JP4807022B2 - 誘導加熱装置 - Google Patents

Description

本発明は、誘導加熱調理器などの誘導加熱装置に関するものである。

従来、誘導加熱装置では、加熱コイルを介して負荷に高周波電力を供給する方法として昇圧回路を用いた制御技術が知られている（例えば、特許文献１参照）。また、誘導加熱装置にアクティブフィルタを内蔵して、高調波電流抑制を行う技術も知られている（例えば、特許文献２参照）。
特開２００３−２５７６０９号公報 特開平１−２４６７８３号公報

しかしながら、前記従来の技術を用いた誘導加熱装置において、加熱開始時にアクティブフィルタおよびインバータ回路を同時に起動・ソフトスタートすると、アクティブフィルタからみたインバータ回路の負荷インピーダンスが急峻に変動することになり、アクティブフィルタの出力電圧がオーバーシュートしてしまい、部品の耐圧破壊が発生してしまうことや、アクティブフィルタが出力電圧を安定化させるために必要以上に時間がかか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、加熱開始時においてもアクティブフィルタの出力電圧を過昇圧することなく、またアクティブフィルタの出力電圧を早く安定化させることが可能な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、加熱開始時におけるアクティブフィルタが起動開始から起動完了するまでのアクティブフィルタ起動期間中は、アクティブフィルタからみたインバータ回路の負荷インピーダンスが安定となるようにインバータ回路を駆動制御し、アクティブフィルタ起動期間中は、インバータ回路を所定の動作周波数およびオン時間に固定して動作させるものである。

これによって、アクティブフィルタ起動期間中におけるインバータ回路の負荷インピーダンスの変動量は抑制された状態となるため、アクティブフィルタは出力電圧を過昇圧することなく、安全かつ迅速に起動して安定動作することが可能となる。

本発明の誘導加熱装置は、加熱開始時にアクティブフィルタの出力電圧を過昇圧することなく、安全かつ迅速に起動して安定動作させることが可能である。

第１の発明は、商用電源整流後に接続され、スイッチング素子のオン・オフによって力率を改善するアクティブフィルタと、アクティブフィルタの出力に接続され、スイッチング素子のオン・オフによって高周波電流を発生させるインバータ回路とを備え、加熱開始時におけるアクティブフィルタが起動開始から起動完了するまでのアクティブフィルタ起動期間中は、アクティブフィルタからみたインバータ回路の負荷インピーダンスが安定となるようにインバータ回路を駆動制御し、アクティブフィルタ起動期間中は、インバータ回路を所定の動作周波数およびオン時間に固定して動作させる誘導加熱装置とすることにより、アクティブフィルタ起動期間中におけるインバータ回路の負荷インピーダンスの変動量は抑制された状態となるため、アクティブフィルタは出力電圧を過昇圧することなく、安全かつ迅速に起動して安定動作することが可能となる。

第２の発明は、特に、第１の発明において、アクティブフィルタ起動期間中は、出力電力が所定値となるようにインバータ回路動作を制御することにより、第１の発明と同様、アクティブフィルタは出力電圧を過昇圧することなく、安全かつ迅速に起動して安定動作することが可能となる。

第３の発明は、特に、第１の発明において、アクティブフィルタ起動期間中は、出力電力が所定の変動幅以下となるようにインバータ回路動作を制御することにより、第１の発明と同様、アクティブフィルタは出力電圧を過昇圧することなく、安全かつ迅速に起動して安定動作することが可能となる。

第４の発明は、商用電源整流後に接続され、スイッチング素子のオン・オフによって力率を改善するアクティブフィルタと、アクティブフィルタの出力に接続され、スイッチング素子のオン・オフによって高周波電流を発生させるインバータ回路とを備え、加熱開始時におけるアクティブフィルタが起動開始から起動完了するまでのアクティブフィルタ起動期間中は、アクティブフィルタからみたインバータ回路の負荷インピーダンスが安定となるようにインバータ回路を駆動制御し、アクティブフィルタ起動期間中は、インバータ回路を所定の変動幅以下の動作周波数およびオン時間で動作させることにより、第１の発明と同様、アクティブフィルタは出力電圧を過昇圧することなく、安全かつ迅速に起動して安定動作することが可能となる。

