Fig. 1. Relation between magnetron anode current and anode-cathod voltage. Fig. 2. Inverter circuit for driving a magnetron. 448 T. IEE Japan, Vol. 11

論 文

電 子 レ ン ジ用 イ ンバ ー タ式 電 源

正

員 徳

永

紀

一(日

立)

正

員 松

田

靖

夫(日

立)

非会員 石

山

国

雄(日

立)

正 員

天

野

比 佐 雄(日

立エンジニアリング)

High Frequency

Inverter

for Microwave

Oven

Norikazu Tokunaga, Member, Yasuo Matsuda, Member, Kunio Isiyama, Non-member

(Hitachi, Ltd.), Hisao Amano, Member (Hitachi Engineering, Co., Ltd.).

Recently resonant inverter type power supplies for microwave ovens have been examined, but the

stability of the filament temperature and the loss of the transformer have not been examined in

detail.

We studied the relation between circuit parameters and the characteristics of the power supply.

As a result we conclude that putting a resonant reactor in the primary side of the transformer brings

better stability of the magnetron filament temperature and lighter duty of the circuit elements than

putting it in the secondary side.

Newly-developed power supply can be continuously controlled in the range of 5 to 100%. Its

efficiency is about 85% which is about 2% higher than that of the conventional one. Moreover the

weight is reduced to about 1/4.

キ ー ワ ー ド:ス イ ッ チ ン グ 電 線,電 子レ ン ジ,マ グ ネ ト ロ ン,共 振形 電源,オ ン時 間 制 御 1.ま え が き   現在 市 販 され て い る家 庭 用 レ ン ジ の電 源 は,商 用 電 源 電圧 を変 圧 器 を用 い て昇 圧 した 後,倍 電 圧 整 流 し て マ イ ク ロ波 発 振 管 で あ る マ グ ネ トロ ンに3∼4kVく らい の直 流 の 高 通 圧 を 印加 す る方式 を採 用 して い る。 簡 単 な 回路 構 成 で は あ る が,商 用 周 波 を 用 い るた め変 圧 器や高 圧側 の倍 電 圧 整 流回路 のコ ン デ ンサ が 大形 と な り,電 子 レ ン ジの 容 積 や 重 量 の か な りの 部 分 を 占 め る,更 に,鉄 共 振動 作 に よ り墨 力 の 安 定 化 を図 る た め 変 圧器 を リー ケ ー ジ トラ ンス と し て い る の で,商 用 電 源 の周 波 数 に応 じ て変 圧羅 な どの 設 計 を 変 え る必 要 が あ る。   しか も,最 近 の 多 様 化 した 食 品 に 適 舎 した 様 々 な調 理 に対 応 す る た め に は,出 力 を広 い範 囲 で 連 続 して調 整す る こ とが 必 要 で あ る。 現 在 市 販 され て い る電 子 レ ンジで は,出 力 の ピ ー ク電 力 を一 定 の ま ま タ イ マ の調 整 によ りオ ン,オ フ す る 時間 比 率 を数 秒単 位 で切 換 え る こ とに よ り行 う程 度 で あ り,幅 広 く細 か い調 整 に は 対 応 で きな い 。 ま た,オ ン,オ フ時 に電 源電 圧 が 動 揺 して,照 明 に ち ら つ き を 生 じ る な ど 多 くの 問 題 点 が あ る。 近年 の 半 導 体 技 術 の 進 歩 に よ り,高 電 圧,大 電 流 で 高 速 の ス イ ッ チ ン グ 素 子 が 開 発 さ れ,各 方面 に適 用 さ れ つ つ あ る。 家 庭 馬 の 電 子 レ ン ジ に お い て も,従 来 の 電 源 に 代 わ り,小 形,軽 量 で 商 用 周 波 数 にか か わ りな く使用 で き,し か も調 理 性 の 向上 を図 るた め広範 囲 に 連 続 して 出力 を調 整 で き る高 周 波 イ ンバ ー タ式 の電 源 の 研 究 が 始 め られ て い る(1)∼(9)。 高 周 波 動 作 に伴 うス イ ッチ ング 素 子 の ス イ ッチ ン グ 損 失 低 減 の た め,零 電 圧 ス イ ッチ ン グ を行 う共 振 形 の 高 周 波 イ ンバ ー タ 式 電 源 が 既 に 提 案 され て い る。 しか し,共 振 形 の電 源 で は,入 力電圧 と負 荷 の 幅 広 い 範囲 にわ た り共 振 動 作 を行 う こ とは 困 難 で あ り,負 荷 可 変 電 学論D,110巻5号,平成2年 447

