WO2015159536A1

WO2015159536A1 - 誘導加熱装置

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Publication number: WO2015159536A1
Application number: PCT/JP2015/002064
Authority: WO
Inventors: 洋一黒瀬; 北泉　武; 宮内　貴宏
Original assignee: パナソニックＩｐマネジメント株式会社
Priority date: 2014-04-15
Filing date: 2015-04-14
Publication date: 2015-10-22
Also published as: DE112015001830T5

Abstract

　誘導加熱装置において、インバータ回路（６１）は、直列接続された第１および第２の主スイッチング素子（４３、４４）を有し、一つ以上の加熱コイル（１１）に電力を供給する。副スイッチング素子（４５）は、インバータ回路（６１）と共振回路（６２）との間に直列接続される。鍋検知部（５０）は、共振回路（６２）に関連する電流または電圧の情報に応じて鍋検知を行う。制御部（４９）は、第１および第２の主スイッチング素子（４３、４４）と副スイッチング素子（４５）とを、同一の周波数で駆動し、第１の主スイッチング素子（４３）のオン期間と副スイッチング素子（４５）のオン期間との重複期間を調整することにより、加熱コイル（１１）に流れる電流を制御するように構成される。本構成によれば、誘導加熱装置におけるスイッチング損失とノイズとを抑制可能である。

Description

誘導加熱装置

　本開示は、特に、天板上に載置された被加熱物を誘導加熱する誘導加熱装置に関する。

　近年、天板（Top plate）の下方に、マトリクス状に配置された複数の円盤状の加熱コイルを有し、金属製の鍋などの被加熱物が載置された領域の下方に位置する一つまたは複数の加熱コイルに高周波電流を供給することにより、天板上の任意の位置に載置された鍋を誘導加熱することが可能な誘導加熱装置が知られている。この種の誘導加熱装置によれば、鍋の載置位置に制約が少ないため、使い勝手が向上する。

　この種の誘導加熱装置は、円盤状の加熱コイルを一平面上に敷き詰めるため、加熱コイルが下方に存在する場所と、加熱コイルが下方に存在しない場所とが必然的に生じる。この構造的特徴による加熱ムラが生じないようにするため、加熱コイルを可能な限り近接して配置する必要がある。

　しかしながら、上記構造のため、それぞれの加熱コイルから発生される磁界が互いに干渉し合う。近接する加熱コイルから発生する高周波磁界に周波数差が存在すると、その周波数差に応じた不快な干渉音が発生する。

　上記問題点を解決することができる従来技術が、特許文献１に開示される。この従来技術は、直列接続された二つのスイッチング（Switching）素子を有するインバータ（Inverter）回路に並列に接続された複数の加熱コイルと、各加熱コイルに直列接続された一つの副スイッチング素子とを有する。この従来技術では、加熱コイルに電流が一定期間流れない区間を設けるように、副スイッチング素子が制御される。

　上記従来技術によれば、一つのインバータ回路で複数の加熱コイルに電力を供給するため、複数の加熱コイルに流れる電流が、インバータ回路の動作周波数と同一の周波数を有する。そのため、インバータ回路の動作周波数が変化しても、干渉音が生じない。

　以下、簡単のため、加熱コイルの上方に被加熱物が載置されたか否かを判断することを鍋検知と呼ぶ。また、正確には「被加熱物が加熱コイルの上方の天板に載置される」または「被加熱物が加熱コイルの上方に載置される」と記載するべきところを、「被加熱物が加熱コイルに載置される」と表現する。

独国特許出願公開第９０５４５８２号明細書

　上記従来技術では、電力が供給されている加熱コイルと、電力が供給されていない加熱コイルとが混在する状態の場合、電力が供給されていない加熱コイルに鍋が載置されたか否かを検知することが困難である。

　以下、具体的に説明する。インバータ回路を構成する二つのスイッチング素子が、所望の動作周波数およびデューティ（Duty）で駆動されると、このインバータ回路に接続された複数の加熱コイルのうち、副スイッチング素子がオンされた加熱コイルに誘導加熱電流が供給される。

　この場合において、誘導加熱を行っていない加熱コイルに鍋が載置されているか否かを判別するために、この加熱コイルに接続された副スイッチング素子をオンすると、この加熱コイルにも誘導加熱電流が流れてしまう。

　この加熱コイルに鍋が載置されていれば、加熱不要の鍋を加熱することになる。この加熱コイルに鍋が載置されていなければ、この加熱コイルに大きな電流が流れてしまい、回路部品の破壊または漏洩磁界の増大を招く可能性がある。

　加熱コイル毎にインバータ回路が設けられた回路構成において、すべてのインバータ回路を同一周波数で動作させると、干渉音は発生しない。しかし、鍋検知のための電力を供給するために、誘導加熱のための電力を供給する場合より小さなデューティでインバータ回路を駆動すると、スイッチング素子に流れる電流がスイッチング素子と並列に接続した逆導通ダイオードに流れる。

　そのため、その期間に、スイッチング素子をオフにすると、このスイッチング素子に流れる電流、および、このスイッチング素子に印加される電圧が急激に変化する。この急激な電流または電圧の変化が、スイッチング損失およびノイズの原因となる。

　本開示は、上記従来の問題点を解決するもので、鍋検知の場合と誘導加熱の場合とで同一の動作周波数を用いても、スイッチング素子における電流または電圧が急激に変化しないようにすることができる。その結果、スイッチング損失およびノイズを抑制可能な誘導加熱装置を提供することを目的とする。

　上記従来の問題点を解決するために、本開示の一態様に係る誘導加熱装置は、天板と、複数の加熱コイルと、直流電源と、複数の共振コンデンサと、インバータ回路と、副スイッチング素子と、鍋検知部とを備える。

　天板には被加熱物が載置される。複数の加熱コイルは、天板の下方に配置される。直流電源は、商用電源からの交流電力を直流電力に変換する。複数の共振コンデンサは、複数の加熱コイルの各々と接続され、それぞれ共振回路を構成する。

　インバータ回路は、直流電源と加熱コイルとの間の電流経路の接続を制御する第１の主スイッチング素子と、第１の主スイッチング素子に直列接続された第２の主スイッチング素子とを有し、一つ以上の加熱コイルに電力を供給する。

