WO2005043958A1 - 誘導加熱調理器 - Google Patents

Abstract

誘導加熱調理器は、共振回路を含むインバータと加熱出力制御部とを有する。共振回路は、負荷と磁気結合する加熱コイルと共振コンデンサとを有する。インバータは、第１、第２のスイッチング素子を有する。加熱出力制御部は、第１、第２のスイッチング素子の駆動時間の比率の大小を逆に変更して制御する。それにより、実質的に同一の加熱出力となるようにインバータの駆動を制御して、第１、第２のスイッチング素子の損失を平均化する。

Description

明細書

誘導加熱調理器 技術分野

本発明は、 共振回路を有して、 特に非磁性かつ低抵抗率の金属か らなる負荷を誘導加熱する誘導加熱調理器に関する。 背景技術

従来、 非磁性かつ低抵抗率の金属からなる負荷を誘導加熱する誘 導加熱調理器は、 例えば、 特開 2 0 0 2 — 7 5 6 2 0号公報等で知 られている。

図 7は、 従来の誘導加熱調理器の回路図である。 図 7に示すよ う に、 電源 2 1 は、 低周波交流電源である 2 0 0 V商用電源であり、 プリ ッジダイオー ドである整流回路 2 2 の入力端に接続されている, 整流回路 2 2の出力端間に第 1 の平滑コンデンサ （以下、 コンデン サと呼ぶ） 2 3が接続されている。 整流回路 2 2の出力端間には、 さ らに、 チョークコイル 2 4 と第 2 のスィ ツチング素子 ( I G B T ) (以下、 素子と呼ぶ） 2 7 との直列接続体が接続されている。 加熱 コイル 2 9はアルミニウム製の鍋な.どの負荷 3 1 と対向して配置さ れている。

第 2の平滑コンデンサ （以下、 コンデンサと呼ぶ） 3 2の低電位 側端子 （ェミ ッタ） は整流回路 2 2の負極端子に接続されている。 また、コンデンサ 3 2の高電位側端子は第 1 のスイ ッチング素子（ I G B T ) (以下、 素子と呼ぶ） 2 5の高電位側端子 （コ レクタ） に接 続されている。 素子 2 5の低電位側端子は、 素子 2 7の高電位側端 子 （コレクタ） とチョーク コイル 2 4 との接続点に接続されている。 加熱コイル 2 9 と共振コンデンサ 3 0の直列共振回路が素子 2 7に 並列に接続されている。

第 1 のダイオー ド （以下、 ダイオー ドと呼ぶ） 2 6 (第 1 の逆導 通素子） は素子 2 5 に逆並列に接続されている。 つま り、 ダイォー ド 2 6の力ソードが素子 2 5 のコレクタに接続されている。 また、 第 2のダイオード （以下、 ダイオー ドと呼ぶ） 2 8 (第 2 の逆導通 素子） は素子 2 7に逆並列に接続される。 つまり、 ダイオード 2 8 の力ソードが素子 2 7のコレクタに接続されている。 制御手段 3 3 は、 所定の出力になるように素子 2 5 、 2 7のゲー トに信号を出力 する。

以上のように構成された誘導加熱調理器において、 共振電流の周 波数は、 素子 2 5 、 2 7の駆動周波数に比べ、 2倍以上に設定され ている。 そして、 チョークコイル 2 4により、 平滑コンデンサ 3 2 の電圧は昇圧されるので、 アルミニウムなどの非磁性かつ低抵抗率 の負荷が高出力で誘導加熱される。

しかしながら、 従来の構成では、 共振周波数がスイッチング素子 の駆動周波数の略 2 N倍 （伹し、 Nは正の整数） とした場合、 加熱 出力を最大にするための素子 2 5 と素子 2 7の駆 時間の比である スイ ッチング素子駆動デューティは 0 . 5にならない。 すると、 各 スイ ッチング素子 2 5 、 2 7のオン損失が、 それぞれのオン時間に 応じて異なるため、損失のアンバランスが生じる。このことにより、 特に加熱出力が大きい場合に、 スイッチング素子の冷却が困難であ る。 発明の開示