範 囲 が 狭 くな る とい う問 題 点 が あ る。 ま た,電 子 レ ン ジ特 有 の課 題 と し て,マ イ ク ロ波 を安 定 に発 振 す る た め フ ィ ラ メ ン ト温 度 を所 定範 囲 内 に制 御 す る必 要 が あ る。 こ れ に よ って,出 力 を広 範 露 に連 続 して 調 整 しな が ら 同 一 の 電 源 で フ ィ ラ メ ン トの加 熱 を 所 定 範 囲 内 に 揮 え る とい う相反 す る 課 題 が 生 ず る が,こ れ ら の点 に つ い て は 明 らか に され て い な い 。 今 回,マ グ ネ トロ ンの 電 圧,電 流 特性 の 特 徴 を 生 か し,フ ィ ラ メ ン トの加 熱 を所 定 範囲 内 に 抑 えな が ら出 力 を広 範 囲 に連 続 して 調 整 す る とい う課 題 の解 決 を 図 った 共 振 形 の高 周 波 イ ンバ ー タ 式 の 電 源 を検 討 した 。 こ こで は,バ イ ポ ー ラ トラ ン ジス タ を用 い た マ イ ク ロ 波 出 力500W級 の 電 源 の 回路 方 式,回 路 定 数 と動 作 特 性 の関 係 な ど に つ い て 述 べ る。 2,電 子 レ ン ジ 電 源 の 基 本 動 作 <2・1>マ グ ネ トロ ン の 特性  電 子 レ ン ジ の マイ ク ロ波発 振 管 で あ る マ グネ トロ ンは,図1に 示 す よ う な電 圧,通 流 特 性 を も った 負 荷 で あ る。 そ し て フ ィ ラ メ ン トを1,800℃ く らいに加 熱 し,約3∼4kVの カ ッ トオ フ電圧 と言 わ れ る所 定 電 圧 を 印 加 す る と電 流 が流 れ 始 め,2.45GHzの 周 波 数 で 発 振 す る。 な お,フ ィ ラ メ ン トの加 熱 用 電 力 は40Wく ら い を 要 す 。発 振 時 の 等 価抵 抗 は 約200∼400Ω で あ る。 カ ッ トオ フ電 圧 は,使 用 して い る ス トロ ンチ ュー ム フ ェ ラ イ ト磁 石 の 温度 特 性 に より-0.2%/℃ で 変 わ り,通常 の使用 範 囲 で は 約600V変 化 す る。 な お,フ ィ ラ メ ン ト回 路 に は,電 線 を介 し た マ イ クロ 波 の 漏 れ を防 止 す るた め, リア ク トル と貫 通コ ン デ ン サ より な る フ ィル タ回路が 接 続 さ れ て い る。 マ グ ネ トロ ン は,許 容 値 以 上 の 過 大 な 電流 を流 した り,フ ィ ラ メ ン ト温度 が許 容値 以 下 に な る と,発振周 波 数 が所 定 値 を 外 れ マ イ ク ロ波 が 食 品 で 吸収 されなく な る とい う異 常 発 振 現 象 が 発 生 す る。 この た め,高周 波 イ ンバ ー タ式 の 電 源 は,マ グ ネ トロ ンの 異常発振が 生 ず る よ う な過 大 な 電 流 を流 す こ とな く,し か も出力 を広 範 囲 に制 御 して もフ ィ ラ メ ン ト温度 を所定範囲海 に維 持 で き る,安 定 性 の 高 い 電 源 とす る必 要が ある。 <2・2>電 源 の 基 本 回 路 構 成 と 動 作 リーケー ジ トラ ン ス を用 い た 従 来 電 源 に代 わ り,小 形,軽 量で商 用 周 波 数 に か か わ りな く使 用 で き,し か も広範 囲に連 線 して 出 力 を調 整 す る イ ンバ ー タ 式 通 源 の 回路構成 を 図2に示 す(2)(3)。イ ンバ ー タ 式 電 源 は,小 形,軽 量髭 の た め,平 滑 用 コ ン デ ンサ を除 去 し,商 用 電圧 を整流 し た脈 流 電 圧 下 で動 作 させ る もの とす る。 また,フ ィ ラ メ ン トの 加 熱 は,高 圧 電 源 と共 通 の 回路 で行 う方式 と し た。 ス イ ッチ ング 素 子 に は 安 価 なバ イ ポー ラ トラ ン ジ ス タ を用 い,し か も高 周 波 総 に伴 っ て増大 す るス イ ッチ ング 損 失 を低 減 す る た め,零 電 圧 ス イ ッチング を行 う電 圧 共 振 形 の 電 源 と した 。 高 電 圧 卿路 は,従 来 電 源 と同 様 な倍 電 圧 整 流 回路 を用 い,し か もインバー タ周 期 ご と に行 わ れ る フ ィ ラ メ ン ト回路 の貫 通 コンデ ンサ な どの マ グ ネ トロ ン側 容 量 の 電 荷 の放 電 を防止す る ダ イ オ ー ドを 接 続 し た。 これ に よ っ て,マ グネトロ ン電 流 の 不 要 な 振 動 や過 大 電 流 の 発 生 を防止 した。整 流 器 の 前 後 に緩 続 す る雑 音 防 止用 フ ィル タ は,主回路 図1マ グ ネ トロ ンの 電圧,電 流 特 性 Fig. 1. Relation between magnetron anode current and anode-cathod voltage.

図2イ ン バ ー タ式 電 源 の 構 成 Fig. 2. Inverter circuit for driving a magnetron. 448 T. IEE Japan, Vol. 11o-D, No. 5, '90

電 子 レ ン ジ用 イ ンバ ー タ式 電 源

図4  動作領域

Fig. 4. Variable range of transistor con-ducting period.

図3電

源の動作 説明図

Fig. 3. Operation modes of inverter circuit.

