JPH0850990A - マグネトロン駆動電源 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 マグネトロンの安定動作と、高信頼性のマグ
ネトロン駆動電源を実現する。 【構成】 マグネトロン駆動電源１は整流器２、半導体
スイッチング素子３、４、共振回路を有するトランス
５、整流器６、主半導体スイッチング素子を駆動する駆
動回路８、９から構成され、交流電源７から電力の供給
を受け、マグネトロン10を付勢する構成である。共振回
路を有するトランス５は半導体スイッチング素子３、４
のスイッチング損失を低減する作用を有、昇圧トランス
は３０ｋＨｚ以上６０ｋＨｚ以下の高周波交流を昇圧す
る。

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高周波
加熱装置、あるいは、医療機器、乾燥器、ガス励起装置
など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】以下、従来の技術を図面を参照して説明
する。図８は従来のマグネトロン駆動電源の構成を示す
回路ブロック図で、従来のマグネトロン駆動電源３０は
昇圧トランス３１と高圧の整流器３２から構成されてお
り、昇圧トランスは商用電源３３からを得られる５０ヘ
ルツあるいは６０ヘルツの１００ボルト程度の交流電圧
を昇圧し、その昇圧された高圧交流電圧を整流器３２が
整流して直流の高電圧に変換しマグネトロン３４を付勢
する。マグネトロン３４はこの直流高電圧により付勢さ
れ発振してマイクロ波を発生することができる。

【０００３】このような構成では昇圧トランスは５０か
ら６０ヘルツの交流電圧を昇圧するためにサイズが非常
に大型化していた。そこで、この昇圧トランスの小型化
を図るために、５０から６０ヘルツの交流電圧を一旦、
２０キロヘルツ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
ランスの小型化を図っている。図９はこのマグネトロン
駆動電源３５の構成を示す回路ブロック図であり、商用
電源３３から得られる５０から６０ヘルツの交流電圧は
主半導体スイッチング素子を有する周波数変換器３６に
よって、２０キロヘルツ程度の周波数の交流電圧に変換
される。共振回路を有する昇圧トランス３７は周波数変
換器３６から得られ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
圧は整流器３８で整流され直流高電圧に変換される。マ
グネトロン３４はこの直流高電圧により付勢される。

【０００４】周波数変換器３６は主に周波数変換に寄与
するパワー半導体スイッチング素子として、ＢＪＴ(Bip
olar Junction Transistor)、ＭＯＳ ＦＥＴ(Metal Oxi
de Semiconductor Field Effect Transistor)、ＩＧＢ
Ｔ(Insulated Gate Bipolar Transistor)などの自己転
流能力を有する素子を一石で用いる構成とされている。

【０００５】昇圧トランスとコンデンサから構成される
共振回路３７は周波数変換器を構成する半導体スイッチ
ング素子のスイッチング損失を低減する作用をするが、
この作用について図１０を用いて説明する。同図（Ａ）
はコンデンサとインダクタの並列共振回路３９と、これ
に直列荷接続された半導体スイッチング素子４０とを示
す回路図で、同図（Ｃ）は同図（Ａ）の半導体スイッチ
ング素子４０とダイオード４１との電圧と電流の波形を
示す波形図である。また、同図（Ｂ）は共振回路を用い
ない場合の回路図で、同図（Ｄ）は同図（Ｂ）の半導体
スイッチング素子４２とダイオード４３との電圧と電流
の波形を示す波形図である。これらの図からわかること
は、共振回路を用いた場合の電圧の傾きｄＶ１／ｄｔは
共振回路を用いない場合の回路の電圧ｄＶ２／ｄｔに比
べ緩やかになり、その結果電圧と電流が鎖交する部分
（図面の点線部分）の面積を少なくできるので、半導体
スイッチング素子のオフ損失を軽減することができる。