　副スイッチング素子は、インバータ回路と共振回路との間に直列接続される。制御部は、第１および第２の主スイッチング素子と副スイッチング素子とを駆動する。鍋検知部は、共振回路に関連する電流または電圧の情報に応じて、鍋検知を行う。

　制御部は、第１および第２の主スイッチング素子と副スイッチング素子とを、同一の周波数で駆動し、第１の主スイッチング素子のオン期間と副スイッチング素子のオン期間との重複期間を調整することにより、加熱コイルに流れる電流を制御するように構成される。

　本態様によれば、スイッチング動作時に主スイッチング素子に流れる電流の変化を抑制することができ、その結果、スイッチング損失を低減することができる。

　また、本態様によれば、インバータ回路と副スイッチング素子とが同期して駆動されるため、加熱コイルに対する電力制御が行い易い。

　さらに、本態様によれば、加熱コイルに流れる電流の基本周波数を、インバータ回路の動作周波数と同一にすることができる。このため、例えば、近接して設けられた複数の加熱コイルが同時に駆動されても、干渉音が発生しない。

図１は、本開示の実施の形態１に係る誘導加熱装置の概略平面図である。図２は、実施の形態１に係る誘導加熱装置の回路構成を示すブロック図である。図３は、実施の形態１における主スイッチング素子および副スイッチング素子に対する制御信号と加熱コイルに流れる電流とを示す波形図である。図４は、実施の形態１における鍋検知のための基準を示す図である。図５は、実施の形態１におけるスイッチング素子に対する制御信号と加熱コイルに流れる電流とを示す波形図である。図６は、実施の形態１において、高抵抗の被加熱物を誘導加熱する場合の、スイッチング素子に対する制御信号と加熱コイルに流れる電流とを示す波形図である。図７は、実施の形態１において、低抵抗の被加熱物を誘導加熱する場合の、スイッチング素子に対する制御信号と加熱コイルに流れる電流とを示す波形図である。図８は、実施の形態１に係る誘導加熱装置の回路構成に関する他の例を示すブロック図である。図９は、本開示の実施の形態２に係る誘導加熱装置の回路構成を示すブロック図である。図１０は、実施の形態２における主スイッチング素子および副スイッチング素子に対する制御信号と加熱コイルに流れる電流と副スイッチング素子に印加される電圧とを示す波形図である。図１１は、実施の形態２に係る誘導加熱装置の回路構成に関する他の例を示すブロック図である。図１２は、本開示の実施の形態３に係る誘導加熱装置の回路構成を示すブロック図である。図１３は、実施の形態３におけるスイッチング素子に対する制御信号と加熱コイルに流れる電流とスイッチング素子に印加される電圧とを示す波形図である。図１４は、実施の形態３に係る誘導加熱装置の他の回路構成を示すブロック図である。図１５は、本開示の実施の形態４に係る誘導加熱装置の回路構成を示すブロック図である。図１６は、実施の形態４におけるスイッチング素子に対する制御信号と加熱コイルに流れる電流とスイッチング素子に印加される電圧とを示す波形図である。

　本開示の第１の態様に係る誘導加熱装置は、天板と、複数の加熱コイルと、直流電源と、複数の共振コンデンサと、インバータ回路と、副スイッチング素子と、鍋検知部とを備える。

　本開示の第２の態様に係る誘導加熱装置は、第１の態様において、鍋検知部が、第１のスイッチング素子がオフされる時点の情報に応じて、鍋検知を行うように構成されるものである。

　本態様によれば、鍋検知時に加熱コイルに流れる電流を低減できるため、スイッチング損失の少ない鍋検知を行うことができる。

　鍋検知時に加熱コイルに流れる電流が低減されるため、加熱コイルに被加熱物が載置されていた場合、鍋の不必要な加熱を防止することができ、加熱コイルに被加熱物が載置されていない場合、漏洩磁界を抑制することができる。

　本開示の第３の態様に係る誘導加熱装置は、第１の態様において、制御部が、インバータ回路の一動作周期において、加熱コイルに電流が流れる状態と加熱コイルに電流が流れない状態とを設けるように、第１および第２の主スイッチング素子と副スイッチング素子とを駆動するものである。

　本態様によれば、インバータ回路の動作周期ごとに、必ず加熱コイルに流れる電流がリセットされるため、どうような被加熱物であっても、載置された時点の次の動作周期において鍋検知を行うことができる。

　本開示の第４の態様に係る誘導加熱装置は、第１の態様において、制御部が、第１の主スイッチング素子がオフされる時点で、副スイッチング素子に電流が流れているように、副スイッチングを駆動するものである。

　本態様によれば、主スイッチング素子のスイッチング動作時に発生するノイズが、副スイッチング素子に印加されないようにすることができ、副スイッチング素子の破壊を防止することができる。

　本開示の第５の態様に係る誘導加熱装置は、第４の態様において、制御部が、第１の主スイッチング素子がオフされる時点で、加熱コイルに最大の電流が流れるように、副スイッチング素子を制御するものである。本態様によれば、精度よく鍋検知を行うことができる。

　本開示の第６の態様に係る誘導加熱装置は、第１の態様において、制御部が、鍋検知時と誘導加熱時とで、第１の主スイッチング素子の動作周波数およびオン期間の少なくともいずれかを同一に設定するものである。

　本態様によれば、近接して設置された二つの加熱コイルの一方に関しては鍋検知を行い、他方に関しては誘導加熱を行っても、干渉音が発生しないようにすることができる。

　本開示の第７の態様に係る誘導加熱装置は、第１の態様において、制御部が、インバータ回路の一動作周期において、一定期間、加熱コイルに電流が流れない状態を有する間欠通電モードと、一定期間、加熱コイルに電流が流れない状態を有しない連続通電モードとを用いて、被加熱物に供給する電力を制御するものである。

　本態様によれば、高抵抗の被加熱物と低抵抗の被加熱物のいずれに対しても、定格電力または定格電力に近い電力を不具合なく供給することができる。

　本開示の第８の態様に係る誘導加熱装置は、第１の態様において、副スイッチング素子に直列接続または並列接続されて設けられ、副スイッチング素子に印加される最大電圧を低減する電圧低減部をさらに備えたものである。

　本態様によれば、副スイッチング素子に発生する寄生振動に起因して副スイッチング素子に印加される電圧を、副スイッチング素子の耐電圧以下に低減することができるため、副スイッチング素子の破壊を防止することができる。

