(57)【要約】      （修正有）【課題】スイッチングアームを構成する直列接続されたスイッチング素子の発生損失を均一化することで、スイッチング素子の能力を有効に活用し、かつ冷却体の小型化、スイッチング素子温度検出精度向上と簡略化を実現する誘導加熱装置を提供する。  【解決手段】  スイッチング素子とダイオードを逆並列接続したスイッチ回路を直列接続したスイッチングアーム直列回路を有し、加熱コイルと共振用コンデンサとが共振し、高周波電力を発生して被加熱物を誘導加熱するインバータ回路において、  直列接続されたスイッチング素子を駆動するパルスパターンを加熱コイルと共振用コンデンサの共振周期よりも長い一定周期ごとに切り替えるようにした。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
スイッチング素子とダイオードを逆並列接続したスイッチ回路を直列接続したスイッチングアーム直列回路を有し、加熱コイルと共振用コンデンサとが共振し、高周波電力を発生して被加熱物を誘導加熱するインバータ回路において、
直列接続されたスイッチング素子を駆動するパルスパターンを加熱コイルと共振用コンデンサの共振周期よりも長い一定周期ごとに切り替えることを特徴とした誘導加熱装置。
【請求項２】
前記直列接続されたスイッチング素子を駆動するパルスパターンを切り替える一定周期を、発振器を用いて決定することを特徴とした請求項1の誘導加熱装置。
【請求項３】
前記直列接続されたスイッチング素子を駆動するパルスパターンを切り替える一定周期を、入力電源の極性により決定することを特徴とした請求項1の誘導加熱装置。
【請求項４】
前記直列接続されたスイッチング素子を駆動するパルスパターンを切り替える一定周期を、スイッチング周波数を決定する発信器の出力を分周して決定することを特徴とした請求項1の誘導加熱装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般家庭やレストランなどで使用される誘導加熱調理器や金属溶解、シームレス溶接などに使用される産業用誘導加熱装置に関し、詳しくは、スイッチング素子を用いて交流電源から高周波交流を作り出す電力変換回路を有する誘導加熱装置に関するもので、特にスイッチング素子の駆動方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
複数台の誘導加熱装置を近傍に設置して使用する場合、それぞれの誘導加熱装置を異なるスイッチング周波数で動作させると干渉音が発生する問題がある。したがって、複数台の誘導加熱装置を近傍に設置する場合には、一般に複数台の誘導加熱装置のスイッチング周波数を同じとし、スイッチング素子の導通期間を制御して電力を調整する方法が採用されている。
図７(a)に、主回路部11、制御回路部10から構成される一般的な誘導加熱装置を示す。制御回路部10は、入力設定部10a、入力検出部10b、比較部10c、スイッチング周波数発振器10d、そして導通比決定部10eから構成される。周波数一定で発振するスイッチング周波数発振器10dに接続される導通比決定部10eは、入力設定部10aで設定された入力設定値と、入力検出部10bで検出された実際の入力値とを比較部10cで比較して出力された誤差に応じて、入力設定値と実際の入力値が等しくなるようにスイッチング素子4、5の導通比を決定する。
【０００３】
そして、制御回路部で決定された一定周波数で導通期間が可変のゲート信号に応じて主回路部のスイッチング素子を駆動し加熱コイルへ電流を供給し、被加熱物を加熱する。
次に、主回路部11の構成および動作を説明する。
誘導加熱装置に適用される主回路構成例を図７(b)に示す。主回路部11は交流電源1にダイオードブリッジからなる整流回路2が接続され、整流回路2の直流側には直流平滑用コンデンサ3と逆並列接続されたスイッチング素子4、5およびダイオード６，7からなるスイッチングアーム直列回路を並列接続し、前記スイッチングアーム直列回路の内部接続点とスイッチング素子5の低圧側接続点の間に加熱コイル8と共振コンデンサ9の直列回路が接続される構成となっている。
