JP5245725B2 - 誘導加熱装置 - Google Patents

Description

本発明は、一般家庭やオフィス、レストラン、工場などで使用される誘導加熱装置に関するものであり、さらに詳しくはスイッチング素子のオン／オフ時の電力損失を低減し、入力電流の高調波を抑制する誘導加熱装置である。

従来、このような誘導加熱装置は、例えば、誘導加熱調理器に関して、入力電流の高調波を抑制するスイッチング手段と誘導加熱負荷に高周波電流を供給するスイッチング手段を有する誘導加熱装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。

図４は、特許文献１に記載された従来の誘導加熱装置の回路図である。

図４に示すように、交流電圧Ｖａｃの商用電源１０１がブリッジ回路１０５に接続されている。ブリッジ回路１０５は２個のサイリスタ１０７ａ、１０７ｂと２個のダイオード１０９ａ、１０９ｂとをブリッジ接続して構成されており、商用電源１０１の交流電流を直流電流に変換させる。

コンデンサ１１１はリプル電流を除去するために比較的大きな容量に設定されており、ブリッジ回路１０５で整流された脈流を平滑するための平滑手段である。

入力制御回路１３３は商用電源１０１側に設けられたカレントトランス１３４と接続されている。カレントトランス１３４は商用電源１０１から入力する入力電流Ｉｉｎを検出し、この検出した入力電流Ｉｉｎの電流値に相応する情報を入力制御回路１３３へ送出する。

入力制御回路１３３は、カレントトランス１３４からの実際の入力電流Ｉｉｎに関する情報などから最適なＰＷＭ制御を実行する、すなわち入力制御回路１３３は入力電流Ｉｉｎの電流波形がほぼ正弦波となるように力率を改善するために、パルス信号１３３ａをトランジスタＴｒ１に出力する。

トランジスタＴｒ１はパルス信号に基づいて所定の波形整形に係る周期でスイッチング動作して入力電流Ｉｉｎの波形を整形するためのスイッチング手段である。

また、リアクタＬはトランジスタＴｒ１がオンしたときに商用電源１０１からの電力を蓄積するとともに、トランジスタＴｒ１がオフしたときにこの蓄積した電力をコンデンサ１１１へ供給するためのタンク手段で構成されている。
特開平０１−２４６７８３号公報

しかしながら、前記従来の構成では、入力電流の高調波を抑制するスイッチング手段と誘導加熱負荷に高周波電流を供給するスイッチング手段を別々に有している。

また、リアクタＬに流れる電流が０点を通らない場合は連続動作モード、０点を通る場合は不連続動作モードと呼ばれる。連続動作モード、不連続動作モードのどちらを採用するかは、リアクタＬ形状、損失、トランジスタＴｒ１定格、損失などによって左右される。

連続動作モードでは、インバータの定格出力にもよるが、一般にリアクタＬの容量を大きく設定することで、継続してリアクタＬ電流が流れるようにしている。そのため、第１のスイッチング素子Ｔｒ１がオフする際のターンオフ電流は比較的少ないが、ターンオンする際に急激に短絡電流が流れる。

一方で不連続モードでは、リアクタＬ電流が０点を通るよう、リアクタＬの容量を小さく設定しているため、リアクタＬ電流ピークは高くなる。そのため、第１のスイッチング素子Ｔｒ１がオンする際のターンオン電流はほとんど流れないが、ターンオフ電流が大きくなる。

本発明は、前記従来の課題を解決するもので、スイッチング損失を低減し安定した動作を行う誘導加熱装置を提供することを目的としている。

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、従来の誘導加熱装置における第１のスイッチング素子と第２のスイッチング素子を共有化する。

本発明における第１のスイッチング素子とスナバインダクタから構成される第１のスイッチアームに並列に接続された第３のスイッチング素子を有するアクティブ補助共振回路により第１のスイッチング素子は零電流においてオン／オフさせることを可能としたものである。

これによって、本発明の誘導加熱装置はスイッチング損失を低減し安定した動作を行うことが可能となる。

本発明の誘導加熱装置は、入力電流の高調波を抑制するスイッチング素子と誘導加熱負荷に高周波電流を供給するスイッチング素子を共有化することにより、回路の簡素化と安定した動作を行うことが可能である。

