KR0170208B1 - 유도 가열 장치의 전력 제어 회로 - Google Patents

유도 가열 장치의 전력 제어 회로 Download PDF

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Abstract

본 발명은 유도 가열 장치에 관한 것으로, 특히 공진 탱크 회로의 양단 전압만을 검출하는 것으로 공진 전압의 영 전압 검출, 스위칭 주파수 제어, 공진 전압 제어를 하여 구성 회로가 간단하고 에너지 효율이 최대에서 안정 되도록 시스템 전력을 제어할 수 있는 유도 가열 장치의 전력 제어 회로에 관한 것이다.
유도 가열 장치에 있어서, AC 전원에서 인가되는 교류를 정류기와 평활 캐패시터를 이용하여 DC 전원으로 변환하는 DC 전원부; 상기 DC 전원의 전력을 고주파 스위칭 함으로서 발생하는 고주파 교류 전력이 공진 인덕터와 공진 캐패시터로 구성된 공진 탱크 회로에 인가되어 공진 현상을 일으키는 것으로 고주파 자계 에너지를 발생하는 인버터 회로부; 및 상기 인버터 회로부의 공진 탱크 회로 양단의 전압을 검출하여 시스템의 전력이 정상 부하 상태보다 낮으면 스위칭 주파수를 낮추어 상기 시스템의 전력을 정상 부하 상태로 올리며, 시스템의 전력이 정상 부하 상태보다 높으면 상기 스위칭 주파수를 높여 시스템의 전력을 정상 부하 상태로 낮추는 구동 제어부를 구비한 것을 특징으로 하여 시스템의 전력을 제어함으로 회로 구성이 간단하며 스위칭 동작 시점이 안정되어 에너지 효율을 최대화할 수 있다.

