(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
被加熱物を加熱する加熱コイルを有する共振回路と、直流電圧を交流電圧に変換して前記共振回路に電力を供給するインバータとを備え、該インバータは直列に接続される少なくとも２個のパワー半導体スイッチング素子で構成される上下アームを有する電磁誘導加熱装置において、
前記上下アームを少なくとも２つ以上備え、かつ上下各アームが前記直流電圧の直流電源の正極端と負極端とに対して並列になるように接続し、
前記２個のパワー半導体スイッチング素子が互いに直列に接続されているところを出力端子とし、
一つの上下アームの出力端子ｔと前記直流電源の少なくとも一方の極端との間に前記共振回路を構成する加熱コイルと共振キャパシタとを接続し、
前記出力端子ｔと他の上下アームの出力端子ｓとの間に前記共振回路を構成する他の加熱コイルを接続し、
前記各上下アームのパワー半導体スイッチング素子を駆動するドライブ回路と、これらのドライブ回路を制御する制御回路を備え、
前記制御回路が、被加熱物の材質と設定出力とに基づいて、駆動する上下アームを選択し、選択された上下アームのパワー半導体スイッチング素子を交互にオンオフ制御することを特徴とする電磁誘導加熱装置。
【請求項２】
被加熱物を加熱する加熱コイルを有する共振回路と、直流電圧を交流電圧に変換して前記共振回路に電力を供給するインバータとを備え、該インバータは直列に接続される少なくとも２個のパワー半導体スイッチング素子で構成される上下アームを有する電磁誘導加熱装置において、
前記上下アームを第１の上下アームおよび第２の上下アームの二つを備え、かつ第１および第２の上下アームが前記直流電圧の直流電源の正極端と負極端とに対して並列になるように接続し、
第１の上下アームの２個のパワー半導体スイッチング素子が互いに直列に接続されているところを出力端子ｔとし、第２の上下アームの２個のパワー半導体スイッチング素子が互い直列に接続されているところを出力端子ｓとし、
前記出力端子ｔと前記直流電源の少なくとも一方の極端との間に前記共振回路を構成する第１の加熱コイルと第１の共振キャパシタを接続し、
前記出力端子ｔと前記出力端子ｓとの間に前記共振回路を構成する第２の加熱コイルを接続し、
前記第１の上下アームのスイッチング素子を駆動する第１のドライブ回路と、前記第２の上下アームのスイッチング素子を駆動する第２のドライブ回路と、前記第１および第２のドライブ回路を制御する制御回路を備え、
前記制御回路が、被加熱物の材質と設定出力とに基づいて、駆動する上下アームを選択し、選択された上下アームのパワー半導体スイッチング素子を交互にオンオフ制御することを特徴とする電磁誘導加熱装置。
【請求項３】
被加熱物を加熱する加熱コイルを有する共振回路と、直流電圧を交流電圧に変換して前記共振回路に電力を供給するインバータとを備え、該インバータは直列に接続される少なくとも２個のパワー半導体スイッチング素子で構成される上下アームを有する電磁誘導加熱装置において、
前記上下アームを第１の上下アーム、第２の上下アームおよび第３の上下アームの三つ備え、かつ各前記第１、第２、第３の上下アームが前記直流電圧の直流電源の正極端と負極端とに対して並列になるように接続し、
第１の上下アームの２個のパワー半導体スイッチング素子が互いに直列に接続されているところを出力端子ｔとし、第２上下アームの２個のパワー半導体スイッチング素子が互いに直列に接続されているところを出力端子ｓとし、第３上下アームの２個のパワー半導体スイッチング素子が互いに直列に接続されているところを出力端子ａとし、
前記出力端子ｔと前記直流電源の少なくとも一方の極端との間に前記共振回路を構成する第１の加熱コイルと第１の共振キャパシタを接続し、
前記出力端子ｔと前記出力端子ｓとの間に前記共振回路を構成する第２の加熱コイルを接続し、
前記出力端子ｓと前記出力端子ａとの間に前記共振回路を構成する第３の加熱コイルを接続し、
前記第１上下アームのパワー半導体スイッチング素子を駆動する第１のドライブ回路と、前記第２の上下アームのパワー半導体スイッチング素子を駆動する第２のドライブ回路と、記第３の上下アームのパワー半導体スイッチング素子を駆動する第３のドライブ回路と、前記第１、第２および第３のドライブ回路を制御する制御回路を備え、
前記制御回路が、被加熱物の材質と設定出力とに基づいて、駆動する上下アームを選択し、選択された上下アームのパワー半導体スイッチング素子を交互にオンオフ制御することを特徴とする電磁誘導加熱装置。
【請求項４】
請求項１から３の何れか一つに記載された電磁誘導加熱装置において、
前記共振回路に流れる電流を検出する第１の電流検出素子と、
前記第１の電流検出素子の出力信号レベルを前記制御回路の入力レベルに適した信号に変換する共振電流検出回路と、
前記各上下アームに供給する入力電流を検出する第２の電流検出素子と、
前記第２の電流検出素子の出力信号レベルを前記制御回路の入力レベルに適した信号に変換する入力電流検出回路をそれぞれ備え、
前記制御回路は前記共振電流検出回路および前記入力電流検出回路の出力信号に応じて、前記被加熱物の材質及び状態を判断し、駆動すべき前記ドライブ回路を少なくとも１つ選択して運転の制御をすることを特徴とする電磁誘導加熱装置。
【請求項５】
請求項１から４の何れか一つに記載された電磁誘導加熱装置において、
前記被加熱物に供給する電力を設定する入力電力設定部を備え、前記制御回路は、前記入力電力設定部からの出力信号に応じて、駆動すべき前記ドライブ回路を少なくとも１つ選択して運転を制御することを特徴とする電磁誘導加熱装置。
【請求項６】
請求項１から５の何れか一つに記載された電磁誘導加熱装置において、
前記上下アームのパワー半導体スイッチング素子はＧＢＴであり、
前記パワー半導体スイッチング素子は逆並列にダイオードを備えることを特徴とする電磁誘導加熱装置。
【請求項７】
請求項１に記載した電磁誘導加熱装置において、
前記パワー半導体スイッチング素子は逆並列にダイオードを備え、
前記出力端子ｓと前記直流電源の少なくとも一方の極端との間に直列接続した第２のキャパシタとパワー半導体スイッチング素子を備え、
前記第２のキャパシタに直列接続される前記パワー半導体スイッチング素子は逆並列にダイオードを備え、
前記第２のキャパシタに直列接続される前記パワー半導体スイッチング素子を駆動する第４のドライブ回路を備え、
前記制御回路は前記ドライブ回路と連動して前記第４のドライブ回路を制御することを特徴とする電磁誘導加熱装置。
【請求項８】
請求項１に記載した電磁誘導加熱装置において、
前記上下アームは、少なくとも第１の上下アーム１０と第２の上下アーム２０を有し、
第１の上下アーム１０は直列に接続される第１、第２のパワー半導体スイッチング素子１１，１３を有し、第１、第２のパワー半導体スイッチング素子１１，１３はそれぞれ逆並列になる第１、第２のダイオード１２，１４を備え、
第２の上下アーム２０の上アームは、直列に接続した第３のダイオード２６と第３のパワー半導体スイッチング素子２１を備え、かつ前記第３のパワー半導体スイッチング素子２１は逆並列に第４のダイオード２２を備え、前記第３のダイオード２６は逆並列に第４のパワー半導体スイッチング素子２５を備え、
前記第２の上下アーム２０の下アームは、直列に接続した第５のダイオード２８と第５のパワー半導体スイッチング素子２３を備え、かつ前記第５のパワー半導体スイッチング素子２３は逆並列に第６のダイオード２４を備え、前記第５のダイオード２８は逆並列に第６のパワー半導体スイッチング素子２７を備え、
前記第４および第６のパワー半導体スイッチング素子２５，２７を駆動する第５のドライブ回路を備え、前記制御回路７０は前記第１から第３のドライブ回路と連動して前記第５のドライブ回路を制御することを特徴とする電磁誘導加熱装置。
【請求項９】
請求項８記載の電磁誘導加熱装置において、
