WO2009139079A1

WO2009139079A1 - 誘導加熱用電源装置

Info

Publication number: WO2009139079A1
Application number: PCT/JP2008/059399
Authority: WO
Inventors: 嶋田隆一
Original assignee: 国立大学法人東京工業大学
Priority date: 2008-05-15
Filing date: 2008-05-15
Publication date: 2009-11-19

Abstract

誘導加熱装用電源装置であって、直流電源（５）からの直流電力を平滑するための２個の平滑用コイル（４）と、逆導通型半導体スイッチと平滑用コイル（４）とを直列に接続して一本のアームと成し、該アームを２本並列に接地を共通する接続で構成される横型ハーフブリッジ回路（１）と、前記逆導通半導体スイッチに並列にそれぞれ接続されるコンデンサ（２）と、前記逆導通型半導体スイッチのオン／オフを制御する制御手段（６）とを備え、制御手段（６）は、誘導コイル（３）に供給する交番パルス電流の周期で前記逆導通型半導体スイッチを交互にオン／オフさせ、かつ、同時にオンすることのないように制御するとともに、誘導コイル（３）のインダクタンスとコンデンサ（２）の容量とで決まる共振周波数が、発生する前記交番電流パルス電流の周波数より高くなるように設定する。

Description

明細書

誘導加熱用電源装置技術分野

本発明は、誘導加熱用電源装置に関し、特に、誘導加熱装置の誘導コィル（ヮ一クコイルとも言う。）に高周波の交番パルス電流を供給するための誘導加熱用電源装置に関するものである。背景技術

従来、高周波電源から交番パルス電流を誘導加熱装置の誘導コイルのようなインダク夕ンス負荷に流す場合、ィンダクタンス負荷に蓄積する磁気（スナバ）エネルギーの効果により、電流変化に伴う高電圧を電源から供給する必要がある。

半導体スィツチで構成される従来の電圧型ィンバ一夕によって、交番パルス電流を誘導コイルに流すためには、インバー夕は電流変化に伴う電圧を出力する必要があるが、インバー夕の電流と電圧との間に位相差が生じて、所謂、力率が悪い電源となってしまう。

高周波回路ではよく使われる共振コンデンサを、誘導コイルに直列、または並列に接続することで力率を改善でき、インバー夕容量を下げることが出来る。誘導加熱装置用インバー夕は、固定した共振コンデンサを用いる場合、 Lと Cとで決まる 1つの周波数においてしか力率を改善することができなかった。

回路の磁気エネルギーを蓄積して負荷に回生する磁気エネルギー回生スィッチ（Magnetic Energy Recovery Switch：以後 "MERS" と呼ぶ。特許文献 1参照。）を用いてオン Zオフすれば、電流を急変させるのに必要な電圧を磁気エネルギー蓄積コンデンザに流れ込む電流により自動的に発生させることができるので、電源からはこの電圧を供給する必要がなくなるという利点がある。

本発明者は上記 MERS を利用した交番パルス電流発生装置をすでに提案している（特許文献 2 、 3参照。）。

しかしながら、かかる交番パルス電流発生装置は、誘導性負荷と直列に低電圧ながら大電流の交流電源を接続する必要があるため、誘導加熱用電源装置としては使い勝手がよくなかった。

そこで、本発明者は、かかる MERSの利点を生かしつつ、大電流の交流電源を不要とし、単純で部品数の少ない構成で、交番パルス電流を発生する誘導加熱用電源装置を既に提案した。第 4図は、その誘導加熱用電源装置を示すものである（特許文献 4参照）。

