JP3997898B2 - 誘導加熱調理器 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、一般家庭やオフィス、レストラン、工場等で使用される誘導加熱調理器に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
誘導加熱調理器では、誘導加熱コイルから高周波磁界が発生し、加熱コイル近傍に置かれた金属製の鍋等の被加熱体に電磁誘導によって渦電流が発生し、被加熱体が加熱される。このような原理のため、誘導加熱には鉄をはじめとする高抵抗率金属製の被加熱体が適している。
【0003】
しかしながら近年、誘導加熱調理器には、アルミ、銅等の低抵抗率金属製の鍋も誘導加熱できることが求められている。このような鍋を加熱するために、一般にはインバータの出力周波数を高めることで、被加熱体の表皮抵抗を増加させ、さらに加熱コイルのターン数を増加させると共に、インバータ電源を昇圧することで磁界を強める必要があった。
【0004】
また、インバータ電源にリプルが生じている場合には、加熱コイルと低抵抗率金属製の鍋間の反発力に起因して、リプル周波数に応じた不快音が発生するため、インバータ電源を平滑する必要があった。
【0005】
上記課題を解決するため(例えば、特許文献1参照)に開示された従来の誘導加熱調理器があった。図4は、従来の誘導加熱調理器の回路構成を示す図である。図において、電源1は商用電源であり、整流回路2によって整流され、第1の平滑コンデンサ3に伝達される。チョークコイル4は第2のスイッチング素子7の導通時にエネルギを蓄え、第2のスイッチング素子7が遮断された時に第1のダイオード6を通して第2の平滑コンデンサ12に蓄えたエネルギを放出する。すなわち、チョークコイル4、第2のスイッチング素子7、第1のダイオード6は、昇圧手段を構成している。
【0006】
また、第2のスイッチング素子7は、加熱コイル9と共振コンデンサ10の共振周波数で共振する共振電流を発生させ、被加熱体である鍋11に高周波磁界を供給し、誘導加熱する。第1のスイッチング素子5は、第2のスイッチング素子7が遮断期間中に、第2の平滑コンデンサ12に蓄えられたエネルギを加熱コイル9及び共振コンデンサ10に放出し、共振を継続させる。このように、第2の平滑コンデンサ12に一度エネルギを蓄えることにより、加熱コイル9及び共振コンデンサ10にかかる電圧及び流れる電流を平滑化することが可能となり、商用周波数で生じるリプルを軽減し、加熱コイル9と鍋11間の反発力による不快音を抑制することが出来る。
【0007】
【特許文献1】
特開2002−75620号公報
【0008】
【発明が解決しようとする課題】
前記従来の構成では、加熱時において加熱コイル9と鍋11間の反発力による不快音を抑制するためにインバータ電源を平滑する手段として、第2の平滑コンデンサ12を備えている。
【0009】
しかしながら、第2の平滑コンデンサ12の容量を非常に大きく設定すると、第2の平滑コンデンサ12の電圧に比べて、整流回路2整流後の低電位側に対する商用電源電圧が高くなる期間が短くなり、図5に示すように商用電源1からの歪んだ入力電流が第2の平滑コンデンサ12へ流入するために力率が低下していた。力率を改善するためには、図6に示すように、整流回路2整流後の高電位側と第1の平滑コンデンサ3高電位側間にチョークコイル14を設け、導通角を広げることが、簡易な構成でかつ有効な手段である。
【0010】
しかしながら、商用電源1からの歪んだ入力電流によるチョークコイル14での電圧降下は、インバータ出力によって異なるため、その結果、インバータ出力によって第1の平滑コンデンサ3電圧も変化し、インバータ出力の電源電圧補正や、低電圧検知を行うために従来行っていた、第1の平滑コンデンサ3電圧検知(図示せず)を安定して行うことが出来ない。
【0011】
