專利名稱：高頻加熱電源設備的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及用于在諸如通過驅動磁控管執(zhí)行電介質加熱過程的微波爐之類的高頻加熱設備的領域中抑制諧波電流分量的控制。
背景技術：
因為烹調器具的特性，所以已經要求在諸如在家庭中所使用的微波爐之類的、基于高頻加熱的烹調器具中所使用的電源尺寸小并且重量輕。最好，用于放置電源的空間較小，以便容易地對其進行運輸并且增大廚房中的烹調空間。為此，微波爐正變得更小和更輕，并且通過使用開關電源以較低的成本制造。結果，電源輸出包含由電源的開關操作而產生的許多諧波分量的電流波形。此外，微波爐為了縮短烹調時間消耗多至2000瓦特。結果，也增加了電流的絕對值，并且使得難于滿足電源的諧波性能?？紤]到這些問題，已經提出了用于抑制諧波電流分量的產生的控制方法(改進措施)(例如，見專利文獻1)。
圖9示出了用于高頻加熱設備的磁控管驅動電源(反相器(inverter)電源)的一個示例圖。磁控管驅動電源由直流(DC)電源1、漏磁變壓器2、第一半導體開關元件3、第一電容器5(緩沖器(snubber)電容器)、第二電容器6(諧振電容器)、第三電容器7(平滑電容器)、第二半導體開關元件4、驅動單元13、全波電壓倍增器(doubler)整流電路11和磁控管12構成。
DC電源1通過執(zhí)行對商業(yè)電源的全波整流，將DC電壓VDC施加給包括第二電容器6和漏磁變壓器2的第一線圈繞組(coil winding)8的串連電路。第一半導體開關元件3和第二半導體開關元件4彼此串連，而包括第二電容器6和漏磁變壓器2的第一線圈繞組8的串連電路并聯(lián)到第二半導體開關元件4。
第一電容器5并聯(lián)到第二半導體開關元件4并且作為防止開關過程期間的浪涌(surging)電流(電壓)的緩沖器工作。在全波電壓倍增器整流電路11中，將漏磁變壓器2的第二線圈繞組9中所產生的高AC電壓輸出變換為高DC電壓，然后將其施加在磁控管12的陽極和陰極之間。漏磁變壓器2的第三線圈繞組10將電流提供給磁控管12的陰極。
由IGBT和與IGBT并聯(lián)的續(xù)流二極管(flywheel diode)構成第一半導體開關元件3和第二半導體開關元件4的每一個。當然，第一和第二半導體開關元件3和4不限于這種，還可以使用晶閘管、GTP開關裝置等。
驅動單元13在其中具有用于產生驅動第一半導體開關元件3和第二半導體開關元件4的驅動信號的振蕩單元。該振蕩單元以預定頻率產生方波，并且將驅動信號傳送到第一半導體開關元件3和第二半導體開關元件4。緊接著截止第一半導體開關元件3和第二半導體開關元件4中的任何一個之后，另一個半導體開關元件的兩端的電壓較高。因此，當將其任何一個截止時，產生類似尖峰(spike-like)的浪涌電流，因此產生不必要的損耗和噪聲。然而，通過提供停滯時間(dead time)，可以將截止延遲直到該兩端的電壓變?yōu)?V為止。因此，可以抑制不必要的損耗和噪聲。當然，可以將相同的操作類似地應用于逆開關過程的情況。
將省略對通過啟動單元13所產生的驅動信號的每個操作模式的詳細描述(參考專利文獻2)。然而，圖12中所示的電路配置的特征是由第一半導體開關元件3和第二半導體開關元件4所產生的電壓等于DC電源電壓VDC，也就是，240√2＝339V，甚至在歐洲在一般家庭里也使用最高電壓240V。因此，即使考慮諸如雷電電涌或者突然電壓降之類的緊急情況，也可以將第一半導體開關元件3和第二半導體開關元件4用作具有針對600V等的電阻的低成本裝置(例如，見專利文獻2)。
