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JP2024072970A - Electromagnetic induction heating device - Google Patents

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JP2024072970A
JP2024072970A JP2022183897A JP2022183897A JP2024072970A JP 2024072970 A JP2024072970 A JP 2024072970A JP 2022183897 A JP2022183897 A JP 2022183897A JP 2022183897 A JP2022183897 A JP 2022183897A JP 2024072970 A JP2024072970 A JP 2024072970A
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JP
Japan
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inverter
induction heating
electromagnetic induction
heating device
lower arms
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Application number
JP2022183897A
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Japanese (ja)
Inventor
浩幸 庄司
Hiroyuki Shoji
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Hitachi Global Life Solutions Inc
Original Assignee
Hitachi Global Life Solutions Inc
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Publication date
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Abstract

To provide an electromagnetic induction heating device that can efficiently supply the desired power to a heated object.SOLUTION: An electromagnetic induction heating device includes a heating coil, a DC power supply, a step-down chopper circuit, and an inverter. The step-down chopper circuit includes: a first upper and lower arms being a series body of two switching elements; a step-down choke coil with one end connected to the output terminal of the first upper and lower arms; and a smoothing capacitor connected between the other end of the step-down choke coil and one end of the DC power supply. The inverter includes: second upper and lower arms being a series body of two switching elements; a heating coil with one end connected to the output terminal of the second upper and lower arms; a first resonant capacitor connected between the other end of the heating coil and one end of the smoothing capacitor; and a series body of a relay connected between the output terminal of the first upper and lower arms and the other end of the heating coil and a second resonant capacitor. The first upper and lower arms, when not operating as a part of the inverter, operates as a part of the step-down chopper circuit.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、金属鍋などの被加熱物に対し所望の電力を供給して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。 The present invention relates to an inverter-type electromagnetic induction heating device that supplies a desired amount of power to a heated object, such as a metal pot, to perform induction heating.

近年、火を使わずに金属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、加熱コイルに近接して配置された金属製の被加熱物(鍋など)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ものである。一般に、被加熱物が磁性体で固有抵抗が大きい鉄は加熱し易く、非磁性体で低抵抗の銅やアルミなどは加熱し難い。 In recent years, inverter-type electromagnetic induction heating devices that heat objects such as metal pots without using fire have come into widespread use. An electromagnetic induction heating device passes a high-frequency current through a heating coil, generating eddy currents in a metal object to be heated (such as a pot) placed close to the heating coil, causing the object to generate heat due to the electrical resistance of the object itself. In general, objects to be heated that are magnetic and have a high specific resistance, such as iron, are easy to heat, while non-magnetic objects with low resistance such as copper and aluminum are difficult to heat.

このような問題を解決する従来技術として、特許文献1に開示される誘導加熱装置がある。この装置は、同文献の図6に示されるように、降圧回路の出力である直流電圧を交流電圧に変換するインバータにより、被加熱物の状態、種類等に応じてインバータをフルブリッジ回路構成とハーフブリッジ回路構成を切り替え、アルミなどの非磁性材質の被加熱物を加熱する際には、フルブリッジ回路の一方のレグを回路から切り離しもう一方のレグのみを利用したハーフブリッジ回路を駆動して加熱コイルに電流を供給する。 As a conventional technique for solving such problems, there is an induction heating device disclosed in Patent Document 1. As shown in Figure 6 of the document, this device uses an inverter that converts the DC voltage output from a step-down circuit into AC voltage, and switches the inverter between a full-bridge circuit configuration and a half-bridge circuit configuration depending on the state and type of the object to be heated. When heating an object to be heated that is made of a non-magnetic material such as aluminum, one leg of the full-bridge circuit is disconnected from the circuit and a half-bridge circuit that uses only the other leg is driven to supply current to the heating coil.

特許第4910004号公報Patent No. 4910004

特許文献1では、高抵抗の磁性鍋を加熱する場合には、高周波インバータの回路方式と共振コンデンサの容量を切り替えるスイッチ(リレー)をオン状態にし、インバータをフルブリッジ回路方式に切り替えると共に、第一の共振コンデンサ(同文献の図1、符号12)と第二の共振コンデンサ(同、符号13)を利用して磁性鍋を誘導加熱する。 In Patent Document 1, when a high-resistance magnetic pot is heated, a switch (relay) that switches between the high-frequency inverter circuit type and the capacity of the resonant capacitor is turned on, the inverter is switched to a full-bridge circuit type, and the first resonant capacitor (Figure 1 of the same document, reference number 12) and the second resonant capacitor (same document, reference number 13) are used to inductively heat the magnetic pot.

一方、低抵抗の非磁性鍋を加熱する場合には、スイッチ(リレー)をオフ状態にし、インバータをハーフブリッジ回路方式に切り替えると共に、容量の大きい第二の共振コンデンサを完全に切り離し、容量の小さい第一の共振コンデンサを利用して非磁性鍋を誘導加熱する。このように、低抵抗の非磁性鍋を加熱する場合には、インバータは片方の上下アームのみを利用したハーフブリッジ回路方式となるため、もう一方の上下アームは休止状態となり有効に利用されない。 On the other hand, when heating a low-resistance non-magnetic pot, the switch (relay) is turned off, the inverter is switched to a half-bridge circuit type, the large-capacity second resonant capacitor is completely disconnected, and the small-capacity first resonant capacitor is used to inductively heat the non-magnetic pot. In this way, when heating a low-resistance non-magnetic pot, the inverter uses a half-bridge circuit type that uses only one of the upper and lower arms, so the other upper and lower arms are idle and not used effectively.

本発明の目的は、上記の課題に対処することであり、特に、インバータの全ての上下アームを有効に活用し、異なる材質の被加熱物に対して所望の電力を効率良く供給できる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。 The object of the present invention is to address the above-mentioned problems, and in particular to provide an inverter-type electromagnetic induction heating device that effectively utilizes all upper and lower arms of the inverter and can efficiently supply the desired power to heated objects made of different materials.

上記課題を達成するために、本発明の電磁誘導加熱装置は、被加熱物を誘導加熱する加熱コイルと、直流電圧を出力する直流電源と、該直流電源が出力した直流電圧を降圧する降圧チョッパ回路と、該降圧チョッパ回路の出力電圧を交流電圧に変換して前記加熱コイルに供給するインバータと、を備えた電磁誘導加熱装置であって、前記降圧チョッパ回路は、2個のスイッチング素子の直列体である第一の上下アームと、該第一の上下アームの出力端子に一端を接続した降圧用チョークコイルと、該降圧用チョークコイルの他端と前記直流電源の一端の間に接続した平滑コンデンサと、を有し、前記インバータは、2個のスイッチング素子の直列体である第二の上下アームと、該第二の上下アームの出力端子に一端を接続した前記加熱コイルと、該加熱コイルの他端と前記平滑コンデンサの一端の間に接続した第一の共振コンデンサと、前記第一の上下アームの出力端子と前記加熱コイルの他端の間に接続したリレーと第二の共振コンデンサの直列体と、を有し、前記第一の上下アームは、前記インバータの一部として動作しないときは、前記降圧チョッパ回路の一部として動作する電磁誘導加熱装置とした。 In order to achieve the above object, the electromagnetic induction heating device of the present invention is an electromagnetic induction heating device that includes a heating coil for induction heating an object to be heated, a DC power source that outputs a DC voltage, a step-down chopper circuit that steps down the DC voltage output by the DC power source, and an inverter that converts the output voltage of the step-down chopper circuit into an AC voltage and supplies it to the heating coil, and the step-down chopper circuit includes a first upper and lower arms that are a series body of two switching elements, a step-down choke coil having one end connected to the output terminal of the first upper and lower arms, and an inverter between the other end of the step-down choke coil and one end of the DC power source. and a smoothing capacitor connected to the second upper and lower arms, the inverter having a second upper and lower arm which is a series body of two switching elements, the heating coil having one end connected to the output terminal of the second upper and lower arms, a first resonant capacitor connected between the other end of the heating coil and one end of the smoothing capacitor, and a series body of a relay and a second resonant capacitor connected between the output terminal of the first upper and lower arms and the other end of the heating coil, the first upper and lower arms being an electromagnetic induction heating device which operates as part of the step-down chopper circuit when not operating as part of the inverter.