動作 に影響 を与 え な いの で記 載 を省略 した。 な お, 力電 力 は変 圧 器 二 次 電 流 を検 出 して 後 述 の 制 御 レベル を変 えて制 御 す る。   図3に 本 回路 の 基 本 的 な 回路 動 作 を示 す。 な お,フ ィ ラ メ ン ト回路 は 無 視 す る。(a)図 は トラ ン ジ ス タ Qの オ ン時 の 期 間1の 回路 状 態 を 示 す。 こ の 期 間 に は,(e)図 の 動作 波 形 に示 す よ う に,高 圧 側 の コ ン デ ンサ α の 充電 電 圧 と変 圧 器 の 二 次 電 圧 が 加 算 され マ グ ネ トロ ンに印加 され,カ ッ トオ フ電 圧 を超 え た点 か ら二 次 電 流i2が 陽 極 電 流 と し て 流 れ る。(b)図 は Qを オ フ した 後,マ グ ネ トロ ン に 陽 極 電 流 が 流 れ る 期 間11の 回 路 状 態 を示 す 。 一 次 側 の イ ン ダ ク タ ン ス L1 ム,変 圧 器 の 漏 れ イ ンダ ク タ ン ス,一 次 健 の コ ン デ ンサC1,お よび 二 次 側 の コ ンデ ンサC2で 定 ま る周 期 の 振 動 波 形 の 電 圧vc1がQに 印 加 さ れ る。 回 路 定 数 で 定 ま る 振 動 の 後,二 次 電 流i2が 負 と な り,ダ イ オ ー ドD2が 導 通 す る(c)図 は ダ イ オ ー ドD2が 導 通 し た 後 の 振 動 波 形 の 電 圧vc1がQに 印 加 さ れ て い る 期 間Ⅲ の 回路 状 態 を示 す。 園路 定数 で 定 ま る振 動 周 期 の 後,vc1は 再 び0と な り,ダ イ オ ー ドD1が 導 通 す る。(d)図 はD1の 導 通 期 間Ⅳ の 回 路 状 態 を 示 す。 一 次 電 流i1が 正 に な る 時 点 で 再 度Qを オ ン し,(a)図 に戻 る。   こ の よ うな 共 振 形 電 源 で は,ス イ ッチ ン グ損 失 軽 減 の た め,Qを オ ンす る時 点 で は電圧vc1を0と す る必 要 が あ る。 しか し,回 路 定 数 や 出 力 条 件 な ど に よ っ て はQを オ ン す る 時 点 で 電 圧vc1が0に 戻 ら な い,い わ ゆ る共 振 動作 が 不 完 全 とな る状 態 が 発 生 す る。 この よ う な状 態 で 回 路 の 動 作 を続 け る と トラ ン ジ ス タ が破 壊 す る。 そ こで,回 路 定 数 を適 切 に選 定 す る こ とに よ り,全 動 作 領域 で この よ うな不 完 金 な 共 振 動 作 が発 生 しな い よ うに す る必 要 が あ る 。   更 に,Ⅱ ∼Ⅳ の オ フ期 間 が 回 路 定 数 で 定 まる振 動 周 期 に依 存 す るた め,こ の 回路 を共 振 形 電 源 と して 安 定 に 動 作 さ せ るに は,タ イ ミ ング よ く,か つ 適 切 な オ ン 時 間 でQを オ ン,オ フ 動 作 させ る必 要 が あ る。 しか も,ト ラ ン ジス タ の オ ン時 間 は,電 源 の 周 波 数 範 囲, 変 圧 器 の飽 和 限 界,お よ び入 力 電 圧 の 最 大 値 で 決 ま る 図4に 示 す 領域 内 の 制 御 曲線 で 決 め る必 要 が あ る。 な お,出 力 の 制 御 は,制 御 曲線 の レベ ルが 並 行 移 動 す る よ う動 作 周 波 数 を変 え て行 う。 電学論D,110巻5号,平 成2年                  449

3.回 路 解 析 <3・1>回 路 方 式 一 般 に用 い られ る 変圧 器 で は, 一 次 側 か ら み た励 磁 イ ン ダ ク タ ンス と二 次 側 か らみ た 励 磁 イ ンダ ク タ ンス は,略 巻 数 比 の 関 係 で 表 せ る 。 こ の た め,漏 れ イ ン ダ タ タ ンス も,一 次側 と二 次側 か ら み た懐 の 関係 を巻 数 比 か ら外 れ た値 に す る こ とは で き な い の で,共 振動 作 を規定 す る一 次 側 と二 次 側 の 回 路 定 数 を 独 立に は与 え られ な い 。 イ ンバ ー タ 式 電 源 は, 入 力 電 圧 が0か ら160Vく らい ま で の 間 で 変 わ る脈 流電 圧 下 で,し か も出 力 調 整 の た め図4の よ う な広 範 な領 域 で安 定 に 動 作 させ る必 要 が あ る。 そ こで,零 電 圧 ス イ ッチ ング の で き な い不 完 全 な 共 振 動 作 の発 生 領 域 を極 力狭 くす るた め,圏 路 定 数 の 選 定 が 容 易 な 別 置 形 の共 振 用 リア ク トル を 用 い た 。 密 回 路 方 式 に は,図 2に 示 す よ う に共 振 用 リア ク トル を低 圧 側 に 接 続 し た 回 路 方 武(以 下,低圧リ ア ク トル方 式 と記 す)と,共 振 用 リア ク トル を 高圧 側 に接 続 し た 回路 方 式(以 下, 高圧 リア ク トル 方 武 と記 す)が あ る。 これ ら方 式 の電 源特性 の比較 を 以 下に 行 う。 <3・2>解 析 共 振 用 リ ア ク トル の 接 続 箇 所 やリ ア ク トル の 大 き さ,あ る い は共 振用 琴ア ク トル の 有 無 に関 係 な く,低 圧 側 の 回路 定 数,高 圧 側 の 回 路 定 数 お よ び変 圧 器 の 結 合 係 数 が 変 わ る の み で回 路 方 程 式 は岡 一 とな る。 また,フ ィラ メ ン ト加 熱 回路 は 定 格 出 力 の5%く らい の 負 荷 で あ り,出 力 電 力 を 最 小 に制 御 す る と き以 外 は ほ と ん ど影 響 しな い の で 省 略 す る。 各 ス イ ッチ ン グ周 期 内 に お い て 便 宜 的 に 一 定 と し て 表 し た 脈 流 電圧 の 値 を 入 力 電 圧E,低 圧回 路 の イ ン ダ ク タ ン ス,抵 抗,コ ン デ ン サ を 各 々L1,R1,C1,変 圧器 の 一 次,二 次 お よ び 相 互 イ ン ダ ク タ ン ス をLT1, LT2,Mと す る。 ま た,高 圧 回 路 の イ ン ダ ク タ ン ス, 抵抗,コ ンデ ン サ をL2,R2,C2,マ グネト ロ ン の カ ツ トオ フ電 圧 と 等 価 抵 抗 をEMGT,RMGTと し,各 電 圧, 電 流 な ど を 図3に 示 す 記 毎,極 性 とす る と,期 間 五の 間は 次 式 が成 り立 つ 。

(1)

Qを オ フ し た後 の 期 間Ⅱ で は

(2)

が 成 り立 つ。 また,i2が 負 と な りD2が オ ンした後の 期間Ⅲ で は

(3)

が 成 り立 つ。 更 に,vc_??_が0よ り小 と な りD1が オ ン した 後 の 期間Ⅳ で は

(4)

が 成 り立 つ。i1が0よ り大 とな る と,再 び 期間 Ⅱとな る 。 な お,入 力 電 圧Eは,商 用 電 源 の 周 期 で0か ら 160V間 に 変 わ る整流 した脈 流 電 圧 の た め,前 述 した 計 算 武 を基 に 数 値 解 析 した 。 <3・3>解 析 結 果  高 圧 リ ア ク トル 方 式 と低圧 リ ア ク トル 方 式 の 電 源 に つ い て,共 振 形 と して安 定に動 作 す る 回 路 定 数 の選 定 を行 っ た後,フ ィ ラメ ン ト加熱

図5変

圧器二 次巻線電圧 波形

Fig. 5. Transformer secondary voltage waveforms.