隨后，圖10示出了在反相器電源電路(其中電感L和電容器C構成諧振電路)中的這種諧振特性。圖10是示出在將預定電壓施加到反相器諧振電路并且頻率f0是諧振頻率時的電流特性和工作電壓的圖。在實際反相器操作期間，在從比頻率f0高的f1到f2的頻率范圍中使用電流和頻率的曲線特性I1(實線)。
也就是，當諧振頻率為f0時，電流I1具有最大值，并且電流I1隨著頻率范圍從F1到F3增加而減小。這是因為，由于當電流I1在從f1到f3的頻率范圍中接近低頻時，電流I1接近諧振頻率，因此在漏磁變壓器的第二線圈中流動的電流增加。相反，由于電流I1在電流I1接近高頻時，電流I1變?yōu)檫h離諧振頻率，所以漏磁變壓器的第二線圈繞組的電流下降。用于驅動作為非線性負載的磁控管的反相器電源通過改變頻率獲得希望的輸出。例如，分別在200W、600W和1200W的情況下f3、f2和f1附近，可以獲得在LC電源中不能獲得的連續(xù)輸出。
此外，使用交流商業(yè)電源。因此，當不將高電壓施加到電源相位0°和180°的附近時，在根據高頻不振蕩的磁控管特性的相位上，將反相器操作頻率配置到其中諧振電流增加的f1的附近。以這種方式，可以通過提高所施加的磁控管電壓對商業(yè)電源電壓的助推比(boosting ratio)來增加傳送電波的傳導角。結果，可以通過在每個電源相位中改變反相器操作頻率來實現(xiàn)基波分量多而諧波分量小的電流波形。
從而，圖11是示出所施加的電壓(即磁控管輻射微波所需要的振蕩閾值ebm)的溫度變化的特性的圖。橫軸表示在磁控管振蕩之后流動的陽極電流Ia，而豎軸表示磁控管的陽極和陰極之間所施加的電壓。將磁控管偏置到負電壓。振蕩大約為-4V的所施加電壓，陽極電流開始流動，而且從天線輻射出微波。磁控管的振蕩閾值ebm是與溫度有關的，并且當溫度更高時其可能下降。
這是因為在電子螺旋運動時使用磁體，并且磁性由于在陰極單元中正在振蕩時電子碰撞所導致從1900K到2100K的高溫而下降。為了避免上述現(xiàn)象，需要將磁控管配置為水冷型，使得溫度變化變得非常小。然而，因為安裝條件和成本原因，所以難于將普通家用微波爐配置為水冷型的，因此將大多數(shù)家用微波爐配置為風冷型的。因此，當溫度以連續(xù)活動動的方式上升時，振蕩閾值ebm下降直到-3KV。在圖中的實線指示室溫的狀態(tài)，而虛線指示在溫度上升時的特性。以這種方式，對磁控管的變化所導致的振蕩閾值ebm的變化進行跟蹤的反饋控制是非常重要的。畢竟，電源的諧波性能依賴于在室溫的初始狀態(tài)中頻率調制波形的形狀如何而很好地變化，以便防止諧波分量的發(fā)生。
專利文獻1JP-A-2004-006384專利文獻2JP-A-2000-058252發(fā)明內容本發(fā)明要解決的問題然而，由于在考慮實際使用的情況下根據規(guī)定時間幾次測量電源的諧波，所以需要這樣的解決方案解決在傳統(tǒng)配置中由磁控管的溫度變化所導致的振蕩閾值ebm的變化。然而，當不能執(zhí)行對振蕩閾值ebm的變化的跟蹤的良好反饋控制時，當測量電源的諧波時，標準值可能在最后的時間偏離。
用于解決問題的裝置為了解決上述問題，已經作出了本發(fā)明，從而提供這樣的配置能夠通過關于磁控管的振蕩閾值ebm的變化累積輸入電流的變化量作為累積信息、以容易和最佳的方式來對振蕩閾值ebm的變化進行跟蹤，并且根據所述累積信息來改變頻率調制波形的偏置。
