JP4983318B2 - 電磁調理器 - Google Patents

Description

本発明は、一般家庭やレストランなどで使用される電磁調理器に関するものである。

従来、半導体スイッチの過電流保護手段は、半導体スイッチに流れる電流の経路に電流検出手段（電流検出抵抗）を設け、電流検出手段の両端電圧に基づいて過電流を検出すると半導体スイッチを強制停止して過電流保護する方法が知られている（例えば、非特許文献１参照）。

また、スイッチング素子の両端にダイオードを逆並列に接続した２個の半導体スイッチ装置を直列接続した複数のトーテムポール回路と、トーテムポール回路と並列に接続したスナバコンデンサと、トーテムポール回路の出力端子と負荷との間に接続されたローパスフィルタから成る交流チョッパ装置において、半導体スイッチのアーム短絡によってスナバコンデンサの放電電流が流れる電流の経路に電流検出手段を設け、電流検出手段の出力により半導体スイッチを強制停止する過電流保護手段も知られている（例えば、特許文献１参照）。
稲葉保著「パワーＭＯＳＦＥＴ活用の基礎と実際」ＣＱ出版、２００４年１１月１日、ｐ．６８―７０ 特開２００２−２４７８６５号公報

しかしながら、前記従来の非特許文献１参照の技術では、半導体スイッチに流れる電流が全て電流検出手段に流れるため、電流検出手段の損失が大きくなる課題がある。つまり、電流検出手段の抵抗Ｒｓの両端電圧Ｖｓと損失Ｐｓは次式で表され、
Ｖｓ ＝ Ｒｓ × Ｉｓ 式（１）
Ｐｓ ＝ Ｒｓ × Ｉｓ^２ 式（２）
（Ｉｓ：電流検出手段に流れる電流）
Ｉｓと半導体スイッチに流れる電流が等しくなるため、過電流と判断する電流値が大きい場合は電流検出手段の損失Ｐｓが大きくなり、電流検出手段の抵抗Ｒｓを大きくすることが困難となる。従って電流検出手段の抵抗Ｒｓの両端電圧Ｖｓを大きくすることができず過電流の検出精度が悪化するといった課題がある。特に、家庭用の電磁調理器は静かな家庭環境で使用されるため、電流検出手段の損失Ｐｓが大きくなると、冷却風による騒音が問題となる。

また、前記従来の特許文献１参照の技術では、電磁調理器のように負荷が固定ではないシステムに用いると、負荷（鍋など）によってはスナバコンデンサの短絡電流が発生する。この短絡電流を検出して過電流保護手段が半導体スイッチを強制停止するため、一部の負荷（鍋など）では加熱することができなくなるといった課題がある。

本発明は、前記従来の課題を解決するもので、電流検出手段の損失を低減するとともにスナバコンデンサの短絡電流が発生する負荷（鍋など）を加熱しても加熱継続可能である電磁調理器を提供することである。

前記従来の課題を解決するために、本発明の電磁調理器は、商用電源の整流後に接続される平滑または非平滑コンデンサ、前記平滑または非平滑コンデンサの両端に接続され、所定の周波数でオン・オフ動作する半導体スイッチ、前記半導体スイッチに並列に接続されたスナバコンデンサを含むインバータ回路と、前記半導体スイッチに流れる電流の経路に設けた電流検出手段と、前記電流検出手段の出力に基づき前記半導体スイッチの過電流状態を検出して前記半導体スイッチを強制停止する過電流保護手段を備え、前記電流検出手段を半導体スイッチに流れる電流の経路のうち半導体スイッチとスナバコンデンサからなる閉回路を除く電流の経路に設けたものである。

これによって、電流検出手段にスナバコンデンサの短絡電流が流れなくなり、スナバコンデンサの短絡電流は検知せず半導体スイッチに流れる過電流を検知して半導体スイッチを強制停止することができるようになるため、電流検出手段の損失を低減するとともにスナバコンデンサの短絡電流が発生する負荷（鍋など）を加熱しても加熱継続可能である。