本発明の誘導加熱調理器は、 共振回路を含むインバー夕と加熱出 力制御部とを有する。 共振回路は、 負荷と磁気結合する加熱コイル と共振コンデンサとを有する。 イ ンバー夕は、 第 1 のスイッチング 素子と第 2のスイ ッチング素子の直列回路を有し、 共振回路に電力 を供給する。 加熱出力制御部は、 第 1、 第 2のスイッチング素子の 駆動周波数を、 共振回路の負荷加熱時の共振周波数に対し実質的に 1 Z n倍 ( nは 2以上の整数） とする。 そして、 第 1 のスィッチン グ素子の駆動時間と第 2のスイッチング素子の駆動時間の比率であ る駆動デューティが、 第 1 のスイ ッチング素子の駆動時間と第 2の スイッチング素子の駆動時間の大小を逆となり、 かつ実質的に同一 の加熱出力が得られるように変更して制御する。 この構成により、 各スイッチング素子の損失が均等化され、 各スイッチング素子の冷 却が容易になり、同一冷却条件であれば大きな加熱出力が得られる。 図面の簡単な説明

図 1 は、 本発明の実施の形態 1 における誘導加熱調理器の回路図 である。

図 2は、 図 1 に示す誘導加熱調理器の加熱出力の特性図である。 図 3は、 図 1 に示す誘導加熱調理器の駆動デューティ を説明する 特性図である。

図 4は、図 1 に示す誘導加熱調理器の他の例を示す回路図である。 図 5は、 本発明の実施の形態 2 における誘導加熱調理器の加熱出 力の特性図である。

図 6は、 本発明の実施の形態 3 における誘導加熱調理器の回路図 である。

図 7は、 従来の誘導加熱調理器の回路図である。 発明を実施するための最良の形態

(実施の形態 1 )

図 1 は、 本発明の実施の形態 1 における誘導加熱調理器を示す回 路図である。 図 2は、 図 1 に示す誘導加熱調理器の加熱出力の特性 図である。 図 3は、 図 1 に示す誘導加熱調理器の駆動デューティ を 説明する特性図である。

図 1 において、 電源 1 2は 2 0 0 V商用電源であり、 電源 1 2 の 出力はインバー夕 7 により高周波電圧に変換され、 加熱コイル 1 に 高周波磁界を発生させる。 負荷 2は、 負荷 2 と磁気結合する加熱コ ィル 1 に対向して設置される。 負荷 2は鍋などであって、 負荷 2の 材質は、 被加熱部の少なく ともその一部にアルミニウムや銅等の非 磁性かつ低抵抗率の金属からなる部位があってもよい。 共振コンデ ンサ （以下、 コンデンサと呼ぶ） 3は、 加熱コイル 1 と直列に接続 され、 加熱コイル 1 とともに共振回路 4を構成している。

ダイオー ドブリ ッジからなり全波整流機能を有する整流回路 1 3 と平滑コンデンサ 1 4 とによって、 電源 1 2は直流に変換される。 そして、 イ ンパー夕 7は、 第 1 のスイ ッチング素子 （以下、 素子と 呼ぶ） 5 と第 2のスイッチング素子 （以下、 素子と呼ぶ） 6 とが直 列に接続され、 素子 5 に並列に接続された共振回路 4を出力とした シングルェンドプッシュプル構成となっている。 素子 5 、 6は、 I G B Tであり、 それぞれ、 第 1 のダイオード 5 aと第 2のダイォ一 ド 6 aとが逆並列に接続されている。

加熱出力制御部 （以下、 制御部と呼ぶ） 8は、 素子 5 と素子 6 と を交互に駆動する。 加熱コイル 1 の出力を増加させる場合には、 素 子 5 、 6の駆動周波数が共振回路 4の共振周波数に近づく ように、 制御部 8は素子 5 、 6 を駆動する。 また、 加熱出力検知部 （以下、 検知部と呼ぶ） 1 0は、 カレント トランスからなり、 加熱出力を検 知する。 そして、 制御部 8は、 所定の加熱出力が得られるように、 検知部 1 0の検知結果に基づいて素子 5 、 6 を周波数制御しながら 駆動する。 このように、 制御部 8は、 少なく とも素子 5 、 6の駆動 周波数制御の機能を有する構成としている。 これにより、 インバ一 タ 7 の出力制御が容易に行われる。

共振回路 4の共振周波数は約 6 0 k H z となるように、 加熱コィ ル 1 とコンデンサ 3 とが設定されている。 そして、 素子 5 、 6の駆 動周波数は、 共振回路 4の共振周波数の 1 Z 2である約 3 0 k H z としている。 すなわち、 加熱コイル 1 は、 素子 5 、 6の駆動周波数 の第 2次高調波を利用して高周波磁界を発生する。 それにより、 加 熱コイル 1 に流れる電流の周波数に比べて、 素子 5 、 6の駆動周波 数が低くなり、 スイ ッチング損失が低減される。 そのため、 アルミ ニゥムのような非磁性かつ低抵抗率の金属でも効率よく加熱される。

