JP4363355B2 - 誘導加熱装置 - Google Patents

Description

本発明は、アルミ鍋のような高導電率かつ低透磁率の被加熱物を効率良く誘導加熱できるようにした誘導加熱調理器や、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。

以下、従来の誘導加熱装置の例として、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調理する誘導加熱調理器について図５、図６に基づいて説明する。

図５は、従来の誘導加熱調理器の回路構成を示す図である。電源５１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５２の入力端に接続される。整流回路５２の出力端間に第１の平滑コンデンサ５３が接続される。整流回路５２の出力端間には、さらに、チョークコイル５４と第２のスイッチング素子５７の直列接続体が接続される。加熱コイル５９は被加熱物であるアルミニウム製の鍋６１と対向して配置されている。インバータ５０において、第２の平滑コンデンサ６２の低電位側端子（エミッタ）は整流回路５２の負極端子に接続され、第２の平滑コンデンサ６２の高電位側端子は第１のスイッチング素子（ＩＧＢＴ）５５の高電位側端子（コレクタ）に接続され、第１のスイッチング素子（ＩＧＢＴ）５５の低電位側端子はチョークコイル５４と第２のスイッチング素子（ＩＧＢＴ）５７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５９と共振コンデンサ６０の直列接続体が第２のスイッチング素子５７に並列に接続される。第１のダイオード５６（第１の逆導通素子）は第１のスイッチング素子５５に逆並列に接続（第１のダイオード５６のカソードと第１のスイッチング素子５５のコレクタとを接続）され、第２のダイオード５８（第２の逆導通素子）は第２のスイッチング素子５７に逆並列に接続される。スナバコンデンサ６４は、第２のスイッチング素子５７に並列に接続される。補正用共振コンデンサ６５とリレー６６の直列接続体は共振コンデンサ６０に並列に接続されている。制御回路６３は、電源５１からの入力電流を検知するカレントトランス６７と、加熱コイル５９の電流を検知するカレントトランス６８の検知信号を入力するとともに、第１のスイッチング素子５５と第２のスイッチング素子５７のゲートとリレー６６の駆動コイル（図示せず）に信号を出力する。

