JPWO2006129795A1 - 誘導加熱装置 - Google Patents

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Abstract

力率改善回路の動作、非動作が検知可能な誘導加熱装置を提供する。 誘導加熱装置は、チョークコイル３に接続されたスイッチング素子４のオン・オフによって入力直流電源の力率を改善する力率改善回路７と、力率改善回路７の出力電圧を、チョークコイル８に接続されたスイッチング素子１０のオン・オフによって昇圧する昇圧回路１４と、昇圧回路１４の出力電圧を入力し、スイッチング素子２１のオン・オフによって加熱コイル２１に高周波電流を発生させるインバータ回路１５と、力率改善回路７の駆動時に、入力電流が目標値に達するようインバータ回路１５の出力を制御すると共に昇圧回路１４内の電圧を検知し、力率改善回路７の非動作を検知すると、インバータ回路１５の出力を停止するインバータ回路駆動制御部２８と、を有する。

Description

本発明は、電磁誘導を利用して、調理器具を誘導加熱する誘導加熱調理器等、一般家庭やオフィス、レストラン、工場などで使用される誘導加熱装置に関する。
従来の誘導加熱装置は、加熱コイルを介して負荷に高周波電力を供給するために、昇圧回路とインバータ回路とを用いているものがある（例えば、特許文献１参照）。
また、誘導加熱装置に力率改善回路（ＰＦＣ）とインバータ回路とを内蔵して、高調波電流抑制を行う技術も知られている（例えば、特許文献２参照）。
特開２００３−２５７６０９号公報 特開平１−２４６７８３号公報
従来の誘導加熱装置において、力率改善回路は入力電力の力率を改善し、インバータ回路は力率改善回路から出力される入力電力を所定の高周波電力に変換する。このような従来の誘導加熱装置において力率改善回路のみ、その動作が停止した場合、インバータ回路の入力電流の波形はコンデンサインプット型電源に特有の尖った電流波形となり、著しく力率が低下する。そのような場合でも、インバータ回路と力率改善回路とを別々に制御している従来の誘導加熱装置において、インバータ回路の入力電流の値は目標とする値になっているため、インバータ回路側では、力率改善回路が動作しているか否かの判別はできず、インバータ回路はそのまま動作を継続してしまう。しかし、この場合、入力電流波形が尖っているため入力電流と消費電力の相関がずれインバータ回路からは目標とする所定の出力電力は得られず、すなわち、インバータ回路は力率が低下した状態で動作を継続する。このように従来の誘導加熱装置は、力率改善回路が停止した場合に、力率が低下しているにもかかわらず、その状態で動作を継続してしまうという課題を有していた。
本発明は、上記課題を解決するものであり、大幅な力率低下のまま加熱を継続することを防止するために、力率改善回路以外の回路部で力率改善回路の動作／非動作の検知を可能とする誘導加熱装置を提供することを目的とする。
本発明の誘導加熱装置は、入力する直流電源の力率を改善しかつ第１のコンデンサに平滑した出力電圧を供給する力率改善回路と、前記力率改善回路の出力電圧を入力し前記力率改善回路の出力電圧より大きい電圧に昇圧して第２のコンデンサに平滑した出力電圧を供給する昇圧回路と、前記昇圧回路の出力電圧を入力し加熱コイルに高周波電流を発生させるインバータ回路と、前記力率改善回路の駆動時に、前記昇圧回路内の所定部分の電圧が所定の値に到達することにより、前記力率改善回路の動作を検知し、前記昇圧回路内の所定部分の電圧が前記所定の値に到達しないことにより前記力率改善回路の非動作を検知する検知回路と、入力電流値が目標値に到達するように前記インバータ回路の出力を制御するとともに前記検知回路が前記力率改善回路の非動作を検知すると前記インバータ回路の出力を抑制するか又は停止するインバータ制御回路と、を有する。
本発明の誘導加熱装置によれば、入力電流値が目標値に到達するようにインバータ回路の出力を制御しかつインバータの力率を改善することができるとともに、力率改善回路が非動作となった場合に、インバータの動作を停止することにより、力率が低下したまま、又は設定された出力が得られないまま加熱を継続することを防ぐことができる。
前記検知回路は、前記昇圧回路の出力電圧が所定の値に到達しないと、前記力率改善回路の非動作を検知するようにしても良い。昇圧回路の出力電圧は昇圧されているので、検知精度を高めることができる。
前記力率改善回路は、入力端が直流電源に接続される第１のチョークコイルと、前記第１のチョークコイルの出力端に高電位側端子が接続され、オンすることにより前記第１のチョークコイルにエネルギーを蓄積し、オフすることにより前記エネルギーを第１のダイオードを介して出力側の前記第１のコンデンサに供給する第１のスイッチング素子と、を有し、前記第１のスイッチング素子のオン・オフにより前記直流電源の力率を改善し、前記昇圧回路は、前記力率改善回路の出力端に接続される第２のチョークコイルと、前記第２のチョークコイルの出力端に高電位側端子が接続され、オンすることにより前記第２のチョークコイルにエネルギーを蓄積し、オフすることにより前記エネルギーを第２のダイオードを介して出力側の前記第２のコンデンサに供給する第２のスイッチング素子と、を有し、前記第２のスイッチング素子のオン・オフにより前記力率改善回路の出力電圧より大きい電圧に昇圧し、前記インバータ回路の動作を制御する前記インバータ制御回路は、前記昇圧回路の動作を制御する昇圧制御回路と共通の一のマイコンを有し、前記力率改善回路は、前記マイコンとは別の力率改善回路駆動制御用ＩＣにより制御されるようにしても良い。力率改善回路は、力率改善効果を高めるためスイッチング素子のオン・オフ動作を高速に行う必要がある。力率改善回路の制御に力率改善回路駆動制御用ＩＣを使用するので、昇圧回路の動作を制御する昇圧制御回路及びインバータ回路の動作を制御するインバータ制御回路に対して分離して、力率改善回路を制御することができる。これにより、安価に、小型に又は容易に力率改善回路を構成することができる。また、昇圧制御回路とインバータ制御回路とを一のマイコンで構成するので、インバータ制御回路を含む制御回路を簡素化し、コストを低減することができる。さらに、力率改善回路が分離して動作しても、その非動作を、昇圧制御回路とインバータ制御回路が共通に有するマイコンで検知して、力率改善回路の非動作により生じるおそれのある悪影響を低減することができる。
本発明の他の誘導加熱装置は、入力する直流電源の力率を改善しかつ第１のコンデンサに平滑した出力電圧を供給する力率改善回路と、前記力率改善回路の出力電圧を入力し前記力率改善回路の出力電圧より大きい電圧に昇圧し平滑した出力電圧を第２のコンデンサに供給する昇圧回路と、前記昇圧回路の出力電圧を入力し加熱コイルに高周波電流を発生させるインバータ回路と、前記力率改善回路の駆動時に、前記インバータ回路の入力電流波形の傾きを測定して、その波形の歪が所定より小さいと前記力率改善回路の動作を検知し、前記波形の歪が所定以上であると前記力率改善回路の非動作を検知する検知回路と、入力電流値が目標値に達するように前記インバータ回路の出力を制御するとともに、前記検知回路が前記力率改善回路の非動作を検知すると前記インバータ回路の出力を停止するインバータ制御回路と、を有しても良い。
上記検知回路は、前記力率改善回路の駆動時に、前記インバータ回路の入力電流波形の傾きを測定することに代え、前記力率改善回路の駆動時に、前記入力電源の所定位相における前記入力電流値の増加の傾きを測定し、前記傾きが所定値より大きいと前記力率改善回路が動作から非動作となったと検知しても良い。インバータ回路が動作している際に、力率改善回路が動作状態から非動作状態に移行すると、入力電流の波形が尖り、一方で、インバータ回路が出力電力を保持しようとするため尖った部分の値が瞬時に増加する。これにより、力率改善回路が非動作状態に移行したことを検知することができる。
本発明の他の誘導加熱装置は、入力する直流電源の力率を改善しかつ第１のコンデンサに平滑した出力電圧を供給する力率改善回路と、前記力率改善回路の出力電圧を入力し、前記力率改善回路の出力電圧より大きい電圧に昇圧して第２のコンデンサに出力電圧を供給する昇圧回路と、前記昇圧回路の出力電圧を入力し、加熱コイルに高周波電流を発生させるインバータ回路と、前記力率改善回路の駆動時に、前記インバータ回路の共振電圧と入力電流値とを比較し、前記共振電圧値が所定の比率以上であると前記力率改善回路の動作を検知し、前記共振電圧値が前記所定の比率より小さいと前記力率改善回路の非動作を検知する検知回路と、前記入力電流値が目標値に達するように前記インバータ回路の出力を制御するとともに、前記検知回路が前記力率改善回路の非動作を検知すると前記インバータ回路の出力を停止するインバータ制御回路と、を有する。インバータ回路の電圧を測定することにより、力率改善回路の非動作を検知することができる。