【０００６】また、半導体スイッチング素子４０は共振
回路３９の作用により電圧が零となってから、ダイオー
ド４１にある時間、電流が流れた後にオンするので（ｂ
で示される部分）オン時のスイッチング損失をなくすこ
とができる。このように共振回路を利用することにより
半導体スイッチングデバイスのスイッチング損失を大幅
に低減することができる。

【０００７】以上は電圧波形が正弦波状になる場合につ
いて説明したが、電流波形を正弦波状にすることも回路
構成上可能である。これはコンデンサとインダクタを直
列接続した共振回路と、これに並列に接続した主スイッ
チングデバイスという回路構成で実現される。この場合
は電流波形が正弦波状になり、半導体スイッチングデバ
イスのスイッチング損失を大幅に低減することができ
る。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前記の
ような構成では下記の問題があった。すなわち、 １．共振回路の作用により半導体デバイスにおけるスイ
ッチング損失は低減され、マグネトロン駆動電源の高周
波化が可能になったが、コアと巻線から構成される昇圧
トランスに関しては、高周波による巻線の表皮効果によ
る銅損の増大、コアの鉄損の増大により巻線の温度上昇
が大となる問題がある。

【０００９】２．特開昭６２−５５９０号公報に示され
るようにマグネトロンの安定動作を実現するために整流
器３８を全波整流回路とし、これを構成する一対のコン
デンサ容量を１：１．５、ないし１：２に定める必要が
ある。しかしながら、このように容量の異なるコンデン
サを用いると、マグネトロン駆動電源の製造工程でのコ
ンデンサの挿入誤りが生じることがあるという課題と、
コンデンサの製造における量産効果（コストに影響を及
ぼし、コスト高となる）が少なくなるという問題があ
る。もしも、コンデンサの容量を同一のものにすること
ができれば、単一容量のコンデンサを２倍の個数で生産
することができるので、量産効果が高くなり安価なコン
デンサとすることができると共に、コンデンサの挿入誤
りがなくなり信頼性の高いマグネトロン駆動電源を実現
することができる。

【００１０】３．全波整流回路を構成する一対のコンデ
ンサはマグネトロンのアノードとカソード間に並列に挿
入されることになるのでマグネトロンからみると定電圧
源とみることができる。このため以下に示すような課題
が生じる。

【００１１】マグネトロンにより発生したマイクロ波は
食品などの被加熱物に照射されるが、この被加熱物の種
類によってマイクロ波の吸収される状態が異なり、これ
がマグネトロンの動作に影響を及ぼす。具体的にいえ
ば、（図１１）で示されるマグネトロンのアノード電流
にスパイクとして顕著にその影響が現れる。この結果、
マグネトロンの動作が不安定となり、かつ、スパイク
（電流の急峻な変化）による高調波ノイズが増大すると
いう問題が生じる。

【００１２】本発明はかかる従来の問題点を解消するも
ので、第一に、昇圧トランスの発熱を最小限に抑えるこ
とを目的し、第２に、全波整流回路の一対のコンデンサ
容量を同一のもとすることを目的とし、第３にマグネト
ロンの安定動作を実現することを目的とする。

【００１３】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、本発明のマグネトロン駆動電源は、第一に、交流電
源に接続される整流回路と、前記整流回路の出力端に接
続された半導体スイッチング素子と、一次側が接続され
た昇圧トランスと、前記昇圧トランスと共に共振回路を
構成するコンデンサと、前記昇圧トランスの２次側に接
続された高圧整流回路と、前記半導体スイッチング素子
を駆動する駆動回路とを備え、前記駆動回路から前記半
導体スイッチング素子に与えられる駆動信号を３０ｋＨ
ｚ以上６０ｋＨｚ以下に設定した。

