JP4877116B2 - 誘導加熱装置 - Google Patents

Description

本発明は、加熱対象に誘導電流を誘起し誘導加熱するように構成した誘導加熱装置に関するものである。

従来、この種の誘導加熱装置は図２に示すように構成していた（例えば、特許文献１参照）。以下、その構成について説明する。

図２は、従来の誘導加熱装置のＩＨジャー炊飯器における一部ブロック化した回路図である。

図２に示すように、商用電源１より第１のヒューズ２を介してインバータ３に電源電流が供給される。インバータ３は、スイッチング素子５の導通／非導通による共振でコイル４に対して交流電流を供給し、コイル４に流れる交流電流による誘導電流が鍋２１に流れて鍋２１を加熱する。スイッチング素子５は、グランド側端子５０１、トリガ端子５０２、プラス側端子５０３を有している。

図３は、スイッチング素子５の内部構造である。図３においては、スイッチング素子５にＩＧＢＴを用いている。

樹脂モールドパッケージ３０の中には、半導体チップ３１と、この半導体チップ３１をグランド側端子５０１に接続するグランド側ボンディングワイヤ３２と、半導体チップ３１に半導体チップ３１とは逆方向に導通するように並列に接続されたダイオードチップ３３と、このダイオードチップ３３をグランド側端子５０１に接続するボンディングワイヤ３４と、トリガ端子５０２と、このトリガ端子５０２を半導体チップ３１のトリガ素子部分に接続するトリガ端子５０２のボンディングワイヤ３５と、半導体チップ３１のグランド側端子５０１とは逆側が接続されたプラス側端子５０３とを構成し、それらをエポキシ樹脂３６にてモールドしている。

この構成における動作を説明すると、トリガ端子５０２に入力された駆動信号のオン／オフに従い、半導体チップ３１が導通／非道通を繰り返し、半導体チップ３１の導通時にはプラス側端子５０３から半導体チップ３１、グランド側ボンディングワイヤ３２、グランド側端子５０１と流れた電流がインバータ３内で共振し、コイル４に交流電流が流れる。コイル４に交流電流が流れると鍋２１に誘導電流が流れ、その誘導電流により鍋２１が加熱される。

この構成において、何らかの原因で、半導体チップ３１が短絡故障したときは、商用電源１より、短絡電流が第１のヒューズ２、インバータ３、コイル４、半導体素子５のプラス側端子５０３から半導体チップ３１、グランド側ボンディングワイヤ３２、グランド側端子５０１の経路で流れる。このとき、すみやかに、第１のヒューズ２が溶断することにより、インバータ３への電流の供給を遮断する。

このためには、第１のヒューズ２は、スイッチング素子５の内部を構成するグランド側ボンディングワイヤ３２よりも、溶断しやすいものを選択する。
特開２０００−７０１３１号公報

しかしながら、このような従来の構成では、第１のヒューズ２をグランド側ボンディングワイヤ３２より溶断し易いものとするとき、各種の条件のばらつきの基でも確実に溶断するものにしようとすると、いきおいマージンをみる余り、第１のヒューズ２はインバータ３の定常電流値に対して余裕のないものとなり、定常電流の断続のストレスにより偶発的に断線してしまうことがあった。

逆に、第１のヒューズ２を容量の大きなものにすると、スイッチング素子５の短絡時に、条件のばらつきによりグランド側ボンディングワイヤ３２が先に溶断してしまい、高電圧がトリガ端子５０２より内部の回路に印加され、内部の回路に過大な電流が流れ込み、大きく損傷してしまうことがあった。

本発明は上記従来の課題を解決するもので、第１のヒューズの定常電流の断続ストレスによる偶発的断線をなくし、かつ、スイッチング素子の短絡故障時にもスイッチング素子のトリガ端子より内部の回路の損傷を起こさないようにすることを目的としている。

本発明は上記目的を達成するために、加熱対象に誘導電流を誘起するコイルにインバータにより交流電流を供給し、このインバータの電源入力端子に直列に第１のヒューズを挿入し、インバータ内に存在するスイッチング素子により共振により交流電流を発生させ、このスイッチング素子のトリガ端子に直列にその溶断特性がスイッチング素子のトリガ端子のボンディングワイヤより溶断し易い第２のヒューズを接続し、この第２のヒューズを介してトリガ手段よりスイッチング素子のトリガ端子に駆動信号を出力し、インバータの共振波形を監視しつつスイッチング素子のトリガ端子への駆動信号をタイミングパルス発生手段よりトリガ手段に適時出力するようにしたものである。

