JP4794533B2

JP4794533B2 - 誘導加熱装置

Info

Publication number: JP4794533B2
Application number: JP2007284700A
Authority: JP
Inventors: 治夫櫻井
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2007-11-01
Filing date: 2007-11-01
Publication date: 2011-10-19
Anticipated expiration: 2027-11-01
Also published as: JP2009110893A

Description

本発明は、誘導加熱装置に関するものである。

従来、誘導加熱調理器に関し、『インバータ回路に過電流等を発生させずに、適切な負荷判別を行う。』ことを目的とした技術として、『電源手段３と、インバータ回路５０と、電源手段３の入力電流検出手段１０と、インバータ電流検出手段１３と、前記入力電流検出手段１０およびインバータ電流検出手段１３の入力から負荷の状態を検出する負荷状態検出手段１４と、前記電源手段３の入力電圧を検出する電圧検出手段１１と、少なくとも前記電源手段３の出力電圧および前記インバータ回路５０を制御する制御手段３００とを備え、インバータ回路５０はハーフブリッジ構成またはフルブリッジ構成に切替え可能な構成とし、制御手段３００は、負荷状態検出手段１４の出力と被加熱金属体に投入する設定電力によりハーフブリッジ構成またはフルブリッジ構成に切替え動作させるものであって、通電開始時は、インバータ回路をハーフブリッジ構成に切替える。』というものが提案されている（特許文献１）。

また、『負荷の状態を検出し、加熱に適したインバータ回路構成の選択とインバータ駆動条件の設定を行い高効率で鍋を加熱する。』ことを目的とした技術として、『整流手段２の直流電圧を変換して共振コンデンサ４と加熱コイル３からなる共振回路１５に高周波電流を流すインバータ手段１６と、前記整流手段２の入力電流を検出する入力電流検出手段１２と、前記共振回路１５に流れる電流を検出するインバータ電流検出手段１３と、前記入力電流検出手段１２およびインバータ電流検出手段１３の入力から負荷の状態を検出する負荷状態検出手段１０とを具備し、かつ前記インバータ手段１６は共振回路１５に対してハーフブリッジ回路構成またはフルブリッジ回路構成に切り替え可能とし、前記負荷状態検出手段１０の入力によりインバータ手段１６をハーフブリッジ回路構成またはフルブリッジ回路構成に切り替えるよう制御する制御手段７を設けた。』というものが提案されている（特許文献２）。

特開２００７−８０７５１号公報（要約）特開２００６−３５１３０１号公報（要約）

上記特許文献に記載のような従来の誘導加熱調理器では、被加熱物の状態、種類等に応じて、接続するコンデンサの容量ならびに駆動回路方式をスイッチまたはスイッチング素子で切り替え、加熱回路の共振周波数を可変させ、被加熱物に適した周波数でスイッチング素子を動作させる。
このとき、被加熱物によっては、動作周波数が高くなり（例えば７０ｋＨｚ程度）、スイッチングロスが大きくなるとともに、スイッチング素子の発熱が大きくなってしまう。

本発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、被加熱物の状態、種類等に応じて最適な回路構成で加熱を行うとともに、負荷電流の周波数が高い場合でもスイッチングロスを低減することのできる誘導加熱装置を得ることを目的とする。

本発明に係る誘導加熱装置は、少なくとも２個のスイッチング素子を直列に接続した直列回路（以下、アームと呼ぶ）を２回路と、前記アームの中点より出力された出力端に接続された加熱コイルと、前記加熱コイルに接続された第１コンデンサと、前記スイッチング素子の動作を制御する制御部と、前記２つのアームの接続を切り替えるスイッチと、を備え、前記スイッチは、前記２つのアームを１つのフルブリッジ回路として前記加熱コイルに接続した第１状態と、前記２つのアームをそれぞれ独立したハーフブリッジ回路として前記加熱コイルに接続した第２状態と、を切り替え可能に構成され、前記第１状態において、前記２つのアームを前記加熱コイルの両側に直列に接続し、前記第２状態において、前記２つのアームの出力端を前記加熱コイルに並列接続することによって２つの並列に接続されたハーフブリッジ回路を構成するものである。

