电磁感应加热装置的制作方法

专利名称：电磁感应加热装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及对于不同材质的被加热物供给希望的电力进行感应加热的逆变器方
式的电磁感应加热装置。
背景技术：
近年来，不使用火加热锅等被加热物的逆变器方式的电磁感应加热装置被广泛地 应用。电磁感应加热装置，在加热线圈中流过高频电流，使在线圈附近配置的金属制的被加 热物内产生涡流，通过被加热物自身的电阻发热。 一般，被加热物是磁体、固有电阻大的铁 容易加热，非磁体、低电阻的铜或者铝等不容易被加热。 作为解决这样的问题的现有例子，有在专利文献1中公开那样、通过锅等被加热 物的材质使在多个加热线圈上施加的电流的相位作为同相、逆相，利用加热线圈间的互感， 能够与被加热物的材质的不同无关地同等程度进行加热的方法。 但是，在非磁性体的铝锅中，假定在包含烹调物的重量轻的场合投入大量的电力
时，锅和加热线圈之间产生的斥力变大，发生使锅上浮或移动这样的现象。 对于这样的课题，有如在专利文献2中公开那样、在检测到锅上浮的场合减低加
热电力的方法，或者有如在专利文献3中公开那样、在锅和加热线圈之间配置非磁性金属
板，在加热非磁性金属板的同时，减低锅和加热线圈之间发生的斥力、抑制锅上浮的方法。专利文献1特开2007-12482号公报专利文献2特开2004-165127号公报专利文献3特开2004-273301号公报 在专利文献1中，因为在被加热物是磁性的场合把给加热线圈施加的电流的相位 做成逆相位，使电流容易流过加热线圈，在被加热物是非磁性的场合做成同相位抑制流过 加热线圈的电流，与被加热物的不同无关地使流过加热线圈的电流值成为相同程度，所以 无助于抑制在被加热物和线圈之间发生的斥力。 在专利文献2中，有得不到烹调必要的加热电力的可能。例如，在轻的锅或者煎锅 中，对于斥力容易上浮，而且在锅内物料偏在一旁时有失去平衡移动到铁方盘上的可能。因 为为防止这点在检测到上浮时降低火力，所以发生烹调得不到充分的火力、或者不能煮熟 的情况。 在专利文献3中，虽然减低了在被加热物上发生的斥力，但是非磁性金属板被加 热后加热玻璃面，由此有发生煮溢出来烧焦或者因为烹调结束后玻璃面成为高温被烫伤的 可能。

发明内容
本发明，应对上述课题，提供一种逆变器方式的电磁感应加热装置，其能够对于不 同材质的被加热物高效率地提供希望的电力，同时能够减低特别在铝等非磁性被加热物上 作用的浮力。
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在本发明理想的实施形式中，电磁感应加热装置具有逆变器，其具有作为两个主开关元件的串联体的第一、第二上下臂，向把直流电压进行直流/交流变换后对被加热物进行感应加热的加热线圈供给交流电压，所述电磁感应加热装置的特征在于，具有通过驱动第一上下臂的开关元件，使作为半桥方式逆变器动作的第一逆变器控制单元；通过驱动第二上下臂的开关元件，使作为半桥方式逆变器动作的第二逆变器控制单元；通过驱动第一、第二上下臂的开关元件，使逆变器作为全桥方式逆变器动作的第三逆变器控制单元；在包含第一上下臂构成的所述半桥方式逆变器的输出端子间连接的、由第一加热线圈和第一共振电容器构成的第一共振负荷电路；在包含第二上下臂构成的所述半桥方式逆变器的输出端子间连接的、由第二加热线圈和第二共振电容器构成的第二共振负荷电路；在通过第一、第二上下臂构成的全桥方式逆变器的输出端子间连接的、由第一、第二共振负荷电路的至少一部分和第三共振电容器构成的第三共振负荷电路；从逆变器接通或者断开该第三共振负荷电路的开关单元。 这里，所谓半桥方式逆变器，指的是基本上是通过对第一上下臂的开关元件进行接通、关断驱动向负荷供给交流的逆变器。 在本发明理想的实施形式中，所述第一、第二加热线圈，被配置在大体同一平面
上，具有抑制所述加热线圈间相互磁耦合的磁耦合抑制单元，具有按照使所述第一、第二加
热线圈的电流相位差成为n/2的方式驱动所述第一、第二上下臂的驱动单元。 根据本发明理想的实施形式，即使在负荷变动大的条件下也能够设定最佳的逆变
器电压、驱动频率、线圈电流，高效率地向负荷供给希望的电力。另外，通过对于两个加热线
圈的电流给予相位差，能够减低特别在铝等非磁性被加热物上作用的浮力。 本发明的其他的目的和特征，在以下要叙述的实施形式中会更明了。