また、 図 2で示すように、 素子 5 の駆動時間と素子 6の駆動時間 の比率を駆動デューティ とした場合に、第 1 の駆動デューティが 0 . 2 5 に設定され、 第 2の駆動デューティが 0 . 7 5 に設定されてい る。 このように、 駆動デューティが第 1 の駆動デューティ または第 2の駆動デューティ に設定されることにより、 駆動デューティ を変 化させた場合の最大加熱出力値が得られる。 そして、 素子 5 、 6の 駆動周波数が、 共振回路 4の共振周波数のおよそ 1 2で、 かつ、 1 / 2より高い周波数に設定される。 このことによって、 素子 5 、 6 に電流が流れているときに、素子 5 、 6が遮断される。その結果、 遮断した素子 5 、 6がターンオンする前にその素子に逆並列に接続 された第 1 のダイオード 5 aまたは第 2のダイオード 6 aに電流が 流れるので、 ゼロ電圧スイッチングが実施される。 そして、 スイツ チング素子 5 、 6のターンオン損失の増大が抑制されるので、 素子 5 、 6のスイ ッチング損失が低減される。

図 3 に示すように、 加熱開始の駆動デューティは、 第 1 の駆動デ ユ ーティの 0 . 2 5 とする。 第 1 の駆動デューティの設定で駆動が 2周期行なわれた後、 駆動デューティは、 第 2の駆動デューティの 0 . 7 5に切り替えられる。 第 2の駆動デューティの設定で駆動が 2周期行なわれた後、 駆動デューティは、 再び第 1 の駆動デューテ ィの 0 . 2 5 に切り替えられる。

以降、 この切り替え動作を繰り返すことにより、 素子 5 、 6の平 均通電率が等しくなる。 このことから、 素子 5 、 6のオン損失は等 しくなる。 また、 素子 5 、 6のスイッチング周波数、 電圧、 電流が 等しいため、 素子 5 、 6のスイッチング損失も等しくなる。従って、 素子 5の全損失は素子 6の全損失と等しくなる。

以上述べたように、 第 1 の駆動デューティの設定による加熱出力 後に、 第 1 の駆動デューティ とは異なる第 2の駆動デューティ の設 定により、 実質的に同一の加熱出力が得られる。 つまり、 ある駆動 デューティ による加熱出力後に、 異なる駆動デューティの設定で実 質的に同一の加熱出力が得られる。 このように、 素子 5 、 6の駆動 時間の大小が逆となるように、 かつ、 実質的に同一の加熱出力が得 られるように、 素子 5 、 6の駆動時間の比率である駆動デューティ が変更されて制御される。 このことにより、 各素子 5 、 6の損失が 均等化する。 そのため、 冷却ファンなどの冷却装置 （図示せず） を 用いて、 等しい冷却条件で素子 5 、 6 を冷却する場合、 素子 5 、 6 は同じように冷却される。 その結果、 簡便な構成で大きな加熱出力 が得られる。

なお、 駆動デューティは、 各素子 5 、 6の損失が実質的に等しく なる条件で切り替えればよい。 したがって、 必ずしも駆動を 2周期 行う毎に切り替えなく とも同等の効果が得られる。 ·

また、 素子 5 、 6の駆動周波数は、 共振回路 4の共振周波数の 1 2近傍としたが 1 Z 2以外でも実質的に 1 Z n ( nは 2以上の整 数） であればよい。 つまり、 加熱コイル 1 の電流周波数に対して、 素子 5 、 6の駆動周波数を低くすることができるので、 同様にスィ ツチング損失が低減される。

また、 制御部 8は、 周波数制御によるものとしているが、 インバ 一夕への入力電圧を制御することもできる。 インバー夕の入力電圧 制御としては、 図 4のように、 例えば、 昇圧チヨ ッパ、 降圧チヨ ッ パ、 昇降圧チヨ ッパなどのインバータ入力電圧制御部 1 5が用いら れる。 つまり、 使用できる制御方法は、 素子 5 、 6の切り替えによ つて、 素子 5 、 6の損失を均等化できるものであれば良い。

さらに、 共振回路 4は直列共振としたが、 並列共振として電流駆 動することで同等の効果が得られる。 また、 共振回路 4は素子 6 に 並列接続されても良い。

(実施の形態 2 )