根據具有上述配置的本發(fā)明，當測量電源的諧波時可以防止諧波分量在最后的時間增加，并且允許輸入電流關于磁控管的溫度變化所導致的振蕩閾值ebm的變化是均勻的。此外，可以增加標準值的余量程度。
本發(fā)明的優(yōu)點根據本發(fā)明的高頻加熱設備，由于執(zhí)行頻率調制控制的反饋控制如此地對磁控管的溫度變化所導致的振蕩閾值ebm的變化進行跟蹤，所以可以增加標準值的余量程度，同時可以防止諧波分量。此外，可以甚至在關于定額(rating)電壓向正或負變化時通過提供偏置值的上限和下限以穩(wěn)定的方式來執(zhí)行操作。


圖1是示出根據本發(fā)明第一到第四實施方式的高頻加熱設備的電路配置的圖；圖2是示出根據本發(fā)明第一實施方式的ebm跟蹤偏置電路的圖；圖3是示出根據本發(fā)明第一實施方式的輸入電流校正POW和偏置值的累積信息的特征的圖；圖4是示出根據本發(fā)明第一實施方式的頻率調制波形的變化的圖；圖5是示出根據本發(fā)明第二實施方式的ebm跟蹤偏置電路的圖；圖6是示出根據本發(fā)明第三實施方式的ebm跟蹤偏置電路的圖；圖7是示出根據本發(fā)明第四實施方式的ebm跟蹤偏置電路的圖；圖8是示出根據本發(fā)明第四實施方式的輸入電流校正POW和偏置值的累積信息的特征的圖；圖9是示出已知磁控管驅動高頻加熱設備的電路配置的圖；圖10是示出在將預定電壓施加到反相器諧振電路時電流和工作頻率的特性的圖；和圖11是示出根據溫度變化在振蕩閾值ebm和Ia之間的關系的特性的圖。
附圖標記說明1DC電源
2漏磁變壓器3第一半導體開關元件4第二半導體開關元件5第一電容器6第二電容器7第三電容器11全波電壓倍增器整流電路12磁控管14驅動控制單元15頻率調制形成電路16振蕩電路17停滯時間形成電路18開關元件驅動電路19輸入固定控制電路20ebm跟蹤偏置電路具體實施方式
根據本發(fā)明的第一方面，高頻加熱設備通過允許半導體開關元件使用商業(yè)電源執(zhí)行高頻開關操作來驅動磁控管，其中通過累積輸入電流的變化量作為累積信息并且根據該累積信息執(zhí)行反饋控制，來執(zhí)行帶有在磁控管溫度變化所導致的振蕩閾值ebm的下降的輸入電流固定控制。
根據本發(fā)明的第二方面，在特別根據本發(fā)明第一方面的高頻加熱設備中，通過將偏置給予作為頻率調制波形的形狀的基礎的輸入電壓信息波形來自執(zhí)行反饋控制。
根據本發(fā)明的第三方面，在特別根據本發(fā)明的第二方面的高頻加熱設備中，在偏置中提供上限。
根據本發(fā)明的第四方面，在特別根據本發(fā)明的第二方面的高頻加熱設備中，在偏置中提供下限。
根據本發(fā)明的第五方面，在特別根據本發(fā)明的第二方面的高頻加熱設備中，在偏置中提供上限和下限。
根據上述配置，甚至當發(fā)生由磁控管中的變化所導致的振蕩閾值ebm變化時，也可以通過跟蹤該變化和執(zhí)行反相器操作的頻率調制來維持帶有小諧波分量的電流變型。因此，可以滿足幾次測量電源的諧波時的標準，并且增加標準值的余量程度。
下面，將參照附圖描述本發(fā)明的實施方式。本發(fā)明不限于這些實施方式。
(第一實施方式)圖1是示出根據本發(fā)明第一實施方式的用于驅動磁控管的電路配置的圖。直流電源1、漏磁變壓器2、第一半導體開關元件3、第二半導體開關元件4、第一電容器5、第二電容器6、第三電容器7、驅動控制IC單元14、全波電壓倍增器整流電路11和磁控管構成了整個電路。由于該整個電路配置與圖9中所示的相同，所以將省略對其的描述。
