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KR102172413B1 - 유도 가열 장치 - Google Patents

유도 가열 장치 Download PDF

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KR102172413B1
KR102172413B1 KR1020170131690A KR20170131690A KR102172413B1 KR 102172413 B1 KR102172413 B1 KR 102172413B1 KR 1020170131690 A KR1020170131690 A KR 1020170131690A KR 20170131690 A KR20170131690 A KR 20170131690A KR 102172413 B1 KR102172413 B1 KR 102172413B1
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South Korea
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resistance value
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induction heating
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control unit
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정지훈
이희준
박화평
정시훈
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엘지전자 주식회사
울산과학기술원
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Abstract

본 발명은 유도 가열 장치에 관한 것이다. 유도 가열 장치의 동작 주파수를 상승시키지 않고도 다양한 용기에 대응하기 위하여, 본 발명에서는 용기의 저항값을 미리 정해진 기준 저항값과 비교하고, 비교 결과에 따라서 스위칭 소자의 동작 모드를 결정한다. 본 발명에 따르면 유도 가열 장치에 사용되는 용기의 저항값에 따라서 워킹 코일의 공진 주파수를 조절함으로써, 유도 가열 장치의 동작 주파수를 상승시키지 않고도 다양한 용기의 사용이 가능한 장점이 있다.

Description

유도 가열 장치{INDUCTION HEATING APPARATUS}
본 발명은 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 워킹 코일에 인가할 때 워킹 코일 주변에 발생하는 자계를 이용하여 금속 성분으로 이루어진 피가열 물체에 와전류(eddy current)를 발생시켜 피가열 물체 자체가 가열되도록 하는 방식이다.
유도 가열 방식의 원리를 보다 구체적으로 살펴보면 다음과 같다. 먼저 유도 가열 장치에 전원이 인가됨에 따라 소정 크기의 고주파 전압이 코일에 인가된다. 이에 따라 유도 가열 장치 내부에 배치되는 워킹 코일 주변에는 유도 자계가 발생하게 된다. 이와 같이 발생한 유도 자계의 자력선이 유도 가열 장치 상부에 놓인 금속 성분을 포함한 피가열 물체의 바닥을 통과하면, 피가열 물체 바닥의 내부에 와전류가 발생한다. 이렇게 발생한 와전류가 피가열 물체 바닥에 흐르면 피가열 물체 자체가 가열된다.
유도 가열 장치를 사용할 경우, 유도 가열 장치의 상판부는 가열되지 않고 피가열 물체 자체만 가열된다. 따라서 피가열 물체를 유도 가열 장치의 상판부에서 들어올리면 코일 주변의 유도 자계가 소멸되면서 피가열 물체의 발열도 즉시 중단된다. 또한 유도 가열 장치는 워킹 코일이 발열되지 않기 때문에 조리가 이루어지는 동안에도 상판부의 온도가 비교적 낮은 온도로 유지되어 안전하다는 장점을 갖는다.
또한 유도 가열 장치는 유도 가열에 의해 피가열 물체 자체를 가열시키므로 가스 레인지나 저항 가열 방식 장치에 비해 에너지 효율이 높다는 장점이 있다. 이와 같은 유도 가열 장치의 다른 장점은 다른 방식의 가열 장치에 비해 보다 짧은 시간 내에 피가열 물체를 가열할 수 있다는 점이다. 유도 가열 장치의 출력이 높을수록 보다 빠르게 피가열 물체를 가열할 수 있다.
종래 기술에 따른 유도 가열 장치는 일반적으로 70kHz 이하의 동작 주파수를 갖는다. 이는 유도 가열 장치의 구동 시 EMI(Electro Magnetic Interference) 및 유도 가열 장치 내부의 스위칭 소자의 스위칭 동작으로 인한 스위칭 손실을 줄이기 위한 것이다.
그런데 저항값이 상대적으로 작은 알루미늄과 같은 소재로 이루어진 용기를 유도 가열 장치에서 사용하고자 할 경우, 가열을 위한 전력을 발생시키기 위해서는 상대적으로 작은 전압과 큰 전류가 유도 가열 장치의 워킹 코일에 인가된다. 이와 같이 작은 전압과 큰 전류가 인가되면 스위칭 소자에 도통 손실이 발생하고 워킹 코일의 발열량이 증가하는 문제가 있다.
이러한 문제를 해결하기 위해서, 알루미늄과 같은 소재로 이루어진 용기를 사용할 때에는 동작 주파수를 증가시킴으로써 용기의 저항값을 높일 수 있으나 스위칭 소자의 스위칭 손실과 같은 제약으로 인해 유도 가열 장치의 동작 주파수를 높이는 데에는 한계가 있다.
본 발명은 유도 가열 장치에 사용되는 용기의 저항값에 따라서 워킹 코일의 공진 주파수를 조절함으로써, 유도 가열 장치의 동작 주파수를 상승시키지 않고도 다양한 용기의 사용이 가능한 유도 가열 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
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.
전술한 바와 같이 유도 가열 장치의 동작 주파수를 상승시키지 않고도 다양한 용기에 대응하기 위하여, 본 발명에서는 용기의 저항값을 미리 정해진 기준 저항값과 비교하고, 비교 결과에 따라서 스위칭 소자의 동작 모드를 결정한다.
본 발명에서 스위칭 소자는 주파수 3배(Frequency Tripler) 모드, 주파수 2배(Frequency Doubler) 모드, 하프 브릿지 모드, 풀 브릿지 모드 등 4가지 모드로 동작할 수 있다.