【００１４】第２に、交流電源に接続される整流回路
と、前記整流回路の出力端に接続された複数の半導体ス
イッチング素子と、一次側が接続された昇圧トランス
と、前記昇圧トランスと共に共振回路を構成するコンデ
ンサと、前記昇圧トランスの２次側に接続された全波整
流回路と、前記複数の半導体スイッチング素子を駆動す
る駆動回路とを備え、前記全波整流回路は容量の等しい
一対のコンデンサから構成され、かつ、前記駆動回路か
ら前記複数の半導体スイッチング素子に与える駆動信号
の周期とオン時間を等しくした。

【００１５】第３に、交流電源に接続される整流回路
と、前記整流回路の出力端に接続された複数の半導体ス
イッチング素子と、一次側が接続された昇圧トランス
と、前記昇圧トランスと共に共振回路を構成するコンデ
ンサと、前記昇圧トランスの２次側に接続された全波整
流回路と、前記複数の半導体スイッチング素子を駆動す
る駆動回路とを備え、前記全波整流回路の出力はインダ
クタを介してマグネトロンに接続される構成とした。

【００１６】

【作用】

１．本発明は、上記した１の構成、すなわち、半導体ス
イッチング素子に与えられる駆動信号を３０ｋＨｚ以上
６０ｋＨｚ以下に設定することによって、昇圧トランス
の巻線温度を最少にすることができる作用を有する。こ
れは、以下に示す理由による。

【００１７】高周波において、巻線の損失は主に表皮効
果起因する点が大である。マグネトロン駆動電源の動作
周波数は昇圧トランスの一次巻線インダクタとコンデン
サからなる共振回路で決められる。今、コンデンサの容
量をＣ１、一次巻線のインダクタンスをＬ１とすると、
動作周波数ｆは（１）式で表される。

【００１８】

【数１】

【００１９】ｋ１：定数 （２）式で示される特性インピーダンスＺ０を一定にす
る条件の基で、動作周波数を上げることを考えると、Ｌ
１、Ｃ１を小さくすればよいことがわかる。

【００２０】

【数２】

【００２１】巻線の巻数Ｎ１とインダクタンスＬ１との
間には、（３）式の関係があるのでＬ１を小さくするに
は一次巻線の巻数を少なくすればよい。このことは、巻
線の線長が短くなることであるので、巻線抵抗（巻線の
直流抵抗）が減少することを示している。

【００２２】 Ｌ＝Ｋ２＊Ｎ² （３） Ｋ２：定数 一方、動作周波数を上げると巻線の表皮効果が増大し、
その結果、巻線の交流抵抗は増大すると考えられる。従
って動作周波数を最適に選べば、巻線の温度上昇を最少
にすることができる。

【００２３】２．上記した２の構成、すなわち、全波整
流回路は容量の等しい複数のコンデンサから構成され、
かつ、駆動回路から複数の半導体スイッチング素子に与
える駆動信号の周期とオン時間を等しくすることによ
り、昇圧トランスの一次巻線に生じる電圧を半波ごとに
変化の大きさの等しいバランスの取れた波形とすること
ができるという作用を有する。

【００２４】３．上記した３の構成、すなわち、全波整
流回路の出力をインダクタを介してマグネトロンに接続
する構成により、マグネトロンから全波整流回路側を見
たとき、定電圧源の特性を示したものを、インダクタに
より定電流源の特性とすることができるという作用を有
する。

【００２５】

【実施例】本発明の一実施例を図面を参照して説明す
る。

【００２６】図１においてマグネトロン駆動電源１は、
整流回路２、半導体スイッチング素子３、４、昇圧トラ
ンスとコンデンサとから構成される共振回路５、高圧の
整流回路６、半導体スイッチング素子を駆動する駆動回
路８、９から構成され、１００ボルトあるいは２００ボ
ルト程度の商用電源７から電力の供給を受け、マグネト
ロン１０を付勢する構成である。共振回路５は二個の主
半導体スイッチング素子３、４のスイッチング損失を低
減する作用を有する。