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５１は整流回路５２により全波整流され、整流回路５２の出力端に接続された第１の平滑コンデンサ５３に供給される。この第１の平滑コンデンサ５３はインバータ５０に高周波電流を供給する供給源として働く。図６は上記回路における各部波形を示す図であり、図６（Ａ）は出力が大出力である２ｋＷの時のものである。図６（Ａ）において、（ａ）は第１のスイッチング素子５５及び第１のダイオード５６に流れる電流波形Ｉｃ１を、（ｂ）は第２のスイッチング素子５７及び第２のダイオード５８に流れる電流波形Ｉｃ２を、（ｃ）は第２のスイッチング素子５７のコレクタ−エミッタ間に生じる電圧Ｖｃｅ２を、（ｄ）は第１のスイッチング素子５５のゲートに加わる駆動電圧Ｖｇ１を、（ｅ）は第２のスイッチング素子５７のゲートに加わる駆動電圧Ｖｇ２を、（ｆ）は加熱コイル５９に流れる電流ＩＬをそれぞれ示している。出力が２ｋＷのとき（図６（Ａ））、制御回路６３は時点ｔ０から時点ｔ１まで（ｅ）に示すように第２のスイッチング素子５７のゲートに駆動期間がＴ２（約２４μ秒）であるオン信号を出力する。この駆動期間Ｔ２の間では第２のスイッチング素子５７及び第２のダイオード５８と、加熱コイル５９と、共振コンデンサ６０で形成される閉回路で共振し、鍋６１がアルミニウム製の鍋であるときの共振周期（１／ｆ）が駆動期間Ｔ２の約２／３倍（約１６μ秒）となるように加熱コイル５９の巻き数（４０Ｔ）と共振コンデンサ６０の容量（０．０４μＦ）と、駆動期間Ｔ２が設定されている。チョークコイル５４はこの第２のスイッチング素子５７の駆動期間Ｔ２において、平滑コンデンサ５３の静電エネルギーを磁気エネルギーとして蓄える。次に、第２のスイッチング素子５７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２のスイッチング素子５７の順方向にコレクタ電流が流れている時点で第２のスイッチング素子５７の駆動が停止される。すると、第２のスイッチング素子５７がオフするので、第２のスイッチング素子５７のコレクタと接続されたチョークコイル５４の端子の電位が立ち上がり、この電位が第２の平滑コンデンサ６２の電位を越えると、第１のダイオード５６を通して第２の平滑コンデンサ６２に充電して、チョークコイル５４に蓄えた磁気エネルギーを放出する。第２の平滑コンデンサ６２の電圧は整流器５２の直流出力電圧Ｖｄｃのピーク値（２８３Ｖ）よりも高くなるように昇圧される（従来例では５００Ｖ）。昇圧されるレベルは第２のスイッチング素子５７の導通時間に依存し、導通時間が長くなると第２の平滑コンデンサ６２に発生する電圧が高くなる傾向にある。このように、第２の平滑コンデンサ６２と第１のスイッチング素子５５あるいは第１のダイオード５６と加熱コイル５９と共振コンデンサ６０と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６２の電圧レベルが昇圧されることにより、図６（Ａ）の（ａ）に示す第１のスイッチング素子５５に流れる共振電流の尖頭値（ピーク値）、および共振経路を変えて、継続して共振する（ｂ）の第２のスイッチング素子５７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、アルミニウム製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できる。そして、図６（Ａ）の（ｄ）及び（ｅ）で示すように、制御回路６３は、時点ｔ１から両スイッチング素子が同時に導通するのを防止するために設けた休止期間後の時点ｔ２において、第１のスイッチング素子５５のゲートに駆動信号を出力する。この結果、図６（Ａ）の（ａ）示すように加熱コイル５９と共振コンデンサ６０と第１のスイッチング素子５５または第１のダイオード５６と第２の平滑コンデンサ６２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２のスイッチング素子５７が導通していた場合と同様に、駆動期間Ｔ１の約２／３の周期の共振電流が流れる。従って、加熱コイル５９に流れる電流ＩＬは、図６（Ａ）の（ｆ）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５５、５７の駆動周期（Ｔ１とＴ２と休止期間の和）は共振電流の周期の約３倍となり、第１及び第２の駆動周波数が約２０ｋＨｚであれば、加熱コイル５９に流れる共振電流の周波数は約６０ｋＨｚとなる。次に起動時においては、制御回路６３はリレー６６はオフ状態にし、一定の周波数（約２１ｋＨｚ）で第１のスイッチング素子５５と第２のスイッチング素子５７を交互に駆動する。第１のスイッチング素子５５の駆動期間は共振電流の共振周期よりも短いモードで駆動し、駆動時間比を最小にして、最小の出力にしてから徐々に駆動時間比を増加し、その間に制御回路６３はカレントトランス６７の検知出力とカレントトランス６８の検知出力から、負荷鍋６１の材料を検知する。制御回路６３は負荷鍋６１の材料が鉄系のものであると判断すると、加熱を停止してからリレー６６を投入して、再度低出力で加熱を開始する。このとき、制御回路６３は第１のスイッチング素子５５と第２のスイッチング素子５７を一定の周波数（約２１ｋＨｚ）で再度最小駆動時間比で最小出力からスタートして所定の出力まで徐々に増加させる。一方、鉄系の負荷であると検知しない場合には、所定の駆動時間比に到達すると、図６（Ｂ）に示すような、第１のスイッチング素子５７の駆動期間より共振電流の周期の短いモードに移行する。このとき、出力は低出力状態になるように駆動期間が設定される。以上のように、加熱コイル５９の発生する磁界によりアルミニウムや銅など高導電率、低透磁率の負荷を加熱すると、第１のスイッチング素子５５、第１ダイオード５６を流れる加熱コイル５９と共振コンデンサ６０による共振電流は、両スイッチング素子それぞれの駆動期間（Ｔ１）より短い周期で共振してなるので、第１のスイッチング素子５５の駆動周波数より高い周波数（従来例では１．５倍）の電流を加熱コイル５９に供給して加熱することができ、さらに、昇圧手段であるチョークコイル５４と平滑手段である第２の平滑コンデンサ６２を設けて、高周波電源である平滑コンデンサ６２の電圧を昇圧して平滑し、各駆動期間（Ｔ及びＴ’）において共振電流の振幅を大きくしているため、駆動開始後、共振電流が流れ始めてから１周期目が終了し、２周期目に到達して以降においても十分大きな振幅の共振電流を継続させることができるものである。また、制御回路６３は、最大出力設定時に、第１のスイッチング素子５５の駆動開始後、共振電流が２周期目以降であって第１のスイッチング素子５５に流れている期間内に第１のスイッチング素子５５の導通を遮断する信号を出力してなる、または、第２のスイッチング素子５７の駆動開始後共振電流が２周期目以降であって第２のスイッチング素子５７に流れている期間内に第２のスイッチング素子の導通を遮断する信号を出力してなるので、最大出力時の第２のスイッチング素子５７または第１のスイッチング素子５５のターンオン損失の増大を抑制することができる。また、起動時、第１のスイッチング素子５５と第２のスイッチング素子５７の駆動時間比を変え加熱出力を増加させ、途中から駆動周波数を変え加熱出力を増加させてなることにより、負荷の検知を行いやすくすることができる。すなわち、駆動時間比を変えることにより高導電率かつ低透磁率のアルミニウム等の材質の負荷でも鉄系の負荷でも低出力状態で単調に出力を変化させることができ、制御回路６３は負荷検知が正確にかつ低出力状態でできる。また、加熱コイル５９の発生する磁界により、鉄系の負荷または非磁性ステンレスの負荷６１を加熱すると共振電流は第１のスイッチング素子５５及び第２のスイッチング素子５７の導通期間より長い周期で共振してなり、鉄系の負荷または非磁性ステンレス製の負荷６１を最大出力で加熱する場合に第１のスイッチング素子５５及び第２のスイッチング素子５７に順方向に電流が流れているタイミングで前記スイッチング素子を遮断可能とするように補正用共振コンデンサ６５を共振コンデンサ６０に並列に接続して、高導電率かつ低透磁率の負荷を加熱する場合よりも大きい容量に切り替えてなるので、共振コンデンサ６０と補正用共振コンデンサ６５は加熱コイル５９と直列に接続されると共に容量を切り替え可能とし、鉄系の負荷または非磁性ステンレス製の負荷を加熱する場合に共振コンデンサ６０を、高導電率かつ低透磁率の負荷を加熱する場合よりも大きい容量に切り替えてなることにより、共振周波数が長くなるとともに電流が増え、さらにチョークコイル５４により直流電圧Ｖｄｃを昇圧しているので、共振電流の振幅が大きくなることから、スイッチング素子に順方向に電流が流れているタイミングでスイッチング素子を遮断可能な範囲で最大出力を設定してスイッチング素子のターンオン時のスイッチング損失の増大を抑制しようとする場合に、最大出力を以前の従来の構成のものより大きくすることができる。また、アルミニウム系の鍋と、鉄系の鍋を同一のインバータで加熱しようとするときに、他の従来例では加熱コイル５９の巻き数と共振コンデンサとを同時に切り替えて共振周波数と被加熱物６１に放射する磁界の強さ（アンペアターン）を切り替えていたが、チョークコイル５４と第１のスイッチング手段５７の昇圧作用により前記のコイル巻き数切り替えの作用を置き換えることができ、同一の加熱コイル５９で共振コンデンサ６０の切り替えをすることで、広い範囲の材質の被加熱物を加熱できる。また、補正用共振コンデンサ６５を共振コンデンサ６０に接続せずに起動し、すなわち、容量の小なる共振コンデンサ６０ので起動し、徐々に出力を増加させ、その途中で負荷６１が鉄系か、高導電率かつ低透磁率のものかを判定し、鉄系の負荷であると判定した場合には駆動停止後、リレー６０をオンして補正用共振コンデンサ６５を並列に接続して、すなわち、共振コンデンサ６０を容量が大となるよう切り変え、駆動周波数を低周波数で再駆動するので、共振周波数が長くなるとともに電流が増え、さらに昇圧手段であるチョークコイル５４と第２の平滑コンデンサ６２により直流電源電圧を昇圧しているので、共振電流値が増えることから、第１のスイッチング素子５５及びに順方向に電流が流れているタイミングでスイッチング素子を遮断可能な範囲で最大出力を設定して第２のスイッチング素子５７のターンオン時のスイッチング損失の増大を抑制しようとする場合に、最大出力を以前の従来の構成のものより大きくすることができる。また、高導電率、低透磁率の負荷であると判定した場合には継続して所定の駆動時間比または所定の出力まで出力を増加した後駆動時間比を固定して導通時間を変更して出力を所定の出力に到達させてなるので、いずれの負荷においても低出力で起動して負荷の判定をして、安定的に所定の出力値あるいはリミット値へと到達させるいわゆるソフトスタート動作が可能となる。