本発明の電磁誘導加熱装置によれば、少ない部品点数にもかかわらず、負荷変動の大きな条件においても最適なインバータ電圧、駆動周波数に設定でき負荷に所望の電力を効率良く供給することができる。 The electromagnetic induction heating device of the present invention can set the optimal inverter voltage and drive frequency even under conditions of large load fluctuations, and can efficiently supply the desired power to the load, despite the small number of parts.

実施例1の電磁誘導加熱装置の回路構成図。FIG. 2 is a circuit diagram of the electromagnetic induction heating device according to the first embodiment. 実施例1の電磁誘導加熱装置のハーフブリッジ方式回路説明図。FIG. 2 is an explanatory diagram of a half-bridge type circuit of the electromagnetic induction heating device according to the first embodiment. 図2の電磁誘導加熱装置の動作波形。3 is an operational waveform of the electromagnetic induction heating device of FIG. 2 . 図2の電磁誘導加熱装置の動作波形。3 is an operational waveform of the electromagnetic induction heating device of FIG. 2 . 図2の電磁誘導加熱装置の動作特性図。FIG. 3 is an operational characteristic diagram of the electromagnetic induction heating device of FIG. 2 . 図2の電磁誘導加熱装置の動作特性図。FIG. 3 is an operational characteristic diagram of the electromagnetic induction heating device of FIG. 2 . 実施例1の電磁誘導加熱装置のフルブリッジ方式回路説明図。FIG. 2 is an explanatory diagram of a full-bridge type circuit of the electromagnetic induction heating device according to the first embodiment. 図6の電磁誘導加熱装置の動作波形。7 is an operational waveform of the electromagnetic induction heating device of FIG. 6 . 図6の電磁誘導加熱装置の動作特性図。FIG. 7 is an operational characteristic diagram of the electromagnetic induction heating device of FIG. 6 . 図6の電磁誘導加熱装置の動作波形。7 is an operational waveform of the electromagnetic induction heating device of FIG. 6 . 図6の電磁誘導加熱装置の動作特性図。FIG. 7 is an operational characteristic diagram of the electromagnetic induction heating device of FIG. 6 . 図6の電磁誘導加熱装置の動作特性図。FIG. 7 is an operational characteristic diagram of the electromagnetic induction heating device of FIG. 6 . 図6の電磁誘導加熱装置の動作波形。7 is an operational waveform of the electromagnetic induction heating device of FIG. 6 . 図6の電磁誘導加熱装置の動作特性図。FIG. 7 is an operational characteristic diagram of the electromagnetic induction heating device of FIG. 6 . 図6の電磁誘導加熱装置の動作特性図。FIG. 7 is an operational characteristic diagram of the electromagnetic induction heating device of FIG. 6 . 実施例2の電磁誘導加熱装置の回路構成図。FIG. 11 is a circuit diagram of an electromagnetic induction heating device according to a second embodiment. 実施例3の電磁誘導加熱装置の回路構成図。FIG. 11 is a circuit diagram of an electromagnetic induction heating device according to a third embodiment. 実施例4の電磁誘導加熱装置の回路構成図。FIG. 11 is a circuit diagram of an electromagnetic induction heating device according to a fourth embodiment. 実施例5の電磁誘導加熱装置の回路構成図。FIG. 13 is a circuit diagram of an electromagnetic induction heating device according to a fifth embodiment.

以下、本発明の電磁誘導加熱装置の実施例について、図面を用いながら説明する。なお、各図において、符号が同一のものは同一の構成要件あるいは類似の機能を備えた構成要件を示しており、適宜重複説明を省略している。 Below, an embodiment of the electromagnetic induction heating device of the present invention will be described with reference to the drawings. Note that in each drawing, the same reference numerals indicate the same components or components with similar functions, and duplicate explanations will be omitted as appropriate.

図1は、本発明の実施例1の電磁誘導加熱装置の回路構成図である。なお、本実施例の電磁誘導加熱装置は、金属筐体の上部に耐熱ガラス製のトッププレートを設置し、そのトッププレートの下方に配置した加熱コイルに高周波電流を供給することで、トッププレート上面の所定位置に載置した金属製の被加熱物(鍋など)を誘導加熱するものであるが、以下ではこのような周知構成の説明は省略する。 Figure 1 is a circuit diagram of an electromagnetic induction heating device according to a first embodiment of the present invention. The electromagnetic induction heating device of this embodiment has a heat-resistant glass top plate placed on top of a metal housing, and a high-frequency current is supplied to a heating coil placed below the top plate to inductively heat a metal object to be heated (such as a pot) placed at a specified position on the top surface of the top plate; however, a description of this well-known configuration will be omitted below.

図1において、直流電源35の正電極と負電極との間には、パワー半導体スイッチング素子(以下、単に「スイッチング素子」と称する)5a、5bを直列接続した第一の上下アーム3が接続されている。第一の上下アーム3のスイッチング素子5a、5bは大電流に適したIGBT(絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ)を用いている。そして、スイッチング素子5a、5bのそれぞれには、ダイオード6a、6bが逆方向に並列接続されている。 In FIG. 1, a first upper and lower arm 3 in which power semiconductor switching elements (hereinafter simply referred to as "switching elements") 5a and 5b are connected in series is connected between the positive and negative electrodes of a DC power supply 35. The switching elements 5a and 5b of the first upper and lower arms 3 use IGBTs (insulated gate bipolar transistors) suitable for large currents. Diodes 6a and 6b are connected in parallel in the opposite direction to each of the switching elements 5a and 5b.

第一の上下アーム3のスイッチング素子5a、5bの接続点(出力端子)には降圧用チョークコイル41の一端が接続され、降圧用チョークコイル41の他端と直流電源35の負電極との間には、平滑コンデンサ44が接続されている。 One end of the step-down choke coil 41 is connected to the connection point (output terminal) of the switching elements 5a, 5b of the first upper and lower arms 3, and a smoothing capacitor 44 is connected between the other end of the step-down choke coil 41 and the negative electrode of the DC power supply 35.

平滑コンデンサ44には、スイッチング素子5c、5dを直列接続した第二の上下アーム4が並列に接続されている。第二の上下アーム4のスイッチング素子5c、5dは大電流に適したIGBT(絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ)を用いている。そして、スイッチング素子5c、5dのそれぞれには、ダイオード6c、6dが逆方向に並列接続されている。 The second upper and lower arms 4, in which switching elements 5c and 5d are connected in series, are connected in parallel to the smoothing capacitor 44. The switching elements 5c and 5d of the second upper and lower arms 4 use IGBTs (insulated gate bipolar transistors) suitable for large currents. Diodes 6c and 6d are connected in parallel in the opposite direction to the switching elements 5c and 5d, respectively.

第二の上下アーム4のスイッチング素子5c、5dの接続点(出力端子)には加熱コイル11の一端が接続され、加熱コイル11の他端と平滑コンデンサ44の正負電極間にはそれぞれ第一の共振コンデンサ12a、12bが接続されている。 One end of the heating coil 11 is connected to the connection point (output terminal) of the switching elements 5c and 5d of the second upper and lower arms 4, and the first resonant capacitors 12a and 12b are connected between the other end of the heating coil 11 and the positive and negative electrodes of the smoothing capacitor 44, respectively.

また、第一の上下アーム3の出力端子と加熱コイル11の他端との間には、第二の共振コンンデンサ13とリレー20の直列体が接続されている。 In addition, a series circuit of a second resonant capacitor 13 and a relay 20 is connected between the output terminal of the first upper and lower arms 3 and the other end of the heating coil 11.

