JP4867110B2 - 誘導加熱装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、高周波磁界による誘導加熱を利用して被加熱物の加熱を行う電磁調理器などの誘導加熱装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来用いられる誘導加熱装置について図面を用いて説明する。図１５は、力率及び波形歪みを改善し、かつ被加熱物１３に電圧変動が少ない形で電力を供給できる従来の誘導加熱装置の回路構成を示す図である。商用電源１は、整流ダイオード２０を介して、高周波電流を供給する供給源として働く平滑コンデンサ２１に接続される。チョークコイル３は、平滑コンデンサ２１の正極と第１の半導体スイッチ６と第２の半導体スイッチ７の直列接続体の接続点に一端が接続される。ここで、第２の半導体スイッチ７のエミッタ端子は平滑コンデンサ２１の負極に接続される。第１及び第２の半導体スイッチ６、７の直列接続体には、第５のクランプコンデンサ２２が並列に接続され、被加熱物１３と磁気的に結合している加熱コイル１２と共振コンデンサ１０の直列接続体は、第２の半導体スイッチ７に並列に接続される。また、第１及び第２の半導体スイッチ６、７には、それぞれ逆並列にダイオードが接続されており、制御手段１４は必要な電力を確保するため、第１及び第２の半導体スイッチ６、７のオン時間を所定の駆動周波数で制御することになる。共振コンデンサ１０の容量は、加熱コイル１２のインピーダンスとで決まる共振周波数が、第１及び第２の半導体スイッチ６、７の駆動周波数の２倍以上になるように設定される。
【０００３】
図１６はインバータの各期間における電流が流れる経路を示した図であり、図１７はそれに対応した動作波形図である。商用電源１は整流ダイオード２０で整流され、平滑コンデンサ２１に電力を供給する。平滑コンデンサ２１は高周波動作における電源として働くことになる。
【０００４】
まず、平滑コンデンサ２１を電源として、第２の半導体スイッチ７がオン状態から説明をはじめる。この状態では図１６（ａ）に示す様に平滑コンデンサ２１→チョークコイル３→第２の半導体スイッチ７の経路で電流が流れチョークコイル３にエネルギーを蓄える。また、共振コンデンサ１０→加熱コイル１２→第２の半導体スイッチ７の経路で電流が流れ、加熱コイル１２と磁気的に結合している被加熱物１３に電力を供給する動作が同時に行われることになる。ここで、加熱コイル１２と共振コンデンサ１０により決定される共振電流の周波数を第１及び第２の半導体スイッチ７の駆動周波数の２倍以上に設定しているため、図１６（ｂ）に示す様に加熱コイル１２を流れる電流は反転して共振コンデンサ１０→半導体スイッチ７内のダイオード→加熱コイル１２のループ経路を流れるモードに移行することになる。
【０００５】
これらの動作は第２の半導体スイッチ７がオフするまで続き、図１６（ａ）と（ｂ）の動作を交互に繰り返すことになる。つまり、図１７のＩ７に示すように半導体スイッチ７の駆動周波数の数倍の周波数の共振電流が第２の半導体スイッチ７に流れることになる。つまり加熱コイル１２には駆動周波数の数倍の共振電流が供給され、更に加熱コイル１２を通じて共振電流と同じ周波数の高周波磁界が被加熱物１３に供給されることになる。よって被加熱物がアルミ鍋などの非磁性かつ導電率の高い、駆動周波数では加熱困難な負荷に電力を供給する場合に、第１及び第２の半導体スイッチ６、７のスイッチング損失を増加させずに、駆動周波数の数倍の周波数の高周波磁界を被加熱物１３に供給できる特徴を持つ。つまり、被加熱物１３が浸透深さの大きな材質であっても、表皮効果を高め、より高い抵抗値を持った領域で、高周波磁界を受けることが可能になり、アルミ鍋などの誘導加熱困難な被加熱物１３を加熱することが可能になるものである。
【０００６】
次に、第２の半導体スイッチ７を所定の時間でかつこの半導体スイッチに順方向に電流が流れているタイミングでオフすると、図１６（ｃ）に示すように、平滑コンデンサ２１→チョークコイル３→第１の半導体スイッチ６内のダイオード→第５のクランプコンデンサ２２の経路で電流が流れ、第５のクランプコンデンサ２２にチョークコイル３のエネルギーを伝達する動作と、加熱コイル１２→第１の半導体スイッチ６内のダイオード→第５のクランプコンデンサ２２→共振コンデンサ１０の経路で電流が流れ、加熱コイル１２に蓄えられたエネルギーを、共振コンデンサ１０に蓄える動作が同時に行われる。
【０００７】
この第１のスイッチング素子６内のダイオードが導通している間に第１の半導体スイッチ６を導通状態にしておくことにより、図１６の（ｄ）に示すように共振コンデンサ１０→第５のクランプコンデンサ２２→第１の半導体スイッチ６→加熱コイル１２の経路で加熱コイル１２と結合している被加熱物に電力を供給する動作と、平滑コンデンサ２１→チョークコイル３→加熱コイル１２→共振コンデンサ１０の経路でチョークコイル３にエネルギーを供給する動作が同時に行われる。ここで、加熱コイル１２と共振コンデンサ１０により決定される共振電流の周波数を第１及び第２の半導体スイッチ７の駆動周波数の２倍以上に設定しているため、図１６（ｃ）に示す様な電流経路で再び電流が流れることになる。この図１６の（ｃ）のモードと（ｄ）のモードを繰り返すことになり、図１７のＩ６に示す電流が第１の半導体スイッチ６に流れる。そして所定の時間かつ第１の半導体スイッチ６に電流が流れている区間で第１の半導体スイッチ６をオフすることにより、図１６の（ｂ）に示す様に電流が流れ、更に第２の半導体スイッチ７内の逆並列ダイオードに電流が流れている間に第２の半導体スイッチ７をオン状態にしておくことにより図１６（ａ）のモードに移行する。以後上記の一連の動作を継続することになる。ここで、第１及び第２の半導体スイッチ６、７の駆動周波数としては２０〜３０ｋＨｚが用いられ、共振電流の周波数としては４０〜１００ｋＨｚ程度が用いられる。
【０００８】
このような動作をさせることで、駆動周波数を上昇させることなく、駆動周波数の数倍の周波数の電流を加熱コイルに供給し、かつ加熱コイルを通じて高周波磁界を被加熱物１３に供給することが可能となるため、アルミなどの材料自体の抵抗値が小さい材料であっても加熱が可能になる。また、図１８に示す様に、加熱コイル１２には、第５のクランプコンデンサ２２の働きにより、商用電源１の電圧変化に対し、ある程度平滑された形で電力供給することが可能となる。このことにより、被加熱物１３の重量が軽い場合に生じる被加熱物１３の振動音を抑えることが可能になる利点も有することになる。また、商用電源１からの入力電流は、第２の半導体スイッチ７の動作を工夫することにより、力率が改善され、電源高調波成分の少ない電流を流すことが可能になる。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、このような従来の高周波電源装置においては、第２の半導体スイッチ７が、チョークコイル３と第５のクランプコンデンサ２２に対する昇圧動作と加熱コイル１２と共振コンデンサ１０に対するインバータ動作を同時に行うため、素子責務が多大になる。一方、第１の半導体スイッチ６は昇圧動作に関わる補助スイッチとして使われるため、素子責務は第２の半導体スイッチ７に比べかなり小さいものとなる。このように素子責務が偏ることにより、冷却設計が難しくなるとともに、一方素子のみ大電流素子を使う必要が生じ、価格的にも高価なものになる課題が生じることになる。
【００１０】
本発明は上記の課題を解決するもので、素子責務を均一にできる構成を取ることにより、冷却設計を簡易なものとすることができるアルミ鍋などの加熱可能な誘導加熱装置を提供することを目的としている。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために本発明は、第１及び第２の半導体スイッチの直列接続体と、前記第１及び第２の半導体スイッチの直列接続体に並列接続される第１及び第２の整流ダイオードの直列接続体と、前記１及び第２の整流ダイオードに各々並列に接続される第１及び第２のクランプコンデンサと、前記第１及び第２の半導体スイッチの接続点と第１及び第２の整流ダイオードの接続点間に接続され、互いに直列に接続される商用電源及びチョークコイルと、第１または第２の半導体スイッチの端子間に接続され、互いに直列に接続される加熱コイルと共振コンデンサからなる高周波インバータと、前記高周波インバータから高周波磁界を受け加熱される被加熱物と、所定の出力が得られる様に前記第１、第２の半導体スイッチを制御する制御手段を備え、前記加熱コイルと前記共振コンデンサで形成される共振回路の共振電流の周波数を駆動周波数の２倍以上の周波数になるように設定したことを特徴とする誘導加熱装置としている。
