高周波電源装置および高周波電源装置を備えた誘導加熱調理器
【課題】１つの負荷回路に対するインバーター回路の発熱箇所を分散して、局部的な発熱による故障や出力の制限を極力回避した使い勝手のよい高周波電源装置を提供する。
【解決手段】第１の負荷回路５に対し、２つのパワーモジュール３、４の１組の上・下スイッチ１０と１１および１８と１９を互いに組み合わせて第１のインバーター回路ＩＮＶ１を構成し、第２の負荷回路６に対し各パワーモジュール３、４の１組の上・下スイッチ１２と１３および２０と２１を互いに組み合わせて第２のインバーター回路ＩＮＶ２を構成している。
【解決手段】第１の負荷回路５に対し、２つのパワーモジュール３、４の１組の上・下スイッチ１０と１１および１８と１９を互いに組み合わせて第１のインバーター回路ＩＮＶ１を構成し、第２の負荷回路６に対し各パワーモジュール３、４の１組の上・下スイッチ１２と１３および２０と２１を互いに組み合わせて第２のインバーター回路ＩＮＶ２を構成している。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複数のパワーモジュールを有する高周波電源装置およびその高周波電源装置を備えた誘導加熱調理器に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来の誘導加熱調理器には、２個直列に接続されたスイッチング素子を複数有するパワーモジュールを備え、そのパワーモジュールに設けられた２個直列のスイッチング素子を複数組み合わせてフルブリッジ型インバーター回路が構成されたものがある。そのインバーター回路の出力側には、加熱コイルと共振コンデンサからなる負荷回路が接続されている（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００８−２３５１２４号公報（第３頁、図１−図２）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
前述した従来の誘導加熱調理器では、パワーモジュールを使用することによりインバーター回路をコンパクトに構成することができ、インバーター回路が実装される基板を小型化することができる。しかし、複数の負荷回路に対しインバーター回路をそれぞれ個別のパワーモジュールのスイッチング素子を使用して構成した場合、各負荷回路への出力状態によっては、高周波電源装置全体では熱的に余裕がある状態であっても、一部のパワーモジュールに発熱（損失）が集中する場合がある。そのような場合には、対応するパワーモジュールのインバーター回路の出力を制限しなければならず、使い勝手が悪くなる課題があった。
【０００５】
本発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、１つの負荷回路に対するインバーター回路の発熱箇所を分散して、局部的な発熱による故障や出力の制限を極力回避した使い勝手のよい高周波電源装置および高周波電源装置を備えた誘導加熱調理器を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明に係る高周波電源装置は、交流電力を直流に変換する直流電源回路と、直流電源回路の出力間に直列に接続された２個のスイッチング素子を１組として複数組有する２以上のパワーモジュールとを備え、負荷回路に対し、２以上のパワーモジュールのうち２つのパワーモジュールの１組のスイッチング素子を互いに組み合わせてフルブリッジ型インバーター回路を構成するようにしたものである。
【発明の効果】
【０００７】
本発明においては、負荷回路に対し、２つのパワーモジュールの１組のスイッチング素子を互いに組み合わせてフルブリッジ型インバーター回路を構成するようにしている。これにより、１つの負荷回路に対して高出力動作を行った場合に、その高出力動作によるフルブリッジ型インバーター回路のスイッチング素子における発熱は、もう一方のパワーモジュールに分散することができる。そのため、高周波電源装置全体では熱的に余裕のある状態でありながら一部のインバーター回路に発熱が集中して加熱出力を制限しなければならない状態が生じ難くなり、使い勝手のよい高周波電源装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】実施の形態１に係る高周波電源装置を備えた誘導加熱調理器の回路構成を示す図である。
【図２】図１の誘導加熱調理器における第１のインバーター回路の駆動信号および出力を示す波形図である。
【図３】図１の誘導加熱調理器における第２のインバーター回路の駆動信号および出力を示す波形図である。
【図４】図１の誘導加熱調理器における第１および第２のインバーター回路の各駆動信号および各出力を示す波形図である。
【図５】実施の形態２に係る高周波電源装置を備えた誘導加熱調理器の回路構成を示す図である。
【図６】実施の形態３に係る高周波電源装置を備えた誘導加熱調理器の回路構成を示す図である。
【図７】実施の形態４に係る高周波電源装置を備えた誘導加熱調理器の回路構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
実施の形態１．
図１は実施の形態１に係る高周波電源装置を備えた誘導加熱調理器の回路構成を示す図である。
図において、本実施の形態の誘導加熱調理器は、商用交流電源１と接続される直流電源回路２と、第１および第２のパワーモジュール３、４と、第１および第２のパワーモジュール３、４の間にそれぞれ挿入された第１および第２の負荷回路５、６と、本調理器を制御する制御回路４６とを主要部品として備えている。本実施の形態における誘導加熱調理器の高周波電源装置は、直流電源回路２と、第１および第２のパワーモジュール３、４と、後述する駆動回路３６〜３９、スナバコンデンサ４０〜４３、放熱部材４４、温度センサー４５と、制御回路４６とから構成されている。
【００１０】
前述の直流電源回路２は、商用交流電源１の交流電力を整流するダイオードブリッジ回路７と、ダイオードブリッジ回路７により整流された直流電圧を平滑するチョークコイル８および平滑コンデンサ９とから構成されている。この直流電源回路２の出力電圧は、第１および第２のパワーモジュール３、４に供給される。
【００１１】
第１のパワーモジュール３は、直流電源回路２の出力間に２個ずつ直列に接続されたスイッチング素子１０と１１および１２と１３と、各スイッチング素子１０〜１３にそれぞれ逆並列に接続された４個のダイオード１４〜１７とで構成されている。第２のパワーモジュール４は、第１のパワーモジュール３と同様に、直流電源回路２の出力間に２個ずつ直列に接続されたスイッチング素子１８と１９および２０と２１と、各スイッチング素子１８〜２１にそれぞれ逆並列に接続された４個のダイオード２２〜２５とで構成されている。
【００１２】
なお、以下、直流電源回路２の高電位側の出力端に接続されたスイッチング素子１０、１２、１８、２０を上スイッチ１０、１２、１８、２０と記し、直流電源回路２の低電位側の出力端に接続されたスイッチング素子１１、１３、１９、２１を下スイッチ１１、１３、１９、２１と記す。また、上スイッチ１０、１２、１８、２０にそれぞれ逆並列に接続されたダイオード１４、１６、２２、２４を上ダイオード１４、１６、２２、２４と記し、下スイッチ１１、１３、１９、２１にそれぞれ逆並列に接続されたダイオード１５、１７、２３、２５を下ダイオード１５、１７、２３、２５と記す。
【００１３】
第１のパワーモジュール３に内蔵された上・下スイッチ１０、１１および上・下ダイオード１４、１５と、第２のパワーモジュール４に内蔵された上・下スイッチ１８、１９および上・下ダイオード２２、２３とで第１のフルブリッジ型インバーター回路ＩＮＶ１（以下、第１のインバーター回路ＩＮＶ１と記す）が構成されている。また、第１のパワーモジュール３に内蔵された上・下スイッチ１２、１３および上・下ダイオード１６、１７と、第２のパワーモジュール４に内蔵された上・下スイッチ２０、２１および上・下ダイオード２４、２５とで第２のフルブリッジ型インバーター回路ＩＮＶ２（以下、第２のインバーター回路ＩＮＶ２と記す）が構成されている。
【００１４】
前述の第１の負荷回路５は、第１の加熱コイル２６とその共振コンデンサ２７とで構成され、第１のインバーター回路ＩＮＶ１の出力端（接続点Ａ，Ｃ）と接続されている。第２の負荷回路６は、第２の加熱コイル２８とその共振コンデンサ２９とから構成され、第２のインバーター回路ＩＮＶ２の出力端（接続点Ｂ，Ｄ）と接続されている。なお、第１および第２の加熱コイル２６、２８は、本調理器に設けられた鍋載置用の天板の裏面側に配置されている。
【００１５】