上記誘導加熱装置は表示部をさらに備え、前記検知回路が前記力率改善回路の非動作を検知した場合に、その内容を前記表示部に表示しても良い。表示部を使用して力率改善回路の故障修理を促すとともに、故障時にインバータ回路を停止しない場合には、力率改善回路を修理する間、インバータ回路を使用することができる。これにより、使い勝手が向上する。
前記検知回路が力率改善回路の非動作を検知した場合に、前記インバータ制御回路はインバータ回路の出力を低減させても良い。これにより、力率改善回路が非動作の状態で、加熱出力が大きい状態のまま、インバータ回路が通常動作することを防ぐことができる。インバータ回路は停止しないので、力率改善回路を修理する間、インバータ回路を使用することができる。これにより、使い勝手が良い。
上記誘導加熱装置は表示部をさらに備え、前記検知回路が力率改善回路の非動作を検知した場合に、前記インバータ回路を停止させずにその内容を前記表示部に表示しても良い。インバータ回路が停止しないので力率改善回路を修理する間、インバータ回路を使用することができるので使い勝手が良い。
本発明の誘導加熱装置によれば、力率改善回路の動作、非動作を力率改善回路の出力側で検知することが可能であり、力率改善回路が非動作の場合にインバータ回路の出力を停止若しくは抑制する、又は表示若しくは報知することで電源環境に対する影響を抑制することができる。
本発明の実施の形態における誘導加熱装置の回路図 本発明の実施の形態における誘導加熱装置の各部の電圧波形図
符号の説明
１ 商用電源
２ 整流回路
３ チョークコイル
４、１１、１６、１７ スイッチング素子
５、１０、１２、１８、１９ ダイオード
６、１３ 平滑コンデンサ
７ 力率改善回路
８ チョークコイル
９、２０ スナバコンデンサ
１４ 昇圧回路
１５ インバータ回路
２１ 加熱コイル
２２ 共振コンデンサ
２３ 被加熱体
２４ 入力電流検知部
２５ 基準電流設定部
２６ マイコン
２７ 可変導通比設定部
２８ インバータ回路駆動制御部
２９ 電圧検知部
３０ 基準電圧設定部
３１ 可変導通比設定部
３２ 昇圧回路駆動制御部
３３ 力率改善回路駆動制御部
３４ 入力電流検知部
３５ 参照正弦波検知部
３６ ＩＣ
３７ 導通比設定部
３８ 発振部
３９ 操作部
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
［誘導加熱装置の構成］
図１は、本発明の実施の形態における誘導加熱装置の回路図である。図１において、商用電源１は低周波交流電源である２００Ｖ商用電源である。本実施形態の誘導加熱装置は、入力端を商用電源１に接続され、入力した商用電源１を整流する整流回路２、整流回路２の出力電圧である直流電源（本実施の形態においては脈流）を入力して昇圧するとともに直流電源の力率を改善し、かつ第１のコンデンサである平滑コンデンサ６に平滑した出力電圧を供給する力率改善回路７、力率改善回路７の出力電圧を入力して力率改善回路７の出力電圧より大きい電圧に昇圧して、第２のコンデンサである平滑コンデンサ１３に出力電圧を供給する昇圧回路１４及び昇圧回路１４の出力電圧を入力し、加熱コイル２１に高周波電流を生成するインバータ回路１５を有する。整流回路２は、ブリッジダイオードと入力フィルタを含む。
力率改善回路７は、第１のチョークコイルであるチョークコイル３、第１のスイッチング素子であるスイッチング素子４（本実施の形態においてはＭＯＳＦＥＴ）、第１のダイオードであるダイオード５、及び平滑コンデンサ６により構成される。力率改善用に用いられるチョークコイル３の入力端は、直流電源の高電位側である整流回路２の高電位側の出力端に接続される。さらにチョークコイル３の出力端にスイッチング素子４の高電位側端子（ドレイン）が接続され、直流電源の低電位側である整流回路２の低電位側の出力端にスイッチング素子４の低電位側端子（ソース）が接続される。またダイオード５のアノードはスイッチング素子４の高電位側端子に接続される。ダイオード５のカソードは平滑コンデンサ６の高電位側端子に接続される。平滑コンデンサ６の低電位側端子は整流回路２の低電位側出力端子に接続される。力率改善回路７により、平滑コンデンサ６には力率改善回路７の入力電圧を力率改善回路７によって任意の電圧に昇圧した電圧が供給される。本実施の形態においては、力率改善回路７を高周波動作させるためにスイッチング速度の速いＭＯＳＦＥＴをスイッチング素子４として使用している。なお、通常ＭＯＳＦＥＴには逆並列にダイオードが保護のため接続されるが、その保護用ダイオードが無くても動作説明に何ら影響を与えないため、図１には記載していない。
昇圧回路１４は、平滑コンデンサ６、第２のチョークコイルであるチョークコイル８、スナバコンデンサ９、ダイオード１０、スイッチング素子１１（本実施の形態においてはＩＧＢＴ）、第２のダイオードであるダイオード１２、及び平滑コンデンサ１３により構成される。平滑コンデンサ６の高電位側端子に、チョークコイル８の入力端が接続される。チョークコイル８の出力端にスイッチング素子１１の高電位側端子（コレクタ）が接続され、平滑コンデンサ６の低電位側端子にスイッチング素子１１の低電位側端子（エミッタ）が接続される。スナバコンデンサ９は、スイッチング素子１１に並列に接続され、ダイオード１０は、スイッチング素子１１に逆並列に接続される。またスイッチング素子１１の高電位側端子にダイオード１２のアノードが接続され、ダイオード１２のカソードは、平滑コンデンサ１３の高電位側端子に接続される。スイッチング素子１１の低電位側端子に平滑コンデンサ１３の低電位側端子が接続される。昇圧回路１４は、平滑コンデンサ６の端子間電圧を入力して平滑コンデンサ１３に供給し、平滑コンデンサ１３は、その電圧をインバータ回路１５に供給する。
インバータ回路１５は、入力端子間に直列接続されたスイッチング素子１６及び１７、スイッチング素子１６及び１７のそれぞれ逆並列（スイッチング素子１６および１７の高電位側端子（コレクタ）は、ダイオード１８、１９のカソードに接続される。）に接続されたダイオード１８及び１９、スイッチング素子１７に並列に接続されたスナバコンデンサ２０、及びスイッチング素子１７に並列に接続された、加熱コイル２１と共振コンデンサ２２の直列回路により構成される。インバータ回路１５は昇圧回路１４の出力端子間、つまり、平滑コンデンサ１３の両端に入力端子が接続される。すなわち、平滑コンデンサ１３の両端には、直列接続されたスイッチング素子１６および１７が接続される。加熱コイル２１は負荷である被加熱体の鍋２３に対向して配置される。なお、スナバコンデンサ２０、加熱コイル２１と共振コンデンサ２２の直列接続体は、スイッチング素子１６と並列に接続されても良い。
本実施形態の誘導加熱装置は、さらに、インバータ回路駆動制御部２８、昇圧回路駆動制御部３２、力率改善回路駆動制御部３３、及び操作部３９を有する。
インバータ回路駆動制御部２８は、インバータ回路１５を制御するインバータ制御回路を構成し、誘導加熱装置の入力電流を検知する入力電流検知部２４、使用者の操作内容より決定される入力設定に応じた電流参照値を出力する基準電流設定部２５、マイクロコンピュータ（以下「マイコン」と呼ぶ）２６、及びスイッチング素子１６および１７の導通比を設定する可変導通比設定部２７を含む。マイコン２６は、入力電流検知部２４と基準電流設定部２５とから出力された信号を比較して、所定の入力が得られるよう可変導通比設定部２７に信号を出力する。可変導通比設定部２７は、マイコン２６により設定された駆動周波数で、スイッチング素子１６および１７の導通比を設定し、スイッチング素子１６とスイッチング素子１７を排他的に導通制御する。このように、インバータ制御回路は、入力電流値が目標値に到達するようにインバータ回路１５の出力を制御する。なお、出力の制御方法は可変導通比によるものに限定されず、例えば可変周波数によるものであっても良い。
昇圧回路駆動制御部３２は、昇圧回路１４を制御する昇圧制御回路を構成し、マイコン２６、インバータ回路１５の入力電圧となる平滑コンデンサ１３の電圧を検知する電圧検知部２９、基準電圧設定部３０、及びスイッチング素子１１の導通比を設定する可変導通比設定部３１を含む。マイコン２６は、電圧検知部２９から出力された信号と基準電圧設定部３０の電圧とを比較して、所定の平滑コンデンサ１３の電圧が得られるよう可変導通比設定部３１に信号を出力する。可変導通比設定部３１は、マイコン２６により設定された駆動周波数で、スイッチング素子１１の導通比を設定し、スイッチング素子１１の導通制御を行う。マイコン２６を昇圧回路駆動制御部３２とインバータ回路駆動制御部２８とで共有することにより、回路および制御の簡素化を可能にしている。
