JP3937918B2

JP3937918B2 - 誘導加熱装置、およびこれを用いた誘導加熱調理器と炊飯器

Info

Publication number: JP3937918B2
Application number: JP2002144228A
Authority: JP
Inventors: 和彦麻田; 英樹大森; 秀和山下; 正則小川; 真北畠; 信義長潟; 哲哉田原; 一博登
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2002-05-20
Filing date: 2002-05-20
Publication date: 2007-06-27
Anticipated expiration: 2022-05-20
Also published as: JP2003339166A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、一般家庭や業務用などで使用される誘導加熱調理器、誘導加熱式炊飯器、誘導加熱加工機、誘導加熱式融雪装置などの誘導加熱装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、特開平１１−１１１４４１号に示されている誘導加熱装置は、図１１に示されているように、１００Ｖ５０Ｈｚや６０Ｈｚの商用電源を用いた交流電源１、加熱コイル２、加熱コイル２に接続されＩＧＢＴ（絶縁ゲート形バイポーラトランジスタ）とダイオードを内蔵させて実現したスイッチング素子３、スイッチング素子３をオンオフさせる駆動回路４を設けている。
【０００３】
さらに、共振コンデンサ５を加熱コイル２と並列に接続し、４本のダイオード６、７、８、９で構成した全波式のダイオードブリッジ１０、およびダイオードブリッジ１０の出力端子間に並列に接続した平滑用コンデンサ１１を接続したものとなっている。
【０００４】
負荷鍋１２は、加熱コイル５に磁気結合したものとなっている。
【０００５】
以上の構成において、交流電源１は、ダイオードブリッジ１０によってリプルを含んだ直流に変換された電圧を平滑用コンデンサ１１の端子間に発生させ、駆動回路４が高周波でスイッチング素子３をオンオフし、加熱コイル２に高周波電流を供給することによって、加熱コイル２と磁気的に結合した負荷鍋１２に誘導電流を発生させるなどして、鉄損を生じさせて加熱するものであった。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
このような従来の技術においては、交流電源１の出力電圧をダイオードブリッジ１０で一旦直流に変換していることから、ダイオードブリッジ１０での電圧降下が発生するが、その電圧値は交流電源１の全位相において、ダイオードブリッジ１０を構成するダイオード６、７、８、９の内の２個分が作用するものとなり、そのため誘導加熱装置の効率が低くなるとともに、ダイオードブリッジ１０の発熱が大きく、その冷却のための構造として例えば放熱器を設けたり、冷却ファンを設けたりする必要が発生する場合もあり、装置が複雑になるという第１の課題を有しているものであった。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、加熱コイルと共振コンデンサの直列回路と、前記加熱コイルと共振コンデンサの直列回路に並列接続した双方向スイッチング素子と、前記双方向スイッチング素子をオンオフする駆動回路と、チョークコイルを有し、前記チョークコイルは前記双方向スイッチング素子と前記交流電源の間に設け、前記駆動回路は、双方向スイッチング素子をオンした後、前記双方向スイッチング素子をオフさせるタイミングとして、前記双方向スイッチング素子の電流が次に零となる点付近と次の次に零となる点付近に切り替える。
【０００８】