また、本実施の形態の誘導加熱調理器は、第１の加熱コイル２６に流れる電流を検出する電流検出器３０と、第１の加熱コイル２６に印加される電圧を検出する電圧検出器３１と、電流検出器３０により検出された電流と電圧検出器３１により検出された電圧とから第１の負荷回路５の出力電力を算出する乗算器３２と、第２の加熱コイル２８に流れる電流を検出する電流検出器３３と、第２の加熱コイル２８に印加される電圧を検出する電圧検出器３４と、電流検出器３３により検出された電流と電圧検出器３４により検出された電圧とから第２の負荷回路６の出力電力を算出する乗算器３５と、第１のインバーター回路ＩＮＶ１を駆動する駆動回路３６、３８と、第２のインバーター回路ＩＮＶ２を駆動する駆動回路３７、３９と、４個のスナバコンデンサ４０、４１、４２、４３とを備えている。
【００１６】
前述の２個の駆動回路３６、３８のうち、一方の駆動回路３６は、制御回路４６の制御に基づいて第１のインバーター回路ＩＮＶ１の上・下スイッチ１０、１１を交互にオン・オフし、他方の駆動回路３８は、制御回路４６の制御に基づいて同インバーター回路ＩＮＶ１の上・下スイッチ１８、１９を交互にオン・オフする。また、２個の駆動回路３７、３９のうち、一方の駆動回路３７は、制御回路４６の制御に基づいて第２のインバーター回路ＩＮＶ２の上・下スイッチ１２、１３を交互にオン・オフし、他方の駆動回路３９は、制御回路４６の制御に基づいて同インバーター回路ＩＮＶ２の上・下スイッチ２０、２１を交互にオン・オフする。
【００１７】
第１の負荷回路５に高周波出力する場合には、駆動回路３６により上スイッチ１０と下スイッチ１１を高周波で交互にオン・オフし、上スイッチ１０と下スイッチ１１の接続点Ａに高周波で変動する電位を発生させる。またこの時、駆動回路３８によって駆動回路３６と同一周波数で位相遅れの高周波で上スイッチ１８と下スイッチ１９を交互にオン・オフし、上スイッチ１８と下スイッチ１９の接続点Ｃに高周波で変動する電位を発生させる。その駆動回路３６と駆動回路３８の位相差の駆動により、接続点Ａ・Ｃ間に生じる高周波電圧が第１の負荷回路５に印加される。
【００１８】
また、第２の負荷回路６に高周波出力する場合には、駆動回路３７により上スイッチ１２と下スイッチ１３を高周波で交互にオン・オフし、上スイッチ１２と下スイッチ１３の接続点Ｂに高周波で変動する電位を発生させる。またこの時、駆動回路３９によって駆動回路３７と同一の周波数で位相進みの高周波で上スイッチ２０と下スイッチ２１を交互にオン・オフし、上スイッチ２０と下スイッチ２１の接続点Ｄに高周波で変動する電位を発生させる。その駆動回路３７と駆動回路３９の位相差の駆動により、接続点Ｂ・Ｄ間に生じる高周波電圧が第２の負荷回路６に印加される。
【００１９】
前述のスナバコンデンサ４０、４１、４２、４３のうち、スナバコンデンサ４０は、直流電源回路２の高電位側の出力端と第１のインバーター回路ＩＮＶ１の接続点Ａとの間に挿入され、スナバコンデンサ４１は、直流電源回路２の高電位側の出力端と第２のインバーター回路ＩＮＶ２の接続点Ｂとの間に挿入されている。また、スナバコンデンサ４２は、直流電源回路２の高電位側の出力端と第１のインバーター回路ＩＮＶ１の接続点Ｃとの間に挿入され、スナバコンデンサ４３は、直流電源回路２の高電位側の出力端と第２のインバーター回路ＩＮＶ２の接続点Ｄとの間に挿入されている。これらスナバコンデンサ４０、４１、４２、４３は、各インバーター回路ＩＮＶ１、ＩＮＶ２の上・下スイッチのターンオフ時における印加電圧の急増を回避して、テール電流によるスイッチング損失を抑制する。
【００２０】
また、本実施の形態の誘導加熱調理器は、１つの放熱部材４４と、放熱部材４４に取り付けられた温度センサー４５とを備えている。放熱部材４４は、上面に放熱フィンが設けられ、その下面に第１および第２のパワーモジュール３、４が熱結合された状態で取り付けられている。その放熱部材４４の共有化により、２つのパワーモジュール３、４内の２のインバーター回路ＩＮＶ１、ＩＮＶ２あるいは何れか一方から発生する熱を温度差なく均等に放出させることができる。
【００２１】
温度センサー４５は、例えばサーミスタからなり、放熱部材４４の下面のうち２つのパワーモジュール３、４間のほぼ中央に位置する下面に取り付けられている。その温度センサー４５により検出された温度は、制御回路４６によって２つのインバーター回路ＩＮＶ１、ＩＮＶ２の各スイッチ１０〜１３、１８〜２１の許容温度と比較される。本実施の形態においては、放熱部材４４を１つとし、これに伴って温度センサー４５も１つにして構成の簡単化、コスト低減を図っている。
【００２２】
なお、第１および第２のパワーモジュール３、４の各出力端子および共振コンデンサ２７、２９には大きな負荷電流が流れるため、これらを同一プリント基板上に配置する場合には、そのプリント基板上にその間を接続する太い電流路を確保する必要がある。そのため、一方のパワーモジュールの出力端子に共振コンデンサの接続が集中するとコンパクトに配置することが困難となってプリント基板が大形化する等の問題が生じうるが、本実施の形態では、各パワーモジュールに１つずつの共振コンデンサが接続されるように構成して部品配置を分散させ、プリント基板の大形化の回避を図っている。
【００２３】
次に、第１および第２のインバーター回路ＩＮＶ１、ＩＮＶ２の動作について図２乃至図４を参照しながら説明する。
図２は図１の誘導加熱調理器における第１のインバーター回路の駆動信号および出力を示す波形図、図３は図１の誘導加熱調理器における第２のインバーター回路の駆動信号および出力を示す波形図、図４は図１の誘導加熱調理器における第１および第２のインバーター回路の各駆動信号および各出力を示す波形図である。
【００２４】
本実施の形態の誘導加熱調理器では、第１および第２の負荷回路５、６は共振周波数を有し、制御回路４６は、駆動回路３６〜３９を制御して第１および第２のインバーター回路ＩＮＶ１、ＩＮＶ２を各負荷回路５、６の共振周波数よりも高い周波数で駆動する。
【００２５】
第１の負荷回路５に高周波出力を行う場合は、制御回路４６により、駆動回路３６を制御して第１のインバーター回路ＩＮＶ１の上スイッチ１０と下スイッチ１１を交互にオン・オフするとともに、駆動回路３８を制御して第１のインバーター回路ＩＮＶ１の上スイッチ１８と下スイッチ１９を交互にオン・オフする。その際、図２に示すように、駆動回路３６から出力される上スイッチ１０と下スイッチ１１への駆動信号、および駆動回路３８から出力される上スイッチ１８と下スイッチ１９への駆動信号は同一周波数である。駆動回路３６からの駆動信号は駆動回路３８からの駆動信号より位相が進んでおり、その位相差の分だけ第１の負荷回路５に出力電圧が印加され、ほぼ正弦波状の出力電流が第１の負荷回路５に流れる。なお、その出力電流は、電流検出器３０により検出され、制御回路４６により読み込まれて目標の電流波形か否か監視されている。
【００２６】
また、第２の負荷回路６に高周波出力を行う場合は、制御回路４６により、駆動回路３９を制御して第２のインバーター回路ＩＮＶ２の上スイッチ２０と下スイッチ２１を交互にオン・オフするとともに、駆動回路３７を制御して第２のインバーター回路ＩＮＶ２の上スイッチ１２と下スイッチ１３を交互にオン・オフする。この場合は、図３に示すように、駆動回路３９から出力される上スイッチ２０と下スイッチ２１への駆動信号、および駆動回路３７から出力される上スイッチ１２と下スイッチ１３への駆動信号は同一周波数である。駆動回路３９からの駆動信号は駆動回路３７からの駆動信号より位相が進んでおり、その位相差の分だけ第２の負荷回路６に出力電圧が印加され、前記と同様にほぼ正弦波状の出力電流が第２の負荷回路６に流れる。なお、その出力電流は、電流検出器３３により検出され、制御回路４６により読み込まれて目標の電流波形か否か監視されている。
【００２７】
なお、図３に示すように、２組の上スイッチ１２、２０と下スイッチ１３、２１の駆動時の位相差が小さい場合には、位相が先行する上スイッチ２０と下スイッチ２１のターンオン時に出力電流がすでに転流してハードスイッチングとなり易い。その場合には、スナバコンデンサ４３を充電あるいは放電するラッシュ電流もその上スイッチ２０と下スイッチ２１に流れる。
【００２８】
第１および第２の負荷回路５、６に同時に高周波出力を行う場合は、図４に示すように、それぞれ駆動回路３６、３８と３７、３９を制御回路４６により制御して同一周波数の出力電圧を各負荷回路５、６に印加する。１つの直流電源回路２の出力に接続された第１および第２のインバーター回路ＩＮＶ１、ＩＮＶ２を同時に駆動する場合、各インバーター回路ＩＮＶ１、ＩＮＶ２の動作により直流電源回路２の出力電圧に変動が生じるため、各インバーター回路ＩＮＶ１、ＩＮＶ２の出力が他のインバーター回路の出力の影響を受けて他のインバーター回路の駆動周波数成分も出力に表出し、２つのインバーター回路ＩＮＶ１、ＩＮＶ２の駆動周波数の差分周波数等の振動が各負荷回路５、６等から発生し得る。その差分周波数等の振動を各負荷回路５、６等から生じさせないために、第１および第２のインバーター回路ＩＮＶ１、ＩＮＶ２を同一周波数で駆動している。