【００１２】
これにより、駆動周波数の数倍の高周波磁界を被加熱物に供給することができ、かつ供給電力を平滑化することでアルミ加熱ができる利点を有した状態で、素子責務を等分することができるため、冷却構成が簡易化された誘導加熱装置を実現できるものである。
【００１３】
【発明の実施の形態】
請求項１に記載の発明は、第１及び第２の半導体スイッチの直列接続体と、前記第１及び第２の半導体スイッチの直列接続体に並列接続される第１及び第２の整流ダイオードの直列接続体と、前記第１または第２の半導体スイッチの端子間に接続される加熱コイル及び共振コンデンサの直列接続体と、前記第１及び第２の整流ダイオードに各々並列に接続される第１及び第２のクランプコンデンサとを有し、前記第１及び第２の半導体スイッチの接続点と前記第１及び第２の整流ダイオードの接続点間に、商用電源及びチョークコイルの直列回路を接続し、前記第１及び第２の半導体スイッチを所定の駆動周波数で交互に駆動し、前記加熱コイルと前記共振コンデンサで形成される共振回路の共振電流の周波数を前記駆動周波数の２倍以上の周波数に設定して、前記加熱コイルに高周波電流を供給し高周波磁界により被加熱物を加熱するとともに、前記第１及び第２の半導体スイッチの導通時間が前記商用電源の極性に対してシンメトリックであることを特徴とする誘導加熱装置としている。
【００１４】
これにより、駆動周波数の数倍の高周波磁界を被加熱物に供給することができ、かつ供給電力を平滑化することでアルミ加熱ができる利点を有した状態で、素子責務を等分することができるため、冷却構成が簡易化された誘導加熱装置を実現できるものである。
【００１５】
請求項２に記載の発明は、特に、請求項１に記載の第１及び第２のクランプコンデンサの容量を数μＦ〜数十μＦのフィルムコンデンサで構成したことにより、価格的に安価のものとすることができる。
【００１６】
請求項３に記載の発明は、特に、請求項１または２に記載の第１及び第２のクランプコンデンサの容量を略等しくしたことにより、商用電源の極性によりシンメトリックな動作をさせることができる。
【００１７】
請求項４に記載の発明は、特に、請求項１〜３のいずれか１項に記載の第１または第２の半導体スイッチを通過する共振電流の数を変えることにより電力制御を行うことにより、電力調整の範囲が広くなり制御性の優れた誘導加熱装置を実現できるものである。
【００１８】
請求項５に記載の発明は、特に、請求項４に記載の第１及び第２の半導体スイッチを通過する共振電流の数の和が一定になるようにすることにより、一定駆動周波数を保ったまま電力調整が可能になり複数の誘導加熱装置を動作させた場合の互いの周波数の差により生じる被加熱物間の音を防止することが可能になり、騒音の少ない誘導加熱装置を実現できるものである。
【００１９】
請求項６に記載の発明は、特に、請求項１〜５のいずれか１項に記載の第１及び第２の半導体スイッチの切り替えを半導体スイッチに電流が流れている間に行うことにより、半導体スイッチでターンオン時の損失が生じないため、半導体スイッチの発熱を抑えることが可能となり冷却構成を簡易にできる誘導加熱装置を実現できるものである。
【００２０】
請求項７に記載の発明は、特に、請求項１または２に記載の第１または第２の半導体スイッチに並列にコンデンサを配置したことにより、半導体スイッチのターンオフ時の損失を低く抑えることが可能となるため半導体スイッチの発熱を抑えることが可能となり、冷却構成を簡易にできる誘導加熱装置を実現できるものである。
【００２１】
請求項８に記載の発明は、特に、請求項１〜７のいずれか１項に記載の第１及び第２のクランプコンデンサを被加熱物の種類に応じて切り替え手段により切り替えることにより、被加熱物が軽い場合にはクランプコンデンサの容量を大きくし被加熱物の振動を抑え、被加熱物が重い場合にはクランプコンデンサの容量を小さくすることで制御性を良くすることで、被加熱物の状態に応じた最適な制御をすることが可能となり、制御性に優れた誘導加熱装置を実現できるものである。
【００２２】
【実施例】
（実施例１）
本発明の第１の実施例について図面を参照しながら説明する。本実施例は請求項１〜３に係わる。
【００２３】
図１は本実施例の誘導加熱装置の回路構成を示す図である。第１及び第２の半導体スイッチ６、７の直列接続体は、第１及び第２のダイオード４、５のカソードがそれぞれ高電位側となるようにして接続された直列接続体を並列接続している。第１のダイオード４には第１のクランプコンデンサ８が、第２のダイオード５には第２のクランプコンデンサ９がそれぞれ並列に接続されており、第１及び第２のダイオードの４、５の接続点と第１及び第２の半導体スイッチ６、７の接続点の間には、商用電源１、フィルタ２及びチョークコイル３の直列回路が接続されている。第１の半導体スイッチ６には、第１の共振コンデンサ１０と加熱コイル１２の直列回路が並列に接続されている。第１及び第２の半導体スイッチ６、７は制御手段１４からの信号を受け動作することになる。加熱コイル１２は被加熱物１３が結合しており、加熱コイル１２に流れる高周波電流により生じる高周波磁界により渦電流が流れ、被加熱物１３のもつ抵抗値と渦電流により発熱することになる。ここで、第１の共振コンデンサ１０の容量は、この容量と加熱コイル１２のインピーダンスとで決まる共振電流の周波数を第１及び第２の半導体スイッチ６、７の駆動周波数の２倍以上になるように設定されている。制御手段１４は、入力電圧や供給電力に応じた指令値に従い、第１及び第２の半導体スイッチ６、７の駆動を行うものである。また、本実施例では第１及び第２の半導体スイッチ６、７は順方向に導通するＩＧＢＴとこれに逆並列に接続したダイオードで記載しているが、ＭＯＳＦＥＴのように素子内部にダイオードを構成した素子を用いても問題ない。
【００２４】
図２はインバータ回路の各区間における電流経路を示した図であり、図３は図２に対応した波形図である。また、図４は商用電源１の周期で見た場合の波形図である。商用電源１の極性が図２の示す状態の時で、第１の半導体スイッチがオン状態から説明する。この状態では図２（ａ）に示すように商用電源１→チョークコイル３→第１のダイオード４→第１の半導体スイッチ６の経路でチョークコイル３に電力を供給するモードと第１の共振コンデンサ１０→第１の半導体スイッチ６→加熱コイル１２の経路で被加熱物１３に電力を供給するモードを同時に行う。
【００２５】
次に、第１の共振コンデンサ１０の容量が第１の共振コンデンサ１０を流れる共振電流の周波数が第１及び第２の半導体スイッチ６、７の駆動周波数の２倍以上に設定されているため、図２（ｂ）に示すように、加熱コイル１２には第１の共振コンデンサ１０→加熱コイル１２→第１の半導体スイッチ６内のダイオードの経路で電流が流れ被加熱物１３に電力を供給するモードと、商用電源１→チョークコイル３→第１のダイオード４→第１の共振コンデンサ１０→加熱コイル１２の経路で電流が流れチョークコイル３に電力を蓄えるモードを同時に行うことになる。この図２（ａ）、（ｂ）の状態を繰り返すことで駆動周波数の数倍の電流を被加熱物１３に流すことが可能になる。これは被加熱物１３に例えばアルミなどを用いるときに特に有効であり、第１及び第２の半導体スイッチ６、７のスイッチング損失を増加させることなく、駆動周波数の数倍の渦電流を被加熱物１３に流すことが可能となる。これは、表皮効果により被加熱物１３の抵抗値が周波数が高いほど大きくなる性能を利用しており、効率よくアルミを加熱することが可能な方法である。
【００２６】
