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KR102040219B1 - 간섭 소음 제거 및 출력 제어 기능이 개선된 유도 가열 장치 - Google Patents

간섭 소음 제거 및 출력 제어 기능이 개선된 유도 가열 장치 Download PDF

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KR102040219B1
KR102040219B1 KR1020180000947A KR20180000947A KR102040219B1 KR 102040219 B1 KR102040219 B1 KR 102040219B1 KR 1020180000947 A KR1020180000947 A KR 1020180000947A KR 20180000947 A KR20180000947 A KR 20180000947A KR 102040219 B1 KR102040219 B1 KR 102040219B1
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switching
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박병욱
오두용
옥승복
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엘지전자 주식회사
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Abstract

본 발명은 간섭 소음 제거 및 출력 제어 기능이 개선된 유도 가열 장치에 관한 것이다. 또한 본 발명의 일 실시예에 따른 유도 가열 장치는, 워킹 코일, 스위칭 동작을 통해 워킹 코일에 공진 전류를 인가하는 인버터부 및 스위칭 동작을 제어하기 위해 고정 주파수를 가지는 제어 신호를 인버터부로 제공하는 제어부를 포함하되, 제어부는 인버터부의 온도를 토대로 미리 설정된 주기마다 제어 신호의 펄스 폭을 변경한다.

Description

간섭 소음 제거 및 출력 제어 기능이 개선된 유도 가열 장치{INDUCTION HEATING DEVICE HAVING IMPROVED INTERFERENCE NOISE CANCELING FUNCTION AND POWER CONTROL FUNCTION}
본 발명은 간섭 소음 제거 및 출력 제어 기능이 개선된 유도 가열 장치에 관한 것이다.
가정이나 식당에서 음식을 가열하기 위한 다양한 방식의 조리 기구들이 사용되고 있다. 종래에는 가스를 연료로 하는 가스 레인지가 널리 보급되어 사용되어 왔으나, 최근에는 가스를 이용하지 않고 전기를 이용하여 피가열 물체, 예컨대 냄비와 같은 조리 용기를 가열하는 장치들의 보급이 이루어지고 있다.
전기를 이용하여 피가열 물체를 가열하는 방식은 크게 저항 가열 방식과 유도 가열 방식으로 나누어진다. 전기 저항 방식은 금속 저항선 또는 탄화규소와 같은 비금속 발열체에 전류를 흘릴 때 생기는 열을 방사 또는 전도를 통해 피가열 물체에 전달함으로써 피가열 물체를 가열하는 방식이다. 그리고 유도 가열 방식은 소정 크기의 고주파 전력을 코일에 인가할 때 코일 주변에 발생하는 자계를 이용하여 금속 성분으로 이루어진 피가열 물체(예를 들어, 조리 용기)에 와전류(eddy current)를 발생시켜 피가열 물체 자체가 가열되도록 하는 방식이다.
한편, 종래의 유도 가열 장치의 경우, 복수개의 용기 가열시 각각의 용기의 출력을 토대로 구동 주파수가 설정되는바, 용기별 구동 주파수의 차이로 인해 간섭 소음이 발생한다는 문제가 있다. 나아가, 용기별 구동 주파수의 차이가 가청주파수 범위에 포함되는바, 사용자에게 소음으로 인한 불쾌감을 유발한다는 문제도 있다.
여기에서, 미국 공개 특허(US2010-0170893A1) 및 한국 공개 특허(KR10-2017-0075913A)를 참조하면, 종래의 유도 가열 장치가 도시되어 있는바, 이를 참조하여 종래의 유도 가열 장치를 살펴보도록 한다.
도 1은 종래의 유도 가열 장치를 설명하는 도면이다.
참고로, 도 1은 미국 공개 특허(US2010-0170893A1)에 도시된 도면이다.
먼저, 도 1을 참조하면, 종래의 유도 가열 장치의 경우, 간섭 소음의 원인이 되는 가청 주파수 대역의 고주파 전류가 발생하지 않도록 하기 위해 진폭 변조(Amplitude Modulation)를 이용하였다. 즉, 종래의 유도 가열 장치는 자기장(magnetic field)을 측정하는 LDV(Laser Doppler Vibrometer)로부터 획득한 정보를 토대로 용기 소음 제거 알고리즘을 수행한바, LDV 장치가 필요하다는 문제가 있었다.
또한, 한국 공개 특허(KR10-2017-0075913A)를 참조하면, 종래의 유도 가열 장치의 경우, 복수개의 용기 가열시 발생하는 간섭 소음을 최소화하기 위해 각 용기의 구동 주파수의 차를 최소화하고자 하였다. 그러나 이 경우, 출력 설정이 다른 용기를 비슷한 구동 주파수로 구동하고자 한다는 점에서 출력이 제대로 표현 안된다는 문제가 있었다. 특히, 낮은 출력을 표현하기 어려워 낮은 출력 표현시 턴온/턴오프 제어를 해야 한다는 문제가 있었다. 나아가, 턴온/턴오프 제어로 인해 연속적인 출력 동작이 어려워져 구동(즉, 동작)과 비구동(즉, 비동작) 간에 또 다른 종류의 소음이 발생한다는 문제도 있었다.
이와 같이, 종래의 유도 가열 장치에서 간섭 소음 문제를 해결하기 위해 다양한 방안이 강구되었지만, 해당 방안에서도 새로운 문제가 발생하였다. 이에 따라, 다른 해결 방안으로써 각 용기별 구동 주파수를 동일하게 설정하는 방법(즉, 고정 주파수 사용)이 강구되었다.