力率改善回路７のスイッチング素子４の駆動を制御する力率改善回路駆動制御部３３は、誘導加熱装置の入力電流を検知する入力電流検知部３４、誘導加熱装置の入力電圧を検知する参照正弦波検知部３５、力率改善回路駆動制御用ＩＣ３６、スイッチング素子４の導通比を設定する導通比設定部３７及び発振部３８を含む。力率改善回路駆動制御用ＩＣ３６は、入力電流検知部３４の出力と参照正弦波検知部３５の出力とを比較し、導通比設定部３７に信号が出力する。導通比設定部３７は、参照正弦波検知部３５の出力する参照正弦波電圧波形と同等の入力電流波形が得られるよう発振部３８により設定される駆動周波数でスイッチング素子４の導通比を設定し、スイッチング素子４の導通制御を行う。さらに力率改善回路駆動制御用ＩＣ３６はインバータ回路駆動制御部２８および昇圧回路駆動制御部３２に含まれるマイコン２６との通信ポートを有しており、マイコン２６が任意のタイミングで力率改善回路駆動制御用ＩＣ３６の動作を制御することが可能である。
以上のように、昇圧回路１４の動作を制御する昇圧回路駆動制御部３２とインバータ回路１５の動作を制御するインバータ回路駆動制御部２８は、一のマイコン２６を共通に有し、且つ力率改善回路駆動制御部３３は、マイコン２６とは別の力率改善回路駆動制御用ＩＣ３６を有する。よって、力率改善回路７は、マイコン２６とは別の力率改善回路駆動制御用ＩＣ３６により制御される。力率改善回路７は、力率改善効果を高めるためスイッチング素子４のオン・オフ動作を高速に行う必用がある。本実施の形態の誘導加熱装置は力率改善回路駆動制御用ＩＣ３６を使用するので、昇圧回路１４の動作を制御する昇圧回路駆動制御部３２及びインバータ回路１５の動作を制御するインバータ回路駆動制御部２８に対して分離して、力率改善回路７を制御することができる。そのため、安価に、小型に又は容易に力率改善回路７を構成することができる。また、昇圧回路駆動制御部３２とインバータ回路駆動制御部２８とが一のマイコンを共通に有するので、インバータ回路駆動制御部２８を含む制御回路を簡素化し、コストを低減することができる。さらに力率改善回路７が分離して動作していても、その非動作を、昇圧回路駆動制御部３２とインバータ回路駆動制御部２８が共通に有するマイコン２６で検知して、力率改善回路７の非動作により生じるおそれのある悪影響を低減することができる。
操作部３９は使用者の操作内容をマイコン２６に送信する。マイコン２６は操作部３９からの受信内容に基づいて、加熱開始、火力調整、加熱停止を行う。
［誘導加熱装置の動作］
以上のように構成された誘導加熱装置の動作について図２を参照して説明する。図２（ａ）は商用電源１の電圧、図２（ｂ）は力率改善回路７の入力電圧、すなわち整流回路２の出力電圧である直流電源、図２（ｃ）は平滑コンデンサ６の電圧、図２（ｄ）は平滑コンデンサ１３の電圧、図２（ｅ）は加熱コイル２１が出力する高周波電流、を示す。
図２（ａ）に示す商用電源１の電圧は整流回路２により全波整流され、図２（ｂ）に示す電圧が力率改善回路３に供給される。商用電源１の電圧の大きさが平滑コンデンサ６の電圧よりも小さい場合、力率改善回路３に含まれるダイオード５および整流回路２のブリッジダイオードがターンオンできずに入力電流波形が歪み、力率が著しく低くなるため、力率改善回路駆動制御部３３は、入力電流検知部３４により検知する電流波形が参照正弦波検知部３５の検知波形と等しくなるように導通比設定部３７の出力を変化させ、スイッチング素子４をターンオン・オフさせる。これにより、商用電源１からチョークコイル３を介して正弦波状の入力電流が流れるようになり、商用電源１側に歪んだ入力電流が流れることを防ぐ。
スイッチング素子４がターンオンしている状態において、商用電源１からのエネルギーがチョークコイル３に蓄えられる。その後、導通比設定部３７で設定された導通時間が経過するとスイッチング素子４はターンオフし、チョークコイル３に蓄えられたエネルギーはダイオード５を介して、平滑コンデンサ６に供給される。これにより、平滑コンデンサ６の電圧は商用電源１より高い電圧となる。平滑コンデンサ６の電圧は、平滑コンデンサ１３を介してインバータ回路１５に供給される。
以上のように、力率改善回路７は、入力端が直流電源に接続されるチョークコイル３と、チョークコイル３の出力端に高電位側端子が接続され、オンすることによりチョークコイル３にエネルギーを蓄積し、オフすることにより蓄積したエネルギーをダイオード５を介して出力側の平滑コンデンサ６に供給するスイッチング素子４とを有し、スイッチング素子４のオン・オフにより直流電源の力率を改善する。
昇圧回路１４は、スイッチング素子１１がターンオンしている期間中に、チョークコイル８にエネルギーを蓄える。スイッチング素子１１がターンオフすると、チョークコイル８に蓄えられたエネルギーは、ダイオード１２を介して平滑コンデンサ１３に供給され、平滑コンデンサ１３を充電する。
以上のように、昇圧回路１４は、力率改善回路７の出力端に接続されるチョークコイル８とチョークコイル８の出力端に高電位側端子が接続され、オンすることによりチョークコイル８にエネルギーを蓄積し、オフすることにより前記エネルギーをダイオード１２を介して、出力側の平滑コンデンサ１３に供給するスイッチング素子１１とを有し、スイッチング素子１１のオン・オフにより力率改善回路３の出力電圧より大きい電圧に昇圧する。
本実施の形態ではスイッチング素子１１の動作周波数および導通時間を可変として、平滑コンデンサ１３の電圧を調整している。またスイッチング素子１１には逆導通素子であるダイオード１２とスナバコンデンサ９が並列に接続されているため、スイッチング素子１１をオフする時、スナバコンデンサ９が傾きをもって充電を開始し、スイッチング素子１１はＺＶＳ（Ｚｅｒｏ Ｖｏｌｔａｇｅ Ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ）ターンオフ動作を実現する。スイッチング素子１１がオフしている期間中にスナバコンデンサ９は平滑コンデンサ６と同じ電圧になると平滑コンデンサ６と同等の電圧に固定され、その後平滑コンデンサ６の電圧がスナバコンデンサ９より高い電圧になると、スナバコンデンサ９は放電を開始する。スナバコンデンサ９が放電を完了すると、逆導通素子であるダイオード１０がオンする。本実施の形態ではスナバコンデンサ９の放電完了後、所定時間内にスイッチング素子１１がターンオンする連続駆動モードとしているが、スナバコンデンサ９の放電が完了し、その後所定時間以上経過してから、スイッチング素子１１をターンオンしても問題はない。またスナバコンデンサ９の放電が完了する前にスイッチング素子１１をターンオンしても動作可能であるが、その場合チョークコイル８に流れていた電流が急激にスイッチング素子１１に流れ込むため損失が増加してしまうことになる。そのため、本実施の形態ではスナバコンデンサ９が放電完了後、所定時間内にスイッチング素子１１をターンオンさせる。
図２（ｄ）の破線で示す力率改善回路７の出力にあたる平滑コンデンサ６の電圧は、昇圧回路１４によって図２（ｄ）の実線に示すように昇圧されて平滑コンデンサ１３に供給される。平滑コンデンサ１３の電圧値は、使用者が操作部３９に設定した電力が被加熱物体２３に供給されるように、調整される。以上が昇圧回路１４の動作である。
昇圧回路１４によって昇圧された平滑コンデンサ１３の電圧はインバータ回路１５に供給される。インバータ回路１５は、スイッチング素子１６および１７のオン・オフによって加熱コイル２１に図２（ｅ）に示す所定の周波数の高周波電流を発生させる。
スイッチング素子１６がオンしている状態からオフすると、スナバコンデンサ２０が傾きをもって放電するため、スイッチング素子１６はＺＶＳターンオフ動作を実現する。スナバコンデンサ２０が放電しきると、ダイオード１９がオンする。ダイオード１９がオンしている期間中にスイッチング素子１７のゲートにオン信号を加えると、ダイオード１９がターンオフしてスイッチング素子１７に電流が転流し、スイッチング素子１７はＺＶＳ＆ＺＣＳ（Ｚｅｒｏ Ｃｕｒｒｅｎｔ Ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ）ターンオフ動作を実現する。
スイッチング素子１７がオンしている状態からオフすると、スナバコンデンサ２０は傾きをもって充電するため、スイッチング素子１７はＺＶＳターンオフ動作を実現する。スナバコンデンサ２０が、平滑コンデンサ１３と同じ電圧まで充電されるとダイオード１８がオンする。ダイオード１８がオンしている期間中にスイッチング素子１６のゲートにオン信号を加えると、ダイオード１８がターンオフして、スイッチング素子１６に電流が転流し、スイッチング素子１６はＺＶＳ＆ＺＣＳターンオン動作を実現する。以上がインバータ回路１５の動作である。
