JP6820518B2 - インバータ装置およびその制御方法 - Google Patents

Description

本開示は、トッププレート上に載置された金属製の調理用鍋等の被加熱物を誘導加熱する誘導加熱調理器等に用いられるインバータ装置およびその制御方法に関する。

インバータ装置を備えて一般的に用いられている誘導加熱調理器においては、高周波コイルがトッププレートの直下に配設されており、当該高周波コイルからの磁界によりトッププレート上に載置された被加熱物である金属製の調理用鍋等を誘導加熱するよう構成されている。

このような誘導加熱調理器では、電源から供給される電力をスイッチング素子等で構成されるインバータによって高周波電流を高周波コイルに供給することによって磁界を発生させ、調理用鍋を加熱している。従来の誘導加熱調理器においては、インバータに供給される電力を検出する電流センサが調理用鍋を加熱する電力を制御するために用いられている。

同一の電源から複数の負荷へ電力を供給する場合、複数のインバータのそれぞれに電流センサを設ける必要があるため、機器が大型化するという課題があった（特許文献１参照。）。また、複数の負荷に対して同一の電源から電力を供給する構成においては、電源電圧を平滑して電源からの電力を充電するコンデンサの電圧を検出し、その電圧減少値から各負荷への供給電力を検出する方式を用いる場合があった。このような場合には、コンデンサに充電された電力が各々の負荷への供給電力となるため、複数の負荷に電力を供給する各インバータは同一周波数で駆動し、コンデンサからの電力が１つの負荷にのみ供給されるよう構成する必要があった。

特開２０１０−５５８７３号公報

既述のように機器の小型化と低廉化のために、電源を安定化させるコンデンサの電圧減少値から負荷に対する供給電力を検出する場合には、前述のように、インバータの駆動周波数を変更して電力を制御することができないため、負荷に対する供給電力の制御範囲は大幅に限定されていた。この結果、従来のインバータ装置においては、負荷が必要とする電力を十分に供給することができない場合があった。また、高周波コイルやコンデンサ等の構成部品のばらつきによって共振周波数がずれた場合には、制御しようとした電力と実際に供給される電力にずれが生じ、思い通りの調理性能を示す機器が得られないという課題を有していた。

本開示は、機器の小型化と低廉化を図り、負荷に必要な電力を十分に供給することができるインバータ装置およびその制御方法を提供することを目的とするものであり、当該インバータ装置を誘導加熱調理器に用いた場合には思い通りの調理性能を示す機器の構成を可能とするものである。

本開示における一態様のインバータ装置は、電源部と、前記電源部の電圧を安定化させるコンデンサと、前記コンデンサの充電電圧を検出する電力検出部と、前記コンデンサの電力を高周波コイルに供給するスイッチング素子を含んで構成される複数のインバータと、前記インバータを駆動制御する制御部と、を有し、
前記複数のインバータは前記制御部によって異なる周波数で駆動されるよう構成され、
前記電力検出部は前記コンデンサの電圧減少値から前記高周波コイルで消費された電力を検知するよう構成され、
前記電力検出部による電力検知のタイミングは、前記複数のインバータを構成するスイッチング素子のオン状態が重ならないときのオン時間で行うよう構成されている。

本開示における一態様のインバータ装置の制御方法は、電源部と、前記電源部の電圧を安定化させるコンデンサと、前記コンデンサの充電電圧を検出する電力検出部と、前記コンデンサの電力を高周波コイルに供給するスイッチング素子を含んで構成される複数のインバータと、前記インバータを駆動制御する制御部と、を有して構成されるインバータ装置の制御方法であって、
前記複数のインバータが異なる周波数で駆動され、
前記電力検出部が前記コンデンサの電圧減少値から前記高周波コイルで消費された電力を検知し、
前記電力検出部による電力検知のタイミングが、前記複数のインバータを構成するスイッチング素子のオン状態が重ならないときのオン時間で行う、ことを含むものである。

本開示におけるインバータ装置およびその制御方法は、インバータの駆動周波数を自由に変更することで電力制御領域が狭くなることがなく、同一電源の電圧を安定化させるコンデンサの電圧減少値を検出することにより、複数の負荷に供給される各電力を容易に算出することができ、機器の小型化と低廉化が可能となる装置を提供するものである。

本開示に係る実施の形態１のインバータ装置の構成を示すブロック図 比較例としてのインバータ装置の構成を示すブロック図 インバータ装置において、コンデンサ電圧と複数のインバータの動作とを示す波形図 インバータ装置において、コンデンサ電圧と複数のインバータの動作とを示す波形図 本開示に係る実施の形態３のインバータ装置および負荷側の構成を示すブロック図

本開示に係る第１の態様のインバータ装置は、電源部と、前記電源部の電圧を安定化させるコンデンサと、前記コンデンサの充電電圧を検出する電力検出部と、前記コンデンサの電力を高周波コイルに供給するスイッチング素子を含んで構成される複数のインバータと、前記インバータを駆動制御する制御部と、を有し、
前記複数のインバータは前記制御部によって異なる周波数で駆動されるよう構成され、
前記電力検出部は前記コンデンサの電圧減少値から前記高周波コイルで消費された電力を検知するよう構成され、
前記電力検出部による電力検知のタイミングは、前記複数のインバータを構成するスイッチング素子のオン状態が重ならないときのオン時間で行うよう構成されている。

上記のように構成された第１の態様のインバータ装置は、高価で機器の大型化を招く電流センサを用いることなく電力を検知することができ、さらには複数のインバータが異なる周波数で駆動することが可能なために電力の制御範囲が広く機器の性能を引き出すことができる装置となる。

