JP6143815B2 - 電力変換装置、及び誘導加熱調理器 - Google Patents
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Description
しかしながら、負荷回路へ供給する電流がスイッチング素子の定格よりも大幅に低い場合、スイッチング素子の通電時における損失が大きくなり、入力電力に対する出力電力の比である効率が低くなる、という問題点があった。
(構成)
図1は、実施の形態1に係る誘導加熱調理器を示す分解斜視図である。
図1に示すように、誘導加熱調理器100の上部には、鍋などの被加熱物5が載置される天板4を有している。天板4には、被加熱物5を誘導加熱するための加熱口として、第一の加熱口1、第二の加熱口2、第三の加熱口3とを備え、各加熱口に対応して、第一の加熱手段11、第二の加熱手段12、第三の加熱手段13を備えており、それぞれの加熱口に対して被加熱物5を載置して誘導加熱を行うことができるものである。
本実施の形態1では、本体の手前側に左右に並べて第一の加熱手段11と第二の加熱手段12が設けられ、本体の奥側ほぼ中央に第三の加熱手段13が設けられている。
なお、各加熱口の配置はこれに限るものではない。例えば、3つの加熱口を略直線状に横に並べて配置しても良い。また、第一の加熱手段11の中心と第二の加熱手段12の中心との奥行き方向の位置が異なるように配置しても良い。
また、操作部40の近傍には、報知手段42として、誘導加熱調理器100の動作状態や操作部40からの入力及び操作内容等を表示する表示部41a、表示部41b、及び表示部41cが設けられている。なお、操作部40a〜40cと表示部41a〜41cは加熱口毎に設けられている場合や、加熱口を一括して操作部40と表示部41を設ける場合や、操作部40と表示部41を兼ねた表示操作部43を設ける場合など、特に限定するものではない。
なお、第一の加熱手段11、第二の加熱手段12、及び第三の加熱手段13の少なくとも1つを、例えば輻射によって加熱するタイプの電気ヒータ(例えばニクロム線やハロゲンヒータ、ラジエントヒータ)で構成してもよい。
この図2は、図1における誘導加熱調理器100の第一の加熱口1の第一の加熱手段11の表示操作部43に対応する部分の拡大図である。表示操作部43は、操作部40aと表示部41aとを備えている。操作部40aは、入切スイッチ401a、火力スイッチ402a、3kWキー403aを備えている。なお、以下の説明においては、加熱コイルに投入される電力を火力と称する。
火力スイッチ402aは、火力レベルを入力するスイッチであり、左右キーにて「1」から「8」までの火力レベルを設定する。
3kWキー403aは、第一の加熱手段11の火力を、ワンタッチで最大火力(ここでは3kW)に設定するスイッチである。
表示部41aの表示部分の下部には、発光ダイオードが配置され、投入可能範囲および投入火力レベルを発光ダイオードの点灯によって行う構成となっている。発光ダイオードの点灯は、例えば、スタンバイ時に青色点灯し、火力投入時には火力投入レベルに応じて赤色点灯で表示する構成としている。
なお、電力変換装置50は加熱手段毎に設けられているが、その回路構成は同一であっても良いし、加熱手段毎に変更しても良い。図3では1つの電力変換装置50のみを図示する。図3に示すように、電力変換装置50は、直流電源回路22と、インバータ回路23とを備える。この電力変換装置50の出力側には、加熱コイル11a及び共振コンデンサ24aが直列接続された負荷回路(共振回路)が接続される。
6個のIGBT23a〜23fのうち、直流電源回路22のリアクタ22bと平滑コンデンサ22cの接続点と接続されるIGBT23a、23c、23eを上アームと呼ぶ。また、直流電源回路22の平滑コンデンサ22cとダイオードブリッジ22aの接続点と接続されるIGBT23b、23d、23fを下アームと呼ぶ。なお、直流電源回路22のリアクタ22bと平滑コンデンサ22cの接続点は母線電圧の正側であり、平滑コンデンサ22cとダイオードブリッジ22aの接続点は母線電圧の負側となる。
また、上アームを構成するIGBTの1つと下アームを構成するIGBTの1つの組を1つのアームと称する。
