(57)【要約】      （修正有）【課題】３直列の半導体スイッチで２つの負荷回路を駆動させる回路において、半導体スイッチを動作させるドライブ電源を提供する。【解決手段】電源に接続された第１の半導体スイッチ４と第２の半導体スイッチ３と第３の半導体スイッチ２の直列体と、第１の半導体スイッチに並列接続される第１の負荷回路６と、第３の半導体スイッチに並列接続される第２の負荷回路５と、第１〜第３の半導体スイッチを動作させる第１〜第３のドライブ回路７〜９と、第１のドライブ回路９の電源となる第１のドライブ電源１６を備え、第２のドライブ電源１３は第１の半導体スイッチの導通動作時に第１のドライブ電源からの充電動作を行い、第３のドライブ電源１０は第２の半導体スイッチの導通動作時に第２のドライブ電源からの充電動作を行う。【選択図】図３
2019021491.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電源に接続された第１の半導体スイッチと第２の半導体スイッチと第３の半導体スイッチの直列体と、
前記第１の半導体スイッチに並列接続される加熱コイルを含む第１の負荷回路と、
前記第３の半導体スイッチに並列接続される加熱コイルを含む第２の負荷回路と、
前記第１〜第３の半導体スイッチを動作させる第１〜第３のドライブ回路と、
前記第１のドライブ回路の電源となる第１のドライブ電源と、
前記第１の半導体スイッチの導通動作時に前記第１のドライブ電源からの充電動作を行う第２のドライブ電源と、
前記第２の半導体スイッチの導通動作時に前記第２のドライブ電源からの充電動作を行う第３のドライブ電源と、
を備えた誘導加熱装置。
【請求項２】
第２のドライブ電源は、第１のダイオードと第１のコンデンサを備え、
前記第１のダイオードはアノードを第１のドライブ電源の正極に、カソードを前記第１のコンデンサの一端に接続し、
前記第１のコンデンサの他端は第２の半導体スイッチのエミッタ端子と接続する構成とし、
第３のドライブ電源は、第２のダイオードと第２のコンデンサを備え、
前記第２のダイオードはアノードを第２のドライブ電源の正極に、カソードを前記第１のコンデンサの一端に接続し、
前記第１のコンデンサの他端は第３の半導体スイッチのエミッタ端子と接続する構成とした請求項１記載の誘導加熱装置。
【請求項３】
第１のコンデンサの容量を第２のコンデンサの容量より大きく設定した請求項１または２に記載の誘導加熱装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高周波磁界による誘導加熱を利用して被加熱物の加熱を行う誘導加熱装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来の特許文献１に記載の誘導加熱装置について図面を用いて説明する。図５は、特許文献１に記載された従来の誘導加熱装置を示す回路図である。図５に示す従来の誘導加熱装置は、複数の負荷に対して独立あるいは同時に負荷毎に所定の加熱電力を供給できることに特徴がある誘導加熱装置である。
【０００３】
図５に示す誘導加熱装置は、電源１と、電源１に並列接続される第１の半導体スイッチ４、第２の半導体スイッチ３及び第３の半導体スイッチ２の直列体と、第１の半導体スイッチ４に並列に接続され負荷を誘導加熱する加熱コイルを備えた第１の負荷回路６と、第３の半導体スイッチ２に並列接続され負荷を誘導加熱する加熱コイルを備えた第２の負荷回路５と、第１〜第３の半導体スイッチ２〜４をドライブするためにそれぞれの半導体スイッチに接続される第１〜第３のドライブ回路７〜９と、第１〜第３のドライブ回路７〜９の電源となる第１〜第３のドライブ電源１０，１３，１６と、各負荷への加熱電力量を第１〜第３の半導体スイッチ２〜４の動作を用いて制御するマイクロコンピュータなどで構成される制御手段１７より構成される。第１〜第３の半導体スイッチ２〜４は、ＩＧＢＴやＭＯＳＦＥＴ等のパワー半導体と各パワー半導体に逆方向に並列接続したダイオードで構成する場合が多く、第１〜第３の半導体スイッチ２〜４のコレクタ−エミッタ間にはオンからオフ状態に移行する際の急激な電圧上昇を抑制するスナバコンデンサが並列に接続される場合が多い。