これにより、もし、各種の条件のばらつきにより、スイッチング素子のグランド側ボンディングワイヤが第１のヒューズより早く溶断し、高電圧がスイッチング素子のトリガ端子に印加されても、それにより流れ込む電流により、早々に第２のヒューズを溶断することができ、トリガ手段、タイミングパルス発生手段および他の周辺回路に高電圧が印加されることはなく、これらを破壊しないようにできる。また、このように、スイッチング素子のトリガ端子より内側に存在するトリガ手段、タイミングパルス発生手段および他の周辺回路が保護できるため、第１のヒューズの溶断特性を鈍感（溶断電流が大）なものとすることができ、第１のヒューズの定常電流の断続のストレスによる偶発的に断線をなくすことができる。

本発明の誘導加熱装置は、第１のヒューズの定常電流の断続のストレスによる偶発的に断線をなくすことができるとともに、スイッチング素子の短絡故障時のトリガ端子より内側に存在するトリガ手段、タイミングパルス発生手段および他の周辺回路の破壊を防止することができる。

第１の発明は、加熱対象に誘導電流を誘起するコイルと、このコイルに交流電流を供給するインバータと、このインバータの電源入力端子に直列に挿入した第１のヒューズと、前記インバータ内に存在し共振により交流電流を発生させるスイッチング素子と、このスイッチング素子のトリガ端子に直列に接続しその溶断特性が前記スイッチング素子のトリガ端子のボンディングワイヤより溶断し易い第２のヒューズと、この第２のヒューズを介して前記スイッチング素子のトリガ端子に駆動信号を出力するトリガ手段と、前記インバータの共振波形を監視しつつ前記スイッチング素子のトリガ端子への駆動信号を前記トリガ手段に適時出力するタイミングパルス発生手段とを備えたものであり、各種の条件のばらつきにより、スイッチング素子のグランド側端子のボンディングワイヤが第１のヒューズより早く溶断し、高電圧がスイッチング素子のトリガ端子に印加されても、それにより流れ込む電流により、早々に第２のヒューズが溶断し、タイミングパルス発生手段および他の周辺回路に高電圧が印加されることはなく、これらを破壊しないようにできる。また、このように、スイッチング素子のグランド側端子のボンディングワイヤが第１のヒューズより早く溶断し、高電圧がスイッチング素子のトリガ端子に印加されても、スイッチング素子のトリガ端子より内側に存在するトリガ手段、タイミングパルス発生手段および他の周辺回路を保護できるため、第１のヒューズの溶断特性を鈍感（溶断電流が大）なものとすることができ、定常電流の断続のストレスに対する耐力が増大し、偶発的断線をなくすことができる。

第２の発明は、上記第１の発明において、第２のヒューズに代えて、その溶断特性がスイッチング素子のトリガ端子のボンディングワイヤより溶断し易いヒューズ抵抗を備えたものであり、各種の条件のばらつきにより、スイッチング素子のグランド側端子のボンディングワイヤが第１のヒューズより早く溶断し、高電圧がスイッチング素子のトリガ端子に印加されても、それにより流れ込む電流により早々にヒューズ抵抗が溶断し、トリガパルス発生手段および他の周辺回路に高電圧が印加されることはなく、これらを破壊しないようにできる。また、このように、スイッチング素子のグランド側端子のボンディングワイヤが第１のヒューズより早く溶断し、高電圧がスイッチング素子のトリガ端子に印加されても、スイッチング素子のトリガ端子より内側に存在するトリガ手段、トリガパルス発生手段および他の周辺回路を保護できるため、第１のヒューズの溶断特性を鈍感（溶断電流が大）なものとすることができ、定常電流の断続のストレスに対する耐力が増大し、偶発的断線をなくすことができる。

第３の発明は、上記第１の発明または第２の発明において、トリガ手段の出力とグランドの間に、過電圧による短絡時にスイッチング素子のトリガ端子のボンディングワイヤの溶断電流値以上の電流を安定して流しうる保護素子を挿入したものであり、各種の条件のばらつきにより、スイッチング素子のグランド側端子のボンディングワイヤが第１のヒューズより早く溶断し、高電圧がスイッチング素子のトリガ端子に印加されても、その高電圧により保護素子が短絡し、かつ、短絡した保護素子がその短絡電流を安定して流すことができ、かつ、第２のヒューズはスイッチング素子のトリガ端子のボンディングワイヤより溶断しやすいため、確実に第２のヒューズが溶断し、タイミングパルス発生手段および他の周辺回路に高電圧が印加されることはなく、これらを破壊もしないようにできる。また、このように、スイッチング素子のグランド側端子のボンディングワイヤが第１のヒューズより早く溶断し、高電圧がスイッチング素子のトリガ端子に印加されても、スイッチング素子のトリガ端子より内側に存在するトリガ手段、タイミングパルス発生手段および他の周辺回路が保護できるため、第１のヒューズの溶断特性を鈍感（溶断電流が大）なものとすることができ、定常電流の断続のストレスに対する耐力が増大し、偶発的断線をなくすことができる。