以上のように構成された誘導加熱装置において、高導電率かつ低透磁率のアルミニウム等の材質の負荷でも鉄系の負荷でも負荷検知が正確にかつ低出力状態でできることからリレーのオンオフを切り替えることにより、共振コンデンサの切り替えを行い負荷の材質に応じた誘導加熱を可能としているものであった。
特許第３４６０９９７号公報

しかしながら、このような従来の構成では、高導電率かつ低透磁率のアルミニウム等の材質の負荷と鉄系の負荷との中間材質すなわち比較的厚い非磁性ステンレスや薄いステンレスの上にアルミニウムを組み合わせた複合材などにおいて充分な出力を得るにはさらに共振コンデンサを切り替えるなど構成が複雑になり、共振コンデンサを切り替えなければ充分な出力を得ること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、容易な構成で中間材質の負荷もより大きな出力で誘導加熱できるとともに高導電率から低導電率まで負荷の材質に応じて加熱モードを切り替え、より大きな出力を得ることができ、さらに加熱モードの切り替えを加熱を停止することなく連続して加熱を継続す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、加熱コイルの発生する磁界が非磁性ステンレスの負荷または非磁性ステンレスの板材の上にアルミニウム若しくは銅を載置した複合材の負荷を誘導加熱するときに移行するモードであり、共振電流が第１のスイッチング素子の駆動周期より短い周期で共振するとともに、直流電圧が昇圧平滑手段により脈流の入力直流電圧のピーク値よりも高くなるように昇圧されかつ平滑されてインバータに供給され、制御回路が駆動周期内に第１のスイッチング素子の駆動期間内に半周期以内の共振電流を流した後、第２のスイッチング素子の駆動期間内に１周期以上の共振電流を流す信号を出力し高導電率材質モードよりも第１のスイッチング素子の前記駆動周期を短くしてなる中間材質モードを有し負荷検知結果に応じて負荷材質のモードを切り替え、モードの切り替えにおいてインバータの動作を継続して行う構成としたものである。

これによって、容易な構成で中間材質の負荷もより大きな出力で誘導加熱できるととも
に高導電率から低導電率まで負荷の材質に応じて加熱モードを切り替えることができ、さらに加熱モードの切り替えを加熱を停止することなく連続して加熱を継続できる誘導加熱装置を提供することができる。

本発明の誘導加熱装置は、容易な構成で中間材質の負荷もより大きな出力で誘導加熱できるとともに高導電率から低導電率まで負荷の材質に応じてより加熱出力を大きくすることができ、かつ、加熱モードの切り替えを加熱を停止することなく連続して加熱を継続できる。