在用于驅動半導體開關元件3和4的驅動控制IC單元14中，頻率調制形成電路15根據商業(yè)電源的電壓使用電阻分割波形(resistance divided waveform)來形成頻率調制波形。頻率調制形成電路15對從輸入固定控制電路19接收的信號執(zhí)行反饋控制，從而獲得上述所需要的輸入(200或者600瓦特)。在這種情況下，通過在將通過ebm跟蹤偏置電路20添加關于電源電壓的信息的同時將偏置給予頻率調制波形的形狀，來執(zhí)行輸入電流的固定和對ebm下降的跟蹤。最后，利用半導體開關元件3和4的驅動，振蕩電路16根據從頻率調制形成電路15獲得的信號來確定實際操作頻率，并且停滯時間形成電路17確定所需要的停滯時間。從而，將開關裝置驅動電路18所形成的方波傳送到第一半導體開關元件3和第二半導體開關元件4的柵極。
圖2是詳細示出ebm跟蹤偏置電路20的圖。通過根據從輸入固定控制電路19獲得的振蕩閾值ebm的變化將權重給予輸入電流校正的累積信息(POW)，以及關于電阻器網絡重的電源電壓的信息。在這種情況重，累積信息POW的初始值通過例如2000W的輸入的5.5V和600W的輸入的7.5V的輸入而改變，與該初始值相比較，由于磁控管的溫度變化所導致的振蕩閾值ebm的變化而逐漸增加。這是因為輸入電流固定電路中所校正的量變得被累積(方面1)。
此外，圖3示出了通過配置電阻器網絡關于輸入電流校正的累積信息POW的變化量將偏置值BIAS給予頻率調制形成電路的變化量的程度。也就是，該圖示出了關于振蕩閾值ebm中的變化的變化量，而且在圖3中所示的特性圖的傾斜度(inclination)表示ebm變化的跟蹤程度?？梢酝ㄟ^配置電阻器網絡201到204來容易地調整ebm變化的跟蹤程度，而且頻率調制波形的形狀變化到所獲得的偏置值，也就是，在添加偏置的部分的操作頻率增加的方向中控制該頻率調制波形的形狀。圖4詳細示出了該控制的頻率調制波形中的變化。粗實線表示在磁控管溫度低時的頻率調制波形的形狀，而粗虛線表示在磁控管溫度高時的頻率調制波形的形狀。也就是，在整流之后將偏置給予電源電壓的信息波形，以均勻地維持輸入電流，并且因為由于磁控管的溫度變化而導致的振蕩閾值ebm的下降所以提升反相器操作頻率。以這種方式，可以防止由于振蕩閾值ebm的下降而發(fā)生的輸入電流波形的變化所導致的諧波分量的存在，從而滿足電源的諧波性能(方面2)。
此外，當存在許多電阻器網絡、圖2中所示的控制代理參數(shù)時，可以將權重添加到每個電阻器網絡，該網絡使用作為Taguchi方法的改進方法和我們公司的其自身的科學解決方案方法的質量穩(wěn)定性設計方法來評估最佳解決方案，因此更快速地防止電源諧波。結果，可以容易地確定振蕩閾值ebm的變化的跟蹤程度。
(第二實施方式)如圖5中所示，在根據第一實施方式的方法之外，還在給予頻率調制波形的偏置值中提供上限。如圖4所示，由于給予的偏置值的緣故，頻率調制波形上升。在這種情況下，假設磁控管的溫度在定額(+)一側中+20％或+30％的不正常電壓或者以低輸出功率(例如，600W的輸入)上升。為了使得輸入電流固定，偏置值可能無休止地上升。在這種情況下，反相器操作頻率處于上升方向，并且由于開關速率的限制，所以可能發(fā)生開關錯誤導致的毀壞。為了防止上述問題，可以提供偏置值的上限。以這種方式，可以在定額(+)一側的不正常電壓時限制反相器操作頻率，從而解決開關錯誤導致的毀壞(方面3)。