【０００４】
制御手段１７は、電源１からの入力電流をカレントトランスなどで構成される入力電流検出手段等で検出し、入力電流が予め設定された電流値になるように第１〜第３の半導体スイッチ２〜４の導通時間を第１〜第３のドライブ回路７〜９を介して制御することで第１及び第２の負荷回路５，６に必要な高周波電流を供給し、負荷回路内の加熱コイルを通して高周波磁界が発生し、加熱コイルと磁気的に結合する鍋などの負荷に高周波磁界が印加される。この印加された高周波磁界により、鍋などの負荷に渦電流が発生し、この渦電流と鍋自身が持つ表皮抵抗により鍋自身が発熱する。
【０００５】
一方、第１〜第３の半導体スイッチ２〜４に接続される第１〜第３のドライブ回路７〜９は、制御手段１７からの信号に従いエミッターゲート（あるいはベース）間に所定の電圧を与えることで半導体スイッチの導通・非導通動作を行わせる。そのため、複数の半導体スイッチがあり、各半導体スイッチのエミッタ端子が共通ではない場合には、各半導体スイッチ毎に独立したドライブ電源が必要となる。
【０００６】
この際、電源部を簡素化するため、第２のドライブ電源１３は、第１のダイオード１４と第１のコンデンサ１５でブーストストラップ電源を構成し第１のドライブ電源１６に接続し、第１の半導体スイッチ４の導通時に第１のダイオード１４を介して第１のコンデンサ１５に第１のドライブ電源１６と同等の電位差を確保している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】国際公開第２０１４／０６４９３２号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかし、このような従来の誘導加熱装置においては、第３のドライブ電源１０に独立した別電源が必要となり、絶縁トランスなどの追加部品が必要となるため回路の大型化やコスト上昇を生じる課題を有することになる。
【０００９】
また、第１のドライブ電源１６にダイオードとコンデンサを接続したブーストストラップ電源で第２のドライブ電源１３を構成する方式においては、第２の半導体スイッチ３及び第１の半導体スイッチ４が導通時にのみ第１のドライブ電源１６への充電を行うことができるため、半導体スイッチの動作条件が限られ、動作が制限される課題を有することになる。
【００１０】
本発明は、前記従来の課題を解決するもので、部品点数が少なく回路実装面積が小さい安価な誘導加熱装置を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記課題を解決するために本発明の誘導加熱装置は、
電源に接続された第１の半導体スイッチと第２の半導体スイッチと第３の半導体スイッチの直列体と、
前記第１の半導体スイッチに並列接続される加熱コイルを含む第１の負荷回路と、
前記第３の半導体スイッチに並列接続される加熱コイルを含む第２の負荷回路と、
前記第１〜第３の半導体スイッチを動作させる第１〜第３のドライブ回路と、
前記第１のドライブ回路の電源となる第１のドライブ電源と、
前記第１の半導体スイッチの導通動作時に前記第１のドライブ電源からの充電動作を行う第２のドライブ電源と、
前記第２の半導体スイッチの導通動作時に前記第２のドライブ電源からの充電動作を行う第３のドライブ電源と、
を備えたものである。
【００１２】
これにより、簡易なドライブ電源構成で、３個の半導体スイッチの動作が制限されることなる動作させることができるため、部品点数が少なく回路実装面積が小さく、かつ安価な誘導加熱装置を実現できるものである。
【発明の効果】
【００１３】
本発明は、直列接続された３個の半導体スイッチに負荷を複数接続し、３個の半導体スイッチを制御して負荷毎に高周波電力を供給する回路において、ダイオードとコンデンサで構成されるドライブ電源を多段で構成し、３直列の半導体スイッチの動作状態を利用して各半導体スイッチのドライブ電源を生成することで、部品点数が少なく回路実装面積が小さい安価な誘導加熱装置を実現できるものである。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の第１の実施の形態における回路構成を示す回路図
