を検知する入力電流検知手段または前記交流電源からの入力電力を検知する入力電力検知手段と、前記加熱コイルに流れる加熱コイル電流を検知する加熱コイル電流検知手段と、前記交流電源からの入力電圧または前記整流回路で直流に変換後の入力電圧を検知する入力電圧検知手段と、前記スイッチング素子がゼロ電圧スイッチングできなくなるターンオンモードが発生している
ことを判定するターンオンモード判定手段とを備え、前記ターンオンモードが発生していると前記ターンモード判定手段が判定すると、前記制御手段が前記瞬時の加熱出力を増加させて前記スイッチング素子のターンオン損失を抑制するように制御する誘導加熱装置であって、前記ターンオンモード判定手段は、所定の前記瞬時の加熱出力において、前記加熱コイル電流検知手段の検出する前記加熱コイル電流が、前記入力電圧検知出力に応じて設定された所定値以下であるとターンオンモードが発生していると判定する構成とした。この構成により、容易な構成でかつ広い電源電圧範囲においてスイッチング素子のターンオン損失を抑制できる誘導加熱装置とすることができる。

第２の発明は、特に、第１の発明の誘導加熱装置をターンオンモードが発生しているとターンオンモード判定手段が判定すると、制御手段はデューティー制御により平均の加熱出力を所定の値とする電力制御を行う構成とした。この構成により、容易な構成でかつ広い電源電圧範囲においてスイッチング素子のターンオン損失を抑制できる誘導加熱装置とすることができる。

第３の発明は、第１の発明の誘導加熱装置において、ターンオンモードが発生しているとターンモード判定手段が判定すると、制御手段が瞬時の加熱出力を増加させてスイッチング素子のターンオン損失を抑制するように制御することに代え、前記ターンオンモードが発生していると前記ターンモード判定手段が判定すると、制御手段は前記スイッチング素子の駆動を停止するように制御するように構成した。この構成により容易な構成でかつ広い電源電圧範囲においてスイッチング素子のターンオン損失増大による素子破壊を防止できる誘導加熱装置とすることができる。

第４の発明は、第１の発明の誘導加熱装置において、ターンオンモードが発生しているとターンモード判定手段が判定すると、制御手段が瞬時の加熱出力を増加させてスイッチング素子のターンオン損失を抑制するように制御することに代え、少なくとも前記スイッチング素子を冷却する冷却ファンを備え、前記ターンオンモードが発生していると前記ターンモード判定手段が判定すると、前記冷却ファンの回転をより高速にすることにより能力を増大させるように制御する構成とした。この構成により容易な構成でかつ広い電源電圧範囲においてスイッチング素子のターンオン損失増大による素子破壊を防止できる誘導加熱装置とすることができる。

第５の発明は、特に第４の発明の誘導加熱装置の冷却ファンは、加熱コイル電流検知出力の出力がより小さくなってスイッチング素子のターンオン損失がより大きくなると冷却ファンの回転がより高速になるように変化させる構成とした。この構成により容易な構成でかつ広い電源電圧範囲においてスイッチング素子のターンオン損失増大による素子破壊を防止できる誘導加熱装置とすることができる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、この実施の形態によって本発明が限定されるものではない。