本開示に係る第２の態様のインバータ装置においては、前記の第１の態様における前記制御部は、前記複数のインバータにおける１つのインバータの駆動周波数を固定して駆動制御し、他のインバータの駆動周波数を前記１つのインバータの駆動周波数と同期がとれる離散的な値に設定するよう構成してもよい。

上記のように構成された第２の態様のインバータ装置は、電力を正しく検知することができるタイミングを定期的に発生させるように、インバータの駆動周波数を制御することにより、電力検知の検知頻度を一定とし、安定した電力に制御することが可能となる。

本開示に係る第３の態様のインバータ装置は、前記の第２の態様において、前記１つのインバータの固定された駆動周波数が、前記他のインバータの駆動周波数よりも低い周波数に設定されてもよい。

上記のように構成された第３の態様のインバータ装置は、周波数の変更が必要な負荷を高い駆動周波数で駆動することでより自由度の高い制御が可能となる。

本開示に係る第４の態様のインバータ装置は、前記の第１の態様における前記制御部が、前記複数のインバータにおける一方のインバータの駆動周波数を他方のインバータの駆動周波数の倍数となるように制御するよう構成してもよい。

上記のように構成された第４の態様のインバータ装置は、電力を正しく検出することができるタイミングが発生しやすい周波数で電力制御を行うことによって電力検知を実施できる回数を増やすことができ、安定した電力に制御することが可能となる。

本開示に係る第５の態様のインバータ装置の制御方法は、電源部と、前記電源部の電圧を安定化させるコンデンサと、前記コンデンサの充電電圧を検出する電力検出部と、前記コンデンサの電力を高周波コイルに供給するスイッチング素子を含んで構成される複数のインバータと、前記インバータを駆動制御する制御部と、を有して構成されるインバータ装置の制御方法であって、
前記複数のインバータが異なる周波数で駆動され、
前記電力検出部が前記コンデンサの電圧減少値から前記高周波コイルで消費された電力を検知し、
前記電力検出部による電力検知のタイミングが、前記複数のインバータを構成するスイッチング素子のオン状態が重ならないときのオン時間で行う、ことを含む。

上記の第５の態様のインバータ装置の制御方法は、高価で機器の大型化を招く電流センサを用いることなく電力を検知することができ、さらには複数のインバータが異なる周波数で駆動することが可能なために電力の制御範囲が広く機器の性能を引き出すことができる。

本開示に係る第６の態様のインバータ装置の制御方法は、前記の第５の態様において、前記複数のインバータにおける１つのインバータの駆動周波数を固定して駆動制御し、他のインバータの駆動周波数を前記１つのインバータの駆動周波数と同期がとれる離散的な値に設定する、ことを含むものでもよい。

上記の第６の態様のインバータ装置の制御方法は、電力を正しく検知することができるタイミングを定期的に発生させるように、インバータの駆動周波数を制御することにより、電力検知の検知頻度を一定とし、安定した電力に制御することが可能となる。

本開示に係る第７の態様のインバータ装置の制御方法は、前記の第６の態様において、前記１つのインバータの固定された駆動周波数を、前記他のインバータの駆動周波数よりも低い周波数に設定してもよい。

上記のように構成された第７の態様のインバータ装置の制御方法は、周波数の変更が必要な負荷を高い駆動周波数で駆動することでより自由度の高い制御が可能となる。

本開示に係る第８の態様のインバータ装置の制御方法は、前記の第５の態様において、前記複数のインバータにおける一方のインバータの駆動周波数を他方のインバータの駆動周波数の倍数となるように制御してもよい。

上記のように構成された第８の態様のインバータ装置の制御方法は、電力を正しく検出することができるタイミングが発生しやすい周波数で電力制御を行うことによって電力検知を実施できる回数を増やすことができ、安定した電力に制御することが可能となる。

以下、本開示に係るインバータ装置およびその制御方法の一実施の形態について、適宜図面を参照しながら詳細に説明する。実施の形態の説明においては、例えば、既に良く知られた事項の詳細説明や実質的に同一の構成に対する重複説明を省略する場合がある。これは、以下の説明が不必要に冗長になるのを避け、当業者の理解を容易にするためである。

なお、発明者は、当業者が本開示を十分に理解するために添付図面および以下の説明を提供するものであって、これらによって特許請求の範囲に記載の主題を限定することを意図するものではない。

以下の実施の形態のインバータ装置およびその制御方法においては、インバータ装置を誘導加熱調理器に用いた構成について説明するが、この構成は例示であり、本開示は、以下の実施の形態において説明する構成に限定されるものではなく、本開示の技術的特徴を有するインバータ装置を含むものである。また、本開示には、以下に述べる各実施の形態において説明する任意の構成を適宜組み合わせることを含むものであり、組み合わされた構成においてはそれぞれの効果を奏するものである。

（実施の形態１）
図１は、本開示に係る実施の形態１のインバータ装置の構成を示す制御ブロック図である。図１に示すように、実施の形態１のインバータ装置は、電力を供給する電源部１と、電源部１の電圧を平滑して安定化させるコンデンサ２と、コンデンサ２の電力を複数の高周波コイル３ａ、３ｂに供給するスイッチング素子等で構成される複数のインバータ４ａ、４ｂと、コンデンサ２の電圧から各高周波コイル３ａ、３ｂで消費された電力を検知する電力検出部６と、電力検出部６で検知された電力に基づいてそれぞれのインバータ４ａ、４ｂを制御するマイクロコンピュータ等で構成された制御部７と、を有して構成されている。

