特開 2024-177806 接続切替回路、及び、それを用いた高周波加熱装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024177806

(43)【公開日】2024-12-24

(54)【発明の名称】接続切替回路、及び、それを用いた高周波加熱装置

(51)【国際特許分類】

   H05B 6/66 20060101AFI20241217BHJP

【ＦＩ】

H05B6/66 B

【審査請求】未請求

【請求項の数】7

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023096146

(22)【出願日】2023-06-12

(71)【出願人】

【識別番号】399048917

【氏名又は名称】日立グローバルライフソリューションズ株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110000350

【氏名又は名称】ポレール弁理士法人

(72)【発明者】

【氏名】河口 祐樹

(72)【発明者】

【氏名】庄司 浩幸

(72)【発明者】

【氏名】須賀 卓

【テーマコード（参考）】

3K086

【Ｆターム（参考）】

3K086AA02

3K086AA03

3K086BA08

3K086CC01

3K086CD30

3K086DA06

3K086DB05

3K086DB23

3K086FA03

3K086FA04

(57)【要約】

【課題】 商用交流電源とバッテリ駆動の双方に対応した高周波加熱装置において、バッテリのみから電力を供給する場合に、追加素子の低減と、インバータ回路の損失増加の抑制を両立する。
【解決手段】 商用交流電源を電源とした第１直流電源と、バッテリを電源とした第２直流電源を入力とし、負荷に直流電圧を出力する接続切替回路であって、第１スイッチング素子と第２スイッチング素子を直列接続したスイッチングレグと、リアクトルと、第１スイッチと、第１ダイオードを有し、スイッチングレグの一端は、第１直流電源の正極に接続され、スイッチングレグの他端は、第１直流電源と第２直流電源と負荷の負極に接続され、リアクトルの一端と第１ダイオードのアノード端子は、スイッチングレグの中点に接続され、リアクトルの他端は、第１スイッチを介して第２直流電源の正極に接続され、第１ダイオードのカソード端子は、負荷の正極に接続された接続切替回路。
【選択図】 図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

商用交流電源を電源とした第１直流電源と、バッテリを電源とした第２直流電源を入力とし、負荷に直流電圧を出力する接続切替回路であって、
第１スイッチング素子と第２スイッチング素子を直列接続したスイッチングレグと、リアクトルと、第１スイッチと、第１ダイオードを有し、
前記スイッチングレグの一端は、前記第１直流電源の正極に接続され、
前記スイッチングレグの他端は、前記第１直流電源と前記第２直流電源と前記負荷の負極に接続され、
前記リアクトルの一端と前記第１ダイオードのアノード端子は、前記スイッチングレグの中点に接続され、
前記リアクトルの他端は、前記第１スイッチを介して前記第２直流電源の正極に接続され、
前記第１ダイオードのカソード端子は、前記負荷の正極に接続されたことを特徴とする接続切替回路。

【請求項2】

請求項１に記載の接続切替回路において、
前記第１スイッチング素子をオン状態、前記第１スイッチと前記第２スイッチング素子をオフ状態としたことで、前記第１直流電源から前記負荷へ電力を供給する第１動作モードと、
前記第１スイッチング素子をオフ状態、前記第１スイッチをオン状態とし、前記第２スイッチング素子をスイッチング動作させることで前記第２直流電源から前記負荷へ電力を供給する第２動作モードと、
を備えたことを特徴とする接続切替回路。

【請求項3】

請求項１に記載の接続切替回路において、
前記第２スイッチング素子と逆並列に第２ダイオードを備え、
前記第２スイッチング素子をオフ状態、前記第１スイッチをオン状態とし、前記第１スイッチング素子をスイッチング動作させることで、前記商用交流電源から前記バッテリを充電する第３動作モードを備えたことを特徴とする接続切替回路。

【請求項4】

請求項１に記載の接続切替回路において、
前記第１直流電源は、交流電圧を整流した時間的に変動する非平滑電源であり、
前記第１スイッチは、
スイッチと逆並列ダイオードの組合せで構成された第１内部スイッチと、
スイッチと逆並列ダイオードの組合せで構成された第２内部スイッチを直列接続した構成であり、
前記第１スイッチング素子をオン状態、前記第２スイッチング素子をオフ状態、前記第１内部スイッチをオフ状態、前記第２内部スイッチをオン状態とすることで、前記第１直流電源と前記第２直流電源の和電力を前記負荷へ供給する動作モードを備えたことを特徴とする接続切替回路。