图1是实施例1的电磁感应加热装置的电路结构图。 图2是实施例1的加热线圈的平面图。 图3是实施例1的加热线圈的截面斜视图。 图4是实施例1的加热线圈中的相位差零的电流和涡流损失、浮力的解析图。 图5是实施例1的加热线圈中的相位差/2的电流和涡流损失、浮力的解析图。 图6是实施例1的电磁感应加热装置的动作波形。 图7是实施例1的电磁感应加热装置的动作波形。 图8是实施例2的电磁感应加热装置的电路结构图。 图9是实施例3的电磁感应加热装置的电路结构图。 图10是实施例4的电磁感应加热装置的电路结构图。 图11是实施例4的电磁感应加热装置的动作波形。 图12是实施例4的电磁感应加热装置的动作波形。 图13是实施例5的电磁感应加热装置的电路结构图。 图14是实施例6的电磁感应加热装置的电路结构图。 图15是实施例6的电磁感应加热装置的动作波形。 图16是实施例6的电磁感应加热装置的动作波形。
图17是实施例7的电磁感应加热装置的电路结构图。图18是实施例8的电磁感应加热装置的电路结构图。图19是实施例9的电磁感应加热装置的电路结构图。图20是实施例10的电磁感应加热装置的电路结构图。符号说明1、10直流电源2二极管整流电路3、4上下臂5a 5d、32、42、142开关元件6a 6d、33、43、143 二极管7a 7d、9、12、13、15 17、34、44电容器11、14加热线圈20继电器8、31、41、141电感器50、60、70共振负荷电路51a 511、71a 711磁体AC商用交流电源61驱动电路90控制电路91a、91b、93、95电流传感器92线圈电流检测电路94AC电流检测电路96输入电流检测电路98升压电压检测电路99INV电压检测电路100输入电力设定部
具体实施例方式
下面参照

本发明的希望的实施形式。
实施例1
图1是实施例1的电磁感应加热装置的电路结构图。本实施例是把直流电力变换 为交流电力的结构，表示在加热线圈内流过高频交流电流、通过电磁感应加热金属性的被 加热物的电路结构。被加热物未在图中表示，通过加热线圈11、14的磁耦合向被加热物供 给电力。在图1中，在直流电源1的正电极和负电极之间，连接功率半导体开关元件5a和 5b串联的第一上下臂3、和5c和5d串联的第二上下臂4。在开关元件5a到5d上分别反向 并联二极管6a到6d，另外，在开关元件5a到5d上分别并联缓冲电容器7a到7d。缓冲电 容器7a、7b，通过开关元件5a或者5b关断时的切断电流充电或者放电，通过减低在两开关 元件上施加的电压的变化抑制关断损失。同样，缓冲电容器7c、7d，也通过减低在开关元件 5c或者5d上施加的电压的变化抑制关断损失。在上述第一上下臂3的输出端子上连接第
7一加热线圈11的一端，在加热线圈11的另一端和直流电源1的负电极间连接第一共振电容器12，构成第一共振负荷电路50。在上述第二上下臂4的输出端子上连接第二加热线圈14的一端，在加热线圈14的另一端和直流电源1的负电极间连接第二共振电容器15，构成第二共振负荷电路70。另外，在所述第一加热线圈11的另一端和所述第二加热线圈14的另一端连接串联的第三共振电容器13和继电器20。在这样的结构下通过关断继电器20能够把第三共振电容器13断开。所述第一、第二共振负荷电路50、70和第三共振电容器13构成第三共振负荷电路60。通过根据被加热物的材质或者设定火力切换继电器20，能够选择第一共振负荷电路50、第二共振负荷电路70或者第三共振负荷电路60加热被加热物。
图2是所述第一、第二加热线圈11、14的平面图，图3是图2的加热线圈中的ab间的截面斜视图。所述第一、第二加热线圈111、14，如图2、图3所示，大体在同一平面上分别在内侧和外侧成同心圆配置。另外，加热线圈ll在从线圈中心成放射状配置的U形磁性体51a 511上设置，加热线圈14同样也在U形磁性体771a 711上配置。这些磁性体在加热线圈的内周面、下面、外周面上相对配置，抑制对于线圈下面和侧面方向的漏磁场，成为起向线圈上面方向、亦即作为被加热物的锅所在方向感应磁场的作用的磁耦合抑制单元。另外，为抑制在加热线圈11和14之间磁耦合，分别具有分离独立的磁性体51a 511和71a 711。为抑制线圈间的磁耦合，两个线圈间的间隙宽好，但是在有限的外径尺寸下增加各个加热线圈的匝数减低电流，需要使线圈间窄。因此，在本实施例中内侧的磁性体5la 511每30度的角度配置一个，外侧的磁性体7la 711对于内侧的磁性体5la 511偏移15度配置。由此，磁性体51a 511的外侧上升部分和磁性体71a 711的内侧上升部分成为离开线圈中心大体相同的距离r的位置，使加热线圈11和加热线圈14的间隙变窄，能够通过有限的空间确保更多的匝数。 在图1中，因为加热线圈11、14和被加热物(未图示)磁耦合，所以当把被加热物变换为从加热线圈11、14侧看的等价电路时，成为被加热物的等价电阻和等价电感被串联的结构。等价电阻以及等价电感，根据被加热物的材质而不同，在非磁性体中低电阻的铜或者铝的场合，等价电阻以及等价电感两者都小，在磁性体中高电阻的铁的场合，两者都大。