第 4図に示されている誘導加熱用電源装置は、直流電源 5 と、直流電源 5からの直流電力を平滑するための平滑用コイル 4と、自己消弧形素子とダイォードとの逆並列回路から成る逆導通型半導体スィツチ（ S W 1 〜 S W 4 ) を 4個ブリッジ接続して構成されるブリッジ回路 1 と、ブリッジ回路 1の直流端子間に接続され、ブリッジ回路 1のスィッチ遮断時に回路の回生磁気エネルギーを蓄積するコンデンサ 2と、逆導通型半導体スィツチのオン Zオフを制御する制御手段 6 とを備えるとともに、制御手段 6は、誘導コイル 3に供給する交番パルス電流の周期で、逆導通型半導体スィッチのうち対角線上に位置するペア（S W 1 と S W 3 、 S W 2 と S W4 ) を同時にオン Zオフさせ、かつ 2組のペアが同時にォンすることのないように制御するとともに、発生する交番パルス電流の周波数が、誘導コイル 3のインダクタンス Lとコンデンサ 2の静電容量 Cとで決まる共振周波数（ I Z S C) よりも低くなるように運転制御することにより、パルス周波数によらず共振条件を維持でき、回路の磁気エネルギーを回生して再利用するとともに、平滑用コイル 4を介して直流電源 5からコンデンサ 2を充電することで誘導コイル 3に交番パルス電流を持続して供給することを特徴とするものである。

[特許文献 1 ] 特開 2 0 0 0— 3 5 8 3 5 9号公報

[特許文献 2 ] 特開 2 0 0 4— 2 6 0 9 9 1号公報

[特許文献 3 ] 特開 2 0 0 5 — 2 2 3 8 6 7号公報

[特許文献 4 ] 特開 2 0 0 8 — 0 9 2 7 4 5号公報発明の開示

発明が解決しょうとする課題

しかしながら、第 4図に示す誘導加熱用電源装置は、逆導通型半導体スィッチが 4個必要であり、かつ、電流の流れる経路に逆導通型半導体スィツチが常に 2個あるので半導体による通電損失が無視できない。そこで、本発明は、かかる MERSの利点を生かしつつ、大電流の交流電源を不要とし、さらに単純で部品数の少ない構成で、交番パルス電流を発生する誘導加熱用電源装置を提供することを目的とする。課題を解決するための手段

本発明は、被加熱物を誘導加熱するための誘導コイル 3に高周波の交番パルス電流を供給するための誘導加熱用電源装置に関し、本発明の上記目的は、直流電源 5と、該直流電源 5からの直流電力を平滑するための 2個の平滑用コイル 4と、自己消弧形素子とダイォ一ドとの逆並列回路から成る逆導通型半導体スィツチと前記平滑用コイル 4とを直列に接続して一本のアームと成し、該アームを 2本並列に接地を共通する接続で構成して、横型ハーフブリッジ回路 1 と成し、

前記逆導通型半導体スィッチに並列にそれぞれ接続され、前記逆導通型半導体スィツチの遮断時に回路の回生磁気エネルギーを蓄積する 2個のコンデンサ 2 と、前記逆導通型半導体スィツチのゲートにパルス信号を印加してオン Zオフを制御する制御手段 6 と、を備えるとともに、前記制御手段 6は、前記誘導コイル 3に供給する交番パルス電流の周期で、前記逆導通型半導体スィッチを交互にオン Zオフさせ、かつ、同時にオンすることのないように制御するとともに、前記誘導コイル 3のインダクタンスと前記コンデンサ 2の容量とで決まる共振周波数が、発生する前記交番パルス電流の周波数よりも高くなるように設定することにより、パルス周波数によらず共振条件を維持でき、回路の磁気エネルギ一を回生して再利用するとともに、前記平滑用コイル 4を介して前記直流電源 5から前記コンデンサ 2を充電することで前記誘導コイル 3に持続して交番パルス電流を供給することを特徴とする誘導加熱用電源装置によって達成される。

また、本発明の上記目的は.、直流電源 5 と、該直流電源 5からの直流電力を平滑するための 1個の平滑用コイル 4と、自己消弧形素子とダイオードとの逆並列回路から成る 2個の逆導通型半導体スィッチと、前記逆導通型半導体スィツチのそれぞれに並列に接続され、前記逆導通型半導体スィッチの遮断時に回路の回生磁気エネルギーを蓄積する 2個のコンデンサ 2と、前記逆導通型半導体スィツチのゲートにパルス信号を印加してオンノオフを制御する制御手段 6 と、を備え、

