KR0170207B1 - 일정한 턴 오프 시간을 가진 유도 가열 장치의 전력 제어 회로 - Google Patents

Abstract

본 발명은 유도 가열 장치의 전력 제어 회로에 관한 것으로, 특히, 입력 전압과 곤진 전압을 검출하지 않고도 스위칭 소자에 일정한 턴 오프 시간을 주어 전력을 제어하는 일정한 턴 오프 시간을 가진 유도 가열 장치의 전력 제어 회로에 관한 것이다.

본 발명은 축적된 직류 전원을 고주파 스위칭 동작에 의해 공진현상을 일으켜 자계 에너지를 발생하는 인버터 회로부; 제어 대상의 상태에 따라 입력 전류나 상기 인버터 회로부의 공진 전압 등의 최대값을 일정하게 유지하기 위한 제어 전압을 출력하는 피드백 회로부; 상기 피드백 회로부의 제어 전압의 변화에 대응하여 반비례하는 전류를 일정하게 흐르도록 하는 전압 전류 변환부; 상기 전압 전류 변환부의 일정 정전류가 피드백되는 신호에 응답하여 상기 전압 전류 변환부의 정전류를 충전하며, 일정하게 방전하는 것으로 삼각파를 발생하는 삼각파 발생부; 상기 삼각파 발생부의 출력 전압과 제 2 기준 전압을 비교하여 고주파의 구형파를 발생하는 구형파 발생부; 및 상기 구형파 발생부의 출력 신호에 응답하여 상기 인버터 회로부의 고주파 스위칭 동작을 제어하기 위한 스위치 구동 신호를 발생하는 스위치 구동부를 구비한 것을 특징으로하여 비교적 회로가 간단하며 고전압인 입력 전압과 공진 전압을 검출하지 않고도 제어 대상의 전력이 일정하도록 전력을 공급할 수 있는 효과가 있다.

Description

일정한 턴 오프 시간을 가진 유도 가열 장치의 전력 제어 회로

제1도는 종래의 유도 가열 장치의 전력 제어 회로도.

제2도는 제1도의 동작 설명을 위한 파형도.

제3도는 본 발명에 따른 일정한 턴 오프 시간을 가진 유도 가열장치의 전력 제어 회로도.

제4도는 제3도의 동작 설명을 위한 파형도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

10,210 : DC 전원부 20,220 : 공진 회로부

100,300 : 인버터 회로부 110,140,334 : 비교기

120,330 : 삼각파 발생부 130,310 : 피드백 회로부

150,350 : 스위치 구동부 312 : 전압 전류 변환기

314,324 : 전류원 332 : 기준 전압 발생부

340 : 구형파 발생부

본 발명은 유도 가열 장치의 전력 제어 회로에 관한 것으로, 특히, 입력 전압과 공진 전압을 검출하지 않고, 스위칭 소자에 일정한 턴 오프 시간을 주며 전력을 제어하는 일정한 턴 오프 시간을 가진 유도 가열 장치의 전력 제어 회로에 관한 것이다.

유도 가열 장치는 인가된 AC 전원을 DC 전원으로 변환하여, DC 전원의 직류 전력을 고주파 스위칭 하는 것으로 공진 회로에 공진 현상을 일으키며, 그로인해 고주파 자계 에너지를 발생하는 것으로서, 용해로나 표면 처리등 산업계 전반에서 금속의 표면을 비접촉으로 가열하기 위해서 많이 사용되며, 최근에는 조리기나 밥솥등 가정 용품에 까지 확대 응용되어 우리 일상 생활에 많은 편리함을 제공하고 있다. 이와 같이 가정 용품 등에 응용되는 유도 가열 장치는 적은 용량의 전력을 소모하므로 스위칭 소자를 하나만 이용하는 영전압 스위칭 방식의 공진형 인버터가 많이 이용된다.

제1도는 종래 유도 가열 장치의 정력 제어 회로도로서, 공진 현상을 일으켜 고주파 자계 에너지를 발생하는 인버터 회로부(100)와 상기 인버터 회로부에 일정한 전력이 공급 되도록 제어하는 제어부(200)를 구비한다.

여기에서, 상기 인버터 회로부(100)는 DC 입력 전압이 축적되는 입력 커패시터(Cin)로 구성된 DC 전원부(10)와, 스위치 구동 신호에 응답하여 반전 전류를 발생하도록 스위칭하는 제1스위치(sw1)와, 상기 제1스위치(sw1)에 역방향으로 병렬 연결되어 있는 다이오드(D)와, 상기 제1스위치(sw1)의 고주파 스위칭 동작에 의하여 공진 전류(Ir)를 발생하기 위한 공진 인덕터(Lr)와 공진 커패시터(Cr)로 구성된 공진 회로부(20)로 구성된다.