図３のＩ６に第１の半導体スイッチ６に流れる電流を示すとともに、Ｉ３にチョークコイルに流れる電流を示す。所定のオン時間が経過した後、第１の半導体スイッチ６をオフすると、図２（ｃ）に示すように、商用電源１→チョークコイル３→第２のクランプコンデンサ９→第２の半導体スイッチ７内のダイオードの経路でチョークコイル３に蓄えられた電力を第２のクランプコンデンサ９に蓄えるモードと、加熱コイル１２→第１の共振コンデンサ１０→第１のクランプコンデンサ８→第２のクランプコンデンサ９の経路で負荷１２のインダクタンス成分に蓄えた電力を第１の共振コンデンサ１０に放出するモードを同時に行う様に動作する。ここで、第２のクランプコンデンサ９は、チョークコイル３と第２の半導体スイッチ７内のダイオードにより昇圧回路が形成されるため、商用電源が図２の極性の間は図４のＶ９に示す様にほぼ一定電圧に保つことが可能となる。第２の半導体スイッチ７内のダイオードが導通している区間で第２の半導体スイッチ７が導通状態にしておくと、図２（ｄ）のモードに遷移することになる。このモードでは、第１の共振コンデンサ１０→加熱コイル１２→第２の半導体スイッチ７→第２のクランプコンデンサ９→第１のクランプコンデンサ８の経路で電力を加熱コイル１２に供給する経路と、商用電源１→チョークコイル３→第１のクランプコンデンサ８→第１の共振コンデンサ１０→加熱コイル１２の経路で、電力を加熱コイル１２に供給する経路が同時に起こる。
【００２７】
続いて、第１の共振コンデンサ１０の容量が第１の共振コンデンサ１０を流れる共振電流の周波数が第１及び第２の半導体スイッチ６、７の駆動周波数の２倍以上に設定されているため、図２（ｃ）に示す経路で再び電流が流れることになる。この図２（ｃ）及び（ｄ）の状態を繰り返すことで駆動周波数の数倍の電流を加熱コイル１２及び被加熱物１３に流すことになる。図３のＩ７に第２の半導体スイッチ６に流れる電流を示すとともに、Ｉ３にチョークコイルに流れる電流を示す。所定のオン時間が経過した後、第２の半導体スイッチ７をオフすると、再び図２（ｂ）の状態に戻ることになる。
【００２８】
この動作を２０〜５０ｋＨｚの高周波で行うことにより、加熱コイル１２に図３のＩ１２の様な電流を流し、必要な電力を被加熱物１３に供給している。電源電圧１の極性が逆の場合には、第２の半導体スイッチ７が昇圧動作とインバータ動作を同時に行うための主スイッチとして働き、第１の半導体スイッチ６はサブスイッチとして働くことになる。この動作により、図４に示すように第１のクランプコンデンサ８は、Ｖ８の様にほぼ一定電圧に保たれることになる。よって、負荷には図４のＶ１２の様な定電圧に近い電圧が供給され、軽量負荷での音の発生の抑制が可能になる利点が生じる。
【００２９】
ここで、極性に対し、第１の半導体スイッチ６と第２の半導体スイッチ７が商用電源１の極性に対しシンメトリックに動作することで、半導体スイッチの損失もほぼ同一になり、冷却構成が簡素化されることになる。また、使用される素子数も整流ダイオードが２個少なく構成されているため、価格の大きな部分をしめるパワー素子の使用数を軽減でき安価な電源を実現できることになる。
【００３０】
なお、第１及び第２のクランプコンデンサ８、９は、被加熱物１３への電力供給を完全平滑する必要がないため、数μＦ〜数十μＦのフィルムコンデンサで十分であり、価格的にも安価ですませることが可能である。
【００３１】
また、第１及び第２のクランプコンデンサ８、９の容量は、極性によりシンメトリックな動作をさせるため、同容量であることが望ましい。
【００３２】
なお、図５に第２の半導体スイッチ７に加熱コイル１２と第２の共振コンデンサ１１の直列回路が並列に接続された構成を、図６には第１及び第２の共振コンデンサ１０、１１が第１及び第２の半導体スイッチ６、７の直列回路に並列に接続され、各々の中点に加熱コイル１２が接続される構成を示している。基本的な動作は、図１と同様であるが、図６の構成では共振コンデンサ１０、１１の容量は共振コンデンサ一個で実現している図１、図６の構成の１／２になる。
【００３３】
更に、第１及び第２の半導体スイッチ６、７の導通時間を商用電源１の電圧に応じて変化させることで、入力電流を正弦波状に流すことが可能になり、力率の良い制御を行うことが可能になる。
【００３４】
以上のように本実施例によれば、駆動周波数の数倍の高周波磁界を被加熱物に供給することができ、かつ供給電力を平滑化することでアルミ加熱ができる利点を有した状態で、素子責務を等分することができ、冷却構成が簡易化された誘導加熱装置を実現できるものである。
【００３５】
（実施例２）
本発明の誘導加熱装置の第２の実施例について図面を参照しながら説明する。本実施例は請求項４に係わる。
【００３６】
本実施例の構成は実施例１の構成と同一な構成をとるため省略する。
【００３７】
本構成における動作を説明する。図７は本実施例の動作波形を示す図である。本実施例の基本動作は実施例１と同様であるが、入力電力の設定を共振電流の波数を変えることで行っている。この共振電流の個数を変える方法としては、電流が零点を通過する回数を数える方法や、あらかじめ被加熱物１３の種類が分かっている場合にはあらかじめ決められたオン時間を離散的変える方法などがあるが特に限定するものではない。この方法では駆動周波数に対し共振電流の波数が多いほど制御性が良くなることになる。また、入力電力の設定としては、第１または第２の半導体スイッチ６、７がメインに働いている場合には波数を増加させた方が、またサブで働いている場合ほ波数を減らした方が入力電力を増やすことができる。この組み合わせにより、様々な入力電力の設定を作り出すことが可能になる。
【００３８】
以上のように本実施例によれば、第１または第２の半導体スイッチ６、７を通過する共振電流の数を変えることにより、電力調整の範囲が広くなり制御性の優れた誘導加熱装置を実現できるものである。
【００３９】
（実施例３）
本発明の第３の実施例について図面を参照しながら説明する。本実施例は請求項５に係わる。
【００４０】
本実施例の構成は実施例１の構成と同一な構成をとるため省略する。
【００４１】
本実施例における動作を説明する。図８は本実施例の動作波形を示す図である。本実施例の基本動作は実施例１と同様であるが、入力電力の設定を行う際第１及び第２の半導体を通過する共振電流の波数の和が同一になるように制御手段１４で制御している点が異なる。つまり、制御手段１４は、入力電力を減らす際には、第１または第２の半導体スイッチ６、７の内主スイッチで働いている方の共振電流の波数を減らすとともに、従スイッチとして働いている方の共振電流の数を増やす様に制御する。このように制御することで、常に一定の周波数で第１及び第２の半導体スイッチ６、７を動作させることができ、２台以上の誘導加熱装置を近接させて使う場合に互いの駆動周波数の差により生じる干渉音を防止することが可能になる。なお、入力電力調整に関しては共振電流が同一波数の場合でも、主スイッチのオン時間を短く、従スイッチのオン時間を長くすることで、一定周波数で入力電力を低下させることも可能である。但し、共振電流の波数を変えた方がダイナミックに入力電力を調整できる利点はある。
【００４２】
以上のように本実施例によれば、第１及び第２の半導体スイッチ６、７を通過する共振電流の数の和が一定になるようにすることにより、一定駆動周波数を保ったまま電力調整が可能になり複数の誘導加熱装置を動作させた場合の互いの周波数の差により生じる被加熱物間の音を防止することが可能になり、騒音の少ない誘導加熱装置を実現できるものである。
【００４３】
（実施例４）
本発明の第４の実施例について図面を参照しながら説明する。本実施例は請求項６に係わる。
【００４４】
本実施例の構成は実施例１と同一の構成をとるため省略する。
【００４５】
本実施例の動作について説明する。本実施例の基本動作は実施例１と同様であるが、制御手段１４は第１及び第２の半導体スイッチ６、７をオフするタイミンを第１及び第２の半導体スイッチ６、７の順方向に電流が流れているタイミングで行っている。このようなタイミングで動作させることで、第１及び第２の半導体スイッチ６、７がターンオフした際に第１及び第２の半導体スイッチ６、７に内蔵されたダイオードに電流が流れるモードに確実に移行するため、第１及び第２の半導体スイッチ６、７には位相が遅れた電流が流れることになり、ターンオンによる損失が発生しないことになる。このことは、第１及び第２の半導体スイッチ６、７からの発熱を減少させることになり、冷却ファン、冷却フィンの小型化が可能なる利点が生じることになる。図９に入力電力と第１または第２の半導体スイッチ６、７が主スイッチとして働いた場合のオン時間との関係を示している。制御手段１４が第１及び第２の半導体スイッチ６、７のダイオード導通期間にオフを禁止する禁止期間を設けることで、同じ共振電流区間ではオン時間の増加が入力電力の増加につながることになる制御性も良くなる利点を有することになる。