【００２９】
なお、各インバーター回路ＩＮＶ１、ＩＮＶ２のそれぞれ２組の上・下スイッチのうち、駆動位相が先行する上・下スイッチ１０と１１および２０と２１はハードスイッチングとなりやすく、ターンオン時にスナバコンデンサの充電電流・放電電流が流れ易いので、駆動位相が先行するスイッチ群に接続するスナバコンデンサ４０、４３に、駆動位相が追従するスイッチ群に接続するスイッチ群に接続するスナバコンデンサ４１、４２よりも容量が小さいものを使用して、ラッシュ電流によりスイッチング素子の損失が過大になるのを防止している。
【００３０】
つまり、本実施の形態では、２つのパワーモジュール３、４にそれぞれ容量の小さいスナバコンデンサ４０、４３と容量の大きいスナバコンデンサ４１、４２を１つずつ接続している。その結果、本実施の形態では、各パワーモジュール３、４の出力端子に接続するスナバコンデンサ４０〜４３の容量を同等のもの（大・小１つずつ）としているので、プリント基板における部品配置は、各パワーモジュール３、４の近傍にそれぞれ同等の部品を配置することができ、プリント基板への取付のバランスがよく、容易となる。
【００３１】
以上のように本実施の形態においては、第１の負荷回路５に対し各パワーモジュール３、４の１組の上・下スイッチ１０と１１および１８と１９を互いに組み合わせて第１のインバーター回路ＩＮＶ１を構成し、第２の負荷回路６に対し各パワーモジュール３、４の１組の上・下スイッチ１２と１３および２０と２１を互いに組み合わせて第２のインバーター回路ＩＮＶ２を構成している。これにより、各インバーター回路ＩＮＶ１、ＩＮＶ２を駆動する場合に、そのインバーター回路ＩＮＶ１、ＩＮＶ２で生じる損失を一方のパワーモジュールに集中させることなく分散させることが可能になり、局部的な発熱による故障や出力の制限を極力回避できる使い勝手のよい誘導加熱調理器を提供できる。
【００３２】
また、本実施の形態では、２つのパワーモジュール３、４に接続される共振コンデンサ２７、２９等の電子部品を各パワーモジュール３、４に均等に配分したので、プリント基板への部品配置をバランスよく、コンパクトに配置することができる。
【００３３】
実施の形態２．
図５は実施の形態２に係る高周波電源装置を備えた誘導加熱調理器の回路構成を示す図である。なお、実施の形態１と同様又は相当部分には同じ符号を付している。
本実施の形態の誘導加熱調理器においては、第１のパワーモジュール３ａは、前述した実施の形態１の第１のパワーモジュール３に、スイッチング素子５０、５１（以下、上・下スイッチ５０、５１と記す）と、ダイオード５２、５３（以下、上・下ダイオード５２、５３と記す）と、スナバコンデンサ６０を組み入れて構成されたものである。また、第２のパワーモジュール４ａは、前述した実施の形態１の第２のパワーモジュール４に、上・下スイッチ５４、５５と、上・下ダイオード５６、５７と、スナバコンデンサ６１を組み入れて構成されたものである。
【００３４】
第１のパワーモジュール３ａの上・下スイッチ５０、５１は、上・下スイッチ１０と１１および１２と１３と同様に、直流電源回路２の出力間に直列に接続され、第１のパワーモジュール３ａの上・下ダイオード５２、５３は、その上・下スイッチ５０、５１にそれぞれ逆並列に接続されている。第２のパワーモジュール４ａの上・下スイッチ５４、５５は、上・下スイッチ１８と１９および２０と２１と同様に、直流電源回路２の出力間に直列に接続され、第２のパワーモジュール４ａの上・下ダイオード５６、５７は、その上・下スイッチ５４、５５にそれぞれ逆並列に接続されている。
【００３５】
第１のパワーモジュール３ａの上・下スイッチ５０、５１および上・下ダイオード５２、５３と、第２のパワーモジュール４ａの上・下スイッチ５４、５５および上・下ダイオード５６、５７とで第３のフルブリッジ型インバーター回路ＩＮＶ３（以下、第３のインバーター回路ＩＮＶ３と記す）が構成されている。第１のパワーモジュール３ａのスナバコンデンサ６０は、直流電源回路２の高電位側の出力端と第３のインバーター回路ＩＮＶ３の接続点Ｅとの間に挿入され、第２のパワーモジュール４ａのスナバコンデンサ６１は、直流電源回路２の高電位側の出力端と第３のインバーター回路ＩＮＶ３の接続点Ｆとの間に挿入されている。
【００３６】
第３のインバーター回路ＩＮＶ３の出力端（接続点Ｅ、Ｆ）には、第３の加熱コイル４８とその共振コンデンサ４９とから構成される第３の負荷回路４７が接続されている。また、第３のインバーター回路ＩＮＶ３には、駆動回路５８、５９が接続されている。駆動回路５８は、制御回路４６の制御に基づいて上・下スイッチ５０、５１を交互にオン・オフし、駆動回路５９は、制御回路４６の制御に基づいて上・下スイッチ５４、５５を交互にオン・オフする。
【００３７】
また、本実施の形態の誘導加熱調理器には、商用交流電源１から直流電源回路２への入力電流を検出する入力電流検出器６２と、直流電源回路２の出力電圧を検出する入力電圧検出器６３とが設けられている。また、各パワーモジュール３ａ、４ａは、実施の形態１と同様に、１つの放熱部材４４に熱結合されており、放熱部材４４の下面には、２つのパワーモジュール３ａ、４ａの間に温度センサー４５が設けられている。
【００３８】
本実施の形態においては、制御回路４６によって、第１乃至第３のインバーター回路ＩＮＶ１、ＩＮＶ２、ＩＮＶ３のうち何れか１回路、又は同時に２回路あるいは全回路が駆動される。制御回路４６によって２つあるいは３つのインバーター回路が同時に駆動される場合には、各負荷回路から各駆動周波数の差分周波数等の振動が生じないように同一周波数で駆動される。この場合、制御回路４６は、入力電流検出器６２により検出された入力電流と入力電圧検出器６３により検出された入力電圧とから入力電力を算出し、算出した入力電力が所定の電力となるように制御する。また、制御回路４６は、駆動している複数のインバーター回路の出力電流が略同等となるように制御する。
【００３９】
以上のように本実施の形態においては、第１の負荷回路５に対し各パワーモジュール３ａ、４ａの１組の上・下スイッチ１０と１１および１８と１９を互いに組み合わせて第１のインバーター回路ＩＮＶ１を構成し、第２の負荷回路６に対し各パワーモジュール３ａ、４ａの１組の上・下スイッチ１２と１３および２０と２１を互いに組み合わせて第２のインバーター回路ＩＮＶ２を構成している。また、第３の負荷回路６０に対し各パワーモジュール３ａ、４ａの１組の上・下スイッチ５０と５１および５４と５５を互いに組み合わせて第３のインバーター回路ＩＮＶ３を構成している。これにより、本実施の形態においても、いずれのインバーター回路を使用した場合にも各パワーモジュール３ａ、４ａに損失を分散させることができ、局部的な発熱による故障や出力の制限を極力回避した使い勝手のよい誘導加熱調理器を提供できる。
【００４０】
実施の形態３．
前述した実施の形態１、２では、２つのパワーモジュールを有する高周波電源装置を備えた誘導加熱調理器について説明をしたが、本実施の形態は、３つのパワーモジュールを有する高周波電源装置を備えた誘導加熱調理器である。
図６は実施の形態３に係る高周波電源装置を備えた誘導加熱調理器の回路構成を示す図である。なお、実施の形態１と同様又は相当部分には同じ符号を付している。
【００４１】
図において、本実施の形態の誘導加熱調理器は、商用交流電源１と接続される直流電源回路２と、直流電源回路２にそれぞれ接続された第１乃至第３のパワーモジュール１００ａ、１００ｂ、１００ｃと、第１および第２のパワーモジュール１００ａ、１００ｂの間に挿入された第１の負荷回路１０１ａと、第２および第３のパワーモジュール１００ｂ、１００ｃの間に挿入された第２の負荷回路１０１ｂと、第１および第３のパワーモジュール１００ａ、１００ｃの間に挿入された第３の負荷回路１０１ｃと、本調理器を制御する制御回路４６とを主要部品として備えている。
【００４２】
第１のパワーモジュール１００ａは、直流電源回路２の出力間に２個ずつ直列に接続されたスイッチング素子１０２ａと１０３ａおよび１０４ａと１０５ａと、各スイッチング素子１０２ａ〜１０５ａにそれぞれ逆並列に接続された４個のダイオード１０６ａ〜１０９ａとで構成されている。第２のパワーモジュール１００ｂは、直流電源回路２の出力間に２個ずつ直列に接続されたスイッチング素子１０２ｂと１０３ｂおよび１０４ｂと１０５ｂと、各スイッチング素子１０２ｂ〜１０５ｂにそれぞれ逆並列に接続された４個のダイオード１０６ｂ〜１０９ｂとで構成されている。第３のパワーモジュール１００ｃは、直流電源回路２の出力間に２個ずつ直列に接続されたスイッチング素子１０２ｃと１０３ｃおよび１０４ｃと１０５ｃと、各スイッチング素子１０２ｃ〜１０５ｃにそれぞれ逆並列に接続された４個のダイオード１０６ｃ〜１０９ｃとで構成されている。
