JP4015598B2

JP4015598B2 - 高周波加熱装置

Info

Publication number: JP4015598B2
Application number: JP2003278578A
Authority: JP
Inventors: 治雄末永; 英明守屋; 久森川; 伸一酒井; 誠三原; 信夫城川
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2003-07-23
Filing date: 2003-07-23
Publication date: 2007-11-28
Anticipated expiration: 2023-07-23
Also published as: JP2005044670A

Description

本発明は、電子レンジ等のマグネトロンを備えた機器に用いて好適な高周波加熱装置に関する。

従来、上述した高周波加熱装置には、商用電源が入力される入力側の電流をカレントトランスにて検出し、当該入力電流が所定値になるように半導体スイッチング素子のオン／オフ制御でマグネトロンの電磁波出力を一定に制御する構成を採ったもの（例えば、特許文献１参照）が提案されている。なお、特許文献１で開示された高周波加熱装置では入力電流の検出にカレントトランスを使用しているが、このカレントトランスに代わってシャント抵抗を使用した高周波加熱装置も知られている。
特開平８−９６９４７号公報（第７頁、図１）

しかしながら、入力電流の検出にシャント抵抗を用い、さらに入力電流一定制御のための基準値の生成に定電圧ダイオード（ツェナーダイオード）を用いている高周波加熱装置にあっては、ツェナーダイオードが温度特性を有していることから、調理時間経過に伴う雰囲気温度（回路周辺の温度）の上昇によって上述した基準電圧（すなわち入力電流）を増加させてしまう。この基準電圧の増加に対し、シャント抵抗は、一般的に安定した温度特性のものが用いられており、そのため、入力電流は一定に制御されず、基準電圧に追従して増加していくという問題がある。

また、カレントトランスについても、温度特性は設計段階で一義的に決まってしまうため、同様の問題が有る。

ここで、図５はツェナー電圧温度係数の一例を示す図である。この図において、横軸がツェナー電圧（Ｖｚ）であり、縦軸がツェナー電圧温度係数γｚ（％／℃）である。この例では約５Ｖを中心に±方向に変化している。なお、周知のようにツェナー電圧Ｖｚはチップ接合部の温度変化により変化し、その変化率即ちツェナー電圧温度係数γｚは次式で表すことができる。

γｚ＝△Ｖｚ／△Ｔｊ
但し、△Ｖｚ：ツェナー電圧変化分、
△Ｔｊ：接合部温度（自己発熱温度＋周囲温度）変化分
実際のツェナー電圧温度係数γｚ（周囲温度Ｔ₁〜Ｔ₂）は一般的に次式で算出できる。

γｚ＝[(Ｖｚ(Ｔ₂)−Ｖｚ(Ｔ₁))/(Ｖｚ(２５℃)｜Ｔ₂−Ｔ₁｜)]×１００
また、図６は、温度変化に伴う基準値ＲＥＦとシャント抵抗値との関係を示す図である。この図において、横軸が雰囲気温度Ｔａ（℃）であり、縦軸が電圧及び抵抗値である。雰囲気温度Ｔａが高くなると、基準値ＲＥＦがツェナー電圧の上昇とともに増加するが、シャント抵抗の値は、既述したように、安定した温度特性のものが用いられていて、ほぼ一定である。

従って、基準値ＲＥＦが雰囲気温度Ｔａの上昇に伴って増加すると、上記したとおり、シャント抵抗の値がほぼ一定であることから、基準値の増加に追従して入力電流Ｉ_inも増加してしまい、入力電流一定制御が困難になる。

また、図７は雰囲気温度Ｔａと入力電流Ｉ_inとの関係を示す図である。この図において、横軸が経過時間ｔ（ｓｅｃ）であり、縦軸が温度（℃）及び電流（Ａ）である。

点線で示すように、雰囲気温度Ｔａが変化しても入力電流Ｉ_inは一定であることが理想であるが、上述したように基準値ＲＥＦが雰囲気温度の上昇に伴って増加することから、入力電流Ｉ_inは、実線で示すように雰囲気温度Ｔａに追従して、増加してしまう。また半導体素子やマグネトロン等はその損失増大による異常温度上昇から破壊等を招く場合もある。

本発明は係る点に鑑みてなされたもので、調理時間経過に伴い、雰囲気温度が変化しても入力電流を一定に保つ、マグネトロンに対して精度の良い高周波発振制御を行い、また半導体素子やマグネトロン等の異常温度上昇による破壊を防止することができる高周波加熱装置を提供することを目的とする。