本発明の電磁調理器は、電流検出手段の損失を低減するとともにスナバコンデンサの短絡電流が発生する負荷（鍋など）を加熱しても加熱継続可能である。

第１の発明は、商用電源の整流後に接続される平滑または非平滑コンデンサ、前記平滑または非平滑コンデンサの両端に接続され、所定の周波数でオン・オフ動作する半導体スイッチ、前記半導体スイッチに並列に接続されたスナバコンデンサを含むインバータ回路と、前記半導体スイッチに流れる電流の経路に設けた電流検出手段と、前記電流検出手段の出力に基づき前記半導体スイッチの過電流状態を検出して前記半導体スイッチを強制停止する過電流保護手段を備え、前記電流検出手段を半導体スイッチに流れる電流の経路のうち半導体スイッチとスナバコンデンサからなる閉回路を除く電流の経路に設けた電磁調理器とするものである。これによって、電流検出手段にスナバコンデンサの短絡電流が流れなくなり、スナバコンデンサの短絡電流は検知せず半導体スイッチに流れる過電流を検知して半導体スイッチを強制停止することができるようになるため、電流検出手段の損失を低減するとともにスナバコンデンサの短絡電流が発生する負荷（鍋など）を加熱しても加熱継続可能である。

第２の発明は、特に、第１の発明において、平滑または非平滑コンデンサに過電流検出手段を直列接続したことにより、電流検出手段にスナバコンデンサの短絡電流が流れなくなるため、スナバコンデンサの短絡電流は検知せず、且つ半導体スイッチに流れる過電流は検知して半導体スイッチを強制停止することができるようになり、スナバコンデンサの短絡電流が発生する負荷（鍋など）を加熱しても加熱継続可能であり、且つ半導体スイッチを電源短絡時や負荷短絡時などの過電流から保護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、平滑または非平滑コンデンサは、少なくとも２つ以上の平滑または非平滑コンデンサを備え、電流検出手段を１つの平滑または非平滑コンデンサと直列接続した直列回路に他の平滑または非平滑コンデンサを並列接続したことにより、電流検出手段に流れる電流は、電流検出手段を１つの平滑または非平滑コンデンサと直列接続した直列回路のインピーダンスと、他の平滑または非平滑コンデンサの並列接続回路のインピーダンス比で分流するため、電流検出手段に流れる電流が少なくなり、スナバコンデンサの短絡電流が発生する負荷（鍋など）を加熱しても加熱継続可能であり、且つ半導体スイッチを電源短絡時や負荷短絡時などの過電流から保護することが可能となる。さらに電流検出手段に流れる電流が半導体スイッチに流れる電流より小さくなるため、電流検出手段の損失を低減可能となる。

第４の発明は、特に、第１または第３の発明において、電流検出手段を１つの平滑または非平滑コンデンサと直列接続した直列回路から半導体スイッチまでの配線長が、他の平滑または非平滑コンデンサから半導体スイッチまでの配線長よりも長くなるような配線とすることにより、電流検出手段に流れる電流は、電流検出手段を１つの平滑または非平滑コンデンサと配線長とを直列接続した直列回路のインピーダンスと、他の平滑または非平滑コンデンサの並列接続回路と配線長の直列回路のインピーダンスとの比で分流するため、電流検出手段に流れる電流が少なくなり、スナバコンデンサの短絡電流が発生する負荷（鍋など）を加熱しても加熱継続可能であり、且つ半導体スイッチを電源短絡時や負荷短絡時などの過電流から保護することが可能となる。さらに電流検出手段に流れる電流が半導体スイッチに流れる電流より小さくなるため、電流検出手段の損失を低減可能となる。

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１）
図１は、本発明の実施の形態における電磁調理器を示している。

図に示すように、電磁調理器１は、低周波交流電源である２００Ｖの商用電源２と、ブリッジダイオードと入力フィルタを含む整流回路３と、整流回路３と接続されるインバータ回路４と、インバータ回路４に流れる電流の経路に設けた電流検出手段（電流検出抵抗）６と、電流検出手段６の出力に基づき過電流状態を検出する過電流保護手段１５とを備えている。

前記インバータ回路４は、商用電源２の整流後に接続される非平滑コンデンサ５と電流検出手段６の直列接続体を入力端として、その両端に所定の周波数でオン・オフ動作する半導体スイッチ７、８の直列接続体が接続される。半導体スイッチ７、８にはそれぞれダイオード９、１０が逆並列に（半導体スイッチの高電位側端子（コレクタ）とダイオードのカソード側端子が接続されるように）接続される。また半導体スイッチ８（半導体スイッチ７であってもよい）に並列にスナバコンデンサ１１が接続される。さらに半導体スイッチ８（半導体スイッチ７であってもよい）に並列に加熱コイル１２と共振コンデンサ１３の直列接続体が接続される。加熱コイル１２は負荷である鍋１４の底面と対向するように配置されている。