本実施の形態ではスイッチング素子１６および１７は平滑コンデンサ１３を短絡しないようにデッドタイム２μｓの間隔を設けて、交互にオン・オフさせている。本実施の形態においてはスイッチング素子１６および１７の駆動周波数は固定として、導通時間を可変することで高周波電力の制御を行っている。昇圧回路１４とインバータ回路１５の駆動周波数を同一とすることで昇圧回路１４とインバータ回路１５の駆動周波数差に起因する可聴音の発生を抑制している。ただし、インバータ回路１５の駆動周波数を可変しても高周波電力を制御可能であることは言うまでもない。
本実施の形態の誘導加熱装置において、使用者が操作部３９に加熱開始操作をすると、操作部３９からマイコン２６に加熱開始命令を送信する。加熱開始命令を受信したマイコン２６は可変導通比設定部２７への出力を固定し、インバータ回路１５の駆動周波数および導通時間を所定の変動幅に固定した状態で動作させ、負荷２３である鍋の種類を決定した後、力率改善回路駆動制御用ＩＣ３６に動作開始の信号を出力し、力率改善回路７の出力である平滑コンデンサ６の電圧が所望の値になるように動作する。その後負荷の種類によって昇圧回路１４を駆動させることにより、安定した鍋種の判定を実現する。
［力率改善回路の動作／非動作の検知］
本実施形態おいて、電圧検知部２９及びマイコン２６は力率改善回路７の動作を検知する検知回路を構成する。電圧検知部２９は、昇圧回路１４が動作する直前、すなわち力率改善回路７の起動時において昇圧回路１４の出力である平滑コンデンサ１３の電圧を検知する。マイコン２６は、電圧検知部２９の信号がある規定の値以上となった場合、力率改善回路７が動作したものと検知する。また規定の値以下の場合には非動作を検知して、インバータ回路１５の動作を停止させる。
本発明の誘導加熱装置は、近年の高調波電流規制の高まりに対応するために、力率改善回路７と昇圧回路１４とインバータ回路１５を有し、力率改善回路７の起動時に、昇圧回路１４の出力電圧である平滑コンデンサ１３の電圧を検知することで、力率改善回路７の動作、非動作を検知することが可能となる。力率改善回路７の非動作を検知した場合は、インバータ回路１５の動作を停止させることにより、力率が低下したまま、又は設定された出力が得られないまま加熱を継続することを防ぐことができる。
なお、本実施の形態の電圧検知部２９及びマイコン２６を含む検知回路は、力率改善回路７の動作、非動作を検知するために、力率改善回路７の起動時に、昇圧回路１４の出力電圧を検知しているが、出力電圧に限らず、昇圧回路１４内のノードの電圧（昇圧回路１４内の所定部分の電圧）であればいずれの電圧を検知しても良い。
また、検知回路は、昇圧回路１４の出力電圧の検知に代えて、インバータ回路１５の入力電流の歪又は波形の歪に伴う所定位相における瞬時値の変化の傾き（変化量）を検知しても良い。すなわち、力率改善回路７の駆動時に、インバータ回路１５の入力電流波形の傾きを測定して、例えば、正弦波形に比して尖った波形となる。その波形の歪が所定より小さいと判断すると、力率改善回路７が動作していることを検知し、前記波形の歪が所定以上であると力率改善回路７の非動作を検知する。入力電流波形の傾きは、例えば入力電流波形の決められた位相における瞬時値を測定し、マイコンで演算することにより求めることができる。また、正弦波形に比して尖った波形となると、インバータ回路１５が出力電力を維持するため、瞬間的に入力電流の尖頭値が増加する。この変化を検知できる入力電源の所定位相（例えばピーク位相近傍）における瞬時値の変化の傾き（変化量）が所定値より小さいと判断すると、力率改善回路７が動作していることを検知し、前記波形の歪が所定以上であると力率改善回路７が非動作となったことを検知する。さらに、昇圧回路１４の出力電圧とインバータ回路１５の入力電流の傾きの両方を検知して、両方の値が所定値以上のときに力率改善回路７が動作していると判断し、いずれか一方の値が所定値未満のときに、力率改善回路７が非動作であると判断しても良い。インバータ回路１５の起動直前に、力率改善回路７を動作させ、昇圧回路１４の動作を停止した状態で、昇圧回路１４の出力電圧を検知することにより、力率改善回路７の動作、非動作を検知することができる。力率改善回路７が昇圧機能を有している場合には、昇圧回路１４の動作を停止した状態で、昇圧回路１４の出力電圧が所定以上の電圧を検知すると力率改善回路７が動作していると判断することができる。一方、入力電流の波形の歪を測定する方法、及び特定位相における瞬時時の変化の傾き又は変化量を測定する方法は、インバータ回路１５の駆動中における力率改善回路７の動作状態から非動作状態への変化を検知するのに有効である。昇圧回路１４の出力電圧を測定する方法では、力率改善回路７の昇圧機能の影響でインバータ回路１５の駆動中における力率改善回路７の動作状態から非動作状態への変化を精度良く検知することが難しい。
また、インバータ回路１５の入力電流の歪を検知すること又は波形の歪に伴う所定位相における入力電流値の増加の傾き（変化量）を検知することに代えて又は加えて、共振コンデンサ２２の共振電圧と前記入力電流値を検知し、共振電圧の積分波形の歪が前記入力電流に対して所定の比率以上であると力率改善回路７が動作していることを検知し、共振電圧値が前記所定の比率より小さいと力率改善回路７が非動作であることを検知するようにしても良い。インバータ回路１５の電圧を測定することにより、力率改善回路７の非動作を検知することができる。一方、入力電流の波形の歪を測定する方法、特定位相における瞬時値の変化の傾き又は変化量を測定する方法と同様、インバータ回路１５の駆動中における力率改善回路７の動作状態から非動作状態への変化を検知するのに有効である。
さらに、力率改善回路７の非動作を検知し、インバータ回路１５を停止させた場合に、その内容を操作部３９上に表示しても良い。また、本実施の形態の誘導加熱装置は、操作部３９とは別の表示部をさらに有し、インバータ回路１５を停止させると共に、その表示部に力率改善回路７の非動作に関する内容、例えば力率改善回路７の修理故障を促す内容を表示しても良い。また、力率改善回路７の非動作を検知した場合、インバータ回路１５を停止させずに、力率改善回路７の非動作に関する内容を操作部３９上又は他の表示部に表示しても良い。また、力率改善回路７の非動作を検知した場合に、インバータ回路１５の出力である高周波電流値を低減させても良い。
本実施の形態の誘導加熱装置は、誘導加熱調理器、誘導加熱式コピーローラー、誘導加熱式溶解炉、誘導加熱式ジャー炊飯、またはその他の誘導加熱式加熱装置に有用である。
本発明は、特定の実施形態について説明されてきたが、当業者にとっては他の多くの変形例、修正、他の利用が明らかである。それゆえ、本発明は、ここでの特定の開示に限定されず、添付の請求の範囲によってのみ限定され得る。
本発明の誘導加熱装置は、力率改善回路の動作、非動作を力率改善回路よりも出力側で検知することが可能となり、力率改善回路、昇圧回路及びインバータ回路を含む誘導加熱調理器等に有用である。
本発明は、電磁誘導を利用して、調理器具を誘導加熱する誘導加熱調理器等、一般家庭やオフィス、レストラン、工場などで使用される誘導加熱装置に関する。
従来の誘導加熱装置は、加熱コイルを介して負荷に高周波電力を供給するために、昇圧回路とインバータ回路とを用いているものがある（例えば、特許文献１参照）。
また、誘導加熱装置に力率改善回路（ＰＦＣ）とインバータ回路とを内蔵して、高調波電流抑制を行う技術も知られている（例えば、特許文献２参照）。
特開２００３−２５７６０９号公報 特開平１−２４６７８３号公報
従来の誘導加熱装置において、力率改善回路は入力電力の力率を改善し、インバータ回路は力率改善回路から出力される入力電力を所定の高周波電力に変換する。このような従来の誘導加熱装置において力率改善回路のみ、その動作が停止した場合、インバータ回路の入力電流の波形はコンデンサインプット型電源に特有の尖った電流波形となり、著しく力率が低下する。そのような場合でも、インバータ回路と力率改善回路とを別々に制御している従来の誘導加熱装置において、インバータ回路の入力電流の値は目標とする値になっているため、インバータ回路側では、力率改善回路が動作しているか否かの判別はできず、インバータ回路はそのまま動作を継続してしまう。しかし、この場合、入力電流波形が尖っているため入力電流と消費電力の相関がずれインバータ回路からは目標とする所定の出力電力は得られず、すなわち、インバータ回路は力率が低下した状態で動作を継続する。このように従来の誘導加熱装置は、力率改善回路が停止した場合に、力率が低下しているにもかかわらず、その状態で動作を継続してしまうという課題を有していた。
本発明は、上記課題を解決するものであり、大幅な力率低下のまま加熱を継続することを防止するために、力率改善回路以外の回路部で力率改善回路の動作／非動作の検知を可能とする誘導加熱装置を提供することを目的とする。