なお、実施の形態１のインバータ装置においては、１つの電源部１から２つの負荷５ａ、５ｂに対して、それぞれのインバータ４ａ、４ｂおよび高周波コイル３ａ、３ｂにより電力供給可能な構成で説明するが、本開示のインバータ装置としては２つ以上の複数の負荷のそれぞれに対してインバータおよび高周波コイルを複数設けて電力供給可能な構成とすることを含むものである。

以下、上記のように構成された実施の形態１のインバータ装置における駆動動作について説明する。

［インバータ装置の駆動動作］
電源部１としては、商用の単相１００Ｖまたは２００Ｖの交流電源をダイオードブリッジで直流化した直流電源を用いている。なお、実施の形態１においては、交流電源をダイオードブリッジで直流化した直流電源を用いた例で説明するが、本開示はこのような構成に限定されるものではない。電源部１によって直流化された電力は、コンデンサ２によって平滑化され安定化されている。

コンデンサ２に蓄えられた電力は、インバータ４ａ、４ｂに送られる。それぞれのインバータ４ａ、４ｂは、スイッチング素子、ダイオード、コンデンサ等で構成されている。それぞれのインバータ４ａ、４ｂにおいては、スイッチング素子によって電流経路を切り替えることによって直流の電源を任意の周波数の交流に変換して、交流電源を形成する。

それぞれのインバータ４ａ、４ｂにおいて変換された交流電源は、高周波コイル３ａ、３ｂにそれぞれ供給され、高周波コイル３ａ、３ｂには高周波電流が流れる。高周波電流が流れた高周波コイル３ａ、３ｂにおいては高周波磁界が発生し、高周波コイル３ａ、３ｂの直上のトッププレートに載置された調理用鍋等の負荷５ａ、５ｂには電磁誘導による渦電流が流れる。その結果、負荷５ａ、５ｂである調理用鍋等においては、渦電流が流れることにより生じるジュール熱のために発熱し、調理動作等が行われている。

上記のように、複数の負荷５ａ、５ｂに対して電力を供給して調理動作等を実行させるためには、それぞれの負荷５ａ、５ｂに電気的に接続（磁界結合を含む）された高周波コイル３ａ、３ｂおよびインバータ４ａ、４ｂが必要となる。複数のインバータ４ａ、４ｂに電力を供給する電源部１とコンデンサ２の構成としては、それぞれのインバータ４ａ、４ｂに対応する複数の電源部と複数のコンデンサをそれぞれ設けて対応することは可能である。しかしながら、このような構成では部品点数が多く、大型化するため、装置の小型化および低廉化という重要な課題に逆行するものである。そのため、実施の形態１のインバータ装置においては、図１に示すように１組の電源部１とコンデンサ２で構成される１つの直流電源に対して、複数のインバータ４ａ、４ｂを並列接続して設け、複数の負荷５ａ、５ｂに対して電力を供給するよう構成されている。

実施の形態１のインバータ装置において、それぞれの負荷５ａ、５ｂに対する電力制御は、電力検出部６によってインバータ４ａ、４ｂにおいてコンデンサ２から高周波コイル３ａ、３ｂに供給された電力を検知し、その検知された電力に基づいて制御部７によって行われる。

なお、制御部７としては、マイクロコンピュータ、ＤＳＰ、カスタムＩＣ等で構成されるが、本開示はそれらに限定されるものではない。また、制御部７の制御動作としては、インバータ４ａ、４ｂを構成するスイッチング素子の導通比（デューティ比）の制御、又は駆動周波数の制御を行ってインバータ４ａ、４ｂを制御しているが、本開示はこのようなインバータ制御に限定されるものではなく、他のインバータ制御を行ってもよい。

［電力検出部による電力検知］
以下、実施の形態１のインバータ装置において、電力検出部６がコンデンサ２の充電電圧を検出して、その検出電圧からインバータ４ａ、４ｂにより供給された電力を検知する方法について説明する。

前述のように、従来のインバータ装置においては、同一の電源から複数の負荷へ電力を供給する場合、複数のインバータのそれぞれに電流センサを設けて、それぞれの電流センサによる検出電流に基づいて制御部がそれぞれのインバータに対する制御を行っていた。

図２は、同一の電源から複数の負荷へ電力を供給するインバータ装置において、複数のインバータのそれぞれに電流センサ８ａ、８ｂを設けた構成を比較例として示す制御ブロック図である。図２に示すインバータ装置においては、それぞれのインバータ４ａ、４ｂに対してコンデンサ２から供給される電流を検出する電流センサ８ａ、８ｂがそれぞれ設けられている。

図２に示すインバータ装置において、それぞれの負荷５ａ、５ｂに供給される電力の制御は、それぞれのインバータ４ａ、４ｂに供給される電流が電流センサ８ａ、８ｂにより検出されて、それらの電流センサ８ａ、８ｂによる検出された電流値に基づいて制御部７がインバータ４ａ、４ｂを構成するスイッチング素子を駆動制御することにより実現している。

前述のように、同一の電源に対して複数のインバータ４ａ、４ｂを設けた構成の場合、電流センサ８ａ、８ｂをそれぞれのインバータ４ａ、４ｂに対して設けることにより、それぞれのインバータ４ａ、４ｂを駆動制御することが可能となり、それぞれの負荷５ａ、５ｂに対する電力制御を行うことができる。

しかしながら、インバータ４ａ、４ｂへの入力電流を検出する電流センサ８ａ、８ｂは、高価であり、かつ形状の大きい部品であるため、機器の低廉化と小型化においては阻害要因となっていた。そこで、本開示においては、図１に示した実施の形態１のインバータ装置の構成のように、電流センサを設けることなく、コンデンサ２からインバータ４ａ、４ｂに供給される電力を検出する電力検出部６を設ける構成を提案するものである。