電 子 レ ン ジ用 イ ンバ ー タ 武 電 源 電圧に 影響 す る変 圧 器 二 次 巻 線 電 圧 の差 異 に つ い て検 討 した 。図5に 両 方 式 の 変圧 器 二 次 巻 線 電 圧 の 比 較 を 示す。 変圧 器 や リア ク トル な どの 回路 定 数 は表1に 示 す.な お,変 圧 器 の 一,二 次 の 結 合 係 数 は 約0.99で 漏 れ イ ン ダ ク タ ン ス は 小 さ い。 入 力 電 圧Eは140 V,ト ラ ン ジス タの オ ン時 間 は15FSで あ る。 高 圧 リ アク トル方 武 の 二 次 巻 線 電 圧 は,(a)図 に 示 す よ う に 期 間1で は入 力 電 圧 κ で定 ま る 値,期 間Ⅱ か らⅣ で は回路 定数 で 生 ず る振 動 波 形 の 電 圧 とな って い る。 こ れに対 して,低 圧リ ア ク トル 方 威 で は,〈 も)図 に示 す ように期 間Ⅰ,Ⅱ で は マ グ ネ トロ ン電 圧 と コ ン デ ンサ 電圧vc2の 差電 圧,期間Ⅲ か ら 理 で は コ ン デ ンサ 電 圧 砲 で変 わ る振 幅 の 電 圧 波 形 とな っ て い る。 両 者 の 電圧 振 幅 に は,2対1位 の 大 き な 差 異 が ある 。 し か も,出 力制 御 の た め トラ ン ジ ス タ の オ ン時 閥 を 変 え る と,図6に 示 す よ う に その 差 異 が 大 き くな る 。 トラ ンジ ス タの オ ン時 間 を 動作 周 波 数 範 囲 よ り考 え られ る20∼10μsの 範 霞 で 変 え た と き の 二 次 巻 線 電 圧 振 幅 の 低下 比 率 は,高 圧 リ ア ク トル 方 式 で は 約28% とな る。 これ に対 して,低 圧 リア ク トル 方 式 で は そ の 1/2以 下 の約12%に 抵 減 して い る。 フ ィ ラ メ ン ト加熱 用巻線 を二次 巻線 に密 結合 で 巻 くな らば,フ ィラ メ ン ト加熱 電 圧 は,二 次 巻 線 電 圧 に 比 倒 し た 電 圧 に で きる。 従 っ て,低 圧 リア ク トル 方 式 は,マ グ ネ トロ ンの 定 電圧 特 性 を利 用 で きる た め,出 力 制 御 時 の フ ィ ラ メ ン ト加熱 電 圧 の 振幡 変 化 を低 減 可 能 で,高 圧リ ア ク トル 表 三 計 算 時 の 毬 路定 数

Table 1. Circuit parameters for calculation.

図6  二次巻線 電圧の振幅

Fig. 6. Maximum value of the tranformer secondary voltage. 方式 よ り も フ ィ ラ メ ン ト温 度 の 安 定 化 の 画 で 有 利 とな る。 更 に,変 圧 器 の二 次 巻線 電 圧 を約1/2に 低 減 で き る の で,変 圧 器 巻 線 や ダ イ オ ー ドな どの 電圧 責 務 を軽 減 で き る とい う特 徴 もあ る。 な お,高 圧 リア ク トル 方 式 で は,リ ア ク トル に 流 れ る 電 流 が 低 圧 側 の 約 1/10∼1/20と 小さ い た め,低 圧 リア ク トル 方 式 に比 べ 婆ア ク トル を小 形,軽 量 に で き る。   4.変 圧 器 の 検 討   <4・1>変 圧 器 の 巻線損 失    変 圧 器 で は,一 次 巻 線 側 は電 流 が 大 きい た め発 熱 が 問題 で あ り,二 次巻 線 側は高 電 圧 とな るの で 巻 線 の各 層 間 の 電 圧 分 担 が 問題 とな る。 まず,変 圧 器 の巻 線 損 失 につ い て検 討 す る。   図7に 電 流 波 形 の 一 例 を 示 す が,一 次 巻 線 に は ス イ ッチ ン グ周 波 数 め 成 分 の ほ か,主 に 直 流 成 分 と第 二 次,第 三 次 の 高 調波 成 分 が 含 まれ て い る。 また,出 力 調 整 の 面 よ り,ス イ ッ チ ン グ周 波 数 は約20∼50kHz 間で制 御 し,し か もマ イ ク ロ 波 出 力500Wを 得 る た め40Aく ら い の電 流 を流 す 必 要 が あ る。 そ こで,巻 線 損 失 軽 減 の た め リ ッツ線 を用 い る必 要 が あ り,巻 線 と損 失 の関係に つ い て検 討 した.   まず,イ ン ピー ダ ンス ア ナ ラ イ ザ を 用 い て 周 波 数 を 変 え た と きの 巻線 抵抗 を灘 定 した。 な お,変 圧 器 は, 鉄 心 に はEI-70の 形 状 のMn-Znフ ェ ラ イ トを用 い, 図8に 示 す よ う に 内側 に二 次 巻 線 を4層(a∼d)に, その 外 周 に一 次 巻線 を2層(イ,ロ)に 巻 く構 造 と し た。 鉄 心 な しで,二 次 巻 線 を開 放 して 灘 定 し た一 次 巻 線 抵 抗 を図9に 示 す 。 な お,リ ッツ線 は,導 体 断 面 積 が 3mm2と ほ ぼ 同一一に な る よ う に 素 線 寸 法 を 変 え た

図7  変圧 器巻線電流波形

 (低圧 リア ク トル方武)

Fig. 7. Calculated transformer current waveforms.

