专利名称：高频加热电源设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于在诸如通过驱动磁控管执行电介质加热过程的微波炉之类的高频加热设备的领域中抑制谐波电流分量的控制。
背景技术：
因为烹调器具的特性，所以已经要求在诸如在家庭中所使用的微波炉之类的、基于高频加热的烹调器具中所使用的电源尺寸小并且重量轻。最好，用于放置电源的空间较小以便容易地对其进行运输并且增大厨房中的烹调空间。为此，微波炉正变得更小和更轻，并且通过使用开关电源以较低的成本制造。结果，电源输出包含由电源的开关操作而产生的许多谐波分量的电流波形。此外，微波炉为了缩短烹调时间消耗多至2000瓦特。结果，也增加了电流的绝对值，并且使得难于满足电源的谐波性能。考虑到这些问题，已经提出了用于抑制谐波电流分量的产生的控制方法(改进的措施)(例如，见专利文献1)。
图12示出了用于高频加热设备的磁控管驱动电源(反相器(inverter)电源)的一个示例图。磁控管驱动电源由直流(DC)电源1、漏磁变压器2、第一半导体开关元件3、第一电容器5(缓冲器(snubber)电容器)、第二电容器6(谐振电容器)、第三电容器7(平滑电容器)、第二半导体开关元件4、驱动单元13、全波电压倍增器(doubler)整流电路11和磁控管12构成。
DC电源1通过执行对商业电源的全波整流，将DC电压VDC施加给包括第二电容器6和漏磁变压器2的第一线圈绕组(coil winding)8的串连电路。第一半导体开关元件3和第二半导体开关元件4彼此串连，而包括第二电容器6和漏磁变压器2的第一线圈绕组8的串连电路并联到第二半导体开关元件4。
第一电容器5并联到第二半导体开关元件4并且作为防止开关过程期间的浪涌(surging)电流(电压)的缓冲器工作。在全波电压倍增器整流电路11中，将漏磁变压器2的第二线圈绕组9中所产生的高AC电压输出变换为高DC电压，然后将其施加在磁控管12的阳极和阴极之间。漏磁变压器2的第三线圈10将电流提供给磁控管12的阴极。
由IGBT和与IGBT并联的续流二极管(flywheel diode)构成第一半导体开关元件3和第二半导体开关元件4的每一个。当然，第一和第二半导体开关元件3和4不限于这种，还可以使用晶闸管、GTP开关装置等。
驱动单元13在其中具有用于产生用于驱动第一半导体开关元件3和第二半导体开关元件4的驱动信号的振荡单元。该振荡单元以预定频率产生方波，并且将驱动信号传送到第一半导体开关元件3和第二半导体开关元件4。紧接着截止第一半导体开关元件3和第二半导体开关元件4中的任何一个之后，另一个半导体开关单元的两端的电压较高。因此，当将其任何一个截止时，产生类似尖峰(spike-like)的浪涌电流，因此产生不必要的损耗和噪声。然而，通过提供停滞时间(dead time)，可以将截止延迟直到横跨两端的电压变为0V为止。因此，可以抑制不必要的损耗和噪声。当然，可以将相同的操作类似地应用于逆开关过程的情况。
将省略对通过启动单元13所产生的驱动信号的每个操作模式的详细描述。然而，图12中所示的电路配置的特征是由第一半导体开关元件3和第二半导体开关元件4所产生的电压等于DC电源电压VDC，也就是，240√2＝339V，甚至在欧洲在一般家庭里也使用最高电压240V。因此，即使考虑诸如雷电电涌或者突然电压降之类的紧急情况，也可以将第一半导体开关元件3和第二半导体开关元件4用作具有针对600V等的电阻的低成本装置(例如，见专利文献2)。