【発明の実施の形態】
【実施例】
次に、本発明の具体例を説明する。
【０００９】
（実施例１）
図１は、本発明の第１の実施例における、鍋を加熱する誘導加熱装置の回路図である。
【００１０】
図１において、直径０．３５ｍｍのエナメル線３５本をよったリッツ線を、平板の渦巻き状に巻いて構成した加熱コイル２１と、フィルム形の共振コンデンサ２２の直列回路と、加熱コイル２１と共振コンデンサ２２の直列回路に並列接続したＳｉＣ半導体を用いた双方向スイッチング素子２３と、双方向スイッチング素子２３をオンオフする駆動回路２４を有している。
【００１１】
双方向スイッチング素子２３は、ちょうど電極式のスイッチのように、正負の両極性の電流を自在に入り切りできるスイッチング素子である。
【００１２】
交流電源２５は、１００Ｖ６０Ｈｚの商用電源を用いたものであり、その出力にはチョークコイル２６と平滑コンデンサ２７によって構成したフィルタ回路２８が接続されている。
【００１３】
本実施例では、さらにセンダストコアを有するチョークコイル２９がフィルタ回路２８の出力の一端子と双方向スイッチング素子２３の一端子との間に接続されており、すなわちチョークコイル２９は双方向スイッチング素子２３と交流電源２５の間に設けた構成となっている。
【００１４】
チョークコイル２９は、特に２５ｋＨｚという高周波に対して十分大きなリアクタンスを持つものであり、電流の安定化を図り、また交流電源２１への高周波電流の逆流を抑える作用をするものとなっている。
【００１５】
駆動回路２４は、双方向スイッチング素子２３をオンした後、双方向スイッチング素子２３の電流が次に零となる点付近で、双方向スイッチング素子２３をオフさせるという動作を行い、オンオフ動作の周波数は交流電源２１の周波数よりも高い周波数である２５ｋＨｚとなる。
【００１６】
図２は、チョークコイル２９の外観図である。
【００１７】
図２において、トロイダル形のコアは、センダストコア３１を用いており、それにエナメル線３２を巻いて構成しているものとなっている。
【００１８】
センダストコア３１を用いることにより、珪素鋼板などのように磁路内にギャップ（空隙）を設けることは必要ではなく、製造が簡単で漏洩磁束も抑えられ、２５ｋＨｚというような高周波における損失も少なく、大電流時においても良好なインダクタンス特性を得ることができるものとなっている。
【００１９】
図３は、本実施例の動作波形図を示したもので、直径２２ｃｍのホーロー鍋が負荷２９として置かれている状態で、装置に１２００Ｗの入力電力を受けて動作している状態におけるものである。
【００２０】
（ア）は交流電源２５の出力電圧ＶＡＣの波形、（イ）は双方向スイッチング素子２３の端子間電圧ＶＳＷの波形、（ウ）は双方向スイッチング素子２３に流れる電流ＩＳＷの波形を示している。
【００２１】
ＶＡＣ波形は、６０Ｈｚで実効値１００Ｖの正弦波であり、そのピークの絶対値は、実効値のルート２倍に相当する１４１Ｖとなる。
【００２２】
また、ＶＳＷ波形は正弦波の包烙線（エンベロープ）を有し、双方向スイッチング素子２３のスイッチング周波数の高周波で埋め尽くされた電圧波形となっており、ＶＡＣと同極性の電圧ピークは６００Ａ、逆極性の電圧ピークが２００Ａとなっている。
【００２３】
またＩＳＷ波形についても、正弦波の包烙線（エンベロープ）を正と負の両側に持ち、双方向スイッチング素子２３のスイッチング周波数の高周波で埋め尽くされた電流波形となっており、６０Ａのピーク電流値となっている。
【００２４】
なお、この状態において交流電源２５の出力電流波形は、電圧ＶＡＣと同じ正弦波であり、位相も等しく、力率がほぼ１のものとなり、送配電系統の損失を極力抑えた高能率のものとなっている。
【００２５】
図４は、図３のｔ１付近の位相で、時間方向を拡大した動作波形図を示しており、この期間においてはＶＡＣはほぼ＋１４１Ｖとなる。
