(57)【要約】【課題】被加熱物の特性に応じて、定格の電力を維持して出力することができる誘導加熱装置を提供することを目的とする。【解決手段】第１、第２のスイッチング素子１２、１３と、加熱コイル１４と共振コンデンサ１５を含む共振回路と、電源１１と、制御回路１７と、被加熱物１６の材質判定回路１９と、温度検知回路１８とを備え、温度検知回路１８の検知信号によってインバータの動作モードを変化させて動作するようにしたものである。これによって、被加熱物１６の材質判定回路１９が動作モードを誤って判別し、その誤った動作モードのままでインバータが動作しても、スイッチング素子の温度情報をインバータの動作モードを切り換える判断基準としてフィードバックすることにより、スイッチング素子の損失を抑制し、かつ被加熱物の特性に応じて定格の電力を維持して出力することができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
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接続体と、前記第１のスイッチング素子に並列に接続された第１の逆導通素子と、前記第２のスイッチング素子に並列に接続された第２の逆導通素子と、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加熱コイルおよび共振コンデンサを含む共振回路とを内包して、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排他的導通により前記共振回路に共振電流を供給するインバータと、前記インバータに電力を供給する電源と、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導通制御する制御回路と、被加熱物の特性を判別する材質判定回路と、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の温度を直接または間接的に検知してその検知信号を前記制御回路に出力する温度検知回路とを備え、前記制御回路は、前記温度検知回路から前記制御回路に出力される検知信号に伴い、前記制御回路から前記第１のスイッチング素子と前記第２のスイッチング素子に出力する制御信号を変化させ、前記第１のスイッチング素子の導通開始後から前記第１のスイッチング素子が非導通状態になるまでにインバータに流れる共振電流の周期をインバータの駆動中においても変化させて、定格の出力電力を維持しつつ、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温度があるしきい値を下回るように制御する誘導加熱装置。
【請求項２】
制御回路は、第１のスイッチング素子または第２のスイッチング素子の温度があるしきい値を上回る場合、前記第１のスイッチング素子の導通開始後から流れる共振電流の周期を１周期増やすように制御する請求項１に記載の誘導加熱装置。
【請求項３】
制御回路は、出力電力が定格値を下回る場合、第１のスイッチング素子の導通開始後から流れる共振電流の周期を１周期減らすように制御する請求項１に記載の誘導加熱装置。
【請求項４】
制御回路は、第１のスイッチング素子の導通開始後、前記第１のスイッチング素子に電流が流れている期間内において前記第１のスイッチング素子の駆動停止タイミングを変更してなる請求項１〜３のいずれか１項に記載の誘導加熱装置。
【請求項５】
インバータに電力を供給する電源は、昇圧平滑手段により昇圧されかつ平滑されてインバータに供給され、供給電圧を変更してなる請求項１〜４のいずれか１項に記載の誘導加熱装置。
【請求項６】
共振コンデンサは、２つ以上の値を切り換えることにより共振回路の共振周波数を変化してなる請求項１〜５のいずれか１項に記載の誘導加熱装置。
【請求項７】
