JP6142283B2 - 高周波加熱装置 - Google Patents

Description

本発明は、電子レンジのように、マグネトロンを駆動して誘電加熱を行う高周波加熱装置において、高圧整流回路に使用する高圧ダイオードを安価に構成することを提案するものである。

一般家庭で使用される電子レンジ等の高周波加熱装置に用いられる電源としては、その性質上（持ち運びが容易で、且つ調理室を大きくするために、電源が内蔵される機械室スペースは、小さいものが望まれる）、小型で軽いものが望まれてきた。そのため、電源のスイッチング化による小型軽量化、低コスト化が進められ、省エネ・高効率という観点でも、インバータ電源が主流になりつつある。

また、調理器具という面では、ヒーターを用いたオーブン調理を可能としたオーブン電子レンジも普及しており、利用範囲は広がっている。

マグネトロンを駆動するための高電圧は、昇圧トランスにより作成され、高圧整流回路にて直流化されるわけであるが、その際、高圧ダイオードが使用される。高電圧での高周波整流を行うため、部品温度上昇も大きく、冷却方法が課題である。この課題に対して、部品内部に温度スイッチを設ける方式（例えば、特許文献１参照）や、部品の配置を工夫して最も冷える場所に配置する方式（例えば、特許文献２参照）が、提案されている。しかしながら、安価に構成するという点においては、限界が来ていた。

インバータ電源の一例を、図６に示す回路図を用いて説明する。商用電源１は、整流器２で整流され直流電圧に変換されて、商用電源１から電力が供給される。直流電圧はチョークコイル９とコンデンサ１０とよりなるフィルタ回路１１を介して、コンデンサ４と昇圧トランス６の１次巻線１３、半導体スイッチング素子３のインバータ共振回路５に印加される。

インバータ共振回路５では、半導体スイッチング素子３が、２０〜５０キロヘルツの周波数でスイッチングし、高周波交流を作り出す。昇圧トランス６の１次巻線１３となるインダクタに発生した高周波交流は、昇圧トランス６で、高電圧に昇圧される。また、昇圧トランス６で昇圧された高電圧（２次巻線１５の電圧）は、高圧整流回路７で直流高電圧に整流される。

ここで、マグネトロン８を駆動するために、耐圧が８ＫＶ程度のダイオードが必要であり、高圧ダイオード２１、２２は、高耐圧のカスタム品を使用することが一般的である。制御回路部１４は、カレントトランス１２より得た入力電流情報を反映した形で、半導体スイッチング素子３に所望の高周波出力を得るための信号を与え、これを駆動する。所望の出力を決定する指令信号は、外部からマイコン１９により、フォトカプラなどの絶縁インターフェイス（図示せず）にて、制御回路部１４に与えられ、１０００Ｗ、８００Ｗ、６００Ｗ等の高周波出力を得ている。

これらの電気要素部品が、インバータ電源１８を構成する。高圧整流回路７で整流された直流高電圧は、マグネトロン８のアノード部１７とカソード部（フィラメント部）１６間に印加される。昇圧トランス６には、もう一つのヒーター巻線２０が設けられており、このヒーター巻線２０は、マグネトロン８のカソード部（フィラメント部）１６に加熱電流として電力供給を行う。マグネトロン８は、カソード部（フィラメント部）１６に電流
供給を受け、カソード温度が上昇し、かつアノード部１７とカソード部（フィラメント部）１６間に高電圧が印加されると発振し、マイクロ波を発生する。マグネトロン８で発生されたマイクロ波は、加熱室に入れられた食品などの被加熱物に照射され、誘電加熱調理を行う。

図７は、カスタム品で構成される高圧ダイオード２１、２２の内部構造を示している。複数個のチップ素子２３を、パッケージ２４に封止している。チップ素子２３は、半田２５により連結され、リード端子２６に接続されて、高耐圧のダイオードを実現している。