在本实施例中，在被加热物是铜或铝的场合，关断所述继电器20，用由所述第一上下臂3和包含加热线圈11的共振负荷电路50构成的SEPP(SingleEnded Push-Pull)方式的逆变器在内侧的加热线圈11中流过高频电流，用由所述第二上下臂4和包含加热线圈14的共振负荷电路70构成的SEPP方式的逆变器在外侧的加热线圈14中流过高频电流，进行加热。SEPP方式是半桥方式的一种。如上述，因为非磁性体低电阻的被加热物等价电阻小电流容易流过，所以把逆变器做成SEPP方式，即使降低给共振负荷电路50、70上施加的电压也能够流过足够的电流。上述第一、第二上下臂3、4，在加热线圈11和加热线圈14中设置预定的相位差，供给高频电流。另外，被加热物的表面电阻具有与频率的平方根成比例的特征，在加热铜或者铝等的低电阻的被加热物的场合，提高频率是有效的。因此，例如能够用约90kHz的频率驱动第一、第二上下臂那样设定第一、第二共振电容器12、15的电容量。
下面说明流过上述第一、第二加热线圈11、 14的电流和被加热物的涡流损失以及作用在被加热物上的浮力。图4是解析在加热线圈11、14内流过同相的电流的场合的涡流损失和浮力的结果。因为涡流损失以及浮力是由于从加热线圈发生的磁通的变化产生，所以与电流的方向无关总为正。磁通变化大时涡流损失、浮力都增加，磁通变化小时减小。这
8里，被加热物的涡流损失、即发热量，因为有效值成为重要的值，所以不受电流的相位的影 响，但是因为浮力的瞬时力越大会越使被加热物上浮或者移动，所以发生由电流的相位引 起的影响。因此，如图4所示，第一、第二加热线圈的电流相位是同相即电流相位差是零的 场合，在被加热物上作用的浮力，相当于通过一个加热线圈电流发生的浮力的2倍，因为该 值极大，所以对于使用者来说，会感觉到被加热物上浮了 。 因此，研究一下浮力成为最小的相位差。当设加热线圈11、14的匝数和电流，分别 是相同的n、 I，电流的相位差为CP时，浮力F可以以下面的式1表示。
F co I nl sin cot I + I nl sin (cot +cp)| (式i) 在式1中，当求F成为最小的(p时，9成为n/2[rad]。图5是解析在加热线圈11、 14中设置Ji/2[rad]的相位差、流过电流的场合的涡流损失和浮力的结果。根据图5，涡流 损失的有效值在电流同相时不变化，但是对于浮力，当把瞬时的最大值与电流同相时比较 时，可知被减小。 另外，式1是表示第一加热线圈以及第二加热线圈的匝数、电流相同时的浮力F的
公式，但是匝数、电流不相同时也可以，在设第一加热线圈的匝数为&、电流为Ip第二加热
线圈的匝数为112、电流为12时，如果设定成满足 r^XIi二n2X工2 (式2) 则浮力F可以用下面的式3表示。F oo | .n山sincot | + | n2I2 sin (cot +(p)| (式3) 即使在式3中，因为F成为最小时9是^/2[rad]，所以通过把(p设定为Ji/2[rad]， 可以得到和已在图5中说明过的同等的效果。 图6表示在本实施例中在加热线圈11、14内设定Ji /2[rad]的相位差流过电流的 场合的第一、第二上下臂3、4的驱动信号。图中，上下臂3的开关元件5a、5b设定规定的 死时间互补驱动，同样上下臂4的开关元件5c、5d也互补驱动。通过在上下臂3、4内设定 Ji/2[rad]的相位差，在加热线圈11、14中能够如图的I(11)、1(14)那样设定Ji/2[rad]的 相位差。 这样，在本实施例中，通过设置两个加热线圈，把线圈电流的相位差设定为 Ji /2[rad]，能够减低被加热物的浮力的瞬时最大值，能够抑制受该力的被加热物上浮。另 外，即使对于通过浮力被加热物失去平衡、开始移动的界限值(静摩擦力)，因为瞬时最大 值降低，所以对于在被加热物上投入的电力，通过应用本发明，也能够抑制移动。进而，即使 是移动开始的场合，因为浮力的瞬时最大值降低，所以移动距离也变短。从这些点出发，在 向被加热物投入与现在同等的电力的场合，因为被加热物的上浮或者移动被抑制，所以对 于使用者能够提供使用方便的电磁感应加热装置。另外，在允许被加热物有与现在同样程 度的上浮或者移动的场合，能够向被加热物投入比现在大的电力，即使对于需要大火力的 烹调也能够应对。