JP4775418B2

JP4775418B2 - 誘導加熱調理器

Info

Publication number: JP4775418B2
Application number: JP2008196143A
Authority: JP
Inventors: 武北泉; 貴宏宮内; 泉生弘田; 英樹大森
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2008-07-30
Filing date: 2008-07-30
Publication date: 2011-09-21
Anticipated expiration: 2019-11-12
Also published as: JP2008258180A

Description

本発明は、高周波磁界による誘導加熱を利用して調理を行う誘導加熱調理器に関するものである。

以下、従来の誘導加熱調理器について図１３に基づいて説明する。図１３は従来使用されている誘導加熱調理器の構成を示す接続図である。

商用電源１は、この両端に接続しているダイオードブリッジ１３によって整流した整流電圧を、高周波電流の供給源として働く平滑コンデンサ２に供給している。第一のチョークコイル３は、商用電源１の一端に接続しており、第一のスイッチング素子４が零電流でターンオフするように作用しているものである。第一のスイッチング素子４には、第一の
ダイオード５が並列に接続されている。第一のダイオード５は、第一のスイチング素子４を流れる電流が逆方向となる場合に、この逆方向の電流を環流するために用いている。第一のスイッチング素子４は、オン状態の時に、加熱コイル６と共振コンデンサ７と負荷である鍋８で決まる共振周波数の共振電流を供給する。加熱コイル６は、前記共振周波数の高周波磁界を鍋８に供給する。制御手段９は、マイクロコンピュータなどを用いて、平滑コンデンサ２から供給される入力電力に応じて、前記第一のスイッチング素子４のオンオフを制御している。このとき、制御手段９は第一のスイッチング素子４のスイッチング損失を考慮して、通常２０〜３０ｋＨｚで第一のスイッチング素子４をオンオフ制御している。

このため、加熱コイル６は、２０〜３０ｋＨｚの高周波磁界を発生する。この高周波磁界は、鍋８と鎖交して、鍋８の表面に渦電流が流れて鍋８は発熱する。つまり、鍋８は誘導加熱されるものである。

前記従来の誘導加熱調理器は、スイッチング素子の共振電圧が大きくなって、使用するスイッチング素子の定格が大きくなるという課題を有している。

本発明は、電源に並列に接続したダイオードブリッジと、前記ダイオードブリッジに並列に接続した平滑コンデンサと、前記平滑コンデンサの一端に一端を接続した第一のチョークコイルと、前記第一のチョークコイルの他端と前記平滑コンデンサの他端に接続した第一のスイッチング素子と、前記第一のスイッチング素子に逆並列に接続した第一のダイオードと、前記第一のスイッチング素子に並列に接続した加熱コイルと共振コンデンサの直列回路と、前記スイッチング素子を駆動する制御手段と、前記第一のチョークコイルの両端に接続した直列に接続した第二のチョークコイルと第三のダイオードからなるピーク電流低減回路を備えて、共振電流のピークを抑えることが可能になり、第一のスイッチング素子と加熱コイルの損失を低くでき、また第一のスイッチング素子から発生するノイズを低減できる誘導加熱調理器としている。

請求項１に記載した発明は、電源に並列に接続したダイオードブリッジと、前記ダイオードブリッジに並列に接続した平滑コンデンサと、前記平滑コンデンサの一端に一端を接続した第一のチョークコイルと、前記第一のチョークコイルの他端と前記平滑コンデンサの他端に接続した第一のスイッチング素子と、前記第一のスイッチング素子に逆並列に接続した第一のダイオードと、前記第一のスイッチング素子に並列に接続した加熱コイルと共振コンデンサの直列回路と、前記スイッチング素子を駆動する制御手段と、前記第一のチョークコイルの両端に接続した直列に接続した第二のチョークコイルと第三のダイオードからなるピーク電流低減回路を備えた構成として、第一のスイッチング素子と加熱コイルの損失を低くでき、また第一のスイッチング素子から発生するノイズを低減できる誘導加熱調理器を実現するものである。