第１の発明は、商用電源と、前記商用電源に接続された交流電圧を整流する整流手段と、前記整流手段に一端を接続したリアクタと、前記リアクタに一端を接続した第一のスイッチング素子とスナバインダクタから構成される第一のスイッチアームと、前記第１のスイッチアームに一端を接続した第２のスイッチング素子と、第１のスイッチアームの他端と第２のスイッチング素子の他端に接続した平滑コンデンサと、互いに直列接続して第２のスイッチング素子に並列に接続した負荷抵抗と負荷インダクタから構成される誘導加熱負荷および共振コンデンサと、前記第１のスイッチアームに並列接続して第３のスイッチング素子を有するアクティブ補助共振回路と、前記第１のスイッチング素子および前記第２のスイッチング素子、前記第３のスイッチング素子のオン／オフを制御する制御手段とを備え、前記制御手段により入力電流の高調波を抑制し前記誘導加熱負荷に高周波電流を供給するべく制御するようにしたものである。

これにより、入力電流の高調波を抑制する機能と誘導加熱負荷に高周波電流を供給する機能を有する第１のスイッチング素子を設けることにより回路の簡素化が可能となる。

第２の発明は、特に、第１の発明の制御手段を第３のスイッチング素子のオン／オフを制御することによりアクティブ補助共振回路を動作させ、第１のスイッチング素子のオン期間の任意の時点で前記第１のスイッチング素子を零電流においてオフさせることにより
、高調波を抑制するスイッチング素子を零電流においてオン／オフさせる場合に必要となるパッシブスナバまたはアクティブスナバを構成するための回路部品の追加が不要となり、回路部品の簡素化とスイッチング素子のオン／オフ時の損失の低減をおこなうことができる。

第３の発明は、特に、第１または第２の発明の制御手段を第３のスイッチング素子のオン／オフを制御することによりアクティブ補助共振回路を動作させ、前記アクティブ補助共振回路に内包される共振素子により、前記第３のスイッチング素子を零電流においてオン／オフさせることにより、第３のスイッチング素子のスイッチング損失を低減することができる。

また前記共振素子の共振周期は、インバータのスイッチング周期に比べて小さいので、前記第３のスイッチング素子のオン期間を小さくすることができ、前記第３のスイッチング素子の導通損失を低減することが可能である。

第４の発明は、特に、第１または第２の発明の制御手段を、商用電圧の零交差点を基準（重畳開始点）として、第１のスイッチング素子および第２のスイッチング素子、第３のスイッチング素子のオン／オフを制御することにより、入力電流に商用周期の第ｎ次周波成分を重畳させるべく制御することにより、入力電流を商用電圧と位相が一致した正弦波状に整形することができる。

第５の発明は、特に、第１または第２の発明の制御手段を第１のスイッチング素子のオン／オフを制御することによりリアクタ電流がインバータのスイッチング１周期中に１度零点を通るべく制御することにより、リアクタ電流の各周期におけるピーク値は商用入力電圧に比例した値となり、前記リアクタ電流をフィルタ回路において高調波成分を除去することにより入力電流は入力電圧と同相の正弦波状の波形とすることができる。

第６の発明は、特に、第１または第２の発明の制御手段を第１のスイッチング素子を零電流においてオンさせ、第２のスイッチング素子を零電流においてオン／オフさせるべく制御することにより、オン／オフ時のスイッチング損失を低減することができる。

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１）
図１は、本発明の実施の形態１における誘導加熱装置の要部概略回路図である。

図１において、商用電源１からの商用電圧を整流するダイオードブリッジからなる整流手段２の高電位出力側にはリアクタ３が接続されており、低電位出力側には平滑コンデンサ４（電解コンデンサ）の低電位端子が接続されている。

リアクタ３の他端には第１のスイッチング素子６の高電位端子（ＩＧＢＴの場合はコレクタ、ＭＯＳＦＥＴの場合はドレイン）と第２のスイッチング素子７の低電位端子（ＩＧＢＴの場合はエミッタ、ＭＯＳＦＥＴの場合はソース）が接続されている。

リアクタ３は、第１のスイッチング素子６がオンされたときに、商用電源１からの電力を蓄積するとともに、第１のスイッチング素子６がオフされたときに、この蓄積した電力を平滑コンデンサ４に供給するための電力タンク手段である。