前記二つの逆導通型半導体スィツチの一方の端子は接地を共通する形で接続され、他方の端子間には前記誘導コイル 3が接続されるとともに、前記平滑用コイル 4は、前記誘導コイル 3の中点に接続され、前記制御手段 6は、前記誘導コイル 3に供給する交番パルス電流の周期で、前記逆導通型半導体スィッチを交互にオンオフさせ、かつ、同時にオンすることのないように制御するとともに、前記誘導コイル 3のインダク夕ンスと前記コンデンサ 2の容量とで決まる共振周波数が、発生する前記交番パルス電流の周波数よりも高くなるように設定することにより、パルス周波数によらず共振条件を維持でき、回路の磁気エネルギーを回生して再利用するとともに、前記平滑用コイル 4を介して前記直流電源 5 から前記コンデンサ 2を充電することで前記誘導コイル 3に持続して交番パルス電流を供給することを特徴とする誘導加熱用電源装置によつて達成される。

さらに、本発明の上記目的は、前記直流電源 5に替えて、商用交流電源 8より整流用プリッジダイオード 7を介して整流した直流電力を前記平滑用コイル 4に供給することを特徴とする前記誘導加熱用電源装置によっても達成される。図面の簡単な説明

第 1図は本発明に係る誘導加熱用電源装置の第 1実施例の構成を示す回路ブロック図である。

第 2図は第 1実施例のシミュレーション回路である。

第 3図は第 2図に示す回路によるシミュレ一ション結果を示す図である。

第 4図は誘導加熱用電源装置の従来例を示す図である。

第 5図は本発明に係る誘導加熱用電源装置の第 2実施例の構成を示す回路ブロック図である。

第 6図は第 2実施例のシミュレ一ション回路である。

第 7図は第 6図に示す回路によるシミュレーション結果を示す図である。

第 8図は第 1実施例及び第 2実施例における直流電源を、商用交流電源と整流用ブリッジダイオードとの組み合わせで置き換えた場合を示すものである。発明を実施するための最良の形態

第 1図は本発明に係る誘導加熱用電源装置の第 1実施例の構成を示す回路ブロック図である。誘導加熱用電源装置は、直流電源 5 と、直流電源 5からの直流電力を平滑するための平滑用コイル 4と、自己消弧形素子とダイォードとの逆並列回路から成る逆導通型半導体スィツチ（ S W 1 、 S W 2 ) が接地を共通に接続して構成されるブリッジの下半分となる横型ハ一フブリッジ回路 1 と、スィッチ S W 1及び S W 2に並列にそれぞれ接続され、スィツチ遮断時に回路の回生磁気エネルギーを蓄積する二つのコンデンサ 2と、逆導通型半導体スィッチのオン/オフを制御する制御手段 6と、被加熱物を誘導加熱するための誘導コイルを含む誘導性負荷 3を備えている。コンデンサ 2は誘導性負荷 3の磁気エネルギ —を吸収するだけの極めて小さな容量でよいことが従来の電圧源ィンバ一夕と異なる特長である。なお、自己消弧形素子とはゲートにパルス信号を印加することによってオン · オフできるタイプの素子をいう。

コンデンサの容量が小さく、負荷のインダクタンス Lとの共振周波数はパルス周波数より高くなるように設定されているため、半導体スイツチはゼロ電圧スイッチング、ゼロ電流スイッチングになっている。すなわち、磁気エネルギー回生スィッチを用いて、誘導性負荷の磁気エネルギーを回生して、交互に両極性電流パルスを誘導性負荷に発生する構成になっている。

交番パルス電流は誘導性負荷の誘導コイルに含まれる抵抗成分 R、または電磁誘導された 2次抵抗にエネルギーが消費されて電流は減衰する。エネルギーの注入は、直流電源 5より行われる。平滑コイル 4によって定電流化した直流電源 5を蓄積コンデンサ 2に接続して、コンデンサ 2 の両端には、電流切り替え時に Lと Cの共振の半サイクルの間と、ゲートを停止した後（全スィッチをオフにした後）、誘導コイル電流が停止している間、コンデンサ電圧が現れるので、ここに定電流の直流電源 5 から、（電流） X (コンデンサ電圧）分の電力が注入される。