電力検出部６は、コンデンサ２の電圧から高周波コイル３、３ｂに供給される電力を検知する方法である。周期Ｔ[ｓｅｃ］、コンデンサ容量Ｃ[Ｆ］、充電電圧Ｖ_０[Ｖ］、放電後電圧Ｖ_１[Ｖ］、電力Ｐ[Ｗ］とすると、インバータ４ａ、４ｂを構成するスイッチング素子がオン状態となり、コンデンサ２の電力が高周波コイル３ａ、３ｂに供給されてコンデンサ２の電圧がＶ_０からＶ_１まで低下したことを検出すると、そのときにインバータ４ａ、４ｂから高周波コイル３、３ｂに供給された電力Ｐは、下記の（式１）で算出される。

このようにコンデンサ２の電圧を検出することにより、インバータ４ａ、４ｂから高周波コイル３ａ、３ｂに供給された電力Ｐを検知することができ、電流センサを用いることなく電力検出を行うことが可能となる。

上記のように、１組の電源部１とコンデンサ２に対して並列に複数のインバータ４ａ、４ｂを接続して構成された場合、それぞれのインバータ４ａ、４ｂの駆動周波数を同一として、それぞれのインバータ４ａ、４ｂを構成するスイッチング素子のオン状態（オン時間）が重ならないように動作させることにより、それぞれの負荷５ａ、５ｂで消費される電力Ｐを検出することが可能である。

なお、実施の形態１の説明において、インバータ４ａ、４ｂを構成するスイッチング素子がオン状態（オン時間）とは、コンデンサ２の電力が高周波コイル３に流れる電流経路が確保された電力供給状態を示し、この電力供給状態をインバータ４ａ、４ｂのオン状態（オン時間）として説明する。

図３は、それぞれのインバータ４ａ、４ｂが一定の周期Ｔ（同一の駆動周波数）で駆動しており、かつオン状態が重ならないように動作しているときのコンデンサ２の電圧Ｖｃの変位を示す波形図である。図３に示すように、１組の電源部１とコンデンサ２に対して複数のインバータ４ａ、４ｂが一定周期Ｔで駆動し、重ならないように動作している場合には、例えば、一方のインバータ４ａがオン状態となると、コンデンサ２の電圧ＶｃはＶ_０からＶ_１まで降下する。次に、インバータ４ａがオフ状態に移行するとコンデンサ２が充電されて電圧ＶｃはＶ_１からＶ_０に回復する。

他方のインバータ４ｂがオン状態に移行するときには、コンデンサ２の電圧ＶｃはＶ_０まで回復している。他方のインバータ４ｂがオン状態になると、コンデンサ２の電圧ＶｃはＶ_０からＶ_２まで降下する。次に、インバータ４ｂがオフ状態に移行するとコンデンサ２の電圧ＶｃはＶ_２からＶ_０に回復する。図３に示す波形図においては、一方のインバータ４ａのオン状態の時間（オン時間）が、他方のインバータ４ｂのオン時間に比べて短く設定されており、コンデンサ２おける電圧降下した電圧値は異なっている（Ｖ_１＞Ｖ_２）。

上記のように、それぞれのインバータ４ａ、４ｂが一定の周期Ｔで駆動し、かつオン状態が重ならないように動作している場合には、それぞれのインバータ４ａ、４ｂのオン時間とコンデンサ２の電圧Ｖｃの降下状態が対応し、前述の（式１）により負荷５ａ又は５ｂで消費された電力Ｐを検知することが可能となる。

なお、上記の説明は、インバータ４ａ、４ｂが同じ周期Ｔで駆動し、オン状態が重ならないように動作している場合についての説明であるが、インバータ４ａ、４ｂが異なる周期で駆動していても、オン状態が重ならない動作であれば、実施の形態１の構成が適用される。

しかしながら、上記のようにインバータ４ａ、４ｂのオン状態（オン時間）が重ならないように動作している構成においては、インバータ４の駆動周波数を変更して電力を制御することができないため、スイッチング素子の導通比等で制御することになり、インバータ４ａ、４ｂの構成によっては電力の制御範囲が限定される。その結果、このような構成では負荷５に対して必要な電力を十分に供給することができない場合があった。また、高周波コイル３ａ、３ｂや、インバータ４ａ、４ｂを構成するコンデンサ等の部品のばらつきによって共振周波数がずれた場合には、制御しようとした電力と実際に供給される電力にずれが生じてしまい、当該インバータ装置を誘導加熱調理器に用いた場合には思い通りの調理性能が得られないという課題を有していた。

そこで、複数のインバータ４ａ、４ｂのそれぞれが異なる駆動周波数で動作させて、電力制御を行う場合について、図４を用いて説明する。

図４は、実施の形態１のインバータ装置における動作を示す波形図である。図４の波形図においては、それぞれのインバータ４ａ、４ｂが異なる周期Ｔ１、Ｔ２で駆動し、インバータ４ａ、４ｂのオン状態が重ならない場合と、重なる場合とにおけるコンデンサ２の電圧Ｖｃの変位を示している。

図４において、ｔ_１の時間は一方のインバータ４ａを構成するスイッチング素子がオン状態、即ちインバータ４ａがオン状態である期間（オン時間）を示している。この時間ｔ_１においては、他方のインバータ４ｂを構成するスイッチング素子がオフ状態、即ちインバータ４ｂがオフ状態である期間（オフ時間）を示している。なお、この時間ｔ_１においては、コンデンサ２の電圧ＶｃはＶ_０からＶ_１まで降下している。このとき、インバータ４ａで時間ｔ_１の期間に供給された電力Ｐ１は、下記の（式２）により算出することができる。