請求項２に記載した発明は、第二のチョークコイルを可飽和リアクトルとした構成として、スイッチングノイズが少なく、制御性に優れた誘導加熱調理器を実現するものである。

請求項１に記載した発明は、電源に並列に接続したダイオードブリッジと、前記ダイオードブリッジに並列に接続した平滑コンデンサと、前記平滑コンデンサの一端に一端を接
続した第一のチョークコイルと、前記第一のチョークコイルの他端と前記平滑コンデンサの他端に接続した第一のスイッチング素子と、前記第一のスイッチング素子に逆並列に接続した第一のダイオードと、前記第一のスイッチング素子に並列に接続した加熱コイルと共振コンデンサの直列回路と、前記スイッチング素子を駆動する制御手段と、前記第一のチョークコイルの両端に接続した直列に接続した第二のチョークコイルと第三のダイオードからなるピーク電流低減回路を備えて、共振電流のピークを抑えることが可能になり、第一のスイッチング素子と加熱コイルの損失を低くでき、また第一のスイッチング素子から発生するノイズを低減できる誘導加熱調理器としている。

請求項２に記載した発明は、第二のチョークコイルを可飽和リアクトルとして、共振電圧を零電圧付近まで低下でき、スイッチングノイズが少なく、制御性に優れた誘導加熱調理器としている。

（実施例１）
以下、本発明の第１の実施例について説明する。図１は、本実施例の構成を示す接続図である。本実施例では、従来例の項で説明した図１３の構成に、電圧クランプ回路を加えているものである。電圧クランプ回路は、第一のチョークコイル３の両端に接続したクランプコンデンサ１０と第二のスイッチング素子１１の直列回路と、第二のスイッチング素子１１に並列に接続した第二のダイオード１２とによって構成している。前記第二のスイッチング素子１１は、制御手段９によって制御されている。

商用電源１は、この両端に接続しているダイオードブリッジ１３によって整流した整流電圧を、高周波電流の供給源として働く平滑コンデンサ２に供給している。第一のチョークコイル３は、商用電源１の一端に接続しており、第一のスイッチング素子４が零電流でターンオフするように作用しているものである。第一のスイッチング素子４には、第一のダイオード５が並列に接続されている。第一のダイオード５は、第一のスイッチング素子４を流れる電流が逆方向となる場合に、加熱コイル６、共振コンデンサ７、第一のダイオード５を通過するすなわち環流させるために用いている。第一のスイッチング素子４は、オン状態の時に、加熱コイル６と共振コンデンサ７と負荷である鍋８で決まる共振周波数の共振電流を供給する。加熱コイル６は、前記共振周波数の高周波磁界を鍋８に供給する。制御手段９は、マイクロコンピュータなどを用いて、平滑コンデンサ２から供給される入力電力に応じて、前記第一のスイッチング素子４のオンオフを制御している。このとき、制御手段９は第一のスイッチング素子４のスイッチング損失を考慮して、通常２０〜３０ｋＨｚで第一のスイッチング素子４をオンオフ制御している。

第二のダイオード１２は、第一のスイッチング素子４のコレクタ電圧が上昇して、クランプコンデンサ１０の電位より高くなると、導通する。この導通によって、第一のスイッチング素子５のコレクタ電位を上昇させる電荷をクランプコンデンサ１０に供給している。このため第二のスイッチング素子４のコレクタ電圧は一定値以上には上昇しないものである。また第二のスイッチング素子１１は、第一のスイッチング素子４のコレクタ電圧がクランプコンデンサ１０の電圧より低くなると、クランプコンデンサ１０が蓄えた電荷を加熱コイル６及び共振コンデンサ７に放出する様に動作する。

制御手段９は、マイクロコンピュータなどを用いて、平滑コンデンサ２から供給される入力電力に応じて、第一のスイッチング素子４のオンオフを制御し、また前記クランプ回路のクランプ動作に応じて、第二のスイッチング素子１１のオンオフを制御している。

以下、本実施例の動作について説明する。図２は本実施例の誘導加熱調理器が駆動しているときの各部の電流または電圧を示す波形図である。（ａ）は第一のスイッチング素子４または第一のダイオード５に流れる電流波形Ｉｃを、（ｂ）は第一のスイッチング素子４のコレクタ−エミッタ間に生じる電圧Ｖｃｅを、（ｃ）は加熱コイル６に流れる電流ＩＬを、（ｄ）は制御手段９が第一のスイッチング素子４に与える駆動信号ＶＧＥを、（ｅ）は制御手段９が第二のスイッチング素子１１に与える駆動信号ＶｓＧＥを示している。