ここで、トッププレート上に載置した金属製鍋(図示せず)と加熱コイル11は磁気的に結合するため、金属製鍋を加熱コイル11側からみた等価回路に変換すると、金属製鍋の等価抵抗と等価インダクタンスが直列に接続された構成になる。等価抵抗及び等価インダクタンスは、金属製鍋の材質によって異なり、低抵抗の銅やアルミなど非磁性体の場合は等価抵抗及び等価インダクタンスのどちらも小さくなり、高抵抗の鉄など磁性体の場合はどちらも大きくなる。以下では、非磁性体加熱時に用いる回路方式(降圧チョッパ回路+ハーフブリッジ方式インバータ)と、磁性体加熱時の回路方式(降圧型フルブリッジ方式インバータ)の違いを説明する。 Here, the metal pan (not shown) placed on the top plate and the heating coil 11 are magnetically coupled, so when the metal pan is converted into an equivalent circuit viewed from the heating coil 11 side, the equivalent resistance and equivalent inductance of the metal pan are connected in series. The equivalent resistance and equivalent inductance vary depending on the material of the metal pan. For non-magnetic materials such as low-resistance copper or aluminum, both the equivalent resistance and equivalent inductance are small, and for magnetic materials such as high-resistance iron, both are large. Below, we explain the difference between the circuit method used when heating non-magnetic materials (step-down chopper circuit + half-bridge inverter) and the circuit method used when heating magnetic materials (step-down full-bridge inverter).

<非磁性体の加熱方式>
被加熱物が銅鍋やアルミ鍋等の非磁性体の場合は、降圧チョッパ回路とハーフブリッジ方式のインバータを用いて金属製鍋を誘導加熱する。具体的には、図2に示すように、リレー20をオフした場合に形成される、降圧チョッパ回路40(第一の上下アーム3の上アームスイッチング素子5aと下アームダイオード6bおよび降圧用チョークコイル41と平滑コンデンサ44から構成される)と、ハーフブリッジ方式のインバータ100(第二の上下アーム4、加熱コイル11、第一の共振コンデンサ12a、12bから構成される)を用いて加熱を行う。
<Heating method for non-magnetic materials>
When the object to be heated is a non-magnetic material such as a copper pan or an aluminum pan, the metal pan is induction heated using a step-down chopper circuit and a half-bridge inverter. Specifically, as shown in Fig. 2, heating is performed using a step-down chopper circuit 40 (composed of the upper arm switching element 5a and the lower arm diode 6b of the first upper and lower arms 3, the step-down choke coil 41, and the smoothing capacitor 44) that is formed when the relay 20 is turned off, and a half-bridge inverter 100 (composed of the second upper and lower arms 4, the heating coil 11, and the first resonant capacitors 12a and 12b).

前述のように、低抵抗の非磁性体は等価抵抗が小さいため所望の出力を得るには大きな電流を流す必要がある。被加熱物の表皮抵抗は周波数の平方根に比例する特徴があり、銅又はアルミなどの低抵抗の被加熱物を加熱する場合には、周波数を高くすることが有効である。従って、第二の上下アーム4を例えば約90kHzの周波数で駆動できるように第一の共振コンデンサ12a、12bの合成容量を設定する。 As mentioned above, low-resistance non-magnetic materials have a small equivalent resistance, so a large current must be passed through them to obtain the desired output. The skin resistance of the heated object is proportional to the square root of the frequency, and it is effective to increase the frequency when heating a low-resistance heated object such as copper or aluminum. Therefore, the combined capacitance of the first resonant capacitors 12a and 12b is set so that the second upper and lower arms 4 can be driven at a frequency of, for example, about 90 kHz.

図3に図2の回路の動作波形を示す。図3においてスイッチング素子5a、5c、5dのゲート信号をそれぞれvg(5a)、vg(5c)、vg(5d)とし、降圧用チョークコイル41に流れる電流をi(41)とし、平滑コンデンサ44の電圧をv(44)とし、スイッチング素子5a、5c、5dに流れる電流をそれぞれi(5a)、i(5c)、i(5d)とし、ダイオード6b、6c、6dに流れる電流をそれぞれi(6b)、i(6c)、i(6d)とし、インバータ100の出力電圧をv(100)とし、加熱コイル11に流れる電流をi(11)とし、図2の左から右の方向を正と定義する。 Figure 3 shows the operating waveforms of the circuit in Figure 2. In Figure 3, the gate signals of the switching elements 5a, 5c, and 5d are vg(5a), vg(5c), and vg(5d), respectively, the current flowing through the step-down choke coil 41 is i(41), the voltage of the smoothing capacitor 44 is v(44), the currents flowing through the switching elements 5a, 5c, and 5d are i(5a), i(5c), and i(5d), respectively, the currents flowing through the diodes 6b, 6c, and 6d are i(6b), i(6c), and i(6d), respectively, the output voltage of the inverter 100 is v(100), the current flowing through the heating coil 11 is i(11), and the direction from left to right in Figure 2 is defined as positive.

図3において、降圧チョッパ回路40のスイッチング素子5aがオン状態においては、直流電源35からスイッチング素子5a、降圧用チョークコイル41、平滑コンデンサ44の経路で電流i(41)が流れ、スイッチング素子5aがオフ状態においては、降圧用チョークコイル41の蓄積エネルギーによって電流i(41)は平滑コンデンサ44、ダイオード6bの経路で環流し降圧動作を行う。 In FIG. 3, when the switching element 5a of the step-down chopper circuit 40 is in the ON state, a current i (41) flows from the DC power supply 35 through the switching element 5a, the step-down choke coil 41, and the smoothing capacitor 44. When the switching element 5a is in the OFF state, the stored energy in the step-down choke coil 41 causes the current i (41) to circulate through the smoothing capacitor 44 and the diode 6b, performing a step-down operation.

インバータ100はスイッチング素子5c、5dを相補にオンオフすることによって、降圧チョッパ回路40の出力電圧、即ち平滑コンデンサ44の電圧v(44)を振幅とする矩形波を加熱コイル11と第一の共振コンデンサ12a、12bを含む共振負荷回路に印加する。共振周波数より高いスイッチング周波数でインバータ100を駆動することにより、加熱コイル11にはインバータ100の出力電圧v(100)に対し遅れ位相となる電流i(11)が流れる。上下アーム4のスイッチング素子5c、5dはダイオード6c、6dが導通期間にゲートをターンオンすることでゼロ電圧スイッチングを実現でき、ターンオン時のスイッチング損失は発生しない。図3Aはスイッチング素子5aのオン時間Dutyが0.5の場合であり、図3Bはスイッチング素子5aのオン時間Dutyが0.25の場合である。両図の比較により、スイッチング素子5aのオン時間dutyを小さくすると、平滑コンデンサ44の電圧v(44)は下がり、加熱コイル11の電流i(11)は小さくなることが分かる。 The inverter 100 applies a rectangular wave whose amplitude is the output voltage of the step-down chopper circuit 40, i.e., the voltage v (44) of the smoothing capacitor 44, to the heating coil 11 and the resonant load circuit including the first resonant capacitors 12a and 12b by turning on and off the switching elements 5c and 5d in a complementary manner. By driving the inverter 100 at a switching frequency higher than the resonant frequency, a current i (11) that is a lag phase with respect to the output voltage v (100) of the inverter 100 flows through the heating coil 11. The switching elements 5c and 5d of the upper and lower arms 4 can achieve zero voltage switching by turning on the gates during the conduction period of the diodes 6c and 6d, and no switching loss occurs when they are turned on. Figure 3A shows the case where the ON time Duty of the switching element 5a is 0.5, and Figure 3B shows the case where the ON time Duty of the switching element 5a is 0.25. Comparing the two figures, it can be seen that when the on-time duty of the switching element 5a is reduced, the voltage v (44) of the smoothing capacitor 44 decreases and the current i (11) of the heating coil 11 decreases.