주파수 3배 모드에서, 유도 가열 장치의 워킹 코일의 공진 주파수는 스위칭 소자의 동작 주파수의 3배로 설정된다. 또한 주파수 2배 모드에서, 유도 가열 장치의 워킹 코일의 공진 주파수는 스위칭 소자의 동작 주파수의 2배로 설정된다. 이와 같은 워킹 코일의 공진 주파수의 조절은 인버터부에 포함되는 가변 캐패시터부의 용량을 조절함에 따라서 이루어진다.
또한 하프 브릿지 모드 및 풀 브릿지 모드에서 워킹 코일의 공진 주파수는 스위칭 소자의 동작 주파수와 동일하게 설정된다. 유도 가열 장치가 하프 브릿지 모드로 동작할 때 워킹 코일에 전달되는 전압, 즉 브릿지 전압의 크기는 풀 브릿지 모드로 동작할 때의 브릿지 전압의 절반이다.
결국 본 발명에 따르면, 용기의 저항값에 따라서 인버터부에 포함되는 가변 캐패시터부의 용량을 조절함으로써 워킹 코일의 공진 주파수를 조절할 수 있다. 따라서 유도 가열 장치의 동작 주파수를 조절하지 않고도 다양한 저항값을 갖는 용기에 대응할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 유도 가열 장치는, 입력 전원을 정류하는 정류부, 상기 정류부에 의해서 정류된 전원 전압을 평활화하여 직류 전압을 출력하는 평활화부, 제1 스위칭 소자, 제2 스위칭 소자, 제3 스위칭 소자, 제4 스위칭 소자 및 가변 캐패시터부를 포함하며, 스위칭 동작을 통해서 상기 직류 전압을 변환하여 공진 전류를 출력하는 인버터부, 상기 인버터부로부터 제공되는 공진 전류를 이용하여 용기를 가열하는 워킹 코일 및 상기 용기의 용기 저항값을 미리 정해진 기준 저항값과 비교하고, 비교 결과에 따라서 스위칭 소자의 동작 모드를 결정하며, 상기 동작 모드에 따라서 상기 가변 캐패시터부의 용량을 조절하는 제어부를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 제어부는 상기 인버터부에 포함된 스위칭 소자의 동작 주파수가 미리 정해진 제1 동작 주파수로 설정된 상태에서 측정된 상기 용기 저항값이 미리 정해진 제1 기준 저항값보다 작으면 상기 동작 모드를 주파수 3배 모드로 설정할 수 있다. 상기 제어부는 상기 워킹 코일의 공진 주파수가 상기 스위칭 소자의 동작 주파수의 3배가 되도록 상기 가변 캐패시터부의 용량을 조절할 수 있다.
또한 본 발명의 일 실시예에서, 상기 제어부는 상기 인버터부에 포함된 스위칭 소자의 동작 주파수가 미리 정해진 제2 동작 주파수로 설정된 상태에서 측정된 상기 용기 저항값이 미리 정해진 제2 기준 저항값보다 작으면 상기 동작 모드를 주파수 2배 모드로 설정할 수 있다. 상기 제어부는 상기 워킹 코일의 공진 주파수가 상기 스위칭 소자의 동작 주파수의 2배가 되도록 상기 가변 캐패시터부의 용량을 조절
또한 본 발명의 일 실시예에서, 상기 제어부는 상기 인버터부에 포함된 스위칭 소자의 동작 주파수가 미리 정해진 제3 동작 주파수로 설정된 상태에서 측정된 상기 용기 저항값이 미리 정해진 제3 기준 저항값보다 작으면 상기 동작 모드를 하프 브릿지 모드로 설정할 수 있다.
또한 본 발명의 일 실시예에서, 상기 제어부는 상기 인버터부에 포함된 스위칭 소자의 동작 주파수가 미리 정해진 제3 동작 주파수로 설정된 상태에서 측정된 상기 용기 저항값이 미리 정해진 제3 기준 저항값보다 크거나 같으면 상기 동작 모드를 풀 브릿지 모드로 설정할 수 있다.
또한 본 발명의 일 실시예에서, 상기 제어부는 상기 인버터부에 포함된 스위칭 소자의 동작 주파수가 미리 정해진 제3 동작 주파수로 설정된 상태에서 측정된 상기 용기 저항값이 미리 정해진 제4 기준 저항값보다 크거나 같으면 상기 동작 주파수를 미리 정해진 제한 주파수로 설정할 수 있다.
또한 본 발명의 일 실시예에서, 상기 제어부는 상기 워킹 코일의 공진 주파수가 상기 스위칭 소자의 동작 주파수와 동일하도록 상기 가변 캐패시터부의 용량을 조절할 수 있다.
본 발명에 따르면 유도 가열 장치에 사용되는 용기의 저항값에 따라서 워킹 코일의 공진 주파수를 조절함으로써, 유도 가열 장치의 동작 주파수를 상승시키지 않고도 다양한 용기의 사용이 가능한 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 유도 가열 장치의 구성도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 유도 가열 장치의 스위칭 소자의 구동 모드가 주파수 3배 모드일 때, 워킹 코일의 공진 전류의 파형, 브릿지 전압의 파형, 스위칭 신호의 파형을 나타낸다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 유도 가열 장치의 스위칭 소자의 구동 모드가 주파수 2배 모드일 때, 워킹 코일의 공진 전류의 파형, 브릿지 전압의 파형, 스위칭 신호의 파형을 나타낸다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 유도 가열 장치의 스위칭 소자의 구동 모드가 하프 브릿지 모드일 때, 워킹 코일의 공진 전류의 파형, 브릿지 전압의 파형, 스위칭 신호의 파형을 나타낸다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 유도 가열 장치의 스위칭 소자의 구동 모드가 풀 브릿지 모드일 때, 워킹 코일의 공진 전류의 파형, 브릿지 전압의 파형, 스위칭 신호의 파형을 나타낸다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 유도 가열 장치의 제어 방법의 흐름도이다.