上記構成において、交流電源1の電圧はダイオードブリッジ整流回路2により整流され、コンデンサ3の電圧は直流電圧となる。スイッチング素子4をオン、スイッチング素子5をオフさせると直流平滑用コンデンサ3→スイッチング素子４→加熱コイル8→共振コンデンサ9→平滑用コンデンサ3の経路で電流を供給する。次に、スイッチング素子4をオフ、スイッチング素子5をオンさせると、加熱コイル8を流れる電流は加熱コイル8→共振コンデンサ9→ダイオード7→加熱コイル8の経路に転流する。この時スイッチング素子5にはオン信号が入力されているため、加熱コイル８を流れる電流は加熱コイル8と共振コンデンサ9との共振現象により自然に反転し、スイッチング素子5を通る経路に転流する。この状態でスイッチング素子5をオフ、スイッチング素子4をオンさせると加熱コイル8の電流は加熱コイル8→ダイオード6→直流平滑用コンデンサ3→共振コンデンサ9→加熱コイル8の経路に転流する。この時、加熱コイルを流れる電流は徐々に低下し、スイッチング素子4を通る経路に自然に反転する。以上の動作を高周波で繰り返すことにより、加熱コイル8に高周波の電流を供給し被加熱物を加熱する。
【０００４】
次に電力調整を行う時の各部動作波形例を図８に示す。図８は上からスイッチング素子4、5への制御回路からのゲート指令信号vg4、vg5、スイッチング素子4、5の電流波形i4、i5、加熱コイル8の電流波形i8である。そして、スイッチング周期T1に対するスイッチング素子4の導通期間T2の比を導通比λとすると、負荷に供給する電力の調整は、λを変化させることで行う。ただし、スイッチング素子5の導通期間はデッドタイムを無視すると常にT1−T2を満たすように制御する。
供給電力はλ=0.5の時に最大となり、λを小さくするにつれて供給電力は減少する。これは、λが小さくなるにつれて、インバータ出力電圧が小さく、負荷力率が悪くなることによる。そして、スイッチング素子4、5の電流波形は、λ=0.5のときには半周期だけ位相のずれた同じ波形となるが、λを変化させるとスイッチング素子4、5の電流は異なる動作波形となることも確認できる。以上のような動作は特許文献1に記載されている通りである。
【０００５】
また、図７(a)の主回路部11には図７(b)の回路構成のほか、図９に示す回路構成も適用できる。ここで図９(b)は4つのスイッチング素子で構成されているが、スイッチング素子4a、4bをゲート信号vg4で、スイッチング素子5a、5bをゲート信号vg5で動作させれば、その他の回路構成と同様な動作となる。  
【特許文献１】特許第2532565号公報（図1、図2、２頁実施例）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
一般にスイッチング周波数を一定としスイッチング素子の導通期間（導通比λ）を制御して電力を調整する誘導加熱装置において、導通比λ=0.5以外の導通比とすると直列接続されたスイッチング素子には、それぞれ異なる動作波形の電流が流れる。したがって、導通損失、スイッチング損失ともにスイッチング素子毎に異なる値となるために、スイッチングアームを構成する2つのスイッチング素子の損失は不均一となる。
以上のようにスイッチングアームを構成するスイッチング素子の損失に不均一が生じると、損失の大きい側に合わせて電流容量の大きなスイッチング素子を適用するか、一方のみ大きな電流容量のスイッチング素子を適用しなければならない。しかし、大きな電流容量のスイッチング素子をどちらにも適用した場合には、損失が小さい側のスイッチング素子の能力を有効に活用できない。また、一方に大きな電流容量のスイッチング素子を適用した場合には、特性の異なるスイッチング素子でスイッチングアームを構成するために異なるデッドタイムを確保して短絡保護を行わなければならず、制御回路構成が複雑化する等の課題が生じる。
【０００７】
さらに、一方の損失が大きいことからスイッチング素子用冷却体は局部的な温度上昇が生じるため、スイッチング素子の冷却も困難となる。このことは、スイッチング素子温度検出の複雑化、検出誤差の増大等の原因にもなる。
したがって、本発明の課題は、スイッチングアームを構成する直列接続されたスイッチング素子の発生損失を均一化することで、スイッチング素子の能力を有効に活用し、かつ冷却体の小形化、スイッチング素子温度検出の精度向上と簡略化を実現する誘導加熱装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
請求項1の発明では、スイッチング素子とダイオードを逆並列接続したスイッチ回路を直列接続したスイッチングアーム直列回路を有し、加熱コイルと共振用コンデンサとが共振し、高周波電力を発生して被加熱物を誘導加熱するインバータ回路において、