또한, 상기 제어부(200)는 상기 공진 회로부(20)의 전압(Vr)이 분압된 제1분압 전압(Vr')과 상기 DC전원부(10)의 입력 커패시터(Cin)에 걸리는 입력 전압(Vin)을 분압한 제2분압 전압(Vin')을 비교하여 출력하는 제1비교기(110)와, 상기 제1비교기(110)의 출력을 리셋 입력으로하며 삼각파 파형을 발생하는 삼각파 발생기(120)와, 입력 전류나 상기 공진 전압(Vr)을 항상 일정하게 유지하도록 전압을 출력하는 피드백 회로부(130)와, 상기 삼각파 발생기(120)와 상기 피드백 회로부(130)의 출력을 비교하여 고주파의 구형파 펄스를 출력하는 제2비교기(140)및 상기 고주파 구형파 펄스가 입력되어 상기 스위치 구동신호를 출력하는 스위치 구동부(150)로 구성된다.

상기와 같은 구성에서 제2도(c)의 앞부분에서 처럼 스위칭하는 시점의 인덕터 전류(Ir)가 충분하여 스위치 전압이 영이되는 시점에서 상기 제1스위치(sw1)를 턴 온 하면 스위칭 손실이 없는 영 전압 스위칭이 가능하지만 (c)의 뒷부분에서 처럼 인덕터 전류(Ir)가 줄어들 경우에는 상기 제1스위치(sw1)를 턴 온 할 때 스위칭 손실이 발생한다.

대략 그 손실은 0.5CV²f_s이다. 따라서, 스위치 양단 전압이 영이 아닐 경우 스위칭을 할 때는 스위치의 전압이 가능한 작을수록 유리함을 알 수 있다.

즉, 상기와 같은 구성은 스위치의 양단 전압이 최소인 점에서 스위치를 턴 온 시켜 스위칭 동작시 전력 손실을 줄이기 위함이다.

그런, 유도 가열 밥솥처럼 밥솥의 형태와 재질이 일정한 경우에는 등가 인덕터(Lr)가 일정하고 공진 커패시터(Cr)의 값도 변함이 없으므로, 제2도의 (d)에서, 스위치의 턴 오프 시간 t0에서 t4까지의 시간중 t1-t3의 시간이 공진 주기의 3/4으로 일정하다. 여기에서, t0-t1은 인덕터 전류가 공진 커패시터를 입력 전압(Vin)까지 충전시키는데 걸리는 시간으로 인덕터 전류(Ir)에 비례하고, 전체 턴 오프 시간중에 걸리는 시간 중에 차지하는 비율은 매우 적다고 볼 수 있다.

즉, 영전압 스위칭을 하는 구간에서는 턴 오프 시점이 다소 지연되어도 영전압 스위칭에 영향을 주지 않으므로, 턴 오프 시간을 일정하게 하여도 상기 인버터 회로부(100)의 동작은 문제가 없다고 할 수 있으며, 유도 가열 조리기의 경우 용기가 바뀌어도 등가 인덕터(Lr) 값이 심하게 변하지는 않고 공진 주파수는 인덕터(Lr) 값의 제곱에 비례하므로 턴 오프 시간을 일정하게 하여도 그 동작점은 심각하게 영향을 받지 않는다.

따라서, 상기와 같은 회로는 비교적 고전압인 상기 입력 전압과 공진 전압을 모두 검출해야 한다는 문제점을 안고 있음으로, 본 발명에서는 입력 전압과 공진 전압을 검출하지 않고, 스위칭 소자에 일정한 턴 오프 시간을 주며 제어 대상의 전력을 제어하는 일정한 턴 오프 시간을 가진 유도 가열 전원 장치를 제공하는 데 목적이 있다.