特開２００７−２８０６２８号公報 特開平１０−２８９７８３号公報

しかしながら、上記のような構成では次の課題があった。

すなわち、複数個のチップ素子をワンパッケージ化することで放熱性能が悪くなり、冷却が困難であった。また、カスタム品となるため高価であり、特定メーカの独占状態にな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、高圧整流回路に使用する高圧ダイオードを汎用の高速ダイオードで構成した高周波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、本発明の高周波加熱装置は、交流電源と前記交流電源を整流素子にて全波整流する整流回路と、少なくとも１個の半導体スイッチング素子と、前記整流素子と前記半導体スイッチング素子とを取り付けた放熱板と、前記半導体スイッチング素子をオン・オフすることにより前記整流回路からの電圧を高周波電圧に変換するインバータ部と、前記インバータ部の出力電圧を昇圧する昇圧トランスと、前記昇圧トランスの出力電圧を全波倍電圧整流する高圧整流回路と、前記高圧整流回路の出力を電磁波として放射するためのマグネトロンとを具備する高周波加熱装置において、
前記高圧整流回路に使用する高圧ダイオードは汎用の高速ダイオードにて複数個の直列で基板上に構成され、前記複数個の高速ダイオードは各々の前記高速ダイオードが１チップ構成であり放熱材となる各パッケージと前記各パッケージから露出したリード線で接続されたリード端子とを有したものである。

第１の発明は、交流電源と前記交流電源を整流素子にて全波整流する整流回路と、少なくとも１個の半導体スイッチング素子と、前記整流素子と前記半導体スイッチング素子とを取り付けた放熱板と、前記半導体スイッチング素子をオン・オフすることにより前記整流回路からの電圧を高周波電圧に変換するインバータ部と、前記インバータ部の出力電圧を昇圧する昇圧トランスと、前記昇圧トランスの出力電圧を全波倍電圧整流する高圧整流回路と、前記高圧整流回路の出力を電磁波として放射するためのマグネトロンとを具備する高周波加熱装置において、
前記高圧整流回路に使用する高圧ダイオードは汎用の高速ダイオードにて複数個の直列で基板上に構成され、前記複数個の高速ダイオードは各々の前記高速ダイオードが１チップ構成であり放熱材となる各パッケージと前記各パッケージから露出したリード線で接続されたリード端子とを有したものである。

本発明は、汎用の高速ダイオードを複数個直列に配置するため安価に構成できる。また、数社の製品にて代替部品とできるため、カスタム品の高価な高圧ダイオードの独占状態を回避することが可能となる。

本発明の実施の形態１における高周波加熱装置の高圧整流回路構成を示す要部回路図 本発明の実施の形態２における高周波加熱装置の高圧整流回路構成を示す要部回路図 本発明の実施の形態３における高周波加熱装置の高圧整流回路構成を示す要部回路図 本発明の実施の形態４における高周波加熱装置の高圧整流回路構成を示す要部回路図 本発明の実施の形態５における高周波加熱装置の高圧整流回路構成を示す要部平面図 従来の高周波加熱装置の回路図 従来の高圧ダイオードの構造を示す模式図

第１の発明は、交流電源と前記交流電源を整流素子にて全波整流する整流回路と、少なくとも１個の半導体スイッチング素子と、前記整流素子と半導体スイッチング素子を取り付けた放熱板と、前記半導体スイッチング素子をオン・オフすることにより前記整流回路からの電圧を高周波電圧に変換するインバータ部と、前記インバータ部の出力電圧を昇圧する昇圧トランスと、前記昇圧トランスの出力電圧を全波倍電圧整流する高圧整流回路と、前記高圧整流回路の出力を電磁波として放射するためのマグネトロンとを具備する高周波加熱装置において、前記高圧整流回路に使用する高圧ダイオードは汎用の高速ダイオードにて複数個の直列で基板上に構成され、前記高速ダイオードは各々が１チップ構成でかつ放熱材となるパッケージとリード端子とを有したことを特徴とする。

第２の発明は、特に第１の発明において、前記昇圧トランスの出力電圧は半波整流する高圧整流回路であることを特徴とする。

第３の発明は、特に第１の発明において、前記高圧整流回路に使用される各々の高速ダイオードへ並列に抵抗を配置して印加電圧を均等とし、かつ基板に半田付けされたことを特徴とする。

第４の発明は、特に第３の発明において、前記昇圧トランスの出力電圧は半波整流する高圧整流回路であることを特徴とする。

第５の発明は、特に第１の発明において、前記汎用の高速ダイオードにて複数個の直列で構成された高圧整流回路の配置は、前記昇圧トランスの側面に屈曲した配列で取り付けられていることを特徴とする。