直列接続されたスイッチング素子を駆動するパルスパターンを加熱コイルと共振用コンデンサの共振周期よりも長い一定周期ごとに切り替えるようにした。
請求項2の発明では、請求項1記載の誘導加熱装置において、前記直列接続されたスイッチング素子を駆動するパルスパターンを切り替える一定周期を、発振器を用いて決定するようにした。
請求項3の発明では、請求項1記載の誘導加熱装置において、前記直列接続されたスイッチング素子を駆動するパルスパターンを切り替える一定周期を、入力電源の極性により決定するようにした。
【０００９】
請求項４の発明では、請求項１記載の誘導加熱装置において、前記直列接続されたスイッチング素子を駆動するパルスパターンを切り替える一定周期を、スイッチング周波数を決定する発信器の出力を分周して決定するようにした。
【発明の効果】
【００１０】
この発明によれば、スイッチングアームを構成する直列接続されたスイッチング素子の発生損失を均一化でき、スイッチング素子の能力を有効に活用することができる。また、スイッチング素子用冷却体上の素子損失による熱集中が緩和されることから、これまでよりも冷却体を小形化できる。さらに、スイッチング素子温度検出精度が上昇し、かつ温度検出部を簡略化できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
本発明の要点は、スイッチング素子とダイオードを逆並列接続したスイッチ回路を直列接続したスイッチングアーム直列回路を有し、加熱コイルと共振用コンデンサとが共振し、高周波電力を発生して被加熱物を誘導加熱するインバータ回路において、直列接続されたスイッチング素子を駆動するパルスパターンを加熱コイルと共振用コンデンサの共振周期よりも長い一定周期ごとに切り替え、各スイッチング素子の熱損失を均一化するものである。
【実施例１】
【００１２】
図1は請求項1の発明に基づいた誘導加熱装置のスイッチング素子を駆動するパルスパターンの実施例である。ここで誘導加熱装置の主回路部に適用される回路構成は図7(b)を前提として説明する。図1上部は供給電力が小さい時の、図1下部は供給電力が大きい時のスイッチング素子4、5のパルスパターンvg4、vg5である。スイッチング周期よりも充分に長い期間T/2毎にスイッチング素子4、5の導通比を図のように反転して誘導加熱装置を動作させる。このようにスイッチングパターンをT/2ごとに入れ替えて動作させることで、図7(a)のようにi4とi5が異なる電流波形となる場合でも、期間T  (=T/2+T/2)におけるスイッチング素子4、5の発生損失を均一にできる。
これにより、スイッチング素子4、5の能力を最大限引き出すように設計することが容易になる。また、スイッチング素子が取り付けられる冷却体は局部的な温度上昇が生じないため、冷却効率が高く小形化が可能である。さらに、複数のスイッチング素子の異常温度検出を1つの温度検出器で測定する際にも各スイッチング素子の損失が等しいので検出誤差が小さくなり、温度検出器を簡略化できる。
【実施例２】
【００１３】
図2は請求項2の発明に基づいた実施例である。これは、図7(a)の従来例における制御回路部10の内部にゲート信号反転用発振器10fとゲート信号反転部10gを追加した構成である。請求項2の発明では、ゲート信号を切り替える期間T/2を決定するためにゲート信号反転用発振器10fを用い、導通比決定部10eで決定された導通比をゲート信号反転部10gでスイッチング素子4、5のゲート信号を反転させることで切り替えて、誘導加熱装置を動作させる。ここで、ゲート信号反転用発振器10fはスイッチング周波数における動作には影響を与えないほどに十分に周波数を低く設定する。
この時の誘導加熱装置のスイッチングパターンを図3に示す。ここで図3上部はゲート信号反転用発振器出力であり、図3中部は供給電力が小さい場合の、図3下部は供給電力が大きい場合のスイッチング素子4、5のパルスパターンvg4、vg5である。図3のように、ゲート信号反転用発振器がhighからlow、lowからhighに変更するごとにスイッチング素子4、5の導通比を反転させる。このようにスイッチングパターンをT/2ごとに入れ替えて動作させることで、図8(a)のようにi4とi5が異なる電流波形となる場合でも、期間T  (=T/2+T/2)におけるスイッチング素子4、5の発生損失を均一にでき、その効果は実施例1と同様となる。
