JPH0817566A - マグネトロン駆動用電源 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 本発明はマグネトロン駆動用電源に関するも
ので、２００ｖ系の商用電源を電力供給源とした場合で
も小型軽量なマグネトロン駆動用電源を提供する事を目
的とするものである。 【構成】 商用電源から得られる交流電力を整流する整
流回路２と昇圧トランス５の１次巻線と共振コンデンサ
３、４によって構成される共振回路と前記共振回路と前
記共振回路を励起する１対の半導体スイッチ素子８、９
からなり前記整流回路の出力を受け交流電力に変換する
インバータ回路と前記インバータ回路の変換する電力を
調節する制御部１０と前記インバータ回路の出力する交
流電力を受けマグネトロン１２に高圧直流電力を供給す
る高圧整流回路１１からなるマグネトロン駆動用電源に
おいて前記インバータ回路を構成する半導体スイッチ素
子８、９の導通時間を不等となるよう構成した。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は電子レンジなどのマグネ
トロンから得られるマイクロ波を利用する機器に用いる
マグネトロン駆動用の電源に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来のマグネトロン駆動用電源を図面を
用いて説明する。図９は従来のマグネトロン駆動用電源
を示す回路図である。マグネトロン駆動用電源は昇圧ト
ランス５と高圧整流回路１１と、マグネトロンのヒータ
に電力を供給し、ヒータを加熱するヒータ回路によって
構成され、昇圧トランス５は商用電源１から得られる５
０Ｈｚあるいは６０Ｈｚの交流電圧を昇圧し、その昇圧
された交流高電圧を高圧整流回路１１が直流高電圧に整
流してマグネトロン１２を付勢しマイクロ波を発生す
る。

【０００３】しかしながらこのような構成では昇圧トラ
ンス５は５０Ｈｚあるいは６０Ｈｚの交流電圧を昇圧す
るため、非常に大型化し重量も非常に重いものであっ
た。そこで、この昇圧トランス５を小型化するために、
５０Ｈｚあるいは６０Ｈｚの交流電圧を一旦２０ｋＨｚ
以上の高周波交流電圧に変換し、この高周波交流電圧を
昇圧する構成とすることにより、昇圧トランス５の小型
化を図る回路構成としたものが国内のインバータ電子レ
ンジに採用されている。図１０はこのインバータ電子レ
ンジに採用されているマグネトロン駆動用電源の回路図
を示している。商用電源１から得られた交流電圧は、整
流回路２によって単方向電圧に整流され半導体スイッチ
素子８を有するインバータ回路に供給される。また、こ
の半導体スイッチ素子８はバイポーラジャンクショント
ランジスタ（ＢＪＴ）やＭＯＳ電界効果トランジスタ
（ＭＯＳＦＥＴ）や絶縁ゲートバイポーラトランジスタ
（ＩＧＢＴ）などの自己転流機能を有するトランジスタ
と、これに逆並列に接続されたダイオードによって構成
されている。整流回路の単方向電圧はこのインバータ回
路１４によって２０ｋＨｚ以上の交流電圧に変換され
る。インバータ回路１４を構成する昇圧トランス５は、
その１次巻線に発生した高周波交流電圧を昇圧して高電
圧の高周波交流電圧を出力し、この高電圧の高周波交流
電圧は高圧整流回路１１によって整流され直流高電圧に
変換される。マグネトロン１２はこの直流高電圧により
付勢されマイクロ波を放出する。インバータ回路１４に
設けられた共振回路は半導体スイッチ素子８のスイッチ
ング損失を低減する作用を有する。この作用について図
１１を用いて説明する。図１１は半導体スイッチ素子８
に印加される電圧Ｖとその電流Ｉを示したものである。
半導体スイッチ素子８に印加される電圧は、共振コンデ
ンサ３と昇圧トランスの１次巻線によって構成される共
振回路によって正弦波状に変化する。このため、その傾
きｄＶ／ｄｔは緩やかになる。半導体スイッチ素子８が
ターンオフする際に発生するスイッチング損失は、電圧
Ｖと電流Ｉが交差する部分で生じる。このため半導体ス
イッチ素子８に印加される電圧の変化が緩やかであるほ
どスイッチング損失は軽減される。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら従来の構
成においては以下に挙げるような課題があった。