（実施の形態１）
図１は本発明の第１の実施の形態における誘導加熱調理器のブロック図であり、図２は同誘導加熱調理器のターンオンモード判定手段の特性図である。

図１において、電源１１は商用電源であり、ダイオードブリッジからなる整流手段１２によって商用電源を直流に変換し、インバータにより高周波に変換され、高周波磁界を加熱コイル１３に発生させる。１０は負荷である鍋であり、加熱コイル１３と対向して設置する。１４は共振コンデンサであり、加熱コイル１３に接続して共振回路を構成している。インバータは前記１石電圧共振形インバータ構成となるようスイッチング素子１５を接続している。スイッチング素子１５は逆並列に逆導通素子１６としてダイオードを接続している。制御手段３０によりスイッチング素子１５を駆動し、出力を増加させる場合にはスイッチング素子の駆動周波数が低くなるように制御手段３０によりスイッチング素子を駆動し、カレントトランスからなる入力電流検知手段１８により入力電流を検知して所定の加熱出力が得られるようにする周波数制御のインバータとしている。３２は加熱コイル電流検知手段でありカレントトランスからなっている。３３は入力電圧検知手段であり抵抗分圧によっている。加熱コイル電流検知手段３２の検知出力と入力電流検知手段１８の検知出力と入力電圧検知手段３３の検知出力はターンオンモード判定手段３１に入力される。

以上のように構成された誘導加熱装置（誘導加熱調理器）について、以下その動作、作用を説明する。

図２は所定の火力におけるターンオンモード判定手段３１の特性図である。負荷の材質や、負荷の加熱コイルに対する対向面積など負荷結合の程度により、結合が悪い負荷や材質が非磁性ステンレスの負荷の場合は所定の加熱出力に対する加熱コイル電流は大きくなる。また結合がよいまたはホーロー鍋など材質が鉄の負荷の場合はより加熱コイル電流は小さくなる。これらの場合には共振電圧の振幅も大きいことからスイッチング素子電圧がゼロの時にスイッチング素子１５をオンすなわちゼロ電圧スイッチングを実現している。さらに銅が薄く貼り付けてある銅張り鍋など結合が非常によい負荷の場合はより加熱コイル電流は小さくなる。また、商用電源電圧が高くなると共振電圧の共振原点が高くなることから相対的に共振電圧の振幅が小さいことと等価となり、スイッチング素子のゼロ電圧スイッチングがより困難になる。図２の斜線で示した領域ではターンオンモードが発生しゼロ電圧スイッチングすることができなくなる。また図２の斜線で示した領域の斜めの直線部分はスイッチング素子の等損失線となるように設計している。世界の家庭用交流電源電圧の公称電圧は１００Ｖ系では１００から１２０Ｖ、２００Ｖ系では２００から２４０Ｖと幅広くなっており広い電源電圧範囲に対応するため、すなわち負荷の結合度合いと電源電圧の高低に応じて、本実施例では入力電圧と加熱コイル電流が図２の斜線で示した領域となった場合はターンオンモードが発生しているとターンオンモード判定手段３１にて判断して制御手段３０により瞬時の加熱出力を増加させかつデューティー制御による電力制御を行い平均の加熱出力は所定の値となるように制御する。瞬時の加熱出力を増加させると共振電圧の振幅も大きくなりゼロ電圧スイッチングすることができるためスイッチング素子のターンオン損失を抑制できる。また図示していないがスイッチング素子は冷却手段として冷却ファンにより強制冷却されており損失熱を排出することでスイッチング素子の温度を下げ熱破壊を防止している。ここでさらに非常に結合がよい負荷などを加熱する場合冷却ファンの能力を超えてしまうようなスイッチング素子のターンオン損失が瞬時に発生するためこの場合ターンオンモード判定手段３１はスイッチング素子の駆動を停止するように制御手段３０を駆動して加熱停止することで機器を安全に保護することができる。

また、本実施例では共振コンデンサは加熱コイルに並列に接続したがスイッチング素子に並列に接続しても同様の効果が得られる。

また、本実施例では１石電圧共振形インバータとしたが共振電圧をクランプするスイッチング素子を追加したアクティブクランプタイプの２石インバータでもターンオン損失増加による素子破壊を防止できることはいうまでもない。

さらに、入力電流に代わって入力電力や加熱出力を検知しても同様の効果が得られる。

また、入力電圧検知手段は整流後の電圧で検知しているが直接電源電圧を検知してももちろんよい。

ターンオンモード判定手段の判定閾値は１つとしたが複数設けることによれば冷却ファンの回転数をよりきめ細かく変化させることができるなど、より加熱効率がよく騒音の小さな誘導加熱装置とできることはいうまでもない。