进而，因为把加热线圈一分为二，所以在被加热物内发生的涡流损失在内 侧和外侧两个地方展开分布，也有比一个线圈均匀加热的效果。 在本实施例中，在被加热物是铁的场合，导通上述继电器20，用由所述第一以及第 二上下臂3、4和包含加热线圈11、14的第三共振负荷电路60构成的全桥方式的逆变器使 内侧的加热线圈11、外侧的加热线圈14内流过高频电流进行加热。如上所述，因为磁性体 中高电阻的被加热物等价电阻大所以电流难于流过共振负荷电路。因此，通过切换到全桥方式，能够得到逆变器输出电压2倍高的希望的输出。在上述铜或铝的场合，因为电阻小所 以使逆变器的频率为约90kHz，提高了表面电阻，但是在铁的场合，因为本来的电阻大，用约 20kHz的频率驱动第一、第二上下臂。如上所述，第一、第二共振电容器12、15的电容量，按 照约90kHz的驱动频率进行设定，但是第三共振电容器13的电容量，按照约20kHz的驱动 频率进行设定。因为驱动频率有很大不同，所以第三共振电容器13的电容量成为比第一、 第二共振电容器12、15大很多的值。因此，全桥方式的逆变器的共振频率，主要通过第三共 振电容器13设定。在该全桥方式逆变器动作中，因为流过共振电容器13的电流大，所以即 使在原样连接共振电容器12、15不变的状态下也不会有大的问题。这样，即使在设置两个 加热线圈的场合，仅通过导通一个继电器20，就能够在切换共振频率的同时把逆变器切换 到全桥方式。通过根据被加热物的材质或形状、火力设定切换继电器，能够用适合负荷状态 的逆变器方式、驱动频率进行加热。 图7表示作为全桥方式的逆变器驱动的场合的第一、第二上下臂3、4的驱动信号。 图中，上下臂3的开关元件5a、5b设定规定的死时间互补驱动，同样上下臂4的开关元件 5c、5d也互补驱动。加热线圈11、14的电流，流过大体同相的电流I(11)、I(14)，在第一、第 二共振电容器12、15上，流过比驱动频率高的成分的电流1(12) 、1(15)。该电流因为值小， 所以对于被加热物的感应加热不会有大的影响。这里，因为第一、第二加热线圈H、14的电 流成为同相，所以如上述作用在被加热物上的浮力极大，但是因为磁性体的铁锅比非磁性 体的铝锅重，所以浮力的影响小。但是，在磁性体中夹入铝的多层结构的锅内，因为有时随 驱动频率受浮力的影响，所以如上述希望把继电器20关断，切换到对于两个加热线圈给予 电流相位差进行加热的方法。
实施例2
图8是实施例2的电磁感应加热装置的电路结构图。对于与图1相同的部分赋予 相同的符号，省略说明。图8中，在第一上下臂3的输出端子上连接加热线圈11的一端，在 加热线圈的另一端和直流电源1的正电极之间连接第四共振电容器16。另外，在第二上下 臂4的输出端子上连接加热线圈14的一端，在加热线圈的另一端和直流电源1的正电极之 间连接第五共振电容器17。在被加热物是铜或铝的场合，关断上述继电器20，用由上述第 一上下臂3和加热线圈11以及第一、第四共振电容器12、16构成的半桥方式的逆变器在内 侧的加热线圈11内流过高频电流，用由上述第二上下臂4和加热线圈14以及第二、第五共 振电容器15、17构成的半桥方式的逆变器在外侧的加热线圈14内流过高频电流。如上所 述，在加热低电阻的被加热物的场合，上述第一、第二上下臂3、4，在加热线圈11和加热线 圈14中设定规定的相位差供给高频电流。进而，因为提高频率是有效的，所以设定第一、第 二、以及第四、第五共振电容器12、15、16、17的电容量，使例如能够用约90kHz频率驱动第 一上下臂3。如上述，实施例1是SEPP方式，逆变器在上下臂的上臂导通的状态下从直流电 源l流入电流。另一方面，在本实施例中，因为是半桥方式，所以逆变器在上下臂的任何一 个开关元件导通的状态下从直流电源1流入电流。因此，能够减低直流电源1的电流波动。 在被加热物是铁的场合，关断所述继电器20，用由所述第一以及第二上下臂3、4和包含加 热线圈11、14的第三共振负荷电路60构成的全桥方式的逆变器在内侧的加热线圈11、外侧 的加热线圈14内流过高频电流进行加热。
实施例3