制御手段９は第一のスイッチング素子４にゲート信号（ｄ）を与え、（ａ）に示すように第一のスイッチング素子４が導通状態になり、加熱コイル６と共振コンデンサ７によって生じる共振電流Ｉｃが第一のスイッチング素子４に流れる。この時、本実施例では鍋８にアルミ鍋を使用したいため、加熱コイル６から発生する高周波磁界の周波数をできるだけ高く設定しているものである。すなわち、第一のスイッチング素子４の駆動周波数の整数倍、本実施例では３倍に設定している。このため、第一のスイッチング素子４のスイッチング終了のタイミングがかならず零となって第一のスイッチング素子４のスイッチング損失を低くできまた発生するノイズを低くすることができる。制御手段９は必要な電力を第一のスイッチング素子４により供給した後、第一のダイオード５に電流が流れているタイミングすなわち（ａ）に示す電流Ｉｃが負の区間で第一のスイッチング素子４をオフする。この状態は図２（ｄ）に示すＶＧＥが零になるタイミングが前記Ｉｃが負の区間となっているものである。この時、第一のスイッチング素子４のコレクタ電圧Ｖｃｅは（ｂ）に示すように共振波形となる。この時、本実施例ではクランプ回路を構成するクランプコンデンサ１０の作用により実線で示すように、コレクタ電圧Ｖｃｅが一定値を維持した状態で第一のスイッチング素子４のオフ区間を終了する。すなわち、第一のスイッチング素子４のコレクタ電圧を点線で示しているクランプ回路がない場合の特性よりも非常に低く抑えることができるものである。換言すれば、第一のスイッチング素子４の素子耐圧を低く抑えることができる。

（実施例２）
続いて、本発明の第二の実施例について説明する。図３は本実施例の動作を示す波形図である。本実施例では制御手段９は図３に示しているように各部を制御している。

波形（ａ）は第一のスイッチング素子４または第一のダイオード５に流れる電流Ｉｃを示し、波形（ｂ）は第一のスイッチング素子４のコレクタ−エミッタ間に生じる電圧Ｖｃｅを示し、波形（ｃ）はクランプコンデンサ１０に流れる電流を示し、波形（ｄ）は第二のスイッチング素子１１のコレクタ−エミッタ間電圧を示し、（ｅ）は制御手段９が第一のスイッチング素子４に与える駆動波形ＶＧＥを、（ｆ）は制御手段９が第二のスイッチング素子１１に与える駆動信号ＶｓＧＥを示している。制御手段９は（ａ）に示すＩｃが零になったタイミングで（ｆ）に示している様に第二のスイッチング素子１１を駆動する信号ＶｓＧＥを供給している。このため第二のスイッチング素子に流れる電流Ｉｓｃが（ｃ）に示している様にＶｓＧＥに同期して流れる。この電流Ｉｓｃは、クランプコンデンサ１０に蓄えられている電荷に等しく、この電荷が加熱コイル６及び共振コンデンサ７に放出される。つまり、第一のスイッチング素子４のコレクタ電圧Ｖｃｅが上昇するまでのタイミングでクランプコンデンサ１０の電荷を抜くことが可能となり、クランプコンデンサ１０の電位の上昇によるクランプ電圧の増加を防ぐことができる。また、クランプコンデンサ１０に蓄えられた電荷が一気に放出されることを防止することができ、回路を保護することができる。換言すれば、制御性に優れた誘導加熱調理器を実現するものである。

（実施例３）
続いて本発明の第３の実施例について説明する。図４は本実施例の動作を示す波形図である。本実施例では制御手段９は図４に示しているように各部を制御している。