（式２）において、Ｔ１は、インバータ４ａの周期である。そして、時間ｔ_１の期間が終了すると、インバータ４ａおよびインバータ４ｂは共にオフ状態となり、電源部１から供給される電力によりコンデンサ２の電圧ＶｃはＶ_０まで回復する。

次に、時間ｔ_２の期間は、一方のインバータ４ａがオフ状態であり、他方のインバータ４ｂがオン状態である期間を示している。この時間ｔ_２においては、コンデンサ２の電圧ＶｃはＶ_０からＶ_２まで降下する。このとき、インバータ４ｂで時間ｔ_２の期間に供給された電力Ｐ２は、下記の（式３）により算出することができる。

（式２）において、Ｔ２は、インバータ４ｂの周期である。そして、時間ｔ_２の期間が終了すると、インバータ４ａおよびインバータ４ｂは共にオフ状態となり、電源１から供給される電力によりコンデンサ２の電圧ＶｃはＶ_０まで回復する。

このように、インバータ４ａおよびインバータ４ｂが交互にオン状態となる場合には、コンデンサ２の電圧変化からインバータ４ａおよびインバータ４ｂの供給する電力を検知することができる。

しかしながら、インバータ４ａおよびインバータ４ｂの駆動周波数が異なる場合には、それぞれのインバータ４ａおよびインバータ４ｂが同時にオン状態となる場合が発生する。図４の波形図に示すように、時間ｔ_３の期間はインバータ４ａがオン状態であり、インバータ４ｂがオフ状態である。そして時間ｔ_３に続く時間ｔ_４の期間になると、インバータ４ａおよびインバータ４ｂの両方がオン状態となるため、コンデンサ２の電圧は急激に低下する。更に、時間ｔ_４に続く時間ｔ_５の期間はインバータ４ａがオフ状態であり、インバータ４ｂがオン状態である。時間ｔ_４に続く時間ｔ_５の期間においてもインバータ４ｂはオン状態を継続しているため、コンデンサ２の電圧Ｖｃはさらに低下して、Ｖ_５まで降下する。

もし、一方のインバータ４ａが供給した電力を時間ｔ_４が終了した時点で算出するように構成した場合には、時間ｔ_４の期間においては他方のインバータ４ｂが供給した電力も含まれるため、インバータ４ａのみが供給した電力を正しく検知することができず、正しい制御ができなくなる。また同様に、他方のインバータ４ｂが供給した電力を時間ｔ_５が終了した時点で算出するように構成した場合には、時間ｔ_４の期間においては一方のインバータ４ａが供給した電力が含まれるため、インバータ４ｂのみが供給した電力を正しく検知することができず、正しい制御ができなくなる。

上記のように、同時にインバータ４ａおよびインバータ４ｂがオン状態となる状況が生じると、何れのインバータ４ａおよびインバータ４ｂによる消費電力を正しく検知することができなくなり、正しい制御ができなくなるという課題があった。

そこで、本開示のインバータ装置においては、インバータ４ａおよびインバータ４ｂが同時にオン状態（オン時間）とならないときにそれぞれの消費電力を検知するように構成している。即ち、本開示に係る実施の形態１のインバータ装置においては、図４の波形図においては、時間ｔ_１の期間が終了した時点でインバータ４ａによる供給電力を検知し、時間ｔ_２の期間が終了した時点でインバータ４ｂによる供給電力を検知するように構成している。

実施の形態１のインバータ装置においては、上記のように構成することにより、それぞれのインバータ４ａ、４ｂで供給する電力、即ち高周波コイルに供給する電力を検知することができる。したがって、実施の形態１のインバータ装置の構成においては、電流センサを使用することなく、それぞれのインバータ４ａ、４ｂにより負荷に供給される電力を確実に検知することができる。このため、実施の形態１のインバータ装置の構成によれば、低廉で小型のインバータ装置を実現することができる。

（実施の形態２）
以下、本開示に係る実施の形態２のインバータ装置について説明する。実施の形態２のインバータ装置は、実施の形態１のインバータ装置と実質的に同様の構成（図１参照）を有するものであるが、実施の形態１のインバータ装置との相違点は、複数のインバータのオン状態が重ならないように駆動周波数を特定するように構成した点である。なお、実施の形態２の説明において、前述の実施の形態１と同様の作用、構成、および機能を有する要素には同じ参照符号を付し、重複する記載を避けるため説明を省略する場合がある。

実施の形態２のインバータ装置における構成においても、前述の実施の形態１の構成と同様に、１つの電源部１から２つの負荷５ａ、５ｂに対して、それぞれのインバータ４ａ、４ｂおよび高周波コイル３ａ、３ｂにより電力供給可能な構成で説明するが、本開示のインバータ装置としては２つ以上の複数の負荷のそれぞれに対してインバータおよび高周波コイルを設けて電力供給可能な構成とすることを含むものである。

実施の形態１で説明したように、単一の電源となるコンデンサ２の電圧から複数のインバータ４ａ、４ｂの消費電力を検知する方法においては、インバータ４ａ、４ｂを構成するスイッチング素子が同時にオン状態となっていないときに、当該消費電力を検知するように構成すればよいことを示した。

なお、実施の形態２の説明においても、実施の形態１の説明と同様に、インバータ４ａ、４ｂを構成するスイッチング素子がオン状態とは、コンデンサ２の電力が高周波コイル３に流れる電流経路が確保された電力供給状態を示しており、この電力供給状態がインバータ４ａ、４ｂのオン状態として説明する。

