(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
商用電源等より得られる電源部と、少なくとも１個の半導体素子を有し前記電源部からの単方向電源を高周波出力に変換するインバータ部と、前記インバータ部の電力を昇圧する昇圧トランスと、前記昇圧トランスの出力を逓倍倍昇圧整流する高圧整流部と、高圧整流部の高圧直流電圧を電磁波エネルギーに変換するマグネトロンと、前記半導体素子の温度を検出する温度検出手段と、前記インバータ部への入力電流を検出する入力電流検出手段と、前記温度検出手段の出力もしくは入力電流検出手段の出力のいずれかを選択する負帰還選択手段と、前記負帰還選択手段によって選択した信号で負帰還制御する負帰還制御手段と、前記負帰還制御手段の出力を受け半導体素子をＯＮ／ＯＦＦ制御する駆動手段と、前記温度検出手段で負帰還制御しているときの入力電流の飽和状態にある入力電流の幅の中から所定の飽和電流Ｉｓａｔを決定するとともに前記負帰還選択手段を前記温度検出手段のフィードバックから前記入力電流検出手段からのフィードバックに切り替え入力電流をＩｓａｔに制限するよう前記帰還制御手段を制御する入力電流制限手段とを備え、前記負帰還選択手段は所定のしきい値Ｔｍａｘを持ち前記温度検出手段の出力がＴｍａｘに達すると前記温度検出手段からのフィードバックを選択する構成とするとともに、前記飽和電流Ｉｓａｔは前記しきい値に達したときの入力電流レベルに達しないように決定される高周波加熱装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は高周波加熱装置の半導体素子の異常温度上昇による破壊を防止するとともに、破壊が生じない範囲でできるだけ大きな高周波出力を得るための制御に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、電子レンジの加熱の高速化、省エネという観点から高周波出力をアップさせることが大きなトレンドとなっている。それにともなって設計で要求されることは、より低コスト、低スペックの部品を活用し高出力化に耐えうる電源を作っていくかである。近年電子レンジ用電源も従来の鉄型のトランスからより軽量、コンパクトでかつ出力のリニアなコントロールが可能なインバータ電源が増加している。リニアにコントロールできることからきめ細かな加熱が可能になり、より火加減が微妙な調理においても良好な出来映えを得られるようになった。また入力電流を一定に制御できることから屋内配線の許容電流ぎりぎりまで電力を投入することができ高出力化には格好の特長をもっている。
【０００３】
図５に従来のインバータ電源を説明する。商用電源１から供給された電力は交流電圧を単方向電源に変換する整流回路２と電流の過大入力を抑制し電圧を平滑する整流フィルター３からなる電源部４で直流電源を得て、インバータ５で半導体素子９による高速スイッチングにより高周波電力に変換している。動作周波数を高周波化することによって高圧トランス６の小型化が図れるというメリットがある。高圧トランス６の出力は高圧整流部７で逓倍昇圧され高圧直流電圧に変換される。マグネトロン８に高圧直流電圧が印加されるとマグネトロンは駆動し高周波エネルギーを発生する。
【０００４】
また、カレントトランス１５で電流を検出し、入力電流検出手段１４でこれを制御可能な信号として検出している。その信号は負帰還制御手段１３に入力され高周波出力の設定基準となる電圧Ｖｒｅｆと比較されその値がほぼ一定値となるように駆動手段１２を制御し半導体素子９のＯＮ／ＯＦＦをコントロールすることによって入力電流を一定にしている。半導体素子９は一般的にアルミ押し出しで成型された放熱フィンの上にビス締めされている。
【０００５】
サーミスタ１０は一般的に図６のような構成のものを使用する。サーミスタ素子１７はシリコンゴムのコーティング材１８で覆われ保護される。さらにその表面はエポキシのコーティング樹脂１９で多い塵埃の進入防止、外部応力による素子の破壊を防止している。さらに端子部に接着するためにエポキシの充填材２０を充填して固定している。サーミスの特性としては温度上昇にともない抵抗値が下がるものである。またその信号はリード線２２によって外部に引き出され端子線２３はプリント基板に挿入され半田付けされる。またリード線２２が周辺構造物と接触して高温になったり、磨れたりしてもリード線２２が絶縁破壊しないように機械的強度、耐熱性に優れたチューブ２１を通し結束バンド２４で固定している。この端子１６を半導体素子９と共締めしてその表面温度を検出したり、間接的ではあるが放熱フィンに孔をあけそこにビス締めしたりして放熱フィンの表面温度を検出するなどして半導体素子９の温度を検出している。