【００２７】昇圧トランスは図２で示されるように一次
巻線１１、２次巻線１２、コア１３から構成され、一次
巻線は線径０．１８ｍｍの電線を１２０本より合わせた
ものを用いており、2次巻線１２は線径０．１３の電線
を７本寄り合わせたものを用いている。

【００２８】半導体スイッチング素子を駆動する駆動回
路８、９から半導体スイッチング素子３、４に与える駆
動信号の動作周波数と昇圧トランスの巻線温度の関係を
図３に示す。

【００２９】電線はＡ種を用いているので、耐熱温度は
１２０℃であるが、雰囲気温度の最大値を４０℃と見込
んでいるので、巻線の温度上昇の割合は８０Ｋ以下にす
る必要がある。この温度上昇値を実現するためには、動
作周波数を３０ｋＨｚ以上６０ｋＨｚ以下に設定すれば
よいことがわかる。

【００３０】図４は本発明の他の実施例を示す回路図
で、この構成は交流電源７に整流回路２が接続され、こ
の整流回路の出力端に二個の半導体スイッチング素子
３、４と昇圧トランス１４の１次巻線と、この昇圧トラ
ンスとともに共振回路を構成するコンデンサ１５、１６
とが接続されており、半導体スイッチング素子３、４は
駆動回路８、９により駆動される。また、昇圧トランス
の２次巻線の出力端には全波整流回路６が接続されてお
り、さらに、全波整流回路６の出力端にはマグネトロン
１０が接続されている。全波整流回路６は容量の等しい
二個のコンデンサ１７、１８を用いて構成される。

【００３１】駆動回路８、９が半導体スイッチング素子
３、４に与える駆動信号ＶＧ１、ＶＧ２はそれぞれ図５
（Ａ）、（Ｂ）に示されるようにオン時間Ｔｏｎ＝Ｔｏ
ｎ１と周期Ｔ＝Ｔ１が等しく与えられる。このようにす
ることにより、昇圧トランスの一次巻線電圧（同図
（Ｃ））、電流（同図（Ｄ））、２次巻線電圧（同図
（Ｅ）、電流（同図（Ｆ））は半周期ごとに大きさがバ
ランスした波形とすることができ、この結果、全波倍電
圧整流回路からマグネトロンに流れるアノード電流は同
図（Ｇ）に示されるように、せん頭値Ｉｐがほぼ一定と
なり、マグネトロンの安定動作を実現することができ
る。

【００３２】図６は本発明の他の実施例を示す回路図
で、この回路の構成は前の実施例で述べたものとほぼ同
じであるが、この構成は、全波整流回路６の出力端をイ
ンダクタ１９を介してマグネトロンに接続している。イ
ンダクタンスはおよそ１ｍＨ程度の大きさを持たせてあ
る。

【００３３】このような構成とすることにより、被加熱
物の種類によってマイクロ波の吸収される状態が異な
り、これがマグネトロンの動作に影響を及ぼし、マグネ
トロンのアノード電流にスパイクが発生しようとして
も、インダクタ１９による定電流特性のために、急激な
電流変化が抑制され図７に示すアノード電流のようにス
パイクのない安定した電流とすることができる。

【００３４】補足であるが、図６に示されるフィルタ回
路２０はマグネトロンから発生されるテレビ周波数帯の
ノイズを除去する目的で設けられており、インダクタン
スとしては数μＨ程度のものであり、前記したインダク
タ１９のように定電流源を作るほどの作用はしない。

【００３５】

【発明の効果】以上のように本発明のマグネトロン駆動
電源によれば下記の効果が得られる。

【００３６】１．半導体スイッチング素子に与えられる
駆動信号を３０ｋＨｚ以上６０ｋＨｚ以下に設定するこ
とによって、昇圧トランスの巻線温度を最少にすること
ができ、この結果、巻線温度をそれに用いられる絶縁材
料の耐熱温度以下で使用することが実現でき信頼性の高
いマグネトロン駆動電源を実現することができるという
効果がある。