第５の発明は、商用電源整流後に接続され、スイッチング素子のオン・オフによって力率を改善するアクティブフィルタと、アクティブフィルタの出力に接続され、スイッチング素子のオン・オフによって高周波電流を発生させるインバータ回路とを備え、加熱開始時におけるアクティブフィルタが起動開始から起動完了するまでのアクティブフィルタ起動期間中は、アクティブフィルタからみたインバータ回路の負荷インピーダンスが安定となるようにインバータ回路を駆動制御し、検査時は、アクティブフィルタ起動期間中であっても出力電力が所定の変動量で変化するようにインバータ回路を駆動制御することにより、アクティブフィルタ起動期間中も出力電力を上昇可能となり、所定の出力電力までより迅速に到達することが可能となる。

第６の発明は、特に、第５の発明において、検査時は、アクティブフィルタ起動期間中であってもインバータ回路の動作周波数およびオン時間を所定の変動量で変化させることにより、第５の発明と同様、アクティブフィルタ起動期間中も出力電力を上昇可能となり、所定の出力電力までより迅速に到達することが可能となる。

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）
図１は、本発明の実施の形態における誘導加熱装置を示すものである。

図１において、商用電源１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と入力フィルタを含む整流回路２の入力端に接続される。整流回路２のカソード側の出力端に力率改善用に用いられるチョークコイル３が接続される。また、チョークコイル３と整流回路２のアノード側の出力端間にスイッチング素子４が接続される。さらに、ダイオード５はスイッチング素子４の高電位側端子（コレクタ）に接続するように配置される。ダイオード５のカソード側端子とスイッチング素子４の低電位側端子（エミッタ）間に平滑コンデンサ６が接続され、平滑コンデンサ６には入力電圧を任意の電圧に昇圧した電圧が供給される。チョークコイル３、スイッチング素子４、ダイオード５、平滑コンデンサ６はアクティブフィルタ７を構成する。ただし、本実施の形態においてアクティブフィルタ７を高周波動作させるためスイッチング速度の速いＭＯＳＦＥＴを使用しているが、ＭＯＳＦＥＴに付帯する逆方向ダイオードは無くても動作に何ら影響を与えないため、図には記載していない。

平滑コンデンサ６の高電位側出力端間にはチョークコイル８が接続される。チョークコイル８の出力端と平滑コンデンサ６の低電位側端子間にスナバコンデンサ９とダイオード（逆導通素子）１０とスイッチング素子１１の並列接続体が接続される。また、スイッチング素子１１の高電位側端子（コレクタ）にダイオード（逆導通素子）１２が接続するように配置される。さらに、ダイオード１２のカソード側端子とスイッチング素子１１の低電位側端子（エミッタ）間に平滑コンデンサ１３が接続される。平滑コンデンサ６、チョークコイル８、スナバコンデンサ９、ダイオード１０、スイッチング素子１１、ダイオード１２、平滑コンデンサ１３は昇圧回路１４を構成する。平滑コンデンサ１３は、平滑コンデンサ６の電圧を昇圧した電圧をインバータ回路１５に供給するものである。

インバータ回路１５は昇圧回路１４の出力端、つまり、平滑コンデンサ１３の両端に接続される。平滑コンデンサ１３の両端にはスイッチング素子１６および１７を直列接続したものが接続される。スイッチング素子１６および１７にはそれぞれダイオード（逆導通素子）１８、１９が逆並列に（スイッチング素子の高電位側端子（コレクタ）とダイオードのカソードが接続されるように）接続される。また、スイッチング素子１７（スイッチング素子１６であってもよい）に並列にスナバコンデンサ２０が接続される。さらに、スイッチング素子１７（スイッチング素子１６であってもよい）に並列に加熱コイル２１と共振コンデンサ２２の直列接続体が接続される。加熱コイル２１は被加熱体である鍋などの負荷２３と対向して配置されている。