図4、図5を用いて図2の回路の電力制御方法について説明する。前述の通り降圧チョッパ回路40は、スイッチング素子5aのオン時間dutyを変更することにより、平滑コンデンサ44の電圧を制御することが可能である。図4にオン時間dutyと降圧チョッパ回路40の出力電圧の関係を示す。出力電圧は直流電源35の電圧にオン時間Dutyを掛けた値になるため、オン時間Dutyに比例して変化する。降圧チョッパ回路40の出力電圧はインバータ100の入力電圧となる。図5にインバータ100入力電圧と電力の関係を示す。インバータ100は遮断電流を低減してスイッチング損失を抑えるため、共振周波数付近でほぼ一定の周波数で動作させる。これにより、加熱コイル11と第一の共振コンデンサ12a、12bを含む共振負荷回路のインピーダンスもほぼ一定となる。従って、インバータ100の入力電圧を調整することにより電力を任意に制御することが可能である。即ち、パルス振幅制御により電力をコントロールすることができる。 The power control method of the circuit in FIG. 2 will be described with reference to FIG. 4 and FIG. 5. As described above, the step-down chopper circuit 40 can control the voltage of the smoothing capacitor 44 by changing the on-time duty of the switching element 5a. FIG. 4 shows the relationship between the on-time duty and the output voltage of the step-down chopper circuit 40. The output voltage is the voltage of the DC power supply 35 multiplied by the on-time duty, so it changes in proportion to the on-time duty. The output voltage of the step-down chopper circuit 40 becomes the input voltage of the inverter 100. FIG. 5 shows the relationship between the input voltage of the inverter 100 and the power. The inverter 100 is operated at a substantially constant frequency near the resonant frequency in order to reduce the interruption current and suppress switching loss. As a result, the impedance of the resonant load circuit including the heating coil 11 and the first resonant capacitors 12a and 12b is also substantially constant. Therefore, it is possible to arbitrarily control the power by adjusting the input voltage of the inverter 100. That is, the power can be controlled by pulse amplitude control.

<磁性体の加熱方式>
被加熱物が鉄鍋等の磁性体の場合は、降圧型フルブリッジ方式インバータを用いて金属製鍋を誘導加熱する。具体的には、図6に示すように、リレー20をオンした場合に形成される、降圧チョッパ回路40(第一の上下アーム3の上アームスイッチング素子5aと下アームダイオード6bおよび降圧用チョークコイル41と平滑コンデンサ44から構成される)と、降圧型フルブリッジ方式のインバータ200(降圧チョッパ回路40の出力電圧が印加された第二の上下アーム4と、直流電源35の電圧が印加された第一の上下アーム3と、加熱コイル11、第二の共振コンデンサ13から構成される)を用いて加熱を行う。従って、第一の上下アーム3のスイッチング素子やダイオードは、降圧チョッパ回路40のスイッチング素子やダイオードと、インバータ200のスイッチング素子やダイオードを兼ねながら動作することになる。
<Magnetic material heating method>
When the object to be heated is a magnetic body such as an iron pan, a step-down full-bridge inverter is used to inductively heat the metal pan. Specifically, as shown in Fig. 6, heating is performed using a step-down chopper circuit 40 (composed of the upper arm switching element 5a and the lower arm diode 6b of the first upper and lower arms 3, the step-down choke coil 41, and the smoothing capacitor 44) formed when the relay 20 is turned on, and a step-down full-bridge inverter 200 (composed of the second upper and lower arms 4 to which the output voltage of the step-down chopper circuit 40 is applied, the first upper and lower arms 3 to which the voltage of the DC power supply 35 is applied, the heating coil 11, and the second resonant capacitor 13). Therefore, the switching elements and diodes of the first upper and lower arms 3 operate as the switching elements and diodes of the step-down chopper circuit 40 and the switching elements and diodes of the inverter 200.

前述のように、高抵抗の磁性体は等価抵抗が大きいため加熱コイル11に電流が流れ難い。従って、第一の上下アーム3をフルブリッジ方式の一方の上下アームとして利用することにより、加熱コイル11と第一、第二の共振コンデンサ12a、12b、13を含む共振負荷回路には、インバータ200の出力電圧が印加され、直流電源35の電圧と降圧チョッパ回路40の出力電圧を振幅とする矩形波が印加される。このようにして、フルブリッジ回路方式のインバータ200の出力電圧をハーフブリッジ回路方式のインバータ100の出力電圧よりも高めることができるため、磁性体を加熱する際に必要とされる所望の出力を得ることができる。 As mentioned above, a high-resistance magnetic material has a large equivalent resistance, so that it is difficult for a current to flow through the heating coil 11. Therefore, by using the first upper and lower arms 3 as one of the upper and lower arms of the full bridge system, the output voltage of the inverter 200 is applied to the resonant load circuit including the heating coil 11 and the first and second resonant capacitors 12a, 12b, and 13, and a rectangular wave having an amplitude equal to the voltage of the DC power supply 35 and the output voltage of the step-down chopper circuit 40 is applied. In this way, the output voltage of the inverter 200 of the full bridge circuit system can be made higher than the output voltage of the inverter 100 of the half bridge circuit system, so that the desired output required for heating the magnetic material can be obtained.

前述の銅やアルミの場合は抵抗が小さいためインバータの周波数を約90kHzに高め表皮抵抗を大きくしたが、鉄の場合は元々抵抗が大きいため、約20kHzの周波数で第一の上下アーム3、第二の上下アーム4を駆動する。このため、第二の共振コンデンサ13の容量は、約20kHzの駆動周波数に合わせて設定する。駆動周波数が大きく異なるため、第二の共振コンデンサ13の容量は第一の共振コンデンサ12a、12bより十分に大きい値になる。従って、フルブリッジ方式のインバータの共振周波数は、主に第二の共振コンデンサ13により設定される。 In the case of copper and aluminum mentioned above, the resistance is low, so the inverter frequency is increased to about 90 kHz to increase the skin resistance, but in the case of iron, the resistance is originally high, so the first upper and lower arms 3 and the second upper and lower arms 4 are driven at a frequency of about 20 kHz. For this reason, the capacitance of the second resonant capacitor 13 is set to match the drive frequency of about 20 kHz. Since the drive frequencies are significantly different, the capacitance of the second resonant capacitor 13 is sufficiently larger than the first resonant capacitors 12a and 12b. Therefore, the resonant frequency of the full-bridge type inverter is mainly set by the second resonant capacitor 13.

図7に図6の回路の動作波形を示す。図7においてスイッチング素子5aから5dのゲート信号をそれぞれvg(5a)からvg(5d)とし、降圧用チョークコイル41に流れる電流をi(41)とし、直流電源35の電圧をv(35)とし、平滑コンデンサ44の電圧をv(44)とし、スイッチング素子5aから5dに流れる電流をそれぞれi(5a)からi(5d)とし、ダイオード6aから6dに流れる電流をそれぞれi(6a)からi(6d)とし、インバータ200の出力電圧をv(200)とし、加熱コイル11に流れる電流をi(11)とし、図6の左から右の方向を正と定義する。 Figure 7 shows the operating waveforms of the circuit in Figure 6. In Figure 7, the gate signals of switching elements 5a to 5d are vg(5a) to vg(5d), respectively, the current flowing through step-down choke coil 41 is i(41), the voltage of DC power supply 35 is v(35), the voltage of smoothing capacitor 44 is v(44), the currents flowing through switching elements 5a to 5d are i(5a) to i(5d), respectively, the currents flowing through diodes 6a to 6d are i(6a) to i(6d), respectively, the output voltage of inverter 200 is v(200), the current flowing through heating coil 11 is i(11), and the direction from left to right in Figure 6 is defined as positive.

図7において、スイッチング素子5aと5dが同時にオンしている期間、スイッチング素子5aは降圧チョッパ回路40とインバータ200の素子を兼用しており、降圧用チョークコイル41の電流i(41)と加熱コイル11の電流i(11)の合成電流が流れる。そのため、スイッチング素子5aの電流i(5a)の方がスイッチング素子5dの電流i(5d)よりも大きな電流が流れ導通損失は増えるが、ターンオン時は加熱コイル11の電流i(11)がダイオード6bを経由して還流するため、ゼロ電圧スイッチング動作が可能となりターンオン損失は発生しない。即ち、本発明の実施例は、上下アーム3を降圧チョッパ回路40の素子として兼用しているが、インバータの動作と組み合わせることによりゼロ電圧スイッチング動作を実現しスイッチング損失の増加を抑制することが可能である。 In FIG. 7, during the period when the switching elements 5a and 5d are simultaneously on, the switching element 5a serves both as an element of the step-down chopper circuit 40 and the inverter 200, and a composite current of the current i (41) of the step-down choke coil 41 and the current i (11) of the heating coil 11 flows. Therefore, the current i (5a) of the switching element 5a is larger than the current i (5d) of the switching element 5d, and the conduction loss increases, but when turned on, the current i (11) of the heating coil 11 flows back via the diode 6b, so zero-voltage switching operation is possible and no turn-on loss occurs. That is, in the embodiment of the present invention, the upper and lower arms 3 are also used as elements of the step-down chopper circuit 40, but by combining it with the operation of the inverter, it is possible to realize zero-voltage switching operation and suppress the increase in switching loss.

