JP4375189B2

JP4375189B2 - 誘導加熱調理器

Info

Publication number: JP4375189B2
Application number: JP2004289756A
Authority: JP
Inventors: 純安田
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2004-10-01
Filing date: 2004-10-01
Publication date: 2009-12-02
Anticipated expiration: 2024-10-01
Also published as: JP2006107805A

Description

本発明は、スイッチング半導体をオン、オフして加熱コイルに共振により高周波電流を供給する周波数変換装置を有する誘導加熱調理器に関するものである。

従来、加熱コイルに高周波電流を供給するインバータ周波数変換装置のスイッチング素子の温度は、スイッチング素子の冷却のために固定される冷却フィンに温度センサーを固定し、この温度センサーの検知温度により周波数変換装置の出力制御を行う誘導加熱調理器が開発されている。

以下に従来の誘導加熱調理器について説明する。図５は２石式インバータを有する従来の誘導加熱出力のブロック回路図であり、図６はスイッチング素子近傍の斜視図である。

商用電源１０１に全波整流器１０２（以下整流器）が接続され整流器１０２の正極出力端にチョークコイル１０３が接続されチョークコイル１０３の他端と整流器１０２の負極出力端間に平滑コンデンサ１０４が接続されている。平滑コンデンサ１０４の両端にはトランジスタ１０５と順方向のダイオード１０７とトランジスタ１０８の直列回路が接続されている。高電位側のトランジスタ１０５にはダイオード１０６が逆並列に低電位側のトランジスタ１０８にはダイオード１０９が逆並列に接続されている。ダイオード１０７のカソードとトランジスタ１０８のコレクタとの接続点と整流器１０２の負極間には加熱コイル１１０とコンデンサ１１１の直列回路が接続され、コンデンサ１１１に並列にダイオード１１２が接続されている。

破線１１３で囲まれた部品はアルミ製の冷却フィン１１３に固定される部品を示す。すなわちトランジスタ１０５、ダイオード１０６、整流器１０２は冷却フィン１１３に固定され図６に示す冷却ファン１１９により冷却される。破線１１４で囲まれた部品はアルミ製の冷却フィン１１４に固定される部品を示す。すなわちトランジスタ１０８、ダイオード１０９、整流器１０２は冷却フィン１１４に固定され冷却ファン１１９により冷却される。

図５のトランジスタ１０５は素子パッケージの外部金属ベースがコレクタ端子と同電位であり、図６の冷却フィン１１３にこの金属ベースが接するようにネジ締め固定されている。同様に図５のトランジスタ１０８は素子パッケージの外部金属ベースがコレクタ端子と同電位となっており、図６の冷却フィン１１４にこの金属ベースに接するようにネジ締め固定されている。冷却フィン１１３は片面印刷配線板１１８に裏面側からネジ締めされている。トランジスタ１０５、１０８素子の端子は片面印刷配線板１１８に設けられた穴を貫通し裏面側で片面印刷配線板１１８の銅箔パターンと共にはんだ槽に浸すことにより半田付けされる。冷却フィン１１３にはサーモスタット１１６が接着剤で固定されトランジスタ１０５、１０８のオンオフを制御する制御回路１１５に接続されている。冷却フィン１１４の近傍でサーミスタ１１７が片面印刷配線板１１８の表面側からリード線を曲げて片面印刷配線板１１８の穴を貫通して裏面側で片面印刷配線板に冷却フィン１１４の固定される半導体素子と同様に半田付け接続固定される。

また、スイッチング素子の主電流が流れる低電位側端子が接続された導体箔の近傍に、感温素子を片面印刷配線板表面に設置した従来例もある（例えば、特許文献１参照）。
特開平１０−１５４５７９号公報

しかしながら、前記従来の誘導加熱調理器においては、冷却フィン１１３がトランジスタ１０５のコレクタ電位と同電位でありまたサーモスタット１１６とサーミスタ１１７は制御回路１１５に接続され制御回路１１５がコモン電位をトランジスタ１０５のエミッタとしているのでサーモスタット１１６と冷却フィン１１３間サーミスタ１１７と冷却フィン１１４には高圧が印加される。したがってこのような構成のものではサーミスタ１１７は冷却にその電圧に対応した絶縁距離を設ける必要があり、サーミスタ１７は冷却フィン１１３の熱を印刷配線の絶縁部材を介して前記の絶縁距離離した位置で検知するとともにサーミスタ１１７素子部が片面印刷配線板１１８の上部に露出し冷却ファン１１９の冷却風で冷却されるので冷却フィン１１３の温度の検知感度が悪くて例えば図示してない電源スイッチを切断して加熱動作が停止すると同時に冷却ファン１１９が停止したとき、冷却のできない発熱部品の影響で検知温度が即座に降下せずオーバーシュートし誤検知する恐れがあるという課題があった。