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、この実施の形態は、本発明を具現化した単なる例示に過ぎず、本発明は特許請求の範囲に記載した構成の範囲で変更を加えた種々の態様を含むものである。

（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１における高周波加熱装置の高圧整流回路２８を示している。

図１において、汎用の高速ダイオード２９を８つ直列に配置して、高耐圧を実現している。起動時に８ＫＶ印加と仮定すると、高速ダイオード２９の耐圧は、各々１ＫＶ以上必要となる。図６で示した高圧ダイオード２１、２２の各々に対して、８直列の構成である。基板上に配置する場合、スペース的には広さが必要になるが、汎用部品のため安価に構成することが可能となる。

また、カスタム品でのチップ素子をワンパッケージにする弊害として、冷却性能の悪化が挙げられるが、汎用の高速ダイオード２９は、各々が１チップ構成で且つ放熱材となるパッケージとリード端子とを有していて、且つ基板に半田付けされることで冷却性能は向上する。ここで、本発明は高周波加熱装置であるため、スイッチング損失を考慮して、ｔ
ｒｒ（ダイオードの逆流が可能なリカバリー時間（逆回復時間））の早い高速ダイオード２９（ｔｒｒ＜７５ｎｓ程度）を使用している。

以上のように、本実施の形態においては、汎用の高速ダイオード２９は、各々が１チップ構成で且つ放熱材となるパッケージとリード端子とを有していて、且つ基板に半田付けされることで冷却性能を向上させることができる。

（実施の形態２）
図２は、本発明の実施の形態２における高周波加熱装置の高圧整流回路３０を示している。

図２において、半波整流回路で汎用の高速ダイオード２９を８つ直列に配置して、高耐圧を実現している。起動時に８ＫＶ印加と仮定すると、高速ダイオード２９の耐圧は、各々１ＫＶ以上必要となる。基板上に配置する場合、スペース的には広さが必要になるが、汎用部品のため安価に構成することが可能となる。

また、カスタム品でのチップ素子をワンパッケージにする弊害として、冷却性能の悪化が挙げられるが、汎用の高速ダイオード２９は各々が１チップ構成で且つ放熱材となるパッケージとリード端子とを有していて、且つ基板に半田付けされることで冷却性能は向上する。

以上のように、本実施の形態においては、汎用の高速ダイオード２９は、各々が１チップ構成で且つ放熱材となるパッケージとリード端子とを有していて、且つ基板に半田付けされることで冷却性能を向上させることができる。

（実施の形態３）
図３は、本発明の実施の形態３における高周波加熱装置の高圧整流回路３１を示している。

図３において、高圧ダイオードとして、汎用の高速ダイオード２９を８つ直列構成で実現し、各々の高速ダイオード２９に並列に抵抗３２を接続している。抵抗値は３．９ＭΩとした。起動時に８ＫＶ印加と仮定すると各々の損失は０．２５６Ｗとなり、１／２Ｗ抵抗で十分対応できる。抵抗３２の耐圧としては１ＫＶ以上必要となる。

汎用の高速ダイオード２９で構成した場合、ｔｒｒのスピードバラツキにて、各々の高速ダイオード２９が負担する損失割合が、異なってくる。すなわち、ｔｒｒが速いダイオードから、ブレイクダウン電圧に近づくという特徴を有している。故に、発熱もアンバランスになる。この現象は必要な耐圧を確保するために、合算した耐圧は所望の高耐圧であるが、各々の汎用の高速ダイオード２９の耐圧は１／８であるからであり、特にｔｒｒバラツキの大きい高速ダイオードを使用する時に有効である。

以上のように、本実施の形態においては、抵抗３２を配置することで均等に分圧され、ｔｒｒのスピードに依存することなく、各々の高速ダイオード２９は均等電圧印加されて、ブレイクダウン電圧に達することがなくなり、ブレイクダウン電圧に達することはなくなる。故に、発熱も均等になり、冷却風の当て方等に特別配慮することなく、安定した動作が可能にできる。