　本開示の第９の態様に係る誘導加熱装置は、第８の態様において、電圧低減部が、副スイッチング素子に並列接続されたツェナーダイオードを含むものである。

　本態様によれば、副スイッチング素子には降伏電圧を超過する電圧が印加されないため、副スイッチング素子の耐電圧値以下である降伏電圧を有するツェナーダイオードを用いて、副スイッチング素子の破壊を防止することができる。

　本開示の第１０の態様に係る誘導加熱装置は、第８の態様において、電圧低減部が、副スイッチング素子に並列接続されたコンデンサを含むものである。

　本態様によれば、副スイッチング素子の寄生容量と、本態様に係るコンデンサの容量との合成容量を、副スイッチング素子の寄生容量より大きくすることができる。これにより、共振回路のＱ値を低下させて、寄生振動により生じる電圧値を低減することができ、その結果、副スイッチング素子の破壊を防止することができる。

　本開示の第１１の態様に係る誘導加熱装置は、第８の態様において、電圧低減部が、副スイッチング素子に直列接続されたダイオードを含むものである。

　本態様によれば、副スイッチング素子に印加される電圧が、直流電源の出力電圧を超過すると、ダイオードが導通する。これにより、副スイッチング素子に印加される電圧が直流電源の出力電圧と同一にすることができる。そのため、直流電源の出力電圧が副スイッチング素子の耐電圧より小さければ、副スイッチング素子の破壊を防止することができる。

　以下、本開示の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、この実施の形態によって本開示が限定されるものではない。なお、以下の全ての図において、同一又は相当部分には、同一の符号を付し、重複する説明は省略する。

　（実施の形態１）
　図１は、本開示の実施の形態１に係る誘導加熱装置１０の上面図である。

　図１に示すように、本実施の形態に係る誘導加熱装置１０は、被加熱物を載置するための天板１３と、天板１３の下方にマトリクス状に配置された４５個の加熱コイル１１と、加熱の開始および停止、火力調節などを操作するための操作部１２とを有する。

　操作部１２は、天板１３に複数の被加熱物が載置された時に、被加熱物の載置位置、および、各被加熱物に対する加熱状態を視覚的に示す表示手段を備えてもよい。

　図２は、誘導加熱装置１０に設けられた加熱コイル１１に電力を供給するための回路構成を示すブロック図である。すなわち、本実施の形態に係る誘導加熱装置１０は、各々の加熱コイル１１に対してそれぞれ図２に示す回路構成が設けられる。

　ここで、図２に示す回路構成について説明する。図２において、直流電源４２は、ダイオードブリッジおよびＬＣフィルタを含み、商用電源（不図示）からの交流電力を整流し平滑することにより、直流電力に変換する。

　インバータ回路６１は、直流電源４２の出力端子に接続される。インバータ回路６１において、第１の主スイッチング素子であるスイッチング素子４３と、第２の主スイッチング素子であるスイッチング素子４４とが直列接続される。スイッチング素子４３には逆導通ダイオード５１が並列接続され、スイッチング素子４４には逆導通ダイオード５２が並列接続される。

　スイッチング素子４３とスイッチング素子４４とを排他的にオンおよびオフすることにより、インバータ回路６１は、直流電源４２から出力される直流電力を高周波の交流電力に変換する。以下、スイッチング素子に対してオンおよびオフする制御信号を出力することを、スイッチング素子をオンオフ制御するという。

　本実施の形態に係るインバータ回路６１は、スイッチング素子４４と並列接続されたスナバコンデンサ４８を含む。スナバコンデンサ４８により、スイッチング素子４３、スイッチング素子４４をオフさせる際に発生するスイッチング損失を抑制することができる。

　インバータ回路６１の出力端子には、加熱コイル１１と、共振コンデンサ４６と、副スイッチング素子であるスイッチング素子４５とが直列接続されている。スイッチング素子４５には逆導通ダイオード５３が並列接続される。加熱コイル１１と共振コンデンサ４６とにより、共振回路６２が構成される。

　インバータ回路６１の出力端子と加熱コイル１１との接続経路には、加熱コイル１１に流れる電流を検出するための電流検出部４７が接続される。

　鍋検知部５０は、電流検出部４７の出力値を受け、加熱コイル１１に被加熱物が載置されているか否かを判別する。

　制御部４９は、スイッチング素子４３～４５に接続され、スイッチング素子４３～４５をオンおよびオフする制御信号を出力して、スイッチング素子４３～４５を駆動する。制御部４９と鍋検知部５０とは、マイクロコンピュータ内で動作するソフトウェアにより構成される。

　鍋検知部５０は、加熱コイル１１に載置された被加熱物の材質を判別することも可能である。以下、鍋検知部５０により判別される被加熱物の有無、材質、および、どのように載置されているかの情報を被加熱物の状態と呼び、鍋検知には、被加熱物の有無だけでなく、その材質などの判別が含まれるものとする。

　電流検出部４７は、共振回路６２に流れる電流の値を検出するもの以外に、共振回路６２に流れる電流と、スイッチング素子４３、スイッチング素子４４、または、スイッチング素子４５のオンオフ制御との位相差を判断するための値を検出するものであってもよい。電流検出部の代わりに、共振コンデンサ４６の両端電圧を検出する電圧検出部を設け、鍋検知部５０は、検出された電圧を用いて鍋検知を行ってもよい。

　以下、上記構成を有する誘導加熱装置の動作について説明する。

　図３は、本実施の形態におけるスイッチング素子４３～４５に対する制御信号と、加熱コイル１１に流れる電流とを示す波形図である。

　図３において、Ｖｍ１はスイッチング素子４３に対する制御信号、Ｖｍ２はスイッチング素子４４に対する制御信号、Ｖｓはスイッチング素子４５に対する制御信号、Ｉｃは加熱コイル１１に流れる電流をそれぞれ表す。

　各スイッチング素子は、制御信号が高い（図に示すＨ）場合にオンされ、制御信号が低い（図に示すＬ）場合にオフされる。すなわち、スイッチング素子４３はオン期間Ｔｍ１に、スイッチング素子４４はオン期間Ｔｍ２にそれぞれオンされる。以下、スイッチング素子がオンされる期間をオン期間（On-period）という。