図8変

圧 器の巻線構造

Fig. 8. Cross section of transformer.

種 の も の を用 い た 。 図 示 の よ う に,周 波 数 が5kHz 以 下 で は巻 線 抵 抗 が ほ ぼ 同 一 で あ る が,10kHzく ら い 以上 の 周 波 数 領 域 で は 素線 寸 法 の 細 い リ ッ ツ線 ほ ど 抵 抗 が 小 さ くな っ て い る 。 比 較 の た め,二 次 巻 線 な し で ほ ぼ 同 一 寸 法 に な る よ う に巻 い た一 次 巻 線 単 独 で の 抵 抗 は,10kHzく ら い以 下 の 周 波 数 領 域 で は 図9と 同様 の 値 とな っ た。 しか し,10kHzく ら い 以 上 の 周 波 数 領 域 で は 図9の 値 よ り低 下 す る な ど,開 放 状 態 に もか か わ らず 二 次 巻 線 の有 無 に よ り測 定 値 が 異 な る こ .とが わ か った 。 リ ッ ツ線 を,素 線 を 束 ね た よ り線 の外 径 を有 す単 線 と考 え る と,単 線 の外 径 は エ ナ メ ル線 の 仕 上 り寸 法 を 考 慮 す る と約2.5㎜ とな る。 こ の鞠2本 が 密 着 し て,し か も並 行 に配 置 さ れ て い る もの とす る。 表 皮 効 果 や 近 接 効 果(１l)を考 慮 す る と,周 波 数 が100kHzに お け る 抵 抗 は,10kHz時 の 値 の 約3.8倍 とな る。 こ れ に対 し,例 え ば素 線'寸法0.3φ の リ ッツ線 の イ ン ピ ー ダ ン ス ア ナ ラ イ ザ に よ る測 定 結 果 で は ,抵 抗 の増 大 比 率 が 約9.7倍 と大 幅 に 大 き くな っ て い る。 比 較 の た め,断面 が3×1.7mmの 平 角 線 の 周 波 数 特性 の 測 定 結 果 を 図9の〓 印 に 示 す 。 な お,平 角 線 の場 合 は,巻 き枠 の都 合 上 二 次 巻 線 な し と し た。 平 角 線 の 断 面 積 は リッ ツ線 の 約1.7倍 の た め,3kHzく ら い 以下 の 周 波 数 領 域 で は リ ッツ線 よ りも抵 抗 が 小 さ く な っ て い る。 し か し,周 波 数 が3∼50kHzの 間 で は 平 角線 の ほ うが 抵 抗 が 大 き くな り,周 波 数 が そ れ 以 上 の領 域 に な る と再 び抵 抗 が 小 さ くな る 傾 向 を示 して い る。 しか も,10kHzで の 抵 抗 に対 す る40お よ び100 kHzで の値 は 約1.9と3.8倍 と な り,表 皮 効 果 や 近 接 効 果 を考 慮 し た増 加 比 率 とほ ぼ 等 し い。 次 に,周 波 数 が10∼100kHzの 正 弦 波 の 交 流 電 流 を通 流 し た と き の 損失 を 測 定 し た。 図10に 周 波 数 と

図9  一次巻線抵 抗の周波数依 存性

Fig. 9. Relation between resistance of pri mary winding and operation frequency.

図10  変圧器 の損失測定結果

Fig. 10. Loss of transformer.

損 失 の 関 係 を 示 す 。 図 は一 次 巻 線 の 素 線 寸 法 を変 えた とき の 二次 巻 線 を含 む巻 線 損 失 を示 す 。 な お,二 次巻 線 単 独 の損 失 や 鉄 損 は 図 示 の よ うに小 さい。 図9に 示 した抵 抗 の 測 定 結 果 と同様 に,一 次 巻線 の素 線 を細 く して素 線 数 を多 くす る ほ ど損 失 が低 下 す る ことがわか る。 周 波数 に よ る損 失 の 増 加 割 合 は,図9に 示 した抵 抗 値 と同様 に表 皮 効 果 や 近 接 効 果 を 考 慮 した増加比率 よ り も大幅 に大 き い。   これ らの 点 よ り,リ ッ ツ線 の 転 移 が 不 完 全 なため各 素 線 の 電 流 に ア ンバ ラ ン スが 生 じて 損 失 が増 加 してい る もの と考 え られ る。 ま た,各 層 の 巻 線 の イ ンダ クタ ンス や 結 合 係 数 の ア ンバ ラ ンス と,各 層 間 の静 電容量 に起 因 し て流 れ る 電 流 に よ っ て も損 失 が 増 加 してい る もの と考 え られ る 。 な お,高 電 圧,高 周 波 の変 圧器の た め 誘 電 体 損失(10)も考 え られ る が,こ こ で は検 討 し な い 。 損 失 の増 加 理 由 を明 確 にす る た め,一 次巻線単 独 で 損 失 を検 討 した 。 ま ず,図8の 変 圧 器 巻 線構造 よ

電 子 レ ン ジ 用 イ ンバ ー タ式 電 源 り,一 次 巻線 イ,ロ を非 分 割 の ま まで イ ンダ ク タ ン ス と抵抗 や 結 合係 数,お よ び イ,ロ 間 の静 電 容 量 を求 め た。 これ らの 回路 定 数 を用 い た 後 述 の よ うな 等 価 回路 の交 流解 析 に よ り回 路 電 流 を 求 め た 。 次 に,低 周 波 時 の抵 抗 を基 に表 皮 効 果 や近 接 効 果 を考 慮 して 求 め た抵 図11巻 線 モ デ ル と計 算 回 路 Fig. 11. Transformer winding model and its equivalent circuit.