また、本実施の形態1では、アームの数が3つの場合を説明するが、本発明はこれに限らず2つ以上の任意のアーム数でよい。
スイッチング素子にワイドバンドギャップ半導体を用いることで、スイッチング素子の通電損失を減らすことができ、またインバータ回路の耐熱特性が良好であるため、電力変換装置の放熱フィンを小型にすることができ、電力変換装置の小型化および低コスト化を実現することができる。
なお、コイル電流は、本発明における「負荷電流」に相当する。
即ち、上アームを構成するIGBT23a、23c、23eが並列に接続されている。また、下アームを構成するIGBT23c、23d、23fが並列に接続されている。また、上アームと下アームとが直列に接続され、上アームと下アームとの接続点に加熱コイル11aが接続されている。
図4に示すように、インバータ回路23は、IGBT23a〜23fを含む素子が内蔵され、絶縁樹脂等によってモールディングされたパワーモジュールによって構成されている。
パワーモジュールには、制御部45から各IGBTへの駆動信号等の制御信号が入力される制御端子230と、直流電源回路22の正負の出力母線及び負荷回路に接続される電力端子231とが設けられている。また、電力端子231の間が接続されることで複数のIGBTが並列に接続される。
なお、パワーモジュールは、本発明における「モジュール」に相当する。
図5に示すように、インバータ回路23を構成するパワーモジュール内には、IGBT23a〜23fが並んで配置されている。なお、図5に示す配置例は一例であり、これに限定されない。
次に、本実施の形態1における誘導加熱調理器100の動作について説明する。
制御部45は、インバータ回路23のIGBT23a〜23fに、例えば20kHz〜100kHz程度の高周波の駆動信号を入力し、IGBTの上アームおよび下アームを交互にオンオフのスイッチングをさせることで加熱コイル11aと共振コンデンサ24aで構成される負荷回路に高周波電流を供給する。
以下、図6の各ステップに基づき説明する。
(S1)
制御部45は、コイル電流検出手段25bの出力信号からコイル電流を検出し、検出したコイル電流の電流値が第1閾値未満であるか否かを判定する。この第1閾値は、例えば、1つのIGBTの定格電流相当の値に設定する。
コイル電流の電流値が第1閾値未満である場合、制御部45は、インバータ回路23の3つのアームのうち、1つのアームのみを駆動する。即ち、上アームを構成するIGBT23a、23c、23eのうちの1つと、下アームを構成するIGBT23b、23d、23fのうちの1つを交互にオンオフさせる。
コイル電流の電流値が第1閾値以上である場合、制御部45は、コイル電流検出手段25bによって検出したコイル電流の電流値が第2閾値未満であるか否かを判定する。この第2閾値は、第1閾値よりも大きい値に設定する。また、第2閾値は、並列に接続された全てIGBTの定格電流相当の合計値よりも小さい値に設定する。例えば、第2閾値は、2つのIGBTの定格電流相当の合計値に設定する。
コイル電流の電流値が第2閾値未満である場合、制御部45は、インバータ回路23の3つのアームのうち、2つのアームを駆動する。即ち、上アームを構成するIGBT23a、23c、23eのうちの2つと、下アームを構成するIGBT23b、23d、23fのうちの2つを交互にオンオフさせる。
コイル電流の電流値が第2閾値以上である場合、制御部45は、インバータ回路23の3つのアームの全てを駆動する。即ち、上アームを構成するIGBT23a、23c、23eの全てと、下アームを構成するIGBT23b、23d、23fの全てを交互にオンオフさせる。
また、コイル電流が中間レベルの場合は、2つのアームを通電するように制御部45から駆動信号を出力する。例えば、IGBT23a、23b、23e、23fを通電するように制御部45から駆動信号を出力する。
また、コイル電流が高い場合は、3つのアームの全てを通電するように制御部45から駆動信号を出力する。