前記第３のパワー半導体スイッチング素子２１は並列に第３のキャパシタ２９を備え、前記第５のパワー半導体スイッチング素子２３は並列に第４のキャパシタ３１を備えることを特徴とする電磁誘導加熱装置。
【請求項１０】
請求項１に記載した電磁誘導加熱装置において、
前記被加熱物に供給する電力を設定する入力電力設定部を備え、前記制御回路は、前記入力電力設定部からの出力信号に応じて、駆動すべき前記ドライブ回路を少なくとも１つ選択して運転を制御し、
前記上下アームは、少なくとも第１の上下アーム１０と第２の上下アーム２０を有し、
第１の上下アーム１０は、直列に接続される第１、第２のパワー半導体スイッチング素子１１，１３を有し、かつ第１、第２のパワー半導体スイッチング素子１１，１３はそれぞれ逆並列になる第１、第２のダイオード１２，１４を備え、
前記第２の上下アーム２０は第１、第２の逆耐圧機能付きパワー半導体スイッチング素子３２，３３を有し、
前記第２の上下アーム２０は、上下アームの少なくとも一方に直列接続した第２のキャパシタ４３とパワー半導体スイッチング素子４４を有し、かつ前記パワー半導体スイッチング素子４４は逆並列にダイオード４５を備え、
前記パワー半導体スイッチング素子４４を駆動する第４のドライブ回路６５を備え、前記制御回路７０は前記ドライブ回路と連動して前記第４のドライブ回路６５を制御することを特徴とする電磁誘導加熱装置。
【請求項１１】
請求項１に記載した電磁誘導加熱装置において、
前記被加熱物に供給する電力を設定する入力電力設定部を備え、前記制御回路は、前記入力電力設定部からの出力信号に応じて、駆動すべき前記ドライブ回路を少なくとも１つ選択して運転を制御し、
前記上下アームは、少なくとも第１の上下アーム１０と第２の上下アーム２０を有し、
前記第１の上下アーム１０は、第１、第２のパワー半導体スイッチング素子１１，１３を有し、かつ前記第１、第２のパワー半導体スイッチング素子１１，１３は逆並列にそれぞれ第１、第２のダイオード１２，１４を備え、
前記第２の上下アーム２０は、第１、第２の逆耐圧機能付きパワー半導体スイッチング素子３２，３３を有し、かつ前記第１、第２の逆耐圧機能付きパワー半導体スイッチング素子は逆並列にそれぞれ第３、第４の逆耐圧機能付きパワー半導体スイッチング素子３４，３５を備え、
前記第２の逆耐圧機能付きパワー半導体スイッチング素子３３を駆動する第５のドライブ回路を備え、前記制御回路７０は前記ドライブ回路と連動して前記第５のドライブ回路を制御することを特徴とする電磁誘導加熱装置。
【請求項１２】
請求項１１に記載した電磁誘導加熱装置において、
前記第２の上下アーム２０は、上下アームの少なくとも一方に直列接続した第２のキャパシタ４３とパワー半導体スイッチング素子４４を有し、かつ前記パワー半導体スイッチング素子４４は逆並列にダイオード４５を備え、
前記パワー半導体スイッチング素子４４を駆動する第４のドライブ回路６５を備え、前記制御回路７０は前記ドライブ回路と連動して前記第４のドライブ回路６５を制御することを特徴とする電磁誘導加熱装置。
【請求項１３】
請求項１に記載した電磁誘導加熱装置において、
前記被加熱物に供給する電力を設定する入力電力設定部を備え、前記制御回路は、前記入力電力設定部からの出力信号に応じて、駆動すべき前記ドライブ回路を少なくとも１つ選択して運転を制御し、
前記上下アームは、少なくとも第１の上下アーム１０と第２の上下アーム２０を有し、
前記第１の上下アーム１０は、第１、第２のパワー半導体スイッチング素子１１，１３を有し、かつ前記第１、第２のパワー半導体スイッチング素子１１，１３は逆並列にそれぞれ第１、第２のダイオード１２，１４を備え、
前記第２の上下アーム２０は、第１、第２の逆耐圧機能付きパワー半導体スイッチング素子３２，３３を有し、かつ前記第１、第２の逆耐圧機能付きパワー半導体スイッチング素子３２，３３のどちらか一方は逆並列に第５の逆耐圧機能付きパワー半導体スイッチング素子３４を備え、
前記第１、第２の逆耐圧機能付きパワー半導体スイッチング素子３２，３３の他方は逆直列に接続された第７のダイオード３７と第８のダイオード３８を備え、かつ前記第７のダイオード３７は逆並列に第７のパワー半導体スイッチング素子３６を備え、
前記第８のダイオード３８は並列に第５のキャパシタ３９を備え、
前記第５の逆耐圧機能付きパワー半導体スイッチング素子３４と前記第７のパワー半導体スイッチング素子３６を駆動する第５のドライブ回路を備え、前記制御回路７０は前記ドライブ回路と連動して前記第５のドライブ回路を制御することを特徴とする電磁誘導加熱装置。
【請求項１４】
請求項１に記載した電磁誘導加熱装置において、
前記被加熱物に供給する電力を設定する入力電力設定部を備え、前記制御回路は、前記入力電力設定部からの出力信号に応じて、駆動すべき前記ドライブ回路を少なくとも１つ選択して運転を制御し、
前記上下アームは、少なくとも第１の上下アーム１０と第２の上下アーム２０を有し、
前記第１の上下アーム１０は、第１、第２のパワー半導体スイッチング素子１１，１３を有し、かつ前記第１、第２のパワー半導体スイッチング素子１１，１３は逆並列にそれぞれ第１、第２のダイオード１２，１４を備え、
前記第２の上下アーム２０の上アームは、直列接続した第３のダイオード２６と第３のパワー半導体スイッチング素子２１を備え、かつ前記第３のパワー半導体スイッチング素子２１は逆並列に第４のダイオード２２を備え、
前記第２の上下アーム２０の下アームは、直列接続した第５のダイオード２８と第５のパワー半導体スイッチング素子２３を備え、かつ前記第５のパワー半導体スイッチング素子２３は逆並列に第６のダイオード２４を備え、
前記第２の上下アーム２０は、上下アームの少なくとも一方に直列接続した第２のキャパシタ４３とパワー半導体スイッチング素子４４を備え、かつ前記パワー半導体スイッチング素子４４は逆並列にダイオード４５を備え、
前記パワー半導体スイッチング素子４４を駆動する第４のドライブ回路６５を備え、前記制御回路７０は前記ドライブ回路と連動して前記第４のドライブ回路６５を制御することを特徴とする電磁誘導加熱装置。
【請求項１５】
請求項１に記載した電磁誘導加熱装置において、
前記被加熱物に供給する電力を設定する入力電力設定部を備え、前記制御回路は、前記入力電力設定部からの出力信号に応じて、駆動すべき前記ドライブ回路を少なくとも１つ選択して運転を制御し、
前記上下アームは、少なくとも第１の上下アーム１０と第２の上下アーム２０を有し、
前記第１の上下アーム１０は、第１、第２のパワー半導体スイッチング素子１１，１３を有し、かつ前記第１、第２パワー半導体スイッチング素子１１，１３は逆並列にそれぞれ第１、第２のダイオード１２，１４を備え、
前記第２の上下アーム２０の上アームは、直列接続した第３のダイオード２６と第３のパワー半導体スイッチング素子２１を備え、かつ前記第３のパワー半導体スイッチング素子２１は逆並列に第４のダイオード２２を備え、前記第３のダイオード２６は並列に第６のキャパシタ４８を備え、
前記第２の上下アーム２０の下アームは、直列接続した第５のダイオード２８と第５のパワー半導体スイッチング素子２３を備え、かつ前記第５のパワー半導体スイッチング素子２３は逆並列に第６のダイオード２４を備え、前記第５のダイオード２８は並列に第７のキャパシタ４９を備え、
前記第２の上下アーム２０は、少なくとも一方のアームに第８のキャパシタ５０を備えることを特徴とする電磁誘導加熱装置。
【請求項１６】
請求項１に記載した電磁誘導加熱装置において、
前記被加熱物に供給する電力を設定する入力電力設定部を備え、前記制御回路は、前記入力電力設定部からの出力信号に応じて、駆動すべき前記ドライブ回路を少なくとも１つ選択して運転を制御し、
前記上下アームは、少なくとも第１の上下アーム１０と第２の上下アーム２０を有し、
前記第１の上下アーム１０は、第１、第２のパワー半導体スイッチング素子１１，１３を有し、かつ前記第１、第２のパワー半導体スイッチング素子１１，１３は逆並列にそれぞれ第１、第２のダイオード１２，１４を備え、