本発明に係る誘導加熱装置によれば、フルブリッジ回路構成とハーフブリッジ回路構成を切り替え可能に構成されているので、被加熱物の状態、種類等に応じて最適な回路構成で加熱を行うことができる。
また、２つのハーフブリッジ回路構成で加熱コイルに電流を供給するように構成されているので、高い周波数で動作する場合でも、個々のスイッチング素子の動作周波数を抑えることができ、スイッチングロスを低減させることができる。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１に係る誘導加熱装置の回路図である。同図の誘導加熱装置は、例えば誘導加熱調理器などの加熱回路に適用することができる。
本実施の形態１に係る誘導加熱装置は、整流回路１、平滑リアクトル２、平滑コンデンサ３、スイッチング素子４〜７、加熱コイル８、コンデンサ９〜１０、スイッチ１１〜１２を備える。
また、スイッチング素子４〜７、およびスイッチ１１〜１２の動作を制御する図示しない制御部を備える。

整流回路１は、交流電源から供給される交流電力を直流に整流する。
平滑リアクトル２、平滑コンデンサ３は、平滑回路を構成し、整流回路１が整流した直流出力を平滑化してスイッチング素子４〜７に供給する。
スイッチング素子４〜７には、それぞれ逆並列にダンパダイオードが接続されている。

スイッチング素子４〜５と、スイッチング素子６〜７は、それぞれがアームを構成し、制御部の指示により駆動制御される。
これら２つのアームは、後に説明するスイッチ１１〜１２の切り替え動作により、１つのフルブリッジ回路として動作する状態と、２つの独立したハーフブリッジ回路として動作する状態の、２つの状態で動作する。
また、これら２つのアームは、平滑コンデンサ３と並列に接続される。

加熱コイル８は、スイッチング素子４〜７より交流電力の供給を受け、被加熱物（例えば、鉄鍋やアルミ鍋）を誘導加熱する。
加熱コイル８の一端は、スイッチング素子４〜５の中点に接続される。
加熱コイル８の他端は、コンデンサ９の一端と直列に接続される。

コンデンサ９〜１０は、加熱コイル８とともに、共振回路を構成する。後に説明するスイッチ１１〜１２の切り替え動作により、いずれのコンデンサが加熱コイル８に接続されるかが切り替えられ、共振回路の共振周波数が可変する。
コンデンサ９は比較的大きな容量を有し、コンデンサ１０はこれに比してやや小さめの容量を有する。
コンデンサ１０の一端は、後述のようにスイッチ１２のａ接点側の端子に接続され、他端は平滑コンデンサ３のマイナス側に接続される。

スイッチ１１〜１２は、接点リレーなどで構成され、制御部の指示により切り替え動作を行い、後に説明するように図１の回路構成を切り替える。この切り替え動作により、図１の回路は、１つのフルブリッジ回路として動作する状態（第１状態）と、２つの独立したハーフブリッジ回路として動作する状態（第２状態）の、２つの状態で動作する。

第２の状態におけるスイッチ１１〜１２の接続をより詳しく説明すると、以下のようになる。
（１）スイッチ１１のコモン端子は、スイッチング素子６〜７の中点に接続される。
（２）スイッチ１１の他端ａ接点側の端子は、スイッチング素子４〜５と並列に加熱コイル８へ接続される。
（３）スイッチ１２のコモン端子は、コンデンサ９の他端（加熱コイル８と接続されていない方の端子）と接続される。
（４）スイッチ１２の他端ａ接点側の端子は、コンデンサ１０の一端に接続される。

制御部（図示せず）は、その機能を実現する回路デバイスのようなハードウェアで構成することもできるし、マイコンやＣＰＵのような演算装置と、その動作を規定するソフトウェアとで構成することもできる。
また、スイッチング素子４〜７は、トランジスタやＩＧＢＴ等の適当な半導体スイッチング素子などで構成することができる。

本実施の形態１における「第１コンデンサ」は、コンデンサ９がこれに相当する。
また、「第２コンデンサ」は、コンデンサ１０がこれに相当する。

ここで、本発明との比較のため、従来の誘導加熱装置の構成と動作について説明する。

図６は、従来の誘導加熱装置の回路図である。以下、各構成と動作を説明する。
図６のスイッチング素子４〜７は、フルブリッジ回路を構成する。各スイッチング素子の駆動制御を簡単に説明すると、以下のようになる。