ここで、並列に接続された複数のIBGTのうちの一部のみを駆動する場合、複数のIGBTのそれぞれの温度が不均一になる場合がある。このようなことから、上述したステップS2及びステップS4のあと、制御部45は、駆動するスイッチング素子の切り替え動作を行う。つまり、制御部45は、並列に接続された複数のスイッチング素子のうち一部のスイッチング素子を駆動する際、駆動するスイッチング素子の切り替え動作を行う。以下、具体例を説明する。
制御部45は、複数のIGBTのうち一部のIGBTを駆動する際、駆動するIGBTを、時間の経過と共に順次切り替える。例えば、1つのアームを駆動する場合、予め設定した経過時間ごとに、駆動するアームを順次切り替える。
なお、切り替える順番は、例えば、パワーモジュールにおける配置において、一方の端部、中央、他方の端部の順で順次切り替えても良いし、ランダムに選択しても良い。
制御部45は、複数のIGBTのうち一部のIGBTを駆動する際、IGBTを駆動する駆動制御と、複数のIGBTの駆動を全て停止させる停止制御とを交互に切り替える。
例えば、ステップS2において1つのアームを駆動する場合には、コイル電流が低い状態であることから、連続して高周波電力を供給する必要性が低い加熱動作である。つまり、短時間であれば、供給電力をゼロにしても調理性能に問題はない。そのため、制御部45は、一定時間の間、1つのアームを通電するようにIGBTに駆動信号を出力した後、例えば0.1秒程度の短時間の間、全てのIGBTに対する駆動信号を停止する停止制御を行う。その後、再び、一定時間の間、1つのアームを通電するようにIGBTに駆動信号を出力し、上記動作を繰り返す。
このように、駆動制御と停止制御とを交互に切り替えることで、IGBTの温度上昇を抑制することができる。なお、停止制御のあと駆動制御を再開させる際に、駆動するアームを順次切り替えても良い。
図7は、実施の形態1に係る誘導加熱調理器の動作を説明する模式図である。
図7においては、IGBTの駆動パターンを模式的に示しており、駆動制御を行うIGBTを斜線で示し、駆動制御を行わないIGBTを白色で示す。
制御部45は、複数のIGBTのうち2つ以上のIGBTを駆動する際、配置の中央を基準にして対称となる位置に配置された2つ以上のIGBTを駆動する。
例えば、インバータ回路23を構成するパワーモジュール内のIGBTの配置が図7に示すような配置である場合、IGBT23cとIGBT23dとの間が配置の中央となる。
図7(a)に示すように、制御部45は、IGBT23c、23dを交互にオンオフさせる駆動制御を一定時間行ったあと、図7(b)に示すように、IGBT23a、23fを交互にオンオフさせる駆動制御を一定時間行う。次に、図7(c)に示すように、制御部45は、IGBT23e、23dを交互にオンオフさせる駆動制御を一定時間行う。そして、図7(d)に示すように、再び制御部45は、再び、IGBT23c、23dを交互にオンオフさせる駆動制御を一定時間行う。以降、上記の動作を順次切り替える。
このように、IGBTの配置の中央を基準にして対称となる位置に配置されたIGBTを駆動することで、温度分布の均一化を図ることができる。
このように、複数のアームのうちの一部のアームを駆動する際に、駆動させるアームのIGBTを適切に設定することで、複数のIGBTの温度分布の均一化を図ることが可能となる。よって、IGBTを収納したパワーモジュールの温度上昇を抑制した高効率な誘導加熱調理器を得ることができる。
これにより、コイル電流が閾値近傍で増減した場合に、通電するアームの数の切り換えが頻繁に発生することを防止することができる。
上記の説明では、コイル電流に基づき駆動するアームの数を選択する場合を説明したが、直流電源回路22へ入力される入力電流を用いても良い。
前述の通り、投入電力と加熱コイル11aに流れるコイル電流はほぼ比例関係にあり、また投入電力と直流電源回路22へ入力される入力電流は比例関係にある。このことから、入力電流とコイル電流もほぼ比例関係が成立する。
このため、制御部45は、入力電流検出手段25aの出力信号から入力電流を検出し、上述したステップS1、S3において、検出した入力電流の値を用いて、第1閾値と第2閾値との比較を行ってもよい。なお、この場合、第1閾値及び第2閾値は、入力電流に則した値に設定する。