図１に示す誘導加熱装置は、カレントトランス（出力検知手段）４０より入力電流を検知する電流検知部２４と、使用者が操作部３９を操作するとその操作内容よりマイコン２６が設定する火力設定に応じた電流参照値を出力する基準電流設定部２５から出力された信号がマイクロコンピュータ２６（以下マイコン）によって比較され、マイコン２６からは所定の入力が得られるよう可変導通比設定部２７に信号が出力される。可変導通比設定部２７では、マイコン２６により設定された駆動周波数で、スイッチング素子１６および１７の導通比を設定し、スイッチング素子１６とスイッチング素子１７を排他的に導通制御する。インバータ回路制御手段２８は、これらの電流検知部２４、基準電流設定部２５、マイコン２６、可変導通比設定部２７を内包する。

また、インバータ回路１５の入力電圧となる平滑コンデンサ１３の電圧を検知する電圧検知部２９から出力された信号は、マイコン２６によって基準電圧設定部３０と比較され、マイコン２６からは所定の平滑コンデンサ１３の電圧が得られるよう可変導通比設定部３１に信号が出力される。可変導通比設定部３１では、マイコン２６により設定された駆動周波数で、スイッチング素子１１の導通比を設定し、スイッチング素子１１の導通制御を行う。昇圧回路制御手段３２は、これらのマイコン２６、電圧検知部２９、基準電圧設定部３０、可変導通比設定部３１を内包し、マイコン２６をインバータ回路制御手段２８と共有し、回路および制御の簡素化を可能にする。

また、アクティブフィルタ７のスイッチング素子４の駆動を制御するアクティブフィルタ制御手段３３は、誘導加熱装置の入力電流をカレントトランス４０により検知する入力電流検知部３４を備え、前記入力電流検知部３４の出力と参照正弦波検知部３５の出力をアクティブフィルタ駆動制御用ＩＣ３６で比較し、アクティブフィルタ駆動制御用ＩＣ３６からは導通比設定部３７に信号が出力され、導通比設定部３７では参照正弦波電圧波形と同等の入力電流波形が得られるよう発振部３８により設定される駆動周波数でスイッチング素子４の導通比を設定し、スイッチング素子４の導通制御を行う。さらに、アクティブフィルタ駆動制御用ＩＣ３６はインバータ回路制御手段２８および昇圧回路制御手段３２に内包されるマイコン２６との通信ポートを有しており、マイコン２６が任意のタイミングでアクティブフィルタ駆動制御用ＩＣ３６の駆動・停止タイミングを制御することが可能である。アクティブフィルタ制御手段３３は、これらの入力電流検知部３４、参照正弦波検知部３５、アクティブフィルタ駆動制御用ＩＣ３６、導通比設定部３７、発振部３８を内包する。ただし、アクティブフィルタ駆動制御用ＩＣ３６はマイコン２６からの動作許可信号がない場合はいかなる時も動作しないように設定されており、マイコン２６によりアクティブフィルタ７の駆動・停止タイミングを制御することが可能である。

図１に示す誘導加熱装置は操作部３９を有しており、操作部３９は使用者の操作内容をマイコン２６に送信する。マイコン２６は操作部３９からの受信内容に基づいて、加熱開始、火力調整、加熱停止を行う。

以上のように構成された誘導加熱装置において、以下に動作を説明する。

商用電源１は整流回路２により全波整流され、アクティブフィルタ７に供給される。アクティブフィルタ７は商用電源１が平滑コンデンサ６の電圧よりも小さい場合にアクティブフィルタ７に含まれるダイオード５および整流回路２のブリッジダイオードがターンオンできずに入力電流波形が歪み、力率が著しく低くなる際に、アクティブフィルタ制御手段３３においては、アクティブフィルタ駆動用ＩＣ３６により電流検知部３４により検知する電流波形が参照正弦波検知部３５の検知波形と等しくなり、かつ電圧検知手段４２によりアクティブフィルタ７の出力電圧である平滑コンデンサ６を検知し、平滑コンデンサ６の電圧が目標電圧となるように可変導通比設定部３７に信号を出力し、可変導通比設定部３７は前記信号に基づいてスイッチング素子４のオン・オフ信号を出力する。