【請求項5】

請求項１に記載の接続切替回路において、
前記第２スイッチング素子は、ＭＯＳＦＥＴであることを特徴とする接続切替回路。

【請求項6】

請求項１に記載の接続切替回路を備えた高周波加熱装置であって、
前記第１直流電源は、前記商用交流電源からの交流電圧を整流する第１整流器であり、
前記負荷は、前記接続切替回路の出力電圧を昇圧する第１インバータ回路と、該第１インバータ回路の出力電圧によって駆動される第１マグネトロンであることを特徴とする高周波加熱装置。

【請求項7】

請求項６に記載の高周波加熱装置において、
前記第１直流電源として、前記商用交流電源からの交流電圧を整流する第２整流器を有し、
該第２整流器の負荷として、前記第２整流器の出力電圧を昇圧する第２インバータ回路と、該第２インバータ回路の出力電圧によって駆動される第２マグネトロンを有することを特徴とする高周波加熱装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、複数電源と負荷の接続を切り替える接続切替回路、及び、それを用いた高周波加熱装置に関する。

【背景技術】

【0002】

従来の高周波加熱装置（電子レンジ）は、例えば特許文献１に記載のように、高周波出力を発生するマグネトロンと、商用交流電源に接続され電源を直流化する整流回路と、整流回路に接続され、マグネトロンを駆動するインバータ回路より構成されており、交流電源からインバータ回路を介してマグネトロンに高電圧を印加することで高周波出力を生成する。

【0003】

一般家庭における交流電源コンセントには容量制限があるため、商用交流電源のみを電源として動作する家電機器では一定以上の大出力化は困難であり高周波加熱装置の高速加熱という特長をさらに高めることが困難であるという課題があった。また、近年、太陽光発電の余剰電力の利用や停電時のバックアップとして家庭向けのバッテリシステムが提案されているが、停電時のブレーカーの切り替えや家電機器の接続先の変更などが必要でありユーザーの利便性という観点で課題がある。

【0004】

この課題に対して、特許文献２に記載の技術では、高周波加熱装置の内部にバッテリを備え、商用交流電源とバッテリから同時に電力を供給することで、交流電源のみを用いた場合と比較して大出力化を図った構成が提案されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】特許第５２１６５４７号公報

【特許文献2】特開平５－２２６０７１号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

特許文献２では、整流器とインバータ回路の間にバッテリとバッテリを充放電する充放電回路を備えた構成とし、バッテリから商用交流電源のピーク電圧よりも低い電圧を出力し、商用交流電源のゼロクロス付近においてバッテリから電力を供給することで、マグネトロンの利用率を向上し、商用交流電源のみから電力を供給する場合に比べて大出力化を可能としている。

【0007】

しかしながら、実施例２の構成において、バッテリからの電力のみでマグネトロンを駆動する場合には、商用交流電源からの電力供給を阻止するために、バッテリからの出力電圧を商用交流電源のピーク電圧よりも高い値に制御する必要がある。この場合、インバータ回路において動作電圧範囲を拡大する必要があるが、一般的なインバータ回路では動作電圧範囲を拡大するためには電力変換効率が低下する課題がある。

【0008】

この課題の対策として、商用交流電源とインバータ回路の間にスイッチを追加し、バッテリのみから電力を供給する際に、スイッチをオフすることでインバータ回路を商用交流電源から切り離す方法が考えられる。この場合、バッテリから任意の電圧をインバータ回路に供給できるが、高周波加熱装置内に商用交流電源を切り離すためのスイッチを追加した分、高周波加熱装置の製造コストの増加が課題となる。

【課題を解決するための手段】

【0009】

上記課題を解決するために、本発明の接続切替回路は、商用交流電源を電源とした第１直流電源と、バッテリを電源とした第２直流電源を入力とし、負荷に直流電圧を出力する接続切替回路であって、第１スイッチング素子と第２スイッチング素子を直列接続したスイッチングレグと、リアクトルと、第１スイッチと、第１ダイオードを有し、前記スイッチングレグの一端は、前記第１直流電源の正極に接続され、前記スイッチングレグの他端は、前記第１直流電源と前記第２直流電源と前記負荷の負極に接続され、前記リアクトルの一端と前記第１ダイオードのアノード端子は、前記スイッチングレグの中点に接続され、前記リアクトルの他端は、前記第１スイッチを介して前記第２直流電源の正極に接続され、前記第１ダイオードのカソード端子は、前記負荷の正極に接続された接続切替回路とした。

【発明の効果】

【0010】

本発明によれば、商用交流電源と負荷の接続をオンオフするためだけのスイッチを用いることなく、バッテリと負荷の接続をオンオフするための接続切替回路の構成を僅かに変更するだけで、商用交流電源と負荷の接続をオンオフする機能を持たせることができるので、装置全体としての製造コスト増加を抑制することができる。