（実施の形態４）
図４は、本発明の実施の形態４における高周波加熱装置の高圧整流回路３３を示している。

図４において、半波整流回路で汎用の高速ダイオード２９を８つ直列に配置して、高耐圧を実現している状態で、各々の高速ダイオード２９に並列に抵抗３２を接続している。汎用の高速ダイオード２９で構成した場合、ｔｒｒのスピードバラツキにて、各々の高速ダイオード２９が負担する損失割合が、異なってくる。すなわち、ｔｒｒが速いダイオードからブレイクダウン電圧に近づくという特徴を有している。故に発熱もアンバランスになる。

これは、必要な耐圧を確保するために合算した耐圧は所望の高耐圧であるが各々の汎用の高速ダイオード２９の耐圧は１／８であるからであり、特にｔｒｒバラツキの大きい高速ダイオードを使用する時に有効である。

以上のように、本実施の形態においては、抵抗３２を配置することで均等に分圧されることにより、ｔｒｒのスピードに依存することなく、各々の高速ダイオード２９は、均等電圧印加されて、ブレイクダウン電圧に達することはなくなり、発熱も均等になり冷却風の当て方等に特別配慮することなく安定した動作が可能にできる。

（実施の形態５）
図５は、本発明の実施の形態５における高周波加熱装置の高圧整流回路３４の構成を示している。

図５において、昇圧トランス６の側面に、高圧整流回路３４を構成することで、高周波加熱装置としての省スペース化を実現している。そして、高圧ダイオードとして、子基板上で、汎用の高速ダイオード２９を複数個直列に構成することにより、これを実現している。

以上のように、本実施の形態においては、汎用の高速ダイオード２９にて複数個の直列で構成された高圧整流回路３４の配置は、昇圧トランス６の側面に取り付けられていることで、高周波加熱装置としての省スペース化を実現するとともに、高圧ダイオードとして、子基板上で、汎用の高速ダイオード２９を複数個直列に構成することで、安価で放熱性能を向上させた構成を継承しながら、省スペース化を実現できる。

以上のように、本発明の高周波加熱装置によれば、高圧整流回路で用いるカスタム品の高圧ダイオードを汎用の高速ダイオードを複数個の直列で構成することで安価に高耐圧を実現でき且つ、各々の高速ダイオードはパッケージとリード端子を有するため放熱性能の向上も実現できる。

１ 商用電源
２ 整流器
８ マグネトロン
１３ １次巻線
１４ 制御回路部
１５ ２次巻線
１６ カソード部（フィラメント部）
１７ アノード部
１８ インバータ電源
１９ マイコン
２１ 高圧ダイオード
２２ 高圧ダイオード
２８、３０、３１、３３、３４ 高圧整流回路
２９ 高速ダイオード
３２ 抵抗

Claims (5)

1. 交流電源と前記交流電源を整流素子にて全波整流する整流回路と、少なくとも１個の半導体スイッチング素子と、前記整流素子と前記半導体スイッチング素子とを取り付けた放熱板と、前記半導体スイッチング素子をオン・オフすることにより前記整流回路からの電圧を高周波電圧に変換するインバータ部と、前記インバータ部の出力電圧を昇圧する昇圧トランスと、前記昇圧トランスの出力電圧を全波倍電圧整流する高圧整流回路と、前記高圧整流回路の出力を電磁波として放射するためのマグネトロンとを具備する高周波加熱装置において、
   前記高圧整流回路に使用する高圧ダイオードは汎用の高速ダイオードにて複数個の直列で基板上に構成され、前記複数個の高速ダイオードは各々の前記高速ダイオードが１チップ構成であり放熱材となる各パッケージと前記各パッケージから露出したリード線で接続されたリード端子とを有したことを特徴とする高周波加熱装置。
2. 前記昇圧トランスの出力電圧は半波整流する高圧整流回路であることを特徴とする請求項１記載の高周波加熱装置。
3. 前記高圧整流回路に使用される各々の高速ダイオードへ並列に抵抗を配置して印加電圧を均等とし、かつ基板に半田付けされたことを特徴とする請求項１記載の高周波加熱装置。
4. 前記昇圧トランスの出力電圧は半波整流する高圧整流回路であることを特徴とする請求項３記載の高周波加熱装置。
5. 前記汎用の高速ダイオードにて複数個の直列で構成された高圧整流回路の配置は、前記昇圧トランスの側面に屈曲した配列で取り付けられていることを特徴とする請求項１記載の高周波加熱装置。