【０００５】従来と同じ回路構成ののマグネトロン駆動
用電源を欧州などのような海外向けや業務用の電子レン
ジといった２００ｖ系の商用電源を電力供給源とするよ
うな電子レンジに搭載した場合、国内の商用電源のよう
に１００ｖの商用電源を電力供給源とした場合と比べる
と、インバータ回路１４の半導体スイッチ素子８に印加
する共振電圧は２倍以上に増大する。その結果、半導体
スイッチ素子８の印加電圧の傾きｄＶ／ｄｔが増大し、
半導体スイッチ素子８のスイッチング損失が増大する。
これによって発生した熱を放熱し、電子レンジのような
限られた冷却条件下でも半導体スイッチ素子の動作が保
証される温度を保つため半導体スイッチ素子８に大型の
放熱フィンが必要であり、必ずしも小型軽量なマグネト
ロン駆動用電源を実現できるとは限らないという課題が
あった。

【０００６】例えば半導体スイッチ素子８にＩＧＢＴを
用いた場合を考えると、ＩＧＢＴの発生損失はスイッチ
ングスピードと導通状態の順方向飽和電圧によって決ま
る。この両者の関係は相反する関係にある。図１２はこ
の関系を示した図であり、この図からわかるようにスイ
ッチングスピードの速い素子を選ぶと順方向飽和電圧は
増加する。この関係は素子の耐圧にも依存し高耐圧の素
子ほどこの関係は悪くなる。すなわち、高耐圧の素子ほ
ど同じスイッチングスピードであっても順方向飽和電圧
は増加する。この関係はＩＧＢＴだけでなく他の種類の
半導体スイッチ素子についても同じことがいえる。従っ
て、２００ｖ系の商用電源を電力供給源とすると、イン
バータ回路１４を構成する半導体スイッチ素子８の発生
損失が増大せざるをえない。

【０００７】本発明は上記課題を解決するものであり２
００ｖ系の商用電源を電力供給源とする小型軽量なマグ
ネトロン駆動用電源を実現することを目的としている。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明は上記課題を解決
するために交流電源から得られる交流電力を整流する整
流回路と昇圧トランスの１次巻線と共振コンデンサによ
って構成される共振回路と前記共振回路と前記共振回路
を励起する１対の半導体スイッチ素子からなり前記整流
回路の出力を受け交流電力に変換するインバータ回路と
制御部とマグネトロンに高圧直流電力を供給する高圧整
流回路からなるマグネトロン駆動用電源において前記イ
ンバータ回路を構成する半導体スイッチ素子の導通時間
を不等となるよう構成した。

【０００９】また、インバータ回路およびマグネトロン
を冷却する冷却ファンを設け冷却ファンの発生する冷却
風が前記インバータ回路を構成する１対の半導体スイッ
チ素子のうち一方の半導体スイッチ素子を通過した後
に、他方の半導体スイッチ素子を通過するよう前記半導
体スイッチ素子を配置する構成とした。

【００１０】そしてまた、半導体スイッチ素子に印加さ
れる電圧を検出する電圧検知手段を設け、前記半導体ス
イッチ素子に印加される電圧が基準値以下になった時に
前記半導体スイッチ素子に導通信号を与える構成とし
た。

【００１１】さらにまた、高圧整流回路を全波倍電圧整
流回路構成とし前記高圧整流回路を構成するコンデンサ
の容量を不等とする構成とした。

【００１２】

【作用】本発明は上記構成により以下の作用を有するも
のである。

【００１３】すなわち、半導体スイッチ素子に与える導
通信号の幅を不等とすることにより、一対の半導体スイ
ッチ素子のうち一方の半導体スイッチ素子に与える導通
信号の幅を制御することにより出力制御可能とするとい
う作用を有する。

【００１４】また、一対の半導体スイッチ素子を冷却フ
ァンにたいして１列に配置し、風下側の半導体スイッチ
素子に与える導通信号の幅を短くすることにより半導体
スイッチ素子の発生損失を軽減できるという作用を有す
る。

【００１５】そしてまた、半導体スイッチ素子に印加す
る電圧を検出する検知手段を設けることにより、半導体
スイッチ素子の発生損失を軽減できるという作用を有す
る。

【００１６】さらにまた、高圧整流回路を全波倍電圧整
流回路構成とし２つのコンデンサ容量を不等とすること
によりマグネトロンのアノード電流を低くすることがで
きるという作用を有する。