第１の発明は、第１のスイッチング素子と第２のスイッチング素子の直列接続体と、前記第１のスイッチング素子に並列に接続された第１の逆導通素子と、前記第２のスイッチング素子に並列に接続された第２の逆導通素子と、前記第１のスイッチング素子または前記第２のスイッチング素子に並列に接続された加熱コイルと共振コンデンサを含む共振回路とを有し直流電圧を入力して前記第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導通により共振するインバータと、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を排他的に導通制御する制御回路と、負荷の材質を検知する負荷材質検知手段を備え、前記加熱コイルの発生する磁界がアルミニウムの前記負荷を誘導加熱するときに移行するモードであり、前記第１のスイッチング素子または前記第１の逆導通素子に流れる共振電流が前記第１のスイッチング素子の駆動周期より短い周期で共振するとともに、前記直流電圧は昇圧平滑手段により脈流の入力直流電圧のピーク値よりも高くなるように昇圧されかつ平滑されて前記インバータに供給され、前記制御回路が前記第１のスイッチング素子を駆動開始後、前記共振電流が前記第１のスイッチング素子に流れ始めてから２周期目に到達して以降であって前記第１のスイッチング素子に電流が流れている期間内において前記第１のスイッチング素子の駆動を停止する信号を出力してなる高導電率材質モードと、前記加熱コイルの発生する磁界が非磁性ステンレスの前記負荷または非磁性ステンレスの板材の上にアルミニウム若しくは銅を載置した複合材の前記負荷を誘導加熱するときに移行するモードであり、前記共振電流が前記第１のスイッチング素子の前記駆動周期より短い周期で共振するとともに、前記直流電圧が前記昇圧平滑手段により脈流の入力直流電圧のピーク値よりも高くなるように昇圧されかつ平滑されて前記インバータに供給され、前記制御回路が前記第１のスイッチング素子の駆動期間内に半周期以内の前記共振電流を流した後、前記第２のスイッチング素子の駆動期間内に１周期以上の前記共振電流を流す信号を出力し前記高導電率材質モードよりも前記第１のスイッチング素子の前記駆動周期を短くしてなる中間材質モードと、前記加熱コイルの発生する磁界が鉄の負荷を誘導加熱するときに移行するモードであり、前記共振電流が前記第１のスイッチング素子の前記駆動周期で共振し前記制御回路が前記第１のスイッチング素子の駆動期間内に半周期以内の共振電流を流し、前記第２のスイッチング素子の駆動期間内に半周期以内の共振電流を流す信号を出力してなる低導電率材質モードと、を有し、前記負荷材質検知結果に応じて前記高導電率材質モードと前記中間材質モードと前記低導電率材質モードのいずれかで動作させ、前記３つの材質モードの切替において前記インバータの動作を継続して行う構成とすることにより、容易な構成で中間材質の負荷もより大きな出力で誘導加熱できるとともに高導電率から低導電率まで負荷の材質に応じて加熱モードを切り替えることができ、さらに加熱モードの切り替えを加熱を停止することなく連続して加熱を継続できる。

第２の発明は、第１のスイッチング素子と第２のスイッチング素子の直列接続体と、前記第１のスイッチング素子に並列に接続された第１の逆導通素子と、前記第２のスイッチ
ング素子に並列に接続された第２の逆導通素子と、前記第１のスイッチング素子または前記第２のスイッチング素子に並列に接続された加熱コイルと共振コンデンサを含む共振回路とを有し直流電圧を入力して前記第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導通により共振するインバータと、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を排他的に導通制御する制御回路と、負荷の材質を検知する負荷材質検知手段を備え、前記加熱コイルの発生する磁界がアルミニウムの前記負荷を誘導加熱するときに移行するモードであり、前記第１のスイッチング素子または前記第１の逆導通素子に流れる共振電流が前記第１のスイッチング素子の駆動周期より短い周期で共振するとともに、前記直流電圧は昇圧平滑手段により脈流の入力直流電圧のピーク値よりも高くなるように昇圧されかつ平滑されて前記インバータに供給され、前記制御回路が前記第１のスイッチング素子を駆動開始後、前記共振電流が前記第１のスイッチング素子に流れ始めてから２周期目に到達して以降であって前記第１のスイッチング素子に電流が流れている期間内において前記第１のスイッチング素子の駆動を停止する信号を出力してなる高導電率材質モードと、前記加熱コイルの発生する磁界が非磁性ステンレスの前記負荷または非磁性ステンレスの板材の上にアルミニウム若しくは銅を載置した複合材の前記負荷を誘導加熱するときに移行するモードであり、前記共振電流が前記第１のスイッチング素子の前記駆動周期より短い周期で共振するとともに、前記直流電圧が前記昇圧平滑手段により脈流の入力直流電圧のピーク値よりも高くなるように昇圧されかつ平滑されて前記インバータに供給され、前記制御回路が前記第１のスイッチング素子の駆動期間内に半周期以内の前記共振電流を流した後、前記第２のスイッチング素子の駆動期間内に１周期以上の前記共振電流を流す信号を出力し前記高導電率材質モードよりも前記第１のスイッチング素子の前記駆動周期を短くしてなる中間材質モードと、を有し、前記負荷材質検知結果に応じて前記高導電率材質モードと前記中間材質モードとの切替において前記インバータの動作を継続して行う構成とすることにより、容易な構成で中間材質の負荷もより大きな出力で誘導加熱できるとともに高導電率から低導電率まで負荷の材質に応じて加熱モードを切り替えることができ、さらに高導電率材質モードと中間材質モードとの加熱モードの切り替えを加熱を停止することなく連続して加熱を継続できる。