随后，图13示出了在反相器电源电路(其中电感L和电容器C构成谐振电路)中的这种谐振特性。图13是示出在将预定电压施加到反相器谐振电路并且频率f0是谐振频率时的电流特性和工作电压的图。在实际反相器操作期间，在从比频率f0高的f1到f2的频率范围中使用电流和频率的曲线特性I1(实线)。
也就是，当谐振频率为f0时，电流I1具有最大值，并且电流I1随着频率范围从F1到F3增加而减小。这是因为由于当电流I1在从f1到f3的频率范围中接近低频时电流I1接近谐振频率因此在漏磁变压器的第二线圈中流动的电流增加。相反，由于电流I1在电流I1接近高频时，电流I1变为远离谐振频率，所以漏磁变压器的第二线圈绕组的电流下降。用于驱动作为非线性负载的磁控管的反相器电源通过改变频率获得希望的输出。例如，分别在200W、600W和1200W的情况下f3、f2和f1附近，可以获得在LC电源中不能获得的连续输出。
此外，使用交流商业电源。因此，当不将高电压施加到电源相位0°和180°的附近时，在根据高频不振荡的磁控管特性的相位上，将反相器操作频率配置到谐振电流增加的f1的附近。以这种方式，可以通过提高所施加磁控管的电压与商业电源的电压的助推比(boosting ratio)来增加其中传送电波的传导角。结果，可以通过在每个电源相位中改变反相器操作频率来实现基波分量多而谐波分量小的电流波形。也就是，电源的谐波性能依赖于频率调制的控制的好或坏。
专利文献1JP-A-2004-006384专利文献2JP-A-2000-058252发明内容本发明要解决的问题然而，在上述配置中存在下面的或更多的缺点。
也就是，构成反相器电路的主要部件(漏磁变压器或者谐波电容器)的恒定不一致性(耦合系数和电容值)或者组成控制IC单元的电源Vcc的齐纳二极管的不一致性(齐纳电压)，导致自身基础反相器谐波电路或者频率调制波形的不一致性。而且，该不一致性使得反相器操作频率变化，并且根据不一致性的程度使得包含谐波分量的电流波形不满足电源的谐波性能。
解决问题的装置为了解决上述缺点，已经作出了本发明以提供能够提供用于配置频率调制波形的许多参数并且容易地以预定频率改变方波的发生的配置，其中在用于传送半导体开关元件的驱动信号的振荡单元中产生方波。
根据具有上述配置的本发明，可以形成频率调制波形，其处理构成反相器电路的主要部件(漏磁变压器或者谐振电容器)的恒定不一致性或者组成控制IC单元的电源Vcc的齐纳二极管的不一致性。此外，在任何组合条件下都可以满足电源的谐波性能并且可以增加标准值的余量程度。
本发明的优点使用根据本发明的高频加热设备，在商业电源的每个相位中的反相器操作频率都是可变的，并且可以通过在从0°到90°的范围中放大操作频率来实现谐波分量较小的电流波形。可以通过提供上限钳制(clamp)、下限钳制和与确定反相器操作频率的频率调制波形中的最低频率对应的下限值，来形成自由度较高的频率调制波形。而且，可以容易地形成用于处理构成高频加热设备的主要元件的不可避免的恒定不一致性的频率调制波形。
图1是示出根据本发明第一到第四实施方式的高频加热设备的电路配置的图；图2是示出根据本发明第一实施方式的振荡电路配置的图；图3是示出根据本发明第一实施方式的频率调制输出和反相器操作频率的特性的图；图4是详细示出根据本发明第二实施方式的频率调制形成电路的图；图5是详细示出根据本发明第二实施方式的频率调制形成电路的图；图6(a)和图6(b)是详细示出根据本发明第二实施方式的频率调制形成电路的图；图7是详细示出根据本发明第三实施方式的频率调制形成电路的图；图8是详细示出根据本发明第三实施方式的频率调制形成电路的图；图9(a)和图9(b)是示出根据本发明第三实施方式的频率调制波形的图；图10是详细示出根据本发明第四实施方式的频率调制形成电路的图；图11是详细示出根据本发明第四实施方式的频率调制形成电路的图；图12是示出已知磁控管驱动高频加热设备的电路配置(反相器电源)的图；和图13是示出在将预定电压施加到反相器谐振电路时的电流和工作频率的特性的图。