【００４６】
以上のように本実施例によれば、第１及び第２の半導体スイッチ６、７の切り替えを半導体スイッチに電流が流れている間に行うことにより、半導体スイッチでターンオン時の損失が生じないため、半導体スイッチの発熱を抑えることが可能となり冷却構成を簡易にできる誘導加熱装置を実現できるものである。
【００４７】
（実施例５）
本発明の第５の実施例について図面を参照しながら説明する。本実施例は請求項７に係わる。
【００４８】
本実施例の構成を図１０に示す。本実施例が実施例１と異なるのは第１のコンデンサ１５が第１の半導体スイッチ６の両端に接続されている点である。
【００４９】
本実施例の動作について説明する。図１１は本実施例の動作を示す動作図である。本実施例が実施例４と異なるのは、第１及び第２の半導体スイッチ６、７がオフする際に第１のコンデンサ１５の働きにより第１及び第２の半導体スイッチ６、７のコレクタ−エミッタ間電圧が上昇するスピードが図１１Ｖ６、Ｖ７に示すように緩やかになる点である。このため、コレクタ電流Ｉ６、Ｉ７の減少とコレクタ電圧Ｖ６、Ｖ７の上昇の重なりにより生じるターンオフ損失を減少させることが可能となる。このことにより、第１及び第２の半導体スイッチ６、７からの発熱を減少させることになり、冷却ファン、冷却フィンの小型化が可能なる利点が生じることになる。なお、この第１のコンデンサ１５を接続する際には、第１及び第２の半導体スイッチ６、７のオフは順方向に電流が流れている際に行う必要があり、ダイオードに電流が流れている区間に行うとターンオンによる損失が増加することになる。また、図１２に第２の半導体スイッチ７の両端に第２のコンデンサ１６を配置した場合を、図１３に第１及び第２の半導体スイッチ６、７の両端に第１及び第２のコンデンサ１５、１６を配置した場合の構成を示す。効果に関しては、どの位置に配置しても同じであるが、図１３の配置ではコンデンサの容量は１／２づつになる点が異なっている。
【００５０】
以上の様に本実施例によれば、第１または第２の半導体スイッチに並列にコンデンサを配置することにより、半導体スイッチのターンオフ時の損失を低く抑えることが可能となるため半導体スイッチの発熱を抑えることが可能となり、冷却構成を簡易にできる誘導加熱装置を実現できるものである。
【００５１】
（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。本実施例は請求項８に係わる。
【００５２】
本実施例の構成を図１４に示す。本実施例が実施例１の構成と異なるのは、第３のクランプコンデンサ１７と第１の切り替えスイッチ２５の直列回路を第１のクランプコンデンサ８の両端に備え、第４のクランプコンデンサ１８と第２の切り替えスイッチ２６の直列回路を第２のクランプコンデンサ９の両端に備えている点である。
【００５３】
本実施例の動作について説明する。本実施例の動作は基本動作は実施例１と同一であるが、被加熱物１３の種類により第１及び第２の切り替え手段２５、２６によりクランプコンデンサの容量を変化させる点が異なる。本実施例ではまず、図示していない被加熱物１３の判定手段により被加熱物の重量、材質などを判定し、第１及び第２の切り替えスイッチ２５、２６の導通・非導通の状態を決定する。被加熱物１３が軽い場合特にアルミの場合にはクランプコンデンサの容量を大きく、鉄などの重い場合には、容量が小さくなるように、第１及び第２の切り替えスイッチ２５、２６を用いて設定することになる。これは、クランプコンデンサの容量の大きい場合には、鍋の振動が抑えられる利点があるものの入力電流を正弦波にするための制御が複雑になる場合があり、特に振動の心配のない鉄などの重い被加熱物の場合には、クランプコンデンサの容量は小さい方が制御が簡単ですむ利点が大きくなるためである。第１及び第２のスイッチ２５、２６の切り替えは、制御手段１４が第１及び第２の半導体スイッチ６、７に駆動信号を送る前に行うことが望ましい。
【００５４】
以上の様に本実施例では、第１及び第２のクランプコンデンサの容量を被加熱物１３の材質や重量などを判別して、第１及び第２の切り替えスイッチ２５、２６を用いて切り替えることにより、被加熱物１３が軽い場合にはクランプコンデンサの容量を大きくし被加熱物の振動を抑え、被加熱物１３が重い場合にはクランプコンデンサの容量を小さくすることで制御性を良くすることにより、被加熱物１３の種類に応じた最適な制御をすることが可能となり、制御性に優れた誘導加熱装置を実現できるものである。
【００５５】
【発明の効果】
上記実施例からも明らかなように、請求項１〜３の本発明によれば、加熱コイルに供給する電力を平滑化できかつ入力電流の力率を良くできるとともに、第１及び第２の半導体スイッチ責務を等分し、冷却構成を簡素化できるアルミ加熱可能な誘導加熱装置を実現できるものである。
【００５６】
また、請求項４の本発明によれば、電力調整の範囲が広くなり制御性の優れた誘導加熱装置を実現できるものである。
【００５７】
また、請求項５の本発明によれば、半導体スイッチのターンオフ時の損失を低く抑えることが可能となり、冷却構成を簡易にできる誘導加熱装置を実現できるものである。
【００５８】
また、請求項６の本発明によれば、被加熱物の種類に応じた最適な制御をすることが可能となり、制御性に優れた誘導加熱装置を実現できるものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の第１の実施例の誘導加熱装置の回路構成を示す図
【図２】 本発明の第１の実施例の誘導加熱装置の動作モードを示す図
【図３】 本発明の第１の実施例の誘導加熱装置の波形を示す図
【図４】 本発明の第１の実施例の誘導加熱装置の波形を示す図
【図５】 本発明の第１の実施例の誘導加熱装置の回路構成を示す図
【図６】 本発明の第１の実施例の誘導加熱装置の回路構成を示す図
【図７】 本発明の第２の実施例の誘導加熱装置の動作波形を示す図
【図８】 本発明の第３の実施例の誘導加熱装置の動作波形を示す図
【図９】 本発明の第４の実施例の誘導加熱装置の入力電力特性を示す図
【図１０】 本発明の第５の実施例の誘導加熱装置の回路構成を示す図
【図１１】 本発明の第５の実施例の誘導加熱装置の動作を示す動作図
【図１２】 本発明の第５の実施例の誘導加熱装置の回路構成を示す図
【図１３】 本発明の第５の実施例の誘導加熱装置の回路構成を示す図
【図１４】 本発明の第６の実施例の誘導加熱装置の回路構成を示す図
【図１５】 従来の誘導加熱装置の回路構成を示す図
【図１６】 従来の誘導加熱装置の動作モードを示す図
【図１７】 従来の誘導加熱装置の動作波形を示す図
【図１８】 従来の誘導加熱装置の動作波形を示す図
【符号の説明】
１ 商用電源
２ フィルタ
３ チョークコイル
４ 第１の整流ダイオード
５ 第２の整流ダイオード
６ 第１の半導体スイッチ
７ 第２の半導体スイッチ
８ 第１のクランプコンデンサ
９ 第２のクランプコンデンサ
１０ 第１の共振コンデンサ
１１ 第２の共振コンデンサ
１２ 加熱コイル
１３ 被加熱物
１４ 制御手段
１５ 第１のクランプコンデンサ
１６ ２のクランプコンデンサ
１７ 第３のクランプコンデンサ
１８ 第４のクランプコンデンサ
２０ 整流ダイオード
２１ 平滑コンデンサ
２２ 第５のクランプコンデンサ
２５ 第１の切り替えスイッチ
２６ 第２の切り替えスイッチ
【発明の属する技術分野】
本発明は、高周波磁界による誘導加熱を利用して被加熱物の加熱を行う電磁調理器などの誘導加熱装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来用いられる誘導加熱装置について図面を用いて説明する。図１５は、力率及び波形歪みを改善し、かつ被加熱物１３に電圧変動が少ない形で電力を供給できる従来の誘導加熱装置の回路構成を示す図である。商用電源１は、整流ダイオード２０を介して、高周波電流を供給する供給源として働く平滑コンデンサ２１に接続される。チョークコイル３は、平滑コンデンサ２１の正極と第１の半導体スイッチ６と第２の半導体スイッチ７の直列接続体の接続点に一端が接続される。ここで、第２の半導体スイッチ７のエミッタ端子は平滑コンデンサ２１の負極に接続される。第１及び第２の半導体スイッチ６、７の直列接続体には、第５のクランプコンデンサ２２が並列に接続され、被加熱物１３と磁気的に結合している加熱コイル１２と共振コンデンサ１０の直列接続体は、第２の半導体スイッチ７に並列に接続される。また、第１及び第２の半導体スイッチ６、７には、それぞれ逆並列にダイオードが接続されており、制御手段１４は必要な電力を確保するため、第１及び第２の半導体スイッチ６、７のオン時間を所定の駆動周波数で制御することになる。共振コンデンサ１０の容量は、加熱コイル１２のインピーダンスとで決まる共振周波数が、第１及び第２の半導体スイッチ６、７の駆動周波数の２倍以上になるように設定される。