次に、磁性体を加熱する場合の電力制御方法として考えられる、幾つかの制御方法を順次説明する。 Next, we will explain several possible power control methods for heating magnetic materials.

<<第一の制御方法>>
第一の制御方法は、インバータ200のスイッチング周波数を変更する方法である。図8にインバータ200のスイッチング周波数と電力の関係を示す。インバータ200は共振負荷回路の共振周波数よりも高いスイッチング周波数で駆動することにより共振負荷回路は誘導性となる。そのため、スイッチング周波数を高くすることによってリアクタンスが増加するため加熱コイルの電流は減少し、図8に示すように電力は低下する。即ち、パルス周波数変調制御により容易に電力をコントロールすることができる。
<<First control method>>
The first control method is to change the switching frequency of the inverter 200. Figure 8 shows the relationship between the switching frequency of the inverter 200 and the power. When the inverter 200 is driven at a switching frequency higher than the resonant frequency of the resonant load circuit, the resonant load circuit becomes inductive. Therefore, by increasing the switching frequency, the reactance increases, so the current in the heating coil decreases, and the power decreases as shown in Figure 8. In other words, the power can be easily controlled by pulse frequency modulation control.

<<第二の制御方法>>
第二の制御方法は、上下アーム3の上アームスイッチング素子5aのオン時間Dutyを変更する方法である。上下アーム3の下アームスイッチング素子5bについてスイッチング素子5aとデッドタイムを設けて相補に動作する。図9にスイッチング素子5aのオン時間Dutyを0.25とした条件の動作波形を示す。図9において、スイッチング素子5aのオン時間dutyを小さくすると、平滑コンデンサ44の電圧v(44)は図7と比較すると低下する。降圧チョッパ回路40の出力電圧v(44)はインバータ200の第二の上下アーム4に印加され、直流電源35の電圧v(35)はインバータ200の第一の上下アーム3に印加されてフルブリッジ方式のインバータとして動作する。インバータ200の出力電圧vout(200)は図9に示すように、スイッチング素子5aがスイッチング素子5dよりも早くターンオフするため、出力電圧が0Vの期間も存在しながら、電圧振幅の異なる正負の電圧が共振負荷回路に印加されることになる。
<<Second control method>>
The second control method is a method of changing the ON time Duty of the upper arm switching element 5a of the upper and lower arms 3. The lower arm switching element 5b of the upper and lower arms 3 is provided with a dead time and operates complementarily with the switching element 5a. FIG. 9 shows the operating waveforms under the condition that the ON time Duty of the switching element 5a is 0.25. In FIG. 9, when the ON time Duty of the switching element 5a is reduced, the voltage v(44) of the smoothing capacitor 44 is lowered compared to FIG. 7. The output voltage v(44) of the step-down chopper circuit 40 is applied to the second upper and lower arms 4 of the inverter 200, and the voltage v(35) of the DC power supply 35 is applied to the first upper and lower arms 3 of the inverter 200, and the inverter 200 operates as a full-bridge inverter. As shown in FIG. 9, the output voltage vout(200) of the inverter 200 is turned off earlier than the switching element 5d, so that positive and negative voltages with different voltage amplitudes are applied to the resonant load circuit while there is a period in which the output voltage is 0V.

図10に上アームオン時間Dutyと降圧チョッパ回路40の出力電圧の関係を示す。前述の通り、降圧チョッパ回路40の出力電圧は直流電源35の電圧にオン時間Dutyを掛けた値になるため、オン時間Dutyに比例して変化する。図11に上アームオン時間Dutyと電力の関係を示す。第二の上下アーム4に印加される電圧が変化するため、インバータ入力電圧のパルス振幅制御と、かつ第一の上下アーム3のパルス幅変調制御が組み合わされた形で電力を制御することが可能である。 Figure 10 shows the relationship between the upper arm on-time duty and the output voltage of the step-down chopper circuit 40. As mentioned above, the output voltage of the step-down chopper circuit 40 is the voltage of the DC power supply 35 multiplied by the on-time duty, so it changes in proportion to the on-time duty. Figure 11 shows the relationship between the upper arm on-time duty and power. Since the voltage applied to the second upper and lower arms 4 changes, it is possible to control power by combining pulse amplitude control of the inverter input voltage and pulse width modulation control of the first upper and lower arms 3.

<<第三の制御方法>>
第三の制御方法は、インバータ200の第一の上下アーム3と第二の上下アーム4の位相差を変更する方法である。図12に、第一の上下アーム3のスイッチング素子(5a、5b)に対して、第二の上下アーム4のスイッチング素子(5c、5d)の位相が進んだ条件下の動作波形を示す。なお、各アームのオン時間は同一とし位相差のみ変更している。
<<Third control method>>
The third control method is a method of changing the phase difference between the first upper and lower arms 3 and the second upper and lower arms 4 of the inverter 200. Fig. 12 shows operation waveforms under a condition in which the phase of the switching elements (5c, 5d) of the second upper and lower arms 4 is advanced relative to the switching elements (5a, 5b) of the first upper and lower arms 3. Note that the on-time of each arm is the same and only the phase difference is changed.

図12において、スイッチング素子5aのオン時間は図7と同じ条件のため、平滑コンデンサ44の電圧v(44)は図7とほぼ同じ値となる。上下アーム3と4に位相差があるため、上アーム同士がオン状態となる期間においては、インバータ200の出力電圧vout(200)は、直流電源35の電圧v(35)と降圧チョッパ回路40の平滑コンデンサ44の電圧v(44)との差分の電圧が出力される。逆に、下アーム同士がオン状態となる期間においては、インバータ200の出力電圧vout(200)は0Vが出力される。スイッチング素子5aと5bは降圧用チョークコイル41の電流が重畳され、ゼロ電圧スイッチングに必要となる遮断電流を確保した状態でターンオフすることができるため、ターンオン時のスイッチング損失は発生しない。 12, the on-time of the switching element 5a is the same as that of FIG. 7, so the voltage v(44) of the smoothing capacitor 44 is almost the same as that of FIG. 7. Since there is a phase difference between the upper and lower arms 3 and 4, during the period when the upper arms are both on, the output voltage vout(200) of the inverter 200 is the difference between the voltage v(35) of the DC power supply 35 and the voltage v(44) of the smoothing capacitor 44 of the step-down chopper circuit 40. Conversely, during the period when the lower arms are both on, the output voltage vout(200) of the inverter 200 is 0V. The switching elements 5a and 5b are superimposed with the current of the step-down choke coil 41, and can be turned off while ensuring the interruption current required for zero voltage switching, so no switching loss occurs when turning on.

図13に第一の上下アーム3と第二の上下アーム4の位相差と電力の関係を示す。ここに示すように、位相差が大きくなるにつれてインバータ200の出力電圧が下がり電力は低下する。このように、位相シフト制御によっても電力を制御することが可能である。 Figure 13 shows the relationship between the phase difference between the first upper and lower arms 3 and the second upper and lower arms 4 and the power. As shown here, as the phase difference increases, the output voltage of the inverter 200 decreases and the power decreases. In this way, it is possible to control the power by phase shift control as well.

<<第四の制御方法>>
第四の制御方法は、直流電源35の電圧を変更する方法である。図14に直流電源35の電圧と電力の関係を示す。直流電源35の電圧を上げることで降圧チョッパ回路40の出力電圧も同時に上がるため、インバータ200の出力電圧は上昇し電力はアップする。即ち、パルス振幅制御により容易に電力をコントロールすることができる。
<<Fourth control method>>
The fourth control method is to change the voltage of the DC power supply 35. Fig. 14 shows the relationship between the voltage and power of the DC power supply 35. By increasing the voltage of the DC power supply 35, the output voltage of the step-down chopper circuit 40 also increases at the same time, so the output voltage of the inverter 200 increases and the power increases. That is, the power can be easily controlled by pulse amplitude control.