附图标记说明1DC电源2漏磁变压器3第一半导体开关元件(开关元件)4第二半导体开关元件(开关元件)5第一电容器6第二电容器7第三电容器11全波电压倍增器整流电路12磁控管14驱动控制单元
15频率调制形成电路16振荡电路17停滞时间形成电路18开关元件驱动电路19恒定输入控制电路155、156、157电阻器158、159二极管161、162电阻器(串连电阻器)具体实施方式
根据本发明的第一方面，高频加热设备通过允许半导体开关元件使用商业电源执行高频开关操作来驱动磁控管，其中高频开关操作的频率是可变的，从而频率在从0°到90°和从180°到270°电源的相位范围中上升，而在从90°到180°和从270°到360°的电源相位范围中下降；而且在上升和下降时间段之间操作频率中的差异较大。
根据本发明的第二方面，在根据本发明的第一方面的高频加热设备中，高频开关操作的频率通过改变串连电阻器的并联组合电阻值可以容易地变化。
根据本发明的第三方面，在根据本发明的第一方面的高频加热设备中，可以将高频开关操作的频率的变化表示为频率调制波形的形状；以及，其中，频率调制波形根据商业电源的整流波形形成，并且具有上限钳制。
根据本发明的第四方面，在根据本发明的第一方面的高频加热设备中，可以将高频开关操作的频率的变化表示为频率调制波形的形状；以及，其中，频率调制波形根据商业电源的整流波形形成，并且具有下限钳制。
根据本发明的第五方面，在根据本发明的第一方面的高频加热设备中，可以将高频开关操作的频率的变化表示为频率调制波形的形状；以及，其中，频率调制波形根据商业电源的整流波形形成，并且具有与最低频率的限制对应的下限钳制。
根据本发明的第六方面，在根据本发明的第一方面的高频加热设备中，可以将高频开关操作的频率的变化表示为频率调制波形的形状；以及，其中，频率调制波形根据商业电源的整流波形形成，并且具有上限钳制、下限钳制、与最低频率的限制对应的下限值。
根据本发明的第七方面，在根据本发明第六方面的高频加热设备中，上限钳制和下限钳制之间的差尽可能小，而频率调制波形的形状几乎是平的。
根据本发明的第八方面，在根据本发明第三或第六方面的高频加热设备中，将上限钳制唯一地确定为与商业电源的电压值中的变化独立的预定固定值(上限值)。
根据本发明的第九方面，在根据本发明第三或第六方面的高频加热设备中，从与商业电源的电压值中的变化独立的预定固定值中，将上限钳制唯一地确定为通过电阻器或者二极管而经历小的变化的值。
根据本发明的第十方面，在根据本发明第三或第六方面的高频加热设备中，将上限钳制确定为依赖于商业电源的电压值中的变化而变化的参考值(上限值)。
根据本发明的第十一方面，在根据本发明第三或第六方面的高频加热设备中，从依赖于商业电源的电压值中的变化而变化的预定值中，将上限钳制确定为通过电阻器或者二极管而经历小的变化的值。
根据本发明的第十二方面，在根据本发明第四或第六方面的高频加热设备中，将下限钳制唯一地确定为与商业电源的电压值中的变化独立的固定值(下限值)。
根据本发明的第十三方面，在根据本发明第四或第六方面的高频加热设备中，从与商业电源的电压值中的变化独立的预定固定值中，将下限钳制唯一地确定为通过电阻器或者二极管而经历小的变化的值。
根据本发明的第十四方面，在根据本发明的第四或第六方面的高频加热设备种，将下限钳制确定为依赖于商业电源的电压值中的变化而变化的参考值(下限值)。