また、第1の平滑コンデンサ3電圧の代わりに、整流回路2整流直後の電圧を検知した場合、商用電源1電圧ピークには整流回路2整流直後の電圧を精度良く検知できるが、商用電源1からの歪んだ入力電流が停止する時点において、整流回路2整流直後の電圧が不安定となるため、インバータを保護を目的とした整流回路2整流直後の電圧の急激な変化を検知する保護回路(図示せず)が誤動作する。
【0012】
また、図7に示すように、端子雑音対策のため、整流回路2整流後にコンデンサ15を設けた場合には、商用電源1からの歪んだ入力電流が停止する時点において、コンデンサ15と第1の平滑コンデンサ3の電位差を埋めるべく第1の平滑コンデンサ3からコンデンサ15へ電流が流れるが、それにより、第1の平滑コンデンサ3−チョークコイル14−コンデンサ15の閉回路で共振が生じるため、コンデンサ15電圧が大きく振動する。その結果、インバータ保護を目的とした整流回路2整流直後の電圧の急激な変化を検知する保護回路(図示せず)が誤動作する。このように、従来の構成であれば、上記のような電圧変動のため、第1の平滑コンデンサ3電圧または整流回路2整流直後の電圧検知を安定して行うことが出来ない。
【0013】
【課題を解決するための手段】
前記従来の課題を解決するために、本発明は、高周波磁界を発生し低抵抗率かつ低透磁率材質からなる被加熱体を加熱する加熱コイルに高周波電流を供給するインバータと、前記インバータの出力を制御する制御手段と、前記インバータ電源を平滑する平滑手段と、商用電源を整流して前記インバータ電源を供給する整流手段と、前記平滑手段の高電位側と前記整流手段の出力の高電位側とに接続したチョークコイルと整流器の直列接続体を備え、前記整流手段による整流直後の電圧を電圧検出手段により検知するとともに、前記制御手段は、前記電圧検出手段の検知結果に応じた前記インバータ出力の補正または停止制御を行う誘導加熱調理器とするものである。
【0014】
これによって、商用電源からの入力電流が歪んでおり、力率が低い状態においても、安定した電圧検知を行うことが可能な誘導加熱調理器を提供することが出来る。
【0015】
【発明の実施の形態】
請求項1に記載の発明は、高周波磁界を発生し低抵抗率かつ低透磁率材質からなる被加熱体を加熱する加熱コイルに高周波電流を供給するインバータと、前記インバータの出力を制御する制御手段と、前記インバータ電源を平滑する平滑手段と、商用電源を整流して前記インバータ電源を供給する整流手段と、前記平滑手段の高電位側と前記整流手段の整流出力の高電位側とに接続したチョークコイルと整流器の直列接続体を備え、前記整流手段の整流出力の電圧を電圧検出手段により検知するとともに、前記制御手段は、前記電圧検出手段の検知結果に応じて前記インバータ出力の補正または停止制御を行う誘導加熱調理器とするものである。
【0016】
特に、低抵抗率かつ低透磁率からなる被加熱体の誘導加熱時において、加熱コイルと被加熱体の反発力に起因する不快音を抑制するために、平滑手段容量を大きく設定した場合、商用電源からの入力電流が歪む影響により、上記従来の課題で説明したような整流手段整流直後の電圧の変動が発生する。
【0017】
しかしながら、請求項1に記載の発明によれば、コイルと直列に接続された整流器により、コイルのインバータ側から電源側へ流れる電流が制限されるため、コイルと平滑手段による共振などによる電圧変動が生じない。その結果、通常誘導加熱時における整流手段整流直後の電圧が安定し、インバータ出力の電源電圧補正や、低電圧検知を行うための電圧検知を安定して行うことが可能となる。
【0018】
また、インバータ保護を目的とした整流手段整流直後の電圧の急激な変化を検知する保護回路も誤動作することなく、正常な検知、保護制御を行うことが出来る。
【0019】
【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。
【0020】
(実施例1)
図1は、本実施例の誘導加熱調理器の回路構成を示す図である。
【0021】