図12変

圧器巻 線損失 の検討

(一次 巻線 単独)

Fig. 12. Loss of the transformer primary winding. 抗 と,先 に求 め た 回 路 電 流 よ り巻 線 損 失 を計 算 した 。 測 定 値 と分 割 層 数1(非 分 割)の 計 算 値 の 関 係 を 図 12に 示 す。20kHzく ら い で は 損 失 が 同 程 度 と な る が,周 波 数 が 高 くな る に伴 い 差 異 が 大 き くな る 。 そ こ で,リ ッツ線 の 転 移 の 不 完 全 さ に よ る差 異 を 明 確 にす る た め,図11(a)に 示 す よ う に リ ッ ツ線 を 多 層 に 分 割 した 簡 略 化 モ デル を 考 え た 。 図 は リ ッ ツ線 を4層 に 分 翻 した 巻線 モ デ ル を 示 す 。(b)図 に 分 割 した リッ ツ 線 の 自 己 イ ン ダ ク タ ンス とお 互 い の結 合 状 況,お よ び 静 電 容 量 に よ る影 響 を 考慮 した 計 算 回 路 を示 す 。 分 割 数 を2,4と 変 えた と き の 周 波 数 と損 失 の 関 係 を 図12 に 示 す 。 リ ッ ツ線 を4分 割 した モ デ ル で は,ほ ぼ実 測 した損 失 に近 い結 果 が 得 られ た 。 実際 に は,リ ッ ツ線 内 は 転 移 され て い る の で,図 示 の よ う に,多 層 に分 割 した モ デ ル ほ ど各 素 線 間 の イ ン ダ クタ ン スや 静 電 容 量 が ア ンバ ラ ン ス して い な い よ う に見 え る。 しか し,各 巻 線 の イ ン ダ クタ ンス や 巻 線 間 の 結合 係 数 が ほ ぼバ ラ ン スす る よ うに 巻線 モ デ ル を変 え た場 合 は,4層 に分 割 し て も図示 の 非 分割 の 場 合 と同 一 の 値 と な っ た。 従 っ て,各 素線 間 の イ ン ダ ク タ ンス や 結 合 係 数 お よ び静 電 容 量 な どの ア ンバ ラ ン ス に よ り,一 次 巻 線 の損 失 が 増 大 して い る もの と考 え られ る。       表2  二 次 巻 線 電 圧 分 担 Table 2. Voltage distributions of torans-former secondary windings.

図13  電圧分担 の計算 回路

Fig. 13. Equivalent circuit for voltage dis. tribution calculation.

<4・2>変 圧 器 二 次 巻 線 の電 圧 分 担 次 に,二 次 側 の 巻 線 の巻 線 層 間 の 電 圧 分 担 につ い て検 討 す る。 巻 線 法 や 絶 縁 物 な ど に よ り,巻 線 間 の 結 合 係 数 や 静 電 容 量 が 異 な る が,こ こで は 図8に 示 す 変 圧 器 巻 線 構 造 の 場 合 に つ い て検 討 す る。 前 述 し た損 失 の 計 算 と同 様 に,一 次 巻 線 を4層 に 分 割 した 図13の 等 価 回 路 を 用 い た。 巻線 構 造 よ り巻 線 間 の イ ン ダ クタ ン ス,結 合 係 数 や 静 電 容 量 な どを求 め,交 流 解 析 に よ り各 層 の 電 圧 分担 を求 めた 。 均 等 に分 担 した と きの 値 を単 位 値 で 表 し た電 圧 分 担 比 率 を 表2に 示 す 。 最 内 周 の 鉄 心 に 一 番 近 い α層 は 分 担 電 圧 が小 さ くな り約85.6%,一 次 側 の 巻 線 に 一 番 近 いc層 は,電 圧 分 担 が 一 番 き つ く約114.8%で あ り,電 圧 の 分 担 上 特 に 問題 とな る 点 はな い こ とが わ か っ た。 な お,二 次 巻 線 に接 続 した 負 荷 抵 抗 に流 れ る電 流 の 計 算 値 は 実 測 値 の約90%と な り,回 路 の モ デ ル 化 や 定 数 が ほ ぼ妥 当 で あ る もの と考 え られ る 。 また,層 間 絶 縁 の軽 減 の た め巻 線 を軸 方 向 に分 割 し て巻 く分 割 巻 の 場 合 に つ い て,5分 割 を例 に 前 述 と同 様 に 求 め た 結 果,内 側 の 巻 線 の 電 圧 分担 が 一 番 きつ い が 約113.5%と 前 述 の 値 と同 程 度 とな り,問 題 が な い こ とが わ か っ た。 5.電 源 の 特 性 <5・1>動 作 波 形 図14に 低 圧 リア ク トル 方式 の 電 源 の 交 流 入 力 電 圧 の 一 周 期 間 で の 入 力 電 流,マ グ ネ トロ ン電 流 波 形 を 示 す 。 起 動 回 路 お よび タ イ ミングを 調 整 す る発 振 回路 の 作 用 に よ り,交 流 入 力電庄0の 近 傍 か ら動 作 を行 い,安 定 な 運 転 が 持 続 して い る。図 15(b)は,交 流 入 力 電 圧 位 相 が90度 近 辺 に おけ るイ ンバ ー タ動 作 周 期 で の 各 部 動 作 波 形 例 を 示す。 トラン ジス タ電 圧 は,完 全 に振 動 状 態 に な り0に 戻 る共振動 作 を し て お り,ス イッ チ ング 損 失 の低 減 が図 られてい る。 な お,全 動 作 領 域 で 見 る と図4に 示 す よ うに低出 力 時 に 一 部 領 域 不 完 全 な共 振 動 作 が生 じてい るが,電 圧 の 極 小 点 で トラ ン ジ ス タ をオ ン動 作 す るの でスイッ 図14電 源 の 各 部 波 形(低 圧 リア ク トル 方 式)

Fig. 14. Experimental waveforms of power supply input voltage, current and magnetron anode current.

図15各

部 の 動 作 波 形

Fig. 15. Experimental waveforms of transistor collector-emitter voltage, transformer secondary voltage, primary current, secondary current and magnetron current.