【図面の簡単な説明】

【0011】

【図1】実施例１の接続切替回路と高周波加熱装置の回路構成図。

【図2】実施例１の高周波加熱装置の動作モードを説明する図。

【図3A】実施例１の高周波加熱装置のモードＡを説明する図。

【図3B】実施例１の高周波加熱装置のモードＢ１を説明する図。

【図3C】実施例１の高周波加熱装置のモードＢ２を説明する図。

【図3D】実施例１の高周波加熱装置のモードＣ１を説明する図。

【図3E】実施例１の高周波加熱装置のモードＣ２を説明する図。

【図4A】実施例１の高周波加熱装置の交流電源駆動時の電圧・電流波形を説明する波形図。

【図4B】実施例１の高周波加熱装置のバッテリ駆動時の電圧・電流波形を説明する波形図。

【図5】実施例２の接続切替回路の回路構成図。

【図6】実施例２の高周波加熱装置の動作モードを説明する図。

【図7A】実施例２の高周波加熱装置のモードＤ１を説明する図。

【図7B】実施例２の高周波加熱装置のモードＤ２を説明する図。

【図7C】実施例２の高周波加熱装置のモードＤ３を説明する図。

【図8】実施例２の高周波加熱装置の電圧・電流波形を説明する波形図。

【図9】実施例２の接続切替回路及びそれを用いた高周波加熱装置の動作を説明する波形図。

【図10】実施例３の接続切替回路と高周波加熱装置の回路構成図。

【図11】実施例３の高周波加熱装置の動作モードを説明する図。

【図12A】実施例３の高周波加熱装置のモードＡを説明する図。

【図12B】実施例３の高周波加熱装置のモードＢを説明する図。

【図12C】実施例３の高周波加熱装置のモードＣを説明する図。

【図12D】実施例３の高周波加熱装置のモードＤを説明する図。

【発明を実施するための形態】

【0012】

以下、本発明の望ましい実施形態について図面を参照しながら詳細に説明する。

【実施例0013】

まず、本発明の実施例１について、図１～図４を用いて説明する。なお、図１は、実施例１の接続切替回路１を用いた高周波加熱装置２の回路構成図である。図２、図３Ａ～３Ｅは、実施例１の高周波加熱装置２の動作モードを説明する図である。図４Ａ、４Ｂは、実施例１の高周波加熱装置２の動作波形図である。

【0014】

図１に示すように、本実施例の高周波加熱装置２は、商用交流電源３に接続されるとともに、バッテリ２０、整流器２１、インバータ回路２２、マグネトロン２３、および、接続切替回路１を備えた、いわゆる電子レンジである。以下、高周波加熱装置２が備える各構成を順次説明する。

【0015】

バッテリ２０は、リチウムイオン電池等の充放電可能な二次電池である。以下では、バッテリ２０の端子のうち、高電位側を正極、低電位側を負極と称する。

【0016】

整流器２１は、商用交流電源３の電圧Ｖ_ａｃを整流した直流電圧Ｖ_ｉｎを出力する。以下では、整流器２１の出力端子のうち、高電位側を正極、低電位側を負極と称する。

【0017】

インバータ回路２２は、百Ｖ程度の低電圧の直流電圧を入力として、数ｋＶの直流電圧を生成する接続切替回路である。以下では、インバータ回路２２の入力端子のうち、高電位側を正極、低電位側を負極と称する。

【0018】

マグネトロン２３は、図示しない加熱室内に高周波電圧を供給して、加熱室内の被加熱物（食品等）を誘電加熱する加熱装置である。

【0019】

接続切替回路１は、スイッチング素子Ｓ_１、Ｓ_２と、リアクトルＬと、スイッチＳ_ｂと、ダイオードＤ_ｉで構成されており、スイッチＳ_ｂ、スイッチング素子Ｓ_１、Ｓ_２を適当に動作させることで、商用交流電源３でマグネトロン２３を駆動する接続と、バッテリ２０でマグネトロン２３を駆動する接続と、商用交流電源３でバッテリ２０を充電する接続を切り替える回路である。この接続切替回路１をより具体的に説明すれば、次のような構成である。

【0020】

すなわち、本実施例の接続切替回路１は、スイッチング素子Ｓ_１とスイッチング素子Ｓ_２を直列接続したスイッチングレグの一端を整流器２１の正極に接続し、スイッチングレグの他端をバッテリ２０と整流器２１とインバータ回路２２の負極に接続し、リアクトルＬの一端とダイオードＤ_ｉのアノード端子をスイッチングレグの中点に接続し、リアクトルＬの他端をスイッチＳ_ｂを介してバッテリ２０の正極と接続し、ダイオードＤ_ｉのカソード端子をインバータ回路２２の正極に接続した回路である。