（１）制御部は、スイッチング素子４と７をＯＮにし、５と６をＯＦＦにする。電流は、スイッチング素子４−＞加熱コイル８−＞スイッチング素子７の順で流れる。
（２）制御部は、スイッチング素子４と７をＯＦＦにし、５と６をＯＮにする。電流は、スイッチング素子６−＞加熱コイル８−＞スイッチング素子５の順で流れる。

上記（１）〜（２）のスイッチング動作を交互に行うことにより、加熱コイル８に交流電流が供給され、被加熱物が誘導加熱される。スイッチング周波数は、加熱コイル８とコンデンサ９からなる共振回路の共振周波数に合わせて設定される。

さらには、図６のスイッチＳＷをＯＮし、コンデンサ９と１０を並列に接続することにより、共振周波数を可変するように制御することもできる。これにより、被加熱物の状態や種類等に応じて動作周波数を最適に制御し、適切な加熱制御を行う。
例えば、被加熱物が鉄鍋のような磁性材質である場合には、スイッチＳＷをＯＮにしてコンデンサ容量を大きくすることにより共振周波数を低くし、アルミ鍋のような非磁性材質である場合には、スイッチＳＷをＯＦＦにしてコンデンサ容量を小さくすることにより共振周波数を高くする、といった制御が行われる。

スイッチＳＷを切り替えて共振周波数を高くした場合、即ちアルミ鍋のような非磁性材質の被加熱物を誘導加熱する際には、動作周波数は例えば７０ｋＨｚ程度に設定する。この動作周波数は、スイッチング素子４〜７のスイッチングロスを考慮したものであり、概ね６０ｋＨｚ程度の周波数を超えて動作させると、スイッチングロスが急激に増加することによる。
スイッチングロスを考慮するのは、これが増加すると、スイッチング素子４〜７の発熱が増加するため、誘導加熱装置が備える放熱フィンを大きくするなどの対策を取らなければならず、コストの観点から好ましくない、などの理由による。

以上、従来の誘導加熱装置の構成と動作、および課題について説明した。
以下、本発明に係る誘導加熱装置の説明に戻る。

次に、本実施の形態１に係る誘導加熱装置の動作について説明する。
まず、鉄鍋などの磁性材質の被加熱物を誘導加熱する場合、即ち共振周波数を低く設定する場合、制御部はスイッチ１１〜１２を図１のような状態に切り替え、スイッチング素子４〜５からなるアームと、スイッチング素子６〜７からなるアームを、１つのフルブリッジ回路として構成する。即ち、以下の（１）〜（３）のような回路構成となる。

（１）スイッチング素子４〜５からなるアームの中点（出力端）に、加熱コイル８が接続される。
（２）加熱コイル８と直列に、コンデンサ９が接続される。
（３）スイッチング素子６〜７からなるアームの中点（出力端）に、スイッチ１１、１２を経由してコンデンサ９が接続される。

以上の構成により、スイッチング素子４〜５からなるアームの出力端と、スイッチング素子６〜７からなるアームの出力端は、それぞれが加熱コイル８とコンデンサ９の直列回路の両端に直列に接続され、フルブリッジ回路を構成する。
各スイッチング素子４〜７は、図６で説明したものと同様に駆動制御され、加熱コイル８に交流電流が供給される。

図２は、アルミ鍋などの非磁性材質の被加熱物を誘導加熱する場合、即ち共振周波数を高く設定する場合の回路図である。
この場合、制御部はスイッチ１１〜１２を図２のような状態に切り替え、スイッチング素子４〜５からなるアームと、スイッチング素子６〜７からなるアームを、それぞれ独立した２つのハーフブリッジ回路として構成する。即ち、以下の（１）〜（３）のような回路構成となる。

（１）スイッチング素子４〜５からなるアームの中点（出力端）に、加熱コイル８が接続される。
（２）加熱コイル８およびコンデンサ９とコンデンサ１０が直列に接続される。
（３）スイッチング素子６〜７からなるアームの中点（出力端）に、加熱コイル８が接続される。