다만, 고정 주파수를 사용하는 상태에서 유도 가열 장치의 넓은 출력 범위를 만족시키기 위해서는, 제어 신호(즉, 스위칭 동작을 수행하는 인버터부로 제공되는 제어 신호)의 펄스 폭(즉, 듀티(Duty))이 조정(예를 들어, 10~50% 범위에서 조정)되어야 한다는 문제가 있었다.
또한, 듀티 조정에 따른 문제점도 발생할 수 있는바, 도 2 및 도 3을 참조하여 이에 대해 구체적으로 설명하도록 한다.
도 2 및 도 3은 종래의 유도 가열 장치에서의 듀티 조정에 따른 문제점을 설명하기 위한 그래프들이다.
먼저, 도 2를 참조하면, 상단 그래프에는 듀티(예를 들어, D1)가 50%일 때의 부하 전압(VL; 예를 들어, 스위칭 소자에 입력되는 전압) 및 부하 전류(IL; 예를 들어, 워킹 코일에 흐르는 전류)의 파형이 도시되어 있고, 하단 그래프에는 듀티가 50%일 때의 스위칭 소자 전류(Is)의 파형이 도시되어 있다.
참고로, 도 2에 도시된 그래프는 종래의 유도 가열 장치가 하프 브릿지(Half-Bridge) 형태의 인버터부를 포함한다는 것을 가정하였을 때의 그래프로, 이에 따라, 인버터부의 각 스위칭 소자(예를 들어, 제1 및 제2 스위칭 소자)에 인가되는 게이트 신호(즉, 전술한 제어 신호를 의미하며 스위칭 신호라고도 불림)는 상보적이다. 따라서, 제1 스위칭 소자에 인가되는 게이트 신호의 듀티(D1)가 50%인 경우 제2 스위칭 소자에 인가되는 게이트 신호의 듀티(D2)도 50%이고, 제1 스위칭 소자에 인가되는 게이트 신호의 듀티(D1)가 30%인 경우, 제2 스위칭 소자에 인가되는 게이트 신호의 듀티(D2)는 70%일 수 있다.
도 2에 도시된 바와 같이, 듀티가 50%인 경우, 부하 전압(VL)이 부하 전류(IL)보다 위상이 앞서는 상태가 유지되고, 스위칭 소자 전류(IS) 역시 별다른 문제가 없음을 알 수 있다.
이어서, 도 3을 참조하면, 상단 그래프에는 듀티(예를 들어, D1)가 30%일 때의 부하 전압(VL) 및 부하 전류(IL)의 파형이 도시되어 있고, 하단 그래프에는 듀티가 30%일 때의 스위칭 소자 전류(Is)의 파형이 도시되어 있다.
즉, 도 3에 도시된 바와 같이, 듀티가 35% 미만(예시적인 수치로 %는 변경될 수 있음)이 되는 경우, 부하 전압(VL)이 부하 전류(IL)보다 위상이 뒤쳐지는 상태로 변경되고, 이에 따라, 스위칭 소자 전류(IS)에 손실이 발생하게 되면서 스위칭 소자의 발열이 증가한다는 것을 알 수 있다.
즉, 듀티가 35% 미만이 되는 경우, 인버터부의 스위칭 소자에서는 ZVS(Zero Voltage Switching)가 되지 않고 역방향 회복 전류(reverse recovery current)로 인해 손실이 발생하며, 인버터부의 서지 전압, 돌입 전류 등을 경감시켜주는 스너버 커패시터(Snubber capacitor)에서는 방전 손실이 발생하는바, 스위칭 소자의 발열이 증가하게 된다는 문제가 있다.
본 발명의 목적은 복수개의 용기 가열시 발생하는 간섭 소음을 제거할 수 있는 유도 가열 장치를 제공하는 것이다.
또한 본 발명의 다른 목적은 넓은 출력 범위에서 연속적인 출력 동작의 구현이 가능한 유도 가열 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 목적들은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기의 설명에 의해서 이해될 수 있고, 본 발명의 실시예에 의해 보다 분명하게 이해될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 특허 청구 범위에 나타낸 수단 및 그 조합에 의해 실현될 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다.
본 발명에 따른 유도 가열 장치는 스위칭 동작을 통해 워킹 코일에 공진 전류를 인가하는 인버터부 및 스위칭 동작을 제어하기 위해 고정 주파수를 가지는 제어 신호를 인버터부로 제공하는 제어부를 포함함으로써 복수개의 용기 가열시 발생하는 간섭 소음을 제거할 수 있다.
또한 본 발명에 따른 유도 가열 장치는 인버터부의 온도를 토대로 미리 설정된 주기마다 제어 신호의 펄스 폭을 변경하는 제어부 및 인버터부와 복수개의 스너버 커패시터 간 연결을 선택적으로 개폐하는 릴레이를 포함함으로써 넓은 출력 범위에서 연속적인 출력 동작의 구현이 가능하다.
본 발명에 따른 유도 가열 장치는 LDV와 같은 별도의 장치를 추가하지 않고 고정 주파수 조건에서 펄스 폭 제어를 함으로써 복수개의 용기 가열시 발생하는 간섭 소음을 제거할 수 있다. 따라서, 별도 장치 추가에 소요되는 비용을 절약할 수 있고, 간섭 소음 제거를 통해 사용자 만족도 및 편의성을 개선할 수 있다.
또한 본 발명에 따른 유도 가열 장치는 추가 회로 없이도 스위칭 소자 과열 방지 및 넓은 출력 범위 구현이 가능하다. 또한 넓은 출력 범위에서 연속적인 출력 동작의 구현도 가능한바, 제품 성능 및 신뢰도 개선이 가능하다.
상술한 효과와 더불어 본 발명의 구체적인 효과는 이하 발명을 실시하기 위한 구체적인 사항을 설명하면서 함께 기술한다.
도 1은 종래의 유도 가열 장치를 설명하는 도면이다.