图9是实施例3的电磁感应加热装置的电路结构图。对于与图1相同的部分赋予 相同的符号，省略说明。在上述实施例中，供给被加热物的电力，可以通过控制上下臂3、4 的驱动频率或者直流电源l的电压进行调整。在本实施例中，表示用于从商用交流电源得 到直流电压的电源电路的结构。在图9中，商用交流电源AC在被施加在二极管整流电路2 上被全波整流后，通过用电感器8以及电容器9构成的滤波器施加在升压斩波电路30上。 升压斩波电路30，由电感器31、开关元件32、二极管33构成，在开关元件32的导通期间， 把商用交流电源电压施加在电感器31上，积蓄能，在关断期间，通过二极管33向滤波用的 电容器34放出能。为减低在商用交流电源的输入电流中包含的高次谐波成分，一边控制开 关元件32的导通期间使输入电流波形成为正弦波，一边控制电容器34的输出电压。这里， 在铜或者铝等低电阻的被加热物的场合，如上所述，因为等价电阻小，所以谋求由增加加热 线圈的匝数或者高频化而形成的等价电阻的增加。但是，由于装置形状或者可以使用的频 带的限制，两者都会产生极限。在由加热线圈以及共振电容器构成的串联共振电路中，通过 等价电阻表示共振的锐度的电路的Q值变化，在等价电阻小的场合Q值大，流过共振电路的 电流也变大。在像本实施例这样流过共振电路的电流成为正弦波状的电流共振型的逆变器 中，通过把驱动频率提高到比共振频率高，能够限制共振电流。因为当共振频率和驱动频率 的差大时逆变器的输出电压和共振电流的相位差变大，上下臂的切断电流变大，所以开关 损失增加。因此，用接近共振频率的频率驱动逆变器，希望减小切断电流，并降低直流电压 来限制共振电流。在本实施例中，把减低输入电流的高次谐波和使之平滑化作为目的，设置 上述那样的升压斩波电路30，电容器34的电压下限值，比商用交流电源的电压峰值高。因 此，如图9所示，通过设置由电感器41、开关元件42、二极管43构成的降压斩波电路40，能 够降低直流电压，能够限制共振电流。另外，降压斩波电路40，因为通过控制开关元件42的 导通时间占空比能够使电容器44的电压变化，所以通过该电压变化能够进行电力控制。
下面说明为控制本实施例中的各开关元件必要的电压电流检测位置。
为检测从交流电源AC输入的电力或者被加热物的材质，需要检测从交流电源AC 流出的AC电流。在本实施例中，在通过电流传感器93把从交流电源AC流出的AC电流变 换为电压后，通过AC电流检测电路94检测。 另外，为通过根据交流电源AC的电压进行AC电流的波形生成改善功率因数，需要 作为电流波形的基准的信号。 一般检测二极管桥的输出电压，即整流后的直流电压。在本 实施例中，通过输入电压检测电路97检测二极管整流电路2的直流输出端子间的电压。为 谋求减少部件，不检测输入电压而在控制电路内部求基准波形，也可以进行AC电流的波形 生成，在那种场合，可以去除输入电压检测电路97。为进行AC电流的波形生成，可以通过控 制流过升压斩波器用的电感器31的电流波形实现。在本实施例中，在通过电流传感器95 把流过电感器31的电流变换为电压后，通过输入电流检测电路96检测。也可以不检测电 感器31的电流而检测开关元件32的电流进行AC电流的波形生成，在那种场合，如果变更 电流传感器95的位置则没有问题。另外，为控制升压斩波电路30的输出，需要检测斩波电 路的输出电压，进行反馈控制。在本实施例中，通过升压电压检测电路98检测电容器34两 端的电压。 为检测输入电力的控制或者被加热物的材质、状态，需要检测流过加热线圈的电 流。在本实施例中，在分别通过电流传感器91a、91b把流过加热线圈11、14的电流变换为电压后，通过线圈电流检测电路92检测。 另外，为控制负荷的输出电力，需要检测斩波电路的输出电压即逆变器的电源电 压进行反馈控制。在本实施例中，通过INV电压检测部99检测电容器44的两端的电压。控 制电路90，根据所述各检测电路的检出值和来自电力设定部100的电力指令值生成各开关 元件的驱动信号。各开关元件根据从控制电路90给予的控制信号通过驱动电路61驱动。
在本实施例中，通过设置两个加热线圈，能够使用内侧、外侧或者两方的加热线圈 进行被加热物的材质或者对于线圈形状的被加热物的大小的检测。例如，在开始加热时，最 初仅驱动一方的上下臂检测加热线圈的电流和AC电流，其后，仅驱动另一方的上下臂同样 检测加热线圈的电流和AC电流，根据两者的结果，确定被加热物的材质或者大小等，比现 在使用一个加热线圈的检测方法能够更加精确地检测被加热物。另外，在像小直径的锅等 那样被加热物小的场合，也能够仅给在内侧配置的加热线圈供给电流，进行感应加热，能够 以适合被加热物的大小的条件高效率地进行加热。进而，在加热铝等非磁性的被加热物的 场合，因为在加热线圈上发生数kV的高电压，所以要提高现在的用一个加热线圈向负荷供 给的电力是有限止的。但是，因为在本实施例中使用两个加热线圈，所以能够减低线圈电 压。因此，与上述减低浮力的效果加在一起，与现在相比就能够容易地提高电力。
实施例4