前記第２の上下アーム２０は、第１、第２の逆耐圧機能付きパワー半導体スイッチング素子３２，３３を有し、かつ前記第２の上下アーム２０は、直列接続したキャパシタ４０，４３とパワー半導体スイッチング素子４１，４４を備え、前記パワー半導体スイッチング素子４１，４４は逆並列にダイオード４２，４５を備え、
前記第２の上下アーム２０は、少なくとも一方のアームに第８のキャパシタ５０を備え、
前記パワー半導体スイッチング素子４１を駆動する第５のドライブ回路を備え、前記制御回路７０は前記のドライブ回路と連動して前記第５のドライブ回路を制御することを特徴とする電磁誘導加熱装置。
【請求項１７】
請求項１に記載した電磁誘導加熱装置において、
前記第１の上下アーム１０は、少なくとも一方のアームに第９のキャパシタ１５または１６を備えることを特徴とする電磁誘導加熱装置。
【請求項１８】
請求項１に記載した電磁誘導加熱装置において、
前記第１の上下アーム１０は、少なくとも一方のアームに直列接続した第１０のキャパシタ１７とパワー半導体スイッチング素子１８を備え、かつ前記パワー半導体スイッチング素子１８は逆並列にダイオード１９を備え、
前記パワー半導体スイッチング素子１８を駆動する第６のドライブ回路６４を備え、前記制御回路７０は前記第６のドライブ回路を制御することを特徴とする電磁誘導加熱装置。
【請求項１９】
請求項１〜３の何れか一つに記載された電磁誘導加熱装置にあって、
前記共振キャパシタの他に前記加熱コイルに直列接続される共振キャパシタ８を備えることを特徴とする電磁誘導加熱装置。
【請求項２０】
請求項３に記載された電磁誘導加熱装置において、
前記第１、第２、第３の加熱コイルは、渦巻状に巻く導線で形成され、かつ第１、第２、第３の順位が後になるに従い外周側なるように配置し、しかも前記被加熱物と近接するように設けたことを特徴とする電磁誘導加熱装置。
【請求項２１】
請求項２０に記載された電磁誘導加熱装置において、
前記加熱コイルは、前記被加熱物とは反対面側に磁性体を備えることを特徴とする電磁誘導加熱装置。
【請求項２２】
請求項２１に記載された電磁誘導加熱装置において、
前記磁性体は、第１、第２、第３の加熱コイルに対応して個々に分割されていることを特徴とする電磁誘導加熱装置。
【請求項２３】
請求項２２に記載された電磁誘導加熱装置において、
前記第１、第２、第３の加熱コイルが隣接する内外周間に隔離用の磁性体を設け、該隔離用の磁性体は前記分割の磁性体の外周端側または内周端側と密接していることを特徴とする電磁誘導加熱装置。
【請求項２４】
請求項２３に記載された電磁誘導加熱装置において、
最外周に配置された前記加熱コイルの外周に外側に隔離用の磁性体を備え、この隔離用の磁性体と前記分割の磁性体の外周端側とを密接させたことを特徴とする電磁誘導加熱装置。
【請求項２５】
請求項３に記載された電磁誘導加熱装置において、
前記第１、第２、第３の加熱コイルは、渦巻状に巻く導線で形成され、かつ加熱コイルの各導線は隣接して配置され、しかも前記被加熱物と近接するように設けたことを特徴とする電磁誘導加熱装置。
【請求項２６】
請求項３に記載された電磁誘導加熱装置において、
前記第１、第２、第３の加熱コイルは、前記被加熱物とは反対面側に磁性体を備えることを特徴とする電磁誘導加熱装置。
【請求項２７】
請求項１に記載した電磁誘導加熱装置において、
前記被加熱物に供給する電力を設定する入力電力設定部を備え、前記制御回路は、前記入力電力設定部からの出力信号に応じて、駆動すべき前記ドライブ回路を少なくとも１つ選択して運転を制御し、
前記上下アームは、少なくとも第１の上下アーム１０と第２の上下アーム２０を有し、
前記第２の上下アーム２０の出力電圧は、前記直流電源の直流電圧よりも高いことを特徴とする電磁誘導加熱装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、異なる材質の被加熱物に対し所望の電力を効率良く供給し誘導加熱を行うインバータ方式の電磁誘導加熱装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、火を使わずに鍋などの被加熱物を加熱するインバータ方式の電磁誘導加熱装置が広く用いられるようになってきている。電磁誘導加熱装置は、加熱コイルに高周波電流を流し、コイルに近接して配置された鉄やステンレスなどの材質で作られた被加熱物に渦電流を発生させ、被加熱物自体の電気抵抗により発熱させる。
【０００３】
この電磁誘導加熱装置は、被加熱物の温度制御が可能で安全性が高いことから、新しい熱源として認知されている。従来、システムキッチン等に組み込まれる電気調理器には、シーズヒータやプレートヒータ、ハロゲンヒータ等の抵抗体を熱源としたものが使われていたが、近年では、一部を誘導加熱調理器に置き換えたもの、あるいは２口以上を誘導加熱調理器にしたものに代わりつつある。
【０００４】
このような電磁誘導加熱装置の従来例として、特開平２００１−１２６８５３号公報（以下公知例１という）に開示されるような誘導加熱調理器がある。この公知例１は商用交流電源を整流平滑して直流電圧に変換し、ハーフブリッジ型のインバータにより加熱コイルに高周波電流を供給して、コイルに近接して配置された被加熱物を誘導加熱する。
【０００５】
更に、特開２０００−４８９４５号公報（以下公知例２という）に開示されるような電磁調理器は、加熱コイルの巻数を切替えて共振回路の回路定数を変更する定数変更手段を設け被加熱物を定格入力で加熱する。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
前記公知例１では、低抵抗の被加熱物に十分な電力を供給するには加熱コイルに大きな電流を流す必要があり、加熱コイルの発熱やスイッチング素子の損失増加を招き加熱効率が低下する。図２０は、加熱コイル側からみたコイル及び磁気結合している被加熱物の等価インピーダンスを示しており、横軸は等価インダクタンス、縦軸は等価抵抗を表している。等価インピーダンスは被加熱物の材質によって大きく異なり、材質が鉄製の被加熱物は図中の（１）、ステンレス製の被加熱物は（２）、アルミ製の被加熱物は（３）のような特性を示す。一般的に（１）のような高抵抗の被加熱物が誘導加熱に適している。図２１は図２０に示した等価インピーダンスの特性を有する被加熱物（１）と（２）の入力電力と共振電流の関係を表している。このように前記公知例１では、目的とする入力電力を２ｋＷとした場合、被加熱物（１）では約４０Ａの共振電流を加熱コイルに流すことによって出力は得られるが、被加熱物（２）では抵抗が小さい為に約５５Ａの電流を流す必要がある。
【０００７】
また、前記公知例２では、リレーを使用し共振回路の回路定数を切替えるため、リレーの接点寿命の問題や電流容量の大きい高価で大型化のリレーを必要とする等の問題がある。
【０００８】
本発明は、上記の問題に対処し、電流容量の大きい高価で大型化のリレーを用いることなく、異なる材質の被加熱物に対し所望の電力を効率良く供給することができ、リレーの接点寿命の問題や大電流の入．切による電圧変動の悪影響がないインバータ方式の電磁誘導加熱装置を提供することである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は、被加熱物を含む共振回路と、直流電圧を交流電圧に変換して前記共振回路に電力を供給するインバータとを備え、該インバータは直列に接続される少なくとも２個のスイッチング素子で構成される上下アームを有してなる電磁誘導加熱装置にあって、前記２個のスイッチング素子が互いに直列に接続されているところを出力端子と前記直流電源の何れか一方の極端との間に前記共振回路を構成する加熱コイルと共振キャパシタを接続し、前記出力端子と他の上下アームの出力端子との間に前記共振回路を構成する他の加熱コイルを接続し、各上下アームのスイッチング素子を駆動するドライブ回路と、これらのドライブ回路を制御する制御回路を備え、被加熱物の材質や所望する入力電力に応じて駆動するドライブ回路を選択することによって達成できる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