도 2 및 도 3은 종래의 유도 가열 장치에서의 듀티 조정에 따른 문제점을 설명하기 위한 그래프들이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 유도 가열 장치를 설명하기 위한 회로도이다.
도 5는 도 4의 인버터부의 온도 변화를 설명하기 위한 도면이다.
도 6 및 도 7은 도 4의 인버터부로 제공되는 제어 신호의 펄스 폭 변경 방법을 설명하기 위한 도면들이다.
도 8은 도 4의 유도 가열 장치가 존 프리(Zone free) 형태로 구현되는 경우를 설명하기 위한 회로도이다.
도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 유도 가열 장치를 설명하기 위한 회로도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 도면에서 동일한 참조부호는 동일 또는 유사한 구성요소를 가리키는 것으로 사용된다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 유도 가열 장치를 설명하기 위한 회로도이다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 유도 가열 장치(1)는 전원부(100), 정류부(150), 직류 링크 커패시터(200), 인버터부(IV), 복수개의 스너버 커패시터(CS1, CS2), 공진 커패시터(Cr), 워킹 코일(WC), 릴레이(R)를 포함할 수 있다.
참고로, 도면에 도시되어 있지 않지만, 유도 가열 장치(1)는 제어부(미도시), 입력 인터페이스(미도시)를 더 포함할 수 있다.
여기에서, 제어부는 유도 가열 장치(1) 내 각종 구성요소(예를 들어, 인버터부(IV), 릴레이(R) 등)의 동작을 제어할 수 있다. 또한 입력 인터페이스는 사용자가 원하는 가열 강도나 유도 가열 장치의 구동 시간 등을 입력하기 위한 모듈로서, 물리적인 버튼이나 터치 패널 등으로 다양하게 구현될 수 있고, 사용자로부터 입력을 제공받아 제어부로 해당 입력을 제공할 수 있다.
다만, 설명의 편의를 위해, 입력 인터페이스에 대한 보다 구체적인 설명은 생략하도록 하고, 제어부에 대한 보다 구체적인 내용은 후술하도록 한다.
또한, 도 4에 도시된 유도 가열 장치의 일부 구성요소의 개수(예를 들어, 인버터부, 워킹 코일 등이 복수개일 수 있음)는 변경될 수 있으나, 설명의 편의를 위해, 도 4에 도시된 구성요소들의 개수를 예시로 들어 유도 가열 장치(1)에 대해 설명하도록 한다.
먼저, 전원부(100)는 교류 전력을 출력할 수 있다.
구체적으로, 전원부(100)는 교류 전력을 출력하여 정류부(150)에 제공할 수 있고, 예를 들어, 상용 전원일 수 있다.
정류부(150)는 전원부(100)로부터 공급받은 교류 전력을 직류 전력으로 변환하여 인버터부(IV)에 공급할 수 있다.
구체적으로, 정류부(150)는 전원부(100)로부터 공급받은 교류 전력을 정류하여 직류 전력으로 변환할 수 있다.
또한 정류부(150)에 의해 정류된 직류 전력은 정류부(150)에 병렬 연결된 직류 링크 커패시터(200)(즉, 평활 커패시터)로 제공될 수 있고, 직류 링크 커패시터(200)는 해당 직류 전력의 리플(Ripple)을 저감할 수 있다.
참고로, 직류 링크 커패시터(200)는 정류부(150)와 인버터부(IV)에 병렬 연결될 수 있다. 또한 직류 링크 커패시터(200)의 일단에는 직류 전력에 의한 전압(즉, 직류 전압)이 인가되고, 직류 링크 커패시터(200)의 타단은 접지(ground)에 해당할 수 있다.
또한, 도면에 도시되어 있지 않지만, 정류부(150)에 의해 정류된 직류 전력은 직류 링크 커패시터(200)가 아닌 필터부(미도시)로 제공될 수 있고, 필터부는 해당 직류 전력에 남아 있는 교류 성분을 제거할 수 있다.
다만, 유도 가열 장치(1)에서는 정류부(150)에 의해 정류된 직류 전력이 직류 링크 커패시터(200)로 제공되는 것을 예로 들어 설명하기로 한다.
인버터부(IV)는 공진 회로부(즉, 워킹 코일(WC)과 공진 커패시터(Cr)를 포함하는 회로 영역)에 연결되고, 스위칭 동작을 통해 워킹 코일(WC)에 공진 전류를 인가할 수 있다.
구체적으로, 인버터부(IV)는 예를 들어, 하프 브릿지(Half-Bridge) 형태로 이루어질 수 있고, 전술한 제어부에 의해 스위칭 동작이 제어될 수 있다. 즉, 인버터부(IV)는 제어부로부터 제공받은 스위칭 신호(즉, 제어 신호를 의미하며 게이트 신호라고도 불림)를 토대로 스위칭 동작을 수행할 수 있다.
참고로, 인버터부(IV)에는 제어 신호를 토대로 스위칭 동작을 수행하는 2개의 스위칭 소자(SV1, SV2)가 포함될 수 있고, 2개의 스위칭 소자(SV1, SV2)는 제어부로부터 제공받은 제어 신호에 의하여 교대로 턴온(turn-on) 및 턴오프(turn-off)될 수 있다.
예를 들어, 제1 스위칭 소자(SV1)가 제어 신호에 의해 턴온(turn-on)되는 경우 제2 스위칭 소자(SV2)는 제어 신호에 의해 턴오프(turn-off)되고, 제1 스위칭 소자(SV1)가 제어 신호에 의해 턴오프되는 경우 제2 스위칭 소자(SV2)는 제어 신호에 의해 턴온될 수 있다.
또한 이러한 2개의 스위칭 소자(SV1, SV2)의 스위칭 동작에 의해 고주파의 교류 전류(즉, 공진 전류)가 생성될 수 있고, 생성된 고주파의 교류 전류는 워킹 코일(WC)로 인가될 수 있다.