前記従来の課題を解決するために、本発明の誘導加熱調理器は、スイッチング素子の温度を簡単な構成で、応答性良く検知することを目的とするものである。

前記従来の課題を解決するために、本発明の誘導加熱調理器は、加熱コイルと、スイッチング素子を有し前記スイッチング素子をオンオフして前記加熱コイルに高周波電流を供給する周波数変換装置と、前記スイッチング素子の高電位側端子が半田接続され前記スイッチング素子の半導体部側の面に形成される高電位側導体箔及び前記スイッチング素子の低電位側端子が半田接続され前記半導体部側の面と反対側の面に形成される低電位側導体箔を有する両面印刷配線板と、前記半導体部側の面と反対側の面に設けられ前記スイッチング素子の半導体部と熱結合する感温素子と、前記感熱素子で前記スイッチング素子の温度を監視して前記スイッチング素子のオンオフを制御する制御部と、を備え、前記感温素子は、前記高電位側導体箔及び前記低電位側導体箔に対向するように前記両面印刷配線板上に表面実装される構成とするとしたものである。

これによって、感温素子とスイッチング素子の半導体スイッチング素子の電力損失で発生した熱の変化を主電流の流れる高電位と低電位の両端子の接続部から感度良く検知し、導電性金属材料であり熱伝導性の良い感温素子の端子部が両面印刷配線板を貫通することなく導体箔側から両面印刷配線板を接合するので、冷却システムの故障や冷却システムやスイッチング素子の急激な異常温度上昇を応答性良く検知できる信頼性の高い誘導加熱調理機器が得られる。

本発明の誘導加熱調理機器はスイッチング素子の半導体部と感温素子の感温部に熱抵抗をその熱伝送経路において最小化しスイッチング素子の急激な温度上昇を感度良く検知し冷却システムの異常や素子の異常に応じた精度の良い出力制御の可能な安価な誘導加熱調理器を提供できる。

第１の発明は、加熱コイルと、スイッチング素子を有し前記スイッチング素子をオンオフして前記加熱コイルに高周波電流を供給する周波数変換装置と、前記スイッチング素子の高電位側端子が半田接続され前記スイッチング素子の半導体部側の面に形成される高電位側導体箔及び前記スイッチング素子の低電位側端子が半田接続され前記半導体部側の面と反対側の面に形成される低電位側導体箔を有する両面印刷配線板と、前記半導体部側の面と反対側の面に設けられ前記スイッチング素子の半導体部と熱結合する感温素子と、前記感熱素子で前記スイッチング素子の温度を監視して前記スイッチング素子のオンオフを制御する制御部と、を備え、前記感温素子は、前記高電位側導体箔及び前記低電位側導体箔に対向するように前記両面印刷配線板上に表面実装される構成とすることにより、前記感温素子と前記スイッチング素子の半導体スイッチング素子の電力損失で発生した熱の変化を感度良く検知する。また導電性金属材料であり熱伝導性の良い感温素子の端子部が両面印刷配線板を貫通することなく導体箔側から両面印刷配線板を接合する構成とするので冷却システムの異常を精度良く検知できるという作用を有するものである。

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の回路ブロック図に示すように商用電源２０に全波整流する整流器２１が接続され加熱コイル２６に並列に共振用のコンデンサ２７が接続される。トランス２９は交流電源２０に一次コイルが接続され、電源回路５０にはトランス２９の二次コイルから約３０Ｖに降圧された交流電源が供給される。制御回路（制御部）２８は電源回路５０から制御用の直流電源を入力する。サーミスタ（感温素子）３１はトランジスタ２５ａとダイオード２５ｂがワンパーッケージ化された逆導通トランジスタ（スイッチング素子）２５の温度検知素子で制御回路２８に接続される。

図２は逆導通トランジスタ２５とその冷却フィン３２とサーミスタ３１とを両面印刷配線板３３に実装した状態を示す斜視図であり、図３は逆導通トランジスタ２５近傍の断面図であり、図４はサーミスタ３１近傍の断面図である。

冷却フィン３２はねじ３４、３５、３６で両面印刷配線板３３に締め付け固定されている。逆導通トランジスタ２５において、冷却フィン３２のとの接触面は導電金属板が露出し、この導電金属板は半導体チップのトランジスタのコレクタ及びダイオード２５ｂのカソードに接続され、外部コレクタ端子３８と同電位になっている。

サーミスタ３１は略直方体形状のもので電気絶縁性を有する接着剤４２がエミッタに接続される銅箔パターン（導体箔）３７ｃとの間に充填され、サーミスタ３１と銅箔パターン３７ｃが対向するように固着され感温素子の端子部３１ｃ、３１ｄと銅箔パターン３１ａ、３１ｂとは半田槽に浸すことにより半田付けされる。