また、入力電流が中間レベルの場合は、2つのアームを通電するように制御部45から駆動信号を出力する。例えば、IGBT23a、23b、23e、23fを通電するように制御部45から駆動信号を出力する。
また、入力電流が高い場合は、3つのアームの全てを通電するように制御部45から駆動信号を出力する。
このような動作においても、回路損失の増加を抑制した高効率な誘導加熱調理器を得ることができる。
なお、誘導加熱調理器100においては、投入電力を演算するために入力電流検出手段25aが必要となるため、省略しないことが望ましい。すなわち、操作部40で設定した火力は、投入電力を可変することで火力制御を実現している。投入電力は、交流電源21の電圧と入力電流を積算することで演算しており、入力電流検出手段25aが必要となる。
他の例として、表示操作部43で設定した設定火力に応じ、駆動するアームの数を選択しても良い。
図2に示す火力スイッチ402aで火力レベルを設定しており、制御部45は設定火力に応じて投入する電力を制御している。設定火力の大小と投入電力の大小は類似関係にあり、火力が大きいときは電力も大きく、火力が小さいときは電力も小さくなる。
このため、制御部45は、設定火力が小さいほど、複数のIGBTのうち駆動するIGBTの数を少なくするようにしても良い。
例えば、設定火力が1〜3の場合はコイル電流が低いため、1つのアームのみ通電するように制御部45から駆動信号を出力する。また、設定火力が4〜6の場合は、2つのアームを通電するように制御部45から駆動信号を出力する。また、設定火力が7、8および3kWの場合は、3つのアームの全てを通電するように制御部45から駆動信号を出力する。
このような動作においても、回路損失の増加を抑制した高効率な誘導加熱調理器を得ることができる。
このため、インバータ回路23の損失を低減させることができ、効率を向上することができる。
本実施の形態2においては、ダイオードブリッジ22aの発熱も考慮して駆動するIGBTを選択する動作について説明する。なお、本実施の形態2における誘導加熱調理器100の構成は上記実施の形態1と同様であり、同一部分には同一の符号を付する。以下、実施の形態1との相違点を中心に説明する。
図9は、実施の形態2に係る誘導加熱調理器のインバータ回路とダイオードブリッジとの配置関係を示す模式図である。
図8、図9に示すように、インバータ回路23を構成するパワーモジュールと、直流電源回路22を構成する半導体素子であるダイオードブリッジ22aは、アルミなどで構成される放熱フィン30に固定されている。冷却ファンなどを用いて放熱フィン30に冷却風をあてることでインバータ回路23及びダイオードブリッジ22aを所定温度以下になるように冷却している。
そこで、本実施の形態2における制御部45は、複数のIGBTのうち一部のIGBTを駆動する際、ダイオードブリッジ22aから遠いIGBTを駆動し、ダイオードブリッジ22aに近いIGBTの駆動を停止させる。
つまり、1つのアームを駆動する場合には、IGBT23a、23bを通電するように制御部45から駆動信号を出力する。また、2つのアームを駆動する場合には、IGBT23a〜23dを通電するように制御部45から駆動信号を出力する。
図10は、実施の形態2に係る誘導加熱調理器のインバータ回路とダイオードブリッジとの配置関係を示す模式図である。
上記の説明では、複数のIGBTを格納したパワーモジュールでインバータ回路23を構成する場合を説明したが、パワーモジュールを使用せずに、IGBT単体の素子を複数並べて配置しても良い。
例えば、図10に示すように、単体の素子としてのIGBT23a〜23fと、ダイオードブリッジ22aとを並べて配置してもよい。
本実施の形態3においては、インバータ回路23の温度分布を検出して駆動するIGBTを選択する動作について説明する。なお、本実施の形態3における誘導加熱調理器100の構成は上記実施の形態1と同様であり、同一部分には同一の符号を付する。以下、実施の形態1との相違点を中心に説明する。
図11に示すように、インバータ回路23を構成するパワーモジュールの表面には、温度検知手段26が設けられている。