本発明の誘導加熱装置は、入力する直流電源の力率を改善しかつ第１のコンデンサに平滑した出力電圧を供給する力率改善回路と、前記力率改善回路の出力電圧を入力し前記力率改善回路の出力電圧より大きい電圧に昇圧して第２のコンデンサに平滑した出力電圧を供給する昇圧回路と、前記昇圧回路の出力電圧を入力し加熱コイルに高周波電流を発生させるインバータ回路と、前記力率改善回路の駆動時に、前記昇圧回路内の所定部分の電圧が所定の値に到達することにより、前記力率改善回路の動作を検知し、前記昇圧回路内の所定部分の電圧が前記所定の値に到達しないことにより前記力率改善回路の非動作を検知する検知回路と、入力電流値が目標値に到達するように前記インバータ回路の出力を制御するとともに前記検知回路が前記力率改善回路の非動作を検知すると前記インバータ回路の出力を抑制するか又は停止するインバータ制御回路と、を有する。
本発明の誘導加熱装置によれば、入力電流値が目標値に到達するようにインバータ回路の出力を制御しかつインバータの力率を改善することができるとともに、力率改善回路が非動作となった場合に、インバータの動作を停止することにより、力率が低下したまま、又は設定された出力が得られないまま加熱を継続することを防ぐことができる。
前記検知回路は、前記昇圧回路の出力電圧が所定の値に到達しないと、前記力率改善回路の非動作を検知するようにしても良い。昇圧回路の出力電圧は昇圧されているので、検知精度を高めることができる。
前記力率改善回路は、入力端が直流電源に接続される第１のチョークコイルと、前記第１のチョークコイルの出力端に高電位側端子が接続され、オンすることにより前記第１のチョークコイルにエネルギーを蓄積し、オフすることにより前記エネルギーを第１のダイオードを介して出力側の前記第１のコンデンサに供給する第１のスイッチング素子と、を有し、前記第１のスイッチング素子のオン・オフにより前記直流電源の力率を改善し、前記昇圧回路は、前記力率改善回路の出力端に接続される第２のチョークコイルと、前記第２のチョークコイルの出力端に高電位側端子が接続され、オンすることにより前記第２のチョークコイルにエネルギーを蓄積し、オフすることにより前記エネルギーを第２のダイオードを介して出力側の前記第２のコンデンサに供給する第２のスイッチング素子と、を有し、前記第２のスイッチング素子のオン・オフにより前記力率改善回路の出力電圧より大きい電圧に昇圧し、前記インバータ回路の動作を制御する前記インバータ制御回路は、前記昇圧回路の動作を制御する昇圧制御回路と共通の一のマイコンを有し、前記力率改善回路は、前記マイコンとは別の力率改善回路駆動制御用ＩＣにより制御されるようにしても良い。力率改善回路は、力率改善効果を高めるためスイッチング素子のオン・オフ動作を高速に行う必要がある。力率改善回路の制御に力率改善回路駆動制御用ＩＣを使用するので、昇圧回路の動作を制御する昇圧制御回路及びインバータ回路の動作を制御するインバータ制御回路に対して分離して、力率改善回路を制御することができる。これにより、安価に、小型に又は容易に力率改善回路を構成することができる。また、昇圧制御回路とインバータ制御回路とを一のマイコンで構成するので、インバータ制御回路を含む制御回路を簡素化し、コストを低減することができる。さらに、力率改善回路が分離して動作しても、その非動作を、昇圧制御回路とインバータ制御回路が共通に有するマイコンで検知して、力率改善回路の非動作により生じるおそれのある悪影響を低減することができる。
本発明の他の誘導加熱装置は、入力する直流電源の力率を改善しかつ第１のコンデンサに平滑した出力電圧を供給する力率改善回路と、前記力率改善回路の出力電圧を入力し前記力率改善回路の出力電圧より大きい電圧に昇圧し平滑した出力電圧を第２のコンデンサに供給する昇圧回路と、前記昇圧回路の出力電圧を入力し加熱コイルに高周波電流を発生させるインバータ回路と、前記力率改善回路の駆動時に、前記インバータ回路の入力電流波形の傾きを測定して、その波形の歪が所定より小さいと前記力率改善回路の動作を検知し、前記波形の歪が所定以上であると前記力率改善回路の非動作を検知する検知回路と、入力電流値が目標値に達するように前記インバータ回路の出力を制御するとともに、前記検知回路が前記力率改善回路の非動作を検知すると前記インバータ回路の出力を停止するインバータ制御回路と、を有しても良い。
上記検知回路は、前記力率改善回路の駆動時に、前記インバータ回路の入力電流波形の傾きを測定することに代え、前記力率改善回路の駆動時に、前記入力電源の所定位相における前記入力電流値の増加の傾きを測定し、前記傾きが所定値より大きいと前記力率改善回路が動作から非動作となったと検知しても良い。インバータ回路が動作している際に、力率改善回路が動作状態から非動作状態に移行すると、入力電流の波形が尖り、一方で、インバータ回路が出力電力を保持しようとするため尖った部分の値が瞬時に増加する。これにより、力率改善回路が非動作状態に移行したことを検知することができる。
本発明の他の誘導加熱装置は、入力する直流電源の力率を改善しかつ第１のコンデンサに平滑した出力電圧を供給する力率改善回路と、前記力率改善回路の出力電圧を入力し、前記力率改善回路の出力電圧より大きい電圧に昇圧して第２のコンデンサに出力電圧を供給する昇圧回路と、前記昇圧回路の出力電圧を入力し、加熱コイルに高周波電流を発生させるインバータ回路と、前記力率改善回路の駆動時に、前記インバータ回路の共振電圧と入力電流値とを比較し、前記共振電圧値が所定の比率以上であると前記力率改善回路の動作を検知し、前記共振電圧値が前記所定の比率より小さいと前記力率改善回路の非動作を検知する検知回路と、前記入力電流値が目標値に達するように前記インバータ回路の出力を制御するとともに、前記検知回路が前記力率改善回路の非動作を検知すると前記インバータ回路の出力を停止するインバータ制御回路と、を有する。インバータ回路の電圧を測定することにより、力率改善回路の非動作を検知することができる。
上記誘導加熱装置は表示部をさらに備え、前記検知回路が前記力率改善回路の非動作を検知した場合に、その内容を前記表示部に表示しても良い。表示部を使用して力率改善回路の故障修理を促すとともに、故障時にインバータ回路を停止しない場合には、力率改善回路を修理する間、インバータ回路を使用することができる。これにより、使い勝手が向上する。
前記検知回路が力率改善回路の非動作を検知した場合に、前記インバータ制御回路はインバータ回路の出力を低減させても良い。これにより、力率改善回路が非動作の状態で、加熱出力が大きい状態のまま、インバータ回路が通常動作することを防ぐことができる。インバータ回路は停止しないので、力率改善回路を修理する間、インバータ回路を使用することができる。これにより、使い勝手が良い。
上記誘導加熱装置は表示部をさらに備え、前記検知回路が力率改善回路の非動作を検知した場合に、前記インバータ回路を停止させずにその内容を前記表示部に表示しても良い。インバータ回路が停止しないので力率改善回路を修理する間、インバータ回路を使用することができるので使い勝手が良い。
本発明の誘導加熱装置によれば、力率改善回路の動作、非動作を力率改善回路の出力側で検知することが可能であり、力率改善回路が非動作の場合にインバータ回路の出力を停止若しくは抑制する、又は表示若しくは報知することで電源環境に対する影響を抑制することができる。
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
［誘導加熱装置の構成］
図１は、本発明の実施の形態における誘導加熱装置の回路図である。図１において、商用電源１は低周波交流電源である２００Ｖ商用電源である。本実施形態の誘導加熱装置は、入力端を商用電源１に接続され、入力した商用電源１を整流する整流回路２、整流回路２の出力電圧である直流電源（本実施の形態においては脈流）を入力して昇圧するとともに直流電源の力率を改善し、かつ第１のコンデンサである平滑コンデンサ６に平滑した出力電圧を供給する力率改善回路７、力率改善回路７の出力電圧を入力して力率改善回路７の出力電圧より大きい電圧に昇圧して、第２のコンデンサである平滑コンデンサ１３に出力電圧を供給する昇圧回路１４及び昇圧回路１４の出力電圧を入力し、加熱コイル２１に高周波電流を生成するインバータ回路１５を有する。整流回路２は、ブリッジダイオードと入力フィルタを含む。
力率改善回路７は、第１のチョークコイルであるチョークコイル３、第１のスイッチング素子であるスイッチング素子４（本実施の形態においてはＭＯＳＦＥＴ）、第１のダイオードであるダイオード５、及び平滑コンデンサ６により構成される。力率改善用に用いられるチョークコイル３の入力端は、直流電源の高電位側である整流回路２の高電位側の出力端に接続される。さらにチョークコイル３の出力端にスイッチング素子４の高電位側端子（ドレイン）が接続され、直流電源の低電位側である整流回路２の低電位側の出力端にスイッチング素子４の低電位側端子（ソース）が接続される。またダイオード５のアノードはスイッチング素子４の高電位側端子に接続される。ダイオード５のカソードは平滑コンデンサ６の高電位側端子に接続される。平滑コンデンサ６の低電位側端子は整流回路２の低電位側出力端子に接続される。力率改善回路７により、平滑コンデンサ６には力率改善回路７の入力電圧を力率改善回路７によって任意の電圧に昇圧した電圧が供給される。本実施の形態においては、力率改善回路７を高周波動作させるためにスイッチング速度の速いＭＯＳＦＥＴをスイッチング素子４として使用している。なお、通常ＭＯＳＦＥＴには逆並列にダイオードが保護のため接続されるが、その保護用ダイオードが無くても動作説明に何ら影響を与えないため、図１には記載していない。