電源16は低周波交流電源である200V商用電源であり、ブリッジダイオードである整流回路17の入力端に接続される。整流回路17の出力端間にはコンデンサ18が接続される。また、整流回路17の正極端子には、第1のチョークコイル19とダイオード20の直列接続体21が接続される。直列接続体21と整流回路17の負極端子間には、第1の平滑コンデンサ22と、さらに第2のチョークコイル23と第1のスイッチング素子24の直列接続体が接続される。加熱コイル25は被加熱体である鍋26と対向して配置されている。
【0022】
27はインバータであり、第2の平滑コンデンサ28の低電位側端子は整流回路17の負極端子に接続され、第2の平滑コンデンサ28の高電位側端子は第2のスイッチング素子29の高電位側端子(コレクタ)に接続され、第2のスイッチング素子29の低電位側端子(エミッタ)は第2のチョークコイル23と第1のスイッチング素子24の高電位側端子(コレクタ)との接続点に接続される。加熱コイル25と共振コンデンサ30の直列接続体が第1のスイッチング素子24に並列に接続される。第1のダイオード31は第1のスイッチング素子24に逆並列に接続(第1のダイオード31のカソードと第1のスイッチング素子24のコレクタとを接続)され、第2のダイオード32は第2のスイッチング素子29に逆並列に接続される。
【0023】
38は微分回路を内包する第1の電圧検出手段であり、コンデンサ18電圧の検知結果を制御手段33に出力する。また、39は微分回路を内包しない第2の電圧検出手段であり、同じくコンデンサ18電圧の検知結果を制御手段33に出力する。
【0024】
制御手段33は、第1のスイッチング素子24を駆動する第1の駆動手段35と、第2のスイッチング素子29を駆動する第2の駆動手段36に信号を出力する。また、制御手段33は、電源16からの入力電流を検知するカレントトランス34の検知信号を入力する。
【0025】
以上のように構成された誘導加熱調理器において、以下動作を説明する。電源16は整流回路17により全波整流され、第1のチョークコイル19及びダイオード20の直列接続体21を通して、第1の平滑コンデンサ22に供給される。この第1の平滑コンデンサ22はインバータ27に高周波電流を供給する供給源として働く。
【0026】
図2は上記回路における各部波形を示す図であり、鍋26の材質が低抵抗率金属であるアルミなどのものの場合である。
【0027】
図2(a)は第1のスイッチング素子24と第1のダイオード31に流れる電流を、同図(b)は第2のスイッチング素子29と第2のダイオード32に流れる電流を、同図(c)は第1のスイッチング素子24駆動制御端子(ゲート)電圧を、同図(d)は第2のスイッチング素子29駆動制御端子(ゲート)電圧を、同図(e)は加熱コイル25に流れる電流をそれぞれ示している。
【0028】
第1の駆動手段35は、制御手段33からの信号に基づき、時点t0から時点t1まで図2(c)に示すように第1のスイッチング素子24ゲートに駆動期間がT1(約24μ秒)である駆動信号を出力する。この駆動期間T1の間では第1のスイッチング素子24及び第1のダイオード31と、加熱コイル25と、共振コンデンサ30で形成される閉回路で共振し、鍋26がアルミ製などの鍋であるときの共振周期(1/f)が駆動期間T1の約2/3倍(約16μ秒)となるように加熱コイル25の巻き数(44T)と共振コンデンサ30の容量(0.03μF)と、駆動期間T1が設定されている。
【0029】
第2のチョークコイル23はこの第1のスイッチング素子24の駆動期間T1において、第1の平滑コンデンサ22の静電エネルギを磁気エネルギとして蓄える。
【0030】
次に、第1のスイッチング素子24に流れる共振電流の第2番目のピークと共振電流が次に零となる間のタイミングである時点t1、すなわち第1のスイッチング素子24の順方向に電流が流れている時点で第1のスイッチング素子24の駆動が停止される。
【0031】