スイッチング素子４をターンオン・オフさせることで、商用電源１からチョークコイル３を介して入力電流が流れるようになり、商用電源１側に歪んだ入力電流を流さないようにするものである。また、第１のスイッチング素子４がターンオンしている状態では商用電源１からチョークコイル３にエネルギーが蓄えられており、その後、可変導通比設定部３７で設定された導通時間が経過するとスイッチング素子４がターンオフし、チョークコイル３に蓄えられたエネルギーがダイオード５を介して、平滑コンデンサ６に供給されるため、平滑コンデンサ６の電圧は商用電源１より高い電圧に昇圧され、平滑コンデンサ１３を介してインバータ回路１５に供給される。図３にアクティブフィルタ７の１周期の動作波形を示す。

また、アクティブフィルタ駆動制御用ＩＣ３６はマイコン２６が送信する動作許可信号を受信しないと動作しないように設計されている。これによりマイコン２６が任意のタイミングでアクティブフィルタ７を駆動・停止させることが可能となる。

商用電源１の電圧は、アクティブフィルタ７によって図２（ｂ）に示すように昇圧され平滑コンデンサ６に出力される。

昇圧回路１４はスイッチング素子１１がターンオンしている期間中にチョークコイル８にエネルギーを蓄え、スイッチング素子１１がターンオフすると、チョークコイル８に蓄えられたエネルギーがダイオード１２を介して平滑コンデンサ１３を充電することで昇圧動作をするものである。本実施の形態では、スイッチング素子１１の動作周波数および導通時間を可変として、平滑コンデンサ１３の電圧を調整している。また、スイッチング素子１１はダイオード１２とスナバコンデンサ９が並列に接続されているため、スイッチング素子１１をオフする時、スナバコンデンサ９が傾きをもって充電開始し、スイッチング素子１１はＺＶＳターンオフ動作を実現する。

スイッチング素子１１がオフしている期間中にスナバコンデンサ９は平滑コンデンサ６と同じ電圧になると平滑コンデンサ６と同等の電圧に固定され、その後、平滑コンデンサ６の電圧がスナバコンデンサ９より高い電圧になると、スナバコンデンサ９は放電を開始し、スナバコンデンサ９が放電完了すると、ダイオード１０がオンする。

本実施の形態では、スナバコンデンサ９の放電完了後、所定時間内にスイッチング素子１１がターンオンする連続駆動モードとしているが、スナバコンデンサ９が放電完了してから所定時間以上経過してから、スイッチング素子１１をターンオンしても問題ない。また、スナバコンデンサ９が放電完了する前にスイッチング素子１１をターンオンしても動作可能であるが、その場合、チョークコイル８に流れていた電流が急激にスイッチング素子１１に流れ込むため損失が増加してしまうことになり、本実施の形態では、スナバコンデンサ９が放電完了後、所定時間内にスイッチング素子１１がターンオンさせる。

以上が図１に示した昇圧回路１４の動作である。アクティブフィルタ７の出力にあたる平滑コンデンサ６が、昇圧回路１４によって図２（ｄ）に示すように昇圧され平滑コンデンサ１３に出力される。平滑コンデンサ１３の電圧値は使用者が操作部３９に設定した電力が被加熱物体に入力されるように調整される。図４に昇圧回路１４の１周期の動作波形を示す。

昇圧回路１４によって昇圧された平滑コンデンサ１３の電圧は、インバータ回路１５に供給される。インバータ回路１５はスイッチング素子１６および１７のオン・オフによって加熱コイル２１に図２（ｅ）に示すように所定の周波数の高周波電流を発生させる。スイッチング素子１６がオンしている状態からオフすると、スナバコンデンサ２０が傾きをもって放電するため、スイッチング素子１６はＺＶＳターンオフ動作を実現する。スナバコンデンサ２０が放電しきると、ダイオード１９がオンし、ダイオード１９がオンしている期間中にスイッチング素子１７のゲートにオン信号を加えると、ダイオード１９がターンオフしてスイッチング素子１７に電流が転流し、スイッチング素子１７はＺＶＳ＆ＺＣＳターンオフ動作を実現する。スイッチング素子１７がオンしている状態からオフすると、スナバコンデンサ２０は傾きをもって充電するため、スイッチング素子１７はＺＶＳターンオフ動作を実現する。前記スナバコンデンサ２０が、平滑コンデンサ１３と同じ電圧まで充電されるとダイオード１８がオンし、ダイオード１８がオンしている期間中にスイッチング素子１６のゲートにオン信号を加えると、ダイオード１８がターンオフしてスイッチング素子１６に電流が転流し、スイッチング素子１６はＺＶＳ＆ＺＣＳターンオン動作を実現する。以上が図１に示したインバータ回路１５の動作である。図５にインバータ回路１５の１周期の動作波形を示す。