图10是实施例4的电磁感应加热装置的电路结构图。对于与图9相同的部分赋 予相同的符号，省略说明。在图10中，商用交流电源AC被施加在二极管整流电路2上全波 整流后，通过用电感8以及电容器9构成的滤波器施加在通过降压斩波电路40和升压斩波 电路30构成的H桥变换器上。降压斩波电路40，由电感器41、开关元件42、二极管43构 成，升压斩波电路30由上述电感器41、开关元件32、二极管33构成。为控制本实施例中的 各开关元件所必要的电压电流检测位置，和上述实施例3大体相同，但是因为所述H桥变换 器把所述电容器的直流电压直接变换为逆变器电压，所以不要图9中的升压电压检测电路 98。另外，为进行AC电流的波形生成必要的电流传感器95，配置在上述电容器9和降压斩 波电路40之间。 下面说明本实施例中的升压斩波电路30、降压斩波电路40的控制方法。开关元件 32、43作为降压、升压、升降压斩波器用的开关元件动作，根据交流电源AC的电压进行生成 输入电流的波形的功率因数改善控制和输出电压控制。 图11、图12表示开关元件32、42的控制方法。在图11、图12中，V2表示二极管整 流电路2的直流输出电压，V44表示滤波电容器44的电压。首先，在图11中，在V2比V44 高时，通过使开关元件32成为关断状态，控制开关元件42导通、关断，能够进行降压方式的 斩波器动作。反之，在V2比V44低时，通过控制开关元件32导通、关断，使开关元件42成为 导通状态，能够进行升压方式的斩波器动作。这样，通过根据二极管整流电路2的直流输出 电压的变化、即商用周期内的电压变化切换斩波器动作，能够减低各开关元件的开关次数， 减低开关损失。在图12中，通过与商用周期内的电压变化无关地同时控制开关元件32、43 导通、关断，能够进行升降压方式的斩波器动作。
实施例5
图13是实施例5的电磁感应加热装置的电路结构图。对于与图10相同的部分赋 予相同的符号，省略说明。在图13中，形成下述的构成升压斩波电路30把上下臂4的开关元件5d兼用作斩波器用开关元件，进而把上下臂4的二极管6c兼用作斩波器用整流元件。由此，因为比图10的实施例可分别减掉一个开关元件和二极管，所以在小型化方面有效。但是，因为逆变器用的开关元件兼用作斩波器用的开关元件，所以加热线圈的电流会发生脉动。由此，有时从被加热物发生蜂鸣声，但是在那种场合，通过縮小开关元件5d的导通时间占空比的可变范围，或者使占空比恒定，是能够避免的。
实施例6
图14是实施例6的电磁感应加热装置的电路结构图。对于与图13相同的部分赋予相同的符号，省略说明。在图14中，商用交流电源AC被施加在二极管整流电路2上全波整流后，通过用电感8以及电容器9构成的滤波器施加在通过第二降压斩波电路140和第二升压斩波电路130构成的第二H桥变换器上。降压斩波电路140，由电感器141、开关元件142、二极管143构成。另一方面，升压斩波电路130由上述电感器141和上下臂3的开关元件5b、上下臂3的二极管6a构成。亦即，成为把上下臂3兼用作升压斩波电路130的开关元件和二极管的结构。因为在上述图13的实施例中在降压斩波电路40的开关元件42关断时来自AC的输入电流被切断而成为断续状态，所以为使AC电流连续，需要增大由电感器8以及电容器9构成的滤波器。在本实施例中，新设置降压斩波电路140，通过做成使动作定时与上述降压斩波电路40错开进行控制的交织方式能够使滤波器小型化。
在此，在被加热物是铁的场合，和上述同样导通所述继电器20，用由第一、第二上下臂3、4和包含加热线圈11、14的第三共振负荷电路构成的全桥方式的逆变器在内侧的加热线圈11、外侧的加热线圈14中流过高频电流进行加热。 图15表示在本实施例中作为全桥方式的逆变器进行驱动时的各开关元件驱动信号和电流、以及加热线圈电流、电感器电流。图中，上下臂3的开关元件5a、5b设定规定的死时间互补驱动，同样上下臂4的开关元件5c、5d也互补驱动。通过在上下臂3、开关元件142、和上下臂4、开关元件142内设定Ji [rad]的相位差，作为逆变器动作能够在共振负荷电路60中施加最大的电压，作为变换器动作能够减轻开关元件42和142同时关断的状态，AC电流的频率也升高，所以能够使滤波器小型化。在被加热物是铜或铝的场合，和上述同样关断所述继电器20，用例如约90kHz的频率驱动第一、第二上下臂3、4。此时，通过在上下臂3和4中设定Ji/2[rad]的相位差，能够在加热线圈11、14中设定Ji/2[rad]的相位差。这里，因为在非磁性体中低电阻的被加热物等价电阻小容易流过电流，所以即使用比共振负荷电路的共振频率低的频率驱动，因为线圈电流连续流动，所以不一定需要按照共振频率来驱动上下臂。 