まず、図１、図２を引用して本発明の第１の実施例ついて説明する。
【００１１】
図１は本発明の第１の実施形態である電磁誘導加熱装置の回路構成図である。
【００１２】
図１において、商用交流電源１は整流回路２に印加され全波整流された後、インダクタ３及びキャパシタ４で構成された平滑回路で直流電圧に変換される。この変換された直流電圧の直流電源は、キャパシタ４の正電極側をｐ点とし、負電極側をｏ点とする。このｐ点とｏ点間には、２つのスイッチング素子１０ａ，１０ｂで構成された上下アーム１０と２つのスイッチング素子２０ａ，２０ｂで構成された上下アーム２０及び２つのスイッチング素子３０ａ，３０ｂで構成された上下アーム３０が接続されている。
【００１３】
上下アーム１０のスイッチング素子１０ａ，１０ｂの接続点、即ち出力端子をｔ点とすると、ｔ点とｏ点間には第１の加熱コイル５とキャパシタ６で構成された共振回路６０が接続されており、上下アーム２０のスイッチング素子２０ａ，２０ｂの接続点をｓ点とすると、ｓ点とｔ点間には第２の加熱コイル７が接続されている。
【００１４】
また、上下アーム３０のスイッチング素子３０ａ，３０ｂの接続点をａ点とすると、ａ点とｓ点間には第３の加熱コイル９が接続されている。上下アーム１０，２０，３０の各スイッチング素子はそれぞれドライブ回路６１，６２，６３によって駆動され、直流電圧を高周波の交流電圧に変換する。
【００１５】
電流検出素子７１は、共振回路に流れる電流を検出し、共振電流検出回路７２は、電流検出素子７１の出力信号レベルを制御回路７０の入力レベルに適した信号に変換する。また、電流検出素子７３は、商用交流電源１から入力する電流を検出し、入力電流検出回路７４は電流検出素子７３の出力信号レベルを制御回路７０の入力レベルに適した信号に変換する。入力電力設定部７５は、使用者が入力電力を設定するためのインターフェースであり、設定された出力に応じて制御回路７０に信号を送る。
【００１６】
制御回路７０は入力電流と共振電流の関係から被加熱物の材質や状態を判断し、加熱動作の開始又は停止を行う。更に、入力電力設定部７５からの出力信号に応じてドライブ回路を選択しながら電力制御を行う。
【００１７】
図２は加熱コイルの巻数と等価抵抗の関係を示しており、巻数を増やすと磁束が大きくなり、コイル側からみた被加熱物の等価抵抗は増加する。図２において、前述したように等価抵抗は被加熱物の材質によって大きく異なり、材質が鉄製の被加熱物は図中の（１）、ステンレス製の被加熱物は（２）、アルミ製の被加熱物は（３）のような特性を示す。被加熱物が（１）のような高抵抗の場合、加熱コイルの巻数は少なくても良いが、被加熱物が（３）のような低抵抗の場合、加熱効率を上げるためにはコイルの巻数を増やし等価抵抗を大きくすることが効果的である。
【００１８】
図１において、被加熱物が加熱コイルに近接して配置され、使用者が加熱動作の操作を行うと、制御回路７０は共振電流検出回路７２と入力電流検出回路７４からの信号を比較して被加熱物の材質を検知し、材質に応じて駆動するドライブ回路を選択して制御する。
【００１９】
材質の検知は、過電流や過電圧の発生を防ぐために低電力かつ短時間で実施する必要がある。本発明において材質検知の初期段階では、加熱コイル５，７，９を用い最も巻数の多い条件で行う。これにより、共振回路のインピーダンスは大きくなり過電流及び過電圧の発生を抑制することができる。
【００２０】
図１において、材質の検知を行った結果、主に鉄製の材質で作られた被加熱物と判断した場合について説明する。使用者が高出力加熱の設定を行うと、制御回路７０はドライブ回路６１を駆動して上下アーム１０のスイッチング素子１０ａ，１０ｂを交互にオンオフし、加熱コイル５とキャパシタ６に高周波電流を供給する。
【００２１】
このとき、上下アーム２０及び上下アーム３０の動作は停止させる。低出力加熱の場合には、制御回路７０は設定出力に応じてドライブ回路６２又は６３を駆動して上下アーム２０又は上下アーム３０を制御する。上下アーム２０が選択された時は、加熱コイル５，７に高周波電流が供給され、上下アーム３０が選択された時は、加熱コイル５，７，９全てに高周波電流が供給される。このように、設定出力に応じて巻数を増やし等価抵抗の増加分を利用して電流を減らすことにより、コイルやスイッチング素子の損失を抑えることができる。これにより、効率の高い誘導加熱を実現することが可能となる。
【００２２】
次にステンレス製の材質で作られた被加熱物と判断した場合について説明する。使用者が高出力加熱の操作を行うと、制御回路７０はドライブ回路６２を駆動して上下アーム２０のスイッチング素子２０ａ，２０ｂを交互にオンオフし、加熱コイル５，７とキャパシタ６に高周波電流を供給する。このとき、上下アーム１０及び上下アーム３０の動作は停止させる。低出力加熱の場合には、制御回路７０はドライブ回路６３を駆動して上下アーム３０を制御する。上下アーム３０が動作を開始すると高周波電流は加熱コイル５，７，９全てに供給される。
【００２３】
次にアルミ製の材質で作られた被加熱物と判断した場合について説明する。制御回路７０はドライブ回路６３を駆動して上下アーム３０のスイッチング素子３０ａ，３０ｂを交互にオンオフし、加熱コイル５，７，９とキャパシタ６に高周波電流を供給する。このとき、上下アーム１０及び上下アーム２０の動作は停止させる。
【００２４】
このように被加熱物の材質や設定出力に応じて駆動するアームを選択することにより、加熱コイルの巻数を変え共振電流の増加を抑えて加熱効率を上げることができる。また、共振用のキャパシタ６は駆動するアームに関わらず共用できるため、部品数の増加を抑えることが可能である。また従来のような電流容量の大きい高価で大型化のリレーを用いることなく実現できるので、接点寿命の問題や大電流の入．切による電圧変動の悪影響がない電磁誘導加熱装置を提供できる。
【００２５】
図１において、加熱コイル９は上下アーム２０と上下アーム３０の出力端子間に接続されているが、上下アーム１０と上下アーム３０の出力端子間に接続しても構わない。この場合、加熱コイル９の等価インピーダンスが加熱コイル７よりも大きくなるように巻数を設定することにより、上記同様の効果が得られる。また、図１の形態は３つの加熱コイル５，７，９を用いて、鉄、ステンレス、アルミ製の被加熱物及びこれらの材質を組み合わせて作られた被加熱物を加熱対象とした回路構成であるが、最も加熱し難い銅製の被加熱物を加熱するために、アーム及び加熱コイルを更に増やした構成でも構わない。
【００２６】
第２の実施例について図３を引用して説明する。
【００２７】
図３は本発明の第２の実施形態である電磁誘導加熱装置の回路構成図であり、２つの加熱コイル５，７（第１の加熱コイル、第２の加熱コイル）を用いて主に鉄やステンレス製の被加熱物及びこれらの材質を組み合わせて作られた被加熱物を加熱対象とした回路構成である。図１と同一部分については同一符号を付しており説明は省略する。
【００２８】
図３において、上下アーム１０，２０のスイッチング素子はパワー半導体スイッチング素子であるＩＧＢＴを用いており、上下アーム１０は直列に接続されたＩＧＢＴ１１とＩＧＢＴ１３により構成され、上下アーム２０は直列に接続されたＩＧＢＴ２１とＩＧＢＴ２３により構成されている。
【００２９】
上下アーム１０のＩＧＢＴ１１，１３にはそれぞれダイオード１２，１４が逆並列に接続されている。同様に上下アーム２０のＩＧＢＴ２１，２３にはそれぞれダイオード２２，２４が逆並列に接続されている。
【００３０】
一般にＩＧＢＴは逆方向の耐圧が低いため、逆並列にダイオードを設ける。上下アーム１０の下アームには、キャパシタ１７とＩＧＢＴ１８が直列に接続され、ＩＧＢＴ１８にはダイオード１９が逆並列に接続されている。
【００３１】
同様に上下アーム２０の下アームには、キャパシタ４３とＩＧＢＴ４４が直列に接続され、ＩＧＢＴ４４にはダイオード４５が逆並列に接続されている。ＩＧＢＴ１８，４４はそれぞれドライブ回路６４，６５によって駆動され、キャパシタ１７，４３の通電を制御する。