【００１７】

【実施例】本発明の実施例を図面を用いて説明する。図
１は本発明の１実施例を示す回路図である。図１におい
て１は商用電源などの外部電源でありマグネトロン駆動
用電源に外部から電力を供給する。整流回路２は外部電
源１から与えられた電圧を単方向電圧に整流しインバー
タ回路１６に供給する。なお、単方向電圧は前述のよう
に、交流電源と整流回路を組み合わせて、脈動する単方
向電圧として構成してもよいし、バッテリーなどのよう
な直流電圧源を用いてもよい。インバータ回路１６は整
流回路２の出力にたいして並列に接続された共振コンデ
ンサ３、４の直列接続体と、半導体スイッチ素子８、９
の直列接続体と、半導体スイッチ素子８、９にそれぞれ
並列に接続されたスナバコンデンサ６、７と、共振コン
デンサ３、４の接続点と半導体スイッチ素子８、９の接
続点に１次巻線を接続する昇圧トランス５によって構成
され、半導体スイッチ素子８、９を交互にオンオフする
ことによって共振コンデンサ３、４と昇圧トランス５の
１次巻線からなる共振回路を励起し高周波交流電力を発
生する。また、半導体スイッチ素子８および９はバイポ
ーラトランジスタ（以下ＢＪＴと略記）や絶縁ゲートバ
イポーラトランジスタ（以下ＩＧＢＴと略記）等のトラ
ンジスタと、このトランジスタに逆並列に接続されたダ
イオードによって構成されている。インバータ回路１６
によって発生した高周波交流電力はトランスの１次巻線
と磁気結合された昇圧トランス５の２次巻線とヒータ巻
線に伝送される。高圧整流回路１１は昇圧トランス５の
２次巻線が発生する高圧交流電力を直流高電圧に整流す
る。マグネトロン１２は高圧整流回路１１の高圧直流電
圧と昇圧トランス５のヒータ巻線から供給される電力を
受けてマイクロ波を放出する。図２はインバータ回路１
４を構成する半導体スイッチ素子８、９の電流および印
加電圧と昇圧トランス５の１次巻線を流れる電流を示し
た図である。このように２つの半導体スイッチ素子がと
もにオフしている時間を設け半導体スイッチ素子８、９
を互い違いに導通させることにより共振コンデンサ３、
４と昇圧トランス５の１次巻線によって構成される共振
回路を励起し高周波交流電力を発生する。また半導体ス
イッチ素子８、９に印加される電圧はこれに並列に接続
されたスナバコンデンサ６、７によって緩やかな傾きを
もって増加／減少するため半導体スイッチ素子８、９が
ターンオフする際に生じるターンオフ損失を低減すると
いう効果をもつ。

【００１８】このような構成のマグネトロン駆動用電源
の出力制御は、半導体スイッチ素子８、９に与える導通
信号を制御して行なうことができる。すなわち、一方の
半導体スイッチ素子に与える導通信号を一定にし、他方
の半導体スイッチ素子に与える導通信号を可変すること
によって出力制御を行なうことができる。導通時間を可
変する半導体スイッチ素子に与えられる導通信号の幅Ｔ
ｏｎとマグネトロン駆動用電源の出力する電力の関係は
図３に示すような関係になる。

【００１９】半導体スイッチ素子がターンオフするタイ
ミングに注目すると、半導体スイッチ素子を構成するト
ランジスタに流れる電流を遮断する際にある時間（以下
これをフォールタイムＴｆと呼ぶ）をもって電流を遮断
する。このため半導体スイッチ素子８、９はターンオフ
の際にフォールタイムによって図４に示すようにターン
オフ損失を発生する。このターンオフ損失は半導体スイ
ッチ素子がターンオフする際の遮断電流に依存する。

【００２０】図５は本発明の実施例のマグネトロン駆動
用電源を電子レンジに装着した図である。図５において
１４はマグネトロン駆動用電源を強制空冷する冷却ファ
ンであり、インバータ回路を構成する半導体スイッチ素
子８、９および昇圧トランス５は同一のプリント基板１
５上に配置されるとともに、半導体スイッチ素子８、９
は冷却ファン１４が発生する冷却風に対して１列に配置
されている。このため風下側に配置された半導体スイッ
チ素子９は風上側に配置された半導体スイッチ素子８よ
りも冷却されにくくなるが、制御部１０によって半導体
スイッチ素子９に与えられる導通信号は、半導体スイッ
チ素子８に与えられる導通信号よりも短く設定されてい
るため、半導体スイッチ素子９の遮断電流は小さい。こ
のため、前述したターンオフ損失も小さくなる。半導体
スイッチ素子が正常に動作可能な温度条件は一般にジャ
ンクション温度と呼ばれる半導体スイッチ素子のチップ
温度で制限される。一方、このジャンクション温度は
（式１）で定義される。