第１のスイッチング素子６の低電位端子にはスナバインダクタ１０が接続されている。
スナバインダクタ１０の他端には平滑コンデンサ４の低電位端子が接続されており、平滑コンデンサの高電位端子には第２のスイッチング素子７の高電位端子が接続されている。

平滑コンデンサ４には、インバータ５が接続されており、インバータ５側から見て平滑コンデンサ４はインバータ５電源の役割をなしている。

第２のスイッチング素子７の高電位端子には、負荷抵抗１３と負荷インダクタ１４を内包する誘導加熱負荷１２が接続されている。誘導加熱負荷１２の他端には共振コンデンサ１１が接続されており、共振コンデンサ１１の多端には第２のスイッチング素子７の低電位端子が接続されている。

誘導加熱負荷１２は、加熱コイルと被加熱体（鍋、フライパンなど）を等価的に表した電気回路モデルである。

第１のスイッチング素子６とスナバインダクタ１０を内包する第１のスイッチアームには、第３のスイッチング素子を有するアクティブ補助共振回路９が並列接続されている。

第３のスイッチング素子を有するアクティブ補助共振回路９は第３のスイッチング素子と共振素子（インダクタ、コンデンサ）を内包している。

制御手段８は、駆動信号を第１のスイッチング素子６および第２のスイッチング素子７、第３のスイッチング素子に出力している。

制御手段８から出力される駆動信号は、入力電流Ｉｉｎの高調波を抑制するために、電流波形がほぼ正弦波となるように設定されている。ならびに制御手段８から出力される駆動信号は、誘導加熱負荷１２に所定の出力が得られるように設定されている。

また第１のスイッチング素子６および第２のスイッチング素子７、第３のスイッチング素子はそれぞれ逆導通ダイオードを内蔵したもので構成している。

以上のように構成された誘導加熱装置について、以下その動作、作用を説明する。

まず、商用電源１が投入され、制御手段８から第１のスイッチング素子６に駆動信号が出力されると、リアクタ３電流が線形的に増加し、リアクタ３に電力を蓄積する。ならびに平滑コンデンサ４をインバータ５電源として、誘導加熱負荷１２に高周波電力が供給される電力供給モードである。

電力供給モードにおいて、制御手段８から第３のスイッチング素子に駆動信号が出力されると、第３のスイッチング素子を有するアクティブ補助共振回路９が起動し、第３のスイッチング素子に内包される共振素子により、第１のスイッチング素子６および第３のスイッチング素子は零電流においてオフされる。

第１のスイッチング素子６がオフされると、リアクタ３電流は減少していく。このときリアクタ３に蓄積された電力が平滑コンデンサ４に供給される。

図２は、本発明の第１の実施の形態における誘導加熱装置の入力電流整形の模式図を示すものである。

図２（ａ）に示すように、入力電流Ｉｉｎは商用周波の第３次周波成分を含んだ電流波形となっている。このとき図２（ａ）に示す入力電流Ｉｉｎに図２（ｂ）に示す商用周波
の第３次周波成分を重畳させることにより、入力電流Ｉｉｎは図２（ｃ）に示す高調波の抑制された正弦波形状の電流波形に整形される。

図３は、本発明の第１の実施の形態における誘導加熱装置の誘導加熱負荷に所定の出力が得られている状態での各部動作波形を示している。

図３において、（ａ）は各スイッチング素子の駆動信号、図３（ｂ）は第１のスイッチング素子６の電圧・電流波形、図３（ｃ）は第２のスイッチング素子７の電圧・電流波形、図３（ｄ）は第３のスイッチング素子の電圧・電流波形、図３（ｅ）はリアクタ３電流波形をそれぞれ示している。

図３において、リアクタ３の値はリアクタ３電流がインバータのスイッチング１周期中に１度零点を通る不連続電流モードを維持するように設定すると、リアクタ３電流のインバータのスイッチング周期ごとのピーク値は商用電圧に比例した三角波パルス列となる。この三角波パルス列は共振素子を内包するフィルタ回路において、高調波成分を除去することにより、入力電流Ｉｉｎは商用電圧と同相の正弦波形状の電流波形が得られる。

第１のスイッチング素子６のオン時において、スナバインダクタ１０により電流のｄＩ／ｄｔが緩やかになり、第１のスイッチング素子は零電流においてオンしている。

誘導加熱負荷１２に直列に接続された共振コンデンサ１１は、負荷共振周波数がインバータのスイッチング周波数より大きくなるように設定する。

第３のスイッチング素子のオン時において、第３のスイッチング素子を有するアクティブ補助共振回路９に内包された共振素子により、電流のｄＩ／ｄｔが緩やかになり、第３のスイッチング素子は零電流においてオンしている。