【００３２】
図４は図３の加熱コイル５，７の構成を示す平面図である。
【００３３】
加熱コイル５は導線を渦巻状に巻いた構造であり、加熱コイル５の外側に加熱コイル７が巻かれ、加熱コイル５と加熱コイル７はｂ点で接続されている。加熱コイル５，７の下面には磁性体８１が放射状に設けられており、コイルから発生する磁束がコイルの下側へ広がることを防いでいる。
【００３４】
図５は図４に示す平面図のＡ−Ａ’における加熱コイル部の断面図である。
【００３５】
加熱コイル５，７はコイル支持ベース８０の上面に設けられており、被加熱物９０を載せるプレート８２の下側に配置されている。加熱コイル５，７には図３で示した回路により高周波電流が供給され、コイルから発生した磁束が被加熱物に鎖交し渦電流が流れ、被加熱物自体の電気抵抗により発熱させる。前述したように加熱コイル５，７の下面にはコイル支持ベース８０に接着された磁性体８１が設けられている。
【００３６】
次に図６に示すタイミングチャートを用いて図３の動作を説明する。
【００３７】
図６は主に鉄製の材質で作られた被加熱物を高出力で加熱した場合の波形を示している。図３において、鉄製の被加熱物と判断されると制御回路７０はドライブ回路６１を駆動して上下アーム１０を制御し主に加熱コイル５を用いて加熱動作を行う。ここで、上下アーム１０を駆動する場合、上下アーム２０のＩＧＢＴ２１，２３，４４はオフする。一方、上下アーム２０を駆動する場合は上下アーム１０のＩＧＢＴ１１，１３，１８をオフする。
【００３８】
図３及び図６において、インバータの電源電圧、即ち直流電圧はＶｐとし、ＩＧＢＴ１１，１３のコレクタ−エミッタ間の電圧はそれぞれＶａ１，Ｖｂ１とする。また、ＩＧＢＴ１１及びダイオード１２に流れる電流はＩａ１、ＩＧＢＴ１３及びダイオード１４に流れる電流はＩｂ１とする。加熱コイル５に流れる電流はＩＬ５とし、図３のｔ点から加熱コイル５の方向を正と定義する。また、加熱コイル７に流れる電流はＩＬ７とし、図３のｓ点から加熱コイル７の方向を正と定義する。
【００３９】
図３において、ＩＧＢＴ１１の駆動信号がオンになり加熱コイル５の蓄積エネルギーがゼロになると共振電流ＩＬ５の極性が負から正に変わり、ＩＧＢＴ１１、加熱コイル５、キャパシタ６の経路で共振電流ＩＬ５が流れる。
【００４０】
一方、加熱コイル７は加熱コイル５及び被加熱物と磁気的に結合しているため、加熱コイル７には誘導電圧が発生する。そのため、上下アーム２０のダイオード２２は順方向の電圧が印加され、加熱コイル７、ダイオード２２、ＩＧＢＴ１１の経路で誘導電流ＩＬ７が流れる。図４に示すように実線で表した共振電流ＩＬ５に対し誘導電流ＩＬ７は破線で示すように逆向きの電流となる。従って、上下アーム１０のＩＧＢＴ１１には、正極性の共振電流ＩＬ５と負極性の誘導電流ＩＬ７が流れる。
【００４１】
次にＩＧＢＴ１１の駆動信号がオフになると、共振電流ＩＬ５は正の極性、誘導電流ＩＬ７は負の極性を有しており、これらの電流は上下アーム１０のダイオード１９を介してキャパシタ１７を流れ、キャパシタ１７は放電される。
【００４２】
従って、ＩＧＢＴ１３のコレクタ−エミッタ間の電圧Ｖｂ１、即ち出力電圧は徐々に低下する。その後、ダイオード１４に順方向の電圧が印加されると共振電流ＩＬ５は環流電流として加熱コイル５、キャパシタ６、ダイオード１４の経路で流れ続ける。一方、誘導電流ＩＬ７はダイオード１４、加熱コイル７、ダイオード２２の経路で流れ、加熱コイル７の蓄積エネルギーは放電される。
【００４３】
次にＩＧＢＴ１３の駆動信号がオンになり加熱コイル５の蓄積エネルギーがゼロになると共振電流ＩＬ５の極性が正から負に変わり、キャパシタ６、加熱コイル５、ＩＧＢＴ１３の経路で共振電流ＩＬ５が流れる。一方、加熱コイル７には誘導電圧が発生し、上下アーム２０のダイオード２４は順方向の電圧が印加され、加熱コイル７、ＩＧＢＴ１３、ダイオード２４の経路で誘導電流ＩＬ７が流れる。従って、上下アーム１０のＩＧＢＴ１３には、負極性の共振電流ＩＬ５と正極性の誘導電流ＩＬ７が流れる。
【００４４】
次にＩＧＢＴ１３の駆動信号がオフになると、共振電流ＩＬ５は負の極性、誘導電流ＩＬ７は正の極性を有しており、これらの電流は上下アーム１０のＩＧＢＴ１８を介してキャパシタ１７を流れ、キャパシタ１７は充電される。
【００４５】
従って、ＩＧＢＴ１３のコレクタ−エミッタ間の電圧Ｖｂ１、即ち出力電圧は徐々に高くなる。その後、ダイオード１２に順方向の電圧が印加されると共振電流ＩＬ５は環流電流としてキャパシタ６、加熱コイル５、ダイオード１２の経路で流れ続ける。
【００４６】
一方、誘導電流ＩＬ７はダイオード２４、加熱コイル７、ダイオード１２の経路で流れ、加熱コイル７の蓄積エネルギーは放電される。このように、高抵抗の被加熱物を高出力で加熱する場合は、上記の動作を繰り返すことによって、加熱コイルに高周波電流を供給することができる。図３において、上下アーム１０のキャパシタ１７、ＩＧＢＴ１８、ダイオード１９と上下アーム２０のキャパシタ４３、ＩＧＢＴ４４、ダイオード４５は上アームに接続しても、前述のような効果は得られる。
【００４７】
前述したように、加熱コイル５と加熱コイル７は磁気的に結合している為、加熱コイル５に電流を流すと、加熱コイル７に誘導電圧が発生し上下アーム２０のダイオード２２，２４を介して上下アーム１０のＩＧＢＴ１１，１３に誘導電流が重畳する。誘導電流を抑制するには、磁気的な結合を弱めることが有効である。
【００４８】
第３の実施例３について図７を引用して説明する。
【００４９】
図７は本発明の第３の実施形態である電磁誘導加熱装置の加熱コイル部の断面図である。
【００５０】
図７において、加熱コイル５，７の下面には磁性体８３，８４がそれぞれ分離して設けられている。また、加熱コイル５と加熱コイル７の間には磁性体８５が設けられており磁性体８３に接している。これにより、加熱コイル５から発生する磁束は被加熱物９０の方に導かれるため、加熱コイル７に鎖交する磁束は低減する。加熱コイル７の外側には磁性体８６が設けられており磁性体８４に接している。これは加熱コイル７から発生する磁束がコイルの外側へ広がることを防いでいる。
【００５１】
図３において鉄製の被加熱物を低出力で加熱する場合には、制御回路７０はドライブ回路６２を駆動して上下アーム２０を制御する。上下アーム２０が動作を開始すると高周波電流は加熱コイル５，７に供給される。また、ステンレス製の被加熱物を加熱する場合においても、制御回路７０はドライブ回路６２を駆動して上下アーム２０を制御し加熱コイル５と加熱コイル７を用いて加熱動作を行う。
【００５２】
第４の実施例について図８を引用して説明する。
【００５３】
図８は本発明の第４の実施形態である電磁誘導加熱装置の回路図である。
【００５４】
整流回路及び平滑回路は省略しインバータ部のみ示す。また、図３と同一部分については同一符号を付しており説明は省略する。
【００５５】
図８において、上下アーム２０のダイオード２２，２４にはそれぞれ逆直列にダイオード２６，２８が接続され、ダイオード２６，２８にはそれぞれ逆並列にＩＧＢＴ２５，２７が接続されている。また、上下アーム２０のＩＧＢＴ２１，２３にはそれぞれ並列にキャパシタ２９，３１が接続されている。
【００５６】
これにより、ＩＧＢＴ２１，２３がターンオフした時にコレクタとエミッタ間に印加される電圧の変化は低減され、ターンオフ損失を低減することが可能となる。同様に上下アーム１０のＩＧＢＴ１１，１３にもそれぞれ並列にキャパシタ１５，１６が接続されており、コレクタとエミッタ間に印加される電圧変化は低減される。
【００５７】