【００４３】
第１のパワーモジュール１００ａに内蔵されたスイッチング素子１０２ａ、１０３ａおよびダイオード１０６ａ、１０７ａと、第２のパワーモジュール１００ｂに内蔵されたスイッチング素子１０２ｂ、１０３ｂおよびダイオード１０６ｂ、１０７ｂとで第１のフルブリッジ型インバーター回路ＩＮＶ１が構成されている。また、第２のパワーモジュール１００ｂに内蔵されたスイッチング素子１０４ｂ、１０５ｂおよびダイオード１０８ｂ、１０９ｂと、第３のパワーモジュール１００ｃに内蔵されたスイッチング素子１０４ｃ、１０５ｃおよびダイオード１０８ｃ、１０９ｃとで第２のフルブリッジ型インバーター回路ＩＮＶ２が構成されている。さらに、第１のパワーモジュール１００ａに内蔵されたスイッチング素子１０４ａ、１０５ａおよびダイオード１０８ａ、１０９ａと、第３のパワーモジュール１００ｃに内蔵されたスイッチング素子１０２ｃ、１０３ｃおよびダイオード１０６ｃ、１０７ｃとで第３のフルブリッジ型インバーター回路ＩＮＶ３が構成されている。
【００４４】
前述の第１の負荷回路１０１ａは、第１の加熱コイル１１２ａとその共振コンデンサ１１３ａとで構成され、第１のフルブリッジ型インバーター回路ＩＮＶ１の出力端（接続点Ａ、Ｃ）と接続されている。第２の負荷回路１０１ｂは、第２の加熱コイル１１２ｂとその共振コンデンサ１１３ｂとから構成され、第２のフルブリッジ型インバーター回路ＩＮＶ２の出力端（接続点Ｄ、Ｆ）と接続されている。第３の負荷回路１０１ｃは、第１の加熱コイル１１２ｃとその共振コンデンサ１１３ｃとで構成され、第３のフルブリッジ型インバーター回路ＩＮＶ３の出力端（接続点Ｂ、Ｅ）と接続されている。
【００４５】
本実施の形態においては、図に示すように、各パワーモジュール１００ａ、１００ｂ、１００ｃの出力端に共振コンデンサ１１３ａ、１１３ｂ、１１３ｃを１つずつ接続するようにしたので、特定のパワーモジュールの出力端に共振コンデンサの接続が集中することがない。これにより、プリント基板上における部品配置を分散させることができ、プリント配線を容易にし、また、プリント基板上の発熱部位の集中の回避を図ることができる。
【００４６】
なお、各パワーモジュール１００ａ、１００ｂ、１００ｃは、図６には示していないが、１つの放熱部材４４に熱結合されている。また、放熱部材４４の下面には、各パワーモジュール１００ａ、１００ｂ、１００ｃから放熱される熱の温度を検出する温度センサー４５が設けられている。
【００４７】
以上のように本実施の形態においては、２個直列の２組のスイッチング素子を内蔵するパワーモジュール１００ａ、１００ｂ、１００ｃを３つ有し、３つのフルブリッジ型インバーター回路ＩＮＶ１、ＩＮＶ２、ＩＮＶ３をそれぞれ異なるパワーモジュールの２個直列のスイッチング素子を一組ずつ使用して構成している。これにより、何れのフルブリッジ型インバーター回路を使用した場合にも複数のパワーモジュールに損失を分散させることができ、局部的な発熱による故障や出力の制限を極力回避した使い勝手のよい誘導加熱調理器を提供できる。
【００４８】
実施の形態４．
図７は実施の形態３に係る高周波電源装置を備えた誘導加熱調理器の回路構成を示す図である。なお、実施の形態１と同様又は相当部分には同じ符号を付している。
本実施の形態の誘導加熱調理器の回路構成は、スナバコンデンサがないだけで、図１で説明した実施の形態１と同様である。
【００４９】
第１のパワーモジュール３’に設けられた４つのスイッチング素子１０’〜１３’には、ＳｉＣ等のワードバンドギャップ半導体で構成されたＭＯＳＦＥＴが使用されている。また、その各スイッチング素子１０’〜１３’にそれぞれ逆並列に接続されたダイオード１４’〜１７’には、ＳＢＤ（ショットキーバリアダイオード）が用いられている。また、第２のパワーモジュール４’に設けられた４つのスイッチング素子１８’〜２１’には、前述のスイッチング素子１０’〜１３’と同様に、ＳｉＣ等のワイドバンドギャップ半導体で構成されたＭＯＳＦＥＴが使用されている。また、その各スイッチング素子１８’〜２１’にそれぞれ逆並列に接続されたダイオード２２’〜２５’には、前述のダイオード１４’〜１７’と同様に、ＳＢＤ（ショットキーバリアダイオード）が用いられている。
【００５０】
本実施の形態においては、前述したようにスナバコンデンサを省略しているが、ＳｉＣ等のワイドバンドギャップ半導体のＭＯＳＦＥＴには、従来のＳｉ半導体のＩＧＢＴのような大きなテール電流が流れない。そのため、スナバコンデンサを省略しても各スイッチング素子１０’〜１３’と１８’〜２１’のターンオフ時のスイッチング損失を少なく抑制することができる。
【００５１】
ハードスイッチングした際においても、スイッチング速度が速く、また、スナバコンデンサへの充電電流・放電電流が流れない（スナバコンデンサが接続されていない）。そのため、スイッチング素子１０’〜１３’と１８’〜２１’における損失が少ない。ダイオード１４’〜１７’と２２’〜２５’もワイドバンドギャップ半導体のＳＢＤであるので、逆回復電流が小さく、損失が小さくなる。なお、ワイドバンドギャップ半導体としては、ＳｉＣ（炭化珪素）の他に、窒化ガリウム系材料やダイヤモンドからなる半導体でもよい。
【００５２】
以上のように本実施の形態においては、第１の負荷回路５に対し各パワーモジュール３’、４’の１組のスイッチング素子１０’と１１’および１８’と１９’を互いに組み合わせて第１のインバーター回路ＩＮＶ１を構成し、第２の負荷回路６に対し各パワーモジュール３’、４’の１組のスイッチング素子１２’と１３’および２０’と２１’を互いに組み合わせて第２のインバーター回路ＩＮＶ２を構成している。これにより、各インバーター回路ＩＮＶ１、ＩＮＶ２を駆動する場合に、そのインバーター回路ＩＮＶ１、ＩＮＶ２で生じる損失を一方のパワーモジュールに集中させることなく分散させることができ、局部的な発熱による故障や出力の制限を極力回避することが可能になる。また、２つのパワーモジュール３’、４’にワイドバンドギャップ半導体を使用して損失を低減して加熱効率を改善することができる。さらに、ワイドバンドギャップ半導体は耐熱性も高いので、各スイッチング素子の高温化による加熱出力制限を極力回避することができる。
【符号の説明】
【００５３】
１ 商用交流電源、 ２ 直流電源回路、３、３ａ、３’ 第１のパワーモジュール、４、４ａ、４’ 第２のパワーモジュール、５ 第１の負荷回路、６ 第２の負荷回路、３０、３３ 電流検出器、３１、３４ 電圧検出器、３２、３５ 乗算器、３６〜３９ 駆動回路、４０〜４３ スナバコンデンサ、４４ 放熱部材、４５ 温度センサー、４６ 制御回路、５８、５９ 駆動回路、６０ 第３の負荷回路、６０、６１ スナバコンデンサ、６２ 入力電流検出器、６３ 入力電圧検出器、１００ａ 第１のパワーモジュール、１００ｂ 第２のパワーモジュール、１００ｃ 第３のパワーモジュール、１０１ａ 第１の負荷回路、１０１ｂ 第２の負荷回路、１０１ｃ 第３の負荷回路。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複数のパワーモジュールを有する高周波電源装置およびその高周波電源装置を備えた誘導加熱調理器に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来の誘導加熱調理器には、２個直列に接続されたスイッチング素子を複数有するパワーモジュールを備え、そのパワーモジュールに設けられた２個直列のスイッチング素子を複数組み合わせてフルブリッジ型インバーター回路が構成されたものがある。そのインバーター回路の出力側には、加熱コイルと共振コンデンサからなる負荷回路が接続されている（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００８−２３５１２４号公報（第３頁、図１−図２）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
前述した従来の誘導加熱調理器では、パワーモジュールを使用することによりインバーター回路をコンパクトに構成することができ、インバーター回路が実装される基板を小型化することができる。しかし、複数の負荷回路に対しインバーター回路をそれぞれ個別のパワーモジュールのスイッチング素子を使用して構成した場合、各負荷回路への出力状態によっては、高周波電源装置全体では熱的に余裕がある状態であっても、一部のパワーモジュールに発熱（損失）が集中する場合がある。そのような場合には、対応するパワーモジュールのインバーター回路の出力を制限しなければならず、使い勝手が悪くなる課題があった。