第３の発明は、第１のスイッチング素子と第２のスイッチング素子の直列接続体と、前記第１のスイッチング素子に並列に接続された第１の逆導通素子と、前記第２のスイッチング素子に並列に接続された第２の逆導通素子と、前記第１のスイッチング素子または前記第２のスイッチング素子に並列に接続された加熱コイルと共振コンデンサを含む共振回路とを有し直流電圧を入力して前記第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導通により共振するインバータと、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を排他的に導通制御する制御回路と負荷の材質を検知する負荷材質検知手段を備え、前記加熱コイルの発生する磁界がアルミニウムの負荷を誘導加熱するときに移行するモードであり、前記第１のスイッチング素子または前記第１の逆導通素子に流れる共振電流が前記第１のスイッチング素子の駆動周期より短い周期で共振するとともに、前記直流電圧は昇圧平滑手段により脈流の入力直流電圧のピーク値よりも高くなるように昇圧されかつ平滑されて前記インバータに供給され、前記制御回路は、前記第１のスイッチング素子を駆動開始後、前記共振電流が前記第１のスイッチング素子に流れ始めてから２周期目に到達して以降であって前記第１のスイッチング素子に電流が流れている期間内において前記第１のスイッチング素子の駆動を停止する信号を出力してなる高導電率材質モードと、前記加熱コイルの発生する磁界が非磁性ステンレスの前記負荷または非磁性ステンレスの板材の上にアルミニウム若しくは銅を載置した複合材の前記負荷を誘導加熱するとき
に移行するモードであり、前記共振電流が前記第１のスイッチング素子の前記駆動周期より短い周期で共振するとともに、前記直流電圧が前記昇圧平滑手段により脈流の入力直流電圧のピーク値よりも高くなるように昇圧されかつ平滑されて前記インバータに供給され、前記制御回路が前記第１のスイッチング素子の駆動期間内に半周期以内の共振電流を流した後、前記第２のスイッチング素子の駆動期間内に１周期以上の前記共振電流を流す信号を出力し前記高導電率材質モードよりも前記第１のスイッチング素子の前記駆動周期を短くしてなる中間材質モードと、前記加熱コイルの発生する磁界が鉄の負荷を誘導加熱するときに移行するモードであり、前記共振電流が前記第１のスイッチング素子の前記駆動周期で共振する低導電率材質モードと、を有し、前記負荷材質検知結果に応じて前記高導電率材質モードと前記中間材質モードと前記低導電率材質モードのいずれかで動作させ、前記中間材質モードにおいて前記負荷材質検知手段により前記負荷がアルミニウムであると検知することにより高導電率材質モードに切替を行う構成とすることにより、高導電率材質の負荷を中間材質モードで加熱した場合にスイッチング素子のスイッチング損失が増大するのを低減することができる。従って、より加熱出力が大きくすることができる。

第４の発明は、特に、第２の発明の中間材質モードにおいて、負荷材質検知手段は、入力電流と共振コンデンサ電圧を入力とするとすることにより、負荷材質検知を確実に行うことができかつ高導電率材質の負荷を中間材質モードで加熱した場合にスイッチング素子のスイッチング損失が増大するのを低減することができる。

第５の発明は、特に、第２の発明の負荷材質検知手段は、加熱コイル電流または共振コンデンサ電圧を入力とするとすることにより、負荷材質検知を容易に実施できかつ高導電率材質の負荷を中間材質モードで加熱した場合にスイッチング素子のスイッチング損失が増大するのを低減することができる。

第６の発明は、特に、第１〜５の発明において、制御回路が、高導電率材質モードで、第１のスイッチング素子の駆動期間内に１周期以上の共振電流を流し、かつ中間材質モードで、前記第１のスイッチング素子の駆動期間内に半周期以内の共振電流を流した後、第２のスイッチング素子の駆動期間内に１周期以上の前記共振電流を流す信号を出力し前記高導電率材質モードよりも前記第１のスイッチング素子の駆動周期を短くしてなることに代え、前記制御回路が、前記高導電率材質モードで、前記第２のスイッチング素子の駆動
期間内に１周期以上の共振電流を流し、かつ前記中間材質モードで、前記第１のスイッチング素子の駆動期間内に１周期以上の前記共振電流を流した後、前記第２のスイッチング素子の駆動期間内に半周期以内の前記共振電流を流す信号を出力し前記高導電率材質モードよりも前記第１のスイッチング素子の前記駆動周期を短くすることにより、容易な構成で中間材質の負荷もより大きな出力で誘導加熱できるとともに高導電率から低導電率まで負荷の材質に応じて加熱モードを切り替えることができ、さらに加熱モードの切り替えを加熱を停止することなく連続して加熱を継続できる。

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装置である誘導加熱調理器の回路構成図であり、図２は誘導加熱装置である誘導加熱調理器の回路の各部波形を示す図である。

図１において、電源１２は２００Ｖ商用電源であり、ダイオードブリッジからなる整流手段１３と第１の平滑コンデンサ１４と昇圧手段１５と第２の平滑コンデンサ１６からなる昇圧平滑手段１１によって商用電源を昇圧した直流に変換し、インバータ８により高周波に変換され、高周波磁界を加熱コイル１に発生させる。鍋２は負荷であり、加熱コイル１と対向して設置する。共振コンデンサ３は、加熱コイル１とともに直列の共振回路を構成している。インバータ８は前記共振回路を出力としたシングルエンドプッシュプル構成となるよう第１のスイッチング素子４および第２のスイッチング素子６を接続している。第１のスイッチング素子４および第２のスイッチング素子６はそれぞれ逆並列に第１の逆導通素子５と第２の逆導通素子７としてダイオードを接続している。制御回路９により第１のスイッチング素子４と第２のスイッチング素子６を交互に駆動し、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共振周波数に近づくように制御回路９によりスイッチング素子４、６を駆動し、カレントトランスからなる加熱出力検知手段１７により加熱出力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。起動時においては、制御回路９は一定の周波数（約２１ｋＨｚ）で第１のスイッチング素子４と第２のスイッチング素子６を交互に駆動する。