温度検知手段26は、サーミスタや赤外線温度センサなど任意のセンサによって構成される。この温度検知手段26は、複数のIGBTのうちの2つ以上のIGBTの近傍に配置され、配置箇所の温度を検出し、検出した温度に応じた信号を制御部45に出力する。
例えば、図11に示す例において、1つのアームを駆動する場合、IGBT23aの温度が、IGBT23eの温度よりも低い場合には、IGBT23aとIGBT23bとを交互にオンオフ動作させる。一方、IGBT23aの温度が、IGBT23eの温度よりも高い場合には、IGBT23eとIGBT23fとを交互にオンオフ動作させる。
本実施の形態4においては、被加熱物5の材質を考慮して駆動するIGBTを選択する動作について説明する。なお、本実施の形態3における誘導加熱調理器100の構成は上記実施の形態1と同様であり、同一部分には同一の符号を付する。以下、実施の形態1との相違点を中心に説明する。
図12において、符号Aで示すグラフと、符号Bで示すグラフは、それぞれ異なる材質の被加熱物5を加熱した際のコイル電流と入力電流の関係を示している。
図12に示すように、被加熱物5の材質にかかわらず、コイル電流の増加に伴い入力電流も増加する比例関係が成立している。しかしながら、被加熱物5の材質によって、コイル電流の絶対値に違いが生じる。つまり、加熱コイル11aのインダクタンスは被加熱物5が磁気結合した際に被加熱物5の材質の特性に応じて変化し、被加熱物5の材質によってコイル電流に違いが生じる。
このようなことから、本実施の形態4における制御部45は、被加熱物5の材質に応じて設定した閾値とコイル電流とを比較して、駆動するアームの数を決定する。
使用者により加熱口に被加熱物5が載置され、加熱開始の指示が操作部40に行われると、制御部45は負荷判定処理を行う。
ここで、負荷となる被加熱物5の材質は、鉄やSUS430等の磁性材と、SUS304等の高抵抗非磁性材と、アルミや銅等の低抵抗非磁性材と、に大別される。
なお、本実施の形態4における制御部45は、本発明の「負荷判定手段」の機能を含んでいる。
次に、制御部45は、上記実施の形態1の図6に示した動作により、駆動するアームの数を選択する動作を行う。
ここで、本実施の形態4においては、図6のステップS1で用いる第1閾値と、ステップS3で用いる第2閾値を、被加熱物5の材質に基づいて設定する。
例えば、被加熱物5の材質ごとに第1閾値と第2閾値との関係を予めテーブル化した情報を記憶し、上述した負荷判定処理の判定結果に基づいて対応する第1閾値及び第2閾値を設定する。
なお、その他のステップは上記実施の形態1の動作と同様である。
よって、このため、回路損失の増加を抑制した高効率な誘導加熱調理器を得ることができる。
図14に示すように、フルブリッジ型のインバータ回路23は、直流電源回路22の出力母線間に上アーム及び下アームを直列に接続した一対のアームを少なくとも2つ有している。すなわち、IGBT23a、23c、23eが並列に接続され上アームを構成し、IGBT23b、23d、23fが並列に接続され下アームを構成し、この上アーム及び下アームが直列に接続され一対のアームを構成している。また、IGBT23g、23i、23kが並列に接続され上アームを構成し、IGBT23h、23j、23lが並列に接続され下アームを構成し、この上アーム及び下アームが直列に接続され一対のアームを構成している。そして、上アームと下アームとのそれぞれの接続点に負荷回路が接続されている。
このようなフルブリッジ型のインバータ回路23においても、並列に接続した複数のIGBTの駆動動作について上述した発明思想を適用することができる。
図15に示すように、電圧共振型のインバータ回路23は、並列に接続したIGBT23a〜cを有し、加熱コイル11aと共振コンデンサ24aとが並列接続された負荷回路と直列に接続されている。
このような電圧共振型のインバータ回路23においても、並列に接続した複数のIGBTの駆動動作について上述した発明思想を適用することができる。
Claims (12)
- 交流電力を整流して直流電力に変換する直流電源回路と、
前記直流電源回路の直流電力を交流電力に変換して負荷回路に出力するインバータ回路と、
前記インバータ回路を制御する制御部と、
を備え、
前記インバータ回路は、並列に接続した複数のスイッチング素子を有し、