【０００５】
本発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、１つの負荷回路に対するインバーター回路の発熱箇所を分散して、局部的な発熱による故障や出力の制限を極力回避した使い勝手のよい高周波電源装置および高周波電源装置を備えた誘導加熱調理器を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明に係る高周波電源装置は、交流電力を直流に変換する直流電源回路と、直流電源回路の出力間に直列に接続された２個のスイッチング素子を１組として複数組有する２以上のパワーモジュールとを備え、負荷回路に対し、２以上のパワーモジュールのうち２つのパワーモジュールの１組のスイッチング素子を互いに組み合わせてフルブリッジ型インバーター回路を構成するようにしたものである。
【発明の効果】
【０００７】
本発明においては、負荷回路に対し、２つのパワーモジュールの１組のスイッチング素子を互いに組み合わせてフルブリッジ型インバーター回路を構成するようにしている。これにより、１つの負荷回路に対して高出力動作を行った場合に、その高出力動作によるフルブリッジ型インバーター回路のスイッチング素子における発熱は、もう一方のパワーモジュールに分散することができる。そのため、高周波電源装置全体では熱的に余裕のある状態でありながら一部のインバーター回路に発熱が集中して加熱出力を制限しなければならない状態が生じ難くなり、使い勝手のよい高周波電源装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】実施の形態１に係る高周波電源装置を備えた誘導加熱調理器の回路構成を示す図である。
【図２】図１の誘導加熱調理器における第１のインバーター回路の駆動信号および出力を示す波形図である。
【図３】図１の誘導加熱調理器における第２のインバーター回路の駆動信号および出力を示す波形図である。
【図４】図１の誘導加熱調理器における第１および第２のインバーター回路の各駆動信号および各出力を示す波形図である。
【図５】実施の形態２に係る高周波電源装置を備えた誘導加熱調理器の回路構成を示す図である。
【図６】実施の形態３に係る高周波電源装置を備えた誘導加熱調理器の回路構成を示す図である。
【図７】実施の形態４に係る高周波電源装置を備えた誘導加熱調理器の回路構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
実施の形態１．
図１は実施の形態１に係る高周波電源装置を備えた誘導加熱調理器の回路構成を示す図である。
図において、本実施の形態の誘導加熱調理器は、商用交流電源１と接続される直流電源回路２と、第１および第２のパワーモジュール３、４と、第１および第２のパワーモジュール３、４の間にそれぞれ挿入された第１および第２の負荷回路５、６と、本調理器を制御する制御回路４６とを主要部品として備えている。本実施の形態における誘導加熱調理器の高周波電源装置は、直流電源回路２と、第１および第２のパワーモジュール３、４と、後述する駆動回路３６〜３９、スナバコンデンサ４０〜４３、放熱部材４４、温度センサー４５と、制御回路４６とから構成されている。
【００１０】
前述の直流電源回路２は、商用交流電源１の交流電力を整流するダイオードブリッジ回路７と、ダイオードブリッジ回路７により整流された直流電圧を平滑するチョークコイル８および平滑コンデンサ９とから構成されている。この直流電源回路２の出力電圧は、第１および第２のパワーモジュール３、４に供給される。
【００１１】
第１のパワーモジュール３は、直流電源回路２の出力間に２個ずつ直列に接続されたスイッチング素子１０と１１および１２と１３と、各スイッチング素子１０〜１３にそれぞれ逆並列に接続された４個のダイオード１４〜１７とで構成されている。第２のパワーモジュール４は、第１のパワーモジュール３と同様に、直流電源回路２の出力間に２個ずつ直列に接続されたスイッチング素子１８と１９および２０と２１と、各スイッチング素子１８〜２１にそれぞれ逆並列に接続された４個のダイオード２２〜２５とで構成されている。
【００１２】
なお、以下、直流電源回路２の高電位側の出力端に接続されたスイッチング素子１０、１２、１８、２０を上スイッチ１０、１２、１８、２０と記し、直流電源回路２の低電位側の出力端に接続されたスイッチング素子１１、１３、１９、２１を下スイッチ１１、１３、１９、２１と記す。また、上スイッチ１０、１２、１８、２０にそれぞれ逆並列に接続されたダイオード１４、１６、２２、２４を上ダイオード１４、１６、２２、２４と記し、下スイッチ１１、１３、１９、２１にそれぞれ逆並列に接続されたダイオード１５、１７、２３、２５を下ダイオード１５、１７、２３、２５と記す。
【００１３】
第１のパワーモジュール３に内蔵された上・下スイッチ１０、１１および上・下ダイオード１４、１５と、第２のパワーモジュール４に内蔵された上・下スイッチ１８、１９および上・下ダイオード２２、２３とで第１のフルブリッジ型インバーター回路ＩＮＶ１（以下、第１のインバーター回路ＩＮＶ１と記す）が構成されている。また、第１のパワーモジュール３に内蔵された上・下スイッチ１２、１３および上・下ダイオード１６、１７と、第２のパワーモジュール４に内蔵された上・下スイッチ２０、２１および上・下ダイオード２４、２５とで第２のフルブリッジ型インバーター回路ＩＮＶ２（以下、第２のインバーター回路ＩＮＶ２と記す）が構成されている。
【００１４】
前述の第１の負荷回路５は、第１の加熱コイル２６とその共振コンデンサ２７とで構成され、第１のインバーター回路ＩＮＶ１の出力端（接続点Ａ，Ｃ）と接続されている。第２の負荷回路６は、第２の加熱コイル２８とその共振コンデンサ２９とから構成され、第２のインバーター回路ＩＮＶ２の出力端（接続点Ｂ，Ｄ）と接続されている。なお、第１および第２の加熱コイル２６、２８は、本調理器に設けられた鍋載置用の天板の裏面側に配置されている。
【００１５】
また、本実施の形態の誘導加熱調理器は、第１の加熱コイル２６に流れる電流を検出する電流検出器３０と、第１の加熱コイル２６に印加される電圧を検出する電圧検出器３１と、電流検出器３０により検出された電流と電圧検出器３１により検出された電圧とから第１の負荷回路５の出力電力を算出する乗算器３２と、第２の加熱コイル２８に流れる電流を検出する電流検出器３３と、第２の加熱コイル２８に印加される電圧を検出する電圧検出器３４と、電流検出器３３により検出された電流と電圧検出器３４により検出された電圧とから第２の負荷回路６の出力電力を算出する乗算器３５と、第１のインバーター回路ＩＮＶ１を駆動する駆動回路３６、３８と、第２のインバーター回路ＩＮＶ２を駆動する駆動回路３７、３９と、４個のスナバコンデンサ４０、４１、４２、４３とを備えている。
【００１６】
前述の２個の駆動回路３６、３８のうち、一方の駆動回路３６は、制御回路４６の制御に基づいて第１のインバーター回路ＩＮＶ１の上・下スイッチ１０、１１を交互にオン・オフし、他方の駆動回路３８は、制御回路４６の制御に基づいて同インバーター回路ＩＮＶ１の上・下スイッチ１８、１９を交互にオン・オフする。また、２個の駆動回路３７、３９のうち、一方の駆動回路３７は、制御回路４６の制御に基づいて第２のインバーター回路ＩＮＶ２の上・下スイッチ１２、１３を交互にオン・オフし、他方の駆動回路３９は、制御回路４６の制御に基づいて同インバーター回路ＩＮＶ２の上・下スイッチ２０、２１を交互にオン・オフする。
【００１７】
第１の負荷回路５に高周波出力する場合には、駆動回路３６により上スイッチ１０と下スイッチ１１を高周波で交互にオン・オフし、上スイッチ１０と下スイッチ１１の接続点Ａに高周波で変動する電位を発生させる。またこの時、駆動回路３８によって駆動回路３６と同一周波数で位相遅れの高周波で上スイッチ１８と下スイッチ１９を交互にオン・オフし、上スイッチ１８と下スイッチ１９の接続点Ｃに高周波で変動する電位を発生させる。その駆動回路３６と駆動回路３８の位相差の駆動により、接続点Ａ・Ｃ間に生じる高周波電圧が第１の負荷回路５に印加される。
【００１８】