波形（ａ）は第一のスイッチング素子４または第一のダイオード５に流れる電流を、波形（ｂ）は第一のスイッチング素子４のコレクタ−エミッタ間に生じる電圧Ｖｃｅを、波形（ｃ）はクランプコンデンサ１０に流れる電流を、波形（ｄ）は第二のスイッチング素子１１のコレクタ−エミッタ間電圧を、波形（ｅ）は制御手段９が第一のスイッチング素子４に供給する駆動波形ＶＧＥを、波形（ｆ）は制御手段９が第二のスイッチング素子１１に与える駆動信号ＶｓＧＥを示している。

制御手段９は（ａ）に示しているように、第一のスイッチング素子４に流れる電流Ｉｃが零になる直前で第一のスイッチング素子４の駆動信号ＶＧＥをオフとする。これにより、（ｂ）に示す様に第一のスイッチング素子４のコレクタ電圧Ｖｃｅは上昇する。コレクタ電圧Ｖｃｅの上昇に伴って、クランプコンデンサ１０には（ｃ）に示しているような電流Ｉｓｃが流れる。この電流Ｉｓｃは正のピークの後、反転して負側にも流れ、やがて零となる。本実施例では、このＩｓｃが零になる前のタイミングの（ｆ）に示しているように第二のスイッチング素子１１に供給している駆動信号ＶｓＧＥを零にしている。このため、第二のスイッチング素子１１に流れる電流が零の時に再び第一のスイッチング素子４をオン状態にすることが可能となり、第二のスイッチング素子１１のターンオフ損失及び第一のスイッチング素子４のターンオン損失が少ない状態で第一のスイッチング素子４及び第二のスイッチング素子１１のスイッチング制御を行うことができる。

以上の様に本実施例によれば、第二のスイッチング素子１１または第二のダイオード１２を流れるコレクタ電流Ｉｓｃが零になる前のタイミングで第二のスイッチング素子１１に供給している駆動信号ＶｓＧＥを零に制御することにより、スイッチング損失の少ない誘導加熱調理器を実現するものである。

（実施例４）
続いて本発明の第４の実施例について説明する。図５は本実施例の誘導加熱調理器の高周波領域での動作を示す波形図である。また図６は低周波領域での動作を示す波形図である。

以下本実施例の動作について説明する。本実施例では、クランプコンデンサ１０として、５００μＦ以上の十分大きな容量のコンデンサを用いている。換言すれば、クランプコンデンサ１０の容量は、第一のスイッチング素子４のコレクタ−エミッタ間の電圧が動作時に定格電圧を超えない程度の容量であることが重要である。このような設定とすることによって、商用電源１から供給される電力は、非平滑のまま高周波インバータに供給されることになる。この際、ことにより、低周波領域での前半部は第二のダイオード１２を通してクランプコンデンサに電位を蓄える動作を行い、後半部では第二のスイッチング素子１１を通してクランプコンデンサ１０の電荷を放出するように働くことになる。つまり商用周波数の１／２の周期で、クランプコンデンサ１０への充放電を繰り返し、クランプ動作を持続するように動作することになる。

以上の様に本実施例によれば、クランプコンデンサ１０に蓄積された電流をスムーズに抜くことができ、クランプ電圧の上昇を抑えることができ、制御性に優れかつアルミ鍋や多層鍋の加熱可能な誘導加熱調理器を実現できるものである。

（実施例５）
続いて本発明の第５の実施例について説明する。図７は本実施例の誘導加熱調理器の構成を示す接続図である。第一のチョークコイル３の両端に、第二のチョークコイル１４と第三のダイオード１５の直列体で構成したピーク電流低減回路を接続している。