【０００３】
図１６はインバータの各期間における電流が流れる経路を示した図であり、図１７はそれに対応した動作波形図である。商用電源１は整流ダイオード２０で整流され、平滑コンデンサ２１に電力を供給する。平滑コンデンサ２１は高周波動作における電源として働くことになる。
【０００４】
まず、平滑コンデンサ２１を電源として、第２の半導体スイッチ７がオン状態から説明をはじめる。この状態では図１６（ａ）に示す様に平滑コンデンサ２１→チョークコイル３→第２の半導体スイッチ７の経路で電流が流れチョークコイル３にエネルギーを蓄える。また、共振コンデンサ１０→加熱コイル１２→第２の半導体スイッチ７の経路で電流が流れ、加熱コイル１２と磁気的に結合している被加熱物１３に電力を供給する動作が同時に行われることになる。ここで、加熱コイル１２と共振コンデンサ１０により決定される共振電流の周波数を第１及び第２の半導体スイッチ７の駆動周波数の２倍以上に設定しているため、図１６（ｂ）に示す様に加熱コイル１２を流れる電流は反転して共振コンデンサ１０→半導体スイッチ７内のダイオード→加熱コイル１２のループ経路を流れるモードに移行することになる。
【０００５】
これらの動作は第２の半導体スイッチ７がオフするまで続き、図１６（ａ）と（ｂ）の動作を交互に繰り返すことになる。つまり、図１７のＩ７に示すように半導体スイッチ７の駆動周波数の数倍の周波数の共振電流が第２の半導体スイッチ７に流れることになる。つまり加熱コイル１２には駆動周波数の数倍の共振電流が供給され、更に加熱コイル１２を通じて共振電流と同じ周波数の高周波磁界が被加熱物１３に供給されることになる。よって被加熱物がアルミ鍋などの非磁性かつ導電率の高い、駆動周波数では加熱困難な負荷に電力を供給する場合に、第１及び第２の半導体スイッチ６、７のスイッチング損失を増加させずに、駆動周波数の数倍の周波数の高周波磁界を被加熱物１３に供給できる特徴を持つ。つまり、被加熱物１３が浸透深さの大きな材質であっても、表皮効果を高め、より高い抵抗値を持った領域で、高周波磁界を受けることが可能になり、アルミ鍋などの誘導加熱困難な被加熱物１３を加熱することが可能になるものである。
【０００６】
次に、第２の半導体スイッチ７を所定の時間でかつこの半導体スイッチに順方向に電流が流れているタイミングでオフすると、図１６（ｃ）に示すように、平滑コンデンサ２１→チョークコイル３→第１の半導体スイッチ６内のダイオード→第５のクランプコンデンサ２２の経路で電流が流れ、第５のクランプコンデンサ２２にチョークコイル３のエネルギーを伝達する動作と、加熱コイル１２→第１の半導体スイッチ６内のダイオード→第５のクランプコンデンサ２２→共振コンデンサ１０の経路で電流が流れ、加熱コイル１２に蓄えられたエネルギーを、共振コンデンサ１０に蓄える動作が同時に行われる。
【０００７】
この第１のスイッチング素子６内のダイオードが導通している間に第１の半導体スイッチ６を導通状態にしておくことにより、図１６の（ｄ）に示すように共振コンデンサ１０→第５のクランプコンデンサ２２→第１の半導体スイッチ６→加熱コイル１２の経路で加熱コイル１２と結合している被加熱物に電力を供給する動作と、平滑コンデンサ２１→チョークコイル３→加熱コイル１２→共振コンデンサ１０の経路でチョークコイル３にエネルギーを供給する動作が同時に行われる。ここで、加熱コイル１２と共振コンデンサ１０により決定される共振電流の周波数を第１及び第２の半導体スイッチ７の駆動周波数の２倍以上に設定しているため、図１６（ｃ）に示す様な電流経路で再び電流が流れることになる。この図１６の（ｃ）のモードと（ｄ）のモードを繰り返すことになり、図１７のＩ６に示す電流が第１の半導体スイッチ６に流れる。そして所定の時間かつ第１の半導体スイッチ６に電流が流れている区間で第１の半導体スイッチ６をオフすることにより、図１６の（ｂ）に示す様に電流が流れ、更に第２の半導体スイッチ７内の逆並列ダイオードに電流が流れている間に第２の半導体スイッチ７をオン状態にしておくことにより図１６（ａ）のモードに移行する。以後上記の一連の動作を継続することになる。ここで、第１及び第２の半導体スイッチ６、７の駆動周波数としては２０〜３０ｋＨｚが用いられ、共振電流の周波数としては４０〜１００ｋＨｚ程度が用いられる。
【０００８】
このような動作をさせることで、駆動周波数を上昇させることなく、駆動周波数の数倍の周波数の電流を加熱コイルに供給し、かつ加熱コイルを通じて高周波磁界を被加熱物１３に供給することが可能となるため、アルミなどの材料自体の抵抗値が小さい材料であっても加熱が可能になる。また、図１８に示す様に、加熱コイル１２には、第５のクランプコンデンサ２２の働きにより、商用電源１の電圧変化に対し、ある程度平滑された形で電力供給することが可能となる。このことにより、被加熱物１３の重量が軽い場合に生じる被加熱物１３の振動音を抑えることが可能になる利点も有することになる。また、商用電源１からの入力電流は、第２の半導体スイッチ７の動作を工夫することにより、力率が改善され、電源高調波成分の少ない電流を流すことが可能になる。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、このような従来の高周波電源装置においては、第２の半導体スイッチ７が、チョークコイル３と第５のクランプコンデンサ２２に対する昇圧動作と加熱コイル１２と共振コンデンサ１０に対するインバータ動作を同時に行うため、素子責務が多大になる。一方、第１の半導体スイッチ６は昇圧動作に関わる補助スイッチとして使われるため、素子責務は第２の半導体スイッチ７に比べかなり小さいものとなる。このように素子責務が偏ることにより、冷却設計が難しくなるとともに、一方素子のみ大電流素子を使う必要が生じ、価格的にも高価なものになる課題が生じることになる。
【００１０】
本発明は上記の課題を解決するもので、素子責務を均一にできる構成を取ることにより、冷却設計を簡易なものとすることができるアルミ鍋などの加熱可能な誘導加熱装置を提供することを目的としている。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために本発明は、第１及び第２の半導体スイッチの直列接続体と、前記第１及び第２の半導体スイッチの直列接続体に並列接続される第１及び第２の整流ダイオードの直列接続体と、前記１及び第２の整流ダイオードに各々並列に接続される第１及び第２のクランプコンデンサと、前記第１及び第２の半導体スイッチの接続点と第１及び第２の整流ダイオードの接続点間に接続され、互いに直列に接続される商用電源及びチョークコイルと、第１または第２の半導体スイッチの端子間に接続され、互いに直列に接続される加熱コイルと共振コンデンサからなる高周波インバータと、前記高周波インバータから高周波磁界を受け加熱される被加熱物と、所定の出力が得られる様に前記第１、第２の半導体スイッチを制御する制御手段を備え、前記加熱コイルと前記共振コンデンサで形成される共振回路の共振電流の周波数を駆動周波数の２倍以上の周波数になるように設定したことを特徴とする誘導加熱装置としている。
【００１２】
これにより、駆動周波数の数倍の高周波磁界を被加熱物に供給することができ、かつ供給電力を平滑化することでアルミ加熱ができる利点を有した状態で、素子責務を等分することができるため、冷却構成が簡易化された誘導加熱装置を実現できるものである。
【００１３】
【発明の実施の形態】