本実施の形態では、スイッチング素子１６および１７は平滑コンデンサ１３を短絡しないようにデッドタイム約２μｓの間隔を設けて、交互にオン・オフさせている。また、本実施の形態においては、スイッチング素子１６および１７の駆動周波数および導通時間を可変することで高周波電力の制御を行っている。

図１に記載の誘導加熱装置においては、使用者により被加熱体に様々な材質の負荷２３（鍋、フライパンなど）が用いられるため、アクティブフィルタ７からみた負荷インピーダンスは多種多様である。つまり、加熱開始時にアクティブフィルタ７とインバータ回路１５を同時に起動・ソフトスタートさせた際に、インバータ回路１５の動作周波数およびオン時間を所定の値で変化させた時においてはインバータ回路１５の負荷インピーダンスの変動量は負荷２３の材質や構造により多種多様となるため、アクティブフィルタ７の制御量とインバータ回路１５の制御量のベストマッチングは一意的には決定できない。そのため、アクティブフィルタ７とインバータ回路１５を同時起動・ソフトスタートさせるとアクティブフィルタ７の制御量とアクティブフィルタ７からみたインバータ回路１５の負荷インピーダンスの変動量がミスマッチングとなった場合、アクティブフィルタ７の出力電圧（平滑コンデンサ６の電圧）がオーバーシュートして部品（平滑コンデンサ６や、スイッチング素子４など）の耐圧破壊が発生することになる。

本実施の形態では、加熱開始時にアクティブフィルタ７が起動開始から起動完了するまでのアクティブフィルタ起動期間中は、アクティブフィルタ７からみたインバータ回路１５の負荷インピーダンスが安定となるようにインバータ回路１５を駆動制御することにより、アクティブフィルタ起動期間中におけるアクティブフィルタ７からみたインバータ回路１５の負荷インピーダンスの変動量は抑制された状態で起動・ソフトスタートすることが可能となり、出力電圧（平滑コンデンサ６の電圧）を過昇圧することなく安全かつ迅速に起動し安定動作することが可能となる。インバータ回路１５はアクティブフィルタ７の起動完了後にマイコン２６により所定の出力電力に到達するまで所定の制御量で動作周波数およびオン時間を変化させ、スイッチング素子１６および１７を駆動制御する。アクティブフィルタ起動期間中におけるインバータ回路１５は、出力電力が所定値または所定の変動幅以下となるようにカレントトランス４０および入力電流検知部２４により検知した入力電流をフィードバック定数としてマイコン２６がスイッチング素子１６および１７の動作周波数またはオン時間を所定値に固定または所定の変動幅以下で制御することにより、アクティブフィルタ７からみたインバータ回路１５の負荷インピーダンスの変動量を一定または所定の変動量以下に抑制可能とする。

図１に示す誘導加熱装置において、ホーロー鍋を加熱した際にスイッチング素子１６および１７のオン時間を３μｓ固定、動作周波数を略２３ｋＨｚ固定で起動させた際の波形を図６に示す。図６よりアクティブフィルタ起動期間中はインバータ回路１５のスイッチング素子１６および１７のオン時間が固定されているため、アクティブフィルタ７からみたインバータ負荷インピーダンスが安定した状態となり、アクティブフィルタ７は出力電圧となる平滑コンデンサ６の電圧を過昇圧することなく起動可能となることが分かる。

以上のように、本実施の形態においては、加熱開始時にアクティブフィルタ７からみたインバータ回路１５の負荷インピーダンスが安定となるようにインバータ回路１５を駆動制御した状態でアクティブフィルタ７を起動するアクティブフィルタ起動期間を設けることにより、アクティブフィルタ７はインバータ回路１５の負荷インピーダンスの変動量が抑制された状態で起動・ソフトスタートすることが可能となり、出力電圧（平滑コンデンサ６の電圧）を過昇圧することなく安全かつ迅速に起動し安定動作することができる。