電 子 レ ン ジ 用 イ ンバ ー タ式 電 源 チ ング損 失 はあ ま り生 じ な い。 高圧 リア ク トル 方 式 と低 圧 リ ア ク トル 方 式 め 電 源 の 動作 波 形 の 比 較 を 図15(a),(b)に 示 す。 高 圧 リア ク トル 方式 で は,変 圧 器 二 次 巻 線 側 の漂 遊 容 量 な どに よ り,電 圧 波 形 に高 周 波 の 振 動 が 現 れ て い る が,図 5,図7に 示 し た解 析 結 果 と良 く一 致 した 波形 が 得 ら れて い る。 高圧 リア ク トル 方 式 に比 べ 低 圧 リア ク トル 方式 は,解 析 結 果 の とお り図 示 の よ う に高 圧 回路 の 電 圧 を大 幅 に 低 くで きた 。 <5・2>出 力特性 図16に 出 力 制 御 時 の マ グ ネ ト ロンの フ ィラ メ ン ト温 度 変 化 を示 す。 な お,温 度 測 定 の便 宜 上,マ イ ク ロ 波 出 力 用 と フ ィ ラ メ ン ト加 熱 用 は,別 マ グ ネ トロ ンで行 った 。 高 圧 リア ク トル方 式 で は,ト ラ ン ジス タ の オ ン時 間 を小 さ くして 出力 電 力 を 低下 させ る と,高 圧側 リア ク トル の電 圧 降 下 が減 少 す る。電 圧 降下 の減 少 分 だ け変 圧 器 巻線 電 圧 が 低 下 し, フィラ メ ン トの加 熱 電 圧 も低 下 す る 。 しか も,動 作 周 波数 の増 大 に伴 い フ ィ ラ メ ン ト回路 の イ ン ピー ダ ン ス が増加 す るの で,一 層加 熱 電 力 が減 少 し て フ ィ ラ メ ン ト温 度 が 低 下 す る。 この た め,出 力 が40%以 下 で は フ ィ ラ メ ン ト温 度 を許 容 範 囲 内 に保 つ こ とが で き な か っ た。 これ に対 し て,低 圧 リ ア ク トル 方 武 で は,マ グ ネ トロ ンの 定 電 圧 特 性 を利 用 して フ ィラ メ ン トの 加 熱 電 圧 の変 動 を抑 制 で き る 。 この た め,出 力 の 全 制 御 範 囲 に わ た って フ ィラ メ ン ト温 度 を許 容 範 囲 内 に 保 つ こ とが で きた 。 図17に 動 作 温 度 条 件 を 変 え て,マ グ ネ トロ ン の カ ッ トオ フ電 圧 を変 化 した と きの マ イ ク ロ 波 出 力 の 制 御 範 囲 を 示 す 。 高 圧 リア ク トル 方 式 で は,カ ッ トオ フ電 圧 の 高 い領 域 で は,図16に 示 した よ うに マ イ ク ロ波 の 出 力 制 御 範 囲 は,約40∼100%で あ る。 し か し,カ ッ トオ フ電 圧 が 低 下 す る と,フ ィ ラ メ ン ト加 熱電 圧 が 更 に低 下 す るの で,出 力制 御 範 囲 が 図 示 の よ うに 一 層 狭 くな る。 これ に対 して,低 圧 リア ク トル 方 式 で は,カ ッ トオ フ電 圧 が低 下 して も フ ィラ メ ン ト加 熱 電 圧 の低 下 が少 な い。 この た め,フ ィ ラ メ ン ト温 度 が 許 容 範 囲 内 に維 持 さ れ,カ ッ トオ フ電 圧 の 全変 化 範 囲 にわ た っ て マ グ ネ トロ ン の 出 力 を5∼100%の 範 囲 に 安 定 に制 御 す る こ とが で きた 。 <5・3>電 源 の 効 率 前 述 の 検 討 内 容 を基 に,低 圧 リア ク トル 方 式 の電 源 を 開 発 した 。 変 圧 器 は,一 次 巻 線 は0.12φ の 素 線 を286本 胴 い た リ ッツ 線,二 次 巻 線 に は0.3φ の 単 線 を 周 い た。 電 源 の 損 失 分 析 結 果 を図18に 示 す 。 図 は マ イ ク ロ 出 力 が 最 大 に な る よ う に,ト ラ ン ジ ス タ の オ ン時 間 を入 力 電 圧Eに 応 じ て設 定 した と きの 損 失 を 示 す 。 変 圧 器 の 損 失 が 全損失 の 約50%を 占 め て お り,し か も そ の 大 部 分 が 一 次 巻 線 損 失 で あ る。 トラ ン ジス タ 損 失 は,不 完 全 な 共 振形 動 作 が発 生 しな い領 域 な の で,ほ とん ど導 通 時 損 失 で 図16出 力 調 整 時 フ ィ ラ メ ン ト温 度 変 化

Fig. 16. Relation between output power and temperature of filament in magnetron.

図17マ グ ネ トロ ンの カ ッ トオ フ 電 圧 変 化 時 の 出 力 変 化 範 囲

Fig. 17. Relation between cutoff voltage of magnetron and controlable output power range.

図18イ ンバ ー タ電 源 の損 失 分 析 Fig. 18. Loss analysis on inverter type power supply.

