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高周波インバータ

国内特許コード P130009436
整理番号 S2012-0179-N0
掲載日 2013年6月27日
出願番号 特願2011-267442
公開番号 特開2013-121220
登録番号 特許第6004309号
出願日 平成23年12月7日(2011.12.7)
公開日 平成25年6月17日(2013.6.17)
登録日 平成28年9月16日(2016.9.16)
発明者
  • 畑中 義博
  • 宮田 周一郎
  • 福岡 養祐
出願人
  • 国立大学法人東京海洋大学
  • 第一高周波工業株式会社
発明の名称 高周波インバータ
発明の概要 【課題】簡易な構成の誘導加熱負荷用の高周波インバータを提案する。
【解決手段】逆並列ダイオードD1・D3が接続された第1及び第2給電電流スイッチS1及びS3を有する給電電流回路2を、共通接続回路3を介して、誘導加熱負荷11を含む負荷直列共振回路4B、逆並列ダイオードD2が接続された共振電流スイッチS2並びにZVS用コンデンサCpを並列に接続してなる共振電流回路4に接続して、倍周波の出力電流iを誘導加熱負荷11に流すようにしたことにより、一段と簡易な構成の高周波インバータを実現できる。
【選択図】図1
従来技術、競合技術の概要


誘導加熱を用いた加熱手段として複数の電力半導体スイッチ素子を高周波ゲート信号によってスイッチ動作させることにより、誘導加熱コイルとしてのワークコイルに高周波電流を流す回路構成を構築し、これにより誘導加熱部材に渦電流を誘導させるような構成を有する高周波インバータが提案されている(特許文献1参照)。



この周波数インバータは、スイッチ素子としてIGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor:絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ)や、MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor:金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ)でなる電力半導体スイッチング素子を用い得るが、当該電力半導体スイッチ素子としてIGBTを用いようとすれば、そのゲートトリガ周波数の限界は40~50〔kHz〕程度であるため、非磁性体(銅、アルミニウム、SUS316、SUS304など)の誘導加熱では、インバータの出力でなる誘導加熱コイル電流の周波数fをIGBTのゲートトリガ周波数限界より高周波化する必要がある。



すなわち、誘導加熱材料が非磁性体などの場合は、抵抗率が非常に小さいため、誘導加熱材料の電気抵抗の大きさが小さくなるので、誘導加熱電力Pを大きくすることにより加熱源としての性能を高めるためには、誘導加熱コイル電流の周波数fを大きくすることが望ましい。