【実施例３】
【００１４】
実施例2の方式の場合、直列接続されたスイッチング素子のパルスパターンを切り替える一定周期を決定するために新たにゲート信号反転用発振器を追加する必要があり、制御回路の複雑化やコストアップと言った課題が生じる。したがって、請求項3の発明はこの新たに生じた課題を解決するためのものである。
図4に請求項3の発明に基づく実施例を示す。図4は、図2のゲート信号反転用発振器10fを入力電源極性判別部10hに変更した構成である。一般的な誘導加熱装置の場合、入力電源電圧または直流中間電圧を検出しており、入力電源の極性が切り替わるタイミングを検出することで、新たに発振器等を追加することなくスイッチング素子損失の均一化を実現する。つまり、入力電源電圧を検出している場合には、そのゼロクロス付近を検出することで容易に極性が切り替わるタイミングを検出できる。また、単相入力の直流中間電圧を検出している場合には、直流中間電圧には入力電源周波数の2倍周波数の電圧脈動が生じることから、この電圧脈動のピーク（またはボトム）を検出することで入力電圧極性が変化するタイミングを容易に検出できる。
【００１５】
図5に入力電源電圧を検出している場合における誘導加熱装置のスイッチングパターンを示す。ここで図5上部は入力電源電圧であり、図5中部は供給電力が小さい場合の、図5下部は供給電力が大きい場合のスイッチング素子4、5のパルスパターンvg4、vg5である。図5のように、入力電源の極性が反転するごとにスイッチング素子4、5の導通比を反転させる。このようにスイッチングパターンをT/2ごとに入れ替えて動作させることで、図8(a)のようにi4とi5が異なる電流波形となる場合でも、期間T  (=T/2+T/2)におけるスイッチング素子4、5の発生損失を均一にでき、その効果は実施例1と同様となる。
【実施例４】
【００１６】
図６に請求項４に基づく実施例を示す。図６は、図２に示したゲート信号反転用発振器10fの出力信号と同様の信号をスイッチング周波数発振器10dからの信号を分周器10iで分周して作り出すものである。動作は図３に示したゲート信号反転用発振器出力を分周器10iの出力と同じとした場合と同様である。ゲート信号発振器10fを使う場合に比べてディジタル回路だけでの構成が可能な分周器を用いることにより、制御回路のディジタルＩＣ化が容易になる。
【産業上の利用可能性】
【００１７】
誘導加熱装置について説明したが、スイッチング素子とダイオードを逆並列接続したスイッチ回路を直列接続したスイッチングアーム直列回路を有したインバータ回路を適用したスイッチング電源装置、インバータ照明装置などへも適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】請求項1の発明に基づく実施例
【図２】請求項2の発明に基づく実施例
【図３】請求項2の発明に基づく実施例のパルスパターン
【図４】請求項3の発明に基づく実施例
【図５】請求項3の発明に基づく実施例のパルスパターン
【図６】請求項４の発明に基づく実施例
【図７】従来技術に基づく誘導加熱装置
【図８】従来技術に基づく誘導加熱装置の電力調整時の動作波形例
【図９】従来技術に基づく誘導加熱装置に適用できる主回路構成例
【符号の説明】
【００１９】
１・・・  交流電源        ２・・・整流回路        ３・・・直流平滑用コンデンサ
４、4a、4b、5、5a、5b・・・  スイッチング素子
６、6a、6b、7、7a、7b・・・  ダイオード        ８・・・加熱コイル
９、9a、9b・・・共振コンデンサ        10・・・制御回路部
10a・・・入力設定部        10b・・・入力検出部        10c・・・比較部
10d・・・スイッチング周波数発振器          10e・・・導通比決定部
10f・・・ゲート信号反転用発振器          10g・・・ゲート信号反転部
10h・・・入力電圧極性判別部          10i・・・分周器
11・・・主回路部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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