图16表示在把开关元件5a到5d以及开关元件42、 142减低到共振频率的约1/3的场合的各开关元件的驱动信号和电流、以及加热线圈电流、电感器电流。图中，上下臂3的开关元件5a、5b设定规定的死时间互补驱动，同样上下臂4的开关元件5c、5d也互补驱动。通过在上下臂3、开关元件142、和上下臂4、开关元件142内设定Ji/2[rad]的相位差，作为逆变器动作能够在加热线圈11、14中设定Ji/6[rad]的相位差。相位差Ji/6[rad]，当设共振周期为2Ji时，成为Ji/2[rad]的相位差，和上述同样能够减低被加热物的浮力的瞬时最大值，能够抑制受该力的被加热物的上浮或移动。作为变换器动作因为如上述能够减轻开关元件42和142同时关断的状态，AC电流的频率也升高，所以能够使滤波器小型化。
如上所述，通过都用比共振频率低的频率、即大体整数分之一的频率驱动第一、第
13二上下臂，能够谋求降低任何一个的开关损失。
实施例7
图17是实施例7的电磁感应加热装置的电路结构图。对于与图1相同的部分赋 予相同的符号，省略说明。在图17中，上下臂4在直流电源10的正电极和负电极之间连接 这点与图l不同。这样，因为能够在上下臂3、4上分别施加任意的电源电压，所以能够根据 被加热物的材质或者设定火力进行极细的电力控制。
实施例8
图18是实施例8的电磁感应加热装置的电路结构图。在上述图9的实施例中，第 一以及第二上下臂在降压斩波电路40的输出端子间连接，但是在本实施例中，第一上下臂 在升压斩波电路30的输出端子间连接。由此，在驱动第一上下臂向共振负荷电路供给电流 的场合，因为降压斩波电路40被旁路，所以能够减低降压斩波电路40中的损失。
实施例9
图19是实施例9的电磁感应加热装置的电路结构图。在上述图18的实施例中， 第一上下臂3在升压斩波电路30的输出端子间连接，但是在本实施例中，在滤波器用电容 器9的两端连接。由此，在驱动第一上下臂向共振负荷电路供给电流的场合，因为升压斩波 电路30和降压斩波电路40被旁路，所以能够减低升压斩波电路30和降压斩波电路40中 的损失。实施例10
图20是实施例10的电磁感应加热装置的电路结构图。在上述图10的实施例中， 第一上下臂3在升压斩波电路30的输出端子间连接，但是在本实施例中，在滤波器用电容 器9的两端连接。由此，在驱动第一上下臂向共振负荷电路供给电流的场合，因为降压斩波 电路40和升压斩波电路30被旁路，所以能够减低降压斩波电路40和升压斩波电路30中 的损失。
权利要求
一种电磁感应加热装置，具有逆变器，该逆变器具有作为两个主开关元件的串联体的第一、第二上下臂，向把直流电压进行直流/交流变换后对被加热物进行感应加热的加热线圈供给交流电压，所述电磁感应加热装置的特征在于，具有第一逆变器控制单元，其通过驱动所述第一上下臂的开关元件，使所述逆变器作为半桥方式逆变器动作；第二逆变器控制单元，其通过驱动所述第二上下臂的开关元件，使所述逆变器作为半桥方式逆变器动作；第三逆变器控制单元，其通过驱动所述第一、第二上下臂的开关元件，使所述逆变器作为全桥方式逆变器动作；第一共振负荷电路，其连接在包含所述第一上下臂而构成的所述半桥方式逆变器的输出端子间，由第一加热线圈和第一共振电容器构成；第二共振负荷电路，其连接在包含所述第二上下臂而构成的所述半桥方式逆变器的输出端子间，由第二加热线圈和第二共振电容器构成；第三共振负荷电路，其连接在通过所述第一、第二上下臂构成的全桥方式逆变器的输出端子间，由所述第一、第二共振负荷电路的至少一部分和第三共振电容器构成；以及开关单元，其用于从所述逆变器接通、断开该第三共振负荷电路。
2. 根据权利要求1所述的电磁感应加热装置，其特征在于，所述第一、第二加热线圈，被配置在大体同一平面上，并具有抑制所述加热线圈之间的 磁耦合的磁耦合抑制单元，具有按所述第一、第二加热线图的相位差成为n/2的方式驱动所述第一、第二上下臂 的驱动单元。
3. 根据权利要求2所述的电磁感应加热装置，其特征在于， 所述第一、第二加热线圈，被配置在同心圆状的内侧和外侧，所述磁耦合抑制单元，由磁性体形成U字形，在所述第一、第二加热线圈的下面按大体 均匀的角度分别配置成放射状，对在所述内侧配置的加热线圈的磁耦合抑制单元和在外侧配置的加热线圈的磁耦合 抑制单元错开大体均等角度进行配置，在所述内侧配置的磁耦合抑制单元的外侧上升部和在外侧配置的磁耦合抑制单元的 内侧上升部位于距线圈中心大体相同的距离。
4. 根据权利要求1所述的电磁感应加热装置，其特征在于， 所述第一 、第二共振电容器比所述第三共振电容器的电容量小。