그리고, 각 스위칭 소자(SV1, SV2)에 인가되는 제어 신호는 상보적일 수 있다. 즉, 제1 스위칭 소자(SV1)로 제공되는 제어 신호의 펄스 폭은 제2 스위칭 소자(SV2)로 제공되는 제어 신호의 펄스 폭과 상보적일 수 있다.
예를 들어, 제1 스위칭 소자(SV1)에 인가되는 제어 신호의 듀티(즉, 펄스 폭)가 50%인 경우 제2 스위칭 소자(SV2)에 인가되는 제어 신호의 듀티도 50%이고, 제1 스위칭 소자(SV1)에 인가되는 제어 신호의 듀티가 30%인 경우, 제2 스위칭 소자(SV2)에 인가되는 제어 신호의 듀티가 70%일 수 있다.
또한 인버터부(IV)에는 복수개의 스너버 커패시터(CS1, CS2) 및 직류 링크 커패시터(200)가 연결될 수 있다.
구체적으로, 제1 스위칭 소자(SV1)의 일단과 제1 스너버 커패시터(CS1)의 일단은 직류 링크 커패시터(200)의 일단에 연결되고, 제1 스위칭 소자(SV1)의 타단과 제2 스위칭 소자(SV2)의 일단은 릴레이(R)의 일단에 연결될 수 있다. 또한 제1 스너버 커패시터(CS1)의 타단과 제2 스너버 커패시터(CS2)의 일단은 공진 커패시터(Cr)와 함께 릴레이(R)의 타단에 연결될 수 있다. 그리고 제2 스위칭 소자(SV2)의 타단과 제2 스너버 커패시터(CS2)의 타단은 워킹 코일(WC)과 함께 직류 링크 커패시터(200)의 타단에 연결될 수 있다.
참고로, 인버터부(IV)와 복수개의 스너버 커패시터(CS1, CS2) 간 연결은 릴레이(R)를 통해 선택적으로 개폐되는바, 이에 대한 구체적인 내용은 후술하도록 한다.
복수개의 스너버 커패시터(CS1, CS2)는 인버터부(IV)에 연결될 수 있다.
구체적으로, 복수개의 스너버 커패시터(CS1, CS2)는 제1 스위칭 소자(SV1)에 대응되는 제1 스너버 커패시터(CS1) 및 제2 스위칭 소자(SV2)에 대응되는 제2 스너버 커패시터(CS2)를 포함할 수 있다.
또한 제1 스너버 커패시터(CS1)의 타단과 제2 스너버 커패시터(CS2)의 일단은 릴레이(R)의 타단에 연결되고, 제1 스위칭 소자(SV1)의 타단과 제2 스위칭 소자(SV2)의 일단은 릴레이(R)의 일단에 연결될 수 있다. 따라서, 복수개의 스너버 커패시터(CS1, CS2)는 릴레이(R)를 통해 인버터부(IV)와 선택적으로 연결될 수 있다.
참고로, 복수개의 스너버 커패시터(CS1, CS2)는 각각 대응되는 스위칭 소자(SV1, SV2)에 발생하는 돌입 전류 또는 과도 전압을 제어 및 경감하기 위해 구비되며, 경우에 따라 전자파 노이즈 제거용으로도 사용 가능하다.
워킹 코일(WC)은 인버터부(IV)로부터 공진 전류를 인가받을 수 있다.
구체적으로, 워킹 코일(WC)의 일단은 공진 커패시터(Cr)에 연결되고, 워킹 코일(WC)의 타단은 직류 링크 커패시터(200)의 타단(즉, 접지)에 연결될 수 있다.
또한 인버터부(IV)에서 워킹 코일(WC)로 인가되는 고주파의 교류 전류에 의해 워킹 코일(WC)과 대상체(예를 들어, 조리 용기와 같은 피가열 물체를 의미) 사이에 와전류가 발생되어 대상체가 가열될 수 있다.
공진 커패시터(Cr)는 워킹 코일(WC)에 연결될 수 있다.
구체적으로, 공진 커패시터(Cr)는 워킹 코일(WC)에 직렬 연결될 수 있고, 워킹 코일(WC)과 함께 공진 회로부를 구성할 수 있다. 즉, 공진 커패시터(Cr)의 일단은 릴레이(R)에 연결되고, 공진 커패시터(Cr)의 타단은 워킹 코일(WC)에 연결될 수 있다.
또한 공진 커패시터(Cr)의 경우, 인버터부(IV)의 스위칭 동작에 의해 전압이 인가되면, 공진을 시작하게 된다. 또한 공진 커패시터(Cr)가 공진하게 되면, 공진 커패시터(Cr)와 연결된 워킹 코일(WC)에 흐르는 전류가 상승하게 된다.
이와 같은 과정을 거쳐, 해당 공진 커패시터(Cr)에 연결된 워킹 코일(WC) 상부에 배치된 대상체에 와전류가 유도되는 것이다.
릴레이(R)는 인버터부(IV)와 복수개의 스너버 커패시터(CS1, CS2) 간 연결을 선택적으로 개폐할 수 있고, 전술한 제어부에 의해 제어될 수 있다.
구체적으로, 릴레이(R)의 경우, 일단이 제1 스위칭 소자(SV1)의 타단 및 제2 스위칭 소자(SV2)의 일단에 연결되고, 타단이 제1 스너버 커패시터(CS1)의 타단 및 제2 스너버 커패시터(CS2)의 일단에 연결될 수 있다.
이러한 릴레이(R)의 선택적 개폐 동작에 대한 구체적인 내용은 후술하도록 한다.