加熱コイルの電流を検知してその検知信号を制御回路に出力する電流検知回路と、共振コンデンサの電圧を検知してその検知信号を前記制御回路に出力する電圧検知回路との少なくとも１つを備え、前記制御回路は、前記電流検知回路または前記電圧検知回路から前記制御回路に出力される検知信号に伴い、前記制御回路から前記第１のスイッチング素子と前記第２のスイッチング素子に出力する制御信号を変化させ、前記加熱コイルの耐電流および前記共振コンデンサの耐電圧を超えないように制御してなる請求項１〜６のいずれか１項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、アルミニウム製の鍋のような高導電率かつ低透磁率の被加熱物と、鉄製の鍋のような低導電率かつ高透磁率の被加熱物とを効率よく誘導加熱できるようにした誘導加熱調理器などとして用いられる誘導加熱装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、この種の誘導加熱装置においては、被加熱物の材質や厚みによってスイッチング素子の制御方法や共振電流の共振周波数が異なるため、被加熱物の材質判定回路を設け、それぞれの被加熱物に最適な状態で加熱するものが知られている（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２００４−３６２７９８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、前記従来の構成では、特に、インバータの制御方法、すなわち動作モードの切り換え点付近の特性を持つ被加熱物において、動作モードを誤って判別することがある。その誤った動作モードで駆動することにより、スイッチング素子の温度が本来の正常動作時の温度以上に上昇し、スイッチング素子の温度があるしきい値を上回るとスイッチング素子の保護回路が働き、被加熱物への加熱量を下げてスイッチング素子の温度が低下するように制御してしまうことがある。また、その反対に、被加熱物の材質判定回路の誤った判別により、スイッチング素子の温度が本来の正常動作時の温度以下になるとともに被加熱物への加熱量が定格まで上昇しないこともある。また、インバータの動作中に被加熱物が移動するなどして被加熱物の特性が変化した場合も、被加熱物の材質判定回路が動作モードを誤って判別した状態と同様の結果が得られてしまう。さらに、誤った動作モードでインバータを動作し続けると、加熱コイルなどスイッチング素子以外の部品も高温になり、各部品の破壊の原因となる可能性もある。さらに、回路部品の発熱が多い状態でインバータを動作すると、回路全体での電力損失が多くなり効率を下げることにもなる。
【０００４】
本発明は、前記従来の課題を解決するもので、被加熱物の材質判定回路が動作モードの誤った判別をしても、スイッチング素子の温度情報をインバータの動作モードを切り換える判断として制御回路にフィードバックすることにより、被加熱物の特性に応じて、定格の電力を維持して出力することができる誘導加熱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】
【０００５】
前記従来の課題を解決するために、本発明の誘導加熱装置は、第１のスイッチング素子と、第２のスイッチング素子と、第１の逆導通素子と、第２の逆導通素子と、加熱コイルと、共振コンデンサと、電源と、制御回路と、材質判定回路と、温度検知回路とを備え、前記制御回路は、前記温度検知回路から前記制御回路に出力される検知信号に伴い、前記制御回路から前記第１のスイッチング素子と前記第２のスイッチング素子に出力する制御信号を変化させ、前記第１のスイッチング素子の導通開始後から前記第１のスイッチング素子が非導通状態になるまでにインバータに流れる共振電流の周期をインバータの駆動中においても変化させて、定格の出力電力を維持しつつ、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温度があるしきい値を下回るように制御するものである。
【０００６】
これによって、スイッチング素子の温度があるしきい値を下回るようにインバータの動作モードを切り換えるため、被加熱物の材質判定回路の誤った動作モードの判別が原因で出力電力が下がることがないように制御することができる。また、被加熱物の特性により定まる定格の出力電力を維持するようにインバータの動作モードを切り換えるため、スイッチング素子の温度が正常動作時の温度以下で、かつ電力が定格まで出力しないことがないようにできる。さらに、スイッチング素子の駆動周波数を効率よく変化することにより、被加熱物の特性が変化しても高出力で加熱することができる。
【発明の効果】
【０００７】
本発明の誘導加熱装置は、定格の出力電力を維持しつつ、スイッチング素子などの回路部品の発熱を最大限に抑えて、被加熱物の特性に応じて高出力で加熱することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