以下、本実施例の動作について説明する。図８は本実施例の動作を示す波形図である。本実施例では制御手段９は図８に示しているように各部を制御している。

波形（ａ）は第一のスイッチング素子４または第一のダイオード５に流れる電流Ｉｃを示し、波形（ｂ）は第一のスイッチング素子４のコレクタ−エミッタ間に生じる電圧Ｖｃｅを示し、波形（ｃ）は加熱コイル６に流れる電流ＩＬを示し、波形（ｄ）は第二のスイッチング素子１１のコレクタ−エミッタ間電圧ＶＧＥを、（ｅ）は第二のチョークコイル１４に流れる電流ＩＬｓを示している。時刻ｔ１からｔ２は第一のスイッチング素子５及び第一のダイオード５に電流が流れている区間である。時刻ｔ２からｔ３は第一のスイッチング素子４がオフしている区間であり、第一のスイッチング素子４のコレクタ電圧が上昇する区間である。時刻ｔ３区間以降は前記区間の繰り返しである。前記時刻ｔ２からｔ３の区間では図８（ｂ）のＶｃｅがピークに達した後、スムーズに低下しているものである。この理由は図８（ｅ）に示している電流ＩＬｓの増加によるものである。すなわち第二のチョークコイル１４に流れる電流ＩＬｓは、加熱コイル６を流れる電流ＩＬの一部を第二のチョークコイル１４によって第一のチョークコイル３及び平滑コンデンサ２に環流させるものである。このため第一のスイッチング素子４に流れる初期電流Ｉｃの初期電流が小さくなるものである。このため、図８（ａ）に示している様に、第一のスイッチング素子４で生じる導通損失が減少すると共に、ターンオン時での第一のスイッチング素子４の共振電圧を低く抑えることができるため、ターンオン時のノイズの発生を低く抑えることが可能になる。また、加熱コイル６に発生する損失を低減できるものである。

以上のように、本実施例によれば、電源に並列に接続したダイオードブリッジと、前記ダイオードブリッジに並列に接続した平滑コンデンサと、前記平滑コンデンサの一端に一端を接続した第一のチョークコイルと前記第一のチョークコイルの他端と前記平滑コンデンサの他端に接続した第一のスイッチング素子と、前記第一のスイッチング素子に並列に接続した第一のダイオードと、前記第一のスイッチング素子に並列に接続した加熱コイルと共振コンデンサの直列回路と、前記スイッチング素子を駆動する制御手段と、前記第一のチョークコイルの両端に接続した直列に接続した第二のチョークコイルと第三のダイオードからなるピーク電流低減回路を備えた構成として、共振電流のピークを抑えることが可能になり、スイッチング素子と加熱コイルの損失を低くでき、またスイッチング素子から発生するノイズを低減できる誘導加熱調理器を実現するものである。

（実施例６）
本発明の第６の実施例について図面を参照しながら説明する。本実施例では、図７に示している構成の、第二のチョークコイル１４を可飽和リアクトルによって構成しているものである。

図９は本実施例で用いている第二のチョークコイル１４のリアクタンスの変化を示す特性図である。また図１０は本実施例の動作を示す波形図である。本実施例では、第二のチョークコイル１４として図９に示しているような飽和特性を有している過飽和リアクトルを使用している。すなわち、第二のチョークコイル１４に流れる電流が、ある値に達するまではリアクタンスは一定値を示しており、前記値を超えた時点から急激にリアクタンスが低下するものである。

このような飽和特性を有しているチョークコイルを用いることによって、時刻ｔ２から時刻ｔ３の第一のスイッチング素子４が非導通状態にある時には、図１０（ｅ）に示しているように、第二のチョークコイル１４に流れる電流が大きくなるものである。また、第二のチョークコイル１４は図９に示す飽和特性を有しているためリアクタンスがこの時点では小さくなるものである。このため、共振電圧の周波数高くなって、図１０（ｂ）に示しているように、第一のスイッチング素子４は、一旦零電圧まで下がった状態で導通する
ものである。このため、第一のスイッチング素子４が発生するスイッチングノイズは非常に小さくなるものである。また第一のスイッチング素子４が導通状態の時には、第二のチョークコイル１４から第一のチョークコイル３への環流電流は小さくなって、第二のチョークコイル１４のリアクタンスは大きな値となるものである。すなわち、このときには、第二のチョークコイル１４は第一のチョークコイル３に影響を与えないように働くことになる。

以上のように本実施例は、第二のチョークコイル１４を可飽和リアクトルとしているため、共振電圧を零電圧付近まで低下でき、スイッチングノイズが少なく、制御性に優れた誘導加熱調理器を実現するものである。

（実施例７）
続いて本発明の第７の実施例について説明する。図１１は本実施例の誘導加熱調理器の回路構成を示す接続図である。本実施例では、前記実施例４で説明した電圧クランプ回路と、実施例５で説明しているピーク電流低減回路の両方を接続しているものである。