図 5は、 実施の形態 2における誘導加熱調理器の加熱出力特性を 示す特性図である。 基本構成は実施の形態 1 と同じなので、 異なる 点を中心に説明する。

実施の形態 2 において、 実施の形態 1 と異なる点は、 スィッチン グ素子 5 、 6の駆動周波数が、 共振回路 4の共振周波数の 1 / 3で ある約 2 0 k H z となるように設定し、 素子 5 、 6の損失をさらに 低減していること。 そして、 異なる駆動デューティ を実質的に （ 2 k - 1 ) / 2 n ( nは、 2以上の整数、 kは、 1から nまでの任意 の整数） と 1 一 （（ 2 k— l ) / 2 n ) ( nは、 2以上の整数、 kは、 1から nまでの任意の整数） とに切り替えて動作させていることで ある。

図 5に示すように、 第 1 の駆動デューティは、 0. 1 7 (= ( 2 X 1 - 1 ) / ( 2 X 3 )、 n = 3、 k = 1 ) に設定されている。 そし て、 第 2の駆動デューティは 0. 8 3 (= 1 — （（ 2 X 1 — 1 ) ( 2 X 3 ))、 n = 3、 k = 1 ) に設定されている。 すなわち、 第 1、 第 2の駆動デューティの和は 1 となる。 また、 冷却装置による素子 5 と素子 6の冷却条件は異なる。 素子 5 と素子 6の各々の冷却条件に 合わせて、 第 1 の駆動デューティの 0. 1 7 と第 2の駆動デューテ ィの 0. 8 3の時間比率を設定している。 そして、 素子 5、 6の損 失が最適配分されるようにしている。 それにより、 冷却条件を一定 とした場合に、 さらに大きな加熱出力が得られる加熱制御が実現さ れる。

なお、 n = 3の場合について説明したが、 これに限定されず、 n を変えても同等の効果が得られる。

また、 k = 1 としたが、 これに拘ることはなく k = 2 または k = 3 にすることもできる。

(実施の形態 3 )

図 6は、 実施の形態 3 における誘導加熱調理器の回路図である。 実施の形態 1 と同じなので、 異なる点を中心に説明する。 また、 実 施の形態 1 と同じ機能を示すものには同じ符号を付し、 その説明は 省略する。

実施の形態 3 において、 実施の形態 1 と異なる点は、 第 1のスィ ツチング素子 5の温度を検知する第 1 のスイ ッチング素子温度検知 部 （以下、 検知部と呼ぶ） 1 6が設けられたこと。 そして、 第 2の スイッチング素子 6 の温度を検知する第 2のスイ ッチング素子温度 検知部 （以下、 検知部と呼ぶ） 1 7が設けられたこと。 さらに、 素 子 5 を冷却する第 1 の冷却部 （以下、 冷却部と呼ぶ） 1 8が設けら れたこと。 そして、 素子 6 を冷却する第 2の冷却部 （以下、 冷却部 と呼ぶ） 1 9が設けられたことである。 検知部 1 6、 1 7 には、 そ れぞれサーミス夕が使用されている。 また、冷却部 1 8、 1 9 には、 それぞれ冷却ファンが使用されている。

また、 冷却部 1 8、 1 9 による素子 5 と素子 6の冷却条件は制御 部 8で制御され、 異なる制御がなされている。 また、 素子 5、 6 に は使用可能温度上限がある。 そのため、 素子 5、 6は使用可能温度 上限以下となるように、 第 1の駆動デュ一'ティ 0 . 2 5 と第 2の駆 動デュ一ティ 0 . 7 5の時間比率がそれぞれ設定されている。 すな わち、 素子 5の温度が素子 6の温度より高い場合は、 素子 5の損失 が小さくなるように、 第 1 の駆動デューティ 0 . 2 5の時間比率が 大きく される。逆に、素子 6の温度が素子 5 の温度より高い場合は、 素子 6の損失が小さくなるように、 第 2の駆動デューティ 0 . 7 5 の時間比率が大きくされる。 それにより、 それぞれのスイッチング 素子の損失が最適配分される。 そして、 さらに大きな加熱出力が得 られる加熱制御が実現される。

また、 冷却部 1 8、 1 9の冷却条件を可変することもできる。 例 えば、 素子 5の温度が素子 6の温度より高い場合は、 冷却部 1 8の 冷却条件が高められる。 逆に、 素子 6の温度が素子 5の温度より高 い場合は、 冷却部 1 9の冷却条件が高められる。 これにより、 さら に大きな加熱出力が得られる加熱制御が実現される。