【００２１】Ｔｊ＝Ｔａ＋Ｒｃ−ａ×Ｐｃ （１） Ｔｊ：ジャンクション温度 Ｔａ：半導体スイッチ素子の雰囲気温度 Ｒｃ−ａ：半導体スイッチ素子のケースと雰囲気温度間
の熱抵抗 Ｐｃ：半導体スイッチ素子の発生損失 電子レンジなどのような限られた冷却条件しか許されな
い場合にはＲｃ−ａが制限されるため、マグネトロン駆
動用電源の出力電力を高出力化する際にジャンクション
温度を保証温度以内に収めるには半導体スイッチ素子の
発生損失の低減が不可欠であるが、前述のように本実施
例においては風下側の半導体スイッチ素子の導通時間を
短くしているので風下側の半導体スイッチ素子の発生損
失が軽減され、ジャンクション温度を保証温度以下にす
ることが出来る。

【００２２】図６は本発明の他の実施例を示した図であ
る。この構成はマグネトロン駆動用電源の電力供給源と
して商用電源を用いた場合、電源の位相によらずターン
オフ損失を低減できるように構成されている。検知手段
１３で半導体スイッチ素子９に印加される電圧がある一
定の基準値以下になったタイミングを検知し、このタイ
ミングに合わせて制御部１０によって半導体スイッチ素
子９に導通信号を与え、またこれとともに半導体スイッ
チ素子９に印加される電圧が前述の基準値とは異なる第
２の基準値以上になったことを検知し、このタイミング
で制御部１０から半導体スイッチ素子８に導通信号が与
えられる。図７は図６で構成されるマグネトロン駆動電
源の半導体スイッチ素子８、９の電圧、電流、導通信号
であるＶ８、Ｉ８、ＶＧ８、Ｖ９、Ｉ９、ＶＧ９を示し
たものであり、（Ａ）は外部電源電圧が最大値を示す近
傍の状態のときの波形であり、（Ｂ）は外部電源電圧が
零近傍の状態のときの波形である。この図からわかるよ
うに半導体スイッチ素子に印加される電圧が残っている
状態で半導体スイッチ素子がターンオンしないので、マ
グネトロン駆動用電源に電力を供給する商用電源の位相
によらず半導体スイッチ素子で発生するターンオフ損失
を低減できる。

【００２３】また本実施例においては半導体スイッチ素
子８、９に与える導通信号を不等としているため昇圧ト
ランス５の１次巻線を流れる電流はきれいな正弦波とは
ならない。このため昇圧トランス５の２次巻線に励起さ
れる電流も正弦波状にはならない。このため高圧整流回
路１１のコンデンサを充電する電流が不均等になるが高
圧整流回路１１を構成するコンデンサの容量を不均等に
しているため、コンデンサの充放電によって生じるマグ
ネトロンのアノード電流の尖頭値は図８のように略一定
とすることができる。また、高圧整流回路１１を全波倍
電圧整流回路構成としているので従来のマグネトロン駆
動用電源の半波倍電圧整流回路構成の場合に比べてイン
バータの周期におけるアノード電流の導通時間が長くな
り、このため同じ電力を出力するときのアノード電流の
尖頭値を低減できる。

【００２４】

【発明の効果】以上のように実施例から明らかなように
本発明は、商用電源から得られる交流電力を整流する整
流回路と昇圧トランスの１次巻線と共振コンデンサによ
って構成される共振回路と前記共振回路と前記共振回路
を励起する１対の半導体スイッチ素子からなり前記整流
回路の出力を受け交流電力に変換するインバータ回路と
前記インバータ回路の変換する電力を調節する制御部と
前記インバータ回路の出力する交流電力を受けマグネト
ロンに高圧直流電力を供給する高圧整流回路からなるマ
グネトロン駆動用電源において、前記インバータ回路を
構成する半導体スイッチ素子の導通時間を不等となるよ
う構成することにより一方の半導体スイッチ素子の導通
信号を可変することでマグネトロン駆動用電源の出力す
る電力を制御できるためその制御部を簡素に構成でき、
軽量小型のマグネトロン駆動用電源を実現できる。