（ア）は駆動回路２４からのオンオフ信号Ｓｇ、（イ）は双方向スイッチング素子２３の端子間電圧ＶＳＷ、（ウ）は双方向スイッチング素子２３に流れる電流ＩＳＷの波形を示している。
【００２６】
ｔ３において、駆動回路２４によって双方向スイッチング素子２３がターンオンすると、ＶＳＷは零となり、加熱コイル２１と共振コンデンサ２２による共振回路が形成される。
【００２７】
共振によって発生する電流により、双方向スイッチング素子２３には、最大６０Ａの電流が流れ、その後更に加熱コイル２１と共振コンデンサ２２の共振により共振電流波形がＩＳＷに流れ込み、ｔ４において再びＩＳＷが零となる。
【００２８】
本実施例において、駆動回路２４はｔ４においてＩＳＷが零になったことを検知して、再び双方向スイッチング素子２３をオフとし、その後はＶＡＣとは逆向きの電圧、すなわちＶＳＷ＜０が双方向スイッチング素子２３に印加された後、ＶＡＣと同じ向きの電圧ＶＳＷ＞０に転じるものとなる。
【００２９】
このような動作を繰り返すことにより、加熱コイル２１に高周波電流が供給されるものとなる。
【００３０】
図５は、図３のｔ２付近の位相で、時間方向を拡大した動作波形図を示しており、この期間においてはＶＡＣはほぼ−１４１Ｖとなる。
（ア）は駆動回路２４からのオンオフ信号Ｓｇ、（イ）は双方向スイッチング素子２３の端子間電圧ＶＳＷ、（ウ）は双方向スイッチング素子２３に流れる電流ＩＳＷの波形を示している。
【００３１】
ｔ６において、駆動回路２４によって双方向スイッチング素子２３がターンオンすると、ＶＳＷは零となり、加熱コイル２１と共振コンデンサ２２による共振回路が形成される。
【００３２】
共振によって発生する電流により、双方向スイッチング素子２３には、絶対値の最大時ＩＳＷ＝−６０Ａの電流が流れ、その後更に加熱コイル２１と共振コンデンサ２２の共振により共振電流波形がＩＳＷに流れ込み、ｔ７において再びＩＳＷが零となる。
【００３３】
本実施例において、駆動回路２４はｔ７においてＩＳＷが零になったことを検知して、再び双方向スイッチング素子２３をオフとし、その後はＶＡＣとは逆向きの電圧、すなわちＶＳＷ＞０が双方向スイッチング素子２３に印加された後、ＶＡＣと同じ向きの電圧ＶＳＷ＜０に転じるものとなる。
【００３４】
このような動作を繰り返すことにより、加熱コイル２１に高周波電流が供給されるものとなる。
【００３５】
以上のように、交流電源２５の出力電圧ＶＡＣの瞬時値が正負にかかわらず、加熱コイル２１に高周波電流が供給されることにより、負荷３０であるホーロー鍋の底には２５ｋＨｚの高周波電流が流れ、１２００Ｗの誘導加熱が行われるものとなる。
【００３６】
本実施例においては、ｔ４およびｔ７においてＩＳＷが零となる時点で、駆動回路２４が双方向スイッチング素子２３をターンオフすることから、ターンオフ時における電圧の跳ね上がりが双方向スイッチング素子２３に印加されることがなく、ノイズの発生も抑えられるものとなる。
【００３７】
また、ｔ４からｔ５の期間、およびｔ７からｔ８の期間は、ＶＡＣの極性に対して逆方向の電圧、すなわちチョークコイル２９への回生電圧が発生するものとなるため、負荷３０が比較的小さい場合、例えば直径８０ｍｍのホーローのポットなどでも、オフ期間Ｔｏｆｆが長くとも、供給されたパワーは適度に回生されることになり、ＩＳＷが過大となることなく、安定に動作させることができるものとなる。
【００３８】
なお、ターンオフのタイミングが双方向スイッチング素子２３に流れる電流が零となる点からずれた場合には、跳ね上がり電圧が双方向スイッチング素子２３に印加されるものとなるため、それが問題となる場合には、例えば抵抗とコンデンサを直列に接続して構成したスナバ回路などを双方向スイッチング素子２３と並列に接続し、跳ね上がり電圧を抑えることもできるが、その場合には損失が発生するものとなる。