(第三實施方式)如圖6所示，在根據第一實施方式的方法之外，還在給予頻率調制波形的偏置值中提供下限。當圖4所示的頻率調制波形下降時，總體反相器操作頻率降低，因此可以獲得高的輸出功率。在這種情況下，當定額(-)一側的電壓下降時，反相器操作頻率不會幫助下降以獲得高的輸出功率。在實際中，由于在反相器操作頻率中存在人可以聽到的區(qū)域，所以將下限考慮為18KHz。此外，作為最低頻率限制，在頻率調制波形中獨立地提供下限。然而，當在偏置中不存在下限時，在降低電壓結束時固定反相器操作頻率。結果，不能獲得根據商業(yè)電源的SIN(正弦)波的頻率調制，并且可能發(fā)生包括許多諧波分量的輸入電流?？紤]到對反相器部件進行冷卻，將定額-20％或-30％的不正常電壓時的冷卻性能降級，而在高輸出功率時可能發(fā)生熱毀壞。為了解決上述問題，可以在偏置值中提供下限，并且在定額(-)一側的不正常電壓時可以防止輸入電流的擴展，因此已經防止了諧波分量的擴展和熱毀壞(方面4)。
(第四實施方式)圖7示出了根據第二和第三實施方式的組合方法。通過在偏置值中提供上限和下限，可以解決在電源電壓從定額向(+)一側或者(-)一側不正常地變化時的所有相關問題。圖8是示出根據第四實施方式的POW的特性和偏置值的圖。甚至電源電壓不正常地向(+)一側或者(-)一側改變，因此甚至當配置POW改變時，偏置值也在上限和下限的范圍內變化，從而非常穩(wěn)定。
已經參照具體實施方式
詳細描述了本發(fā)明，但是本領域的普通技術人員在不偏離本發(fā)明的要旨的情況下，可以進行各種形式的修改。
本申請基于2004年10月19日提交的日本專利申請No.2004-304095，將其通過參考進行合并。
產業(yè)的可利用性根據本發(fā)明的高頻加熱設備，由于執(zhí)行頻率調制控制的反饋控制以最佳地跟蹤由磁控管的溫度變化所導致的振蕩閾值ebm的變化，所以可以增加標準值的余量程度并且防止諧波分量。
權利要求
1.一種高頻加熱設備，其通過允許半導體開關元件使用商業(yè)電源執(zhí)行高頻開關操作來驅動磁控管，其中，通過累積輸入電流的變化量作為累積信息并且根據該累積信息執(zhí)行反饋控制，來執(zhí)行帶有在該磁控管溫度變化所導致的振蕩閾值ebm的下降的輸入電流固定控制。
2.根據權利要求1所述的高頻加熱設備，其中，通過將偏置給予作為頻率調制波形的形狀的基礎的輸入電壓信息波形來自執(zhí)行反饋控制。
3.根據權利要求2所述的高頻加熱設備，其中，在該偏置中提供上限。
4.根據權利要求2所述的高頻加熱設備，其中，在該偏置中提供下限。
5.根據權利要求2所述的高頻加熱設備，其中，在該偏置中提供上限和下限。
全文摘要
本發(fā)明涉及高頻加熱設備并且提供頻率調制的跟蹤方法，以防止根據磁控管的溫度變化而隨時變化的振蕩閾值ebm的諧波電流分量的擴展。將用于驅動第一半導體開關元件(3)和第二半導體開關元件(4)的驅動信號傳送到驅動控制IC單元(14)，并且使用輸入參考信號Ref來執(zhí)行輸入電流固定控制。在這種情況下，將輸入參考信號Ref的輸入電流的變化量理解為累積信息POW，并且在ebm跟蹤偏置電路(20)的電阻器網絡中最佳地配置恒定常數(shù)。從而，通過將偏置給予頻率調制波形來提供操作頻率上升的部分然后執(zhí)行頻率調制跟蹤。以這種方式，通過輕松地處理溫度變化所引起的振蕩閾值ebm的變化，已經防止了諧波電流分量的擴展。
文檔編號H05B6/68GK101073291SQ200580035618
公開日2007年11月14日 申請日期2005年10月17日 優(yōu)先權日2004年10月19日
發(fā)明者守屋英明, 末永治雄, 酒井伸一, 城川信夫, 木下學 申請人:松下電器產業(yè)株式會社