【0021】

なお、本実施例の高周波加熱装置２では、整流器２１で整流された電圧を非平滑でインバータ回路２２へ入力することで、入力電流を正弦波に近い波形とすることが可能となり、電源高調波規制に対応している。

【0022】

＜高周波加熱装置２の動作モード＞
次に、図２～図４を用いて、接続切替回路１の代表的な動作モードを説明する。図２は、各動作モード時のスイッチＳ_ｂ、スイッチング素子Ｓ_１、Ｓ_２、インバータ回路２２の状態を示す。図３Ａ～図３Ｅは、各動作モード時の電流の流れを示す。図４Ａは、ＡＣ駆動モード中の動作波形を示し、図４Ｂは、バッテリ駆動モード中の動作波形を示す。なお、図４中の動作波形は図１に記載の各記号に対応している。

【0023】

＜モードＡ＞
モードＡは、商用交流電源３からの電力のみでマグネトロン２３を駆動するモードである。このモードＡでは、図３、図４Ａに示すように、スイッチＳ_ｂはオフ状態であるため、バッテリ２０は接続切替回路１から切り離される。このとき、スイッチング素子Ｓ_１はオン状態、スイッチング素子Ｓ_２はオフ状態であり、インバータ回路２２には整流器２１により整流された直流電圧Ｖ_ｉｎが印加される。

【0024】

＜モードＢ＞
モードＢは、バッテリ２０からの電力のみでマグネトロン２３を駆動するモードである。このモードＢでは、図３、図４Ｂ、図４Ｃに示すように、スイッチＳ_ｂはオン状態であり、バッテリ２０を接続切替回路１と接続する。このとき、スイッチング素子Ｓ_１をオフ状態とすることで、インバータ回路２２を商用交流電源３から切り離す。そして、スイッチング素子Ｓ_２をＰＷＭ制御によりスイッチング動作させることで、接続切替回路１からインバータ回路２２へ任意の電圧を印加する。以下にモードＢ１、モードＢ２の詳細な回路動作を説明する。

【0025】

図４Ｂに示すモードＢ１では、スイッチング素子Ｓ_２はオン状態であり、バッテリ２０からスイッチＳ_ｂ、リアクトルＬ、スイッチング素子Ｓ_２の経路で電流が流れ、リアクトルＬにエネルギーを蓄積する。モードＢ１において、スイッチング素子Ｓ_２をオフするとモードＢ２へ移行する。

【0026】

図４Ｃに示すモードＢ２では、スイッチング素子Ｓ_２はオフ状態であり、バッテリ２０から、スイッチＳ_ｂ、リアクトルＬ、ダイオードＤ_ｉ、インバータ回路２２の経路で電流が流れ、リアクトルＬのエネルギーを放出する。モードＢ２において、スイッチング素子Ｓ_２をオンすると、モードＢ１へ移行する。

【0027】

このモードＢでは、基本的に、モードＢ１とモードＢ２を繰り返すことで、バッテリ２０の電力をインバータ回路２２に供給する。

【0028】

＜モードＣ＞
モードＣは、商用交流電源３からの電力でバッテリ２０を充電するモードである。このモードＣでは、図３に示すように、インバータ回路２２は停止となる。また、図３、図４Ｄ、図４Ｅに示すように、スイッチＳ_ｂはオン状態であり、スイッチング素子Ｓ_１をＰＷＭ制御によりスイッチング動作させることで、バッテリ２０の充電電流を制御する。このとき、スイッチング素子Ｓ_２はオフ状態とする。以下にモードＣ１、モードＣ２の詳細な回路動作を説明する。

【0029】

図４Ｄに示すモードＣ１では、スイッチＳ_ｂとスイッチング素子Ｓ_１がオン状態、スイッチング素子Ｓ_２はオフ状態であり、商用交流電源３から、整流器２１、スイッチング素子Ｓ_１、リアクトルＬ、バッテリ２０の経路で電流が流れ、リアクトルＬにエネルギーが蓄積される。このとき、スイッチング素子Ｓ_１をオフすることで、モードＣ２へ移行する。

【0030】

図４Ｅに示すモードＣ２では、スイッチＳ_ｂはオン状態、スイッチング素子Ｓ_１及びＳ_２はオフ状態であり、リアクトルＬの蓄積エネルギーは、バッテリ２０、ダイオードＤ_２、スイッチＳ_ｂの経路で放出される。但し、スイッチング素子Ｓ_２にＭＯＳＦＥＴを用いた場合にはスイッチング素子Ｓ_１と相補駆動とすることで同期整流が可能である。