참고로, 본 발명의 일 실시예에 따른 유도 가열 장치(1)는 전술한 구성 및 특징을 토대로 무선 전력 전송 기능도 가질 수 있다.
즉, 최근에는 무선으로 전력을 공급하는 기술이 개발되어 많은 전자 장치에 적용되고 있다. 무선 전력 전송 기술이 적용된 전자 장치는 별도의 충전 커넥터를 연결하지 않고 충전 패드에 올려 놓는 것 만으로도 배터리가 충전된다. 이러한 무선 전력 전송이 적용된 전자 장치는 유선 코드나 충전기가 필요하지 않으므로 휴대성이 향상되며 크기와 무게가 종래에 비해 감소한다는 장점이 있다.
이러한 무선 전력 전송 기술은 크게 코일을 이용한 전자기 유도 방식과, 공진을 이용하는 공진 방식, 그리고 전기적 에너지를 마이크로파로 변환시켜 전달하는 전파 방사 방식 등이 있다. 이 중 전자기 유도 방식은 무선 전력을 송신하는 장치에 구비되는 1차 코일(예를 들어, 워킹 코일(WC))과 무선 전력을 수신하는 장치에 구비되는 2차 코일 간의 전자기 유도를 이용하여 전력을 전송하는 기술이다.
물론 유도 가열 장치(1)의 유도 가열 방식은 전자기 유도에 의하여 피가열 물체를 가열한다는 점에서 전자기 유도에 의한 무선 전력 전송 기술과 원리가 실질적으로 동일하다.
따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 유도 가열 장치(1)의 경우에도, 유도 가열 기능 뿐만 아니라 무선 전력 전송 기능이 탑재될 수 있다. 나아가, 제어부의 의해 유도 가열 모드 또는 무선 전력 전송 모드가 제어될 수도 있는바, 필요에 따라 선택적으로 유도 가열 기능 또는 무선 전력 전송 기능의 사용이 가능하다.
이와 같이, 유도 가열 장치(1)는 전술한 구성 및 특징을 가질 수 있는바, 이하에서는, 도 5 내지 도 7을 참조하여, 유도 가열 장치(1)의 출력 제어 방법에 대해 설명하도록 한다.
도 5는 도 4의 인버터부의 온도 변화를 설명하기 위한 도면이다. 도 6 및 도 7은 도 4의 인버터부로 제공되는 제어 신호의 펄스 폭 변경 방법을 설명하기 위한 도면들이다.
도 4 및 도 5를 참조하면, 먼저, 제어부는 인버터부(IV)의 스위칭 동작을 제어하기 위해 고정 주파수를 가지는 제어 신호를 인버터부(IV)에 제공할 수 있고, 이에 따라, 복수개의 용기 가열시 발생되는 간섭 소음이 억제될 수 있다.
또한 유도 가열 장치(1)는 해당 고정 주파수에서 고출력을 낼 수 있다. 다만, 고정 주파수를 유지하면서 출력을 낮추기 위해서는 인버터부(IV)로 제공되는 제어 신호(즉, 제어부가 제공하는 신호)의 펄스 폭(즉, 듀티)을 조정(예를 들어, 10~50% 범위에서 조정)해야 한다는 문제가 있다.
즉, 도 2 및 도 3에서 전술한 바와 같이, 듀티가 35%에서 50% 사이일 때는 별다른 문제가 없지만, 듀티가 35% 미만(참고로, 여기에서 듀티 값은 하나의 예시일 수 있으며, 이에 한정되는 것은 아님)이 되는 경우, 부하 전압(VL)이 부하 전류(IL)보다 위상이 뒤쳐지는 상태로 변경되고, 이에 따라, 스위칭 소자 전류(즉, 스위칭 소자에 흐르는 전류)에 손실이 발생하게 되면서 스위칭 소자(예를 들어, SV1 또는 SV2)의 발열이 증가할 수 있다.
예를 들어, 도 5에 도시된 바와 같이, 제1 스위칭 소자(SV1)에 제공되는 제어 신호의 듀티가 35% 미만(예를 들어, 30%)이 되는 경우, 제1 스위칭 소자(SV1)에서는 ZVS가 되지 않고 역방향 회복 전류로 인해 손실이 발생하며, 제1 스너버 커패시터(CS1)에서는 방전 손실이 발생하는바, 제2 스위칭 소자(SV2)보다 제1 스위칭 소자(SV1)에 발열이 집중된다는 문제가 있었다.
이에 따라, 전술한 문제점을 해결하기 위해 본 발명의 일 실시예에 따른 유도 가열 장치(1)에서는 다음과 같이 출력이 제어될 수 있다.
참고로, 제1 스위칭 소자(SV1)에 제공되는 제어 신호와 제2 스위칭 소자(SV2)에 제공되는 제어 신호는 상보적 관계인바, 제1 스위칭 소자(SV1)를 예로 들어 설명하도록 한다.
예를 들어, 릴레이(R)가 인버터부(IV)와 복수개의 스너버 커패시터(CS1, CS2) 사이를 연결하고 있는 상태에서 제1 스위칭 소자(SV1)로 제공되는 제어 신호의 듀티가 35%~50% 사이에서 조절되는 경우, ZVS가 가능하고, 제1 스위칭 소자(SV1)에 발열이 집중되지 않는 정상 상태가 유지될 수 있다.
다만, 제어부가 출력을 낮추기 위해 고정 주파수를 유지하면서 제1 스위칭 소자(SV1)로 제공하는 제어 신호의 듀티를 줄이는 경우, 특정 시점(예를 들어, 듀티가 35% 미만이 되는 경우)에서 ZVS가 불가능해지면서 스너버 커패시터(예를 들어, 제1 스너버 커패시터(CS1))의 방전 손실이 발생할 수 있고, 이로 인해 제1 스위칭 소자(SV1)에 발열이 집중되는 문제도 발생할 수 있다.