　図３に示すように、インバータ回路６１の出力側に高周波の電圧を発生するために、スイッチング素子４３とスイッチング素子４４は、動作周期Ｔｆ（すなわち、動作周波数１／Ｔｆ）で排他的にオンオフ制御される。また、スイッチング素子に制御信号が供給されてからスイッチング素子が実際にオフまたはオンするまでに、万一遅れが生じたとしても、直流電源４２の出力端子が短絡することのないように、スイッチング素子４３とスイッチング素子４４とが共にオフされるデットタイム期間Ｔｄが設けられる。

　直流電源４２の動作中に、高電位側のスイッチング素子であるスイッチング素子４３をオンすると、インバータ回路６１の出力端子間に電圧が印加される。このとき、スイッチング素子４５がオフされていると、加熱コイル１１には電流が流れない。一方、スイッチング素子４５がオンされていると、スイッチング素子４５を介して電流経路が形成され、加熱コイル１１に電流が流れる。

　このように、本実施の形態において、スイッチング素子４３のオン期間とスイッチング素子４５のオン期間とが重なる期間（以下、重複期間（Overlap period）という）であるＴａ１を調整することによって、加熱コイル１１に流れる電流が制御される。

　重複期間Ｔａ１が長いほど、加熱コイル１１により多くの電流が流れるため、加熱コイル１１に載置された被加熱物により大きな電力が供給される。

　スイッチング素子４３がオフされ、デットタイム期間Ｔｄが経過すると、スイッチング素子４４がオンされる。スイッチング素子４４がオンされると、共振回路６２において共振動作が発生し、共振回路６２に流れる電流Ｉｃの方向が反転する。

　スイッチング素子４４に電流Ｉｃが流れる期間Ｔｃ１においては、電流Ｉｃは、逆導通ダイオード５３に流れ、スイッチング素子４５には流れない。このため、期間Ｔｃ１にスイッチング素子４５をオフすることにより、スイッチング動作によりスイッチング素子４５で生じる損失をなくすことができる。

　共振回路６２の共振動作により電流Ｉｃは再び反転する様子を示すが、期間Ｔｃ１にスイッチング素子４５をオフして電流経路を遮断すると、期間Ｔｇ１では共振回路６２に電流Ｉｃが流れない。

　鍋検知時において、少なくとも重複期間Ｔａ１の間、スイッチング素子４５をオンしておくと、スイッチング素子４３がオフされる時点で、電流Ｉｃは最大値Ｉｐ１となる。

　従って、スイッチング素子４３がオフされる時点で、電流検出部４７により電流Ｉｃの値を検出することにより、電流Ｉｃをサンプルホールドする回路を設けることなく、最大値Ｉｐ１を検出することができる。

　本実施の形態では、スイッチング素子４３をオフする時点、および、スイッチング素子４４をオンする時点を跨いで、スイッチング素子４５に電流が流れているように、スイッチング素子４５が制御される。

　これにより、スイッチング素子４３、４４の状態遷移時における電流および電圧の振る舞いを、スイッチング素子４５が設けられない回路構成の場合と同様にし、スイッチング素子４３、４４におけるノイズおよびスイッチング損失を、スイッチング素子４５が設けられない回路構成の場合と同程度に低減することができる。

　本実施の形態によれば、加熱コイル１１に被加熱物が載置されているか否かの判別と、被加熱物が載置されている場合は被加熱物の材質の判別とが、操作部１２により加熱動作の開始が指示される前に行われる。これにより、例えば、被加熱物の載置位置を操作部１２に視覚的に示すための情報を得ることができる。

　当然のことながら、鍋検知するためのセンサなどを設けない方が、誘導加熱装置１０を安価に構成できる。しかし、誘導加熱を行うための回路を、被加熱物の状態判別のために用いると、回路部品の破壊、状態判別時の電力の増大または漏洩磁界の増大を招くおそれがある。

　この問題を解決するために、鍋検知時には、誘導加熱時より小さな電流を加熱コイル１１に流すようにする。本実施の形態では、図３に示す重複期間Ｔａ１が短くなるように、スイッチング素子４５をオンする時点を制御する。これにより、インバータ回路６１から加熱コイル１１および被加熱物への供給電力を少なくして、スイッチング損失を抑えつつ被加熱物の状態判別が可能となる。

　鍋検知時の被加熱物への供給電力を低減するために、重複期間Ｔａ１はオン期間Ｔｍ１の半分以下であることが望ましい。

　オン期間Ｔｍ１と重複期間Ｔａ１が一定であっても、天板１３に載置された被加熱物の状態によって、共振回路６２に流れる電流の最大値Ｉｐ１が異なる。

　これを利用して、鍋検知部５０は、例えば、オン期間Ｔｍ１と重複期間Ｔａ１を一定にして、または、変化させて、交流電源４１からインバータ回路６１に流れる電流と共振回路６２に流れる電流の最大値Ｉｐ１との関係から、鍋検知を行うことができる。上記のように、最大値Ｉｐ１が検出されるのは、スイッチング素子４３がオフされる時点である。

　被加熱物の判別のための情報として、共振回路６２に流れる電流値の他、共振回路６２に発生する電圧値を用いてもよい。最大値Ｉｐ１の情報を維持できる回路を追加すれば、電流Ｉｃを検出するのは、スイッチング素子４３がオフされる時点でなくてもよい。

　本実施の形態では、重複期間Ｔａ１をなくすと、加熱コイル１１には電流が流れない。すなわち、本実施の形態によれば、スイッチング素子４３がオンされていても、加熱コイル１１に電流が流れないように制御することができる。

　図３に示すように、鍋検知時は、加熱コイル１１に電流が流れる期間Ｔｂ１、Ｔｃ１と、加熱コイル１１に電流が流れない期間Ｔｇ１とが存在する間欠通電モード（Intermittent-energization mode）が行われる。これにより、共振動作により加熱コイル１１に流れる電流が抑制される。その結果、鍋検知時における消費電力を低減することができる。

　通常、誘導加熱装置では、被加熱物の状態に応じて共振周波数が変化する。しかし、本実施の形態によれば、共振動作により加熱コイル１１に電流が一周期の間流れた後、電流が流れない状態となる。そして、次の重複期間Ｔａ１において、被加熱物の新たな状態に応じた電流検出値を得ることができる。このようにして、被加熱物の状態による共振特性の変化に影響されることなく、鍋検知を精度よく行うことができる。