【００３９】
しかし、ＩＳＷが零となるタイミング付近でオフされるように設計することにより、その損失は僅かなものに抑えられ、スナバ回路の形状も小さく、低コストで済み、効率的にも十分なものが得られるものとなる。
【００４０】
（実施例２）
図６は、本発明の第３の実施例における、鍋を加熱する誘導加熱装置の要部となる双方向スイッチング素子３６の詳細回路図を示しており、シリコン半導体によるＭＯＳＦＥＴ４１と、並列に接続されたダイオード４２によって構成したスイッチング素子４３、同様にシリコン半導体によるＭＯＳＦＥＴ４４と、並列に接続されたダイオード４５によって構成したスイッチング素子４６が使用されており、スイッチング素子４３、４６のゲート端子Ｇとソース端子Ｓはいずれも共通に接続された上で、駆動回路３７に接続されているものとなっている。
【００４１】
スイッチング素子４３のドレイン端子Ｄは端子Ａとして、またスイッチング素子４６のドレイン端子Ｄは端子Ｂとして双方向スイッチング素子３３の両端子となっている。
【００４２】
駆動回路３７からの出力電圧ＶＧＳが２０ボルトとなると、ＭＯＳＦＥＴ４１、４４は共にオンとなり、ＶＧＳが０ボルトとなると、共にオフの状態となる。
【００４３】
オンの場合、Ａ端子の電位が高い場合には、電流がＭＯＳＦＥＴ４１のドレインＤからソースＳに流れ、ダイオード４５を経てＢ端子に達し、逆にＢ端子の電位が高い場合には、電流がＭＯＳＦＥＴ４４のドレインＤからソースＳに流れ、ダイオード４２を経てＡ端子に達するものとなる。
【００４４】
またオフの場合には、Ａ端子が高電位の場合は、ＭＯＳＦＥＴ４１のドレインＤとソースＳ間に順方向の阻止電圧が加わるものとなり、Ｂ端子が高電位の場合は、ＭＯＳＦＥＴ４４のドレインＤとソースＳ間に順方向の阻止電圧が加わるものなる。
【００４５】
したがって、双方向スイッチング素子として動作するものとなる。
【００４６】
その他の部分の回路図については、図１と同等のものである。
【００４７】
本実施例において、駆動回路３７の動作は、実施例１とは若干異なり、双方向スイッチング素子３６をオンした後、双方向スイッチング素子３６の電流ＩＳＷが次の次に零となる点付近で、双方向スイッチング素子３６をオフさせるものとなっている。
【００４８】
図７は、本実施例の誘導加熱装置が１０００Ｗの入力パワーで負荷３０を誘導加熱している場合の、交流電源２５の電圧ＶＡＣがほぼ＋１４１Ｖとなる期間で、時間方向を拡大した動作波形図を示しており、（ア）は駆動回路３７からの出力電圧ＶＧＳ、（イ）は双方向スイッチング素子２３の端子間電圧ＶＳＷ、（ウ）は双方向スイッチング素子３６に流れる電流ＩＳＷの波形を示している。
【００４９】
ｔ９において、駆動回路３７によって双方向スイッチング素子３６がターンオンすると、ＶＳＷは零となり、加熱コイル２１と共振コンデンサ２２による共振回路が形成される。
【００５０】
共振によって発生する電流により、双方向スイッチング素子３６には、絶対値が最大６０Ａの＋電流が流れ、その後更に加熱コイル２１と共振コンデンサ２２の共振により共振電流波形がＩＳＷとして供給、ｔ１０において再びＩＳＷが零となる。
【００５１】
その後さらに共振により、ＩＳＷ＜０の期間が到来し、その絶対値は最大で１５Ａにまで達するものとなる。
【００５２】
本実施例において、駆動回路３７はｔ１１においてＩＳＷが零になった時点、すなわちオンした後ＩＳＷが次の次に零となったことを検知して、再び双方向スイッチング素子３６をオフとする。
【００５３】
このような動作を繰り返すことにより、加熱コイル２１に２５ｋＨｚの高周波電流が供給されるものとなる。
【００５４】