前述したように、加熱コイル５と加熱コイル７は磁気的に結合している為、上記図３においては、上下アーム１０を駆動して加熱コイル５に電流を流すと、加熱コイル７に誘導電圧が発生し、誘導電流ＩＬ７が上下アーム２０のダイオード２２，２４を介して上下アーム１０のＩＧＢＴ１１，１３に重畳する。図８においては、上下アーム１０を駆動した場合、上下アーム２０のＩＧＢＴ２５，２７をオフすれば、誘導電流はダイオード２６，２８で遮断される。一方、上下アーム２０を駆動した場合、上下アーム２０のＩＧＢＴ２５，２７をオンすれば、環流電流はキャパシタ６、加熱コイル５、加熱コイル７、ダイオード２２、ＩＧＢＴ２５の経路、又は加熱コイル７、加熱コイル５、キャパシタ６、ダイオード２４、ＩＧＢＴ２７の経路で流れる。
【００５８】
ここで、加熱コイル７の電流は加熱コイル５と上下アーム１０に設けたキャパシタ１５及び１６に分流するが、キャパシタ１５，１６の容量は小さくリアクタンスは大きいため、加熱コイル５に流れる電流のほうが両キャパシタに流れる電流よりも大きくなる。
【００５９】
この第４の実施例は、二つの上下アーム１０,２０および二つの加熱コイル５,７を示されているが、被加熱物の材質の多様化に備え、上下アームおよび加熱コイルを更に追加する構成にすることも可能である。
【００６０】
第５の実施例について図９を引用して説明する。
【００６１】
図９は本発明の第５の実施形態である電磁誘導加熱装置の回路図である。
【００６２】
整流回路及び平滑回路は省略しインバータ部のみ示す。また、図８と同一部分については同一符号を付しており説明は省略する。
【００６３】
図９において、上下アーム１０のｔ点とｏ点間には、キャパシタ１７とＩＧＢＴ１８が直列に接続され、ＩＧＢＴ１８にはダイオード１９が逆並列に接続されている。上下アーム１０を駆動し鉄製の被加熱物を高出力で加熱する場合、ＩＧＢＴ１８をオンすることによりキャパシタ１７は下アームに接続され、ＩＧＢＴ１１，１３がターンオフした時に両ＩＧＢＴのコレクタとエミッタ間に印加される電圧の変化は低減される。一方、上下アーム２０を駆動した場合、ＩＧＢＴ１８をオフすることによりキャパシタ１７は下アームより切り離されるため、加熱コイル７の電流がキャパシタ１７に分流して流れることは避けられる。図９において、キャパシタ１７とＩＧＢＴ１８及びダイオード１９は上アームに接続しても、前述のような効果は得られる。
【００６４】
この第５の実施例は、二つの上下アーム１０,２０および二つの加熱コイル５,７を示されているが、被加熱物の材質の多様化に備え、上下アームおよび加熱コイルを更に追加する構成にすることも可能である。
【００６５】
第６の実施例について図１０を引用して説明する。
【００６６】
図１０は本発明の第６の実施形態である電磁誘導加熱装置の回路図である。
【００６７】
整流回路及び平滑回路は省略しインバータ部のみ示す。また、図９と同一部分については同一符号を付しており説明は省略する。
【００６８】
前述の図８及び図９は誘導電流の経路を遮断するために上下アーム２０にダイオード２６及び２８を設けており、上下アーム２０を駆動した場合、ダイオード２６，２８の損失が発生する。図１０は上下アーム２０の上アームに、逆方向の耐圧を有する逆電流阻止形のＩＧＢＴ３２が接続されており、上記図８及び図９のダイオード２６とＩＧＢＴ２１が１個のＩＧＢＴに置き換えられている。
【００６９】
これにより、ダイオード２６の損失分は低減するため変換効率は向上する。同様に、下アームにも逆電流阻止形のＩＧＢＴ３３が接続されており、上記図８及び図９のダイオード２８とＩＧＢＴ２３が１個のＩＧＢＴに置き換えられている。また、上アームのＩＧＢＴ３２には逆並列に逆電流阻止形のＩＧＢＴ３４が接続されており、図８及び図９のダイオード２２とＩＧＢＴ２５が１個のＩＧＢＴに置き換えられている。これにより、ダイオード２２の損失分は低減される。
【００７０】
一方、下アームにはダイオード３７と３８が逆直列に接続されており、ダイオード３７には逆並列にＩＧＢＴ３６が接続されている。また、ダイオード３８には並列にキャパシタ３９が接続されている。
【００７１】
図１０において、上下アーム１０を駆動した場合、上下アーム２０のＩＧＢＴ３４，３６をオフすれば、誘導電流はＩＧＢＴ３２，３３で遮断される。一方、上下アーム２０を駆動した場合、ＩＧＢＴ３４，３６をオンすれば、環流電流はキャパシタ６、加熱コイル５、加熱コイル７、ＩＧＢＴ３４の経路、又は加熱コイル７、加熱コイル５、キャパシタ６、ダイオード３８、ＩＧＢＴ３６の経路で流れる。
【００７２】
キャパシタ３９はＩＧＢＴ３２又は３３がターンオフした際、ダイオード３７又はＩＧＢＴ３６を介して充放電される。これにより、上下アーム２０のｓ点の電圧、即ち出力電圧の変化は低減される。図１０において、上下アーム２０の上下アームの構成を逆にしても、上記同様の動作を実現することができる。
【００７３】
この第６の実施例は、二つの上下アーム１０,２０および二つの加熱コイル５,７を示されているが、被加熱物の材質の多様化に備え、上下アームおよび加熱コイルを更に追加する構成にすることも可能である。
【００７４】
第７の実施例について図１１を引用して説明する。
【００７５】
図１１は本発明の第７の実施形態である電磁誘導加熱装置の回路図である。
【００７６】
整流回路及び平滑回路は省略しインバータ部のみ示す。また、図１０と同一部分については同一符号を付しており説明は省略する。
【００７７】
図１１において、下アームのＩＧＢＴ３３には逆並列に逆電流阻止形のＩＧＢＴ３５が接続されており、図８及び図９のダイオード２４とＩＧＢＴ２７又は図１０のダイオード３８とＩＧＢＴ３６が１個のＩＧＢＴに置き換えられた構成になっている。また、上下アーム２０の下アームには、キャパシタ４３とＩＧＢＴ４４が直列に接続され、ＩＧＢＴ４４にはダイオード４５が逆並列に接続されている。
【００７８】
図１１において、上下アーム１０を駆動した場合、上下アーム２０のＩＧＢＴ３４，３５をオフすれば、誘導電流はＩＧＢＴ３２，３３で遮断される。また、ＩＧＢＴ４４をオフすることによりキャパシタ４３は下アームより切り離されるため、誘導電流の流れる経路は遮断される。一方、上下アーム２０を駆動した場合、ＩＧＢＴ３４，３５をオンすれば、環流電流はキャパシタ６、加熱コイル５、加熱コイル７、ＩＧＢＴ３４の経路、又は加熱コイル７、加熱コイル５、キャパシタ６、ＩＧＢＴ３５の経路で流れる。
【００７９】
また、ＩＧＢＴ４４をオンすることにより、キャパシタ４３はＩＧＢＴ３２又は３３がターンオフした際、ＩＧＢＴ４４又はダイオード４５を介して充放電される。これにより、上下アーム２０のｓ点の電圧、即ち出力電圧の変化は低減される。図１１において、キャパシタ４３とＩＧＢＴ４４及びダイオード４５は上下アーム２０の上アームに接続しても、前述のような効果は得られる。
【００８０】
この第７の実施例は、二つの上下アーム１０,２０および二つの加熱コイル５,７を示されているが、被加熱物の材質の多様化に備え、上下アームおよび加熱コイルを更に追加する構成にすることも可能である。
【００８１】
第８の実施例について図１２を引用して説明する。
【００８２】
図１２は本発明の第８の実施形態である電磁誘導加熱装置の回路図である。
【００８３】
整流回路及び平滑回路は省略しインバータ部のみ示す。
【００８４】
図１２において、上下アーム２０の上アームには逆電流阻止形のＩＧＢＴ３２が接続され、下アームには逆電流阻止形のＩＧＢＴ３３が接続されている。また、下アームにはキャパシタ４３とＩＧＢＴ４４が直列に接続され、ＩＧＢＴ４４にはダイオード４５が逆並列に接続されている。
【００８５】
次に図１３を用いて図１２の動作を説明する。図１３は、上下アーム２０を駆動した場合の波形を示している。ここで、上下アーム２０を駆動する場合、上下アーム１０のＩＧＢＴ１１，１３，１８はオフ状態となっており、加熱コイル５，７を用いた加熱動作となる。
【００８６】
一方、上下アーム１０を駆動する場合は上下アーム２０のＩＧＢＴ３２，３３，４４をオフする。図１２及び図１３において、ＩＧＢＴ３２，３３に流れる電流はそれぞれＩａ２，Ｉｂ２とし、キャパシタ４３に流れる電流はＩｓｂ２とする。また、上下アーム２０のｓ点の出力電圧はＶｓとする。加熱コイル５，７に流れる共振電流はそれぞれＩＬ５，ＩＬ７とし、図１２の矢印の方向を正と定義する。