第１の発明は、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接続体と、前記第１のスイッチング素子に並列に接続された第１の逆導通素子と、前記第２のスイッチング素子に並列に接続された第２の逆導通素子と、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加熱コイルおよび共振コンデンサを含む共振回路とを内包して、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排他的導通により前記共振回路に共振電流を供給するインバータと、前記インバータに電力を供給する電源と、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導通制御する制御回路と、被加熱物の特性を判別する材質判定回路と、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の温度を直接または間接的に検知してその検知信号を前記制御回路に出力する温度検知回路とを備え、前記制御回路は、前記温度検知回路から前記制御回路に出力される検知信号に伴い、前記制御回路から前記第１のスイッチング素子と前記第２のスイッチング素子に出力する制御信号を変化させ、前記第１のスイッチング素子の導通開始後から前記第１のスイッチング素子が非導通状態になるまでにインバータに流れる共振電流の周期をインバータの駆動中においても変化させて、定格の出力電力を維持しつつ、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温度があるしきい値を下回るように制御する誘導加熱装置としたものである。これによって、スイッチング素子の温度があるしきい値を下回るようにインバータの動作モードを切り換えるため、被加熱物の材質判定回路の誤った動作モードの判別が原因で出力電力が下がることがないように制御することができる。また、被加熱物の特性により定まる定格の出力電力を維持するようにインバータの動作モードを切り換えるため、スイッチング素子の温度が正常動作時の温度以下で、かつ電力が定格まで出力しないことがないようにできる。さらに、スイッチング素子の駆動周波数を効率よく変化することにより、被加熱物の特性が変化しても高出力で加熱することができる。
【０００９】
第２の発明は、特に、第１の発明において、制御回路は、第１のスイッチング素子または第２のスイッチング素子の温度があるしきい値を上回る場合、前記第１のスイッチング素子の導通開始後から流れる共振電流の周期を１周期増やすように制御することにより、スイッチング素子の温度を低下し、被加熱物の特性に応じた出力で加熱を維持することができる。また、１回のスイッチング動作中に流れる共振電流の周期が多くなることにより、被加熱物に加わる共振電流の周波数に対してスイッチング素子のスイッチング回数が少なくなり、スイッチング損失を少なくすることができる。
【００１０】
第３の発明は、特に、第１の発明において、制御回路は、出力電力が定格値を下回る場合、第１のスイッチング素子の導通開始後から流れる共振電流の周期を１周期減らすように制御することにより、共振電流の周期を１周期減らす前に比べて力率の高い状態で駆動することになるため、出力電力を高くすることができる。
【００１１】
第４の発明は、特に、第１〜第３のいずれか１つの発明において、制御回路は、第１のスイッチング素子の導通開始後、前記第１のスイッチング素子に電流が流れている期間内において前記第１のスイッチング素子の駆動停止タイミングを変更してなることにより、スイッチング素子の導通開始時の共振電流はスイッチング素子に並列に接続された逆導通素子に流れているため、導通開始時のスイッチング素子で発生する損失をなくすことができる。また、スイッチング素子に電流が流れている期間内であれば任意のタイミングでオフすることができるので、出力電力を任意に可変することができる。
【００１２】
第５の発明は、特に、第１〜第４のいずれか１つの発明において、インバータに電力を供給する電源は、昇圧平滑手段により昇圧されかつ平滑されてインバータに供給され、供給電圧を変更してなることにより、スイッチング素子の導通開始後から非導通状態になるまでにインバータに流れる共振電流の周期が変化しても、電源電圧を調節することにより出力電力を調節することができる。
【００１３】