複数のインバータ４ａ、４ｂの駆動周波数を同一とした場合には、それぞれのインバータ４ａ、４ｂが同時にオン状態とならないタイミングで動作を開始すれば、それぞれのインバータ４ａ、４ｂは同時にオン時間となることはない。

しかしながら、複数のインバータ４ａ、４ｂのそれぞれの駆動周波数が異なる場合には、設定された駆動周波数によっては同時にオン時間となるタイミングが発生し、また同時にオン時間とならないタイミングも発生する。インバータ４ａ、４ｂのそれぞれが同時にオン時間とならないタイミングがどのような頻度で発生するかは、それぞれの駆動周波数の関係性に依存する。即ち、インバータ４ａ、４ｂのそれぞれが同時にオン時間とならないタイミングで常に電力検知を行う構成とした場合には、電力検知を行えるタイミングがほとんど発生しない場合が起こりうる。或いは、電力検知が行えるタイミングに偏りが出て、頻繁に電力検知を行える期間と、電力検知を行うことができない期間とに分かれてしまう場合が発生する。その結果、インバータ４ａ、４ｂのそれぞれが同時にオン時間とならないタイミングで常に電力検知を行うインバータ装置においては、安定的に電流を制御することが難しくなる。

そこで、本開示のインバータ装置においては、一方のインバータ４ａの駆動周波数を変更せずに固定して、一定の駆動周波数で電力制御を行うように構成し、他方のインバータ４ｂの駆動周波数を一方のインバータ４ａの固定した駆動周波数と同期がとれる周波数であり、且つ離散的な値に変更する構成とすることにより、周期的に電力検知を行うタイミングを形成することができる。

例えば、インバータ４ａの駆動周波数を２３ｋＨｚとし、他方のインバータ４ｂの駆動周波数を１ｋＨｚ刻み、例えば２４ｋＨｚ、２５ｋＨｚ、２６ｋＨｚ、・・・で変更する場合には、インバータ４ａとインバータ４ｂのオン状態とオフ状態との関係は、１秒間隔で同じ関係に戻る。また、インバータ４ｂの駆動周波数を０．５ｋＨｚ刻み、例えば２３．５ｋＨｚ、２４．０ｋＨｚ、２４．５ｋＨｚ、・・・で変更する場合には、インバータ４ａとインバータ４ｂのオン状態とオフ状態との関係は、２秒間隔で同じ関係に戻り、同時にオン時間とならないタイミングが所定時間間隔で確実に生じる。このように、本開示に係る実施の形態２のインバータ装置においては、一定のタイミングで電力検知を行うことができるように、意図的に駆動周波数を選択することにより、周期的に電力検知を行うことができ、安定的な電力制御を行うことができる構成となる。

上記の具体例からも理解できるように、電力検知のタイミングを早くしたい場合には駆動周波数の変更幅は大きくし、電力検知のタイミングが遅くてもよい場合には駆動周波数の変更幅は小さくすることにより、状況に応じた対応が可能となる。また、このような対応は、駆動周波数の変更幅が大きい場合には電流の変化量も大きいため、早く検知する必要があることに合致するため都合がよいものとなる。したがって、本開示に係る実施の形態２のインバータ装置においては、制御の安定性を考慮して、必要な電力検出のタイミングから駆動周波数の変更幅を設定することが可能な構成となる。

また、周波数を離散的な値に変更するとは、制御部が駆動周波数の変更可能な最小分解能よりも大きい値で変更するようにすることを意味しており、マイクロコンピュータなどのデジタルで制御するもの全てを意味するわけではない。

（実施の形態３）
以下、本開示に係る実施の形態３のインバータ装置について説明する。実施の形態３のインバータ装置としては、実施の形態１のインバータ装置と実質的に同様の構成（図１参照）を有するものであり、実施の形態３においては当該インバータ装置により電力が供給される負荷側の構成に応じて駆動周波数を制御する構成を有するものである。なお、実施の形態３の説明において、前述の実施の形態１と同様の作用、構成、および機能を有する要素には同じ参照符号を付し、重複する記載を避けるため説明を省略する場合がある。

インバータ装置を設けた誘導加熱装置においては、高周波コイルに高周波電流を供給することにより高周波磁界を発生させて、負荷となる調理用鍋等に発生する渦電流で誘導加熱する。この原理は、接点を有することなく非接触で電力を供給する非接触給電の誘導方式と全く同じである。このため、誘導加熱装置では、同一の高周波コイルにより誘導加熱および非接触給電を行うことが可能である。このときの非接触給電においては、インバータ装置における高周波コイルが、電力を送電する側のコイルとなるため、送電コイルとして機能する。

図５は、本開示に係る実施の形態３のインバータ装置および負荷側の構成を示すブロック図である。図５は、実施の形態３のインバータ装置において、非接触給電を行う場合の構成を示している。

図５に示す実施の形態３のインバータ装置の構成は、実施の形態１の構成と実質的に同じであり、負荷側に非接触給電を行うための構成を有している。実施の形態３のインバータ装置における構成においても、１つの電源部１から２つの負荷５ａ、５ｂに対して、それぞれのインバータ４ａ、４ｂおよび高周波コイル３ａ、３ｂにより電力供給可能な構成で説明するが、本開示のインバータ装置としては２つ以上の複数の負荷のそれぞれに対してインバータおよび高周波コイルを設けて電力供給可能な構成とすることを含むものである。

図５に示すように、実施の形態３における負荷側には高周波コイル３ａ、３ｂに対向して磁気的に結合する受電コイル９ａ、９ｂと、各受電コイル９ａ、９ｂからの電力が供給される負荷５ａ、５ｂと、が設けられている。なお、負荷５ａ、５ｂとしては、例えばモータ、ヒータ等の電気機器である。