また、コレクタ端子（主電流の流れる高電位側端子）３８の半田接続部３８ａに接続される表面銅箔パターン３８ｃに対向する裏面側にサーミスタ３１は設置される。

以上のように構成された誘導加熱調理器の動作について説明する。整流器２１は商用電源２０を入力して全波整流する。平滑コンデンサ２７は周波数変換装置の一種である１石インバータを構成し低周波の直流を発生する。制御回路２８は、共通電位（コモン電位）を逆導通トランジスタ２５のエミッタ端子３７に接続し、逆導通トランジスタ２５のゲート端子３９とエミッタ端子３７間のパルスを発生し逆導通トランジスタを２５オンオフすることで、加熱コイル２６と共振コンデンサ２４の共振により加熱コイル２６に高周波電流を発生する。制御回路２８はカレントトランス２８ａを介して入力電流と、抵抗２８ｂを介して逆導通トランジスタ２５のコレクタ端子３８とエミッタ端子３７間の電圧と、サーミスタ３１で逆導通トランジスタ２５の半導体部の温度とを監視してトランジスタのオンオフを制御して出力の制御を行ったり、表示の内容あるいは冷却ファンの回転数の変更などを行う。

逆導通トランジスタ２５はピーク値で数十アンペアの大電流を通電・遮断する周波数が約２０〜５０ｋＨｚであるので、ターンオン損失、ターンオフ損失あるいはダイオード２５ｂの順方向電圧・電流による電力損として逆導通トランジスタ２５の半導体部２５ｃに発生する。この損失により発した熱はコレクタに接続されている金属ベース３８ｂを介して冷却フィン３２に伝導され放熱される。

また、半導体部２５ｃに発生した熱は、コレクタからコレクタの半田接続部３８ａと大電流であるため幅の広い、対向するサーミスタ３１を含む幅の高電位側の銅箔パターン３８ｃを経て、両面印刷配線板３３の絶縁破壊や高周波雑音のクロストーク等の恐れのない絶縁材料である樹脂材料を経由してサーミスタ３１、その端子部３１ｃ、３１ｄとその銅箔パターン３１ａ、３１ｂに至る経路で熱伝導される。これにより、逆導通トランジスタ２５の急激な温度上昇を感度良く検知することができる。

一方半導体部の熱はまたボンディングワイヤ及び樹脂を介してエミッタ端子３７に伝送し印刷配線板に印刷された銅箔パターンとのはんだ接続部を経由して上下に延長された銅箔パターン３７ｂ、３７ｃに伝導する。銅箔パターン３７ｃは図４のようにサーミスタ３１と交差しサーミスタ３１と対向する配置となっており、また、銅箔パターン３７ｃの上にコーティングされた絶縁皮膜４１とサーミスタ３１間に接着剤４２が充填されているのでこれらの部材を介してもサーミスタ３１の感温部に前記の熱が安定して伝導する。

サーミスタ３１は共通電位を逆導通トランジスタ２５のエミッタを共通電位としている制御回路２８に接続されているので、サーミスタ３１の端子部３１ｃ、３１ｄ及びそれらに接続される銅箔パターン３１ａ、３１ｂと、エミッタ端子３７の半田接続部３７ａ及び逆導通トランジスタ２５のエミッタに接続される銅箔パターン３７ｂ、３７ｃ間に印加される電圧は通常約４０Ｖ以下とすることができ、両者間の絶縁破壊や高周波雑音ノクロストーク等の恐れが少ないので、それらの間隔は最小０．５ｍｍ前後の小さな間隔としている。これにより、逆導通トランジスタ２５の半導体部２５ｃからエミッタ端子３７を熱伝導経路として伝わってきた熱は、エミッタ端子３７の半田接続部３７ａから銅箔パターン３７ｃを経てサーミスタ３１の端子部３１ｃ、３１ｄに至る経路でサーミスタ３１に伝導されやすくなる。

また、サーミスタ３１を逆導通トランジスタ２５とエミッタ端子の半田接続部３７ａとゲート端子の半田接続部３９ａの間に設けているので、ゲート端子３９からも逆導通トランジスタ２５の半導体部２５ｃの熱が伝達されるので、サーミスタ３１の受熱量を増加させることができる。