전술한 목적, 특징 및 장점은 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 후술되며, 이에 따라 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 것이다. 본 발명을 설명함에 있어서 본 발명과 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 상세한 설명을 생략한다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 도면에서 동일한 참조부호는 동일 또는 유사한 구성요소를 가리키는 것으로 사용된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 유도 가열 장치의 구성도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 유도 가열 장치는 정류부(104), 평활화부(106), 인버터부(108), 워킹 코일(WC)을 포함한다. 또한 유도 가열 장치는 검출부(14)를 더 포함할 수 있다.
정류부(104)는 전원(102)으로부터 공급되는 교류 입력 전원을 정류하여 정류된 전원 전압을 출력한다. 정류부(104)는 다수의 다이오드를 포함할 수 있다. 예를 들어 정류부(104)는 서로 직렬로 연결되는 제1 다이오드(D1) 및 제2 다이오드(D2), 그리고 서로 직렬로 연결되는 제3 다이오드(D3) 및 제4 다이오드(D4)로 구성될 수 있다.
평활화부(106)는 정류부(104)에 의해서 정류된 전원 전압을 평활화하여 직류 전압을 출력한다. 평활화부(106)는 서로 직렬로 연결되는 인덕터(L) 및 캐패시터(C)로 구성될 수 있다.
인버터부(108)는 다수의 스위칭 소자를 포함한다. 본 발명의 일 실시예에서 인버터부(108)는 4개의 스위칭 소자, 즉 제1 스위칭 소자(T1), 제2 스위칭 소자(T2), 제3 스위칭 소자(T3), 제4 스위칭 소자(T4)를 포함한다.
제1 스위칭 소자(T1) 및 제2 스위칭 소자(T2)는 서로 직렬로 연결되며, 후술하는 구동부(12)에 의해서 인가되는 스위칭 신호(S1, S2)에 의해서 상보적으로 턴 온 및 턴 오프된다. 마찬가지로, 제3 스위칭 소자(T3) 및 제4 스위칭 소자(T4)는 서로 직렬로 연결되며, 구동부(12)에 의해서 인가되는 스위칭 신호(S3, S4)에 의해서 상보적으로 턴 온 및 턴 오프된다.
이와 같은 스위칭 소자들의 상보적인 턴 온 및 턴 오프 동작을 스위칭 동작이라 한다. 인버터부(108)는 스위칭 소자들(T1, T2, T3, T4)의 스위칭 동작을 통해서 평활화부(106)에 의해서 제공되는 직류 전압을 변환하여 교류 전압을 출력한다.
또한 인버터부(108)는 스위칭 소자의 스위칭 동작에 의해서 출력되는 교류 전압을 공진 전류로 변환하기 위한 인덕터(Lr) 및 가변 캐패시터부(C1, C2, C3)를 포함한다. 인덕터(Lr) 및 가변 캐패시터부(C1, C2, C3)는 워킹 코일(WC)과 직렬로 연결되며, 스위칭 소자들의 스위칭 동작에 의해 제공되는 교류 전압에 의한 공진 현상을 통해서 워킹 코일(WC)에 공진 전류가 공급된다.
가변 캐패시터부(C1, C2, C3)에는 각각의 캐패시터를 제1 스위칭 소자(T1) 및 제2 스위칭 소자(T2) 사이의 출력단(a)과 선택적으로 연결하기 위한 릴레이들을 포함하는 릴레이부(110)가 연결된다. 후술하는 바와 같이 릴레이부(110)에 포함된 릴레이들은 제어부(10)에 의해서 선택적으로 열리거나 닫힐 수 있다. 제어부(10)에 의해서 열리거나 닫힌 릴레이의 개수에 따라서 가변 캐패시터부(C1, C2, C3)의 캐패시터 용량이 결정될 수 있다.
본 발명에서는 제어부(10)의 제어에 릴레이부(110)에 포함된 릴레이의 개폐를 조절함으로써 가변 캐패시터부(C1, C2, C3)의 캐패시터 용량이 조절된다. 이와 같이 가변 캐패시터부(C1, C2, C3)의 캐패시터 용량을 조절함에 따라서 워킹 코일(WC)에 흐르는 공진 전류의 공진 주파수가 조절될 수 있다.
참고로 도 1에는 설명의 편의를 위해서 가변 캐패시터부가 3개의 캐패시터(C1, C2, C3)를 포함하는 것으로 도시되어 있으나, 가변 캐패시터부를 구성하는 캐패시터의 개수 및 각각의 캐패시터의 용량은 실시예에 따라 달라질 수 있다. 또한 가변 캐패시터부를 구성하는 캐패시터의 개수에 따라서 릴레이부(110)를 구성하는 릴레이의 개수도 달라질 수 있다.
워킹 코일(WC)은 인버터부(108)로부터 제공되는 공진 전류를 이용하여 워킹 코일(WC) 주변에 놓여지는 용기를 가열한다. 워킹 코일(WC)에 공진 전류가 인가되면 워킹 코일(WC)과 용기 사이에 와전류가 발생되어 용기의 몸체가 가열됨에 따라서 용기 내부의 내용물이 가열된다.