前記電流検出手段６は、半導体スイッチ７、８に流れる電流の経路のうち半導体スイッチ７、８とスナバコンデンサ１１からなる閉回路を除く電流の経路に設けているものであり、電流検出手段６の両端電圧は、過電流保護手段１５の入力端子に接続され、過電流保護手段１５の出力端子は半導体スイッチ７、８のゲート信号ラインに接続される。

また、前記過電流保護手段１５は、電流検出手段６の出力に基づき半導体スイッチ７、８の過電流状態を検出して半導体スイッチ７、８を強制停止するものである。

なお、本実施の形態では、非平滑コンデンサ５を用いているが、平滑コンデンサを用いても問題ないことは言うまでもない。

以上のように構成された電磁調理器１において、以下その動作、作用を説明する。

商用電源２をブリッジダイオードと入力フィルタを含む整流回路３で整流した入力電圧が非平滑コンデンサ５に充電される。インバータ回路４は、半導体スイッチ７、８のオン・オフによって加熱コイル１２に所定の周波数の高周波電流を発生させる。半導体スイッチ７がオンしている状態から、強制停止するとスナバコンデンサ１１が加熱コイル１２とスナバコンデンサ１１の共振による緩やかな傾きをもって放電するため、半導体スイッチ７はゼロ電圧スイッチング（ＺＶＳ）でターンオフする。

スナバコンデンサ１１が放電しきると、ダイオード１０がオンし、ダイオード１０がオンしている期間中に半導体スイッチ８のゲートにオン信号を加え待機すると、加熱コイル１２の共振電流の向きが反転しダイオード１０がターン強制停止して半導体スイッチ８に電流が転流し、半導体スイッチ８はＺＶＳ＆ゼロ電流スイッチング（ＺＣＳ）でターンオン動作する。

半導体スイッチ８がオンしている状態から、強制停止するとスナバコンデンサ１１は加熱コイル１２とスナバコンデンサ１１の共振による緩やかな傾きをもって充電するため、半導体スイッチ８はＺＶＳターンオフする。スナバコンデンサ１１が、非平滑コンデンサ５と同じ電圧まで充電されるとダイオード９がオンし、ダイオード９がオンしている期間中に半導体スイッチ７のゲートにオン信号を加え待機すると、加熱コイル１２の共振電流の向きが反転しダイオード９がターン強制停止して半導体スイッチ７に電流が転流し、半導体スイッチ７はＺＶＳ＆ＺＣＳターンオン動作する。以上がインバータ回路４の動作である。

本実施の形態では、半導体スイッチ７、８は非平滑コンデンサ５を短絡しないようにデッドタイム２μｓの間隔を設けて、排他的にオン・オフさせている。また半導体スイッチ７、８の駆動周波数は固定として、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。インバータ回路４の駆動周波数を同一とすることで、２口の電磁調理器の場合に隣り合うＩＨの駆動周波数差によるうなり可聴音の発生を抑制することが可能となる。ただし、インバータ回路４の駆動周波数を可変しても高周波電力が制御可能であることは言うまでもない。

以上のように構成された電磁調理器１のインバータ回路４において、半導体スイッチ７、８がノイズなどにより誤動作して同時導通すると非平滑コンデンサ５を短絡し、半導体スイッチ７、８に数１００Ａの過電流が流れて破壊し、電磁調理器１が使用できなくなる問題がある。この問題を解決するために半導体スイッチ７、８に流れる電流の経路に電流検出手段６を設け、電流検出手段６の両端電圧に基づいて過電流を検出して半導体スイッチ７、８を強制停止する過電流保護手段１５を設ける必要がある。

図２に半導体スイッチ７、８のコレクタ・エミッタ間電圧Ｖｃｅとコレクタ電流Ｉｃの定義を示し、図３に電源短絡や、負荷短絡時に発生する半導体スイッチ７、８の過電流と過電流保護手段１５による強制停止の波形を示す。図３の点線１６は過電流保護手段１５がない場合で、半導体スイッチ７、８が破壊するまでコレクタ電流Ｉｃが上昇する。これに対して実線１７は過電流保護手段１５により、所定の電流で半導体スイッチ７、８が強制停止されコレクタ電流Ｉｃが急激に０Ａまで減少して破壊しない。