【００８７】
図１２において、ＩＧＢＴ３２の駆動信号がオンになり加熱コイル５，７の蓄積エネルギーがゼロになると共振電流ＩＬ５，ＩＬ７の極性が負から正に変わる。このとき上下アーム２０の出力電圧Ｖｓがｐ点の電圧Ｖｐ、即ちインバータの電源電圧より高くなるようにキャパシタ４３の値が設定されていれば、ＩＧＢＴ３２には逆電圧が印加されるため電流は流れない。
【００８８】
従って、共振電流ＩＬ５，ＩＬ７はキャパシタ４３、加熱コイル７、加熱コイル５、キャパシタ６、ダイオード４５の経路で流れる。出力電圧Ｖｓがインバータの電源電圧Ｖｐ以下になると、ＩＧＢＴ３２は導通状態となり、共振電流ＩＬ５，ＩＬ７はＩＧＢＴ３２、加熱コイル７、加熱コイル５、キャパシタ６の経路で流れる。
【００８９】
次にＩＧＢＴ３２の駆動信号がオフになると、共振電流ＩＬ５，ＩＬ７は正の極性を有しており、加熱コイル７，加熱コイル５，キャパシタ６，ダイオード４５，キャパシタ４３の経路で流れ続ける。
【００９０】
次にＩＧＢＴ３３の駆動信号がオンになり加熱コイル５，７の蓄積エネルギーがゼロになると共振電流ＩＬ５，ＩＬ７の極性が正から負に変わる。このとき上下アーム２０の出力電圧Ｖｓは、ｏ点の電圧より低くなっており、ＩＧＢＴ３３には逆電圧が印加されるため電流は流れない。そのため、共振電流ＩＬ５，ＩＬ７はキャパシタ６、加熱コイル５、加熱コイル７、キャパシタ４３、ＩＧＢＴ４４の経路で流れる。出力電圧Ｖｓがｏ点の電圧より高くなると、ＩＧＢＴ３３は導通状態となり、共振電流ＩＬ５，ＩＬ７はキャパシタ６、加熱コイル５、加熱コイル７、ＩＧＢＴ３３の経路で流れる。
【００９１】
次にＩＧＢＴ３３の駆動信号がオフになると、共振電流ＩＬ５，ＩＬ７は負の極性を有しており、加熱コイル５，加熱コイル７，キャパシタ４３，ＩＧＢＴ４４，キャパシタ６の経路で流れ続ける。このように、上記の動作を繰り返すことによって、加熱コイルに高周波電流を供給することができる。図１２において、キャパシタ４３とＩＧＢＴ４４及びダイオード４５は上下アーム２０の上アームに接続しても構わない。
【００９２】
上記のように本実施例では、上下アーム２０の各ＩＧＢＴをオフすると、出力電圧がインバータの電源電圧以上になる。通常、電流共振型インバータの出力電圧は、インバータの電源電圧に制限されるため、所望とする最大電力によって等価抵抗の上限は決まる。本実施例は出力電圧を昇圧することにより、前記実施例の電流共振型インバータよりも等価抵抗の上限を高くすることができる。そのため、巻数を増やして等価抵抗を増加させ電流を減らして所望の入力電力を得ることが可能となる。これにより、使用部品の損失を低減することができ、加熱効率を上げることが可能となる。
【００９３】
この第８の実施例は、二つの上下アーム１０,２０および二つの加熱コイル５,７を示されているが、被加熱物の材質の多様化に備え、上下アームおよび加熱コイルを更に追加する構成にすることも可能である。
【００９４】
第９の実施例について図１４を引用して説明する。
【００９５】
図１４は本発明の第９の実施形態である電磁誘導加熱装置の回路図である。
【００９６】
図１４において、上下アーム２０の上アームはダイオード２６とＩＧＢＴ２１が直列に接続されており、同様に下アームはダイオード２８とＩＧＢＴ２３が直列に接続されている。ＩＧＢＴ２１，２３にはそれぞれダイオード２２，２４が逆並列に接続されており、ＩＧＢＴに対して逆方向の電圧は印加されない。前記図１２の実施例は逆耐圧特性を有するＩＧＢＴを用いたが、本実施例のように逆耐圧の無いＩＧＢＴを用いても構わない。
【００９７】
この第９の実施例は、二つの上下アーム１０,２０および二つの加熱コイル５,７を示されているが、被加熱物の材質の多様化に備え、上下アームおよび加熱コイルを更に追加する構成にすることも可能である。
【００９８】
第１０の実施例１０について図１５を引用して説明する。
【００９９】
図１５は本発明の第１０の実施形態である電磁誘導加熱装置の回路図である。
【０１００】
整流回路及び平滑回路は省略しインバータ部のみ示す。また、図１４と同一部分については同一符号を付しており説明は省略する。
【０１０１】
図１４において、上下アーム２０の上アームはダイオード２６とＩＧＢＴ２１が直列に接続されており、同様に下アームはダイオード２８とＩＧＢＴ２３が直列に接続されている。ＩＧＢＴ２１，２３にはそれぞれダイオード２２，２４が逆並列に接続されており、ダイオード２６，２８にはそれぞれキャパシタ４８，４９が並列に接続されている。また、下アームにはキャパシタ５０が接続されている。
【０１０２】
図１５において、被加熱物の材質が主に鉄製の場合、上下アーム１０及び上下アーム２０を同時に駆動し、被加熱物の材質が主にステンレス製の場合は上下アーム２０を駆動する。次に図１６を用いて図１５の動作を説明する。図１６は、上下アーム１０及び上下アーム２０を同時に駆動した場合の波形を示している。
【０１０３】
図１５及び図１６において、上下アーム１０のＩＧＢＴ１１，１３のコレクタ−エミッタ間の電圧はそれぞれＶａ１，Ｖｂ１とする。ＩＧＢＴ１１及びダイオード１２に流れる電流はＩａ１、ＩＧＢＴ１３及びダイオード１４に流れる電流はＩｂ１とする。また、上下アーム２０のＩＧＢＴ２１，２３のコレクタ−エミッタ間の電圧はそれぞれＶａ２，Ｖｂ２とする。上アームのダイオード２６に流れる電流はＩａ２、キャパシタ４８に流れる電流はＩｓａ２とし、下アームのダイオード２８に流れる電流はＩｂ２、キャパシタ４９に流れる電流はＩｓｂ２とする。
【０１０４】
図１６において、ＩＧＢＴ１１、２１の駆動信号がオンになり加熱コイル５の蓄積エネルギーがゼロになると共振電流ＩＬ５の極性が負から正に変わり、ＩＧＢＴ１１、加熱コイル５、キャパシタ６の経路で共振電流ＩＬ５が流れる。
【０１０５】
一方、加熱コイル７に流れる共振電流ＩＬ７は負の極性を有しており、ＩＬ７はＩＧＢＴ１１、加熱コイル７、ダイオード２２、キャパシタ４８の経路で流れる。加熱コイル７の蓄積エネルギーがゼロになると共振電流ＩＬ７の極性が負から正に変わる。このとき、上下アーム２０のダイオード２６にはキャパシタ４８の電圧、即ち逆方向の電圧が印加されるため導通せず、共振電流ＩＬ７はキャパシタ４８、ＩＧＢＴ２１、加熱コイル７、加熱コイル５、キャパシタ６の経路で流れる。キャパシタ４８の電荷が無くなり、ダイオード２６に順方向の電圧が印加されると、共振電流ＩＬ７はダイオード２６、ＩＧＢＴ２１、加熱コイル７、加熱コイル５、キャパシタ６の経路で流れる。
【０１０６】
次にＩＧＢＴ１１、２１の駆動信号がオフになると、共振電流ＩＬ５は正の極性を有しており、ＩＬ５によってキャパシタ１７及びキャパシタ５０の電荷は放電され、その後、共振電流ＩＬ５は加熱コイル７、加熱コイル５、キャパシタ６、ダイオード２４、キャパシタ４９の経路で流れる。
【０１０７】
次にＩＧＢＴ１３、２３の駆動信号がオンになり加熱コイル５の蓄積エネルギーがゼロになると共振電流ＩＬ５の極性が正から負に変わり、キャパシタ６、加熱コイル５、ＩＧＢＴ１３の経路で共振電流ＩＬ５が流れる。
【０１０８】
一方、加熱コイル７に流れる共振電流ＩＬ７は正の極性を有しており、ＩＬ７は加熱コイル７、ＩＧＢＴ１３、ダイオード２４、キャパシタ４９の経路で流れる。加熱コイル７の蓄積エネルギーがゼロになると共振電流ＩＬ７の極性が正から負に変わる。このとき、上下アーム２０のダイオード２８にはキャパシタ４９の電圧、即ち逆方向の電圧が印加されるため導通せず、共振電流ＩＬ７はキャパシタ６、加熱コイル５、加熱コイル７、キャパシタ４９、ＩＧＢＴ２３の経路で流れる。キャパシタ４９の電荷が無くなり、ダイオード２８に順方向の電圧が印加されると、共振電流ＩＬ７はキャパシタ６、加熱コイル５、加熱コイル７、ダイオード２８、ＩＧＢＴ２３の経路で流れる。
【０１０９】