また、第２の負荷回路６に高周波出力する場合には、駆動回路３７により上スイッチ１２と下スイッチ１３を高周波で交互にオン・オフし、上スイッチ１２と下スイッチ１３の接続点Ｂに高周波で変動する電位を発生させる。またこの時、駆動回路３９によって駆動回路３７と同一の周波数で位相進みの高周波で上スイッチ２０と下スイッチ２１を交互にオン・オフし、上スイッチ２０と下スイッチ２１の接続点Ｄに高周波で変動する電位を発生させる。その駆動回路３７と駆動回路３９の位相差の駆動により、接続点Ｂ・Ｄ間に生じる高周波電圧が第２の負荷回路６に印加される。
【００１９】
前述のスナバコンデンサ４０、４１、４２、４３のうち、スナバコンデンサ４０は、直流電源回路２の高電位側の出力端と第１のインバーター回路ＩＮＶ１の接続点Ａとの間に挿入され、スナバコンデンサ４１は、直流電源回路２の高電位側の出力端と第２のインバーター回路ＩＮＶ２の接続点Ｂとの間に挿入されている。また、スナバコンデンサ４２は、直流電源回路２の高電位側の出力端と第１のインバーター回路ＩＮＶ１の接続点Ｃとの間に挿入され、スナバコンデンサ４３は、直流電源回路２の高電位側の出力端と第２のインバーター回路ＩＮＶ２の接続点Ｄとの間に挿入されている。これらスナバコンデンサ４０、４１、４２、４３は、各インバーター回路ＩＮＶ１、ＩＮＶ２の上・下スイッチのターンオフ時における印加電圧の急増を回避して、テール電流によるスイッチング損失を抑制する。
【００２０】
また、本実施の形態の誘導加熱調理器は、１つの放熱部材４４と、放熱部材４４に取り付けられた温度センサー４５とを備えている。放熱部材４４は、上面に放熱フィンが設けられ、その下面に第１および第２のパワーモジュール３、４が熱結合された状態で取り付けられている。その放熱部材４４の共有化により、２つのパワーモジュール３、４内の２のインバーター回路ＩＮＶ１、ＩＮＶ２あるいは何れか一方から発生する熱を温度差なく均等に放出させることができる。
【００２１】
温度センサー４５は、例えばサーミスタからなり、放熱部材４４の下面のうち２つのパワーモジュール３、４間のほぼ中央に位置する下面に取り付けられている。その温度センサー４５により検出された温度は、制御回路４６によって２つのインバーター回路ＩＮＶ１、ＩＮＶ２の各スイッチ１０〜１３、１８〜２１の許容温度と比較される。本実施の形態においては、放熱部材４４を１つとし、これに伴って温度センサー４５も１つにして構成の簡単化、コスト低減を図っている。
【００２２】
なお、第１および第２のパワーモジュール３、４の各出力端子および共振コンデンサ２７、２９には大きな負荷電流が流れるため、これらを同一プリント基板上に配置する場合には、そのプリント基板上にその間を接続する太い電流路を確保する必要がある。そのため、一方のパワーモジュールの出力端子に共振コンデンサの接続が集中するとコンパクトに配置することが困難となってプリント基板が大形化する等の問題が生じうるが、本実施の形態では、各パワーモジュールに１つずつの共振コンデンサが接続されるように構成して部品配置を分散させ、プリント基板の大形化の回避を図っている。
【００２３】
次に、第１および第２のインバーター回路ＩＮＶ１、ＩＮＶ２の動作について図２乃至図４を参照しながら説明する。
図２は図１の誘導加熱調理器における第１のインバーター回路の駆動信号および出力を示す波形図、図３は図１の誘導加熱調理器における第２のインバーター回路の駆動信号および出力を示す波形図、図４は図１の誘導加熱調理器における第１および第２のインバーター回路の各駆動信号および各出力を示す波形図である。
【００２４】
本実施の形態の誘導加熱調理器では、第１および第２の負荷回路５、６は共振周波数を有し、制御回路４６は、駆動回路３６〜３９を制御して第１および第２のインバーター回路ＩＮＶ１、ＩＮＶ２を各負荷回路５、６の共振周波数よりも高い周波数で駆動する。
【００２５】
第１の負荷回路５に高周波出力を行う場合は、制御回路４６により、駆動回路３６を制御して第１のインバーター回路ＩＮＶ１の上スイッチ１０と下スイッチ１１を交互にオン・オフするとともに、駆動回路３８を制御して第１のインバーター回路ＩＮＶ１の上スイッチ１８と下スイッチ１９を交互にオン・オフする。その際、図２に示すように、駆動回路３６から出力される上スイッチ１０と下スイッチ１１への駆動信号、および駆動回路３８から出力される上スイッチ１８と下スイッチ１９への駆動信号は同一周波数である。駆動回路３６からの駆動信号は駆動回路３８からの駆動信号より位相が進んでおり、その位相差の分だけ第１の負荷回路５に出力電圧が印加され、ほぼ正弦波状の出力電流が第１の負荷回路５に流れる。なお、その出力電流は、電流検出器３０により検出され、制御回路４６により読み込まれて目標の電流波形か否か監視されている。
【００２６】
また、第２の負荷回路６に高周波出力を行う場合は、制御回路４６により、駆動回路３９を制御して第２のインバーター回路ＩＮＶ２の上スイッチ２０と下スイッチ２１を交互にオン・オフするとともに、駆動回路３７を制御して第２のインバーター回路ＩＮＶ２の上スイッチ１２と下スイッチ１３を交互にオン・オフする。この場合は、図３に示すように、駆動回路３９から出力される上スイッチ２０と下スイッチ２１への駆動信号、および駆動回路３７から出力される上スイッチ１２と下スイッチ１３への駆動信号は同一周波数である。駆動回路３９からの駆動信号は駆動回路３７からの駆動信号より位相が進んでおり、その位相差の分だけ第２の負荷回路６に出力電圧が印加され、前記と同様にほぼ正弦波状の出力電流が第２の負荷回路６に流れる。なお、その出力電流は、電流検出器３３により検出され、制御回路４６により読み込まれて目標の電流波形か否か監視されている。
【００２７】
なお、図３に示すように、２組の上スイッチ１２、２０と下スイッチ１３、２１の駆動時の位相差が小さい場合には、位相が先行する上スイッチ２０と下スイッチ２１のターンオン時に出力電流がすでに転流してハードスイッチングとなり易い。その場合には、スナバコンデンサ４３を充電あるいは放電するラッシュ電流もその上スイッチ２０と下スイッチ２１に流れる。
【００２８】
第１および第２の負荷回路５、６に同時に高周波出力を行う場合は、図４に示すように、それぞれ駆動回路３６、３８と３７、３９を制御回路４６により制御して同一周波数の出力電圧を各負荷回路５、６に印加する。１つの直流電源回路２の出力に接続された第１および第２のインバーター回路ＩＮＶ１、ＩＮＶ２を同時に駆動する場合、各インバーター回路ＩＮＶ１、ＩＮＶ２の動作により直流電源回路２の出力電圧に変動が生じるため、各インバーター回路ＩＮＶ１、ＩＮＶ２の出力が他のインバーター回路の出力の影響を受けて他のインバーター回路の駆動周波数成分も出力に表出し、２つのインバーター回路ＩＮＶ１、ＩＮＶ２の駆動周波数の差分周波数等の振動が各負荷回路５、６等から発生し得る。その差分周波数等の振動を各負荷回路５、６等から生じさせないために、第１および第２のインバーター回路ＩＮＶ１、ＩＮＶ２を同一周波数で駆動している。
【００２９】
なお、各インバーター回路ＩＮＶ１、ＩＮＶ２のそれぞれ２組の上・下スイッチのうち、駆動位相が先行する上・下スイッチ１０と１１および２０と２１はハードスイッチングとなりやすく、ターンオン時にスナバコンデンサの充電電流・放電電流が流れ易いので、駆動位相が先行するスイッチ群に接続するスナバコンデンサ４０、４３に、駆動位相が追従するスイッチ群に接続するスイッチ群に接続するスナバコンデンサ４１、４２よりも容量が小さいものを使用して、ラッシュ電流によりスイッチング素子の損失が過大になるのを防止している。
【００３０】
つまり、本実施の形態では、２つのパワーモジュール３、４にそれぞれ容量の小さいスナバコンデンサ４０、４３と容量の大きいスナバコンデンサ４１、４２を１つずつ接続している。その結果、本実施の形態では、各パワーモジュール３、４の出力端子に接続するスナバコンデンサ４０〜４３の容量を同等のもの（大・小１つずつ）としているので、プリント基板における部品配置は、各パワーモジュール３、４の近傍にそれぞれ同等の部品を配置することができ、プリント基板への取付のバランスがよく、容易となる。
【００３１】
以上のように本実施の形態においては、第１の負荷回路５に対し各パワーモジュール３、４の１組の上・下スイッチ１０と１１および１８と１９を互いに組み合わせて第１のインバーター回路ＩＮＶ１を構成し、第２の負荷回路６に対し各パワーモジュール３、４の１組の上・下スイッチ１２と１３および２０と２１を互いに組み合わせて第２のインバーター回路ＩＮＶ２を構成している。これにより、各インバーター回路ＩＮＶ１、ＩＮＶ２を駆動する場合に、そのインバーター回路ＩＮＶ１、ＩＮＶ２で生じる損失を一方のパワーモジュールに集中させることなく分散させることが可能になり、局部的な発熱による故障や出力の制限を極力回避できる使い勝手のよい誘導加熱調理器を提供できる。
【００３２】