一方、電磁調理器１は様々な材質・形状の鍋１４を加熱するため、鍋１４と加熱コイル１２と共振コンデンサ１３で決定される共振周波数が鍋１４の材質・形状に依存する。代表的な鍋Ａ、鍋Ｂと共振周波数の関係を図４に示す。前述したインバータ回路４のＺＶＳおよびＺＣＳ動作は、インバータ回路４の駆動周波数が鍋１４と加熱コイル１２と共振コンデンサ１３で決定される共振周波数よりも略高く設定されると実現する。この周波数の関係が逆転すると、スナバコンデンサ１１に電圧が充電された状態で半導体スイッチ７、８がオンすることになり、半導体スイッチ７、８にスナバコンデンサ１１の短絡電流が流れるハードスイッチングモードとなる。

図５にハードスイッチングモードの波形を示す。このハードスイッチングモードを回避するためには、インバータ回路４の駆動周波数を鍋１４の材質・形状に合わせて変化させる必要があるが、前述したように電磁調理器１に用いられるインバータ回路４は一定周波数で駆動する必要がある。そのため、前述したようなインバータ回路４は半導体スイッチ７、８にスナバコンデンサ１１の短絡電流が発生するハードスイッチングモードでも動作継続できる必要がある。そうすることで、電磁調理器１がスナバコンデンサ１１の短絡電流が発生する鍋１４を加熱しても加熱継続可能であり、電磁調理器１の使い勝手を向上させることができる。

従って、本実施の形態における電磁調理器１は、半導体スイッチ７、８に流れる電流の経路で且つ半導体スイッチ７、８とスナバコンデンサ１１からなる閉回路を除く経路のうち、非平滑コンデンサ５に電流検出手段６を直列接続した構成とすることにより、電流検出手段６にスナバコンデンサ１１の短絡電流が流れなくなり、スナバコンデンサ１１の短絡電流は検知せず半導体スイッチ７、８に流れる過電流を検知して半導体スイッチ７、８を強制停止することができるようになる。このため、電流検出手段６の損失を低減するとともに、ハードスイッチングモードにおいてスナバコンデンサ１１の短絡電流が発生する負荷（鍋など）を加熱しても加熱継続可能である。

（実施の形態２）
図６は、本発明の実施の形態２における電磁調理器を示している。実施の形態１と同一要素については同一符号を付してその説明を省略する。

本実施の形態におけるインバータ回路１８は、実施の形態１のインバータ回路４と比較して、整流回路３の出力端に接続される非平滑コンデンサ１９と電流検出手段（電流検出抵抗）２０の構成が異なっている。電流検出手段２０を１つの非平滑コンデンサ２１と直列接続した直列回路に、他の非平滑コンデンサ２２、２３を並列接続した構成としている。

以上のように構成されたインバータ回路１８において、電流検出手段２０に流れる電流は、電流検出手段２０と１つの非平滑コンデンサ２１との直列接続回路のインピーダンスと、他の非平滑コンデンサ２２、２３の並列接続回路のインピーダンス比で分流するため、電流検出手段２０に流れる電流が少なくなり、電流検出手段２０の損失を低減することが可能となる。

また、本実施の形態においては、電流検出手段２０を１つの非平滑コンデンサ２１と直列接続回路から半導体スイッチ７、８までの配線Ａが、他の非平滑コンデンサ２２、２３から半導体スイッチ７、８までの配線Ｂよりも長くなるような配線としている。これにより、電流検出手段２０に流れる電流は、電流検出手段２０と１つの非平滑コンデンサ２１と配線Ａとの直列接続回路のインピーダンスと、他の非平滑コンデンサ２２、２３の並列接続回路と配線Ｂとの直列回路のインピーダンスとの比で分流するため、電流検出手段２０に流れる電流が少なくなり、損失をさらに低減することが可能となる。

従って、本実施の形態における電磁調理器１は、半導体スイッチ７、８に流れる電流よりも電流検出手段２０に流れる電流Ｉｓが少なくなるため、式（２）より電流検出手段２０の損失を低減することが可能となるため、電流検出手段２０の抵抗値を大きく設計して、式（１）よりＶｓを大きくすることが可能となり、過電流の検出精度を高くすることが可能となる。