前記課題を解決するために本発明の高周波加熱装置は、少なくともプリント基板上に、商用電源よりインバータ電源電圧を生成する整流平滑部と、半導体スイッチング素子を含みこの半導体スイッチング素子をオン／オフすることにより前記整流平滑部からの電力を高周波電力に変換するインバータ部と、前記整流平滑部から前記インバータ部に流入する入力電流を検出するためのシャント抵抗と、前記商用電源に整流用ダイオードを介して接続した抵抗と電圧が温度に依存する電圧温度特性を有するツェナーダイオードとで分圧生成されるツェナー電圧を直流電源とする直流電源部と、前記直流電源部にて生成された直流電源の電圧値と前記直流電源部の整流用ダイオードを介して取り出した直流出力とを比較して前記入力電流を一定に制御するための基準値を生成する基準値生成部と、前記基準値生成部にて生成された基準値と前記シャント抵抗により検出された入力電流情報とが等しくなるように、前記インバータ部の半導体スイッチング素子のオン／オフを制御する制御部とを具備する高周波加熱装置であって、
前記シャント抵抗は、その抵抗値が温度に依存する抵抗温度特性を有しており、かつ、プリント基板上で前記ツェナーダイオードの配置場所の温度雰囲気に近い温度雰囲気の場所に配置され、前記高周波加熱装置内の雰囲気温度が変化するとき、前記シャント抵抗の抵抗値が前記ツェナーダイオードのツェナー電圧と同じように変化し、前記基準値及び前記入力電流情報がともに同じだけ変化することを特徴とする。

この構成によれば、雰囲気温度の上昇によりツェナー電圧が増加して基準値が増加しても、その増加に追従してシャント抵抗の値が増加して基準値の増加量を相殺するため、入力電流を一定に制御することが可能になる。したがって、雰囲気温度が上昇しても入力電流を一定に保つ、マグネトロンに対して精度の良い高周波発振制御を行うことが可能となる。また、シャント抵抗をツェナーダイオードの実装場所と同じ温度雰囲気の場所に実装するので、回路設計上でシャント抵抗をツェナーダイオードの近傍に配置できない場合でも入力電流と基準値との相関誤差を最小限に抑えることが可能となる。

また、本発明の高周波加熱装置は、上記発明の高周波加熱装置において、前記シャント抵抗が、プリント基板上で前記ツェナーダイオードの近傍に配置されるものとしても良い。

この構成によれば、シャント抵抗とツェナーダイオードが同じ温度雰囲気中に置かれるので、入力電流と基準値との相関誤差を最小限に抑えることが可能となる。

本発明に係る発明の高周波加熱装置によれば、入力電流を検出するためのシャント抵抗にツェナーダイオードの温度特性と同じか又は近い温度特性を持つものを用いたので、雰囲気温度の上昇によりツェナー電圧が変化して基準値に変化が生じてもその変化に追従してシャント抵抗の値が変化することから、入力電流と基準値との相関誤差を最小限に抑えることができ、これによってマグネトロンに対し精度の良い高周波発振制御を行うことが可能となる。

更に、シャント抵抗をツェナーダイオードと同じ温度環境下におけば、入力電流と基準値との相関誤差を更に最小限に抑えることができる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。

図１は、本発明の一実施の形態に係る高周波加熱装置の構成を示す回路図である。

図１において、本実施の形態に係る高周波加熱装置は、電源部１と、整流平滑部２と、インバータ部３と、高圧整流回路４と、マグネトロン８と、電源部１に接続したシャント抵抗１０２から入力電流Ｉ_inを検出するための入力電流検出部５と、入力電流Ｉ_inの誤差を検出するための基準値を生成する基準値生成部６と、基準値に対する入力電流Ｉ_inの誤差を元にインバータ部３を制御する制御部７とを不図示のプリント基板上に備えている。

整流平滑部２は、商用電源２０からの交流電源を全波整流するダイオードブリッジ１０１と、ダイオードブリッジ１０１の負出力側端子に対し直列に介挿され、入力電流Ｉ_inを検出するためのシャント抵抗１０２とフィルタ用のチョークコイル１１０と平滑コンデンサ１０９とを備えており、インバータ部３を動作させる直流電源を生成している。

電源部１は、制御部７と後述するトランジスタ２０３を駆動するための電源を生成するために、整流用ダイオード１１１，１１２と、セメント抵抗１０３及びツェナーダイオード１０４と、アルミ電解コンデンサ１０５と、基準値生成部６に与える直流電圧を生成するための抵抗１０６、ツェナーダイオード１０７及びコンデンサ１０８とを備えている。
なお、本発明では、上記の電源部１のうち、ツェナーダイオード１０４，１０７を含んで直流電源（２０Ｖ，１２Ｖ）を生成する回路部を直流電源部と称している。また直流電源部は、インバータ部を含む主基板とは別基板として形成し、主基板上の基準値生成部へ直流電源を供給するようにしてもよい。