第６の発明は、特に、第１〜第５のいずれか１つの発明において、共振コンデンサは、２つ以上の値を切り換えることにより共振回路の共振周波数を変化してなることにより、スイッチング素子の駆動周波数を大きく変えることなく、スイッチング素子の導通開始後から非導通状態になるまでにインバータに流れる共振電流の周期を変化させることができるので、スイッチング素子のスイッチング損失をあまり変化させることなく、被加熱物の特性に応じた動作モードでインバータを動作することができる。
【００１４】
第７の発明は、特に、第１〜第６のいずれか１つの発明において、加熱コイルの電流を検知してその検知信号を制御回路に出力する電流検知回路と、共振コンデンサの電圧を検知してその検知信号を前記制御回路に出力する電圧検知回路との少なくとも１つを備え、前記制御回路は、前記電流検知回路または前記電圧検知回路から前記制御回路に出力される検知信号に伴い、前記制御回路から前記第１のスイッチング素子と前記第２のスイッチング素子に出力する制御信号を変化させ、前記加熱コイルの耐電流および前記共振コンデンサの耐電圧を超えないように制御してなることにより、インバータの動作モードを変化することで回路部品の破壊が生じるようであれば、出力電力が定格以下でもインバータの動作モードを切り換えないようにして回路部品の破壊を防ぐことができる。またその反対に、スイッチング素子の温度があるしきい値を上回る場合、インバータの動作モードを変化することで回路部品の破壊が生じるようであれば、スイッチング素子の導通開始後から非導通状態になるまでにインバータに流れる共振電流の周期を変化することによって、スイッチング素子の温度が下回る場合でも、インバータの動作モードを切り換えず出力を下げてスイッチング素子の温度が低下するように制御して、回路部品の破壊を防ぐことができる。
【００１５】
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。
【００１６】
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１における誘導加熱装置を示すものである。
【００１７】
図１に示すように、本実施の形態における誘導加熱装置は、第１のスイッチング素子１２と第２のスイッチング素子１３の直列接続体と、第１のスイッチング素子１２に並列に接続された第１の逆導通素子１２ａと、第２のスイッチング素子１３に並列に接続された第２の逆導通素子１３ａと、第１のスイッチング素子１２または第２のスイッチング素子１３に並列に接続された、加熱コイル１４および共振コンデンサ１５を含む共振回路と、前記共振回路を内包して、第１のスイッチング素子１２と第２のスイッチング素子１３の排他的導通により共振回路に共振電流を供給するインバータを備えている。また、インバータに電力を供給する電源１１と、第１のスイッチング素子１２と第２のスイッチング素子１３を導通制御する制御回路１７と、加熱コイル１４により加熱される鍋などの被加熱物１６と、被加熱物１６の特性を判別する材質判定回路１９と、第１のスイッチング素子１２または第２のスイッチング素子１３の温度を直接または間接的に検知してその検知信号を制御回路１７に出力する温度検知回路１８も備えている。そして、制御回路１７は、温度検知回路１８から制御回路１７に出力される検知信号に伴い、制御回路１７から第１のスイッチング素子１２と第２のスイッチング素子１３に出力する制御信号を変化させ、第１のスイッチング素子１２の導通開始後から第１のスイッチング素子１２が非導通状態になるまでにインバータに流れる共振電流の周期をインバータの駆動中においても変化させて、定格の出力電力を維持しつつ、第１のスイッチング素子１２と第２のスイッチング素子１３の温度があるしきい値を下回るように制御するものである。
【００１８】
また、第２のスイッチング素子１３と並列にスナバコンデンサ２０を接続しており、第１のスイッチング素子１２と第２のスイッチング素子１３がオンからオフに遷移する際に生じるスイッチング損失を抑えるようにしている。
【００１９】
次に、上記構成における誘導加熱装置の動作を説明する。
【００２０】
インバータはＳｉｎｇｌｅ  Ｅｎｄｅｄ  Ｐｕｓｈ  Ｐｕｌｌ型であり、定常時には一般に知られているような制御で動作する。
【００２１】