검출부(14)는 워킹 코일(WC)에 인가되는 입력 전류 및 입력 전압 중 적어도 하나를 측정하고, 측정 결과를 제어부(10)에 제공한다. 제어부(10)는 검출부(14)로부터 전달되는 측정 결과를 이용하여 현재 워킹 코일(WC) 주변에 놓여진 용기의 저항값을 산출할 수 있다.
제어부(10)는 전술한 바와 같이 산출되는 용기의 저항값을 미리 정해진 기준 저항값과 비교한다. 제어부(10)는 용기의 저항값과 기준 저항값과의 비교 결고에 따라서 인버터부(10)에 포함되는 스위칭 소자들(T1, T2, T3, T4)의 동작 모드를 결정한다. 본 발명에서 스위칭 소자들(T1, T2, T3, T4)은 주파수 3배 모드, 주파수 2배 모드, 하프 브릿지 모드, 풀 브릿지 모드 중 어느 하나의 모드로 동작할 수 있다.
또한 제어부(10)는 결정된 동작 모드에 따라서 가변 캐패시터부(C1, C2, C3)의 캐패시터 용량을 결정할 수 있다. 제어부(10)는 결정된 캐패시터 용량에 따라서 릴레이부(110)의 개폐 상태를 제어하여 가변 캐패시터부를 구성하는 캐패시터들(C1, C2, C3) 중에서 제1 스위칭 소자(T1) 및 제2 스위칭 소자(T2) 사이의 출력단(a)과 워킹 코일(WC) 사이에 연결될 캐패시터를 선택할 수 있다.
또한 제어부(10)는 결정된 동작 모드에 따른 제어 신호를 구동부(12)에 전달한다. 구동부(12)는 제어부(10)에 의해서 전달되는 제어 신호에 따라서 스위칭 소자들(T1, T2, T3, T4)에 인가되는 스위칭 신호(S1, S2, S3, S4)를 생성한다. 구동부(12)가 생성하는 스위칭 신호(S1, S2, S3, S4)의 파형에 따라서 스위칭 소자들(T1, T2, T3, T4)의 동작 주파수가 결정된다.
이하에서는 도 1 내지 도 5를 참조하여 제어부(10)가 스위칭 소자들(T1, T2, T3, T4)의 동작 모드를 결정하는 과정 및 각각의 동작 모드에 따른 유도 가열 장치의 동작에 대해서 설명한다.
워킹 코일(WC) 주변에 용기가 놓여진 상태에서 사용자에 의해서 가열 동작의 수행이 요청되면, 제어부(10)는 스위칭 소자들(T1, T2, T3, T4)의 동작 주파수를 미리 정해진 제1 동작 주파수로 설정한다. 본 발명의 일 실시예에서, 제1 동작 주파수는 최소 주파수(fmin)의 3배(3×fmin)로 설정될 수 있다. 여기서 최소 주파수(fmin)는 유도 가열 장치에 포함된 스위칭 소자들(T1, T2, T3, T4)을 구동시킬 수 있는 동작 주파수 중 최소값을 의미한다.
제어부(10)는 스위칭 소자들(T1, T2, T3, T4)의 동작 주파수를 제1 동작 주파수로 설정한 상태에서 구동부(12)를 통해 스위칭 소자들(T1, T2, T3, T4)에 스위칭 신호를 인가한다. 스위칭 소자들(T1, T2, T3, T4)의 스위칭 동작을 통해서 워킹 코일(WC)에 공진 전류가 인가되면, 제어부(10)는 검출부(14)를 통해 검출되는 입력 전압 및 입력 전류를 이용하여 워킹 코일(WC) 주변에 놓인 용기의 저항값을 산출한다.
제어부(10)는 산출된 용기 저항값을 미리 정해진 제1 기준 저항값과 비교한다. 본 발명의 일 실시예에서, 제1 기준 저항값(
Figure 112017099784414-pat00001
)은 하기 수학식과 같이 설정될 수 있다.
Figure 112017099784414-pat00002
[수학식 1]에서
Figure 112017099784414-pat00003
는 인버터부(108)의 입력 전압에 대한 출력 전압의 비, 즉 전압 이득 중 최대값인 최대 전압 이득을 나타내고,
Figure 112017099784414-pat00004
은 전원(102)에 의해서 공급되는 전압값을 나타낸다. 그리고
Figure 112017099784414-pat00005
는 유도 가열 장치의 최대 정격 전력을 나타낸다.
산출된 용기 저항값과 제1 기준 저항값을 비교한 결과 용기 저항값이 제1 기준 저항값보다 작을 경우, 제어부(10)는 동작 모드를 주파수 3배 모드로 설정한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 유도 가열 장치의 스위칭 소자의 구동 모드가 주파수 3배 모드일 때, 워킹 코일의 공진 전류의 파형, 브릿지 전압(Vab)의 파형, 스위칭 신호(S1, S2, S3, S4)의 파형을 나타낸다. 참고로 브릿지 전압(Vab)은 스위칭 소자들(T1, T2, T3, T4)의 스위칭 동작에 의해서 출력되는 출력단(a) 및 출력단(b) 사이의 전압값을 나타낸다.
전술한 바와 같이 유도 가열 장치의 동작 모드가 주파수 3배 모드로 결정되면, 제어부(10)는 도 2에 도시된 바와 같은 파형의 스위칭 신호(S1, S2, S3, S4)를 출력하도록 구동부(12)에 제어 신호를 인가한다.