이 때, 제어부는 릴레이(R)를 개방하여 인버터부(IV)와 복수개의 스너버 커패시터(CS1, CS2)를 분리시킬 수 있고, 이로 인해, 스너버 커패시터의 방전 손실(즉, 스너버 커패시터가 방전되지 않은 상태에서 스위칭 소자가 턴온되었을 때 발생하는 해당 스너버 커패시터의 방전 손실)이 제거될 수 있다.
한편, 릴레이(R)가 인버터부(IV)와 복수개의 스너버 커패시터(CS1, CS2) 사이를 연결하고 있는 상태에서 제1 스위칭 소자(SV1)로 제공되는 제어 신호의 듀티가 35%~50% 사이에서 조절되는 경우, 제1 스위칭 소자(SV1)에 인가된 전압(VL)의 위상은 워킹 코일(WC)에 흐르는 전류(IL)의 위상보다 앞선 상태일 수 있다.
다만, 제어부가 출력을 낮추기 위해 고정 주파수를 유지하면서 제1 스위칭 소자(SV1)로 제공하는 제어 신호의 듀티를 줄이는 경우, 특정 시점(예를 들어, 듀티가 35% 미만이 되는 경우)에서 워킹 코일(WC)에 흐르는 전류(IL)의 위상이 제1 스위칭 소자(SV1)에 인가된 전압(VL)의 위상보다 앞서게 되면서 역방향 회복 전류로 인한 손실이 발생할 수 있다. 또한, 이로 인해 제1 스위칭 소자(SV1)에 발열이 집중되는 문제도 발생할 수 있다.
이 때, 제어부는 인버터부(IV)의 온도를 감지하고, 감지된 온도를 토대로 미리 설정된 주기마다 제어 신호의 펄스 폭(즉, 듀티)을 변경할 수 있다.
참고로, 인버터부(IV)의 온도는 제어부가 아닌 별도의 장치(예를 들어, 온도 감지 센서)에 의해 감지될 수 있고, 감지된 온도 정보는 제어부로 제공될 수 있다. 다만, 설명의 편의를 위해, 본 발명의 실시예에서는, 제어부가 인버터부(IV)의 온도를 감지하는 것을 예로 들어 설명하기로 한다.
구체적으로, 제어부는 제1 및 제2 스위칭 소자(SV1, SV2)의 온도를 토대로 제1 스위칭 소자(SV1)로 제공하는 제어 신호의 펄스 폭을 결정하고, 미리 설정된 주기마다 제어 신호의 펄스 폭을 상기 결정된 펄스 폭으로 변경하여 제1 스위칭 소자(SV1)로 제공할 수 있다.
여기에서, 도 6을 참조하면, 제어부는 미리 설정된 주기(T1)마다 제1 스위칭 소자(SV1)에 제공하는 제어 신호의 듀티를 변경할 수 있다.
예를 들어, 제어부는 듀티 50%를 기준으로 오프셋(예를 들어, 20%)을 설정하고, 듀티-오프셋(예를 들어, 30%)에 해당하는 펄스 폭을 가지는 제어 신호와 듀티+오프셋(예를 들어, 70%)에 해당하는 펄스 폭을 가지는 제어 신호를 미리 설정된 주기(T1)마다 교대로 제1 스위칭 소자(SV1)에 제공할 수 있다. 이를 통해, 듀티-오프셋에 해당하는 펄스 폭을 가지는 제어 신호는 교번 주기(T2)마다 제1 스위칭 소자(SV1)에 제공될 수 있고, 듀티+오프셋에 해당하는 펄스 폭을 가지는 제어 신호도 교번 주기(T2)마다 제2 스위칭 소자(SV2)에 제공될 수 있다.
즉, 2개의 스위칭 소자(SV1, SV2) 중 제공받은 제어 신호의 듀티가 작은 스위칭 소자에 발열이 집중되는바, 제어부는 듀티가 작은 제어 신호를 제1 스위칭 소자(SV1)와 제2 스위칭 소자(SV2)에 미리 설정된 주기(T1)마다 교대로 제공함으로써 발열이 집중되는 스위칭 소자를 계속 스위칭할 수 있다. 이를 통해 하나의 스위칭 소자에 발열이 집중되어 과열되는 문제도 방지할 수 있다.
물론, 교번 주기(T2)에 해당하는 시간 동안 제1 스위칭 소자(SV1)에 제공되는 듀티의 턴온 유지 시간과 제2 스위칭 소자(SV2)에 제공되는 듀티의 턴온 유지 시간이 동일하지 않을 수도 있다.
예를 들어, 교번 주기(T2)에 해당하는 시간 동안 제1 스위칭 소자(SV1)에 제공된 듀티의 턴온 유지 시간이 30%+60%=총 90%일 수 있고, 제2 스위칭 소자(SV2)에 제공된 듀티의 턴온 유지 시간은 70%+40%=총 110%일 수 있다.
즉, 제어부는 유도 가열 장치(1)의 전반적인 상황(예를 들어, 제1 및 제2 스위칭 소자(SV1, SV2)의 온도 및 데드 타임(deadtime; 제1 스위칭 소자(SV1)에 제공된 듀티가 턴오프되는 시점과 제2 스위칭 소자(SV2)에 제공된 듀티가 턴온되는 시점 사이의 시간으로 제1 및 제2 스위칭 소자(SV1, SV2)에 제공된 듀티가 둘다 턴오프된 시간을 의미함. 참고로, 데드 타임으로 인해, 제어부에 의해 설정된 듀티와 실제 듀티 간 차이가 발생할 수 있음) 등)을 토대로 제어 신호의 듀티를 제어하는바, 제1 스위칭 소자(SV1)에 제공되는 듀티의 턴온 유지 시간과 제2 스위칭 소자(SV2)에 제공되는 듀티의 턴온 유지 시간이 동일하지 않게 설정될 수도 있다.