【０００６】
サーミスタ１０の抵抗値の変化は温度保護手段１１によって制御可能な電圧値に変換され、半導体素子９が温度的にある過酷状態になり異常温度上昇した時、当然温度保護手段１１の電圧値も変化する。その電圧値が所定のレベルまで達すると半導体素子９の破壊を未然に防ぐため停止あるいは高周波出力レベルを大きく低下させる信号を駆動手段１２に送って熱破壊防止を図っていた。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前記従来の制御構成では、電子レンジ（高周波加熱装置）の設置の仕方が悪く冷却の吸気口を塞ぐような構成になっていたとき、あるいは使用環境温度が異常に高く半導体素子９の温度が異常に高くなった時、頻繁に機器が停止し、半導体素子９の温度がサーミスタ検知しないレベルまで下がるまでユーザーが機器を使用できなくなるという問題点があった。
【０００８】
また出力を低下させるにあたっても、そのモードに陥っているとき高周波出力が大きく低下しているため通常使用している時よりかなり食品の加熱に時間がかかりユーザーに対して機器に対する不信感を与えるという問題があった。
【０００９】
本発明は前記従来の課題を解決するもので、温度検出手段がＴｍａｘに達すると温度検出手段をフィードバック系とした負帰還制御となり、その状態で制御が飽和状態に達すると入力電流はＩｓａｔ（Ｉｓａｔは前記Ｔｍａｘに達したときの入力電流レベルに達しないレベル）になる。入力電流制限手段はそれを検知し負帰還選択手段に入力電流検出手段でのフィードバック系に変更するように指令するとともに、負帰還制御手段に入力電流がＩｓａｔで動作するように制御指令する。そのため温度検出手段の温度上限での動作ぎりぎりまで入力電流を上げて動作させることができるため温度過昇を検知しても、動作を停止させたり、高周波出力レベルを大きく低下させたりする必要はなく、過昇温度レベルぎりぎりの状態で使用を可能になり、一般使用状態とあまり変わらない高周波出力で加熱できユーザーに一般使用状態と変りがないように動作しているように認識させクレームを限りなく回避することができるというものである。また入力電流検出手段で負帰還制御しているため熱応答性の悪いサーミスタによる温度検出手段を用いたとき生じるような入力電流のハンチング現象は極力生じないような構成になっている。
【００１０】
【発明の実施の形態】
請求項１に記載の発明は、商用電源等より得られる電源部と、少なくとも１個の半導体素子を有し前記電源部からの単方向電源を高周波出力に変換するインバータ部と、前記インバータ部の電力を昇圧する昇圧トランスと、前記昇圧トランスの出力を逓倍倍昇圧整流する高圧整流部と、高圧整流部の高圧直流電圧を電磁波エネルギーに変換するマグネトロンと、前記半導体素子の温度を検出する温度検出手段と、前記インバータ部への入力電流を検出する入力電流検出手段と、前記温度検出手段の出力もしくは入力電流検出手段の出力のいずれかを選択する負帰還選択手段と、前記負帰還選択手段によって選択した信号で負帰還制御する負帰還制御手段と、前記負帰還制御手段の出力を受け半導体素子をＯＮ／ＯＦＦ制御する駆動手段と、前記温度検出手段で負帰還制御しているときの入力電流の飽和状態にある入力電流の幅の中から所定の飽和電流Ｉｓａｔを決定するとともに前記負帰還選択手段を前記温度検出手段のフィードバックから前記入力電流検出手段からのフィードバックに切り替え入力電流をＩｓａｔに制限するよう前記帰還制御手段を制御する入力電流制限手段とを備え、前記負帰還選択手段は所定のしきい値Ｔｍａｘを持ち前記温度検出手段の出力がＴｍａｘに達すると前記温度検出手段からのフィードバックを選択する構成とするとともに、前記飽和電流Ｉｓａｔは前記しきい値に達したときの入力電流レベルに達しないように決定される構成としてある。
【００１１】
これにより、温度検出手段はＴｍａｘに達すると温度検出手段をフィードバック系とした負帰還制御となり、その状態で制御が飽和状態に達して入力電流はＩｓａｔになる。入力電流制限手段はそれを検知し負帰還選択手段に入力電流検出手段でのフィードバック系に変更するように指令するとともに、負帰還制御手段に入力電流がＩｓａｔで動作するように制御指令する。そのため温度検出手段の温度上限での動作ぎりぎりまで入力電流を上げて動作させることができるため温度過昇を検知しても、動作を停止させたり、高周波出力レベルを大きく低下させたりする必要はなく、過昇温度レベルに限りなく近いレベルの高出力で動作できることになり、ユーザーに過昇温度保護が動作していることを感じさせない構成になっている。
【００１２】