第１のスイッチング素子６と第３のスイッチング素子のオフ時において、スナバインダクタ１０および第３のスイッチング素子を有するアクティブ補助共振回路９に内包された共振素子の電流共振により、第１のスイッチング素子６と第３のスイッチング素子は零電流においてオフする。

第２のスイッチング素子は、負荷インダクタ１４と共振コンデンサ１１による共振現象により零電流においてオン／オフする。

以上のように、本発明にかかる誘導加熱装置は、入力電流の高調波を抑制する機能と誘導加熱負荷に高周波電流を供給する機能を有する第１のスイッチング素子を設けることにより、回路の簡素化とアクティブ補助共振回路によりスイッチング素子のオン／オフ時の損失を低減することが可能となり、入力電流の高調波を抑制することにより、電力系統や電力系統に接続された他機器への影響が少ない誘導加熱装置となるので、誘導加熱式湯沸かし器、誘導加熱式アイロン、またはその他の誘導加熱式加熱装置等の用途にも適用できる。

本発明の実施の形態１における誘導加熱装置の要部概略回路図 本発明の実施の形態１における誘導加熱装置の入力電流整形の模式図 本発明の実施の形態１における誘導加熱装置の誘導加熱負荷に所定の出力が得られている状態での各部動作波形を示す図 従来の誘導加熱装置の回路図

符号の説明

１ 商用電源
２ 整流手段
３ リアクタ
４ 平滑コンデンサ
６ 第１のスイッチング素子
７ 第２のスイッチング素子
８ 制御手段
９ 第３のスイッチング素子を有するアクティブ補助共振回路
１０ スナバインダクタ
１１ 共振コンデンサ
１２ 誘導加熱負荷
１３ 負荷抵抗
１４ 負荷インダクタ

Claims (6)

1. 商用電源と、前記商用電源に接続された交流電圧を整流する整流手段と、前記整流手段に一端を接続したリアクタと、前記リアクタに一端を接続した第１のスイッチング素子とスナバインダクタから構成される第１のスイッチアームと、前記第１のスイッチアームに一端を接続した第２のスイッチング素子と、前記第１のスイッチアームの他端と前記第２のスイッチング素子の他端に接続した平滑コンデンサと、互いに直列接続して前記第２のスイッチング素子に並列に接続した負荷抵抗と負荷インダクタから構成される誘導加熱負荷および共振コンデンサと、前記第１のスイッチアームに並列接続して第３のスイッチング素子を有するアクティブ補助共振回路と、前記第１のスイッチング素子および前記第２のスイッチング素子、前記第３のスイッチング素子のオン／オフを制御する制御手段とを備え、前記制御手段により前記誘導加熱負荷に高周波電流を供給し入力電流の高調波を抑制する誘導加熱装置。
2. 制御手段は、第３のスイッチング素子のオン／オフを制御することによりアクティブ補助共振回路を動作させ、第１のスイッチング素子のオン期間の任意の時点で前記第１のスイッチング素子を零電流においてオフさせる請求項１に記載の誘導加熱装置。
3. 制御手段は、第３のスイッチング素子のオン／オフを制御することによりアクティブ補助共振回路を動作させ、前記アクティブ補助共振回路に内包される共振素子により前記第３のスイッチング素子を零電流においてオン／オフさせる請求項１または請求項２に記載の誘導加熱装置。
4. 制御手段は、商用電圧の零交差点を基準（重畳開始点）として、第１のスイッチング素子および第２のスイッチング素子、第３のスイッチング素子のオン／オフを制御することにより、入力電流に商用周期の第ｎ次周波成分の逆相の電流を重畳させる請求項１または請求項２に記載の誘導加熱装置。
5. 制御手段は、第１のスイッチング素子のオン／オフを制御することによりリアクタに流れる電流がインバータのスイッチング１周期中において一度零点を通る請求項１または請求項２に記載の誘導加熱装置。
6. 制御手段は、第１のスイッチング素子を零電流においてオンさせ、第２のスイッチング素子を零電流においてオン／オフさせる請求項１または請求項２に記載の誘導加熱装置。