以上のように、本実施の形態においては、容易な構成でかつ広い電源電圧範囲においてスイッチング素子のターンオン損失増大による素子破壊を防止できる。

以上のように、本発明にかかる誘導加熱装置は、容易な構成で負荷と電源電圧に応じた加熱を行うことが可能となるので、工業用誘導加熱等の用途にも適用できる。

本発明の実施の形態１における誘導加熱調理器のブロック図 同誘導加熱調理器のターンオンモード判定手段の特性図 従来の誘導加熱調理器のブロック図 同誘導加熱調理器のインバータ回路の動作波形図 同誘導加熱調理器のターンオン電圧と負荷への供給電力の特性図

符号の説明

１０ 負荷
１３ 加熱コイル
１４ 共振コンデンサ
１５ スイッチング素子
１８ 入力電流検知手段
３０ 制御手段
３１ ターンオンモード判定手段
３２ 加熱コイル電流検知手段
３３ 入力電圧検知手段

Claims (5)

1. 交流電源を直流に変換する整流回路と、加熱コイル、前記加熱コイルと直列に接続されたスイッチング素子及び前記加熱コイルまたはスイッチング素子に並列に接続した共振コンデンサを有し前記整流回路により変換された直流を高周波電流に変換して前記加熱コイルに流し、前記加熱コイル近傍に設置した負荷を誘導加熱するインバータ回路と、前記スイッチング素子を高周波数でオンオフ駆動しそのオン時間を制御して瞬時の加熱出力を制御する制御手段と、前記交流電源からの入力電流を検知する入力電流検知手段または前記交流電源からの入力電力を検知する入力電力検知手段と、前記加熱コイルに流れる加熱コイル電流を検知する加熱コイル電流検知手段と、前記交流電源からの入力電圧または前記整流回路で直流に変換後の入力電圧を検知する入力電圧検知手段と、前記スイッチング素子がゼロ電圧スイッチングできなくなるターンオンモードが発生していることを判定するターンオンモード判定手段とを備え、前記ターンオンモードが発生していると前記ターンモード判定手段が判定すると、前記制御手段が前記瞬時の加熱出力を増加させて前記スイッチング素子のターンオン損失を抑制するように制御する誘導加熱装置であって、前記ターンオンモード判定手段は、所定の前記瞬時の加熱出力において、前記加熱コイル電流検知手段の検出する前記加熱コイル電流が、前記入力電圧検知出力に応じて設定された所定値以下であるとターンオンモードが発生していると判定する誘導加熱装置。
2. ターンオンモードが発生しているとターンオンモード判定手段が判定すると、制御手段はデューティー制御により平均の加熱出力を所定の値とする電力制御を行うことを特徴とした請求項１に記載の誘導加熱装置。
3. ターンオンモードが発生しているとターンモード判定手段が判定すると、制御手段が瞬時の加熱出力を増加させてスイッチング素子のターンオン損失を抑制するように制御することに代え、前記ターンオンモードが発生していると前記ターンモード判定手段が判定すると、制御手段は前記スイッチング素子の駆動を停止するように制御する請求項１に記載の誘導加熱装置。
4. ターンオンモードが発生しているとターンモード判定手段が判定すると、制御手段が瞬時の加熱出力を増加させてスイッチング素子のターンオン損失を抑制するように制御するこ
   とに代え、少なくとも前記スイッチング素子を冷却する冷却ファンを備え、前記ターンオンモードが発生していると前記ターンモード判定手段が判定すると、前記冷却ファンの回転をより高速にすることにより能力を増大させるように制御する請求項１に記載の誘導加熱装置。
5. 冷却ファンは、加熱コイル電流検知出力の出力がより小さくなってスイッチング素子のターンオン損失がより大きくなると冷却ファンの回転がより高速になるように変化させることを特徴とした請求項４に記載の誘導加熱装置。

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