【実施例】
以下本発明の実施例について、図面を参照しながら説明する。図２は本発明の高周波加熱装置の回路図である。図１は本発明の高周波加熱装置における電力制御手段の回路図である。図２に関しての動作は電力制御手段を除いて従来例と同一であるので説明に関しては図１の電力制御手段の動作に限定して説明する。
【００１３】
半導体素子９の温度はサーミスタ１０によって監視される。サーミスタ１０の構造、特性及び取り付けに関してはすでに説明したので割愛する。サーミスタ１０の温度依存性を持った抵抗値は温度検出手段２５によって電力制御手段２９が制御可能なＤＣ電圧値に変換される。従って半導体素子９の温度変化に追従してこのＤＣ電圧値は変化することになる。一方、電源に入力される電流はカレントトランス１５によって交流電圧として検出され入力電流検出手段１４によって全波整流、平滑され電力制御手段２９が制御可能なＤＣ電圧に変換される。
【００１４】
負帰還選択手段２８はＴｍａｘという温度検出手段２５の温度上昇に対する限度値となる電圧を定数として持っている。そこで負帰還選択手段２８は温度検出手段２５の出力がＴｍａｘ以下の場合は入力電流検出手段１４の出力を選択して、後段の負帰還制御手段１３に送る。従って、通常使用状態、すなわち機器の吸気口が塞がれたり、吸気口が埃で目詰まりして吸気量が著しく低下したり、異常な高温環境で使用されるなどの不測の事態で半導体素子９の温度が過剰に上昇しないかぎりほとんどが入力検出手段１４からのフィードバック系で動作し後述するが負帰還制御手段１３によって入力電流による負帰還制御が働き入力電流を一定に制御する。
【００１５】
次に負帰還制御手段１３は負帰還選択手段２８からの出力を受け入力検出手段１４からの信号が機器全体を制御する機器制御回路からの出力設定基準信号と入力値が一致するように負帰還制御をかけて所望の高周波出力になるように駆動手段１２に信号を送る。駆動手段１２はその信号に従って半導体素子９にＯＮ／ＯＦＦ信号を送りスイッチング動作させる。そこで、半導体素子９の温度が上昇し温度検出手段２５の出力がＴｍａｘを超えた場合は当然、負帰還選択手段２８の働きによって温度検出手段２５からの信号が負帰還制御手段１３に入力される。その時は出力設定基準信号ではなくＴｍａｘに相応する温度上限基準信号に基づいて負帰還制御を行い温度検出手段２５の出力が温度上限基準信号と一致するように制御がかかる。従ってサーミスタ１０は温度検出手段２５の出力がＴｍａｘ近傍で動作するように働き半導体素子９の温度もその近傍でほぼ一定に制限される。
【００１６】
しかし、サーミスタ１０と半導体素子９の発熱部であるＰＮジャンクションとサーミスタ１０のサーミスタ素子１７の間には大きな熱抵抗が存在するため、入力電流を一定に保つときのようなフラットな特性ではなく熱応答の遅れによりある程度オーバーシュートやハンチングによる波打ちが発生するがやがて安定した状態に推移していく。そこで入力電流制限手段２７は入力電流がある範囲で安定したことを検知し、入力電流の振れ幅の中から所定の飽和電流Ｉｓａｔ（Ｔｍａｘに達しないレベル）を決定し負帰還制御手段１３にＩｓａｔ情報を送出する。それと同時に負帰還選択手段２８に入力電流検出手段１４の信号を負帰還制御手段１３に送るような変更指令を出す。その状態で負帰還制御手段１３は入力電流がＩｓａｔに維持されるようなＩｓａｔ基準信号に変更し入力電流検出手段１４との出力の間で負帰還制御を行う。
【００１７】
こうすることによって今度はＩｓａｔ基準信号に基づいた入力電流の負帰還制御がかかるため入力電流は半導体素子９のＴｍａｘに近い状態で動作しユーザーにとってはあまりサーミスタの制御がかかり高周波出力が低下していることを感じさせることは回避でき、かつ半導体素子９の動作保証範囲内で最大限の入力電流を流すことができる。
【００１８】
次に図３（ａ）の入力電流のタイミングチャートと（ｂ）のサーミスタ温度のタイミングチャートを用いて動作の時系列的な推移を説明する。最初の動作開始時は半導体素子９もサーミスタ１０も温度が低いため負帰還選択手段２８は入力電流検出手段１４を選択し機器制御回路からの出力設定基準信号と入力電流の間で負帰還制御が行われ入力電流は機器が設定する所望の一定値で動作する。その間（ｂ）図に示すようにサーミスタ温度は半導体素子９の温度上昇につれて上昇していく。
【００１９】