第1のスイッチング素子24の遮断後、第1のスイッチング素子24のコレクタと接続された第2のチョークコイル23の端子電圧が立ち上がり、この電位が第2の平滑コンデンサ28の電位を越えると、第2のダイオード32を通して第2の平滑コンデンサ28に充電して、第2のチョークコイル23に蓄えた磁気エネルギを放出する。第2の平滑コンデンサ28の電圧は、整流回路17の出力電圧のピーク値よりも高くなるよう昇圧される。すなわち、第2のチョークコイル23、第1のスイッチング素子24及び第2のダイオード32によって昇圧手段37が構成され、第2の平滑コンデンサ28は昇圧手段37の出力を平滑する平滑手段となる。昇圧されるレベルは第1のスイッチング素子24の駆動期間に依存し、駆動期間が長くなると第2の平滑コンデンサ28に発生する電圧が高くなる傾向にある。
【0032】
このように、第2の平滑コンデンサ28−第2のスイッチング素子29あるいは第2のダイオード32−加熱コイル25−共振コンデンサ30で形成される閉回路で共振する際に直流電源として働く第2の平滑コンデンサ28の電圧レベルが昇圧されることにより、図2(a)で示す第1のスイッチング素子24に流れる共振電流の尖頭値、及び共振経路を変えて継続して共振する同図(b)の第2のスイッチング素子29に流れる共振電流の尖頭値が零とならないように、あるいは小さくならないようにして、高導電率で非磁性であるアルミなどの鍋を高出力で誘導加熱し、かつ出力を連続的に増減して制御するように出来る。
【0033】
また、図2(c)、(d)で示すように、第2の駆動手段36は、制御手段33からの信号に基づき、時点t1から両スイッチング素子が同時遮断期間後の時点t2において、第2のスイッチング素子29ゲートに駆動信号を出力する。この結果、同図(b)に示すように加熱コイル25−共振コンデンサ30−第2のスイッチング素子29または第2のダイオード32−第2の平滑コンデンサ28とからなる閉回路に経路を変えて共振電流が流れることになる。この駆動信号の駆動期間T2は、この場合にはT1とほぼ同じ期間に設定されているので、第1のスイッチング素子24が導通していた場合と同様に、駆動期間T1の約2/3倍の周期の共振電流が流れる。
【0034】
従って、加熱コイル25に流れる電流は、図2(e)に示すような波形となり、第1及び第2のスイッチング素子24、29の駆動周期(T1とT2と同時遮断期間の和)は共振電流の周期の約3倍となり、第1及び第2のスイッチング素子24、29の駆動周波数が約20kHzであれば、加熱コイル25に流れる共振電流の周波数は約60kHzとなる。
【0035】
以上のように構成されることで、鍋26が低抵抗率の材質であっても、第1及び第2のスイッチング素子24、29のスイッチング損失を増加させることなく誘導加熱が可能であり、また鍋26材質が低抵抗率であることに起因して生じる不快音を、第1の平滑コンデンサ22及び第2の平滑コンデンサ28による電源平滑により抑えることが出来る。
【0036】
次に、インバータ27に電源を供給する構成の動作について図3に基づいて説明する。同図(a)は電源16からの入力電流を、同図(b)は電源16電圧を、同図(c)はコンデンサ18電圧を、同図(d)は第1の平滑コンデンサ22電圧を示している。本実施例の構成によると、第1の平滑コンデンサ22及び第2の平滑コンデンサ28により電源平滑を行っているために、電源16電圧に対して第1の平滑コンデンサ22電圧が低い期間T1にのみ、歪んだ入力電流が流れる。電源16電圧がピークから下がり始め、時点t1において歪んだ入力電流が停止すると、第1の平滑コンデンサ22電圧に対してコンデンサ18電圧が低くなるために、コンデンサ18を充電すべく、第1の平滑コンデンサ22から電流が流れようとする。
【0037】
しかしながら、ダイオード20によってこの電流が制限され、流れない。入力電流が流れない期間T2では、インバータ27への電源供給は第1の平滑コンデンサ22によって行われるため、コンデンサ18に蓄積されたエネルギは消費されず、コンデンサ18電圧は下降しない。電源16電圧が逆位相のピークとなるべく再び上昇し始め、コンデンサ18電圧を上回る時点t2において、コンデンサ18電圧は、電源16電圧に対して整流回路17の電圧分だけ低くなるよう充電され、ほぼ電源16電圧と同じ波形となる。