【図２】本発明の第１の実施の形態における回路動作を示す動作説明図
【図３】本発明の第１の実施の形態における回路動作を示す動作説明図
【図４】本発明の第１の実施の形態における回路動作を示す動作説明図
【図５】従来の誘導加熱装置における回路構成を示す回路図
【発明を実施するための形態】
【００１５】
第１の発明は、
電源に接続された第１の半導体スイッチと第２の半導体スイッチと第３の半導体スイッチ
の直列体と、
前記第１の半導体スイッチに並列接続される加熱コイルを含む第１の負荷回路と、
前記第３の半導体スイッチに並列接続される加熱コイルを含む第２の負荷回路と、
前記第１〜第３の半導体スイッチを動作させる第１〜第３のドライブ回路と、
前記第１のドライブ回路の電源となる第１のドライブ電源と、
前記第１の半導体スイッチの導通動作時に前記第１のドライブ電源からの充電動作を行う第２のドライブ電源と、
前記第２の半導体スイッチの導通動作時に前記第２のドライブ電源からの充電動作を行う第３のドライブ電源と、
を備えた誘導加熱装置である。
【００１６】
これにより、簡易なドライブ電源構成で、３個の半導体スイッチの動作が制限されることなる動作させることができるため、部品点数が少なく回路実装面積が小さく、かつ安価な誘導加熱装置を実現できるものである。
【００１７】
第２の発明は、特に、第１の発明において、
第２のドライブ電源は、第１のダイオードと第１のコンデンサを備え、
前記第１のダイオードはアノードを第１のドライブ電源の正極に、カソードを前記第１のコンデンサの一端に接続し、
前記第１のコンデンサの他端は第２の半導体スイッチのエミッタ端子と接続する構成とし、
第３のドライブ電源は、第２のダイオードと第２のコンデンサを備え、
前記第２のダイオードはアノードを第２のドライブ電源の正極に、カソードを前記第１のコンデンサの一端に接続し、
前記第１のコンデンサの他端は第３の半導体スイッチのエミッタ端子と接続する構成とした誘導加熱装置である。
【００１８】
これにより、簡易なドライブ電源構成で、３個の半導体スイッチの動作が制限されることなる動作させることができるため、部品点数が少なく回路実装面積が小さく、かつ安価な誘導加熱装置を実現できるものである。
【００１９】
第３の発明は、特に、第１または第２の発明において、
第１のコンデンサの容量を第２のコンデンサの容量より大きく設定したことにより、第２の半導体スイッチの非導通の区間が多くあっても、第３の半導体スイッチの動作に用いる第３のドライブ電源を安定に生成することができるため、部品点数が少なく回路実装面積が小さく、かつ安価な誘導加熱装置を実現できるものである。
【００２０】
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。なお、この実施の形態によって本発明が限定されるものではない。
【００２１】
（実施の形態１）
図１は本実施の形態の誘導加熱装置の回路構成を示す図である。誘導加熱装置は、電源１と、電源１に並列接続される第１の半導体スイッチ４、第２の半導体スイッチ３及び第３の半導体スイッチ２の直列体と、第１の半導体スイッチ４に並列に接続され負荷を誘導加熱する加熱コイルを備えた第１の負荷回路６と、第３の半導体スイッチ２に並列接続され負荷を誘導加熱する加熱コイルを備えた第２の負荷回路５と、第１〜第３の半導体スイッチ２〜４をドライブするためにそれぞれの半導体スイッチに接続される第１〜第３のドライブ回路７〜９と、第１〜第３のドライブ回路７〜９の電源となる第１〜第３のドライブ電源１０，１３，１６と、各負荷への加熱電力量を第１から第３の半導体スイッチ２〜４の動作を用いて制御するマイクロコンピュータなどで構成される制御手段１７より構成
される。第１〜第３の半導体スイッチ２〜４は、ＩＧＢＴやＭＯＳＦＥＴ等のパワー半導体と各パワー半導体に逆方向に並列接続したダイオードで構成する場合が多く、第１〜第３の半導体スイッチ２〜４のコレクタ−エミッタ間にはオンからオフ状態に移行する際の急激な電圧上昇を抑制するスナバコンデンサが並列に接続される場合が多い。