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、本発明の一実施の形態における誘導加熱装置の一部ブロック化した回路図である。

図１に示すように、商用電源１より第１のヒューズ２を介してインバータ３に電源電流を供給している。インバータ３は、コイル４に交流電流を供給し、コイル４に流れる交流電流が加熱対象（図示せず）に誘導電流を誘導し、加熱対象が発熱する。

スイッチング素子５は、インバータ３内に存在し共振により交流電流を発生させる。このスイッチング素子５は、グランド側端子５０１、トリガ端子５０２、プラス側端子５０３を有する。スイッチング素子５については、本実施の形態においても、従来例と同様、ＩＧＢＴであり、その構造は図３のとおりである。なお、図３については、すでに構成を説明しているので、ここでは説明を省略する。

スイッチング素子５のトリガ端子５０２は、第２のヒューズ６を介してトリガ手段７に接続し、トリガ手段７は、インバータ３の共振波形を監視しつつ適時トリガ手段７に駆動信号を出力するタイミングパルス発生手段８に接続している。本実施の形態では、タイミングパルス発生手段８は、コイル４の両端の電圧を比較し、トリガ手段７に駆動パルスを出力する。

保護素子９は、トリガ手段７出力とグランド間に接続し、ここではツエナーダイオードを使用している。ツエナーダイオードは、高電圧が印加されたとき短絡故障し、そのツエナー電圧と、チップサイズを選択することにより、高電圧印加時に確実に短絡故障させることができる。

第２のヒューズ６の溶断特性は、スイッチング素子５のトリガ端子５０２のボンディングワイヤより溶断しやすく、かつ、保護素子（ここではツエナーダイオード）９が、短絡時に安定して流すことのできる電流値以下で溶断するものを選択している。周辺回路１０は、その内部に、操作部１０１、マイコン１０２、電源回路１０３を含んでいる。

上記構成において動作、作用を説明する。誘導加熱が開始されると、タイミングパルス発生手段８は、コイル４の両端の電圧を比較し、トリガ手段７に駆動パルスを出力する。タイミングパルス発生手段８からの駆動パルスを入力されたトリガ手段７は、スイッチング素子５のトリガ端子５０２に駆動信号を出力する。トリガ手段７からの駆動信号をトリガ端子５０２に入力されたスイッチング素子５は導通し、コイル４に電流が流れる。

トリガ端子５０２に、トリガ手段７より周期的に駆動信号が入力されることにより、スイッチング素子５はその周期で導通し、インバータ３により共振し、コイル４には交流電流が流れ、その交流電流により加熱対象にも誘導電流が流れて加熱対象が発熱する。

ここで、スイッチング素子５が短絡故障した場合を考える。スイッチング素子５が短絡故障すると、短絡電流が商用電源１より第１のヒューズ２、インバータ３、コイル４、プラス側端子５０３から半導体チップ３１、グランド側ボンディングワイヤ３２、グランド側端子５０１の経路で流れる。このとき、通常は第１のヒューズ２が溶断し、インバータ３が商用電源１より遮断される。

しかしながら、各種の条件のばらつきにより、第１のヒューズ２が溶断せず、スイッチング素子５のグランド側端子５０１のワイヤボンディング３２が先に溶断した場合、スイッチング素子５は短絡故障しているのであるから、そのプラス側端子５０３とトリガ端子５０２は短絡状態であることが考えられ、このとき、高電圧（商用電源１のピーク電圧）が保護素子９、トリガ手段７の出力に印加される。

この状態になると、即座に保護素子９（ここではツェナーダイオード）が、高電圧（商用電源１のピーク電圧）により短絡し、トリガ手段７の出力に対する高電圧の印加を防止するとともに、トリガ端子５０２、第２のヒューズ６、短絡した保護素子９に短絡電流が流れる。

このとき、第２のヒューズ６の溶断特性は、スイッチング素子５のトリガ端子５０２のボンディングワイヤ３５の溶断特性以下で、保護素子９の短絡時に安定して流すことのできる電流値以下で溶断するものを選択しているから、真っ先に第２のヒューズ６が溶断し、保護素子９、トリガ手段７、タイミングパルス発生手段８は、トリガ端子５０２より遮断され、以降、トリガ手段７、タイミングパルス発生手段８、およびその他周辺回路１０には、高電圧は印加されず、結果、破壊は起こらない。

