JPH046268B2 - - Google Patents

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JPH046268B2
JPH046268B2 JP60101848A JP10184885A JPH046268B2 JP H046268 B2 JPH046268 B2 JP H046268B2 JP 60101848 A JP60101848 A JP 60101848A JP 10184885 A JP10184885 A JP 10184885A JP H046268 B2 JPH046268 B2 JP H046268B2
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magnetron
transformer
capacitor
current
power
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Naoyoshi Maehara
Takahiro Matsumoto
Shigeru Kusuki
Kazuho Sakamoto
Makoto Mihara
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Original Assignee
Matsushita Electric Industrial Co Ltd
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Priority to DE8686106467T priority patent/DE3673063D1/de
Priority to CA000509022A priority patent/CA1261408A/en
Priority to US06/863,251 priority patent/US4704674A/en
Priority to AU57407/86A priority patent/AU573087B2/en
Priority to CN86103326A priority patent/CN1008863B/zh
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    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M1/00—Details of apparatus for conversion
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    • H—ELECTRICITY
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    • H05B6/66—Circuits
    • H—ELECTRICITY
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    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
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    • Y02B—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO BUILDINGS, e.g. HOUSING, HOUSE APPLIANCES OR RELATED END-USER APPLICATIONS
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  • Electromagnetism (AREA)
  • Control Of High-Frequency Heating Circuits (AREA)
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Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は電源装置にインバータなどの電力変換
器を用い、この電力変換器により高周波電力を発
生し、昇圧トランスにて昇圧してマグネトロンを
駆動するよう構成した電子レンジ等のいわゆる誘
電加熱を行う高周波加熱装置の改良に関するもの
である。
従来の技術 このような方式の高周波加熱装置は、その電源
トランスの小型化、軽量化、あるいは低コスト化
のために様々な構成のものが提案されている。
第９図は、従来の高周波加熱装置の回路図であ
る。（米国特許第4318165号の明細書など）図にお
いて、商用電源１の電力はダイオードブリツジ２
により整流され、単方向電源が形成されている。