상기의 목적을 살성하기 위한 본 발명은 축적된 직류 전원을 고주파 스위칭 동작에 의해 공진현상을 일으켜 고부파 자계 에너지를 발생하는 인버터 회로부; 제어 대상의 상태에 따라 입력 전류나 상기 인버터 회로부의 공진 전압 등의 최대값을 일정하게 유지하기 위한 제어 전압을 출력하는 피드백 회로부; 상기 피드백 회로부의 제어 전압의 변화에 대응하여 반비례하는 전류를 일정하게 흐르도록 하는 전압 전류 변환부; 상기 전압 전류 변환부의 일정 정전류가 피드백되는 신호에 응답하여 상기 전압 전류 변환부의 정전류를 충전하며, 일정하게 방전하는 것으로 삼각파를 발생하는 삼각파 발생부; 상기 삼각파 발생부의 출력 전압과 제 2 기준 전압을 비교하여 고주파의 구형파를 발생하는 구형파 발생부; 및 상기 구형파 발생부의 출력 신호에 응답하여 상기 인버터 회로부의 고주파 스위칭 동작을 제어하기 위한 스위치 구동 신호를 발생하는 스위치 구동부를 구비한 것을 특징으로 한다.

이하 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대하여 설명한다.

제3도는 본 발명에 따른 일정한 턴 오프 시간을 가진 유도 가열 전원 장치의 전력 제어 회로도로서, 인버터 회로부(300), 피드백 회로부(310), 전압 전류 변환부(320), 삼각파 발생부(330), 구형파 발생부(340) 및 스위치 구동부(350)를 구비한다.

상기 인버터 회로부(300)는 DC 입력 전압이 축적되는 입력 커패시터(Cin)로 구성된 DC 전원부(210)와, 스위치 구동 신호에 응답하여 반전 전류를 발생하도록 스위칭하는 제 1 스위치(sw1)와, 상기 제 1 스위치(sw1) 역방향으로 병렬 연결되어 있는 다이오드(D)와, 상기 제 1 스위치(sw1)의 고주파 스위칭 동작에 의하여 공진 전류(Ir)를 발생하기 위한 공진 인덕터(Lr)와 공진 커패시터(Cr)로 구성된 공진 회로부(220)로 구성되어 축적된 직류 전원(Vin)을 고주파 스위칭 동작에 의해 공진현상을 일으켜 고주파 자계 에너지를 발생한다.

상기 피드백 회로부(310)는 비반전 단자에 제 1 기준 전압(Vref1)이 인가되고, 제어 대상의 전압이 반전 단자에 피드백 저항(Rf)을 통하여 인가되는 오피앰프(OP)와, 상기 오피앰프(OP)의 반전 단자와 상기 오피앰프(OP)의 출력 단자 사이에 피드백 커패시터(Cf)가 연결되어 제어 대상의 상태에 따라 입력 전류나 상기 인버터 회로부(300)의 공진 전압(Vr) 등의 최대값을 일정하게 유지하기 위한 제어 전압(Vc)을 출력한다.

상기 전압 전류 변환부(320)는 전압 전류 변환기(312)와 제 1 전류원(314)으로 구성되어 상기 피드백 회로부(310)의 출력 전압(Vc)의 변화에 대응하여 반비례하는 전류를 일정하게 흐르도록 한다.

상기 삼각파 발생부(330)는 상기 구형파 발생부(340)의 피드백되는 신호에 응답하는 제 2 스위치(sw2)와, 상기 제 2 스위치(sw2)의 제 1 응답상태(High)에 상기 제 1 전류원(314)의 정전류(Ic)를 충전하는 충전 커패시터(Ct) 및 상기 제 2 스위치(sw2)의 제 2 응답 상태(Low)에 상기 충전 커패시터(Ct)의 충전 전류를 일정하게 방전하는 제 2 전류원(324)을 구비하여 상기 피드백되는 신호에 응답하는 것으로 상기 제 1 전류원(314)의 정전류(Ic)를 충전하며, 일정 전류(Idch)를 방전하는 것으로 삼각파(Vct)를 발생한다.

또한, 상기 구형파 발생부(340)는 제 2 기준 전압(Vref2)과 상기 삼각파 발생기(330)의 출력 전압(Vct)을 비교하는 비교기(334)와 상기 비교기(334)가 히스테리시스 특성을 갖도록 하는 기준 전압 발생부(332)를 구비하여 고주파의 구형파(Vo)를 발생한다.

그리고, 상기 스위치 구동부(350)는 상기 구형파 발생부(340)의 출력 신호(Vo)에 응답하여 상기 인버터 회로부(300)의 고주파 스위칭 동작을 제어하기 위한 상기 스위치 구동 신호를 발생하여 상기 제 1 스위치(sw1)를 제어한다.