図８は、交流電源２５の電圧ＶＡＣがほぼ−１４１Ｖとなる期間で、時間方向を拡大した動作波形図を示しており、（ア）は駆動回路３７からの出力電圧ＶＧＳ、（イ）は双方向スイッチング素子３６の端子間電圧ＶＳＷ、（ウ）は双方向スイッチング素子３６に流れる電流ＩＳＷの波形を示している。
【００５５】
ｔ１２において、駆動回路３７によって双方向スイッチング素子３６がターンオンすると、ＶＳＷは零となり、加熱コイル２１と共振コンデンサ２２による共振回路が形成される。
【００５６】
共振によって発生する電流により、双方向スイッチング素子３６には、絶対値が最大６０Ａの−電流が流れ、その後更に加熱コイル２１と共振コンデンサ２２の共振により共振電流波形がＩＳＷとして供給、ｔ１３において再びＩＳＷが零となる。
【００５７】
その後さらに共振により、ＩＳＷ＞０の期間が到来し、その絶対値は最大で１５Ａにまで達するものとなる。
【００５８】
本実施例において、駆動回路３７はｔ１４においてＩＳＷが零になった時点、すなわちオンした後ＩＳＷが次の次に零となったことを検知して、再び双方向スイッチング素子３６をオフとする。
【００５９】
このような動作を繰り返すことにより、加熱コイル２１に２５ｋＨｚの高周波電流が供給されるものとなる。
【００６０】
以上の様に、本実施例においては、ｔ１０からｔ１１までの期間、およびｔ１３からｔ１４までの期間は、双方向スイッチング素子３６がオン期間となっているため、チョークコイル２９への回生電圧は発生しないものとなる。
【００６１】
したがって加熱パワーに対し、加熱コイル２１とチョークコイル２９間のパワーの往復がない分、ムダなく動作するものとなり、低損失、高効率の誘導加熱装置を実現することができるものとなる。
【００６２】
なお、実施例１と実施例２は、いずれも負荷として鍋を加熱する誘導加熱装置としているが、特に負荷は鍋に限るものではなく、加熱コイルに磁気結合して誘導加熱されるあらゆる種類のものが負荷となりうるものである。
【００６３】
また、駆動回路が双方向スイッチング素子をオフさせるタイミングを負荷の種類、入力パワー（加熱パワー）などによって変化させてもよく、例えば負荷の直径が小さい鉄鍋の場合などには、ＩＳＷの次の零点付近とし、ステンレス鍋の高入力パワー時には、ＩＳＷの次の次の零点付近とするなど、設計に応じて切り換えても良い。
【００６４】
このようなターンオフのタイミングを検知する方法も自由であり、双方向スイッチング素子に流れる電流を直接検知する方法以外にも、例えば加熱コイルに流れる電流の波形を検知して、その零点から所定の時間の後に所定の遅延時間を設けてその後に、駆動回路から双方向スイッチング素子をターンオフさせてもよく、その場合にも上記遅延時間を適切な値に設計することによって、双方向スイッチング素子をターンオフするタイミングを、次の零点付近、あるいは次の次の零点付近などに合わせることができ、また負荷の種類やパワーなどがかなり変化しても、対応することができるものとなる。
【００６５】
（実施例３）
図９は、本発明の第３の実施例における誘導加熱調理器の断面図を示している。
【００６６】
図９において、１００Ｖ６０Ｈｚの交流電源をとるため、電源プラグ１０１から電源コード１０２が、誘導加熱装置１０３に接続されている。
【００６７】
本実施例においては、誘導加熱装置１０３は、ちょうど実施例１と同等の構成となっているが、図１に示す加熱コイル２１のみを省いた状態にあるものとなっていて、図９の加熱コイル１０４が、その代わりに接続されている。
【００６８】
加熱コイル１０４の下側には、放射状にフェライトコア１０５が８本設けられている。
【００６９】
誘導加熱装置１０３の動作と停止、および加熱パワーを変化させるための操作部１０６を接続している。
【００７０】
セラミック製のトッププレートが、加熱コイル１０４の上側に設けられており、鉄やステンレスなどの鍋である負荷１０８を誘導加熱するものとなっている。
【００７１】