昇圧回路１４は、平滑コンデンサ６、第２のチョークコイルであるチョークコイル８、スナバコンデンサ９、ダイオード１０、スイッチング素子１１（本実施の形態においてはＩＧＢＴ）、第２のダイオードであるダイオード１２、及び平滑コンデンサ１３により構成される。平滑コンデンサ６の高電位側端子に、チョークコイル８の入力端が接続される。チョークコイル８の出力端にスイッチング素子１１の高電位側端子（コレクタ）が接続され、平滑コンデンサ６の低電位側端子にスイッチング素子１１の低電位側端子（エミッタ）が接続される。スナバコンデンサ９は、スイッチング素子１１に並列に接続され、ダイオード１０は、スイッチング素子１１に逆並列に接続される。またスイッチング素子１１の高電位側端子にダイオード１２のアノードが接続され、ダイオード１２のカソードは、平滑コンデンサ１３の高電位側端子に接続される。スイッチング素子１１の低電位側端子に平滑コンデンサ１３の低電位側端子が接続される。昇圧回路１４は、平滑コンデンサ６の端子間電圧を入力して平滑コンデンサ１３に供給し、平滑コンデンサ１３は、その電圧をインバータ回路１５に供給する。
インバータ回路１５は、入力端子間に直列接続されたスイッチング素子１６及び１７、スイッチング素子１６及び１７のそれぞれ逆並列（スイッチング素子１６および１７の高電位側端子（コレクタ）は、ダイオード１８、１９のカソードに接続される。）に接続されたダイオード１８及び１９、スイッチング素子１７に並列に接続されたスナバコンデンサ２０、及びスイッチング素子１７に並列に接続された、加熱コイル２１と共振コンデンサ２２の直列回路により構成される。インバータ回路１５は昇圧回路１４の出力端子間、つまり、平滑コンデンサ１３の両端に入力端子が接続される。すなわち、平滑コンデンサ１３の両端には、直列接続されたスイッチング素子１６および１７が接続される。加熱コイル２１は負荷である被加熱体の鍋２３に対向して配置される。なお、スナバコンデンサ２０、加熱コイル２１と共振コンデンサ２２の直列接続体は、スイッチング素子１６と並列に接続されても良い。
本実施形態の誘導加熱装置は、さらに、インバータ回路駆動制御部２８、昇圧回路駆動制御部３２、力率改善回路駆動制御部３３、及び操作部３９を有する。
インバータ回路駆動制御部２８は、インバータ回路１５を制御するインバータ制御回路を構成し、誘導加熱装置の入力電流を検知する入力電流検知部２４、使用者の操作内容より決定される入力設定に応じた電流参照値を出力する基準電流設定部２５、マイクロコンピュータ（以下「マイコン」と呼ぶ）２６、及びスイッチング素子１６および１７の導通比を設定する可変導通比設定部２７を含む。マイコン２６は、入力電流検知部２４と基準電流設定部２５とから出力された信号を比較して、所定の入力が得られるよう可変導通比設定部２７に信号を出力する。可変導通比設定部２７は、マイコン２６により設定された駆動周波数で、スイッチング素子１６および１７の導通比を設定し、スイッチング素子１６とスイッチング素子１７を排他的に導通制御する。このように、インバータ制御回路は、入力電流値が目標値に到達するようにインバータ回路１５の出力を制御する。なお、出力の制御方法は可変導通比によるものに限定されず、例えば可変周波数によるものであっても良い。
昇圧回路駆動制御部３２は、昇圧回路１４を制御する昇圧制御回路を構成し、マイコン２６、インバータ回路１５の入力電圧となる平滑コンデンサ１３の電圧を検知する電圧検知部２９、基準電圧設定部３０、及びスイッチング素子１１の導通比を設定する可変導通比設定部３１を含む。マイコン２６は、電圧検知部２９から出力された信号と基準電圧設定部３０の電圧とを比較して、所定の平滑コンデンサ１３の電圧が得られるよう可変導通比設定部３１に信号を出力する。可変導通比設定部３１は、マイコン２６により設定された駆動周波数で、スイッチング素子１１の導通比を設定し、スイッチング素子１１の導通制御を行う。マイコン２６を昇圧回路駆動制御部３２とインバータ回路駆動制御部２８とで共有することにより、回路および制御の簡素化を可能にしている。
力率改善回路７のスイッチング素子４の駆動を制御する力率改善回路駆動制御部３３は、誘導加熱装置の入力電流を検知する入力電流検知部３４、誘導加熱装置の入力電圧を検知する参照正弦波検知部３５、力率改善回路駆動制御用ＩＣ３６、スイッチング素子４の導通比を設定する導通比設定部３７及び発振部３８を含む。力率改善回路駆動制御用ＩＣ３６は、入力電流検知部３４の出力と参照正弦波検知部３５の出力とを比較し、導通比設定部３７に信号が出力する。導通比設定部３７は、参照正弦波検知部３５の出力する参照正弦波電圧波形と同等の入力電流波形が得られるよう発振部３８により設定される駆動周波数でスイッチング素子４の導通比を設定し、スイッチング素子４の導通制御を行う。さらに力率改善回路駆動制御用ＩＣ３６はインバータ回路駆動制御部２８および昇圧回路駆動制御部３２に含まれるマイコン２６との通信ポートを有しており、マイコン２６が任意のタイミングで力率改善回路駆動制御用ＩＣ３６の動作を制御することが可能である。
以上のように、昇圧回路１４の動作を制御する昇圧回路駆動制御部３２とインバータ回路１５の動作を制御するインバータ回路駆動制御部２８は、一のマイコン２６を共通に有し、且つ力率改善回路駆動制御部３３は、マイコン２６とは別の力率改善回路駆動制御用ＩＣ３６を有する。よって、力率改善回路７は、マイコン２６とは別の力率改善回路駆動制御用ＩＣ３６により制御される。力率改善回路７は、力率改善効果を高めるためスイッチング素子４のオン・オフ動作を高速に行う必用がある。本実施の形態の誘導加熱装置は力率改善回路駆動制御用ＩＣ３６を使用するので、昇圧回路１４の動作を制御する昇圧回路駆動制御部３２及びインバータ回路１５の動作を制御するインバータ回路駆動制御部２８に対して分離して、力率改善回路７を制御することができる。そのため、安価に、小型に又は容易に力率改善回路７を構成することができる。また、昇圧回路駆動制御部３２とインバータ回路駆動制御部２８とが一のマイコンを共通に有するので、インバータ回路駆動制御部２８を含む制御回路を簡素化し、コストを低減することができる。さらに力率改善回路７が分離して動作していても、その非動作を、昇圧回路駆動制御部３２とインバータ回路駆動制御部２８が共通に有するマイコン２６で検知して、力率改善回路７の非動作により生じるおそれのある悪影響を低減することができる。
操作部３９は使用者の操作内容をマイコン２６に送信する。マイコン２６は操作部３９からの受信内容に基づいて、加熱開始、火力調整、加熱停止を行う。
［誘導加熱装置の動作］
以上のように構成された誘導加熱装置の動作について図２を参照して説明する。図２（ａ）は商用電源１の電圧、図２（ｂ）は力率改善回路７の入力電圧、すなわち整流回路２の出力電圧である直流電源、図２（ｃ）は平滑コンデンサ６の電圧、図２（ｄ）は平滑コンデンサ１３の電圧、図２（ｅ）は加熱コイル２１が出力する高周波電流、を示す。
図２（ａ）に示す商用電源１の電圧は整流回路２により全波整流され、図２（ｂ）に示す電圧が力率改善回路３に供給される。商用電源１の電圧の大きさが平滑コンデンサ６の電圧よりも小さい場合、力率改善回路３に含まれるダイオード５および整流回路２のブリッジダイオードがターンオンできずに入力電流波形が歪み、力率が著しく低くなるため、力率改善回路駆動制御部３３は、入力電流検知部３４により検知する電流波形が参照正弦波検知部３５の検知波形と等しくなるように導通比設定部３７の出力を変化させ、スイッチング素子４をターンオン・オフさせる。これにより、商用電源１からチョークコイル３を介して正弦波状の入力電流が流れるようになり、商用電源１側に歪んだ入力電流が流れることを防ぐ。
スイッチング素子４がターンオンしている状態において、商用電源１からのエネルギーがチョークコイル３に蓄えられる。その後、導通比設定部３７で設定された導通時間が経過するとスイッチング素子４はターンオフし、チョークコイル３に蓄えられたエネルギーはダイオード５を介して、平滑コンデンサ６に供給される。これにより、平滑コンデンサ６の電圧は商用電源１より高い電圧となる。平滑コンデンサ６の電圧は、平滑コンデンサ１３を介してインバータ回路１５に供給される。