【0031】

このように、実施例１では、接続切替回路１内のスイッチング素子Ｓ_１とダイオードＤ_ｉを介して、整流器２１とインバータ回路２２の正極同士と接続したことで、高周波加熱装置２内に商用交流電源３を切り離すためだけのスイッチを設けることなく、接続切替回路１内のスイッチング素子Ｓ_１をオフすることにより商用交流電源３とインバータ回路２２の接続を遮断し、商用交流電源３からの電力供給を阻止することが可能となる。その結果、高周波加熱装置全体としての製造コスト増加を抑制することができる。

【実施例0032】

次に、本発明の実施例２について、図５～図９を用いて説明する。但し、上述した実施例１の説明と重複する部分は記載を省略する。なお、図５は、実施例２の接続切替回路１Ａの回路構成図である。図６、図７Ａ～７Ｃ、図８は、実施例２の接続切替回路１Ａの動作モードを説明する図である。図８は、実施例２の高周波加熱装置２の各部の電圧・電流波形を示し、図９は、図８のモードＤ２及びモードＤ３の領域を時間的に拡大した波形を示している。

【0033】

本実施例の接続切替回路１Ａは、スイッチング素子Ｓ_１、Ｓ_２、リアクトルＬ、ダイオードＤ_ｉ、スイッチＳ_ｂを備える点で実施例１と共通するが、図５に示すように、スイッチＳ_ｂをスイッチＳ_ｂ１とスイッチＳ_ｂ２から構成される双方向スイッチとした点が実施例１と異なる。このようにスイッチＳ_ｂを双方向スイッチとした構成において、スイッチＳ_ｂ２のみをオン状態とすることで、商用交流電源３とバッテリ２０を同時にインバータ回路２２に接続することが可能となる。以下に動作モードを説明する。

【0034】

＜モードＤ１＞
図６のように、スイッチング素子Ｓ_１とスイッチＳ_ｂ２をオン、スイッチング素子Ｓ_２とスイッチＳ_ｂ１をオフにした状態において、図８のように、整流器２１の出力電圧Ｖ_ｉｎとバッテリ電圧Ｖ_ｂａｔの関係が、Ｖ_ｉｎ＞Ｖ_ｂａｔの領域がモードＤ１となる。

【0035】

このとき、図７Ａに示すように、商用交流電源３から、整流器２１、スイッチング素子Ｓ_１、ダイオードＤ_ｉ、インバータ回路２２の経路で電流が流れるため、バッテリ２０からインバータ回路２２に流れ込む電流Ｉ_ｂはゼロとなる。なお、スイッチＳ_ｂ１の逆並列ダイオードが存在するためバッテリ２０に流れ込む電流は阻止される。

【0036】

＜モードＤ２＞
モードＤ１の状態において、整流器２１の出力電圧Ｖ_ｉｎとバッテリ電圧Ｖ_ｂａｔの関係がＶ_ｉｎ＝Ｖ_ｂａｔとなると、図８、図９のように、モードＤ２へ移行する。このとき、図７Ｂに示すように、商用交流電源３から、整流器２１、スイッチング素子Ｓ_１、ダイオードＤ_ｉ、インバータ回路２２の経路と、バッテリ２０、スイッチＳ_ｂ１、Ｓ_ｂ２、リアクトルＬ、ダイオードＤ_ｉ、インバータ回路２２の経路で電流が流れるため、商用交流電源３とバッテリ２０の双方からインバータ回路２２に電力を供給することができる。

【0037】

＜モードＤ３＞
モードＤ２の状態で、整流器２１の出力電圧Ｖ_ｉｎとバッテリ電圧Ｖ_ｂａｔの関係がＶ_ｉｎ＜Ｖ_ｂとなると、図８、図９のように、モードＤ３へ移行する。モードＤ３では、図７Ｃに示すように、バッテリ２０から、スイッチＳ_ｂ１、Ｓ_ｂ２、リアクトルＬ、ダイオードＤ_ｉ、インバータ回路２２の経路で電流が流れる。このとき、Ｖ_ｉｎ＝Ｖ_ｂとなるとモードＤ２へ移行する。

【0038】

このように、本実施例の接続切替回路１Ａを用いることで、実施例１の接続切替回路１では困難であった商用交流電源３とバッテリ２０の双方から電力を供給することが可能となる。ただし、本実施例において、モードＤ３の期間が増加すると商用交流電源側の電流歪が増加するため、電源高調波を考慮したバッテリ電圧Ｖ_ｂａｔの設定が必要である。