또한 제어부(10)는 도 2에 도시된 바와 같이 스위칭 신호(S1, S2, S3, S4)의 1주기(P1) 동안 공진 전류가 3회 출력되도록, 다시 말해서 공진 전류가 흐르는 워킹 코일(WC)의 공진 주파수가 스위칭 소자들(T1, T2, T3, T4)의 동작 주파수의 3배가 되도록 하기 수학식과 같이 가변 캐패시터의 용량(
Figure 112017099784414-pat00006
)을 설정한다.
Figure 112017099784414-pat00007
[수학식 2]에서
Figure 112017099784414-pat00008
는 스위칭 소자들(T1, T2, T3, T4)의 동작 주파수의 3배가 되는 주파수값을 의미하고,
Figure 112017099784414-pat00009
은 도 1에 도시된 인덕터(Lr)의 인덕턴스값을 의미한다.
제어부(10)는 가변 캐패시터부(C1, C2, C3)의 캐패시터 용량이 앞서 설정된 캐패시터 용량(
Figure 112017099784414-pat00010
)과 일치하도록 릴레이부(110)를 제어하여 연결될 캐패시터를 선택한다. 가변 캐패시터부(C1, C2, C3)의 캐패시터 용량 설정이 완료되면 제어부(10)는 구동부(12)를 통해서 도 2에 도시된 바와 같은 스위칭 신호(S1, S2, S3, S4)를 발생시켜 스위칭 소자들(T1, T2, T3, T4)을 구동시킴으로써 가열 동작을 수행한다.
한편, 산출된 용기 저항값과 제1 기준 저항값을 비교한 결과 용기 저항값이 제1 기준 저항값보다 크거나 같을 경우, 제어부(10)는 스위칭 소자들(T1, T2, T3, T4)의 동작 주파수를 미리 정해진 제2 동작 주파수로 설정한다. 본 발명의 일 실시예에서, 제2 동작 주파수는 최소 주파수(fmin)의 2배(2×fmin)로 설정될 수 있다.
제어부(10)는 스위칭 소자들(T1, T2, T3, T4)의 동작 주파수를 제2 동작 주파수로 설정한 상태에서 구동부(12)를 통해 스위칭 소자들(T1, T2, T3, T4)에 스위칭 신호를 인가한다. 스위칭 소자들(T1, T2, T3, T4)의 스위칭 동작을 통해서 워킹 코일(WC)에 공진 전류가 인가되면, 제어부(10)는 검출부(14)를 통해 검출되는 입력 전압 및 입력 전류를 이용하여 워킹 코일(WC) 주변에 놓인 용기의 저항값을 산출한다.
제어부(10)는 산출된 용기 저항값을 미리 정해진 제2 기준 저항값과 비교한다. 본 발명의 일 실시예에서, 제2 기준 저항값(
Figure 112017099784414-pat00011
)은 하기 수학식과 같이 설정될 수 있다.
Figure 112017099784414-pat00012
산출된 용기 저항값과 제2 기준 저항값을 비교한 결과 용기 저항값이 제2 기준 저항값보다 작을 경우, 제어부(10)는 동작 모드를 주파수 2배 모드로 설정한다.
도 3는 본 발명의 일 실시예에 따른 유도 가열 장치의 스위칭 소자의 구동 모드가 주파수 2배 모드일 때, 워킹 코일의 공진 전류의 파형, 브릿지 전압(Vab)의 파형, 스위칭 신호(S1, S2, S3, S4)의 파형을 나타낸다.
전술한 바와 같이 유도 가열 장치의 동작 모드가 주파수 2배 모드로 결정되면, 제어부(10)는 도 3에 도시된 바와 같은 파형의 스위칭 신호(S1, S2, S3, S4)를 출력하도록 구동부(12)에 제어 신호를 인가한다.
또한 제어부(10)는 도 3에 도시된 바와 같이 스위칭 신호(S1, S2, S3, S4)의 1주기(P2) 동안 공진 전류가 2회 출력되도록, 다시 말해서 공진 전류가 흐르는 워킹 코일(WC)의 공진 주파수가 스위칭 소자들(T1, T2, T3, T4)의 동작 주파수의 2배가 되도록 하기 수학식과 같이 가변 캐패시터의 용량(
Figure 112017099784414-pat00013
)을 설정한다.
Figure 112017099784414-pat00014
[수학식 4]에서
Figure 112017099784414-pat00015
는 스위칭 소자들(T1, T2, T3, T4)의 동작 주파수의 2배가 되는 주파수값을 의미한다.
제어부(10)는 가변 캐패시터부(C1, C2, C3)의 캐패시터 용량이 앞서 설정된 캐패시터 용량(
Figure 112017099784414-pat00016
)과 일치하도록 릴레이부(110)를 제어하여 연결될 캐패시터를 선택한다. 가변 캐패시터부(C1, C2, C3)의 캐패시터 용량 설정이 완료되면 제어부(10)는 구동부(12)를 통해서 도 3에 도시된 바와 같은 스위칭 신호(S1, S2, S3, S4)를 발생시켜 스위칭 소자들(T1, T2, T3, T4)을 구동시킴으로써 가열 동작을 수행한다.
한편, 산출된 용기 저항값과 제2 기준 저항값을 비교한 결과 용기 저항값이 제2 기준 저항값보다 크거나 같을 경우, 제어부(10)는 스위칭 소자들(T1, T2, T3, T4)의 동작 주파수를 미리 정해진 제3 동작 주파수로 설정한다. 본 발명의 일 실시예에서, 제3 동작 주파수는 최소 주파수(fmin)로 설정될 수 있다.