図３は負荷２の材質が異なる時の負荷材質検知手段１０の検知入力の特性図で、低導電率材質から高導電率材質になるにしたがい、同じ入力電流では共振コンデンサ電圧が高くなっている。第１のスイッチング素子４の駆動期間は共振電流の共振周期よりも短いモードで駆動し、駆動時間比を最小にして、最小の出力にしてから徐々に駆動時間比を増加し、その間に負荷材質検知手段１０はカレントトランス１７の検知出力（入力電流）と共振コンデンサ電圧検知手段１８の検知出力から、負荷２の材料を検知する。負荷材質検知手段１０は負荷２の材料が鉄系のものであると判断すると、駆動周波数を上げ、再度低出力で加熱を開始する。共振回路の共振周波数は約６０ｋＨｚとなるよう加熱コイル１および共振コンデンサ３を設定し、スイッチング素子の駆動周波数は共振回路の共振周波数である約６０ｋＨｚとなるようにして、最小出力からスタートして所定の出力まで徐々に増加させる低導電率材質モードで動作させる。

一方、アルミニウム系の負荷であると検知した場合には、所定の駆動時間比に到達すると、第１のスイッチング素子４の駆動期間より共振電流の周期の短いモードに移行する。このとき、出力は低出力状態になるように駆動期間が設定される。共振回路の共振周波数は約６０ｋＨｚとなるよう加熱コイル１および共振コンデンサ３を設定し、第１と第２のスイッチング素子４、６の駆動周波数は共振回路の共振周波数の１／３である約２０ｋＨｚとなるようにしている。また、昇圧平滑手段１１は７００Ｖに昇圧平滑するよう動作している。このように第１と第２のスイッチング素子４、６の損失を低減しかつ十分昇圧することでアルミニウムのような低透磁率かつ高導電率である金属も加熱できる高導電率材質モードで動作するようにしているものである。

さらに、アルミニウム系と鉄系の中間材質すなわち非磁性ステンレスの厚板や薄非磁性ステンレス板材の上にアルミニウムや銅などの高導電率材を載置した複合材と検知した場合には第１と第２のスイッチング素子４、６は図２の中間材質モードと示す部分のように駆動する。駆動周波数は共振回路の共振周波数の１／２である約３０ｋＨｚとなるようにして第１のスイッチング素子４を駆動した後半周期の共振電流を流して第１のスイッチング素子４の駆動を停止し、第２のスイッチング素子６の駆動を開始した後、１周期半の共振電流を流して第２のスイッチング素子６の駆動を停止することを繰り返す中間材質モードで動作させる。この時、昇圧平滑手段１１は６００Ｖに昇圧平滑するよう動作していており、駆動周波数は高導電率材質モードより増加しているが第１と第２のスイッチング素子４、６にかかる電圧を高導電率材質モードより低下させることによりスイッチング損失を低減している。

ここで、中間材質モードと判定した負荷２が負荷温度の変化などにより負荷２の特性が高導電率材質と同等にまで変化した場合、負荷材質検知手段１０により中間材質モードから高導電率材質モードに図２のようにインバータの動作を継続させたまま切り替えを行うものである。すなわち第２のスイッチング素子６の駆動を開始した後、１周期半の共振電流を流して第２のスイッチング素子６の駆動を停止した後、第１のスイッチング素子４を駆動した後１周期半の共振電流を流して第１のスイッチング素子４の駆動を停止することを繰り返して中間材質モードから高導電率材質モードに加熱を停止することなくインバータの動作を継続したままで切り替える。

また、非磁性ステンレス鋼製の鍋など低導電率材質モードと判定した負荷２が負荷温度の変化などにより負荷２の特性が中間材質と同等にまで変化した場合、負荷材質検知手段１０により低導電率材質モードから中間材質モードに図２のようにインバータの動作を継続させたまま切り替えを行うものである。すなわち第２のスイッチング素子６の駆動を開始した後、半周期の共振電流を流して第２のスイッチング素子６の駆動を停止した後、第１のスイッチング素子４を駆動した後半周期の共振電流を流して第１のスイッチング素子４の駆動を停止し第２のスイッチング素子６の駆動を開始した後、半周期の共振電流を流して第２のスイッチング素子６の駆動を停止することを繰り返して低導電率材質モードから中間材質モードに加熱を停止することなくインバータの動作を継続したままで切り替える。

以上述べたように、本実施の形態では駆動周期内に第１のスイッチング素子４の駆動期間内に半周期以内の共振電流を流し、第２のスイッチング素子６の駆動期間内に１周期以上の共振電流を流す信号を出力してなる中間材質モードを有し負荷検知結果に応じてモードを切り替える構成としているので、容易な構成で中間材質の負荷もより大きな出力で誘導加熱できるとともに高導電率から低導電率まで負荷の材質に応じて加熱モードを切り替えることができることからより加熱出力を大きくすることができるとともに、加熱モードの切り替えを加熱を停止することなく連続して加熱を継続できる。

また、本実施の形態では第１のスイッチング素子４の駆動期間内に半周期以内の共振電流を流し、第２のスイッチング素子６の駆動期間内に１周期以上の共振電流を流すとしたが、第２のスイッチング素子６の駆動期間内に半周期以内の共振電流を流し、第１のスイッチング素子４の駆動期間内に１周期以上の共振電流を流すとしても同様の効果が得られる。