また、本実施の形態では、２つのパワーモジュール３、４に接続される共振コンデンサ２７、２９等の電子部品を各パワーモジュール３、４に均等に配分したので、プリント基板への部品配置をバランスよく、コンパクトに配置することができる。
【００３３】
実施の形態２．
図５は実施の形態２に係る高周波電源装置を備えた誘導加熱調理器の回路構成を示す図である。なお、実施の形態１と同様又は相当部分には同じ符号を付している。
本実施の形態の誘導加熱調理器においては、第１のパワーモジュール３ａは、前述した実施の形態１の第１のパワーモジュール３に、スイッチング素子５０、５１（以下、上・下スイッチ５０、５１と記す）と、ダイオード５２、５３（以下、上・下ダイオード５２、５３と記す）と、スナバコンデンサ６０を組み入れて構成されたものである。また、第２のパワーモジュール４ａは、前述した実施の形態１の第２のパワーモジュール４に、上・下スイッチ５４、５５と、上・下ダイオード５６、５７と、スナバコンデンサ６１を組み入れて構成されたものである。
【００３４】
第１のパワーモジュール３ａの上・下スイッチ５０、５１は、上・下スイッチ１０と１１および１２と１３と同様に、直流電源回路２の出力間に直列に接続され、第１のパワーモジュール３ａの上・下ダイオード５２、５３は、その上・下スイッチ５０、５１にそれぞれ逆並列に接続されている。第２のパワーモジュール４ａの上・下スイッチ５４、５５は、上・下スイッチ１８と１９および２０と２１と同様に、直流電源回路２の出力間に直列に接続され、第２のパワーモジュール４ａの上・下ダイオード５６、５７は、その上・下スイッチ５４、５５にそれぞれ逆並列に接続されている。
【００３５】
第１のパワーモジュール３ａの上・下スイッチ５０、５１および上・下ダイオード５２、５３と、第２のパワーモジュール４ａの上・下スイッチ５４、５５および上・下ダイオード５６、５７とで第３のフルブリッジ型インバーター回路ＩＮＶ３（以下、第３のインバーター回路ＩＮＶ３と記す）が構成されている。第１のパワーモジュール３ａのスナバコンデンサ６０は、直流電源回路２の高電位側の出力端と第３のインバーター回路ＩＮＶ３の接続点Ｅとの間に挿入され、第２のパワーモジュール４ａのスナバコンデンサ６１は、直流電源回路２の高電位側の出力端と第３のインバーター回路ＩＮＶ３の接続点Ｆとの間に挿入されている。
【００３６】
第３のインバーター回路ＩＮＶ３の出力端（接続点Ｅ、Ｆ）には、第３の加熱コイル４８とその共振コンデンサ４９とから構成される第３の負荷回路４７が接続されている。また、第３のインバーター回路ＩＮＶ３には、駆動回路５８、５９が接続されている。駆動回路５８は、制御回路４６の制御に基づいて上・下スイッチ５０、５１を交互にオン・オフし、駆動回路５９は、制御回路４６の制御に基づいて上・下スイッチ５４、５５を交互にオン・オフする。
【００３７】
また、本実施の形態の誘導加熱調理器には、商用交流電源１から直流電源回路２への入力電流を検出する入力電流検出器６２と、直流電源回路２の出力電圧を検出する入力電圧検出器６３とが設けられている。また、各パワーモジュール３ａ、４ａは、実施の形態１と同様に、１つの放熱部材４４に熱結合されており、放熱部材４４の下面には、２つのパワーモジュール３ａ、４ａの間に温度センサー４５が設けられている。
【００３８】
本実施の形態においては、制御回路４６によって、第１乃至第３のインバーター回路ＩＮＶ１、ＩＮＶ２、ＩＮＶ３のうち何れか１回路、又は同時に２回路あるいは全回路が駆動される。制御回路４６によって２つあるいは３つのインバーター回路が同時に駆動される場合には、各負荷回路から各駆動周波数の差分周波数等の振動が生じないように同一周波数で駆動される。この場合、制御回路４６は、入力電流検出器６２により検出された入力電流と入力電圧検出器６３により検出された入力電圧とから入力電力を算出し、算出した入力電力が所定の電力となるように制御する。また、制御回路４６は、駆動している複数のインバーター回路の出力電流が略同等となるように制御する。
【００３９】
以上のように本実施の形態においては、第１の負荷回路５に対し各パワーモジュール３ａ、４ａの１組の上・下スイッチ１０と１１および１８と１９を互いに組み合わせて第１のインバーター回路ＩＮＶ１を構成し、第２の負荷回路６に対し各パワーモジュール３ａ、４ａの１組の上・下スイッチ１２と１３および２０と２１を互いに組み合わせて第２のインバーター回路ＩＮＶ２を構成している。また、第３の負荷回路６０に対し各パワーモジュール３ａ、４ａの１組の上・下スイッチ５０と５１および５４と５５を互いに組み合わせて第３のインバーター回路ＩＮＶ３を構成している。これにより、本実施の形態においても、いずれのインバーター回路を使用した場合にも各パワーモジュール３ａ、４ａに損失を分散させることができ、局部的な発熱による故障や出力の制限を極力回避した使い勝手のよい誘導加熱調理器を提供できる。
【００４０】
実施の形態３．
前述した実施の形態１、２では、２つのパワーモジュールを有する高周波電源装置を備えた誘導加熱調理器について説明をしたが、本実施の形態は、３つのパワーモジュールを有する高周波電源装置を備えた誘導加熱調理器である。
図６は実施の形態３に係る高周波電源装置を備えた誘導加熱調理器の回路構成を示す図である。なお、実施の形態１と同様又は相当部分には同じ符号を付している。
【００４１】
図において、本実施の形態の誘導加熱調理器は、商用交流電源１と接続される直流電源回路２と、直流電源回路２にそれぞれ接続された第１乃至第３のパワーモジュール１００ａ、１００ｂ、１００ｃと、第１および第２のパワーモジュール１００ａ、１００ｂの間に挿入された第１の負荷回路１０１ａと、第２および第３のパワーモジュール１００ｂ、１００ｃの間に挿入された第２の負荷回路１０１ｂと、第１および第３のパワーモジュール１００ａ、１００ｃの間に挿入された第３の負荷回路１０１ｃと、本調理器を制御する制御回路４６とを主要部品として備えている。
【００４２】
第１のパワーモジュール１００ａは、直流電源回路２の出力間に２個ずつ直列に接続されたスイッチング素子１０２ａと１０３ａおよび１０４ａと１０５ａと、各スイッチング素子１０２ａ〜１０５ａにそれぞれ逆並列に接続された４個のダイオード１０６ａ〜１０９ａとで構成されている。第２のパワーモジュール１００ｂは、直流電源回路２の出力間に２個ずつ直列に接続されたスイッチング素子１０２ｂと１０３ｂおよび１０４ｂと１０５ｂと、各スイッチング素子１０２ｂ〜１０５ｂにそれぞれ逆並列に接続された４個のダイオード１０６ｂ〜１０９ｂとで構成されている。第３のパワーモジュール１００ｃは、直流電源回路２の出力間に２個ずつ直列に接続されたスイッチング素子１０２ｃと１０３ｃおよび１０４ｃと１０５ｃと、各スイッチング素子１０２ｃ〜１０５ｃにそれぞれ逆並列に接続された４個のダイオード１０６ｃ〜１０９ｃとで構成されている。
【００４３】
第１のパワーモジュール１００ａに内蔵されたスイッチング素子１０２ａ、１０３ａおよびダイオード１０６ａ、１０７ａと、第２のパワーモジュール１００ｂに内蔵されたスイッチング素子１０２ｂ、１０３ｂおよびダイオード１０６ｂ、１０７ｂとで第１のフルブリッジ型インバーター回路ＩＮＶ１が構成されている。また、第２のパワーモジュール１００ｂに内蔵されたスイッチング素子１０４ｂ、１０５ｂおよびダイオード１０８ｂ、１０９ｂと、第３のパワーモジュール１００ｃに内蔵されたスイッチング素子１０４ｃ、１０５ｃおよびダイオード１０８ｃ、１０９ｃとで第２のフルブリッジ型インバーター回路ＩＮＶ２が構成されている。さらに、第１のパワーモジュール１００ａに内蔵されたスイッチング素子１０４ａ、１０５ａおよびダイオード１０８ａ、１０９ａと、第３のパワーモジュール１００ｃに内蔵されたスイッチング素子１０２ｃ、１０３ｃおよびダイオード１０６ｃ、１０７ｃとで第３のフルブリッジ型インバーター回路ＩＮＶ３が構成されている。
【００４４】
前述の第１の負荷回路１０１ａは、第１の加熱コイル１１２ａとその共振コンデンサ１１３ａとで構成され、第１のフルブリッジ型インバーター回路ＩＮＶ１の出力端（接続点Ａ、Ｃ）と接続されている。第２の負荷回路１０１ｂは、第２の加熱コイル１１２ｂとその共振コンデンサ１１３ｂとから構成され、第２のフルブリッジ型インバーター回路ＩＮＶ２の出力端（接続点Ｄ、Ｆ）と接続されている。第３の負荷回路１０１ｃは、第１の加熱コイル１１２ｃとその共振コンデンサ１１３ｃとで構成され、第３のフルブリッジ型インバーター回路ＩＮＶ３の出力端（接続点Ｂ、Ｅ）と接続されている。
【００４５】
本実施の形態においては、図に示すように、各パワーモジュール１００ａ、１００ｂ、１００ｃの出力端に共振コンデンサ１１３ａ、１１３ｂ、１１３ｃを１つずつ接続するようにしたので、特定のパワーモジュールの出力端に共振コンデンサの接続が集中することがない。これにより、プリント基板上における部品配置を分散させることができ、プリント配線を容易にし、また、プリント基板上の発熱部位の集中の回避を図ることができる。