３はインダクタ、４はコンデンサであつてインバ
ータの高周波スイツチング動作に対するフイルタ
の役割を果すものである。
インバータは共振コンデンサ５、昇圧トランス
６、トランジスタ７、ダイオード８、及び駆動回
路９により構成されている。トランジスタ７は駆
動回路９より供給されるベース電流によつて所定
の周期とデユーテイー（即ち、オンオフ時間比）
でスイツチング動作する。この結果、昇圧トラン
ス６の一次巻線１０には第１０図ａのようなコレ
クタ電流Icとダイオード電流Idを中心とした電流
Icdが流れ一次巻線１０には第１０図ｂのような
高周波電流ILが流れる。従つて、二次巻線１１及
び三次巻線１２には各々高周波高圧電力及び高周
波低圧電力が生じる。この高周波低圧電力はコン
デンサ１３，１４、およびチヨークコイル１５，
１６を介してマグネトロン１７のカソード端子間
に供給され、一方高周波高圧電力はアノードカソ
ード間に図のように供給される。そして、コンデ
ンサ５とマグネトロン１７には第１０図ｃ，ｄの
ような電流が流れ、マグネトロン１７は発振し誘
電加熱が可能となるものである。
このような構成で、トランジスタ７を20KHz−
100KHz程度の周波数で動作させると商用電源周
波数のままで昇圧する場合に比べて昇圧トランス
の重量、サイズを数分の一から十数分の一にで
き、電源部の小型化、低コスト化が可能であると
いう特長を有するものである。
特に、アメリカ特許第4318165号明細書に示さ
れている高周波加熱装置は昇圧トランス６の一次
巻線１０と二次巻線１１の極性が図のようないわ
ゆるフライバツク型コンバータ回路構成とするこ
とにより、通常高圧整流のために用いられる高圧
ダイオードを用いないでマグネトロン１７の駆動
を可能とし、第９図のような高周波加熱装置を実
現していた。
従つて、非常に高価で大型とならざるを得ない
高圧で、かつ高周波ダイオードが不要であるの
で、より高周波加熱装置の小型化、軽量化、低コ
スト化が実現されていた。
発明が解決しようとする問題点 しかしながら、このような従来の高周波加熱装
置は次のような欠点があつた。
一種の電力変換器であるコンバータあるいはイ
ンバータについては、例えば、文献エル イー
ジヨンソン コンバーター サーキツツ フオア
スイツチドモード パワー サプライス エレ
クトロニクス アプリケーシヨンス ブルテン
（L.E.Jansson「Converter Circuits for
switchedmode power supplies」Electronics
applications bulletin），VOL.32，No.３、エヌ
ブイ フイリツプス（N.V.Philips）（1973）に詳
細に述べられている。トランジスタを一個用いた
コンバータとしてフライバツク方式とフオーワー
ド方式があり、特にフライバツク方式のコンバー
タは最も部品点数が少なく安価に構成できるので
テレビ用高圧発生回路に多く用いられているのは
周知である。
しかし、エネルギー機器のような大電力を扱う
場合には、この特徴が激減してしまう。上記文献
のP.86〜P.87には、このことが詳細に記載されて
おり、例えば200W程度以上の出力を得る場合は、
種々の構成部品の付加が要求される結果となり、
実質上、200W程度以上の大電力を扱うコンバー
タをフライバツク方式で実現すると複雑で高価な
ものとならざるを得なかつた。また、特に、フラ
イバツクコンバータにとつては、トランスのリー
ケージインダクタンスを零に構成することが理想
的であるが、実際にはこれを実現することは困難
であり、トランジスタなどの半導体スイツチ素子
に重大な影響を及ぼすものである。この影響はコ
ンバータの扱う電力が大きくなる程重大なものと
なるので、この影響からトランジスタを保護する
ための面倒で大がかりな保護装置が必要となり、
大電力（例えば１〜2KW程度）を扱う高周波加
熱装置にはフライバツク方式のコンバータを適用
することは適切ではなかつた。
一方、第１１図のように、昇圧トランス６の出
力を直接マグネトロン１７に接続し、トランスの
極性をフオーワード方式のコンバータの極性とす
ると、以下のような不都合を生じ、いわゆる偏磁
現象を生じてコンバータの動作が不安定になるな
どの問題が生じるものであつた。
すなわち、第１２図に示すように、昇圧トラン
ス６のＢ−Ｈカーブ上での動作軌跡が、Ｏ→Ａ→
Ｂ→Ｃ→Ｄ→Ａという通常のトランスの動作軌跡
とならず、Ｏ→Ａ→Ｂ→Ａという極めて能率が悪
く偏磁現象の生じ易い軌跡となつてしまうのであ
る。したがつて、フライバツク方式のコンバータ
で逆阻止特性を有するマグネトロンにダイオード
を省略した構成で電力供給することは極めて困難
であつた。
さらに、マグネトロン１７のアノード電流IA
は、第１０図ｄに示すようにそのピーク値が大き
い電流波形とならざるをえなかつた。これはトラ
ンジスタ７が導通している期間に一次巻線１０に