以上の構成により、負荷１０８が誘導加熱されるが、特に本実施例においては、電源プラグから導かれた交流電源をダイオードブリッジなどによる整流を行うことなしに、双方向スイッチング素子２３による直接の高周波電流への変換によって加熱コイル１０４が誘導加熱動作を行うことから効率が高いという効果を得ているものである。
【００７２】
（実施例４）
図１０は、本発明の第４の実施例における炊飯器の要部の構成図を示している。
【００７３】
図１０において、外コイル２０１と内コイル２０２は、それぞれリッツ線を９ターンずつ巻いて構成したもので、外コイル２０１と内コイル２０２は直列に接続されて加熱コイル２０３としている。
【００７４】
特に外コイル２０１は、平板状ではなく、特に外側が上にせりあがった形状となっている。
【００７５】
フェライトコア２０４は、加熱コイル２０３の下方に放射状に８本設けられており、加熱コイル２０３の磁界を有効に利用して高効率の誘導加熱動作が行われるものとなっている。
【００７６】
負荷２０５は、外側に磁性ステンレス層、内側にアルミ層を有し、中に米と水を適量入れて加熱することにより、飯が炊けるものとなっている。
【００７７】
また、このような加熱コイル２０３構成、フェライトコア２０４の配置、および負荷２０５の形状としたことにより、負荷２０５の加熱パワーの分布が良くなり、加熱による水の対流が程良く得られ、非常に美味な飯を炊くことができるものとなる。
【００７８】
加熱コイル２０３は、例えば図１に示した実施例１の誘導加熱装置の加熱コイル２１に代わって接続されるものであり、交流電源をダイオードブリッジなどによる整流を行うことなしに、双方向スイッチング素子２３による直接の高周波電流への変換によって加熱コイル２０３が誘導加熱動作を行うことから効率が高いという効果を得ているものである。
【００７９】
【発明の効果】
以上のように、本発明は高効率で構成の簡単な誘導加熱装置が実現されるものとなる。
【００８０】
また、高効率で構成の簡単な誘導加熱調理器と炊飯器を実現するものとなる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例１における誘導加熱装置の回路図
【図２】同、チョークコイルの構成図
【図３】同、動作波形図
【図４】同、ｔ１付近を拡大した動作波形図
【図５】同、ｔ２付近を拡大した動作波形図
【図６】本発明の実施例２における誘導加熱装置の要部回路図
【図７】同、ＶＡＣ＝＋１４１Ｖ付近を拡大した動作波形図
【図８】同、ＶＡＣ＝−１４１Ｖ付近を拡大した動作波形図
【図９】本発明の実施例５における誘導加熱調理器の断面図
【図１０】本発明の実施例６における炊飯器の要部構成図
【図１１】従来の技術における誘導加熱装置の回路図
【符号の説明】
２１、１０４、２０３加熱コイル
２２共振コンデンサ
２３、３６双方向スイッチング素子
２４、３７駆動回路
２５交流電源
２９チョークコイル
３１センダストコア
１０３誘導加熱装置

Claims

交流電源から電力を入力するものであって、加熱コイルと共振コンデンサの直列回路と、前記加熱コイルと共振コンデンサの直列回路に並列接続した双方向スイッチング素子と、前記双方向スイッチング素子をオンオフする駆動回路と、チョークコイルを有し、前記チョークコイルは前記双方向スイッチング素子と前記交流電源の間に設け、前記駆動回路は、双方向スイッチング素子をオンした後、前記双方向スイッチング素子をオフさせるタイミングとして、前記双方向スイッチング素子の電流が次に零となる点付近と次の次に零となる点付近に切り替える誘導加熱装置。
双方向スイッチング素子は、ＳｉＣ半導体を用いた請求項１記載の誘導加熱装置。
請求項１または請求項２のいずれかに記載の誘導加熱装置を有する誘導加熱調理器。
請求項１または請求項２のいずれかに記載の誘導加熱装置を有する炊飯器。