以下、本実施例の動作について説明する。図１２は本実施例の各部の動作を示す波形図である。波形（ａ）は第一のスイッチング素子４または第一のダイオード５に流れる電流Ｉｃを、波形（ｂ）は第一のスイッチング素子４のコレクタ−エミッタ間に生じる電圧Ｖｃｅを、波形（ｃ）はクランプコンデンサ１０に流れる電流Ｉｓｃを、波形（ｄ）は制御手段９が第一のスイッチング素子４に与える駆動波形ＶＧＥを、波形（ｅ）は制御手段９が第二のスイッチング素子１１に与える駆動信号ＶｓＧＥを示している。時刻ｔ２から時刻ｔ３の区間で、第一のスイチング素子４が非導通状態になると、加熱コイル６と共振コンデンサ７との共振電圧がクランプコンデンサ１０の電圧より高くなった時点で、第二のダイオード１２が導通する。この第二のダイオード１２が導通している間に第二のスイッチング素子１１を導通状態としているものである。このため、第二のスイッチング素子１１に電流が流れる動作がスムーズに行われるものである。また、図１２（ｄ）に示しているように、第一のスイッチング素子４の共振電圧は一旦零まで低下するものである。このため、第二のスイッチング素子１２を非導通状態に移行する動作がスムーズに行われるものである。

以上のように本実施例によれば、第一のスイッチング素子４の共振電圧をクランプでき、共振電圧を低くすることができると共に、第一のスイッチング素子４のピーク電圧を低くでき耐圧定格の低い素子を使用できるものである。また、第一のスイッチング素子４に流れる電流のピーク値を低く抑えることができ、損失の低い高効率の誘導加熱調理器を実現できるものである。

本発明の第１の実施例である誘導加熱調理器の回路構成を示す接続図同、各部の動作を示す波形図本発明の第２の実施例である誘導加熱調理器の各部の動作を示す波形図本発明の第３の実施例である誘導加熱調理器の各部の動作を示す波形図本発明の第４の実施例である誘導加熱調理器の高周波領域での動作を示す波形図（ａ）誘導加熱調理器の共振電圧がクランプ電圧よりも大きい領域での各部の動作を示す波形図（ｂ）誘導加熱調理器の共振電圧がクランプ電圧よりも小さい領域での各部の動作を示す波形図本発明の第４の実施例の誘導加熱調理器の低周波領域での動作を示す波形図本発明の第５の実施例である誘導加熱調理器の回路構成を示す接続図同、各部の動作を示す波形図本発明の第６の実施例である誘導加熱調理器に使用しているチョークコイルの特性を示す特性図本発明の第６の実施例である誘導加熱調理器の各部の動作を示す波形図本発明の第７の実施例である誘導加熱調理器の回路構成を示す接続図同、各部の動作を示す波形図従来の誘導加熱調理器の回路構成を示す接続図同、各部の動作波形を示す波形図

符号の説明

１商用電源
２平滑コンデンサ
３第一のチョークコイル
４第一のスイッチング素子
５第一のダイオード
６加熱コイル
７共振コンデンサ
８鍋
９制御手段
１０クランプコンデンサ
１１第二のスイッチング素子
１２第二のダイオード
１３ダイオードブリッジ
１４第二のチョークコイル
１５第三のダイオード

Claims

電源に並列に接続したダイオードブリッジと、前記ダイオードブリッジに並列に接続した平滑コンデンサと、前記平滑コンデンサの一端に一端を接続した第一のチョークコイルと、前記第一のチョークコイルの他端と前記平滑コンデンサの他端に接続した第一のスイッチング素子と、前記第一のスイッチング素子に逆並列に接続した第一のダイオードと、前記第一のスイッチング素子に並列に接続した加熱コイルと共振コンデンサの直列回路と、前記スイッチング素子を駆動する制御手段と、前記第一のチョークコイルの両端に接続した直列に接続した第二のチョークコイルと第三のダイオードからなるピーク電流低減回路を備えた誘導加熱調理器。
第二のチョークコイルを可飽和リアクトルとした請求項１に記載した誘導加熱調理器。