제어부(10)는 스위칭 소자들(T1, T2, T3, T4)의 동작 주파수를 제3 동작 주파수로 설정한 상태에서 구동부(12)를 통해 스위칭 소자들(T1, T2, T3, T4)에 스위칭 신호를 인가한다. 스위칭 소자들(T1, T2, T3, T4)의 스위칭 동작을 통해서 워킹 코일(WC)에 공진 전류가 인가되면, 제어부(10)는 검출부(14)를 통해 검출되는 입력 전압 및 입력 전류를 이용하여 워킹 코일(WC) 주변에 놓인 용기의 저항값을 산출한다.
제어부(10)는 산출된 용기 저항값을 미리 정해진 제3 기준 저항값과 비교한다. 본 발명의 일 실시예에서, 제3 기준 저항값(
Figure 112017099784414-pat00017
)은 하기 수학식과 같이 설정될 수 있다.
Figure 112017099784414-pat00018
산출된 용기 저항값과 제3 기준 저항값을 비교한 결과 용기 저항값이 제3 기준 저항값보다 작을 경우, 제어부(10)는 동작 모드를 하프 브릿지 모드로 설정한다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 유도 가열 장치의 스위칭 소자의 구동 모드가 하프 브릿지 모드일 때, 워킹 코일의 공진 전류의 파형, 브릿지 전압(Vab)의 파형, 스위칭 신호(S1, S2, S3, S4)의 파형을 나타낸다.
전술한 바와 같이 유도 가열 장치의 동작 모드가 하프 브릿지 모드로 결정되면, 제어부(10)는 도 4에 도시된 바와 같은 파형의 스위칭 신호(S1, S2, S3, S4)를 출력하도록 구동부(12)에 제어 신호를 인가한다.
또한 제어부(10)는 도 4에 도시된 바와 같이 공진 전류가 흐르는 워킹 코일(WC)의 공진 주파수가 스위칭 소자들(T1, T2, T3, T4)의 동작 주파수와 일치하도록 하기 수학식과 같이 가변 캐패시터의 용량(
Figure 112017099784414-pat00019
)을 설정한다.
Figure 112017099784414-pat00020
[수학식 6]에서
Figure 112017099784414-pat00021
는 스위칭 소자들(T1, T2, T3, T4)의 동작 주파수와 동일한 주파수값을 의미한다.
제어부(10)는 가변 캐패시터부(C1, C2, C3)의 캐패시터 용량이 앞서 설정된 캐패시터 용량(
Figure 112017099784414-pat00022
)과 일치하도록 릴레이부(110)를 제어하여 연결될 캐패시터를 선택한다. 가변 캐패시터부(C1, C2, C3)의 캐패시터 용량 설정이 완료되면 제어부(10)는 구동부(12)를 통해서 도 4에 도시된 바와 같은 스위칭 신호(S1, S2, S3, S4)를 발생시켜 스위칭 소자들(T1, T2, T3, T4)을 구동시킴으로써 가열 동작을 수행한다.
한편, 산출된 용기 저항값과 제3 기준 저항값을 비교한 결과 용기 저항값이 제3 기준 저항값보다 크거나 같을 경우, 제어부(10)는 동작 모드를 풀 브릿지 모드로 설정한다.
그리고 나서, 제어부(10)는 산출된 용기 저항값을 미리 설정된 제4 기준 저항값과 비교한다. 본 발명의 일 실시예에서, 제4 기준 저항값(
Figure 112017099784414-pat00023
)은 하기 수학식과 같이 설정될 수 있다.
Figure 112017099784414-pat00024
산출된 용기 저항값과 제4 기준 저항값을 비교한 결과 용기 저항값이 제4 기준 저항값보다 작으면, 제어부(10)는 풀 브릿지 모드로 유도 가열 장치를 구동시킨다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 유도 가열 장치의 스위칭 소자의 구동 모드가 풀 브릿지 모드일 때, 워킹 코일의 공진 전류의 파형, 브릿지 전압(Vab)의 파형, 스위칭 신호(S1, S2, S3, S4)의 파형을 나타낸다.
전술한 바와 같이 유도 가열 장치의 동작 모드가 풀 브릿지 모드로 결정되면, 제어부(10)는 도 5에 도시된 바와 같은 파형의 스위칭 신호(S1, S2, S3, S4)를 출력하도록 구동부(12)에 제어 신호를 인가한다.
또한 제어부(10)는 도 5에 도시된 바와 같이 공진 전류가 흐르는 워킹 코일(WC)의 공진 주파수가 스위칭 소자들(T1, T2, T3, T4)의 동작 주파수와 일치하도록 하기 수학식과 같이 가변 캐패시터의 용량(
Figure 112017099784414-pat00025
)을 설정한다.
Figure 112017099784414-pat00026
[수학식 8]에서
Figure 112017099784414-pat00027
는 스위칭 소자들(T1, T2, T3, T4)의 동작 주파수와 동일한 주파수값을 의미한다.
제어부(10)는 가변 캐패시터부(C1, C2, C3)의 캐패시터 용량이 앞서 설정된 캐패시터 용량(
Figure 112017099784414-pat00028
)과 일치하도록 릴레이부(110)를 제어하여 연결될 캐패시터를 선택한다. 가변 캐패시터부(C1, C2, C3)의 캐패시터 용량 설정이 완료되면 제어부(10)는 구동부(12)를 통해서 도 5에 도시된 바와 같은 스위칭 신호(S1, S2, S3, S4)를 발생시켜 스위칭 소자들(T1, T2, T3, T4)을 구동시킴으로써 가열 동작을 수행한다.