　スイッチング素子４３～４５が同一の周波数で動作するため、加熱コイル１１に流れる電流の基本周波数はスイッチング素子の動作周波数となる。各回路の動作周波数を同じにすれば、例えば複数の加熱コイル１１や他の回路を近接して配置し、異なる被加熱物を加熱する場合でも、干渉音を抑制することができる。

　加熱コイル１１に供給される電力が少ない時は、加熱コイル１１に電流が流れない期間Ｔｇ１が存在する。このため、被加熱物の状態に応じて共振回路６２の共振周波数が変化しても、期間Ｔｇ１の長さが変化するだけで、スイッチング素子４５は短絡せず、その動作に変化はない。その結果、効率よく回路を動作させることができる。

　本実施の形態では、スイッチング素子４３がオフされた時点に流れる電流が、スイッチング素子４５に流れる電流の最大値となる時点で鍋検知することにより、電流検出部４７の出力値の最大値と重複期間Ｔａ１の関係から、被加熱物の状態判別を行うことができる。このため、ピークホールド回路を用いることなく、安価で且つ精度よく鍋検知することができる。

　図３に示すように、スイッチング素子４３に対する制御信号Ｖｍ１、スイッチング素子４４に対する制御信号Ｖｍ２、スイッチング素子４５に対する制御信号Ｖｓは、全て同じ周波数を有する。これによって、加熱コイル１１に流れる電流Ｉｃを抑制することができる。その結果、より小さい容量の電流検出部４７が使用でき、直流電源４２の出力電圧のリップルを低減することができる。

　加熱コイル１１に流れる電流の基本周波数は、スイッチング素子４３～４５の動作周波数と同一であるため、近接して設けられた複数の加熱コイルや他の回路を同時に動作させても、干渉音を生じることなく、鍋検知することができる。

　スイッチング素子４３がオンされるとき（Ｖｍ１の立ち上がり）、電流は、スイッチング素子４３と並列に接続された逆導通ダイオード５１に流れ、スイッチング素子４３に流れない。このように、スイッチング素子４３において、零電圧スイッチングかつ零電流スイッチングが行われるため、スイッチング損失を抑制することができる。

　スイッチング素子４３がオフされるとき（Ｖｍ１の立ち下がり）、スイッチング素子４４と並列に設けられたスナバコンデンサ４８により、スイッチング素子４３に印加される電圧は緩やかに上昇する。このため、零電圧スイッチングが行われ、スイッチング損失を抑制することができる。

　スイッチング素子４３と同様に、スイッチング素子４４がオンされるとき（Ｖｍ２の立ち上がり）、零電圧スイッチングかつ零電流スイッチングが行われ、スイッチング損失を抑制することができる。スイッチング素子４４がオフされるとき（Ｖｍ１の立ち下がり）、零電圧スイッチングが行われ、スイッチング損失を抑制することができる。

　すなわち、加熱コイル１１に流れる電流が低減するため、オン期間Ｔｍ１と重複期間Ｔａ１とを短くしても、スイッチング素子４３～４５において、少なくとも零電圧スイッチング、零電流スイッチングのいずれか行われるため、スイッチング素子４３～４５におけるスイッチング損失を低減することができる。

　スイッチング素子４５がオンされるとき（Ｖｓの立ち上がり）、スイッチング素子４５に流れる電流が零から一定の傾きで緩やかに上昇する。このため、零電流スイッチングが行われ、スイッチング損失を低減することができる。スイッチング素子４５がオフされるとき（Ｖｓの立ち下がり）、電流は、スイッチング素子４５と並列に接続された逆導通ダイオード５３に流れ、スイッチング素子４５に流れない。このように、スイッチング素子４５において、零電圧スイッチングかつ零電流スイッチングが行われ、スイッチング損失を抑制することができる。

　以上のように、本実施の形態によれば、加熱コイル１１に電流が流れない期間Ｔｇ１が設けられる。これにより、共振回路６２の共振周波数、および、インバータ回路６１の動作周波数に関わらず、スイッチング素子４３～４５において、零電圧スイッチングまたは零電流スイッチングが行われる。

　このため、鍋検知時と誘導加熱時とで同一の動作周波数を用いてインバータ回路６１を駆動しても、スイッチング損失とノイズとを抑制することができる。その結果、近接して設置された複数の加熱コイル１１に、同時に電力を供給しても干渉音を抑制することができる。

　ここで、本実施の形態において、鍋検知部５０がどのように鍋検知するかについて説明する。

　上記説明から容易に理解できるように、オン期間Ｔｍ１が一定の場合、スイッチング素子４５をより早くオンすると重複期間Ｔａ１は長くなり、スイッチング素子４５をより遅くオンすると重複期間Ｔａ１は短くなる。このように、オン期間Ｔｍ１と重複期間Ｔａ１とを調整することにより、加熱コイル１１に流れる電流Ｉｃを制御する。

　被加熱物が載置される場合と載置されない場合とで、インバータ回路６１からみた加熱コイル１１のインピーダンスが変化する。載置された被加熱物の材質に応じても同様である。加熱コイル１１のインピーダンスが変化すると、重複期間Ｔａ１が一定であっても電流Ｉｃの最大値Ｉｐ１が変化する。この関係性を用いて、被加熱物の状態が判別できる。

　図４は、本実施の形態における鍋検知のための基準を示す図である。図４において、横軸は重複期間Ｔａ１、縦軸は電流Ｉｃの最大値Ｉｐ１をそれぞれ表す。

　図４に示すように、例えば、重複期間Ｔａ１が値Ｘ１に設定されると、電流Ｉｃが値Ｙ１未満である場合（領域Ａ１）と、電流Ｉｃが値Ｙ１以上、値Ｙ２未満である場合（領域Ａ２）と、電流Ｉｃが値Ｙ２以上である場合（領域Ａ３）との三つの領域に区画される。

　その時の重複期間Ｔａ１と電流Ｉｃの最大値Ｉｐ１とで決定される点が、どの領域に含まれるかにより、被加熱物の状態が判別される。

　本実施の形態では、領域Ａ１の場合、載置された被加熱物が磁性体であると判断し、領域Ａ２の場合、載置された被加熱物が非磁性体であると判断し、領域Ａ３の場合、被加熱物が載置されていないと判断する。