あ る。 な お,各 部 の温 度 上 昇 は す べ て50deg以 下 で 問 題 が なか っ た。 交 流 入 力 電 圧 が90∼110Vに 変 化 し た と き の 電 源 効 率 は,従 来 電 源 に比 べ 約2%高 い82∼85%を 得 た 。 また,本 電 源 の 入 力 力 率 は約95%を 得,電 源 重 量 も従来 品 の 約1/4の1.2kgに 軽 減 で きた 。 6.む す び マ イ ク ロ 波 出 力500W級 の電 子 レ ン ジ用 電 源 を 対 象 と した共 振 形 の イ ンバ ー タ式 電 源 につ い て,解 析 と 実 験 を対 比 しつ つ 検 討 を行 い,次 の 結 果 を得 た 。 (1)共 振 リア ク トル を低 圧 回 路 に接 続 した 低 圧 リ ア ク トル 方 式 は,マ グ ネ トロ ン の定 電 圧 特 性 を利 用 し て 出 力 制 御 時 の フ ィラ メ ン ト加 熱 電 圧 の 変 動 を低 減 で き る。 この た め,高 圧 リア ク トル方 式 に比 べ フ ィラ メ ン ト温 度 の 安 定 性 の 面 で 有 利 で,広 範 囲 な 出 力制 御 が 可 能 で あ る 。 (2)変 圧 器 一 次 巻 線 に用 い た リ ッツ線 で は,転 移 の不 完 全 さ に起 因 した各 素線 間 の イ ンダ ク タ ン ス や結 合 係 数 の ア ンバ ラ ンス と静 電 容 量 に よ り,各 素 線 電 流 に ア ンバ ラ ン ス が 生 じ損 失 が 増 大 す る 。 (3)変 圧 器 二 次 巻 線 の 電 圧 分 担 の差 異 は,各 巻 線 の イ ン ダ ク タ ン ス や結 合 係 数 と巻 線 間 の 静 電 容 量 を考 慮 して 計 算 した結 果,±15%以 下 で 問題 な い こ とが わ か った 。 (4)(1)∼(3)項 の検 討 に基 づ き構 成 した 低 圧 リ ア ク トル 方 式 の 電 源 は,所 望 の 出力 特 性 を 有 し,出 力 を5∼100%に 連 続 して 可 変 す る こ とが で きた 。 ま た, 効 率 は従 来 品 に比 べ約2%高 い82∼85%に 向 上 で き, しか も電 源 重 量 は 約1/4の1.2kgに 軽 量 化 で きた 。 終 りに,本 研 究 に あ た り御 指 導,御 助 言 を い た だ い た 当 社 日立 研 究 所 植 田 部 長 に 厚 くお 礼 申 し上 げ る。 ま た,実 験 な ど御 協 力 い た だ い た 当 所 大 和 育 男 君, 佐 藤 正 好 君 と 日立 デ バ イ ス 尾 高 照 明 君 に お 礼 申 し上 げ る 。(平 成 元 年3月27日 受 付) 文 献 (1)大 和,他:「 オ ン・オ フチ ョ ッパ に よ る電 子 レ ン ジ用 マ グ ネ ト ロ ン駆 動 電 源 」,昭61電 気 学 会 全 大,No.529 (2)徳 永,他:「 電 子 レ ン ジ 用 イ ン バ ー タ 式 電 源 」,昭63同 上, No.551 (3)徳 永,他:「 電 子 レ ン ジ 用 イ ン バ ー タ 式 電 源 」,SPC88-59(昭63) (4)牛 嶋,他:「 マ グ ネ トロ ン を 負 荷 とす る イ ンバ ー タ の 制 御 方 式 」,昭56電 気 学 会 全 大,No.503 (5)中 田,他:「 電 子 レ ン ジ加 熱 電 力 制 御 の た め マ グ ネ ト ロ ン駆 動 用 イ ンバ ー タ の検 討 」,信 学 論,J68-C,No.6(昭60) (6)岩 田,他:「 プ ッ シ ュ プ ル イ ン パ ー タ を 用 い た マ グ ネ トロ ン 駆 動 用 高 周 波電 源 」,昭61電 気 学 会 全 大,No.528 (7)岩 田,他:「 高 周 波 イ ンバ ー タ を 用 い た マ グ ネ トロ ン駆 動用 電 源 」,信 学 研 資,PE86-5(昭61) (8)硲 口,他:「CADに よ る マ グ ネ トロ ン用 イ ンバ ー タ回路 の設 計1.SanvoTechnicalReview4.No.1(昭57〕

(9) D. Bessyo, et al, "A new switching power supply for magnetron using a new device and a novel transformere",

PCIM '88 Proceedings (10)栗 田,他:「 高 圧 高 周 波 トラ ン ス の誘 導 体 損 失 」,信 学研 資,     PE 85-22(昭60) (ll)電 気 工 学 ハ ン ドブ ッ ク   徳 永 紀 一(正 員)   昭 和16年2月11日 生 。34年3 月長 野 県 立 長 野 工 業 高 等 学 校電気科 卒 業 。 同 年4月(株)日 立 製 作 所 入 社 。 同社 日立 研 究 所 にお い て電力用 半 導体 素 子 の評 価 お よ び イ ンバ ー タ応 用 の 研究,開 発 に 従 事,現 在 に 至 る。 松 田 靖 夫(正 員) 昭 和18年12月2日 生 。44年 横 浜 国 立 大 学 大 学 院 工学 研 究 科修士課 程 修 了 。 同 年4月(株)日 立製 作所入 社 。 同 社 日立研 究 所 に お いて,イ ン 一 夕 回 路 お よ び交 流 電 動 機 駆 動 へ の イ ンバ ー タ応用の 研 究 に 従 事 。.平成 元 年10月(株)日 立 ア メ リカに勤務, 現 在 に 至 る。 工 学 博 士 。IEEE会 員 。 石 山 国 雄(非 会 員) 昭 和19年1月26日 生 。37年3 月群 馬 県 立 高 崎 工 業高 等 学 校電気通 信 科 卒 業 。 同年4月(株)日 立製作所 入 社 。 同 社 茂 原 工 場 におい てUHF 送 信 管 、 テ レ ビ ジ ョン用 撮 像 管 な どの 製 造 検査 を担当 し た 後,マ グ ネ トロ ン の 設 計 や 利 用 技 術 の 開 発 に従 事,現 在 に 至 る。 副 参 事,技 師 。 天 野 比 佐 雄(正 員) 昭 和7年9月22日 生 。31年3月 東 京 都 立 大 学 工 学 部 電 気 科 卒 業。同 年4月(株)日 立 製 作 所 入社 。 同社 日 立研 究 所 に お い て 電 力 用 半 導体素子 め評 価 お よ びイ ンバ ー タ応 用 の 研 究,開 発 に従事 。63 年2月 日立 エ ン ジニ ア リ ング(株)主 管 技 師 長,現 在 に 至 る。 工 学 博 士 。IEEE会 員 。