根据本发明的第十五方面，在根据本发明第四或第六方面的高频加热设备中，从依赖于商业电源的电压值中的变化而变化的预定值中，将下限钳制确定为通过电阻器或者二极管而经历小的变化的值。
根据本发明的第十六方面，在根据本发明第四或第六方面的高频加热设备中，将与最低频率的限制对应的下限值唯一地确定为与商业电源的电压值中的变化独立的预定固定值(下限值)。
根据本发明的第十七方面，在根据本发明第五或第六方面的高频加热设备中，将与最低频率的限制对应的下限值唯一地确定为依赖于商业电源的电压值中的变化而变化的预定固定值(下限值)。
在上述配置中，即使在存在诸如构成反相器电路的主要元件的恒定不一致性或者组成控制IC单元的电源(Vcc)的齐纳二极管的不一致性之类的几个不一致性的条件下，也可以形成能够处理上述缺点的频率调制波形。此外，可以在任何组合条件中满足电源的谐波性能，并且可以增加标准值的余量的程度。
下面，将参照附图描述本发明的实施方式。本发明不限于这些实施方式。
(第一实施方式)图1是示出根据本发明的用于驱动磁控管的电路配置的图。DC电源1、漏磁变压器2、第一半导体开关元件3、第二半导体开关元件4、第一电容器5、第二电容器6、第三电容器7、驱动控制IC单元14、全波电压倍增器整流电路11和磁控管12构成该整体电路。由于该整体电路与图12中所示的相同，所以将省略对其的描述。
在用于驱动半导体开关元件3和4的驱动控制IC单元14中，频率调制形成电路15根据商业电源的电压使用电阻分割波形来形成频率调制波形。频率调制形成电路15执行从恒定控制电路19接收信号的反馈控制，以获得上述所需要的输入(200W或者600W)。
随后，根据从频率调制形成电路15获得的信号，振荡电路16确定实际操作频率，而停滞时间形成电路17确定所需要的停滞时间。最后，将开关装置驱动电路18所形成的方波传送到第一半导体开关元件3和第二半导体开关元件4的栅极。
图2详细示出了振荡电路16的配置。将比较器164和165的输出功率输入到SR触发器(flip-flop)166的S端和R端。SR触发器166的经反相的Q端的输出形成电容器163的充电-放电电路。当经反相的Q端处于电平Hi时，I16充电而且电容器163的电势增加。将电容器163的电势输出到开关装置驱动电路18。随后，比较器164的(+)端的电势增加，并且当该电势超过(-)端的V1时，将输出Hi施加到S端。之后，SR触发器166的经反相的Q端处于Lo的状态，因此电容器163的电势放电。此外，当比较器165的(-)端的电势放电然后下降到低于(+)端的电势V2时，将输出Hi施加到R端。之后，SR触发器166的经反相的Q端变为处于电平Hi，因此电容器163的电势增加。通过重复该过程，将三角形波送入开关装置驱动电路18。
当然，根据来自频率调制形成电路的信号，通过在图2中所示的MOD端中存在的电阻器161和162的并联组合电阻来确定电容器163的充电电流I16。也就是，I16的量确定三角形波的倾斜度(inclination)，也就是，反相器操作频率。图3是示出频率调制形成电路15的输出和电阻器161和162所配置的反相器操作频率之间的关系的图。如图3中所示，并联组合电阻值越小，频率调制形成电路15的输出变化的倾斜度就越大。相反地，该值越大，倾斜度越小。也就是，根据电阻器161和162的配置可以容易地调整频率调制形成电路15所输出的反相器操作频率。此外，为了防止谐波发生，尽可能地在从0°到90°的范围中放大电源相位的操作频率是重要的(方面1和2)。