請求項１に記載の発明は、第１及び第２の半導体スイッチの直列接続体と、前記第１及び第２の半導体スイッチの直列接続体に並列接続される第１及び第２の整流ダイオードの直列接続体と、前記第１または第２の半導体スイッチの端子間に接続される加熱コイル及び共振コンデンサの直列接続体と、前記第１及び第２の整流ダイオードに各々並列に接続される第１及び第２のクランプコンデンサとを有し、前記第１及び第２の半導体スイッチの接続点と前記第１及び第２の整流ダイオードの接続点間に、商用電源及びチョークコイルの直列回路を接続し、前記第１及び第２の半導体スイッチを所定の駆動周波数で交互に駆動し、前記加熱コイルと前記共振コンデンサで形成される共振回路の共振電流の周波数を前記駆動周波数の２倍以上の周波数に設定して、前記加熱コイルに高周波電流を供給し高周波磁界により被加熱物を加熱するとともに、前記第１及び第２の半導体スイッチの導通時間が前記商用電源の極性に対してシンメトリックであることを特徴とする誘導加熱装置としている。
【００１４】
これにより、駆動周波数の数倍の高周波磁界を被加熱物に供給することができ、かつ供給電力を平滑化することでアルミ加熱ができる利点を有した状態で、素子責務を等分することができるため、冷却構成が簡易化された誘導加熱装置を実現できるものである。
【００１５】
請求項２に記載の発明は、特に、請求項１に記載の第１及び第２のクランプコンデンサの容量を数μＦ〜数十μＦのフィルムコンデンサで構成したことにより、価格的に安価のものとすることができる。
【００１６】
請求項３に記載の発明は、特に、請求項１または２に記載の第１及び第２のクランプコンデンサの容量を略等しくしたことにより、商用電源の極性によりシンメトリックな動作をさせることができる。
【００１７】
請求項４に記載の発明は、特に、請求項１〜３のいずれか１項に記載の第１または第２の半導体スイッチを通過する共振電流の数を変えることにより電力制御を行うことにより、電力調整の範囲が広くなり制御性の優れた誘導加熱装置を実現できるものである。
【００１８】
請求項５に記載の発明は、特に、請求項４に記載の第１及び第２の半導体スイッチを通過する共振電流の数の和が一定になるようにすることにより、一定駆動周波数を保ったまま電力調整が可能になり複数の誘導加熱装置を動作させた場合の互いの周波数の差により生じる被加熱物間の音を防止することが可能になり、騒音の少ない誘導加熱装置を実現できるものである。
【００１９】
請求項６に記載の発明は、特に、請求項１〜５のいずれか１項に記載の第１及び第２の半導体スイッチの切り替えを半導体スイッチに電流が流れている間に行うことにより、半導体スイッチでターンオン時の損失が生じないため、半導体スイッチの発熱を抑えることが可能となり冷却構成を簡易にできる誘導加熱装置を実現できるものである。
【００２０】
請求項７に記載の発明は、特に、請求項１または２に記載の第１または第２の半導体スイッチに並列にコンデンサを配置したことにより、半導体スイッチのターンオフ時の損失を低く抑えることが可能となるため半導体スイッチの発熱を抑えることが可能となり、冷却構成を簡易にできる誘導加熱装置を実現できるものである。
【００２１】
請求項８に記載の発明は、特に、請求項１〜７のいずれか１項に記載の第１及び第２のクランプコンデンサを被加熱物の種類に応じて切り替え手段により切り替えることにより、被加熱物が軽い場合にはクランプコンデンサの容量を大きくし被加熱物の振動を抑え、被加熱物が重い場合にはクランプコンデンサの容量を小さくすることで制御性を良くすることで、被加熱物の状態に応じた最適な制御をすることが可能となり、制御性に優れた誘導加熱装置を実現できるものである。
【００２２】
【実施例】
（実施例１）
本発明の第１の実施例について図面を参照しながら説明する。本実施例は請求項１〜３に係わる。
【００２３】
図１は本実施例の誘導加熱装置の回路構成を示す図である。第１及び第２の半導体スイッチ６、７の直列接続体は、第１及び第２のダイオード４、５のカソードがそれぞれ高電位側となるようにして接続された直列接続体を並列接続している。第１のダイオード４には第１のクランプコンデンサ８が、第２のダイオード５には第２のクランプコンデンサ９がそれぞれ並列に接続されており、第１及び第２のダイオードの４、５の接続点と第１及び第２の半導体スイッチ６、７の接続点の間には、商用電源１、フィルタ２及びチョークコイル３の直列回路が接続されている。第１の半導体スイッチ６には、第１の共振コンデンサ１０と加熱コイル１２の直列回路が並列に接続されている。第１及び第２の半導体スイッチ６、７は制御手段１４からの信号を受け動作することになる。加熱コイル１２は被加熱物１３が結合しており、加熱コイル１２に流れる高周波電流により生じる高周波磁界により渦電流が流れ、被加熱物１３のもつ抵抗値と渦電流により発熱することになる。ここで、第１の共振コンデンサ１０の容量は、この容量と加熱コイル１２のインピーダンスとで決まる共振電流の周波数を第１及び第２の半導体スイッチ６、７の駆動周波数の２倍以上になるように設定されている。制御手段１４は、入力電圧や供給電力に応じた指令値に従い、第１及び第２の半導体スイッチ６、７の駆動を行うものである。また、本実施例では第１及び第２の半導体スイッチ６、７は順方向に導通するＩＧＢＴとこれに逆並列に接続したダイオードで記載しているが、ＭＯＳＦＥＴのように素子内部にダイオードを構成した素子を用いても問題ない。
【００２４】
図２はインバータ回路の各区間における電流経路を示した図であり、図３は図２に対応した波形図である。また、図４は商用電源１の周期で見た場合の波形図である。商用電源１の極性が図２の示す状態の時で、第１の半導体スイッチがオン状態から説明する。この状態では図２（ａ）に示すように商用電源１→チョークコイル３→第１のダイオード４→第１の半導体スイッチ６の経路でチョークコイル３に電力を供給するモードと第１の共振コンデンサ１０→第１の半導体スイッチ６→加熱コイル１２の経路で被加熱物１３に電力を供給するモードを同時に行う。
【００２５】
次に、第１の共振コンデンサ１０の容量が第１の共振コンデンサ１０を流れる共振電流の周波数が第１及び第２の半導体スイッチ６、７の駆動周波数の２倍以上に設定されているため、図２（ｂ）に示すように、加熱コイル１２には第１の共振コンデンサ１０→加熱コイル１２→第１の半導体スイッチ６内のダイオードの経路で電流が流れ被加熱物１３に電力を供給するモードと、商用電源１→チョークコイル３→第１のダイオード４→第１の共振コンデンサ１０→加熱コイル１２の経路で電流が流れチョークコイル３に電力を蓄えるモードを同時に行うことになる。この図２（ａ）、（ｂ）の状態を繰り返すことで駆動周波数の数倍の電流を被加熱物１３に流すことが可能になる。これは被加熱物１３に例えばアルミなどを用いるときに特に有効であり、第１及び第２の半導体スイッチ６、７のスイッチング損失を増加させることなく、駆動周波数の数倍の渦電流を被加熱物１３に流すことが可能となる。これは、表皮効果により被加熱物１３の抵抗値が周波数が高いほど大きくなる性能を利用しており、効率よくアルミを加熱することが可能な方法である。
【００２６】
図３のＩ６に第１の半導体スイッチ６に流れる電流を示すとともに、Ｉ３にチョークコイルに流れる電流を示す。所定のオン時間が経過した後、第１の半導体スイッチ６をオフすると、図２（ｃ）に示すように、商用電源１→チョークコイル３→第２のクランプコンデンサ９→第２の半導体スイッチ７内のダイオードの経路でチョークコイル３に蓄えられた電力を第２のクランプコンデンサ９に蓄えるモードと、加熱コイル１２→第１の共振コンデンサ１０→第１のクランプコンデンサ８→第２のクランプコンデンサ９の経路で負荷１２のインダクタンス成分に蓄えた電力を第１の共振コンデンサ１０に放出するモードを同時に行う様に動作する。ここで、第２のクランプコンデンサ９は、チョークコイル３と第２の半導体スイッチ７内のダイオードにより昇圧回路が形成されるため、商用電源が図２の極性の間は図４のＶ９に示す様にほぼ一定電圧に保つことが可能となる。第２の半導体スイッチ７内のダイオードが導通している区間で第２の半導体スイッチ７が導通状態にしておくと、図２（ｄ）のモードに遷移することになる。このモードでは、第１の共振コンデンサ１０→加熱コイル１２→第２の半導体スイッチ７→第２のクランプコンデンサ９→第１のクランプコンデンサ８の経路で電力を加熱コイル１２に供給する経路と、商用電源１→チョークコイル３→第１のクランプコンデンサ８→第１の共振コンデンサ１０→加熱コイル１２の経路で、電力を加熱コイル１２に供給する経路が同時に起こる。
【００２７】