한편, 산출된 용기 저항값과 제4 기준 저항값을 비교한 결과 용기 저항값이 제4 기준 저항값보다 크거나 같을 경우, 제어부(10)는 동작 모드를 풀 브릿지 모드로 설정하되 스위칭 소자들(T1, T2, T3, T4)의 동작 주파수를 미리 정해진 제한 주파수로 설정한다. 용기 저항값이 제4 기준 저항값보다 크거나 같다면 풀 브릿지 모드를 통해서 유도 가열 장치가 최대 전력을 나타낼 수 없음을 의미한다. 따라서 제어부(10)는 스위칭 소자들(T1, T2, T3, T4)의 동작 주파수를 제한 주파수, 예컨대 워킹 코일(WC)의 공진 주파수로 제한한다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 유도 가열 장치의 제어 방법의 흐름도이다.
워킹 코일(WC) 주변에 용기가 놓여진 상태에서 사용자에 의해서 가열 동작의 수행이 요청되면, 제어부(10)는 스위칭 소자들(T1, T2, T3, T4)의 동작 주파수를 미리 정해진 제1 동작 주파수로 설정한다(602).
제어부(10)는 스위칭 소자들(T1, T2, T3, T4)의 동작 주파수를 제1 동작 주파수로 설정한 상태에서 구동부(12)를 통해 스위칭 소자들(T1, T2, T3, T4)에 스위칭 신호를 인가한다. 스위칭 소자들(T1, T2, T3, T4)의 스위칭 동작을 통해서 워킹 코일(WC)에 공진 전류가 인가되면, 제어부(10)는 검출부(14)를 통해 검출되는 입력 전압 및 입력 전류를 이용하여 워킹 코일(WC) 주변에 놓인 용기의 저항값을 검출한다(604).
다음으로, 제어부(10)는 검출된 용기 저항값을 미리 정해진 제1 기준 저항값(K1)과 비교한다(606). 비교(606) 결과 용기 저항값이 제1 기준 저항값(K1)보다 작으면, 제어부(10)는 스위칭 소자들(T1, T2, T3, T4)의 동작 모드를 주파수 3배 모드로 설정한다(608).
이에 따라서 제어부(10)는 주파수 3배 모드에 대응되는 스위칭 신호를 생성하도록 구동부(12)에 제어 신호를 전달하고, 워킹 코일(WC)의 공진 주파수가 스위칭 소자들(T1, T2, T3, T4)의 동작 주파수의 3배가 되도록 릴레이부(110)를 제어하여 가변 캐패시터부(C1, C2, C3)의 용량을 조절한다. 이와 같이 주파수 3배 모드의 설정이 완료되면 제어부(10)는 구동부(12)를 통해 스위칭 소자들(T1, T2, T3, T4)에 스위칭 신호를 인가하여 가열 동작을 수행한다(632).
비교(606) 결과 용기 저항값이 제1 기준 저항값(K1)보다 크거나 같으면, 제어부(10)는 스위칭 소자들(T1, T2, T3, T4)의 동작 주파수를 제2 동작 주파수로 설정하고(610), 구동부(12)를 통해 스위칭 소자들(T1, T2, T3, T4)에 스위칭 신호를 인가한다. 스위칭 소자들(T1, T2, T3, T4)의 스위칭 동작을 통해서 워킹 코일(WC)에 공진 전류가 인가되면, 제어부(10)는 검출부(14)를 통해 검출되는 입력 전압 및 입력 전류를 이용하여 워킹 코일(WC) 주변에 놓인 용기의 저항값을 검출한다(612).
다음으로, 제어부(10)는 검출된 용기 저항값을 미리 정해진 제2 기준 저항값(K2)과 비교한다(614). 비교(614) 결과 용기 저항값이 제2 기준 저항값(K2)보다 작으면, 제어부(10)는 스위칭 소자들(T1, T2, T3, T4)의 동작 모드를 주파수 2배 모드로 설정한다(616).
이에 따라서 제어부(10)는 주파수 2배 모드에 대응되는 스위칭 신호를 생성하도록 구동부(12)에 제어 신호를 전달하고, 워킹 코일(WC)의 공진 주파수가 스위칭 소자들(T1, T2, T3, T4)의 동작 주파수의 2배가 되도록 릴레이부(110)를 제어하여 가변 캐패시터부(C1, C2, C3)의 용량을 조절한다. 이와 같이 주파수 2배 모드의 설정이 완료되면 제어부(10)는 구동부(12)를 통해 스위칭 소자들(T1, T2, T3, T4)에 스위칭 신호를 인가하여 가열 동작을 수행한다(632).
비교(614) 결과 용기 저항값이 제2 기준 저항값(K2)보다 크거나 같으면, 제어부(10)는 스위칭 소자들(T1, T2, T3, T4)의 동작 주파수를 제3 동작 주파수로 설정하고(618), 구동부(12)를 통해 스위칭 소자들(T1, T2, T3, T4)에 스위칭 신호를 인가한다. 스위칭 소자들(T1, T2, T3, T4)의 스위칭 동작을 통해서 워킹 코일(WC)에 공진 전류가 인가되면, 제어부(10)는 검출부(14)를 통해 검출되는 입력 전압 및 입력 전류를 이용하여 워킹 코일(WC) 주변에 놓인 용기의 저항값을 검출한다(620).
