JPH0677473B2 - 高周波加熱装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は、誘導加熱器の電源や、誘電加熱用マグネトロ
ン駆動用電源として大電力の周波数変換器を用いる高周
波加熱装置に関するものである。特にこの種回路に多用
される共振型の回路を開閉するためのスイッチ素子を改
良に関するものである。

従来の技術 電子レンジ用マグネトロン駆動電源を例に従来技術を説
明する。

このような方式の高周波加熱装置は、その電源トランス
の小型化，軽量化，あるいは低コスト化の為に様々な構
成のものが提案されている。

第５図は、従来の高周波加熱装置の回路図である。図に
於て、商用電源１の電力はダイオードブリッジ２により
整流され、単方向電源が形成されている。３はインダク
タ、４はコンデンサであってインバータの高周波スイッ
チング動作に対するフィルタの役割を果すものである。

インバータは共振コンデンサ5,昇圧トランス6,トランジ
スタ７、逆方向ダイオード8,及び駆動回路９により構成
されている。トランジスタ７は駆動回路９より供給され
るベース電流によって所定の周期とデューティー（即
ち、オンオフ時間比）でスイッチング動作する。この結
果、第６図ａのような電流Io/d、即ち、トランジスタ７
のコレクタ電流Ioとダイオード８の電流Idが流れる一
方、トランジスタ７のオフ時にはコンデンサ５と一次巻
線10との共振により第６図ｂのような電圧Vceがトラン
ジスタ７のＣ−Ｅ間に発生する。このため一次巻線10に
は高周波電力が発生する。従って、二次巻線11、及び三
次巻線12には各々高周波高圧電力及び高周波低圧電力が
生じる。この高周波高圧電力はコンデンサ13、及びダイ
オード14により整流されマグネトロン15のアノードカソ
ード間に供給され、一方、高周波低圧電力はカソードヒ
ータに供給される。従ってマグネトロン15は発振し誘電
加熱が可能となるものである。なお、マグネトロン15は
マグネトロン本体15aと、フィルタを構成するコンデン
サ16,17,18,チョークコイル19,20とにより成るものであ
る。また21は駆動回路９の電源トランスである。このよ
うな構成に於て、昇圧トランス６のコア断面積は一次巻
線10の両端に供給される電力の周波数が高い程小さくな
るので、例えばインバータを20kHz−100kHz程度の周波
数で動作させると商用電源周波数のままで昇圧する場合
に比べて昇圧トランスの重量，サイズを数分の一から十
数分の一にでき、電源部の低コスト化が可能であるとい
う特長を有するものである。

トランジスタ７のベースに供給されるベース電流Ibは第
６図ｃのように正電流Ib＋と負電流Ib−とより成る。正
電流Ib＋はトランジスタ７のコレクタ電流Icの最大値Ic
mに対してその電流増幅率（hfe例えば30）分の一より大
きいことが必要である。また、負電流Ib−はトランジス
タ７のスイッチングスピードを速めスイッチング損失の
増大を防止するために、トランジスタのベースエミッタ
間を逆バイアスすることによって流れる電流である。正
電流Ib＋は第６図a,cより明らかなようにトランジスタ
７の導通期間の間のコレクタ電流Icの最大値Icm（例え
ば60A）によって決まる値Ibm＋（例えば2A）とすること
が必要であった。また、負電流Ibm−もコレクタ電流Ic
の最大値Icmに応じて決まり（例えば15A）、Icmが大き
いほど大電力が必要であった。

さらに、コレクタ電流Icはいわゆる少数キャリア蓄積効
果によりベース電流Ib＋が遮断されてから一定時間toff
だけ流れつづけるものであり、このtoffはトランジスタ
７の特性バラツキや温度などによって変化するものであ
った。そして、このtoffの変化によって、インバータの
出力が変化するという効果を生じるものであった。

このような条件下でトランジスタ７を駆動するため駆動
回路９は例えば第５図ｂのような構成となるものであ
る。すなわち電源トランス21より得られる直流電源22,2
3,発振回路24,トランジスタ25,26,27,抵抗器25−36,お
よびダイオード37より構成されている。

発振回路24は所定の周期の導通期間でトランジスタ25,2
6を交互にオンオフし、第６図ｃのようなベース電流を
トランジスタ７に供給する。しかしながらこのトランジ
スタ25,26はかなりの大電流を扱い得るものであること
が必要であり、かつ直流電源22,23もこの大電流を供給
することが必要であった。したがって、駆動回路９およ
び電源トランス21は大型で高価なものとならざるを得な
かった。

特に高周波大電流でトランジスタ７を動作させる場合は
駆動回路９および電源トランス21は極めて大型で高価な
ものとなり、例えば20W−50W程度の電力が必要となるも
のであった。