이어서, 도 7을 참조하면, 제어부는 미리 설정된 주기(T1')마다 제1 스위칭 소자(SV1)에 제공하는 제어 신호의 듀티를 변경할 수 있다.
다만, 도 6과 달리, 제어부는 미리 설정된 주기(T1')동안 제1 스위칭 소자(SV1)에 동일한 듀티를 가지는 제어 신호를 두번 제공할 수 있다.
이에 따라, 제어부는 미리 설정된 주기(T1') 동안 듀티-오프셋(예를 들어, 30%)에 해당하는 펄스 폭을 가지는 제어 신호를 제1 스위칭 소자(SV1)에 두번 제공한 후 듀티+오프셋(예를 들어, 70%)에 해당하는 펄스 폭을 가지는 제어 신호를 다음 미리 설정된 주기(T1'의 다음 주기) 동안 제1 스위칭 소자(SV1)에 두번 제공할 수 있다.
따라서, 하나의 교번 주기(T2) 동안 듀티-오프셋에 해당하는 펄스 폭을 가지는 제어 신호와 듀티+오프셋에 해당하는 펄스 폭을 가지는 제어 신호가 각각 두번씩 제1 스위칭 소자(SV1)에 제공될 수 있다.
이와 같이, 제어부는 유도 가열 장치(1)의 전반적인 상황을 토대로 다양하게 제어 신호의 펄스 폭을 변경할 수 있다. 물론, 제어부는 도 6 및 도 7에 도시된 방법 외 다른 방법으로 제어 신호의 펄스 폭을 변경할 수도 있다.
결과적으로, 유도 가열 장치(1)는 제1 및 제2 스위칭 소자(SV1, SV2) 중 어느 하나에만 발열이 집중되지 않도록 제어 신호의 펄스 폭을 조정함으로써 스위칭 소자의 과열 없이(즉, 인버터부(IV)의 온도를 미리 설정된 관리 온도(예를 들어, 120℃) 범위 내로 유지) 종래보다 더욱 낮은 출력을 낼 수 있다. 또한 유도 가열 장치(1)는 스위칭 소자를 턴온/턴오프 제어 하지 않아도 되는바, 종래보다 넓은 출력 범위에서 연속적인 출력 동작이 가능하도록 구현될 수도 있다.
전술한 바와 같이, 본 발명에 따른 유도 가열 장치(1)는 LDV와 같은 별도의 장치를 추가하지 않고 고정 주파수 조건에서 펄스 폭 제어를 함으로써 복수개의 용기 가열시 발생하는 간섭 소음을 제거할 수 있다. 따라서, 별도 장치 추가에 소요되는 비용을 절약할 수 있고, 간섭 소음 제거를 통해 사용자 만족도 및 편의성을 개선할 수 있다.
또한 본 발명에 따른 유도 가열 장치(1)는 추가 회로 없이도 스위칭 소자(예를 들어, SV1 또는 SV2) 과열 방지 및 넓은 출력 범위 구현이 가능하다. 또한 넓은 출력 범위에서 연속적인 출력 동작의 구현도 가능한바, 제품 성능 및 신뢰도 개선이 가능하다.
참고로, 도 8을 참조하면, 도 4의 유도 가열 장치가 존 프리(Zone free) 형태로 구현되는 경우를 설명하기 위한 회로도가 도시되어 있다.
즉, 도 8에 도시된 바와 같이, 워킹 코일(WC)을 고속으로 턴온/턴오프하기 위한 반도체 스위치(SS)가 도 4의 유도 가열 장치(1)에 추가 연결되고, 이러한 워킹 코일(WC)과 반도체 스위치(SS)가 복수개 존재하는 경우, 존 프리 형태의 유도 가열 장치가 구현될 수 있다.
이러한 존 프리 형태의 유도 가열 장치에서도 전술한 제어부의 제어 방법을 통해 전술한 문제점들을 해결할 수 있다.
이하에서는, 도 9를 참조하여, 본 발명의 다른 실시예에 따른 유도 가열 장치를 설명하도록 한다.
도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 유도 가열 장치를 설명하기 위한 회로도이다.
참고로, 본 발명의 다른 실시예에 따른 유도 가열 장치(2)는 도 4의 유도 가열 장치(1)와 일부 구성요소 및 구조를 제외하고는 동일한바, 차이점을 중심으로 설명하도록 한다.
도 9를 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 유도 가열 장치(2)는 전원부(100), 정류부(150), 직류 링크 커패시터(200), 인버터부(IV), 복수개의 스너버 커패시터(CS1, CS2), 공진 커패시터(Cr), 워킹 코일(WC), 릴레이(R)를 포함할 수 있다.
즉, 도 4의 유도 가열 장치(1)와 달리, 도 9의 유도 가열 장치(2)에서는, 워킹 코일(WC)의 일단이 공진 커패시터(Cr)에 연결되고, 워킹 코일(WC)의 타단은 직류 링크 커패시터(200)의 일단(즉, 직류 전압이 인가되는 부분)에 연결될 수 있다.
정리하자면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 유도 가열 장치(2)는 도 4의 유도 가열 장치(1)와 워킹 코일(WC)의 연결 관계 및 위치면에서 차이가 있을뿐 동작 과정이나 성능, 효과 등은 동일할 수 있다.
참고로, 본 발명의 다른 실시예에 따른 유도 가열 장치(2)의 경우에도, 도 8에 도시된 바와 같이, 워킹 코일(WC)을 고속으로 턴온/턴오프하기 위한 반도체 스위치(SS)가 워킹 코일(WC)에 추가 연결되고, 이러한 워킹 코일(WC)과 반도체 스위치(SS)가 복수개 존재하는 경우, 존 프리 형태의 유도 가열 장치로 구현될 수 있다.