また、本実施の形態では中間材質モードから高導電率材質モードへ切替を行ったが高導電率材質モードから中間材質モードへの切替も行えることはいうまでもない。

さらに、負荷材質検知手段１０を加熱コイル１電流検知によるものあるいは共振コンデンサ３電圧検知によるものとしても第１と第２のスイッチング素子４、６の電流増大の検知は可能でありより容易な構成で負荷材質検知を行い加熱モードを切り替えることができる。

また、図４の本発明の別の実施の形態における誘導加熱装置に示すように、共振コンデンサの切替手段（リレー２０）を設けて共振コンデンサ３容量を変更する（並列に補正用共振コンデンサ１９を接続する）ことと組み合わせて加熱モード切替を行う、すなわち加熱を停止して共振コンデンサ容量を変更する加熱モード切替を行うのと前述の加熱を停止することなく連続して継続しながら加熱モード切替を行うのとを併用すればさらに負荷２の材質適用範囲の広い誘導加熱装置とすることができる。

以上のように、本発明にかかる誘導加熱装置は、導電率の異なる材質の負荷に応じて加熱出力を大きくすることが可能となるので、複数の導電率の異なる材料を加熱する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における誘導加熱装置の回路構成図 本発明の実施の形態１における誘導加熱装置の回路の各部波形を示す図 本発明の実施の形態１における誘導加熱装置の負荷材質検知手段の検知入力の特性図 本発明の別の実施の形態における誘導加熱装置の回路構成図 従来の誘導加熱装置の回路構成図 従来の誘導加熱装置の回路の各部波形を示す図

符号の説明

１ 加熱コイル
２ 負荷
３ 共振コンデンサ
４ 第１のスイッチング素子
５ 第１の逆導通素子
６ 第２のスイッチング素子
７ 第２の逆導通素子
８ インバータ
９ 制御回路
１０ 負荷材質検知手段
１１ 昇圧平滑手段

Claims (6)