5. 根据权利要求1所述的电磁感应加热装置，其特征在于，具有把直流电源电压进行直流/直流变换后作为所述直流电压施加给所述逆变器的 斩波电路。
6. 根据权利要求5所述的电磁感应加热装置，其特征在于，所述斩波电路，由抑制在商用交流电源的输入电流中包含的高次谐波成分同时改善功 率因数的升压斩波电路、和把来自该升压斩波电路的输出作为输入生成任意的直流电压的 降压斩波电路构成。
7. 根据权利要求5所述的电磁感应加热装置，其特征在于，所述斩波电路，由把所述直流电源电压作为输入的降压斩波电路、和通过该降压斩波 电路连接的升压斩波电路构成。
8. 根据权利要求5所述的电磁感应加热装置，其特征在于，所述第一上下臂被连接到所述直流电源，所述第二上下臂被连接到所述斩波电路的输出。
9. 根据权利要求6所述的电磁感应加热装置，其特征在于，所述第一上下臂被连接到所述升压斩波电路的输出，所述第二上下臂被连接到所述降 压斩波电路的输出。
10. 根据权利要求7所述的电磁感应加热装置，其特征在于，所述第一或者第二上下臂的一方的开关元件，兼用作所述升压斩波电路的开关元件。
11. 根据权利要求7所述的电磁感应加热装置，其特征在于，所述斩波电路具有第一、第二降压斩波电路，和第一、第二升压斩波电路，所述第一上 下臂的一方的开关元件，兼用作所述第一升压斩波电路的开关元件，所述第二上下臂的一 方的开关元件，兼用作所述第二升压斩波电路的开关元件。
12. 根据权利要求11所述的电磁感应加热装置，其特征在于，具有用不同的定时驱动所述第一降压斩波电路的开关元件、和所述第二降压斩波电路 的开关元件的驱动单元。
13. 根据权利要求1所述的电磁感应加热装置，其特征在于，所述第一、第二上下臂的驱动频率，是所述第一、第二共振负荷电路的共振频率的大体 整数分之一。
14. 一种电磁感应加热装置，其特征在于，具有 作为两个开关元件的串联体的第一上下臂； 作为两个开关元件的串联体的第二上下臂； 给所述第一上下臂和第二上下臂供给电力的直流电源； 加热被加热物的第一加热线圈；在该第一加热线圈的外周侧被设置成同心圆的、加热被加热物的第二加热线圈； 在包含所述第一上下臂的半桥方式逆变器的输出端子上连接了所述第一加热线圈和第一共振电容器的第一共振负荷电路；禾口在包含所述第二上下臂的半桥方式逆变器的输出端子上连接了所述第二加热线圈和第二共振电容器的第二共振负荷电路。
15. 根据权利要求14所述的电磁感应加热装置，其特征在于，在供给所述第一共振负荷电路的高频电流的相位、和供给所述第二共振负荷电路的高 频电流的相位之间设定了 n/2的相位差。
16. 根据权利要求14所述的电磁感应加热装置，其特征在于，具有与所述第一加热线圈的内周面、下面、外周面对向的第一电磁耦合抑制单元，和与 所述第二加热线圈的内周面、下面、外周面对向的第二电磁耦合抑制单元，所述第一电磁耦合抑制单元的外周方向上的位置、和所述第二电磁耦合抑制单元的外 周方向上的位置，两者都位于所述第一加热线圈和所述第二加热线圈之间。
17. 根据权利要求14所述的电磁感应加热装置，其特征在于，进而，具有第三共振负荷电路，其在包含所述第一上下臂以及第二上下臂的全桥方式 逆变器的输出端子上连接了所述第一加热线圈、所述第二加热线圈、所述第一共振电容器、 所述第二共振电容器、以及通过继电器的接通关断可断开的第三共振电容器，在所述被加热物是铝时，使所述继电器关断同时向所述第一共振负荷电路以及所述第 二共振负荷电路供给高频电流加热所述被加热物，在所述被加热物是铁时，使所述继电器 接通同时向所述第三共振负荷电路供给高频电流加热所述被加热物。
全文摘要
本发明提供一种逆变器方式的电磁感应加热装置，其能够对于不同材质的被加热物高效率地供给希望的电力，同时能够减低特别在铝等非磁性的被加热物上作用的浮力。具有把直流电压进行直流/交流变换后向感应加热被加热物的加热线圈供给交流电压的逆变器，逆变器具有用串联的至少两个开关元件构成的第一、第二上下臂，在用第一上下臂构成的SEPP方式逆变器的输出端子上具有第一共振负荷电路，在用第二上下臂构成的SEPP方式逆变器的输出端子上具有第二共振负荷电路，在用第一、第二上下臂构成的全桥方式逆变器的输出端子之间具有包含所述第一、第二负荷电路的第三共振负荷电路，具有从所述逆变器断开第三共振负荷电路的开关单元。
文档编号H05B6/02GK101715256SQ20091017822
公开日2010年5月26日 申请日期2009年9月27日 优先权日2008年9月29日
发明者大久保敏一, 宇留野纯平, 庄司浩幸, 矶贝雅之 申请人:日立空调·家用电器株式会社