セメント抵抗１０３と、ツェナーダイオード１０４及びアルミ電解コンデンサ１０５は直列に接続されている。抵抗１０６は、その一端がツェナーダイオード１０４のカソード側に接続され、他端がツェナーダイオード１０７のカソード側に接続されている。ツェナーダイオード１０７は、そのカソードが上述した抵抗１０６の他端に接続されて、アノードがツェナーダイオード１０４のアノードと共に接地されている。コンデンサ１０８はツェナーダイオード１０７に並列接続されている。

インバータ部３は、共振コンデンサ２０１と、トランジスタ２０３と、転流ダイオード２０４とから構成される。トランジスタ２０３は、制御部７より与えられる２０〜５０ｋＨｚのスイッチング制御信号によってスイッチング動作する。これにより、昇圧トランス２０２の一次巻線には高周波電圧が発生する。なお、トランジスタ２０３は、主に転流ダイオード２０４と一体に形成されて、ＩＧＢＴ(Insulated Gate Bipolar Transistor)２０５と呼ばれており、本願ではこのＩＧＢＴ２０５を使用しているが、他の半導体スイッチング素子を用いても同様の効果が得られる。

高圧整流回路４は、コンデンサ３０１及び３０２と、ダイオード３０３及び３０４とから構成されており、昇圧トランス２０２の二次巻線で発生した電圧を両波倍電圧整流することで高圧直流電圧を発生しマグネトロン８に印加する。マグネトロン８には昇圧トランス２０２のヒータ巻線からヒータ用の交流電圧も印加される。マグネトロン８は、ヒータ用の交流電圧が印加されることで陰極が傍熱されてエミッション可能な状態となり、この状態で高圧直流電圧が印加されると電磁波エネルギーを発生する。

基準値生成部６は、電源部１より入力される電圧を分圧してオペアンプ６０１の非反転入力端に印加する電圧を生成する抵抗６０２及び６０３と、電源部１の直流出力を取り出すための抵抗６０４，６０５及びアルミ電解コンデンサ６０６と、オペアンプ６０１の動作定数を決定する抵抗６０７，６０８と、オペアンプ６０１の出力を取り出すためのスイッチ６０９と、スイッチ６０９で取り出されたオペアンプ６０１の出力を波形整形する抵抗６１０とコンデンサ６１１からなる積分回路と、を備えている。スイッチ６０９の切り替え時間は、高周波出力設定によるデューティ比によって変化する。

制御部７は、基準値生成部６からの基準値ＲＥＦと入力電流検出部５で検出された入力電流Ｉ_inとを比較し、基準値ＲＥＦ＝Ｉ_in×Ｒになるように制御する。そして、制御部７からの信号にてインバータ部３のトランジスタ２０３がオン／オフ制御される。このように、整流平滑部２で商用電源２０を単方向電圧に変換し、それをインバータ部３で高周波電圧に変換して昇圧トランス２０２で昇圧した後、再度高圧整流回路４で倍電圧整流して高圧の直流電圧に変換し、マグネトロン８を駆動する。

ここで、本発明の特長的な構成は、整流平滑部２のシャント抵抗１０２が、ツェナーダイオード１０７の温度特性に近似した温度特性を有するものであり、雰囲気温度の上昇によってツェナーダイオード１０７のツェナー電圧に増加が生じて基準値ＲＥＦが増加すると、シャント抵抗１０２の抵抗値Ｒもそれに近似して増加する。したがって、雰囲気温度が上昇してもマグネトロン８に対して精度の良い高周波発振制御が行われる。

ここで、図２は、本実施の形態によるシャント抵抗１０２の抵抗値Ｒと基準値ＲＥＦとの関係を示す図である。雰囲気温度Ｔａ（℃）の上昇とともにツェナーダイオード１０７のツェナー電圧が高くなって、基準値ＲＥＦが増加するが、シャント抵抗１０２の抵抗値も同じように増加し、検出される入力電流情報（Ｉ_in×Ｒ）も増加するので、制御部７によってこの入力電流情報を基準値ＲＥＦとを比較して追従制御するため、図３の雰囲気温度Ｔａと入力電流Ｉ_inとの関係図に示すように、雰囲気温度Ｔａが上昇しても入力電流Ｉ_inが一定になる。すなわち、基準値ＲＥＦの増加分をシャント抵抗１０２の抵抗値Ｒで同じように補えばＩ_inは一定にできる。