【００２５】また、インバータ回路およびマグネトロン
を冷却する冷却ファンを設け冷却ファンの発生する冷却
風が前記インバータ回路を構成する１対の半導体スイッ
チ素子のうち一方の半導体スイッチ素子を通過した後に
他方の半導体スイッチ素子を通過するよう前記半導体ス
イッチ素子を配置することにより小型軽量のマグネトロ
ン駆動用電源を実現できるとともに、インバータ回路の
半導体スイッチ素子のジャンクション温度を低減できる
ため高い信頼性を得ることができる。

【００２６】さらにまた、半導体スイッチ素子に印加さ
れる電圧を検出する電圧検知手段を設け、前記半導体ス
イッチ素子に印加される電圧が基準値以下になった時に
前記半導体スイッチ素子に導通信号を与える構成とする
ことにより、マグネトロン駆動用電源の電力供給源に商
用電源を接続した場合に商用電源の位相によらず半導体
スイッチ素子の発生損失を低減できるため、効率の良い
マグネトロン駆動用電源を実現できる。

【００２７】そしてまた、高圧整流回路を全波倍電圧整
流回路構成とし前記高圧整流回路を構成するコンデンサ
の容量を不等とする構成とすることにより、マグネトロ
ンのアノード電流の尖頭値を低減できるため、信頼性の
高いマグネトロン駆動用電源を実現できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の１実施例のマグネトロン駆動用電源を
示す回路図

【図２】本発明の１実施例のインバータ回路の動作波形
例を示す図

【図３】半導体スイッチ素子の導通時間とマグネトロン
駆動用電源の出力の関係を示す図

【図４】半導体スイッチ素子のターンオフ損失の発生を
示す図

【図５】本発明の１実施例のマグネトロン駆動用電源を
電子レンジに装着した図

【図６】本発明の他の実施例を示す回路図

【図７】（Ａ）外部電源電圧が最大値を示す近傍の状態
のときの半導体スイッチ素子の電圧、電流波形を示す図 （Ｂ）外部電源電圧が零近傍の状態のときの半導体スイ
ッチ素子の電圧、電流波形を示す図

【図８】マグネトロンのアノード電流を示す図

【図９】従来のマグネトロン駆動用電源を示す回路図

【図１０】従来の他のマグネトロン駆動用電源を示す回
路図

【図１１】従来のマグネトロン駆動用電源のスイッチン
グ損失の発生を示す図

【図１２】半導体スイッチ素子のトレードオフを示す図

【符号の説明】

２ 整流回路 ３、４ 共振コンデンサ ５ 昇圧トランス ８、９ 半導体スイッチ素子 １０ 制御部 １１ 高圧整流回路 １２ マグネトロン

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】単方向電源と、昇圧トランスの１次巻線と
   共振コンデンサによって構成される共振回路と前記共振
   回路と前記共振回路を励起する１対の半導体スイッチ素
   子とを備え、前記単方向電源の出力を受け交流電力に変
   換するインバータ回路と、前記インバータ回路の変換す
   る電力を調節する制御部と、前記インバータ回路の出力
   する交流電力を受けマグネトロンに高圧直流電力を供給
   する高圧整流回路からなるマグネトロン駆動用電源にお
   いて、前記インバータ回路を構成する半導体スイッチ素
   子の導通時間を不等となるよう構成したマグネトロン駆
   動用電源。
2. 【請求項２】インバータ回路およびマグネトロンを冷却
   する冷却ファンを設け冷却ファンの発生する冷却風が前
   記インバータ回路を構成する１対の半導体スイッチ素子
   のうち一方の半導体スイッチ素子を通過した後に、他方
   の半導体スイッチ素子を通過するよう前記半導体スイッ
   チ素子を配置するとともに、前記半導体スイッチ素子の
   うち風下側の半導体スイッチ素子に与える導通信号の幅
   を短くしてなる請求項１記載のマグネトロン駆動用電
   源。
3. 【請求項３】半導体スイッチ素子に印加される電圧を検
   出する電圧検知手段を設け、前記半導体スイッチ素子に
   印加される電圧が基準値以下になった時に前記半導体ス
   イッチ素子に導通信号を与える構成とした請求項１また
   は２記載のマグネトロン駆動用電源。
4. 【請求項４】高圧整流回路を全波倍電圧整流回路構成と
   し前記高圧整流回路を構成するコンデンサの容量を不等
   とする構成とした請求項３記載のマグネトロン駆動用電
   源。