インバータの動作直後、被加熱物１６の材質判定回路１９の判別により、第１のスイッチング素子１２の導通開始後から非導通状態になるまでにインバータに流れる共振電流の周期が２周期である（図２参照）場合、この動作モードにおいて第１のスイッチング素子１２か第２のスイッチング素子１３の温度があるしきい値を上回るようであれば、第１のスイッチング素子１２の導通開始後から非導通状態になるまでにインバータに流れる共振電流の周期を３周期にする（図３参照）ことにより、スイッチング素子の温度を低下させる。またその反対に、第１のスイッチング素子１２と第２のスイッチング素子１３の温度が正常動作時の温度以下で、かつ電力が定格まで出力できない状態であれば、第１のスイッチング素子１２の導通開始後から非導通状態になるまでにインバータに流れる共振電流の周期を３周期から２周期に変化することにより定格の電力を出力する。
【００２２】
上記制御方法において、第１のスイッチング素子１２の１回のスイッチング動作中に流れる共振電流の周期を変化することにより、被加熱物１６への加熱量を調節することができる。そして、第１のスイッチング素子１２または第２のスイッチング素子１３の温度があるしきい値を上回る場合、第１のスイッチング素子１２の導通開始後から流れる共振電流の周期を１周期増やすことにより、スイッチング素子の温度を低下し、被加熱物１６の特性に応じた出力で加熱を維持することができる。また、１回のスイッチング動作中に流れる共振電流の周期が多くなることにより、被加熱物１６に加わる共振電流の周波数に対してスイッチング素子のスイッチング回数が少なくなり、スイッチング損失を少なくすることができる。すなわち、１回のスイッチング動作中に流れる共振電流の周期が多いほど、被加熱物１６に表れる共振電流の周波数に対して第１のスイッチング素子１２と第２のスイッチング素子１３のスイッチング回数が少なくなり、スイッチング損失を少なくすることができる。
【００２３】
さらに、第１のスイッチング素子１２と第２のスイッチング素子１３の温度があるしきい値よりも下回るようにインバータの動作モードを変更するため、被加熱物１６の材質判定回路１９の誤った動作モードの判別が原因で出力電力が下がることがないように制御することができる。
【００２４】
さらに、第１のスイッチング素子１２と第２のスイッチング素子１３の温度が正常動作時の温度以下で、かつ電力が定格まで出力していない状態であれば、定格の出力電力を維持するようにインバータの動作モードを変更し、出力電力を高くすることができる。
【００２５】
さらに、出力電力が定格値を下回る場合、第１のスイッチング素子１２の導通開始後から流れる共振電流の周期を１周期減らすことにより、共振電流の周期を１周期減らす前に比べて力率の高い状態で駆動することになるため、出力電力を高くすることができる。
【００２６】
さらに、制御回路１７は、第１のスイッチング素子１２の導通開始後、第１のスイッチング素子１２に電流が流れている期間内において第１のスイッチング素子１２の駆動停止タイミングを変更することにより、第２のスイッチング素子１３の導通開始時における共振電流は第２のスイッチング素子１３と並列に接続された逆導通素子１３ａに流れているため、導通開始時のスイッチング素子１３で発生するスイッチング損失をなくすことができる。
【００２７】
さらに、第１のスイッチング素子１２に電流が流れている任意の期間内において、第１のスイッチング素子１２をオフすることにより、出力電力を任意に可変することができる。
【００２８】
以上のように、本実施の形態では、被加熱物１６の材質判定回路１９の結果だけでなく、インバータの駆動中における第１のスイッチング素子１２と第２のスイッチング素子１３の温度もインバータの動作モードの変化に反映することにより、被加熱物１６に応じて最大の電力を出力することができる。また、駆動停止タイミングを工夫することにより、出力電力を任意に可変でき、第１のスイッチング素子１２と第２のスイッチング素子１３で発生するスイッチング損失を減らすことができる。
【００２９】
（実施の形態２）
図４は、本発明の実施の形態２における誘導加熱装置を示すものである。実施の形態１と同一要素については同一符号を付してその説明を省略する。
【００３０】
本実施の形態において実施の形態１と異なる点は、インバータの電源１１を昇圧しかつ平滑することができるように昇圧平滑回路２１を設けたこと、制御回路１７から発生する信号により共振コンデンサ１５の容量を２つ以上の値に切り換えることができるようにしたこと、加熱コイル１４の電流を検知してその検知信号を制御回路１７に出力するために電流検知回路２２を設けたことである。なお、図示していないが、共振コンデンサ１５の電圧を検知してその検知信号を制御回路１７に出力する電圧検知回路を、電流検知回路２２に代えて設けるか、あるいは併用するようにしている。