そして温度検出手段２５がＴｍａｘに達すると温度検出手段２５をフィードバック系とした負帰還制御にすべく負帰還選択手段２８はフィードバックルートを変更する。以降温度検出手段２５による帰還となる。（ｂ）図に示すようにサーミスタ温度はＴｍａｘに相応する温度上限基準信号に基づいて負帰還制御されＴｍａｘをほぼ中心に、ある程度ハンチングをもって変動推移する。それに対して入力電流は（ａ）図に示すようにサーミスタ温度をＴｍａｘに制限するためやや減少する方向で推移しやがてＴｍａｘとのバランスがとれた所定の電流値で一定のハンチングをもって安定する。このハンチング幅はサーミスタの熱応答性で決定される。この間は温度検出手段２５による帰還の期間である。ここで入力電流制限手段２７は入力電流が所定幅に入ってきたことで温度的安定状態になったとみなし、その所定幅のあるレベル（Ｔｍａｘに達しないレベル）を飽和電流Ｉｓａｔとして認識する。
【００２０】
その情報を負帰還制御手段１３に送出すると同時に負帰還選択手段２８に指令を送り入力電流検出手段１４のフィードバック系に変更する。その状態で負帰還制御手段１３は入力電流がＩｓａｔに維持されるようなＩｓａｔ基準信号に基準信号を変更し入力電流検出手段１４との出力の間で負帰還制御を行う。（ａ）図に示すように入力電流はＩｓａｔで一定制御され、（ｂ）図に示すようにサーミスタ温度もある一定値で推移する。この期間は入力電流検出手段による帰還の期間である。
【００２１】
さらに、その状態で再度温度検出手段２５がＴｍａｘを超えた場合は、温度検出手段による帰還の状態からやり直す。逆にＴｍａｘを超えない期間が所定時間続くと、半導体素子９の冷却性能が正常化したと考えられるので、初期の状態即ち、機器全体を制御する機器制御回路からの出力設定基準信号と入力電流検出手段１４の出力が一致するように負帰還制御をかける状態に戻す制御を加えると機器を正常な状態に戻すことができる。
【００２２】
次に図４を用いて負帰還制御の動作を示す。負帰還制御手段１３は負帰還選択手段２８からの信号を抵抗３０とコンデンサ３１からなるローパスフィルターである程度平準化され出力信号はバッファ３２に入力される。バッファ３２の出力は抵抗３３と抵抗３４及びオペアンプ３５からなる反転増幅器の反転端子側に抵抗３３を介して入力される。一方オペアンプ３５の非反転端子側には出力設定基準信号３６、Ｉｓａｔ基準信号３７及び温度上限基準信号３８が入力されスイッチによって各モードで適切な信号が適宜選択される。バッファ３２を介して得られた信号は各基準信号３６、３７、３８と比較され抵抗３３と抵抗３４で決まる倍率で増幅される。もし反転端子側の入力が大きい時には信号は小さくなり、逆に反転端子の入力が小さい時には信号は大きくなる。この出力信号は駆動手段１２において三角波発生手段４０の出力とコンパレータ３９で比較され、半導体素子９による電力伝達に負帰還がかかるようにスイッチング信号４１が発生する。
【００２３】
【発明の効果】
以上のように、請求項１に記載の発明によれば、半導体素子の過剰温度上昇による熱破壊を防止しつつ、半導体素子の温度限度に限りなく近い状態まで入力電流を流すことができるため、熱破壊防止の保護機能が働いていても停止させることがないためユーザーがほとんど正常状態と変らない状態で機器を使用することができ加熱不足などの問題も発生しない。また出力を低下させる保護機能に関しても同様に半導体素子の温度限度に限りなく近い状態まで入力電流を流すことができるため最大限の高周波出力を得ることができるためユーザーに保護機能の働きを感じさせることなく正常状態と同様の加熱の出来映えを得ることができる。
【００２４】
また、熱応答の悪いサーミスタによる温度検出手段による負帰還制御時間を極力短時間にし、入力電流一定の制御に切り替えているため電流のオーバーシュートやハンチングの期間を短くしているためユーザーに入力電流の変動に伴う電圧変動からくる庫内ランプのちらつきなども極力感じさせないという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の実施例１における電力制御回路のブロック図
【図２】  その高周波加熱装置の電源のブロック図
【図３】  （ａ）はその電力制御回路の動作を説明するための入力電流のタイミングチャート
（ｂ）はその電力制御回路の動作を説明するためのサーミスタ温度のタイミングチャート
【図４】  その負帰還制御回路の回路ブロック図
【図５】  従来の高周波加熱装置の電源のブロック図
【図６】  サーミスタの構成図
【符号の説明】
９  半導体素子
１０  サーミスタ
１２  駆動手段
１３  負帰還制御手段
１４  入力電流検出手段
２５  温度検出手段
２７  入力電流制限手段
２８  負帰還選択手段
【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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