다음으로, 제어부(10)는 검출된 용기 저항값을 미리 정해진 제3 기준 저항값(K3)과 비교한다(622). 비교(622) 결과 용기 저항값이 제3 기준 저항값(K3)보다 작으면, 제어부(10)는 스위칭 소자들(T1, T2, T3, T4)의 동작 모드를 하프 브릿지 모드로 설정한다(624).
이에 따라서 제어부(10)는 하프 브릿지 모드에 대응되는 스위칭 신호를 생성하도록 구동부(12)에 제어 신호를 전달하고, 워킹 코일(WC)의 공진 주파수가 스위칭 소자들(T1, T2, T3, T4)의 동작 주파수와 동일하도록 릴레이부(110)를 제어하여 가변 캐패시터부(C1, C2, C3)의 용량을 조절한다. 이와 같이 하프 브릿지 모드의 설정이 완료되면 제어부(10)는 구동부(12)를 통해 스위칭 소자들(T1, T2, T3, T4)에 스위칭 신호를 인가하여 가열 동작을 수행한다(632).
비교(622) 결과 용기 저항값이 제3 기준 저항값(K3)보다 크거나 같으면, 제어부(10)는 스위칭 소자들(T1, T2, T3, T4)의 동작 모드를 풀 브릿지 모드로 설정한다(626). 그리고 나서, 제어부(10)는 앞서 검출된 용기 저항값을 미리 정해진 제4 기준 저항값(K4)과 비교한다(628).
비교(628) 결과 용기 저항값이 제4 기준 저항값(K4)보다 크거나 같으면, 제어부(10)는 스위칭 소자들(T1, T2, T3, T4)의 동작 주파수를 미리 정해진 제한 주파수로 설정하여 동작 주파수를 제한하고(630), 가열 동작을 수행한다(632).
비교(628) 결과 용기 저항값이 제4 기준 저항값(K4)보다 작으면, 제어부(10)는 구동부(12)를 통해 스위칭 소자들(T1, T2, T3, T4)에 스위칭 신호를 인가하여 가열 동작을 수행한다(632).
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.

Claims (9)

  1. 입력 전원을 정류하는 정류부;
    상기 정류부에 의해서 정류된 전원 전압을 평활화하여 직류 전압을 출력하는 평활화부;
    제1 스위칭 소자, 제2 스위칭 소자, 제3 스위칭 소자, 제4 스위칭 소자 및 가변 캐패시터부를 포함하며, 스위칭 동작을 통해서 상기 직류 전압을 변환하여 공진 전류를 출력하는 인버터부;
    상기 인버터부로부터 제공되는 공진 전류를 이용하여 용기를 가열하는 워킹 코일; 및
    상기 용기의 용기 저항값을 미리 정해진 기준 저항값과 비교하고, 비교 결과에 따라서 스위칭 소자의 동작 모드를 결정하며, 상기 동작 모드에 따라서 상기 가변 캐패시터부의 용량을 조절하여 상기 워킹 코일의 공진 주파수와 상기 스위칭 소자의 동작 주파수의 비율을 조절하는 제어부를 포함하는
    유도 가열 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는
    상기 인버터부에 포함된 스위칭 소자의 동작 주파수가 미리 정해진 제1 동작 주파수로 설정된 상태에서 측정된 상기 용기 저항값이 미리 정해진 제1 기준 저항값보다 작으면 상기 동작 모드를 주파수 3배 모드로 설정하는
    유도 가열 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제어부는
    상기 워킹 코일의 공진 주파수가 상기 스위칭 소자의 동작 주파수의 3배가 되도록 상기 가변 캐패시터부의 용량을 조절하는
    유도 가열 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는
    상기 인버터부에 포함된 스위칭 소자의 동작 주파수가 미리 정해진 제2 동작 주파수로 설정된 상태에서 측정된 상기 용기 저항값이 미리 정해진 제2 기준 저항값보다 작으면 상기 동작 모드를 주파수 2배 모드로 설정하는
    유도 가열 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제어부는
    상기 워킹 코일의 공진 주파수가 상기 스위칭 소자의 동작 주파수의 2배가 되도록 상기 가변 캐패시터부의 용량을 조절하는
    유도 가열 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는
    상기 인버터부에 포함된 스위칭 소자의 동작 주파수가 미리 정해진 제3 동작 주파수로 설정된 상태에서 측정된 상기 용기 저항값이 미리 정해진 제3 기준 저항값보다 작으면 상기 동작 모드를 하프 브릿지 모드로 설정하는
    유도 가열 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는
    상기 인버터부에 포함된 스위칭 소자의 동작 주파수가 미리 정해진 제3 동작 주파수로 설정된 상태에서 측정된 상기 용기 저항값이 미리 정해진 제3 기준 저항값보다 크거나 같으면 상기 동작 모드를 풀 브릿지 모드로 설정하는
    유도 가열 장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 제어부는
    상기 인버터부에 포함된 스위칭 소자의 동작 주파수가 미리 정해진 제3 동작 주파수로 설정된 상태에서 측정된 상기 용기 저항값이 미리 정해진 제4 기준 저항값보다 크거나 같으면 상기 동작 주파수를 미리 정해진 제한 주파수로 설정하는
    유도 가열 장치.
  9. 제7항 또는 제8항에 있어서,
    상기 제어부는
    상기 워킹 코일의 공진 주파수가 상기 스위칭 소자의 동작 주파수와 동일하도록 상기 가변 캐패시터부의 용량을 조절하는
    유도 가열 장치.
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