(第二实施方式)图4是详细示出图1中所示的频率调制形成电路的示例图。在电阻器151和152中获得的固定电压在对商业电源整流之后根据电压分割波形变为上限(方面3和8)。图6(a)示出此时的频率调制波形。根据虚线指示的商业电源整流电压分割波形，如实现所示给出上限值。随后，当将二极管158和159、以及电阻器155、156和157提供给图5中所示的上钳制时，可以将频率调制波形形成为带有与在电阻器151和152中给出的参考电压不同的某些变化曲线，而不是固定值(方面9)。图6(b)示出了由实线所指示的曲线。此外，为了将上限确定为可变值而不是固定值，根据商业电源的电压信息的增加或减小都是可能的(方面10和11)。以这种方式，可以形成最佳的频率调制波形以防止甚至在每个电源的电压中的谐波分量的发生。
(第三实施方式)图7是示出图1中所示的频率调制形成电路15的示例图。在对商业电源整流之后，根据电压分割波形，将该下限值限制到从电阻器153和154给出的固定值。在这种情况下，下限钳制意味着下限值与最低频率限制对应(方面4、5、12和16)。图9(a)示出了在这种情况下的频率调制波形，并且根据虚线所指示的商业电源整流电压分割波形来表示由实线所指示的下限(与最低频率对应的下限)。随后，当将电阻器提供给图8中所示的下限钳制时，可以将频率调制波形形成为带有与电阻器153和154中所获得的参考值不同的某些变化的曲线，而不是固定值(方面13)。图9(b)示出了由实线所指示的曲线。此外，为了将下限确定为可变值而不是下限钳制的固定值或者最低频率限制，根据商业电源的电压信息可以进行增大或减小(方面14、15和17)。在该配置中，可以形成最佳频率调制波形从而甚至在每个电源的电压中防止谐波分量发生。
(第四实施方式)图10是示出根据本发明第二和第三实施方式的、在频率调制形成电路15中形成频率调制波形的组合装置的图。通过包括上限钳制、下限钳制、与对频率调制波形的最低频率限制对应的下限值，可以获得图11中所示通过实线指示的波形，根据第一实施方式中所描述的反相器操作频率的关系在电源的电压相位的每个点的几个频率调制是可能的(方面6)。当然，为了不固定调制装置并且允许电压变化，根据商业电源的电压信息可以增大或者减小。在该配置中，可以形成最佳频率调制波形以防止在电源的每个电压中发生谐波分量。此外，当控制代理参数增加时，尽管有几个不一致性还是能够有效地形成经历小变化的频率调制波形，通过作为Taguchi方法的改进方法和我们公司自身的科学解决方案方法的质量稳定性设计方法来评估最佳解决方案，并且更快地防止电源的谐波。重要的是上限钳制和下限钳制之间的差尽可能小，而频率调制波形几乎是平的(方面7)。
已经参照具体实施方式
详细描述了本发明，但是本领域的普通技术人员可以在不偏离本发明的要旨的情况下进行各种形式的修改。本申请基于2004年10月18日提交的日本专利申请No.2004-302598，通过参考将其合并。
产业的可利用性如上所述，根据本发明的高频加热设备可以通过允许商业电源的每个相位中的反相器操作频率可变，并且增大从0°到90°的相位范围的操作频率的差，来实现其中谐波分量较小的电流波形。因此，可以将该高频加热设备应用于使用反相器的每种设备。
权利要求
1.一种高频加热设备，其通过允许半导体开关元件使用商业电源执行高频开关操作来驱动磁控管，其中，高频开关操作的频率是可变的，从而频率在从0°到90°和从180°到270°的电源相位范围中上升，而在从90°到180°和从270°到360°的电源相位范围中下降；以及其中，在上升和下降时间段之间操作频率中的差异大。
2.根据权利要求1所述的高频加热设备，其中，高频开关操作的频率通过改变串联电阻器的并联组合电阻值可轻易变化。