以上の構成により、スイッチング素子４〜５からなるアームの出力端に、加熱コイル８、およびコンデンサ９〜１０が直列に接続されるとともに、スイッチング素子６〜７からなるアームの出力端に、加熱コイル８、およびコンデンサ９〜１０が直列に接続される。
この回路構成により、２つのアームの出力端は、加熱コイル８に対して並列に接続されたことになる。
すなわち、加熱コイル８とコンデンサ９、１０の直列共振回路に対し２つのハーフブリッジ回路が並列に構成されたことになる。

また、図２の回路構成では、図１の回路構成と比較して、コンデンサ１０がコンデンサ９に直列に接続されたことにより、コンデンサの合計容量が低下し、加熱コイル８とコンデンサからなる共振回路の共振周波数が図１の回路構成よりも高くなる。
そのため、アルミ鍋などの非磁性材質の被加熱物を加熱する際に、高い周波数でスイッチング素子を駆動制御することができる。

図３は、図１〜図２の回路構成におけるスイッチング素子４〜７の駆動タイミングを示すものである。なお、各スイッチング素子４〜７には、平滑回路により平滑化された直流電圧が供給されているものとする。

図３（ａ）は、図２の回路構成における各スイッチング素子の駆動タイミングを示すものである。以下、各区間の動作について説明する。

（１）平滑回路より直流電圧が各アームに印加されると、制御部はまずスイッチング素子４をＯＮする。スイッチング素子４がＯＮされている間、加熱コイル８に流れる電流（以下、コイル電流と呼ぶ）が増加する。
（２）コイル電流が目標値に達すると、制御部はスイッチング素子４をＯＦＦする。以後は、加熱コイル８の効果により、コイル電流が徐々に減少する。

以上の区間（１）〜（２）では、電流は加熱コイル８−＞コンデンサ９、１０の順で流れる。

（３）制御部は、コイル電流が０になる時点で、スイッチング素子５をＯＮする。
（４）コンデンサに蓄えられていた電荷が放電され、逆向きのコイル電流が流れる。

以上の区間（３）〜（４）では、電流はコンデンサ９、１０−＞加熱コイル８−＞スイッチング素子５の順で流れる。

（５）制御部は、コイル電流が再び０になった時点でスイッチング素子５をＯＦＦにし、スイッチング素子６をＯＮする。スイッチング素子６がＯＮされている間、加熱コイル８に電圧が印加され、コイル電流が増加する。
（６）コイル電流が目標値に達すると、制御部はスイッチング素子６をＯＦＦする。以後は、加熱コイル８の効果により、コイル電流が徐々に減少する。

以上の区間（５）〜（６）では、電流は加熱コイル８−＞コンデンサ９〜１０の順で流れる。

（７）制御部は、コイル電流が０になる時点で、スイッチング素子７をＯＮする。
（８）コンデンサに蓄えられていた電荷が放電され、逆向きのコイル電流が流れる。

以上の区間（７）〜（８）では、電流はコンデンサ９、１０−＞加熱コイル８−＞スイッチング素子７の順で流れる。

以後、同様の手順が繰り返され、２つのハーフブリッジ回路が交互に加熱コイル８へ電流を供給する。
なお、図３（ａ）の「Ｈ」は、各ハーフブリッジ回路の動作周期を示している。
１周期のうち半分は他方のハーフブリッジ回路が動作し、当該ハーフブリッジ回路は休止区間となるため、加熱コイルに流れる電流の周波数は、各ハーフブリッジ回路の動作周波数の２倍となる。

コイル電流が最大値や０になってスイッチング素子をＯＮ、ＯＦＦするタイミングについては、コイル電流を電流センサにより検出して判定してもよいし、あらかじめ実験等により定めた周期にしたがってスイッチング素子を駆動制御することとしてもよい。その他の任意の手法を用いてタイミングを定めてもよい。

図３（ｂ）は、図１の回路構成における各スイッチング素子の駆動タイミングを示すものである。以下、各区間の動作について説明する。

（１）平滑回路より直流電圧が各アームに印加されると、制御部はまずスイッチング素子４と７をＯＮする。スイッチング素子４がＯＮされている間、コイル電流が増加する。
（２）コイル電流が目標値に達すると、制御部はスイッチング素子４をＯＦＦし、スイッチング素子５をＯＮする。以後は、加熱コイル８の効果により、コイル電流が徐々に減少する。