高周波コイル３ａ、３ｂによって発生する高周波磁界は、受電コイル９ａ、９ｂと磁気的に結合する状態で配置される受電コイル９ａ、９ｂにおいても高周波電圧と電流が発生する。この受電コイル９ａ、９ｂに流れる電流を電源として、負荷５ａ、５ｂを駆動することが可能となる。実際には、受電コイル９ａ、９ｂにおいて発生した電圧を整流して直流として使用する場合が多いが、そのような構成に本開示は限定されるものではない。なお、負荷５ａ、５ｂとしてヒータを使用する場合であれば、高周波電流をそのままヒータに供給する構成としても負荷として機能させることが可能である。

上記のように、実施の形態３のインバータ装置において、インバータ４ａ、４ｂを非接触給電のために動作させる場合、高周波コイル３ａ、３ｂから送電した電力と、負荷５ａ、５ｂで消費する電力との比率（給電効率）を考慮すると、インバータ４ａ、４ｂを構成するスイッチング素子の駆動周波数（スイッチング周波数）は高い方が効率がよい。非接触給電に使用される駆動周波数は方式によって様々ではあるが、数十ｋＨｚ〜数ＭＨｚといった周波数が使われることが多い。それに対して、誘導加熱に使用される周波数は２０ｋＨｚ〜６０ｋＨｚ程度であり、非接触給電よりも低い周波数が適している。

一方、負荷５ａ、５ｂが非接触給電の場合と、誘導加熱の場合とでの特性において、非接触給電は誘導加熱よりもＱ値が高い傾向にある。Ｑ値が高いということは、送電側のインバータ４ａ、４ｂの駆動周波数が負荷５ａ、５ｂの特性に合致しないと効率よく送電することができないことを意味する。

実施の形態３のインバータ装置のように、誘導加熱および非接触給電の何れの負荷であっても動作可能な複数のインバータ４ａ、４ｂを備えている構成では、一方のインバータ４ａで誘導加熱、他方のインバータ４ｂで非接触給電を行うことが可能である。本開示に係るインバータ装置は、実施の形態１から実施の形態３において説明したように、１つの電源から複数のインバータ４ａ、４ｂを動作させて、それらのインバータ４ａ、４ｂにおいて消費される電力が、電源を平滑化し安定化するコンデンサ２の電圧を検出して検知する構成である。このような構成において、例えば、一方のインバータ４ａにより負荷５ａに対する誘導加熱を行い、他方のインバータ４ｂにより負荷５ｂに対する非接触給電を行う場合がある。このような場合においては、誘導加熱を行うインバータ４ａの駆動周波数を固定とし、非接触給電の負荷５ｂに合わせて駆動周波数を変更する必要があるインバータ４ｂの駆動周波数は、インバータ４ａの駆動周波数よりも高く設定することが望ましい。

上記のように、実施の形態３のインバータ装置においては、それぞれのインバータ４ａ、４ｂの駆動周波数を、負荷５ａ、５ｂに応じて設定して、前述の実施の形態１および実施の形態２において説明したように、コンデンサ２の電圧を所望のタイミングで検出して電力検知を行うことができる構成となる。このように構成された実施の形態３のインバータ装置においては、誘導加熱および非接触給電の何れの負荷であっても安定的な電力制御を行うことができる構成となる。

（実施の形態４）
以下、本開示に係る実施の形態４のインバータ装置について説明する。実施の形態４のインバータ装置としては、実施の形態１のインバータ装置と実質的に同様の構成（図１参照）を有するものであり、実施の形態４においては当該インバータ装置により電力が供給される負荷の特性に応じて駆動周波数を制御する構成を有するものである。なお、実施の形態４の説明において、前述の実施の形態１と同様の作用、構成、および機能を有する要素には同じ参照符号を付し、重複する記載を避けるため説明を省略する場合がある。

前述の実施の形態３のインバータ装置においては、非接触給電を行う場合には負荷５ａ、５ｂに応じて駆動周波数を設定する必要性が高いことを説明した。しかしながら、誘導加熱を行う場合であっても負荷５ａ、５ｂによって特性が異なっている。

例えば、負荷５ａ、５ｂである調理用鍋を誘導加熱する場合、調理用鍋の材質によって共振周波数が異なる。そのため、インバータ４ａ、４ｂの駆動周波数を負荷５ａ、５ｂ、例えば磁性材料でできた調理用鍋に合わせて設定し、それらのインバータ４ａ、４ｂにより非磁性材料でできた調理用鍋を加熱する場合には、十分な発熱が得られない場合が生じる。したがって、インバータ４ａ、４ｂの駆動周波数は、調理用鍋の材質に対応して設定することが望ましい。

しかしながら、上記のようにインバータ４ａ、４ｂの駆動周波数を負荷５ａ、５ｂに応じて制御する場合には、前述の実施の形態１で示したようなそれぞれのインバータ４ａ、４ｂを構成するスイッチング素子が同時にオン状態とならないタイミングがどの程度の頻度で発生するかが不明である。さらには、それぞれのインバータ４ａ、４ｂにおいて負荷５ａ、５ｂの加熱電力を制御するために時々刻々と駆動周波数が変更された場合には、そのような各インバータ４ａ、４ｂを構成するスイッチング素子が同時にオン状態とならないタイミングがほとんど発生しないような状況も起こりうる。