このように、本実施例ではリレー20のオンオフ切替えにより、非磁性体加熱用の、降圧チョッパ回路とハーフブリッジ方式インバータによる回路構成と、磁性体加熱用の、降圧型フルブリッジ方式インバータの回路構成との切り替えが可能である。そして、何れの方式の場合も、全ての上下アームを有効に活用してインバータの出力電圧を調整し、かつ被加熱物の材質に合わせて最適な周波数で加熱することができるため、本実施例の電磁誘導加熱装置によれば、少ない部品点数にもかかわらず、負荷変動の大きな条件においても最適なインバータ電圧、駆動周波数に設定でき負荷に所望の電力を効率良く供給することができる。 In this way, in this embodiment, by switching relay 20 on and off, it is possible to switch between a circuit configuration consisting of a step-down chopper circuit and a half-bridge inverter for heating non-magnetic materials, and a circuit configuration consisting of a step-down full-bridge inverter for heating magnetic materials. In either case, all upper and lower arms are effectively utilized to adjust the inverter output voltage, and heating can be performed at the optimal frequency according to the material of the object to be heated. Therefore, with the electromagnetic induction heating device of this embodiment, despite the small number of parts, the optimal inverter voltage and drive frequency can be set even under conditions of large load fluctuations, and the desired power can be efficiently supplied to the load.

図15は、実施例2の電磁誘導加熱装置の回路構成図である。図1と同一部分については同一符号を付しており重複説明は省略する。 Figure 15 is a circuit diagram of an electromagnetic induction heating device of Example 2. The same parts as in Figure 1 are designated by the same reference numerals, and duplicate explanations will be omitted.

図15において、第一の上下アーム3の出力端子には降圧用チョークコイル41の一端が接続され、降圧用チョークコイル41の他端と直流電源35の正電極との間には、平滑コンデンサ44が接続されている。図1の実施例1と異なる点は、平滑コンデンサ44がハイサイド(正電極側)に接続されている点である。この場合、降圧チョッパ回路40のスイッチング素子は上下アーム3の下アームスイッチング素子5bとなり環流ダイオードは上アームダイオード6aとなる。 In FIG. 15, one end of the step-down choke coil 41 is connected to the output terminal of the first upper and lower arms 3, and a smoothing capacitor 44 is connected between the other end of the step-down choke coil 41 and the positive electrode of the DC power supply 35. The difference from the first embodiment in FIG. 1 is that the smoothing capacitor 44 is connected to the high side (positive electrode side). In this case, the switching element of the step-down chopper circuit 40 becomes the lower arm switching element 5b of the upper and lower arms 3, and the free wheel diode becomes the upper arm diode 6a.

図16は、実施例3の電磁誘導加熱装置の回路構成図である。図1と同一部分については同一符号を付しており重複説明は省略する。 Figure 16 is a circuit diagram of an electromagnetic induction heating device according to Example 3. The same parts as in Figure 1 are designated by the same reference numerals, and duplicate explanations will be omitted.

図16において、第二の上下アーム4のスイッチング素子5c、5dには、第一の上下アーム3のスイッチング素子5a、5bよりもスイッチング速度の速いパワー半導体スイッチング素子を用いる。前述のように、銅又はアルミなどの低抵抗の被加熱物を加熱する場合には、周波数を高くすることが有効であり、第二の上下アーム4は第一の上下アーム3よりも高周波で駆動する。そこで、第二の上下アーム4のスイッチング素子5c、5dに、SJ(超接合:Super junction)-MOSFET(MOS型電界効果トランジスタ)を用いることにより、既存のMOSFETより高速にスイッチングが可能であり、高周波化によるスイッチング損失の低減に効果的である。また、低抵抗の非磁性体は等価抵抗が小さいため所望の出力を得るには大きな電流を流す必要がある。本発明では、第二の上下アーム4に印加される電圧を第一の上下アーム3に印加される電圧よりもの低くすることが可能であるため、第二の上下アーム4のスイッチング素子5c、5dは第一の上下アーム3のスイッチング素子5a、5bより耐圧の低いパワー半導体スイッチング素子を用いることができる。パワー半導体デバイスは、耐圧が低いほどオン抵抗が小さくなるため、導通損失の低減にも効果的である。 In FIG. 16, the switching elements 5c and 5d of the second upper and lower arms 4 use power semiconductor switching elements with a faster switching speed than the switching elements 5a and 5b of the first upper and lower arms 3. As mentioned above, when heating a low-resistance heated object such as copper or aluminum, it is effective to increase the frequency, and the second upper and lower arms 4 are driven at a higher frequency than the first upper and lower arms 3. Therefore, by using SJ (super junction)-MOSFETs (MOS field effect transistors) for the switching elements 5c and 5d of the second upper and lower arms 4, it is possible to switch faster than existing MOSFETs, and it is effective in reducing switching losses due to high frequencies. In addition, since a low-resistance non-magnetic material has a small equivalent resistance, a large current needs to be passed to obtain the desired output. In the present invention, since it is possible to make the voltage applied to the second upper and lower arms 4 lower than the voltage applied to the first upper and lower arms 3, the switching elements 5c and 5d of the second upper and lower arms 4 can use power semiconductor switching elements with a lower withstand voltage than the switching elements 5a and 5b of the first upper and lower arms 3. The lower the breakdown voltage of a power semiconductor device, the smaller its on-resistance becomes, which is also effective in reducing conduction losses.

図17は、実施例4の電磁誘導加熱装置の回路構成図である。図1と同一部分については同一符号を付しており重複説明は省略する。 Figure 17 is a circuit diagram of an electromagnetic induction heating device according to Example 4. The same parts as those in Figure 1 are designated by the same reference numerals, and duplicate explanations will be omitted.

図17において、商用交流電源1から供給される交流電圧をダイオード2a~2dで整流し、昇圧用チョークコイル31とスイッチング素子32、ダイオード33および平滑コンデンサ34により構成される昇圧チョッパ回路30にて平滑された直流電源が降圧チョッパ回路40に印加されている。図1の実施例1では、直流電源35の電圧が降圧チョッパ回路40に印加されているが、本実施例4では昇圧チョッパ回路30にて平滑された直流電源が降圧チョッパ回路40に印加される。昇圧チョッパ回路30は商用交流電源1の入力力率を制御すると共に平滑コンデンサ34の電圧を制御する機能を有する。 In FIG. 17, the AC voltage supplied from the commercial AC power supply 1 is rectified by diodes 2a to 2d, and the DC power smoothed by the boost chopper circuit 30 consisting of a boost choke coil 31, a switching element 32, a diode 33, and a smoothing capacitor 34 is applied to the step-down chopper circuit 40. In the first embodiment of FIG. 1, the voltage of the DC power supply 35 is applied to the step-down chopper circuit 40, but in this embodiment 4, the DC power smoothed by the boost chopper circuit 30 is applied to the step-down chopper circuit 40. The boost chopper circuit 30 has the function of controlling the input power factor of the commercial AC power supply 1 and controlling the voltage of the smoothing capacitor 34.

また、昇圧チョッパ回路30の後段には、インダクタ45とコンデンサ46から構成されるノーマルフィルタを介してインバータ300が接続されている。インバータ300はハーフブリッジ方式のインバータであり、磁性体の鍋を主に加熱する。インバータ300はコンデンサ46の正電極と負電極との間に、スイッチング素子5e、5fを直列接続した上下アームが接続されており、スイッチング素子5e、5fの接続点(出力端子)には加熱コイル11Aの一端が接続され、加熱コイル11Aの他端とコンデンサ46の正負電極間にはそれぞれ共振コンデンサ12c、12dが接続されている。スイッチング素子5e、5fのそれぞれには、ダイオード6e、6fが逆方向に並列接続されている。 The inverter 300 is connected to the rear of the boost chopper circuit 30 via a normal filter consisting of an inductor 45 and a capacitor 46. The inverter 300 is a half-bridge inverter, and mainly heats a pot of magnetic material. The inverter 300 has upper and lower arms, in which switching elements 5e and 5f are connected in series, connected between the positive and negative electrodes of the capacitor 46. One end of the heating coil 11A is connected to the connection point (output terminal) of the switching elements 5e and 5f, and resonant capacitors 12c and 12d are connected between the other end of the heating coil 11A and the positive and negative electrodes of the capacitor 46, respectively. Diodes 6e and 6f are connected in parallel in the opposite directions to the switching elements 5e and 5f, respectively.