逆導通トランジスタ２５の端子３７、３８、３９は通常断面が板状となっており逆導通トランジスタ２５自身の組立性あるいは逆導通トランジスタ２５を装着する印刷配線板は半田付けの際の作業性を考えると断面形状を大きくすることは困難である。一方、コレクタ端子３８に高周波の大電流が流れるので表皮効果も加わり、端子部が発熱する。同様にコレクタ端子３８ａに接続される銅箔パターン３８ｃも発熱する。これらの発熱量は逆導通トランジスタ２５の半導体部２５ｃの損失と比例している。このようにコレクタ端子３８自身が発熱するので半導体部２５ｃから伝導してくる熱のうち、端子部３８ａ、銅箔パターン部３８ｃから放熱される熱量を補うので、結果としてサーミスタが受け取る熱量が増加する。

以上のように本実施の形態に拠れば、逆導通トランジスタ２５の半導体部２５ｃの電力損失で発生した熱が、銅製であり、熱伝導性の良いコレクタ端子３８から大電流であるため幅の広い高電位側の銅箔パターン３８ｃを経て、両面印刷配線板３３の樹脂材料を経由してサーミスタ３１、その基板を貫通することなく銅箔側から半田付け接続する端子部３１ｃ、３１ｄとその銅箔パターン３１ａ、３１ｂに至る経路で伝導するので、半導体部２５ｃと、サーミスタ３１間との熱抵抗は小さくなる。また、サーミスタ３１はエミッタ端子３７を共通電位とする制御部２８に信号を出力する構成であるので、サーミスタ３１とエミッタ端子間には通常４０Ｖ以下の電圧しか印加せず、半田接続部３７ａあるいはエミッタ端子３７に接続された両面印刷配線板３３の銅箔パターン３７ｃ、サーミスタ３１間、あるいは、サーミスタ３１に接続する銅箔パターン３１ａ、３１ｂの距離を小さくしても、高周波の誤動作や、絶縁破壊を起こす恐れがなく、この距離を小さくすることによりエミッタ端子３７とサーミスタ３１の熱抵抗を小さくできる。したがって、その熱伝導経路において最小化し、半導体部２５ｃの熱は、大電流が流れるコレクタ端子３８とエミッタ端子３７の双方からサーミスタ３１に熱伝導されるので、急激な温度上昇を感度良く検知して、冷却システムの異常や素子の異常を精度良く検知できる。

また、両面印刷配線板の導体箔が表皮効果や大電流値であることなどにより発熱するためこれらの熱が端子両面印刷配線板からの熱を放熱し非動作時の受け取る熱量が増加するので冷却システムが故障した状態でスイッチング素子２５を操作させた場合などにおいても半導体部２５ｃの急激な温度上昇にサーミスタが良く対応している。

以上のように、本発明にかかる誘導加熱調理器はスイッチング素子の半導体部と感温素子の感温部に熱抵抗をその熱伝送経路において最小化して、スイッチング素子の急激な温度上昇を感度良く検知し冷却システムの異常や素子の異常に応じた精度の良い出力制御が可能でありしかも安価に提供できる。従って家庭内にとどまらず各種産業上の多くの分野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回路ブロック図同誘導加熱調理器のスイッチング素子近傍の透視斜視図同誘導加熱調理器のスイッチング素子近傍の断面図同誘導加熱調理器の別のスイッチング素子近傍の断面図従来の誘導加熱調理器の回路ブロック図従来の誘導加熱調理器のスイッチング素子近傍の斜視図

符号の説明

２５逆導通トランジスタ（スイッチング素子）
２５ｃ半導体部
２６加熱コイル
２８制御回路（制御部）
３１サーミスタ（感温素子）
３１ａ、３１ｂ銅箔パターン（裏面側導体箔）
３１ｃ、３１ｄ感温素子の端子部
３２冷却フィン
３３両面印刷配線板
３７エミッタ端子（主電流の流れる低電位側端子）
３７ｂ、３７ｃ銅箔パターン（裏面側導体箔）
３８コレクタ端子（主電流の流れる高電位側端子）
３８ａコレクタ端子半田接続部
３８ｃ銅箔パターン（表面側導体箔）
３９ゲート端子（低電位側端子）

Claims

加熱コイルと、スイッチング素子を有し前記スイッチング素子をオンオフして前記加熱コイルに高周波電流を供給する周波数変換装置と、前記スイッチング素子の高電位側端子が半田接続され前記スイッチング素子の半導体部側の面に形成される高電位側導体箔及び前記スイッチング素子の低電位側端子が半田接続され前記半導体部側の面と反対側の面に形成される低電位側導体箔を有する両面印刷配線板と、前記半導体部側の面と反対側の面に設けられ前記スイッチング素子の半導体部と熱結合する感温素子と、前記感熱素子で前記スイッチング素子の温度を監視して前記スイッチング素子のオンオフを制御する制御部と、を備え、前記感温素子は、前記高電位側導体箔及び前記低電位側導体箔に対向するように前記両面印刷配線板上に表面実装される構成とする誘導加熱調理器。