また、本実施の形態では、工場において基板が正確に動作するかどうか確認する基板の検査時には、アクティブフィルタ起動期間中であってもインバータ回路１５の出力電力が所定の変動量で変化するように、インバータ回路１５の動作周波数およびオン時間を所定の制御量で制御することにより、所定の出力電力まで迅速に到達させることが可能となり、基板検査時間を短縮することも可能である。

以上のように、本発明にかかる誘導加熱装置は、加熱開始時にアクティブフィルタの出力電圧を過昇圧することなく、安全かつ迅速に起動して安定動作させることが可能であるので、誘導加熱調理器としてはもちろんのこと、誘導加熱式コピーローラー、誘導加熱式溶解炉、誘導加熱式ジャー炊飯、またはその他の誘導加熱式加熱装置としても有用である。

本発明の実施の形態における誘導加熱装置の回路図 同誘導加熱装置の各部における電圧・電流の波形図 同誘導加熱装置のアクティブフィルタにおける電圧・電流の波形図 同誘導加熱装置の昇圧回路における電圧・電流の波形図 同誘導加熱装置のインバータ回路における電圧・電流の波形図 同誘導加熱装置におけるホーロー鍋の加熱開始時の波形図

符号の説明

１ 商用電源
７ アクティブフィルタ
１４ 昇圧回路
１５ インバータ回路
２１ 加熱コイル
２３ 負荷
２８ インバータ回路制御手段
３２ 昇圧回路制御手段
３３ アクティブフィルタ制御手段
４０ カレントトランス（出力検知手段）

Claims (6)

1. 商用電源整流後に接続され、スイッチング素子のオン・オフによって力率を改善するアクティブフィルタと、アクティブフィルタの出力に接続され、スイッチング素子のオン・オフによって高周波電流を発生させるインバータ回路とを備え、加熱開始時におけるアクティブフィルタが起動開始から起動完了するまでのアクティブフィルタ起動期間中は、アクティブフィルタからみたインバータ回路の負荷インピーダンスが安定となるようにインバータ回路を駆動制御し、
   アクティブフィルタ起動期間中は、インバータ回路を所定の動作周波数およびオン時間に固定して動作させることを特徴とする誘導加熱装置。
2. アクティブフィルタ起動期間中は、出力電力が所定値となるようにインバータ回路動作を制御する請求項１に記載の誘導加熱装置。
3. アクティブフィルタ起動期間中は、出力電力が所定の変動幅以下となるようにインバータ回路動作を制御する請求項１に記載の誘導加熱装置。
4. 商用電源整流後に接続され、スイッチング素子のオン・オフによって力率を改善するアクティブフィルタと、アクティブフィルタの出力に接続され、スイッチング素子のオン・オフによって高周波電流を発生させるインバータ回路とを備え、加熱開始時におけるアクティブフィルタが起動開始から起動完了するまでのアクティブフィルタ起動期間中は、アクティブフィルタからみたインバータ回路の負荷インピーダンスが安定となるようにインバータ回路を駆動制御し、
   アクティブフィルタ起動期間中は、インバータ回路を所定の変動幅以下の動作周波数およびオン時間で動作させることを特徴とする誘導加熱装置。
5. 商用電源整流後に接続され、スイッチング素子のオン・オフによって力率を改善するアクティブフィルタと、アクティブフィルタの出力に接続され、スイッチング素子のオン・オフによって高周波電流を発生させるインバータ回路とを備え、加熱開始時におけるアクティブフィルタが起動開始から起動完了するまでのアクティブフィルタ起動期間中は、アクティブフィルタからみたインバータ回路の負荷インピーダンスが安定となるようにインバ
   ータ回路を駆動制御し、
   検査時は、アクティブフィルタ起動期間中であっても出力電力が所定の変動量で変化するようにインバータ回路を駆動制御する誘導加熱装置。
6. 検査時は、アクティブフィルタ起動期間中であってもインバータ回路の動作周波数およびオン時間を所定の変動量で変化させる請求項５に記載の誘導加熱装置