直流電源 5は大きなィンダクタンスを持つ平滑用コイル 4を介した電圧源により実現できる。この場合、電源電流が平滑用コイル 4によりリップルの少ない直流になり、振動するパルス負荷電流より小さくなる。直流電源 5が高電圧、小電流で構成できるのが本発明の特徴であり、直流電源 5からの給電線が細くてもよいという利点がある。 [実施例 1 ]

第 2図にシミュレーション回路を示す。回路定数は、エネルギー蓄積コンデンサ 2 ： C = 5 0 0 F、誘導コイル 3 : L = 1 0 0 H、等価抵抗 R = 0 . 0 4 3 Ω、電流源インダクタンス（平滑用コイル 4 ) L = l mH、直流電源： 1 0 0 Vである。半導体スィッチとして、 I G B T を使用している。

第 3図にシミュレ一ション結果の波形を示すが、時間 5 0 m S後にゲ —トパルスの周波数を 5 0 0 H zから 2 0 0 H zに切り換えている。コンデンサの電圧から交互にィンダクタンスのエネルギーを蓄積 ' 放出しているのがわかる。半導体スィツチ I GB Tの電流（I_IGBT1)と電圧

(V_Cl)を示すが、ゼロ電圧 · ゼロ電流でオン · オフしている様子が確認できる。実施例 2

第 5図は、本発明に係る誘導加熱用電源装置の第 2実施例を示すものであるが、第 1図の第 1実施例と異なる箇所は、平滑用コイル 4を 1つにして、代わりに誘導コイル 3の中点から給電した点である。この場合、平滑用コイル 4が 1つで済むかわりに、誘導コイル 3が複雑になるが、中点タップ付き結合トランスを用いて誘導コイルとのマッチングをとるようにするとよい。

第 6図は第 2実施例のシミユレーション回路であり、第 7図はそのシミュレーシヨン結果の一部を示すものである。波形からわかるように第 1実施例と同じ誘導加熱ができる。ここでは、ゲートパルス信号の様子も示しているが、第 1実施例とまったく同じである。この回路は、誘導コイル 3をトランスとみれば、 D C Z A C変換や、卜ランスの後に整流器をつけた高周波リンク D C Z D C変換回路にもなる。この回路は、スイッチング損失が無いことで半導体損失が半減するので、数 1 0 k H z 以上の高周波を用いるときに有利になる。誘導加熱によるアルミ鍋の加熱に 3 0 k H z以上の高周波を必要としている家庭用の誘導加熱装置では、半導体スィッチの放熱に冷却ファンが必要であつたが、スィッチング損失をなくしたこの回路によってファンレスの設計も可能になることが期待される。

また、本発明に係る誘導加熱用電源装置は、第 8図に示すように、直流電源 5に替えて、商用交流電源 8より整流用プリッジダイオード 7を介して整流した直流電力を平滑用コイル 4に供給するようにしてもょレ本発明の誘導加熱電源装置は磁気エネルギ一回生スィッチ（MER S ) のみで交番パルス電流を発生でき、かつ、交番パルス電流の周波数は MER Sのゲ一トパルス信号の制御により可変できるという優れた効果がある。コンデンサの静電容量が共振条件より小さいので、単純なゲート信号でゼロ電圧ゼロ電流スィツチングが可能になる結果、スィッチング損失が無くなり、半導体損失は、導通損失のみになるので、トータルの通電損失は約半分になる。横型ハ一フブリッジの M ER Sはスィツチが 2個で済み、通電損失が半減するうえに、この構成では接地が共通しているので、ゲート駆動回路の接地電位の絶縁が不要で、 1つのゲート駆動回路で 2つのスィッチが制御可能になるので、コスト削減になるという利点がある。