【００４６】
なお、各パワーモジュール１００ａ、１００ｂ、１００ｃは、図６には示していないが、１つの放熱部材４４に熱結合されている。また、放熱部材４４の下面には、各パワーモジュール１００ａ、１００ｂ、１００ｃから放熱される熱の温度を検出する温度センサー４５が設けられている。
【００４７】
以上のように本実施の形態においては、２個直列の２組のスイッチング素子を内蔵するパワーモジュール１００ａ、１００ｂ、１００ｃを３つ有し、３つのフルブリッジ型インバーター回路ＩＮＶ１、ＩＮＶ２、ＩＮＶ３をそれぞれ異なるパワーモジュールの２個直列のスイッチング素子を一組ずつ使用して構成している。これにより、何れのフルブリッジ型インバーター回路を使用した場合にも複数のパワーモジュールに損失を分散させることができ、局部的な発熱による故障や出力の制限を極力回避した使い勝手のよい誘導加熱調理器を提供できる。
【００４８】
実施の形態４．
図７は実施の形態３に係る高周波電源装置を備えた誘導加熱調理器の回路構成を示す図である。なお、実施の形態１と同様又は相当部分には同じ符号を付している。
本実施の形態の誘導加熱調理器の回路構成は、スナバコンデンサがないだけで、図１で説明した実施の形態１と同様である。
【００４９】
第１のパワーモジュール３’に設けられた４つのスイッチング素子１０’〜１３’には、ＳｉＣ等のワードバンドギャップ半導体で構成されたＭＯＳＦＥＴが使用されている。また、その各スイッチング素子１０’〜１３’にそれぞれ逆並列に接続されたダイオード１４’〜１７’には、ＳＢＤ（ショットキーバリアダイオード）が用いられている。また、第２のパワーモジュール４’に設けられた４つのスイッチング素子１８’〜２１’には、前述のスイッチング素子１０’〜１３’と同様に、ＳｉＣ等のワイドバンドギャップ半導体で構成されたＭＯＳＦＥＴが使用されている。また、その各スイッチング素子１８’〜２１’にそれぞれ逆並列に接続されたダイオード２２’〜２５’には、前述のダイオード１４’〜１７’と同様に、ＳＢＤ（ショットキーバリアダイオード）が用いられている。
【００５０】
本実施の形態においては、前述したようにスナバコンデンサを省略しているが、ＳｉＣ等のワイドバンドギャップ半導体のＭＯＳＦＥＴには、従来のＳｉ半導体のＩＧＢＴのような大きなテール電流が流れない。そのため、スナバコンデンサを省略しても各スイッチング素子１０’〜１３’と１８’〜２１’のターンオフ時のスイッチング損失を少なく抑制することができる。
【００５１】
ハードスイッチングした際においても、スイッチング速度が速く、また、スナバコンデンサへの充電電流・放電電流が流れない（スナバコンデンサが接続されていない）。そのため、スイッチング素子１０’〜１３’と１８’〜２１’における損失が少ない。ダイオード１４’〜１７’と２２’〜２５’もワイドバンドギャップ半導体のＳＢＤであるので、逆回復電流が小さく、損失が小さくなる。なお、ワイドバンドギャップ半導体としては、ＳｉＣ（炭化珪素）の他に、窒化ガリウム系材料やダイヤモンドからなる半導体でもよい。
【００５２】
以上のように本実施の形態においては、第１の負荷回路５に対し各パワーモジュール３’、４’の１組のスイッチング素子１０’と１１’および１８’と１９’を互いに組み合わせて第１のインバーター回路ＩＮＶ１を構成し、第２の負荷回路６に対し各パワーモジュール３’、４’の１組のスイッチング素子１２’と１３’および２０’と２１’を互いに組み合わせて第２のインバーター回路ＩＮＶ２を構成している。これにより、各インバーター回路ＩＮＶ１、ＩＮＶ２を駆動する場合に、そのインバーター回路ＩＮＶ１、ＩＮＶ２で生じる損失を一方のパワーモジュールに集中させることなく分散させることができ、局部的な発熱による故障や出力の制限を極力回避することが可能になる。また、２つのパワーモジュール３’、４’にワイドバンドギャップ半導体を使用して損失を低減して加熱効率を改善することができる。さらに、ワイドバンドギャップ半導体は耐熱性も高いので、各スイッチング素子の高温化による加熱出力制限を極力回避することができる。
【符号の説明】
【００５３】
１ 商用交流電源、 ２ 直流電源回路、３、３ａ、３’ 第１のパワーモジュール、４、４ａ、４’ 第２のパワーモジュール、５ 第１の負荷回路、６ 第２の負荷回路、３０、３３ 電流検出器、３１、３４ 電圧検出器、３２、３５ 乗算器、３６〜３９ 駆動回路、４０〜４３ スナバコンデンサ、４４ 放熱部材、４５ 温度センサー、４６ 制御回路、５８、５９ 駆動回路、６０ 第３の負荷回路、６０、６１ スナバコンデンサ、６２ 入力電流検出器、６３ 入力電圧検出器、１００ａ 第１のパワーモジュール、１００ｂ 第２のパワーモジュール、１００ｃ 第３のパワーモジュール、１０１ａ 第１の負荷回路、１０１ｂ 第２の負荷回路、１０１ｃ 第３の負荷回路。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
交流電力を直流に変換する直流電源回路と、
前記直流電源回路の出力間に直列に接続された２個のスイッチング素子を１組として複数組有する２以上のパワーモジュールとを備え、
負荷回路に対し、前記２以上のパワーモジュールのうち２つのパワーモジュールの１組のスイッチング素子を互いに組み合わせてフルブリッジ型インバーター回路を構成することを特徴とする高周波電源装置。
【請求項２】
前記各パワーモジュールが熱結合された放熱部材と、
前記放熱部材の各パワーモジュール間の面に取り付けられ、各パワーモジュールからの放熱による温度を検出する温度検出手段と
を備えたことを特徴とする請求項１記載の高周波電源装置。
【請求項３】
前記各パワーモジュールのスイッチング素子に、ワイドバンドギャップ半導体を使用したことを特徴とする請求項１又は２記載の高周波電源装置。
【請求項４】
前記ワイドバンドギャップ半導体は、炭化水素、窒化ガリウム系材料、あるいはダイヤモンドからなることを特徴とする請求項１乃至３の何れかに記載の高周波電源装置。
【請求項５】
請求項１乃至４記載の高周波電源装置を備えたことを特徴とする誘導加熱調理器。
【請求項１】
交流電力を直流に変換する直流電源回路と、
前記直流電源回路の出力間に直列に接続された２個のスイッチング素子を１組として複数組有する２以上のパワーモジュールとを備え、
負荷回路に対し、前記２以上のパワーモジュールのうち２つのパワーモジュールの１組のスイッチング素子を互いに組み合わせてフルブリッジ型インバーター回路を構成することを特徴とする高周波電源装置。
【請求項２】
前記各パワーモジュールが熱結合された放熱部材と、
前記放熱部材の各パワーモジュール間の面に取り付けられ、各パワーモジュールからの放熱による温度を検出する温度検出手段と
を備えたことを特徴とする請求項１記載の高周波電源装置。
【請求項３】
前記各パワーモジュールのスイッチング素子に、ワイドバンドギャップ半導体を使用したことを特徴とする請求項１又は２記載の高周波電源装置。
【請求項４】
前記ワイドバンドギャップ半導体は、炭化水素、窒化ガリウム系材料、あるいはダイヤモンドからなることを特徴とする請求項１乃至３の何れかに記載の高周波電源装置。
【請求項５】
請求項１乃至４記載の高周波電源装置を備えたことを特徴とする誘導加熱調理器。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２０１２−１１９２３５（Ｐ２０１２−１１９２３５Ａ）
【公開日】平成２４年６月２１日（２０１２．６．２１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２６９５７４（Ｐ２０１０−２６９５７４）
【出願日】平成２２年１２月２日（２０１０．１２．２）
【出願人】（０００００６０１３）三菱電機株式会社 (33,312)
【出願人】（０００１７６８６６）三菱電機ホーム機器株式会社 (1,201)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年６月２１日（２０１２．６．２１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年１２月２日（２０１０．１２．２）
【出願人】（０００００６０１３）三菱電機株式会社 (33,312)
【出願人】（０００１７６８６６）三菱電機ホーム機器株式会社 (1,201)
【Ｆターム（参考）】
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