なお、 検知部 1 6、 1 7は、 サ一ミス夕を使用したが、 バイメタ ルなどのその他の温度検知デバイスを用いても同等の効果が得られ る。

また、 冷却部 1 8、 1 9は、 冷却ファンを使用したが、 ペルチェ 素子、 あるいは冷却フィ ンなどの放熱部材、 その他の冷却デバイス を用いても同等の効果が得られる。

また、 素子 5、 6 を冷却する冷却部 1 8、 1 9は、 それぞれ個別 に設けたが、 冷却部は一つでもかまわない。 負荷 2の材料や形状に より、 素子 5 と素子 6の損失が異なる場合もある。 その場合は、 制 御部 8が、 素子 5 、 6の温度を測定しながら駆動デューティ を変更 して制御し、 両素子 5 、 6の損失が平均化される。

また、 制御部 8は、 素子 5 、 6の駆動周波数を一定としながら素 子 5 、 6の駆動デューティを変更し、 加熱出力を実質的に同一にす るようにした。 しかし、 加熱出力を変更するため、 素子 5 、 6の駆 動周波数を変更することを適宜組み合せて行う こともできる。 産業上の利用可能性

以上のように、 本発明にかかる誘導加熱調理器は、 大きな加熱出 力を得ることが可能となるので、 家庭用または工業用誘導加熱など の用途に適用できる。

Claims

請求の範囲

1

平滑コンデンサの両端に接続される第 1 のスィッチン グ素子と第 2のスイッチング素子との直列回路と、

前記第 1 のスイッチング素子に逆並列に接続された第

1 のダイオー ドと、

前記第 2 のスイッチング素子に逆並列に接続された第 2のダイオー ドと、

加熱コイルと共振コンデンサとを有し、 前記第 1 のス イ ッチング素子または前記第 2 のスイッチング素子に並列に 接続された共振回路と、

を有するインバー夕と、

前記第 1 のスイッチング素子と前記第 2のスイッチング素子 を交互に駆動して、 前記加熱コイルにより負荷を誘導加熱するとき の加熱出力を制御する加熱出力制御部と、

を備え、

前記加熱出力制御部は、

前記第 1 のスイッチング素子と前記第 2のスィッチン グ素子の駆動周波数を、 前記共振回路の負荷加熱時の共振周 波数に対し実質的に 1 / n倍 （ nは 2以上の整数） とし、

前記第 1 のスイ ッチング素子の駆動時間と前記第 2 の スイッチング素子の駆動時間の比率である駆動デューティ を、 前記第 1 のスイ ッチング素子の駆動時間と前記第 2 のスイ ツ チング素子の駆動時間の大小を逆とし、 かつ実質的に同一の 加熱出力が得られるように変更して制御する

誘導加熱調理器。

2

前記加熱出力制御部は、 前記駆動デューティ を、

実質的に （ 2 k— 1 ) / 2 n ( kは、 1から nの任意 の整数） から、 実質的に 1 一 （（ 2 k— 1 ) / 2 n ) ( kは、 1から n の 任意の整数） へ変更することにより、 前記第 1 のスィッチン グ素子の駆動時間と前記第 2のスイッチング素子の駆動時間 の大小を逆とし、 かつ実質的に同一の加熱出力となるように 制御する

請求項 1 に記載の誘導加熱調理器。

3 .

前記加熱出力制御部は、

前記スイッチング素子を駆動周波数制御することによ り、 前記加熱コイルの加熱出力を制御する

請求項 1 に記載の誘導加熱調理器。

4

前記加熱出力制御部は、

前記インパー夕に入力される電圧を制御して、 前記加 熱コイルの加熱出力を制御する

請求項 1 に記載の誘導加熱調理器。

5

前記スイッチング素子の温度を検知するスイッチング素子温 度検知部をさらに備え、

前記加熱出力制御部は、

前記スイ ッチング素子温度検知部の検知出力に基づい て、 前記第 1 のスイッチング素子と前記第 2のスイッチング 素子の駆動時間の大小を逆にするように変更させ、 実質的に 同一の加熱出力となるように前記駆動デューティ を変更する 請求項 1 に記載の誘導加熱調理器。

6

前記負荷は、

非磁性かつ低抵抗率の金属からなる

請求項 1 に記載の誘導加熱調理器。