発明が解決しようとする問題点 このような従来の高周波加熱装置は前述したように次の
ような欠点があった。

従来の高周波加熱装置は昇圧トランス６をトランジスタ
７等より成るインバータにて付勢し、その電源装置の小
型，軽量，低コスト化を図るものであった。

しかしながら、トランジスタ７には第６図ａおよびｃの
ようにコレクタ電流Icのピーク値Icmに相当するベース
電流Ibm＋を供給することが必要であり、このIbm＋を供
給するための電力はかなり大きなものとなっていた。例
えばIcm＝60Aとしトランジスタ７のhfeを30とするとIbm
＋＝2Aとなり、駆動回路９の消費電力は極めて大きなも
のとなり、駆動回路９および電源トランス21の大型化高
価格化を避けることが困難であった。

さらに、温度変化などによるトランジスタ７のストレー
ジタイム（第６図におけるtoffの主因）の変化や、マグ
ネトロン15の温度変化や経時変化により生じるコレクタ
電流Icmの変化に対応するためにはこれに十分なベース
電流を供給することが必要であり、一層駆動回路９、電
源トランス21などの大型化高価格化を生じるばかりでな
く、高周波加熱装置の出力変動を大きくして不安定なも
のとし、かつ無駄なトランジスタ７等の損失を生じさ
せ、信頼性，安全性を低下させてしまうという欠点があ
った。

問題点を解決するための手段 本発明はこのような従来の高周波加熱装置の欠点を解決
するためになされたものであり、以下に述べる手段によ
り構成された高周波加熱装置である。

即ち、商用電源などより得られる単方向電源と、前記単
方向電源により電力を受け半導体スイッチ素子を有する
インバータと、共振コンデンサと共振回路を形成し前記
インバータの出力を負荷に伝える電力伝達用インダクタ
ンスと前記半導体スイッチ素子を駆動する駆動回路とを
備え、前記半導体スイッチ素子は、電流駆動型半導体ス
イッチと電圧駆動型半導体スイッチで構成し、前記電圧
駆動型半導体スイッチを前記駆動回路で駆動し、前記駆
動手段は共振回路と同期してパルス発生電圧を発生する
発振回路から構成される。

作用 本発明は上記構成により以下に述べる作用を有するもの
である。

即ち、本発明の高周波加熱装置は、電力伝達用インダク
タンスを設け、共振型インバータで上記インダクタンス
を駆動するよう構成するとともに、共振型インバータの
半導体スイッチ素子を電圧駆動型半導体スイッチと電流
駆動型半導体スイッチで構成し、電圧駆動型半導体スイ
ッチを上記共振回路と同期して動作する構成としたので
大電力を扱うトランジスタのスイッチング動作を安定化
し、かつ、駆動回路や電源トランスの消費電力の低減と
その構成の簡素化を実現して大型化高価格化せざるを得
なかった駆動回路や電源トランスをコンパクトで低価格
なものとすることができる。また、特性変化によって生
じる半導体スイッチ素子電流の変動を防止し、電力伝達
用インダクタンスの出力を安定化しかつ半導体スイッチ
素子等の無駄な電力消費を抑制し信頼性を向上させると
いう作用を有するものである。

実施例 以下本発明の高周波加熱装置の一実施例について図面と
ともに説明する。

第１図は本発明の一実施例を示す高周波加熱装置の回路
図であり、第５図と同符号のものは相当する構成要素で
あり説明を省略する。

第１図に於て、昇圧トランス６は発生した高周波出力を
マグネトロンに電力伝達し、またコンデンサ５と共振す
るインダクタンスとして機能する電力伝達用インダクタ
ンスである。昇圧トランス６の二次巻線11にはマグネト
ロン15が接続されるとともに、そのフィルタコンデンサ
16,17が図のように並列接続されている。一方、昇圧ト
ランス６は通常のトランスよりも一次二次巻線間結合係
数が小さく（例えば、0.8程度）構成されており、かな
り大きい漏洩インダクタンスを有している。この漏洩イ
ンダクタンスとフィルタコンデンサ16,17とが一種のロ
ーパスフィルタの作用をするため、従来用いられていた
高圧ダイオードを用いなくてもマグネトロンのアノード
ピーク電流を小さく抑えつつ、所定の電波出力を得るこ
とができ、高圧ダイオードを省略してもマグネトロンを
安定に動作させることができる。すなわち、漏洩インダ
クタンスとフィルタコンデンサ16,17とにより、アノー
ド電流のピーク値を抑制することができる。このような
回路構成にした場合、スイッチングトランジスタにはど
うしても大電流負荷条件となるので、単純なバイポーラ
トランジスタではどうしてもスイッチング損失が増加し
てしまう。そこで図のように第一および第二のトランジ
スタ40,41を直列接続し、第一のトランジスタ40のベー
スには直温電源42を、第二のトランジスタ41のゲートに
は発振回路43をそれぞれ接続するようにしたものであ
る。この構成によりスイッチ素子44の耐圧を第一のトラ
ンジスタ40で分担し、スイッチ動作と第二のトランジス
タ41で分担するようにすることができ、スイッチ素子44
全体としてのスイッチ損失を低く抑え、高圧ダイオード
を省略した回路構成でありながら安定で効率のよいマグ
ネトロン駆動用インバータを実現することができる。ま
た、第一のトランジスタ40はスイッチ速度が遅いもので
よいので、高hfeトランジスタを用いることができ、第
二のトランジスタ41は低耐圧の電界効果トランジスタを
用いることができるので、駆動回路９の消費電力は従来
に比べて著しく小さくすることができる。したがって電
源トランス21もコンパクトで低価格のものでよく、駆動
回路９全体をコンパクトで低価格のものとすることが可
能である。また、発振回路43は図のようにコンデンサ４
の電圧および第一のトランジスタ40のコレクタ電圧を検
知し共振コンデンサ５と昇圧トランス６との共振に同期
して動作する構成である。