さらに半導体スイッチ７、８に流れる電流の経路のうち半導体スイッチ７、８とスナバコンデンサ１１からなる閉回路を除く電流の経路に電流検出手段２０を設けたことにより、前述したようなインバータ回路１８は半導体スイッチ７、８にスナバコンデンサ１１の短絡電流が発生するハードスイッチングモードでも動作継続できる必要がある。そうすることで、電磁調理器１がスナバコンデンサ１１の短絡電流が発生する鍋１４を加熱しても加熱継続可能となり、電磁調理器１の使い勝手を向上させることができる。

なお、上記した各実施の形態１、２では、電流検出手段６、２０として電流検出抵抗を用いたが、カレントトランスの２次側電圧で過電流を検出しても同様にスナバコンデンサ１１の短絡電流が発生する鍋１４を加熱しても加熱継続可能となり、電磁調理器１の使い勝手を向上させることができる。つまり電流検出手段６、２０は各実施の形態１、２に示したものに限られるものではない。また、負荷である鍋１４の材質としては、非磁性ステンレス、鉄、それらを混合した材質や様々なものを用いることができ、形状も限られず、フライパンやその他の負荷であってもよい。

以上のように、本発明にかかる電磁調理器は、電流検出手段の損失を低減するとともにスナバコンデンサの短絡電流が発生する負荷（鍋など）を加熱しても加熱継続可能であるので、一般家庭、オフィスだけでなくレストランなどの専門家の用途にも適用できる。

本発明の実施の形態１における電磁調理器の主要構成を示す回路図 同電磁調理器の半導体スイッチのコレクタ・エミッタ電圧とコレクタ電流の説明図 同電磁調理器の過電流発生時における半導体スイッチの電圧・電流の波形図 同電磁調理器の異なる材質・形状の鍋における共振周波数を示す図 同電磁調理器の短絡電流発生時における半導体スイッチの電圧・電流の波形図 本発明の実施の形態２における電磁調理器の主要構成を示す回路図

符号の説明

１ 電磁調理器
４、１８ インバータ回路
５、１９ 非平滑コンデンサ
６、２０ 電流検出手段
７、８ 半導体スイッチ
１１ スナバコンデンサ
１４ 鍋
１５ 過電流保護手段

Claims (2)

1. 商用電源の整流後に接続される平滑または非平滑コンデンサ、前記平滑または非平滑コンデンサの両端に接続され、所定の周波数でオン・オフ動作する半導体スイッチと、前記半導体スイッチに並列に接続されたスナバコンデンサを含むインバータ回路と、前記半導体スイッチに流れる電流の経路に設けられた電流検出手段と、前記電流検出手段の出力に基づき前記半導体スイッチの過電流状態を検出して前記半導体スイッチのゲート信号ラインを接地することにより前記半導体スイッチを強制停止する過電流保護手段を備え、前記電流検出手段は、前記スナバコンデンサの短絡電流が発生するハードスイッチングモードでも前記短絡電流が流入しないよう、前記半導体スイッチに流れる電流の経路のうち前記半導体スイッチと前記スナバコンデンサとを含む閉回路を除く電流の経路に設けられた電磁調理器。
2. 商用電源の整流後に接続される少なくとも２つの平滑または非平滑コンデンサと、前記平滑または非平滑コンデンサの両端に接続され、所定の周波数でオン・オフ動作する半導体スイッチと、前記半導体スイッチに並列に接続されたスナバコンデンサを含むインバータ回路と、前記半導体スイッチに流れる電流の経路に設けられ、１つの平滑または非平滑コンデンサとは直列接続され、他の平滑または非平滑コンデンサとは並列接続された電流検出手段と、前記電流検出手段の出力に基づき前記半導体スイッチの過電流状態を検出して前記半導体スイッチのゲート信号ラインを接地することにより前記半導体スイッチを強制停止する過電流保護手段とを備え、前記電流検出手段と前記１つの平滑または非平滑コンデンサとを直列接続した直列回路から前記半導体スイッチまでの配線長が、前記他の平滑または非平滑コンデンサから半導体スイッチまでの配線長よりも長く、前記電流検出手段は、前記スナバコンデンサの短絡電流が発生するハードスイッチングモードでも前記短絡電流が流入しないよう、前記半導体スイッチに流れる電流の経路のうち前記半導体スイッチと前記スナバコンデンサとを含む閉回路を除く電流の経路に設けられた電磁調理器。