また、シャント抵抗１０２は、ツェナーダイオード１０７が実装されるプリント基板上の近傍に配置される。すなわち、ツェナーダイオード１０７と同じ温度雰囲気となる位置に配置される。図４は、実装の一例を示す図であり、プリント基板８上のセメント抵抗１０３及び放熱板２０６に搭載されるＩＧＢＴ２０５が実装される領域にシャント抵抗１０２とツェナーダイオード１０７が実装されている。この図に示す例では近傍とは言えないが、シャント抵抗１０２はＩＧＢＴ２０５の発熱による熱雰囲気中にあり、ツェナーダイオード１０７はセメント抵抗１０３の発熱による熱雰囲気中にあり、同じような熱環境にあると言える。当然ながら、回路設計上許されるのであれば、シャント抵抗１０２をツェナーダイオード１０７の直近に配置することで、全く同じ温度環境に置くことができる。

このように、本実施の形態に係る高周波加熱装置によれば、入力電流Ｉ_inを検出するためのシャント抵抗１０２として、基準値ＲＥＦを生成するために用いられるツェナーダイオード１０７の温度特性と同じか又は近い温度特性を持つものを用いたので、雰囲気温度の上昇に伴ってツェナー電圧増加による基準値ＲＥＦの増加が生じても、シャント抵抗１０２の温度特性がツェナーダイオード１０７の温度特性に近似するかたちで抵抗値が増加するので、入力電流と基準値との相関誤差を最小限に抑えることができる。すなわち入力電流を一定に制御でき、マグネトロン４に対し精度の良い高周波発振制御が可能となる。

さらに、シャント抵抗１０２をツェナーダイオード１０７の近傍に配置することで、入力電流誤差情報の誤差を更に最小限に抑えることができる。

本発明の一実施の形態に係る高周波加熱装置の構成を示す回路図である。図１の高周波加熱装置における基準値ＲＥＦとシャント抵抗の値との関係を示す図である。図１の高周波加熱装置における雰囲気温度Ｔａと入力電流Ｉ_inとの関係を示す図である。図１の高周波加熱装置の各部品が実装されたプリント基板の一部分を示す図である。ツェナーダイオードの温度特性の一例を示す図である。従来の高周波加熱装置における基準値ＲＥＦとシャント抵抗の値との関係を示す図である。従来の高周波加熱装置における雰囲気温度Ｔａと入力電流Ｉ_inとの関係を示す図である。

符号の説明

１単方向電源部
２インバータ部
３高圧整流回路
４マグネトロン
５入力電流検出部
６基準値生成部
７制御部
２０商用電源
１０１ダイオードブリッジ
１０２シャント抵抗
１０３セメント抵抗
１０４、１０７ツェナーダイオード
２０５ＩＧＢＴ

Claims

少なくともプリント基板上に、商用電源よりインバータ電源電圧を生成する整流平滑部と、
半導体スイッチング素子を含みこの半導体スイッチング素子をオン／オフすることにより前記整流平滑部からの電力を高周波電力に変換するインバータ部と、
前記整流平滑部から前記インバータ部に流入する入力電流を検出するためのシャント抵抗と、
前記商用電源に整流用ダイオードを介して接続した抵抗と電圧が温度に依存する電圧温度特性を有するツェナーダイオードとで分圧生成されるツェナー電圧を直流電源とする直流電源部と、
前記直流電源部にて生成された直流電源の電圧値と前記直流電源部の整流用ダイオードを介して取り出した直流出力とを比較して前記入力電流を一定に制御するための基準値を生成する基準値生成部と、
前記基準値生成部にて生成された基準値と前記シャント抵抗により検出された入力電流情報とが等しくなるように、前記インバータ部の半導体スイッチング素子のオン／オフを制御する制御部と
を具備する高周波加熱装置であって、
前記シャント抵抗は、その抵抗値が温度に依存する抵抗温度特性を有しており、かつ、プリント基板上で前記ツェナーダイオードの配置場所の温度雰囲気に近い温度雰囲気の場所に配置され、
前記高周波加熱装置内の雰囲気温度が変化するとき、前記シャント抵抗の抵抗値が前記ツェナーダイオードのツェナー電圧と同じように変化し、前記基準値及び前記入力電流情報がともに同じだけ変化することを特徴とする高周波加熱装置。
前記シャント抵抗が、プリント基板上で前記ツェナーダイオードの近傍に配置されることを特徴とする請求項１記載の高周波加熱装置。