Claims

請求の範囲

1 被加熱物を誘導加熱するための誘導コイル（3 )に高周波の交番パルス電流を供給するための誘導加熱用電源装置であって、該誘導加熱用電源装置は、

直流電源（5 )と、該直流電源（5 )からの直流電力を平滑するための 2個の平滑用コイル（4)と、

自己消弧形素子とダイオードとの逆並列回路から成る逆導通型半導体スイツチと前記平滑用コィル（4)とを直列に接続して一本のアームと成し、該アームを 2本並列に接地を共通する接続で構成して、横型ハーフブリッジ回路（1 )と成し、

前記逆導通型半導体スィツチに並列にそれぞれ接続され、前記逆導通型半導体スィツチの遮断時に回路の回生磁気エネルギーを蓄積する 2個のコンデンサ（2)と、

前記逆導通型半導体スィツチのゲートにパルス信号を印加してオンノオフを制御する制.御手段（6)と、

を備えるとともに、

前記制御手段（6)は、前記誘導コィル（3)に供給する交番パルス電流の周期で、前記逆導通型半導体スィッチを交互にオン Zオフさせ、かつ、同時にオンすることのないように制御するとともに、

前記誘導コイル（3)のインダク夕ンスと前記コンデンサ（2)の容量とで決まる共振周波数が、発生する前記交番パルス電流の周波数よりも高くなるように設定することにより、

パルス周波数によらず共振条件を維持でき、回路の磁気エネルギーを回生して再利用するとともに、前記平滑用コイル（4)を介して前記直流電源（5)から前記コンデンサ（2)を充電することで前記誘導コイル（3)に持続して交番パルス電流を供給することを特徴とする誘導加熱用電源装置。

2 被加熱物を誘導加熱するための誘導コイル（3)に高周波の交番パルス電流を供給するための誘導加熱用電源装置であって、該誘導加熱用電源装置は、

直流電源（5 )と、該直流電源（5 )からの直流電力を平滑するための 1個の平滑用コイル（4)と、

自己消弧形素子とダイォードとの逆並列回路から成る 2個の逆導通型半導体スィッチと、前記逆導通型半導体スィッチのそれぞれに並列に接続され、前記逆導通型半導体スィツチの遮断時に回路の回生磁気エネルギ一を蓄積する 2個のコンデンサ（2)と、

前記逆導通型半導体スィツチのゲ一トにパルス信号を印加してオン/ オフを制御する制御手段（6 )と、を備え、

前記二つの逆導通型半導体スィツチの一方の端子は接地を共通する形で接続され、他方の端子間には前記誘導コイル（3)が接続されるとともに、前記平滑用コイル（4)は、前記誘導コイル（3 )の中点に接続され、前記制御手段（6)は、前記誘導コイル（3)に供給する交番パルス電流の周期で、前記逆導通型半導体スィッチを交互にオン Zオフさせ、かつ、同時にオンすることのないように制御するとともに、

パルス周波数によらず共振条件を維持でき、回路の磁気エネルギーを回生して再利用するとともに、前記平滑用コイル（4)を介して前記直流電源（5 )から前記コンデンサ（2)を充電することで前記誘導コィル（3)に持続して交番パルス電流を供給することを特徴とする誘導加熱用電源装置。

3 前記直流電源（5 )に替えて、商用交流電源（8)より整流用ブリッジダィォード（7)を介して整流した直流電力を前記平滑用コイル（4)に供給することを特徴とする請求の範囲第 1項又は第 2項に記載の誘導過熱用電源装置。

4 被加熱物を誘導加熱するための誘導コイル（3 )と、請求の範囲第 1 項又は第 2項に記載の誘導加熱用電源装置とを備え、前記誘導加無用電源装置から前記誘導コイル（3 )に高周波の交番パルス電流を供給して誘導加熱を行うことを特徴とする誘導加熱装置。

5 被加熱物を誘導加熱するための誘導コイル（3 )と、請求の範囲第 3 項に記載の誘導加熱用電源装置とを備え、前記誘導加無用電源装置から前記誘導コイル（3 )に高周波の交番パルス電流を供給して誘導加熱を行うことを特徴とする誘導加熱装置。