JP3888132B2 - 誘導加熱調理器 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、誘導加熱調理器、特にアルミニウム、銅など低抵抗金属からなる負荷を誘導加熱する調理器に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
以下、図６〜図８に基づいて従来の誘導加熱調理器について説明する。
【０００３】
図に示すように、商用電源１を整流素子２で整流し、平滑手段３にて直流電力をインバータ４に供給し、インバータ４ではスイッチング素子７を駆動して高周波磁界を加熱コイル６に発生させ、鍋などの負荷５を誘導加熱するものである。
【０００４】
ここで、負荷５への電力制御を行うため、周波数制御またはスイッチング素子７のオンオフデューティ制御のいずれかが行われていた。すなわち周波数制御はスイッチング素子７のオンオフデューティを固定してスイッチング素子７の駆動周波数を可変することにより、図７のような周波数−入力電力特性があることを利用して電力制御を行い、オンオフデューティ制御は駆動周波数を固定してスイッチング素子７のオンオフデューティを可変することにより、図８のようなオンオフデューティ−入力電力特性があることを利用して電力制御を行っていた。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
前記従来の構成の誘導加熱調理器は、アルミニウムや銅など低抵抗金属からなる負荷５を誘導加熱した場合、低抵抗のため負荷５と磁気結合した状態での加熱コイル６のＱが大きくなり、周波数に対する入力電力の変化が大きくなり、周波数制御による電力制御を行うことが必要であった。しかし、マイコンなどを用いてデジタル的に周波数を可変する場合、その最小周波数可変幅でのインバータ４の入力電力がステップ的に大きく変化し、きめ細かな電力制御が行うことが出来ないという課題を有している。
【０００６】
本発明は前記従来の課題を解決するもので、マイコンなどによるデジタル制御手段でもきめ細かな電力制御を行うことの出来る誘導加熱調理器を提供することを目的とするものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するために本発明の誘導加熱調理器は、スイッチング素子と、加熱コイルと、前記加熱コイルと共振する共振コンデンサと、前記加熱コイルと前記共振コンデンサの共振周波数の１／ｎ（ｎは２以上の任意の整数）の周波数近傍における前記スイッチング素子の駆動周波数と入力電力の共振特性を利用して前記加熱コイルから高周波磁界を発生しアルミニウムや銅などの低抵抗金属を誘導加熱するインバータと、前記スイッチング素子の駆動周波数をデジタル的に可変して出力制御を行うととともに前記駆動周波数を固定して前記スイッチング素子のオンオフデューティをデジタル的に可変して出力制御を行う出力制御手段とを有し、出力制御手段は駆動周波数を変化させることより入力電力を大きく変化させ、かつオンオフデューティを変化させることによりきめ細かな電力制御を行うようにしたものである。
【０００８】
これによって、スイッチング素子の責務を小さくしかつマイコンなどによるデジタル制御手段でもきめ細かな電力制御を行うことが出来るものである。
【０００９】
【発明の実施の形態】
請求項１に記載した発明は、スイッチング素子と、加熱コイルと、前記加熱コイルと共振する共振コンデンサと、前記加熱コイルと前記共振コンデンサの共振周波数の１／ｎ（ｎは２以上の任意の整数）の周波数近傍における前記スイッチング素子の駆動周波数と入力電力の共振特性を利用して前記加熱コイルから高周波磁界を発生しアルミニウムや銅などの低抵抗金属を誘導加熱するインバータと、前記スイッチング素子の駆動周波数をデジタル的に可変して出力制御を行うととともに前記駆動周波数を固定して前記スイッチング素子のオンオフデューティをデジタル的に可変して出力制御を行う出力制御手段とを有し、前記出力制御手段は前記駆動周波数を変化させることより入力電力を大きく変化させ、かつ前記オンオフデューティを変化させることによりきめ細かな電力制御を行う誘導加熱調理器とすることにより、スイッチング素子の責務を小さくしかつデジタル制御手段でもすばやくかつきめ細かな電力制御を行うことが出来る。
【００１０】
請求項２に記載した発明は、スイッチング素子のオンオフデューティを（２ｋ−１）／２ｎ近傍（ｋは１以上ｎ以下の任意の整数）で可変する請求項１に記載の誘導加熱調理器とすることにより、ターンオン時のゼロ電圧スイッチングができ、駆動周波数の高調波による誘導加熱を行う場合にスイッチング素子に過大なストレスがかからない。
【００１１】