続いて、第１の共振コンデンサ１０の容量が第１の共振コンデンサ１０を流れる共振電流の周波数が第１及び第２の半導体スイッチ６、７の駆動周波数の２倍以上に設定されているため、図２（ｃ）に示す経路で再び電流が流れることになる。この図２（ｃ）及び（ｄ）の状態を繰り返すことで駆動周波数の数倍の電流を加熱コイル１２及び被加熱物１３に流すことになる。図３のＩ７に第２の半導体スイッチ６に流れる電流を示すとともに、Ｉ３にチョークコイルに流れる電流を示す。所定のオン時間が経過した後、第２の半導体スイッチ７をオフすると、再び図２（ｂ）の状態に戻ることになる。
【００２８】
この動作を２０〜５０ｋＨｚの高周波で行うことにより、加熱コイル１２に図３のＩ１２の様な電流を流し、必要な電力を被加熱物１３に供給している。電源電圧１の極性が逆の場合には、第２の半導体スイッチ７が昇圧動作とインバータ動作を同時に行うための主スイッチとして働き、第１の半導体スイッチ６はサブスイッチとして働くことになる。この動作により、図４に示すように第１のクランプコンデンサ８は、Ｖ８の様にほぼ一定電圧に保たれることになる。よって、負荷には図４のＶ１２の様な定電圧に近い電圧が供給され、軽量負荷での音の発生の抑制が可能になる利点が生じる。
【００２９】
ここで、極性に対し、第１の半導体スイッチ６と第２の半導体スイッチ７が商用電源１の極性に対しシンメトリックに動作することで、半導体スイッチの損失もほぼ同一になり、冷却構成が簡素化されることになる。また、使用される素子数も整流ダイオードが２個少なく構成されているため、価格の大きな部分をしめるパワー素子の使用数を軽減でき安価な電源を実現できることになる。
【００３０】
なお、第１及び第２のクランプコンデンサ８、９は、被加熱物１３への電力供給を完全平滑する必要がないため、数μＦ〜数十μＦのフィルムコンデンサで十分であり、価格的にも安価ですませることが可能である。
【００３１】
また、第１及び第２のクランプコンデンサ８、９の容量は、極性によりシンメトリックな動作をさせるため、同容量であることが望ましい。
【００３２】
なお、図５に第２の半導体スイッチ７に加熱コイル１２と第２の共振コンデンサ１１の直列回路が並列に接続された構成を、図６には第１及び第２の共振コンデンサ１０、１１が第１及び第２の半導体スイッチ６、７の直列回路に並列に接続され、各々の中点に加熱コイル１２が接続される構成を示している。基本的な動作は、図１と同様であるが、図６の構成では共振コンデンサ１０、１１の容量は共振コンデンサ一個で実現している図１、図６の構成の１／２になる。
【００３３】
更に、第１及び第２の半導体スイッチ６、７の導通時間を商用電源１の電圧に応じて変化させることで、入力電流を正弦波状に流すことが可能になり、力率の良い制御を行うことが可能になる。
【００３４】
以上のように本実施例によれば、駆動周波数の数倍の高周波磁界を被加熱物に供給することができ、かつ供給電力を平滑化することでアルミ加熱ができる利点を有した状態で、素子責務を等分することができ、冷却構成が簡易化された誘導加熱装置を実現できるものである。
【００３５】
（実施例２）
本発明の誘導加熱装置の第２の実施例について図面を参照しながら説明する。本実施例は請求項４に係わる。
【００３６】
本実施例の構成は実施例１の構成と同一な構成をとるため省略する。
【００３７】
本構成における動作を説明する。図７は本実施例の動作波形を示す図である。本実施例の基本動作は実施例１と同様であるが、入力電力の設定を共振電流の波数を変えることで行っている。この共振電流の個数を変える方法としては、電流が零点を通過する回数を数える方法や、あらかじめ被加熱物１３の種類が分かっている場合にはあらかじめ決められたオン時間を離散的変える方法などがあるが特に限定するものではない。この方法では駆動周波数に対し共振電流の波数が多いほど制御性が良くなることになる。また、入力電力の設定としては、第１または第２の半導体スイッチ６、７がメインに働いている場合には波数を増加させた方が、またサブで働いている場合ほ波数を減らした方が入力電力を増やすことができる。この組み合わせにより、様々な入力電力の設定を作り出すことが可能になる。
【００３８】
以上のように本実施例によれば、第１または第２の半導体スイッチ６、７を通過する共振電流の数を変えることにより、電力調整の範囲が広くなり制御性の優れた誘導加熱装置を実現できるものである。
【００３９】
（実施例３）
本発明の第３の実施例について図面を参照しながら説明する。本実施例は請求項５に係わる。
【００４０】
本実施例の構成は実施例１の構成と同一な構成をとるため省略する。
【００４１】
本実施例における動作を説明する。図８は本実施例の動作波形を示す図である。本実施例の基本動作は実施例１と同様であるが、入力電力の設定を行う際第１及び第２の半導体を通過する共振電流の波数の和が同一になるように制御手段１４で制御している点が異なる。つまり、制御手段１４は、入力電力を減らす際には、第１または第２の半導体スイッチ６、７の内主スイッチで働いている方の共振電流の波数を減らすとともに、従スイッチとして働いている方の共振電流の数を増やす様に制御する。このように制御することで、常に一定の周波数で第１及び第２の半導体スイッチ６、７を動作させることができ、２台以上の誘導加熱装置を近接させて使う場合に互いの駆動周波数の差により生じる干渉音を防止することが可能になる。なお、入力電力調整に関しては共振電流が同一波数の場合でも、主スイッチのオン時間を短く、従スイッチのオン時間を長くすることで、一定周波数で入力電力を低下させることも可能である。但し、共振電流の波数を変えた方がダイナミックに入力電力を調整できる利点はある。
【００４２】
以上のように本実施例によれば、第１及び第２の半導体スイッチ６、７を通過する共振電流の数の和が一定になるようにすることにより、一定駆動周波数を保ったまま電力調整が可能になり複数の誘導加熱装置を動作させた場合の互いの周波数の差により生じる被加熱物間の音を防止することが可能になり、騒音の少ない誘導加熱装置を実現できるものである。
【００４３】
（実施例４）
本発明の第４の実施例について図面を参照しながら説明する。本実施例は請求項６に係わる。
【００４４】
本実施例の構成は実施例１と同一の構成をとるため省略する。
【００４５】
本実施例の動作について説明する。本実施例の基本動作は実施例１と同様であるが、制御手段１４は第１及び第２の半導体スイッチ６、７をオフするタイミンを第１及び第２の半導体スイッチ６、７の順方向に電流が流れているタイミングで行っている。このようなタイミングで動作させることで、第１及び第２の半導体スイッチ６、７がターンオフした際に第１及び第２の半導体スイッチ６、７に内蔵されたダイオードに電流が流れるモードに確実に移行するため、第１及び第２の半導体スイッチ６、７には位相が遅れた電流が流れることになり、ターンオンによる損失が発生しないことになる。このことは、第１及び第２の半導体スイッチ６、７からの発熱を減少させることになり、冷却ファン、冷却フィンの小型化が可能なる利点が生じることになる。図９に入力電力と第１または第２の半導体スイッチ６、７が主スイッチとして働いた場合のオン時間との関係を示している。制御手段１４が第１及び第２の半導体スイッチ６、７のダイオード導通期間にオフを禁止する禁止期間を設けることで、同じ共振電流区間ではオン時間の増加が入力電力の増加につながることになる制御性も良くなる利点を有することになる。
【００４６】
以上のように本実施例によれば、第１及び第２の半導体スイッチ６、７の切り替えを半導体スイッチに電流が流れている間に行うことにより、半導体スイッチでターンオン時の損失が生じないため、半導体スイッチの発熱を抑えることが可能となり冷却構成を簡易にできる誘導加熱装置を実現できるものである。
【００４７】
（実施例５）
本発明の第５の実施例について図面を参照しながら説明する。本実施例は請求項７に係わる。
【００４８】
本実施例の構成を図１０に示す。本実施例が実施例１と異なるのは第１のコンデンサ１５が第１の半導体スイッチ６の両端に接続されている点である。
【００４９】