　このようにして、被加熱物の状態判別のために特別なセンサや回路部品を設けることなく、被加熱物の状態を判別することができる。

　以下、重複期間がＴａ１より長いＴａ２である場合における、誘導加熱装置１０の動作について説明する。

　図５は、図３と同様に、本実施の形態におけるスイッチング素子４３～４５に対する制御信号Ｖｍ１、Ｖｍ２およびＶｓと、加熱コイル１１に流れる電流Ｉｃとを示す波形図である。図５に示すように、本実施の形態では、重複期間はＴａ１より長いＴａ２に設定される。

　例えば、被加熱物が載置されたことを確認されている状態で、操作部１２により加熱開始が指示されると、被加熱物が載置された加熱コイル１１に対応するインバータ回路６１とスイッチング素子４５とが駆動され、載置された被加熱物が誘導加熱される。

　インバータ回路６１の動作周波数は、鍋検知時と誘導加熱時とで同一にする。スイッチング素子４３のオン期間を、誘導加熱時と鍋検知時とで同一に設定してもよい。

　図５に示すように、重複期間をＴａ１より長いＴａ２とすると、電流Ｉｃが流れる期間が長くなり（Ｔｂ２＋Ｔｃ２＞Ｔｂ１＋Ｔｃ１）、電流の最大値も大きくなる（Ｉｐ２＞Ｉｐ１）。

　すなわち、被加熱物に供給される電力は、重複期間が長いほど大きくなる。また、重複期間Ｔａ２が零の場合、被加熱物に供給される電力は零になる。重複期間Ｔａ１がオン期間Ｔｍ１と一致する場合、被加熱物に供給される電力は最大になる。後者の場合、一定期間、加熱コイル１１に電流Ｉｃが流れない状態を有せず、加熱コイル１１に連続的に電流Ｉｃが流れる連続通電モード（Continuous-energization mode）が行われる（図６参照）。

　本実施の形態によれば、制御部４９が、スイッチング素子４５をオンする時点とスイッチング素子４５のオン期間とを調整することにより、間欠通電モードと連続通電モードとを行い、被加熱物に供給する電力を、零から最大値まで連続的に制御する。

　本実施の形態によれば、鍋検知時でも、被加熱物の誘導加熱時でも、誘導加熱装置１０が有するすべてのインバータ回路６１において同一の動作周波数が用いられる。これにより、状態判別を行う加熱コイル１１と、誘導加熱を行う加熱コイル１１とが同時に存在しても、高周波磁界の周波数差が発生することがなく、干渉音が生じない。

　図６は、電気的な抵抗値が大きい、磁性ステンレス製などの鍋を定格電力または定格電力に近い電力で誘導加熱する場合における、制御信号Ｖｍ１、Ｖｍ２、Ｖｓと電流Ｉｃとを示す波形図である。図７は、電気的な抵抗値が小さい、鉄製などの鍋を定格電力で誘導加熱する場合における、制御信号Ｖｍ１、Ｖｍ２、Ｖｓと電流Ｉｃとを示す波形図である。

　抵抗値の大きい被加熱物の場合、共振回路６２内の加熱コイル１１に電流が流れにくいため、被加熱物に供給できる電力は小さい。そのため、抵抗値の大きな被加熱物に所望の電力を供給するためには、抵抗値が小さい被加熱物と比較して重複期間を長くする必要がある。

　そこで、図６に示すように、重複期間Ｔａ３をスイッチング素子４３のオン期間Ｔｍ１と同じにして、加熱コイル１１に連続通電モードを行うように制御する。これにより、抵抗値の大きい被加熱物を定格電力または定格電力に近い電力で加熱することが可能となる。

　なお、図６においては、スイッチング素子４５が連続してオンされるが、加熱コイル１１に連続的に電流が流れれば、スイッチング素子４５がオフされてもよい。

　一方、抵抗値が小さい被加熱物の場合、図７に示すように、抵抗値が大きな被加熱物の場合と比較して、加熱コイル１１に電流が流れやすく、電流の最大値も大きくなる（Ｉｐ４＞Ｉｐ３）。

　そこで、抵抗値の小さい被加熱物の場合は、定格値を供給する場合であっても、重複期間Ｔａ４をＴｍ１より短くし、電流Ｉｃが流れない期間Ｔｇ４を設けるように、スイッチング素子４３～４５を制御する。これにより、被加熱物に供給される電力が定格値を超えないようにすることができる。なお、抵抗値の小さい被加熱物の場合、重複期間はオン期間Ｔｍ１の半分以下が望ましい。

　本実施の形態では、鍋検知時と誘導加熱時とで、同一の動作周波数でインバータ回路６１を駆動するため、図８に示す構成も利用可能である。図８は、誘導加熱装置１０の回路構成に関する他の例を示すブロック図である。

　図８に示すように、図２に示す回路構成に加えて、電流検出部４７と、共振回路６２と、逆導通ダイオード５３が並列接続されたスイッチング素子４５とで構成されるもう一系統の直列体が、インバータ回路６１の出力端子に接続される。この構成により、一つのインバータ回路６１で二つの加熱コイル１１を同時に駆動することができ、より安価な誘導加熱装置１０を構成することが可能となる。

　さらに、図８に示す回路構成に、図８において追加された直列体と同じ直列体を同様に追加すれば、一つのインバータ回路６１でより多くの加熱コイル１１を同時に駆動することができ、さらに安価な誘導加熱装置１０を構成することが可能となる。

　（実施の形態２）
　特許文献１で開示された回路構成において、副スイッチング素子は半導体材料で構成されるため、副スイッチング素子がオフされても、副スイッチング素子が有する接合容量や静電容量などの寄生容量が加熱コイルと共振回路を構成する。

　このため、加熱コイルに流れる電流が零になったときに加熱コイルや副スイッチング素子に印加される電圧が、加熱コイルに流れる電流が零になる前の状態から変化することにより発生する共振動作によって、副スイッチング素子にリンギング電圧が発生する。

　つまり、特許文献１で開示された回路構成においては、副スイッチング素子をオフして加熱コイルに流れる電流を零にするとき、副スイッチング素子には電源の電圧と共振コンデンサの電圧の和が印加され、リンギング電圧など寄生振動により生じる電圧がそれに加わる。この副スイッチング素子に印加される電圧が耐電圧を超過し、副スイッチング素子を破壊する可能性があるという問題がある。