3.根据权利要求1所述的高频加热设备，其中，将高频开关操作的频率的变化表示为频率调制波形的形状；以及，其中，频率调制波形根据商业电源的整流波形形成，并且具有上限钳制。
4.根据权利要求1所述的高频加热设备，其中，将高频开关操作的频率的变化表示为频率调制波形的形状；以及，其中，频率调制波形根据商业电源的整流波形形成，并且具有下限钳制。
5.根据权利要求1所述的高频加热设备，其中，将高频开关操作的频率的变化表示为频率调制波形的形状；以及，其中，频率调制波形根据商业电源的整流波形形成，并且具有与最低频率的限制对应的下限钳制。
6.根据权利要求1所述的高频加热设备，其中，将高频开关操作的频率的变化表示为频率调制波形的形状；以及，其中，频率调制波形根据商业电源的整流波形形成并且具有上限钳制、下限钳制、与最低频率的限制对应的下限值。
7.根据权利要求6所述的高频加热设备，其中，上限钳制和下限钳制之间的差尽可能小，而频率调制波形的形状几乎是平的。
8.根据权利要求3或6所述的高频加热设备，其中，将上限钳制唯一地确定为与商业电源的电压值中的变化独立的预定固定值(上限值)。
9.根据权利要求3或6所述的高频加热设备，其中，从与商业电源的电压值中的变化独立的预定固定值中，将上限钳制唯一地确定为通过电阻器或者二极管而经历小的变化的值。
10.根据权利要求3或6所述的高频加热设备，其中，将上限钳制确定为依赖于商业电源的电压值中的变化而变化的参考值(上限值)。
11.根据权利要求3或6所述的高频加热设备，其中，从依赖于商业电源的电压值中的变化而变化的预定值中，将上限钳制确定为通过电阻器或者二极管而经历小的变化的值。
12.根据权利要求4或6所述的高频加热设备，其中，将下限钳制唯一地确定为与商业电源的电压值中的变化独立的固定值(下限值)。
13.根据权利要求4或6所述的高频加热设备，其中，从与商业电源的电压值中的变化独立的预定固定值中，将下限钳制唯一地确定为通过电阻器或者二极管而经历小的变化的值。
14.根据权利要求4或6所述的高频加热设备，其中，将下限钳制确定为依赖于商业电源的电压值中的变化而变化的参考值(下限值)。
15.根据权利要求1所述的高频加热设备，其中，从依赖于商业电源的电压值中的变化而变化的预定值中，将下限钳制确定为通过电阻器或者二极管而经历小的变化的值。
16.根据权利要求5或6所述的高频加热设备，其中，将与最低频率的限制对应的下限值唯一地确定为与商业电源的电压值中的变化独立的预定固定值(下限值)。
17.根据权利要求5或6所述的高频加热设备，其中，将与最低频率的限制对应的下限值唯一地确定为依赖于商业电源的电压值中的变化而变化的预定固定值(下限值)。
全文摘要
提供用于驱动诸如微波炉之类的磁控管的高频加热电源装置。可以提供用于抑制由高频开关操作所产生的高频电流的高频调制方法。当提供用于驱动第一半导体开关元件(3)和第二半导体开关元件(4)的DRIVE信号时，由振荡电路(16)中的三角形波产生电路将相位0到90度的频率差(倾斜度)提供给用于每个商业电源相位的反相器操作频率。在整流之后根据商业电源分割波形，由频率调制产生电路(15)设置上限钳制、下限钳制和与最低频率等效的最低值来形成用于频率调制控制的调制波形。通过优化组合这些，抑制较高谐波电流的产生，同时形成能够吸收诸如反相器主电路部件恒定参数和驱动控制IC单元(14)的电源(Vcc)之类的各种不规则性的频率调制波形。
文档编号H05B6/66GK101044797SQ200580035609
公开日2007年9月26日 申请日期2005年10月17日 优先权日2004年10月18日
发明者守屋英明, 末永治雄, 酒井伸一, 城川信夫, 木下学 申请人:松下电器产业株式会社