【００２２】
制御手段１７は、電源１からの入力電流をカレントトランスなどで構成される入力電流検出手段等で検出し、入力電流が予め設定された電流値になるように第１〜第３の半導体スイッチ２〜４の導通時間を第１〜第３のドライブ回路７〜９を介して制御することで第１及び第２の負荷回路５，６に必要な高周波電流を供給し、負荷回路内の加熱コイルを通して高周波磁界が発生し、加熱コイルと磁気的に結合する鍋などの負荷に高周波磁界が印加される。この印加された高周波磁界により、鍋などの負荷に渦電流が発生し、この渦電流と鍋自身が持つ表皮抵抗により鍋自身が発熱する。
【００２３】
一方、各第１〜第３の半導体スイッチ２〜４に接続される第１〜第３のドライブ回路７〜９は、制御手段１７からの信号に従いエミッターゲート（あるいはベース）間に所定の電圧を与えることで半導体スイッチの導通・非導通動作を行わせる。そのため、エミッタ端子が共通ではない場合には、各半導体スイッチ毎に独立したドライブ電源が必要となる。
【００２４】
この際、電源部を簡素化するため、第２のドライブ電源１３は、第１のダイオード１４のアノードを第１のドライブ電源１６の正極に、カソードを第１のコンデンサ１５に接続し、第１のコンデンサ１５の他端を第２の半導体スイッチ３のエミッタ端子に接続する構成とし、第１の半導体スイッチ４の導通時に第１のダイオード１４を介して第１のコンデンサ１５に第１のドライブ電源１６と同等の電位差を確保している。更に、第３のドライブ電源１０は、第２のダイオード１１のアノードを第２のドライブ電源１３内の第１のコンデンサ１５の正電位側に、カソードを第２のコンデンサ１２に接続し、第２のコンデンサ１２の他端を第３の半導体スイッチ２のエミッタ端子に接続する構成とし、第３の半導体スイッチ２の導通時に第２のダイオード１１を介して第２のコンデンサ１２に第２のドライブ電源１３と同等の電位差を確保している。
【００２５】
以上のように構成された誘導加熱装置について、以下その動作、作用を説明する。図２は、本実施の形態において第２の負荷回路５にのみ高周波電力を供給する第１のモードに関する動作を示す動作説明図である。制御手段１７は、第１の半導体スイッチ４を常時導通状態にする条件下で、第３の半導体スイッチ２と第２の半導体スイッチ３を交互に高周波でスイッチング動作をさせることで、第２の負荷回路５のみへ高周波電力を供給している。
【００２６】
まず、制御手段１７は、第２の半導体スイッチ３を導通状態にし、電源１→加熱コイルを含む第２の負荷回路５→第２の半導体スイッチ３→第１の半導体スイッチ４の経路で負荷に電力を供給する。この際、第２のドライブ電源１３は、第１のドライブ電源１６→第１のダイオード１４→第１のコンデンサ１５→第１の半導体スイッチ４の順路で第１のコンデンサ１５に第１のドライブ電源１６の電位と同等の電位を持った電荷を蓄えることで、第２のドライブ回路８の電源を形成している。更に、第３のドライブ電源１０は第１のドライブ電源１６→第１のダイオード１４→第２のダイオード１１→第２のコンデンサ１２→第２の半導体スイッチ３→第１の半導体スイッチ４の順路で第２のコンデンサ１２に第１のドライブ電源１６の電位と同等の電位を持った電荷を蓄えることで、第３のドライブ回路７の電源を形成している。
【００２７】
所定の導通時間経過後、制御手段１７は、第２の半導体スイッチ３を非導通状態とし、第３の半導体スイッチ２を導通状態とすることで、加熱コイルを含む第２の負荷回路５→
第３の半導体スイッチ２の経路で負荷に電力を供給する。
【００２８】
この後、所定の導通時間経過後、制御手段１７は、第３の半導体スイッチ２を非導通状態とし、第２の半導体スイッチ３を導通状態としている。制御手段１７は、この動作を２０ｋＨｚ〜６０ｋＨｚ程度の高周波で第２の半導体スイッチ３と第３の半導体スイッチ２に行わせることで高周波電流を加熱コイルを含む第２の負荷回路５に供給し、この加熱コイルから発生した高周波磁界で鍋などの負荷の表面に渦電流が発生させることで誘導加熱をおこなっている。なお、第２の負荷回路５は、負荷と結合した加熱コイルと加熱コイルと共振回路を構成するコンデンサの直列回路などで形成されている。