蓄積されたエネルギーを非導通期間に二次巻線１
１を通してマグネトロン１７に放出するところの
いわゆるフライバツク型コンバータ形式であるた
めであつた。
また、トランジスタ７が非導通期間のみマグネ
トロン１７に電流が流れるので、所定の電波出力
を得るために所定の平均電流を得ようとすると一
層アノード電流IAのピーク値が大きいものとなら
ざるをえなかつた。
このためマグネトロン１７のカソードのエミツ
シヨン能力を大きくせねばならずマグネトロン１
７が高価なものとならざるをえなかつた。また、
アノード電流IAの立上りピーク値が大きいとカソ
ードのエミツシヨン能力余裕との関係で所定の周
波数以外の周波数での異常発振現象いわゆるモー
デイング現象が発生しやすく、マグネトロンの寿
命を著しく短くしたり、また所定の周波数以外の
周波数であるので高周波加熱装置の電波漏洩量が
増加するなどの不都合があり、高周波加熱装置の
低価格化を制限したり、その信頼性を低下させる
などの欠点があつた。
問題点を解決するための手段 本発明はこのような従来の高周波加熱装置の欠
点を解決するためになされたものであり、以下に
述べる手段により構成された高周波加熱装置であ
る。
即ち、層用電源などより得られる電源と、少な
くとも１つの半導体スイツチとその駆動手段を有
する高周波電力を発生するための電力変換器と、
食品または流体等を加熱するマグネトロンと、こ
のマグネトロンに前記電力変換器の出力を供給す
る昇圧トランスと、前記マグネトロンに流れる電
流の流路に設けたインダクタンス要素と、前記マ
グネトロンに並列に接続され、前記マグネトロン
の逆バイアス時に発生するエネルギーにより前記
昇圧トランスのエネルギーによる逆バイアス電流
をバイパスするコンデンサとにより構成し、マグ
ネトロンとコンデンサの並列回路に昇圧トランス
の交流出力電圧を供給する構成としたものであ
る。
作 用 本発明は上記構成により以下に述べる作用を有
するものである。
すなわち、本発明の高周波加熱装置は、マグネ
トロンの電流流路にインダクタンス要素を設け、
かつマグネトロンに並列に逆バイアス電流バイパ
ス手段（コンデンサ）を設けて、電力変換器の出
力を昇圧しマグネトロンに供給する構成であるの
で、高圧ダイオードを用いない構成でありながら
マグネトロンに対する電源側インピーダンスを高
め、マグネトロンのアノード電流が急激に大きな
値に立上るのを防止して、マグネトロンの発振動
作および電力変換器の動作を安定で確実なものに
し、しかも、フライバツク方式のコンバータ以外
の電力変換器であつても安定に動作せしめ得ると
いう作用を有する。また同時に、マグネトロンが
逆バイアスされる電圧極性のときには、昇圧トラ
ンスのエネルギーによる電流をバイパス手段にて
バイパスし、昇圧トランスの偏磁現象の発生およ
び昇圧トランス巻線の浮遊容量による共振電圧や
リーケージインダクタンスによるスパイク電圧な
どの異常高電圧の発生を防止し、マグネトロンや
昇圧トランスならびに電力変換器の半導体スイツ
チの動作を安全でかつ安定であり、しかも確実な
ものにするという作用をするものである。
実施例 以下本発明の高周波加熱装置の一実施例につい
て図面とともに説明する。
第１図は本発明の一実施例を示す高周波加熱装
置のブロツク図であり、第９図の従来例と同符号
のものは同一機能を有する構成要素であり詳細な
説明を省略する。
第１図において、商用電源１の電力は直流電源
１８に送られインバータ（電力変換器）１９に供
給される。インバータ１９はトランジスタ（半導
体スイツチ）７等より成り、昇圧トランス６を付
勢してマグネトロン１７に高圧電力を供給するも
のである。
トランジスタ７、トランスの一次巻線１０、共
振コンデンサ５、およびマグネトロン１７に流れ
る電流は、それぞれ第２図ａ，ｂ，ｃ、およびｄ
のようになり、マグネトロン１７のアノード電圧
VAKは同図ｅのようになる。これは昇圧トランス
６の一次巻線１０と二次巻線１１の極性が図のよ
うになつていること、および昇圧トランス６がリ
ーケージ型トランスとなつていること、さらに第
１高圧コンデンサ１３および第２高圧コンデンサ
１４などにより成る逆バイアス電流バイパス手段
がマグネトロン１７に並列接続されていることに
よるものである。
第３図は、第１図の本発明の実施例のポイント
を説明する高周波加熱装置の回路図であり、第１
図と同符号のものは同機能を有する構成要素であ
り詳細な説明を省略する。
第３図に於て、第１の高圧コンデンサ１３は、
第１図における第１および第２の高圧コンデンサ
１３，１４、およびコンデンサ２０を合成したも
のである。図において、昇圧トランス６の電流
IL、第１の高圧コンデンサ１３の電流ICH、および
アノード電流IAは、昇圧トランス６の一次巻線１
０と二次巻線１１の極性が図示のようになつてい
るので図中の矢印のように流れ、インバータ１９