第２図は駆動回路９のさらに詳しい実施回路例であり第
１図と同符号のものは相当する構成要素であり説明を省
略する。

第２図において、発振回路43は、抵抗器45−48、比較器
50、遅延手段50、微分器51よりなるゼロクロス検知部
と、抵抗器52−54、コンデンサ55、比較器56、微分器75
より成る最長周期タイマーと、抵抗器57−60、ダイオー
ド61、コンデンサ62、比較器63、可変基準電圧源64より
成るオン時間タイマーと、このオン時間タイマーの出力
をＳ入力とし、最長周期タイマーとゼロクロス検知部と
の和出力をＲ入力とするＲ−S/FF65により構成されてい
る。66はアンドゲート、67,68はインバータゲート、69
はダイオードである。また、第１のトランジスタ40を付
勢する直流電源42にはコンデンサ70,抵抗器71,ダイオー
ド72が図のように接続されており、第１のトランジスタ
40がベース接地動作を良好にかつ効率良く行えるように
なっている。従って従来のtoffによる特性変動を防止す
ることができる。

第３図は第２図の駆動回路の動作を説明する波形図であ
り、同図ａおよびｂはスイッチ素子44に流れる電流Ic/d
および第１のトランジスタ40のコレクタと第２の電界効
果トランジスタ41のドレインとの間の電圧Vcdである。
また、同図ｃないしｇは発振回路43の各部動作波形であ
る。ゼロクロス検知部出力Ａは同図ｃのようにコンデン
サ４の電圧VsとVcdとのクロスポイントから一定時間td
だけ遅延してゼロクロス近傍でゼロクロスパルスＡを発
生する。もし何らかの原因でこのクロスポイントが検知
されない場合は同図ｃおよびｄに破線で示すようにコン
デンサ55の電圧Ｂが所定値Ｃになった時点で強制ゼロク
ロスパルスが最長周期タイマーより発生される。

Ｒ−S/FF65のＲ入力にパルスＡが入力されるとＱ出力は
同図ｅのようにＨとなり第２の電界効果トランジスタ4
1、したがってスイッチ素子44がオンとなり、Icが流れ
る。同時にオン時間タイマーのコンデンサ62が同図ｆの
ように充電され、可変基準電圧源64よりきめられる電圧
Ｅに達するとオン時間タイマーはＲ−S/FF65のＳ入力に
同図ｇのパルスＦを入力する。したがって出力ＱはＬと
なり、第２の電界効果トランジスタ41、したがってスイ
ッチ素子44がオフとなり最初の状態に戻り、これをくり
かえす。

このような回路動作において、第２の電界効果トランジ
スタ41はCMOS−ICなどで直接駆動できるので極めて簡単
で低パワーの回路となりコンパクトで低価格なものとす
ることができる。さらに第１のトランジスタ40は低スイ
ッチ速度のものでよいから極めて高いhfeのトランジス
タを用いることができ、直流電源42もコンパクトで低価
格なものとすることができる。

特にこの実施例ではダイオード８は第１のトランジスタ
40と並列に入れている。第２のトランジスタを電力用MO
S型電界効果トランジスタで構成すると、ドレーンとソ
ース間に寄生のダイオード8aが形成される。このダイオ
ードはスピードが早く逆回復時間が数100ns程度なので
積極的にこのダイオードを利用しているのである。

第４図は電磁調理器による実施例である。加熱用ワーク
コイルとして機能する巻線10にはバイファイラ巻きの巻
線73を巻きこれと直列にダイオードを接続している。こ
の巻線73とダイオード８によって、共振電圧極性の変化
やスイッチング時に発生するトランジスタに対する逆方
向電圧を最少限に抑止している。調理負荷として73は鍋
を示している。ここで巻線10は発生した磁力線を鍋に鎖
交させて発熱させる電力伝達用インダクタンスとして機
能する。