　特に、一定期間、加熱コイルに流れる電流が零とする場合に、大きな電力を供給しようとすると、寄生振動により生じる電圧値が大きくなるため、副スイッチング素子が破壊され易くなる。本開示の実施の形態２は、上記問題点を解決するものである。

　図９は、誘導加熱装置１０に設けられた加熱コイル１１に電力を供給するための回路構成を示すブロック図である。すなわち、実施の形態１と同様に、本実施の形態に係る誘導加熱装置１０は、各々の加熱コイル１１に対して図９に示す回路構成が設けられる。図９に示す回路構成は、図２に示す回路構成とほぼ同じであるため、相違点のみについて説明する。

　本実施の形態では、ＭＯＳＦＥＴなどで構成されるスイッチング素子４５と並列に、スイッチング素子４５に印加される電圧を低減するための電圧低減部であるツェナーダイオード７１が接続される。これにより、スイッチング素子４５のコレクタ－エミッタ電圧Ｖｃｅ１がツェナーダイオード７１の降伏電圧を超過しないようにすることができる。

　加熱コイル１１に流れる電流を検出するために、インバータ回路６１の出力側と加熱コイル１１とを含む共振回路６２の接続経路に、カレントトランスやシャント抵抗（電流検知用抵抗）などで構成される電流検出部４７が設けられる。

　鍋検知部５０は、電流検出部４７により検出された電流値と、共振コンデンサ４６に発生した電圧値とに応じて鍋検知を行う。共振コンデンサ４６に発生した電圧値の代わりに、共振回路６２に流れる電流とスイッチング素子４３、４４または４５のオンオフ制御との位相差を判断するための値、または、共振回路６２に流れる電流値を用いてもよい。

　電流検出部４７の出力は、制御部４９にも供給される。

　ここで、本実施の形態における誘導加熱装置１０の動作を説明する。図１０は、本実施の形態におけるスイッチング素子４３～４５に対する制御信号Ｖｍ１、Ｖｍ２およびＶｓと、加熱コイル１１に流れる電流Ｉｃと、スイッチング素子４５のコレクタ－エミッタ電圧Ｖｃｅ１とを示す波形図である。図１０において、制御信号Ｖｍ１、Ｖｍ２およびＶｓと、電流Ｉｃとは、図３と同じであるため、以下、図３との相違点のみについて説明する。

　スイッチング素子４５をＭＯＳＦＥＴで構成すると、ゲート端子とドレイン端子との間、および、ゲート端子とソース端子との間には、それぞれ静電容量が存在する。ドレイン端子とソース端子との間には、ＰＮ接合が形成されることによる接合容量が存在する。

　ＭＯＳＦＥＴの代わりにＩＧＢＴを用いても、同様に静電容量や接合容量などの寄生容量が存在する。この寄生容量より、スイッチング素子４５をオフしても、スイッチング素子４５を介して新たな共振回路が構成される。

　寄生容量を含む新たな共振回路が構成されるとき、加熱コイル１１に流れる電流は零またはほぼ零のため、新たな共振回路が構成されても共振電流はほとんど流れない。しかし、寄生容量は極めて小さく、また少なくとも共振コンデンサ４６の容量より小さいため、寄生容量に印加される電圧、すなわち、スイッチング素子４５に印加される電圧が大きくなると、共振動作によって電圧が振動する。

　図１０に示すように、ツェナーダイオード７１を用いて、この振動する電圧の最大値Ｖｐ１をスイッチング素子４５の耐電圧以下に低減することにより、スイッチング素子４５の破壊を防止することができる。その結果、間欠通電モードから連続通電モードとなる定格電力の供給まで、連続的に電力を調整することができる。

　本実施の形態では、鍋検知時と誘導加熱時とで、同一の動作周波数でインバータ回路６１を駆動するため、図１１に示す構成も利用可能である。図１１は、本実施の形態に係る誘導加熱装置１０の回路構成に関する他の例を示すブロック図である。

　図１１に示すように、図９に示す回路構成に加えて、共振回路６２と、逆導通ダイオード５３およびツェナーダイオード７１が並列接続されたスイッチング素子４５とで構成されるもう一系統の直列体が、インバータ回路６１の出力端子に接続される。この構成により、一つのインバータ回路６１で二つの加熱コイル１１を同時に駆動することができ、より安価な誘導加熱装置１０を構成することが可能となる。

　さらに、図１１に示す回路構成に、図１１において追加された直列体と同じ直列体を同様に追加すれば、一つのインバータ回路６１でより多くの加熱コイル１１を同時に駆動することができ、さらに安価な誘導加熱装置１０を構成することが可能となる。

　（実施の形態３）
　図１２は、本開示の実施の形態３における誘導加熱装置１０に設けられた加熱コイル１１に電力を供給するための回路構成を示すブロック図である。すなわち、実施の形態１および２と同様に、本実施の形態に係る誘導加熱装置１０は、各々の加熱コイル１１に対してそれぞれ図１２に示す回路構成が設けられる。図１２に示す回路構成は、図９に示す回路構成とほぼ同じであるため、相違点のみについて説明する。

　図１２に示すように、本実施の形態では、図９におけるツェナーダイオード７１の代わりに、コンデンサ７２がスイッチング素子４５に並列に設けられる。ここで、コンデンサ７２の両端電圧、すなわち、スイッチング素子４５のコレクタ－エミッタ電圧をＶｃｅ２とする。

　図１３は、本実施の形態におけるスイッチング素子４３～４５に対する制御信号Ｖｍ１、Ｖｍ２およびＶｓと、加熱コイル１１に流れる電流Ｉｃと、スイッチング素子４５のコレクタ－エミッタ電圧Ｖｃｅ２とを示す波形図である。図１３において、制御信号Ｖｍ１、Ｖｍ２およびＶｓと、電流Ｉｃとは、図３、図１０と同じであるため、図１０との相違点のみについて説明する。

　スイッチング素子４５と並列にコンデンサ７２を接続することにより、スイッチング素子４５が有する寄生容量とコンデンサ７２の容量との合成容量が大きくなる。このため、共振電流が流れたときのコレクタ－エミッタ電圧Ｖｃｅ２の最大値Ｖｐ２を低減することができる。その結果、スイッチング素子４５の破壊を防止することができる。