【００３１】
上記誘導加熱装置において、インバータへの供給電圧を変更することにより、第１のスイッチング素子１２の導通開始後から非導通状態になるまでにインバータに流れる共振電流の周期が変化しても、出力電力を任意の値に調節することができる。
【００３２】
また、共振コンデンサ１５は、２つ以上の容量を切り換えることで共振回路の共振周波数を変化することにより、第１のスイッチング素子１２と第２のスイッチング素子１３の駆動周波数を大きく変えることなく、第１のスイッチング素子１２の導通開始後から非導通状態になるまでにインバータに流れる共振電流の周期を変化させることができるので、第１のスイッチング素子１２と第２のスイッチング素子１３のスイッチング損失をあまり変化させることなく、被加熱物１６の特性に応じた動作モードでインバータを動作することができる。
【００３３】
さらに、加熱コイル１４の電流検知回路２２または共振コンデンサ１５の電圧検知回路の少なくとも１つを備え、制御回路１７は、電流検知回路２２または電圧検知回路から制御回路１７に出力される検知信号に伴い、制御回路１７から第１のスイッチング素子１２と第２のスイッチング素子１３に出力する制御信号を変化し、加熱コイル１４の耐電流や共振コンデンサ１５の耐電圧を超えないように制御することにより、インバータの動作モードを変化することで回路部品の破壊が生じるようであれば、出力電力が定格以下でもインバータの動作モードを切り換えないようにして回路部品の破壊を防ぐことができる。またその反対に、第１のスイッチング素子１２か第２のスイッチング素子１３の温度があるしきい値を上回る場合、インバータの動作モードを変化することで回路部品の破壊が生じるようであれば、第１のスイッチング素子１２の導通開始後から非導通状態になるまでにインバータに流れる共振電流の周期を変化することによって第１のスイッチング素子１２か第２のスイッチング素子１３の温度が下回る場合でも、インバータの動作モードを切り換えず出力を下げて第１のスイッチング素子１２と第２のスイッチング素子１３の温度が低下するように制御して回路部品の破壊を防ぐことができる。
【００３４】
以上のように、本実施の形態では、インバータの電源電圧や共振コンデンサ１５の容量を変更することにより、被加熱物１６に応じて最大の電力を出力することができる。また、電流検知回路２２または電圧検知回路を設けることにより、被加熱物１６の最適な動作モードを追求することで回路部品の崩壊を招くことがないようにすることができる。
【００３５】
なお、実施の形態１、２における制御方法は、２つのスイッチング素子の直列接続体を用いたインバータの型であればどのインバータにおいても応用は可能であるので、高出力電力が必要な場合には、フルブリッジ型に適用することもできるものであって、インバータ方式は限定されるものではない。
【産業上の利用可能性】
【００３６】
以上のように、本発明にかかる誘導加熱装置は、定格の出力電力を維持しつつ、スイッチング素子などの回路部品の発熱を最大限に抑えて、被加熱物の特性に応じて高出力で加熱することができるので、被加熱物がいくつかの特性を持つ可能性があり、それによってインバータの動作モードを変更する全てのインバータシステムにおいて利用することができる。そのため、ＩＨクッキングヒーターのように被加熱物が変化する家電民生用品のみならず、業務用品を含め全ての誘導加熱装置に適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】本発明の実施の形態１における誘導加熱装置を示す回路図
【図２】同誘導加熱装置における制御信号波形と電流波形を示す図
【図３】同誘導加熱装置における他の制御信号波形と電流波形を示す図
【図４】本発明の実施の形態２における誘導加熱装置を示す回路図
【符号の説明】
【００３８】
１１  電源
１２  第１のスイッチング素子
１２ａ  第１の逆導通素子
１３  第２のスイッチング素子
１３ａ  第２の逆導通素子
１４  加熱コイル
１５  共振コンデンサ
１６  被加熱物
１７  制御回路
１８  温度検知回路
１９  材質判定回路
２１  昇圧平滑回路
２２  電流検知回路
【図１】
2007294344.tif 000003
【図２】
2007294344.tif 000004
【図３】
2007294344.tif 000005
【図４】
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