第１と第２のトランジスタを実施例のように、直列接続
する方法以外に、電界効果トランジスタを初段とするダ
ーリントン接続する方法でも本発明は実現できる。

発明の効果 以上に述べたように本発明によれば、大電力高周波加熱
装置の電源として、小型，コンパクト化の他にインバー
タの制御電力を従来例の数分の１に少なくできるという
効果が出せる。さらに以下の特徴がある。

（ｉ）単独のスイッチ素子についていえば、小型化のた
めの高周波化と大電力を得るための高耐圧化はトレード
オフの関係にあった。バイポーラ型は耐圧の高いものは
作りやすいが高速の素子が作りにくい。toffについてい
えば特にダーリントン接続すると1000V耐圧で20μSEC位
になる。一方電界効果トランジスタはスピードが速いが
耐圧が低い。同じ電流密度で比較するとバイポーラ型に
くらべて耐圧は約１ケタ低くなる。本発明の複合構成を
とることによりはじめて高周波加熱器のように1KWレベ
ルの大きい電力を、高周波化による小型化をはかった装
置として提供することが可能になった。

（ii）従来のように１つの素子を用いて実現するものに
くらべて本発明は２つの素子を用いる点で不利である。
しかし高周波加熱装置ということで半導体の歩留りも含
めて考えると大きい電力でかつコンパクトにするには、
必らずしも不利な点だけではない。従来のものは例えば
バイポーラ型で実現する場合に耐圧1000V,ピーク電流60
Aの仕様の素子は耐圧特性かスイッチングスピードかど
ちらかの特性が規格にあわず、動作周波数を25kHz位と
小さくしても、素子の歩留りをあげることが困難であっ
た。一方本発明によれば電流駆動型スイッチは耐圧仕様
だけよくすればよく低速型でよい。また電圧駆動型スイ
ッチは耐圧は50V位もあれば充分で得意のスピード（tof
f≒0.1μSEC）の性能は25kHz位ではチェックの必要もな
いくらい速い。

したがって動作周波数を50kHz位にしてよりコンパクト
化できることにくわえて、個々のスイッチは、単に耐圧
か、スピードか得意な一方の性能を確保すればよいので
結果として、素子作成の過程で特性測定工程が省略でき
ることや、歩留りが高くなるので、安価に素子がつくれ
る。さらに従来の如く一方の特性が悪いということで、
捨てられるといった資源の無駄づかいを防ぐことも同時
に可能にするといった効果も出せる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示す高周波加熱装置の回路
図、第２図は同装置の駆動回路の詳細な回路図、第３図
は同装置の各部動作電流波形図、第４図は本発明の別の
実施例の回路図、第５図は従来の高周波加熱装置の回路
図、第６図は同装置の各部動作電流波形図である。 １……商用電源、2,3,4……単方向電源、（２……ダイ
オードブリッジ、３……インダクタ、４……コンデン
サ）、５……共振コンデンサ、６……電力伝達用インダ
クタンス、８……逆方向ダイオード、９……駆動回路、
10……一次巻線、11……二次巻線、15……マグネトロ
ン、40……第一のトランジスタ（電流駆動型スイッ
チ）、41……第二のトランジスタ（電圧駆動型スイッ
チ）、42……直流電源、43……発振回路、44……半導体
スイッチ素子。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】商用電源などにより得られる単方向電源
   と、大電流を制御し高周波電力を発生する半導体電流駆
   動型スイッチと、この電流駆動型スイッチの開閉を制御
   する半導体電圧駆動型スイッチと、この電圧駆動型スイ
   ッチに制御電圧を供給する駆動手段と、前記高周波電力
   を変換し共振回路を構成する変換手段と、前記駆動手段
   に設けられ前記共振回路と同期して発振する発振回路
   と、前記変換手段の出力が供給される加熱手段とを有す
   る高周波加熱装置。
2. 【請求項２】半導体電流駆動型スイッチをバイポーラト
   ランジスタで、半導体電圧駆動型スイッチを電界効果ト
   ランジスタで構成しかつ、単方向電源に対して少なくと
   も前記電流駆動型スイッチと並列になるようにダイオー
   ドを設けた構成の特許請求の範囲第１項記載の高周波加
   熱装置。
3. 【請求項３】電流駆動型スイッチとしてのトランジスタ
   のコレクタ電圧と単方向電源の電圧とを検出して発振回
   路を共振回路に同期させるよう構成した特許請求の範囲
   第１項記載の高周波加熱装置。
4. 【請求項４】少なくとも電流駆動型半導体スイッチと電
   圧駆動型半導体スイッチとを１チップ又は複数のチップ
   で構成し、単一のパッケージに収納した特許請求の範囲
   第１項記載の高周波加熱装置。