内のトランジスタ７がオンのときマグネトロン１
７に電流が流れる。
第４図は第３図の回路の一次側等価回路図であ
り、L1は一次巻線１０の自己インダクタンス、
Ｋは一次巻線と二次巻線の結合係数である。マグ
ネトロン１７は、抵抗RM、ダイオードDM、ゼナ
ーダイオードZDMの直列回路で置き換えることが
でき、この直列回路に並列に第３図における第１
高圧コンデンサ１３に相当するコンデンサCHが
接続された構成である。第５図のようにマグネト
ロン１７の電圧電流特性は極めて非線形であり、
ダイナミツクインピーダンスは非常に小さいもの
である。そこで昇圧トランス６のリーケージを大
きくしてリーケージインダクタンス（１−Ｋ）
L1を通常の従来のトランスより大きくすること
により、昇圧のトランス６の二次側から見たイン
ピーダンスZiを高め、定電流源的性質を昇圧トラ
ンス６に持たせることができる。このため、イン
バータ１９の共振動作を安定化することができ、
トランジスタ７が破壊するなどの不都合を防止し
良好なマグネトロン１７の駆動を行うことができ
る。
また、リーケージインダクタンスとコンデンサ
CHを設けることによりアノード電流IAは第２図ｄ
のようにシヤープなピークを持たない台形状の波
形とし、カソードの劣化やモーデイングの発生を
抑止し、安全で信頼性の高い高周波加熱装置を実
現することができる。
コンデンサCHはさらにマグネトロン１７が逆
バイアスされる極性の時であつても、昇圧トラン
ス６の２次巻線１１に流れる電流に相当する電流
IL′を流す作用を果すので、第１１図、第１２図
で説明した従来の欠点である昇圧トランスの偏磁
現象などの不都合を防止し、フライバツク方式の
コンバータに限定されることなく大電力を扱うこ
との可能なフオーワード方式コンバータなどの電
力変換器の適用を可能とするものであり、昇圧ト
ランスのコア利用効率が高く、従つて効率的であ
り、しかも動作が安定な高周波加熱装置を実現す
ることができる。さらにまた、浮遊容量などによ
り二次巻線１１に発生する第６図のような異常高
電圧を防止し、逆電圧を第２図ｅのような比較的
低い値に抑制する作用を果すものである。従つ
て、昇圧トランス６やマグネトロン１７の耐圧が
比較的低いものでよいので安価に製造することが
できる。
さらにコンデンサCHの容量を適当に選ぶこと
により前述したマグネトロン１７の逆バイアス時
における高電圧を低い値に抑制することができ
る。
第７図に示すようにマグネトロン１７の電流IA
とコンデンサCHの電流ICHとは90°の位相差がある。
したがつて昇圧トランス６に流れる電流IL′は、
マグネトロン１７が順バイアス時はそれらの合成
電流となり、一方逆バイアス時はコンデンサCH
の電流ICHと等しくなる。第８図はこのことをモ
デル的に説明するための図である。図において、
昇圧トランス６の２次巻線１１の電流に相当する
電流IL′は正負の両極性電圧時、０からILPまで変
化する（絶対値のみ考える）。これは昇圧トラン
ス６が定電流源と考えることができるためであ
る。
コンデンサCHがある容量値のときを考える。
マグネトロン１７が順バイアス時、動作点は０か
ら図の実線ICH上をVAKOまで行き、電流IAが流れ
だすとICH＋IA線上をIL′＝ILPまで行つて０にもど
る。次にマグネトロン１７が逆バイアス時は、動
作点は０から図の実線ICH上をIL′＝ILPまで行つて
０にもどる。従つて、マグネトロン１７の電圧
VAK（トランス二次電圧）はVAK＝VAK1となる。と
ころで、もしコンデンサCHの容量値がより小さ
いものであるとすると、実線CHは一点鎖線ICH2と
なる。従つて、逆バイアス時のマグネトロン１７
の電圧VAKはVAK＝VAK2＞VAK1となり、コンデン
サCHの容量値が大きいほどマグネトロン１７の
電圧VAKを小さいものとすることができる。しか
しながらコンデンサCHの容量値が大きすぎると
インバータ１９の共振コンデンサ５との間でいわ
ゆるビート現象を生じ、インバータの動作が不安
定となつてしまう。従つて、コンデンサCHの一
次側換算容量値をCH1、共振コンデンサ５の容量
値をC5とするとき、C5とCH1とが近い値でないこ
とが必要である。そして第１図の実施例のような
共振型インバータの場合にはC5＜CH1ではインバ
ータの共振回路を形成する共振コンデンサC5の
方が負荷側のコンデンサCH1より小さくなるので
インバータの安定動作が望めないから、C5＞CH1
であることが必要である。
このようにコンデンサCHは極めて重要な作用
効果を果すものであり、低価格で高信頼性を有し
安定な性能を保証することができる高周波加熱装
置を実現する上で非常に有用である。
再び第１図について説明する。前述したように
第３図における高圧コンデンサ１３は第１図にお
いてマグネトロンのフイルタコンデンサと兼用さ
れており、第１および第２の高圧コンデンサ１３