請求項３に記載した発明は、起動時または電力設定時の過渡期においてスイッチング素子のオンオフデューティを（２ｋ−１）／２ｎ近傍（ｋは１以上ｎ以下の任意の整数）で固定する請求項２に記載の誘導加熱調理器とすることにより、インバータ起動の早い調理器が得られる。
【００１２】
請求項４に記載した発明は、インバータの入力または出力を検知する検知手段を有し、インバータの入力または出力が小なる場合はスイッチング素子のオンオフデューティを（２ｋ−１）／２ｎ近傍（ｋは１以上ｎ以下の任意の整数）で固定することによりすばやく電力制御を行い、インバータの入力または出力が大なる場合はスイッチング素子のオンオフデューティを（２ｋ−１）／２ｎ近傍で可変する請求項２に記載の誘導加熱調理器とすることにより、よりきめ細かな電力制御を行うことが出来る。
【００１３】
【実施例】
以下、本発明の実施例について図面を参照して説明する。
【００１４】
図１においては、商用電源１１を整流素子１２で整流し、平滑手段１３にて直流電力を、スイッチング素子１７を有するインバータ１４に供給して、インバータ１４ではスイッチング素子１７を駆動して高周波磁界を加熱コイル１６に発生させ、この加熱コイル１６により鍋などの負荷１５を誘導加熱するものである。そして負荷１５への電力制御を行うため、出力制御手段１８により、スイッチング素子１７の駆動周波数とオンオフデューティを可変し出力制御を行う。
【００１５】
また加熱コイル１６に直列に共振コンデンサを接続しており、インバータ１４はハーフブリッジ構成としている。
【００１６】
図２に示すように、負荷１５がある場合の加熱コイル１６と共振コンデンサの共振周波数をｆｃとすると、駆動周波数がｆｃ／２、ｆｃ／３の時にそれぞれ第２高調波、第３高調波による共振が起こり、図のような駆動周波数−入力電力特性となる。
【００１７】
ここで、負荷１５としてアルミニウムや銅などの低抵抗の金属を誘導加熱するため、表皮抵抗を大きくするために周波数を高くして誘導加熱を行う。本実施例では駆動周波数をｆｃ／３近傍とすることで、共振周波数の３分の１程度に駆動周波数を低くすることが出来、スイッチング損失が小さく効率の良い誘導加熱を実現している。また、負荷１５がアルミニウムや銅などの場合、負荷を磁気結合した状態での加熱コイル１６と共振コンデンサの共振のＱが大きいため、図２のように最小周波数可変幅に対して急峻に入力電力が変化する特性となる。また、駆動周波数を第３高調波周波数近傍、すなわちｆｃ／３の近傍で一定とした場合において、スイッチング素子１７のオンオフデューティを変化させた場合の入力電力特性は図３のようになる。すなわち、オンオフデューティが１／６、３／６、５／６の時に入力電力が極大となる特性となる。本実施例では３／６近傍にてオンオフデューティを可変することで出力を制御し、駆動周波数はｆｃ／３の近傍でより大きな周波数としているため、スイッチング素子１７の電流波形は図４のようにターンオン時はゼロ電圧スイッチングを実現している。
【００１８】
また、出力制御手段１８は本実施例ではマイコンで実現している。すなわち駆動周波数はスイッチング素子１７への制御信号の周期を変化させることにより可変し、オンオフデューティは前記制御信号のオンオフ時間を変化させることにより可変し制御を行うものである。マイコンで制御信号の周期やオンオフ時間を変化させる場合、クロック信号をベースとした最小時間があり、結果として、駆動周波数やオンオフ時間を変化させる場合、離散的に変化する。本実施例では目標とする出力になるよう、図２で示すように駆動周波数を変化させて、かつ図３で示すようにオンオフデューティを変化させることにより、Ｑが大きくなるアルミニウム、銅などの低抵抗金属を負荷とした場合においても、駆動周波数を変化させることで入力電力を大きく変化させ、オンオフデューティを０．５近傍で変化させることにより、きめ細かな電力制御が出来、かつスイッチング素子１７の責務も小さな誘導加熱調理器を実現しているものである。
【００１９】
図５は他の実施例を示したものであり、インバータ構成としては、昇圧チョッパを兼ね備えたハーフブリッジ形式としたものである。すなわち、図１に示した回路に、フイルタ１９、昇圧コイル２０を付加したものである。この場合は２石で昇圧も出来ることからインバータ１４の入力電圧を高くすることが出来、インバータ１４の出力を大きくすることが出来る。そして、この場合でも同様の効果が得られることはいうまでもない。
【００２０】