1. 第１のスイッチング素子と第２のスイッチング素子の直列接続体と、前記第１のスイッチング素子に並列に接続された第１の逆導通素子と、前記第２のスイッチング素子に並列に接続された第２の逆導通素子と、前記第１のスイッチング素子または前記第２のスイッチング素子に並列に接続された加熱コイルと共振コンデンサを含む共振回路とを有し直流電圧を入力して前記第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導通により共振するインバータと、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を排他的に導通制御する制御回路と、負荷の材質を検知する負荷材質検知手段を備え、前記加熱コイルの発生する磁界がアルミニウムの前記負荷を誘導加熱するときに移行するモードであり、前記第１のスイッチング素子または前記第１の逆導通素子に流れる共振電流が前記第１のスイッチング素子の駆動周期より短い周期で共振するとともに、前記直流電圧が昇圧平滑手段により脈流の入力直流電圧のピーク値よりも高くなるように昇圧されかつ平滑されて前記インバータに供給され、前記制御回路が前記第１のスイッチング素子を駆動開始後、前記共振電流が前記第１のスイッチング素子に流れ始めてから２周期目に到達して以降であって前記第１のスイッチング素子に電流が流れている期間内において前記第１のスイッチング素子の駆動を停止する信号を出力してなる高導電率材質モードと、前記加熱コイルの発生する磁界が非磁性ステンレスの前記負荷または非磁性ステンレスの板材の上にアルミニウム若しくは銅を載置した複合材の前記負荷を誘導加熱するときに移行するモードであり、前記共振電流が前記第１のスイッチング素子の前記駆動周期より短い周期で共振するとともに、前記直流電圧が前記昇圧平滑手段により脈流の入力直流電圧のピーク値よりも高くなるように昇圧されかつ平滑されて前記インバータに供給され、前記制御回路が前記第１のスイッチング素子の駆動期間内に半周期以内の前記共振電流を流した後、前記第２のスイッチング素子の駆動期間内に１周期以上の前記共振電流を流す信号を出力し前記高導電率材質モードよりも前記第１のスイッチング素子の前記駆動周期を短くしてなる中間材質モードと、前記加熱コイルの発生する磁界が鉄の負荷を誘導加熱するときに移行するモードであり、前記共振電流が前記第１のスイッチング素子の前記駆動周期で共振し前記制御回路が前記第１のスイッチング素子の駆動期間内に半周期以内の共振電流を流し、前記第２のスイッチング素子の駆動期間内に半周期以内の前記共振電流を流す信号を出力してなる低導電率材質モードと、を有し、前記負荷材質検知結果に応じて前記高導電率材質モードと前記中間材質モードと前記低導電率材質モードのいずれかで動作させ、
   前記３つの材質モードの切替において前記インバータの動作を継続して行う誘導加熱装置。
2. 第１のスイッチング素子と第２のスイッチング素子の直列接続体と、前記第１のスイッチング素子に並列に接続された第１の逆導通素子と、前記第２のスイッチング素子に並列に接続された第２の逆導通素子と、前記第１のスイッチング素子または前記第２のスイッチング素子に並列に接続された加熱コイルと共振コンデンサを含む共振回路とを有し直流電圧を入力して前記第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導通により共振するインバータと、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を排他的に導通制御する制御回路と、負荷の材質を検知する負荷材質検知手段を備え、前記加熱コイルの発生する磁界がアルミニウムの前記負荷を誘導加熱するときに移行するモードであり、前記第１のスイッチング素子または前記第１の逆導通素子に流れる共振電流が前記第１のスイッチング素子の駆動周期より短い周期で共振するとともに、前記直流電圧が昇圧平滑手段により脈流の入力直流電圧のピーク値よりも高くなるように昇圧されかつ平滑されて前記インバータに供給され、前記制御回路が前記第１のスイッチング素子を駆動開始後、前記共振電流が前記第１のスイッチング素子に流れ始めてから２周期目に到達して以降であって前記第１のスイッチング素子に電流が流れている期間内において前記第１のスイッチング素子の駆動を停止する信号を出力してなる高導電率材質モードと、前記加熱コイルの発生する磁界が非磁性ステンレスの前記負荷または非磁性ステンレスの板材の上にアルミニウム若しくは銅を載置した複合材の前記負荷を誘導加熱するときに移行するモードであり、前記共振電流が前記第１のスイッチング素子の前記駆動周期より短い周期で共振するとともに、前記直流電圧が前記昇圧平滑手段により脈流の入力直流電圧のピーク値よりも高くなるように昇圧されかつ平滑されて前記インバータに供給され、前記制御回路が前記第１のスイッチング素子の駆動期間内に半周期以内の前記共振電流を流した後、前記第２のスイッチング素子の駆動期間内に１周期以上の前記共振電流を流す信号を出力し前記高導電率材質モードよりも前記第１のスイッチング素子の前記駆動周期を短くしてなる中間材質モードと、を有し、前記負荷材質検知結果に応じて前記高導電率材質モードと前記中間材質モードとの切替において前記インバータの動作を継続して行う誘導加熱装置。
3. 第１のスイッチング素子と第２のスイッチング素子の直列接続体と、前記第１のスイッチング素子に並列に接続された第１の逆導通素子と、前記第２のスイッチング素子に並列に接続された第２の逆導通素子と、前記第１のスイッチング素子または前記第２のスイッチング素子に並列に接続された加熱コイルと共振コンデンサを含む共振回路とを有し直流電圧を入力して前記第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導通により共振するインバータと、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を排他的に導通制御する制御回路と、負荷の材質を検知する負荷材質検知手段を備え、前記加熱コイルの発生する磁界がアルミニウムの前記負荷を誘導加熱するときに移行するモードであり、前記第１のスイッチング素子または前記第１の逆導通素子に流れる共振電流が前記第１のスイッチング素子の駆動周期より短い周期で共振するとともに、前記直流電圧が昇圧平滑手段により脈流の入力直流電圧のピーク値よりも高くなるように昇圧されかつ平滑されて前記インバータに供給され、前記制御回路が前記第１のスイッチング素子を駆動開始後、前記共振電流が前記第１のスイッチング素子に流れ始めてから２周期目に到達して以降であって前記第１のスイッチング素子に電流が流れている期間内において前記第１のスイッチング素子の駆動を停止する信号を出力してなる高導電率材質モードと、前記加熱コイルの発生する磁界が非磁性ステンレスの前記負荷または非磁性ステンレスの板材の上にアルミニウム若しくは銅を載置した複合材の前記負荷を誘導加熱するときに移行するモードであり、前記共振電流が前記第１のスイッチング素子の前記駆動周期より短い周期で共振するとともに、前記直流電圧が昇圧平滑手段により脈流の入力直流電圧のピーク値よりも高くなるように昇圧されかつ平滑されて前記インバータに供給され、前記制御回路が
   前記第１のスイッチング素子の駆動期間内に半周期以内の前記共振電流を流した後、前記第２のスイッチング素子の駆動期間内に１周期以上の前記共振電流を流す信号を出力し前記高導電率材質モードよりも前記第１のスイッチング素子の前記駆動周期を短くしてなる中間材質モードと、前記加熱コイルの発生する磁界が鉄の負荷を誘導加熱するときに移行するモードであり、前記共振電流が前記第１のスイッチング素子の前記駆動周期で共振する低導電率材質モードと、を有し、前記負荷材質検知結果に応じて前記高導電率材質モードと前記中間材質モードと前記低導電率材質モードのいずれかで動作させ、前記中間材質モードにおいて前記負荷材質検知手段により前記負荷がアルミニウムであると検知することにより高導電率材質モードに切替を行う誘導加熱装置。
4. 中間材質モードにおいて、負荷材質検知手段は、入力電流と共振コンデンサ電圧を入力とする請求項２に記載の誘導加熱装置。
5. 中間材質モードにおいて、負荷材質検知手段は、加熱コイル電流または共振コンデンサ電圧を入力とする請求項２に記載の誘導加熱装置。
6. 制御回路が、高導電率材質モードで、第１のスイッチング素子の駆動期間内に１周期以上の共振電流を流し、かつ中間材質モードで、前記第１のスイッチング素子の駆動期間内に半周期以内の共振電流を流した後、第２のスイッチング素子の駆動期間内に１周期以上の前記共振電流を流す信号を出力し前記高導電率材質モードよりも前記第１のスイッチング素子の駆動周期を短くしてなることに代え、前記制御回路が、前記高導電率材質モードで、前記第２のスイッチング素子の駆動期間内に１周期以上の共振電流を流し、かつ前記中間材質モードで、前記第１のスイッチング素子の駆動期間内に１周期以上の前記共振電流を流した後、前記第２のスイッチング素子の駆動期間内に半周期以内の前記共振電流を流す信号を出力し前記高導電率材質モードよりも前記第１のスイッチング素子の前記駆動周期を短くしてなる請求項１〜５のいずれか１項に記載の誘導加熱装置。