ここで誘導加熱電力Pは誘導加熱コイル電流の周波数fの平方根に比例することが知られている。



実際上、銅やアルミニウムを誘導加熱する場合には、当該誘導加熱コイル電流の周波数fを60~100〔kHz〕程度に高周波化する必要がある。

産業上の利用分野


本発明は高周波インバータに関し、例えば加熱負荷を誘導加熱する場合に適用し得るものである。

特許請求の範囲 【請求項1】
第1の逆並列ダイオードを並列に接続してなる第1の給電電流スイッチ及び第2の逆並列ダイオードを並列に接続してなる第2の給電電流スイッチを、互いに並列に、直流電源の一端側及び共通接続回路間に接続し、
第3の逆並列ダイオードを並列に接続してなる共振電流スイッチと、誘導加熱負荷及び直列共振コンデンサの直列回路と、ゼロ電圧動作用コンデンサとを、互いに並列に、上記直流電源の他端側及び上記共通接続回路間に接続し、
上記第1の給電電流スイッチ、上記共振電流スイッチ及び上記第2の給電電流スイッチは、順次ターンオン動作するターンオンサイクルを繰り返すように、
先ず、上記第1の給電電流スイッチをターンオン動作させたS1単流モードにおいて上記直流電源から上記第1の給電電流スイッチ及び上記共通接続回路を介して上記誘導加熱負荷に給電電流を流すことにより出力電流を生じさせ、
続いて、上記第1の給電電流スイッチ、上記第2の給電電流スイッチ及び上記共振電流スイッチを全てターンオフ動作させた第1の全スイッチオフモードにおいて上記ゼロ電圧動作用コンデンサから上記共通接続回路を介して上記誘導加熱負荷に充放電電流を流すことにより上記出力電流を生じさせ、
続いて、当該充放電電流がゼロクロスするような変化をしたとき、上記誘導加熱負荷の自由共振動作によって生ずる共振電流を上記共通接続回路を介しさらに上記第3の逆並列ダイオードを介して流すD2単流モードにおいて当該共振電流によって上記出力電流を生じさせ、
続いて、上記共振電流スイッチをターンオン動作させたS2単流モードにおいて上記誘導加熱負荷の共振電流を上記共振電流スイッチを介しさらに上記共通接続回路を介して流すことにより上記出力電流を生じさせ、
続いて、上記第1の給電電流スイッチ、上記第2の給電電流スイッチ及び上記共振電流スイッチを全てターンオフ動作させた第2の全スイッチオフモードにおいて上記ゼロ電圧動作用コンデンサから上記共通接続回路を介して上記誘導加熱負荷に充放電電流を流すことにより上記出力電流を生じさせ、
続いて、当該充放電電流がゼロクロスするような変化をしたとき、上記誘導加熱負荷の自由共振動作によって生ずる共振電流を上記共通接続回路を介しさらに上記第1及び第2の逆並列ダイオードを介して流す第1のD1・D3複流モードにおいて当該共振電流によって上記出力電流を生じさせ、
続いて、上記第2の給電電流スイッチをターンオン動作させたS3単流モードにおいて上記直流電源から上記第2の給電電流スイッチ及び上記共通接続回路を介して上記誘導加熱負荷に給電電流を流すことにより上記出力電流を生じさせ、
続いて、上記第1の給電電流スイッチ、上記第2の給電電流スイッチ及び上記共振電流スイッチを全てターンオフ動作させた第3の全スイッチオフモードにおいて上記ゼロ電圧動作用コンデンサから上記共通接続回路を介して上記誘導加熱負荷に充放電電流を流すことにより上記出力電流を生じさせ、
続いて、当該充放電電流がゼロクロスするような変化をしたとき、上記誘導加熱負荷の自由共振動作によって生ずる共振電流を上記共通接続回路を介しさらに上記第3の逆並列ダイオードを介して流すD2単流モードにおいて当該共振電流によって上記出力電流を生じさせ、
続いて、上記第1の給電電流スイッチ、上記第2の給電電流スイッチ及び上記共振電流スイッチを全てターンオフ動作させた第4の全スイッチオフモードにおいて上記ゼロ電圧動作用コンデンサから上記共通接続回路を介して上記誘導加熱負荷に充放電電流を流すことにより上記出力電流を生じさせ、
続いて、当該放電電流がゼロクロスするような変化をしたとき、上記誘導加熱負荷の自由共振動作によって生ずる共振電流を上記共通接続回路を介しさらに上記第1及び第2の逆並列ダイオードを介して流す第2のD1・D3複流モードにおいて当該共振電流によって上記出力電流を生じさせ、
続いて、次の循環動作サイクルにおける上記S1単流モードに移るようにした結果2倍周波出力電流を生成する
ことを特徴とする高周波インバータ。

【請求項2】
上記誘導加熱負荷及び直列共振用コンデンサでなる負荷直列共振回路により直列共振周波数fを求め、上記第1及び第2給電電流スイッチ並びに上記共振電流スイッチのゲートトリガ周波数fを上記直列共振周波数fの1/2より大きく設定し、誘導加熱負荷に供給する出力電流の出力周波数fを、ゲートトリガ周波数fの2倍(f=2f)に設定する
ことを特徴とする請求項1に記載の高周波インバータ。

【請求項3】
位相角度0度から360度までのスイッチングモード切換動作繰返し周期Tにおいて、上記第1の給電電流スイッチ、上記共振電流スイッチ及び上記第2の給電電流スイッチを、デッドタイム区間を挟んで、(1/4)Tより小さい3つの角度範囲でそれぞれゲートトリガ動作させて給電電流及び共振電流を上記誘導加熱負荷に流すと共に、上記第2のD1・D3複流モードにおいて上記スイッチングモード切換動作繰返し周期Tの残る1つの角度範囲で上記第1及び第2給電電流スイッチにそれぞれ接続された逆並列ダイオードを導通させる共振電流を上記誘導加熱負荷に流す
ことを特徴とする請求項2に記載の高周波インバータ。
国際特許分類(IPC)
Fターム
画像

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JP2011267442thum.jpg
出願権利状態 登録


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