本実施例の動作について説明する。図１１は本実施例の動作を示す動作図である。本実施例が実施例４と異なるのは、第１及び第２の半導体スイッチ６、７がオフする際に第１のコンデンサ１５の働きにより第１及び第２の半導体スイッチ６、７のコレクタ−エミッタ間電圧が上昇するスピードが図１１Ｖ６、Ｖ７に示すように緩やかになる点である。このため、コレクタ電流Ｉ６、Ｉ７の減少とコレクタ電圧Ｖ６、Ｖ７の上昇の重なりにより生じるターンオフ損失を減少させることが可能となる。このことにより、第１及び第２の半導体スイッチ６、７からの発熱を減少させることになり、冷却ファン、冷却フィンの小型化が可能なる利点が生じることになる。なお、この第１のコンデンサ１５を接続する際には、第１及び第２の半導体スイッチ６、７のオフは順方向に電流が流れている際に行う必要があり、ダイオードに電流が流れている区間に行うとターンオンによる損失が増加することになる。また、図１２に第２の半導体スイッチ７の両端に第２のコンデンサ１６を配置した場合を、図１３に第１及び第２の半導体スイッチ６、７の両端に第１及び第２のコンデンサ１５、１６を配置した場合の構成を示す。効果に関しては、どの位置に配置しても同じであるが、図１３の配置ではコンデンサの容量は１／２づつになる点が異なっている。
【００５０】
以上の様に本実施例によれば、第１または第２の半導体スイッチに並列にコンデンサを配置することにより、半導体スイッチのターンオフ時の損失を低く抑えることが可能となるため半導体スイッチの発熱を抑えることが可能となり、冷却構成を簡易にできる誘導加熱装置を実現できるものである。
【００５１】
（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。本実施例は請求項８に係わる。
【００５２】
本実施例の構成を図１４に示す。本実施例が実施例１の構成と異なるのは、第３のクランプコンデンサ１７と第１の切り替えスイッチ２５の直列回路を第１のクランプコンデンサ８の両端に備え、第４のクランプコンデンサ１８と第２の切り替えスイッチ２６の直列回路を第２のクランプコンデンサ９の両端に備えている点である。
【００５３】
本実施例の動作について説明する。本実施例の動作は基本動作は実施例１と同一であるが、被加熱物１３の種類により第１及び第２の切り替え手段２５、２６によりクランプコンデンサの容量を変化させる点が異なる。本実施例ではまず、図示していない被加熱物１３の判定手段により被加熱物の重量、材質などを判定し、第１及び第２の切り替えスイッチ２５、２６の導通・非導通の状態を決定する。被加熱物１３が軽い場合特にアルミの場合にはクランプコンデンサの容量を大きく、鉄などの重い場合には、容量が小さくなるように、第１及び第２の切り替えスイッチ２５、２６を用いて設定することになる。これは、クランプコンデンサの容量の大きい場合には、鍋の振動が抑えられる利点があるものの入力電流を正弦波にするための制御が複雑になる場合があり、特に振動の心配のない鉄などの重い被加熱物の場合には、クランプコンデンサの容量は小さい方が制御が簡単ですむ利点が大きくなるためである。第１及び第２のスイッチ２５、２６の切り替えは、制御手段１４が第１及び第２の半導体スイッチ６、７に駆動信号を送る前に行うことが望ましい。
【００５４】
以上の様に本実施例では、第１及び第２のクランプコンデンサの容量を被加熱物１３の材質や重量などを判別して、第１及び第２の切り替えスイッチ２５、２６を用いて切り替えることにより、被加熱物１３が軽い場合にはクランプコンデンサの容量を大きくし被加熱物の振動を抑え、被加熱物１３が重い場合にはクランプコンデンサの容量を小さくすることで制御性を良くすることにより、被加熱物１３の種類に応じた最適な制御をすることが可能となり、制御性に優れた誘導加熱装置を実現できるものである。
【００５５】
【発明の効果】
上記実施例からも明らかなように、請求項１〜３の本発明によれば、加熱コイルに供給する電力を平滑化できかつ入力電流の力率を良くできるとともに、第１及び第２の半導体スイッチ責務を等分し、冷却構成を簡素化できるアルミ加熱可能な誘導加熱装置を実現できるものである。
【００５６】
また、請求項４の本発明によれば、電力調整の範囲が広くなり制御性の優れた誘導加熱装置を実現できるものである。
【００５７】
また、請求項５の本発明によれば、半導体スイッチのターンオフ時の損失を低く抑えることが可能となり、冷却構成を簡易にできる誘導加熱装置を実現できるものである。
【００５８】
また、請求項６の本発明によれば、被加熱物の種類に応じた最適な制御をすることが可能となり、制御性に優れた誘導加熱装置を実現できるものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の第１の実施例の誘導加熱装置の回路構成を示す図
【図２】 本発明の第１の実施例の誘導加熱装置の動作モードを示す図
【図３】 本発明の第１の実施例の誘導加熱装置の波形を示す図
【図４】 本発明の第１の実施例の誘導加熱装置の波形を示す図
【図５】 本発明の第１の実施例の誘導加熱装置の回路構成を示す図
【図６】 本発明の第１の実施例の誘導加熱装置の回路構成を示す図
【図７】 本発明の第２の実施例の誘導加熱装置の動作波形を示す図
【図８】 本発明の第３の実施例の誘導加熱装置の動作波形を示す図
【図９】 本発明の第４の実施例の誘導加熱装置の入力電力特性を示す図
【図１０】 本発明の第５の実施例の誘導加熱装置の回路構成を示す図
【図１１】 本発明の第５の実施例の誘導加熱装置の動作を示す動作図
【図１２】 本発明の第５の実施例の誘導加熱装置の回路構成を示す図
【図１３】 本発明の第５の実施例の誘導加熱装置の回路構成を示す図
【図１４】 本発明の第６の実施例の誘導加熱装置の回路構成を示す図
【図１５】 従来の誘導加熱装置の回路構成を示す図
【図１６】 従来の誘導加熱装置の動作モードを示す図
【図１７】 従来の誘導加熱装置の動作波形を示す図
【図１８】 従来の誘導加熱装置の動作波形を示す図
【符号の説明】
１ 商用電源
２ フィルタ
３ チョークコイル
４ 第１の整流ダイオード
５ 第２の整流ダイオード
６ 第１の半導体スイッチ
７ 第２の半導体スイッチ
８ 第１のクランプコンデンサ
９ 第２のクランプコンデンサ
１０ 第１の共振コンデンサ
１１ 第２の共振コンデンサ
１２ 加熱コイル
１３ 被加熱物
１４ 制御手段
１５ 第１のクランプコンデンサ
１６ ２のクランプコンデンサ
１７ 第３のクランプコンデンサ
１８ 第４のクランプコンデンサ
２０ 整流ダイオード
２１ 平滑コンデンサ
２２ 第５のクランプコンデンサ
２５ 第１の切り替えスイッチ
２６ 第２の切り替えスイッチ
Claims (8)
- 第１及び第２の半導体スイッチの直列接続体と、前記第１及び第２の半導体スイッチの直列接続体に並列接続される第１及び第２の整流ダイオードの直列接続体と、前記第１または第２の半導体スイッチの端子間に接続される加熱コイル及び共振コンデンサの直列接続体と、前記第１及び第２の整流ダイオードに各々並列に接続される第１及び第２のクランプコンデンサとを有し、前記第１及び第２の半導体スイッチの接続点と前記第１及び第２の整流ダイオードの接続点間に、商用電源及びチョークコイルの直列回路を接続し、前記第１及び第２の半導体スイッチを所定の駆動周波数で交互に駆動し、前記加熱コイルと前記共振コンデンサで形成される共振回路の共振電流の周波数を前記駆動周波数の２倍以上の周波数に設定して、前記加熱コイルに高周波電流を供給し高周波磁界により被加熱物を加熱するとともに、前記第１及び第２の半導体スイッチの導通時間が前記商用電源の極性に対してシンメトリックであることを特徴とする誘導加熱装置。
- 第１及び第２のクランプコンデンサの容量を数μＦ〜数十μＦのフィルムコンデンサで構成した請求項１に記載の誘導加熱装置。
- 第１及び第２のクランプコンデンサの容量を略等しくした請求項１または２に記載の誘導加熱装置。
- 第１または第２の半導体スイッチを通過する共振電流の波数を変えることにより電力制御を行う請求項１〜３のいずれか１項に記載の誘導加熱装置。
- 第１及び第２の半導体スイッチを通過する共振電流の数の和が一定になるようにする請求項４に記載の誘導加熱装置。
- 第１及び第２の半導体スイッチの切り替えを半導体スイッチに順方向の電流が流れている間に行うことを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の誘導加熱装置。
- 第１または第２の半導体スイッチに並列にコンデンサを配置した請求項６記載の誘導加熱装置。
- 第１及び第２のクランプコンデンサを被加熱物を判別して切り替える請求項１〜７のいずれか１項に記載の誘導加熱装置。
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