【００２９】
図３は、本実施の形態において第１の負荷回路６にのみ高周波電力を供給する第２のモードに関する動作を示す動作説明図である。制御手段１７は、第３の半導体スイッチ２を常時導通状態にする条件下で、第２の半導体スイッチ３と第１の半導体スイッチ４を交互に高周波でスイッチング動作をさせることで、第１の負荷回路６のみへ高周波電力を供給している。
【００３０】
まず、制御手段１７は、第２の半導体スイッチ３を導通状態にし、電源１→第３の半導体スイッチ２→第２の半導体スイッチ３→加熱コイルを含む第１の負荷回路６の経路で負荷に電力を供給する。この際、第３のドライブ電源１０は、第１のコンデンサ１５→第２のダイオード１１→第２のコンデンサ１２→第３の半導体スイッチ２の順路で第２のコンデンサ１２に第２のドライブ電源１３の電位と同等の電位を持った電荷を蓄えることで、第３のドライブ回路７の電源を形成している。
【００３１】
ここで、図４に示すように第１のコンデンサ１５の容量を少なくとも第２のコンデンサ１２の容量より大きく、望ましくは２倍以上の容量とすることにより、第２のドライブ電源１３は、第２のコンデンサ１２への電力の供給を行っても、第２のドライブ電源１３の電源容量を充分に保つことが可能となる。なお、図４では、第１のコンデンサ１５を２個配置している。
【００３２】
所定の導通時間経過後、制御手段１７は、第２の半導体スイッチ３を非導通状態とし、第１の半導体スイッチ４を導通状態とすることで、加熱コイルを含む第１の負荷回路６→第１の半導体スイッチ４の経路で負荷に電力を供給する。この際、第２のドライブ電源１３は、第１のドライブ電源１６→第１のダイオード１４→第１のコンデンサ１５→第１の半導体スイッチ４の順路で第１のコンデンサ１５に第１のドライブ電源１６の電位と同等の電位を持った電荷を蓄えることで、第２のドライブ回路８の電源を形成している。
【００３３】
この後、所定の導通時間経過後、制御手段１７は、第１の半導体スイッチ４を非導通状態とし、第２の半導体スイッチ３を導通状態としている。制御手段１７は、この動作を２０ｋＨｚ〜６０ｋＨｚ程度の高周波で第２の半導体スイッチ３と第１の半導体スイッチ４に行わせることで高周波電流を加熱コイルを含む第１の負荷回路６に供給し、この加熱コイルから発生した高周波磁界で鍋などの負荷の表面に渦電流が発生させることで誘導加熱をおこなっている。なお、第１の負荷回路６は、負荷と結合した加熱コイルと加熱コイルと共振回路を構成するコンデンサの直列回路などで形成されている。
【００３４】
以上のように本実施の形態では、直列接続された３個の半導体スイッチに負荷を複数接続し、３個の半導体スイッチを制御して負荷毎に高周波電力を供給する回路において、ダイオードとコンデンサで構成されるドライブ電源を多段で構成し、３直列の半導体スイッチの動作状態を利用して各半導体スイッチのドライブ電源を生成することで、部品点数が少なく回路実装面積が小さい安価な誘導加熱装置を実現できるものである。
【産業上の利用可能性】
【００３５】
以上のように、本発明にかかる誘導加熱装置は、部品点数が少なく回路実装面積が小さい安価な誘導加熱装置を実現できるため、民生用および業務用における各種の誘導加熱装置の用途において有効である。
【符号の説明】
【００３６】
１  電源
２  第３の半導体スイッチ
３  第２の半導体スイッチ
４  第１の半導体スイッチ
５  第２の負荷回路
６  第１の負荷回路
７  第３のドライブ回路
８  第２のドライブ回路
９  第１のドライブ回路
１０  第３のドライブ電源
１１  第２のダイオード
１２  第２のコンデンサ
１３  第２のドライブ電源
１４  第１のダイオード
１５  第１のコンデンサ
１６  第１のドライブ電源
１７  制御手段
【図１】
2019021491.tif 000003
【図２】
2019021491.tif 000004
【図３】
2019021491.tif 000005
【図４】
2019021491.tif 000006
【図５】
2019021491.tif 000007