以上のように、力率改善回路７は、入力端が直流電源に接続されるチョークコイル３と、チョークコイル３の出力端に高電位側端子が接続され、オンすることによりチョークコイル３にエネルギーを蓄積し、オフすることにより蓄積したエネルギーをダイオード５を介して出力側の平滑コンデンサ６に供給するスイッチング素子４とを有し、スイッチング素子４のオン・オフにより直流電源の力率を改善する。
昇圧回路１４は、スイッチング素子１１がターンオンしている期間中に、チョークコイル８にエネルギーを蓄える。スイッチング素子１１がターンオフすると、チョークコイル８に蓄えられたエネルギーは、ダイオード１２を介して平滑コンデンサ１３に供給され、平滑コンデンサ１３を充電する。
以上のように、昇圧回路１４は、力率改善回路７の出力端に接続されるチョークコイル８とチョークコイル８の出力端に高電位側端子が接続され、オンすることによりチョークコイル８にエネルギーを蓄積し、オフすることにより前記エネルギーをダイオード１２を介して、出力側の平滑コンデンサ１３に供給するスイッチング素子１１とを有し、スイッチング素子１１のオン・オフにより力率改善回路３の出力電圧より大きい電圧に昇圧する。
本実施の形態ではスイッチング素子１１の動作周波数および導通時間を可変として、平滑コンデンサ１３の電圧を調整している。またスイッチング素子１１には逆導通素子であるダイオード１０とスナバコンデンサ９が並列に接続されているため、スイッチング素子１１をオフする時、スナバコンデンサ９が傾きをもって充電を開始し、スイッチング素子１１はＺＶＳ（Zero Voltage Switching）ターンオフ動作を実現する。スイッチング素子１１がオフしている期間中にスナバコンデンサ９は平滑コンデンサ１３と同じ電圧になると平滑コンデンサ１３と同等の電圧に固定され、その後平滑コンデンサ１３の電圧がスナバコンデンサ９より高い電圧になると、スナバコンデンサ９は放電を開始する。スナバコンデンサ９が放電を完了すると、逆導通素子であるダイオード１０がオンする。本実施の形態ではスナバコンデンサ９の放電完了後、所定時間内にスイッチング素子１１がターンオンする連続駆動モードとしているが、スナバコンデンサ９の放電が完了し、その後所定時間以上経過してから、スイッチング素子１１をターンオンしても問題はない。またスナバコンデンサ９の放電が完了する前にスイッチング素子１１をターンオンしても動作可能であるが、その場合チョークコイル８に流れていた電流が急激にスイッチング素子１１に流れ込むため損失が増加してしまうことになる。そのため、本実施の形態ではスナバコンデンサ９が放電完了後、所定時間内にスイッチング素子１１をターンオンさせる。
図２（ｄ）の破線で示す力率改善回路７の出力にあたる平滑コンデンサ６の電圧は、昇圧回路１４によって図２（ｄ）の実線に示すように昇圧されて平滑コンデンサ１３に供給される。平滑コンデンサ１３の電圧値は、使用者が操作部３９に設定した電力が被加熱物体２３に供給されるように、調整される。以上が昇圧回路１４の動作である。
昇圧回路１４によって昇圧された平滑コンデンサ１３の電圧はインバータ回路１５に供給される。インバータ回路１５は、スイッチング素子１６および１７のオン・オフによって加熱コイル２１に図２（ｅ）に示す所定の周波数の高周波電流を発生させる。
スイッチング素子１６がオンしている状態からオフすると、スナバコンデンサ２０が傾きをもって放電するため、スイッチング素子１６はＺＶＳターンオフ動作を実現する。スナバコンデンサ２０が放電しきると、ダイオード１９がオンする。ダイオード１９がオンしている期間中にスイッチング素子１７のゲートにオン信号を加えると、ダイオード１９がターンオフしてスイッチング素子１７に電流が転流し、スイッチング素子１７はＺＶＳ＆ＺＣＳ（Zero Current Switching）ターンオフ動作を実現する。
スイッチング素子１７がオンしている状態からオフすると、スナバコンデンサ２０は傾きをもって充電するため、スイッチング素子１７はＺＶＳターンオフ動作を実現する。スナバコンデンサ２０が、平滑コンデンサ１３と同じ電圧まで充電されるとダイオード１８がオンする。ダイオード１８がオンしている期間中にスイッチング素子１６のゲートにオン信号を加えると、ダイオード１８がターンオフして、スイッチング素子１６に電流が転流し、スイッチング素子１６はＺＶＳ＆ＺＣＳターンオン動作を実現する。以上がインバータ回路１５の動作である。
本実施の形態ではスイッチング素子１６および１７は平滑コンデンサ１３を短絡しないようにデッドタイム２μｓの間隔を設けて、交互にオン・オフさせている。本実施の形態においてはスイッチング素子１６および１７の駆動周波数は固定として、導通時間を可変することで高周波電力の制御を行っている。昇圧回路１４とインバータ回路１５の駆動周波数を同一とすることで昇圧回路１４とインバータ回路１５の駆動周波数差に起因する可聴音の発生を抑制している。ただし、インバータ回路１５の駆動周波数を可変しても高周波電力を制御可能であることは言うまでもない。
本実施の形態の誘導加熱装置において、使用者が操作部３９に加熱開始操作をすると、操作部３９からマイコン２６に加熱開始命令を送信する。加熱開始命令を受信したマイコン２６は可変導通比設定部２７への出力を固定し、インバータ回路１５の駆動周波数および導通時間を所定の変動幅に固定した状態で動作させ、負荷２３である鍋の種類を決定した後、力率改善回路駆動制御用ＩＣ３６に動作開始の信号を出力し、力率改善回路７の出力である平滑コンデンサ６の電圧が所望の値になるように動作する。その後負荷の種類によって昇圧回路１４を駆動させることにより、安定した鍋種の判定を実現する。
［力率改善回路の動作／非動作の検知］
本実施形態おいて、電圧検知部２９及びマイコン２６は力率改善回路７の動作を検知する検知回路を構成する。電圧検知部２９は、昇圧回路１４が動作する直前、すなわち力率改善回路７の起動時において昇圧回路１４の出力である平滑コンデンサ１３の電圧を検知する。マイコン２６は、電圧検知部２９の信号がある規定の値以上となった場合、力率改善回路７が動作したものと検知する。また規定の値以下の場合には非動作を検知して、インバータ回路１５の動作を停止させる。
本発明の誘導加熱装置は、近年の高調波電流規制の高まりに対応するために、力率改善回路７と昇圧回路１４とインバータ回路１５を有し、力率改善回路７の起動時に、昇圧回路１４の出力電圧である平滑コンデンサ１３の電圧を検知することで、力率改善回路７の動作、非動作を検知することが可能となる。力率改善回路７の非動作を検知した場合は、インバータ回路１５の動作を停止させることにより、力率が低下したまま、又は設定された出力が得られないまま加熱を継続することを防ぐことができる。
なお、本実施の形態の電圧検知部２９及びマイコン２６を含む検知回路は、力率改善回路７の動作、非動作を検知するために、力率改善回路７の起動時に、昇圧回路１４の出力電圧を検知しているが、出力電圧に限らず、昇圧回路１４内のノードの電圧（昇圧回路１４内の所定部分の電圧）であればいずれの電圧を検知しても良い。
また、検知回路は、昇圧回路１４の出力電圧の検知に代えて、インバータ回路１５の入力電流の歪又は波形の歪に伴う所定位相における瞬時値の変化の傾き（変化量）を検知しても良い。すなわち、力率改善回路７の駆動時に、インバータ回路１５の入力電流波形の傾きを測定して、例えば、正弦波形に比して尖った波形となる。その波形の歪が所定より小さいと判断すると、力率改善回路７が動作していることを検知し、前記波形の歪が所定以上であると力率改善回路７の非動作を検知する。入力電流波形の傾きは、例えば入力電流波形の決められた位相における瞬時値を測定し、マイコンで演算することにより求めることができる。また、正弦波形に比して尖った波形となると、インバータ回路１５が出力電力を維持するため、瞬間的に入力電流の尖頭値が増加する。この変化を検知できる入力電源の所定位相（例えばピーク位相近傍）における瞬時値の変化の傾き（変化量）が所定値より小さいと判断すると、力率改善回路７が動作していることを検知し、前記波形の歪が所定以上であると力率改善回路７が非動作となったことを検知する。さらに、昇圧回路１４の出力電圧とインバータ回路１５の入力電流の傾きの両方を検知して、両方の値が所定値以上のときに力率改善回路７が動作していると判断し、いずれか一方の値が所定値未満のときに、力率改善回路７が非動作であると判断しても良い。インバータ回路１５の起動直前に、力率改善回路７を動作させ、昇圧回路１４の動作を停止した状態で、昇圧回路１４の出力電圧を検知することにより、力率改善回路７の動作、非動作を検知することができる。力率改善回路７が昇圧機能を有している場合には、昇圧回路１４の動作を停止した状態で、昇圧回路１４の出力電圧が所定以上の電圧を検知すると力率改善回路７が動作していると判断することができる。一方、入力電流の波形の歪を測定する方法、及び特定位相における瞬時時の変化の傾き又は変化量を測定する方法は、インバータ回路１５の駆動中における力率改善回路７の動作状態から非動作状態への変化を検知するのに有効である。昇圧回路１４の出力電圧を測定する方法では、力率改善回路７の昇圧機能の影響でインバータ回路１５の駆動中における力率改善回路７の動作状態から非動作状態への変化を精度良く検知することが難しい。