以上の区間（１）〜（２）では、電流は加熱コイル８−＞コンデンサ９の向きで流れる。

（３）制御部は、コイル電流が０になる時点で、スイッチング素子６をＯＮし、スイッチング素子７をＯＦＦする。スイッチング素子６がＯＮされている間、加熱コイル８に電圧が印加され、コイル電流が逆向きに増加する。
（４）コイル電流が目標値に達すると、制御部はスイッチング素子６をＯＦＦし、スイッチング素子７をＯＮする。以後は、加熱コイル８の効果により、コイル電流が徐々に減少する。

以上の区間（３）〜（４）では、電流はコンデンサ９−＞加熱コイル８の向きで流れる。

以後、同様の手順が繰り返され、フルブリッジ回路が加熱コイル８へ電流を供給する。
なお、図３（ｂ）の「Ｈ」は、フルブリッジ回路の動作周期を示している。
図３（ａ）と異なり、フルブリッジ回路の周波数とコイル電流周波数は一致する。

以上説明したように、図２の回路構成の下では、スイッチング素子４〜５からなるハーフブリッジ回路と、スイッチング素子６〜７からなるハーフブリッジ回路とが交互に動作するように駆動制御される。
したがって、各ハーフブリッジ回路の動作周波数は、図１および図３（ｂ）に示すフルブリッジ構成の場合と比較して、スイッチング周波数が半分で済むため、スイッチングロスが低減され、併せてスイッチング素子の発熱も低減される。

以上のように、本実施の形態１では、スイッチ１１〜１２を切り替えることにより、１つのフルブリッジ回路構成と、２つのハーフブリッジ回路の並列構成とを切り替えることができるように構成されているため、被加熱物の状態、種類等に応じて、適切な回路構成を動的に構成することができる。

また、本実施の形態１では、回路構成を図２のように切り替えた際に、コンデンサ９と１０が直列接続されるようになっているため、回路構成を切り替えると同時に共振周波数の可変も実行される。
そのため、回路構成の切り替えと同時に、被加熱物に適した動作周波数が同時に設定される。
さらには、コンデンサ１０をコンデンサ９に直列接続することによってコンデンサ全体としての耐圧が高まるため、誘導加熱装置全体のコンデンサの数を削減することができる。特に、非磁性材質の被加熱物を加熱する際に、高い電圧で回路を駆動することができるので、耐圧が高まる効果が十分に発揮される。

また、本実施の形態１では、図３（ａ）で説明したように、２つのハーフブリッジ回路が交互に動作するように各スイッチング素子が制御されるので、スイッチング周波数を下げて、スイッチングロスを低減することができる。
これに伴い、スイッチング素子の発熱も低減されるので、誘導加熱装置の放熱フィンを小型化ないし削減することができ、装置全体の小型化やコストの観点から有利である。

また、スイッチング周波数を下げることができるため、動作周波数を従来以上に引き上げることが可能となる。
スイッチング素子は駆動周波数が一定以上になるとスイッチングロスが急激に増加することから、駆動周波数に事実上の上限があったが、図２〜図３のような回路構成と駆動方式を用いることにより、各スイッチング素子の駆動周波数を抑えつつ全体の動作周波数を引き上げることが可能となる。
例えば、従来では上記のようなスイッチングロスの制限から７０ｋＨｚ程度の動作周波数が上限であった場合でも、１００ｋＨｚ以上の動作周波数とすることが可能である。

実施の形態２．
図４は、本発明の実施の形態２に係る誘導加熱装置の回路図である。
図４において、実施の形態１の図１で説明したスイッチ１２に代えて、新たにスイッチング素子１３を設けた。スイッチング素子１３は、他のスイッチング素子と同様の半導体スイッチング素子であり、制御部の指示に基づき駆動制御される。
その他の構成は図１と同様であるため、説明を省略する。

次に、本実施の形態２に係る誘導加熱装置の動作について説明する。
まず、鉄鍋などの磁性材質の被加熱物を誘導加熱する場合、即ち共振周波数を低く設定する場合、制御部はスイッチ１１を図４のような状態に切り替え、スイッチング素子４〜５からなるアームと、スイッチング素子６〜７からなるアームを、１つのフルブリッジ回路として構成する。
また、スイッチング素子１３をＯＦＦし、コンデンサ９のみを用いて共振回路を構成する。