および１４である。マグネトロンのカソード端子
間にはコンデンサ２０が設けられており、かつチ
ヨークコイル１５，１６が同一コアにバイフアイ
ラ巻に構成されている。したがつて第１および第
２高圧コンデンサ１３および１４ならびにコンデ
ンサ２０の合成容量で第３図における高圧コンデ
ンサ１３の作用を果す。このようにすることによ
りカソード両端子から高電圧をマグネトロンに供
給することができるので高周波電圧でマグネトロ
ン１７を駆動する場合、カソード両端子間の電位
差を少くしてマグネトロン１７の安定発振を促進
することができ、高調波の発生を抑制するという
効果がある。さらに高周波電流を第１および第２
高圧コンデンサ１３および１４に分流することが
できるので第１および第２高圧コンデンサ１３お
よび１４の発熱を抑え、低価格化、高信頼性化を
実現することができる。また、第１および第２高
圧コンデンサ１３および１４を一体の貫通コンデ
ンサで構成することによりコンデンサ２０をも兼
用することができ、高圧コンデンサ群のコンパク
ト化、低価格化を実現できる。
発明の効果 以上に述べたように本発明によれば、以下のよ
うな効果を得ることができる。
すなわち、電力変換器の出力を昇圧トランスで
昇圧してマグネトロンに供給する構成とし、マグ
ネトロンの電流流路にインダクタンス要素を設
け、かつ、マグネトロンに並列にマグネトロンの
逆バイアス時に発生する逆バイアス電流バイパス
するコンデンサを設けたので、以下のような効果
を有する。
(1) 高圧ダイオードを用いなくても昇圧トランス
の偏磁などの不都合を生じずに逆阻止特性を有
するマグネトロンを安定に駆動することがで
き、このため昇圧トランスのコア利用率を高め
ることができる。
(2) また、マグネトロンが逆バイアスされた時に
発生する２次巻線の浮遊容量やリーケージイン
ダクタンスによる共振電圧やスパイク電圧の発
生を防止し、昇圧トランス、マグネトロンなら
びに電力変換器の半導体スイツチなどに印加さ
れる電圧を低く押え、それらを安価に製造でき
るようにすると共に、高い信頼性を実現せしめ
ることができる。
(3) さらに、従来のようにフライバツク方式のコ
ンバータに限定されることなく、例えばフオー
ワード方式のコンバータを用いて電力変換器を
構成することができるので、大電力のマグネト
ロンの駆動に適した電力変換器を用い、しかも
高圧ダイオードを用いる必要がないので、従来
に比べて著しくコンパクトで低コストであつ
て、かつ高い信頼性を有する高周波加熱装置を
提供することができる。
【図面の簡単な説明】
第１図は本発明の一実施例を示す高周波加熱装
置の回路図、第２図ａ，ｂ，ｃ，ｄ，ｅは同回路
の動作電圧電流波形図、第３図は同回路の要部説
明のための回路図、第４図は同要部回路の等価回
路図、第５図はマグネトロンの動作電圧電流特性
図、第６図はマグネトロンの異常電圧波形図、第
７図はマグネトロンと高圧コンデンサの電流ベク
トル図、第８図は高圧コンデンサの作用説明図、
第９図は従来の高周波加熱装置の回路図、第１０
図ａ，ｂ，ｃ，ｄは第９図の動作電流波形図、第
１１図は従来の欠点を説明するための昇圧トラン
スの接続を示す回路図、第１２図は同回路におけ
る昇圧トランスのＢ−Ｈ曲線上の動作軌跡説明図
である。 １，１８……電源（１……商用電源、１８……
直流電源）、６……昇圧トランス、７……半導体
スイツチ（トランジスタ）、９……駆動回路、１
９……電力変換器（インバータ）、１３，１４…
…逆バイアス電流バイパス手段（１３……第１高
圧コンデンサ、１４……第２高圧コンデンサ）、
１７……マグネトロン、（１−Ｋ）L1……インダ
クタンス要素。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 １ 商用電源などにより得られる電源と、少なく
    とも１つの半導体スイツチとその駆動手段を有す
    る高周波電力を発生するための電力変換器と、食
    品または流体等を加熱するマグネトロンと、この
    マグネトロンに前記電力変換器の出力を供給する
    昇圧トランスと、前記マグネトロンに流れる電流
    の流路に設けたインダクタンス要素と、前記マグ
    ネトロンに並列に接続され、前記マグネロトンが
    逆バイアス時に発生する前記昇圧トランスのエネ
    ルギーによる逆バイアス電流をバイパスするコン
    デンサとを有し、前記マグネトロンと前記コンデ
    ンサとの並列回路に前記昇圧トランスの交流出力
    電圧を供給する構成とした高周波加熱装置。 ２ 電力変換器をフオーワード型コンバータで構
    成し、半導体スイツチの導通時にマグネトロンが
    順方向にバイアスされるように構成した特許請求
    の範囲第１項記載の高周波加熱装置。
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