普通科高校生が興味本位でIH装置を作り鋳造するまでの話

はじめに

この記事はWHITEPLUS Advent Calendar 2018 - Qiita 13日目になります。
初めまして！WPに新卒エンジニアとして入社しました"まっすー"です。どんな人間かは前に記事を書いたので、そちらをご覧ください！

きっかけ（なぜIH装置に興味を持ったか）

高校に入り、たまたまYouTubeで技術系の動画でIH装置（例：電磁調理器）を個人で製作しているモノを見たとき、火が無いのに金属が溶解する様子を見て「魔法みたい！」と思い興味が湧き、「こんなふうに個人で作れるなら、自分にも作れるのでは無いか？？」と思い、挑戦してみようと思いました。

• アルミ、銅、、、等の鋳造
• 鉄の鍛造

4つの大きな壁

1 . 回路図が読めない

電子、電気工作しようと思ったは良いが回路図が読めなかった。例で言うと英語を本当に初めて習うときに近い感覚。。。 逆に今はそこそこ読めるので、あの時なんでわからなかったかが謎w、、、

そんな中IH装置について調べるわけです、IH　回路図とかでググってみるわけですね。 そんな初心者がいきなり始めるものでもないと思いますけど、、、

調べてみると色々な回路図が出てきますので、、、そこから共振回路や誘導加熱の原理なんかを勉強していきました。 IHの加熱原理は電磁誘導によって金属にジュール熱を発生させて加熱するというもので、詳しくは 誘導加熱の原理

２ . うまく動かない

調べてみて一番できそうなものをモデルにして実際に作ってみました。まあ、回路図見ながら繋げていったわけです、、、

まずはシングルドライブ（スイッチング素子が１つ）で作りました、これは簡単に動きました。信号も１つで回路もすごく単純なので動くわけですね。 そして、パワーを求めてハーフブリッジ（スイッチング素子が２つ）やフルブリッジ（スイッチング素子が４つ）を試していく事になりました。。。

ハーフブリッジのシュミュレーション

⬆️の波形は負荷にかかる電圧、電流波形です、電源電圧30Vの時、＋ー15.19Vなのでちょうど30.38Vで電源電圧ぶんがかかっています。（1mΩはないとシュミュレーションでエラーになるので、、、この辺りは微妙です。教えてくださいmm）

フルブリッジのシュミュレーション

⬆️の場合、同じ電源電圧なのに負荷にかかる電圧は＋ー29.11Vで約60Vほど掛かっています。ハーフブリッジがコンデンサによって中間電位を作っているのに対してこちらは使ってません。その分電圧が2倍になります。出力で言うと4倍になります。

シュミュレーションソフト

３ . 動いたが素子が壊れる

パワーを求めてフルブリッジを組んだはいいがスイッチング素子がすぐ壊れるという事態に陥りました、定格は600V40Aとか書いてるのになんで？？？となりました、40Aも流せるなら家庭で使用する分にはまず壊れないだろ？？と。

原因を色々考えた結果、一番大きな原因がインピーダンス変換のためのトランスが磁気飽和を起こしていた事でした、、、確かにちっさいコア使ってましたし、熱くなってました、、、かなりのガバガバ設計ですね。。。
（インピーダンスは抵抗成分と捉えてください）

磁気飽和は最大磁束密度を超えると発生して、インピーダンスが非常に小さくなる現象です。 インピーダンスが非常に小さいので素子に大電流が流れ定格を超えて壊れます。。。 この辺りは理論なので見よう見まねでやってみたじゃ分からないとこですね、、、 磁気飽和

４ . 一応完成

完成したIH装置

もう5年とか経ってます早いですね。。。 この動画のチャンネルを見てもらえば最初のローパワーからハイパワーなIHになっていく過程が見えます。w

最終的に素子はハーフブリッジのIGBTモジュールを２個使ってフルブリッジを構成しています。定格も600V300Aとかになってますw

コンデンサもEFDという会社のもので共振用に使われる大電流が流せるものです！ ちなみに、これらの素子は高く普通の高校生には買えないのでヤフオクやebayを使って買いました。ほんとにありがたいです。

５ . とはいえ終わらない

もうしばらく動画あげてないのですが、最近Arduinoの便利さにハマってますw 動画のものはPLLのICを使ってそれを２相にしてますがそこの部分をArudinoで制御してシンプルかつ調整しやすくしようと、、、でも１相の信号を2相にするのってどうするのが一番いいのだろう、、、教えて欲しいです！