前記複数のスイッチング素子は、それぞれ並んで配置され、
前記制御部は、
前記直流電源回路へ入力される入力電流又は前記負荷回路に流れる負荷電流が少ないほど、前記複数のスイッチング素子のうち駆動する前記スイッチング素子の数を少なくし、
前記複数のスイッチング素子のうち2つ以上の前記スイッチング素子を駆動する際、
前記配置の中央を基準にして対称となる位置に配置された2つ以上の前記スイッチング素子を駆動する
ことを特徴とする電力変換装置。 - 2つ以上の前記スイッチング素子の温度を検出する温度検知手段を備え、
前記制御部は、
前記複数のスイッチング素子のうち一部の前記スイッチング素子を駆動する際、
温度が低い前記スイッチング素子を駆動し、温度が高い前記スイッチング素子の駆動を停止させる
ことを特徴とする請求項1に記載の電力変換装置。 - 交流電力を整流して直流電力に変換する直流電源回路と、
前記直流電源回路の直流電力を交流電力に変換して負荷回路に出力するインバータ回路と、
前記インバータ回路を制御する制御部と、
を備え、
前記インバータ回路は、並列に接続した複数のスイッチング素子を有し、
前記インバータ回路は、前記直流電源回路と並んで配置され、
前記制御部は、
前記直流電源回路へ入力される入力電流又は前記負荷回路に流れる負荷電流が少ないほど、前記複数のスイッチング素子のうち駆動する前記スイッチング素子の数を少なくし、
前記複数のスイッチング素子のうち一部の前記スイッチング素子を駆動する際、
前記直流電源回路から遠い前記スイッチング素子を駆動し、前記直流電源回路に近い前記スイッチング素子の駆動を停止させる
ことを特徴とする電力変換装置。 - 前記インバータ回路及び前記直流電源回路は、一つの放熱フィンに並んで配置された
ことを特徴とする請求項1又は3に記載の電力変換装置。 - 前記制御部は、
前記複数のスイッチング素子のうち一部の前記スイッチング素子を駆動する際、
駆動する前記スイッチング素子を、時間の経過と共に順次切り替える
ことを特徴とする請求項1〜4のいずれか1項に記載の電力変換装置。 - 前記制御部は、
前記複数のスイッチング素子のうち一部の前記スイッチング素子を駆動する際、
前記スイッチング素子を駆動する駆動制御と、前記複数のスイッチング素子の駆動を全て停止させる停止制御とを交互に切り替える
ことを特徴とする請求項1〜5のいずれか1項に記載の電力変換装置。 - 前記インバータ回路は、
前記直流電源回路の出力母線間に上アーム及び下アームを直列に接続したハーフブリッジインバータ回路により構成され、
前記上アーム及び前記下アームは、並列に接続した前記複数のスイッチング素子を、それぞれ有する
ことを特徴とする請求項1〜6の何れか一項に記載の電力変換装置。 - 前記インバータ回路は、
前記直流電源回路の出力母線間に上アーム及び下アームを直列に接続した一対のアームを少なくとも2つ有するハーフブリッジインバータ回路により構成され、
前記上アーム及び前記下アームは、並列に接続した前記複数のスイッチング素子を、それぞれ有する
ことを特徴とする請求項1〜6の何れか一項に記載の電力変換装置。 - 前記複数のスイッチング素子は、1つのモジュールに収納された
ことを特徴とする請求項1〜8の何れか一項に記載の電力変換装置。 - 請求項1〜9の何れか一項に記載の電力変換装置と、
前記電力変換装置から交流電力が供給され、被加熱物を誘導加熱する加熱コイルと、を備えた
ことを特徴とする誘導加熱調理器。 - 前記被加熱物の材質を判定する負荷判定手段を備え、
前記制御部は、
前記負荷判定手段の判定結果に基づいて設定した1つ又は複数の閾値と、前記負荷電流とを比較して、前記複数のスイッチング素子のうち駆動する前記スイッチング素子の数を決定する
ことを特徴とする請求項10に記載の誘導加熱調理器。 - 設定火力の操作を入力する操作部を備え、
前記制御部は、
前記設定火力が小さいほど、前記複数のスイッチング素子のうち駆動する前記スイッチング素子の数を少なくする
ことを特徴とする請求項10又は11に記載の誘導加熱調理器。
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