また、インバータ回路１５の入力電流の歪を検知すること又は波形の歪に伴う所定位相における入力電流値の増加の傾き（変化量）を検知することに代えて又は加えて、共振コンデンサ２２の共振電圧と前記入力電流値を検知し、共振電圧の積分波形の歪が前記入力電流に対して所定の比率以上であると力率改善回路７が動作していることを検知し、共振電圧値が前記所定の比率より小さいと力率改善回路７が非動作であることを検知するようにしても良い。インバータ回路１５の電圧を測定することにより、力率改善回路７の非動作を検知することができる。一方、入力電流の波形の歪を測定する方法、特定位相における瞬時値の変化の傾き又は変化量を測定する方法と同様、インバータ回路１５の駆動中における力率改善回路７の動作状態から非動作状態への変化を検知するのに有効である。
さらに、力率改善回路７の非動作を検知し、インバータ回路１５を停止させた場合に、その内容を操作部３９上に表示しても良い。また、本実施の形態の誘導加熱装置は、操作部３９とは別の表示部をさらに有し、インバータ回路１５を停止させると共に、その表示部に力率改善回路７の非動作に関する内容、例えば力率改善回路７の修理故障を促す内容を表示しても良い。また、力率改善回路７の非動作を検知した場合、インバータ回路１５を停止させずに、力率改善回路７の非動作に関する内容を操作部３９上又は他の表示部に表示しても良い。また、力率改善回路７の非動作を検知した場合に、インバータ回路１５の出力である高周波電流値を低減させても良い。
本実施の形態の誘導加熱装置は、誘導加熱調理器、誘導加熱式コピーローラー、誘導加熱式溶解炉、誘導加熱式ジャー炊飯、またはその他の誘導加熱式加熱装置に有用である。
本発明は、特定の実施形態について説明されてきたが、当業者にとっては他の多くの変形例、修正、他の利用が明らかである。それゆえ、本発明は、ここでの特定の開示に限定されず、添付の請求の範囲によってのみ限定され得る。
本発明の誘導加熱装置は、力率改善回路の動作、非動作を力率改善回路よりも出力側で検知することが可能となり、力率改善回路、昇圧回路及びインバータ回路を含む誘導加熱調理器等に有用である。
本発明の実施の形態における誘導加熱装置の回路図 本発明の実施の形態における誘導加熱装置の各部の電圧波形図
符号の説明
１ 商用電源
２ 整流回路
３ チョークコイル
４、１１、１６、１７ スイッチング素子
５、１０、１２、１８、１９ ダイオード
６、１３ 平滑コンデンサ
７ 力率改善回路
８ チョークコイル
９、２０ スナバコンデンサ
１４ 昇圧回路
１５ インバータ回路
２１ 加熱コイル
２２ 共振コンデンサ
２３ 被加熱体
２４ 入力電流検知部
２５ 基準電流設定部
２６ マイコン
２７ 可変導通比設定部
２８ インバータ回路駆動制御部
２９ 電圧検知部
３０ 基準電圧設定部
３１ 可変導通比設定部
３２ 昇圧回路駆動制御部
３３ 力率改善回路駆動制御部
３４ 入力電流検知部
３５ 参照正弦波検知部
３６ ＩＣ
３７ 導通比設定部
３８ 発振部
３９ 操作部

Claims (9)

  1. 入力する直流電源の力率を改善し、かつ第１のコンデンサに平滑した出力電圧を供給する力率改善回路と、
    前記力率改善回路の出力電圧を入力し、前記力率改善回路の出力電圧より大きい電圧に昇圧して、第２のコンデンサに平滑した出力電圧を供給する昇圧回路と、
    前記昇圧回路の出力電圧を入力し、加熱コイルに高周波電流を発生させるインバータ回路と、
    前記力率改善回路の駆動時に、前記昇圧回路内の所定部分の電圧が所定の値に到達することにより前記力率改善回路の動作を検知し、前記昇圧回路内の所定部分の電圧が前記所定の値に到達しないことにより前記力率改善回路の非動作を検知する検知回路と、
    入力電流値が目標値に達するように前記インバータ回路の出力を制御するとともに、前記検知回路が前記力率改善回路の非動作を検知すると前記インバータ回路の出力を停止するインバータ制御回路と、
    を有する誘導加熱装置。
  2. 前記検知回路は、前記昇圧回路の出力電圧が所定の値に達しないと、前記力率改善回路の非動作を検知する請求項１に記載の誘導加熱装置。
  3. 前記力率改善回路は、入力端が直流電源に接続される第１のチョークコイルと、前記第１のチョークコイルの出力端に高電位側端子が接続され、オンすることにより前記第１のチョークコイルにエネルギーを蓄積し、オフすることにより前記エネルギーを第１のダイオードを介して出力側の前記第１のコンデンサに供給する第１のスイッチング素子と、を有し、前記第１のスイッチング素子のオン・オフにより前記直流電源の力率を改善し、
    前記昇圧回路は、前記力率改善回路の出力端に接続される第２のチョークコイルと、前記第２のチョークコイルの出力端に高電位側端子が接続され、オンすることにより前記第２のチョークコイルにエネルギーを蓄積し、オフすることにより前記エネルギーを第２のダイオードを介して出力側の前記第２のコンデンサに供給する第２のスイッチング素子と、を有し、前記第２のスイッチング素子のオン・オフにより前記力率改善回路の出力電圧より大きい電圧に昇圧し、
    前記インバータ回路の動作を制御する前記インバータ制御回路は、前記昇圧回路の動作を制御する昇圧制御回路と共通の一のマイクロコンピュータを有し、
    前記力率改善回路は、前記マイクロコンピュータとは別の力率改善回路駆動制御用ＩＣにより制御される請求項１に記載の誘導加熱装置。
  4. 入力する直流電源の力率を改善しかつ第１のコンデンサに平滑した出力電圧を供給する力率改善回路と、
    前記力率改善回路の出力電圧を入力し前記力率改善回路の出力電圧より大きい電圧に昇圧し平滑した出力電圧を第２のコンデンサに供給する昇圧回路と、
    前記昇圧回路の出力を入力し、加熱コイルに高周波電流を発生させるインバータ回路と、
    前記力率改善回路の駆動時に、前記インバータ回路の入力電流波形の傾きを測定して、その波形の歪が所定より小さいと前記力率改善回路の動作を検知し、前記波形の歪みが所定以上であると前記力率改善回路の非動作を検知する検知回路と、
    入力電流値が目標値に達するように前記インバータ回路の出力を制御するとともに、前記検知回路が前記力率改善回路の非動作を検知すると前記インバータ回路の出力を停止するインバータ制御回路と、
    を有する誘導加熱装置。
  5. 前記検知回路は、前記力率改善回路の駆動時に、前記インバータ回路の入力電流波形の傾きを測定することに代え、前記力率改善回路の駆動時に、前記入力電源の所定位相における前記入力電流値の増加の傾きを測定し、前記傾きが所定値より大きいと前記力率改善回路が動作から非動作となったことを検知する請求項４に記載の誘導加熱装置。
  6. 入力する直流電源の力率を改善しかつ第１のコンデンサに平滑した出力電圧を供給する力率改善回路と、
    前記力率改善回路の出力電圧を入力し、前記力率改善回路の出力電圧より大きい電圧に昇圧して第２のコンデンサに出力電圧を供給する昇圧回路と、
    前記昇圧回路の出力電圧を入力し、加熱コイルに高周波電流を発生させるインバータ回路と、
    前記力率改善回路の駆動時に、前記インバータ回路の共振電圧と入力電流値とを比較し、前記共振電圧値が前記入力電流に対して所定の比率以上であると前記力率改善回路の動作を検知し、前記共振電圧値が前記所定の比率より小さいと前記力率改善回路の非動作を検知する検知回路と、
    前記入力電流値が目標値に達するように前記インバータ回路の出力を制御するとともに、前記検知回路が前記力率改善回路の非動作を検知すると前記インバータ回路の出力を停止するインバータ制御回路と、
    を有する誘導加熱装置。
  7. 表示部をさらに備え、前記検知回路が前記力率改善回路の非動作を検知した場合にその内容を前記表示部に表示する請求項１から請求項６のいずれかの請求項に記載の誘導加熱装置。
  8. 表示部をさらに備え、前記検知回路が力率改善回路の非動作を検知した場合に、前記インバータ回路を停止させることに代え、その内容を前記表示部に表示する請求項１から請求項６のいずれかの請求項に記載の誘導加熱装置。
  9. 前記インバータ制御回路は、前記検知回路が力率改善回路の非動作を検知した場合に、前記インバータ回路を停止させることに代え、前記インバータ回路の出力を低減させる請求項１から請求項６のいずれかの請求項に記載の誘導加熱装置。
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