更に、昇圧チョッパ回路30の後段には、インダクタ47とコンデンサ48から構成されるノーマルフィルタを介してインバータ400が接続されている。インバータ300と同様、インバータ400もハーフブリッジ方式のインバータであり、磁性体の鍋を主に加熱する。インバータ400はコンデンサ48の正電極と負電極との間に、スイッチング素子5g、5hを直列接続した上下アームが接続されており、スイッチング素子5g、5hの接続点(出力端子)には加熱コイル11Bの一端が接続され、加熱コイル11Bの他端とコンデンサ48の正負電極間にはそれぞれ共振コンデンサ12e、12fが接続されている。スイッチング素子5g、5hのそれぞれには、ダイオード6g、6hが逆方向に並列接続されている。 Furthermore, the inverter 400 is connected to the rear stage of the boost chopper circuit 30 via a normal filter consisting of an inductor 47 and a capacitor 48. Like the inverter 300, the inverter 400 is also a half-bridge type inverter, and mainly heats a pot made of magnetic material. The inverter 400 has upper and lower arms, in which switching elements 5g and 5h are connected in series, connected between the positive and negative electrodes of the capacitor 48, and one end of the heating coil 11B is connected to the connection point (output terminal) of the switching elements 5g and 5h, and resonant capacitors 12e and 12f are connected between the other end of the heating coil 11B and the positive and negative electrodes of the capacitor 48, respectively. Diodes 6g and 6h are connected in parallel in the opposite direction to the switching elements 5g and 5h, respectively.

ここで、市場で販売されている電磁誘導加熱調理器は、加熱部を2個から3個備えており、例えば、その加熱部の1個をアルミや銅等の非磁性体の鍋を含む全ての金属鍋に対応して加熱を可能とし、残りの加熱部は磁性体の鍋のみを加熱するようにして価格を抑えた調理器となっている。このように価格を抑えた調理器において、磁性体の鍋を主に加熱する場合には、商用交流電源から供給される交流電圧をダイオードブリッジで整流し、インダクタとコンデンサから構成されるノーマルフィルタを介して得られた非平滑の電源がインバータに印加される。そのため、加熱コイルに流れる電流は商用交流電源の2倍の周波数で脈動し鍋の材質によっては励振音が発生する問題があるが、本実施例では、昇圧チョッパ回路30にて平滑された直流電源がノーマルフィルタを介してインバータ300、400に印加されるため、加熱コイルの電流脈動が抑えられ励振音の発生を防止することができる。 Here, electromagnetic induction cooking appliances sold on the market have two to three heating parts, and for example, one of the heating parts can heat all metal pots, including non-magnetic pots such as aluminum and copper, and the remaining heating parts can heat only magnetic pots, making it a low-priced cooker. In such a low-priced cooker, when mainly heating magnetic pots, the AC voltage supplied from a commercial AC power source is rectified by a diode bridge, and the non-smooth power obtained through a normal filter consisting of an inductor and a capacitor is applied to the inverter. Therefore, the current flowing through the heating coil pulsates at twice the frequency of the commercial AC power source, and depending on the material of the pot, there is a problem that excitation noise is generated. However, in this embodiment, the DC power smoothed by the boost chopper circuit 30 is applied to the inverters 300, 400 through a normal filter, so the current pulsation of the heating coil is suppressed and the generation of excitation noise can be prevented.

図18は、実施例5の電磁誘導加熱装置の回路構成図である。図16と同一部分については同一符号を付しており重複説明は省略する。 Figure 18 is a circuit diagram of an electromagnetic induction heating device according to Example 5. The same parts as those in Figure 16 are designated by the same reference numerals, and duplicate explanations will be omitted.

図18において、インバータ300は降圧チョッパ回路40の後段に接続されている点が実施例4と異なる。インバータ100もしくはインバータ200が停止している状態であれば、インバータ300は共振周波数付近でほぼ一定の周波数で動作させ遮断電流を低減し、降圧チョッパ回路40の出力電圧を調整して電力をコントロールすることが可能である。インバータ100もしくはインバータ200が動作している状態においては、降圧チョッパ回路40はインバータ100もしくはインバータ200の動作を優先して制御されるため、インバータ300の入力電圧が変動することになる。しかしながら、インバータ300はパルス周波数変調制御により電力をコントロールすることができるため問題はない。 In FIG. 18, inverter 300 is different from Example 4 in that it is connected to the rear stage of step-down chopper circuit 40. When inverter 100 or inverter 200 is stopped, inverter 300 is operated at a substantially constant frequency near the resonant frequency to reduce the cutoff current, and the output voltage of step-down chopper circuit 40 can be adjusted to control the power. When inverter 100 or inverter 200 is operating, step-down chopper circuit 40 is controlled by prioritizing the operation of inverter 100 or inverter 200, so the input voltage of inverter 300 fluctuates. However, this is not a problem because inverter 300 can control the power by pulse frequency modulation control.

1 商用交流電源、
2a~2d、6a~6h、33 ダイオード、
3 第一の上下アーム、
4 第二の上下アーム、
5a~5h、32 スイッチング素子、
11 加熱コイル、
12、13 共振コンデンサ、
20 リレー、
30 昇圧チョッパ回路、
31 昇圧用チョークコイル、
34、44 平滑コンデンサ、
35 直流電源、
40 降圧チョッパ回路
41 降圧用チョークコイル、
45、47 インダクタ、
46、48 コンデンサ、
100、200、300、400 インバータ
1. Commercial AC power supply,
2a to 2d, 6a to 6h, 33 Diode,
3 first upper and lower arms,
4 second upper and lower arms,
5a to 5h, 32 switching elements,
11 heating coil,
12, 13 Resonant capacitor,
20 Relay,
30 boost chopper circuit,
31 boost choke coil,
34, 44 smoothing capacitor,
35 DC power source,
40 Step-down chopper circuit 41 Step-down choke coil,
45, 47 inductor,
46, 48 Capacitor,
100, 200, 300, 400 Inverter

Claims (12)