そこで、実施の形態４のインバータ装置においては、インバータ４ａ、４ｂの駆動周波数における一方の駆動周波数を他方の駆動周波数の倍数となるように設定することで、定期的にコンデンサ２の電圧を検出して電力検知を行うことができる構成となる。このように構成された実施の形態４のインバータ装置においては、特性の異なる負荷５ａ、５ｂに対して誘導加熱を行う場合であっても安定的な電力制御を行うことができる構成となる。

具体的には、一方のインバータ４ａの駆動周波数を２５ｋＨｚとした場合に、他方のインバータ４ｂの駆動周波数を５０ｋＨｚまたは７５ｋＨｚとすることにより、一方のインバータ４ａと他方のインバータ４ｂを構成するそれぞれのスイッチング素子のオンオフの関係を周期的に同じ関係に戻すことができるものとなる。したがって、実施の形態４のインバータ装置においては、電源となるコンデンサ２の電圧を検出して電力検知を周期的に行うことが可能となり、その電力検知に基づいて高周波コイルに流れる電流を制御することにより、インバータ装置において安定した制御を行うことが可能となる。

上記のようにインバータ装置における制御を安定的に行う場合には、例えば一方のインバータ４ａの駆動周波数が変化したとしても、他方のインバータ４ｂの駆動周波数を一方のインバータ４ａの駆動周波数の常に２倍または３倍となるように制御することにより対応することができる。

実施の形態４のインバータ装置においては、上記のようにインバータ４ａ、４ｂを制御することによって、電流センサを使用することなく、電源となるコンデンサ２の電圧を検出してインバータによる供給電力を検知することができる。このため、実施の形態４のように構成することにより、低廉で小型のインバータ装置を実現することができる。

本開示のインバータ装置およびその制御方法においては、前述の各実施の形態において具体的に説明したように、同一の電源部により複数のインバータを駆動する構成においては、インバータのオン状態が重なる期間ではインバータによる供給電力を検知することができないため、それぞれのインバータの駆動周波数を負荷に応じて所望の値に設定することにより、インバータによる供給電力を検知することができる。このように構成された本開示に係るインバータ装置およびその制御方法においては、どのような負荷に対しても安定的な電力制御を行うことが可能となる。

本開示におけるインバータ装置およびその制御方法は、インバータの駆動周波数を自由に変更することで電力制御領域が狭くなることがなく、同一電源の電圧を安定化させるコンデンサの電圧減少値を検出することにより、複数の負荷に供給される各電力を容易に算出することができ、機器の小型化と低廉化が可能となる。

本開示は、優れた商品価値を有し、信頼性および安全性の高いインバータ装置を提示するものであり、例えば誘導加熱調理器等の誘導加熱を行う各種機器において適用可能であり、さらに非接触給電を行うことも可能となるインバータ装置を提供することができる。

１ 電源部
２ コンデンサ
３ａ、３ｂ 高周波コイル
４ａ、４ｂ インバータ
５ａ、５ｂ 負荷
６ 電力検出部
７ 制御部
８ａ、８ｂ 電流センサ
９ａ、９ｂ 受電コイル

Claims (8)

1. 電源部と、前記電源部の電圧を安定化させるコンデンサと、前記コンデンサの充電電圧を検出する電力検出部と、前記コンデンサの電力を高周波コイルに供給するスイッチング素子を含んで構成される複数のインバータと、前記インバータを駆動制御する制御部と、を有し、
   前記複数のインバータは前記制御部によって異なる周波数で駆動されるよう構成され、
   前記電力検出部は前記コンデンサの電圧減少値から前記高周波コイルで消費された電力を検知するよう構成され、
   前記電力検出部による電力検知のタイミングは、前記複数のインバータを構成するスイッチング素子のオン状態が重ならないときのオン時間で行うよう構成されたインバータ装置。
2. 前記制御部は、前記複数のインバータにおける１つのインバータの駆動周波数を固定して駆動制御し、他のインバータの駆動周波数を前記１つのインバータの駆動周波数と同期がとれる離散的な値に設定するよう構成された、請求項１に記載のインバータ装置。
3. 前記１つのインバータの固定された駆動周波数は、前記他のインバータの駆動周波数よりも低い周波数に設定された、請求項２に記載のインバータ装置。
4. 前記制御部は、前記複数のインバータにおける一方のインバータの駆動周波数を他方のインバータの駆動周波数の倍数となるように制御するよう構成された、請求項１に記載のインバータ装置。
5. 電源部と、前記電源部の電圧を安定化させるコンデンサと、前記コンデンサの充電電圧を検出する電力検出部と、前記コンデンサの電力を高周波コイルに供給するスイッチング素子を含んで構成される複数のインバータと、前記インバータを駆動制御する制御部と、を有して構成されるインバータ装置の制御方法であって、
   前記複数のインバータが異なる周波数で駆動され、
   前記電力検出部が前記コンデンサの電圧減少値から前記高周波コイルで消費された電力を検知し、
   前記電力検出部による電力検知のタイミングが、前記複数のインバータを構成するスイッチング素子のオン状態が重ならないときのオン時間で行う、インバータ装置の制御方法。
6. 前記複数のインバータにおける１つのインバータの駆動周波数を固定して駆動制御し、他のインバータの駆動周波数を前記１つのインバータの駆動周波数と同期がとれる離散的な値に設定する、請求項５に記載のインバータ装置の制御方法。
7. 前記１つのインバータの固定された駆動周波数が、前記他のインバータの駆動周波数よりも低い周波数に設定された、請求項６に記載のインバータ装置の制御方法。
8. 前記複数のインバータにおける一方のインバータの駆動周波数を他方のインバータの駆動周波数の倍数となるように制御する、請求項５に記載のインバータ装置の制御方法。

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