상기와 같은 구성에서 상기 삼각파 발생부(330)의 충전 커패시터(Ct)를 일정한 하이(Vhth)와 로우(V1th) 레벨 사이의 전압에서 충방전하여 일정한 턴 오프 시간을 갖게한다. 즉, 상기 충전 커패시터(Ct)의 전압이 하이레벨(Vhth)이 될 때까지 상기 제 1 전류원(314)의 전류(Ic)를 충전하고, 상기 비교기(334)의 출력이 상태를 바꾸면 상기 제 2 전류원(324)으로 상기 충전 커패시터(Ct)의 전압(Vct)이 로우 레벨(V1th)이 될 때까지 방전시킨다. 따라서, 충전 구간 중에는 상기 비교기(334)의 출력 전압(Vo)이 하이가 되어 상기 제 1 전류원(314)이 상기 충전 커패시터(Ct)에 연결되고, 방전 구간 중에는 상기 비교기(334)의 출력 전압(Vo)이 로우가 되어 상기 제 2 전류원(324)이 상기 충전 커패시터(Ct)에 연결된다.

여기에서, 상기 제 2 전류원(324)이 일정하면 턴 오프 시간이 일정해진다. 결국, 제어 대상의 전력이 증가하면 상기 피드백 회로부(310)의 출력 전압(Vc)이 감소하고, 그에 따라 상기 제 1 전류원(314)의 출력 전류(Ic)가 증가하여 상기 제 1 스위치(sw1)의 턴 온 시간은 짧아져서 상기 제어 대상의 전력은 감소하게 된다. 반대로 제어 대상의 전력이 감소하면 상기 피드백 회로부(310)의 출력 전압(Vc)이 증가하고, 그에 따라 상기 제 1 전류원(314)의 출력 전류(Ic)가 감소하여 상기 제 1 스위치(sw1)의 턴 온 시간은 길어져 상기 제어 대상의 전력은 증가하게 된다.

따라서 본 발명은 비교적 회로가 간단하며 고전압인 입력 전압과 공진 전압을 검출하지 않고도 제어 대상의 전력이 일정하도록 전력을 공급할 수 있는 효과가 있다.

Claims (4)

1. 축적된 직류 전원을 고주파 스위칭 동작에 의해 공진현상을 일으켜 고주파 자계 에너지를 발생하는 인버터 회로부; 및 제어 대상의 상태에 따라 입력 전류나 상기 인버터 회로부의 공진 전압 등의 최대값을 일정하게 유지하기 위한 제어 전압을 출력하는 피드백 회로부; 상기 피드백 회로부의 제어 전압의 변화에 대응하여 반비례하는 전류를 일정하게 흐르도록 하는 전압 전류 변환부; 피드백되는 신호에 응답하여 상기 전압 전류 변환부의 정전류를 충전하며, 일정하게 방전하는 것으로 삼각파를 발생하는 삼각파 발생부; 상기 삼각파 발생부의 출력 전압과 기준 전압을 비교하여 고주파의 구형파를 발생하는 구형파 발생부; 및 상기 구형파 발생부의 출력 신호에 응답하여 상기 인버터 회로부의 고주파 스위칭 동작들 제어하기 위한 스위치 구동 신호를 발생하는 스위치 구동부를 구비한 것을 특징으로 하는 일정한 턴 오프 시간을 가진 유도 가열 장치의 전력 제어 회로의 전력 제어 회로.
2. 제1항에 있어서, 상기 전압 전류 변환부는 상기 피드백 회로부의 출력 전압에 따라 반비례하는 출력 전류를 출력하는 전압 전류 변환기; 및 상기 전압 전류 변환기의 출력 전류를 일정하게 흐르도록 하는 제 1 전류원을 구비한 것을 특징으로 하는 일정한 턴 오프 시간을 가진 유도 가열 장치의 전력 제어 회로.
3. 제1항에 있어서, 상기 삼각파 발생부는 상기 구형파 발생부의 피드백되는 신호에 응답하여 접점을 달리하는 제 2 스위치; 상기 제 2 스위치의 제 1 응답 상태에 상기 전류원의 정전류를 충전하는 충전 커패시터; 및 상기 제 2 스위치의 제 2 응답 상태에 상기 충전 커패시터의 정전류를 일정하게 방전하는 제 2 전류원을 구비한 것을 특징으로 하는 일정한 턴오프 시간을 가진 유도 가열 장치의 전력 제어 회로.
4. 제1항에 있어서, 상기 스위칭 펄스 발생부는 히스테리시스 특성을 갖도록 제 2 기준 전압을 발생하는 기준 전압 발생부; 및 상기 제 2 기준 전압과 상기 삼각파 발생부의 출력을 비교하는 비교기를 구비한 것을 특징으로 하는 일정한 턴 오프 시간을 가진 유도 가열 장치의 전력 제어 회로.