【００３７】２．全波整流回路を容量の等しい複数のコ
ンデンサから構成し、かつ、駆動回路から複数の半導体
スイッチング素子に与える駆動信号の周期とオン時間を
等しくすることにより、昇圧トランスの一次巻線に生じ
る電圧を半波ごとに変化の大きさの等しいバランスの取
れた波形とすることができる。この結果、マグネトロン
の安定動作を保証し信頼性の高いマグネトロン駆動電源
を実現することができるという効果がある。

【００３８】３．全波整流回路の出力をインダクタを介
してマグネトロンに接続する構成により、マグネトロン
から全波整流回路側を見たとき、定電圧源の特性を示し
たものを、インダクタにより定電流源の特性とすること
ができる。この結果、被加熱物の種類の違いが起因す
る、マグネトロンの不安定動作を抑制することができ、
信頼性の高いマグネトロン駆動電源を実現することがで
きるという効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例のマグネトロン駆動電源を示
す回路ブロック図

【図２】同マグネトロン駆動電源の昇圧トランスの外観
を示す正面図

【図３】同マグネトロン駆動電源の昇圧トランスの巻線
温度を示す温度特性図

【図４】本発明の他の実施例のマグネトロン駆動電源を
示す回路図

【図５】マグネトロン駆動電源の動作を説明するための
波形図

【図６】本発明の他の実施例のマグネトロン駆動電源を
示す回路図

【図７】本発明のマグネトロンのアノード電流を示す波
形図

【図８】従来のマグネトロン駆動電源の構成を示す回路
ブロック図

【図９】従来のマグネトロン駆動電源の構成を示す回路
ブロック図

【図１０】共振回路の作用を説明するための回路図と波
形図

【図１１】従来のマグネトロンのアノード電流を示す波
形図

【符号の説明】

２ 整流回路 ３、４ 半導体スイッチング素子 ５ コンデンサと昇圧トランス（共振回路） ７ 交流電源 ８、９ 駆動手段 １４ 昇圧トランス １５、１６ コンデンサ １７ インダクタ

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】交流電源に接続される整流回路と、前記整
   流回路の出力端に接続された半導体スイッチング素子
   と、前記整流回路の出力端に一次側が接続された昇圧ト
   ランスと、前記昇圧トランスと共に共振回路を構成する
   コンデンサと、前記昇圧トランスの２次側に接続された
   高圧整流回路と、前記半導体スイッチング素子を駆動す
   る駆動回路とを備え、前記駆動回路から前記半導体スイ
   ッチング素子に与えられる駆動信号を３０ｋＨｚ以上６
   ０ｋＨｚ以下に設定したマグネトロン駆動電源。
2. 【請求項２】交流電源に接続される整流回路と、前記整
   流回路の出力端に接続された複数の半導体スイッチング
   素子と、一次側が接続された昇圧トランスと、前記昇圧
   トランスと共に共振回路を構成するコンデンサと、前記
   昇圧トランスの２次側に接続された全波整流回路と、前
   記複数の半導体スイッチング素子を駆動する駆動回路と
   を備え、前記全波整流回路は容量の等しい一対のコンデ
   ンサから構成され、かつ、前記駆動回路は前記複数の半
   導体スイッチング素子に与える駆動信号の周期とオン時
   間を等しくする構成としたマグネトロン駆動電源。
3. 【請求項３】交流電源に接続される整流回路と、前記整
   流回路の出力端に接続された複数の半導体スイッチング
   素子と、一次側が接続された昇圧トランスと、前記昇圧
   トランスと共に共振回路を構成するコンデンサと、前記
   昇圧トランスの２次側に接続された全波整流回路と、前
   記複数の半導体スイッチング素子を駆動する駆動回路と
   を備え、前記全波整流回路の出力はインダクタを介して
   マグネトロンに接続される構成としたマグネトロン駆動
   電源。