更に図５の実施例では、入力電流、加熱コイル電圧、加熱コイル電流、あるいは共振コイル電圧などインバータの入力や出力を検知する検知手段を用いた場合の一例でもある。この例では、入力検知手段２１によりインバータ１４への入力電流制御を行っている。これにより、インバータ１４の入力が小である場合は、出力制御手段１８によりスイッチング素子１７のオンオフデューティを（２ｋ−１）／２ｎ近傍（ｋは１からｎ以下の任意の整数）で固定して駆動周波数を可変してすばやく電力制御を行い、インバータ１４の入力が大である場合は、スイッチング素子１７のオンオフデューティを（２ｋ−１）／２ｎ近傍で可変し、同時に駆動周波数も可変して、双方できめ細かな電力制御を行うことが実現できる。インバータ１４の出力を検知しても同様な制御が行えることはいうまでもない。なお、電流検知は、シャント抵抗、カレントトランス、磁気センサなどで、電圧検知も分圧するなど容易に実現可能である。
【００２１】
また、本実施例ではインバータ構成をいわゆるＳＥＰＰとしたが、これにこだわる必要がないのはいうまでもない。また、本実施例では駆動周波数の第３高調波を利用したが、基本波やその他のｎ次高調波（ｎは２以上の任意の整数）を利用してもオンオフデューティを（２ｋ−１）／２ｎ近傍（ｋは１からｎ以下の任意の整数）とすることで、同様な効果が得られる。また、アルミニウムや銅などＱが大きな低抵抗金属ではなく、鉄などのＱが小さい負荷であっても、マイコンのクロック周波数が低いなどスイッチング素子の駆動周波数の変化量が大きくなる場合などで本発明の効果は得られるものである。
【００２２】
また、インバータ運転中、常時、駆動周波数とオンオフデューティの両方を必ず可変させる必要はなく、いわゆる定常加熱時において可変すれば本発明の目的は達成できるとともに、起動時や電力再設定時の過渡期など、定常加熱ではないところではオンオフデューティを固定すれば、駆動周波数のみを順次可変することによりすばやく目標の電力に到達させることが出来る。
【００２３】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、加熱コイルと共振コンデンサの共振周波数の１／ｎ（ｎは２以上の任意の整数）の周波数近傍におけるスイッチング素子の駆動周波数と入力電力の共振特性を利用して加熱コイルから高周波磁界を発生しアルミニウムや銅などの低抵抗金属を誘導加熱するインバータを有し、スイッチング素子の駆動周波数とオンオフデューティを可変して出力制御を行うことで、スイッチング素子の責務を小さくしかつマイコンなどのデジタル制御手段でも容易にきめ細かな電力制御を行うことの出来る誘導加熱調理器を実現するものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の一実施例である誘導加熱調理器の回路図
【図２】 同誘導加熱調理器における駆動周波数−入力電力の特性図
【図３】 同誘導加熱調理器におけるオンデューティ−入力電力の特性図
【図４】 同誘導加熱調理器におけるスイッチング素子の電流波形図
【図５】 本発明の他の実施例である誘導加熱調理器の回路図
【図６】 従来の誘導加熱調理器の回路図
【図７】 同誘導加熱調理器の駆動周波数−入力電力の特性図
【図８】 同誘導加熱調理器におけるオンデューティ−入力電力の特性図
【符号の説明】
１１ 商用電源
１４ インバータ
１５ 負荷
１６ 加熱コイル
１７ スイッチング素子
１８ 出力制御手段
２１ 入力検知手段

Claims (4)

1. スイッチング素子と、加熱コイルと、前記加熱コイルと共振する共振コンデンサと、前記加熱コイルと前記共振コンデンサの共振周波数の１／ｎ（ｎは２以上の任意の整数）の周波数近傍における前記スイッチング素子の駆動周波数と入力電力の共振特性を利用して前記加熱コイルから高周波磁界を発生しアルミニウムや銅などの低抵抗金属を誘導加熱するインバータと、前記スイッチング素子の駆動周波数をデジタル的に可変して出力制御を行うととともに前記駆動周波数を固定して前記スイッチング素子のオンオフデューティをデジタル的に可変して出力制御を行う出力制御手段とを有し、前記出力制御手段は前記駆動周波数を変化させることより入力電力を大きく変化させ、かつ前記オンオフデューティを変化させることによりきめ細かな電力制御を行う誘導加熱調理器。
2. スイッチング素子のオンオフデューティを（２ｋ−１）／２ｎ近傍（ｋは１以上ｎ以下の任意の整数）で可変する請求項１に記載の誘導加熱調理器。
3. 起動時または電力設定時の過渡期においてスイッチング素子のオンオフデューティを（２ｋ−１）／２ｎ近傍（ｋは１以上ｎ以下の任意の整数）で固定する請求項２に記載の誘導加熱調理器。
4. インバータの入力または出力を検知する検知手段を有し、インバータの入力または出力が小なる場合はスイッチング素子のオンオフデューティを（２ｋ−１）／２ｎ近傍（ｋは１以上ｎ以下の任意の整数）で固定し、インバータの入力または出力が大なる場合はスイッチング素子のオンオフデューティを（２ｋ−１）／２ｎ近傍で可変する請求項２に記載の誘導加熱調理器。

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