図５は、アルミ鍋などの非磁性材質の被加熱物を誘導加熱する場合、即ち共振周波数を高く設定する場合の回路図である。
この場合、制御部はスイッチ１１を図５のような状態に切り替え、スイッチング素子４〜５からなるアームと、スイッチング素子６〜７からなるアームを、それぞれ独立した２つのハーフブリッジ回路として構成する。
また、スイッチング素子１３をＯＮし、コンデンサ９と１０を用いて共振回路を構成する。これにより、図４の回路構成と比較してコンデンサ容量が下がり、共振周波数が上昇するとともに、コンデンサの耐圧が高くなる。

以上のように、本実施の形態２によれば、リレーなどで構成されるスイッチ１２に代えてスイッチング素子１３を設けたので、信頼性が向上し、また回路の基板スペースを削減することができるので、装置全体の小型化やコスト削減に資する。

なお、本実施の形態２では、スイッチ１２に代えてスイッチング素子１３を設けた構成を説明したが、スイッチ１１についても同様に他のスイッチング素子に置き換えることもできる。いずれの構成でも、実施の形態１〜２と同様の効果を得ることができる。
即ち、スイッチ１１〜１２（またはスイッチ１３）は、これらの機能を実現するスイッチング部品であれば、任意のものを用いることができる。

実施の形態１に係る誘導加熱装置の回路図である。共振周波数を高く設定する場合の回路図である。図１、２の回路構成におけるスイッチング素子４〜７の駆動タイミングを示すものである。実施の形態２に係る誘導加熱装置の回路図である。共振周波数を高く設定する場合の回路図である。従来の誘導加熱装置の回路図である。

符号の説明

１整流回路、２平滑リアクトル、３平滑コンデンサ、４〜７スイッチング素子、８加熱コイル、９〜１０コンデンサ、１１〜１２スイッチ、１３スイッチング素子。

Claims

少なくとも２個のスイッチング素子を直列に接続した直列回路（以下、アームと呼ぶ）を２回路と、
前記アームの中点より出力された出力端に接続された加熱コイルと、
前記加熱コイルに接続された第１コンデンサと、
前記スイッチング素子の動作を制御する制御部と、
前記２つのアームの接続を切り替えるスイッチと、
を備え、
前記スイッチは、
前記２つのアームを１つのフルブリッジ回路として前記加熱コイルに接続した第１状態と、
前記２つのアームをそれぞれ独立したハーフブリッジ回路として前記加熱コイルに接続した第２状態と、
を切り替え可能に構成され、
前記第１状態において、
前記２つのアームを前記加熱コイルの両側に直列に接続し、
前記第２状態において、
前記２つのアームの出力端を前記加熱コイルに並列接続することによって２つの並列に接続されたハーフブリッジ回路を構成する
ことを特徴とする誘導加熱装置。
一端を前記スイッチに接続した第２コンデンサを備え、
前記スイッチは、
前記第２状態において前記第１コンデンサと前記第２コンデンサを直列接続し、
前記第１状態において前記第１コンデンサと前記第２コンデンサの接続を切り離す
ように構成されている
ことを特徴とする請求項１に記載の誘導加熱装置。
前記スイッチは、
前記２つのアームの接続を切り替える第１スイッチと、
前記第１コンデンサと前記第２コンデンサの接続を切り替える第２スイッチと、
を備え、
少なくとも前記第２スイッチは半導体スイッチング素子で構成された
ことを特徴とする請求項２に記載の誘導加熱装置。
前記制御部は、
前記第１状態において、
前記２つのアームが１つのフルブリッジ回路として動作するように前記スイッチング素子を駆動制御する
ことを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の誘導加熱装置。
前記制御部は、
前記第２状態において、
前記２つのアームが並列接続された２つのハーフブリッジ回路として交互に動作するように前記スイッチング素子を駆動制御する
ことを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれかに記載の誘導加熱装置。
前記制御部は、
前記スイッチを切り替えることにより、
被加熱物に応じて前記２つのアームの接続を切り替える
ことを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれかに記載の誘導加熱装置。