被加熱物を誘導加熱する加熱コイルと、
直流電圧を出力する直流電源と、
該直流電源が出力した直流電圧を降圧する降圧チョッパ回路と、
該降圧チョッパ回路の出力電圧を交流電圧に変換して前記加熱コイルに供給するインバータと、
を備えた電磁誘導加熱装置であって、
前記降圧チョッパ回路は、
2個のスイッチング素子の直列体である第一の上下アームと、
該第一の上下アームの出力端子に一端を接続した降圧用チョークコイルと、
該降圧用チョークコイルの他端と前記直流電源の一端の間に接続した平滑コンデンサと、を有し、
前記インバータは、
2個のスイッチング素子の直列体である第二の上下アームと、
該第二の上下アームの出力端子に一端を接続した前記加熱コイルと、
該加熱コイルの他端と前記平滑コンデンサの一端の間に接続した第一の共振コンデンサと、
前記第一の上下アームの出力端子と前記加熱コイルの他端の間に接続したリレーと第二の共振コンデンサの直列体と、を有し、
前記第一の上下アームは、前記インバータの一部として動作しないときは、前記降圧チョッパ回路の一部として動作することを特徴とする電磁誘導加熱装置。
A heating coil for induction heating an object to be heated;
A DC power supply that outputs a DC voltage;
a step-down chopper circuit that steps down a DC voltage output by the DC power supply;
an inverter that converts the output voltage of the step-down chopper circuit into an AC voltage and supplies the AC voltage to the heating coil;
An electromagnetic induction heating device comprising:
The step-down chopper circuit includes:
a first upper and lower arms each being a series body of two switching elements;
a step-down choke coil having one end connected to the output terminal of the first upper and lower arms;
a smoothing capacitor connected between the other end of the step-down choke coil and one end of the DC power supply,
The inverter is
a second upper and lower arms each being a series circuit of two switching elements;
The heating coil, one end of which is connected to the output terminal of the second upper and lower arms;
a first resonant capacitor connected between the other end of the heating coil and one end of the smoothing capacitor;
a series circuit including a relay and a second resonant capacitor connected between the output terminals of the first upper and lower arms and the other end of the heating coil,
The electromagnetic induction heating device, wherein the first upper and lower arms operate as part of the step-down chopper circuit when they do not operate as part of the inverter.
被加熱物を誘導加熱する加熱コイルと、
直流電圧を出力する直流電源と、
該直流電源が出力した直流電圧を降圧する降圧チョッパ回路と、
該降圧チョッパ回路の出力電圧を交流電圧に変換して前記加熱コイルに供給するインバータと、
を備えた電磁誘導加熱装置であって、
前記降圧チョッパ回路は、
前記直流電源に並列接続した、2個のスイッチング素子の直列体である第一の上下アームと、
該第一の上下アームの出力端子に一端を接続した降圧用チョークコイルと、
該降圧用チョークコイルの他端と前記直流電源の一端の間に接続した平滑コンデンサと、を有し、
前記インバータは、
前記平滑コンデンサに並列接続した、2個のスイッチング素子の直列体である第二の上下アームと、
該第二の上下アームの出力端子に一端を接続した前記加熱コイルと、
該加熱コイルの他端と前記平滑コンデンサの一端の間に接続した第一の共振コンデンサと、
前記第一の上下アームの出力端子と前記加熱コイルの他端の間に接続したリレーと第二の共振コンデンサの直列体と、を有し、
各スイッチング素子には、ダイオードが逆並列に接続されており、
前記第一の上下アームは、
前記リレーのオフ時には、前記降圧チョッパ回路の一部として動作し、
前記リレーのオン時には、前記降圧チョッパ回路の一部として動作するとともに、前記インバータの一部としても動作し、
前記第二の上下アームは、前記リレーのオンオフに拘わらず、前記インバータの一部として動作することを特徴とする電磁誘導加熱装置。
A heating coil for induction heating an object to be heated;
A DC power supply that outputs a DC voltage;
a step-down chopper circuit that steps down a DC voltage output by the DC power supply;
an inverter that converts the output voltage of the step-down chopper circuit into an AC voltage and supplies the AC voltage to the heating coil;
An electromagnetic induction heating device comprising:
The step-down chopper circuit includes:
a first upper and lower arm which is a series body of two switching elements connected in parallel to the DC power supply;
a step-down choke coil having one end connected to the output terminal of the first upper and lower arms;
a smoothing capacitor connected between the other end of the step-down choke coil and one end of the DC power supply,
The inverter is
a second upper and lower arms each including two switching elements connected in series to the smoothing capacitor;
The heating coil, one end of which is connected to the output terminal of the second upper and lower arms;
a first resonant capacitor connected between the other end of the heating coil and one end of the smoothing capacitor;
a series circuit including a relay and a second resonant capacitor connected between the output terminals of the first upper and lower arms and the other end of the heating coil,
A diode is connected in inverse parallel to each switching element.
The first upper and lower arms include
When the relay is off, it operates as a part of the step-down chopper circuit,
When the relay is turned on, the relay operates as a part of the step-down chopper circuit and also operates as a part of the inverter,
The electromagnetic induction heating device, wherein the second upper and lower arms operate as part of the inverter regardless of whether the relay is on or off.
請求項2に記載の電磁誘導加熱装置において、
前記第二の上下アームには、前記第一の上下アームよりも高速なスイッチング素子を用いることを特徴とする電磁誘導加熱装置。
3. The electromagnetic induction heating device according to claim 2,
An electromagnetic induction heating device, characterized in that the second upper and lower arms use faster switching elements than the first upper and lower arms.
請求項2に記載の電磁誘導加熱装置において、
前記被加熱物が非磁性体である場合、前記リレーをオフすることで、前記インバータをハーフブリッジ方式とすることを特徴とする電磁誘導加熱装置。
3. The electromagnetic induction heating device according to claim 2,
An electromagnetic induction heating device characterized in that, when the object to be heated is a non-magnetic material, the relay is turned off, thereby causing the inverter to be of a half-bridge type.
請求項4に記載の電磁誘導加熱装置において、
前記降圧チョッパ回路は、前記第二の上下アームに印加する電圧振幅を制御して前記インバータの電力を調整することを特徴とする電磁誘導加熱装置。
5. The electromagnetic induction heating device according to claim 4,
The electromagnetic induction heating device, wherein the step-down chopper circuit adjusts the power of the inverter by controlling the amplitude of the voltage applied to the second upper and lower arms.
請求項2に記載の電磁誘導加熱装置において、
前記被加熱物が磁性体である場合、前記リレーをオンすることで、前記インバータをフルブリッジ方式とすることを特徴とする電磁誘導加熱装置。
3. The electromagnetic induction heating device according to claim 2,
An electromagnetic induction heating device characterized in that, when the object to be heated is a magnetic body, the relay is turned on to cause the inverter to be a full-bridge type.
請求項6に記載の電磁誘導加熱装置において、
前記インバータは、スイッチング周波数を制御し電力を調整することを特徴とする電磁誘導加熱装置。
7. The electromagnetic induction heating device according to claim 6,
The electromagnetic induction heating device is characterized in that the inverter controls a switching frequency to adjust power.
請求項6に記載の電磁誘導加熱装置において、
前記降圧チョッパ回路は、前記第二の上下アームに印加する電圧振幅を制御し、
前記インバータは、前記加熱コイルに電圧を印加するパルス幅を制御して電力を調整することを特徴とする電磁誘導加熱装置。
7. The electromagnetic induction heating device according to claim 6,
the step-down chopper circuit controls a voltage amplitude applied to the second upper and lower arms,
The electromagnetic induction heating device is characterized in that the inverter adjusts power by controlling a pulse width of a voltage applied to the heating coil.
請求項6に記載の電磁誘導加熱装置において、
前記インバータは、第一の上下アームと第二の上下アームの位相差を制御して電力を調整することを特徴とする電磁誘導加熱装置。
7. The electromagnetic induction heating device according to claim 6,
The electromagnetic induction heating device is characterized in that the inverter adjusts power by controlling a phase difference between a first upper and lower arm and a second upper and lower arm.
請求項6に記載の電磁誘導加熱装置において、
前記インバータは、前記第一の上下アームに印加する電圧振幅を制御して電力を調整することを特徴とする電磁誘導加熱装置。
7. The electromagnetic induction heating device according to claim 6,
The electromagnetic induction heating device, characterized in that the inverter adjusts power by controlling the amplitude of a voltage applied to the first upper and lower arms.
請求項1から10の何れかに記載の電磁誘導加熱装置において、
前記直流電源から出力される直流電圧は、商用交流電源から供給される交流電圧を整流した後、昇圧チョッパ回路にて平滑された電圧であり、
前記昇圧チョッパ回路の後段に、前記インバータとは異なるインバータが接続されていることを特徴とする電磁誘導加熱装置。
The electromagnetic induction heating device according to any one of claims 1 to 10,
The DC voltage output from the DC power supply is a voltage obtained by rectifying an AC voltage supplied from a commercial AC power supply and smoothing it by a boost chopper circuit,
4. An electromagnetic induction heating device, comprising: a boost chopper circuit connected to a downstream side of the boost chopper circuit; and an inverter different from the inverter.
請求項11に記載の電磁誘導加熱装置において、
前記降圧チョッパ回路の後段に、前記インバータとは異なるインバータが接続されていることを特徴とする電磁誘導加熱装置。
The electromagnetic induction heating device according to claim 11,
An electromagnetic induction heating device, characterized in that an inverter different from the inverter is connected to a stage subsequent to the step-down chopper circuit.
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