次にＩＧＢＴ１３、２３の駆動信号がオフになると、共振電流ＩＬ５は負の極性を有しており、ＩＬ５によってキャパシタ１７及びキャパシタ５０は充電され、その後、共振電流ＩＬ５はキャパシタ６、加熱コイル５、加熱コイル７、ダイオード２２、キャパシタ４８の経路で流れる。
【０１１０】
このように、上記の動作を繰り返すことによって、加熱コイルに高周波電流を供給することができる。図１５において、キャパシタ５０は上下アーム１０の上下アームに分割して接続しても構わない。また、キャパシタ１９とＩＧＢＴ１８及びダイオード１９は上下アーム１０の上アームに接続しても構わない。
【０１１１】
図１６において、上下アーム１０のオンのタイミングは上下アーム２０と同時刻であるが、オンのタイミングを上下アーム２０より遅らせることやオフのタイミングを早めることによって、入力電力を調整することが可能である。
【０１１２】
本実施例は、前述のように高抵抗の被加熱物を高出力で加熱する場合においても、上下アーム１０及び上下アーム２０を駆動し加熱コイル５，７の両コイルにほぼ同相の電流を流して加熱するため、両コイルを有効に利用することができる。また、加熱コイル５に流れる共振電流ＩＬ５は各上下アームにそれぞれ分流して流れるため、各ＩＧＢＴの負担も軽減する。
【０１１３】
この第１０の実施例は、二つの上下アーム１０,２０および二つの加熱コイル５,７を示されているが、被加熱物の材質の多様化に備え、上下アームおよび加熱コイルを更に追加する構成にすることも可能である。
【０１１４】
第１１の実施例１１について図１７を引用して説明する。
【０１１５】
図１７は本発明の第１１の実施形態である電磁誘導加熱装置の回路図である。
【０１１６】
整流回路及び平滑回路は省略しインバータ部のみ示す。また、図１６と同一部分については同一符号を付しており説明は省略する。
【０１１７】
図１７において、上下アーム２０の上アームには逆電流阻止形のＩＧＢＴ３２が接続され、下アームには逆電流阻止形のＩＧＢＴ３３が接続されている。また、上アームにはキャパシタ４０とＩＧＢＴ４１が直列に接続され、ＩＧＢＴ４１にはダイオード４２が逆並列に接続されている。下アームにはキャパシタ４３とＩＧＢＴ４４が直列に接続され、ＩＧＢＴ４４にはダイオード４５が逆並列に接続されている。
【０１１８】
図１７において、上下アーム２０のＩＧＢＴ３２、ＩＧＢＴ４１とＩＧＢＴ３３、ＩＧＢＴ４４はそれぞれ同一の駆動信号によって制御される。本実施例は前記図１５と同様の制御を行うことによって、高抵抗の被加熱物を高出力で加熱する場合においても、加熱コイル５，７の両コイルにほぼ同相の電流を流して加熱することができる。
【０１１９】
この第１１の実施例は、二つの上下アーム１０,２０および二つの加熱コイル５,７を示されているが、被加熱物の材質の多様化に備え、上下アームおよび加熱コイルを更に追加する構成にすることも可能である。
【０１２０】
第１２の実施例について図１８を引用して説明する。
【０１２１】
図１８は本発明の第１２の実施形態である電磁誘導加熱装置の回路図の一部を示しており、図１８は前記実施例のｓ点とｔ点に接続される。
【０１２２】
図１８よりｓ点と加熱コイル７との間にはキャパシタ８が設けられており、前記実施例に接続されることによってキャパシタが直列接続となり共振回路の合成容量は小さくなる。
【０１２３】
従って、キャパシタ８が共振回路に接続されることによって共振周波数は高くなり、加熱コイルの巻数増加によって生じる共振周波数の低下を抑制することができる。前記図１の実施例においては、加熱コイル９と直列にキャパシタを設けることによって、同様の効果が得られる。このように、駆動するアームを切り替えることによって、加熱コイルの巻数とキャパシタの容量値を同時に切換えることが可能となる。
【０１２４】
第１３の実施例について図１９を引用して説明する。
【０１２５】
図１９は本発明の第１３の実施形態である電磁誘導加熱装置の加熱コイルの平面図である。
【０１２６】
図１９において、加熱コイル５及び７はそれぞれ隣合わせの導線を渦巻状に巻いた構造になっている。前記図４では内側と外側に加熱コイル５，７が配置されているが、本実施例では、ほぼ同じ位置に加熱コイル５，７が配置されている。
【０１２７】
従って、加熱コイル５のみ使用して加熱を行った場合、被加熱物に流れる渦電流の経路長は図４よりも長くなり、被加熱物の加熱面積を広げることができるため、加熱効率を上げることが可能となる。
【０１２８】
以上述べた実施例において、入力電力はインバータの発振周波数を変化させる方法やスイッチング素子のオンオフ期間を制御するパルス幅変調、又はこれらの制御を組み合わせた方法によって調整することができる。
【０１２９】
【発明の効果】
本発明によれば、電流容量の大きい高価で大型化のリレーを用いることなく、異なる材質の被加熱物及び設定出力に応じて加熱コイルの巻数を簡易な構成で切換え、所望の電力を効率良く供給することができる電磁誘導加熱装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態である電磁誘導加熱装置の回路構成図である。
【図２】図１の実施形態である電磁誘導加熱装置の加熱コイルの巻数と等価抵抗の関係を表すグラフである。
【図３】本発明の第２の実施形態である電磁誘導加熱装置の回路構成図である。
【図４】図３の実施形態である電磁誘導加熱装置の加熱コイルの平面図である。
【図５】図３の実施形態である電磁誘導加熱装置の加熱コイル部の断面図である。
【図６】図３の実施形態における動作説明図である。
【図７】本発明の第３の実施形態である電磁誘導加熱装置の加熱コイル部の構造断面図である。
【図８】本発明の第４の実施形態である電磁誘導加熱装置の回路図である。
【図９】本発明の第５の実施形態である電磁誘導加熱装置の回路図である。
【図１０】本発明の第６の実施形態である電磁誘導加熱装置の回路図である。
【図１１】本発明の第７の実施形態である電磁誘導加熱装置の回路図である。
【図１２】本発明の第８の実施形態である電磁誘導加熱装置の回路図である。
【図１３】図１２の実施形態における動作説明図である。
【図１４】本発明の第９の実施形態である電磁誘導加熱装置の回路図である。
【図１５】本発明の第１０の実施形態である電磁誘導加熱装置の回路図である。
【図１６】図１５の実施形態における動作説明図である。
【図１７】本発明の第１１の実施形態である電磁誘導加熱装置の回路図である。
【図１８】本発明の第１２の実施形態である電磁誘導加熱装置の回路図の一部を示す図である。
【図１９】本発明の第１３の実施形態である電磁誘導加熱装置の加熱コイルの平面図である。
【図２０】従来例における被加熱物の等価インピーダンスを表すグラフである。
【図２１】従来例における入力電力と共振電流の関係を表すグラフである。
【符号の説明】
１…商用交流電源、２…整流回路、３…インダクタ、４，６，８，１５，１６，１７，２９，３１，３９，４０，４３，４８，４９，５０…キャパシタ、５，７，９…加熱コイル、１０，２０，３０…上下アーム１０ａ，１０ｂ，２０ａ，２０ｂ，３０ａ，３０ｂ…スイッチング素子、１１，１３，１８，２１，２３，２５，２７，３２，３３，３４，３５，３６，４１，４４…半導体スイッチング素子、１２，１４，１９，２２，２４，２６，２８，３７，３８，４２，４５…ダイオード、６０…共振回路、６１，６２，６３，６４，６５…ドライブ回路、７０…制御回路、７１，７３…電流検出素子、７２…共振電流検出回路、７４…入力電流検出回路、７５…入力電力設定部、８０…コイル支持ベース、８１，８３，８４，８５，８６…磁性体、８２…プレート、９０…被加熱物、１００…インバータ。
【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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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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