　図１４は、本実施の形態における加熱コイル１１に電力を供給するための他の回路構成を示すブロック図である。図１４に示すように、電圧低減部として、スイッチング素子４５に並列接続されたコンデンサ７２に加え、スイッチング素子４５がオンしたときにコンデンサ７２に充電された電荷がスイッチング素子４５を介して短絡状態で放電することを回避するための抵抗７３が、コンデンサ７２に直列接続される。

　抵抗７３により、大きな短絡電流が流れてノイズが発生し、例えば他の機器を誤作動させるなどの影響を与えないようにすることができる。

　また、コンデンサ７２を充電するときの電流が抵抗７３を流れると損失を生じ、加熱効率低減の要因となるため、抵抗７３にダイオード７４を並列接続することにより、効率よく誘導加熱を行うことができる。

　（実施の形態４）
　図１５は、本開示の実施の形態４における誘導加熱装置１０に設けられた加熱コイル１１に電力を供給するための回路構成を示すブロック図である。図１５に示す回路構成において、図１２に示す回路構成との相違点のみについて説明する。

　図１５に示すように、本実施の形態では、図１２におけるコンデンサ７２をなくし、電圧低減部としてダイオード７５が設けられる。ダイオード７５のアノードは、スイッチング素子４５の高電位端子に接続され、ダイオード７５のカソードは、直流電源４２の高電位側端子に接続される。

　図１６は、本実施の形態におけるスイッチング素子４３～４５に対する制御信号Ｖｍ１、Ｖｍ２およびＶｓと、加熱コイル１１に流れる電流Ｉｃと、スイッチング素子４５のコレクタ－エミッタ電圧Ｖｃｅ３とを示す波形図である。図１６において、制御信号Ｖｍ１、Ｖｍ２およびＶｓと、電流Ｉｃとは、図３、図１０、図１３と同じである。

　図１５において、スイッチング素子４５のコレクタ－エミッタ電圧Ｖｃｅ３が直流電源４２の出力電圧を超過すると、ダイオード７５が導通する。これにより、図１６に示すように、スイッチング素子４５に印加される電圧の最大値Ｖｐ３を、直流電源４２の出力電圧と同一にすることができる。そのため、直流電源４２の出力電圧がスイッチング素子４５の耐電圧より小さければ、スイッチング素子４５の破壊を防止することができる。

　以上のように、本開示に係る誘導加熱装置によれば、鍋検知および誘電加熱を同一の周波数で行うことが可能であり、加熱コイルに流れる電流を制御する副スイッチング素子の破壊を防止することが可能である。そのため、本開示は、特に複数の加熱コイルがマトリクス状に近接して設置される誘導加熱調理器（Induction Hob）において有用である。

　１０　誘導加熱装置
　１１　加熱コイル
　１２　操作部
　１３　天板
　４１　交流電源
　４２　直流電源
　４３，４４，４５　スイッチング素子
　４６　共振コンデンサ
　４７　電流検出部
　４８　スナバコンデンサ
　４９　制御部
　５０　鍋検知部
　５１，５２，５３　逆導通ダイオード
　６１　インバータ回路
　６２　共振回路
　７１　ツェナーダイオード
　７２　コンデンサ
　７３　抵抗
　７４，７５　ダイオード

Claims

　被加熱物を載置するための天板と、
　前記天板の下方に配置された複数の加熱コイルと、
　商用電源からの交流電力を直流電力に変換する直流電源と、
　前記複数の加熱コイルの各々と接続され、それぞれ共振回路を構成する複数の共振コンデンサと、
　前記直流電源と前記加熱コイルとの間の電流経路の接続を制御する第１の主スイッチング素子と、前記第１の主スイッチング素子に直列接続された第２の主スイッチング素子とを有し、一つ以上の前記加熱コイルに高周波電流を供給するインバータ回路と、
　前記インバータ回路と前記共振回路との間に直列接続された副スイッチング素子と、
　前記第１および第２の主スイッチング素子と、前記副スイッチング素子とを駆動する制御部と、
　前記共振回路に関連する電流または電圧の情報に応じて、鍋検知を行う鍋検知部と、
を備え、
　前記制御部は、前記第１および第２の主スイッチング素子と前記副スイッチング素子とを、同一の周波数で駆動し、前記第１の主スイッチング素子のオン期間と前記副スイッチング素子のオン期間との重複期間を調整することにより、前記加熱コイルに流れる電流を制御するように構成された誘導加熱装置。
　前記鍋検知部は、前記第１のスイッチング素子がオフされる時点の情報に応じて、鍋検知を行うように構成された請求項１に記載の誘導加熱装置。
　前記制御部は、前記インバータ回路の一動作周期において、前記加熱コイルに電流が流れる状態と前記加熱コイルに電流が流れない状態とを設けるように、前記第１および第２の主スイッチング素子と前記副スイッチング素子とを駆動する請求項１に記載の誘導加熱装置。
　前記制御部は、前記第１の主スイッチング素子がオフされる時点で、前記副スイッチング素子に電流が流れているように、前記副スイッチングを駆動する請求項１に記載の誘導加熱装置。
　前記制御部は、前記第１の主スイッチング素子がオフされる時点で、前記加熱コイルに最大の電流が流れるように、前記副スイッチング素子を制御する請求項４に記載の誘導加熱装置。
　前記制御部は、鍋検知時と誘導加熱時とで、前記第１の主スイッチング素子の動作周波数およびオン期間の少なくともいずれかを同一に設定する請求項１に記載の誘導加熱装置。
　前記制御部は、前記インバータ回路の一動作周期において、一定期間、前記加熱コイルに電流が流れない状態を有する間欠通電モードと、前記加熱コイルに電流が流れ続ける状態を有する連続通電モードとを用いて、被加熱物に供給する電力を制御する請求項１に記載の誘導加熱装置。
　前記副スイッチング素子に直列接続または並列接続されて設けられ、前記副スイッチング素子に印加される最大電圧を低減する電圧低減部をさらに備えた請求項１に記載の誘導加熱装置。
　前記電圧低減部は、前記副スイッチング素子に並列接続されたツェナーダイオードを含む請求項８に記載の誘導加熱装置。
　前記電圧低減部は、前記副スイッチング素子に並列接続されたコンデンサを含む請求項８に記載の誘導加熱装置。
　前記電圧低減部は、前記副スイッチング素子に直列接続されたダイオードを含む請求項８に記載の誘導加熱装置。