전술한 본 발명은, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하므로 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니다.
100: 전원부 150: 정류부
200: 직류 링크 커패시터 IV: 인버터부
SV1: 제1 스위칭 소자 SV2: 제2 스위칭 소자
CS1: 제1 스너버 커패시터 CS2: 제2 스너버 커패시터
Cr: 공진 커패시터 WC: 워킹 코일
R: 릴레이

Claims (13)

  1. 워킹 코일;
    스위칭 동작을 통해 상기 워킹 코일에 공진 전류를 인가하는 인버터부; 및
    상기 스위칭 동작을 제어하기 위해 고정 주파수를 가지는 제어 신호를 상기 인버터부로 제공하는 제어부를 포함하되,
    상기 제어부는 상기 인버터부의 온도를 토대로 미리 설정된 주기마다 상기 제어 신호의 펄스 폭을 변경하는
    유도 가열 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 인버터부에 연결된 복수개의 스너버 커패시터; 및
    상기 인버터부와 상기 복수개의 스너버 커패시터 간 연결을 선택적으로 개폐하는 릴레이를 더 포함하되,
    상기 릴레이는 상기 제어부에 의해 제어되는
    유도 가열 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 인버터부는 상기 스위칭 동작을 수행하는 제1 및 제2 스위칭 소자를 포함하고,
    상기 복수개의 스너버 커패시터는 상기 제1 스위칭 소자에 대응되는 제1 스너버 커패시터 및 상기 제2 스위칭 소자에 대응되는 제2 스너버 커패시터를 포함하는
    유도 가열 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 워킹 코일에 흐르는 전류의 위상이 상기 제1 및 제2 스위칭 소자 중 어느 하나에 인가된 전압의 위상보다 앞선 경우,
    상기 제어부는 상기 릴레이를 개방하여 상기 인버터부와 상기 복수개의 스너버 커패시터를 분리하는
    유도 가열 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 인버터부는 상기 제어 신호를 토대로 상기 스위칭 동작을 수행하는 제1 및 제2 스위칭 소자를 포함하되,
    상기 제1 스위칭 소자로 제공되는 상기 제어 신호의 펄스 폭은 상기 제2 스위칭 소자로 제공되는 상기 제어 신호의 펄스 폭과 상보적인
    유도 가열 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 제1 및 제2 스위칭 소자의 온도를 토대로 상기 제1 스위칭 소자로 제공하는 상기 제어 신호의 펄스 폭을 결정하고,
    상기 미리 설정된 주기마다 상기 제어 신호의 펄스 폭을 상기 결정된 펄스 폭으로 변경하여 상기 제1 스위칭 소자로 제공하는
    유도 가열 장치.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 제1 스위칭 소자가 상기 제어 신호에 의해 턴온(turn-on)되는 경우 상기 제2 스위칭 소자는 상기 제어 신호에 의해 턴오프(turn-off)되고,
    상기 제1 스위칭 소자가 상기 제어 신호에 의해 턴오프되는 경우 상기 제2 스위칭 소자는 상기 제어 신호에 의해 턴온되는
    유도 가열 장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 워킹 코일에 연결된 공진 커패시터;
    상기 인버터부에 연결된 복수개의 스너버 커패시터;
    상기 인버터부와 상기 복수개의 스너버 커패시터 간 연결을 선택적으로 개폐하는 릴레이;
    전원부로부터 공급받은 교류 전력을 직류 전력으로 변환하여 상기 인버터부에 공급하는 정류부; 및
    상기 정류부와 상기 인버터부에 연결되어 상기 정류부에 의해 변환된 상기 직류 전력의 리플(Ripple)을 저감하는 직류 링크 커패시터를 더 포함하는
    유도 가열 장치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 인버터부는 상기 스위칭 동작을 수행하는 제1 및 제2 스위칭 소자를 포함하고,
    상기 복수개의 스너버 커패시터는 상기 제1 스위칭 소자에 대응되는 제1 스너버 커패시터 및 상기 제2 스위칭 소자에 대응되는 제2 스너버 커패시터를 포함하며,
    상기 직류 링크 커패시터의 일단에는 상기 직류 전력에 의한 전압이 인가되고, 상기 직류 링크 커패시터의 타단은 접지(ground)에 해당되는
    유도 가열 장치.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 제1 스위칭 소자의 일단과 상기 제1 스너버 커패시터의 일단은 상기 직류 링크 커패시터의 일단에 연결되고,
    상기 제1 스위칭 소자의 타단과 상기 제2 스위칭 소자의 일단은 상기 릴레이의 일단에 연결되고,
    상기 제1 스너버 커패시터의 타단과 상기 제2 스너버 커패시터의 일단은 상기 공진 커패시터와 함께 상기 릴레이의 타단에 연결되고,
    상기 제2 스위칭 소자의 타단과 상기 제2 스너버 커패시터의 타단은 상기 워킹 코일과 함께 상기 직류 링크 커패시터의 타단에 연결되는
    유도 가열 장치.
  11. 제8항에 있어서,
    상기 공진 커패시터는 상기 워킹 코일에 직렬 연결되고,
    상기 직류 링크 커패시터는 상기 정류부와 상기 인버터부에 병렬 연결되는
    유도 가열 장치.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 워킹 코일을 턴온 또는 턴오프하기 위해 상기 워킹 코일에 연결된 반도체 스위치를 더 포함하되,
    상기 반도체 스위치의 동작은 상기 제어부에 의해 제어되는
    유도 가열 장치.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 인버터부는 하프 브릿지(Half-Bridge) 형태로 이루어진
    유도 가열 장치.


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