以上のように、本実施の形態においては、インバータ３の電源入力端子に直列に第１のヒューズ２を挿入し、インバータ３内のスイッチング素子５により共振により交流電流を発生させ、スイッチング素子５のトリガ端子５０２に直列にその溶断特性がスイッチング素子５のトリガ端子５０２のボンディングワイヤ３５より溶断し易い第２のヒューズ６を接続し、この第２のヒューズ６を介してトリガ手段７よりスイッチング素子５のトリガ端子５０２に駆動信号を出力し、インバータ３の共振波形を監視しつつスイッチング素子５のトリガ端子５０２への駆動信号をタイミングパルス発生手段８よりトリガ手段７に適時出力するようにしたので、各種の条件のばらつきにより、第１のヒューズ２よりも先に、スイッチング素子５のグランド側端子５０１のボンディングワイヤ３２が溶断した場合でも、第２のヒューズ６が溶断し、トリガ手段７、タイミングパルス発生手段８、およびその他周辺回路１０は保護され、高電圧は印加されず、破壊も起こらない。また、これらのことより、第１のヒューズ２については、溶断特性の鈍感なものが使用できる。第１のヒューズ２において、溶断特性の鈍感なものが使用できれば、定常電流の断続のストレスに対する耐力が増大し、偶発的断線をなくすことができる。

また、トリガ手段７の出力とグランドの間に、過電圧による短絡時にスイッチング素子５のトリガ端子５０２のボンディングワイヤ３５の溶断電流値以上の電流を安定して流しうる保護素子９を挿入したので、各種の条件のばらつきにより、スイッチング素子５のグランド側端子５０１ボンディングワイヤ３２が第１のヒューズ２より早く溶断し、高電圧がスイッチング素子５のトリガ端子５０２に印加されても、その高電圧により保護素子９が短絡し、かつ、短絡した保護素子９がその短絡電流を安定して流すことができ、かつ、第２のヒューズ６はスイッチング素子５のトリガ端子５０２のボンディングワイヤ３５より溶断しやすいため、確実に第２のヒューズ６が溶断し、タイミングパルス発生手段８および他の周辺回路１０に高電圧が印加されることはなく、これらを破壊もしないようにできる。

なお、本実施の形態では、スイッチング素子５のトリガ端子５０２に直列に第２のヒューズ６を接続しているが、この第２のヒューズ６に代えて、その溶断特性がスイッチング素子５のトリガ端子５０２のボンディングワイヤ３５より溶断し易いヒューズ抵抗を接続してもよく、同様の作用、効果を得ることができる。

以上のように、本発明にかかる誘導加熱装置は、第１のヒューズの定常電流の断続のストレスによる偶発的に断線をなくすことができるとともに、スイッチング素子の短絡故障時のトリガ端子より内側に存在するトリガ手段、タイミングパルス発生手段および他の周辺回路の破壊を防止することができるので、加熱対象に誘導電流を誘起し誘導加熱するように構成した誘導加熱装置として有用である。

本発明の一実施の形態における誘導加熱装置の一部ブロック化した回路図 従来の誘導加熱装置の一部ブロック化した回路図 本発明および従来の誘導加熱装置を構成するスイッチング素子の一部切欠した斜視図

符号の説明

２ 第１のヒューズ
３ インバータ
４ コイル
５ スイッチング素子
５０２ トリガ端子
６ 第２のヒューズ
７ トリガ手段
８ タイミングパルス発生手段

Claims (3)

1. 加熱対象に誘導電流を誘起するコイルと、このコイルに交流電流を供給するインバータと、このインバータの電源入力端子に直列に挿入した第１のヒューズと、前記インバータ内に存在し共振により交流電流を発生させるスイッチング素子と、このスイッチング素子のトリガ端子に直列に接続しその溶断特性が前記スイッチング素子のトリガ端子のボンディングワイヤより溶断し易い第２のヒューズと、この第２のヒューズを介して前記スイッチング素子のトリガ端子に駆動信号を出力するトリガ手段と、前記インバータの共振波形を監視しつつ前記スイッチング素子のトリガ端子への駆動信号を前記トリガ手段に適時出力するタイミングパルス発生手段とを備えた誘導加熱装置。
2. 第２のヒューズに代えて、その溶断特性がスイッチング素子のトリガ端子のボンディングワイヤより溶断し易いヒューズ抵抗を備えた請求項１記載の誘導加熱装置。
3. トリガ手段の出力とグランドの間に、過電圧による短絡時にスイッチング素子のトリガ端子のボンディングワイヤの溶断電流値以上の電流を安定して流しうる保護素子を挿入した請求項１または２記載の誘導加熱装置。

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