【0038】
一方、第1の平滑コンデンサ22は、インバータ27によって蓄積したエネルギを消費された結果、第1の平滑コンデンサ22電圧が徐々に下降して、時点t3においてコンデンサ18電圧を下回る。このとき、電源16から第1の平滑コンデンサ22を充電すべく入力電流が流れ始める。
【0039】
次に、コンデンサ18電圧を検知する第1の電圧検出手段38、第2の電圧検出手段39に関する動作について説明する。
【0040】
制御手段33は、電源16電圧のゼロ点でHiからLow、LowからHiに反転するゼロボルトパルス(回路など図示せず、以下ZVPと称す)に同期して、電源16電圧がほぼピークとなるタイミングで第2の電圧検出手段39からの信号を取り込む。制御手段33は、第2の電圧検出手段39の検知結果が、所定値以下であると判断すると、インバータ27部品に過大な負荷がかかることを抑制するため、制御手段33内部に保持しているインバータ27出力に関する上限値を下げるよう補正する。
【0041】
また第2の電圧検出手段39の検知結果が、さらに低く、インバータ27を動作させるのに不適切な電源状態であると判断した場合には、インバータ27を停止させる。
【0042】
また、制御手段33は、第1の電圧検出手段38からの信号を常にモニタする。第1の電圧検出手段38は微分回路を内包しているため、例えば、雷などによるサージや、電源16の瞬低、瞬断による電源16の急峻な電圧変化が生じた場合には検知結果を制御手段33に出力する。制御手段33は、第1の電圧検出手段38からの急峻な電圧変化の検知結果を受け取ると、検知に応じた制御を最優先に行う。本実施例では、インバータ27を所定期間停止させ、再度加熱開始する制御を行っている。
【0043】
第1の電圧検出手段38、第2の電圧検出手段39は、コンデンサ18の電圧が、電源16電圧ピークではほぼ電源16電圧と等しくなること、通常加熱時には急峻な電圧変化が生じないことから、安定した検知を行うことが可能となる。
【0044】
【発明の効果】
以上のように、本発明は、商用電源からの入力電流が歪んでおり、力率が低い状態においても、安定した電圧検知を行うことで電源電圧が変動しても低抵抗率の鍋に対し安定した加熱が可能な誘導加熱調理器を提供することが出来る。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の実施例1における誘導加熱調理器の回路構成を示す図
【図2】 同、各部波形を示す図
【図3】 同、各部波形を示す図
【図4】 従来の誘導加熱調理器の回路構成を示す図
【図5】 同、各部波形を示す図
【図6】 従来の誘導加熱調理器の回路構成を示す図
【図7】 従来の誘導加熱調理器の回路構成を示す図
【符号の説明】
16 電源
17 整流手段
19 第1のチョークコイル
20 ダイオード(整流器)
21 直列接続体
22 第1の平滑コンデンサ(平滑手段)
25 加熱コイル
26 鍋(被加熱体)
27 インバータ
28 第2の平滑コンデンサ(平滑手段)
33 制御手段
38 第1の電圧検出手段
39 第2の電圧検出手段
Claims (1)
- 高周波磁界を発生し低抵抗率かつ低透磁率材質からなる被加熱体を加熱する加熱コイルに高周波電流を供給するインバータと、前記インバータの出力を制御する制御手段と、前記インバータ電源を平滑する平滑手段と、商用電源を整流して前記インバータ電源を供給する整流手段と、前記平滑手段の高電位側と前記整流手段の整流出力の高電位側とに接続したチョークコイルと整流器の直列接続体を備え、前記整流手段の整流出力の電圧を電圧検出手段により検知するとともに、前記制御手段は、前記電圧検出手段の検知結果に応じて前記インバータ出力の補正または停止制御を行う誘導加熱調理器。
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