Description

유도 가열 장치의 전력 제어 회로
제1도는 종래의 유도 가열 장치 전력 제어 회로도.
제2도는 본 발명에 따른 유도 가열 장치의 전력 제어를 위한 개략도.
제3도는 본 발명에 따른 유도 가열 장치의 전력 제어 회로도.
제4도는 본 발명의 설명을 위한 대표적인 공진 전압 파형도.
제5도는 본 발명에 따른 실시예의 동작 설명을 위한 파형도.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
5,50 : AC 전원 10,210 : 공진 탱크 회로
20 : 변류기 30,300 : 구동 제어부
40,220 : 스위칭 소자 100 : DC 전원부
110 : 정류기 200 : 인버터 회로부
310 : 영전압 검출부 312 : 분압부
314 : 저역 통과 필터 316 : 고역 통과 필터
320 : 발진 회로부 340 : 피드백 회로부
350 : 스위치 구동부
본 발명은 유도 가열 장치에 관한 것으로, 특히 공진 탱크 회로의 양단 전압만을 검출하는 것으로 공진 전압의 영 전압 검출, 스위칭 주파수 제어, 공진 전압 제어를 하여 구성 회로가 간단하고 에너지 효율이 최적에서 안정 되도록 시스템 전력을 제어할 수 있는 유도 가열 장치의 전력 제어 회로에 관한 것이다.
제1도는 종래의 유도 가열 장치의 전력 제어 회로도로서, 공진 인덕터(L)와 공진 커패시터(C)로 구성되는 공진 탱크 회로(10)의 양단 전압(VCE, VDC)과 변류기(20)에 의한 입력 전류를 구동 제어부(30)에서 상호 비교함으로서, 공진 전압(VCE)의 영전압 검출이 이루어지고, 스위칭 주파수가 결정되며, 상기 스위칭 주파수에 의한 스위치 구동 신호에 의해 스위칭 소자(40)를 턴 온 또는 턴 오프 시켜 공진 전압과 입력 전류를 제어한다.
상기와 같은 공진 탱크 회로(10)에 발생하는 공진 전압(VCE)의 파형은 제4도에 보인 것과 같이 크게 2가지 파형을 들 수 있다. 제4도의 (a)는 상기 스위칭 소자(40)의 턴 오프 시에 발생하는 공진 전압(VCE)의 영전압 위치인 A 시점을 쉽게 검출하여 상기 스위칭 소자(40)를 턴 온 시킬 수 있다. 하지만 제4도의 (b)는 상기 스위칭 소자(40)의 턴 온 시점이 불안정하며, 최소 전압인 B점이 아닌 C나 D점에서 상기 스위칭 소자(40)가 턴 온 된다면 상기 공진 커패시터(C)에 더 많은 에너지가 소모되어 결국 시스템의 에너지 효율이 떨어진다.
즉, 상기와 같은 종래의 유도 가열 전원 장치의 전력 제어 회로는 상기 공진 탱크 회로(10)의 양단 전압(VCE, VDC)과 상기 변류기(20)에 의한 입력 전류를 비교하여 공진 전압(VCE)의 영전압 검출이 이루어지므로 다소 구성 회로가 복잡해지고, 상기 스위칭 소자의 턴 온 시점이 불안정하여 에너지 효율이 떨어진다는 문제점이 있다.
본 발명의 목적은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 공진 탱크 회로의 양단 전압만을 검출하는 것으로 공진 전압의 영 전압 검출, 스위칭 주파수 제어, 공진 전압 제어를 하여 구성 회로가 간단하고 에너지 효율을 최대화하도록 시스템 전력을 제어할 수 있는 유도 가열 장치의 전력 제어회로를 제공하는 데 있다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명은 유도 가열 장치에 있어서, AC 전원에서 인가되는 교류를 정류기와 평활 캐패시터를 이용하여 DC 전원으로 변환하는 DC 전원부; 상기 DC 전원의 전력을 고주파 스위칭함으로서 발생하는 고주파 교류 전력이 공진 인덕터와 공진 커패시터로 구성된 공진 탱크 회로에 인가되어 공진 현상을 일으키는 것으로 고주파 자계 에너지를 발생하는 인버터 회로부; 및 상기 인버터 회로부의 공진 탱크 회로 양단의 전압을 검출하여 시스템의 전력이 정상 부하 상태보다 낮으면 스위칭 주파수를 낮추어 상기 시스템의 전력을 정상 부하 상태로 올리며, 시스템의 전력이 정상 부하 상태 보다 높으면 상기 스위칭 주파수를 높여 시스템의 전력을 정상 부하 상태로 낮추는 구동 제어부를 구비한 것을 특징으로 한다.
이하 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대하여 설명한다.
제2도는 본 발명에 따른 유도 가열 장치의 전력 제어를 위한 개략도로서, AC 전원(50), DC 전원부(100), 인버터 회로부(200), 구동 제어부(300)를 구비한다.
여기에서, 상기 DC 전원부(100)는 상기 AC 전원(50)의 전류를 정류하는 정류기(110)와 평활 커패시터(CDC)로 구성되어 교류를 직류로 변환한다. 또한, 상기 인버터 회로부(200)는 공진 인덕터(LR)와 공진 커패시터(CR)가 병렬로 구성된 공진 탱크 회로(210)와 전원 인가시 DC 전력을 고주파 스위칭 하여 고주파 교류 전력을 발생하도록 하는 스위칭 소자(220)로 구성되며, 공진 현상에 의해 고주파 자계를 발생한다.
그리고, 상기 구동 제어부(300)는 상기 인버터 회로부(200)의 공진 탱크 회로(210) 양단 전압(VCE, VDC)을 검출하여 시스템의 전력이 정상 부하 상태보다 낮으면 스위칭 주파수를 낮추어 상기 시스템의 전력을 정상 부하 상태로 올리며, 시스템의 전력이 정상 동작시보다 높으면 상기 스위칭 주파수를 높여 시스템의 전력을 정상 부하 상태로 낮추는 역할을 한다.
제3도는 유도 가열 장치의 전력 제어 회로도로서, 제3도를 참조하여 상기 구동 제어부(300)를 더 자세하게 설명하면, 상기 구동 제어부(300)는 상기 공진 탱크 회로(210)의 양단 전압(VCE, VDC)을 검출하여 상기 공진 전압(VCE)의 영전압을 검출하는 영전압 검출부(310)와, 상기 영전압 검출부(310)의 출력 신호를 리셋 입력으로 하여 미리 정해진 톱니파 파형을 주기적으로 출력하는 발진 회로부(320)와, 상기 AC 전원(50)의 입력 전류나 상기 인버터 회로부의 공진 전압(VCE) 등의 최대값을 항상 일정하게 유지하도록 피드백을 걸어 주는 피드백 회로부(340)와, 상기 발진 회로부(320)의 출력과 상기 피드백 회로부(340)의 출력을 비교하여 스위칭 주파수를 출력하는 제3비교기(U3) 및 상기 스위칭 주파수 신호를 입력으로 하여 스위치 구동신호를 출력하는 스위치 구동부(350)를 구비한다.
여기에서, 상기 영전압 검출부(310)는 상기 공진 탱크 회로(210)의 양단 전압(VCE, VDC)을 각각 제1 내지 제4저항(R1-R4)으로 분압하는 분압부(312)와, 상기 각각 분압된 전압(VCE1, VDC1)을 비교하여 출력하는 제1비교기(U1)와, 상기 비교기(U1)의 출력을 저역 필터링하는 저역 통과필터(314)와, 상기 저역 통과 필터(314)의 출력과 미리 정해진 기준 전압(VREF)을 비교하여 출력하는 제2비교기(U2)와, 상기 제2비교기(U2)의 출력을 고역 필터링하는 고역 통과 필터(316) 및 상기 고역 통과 필터(316)의 출력중 양의 출력만을 출력하는 제1다이오드(D1)를 구비한다.
상기와 같은 구성에서 제5도의 파형도를 참조하여 회로의 동작을 살펴보면, 상기 영전압 검출부(310)의 동작은 상기 공진 탱크 회로(210)의 양단 전압 즉, 공진 전압(VCE)은 제1저항(R1)과 제2저항(R2)으로, DC전압(VDC)은 제3저항(R3)과 제4저항(R4)으로 분압한 상기 제1분압 전압(VCE1) 및 상기 제2분압 저압(VDC1)의 파형이 (a)에 나타난다. 또한, 상기 제1분압 전압(VCE1)과 상기 제2분압 전압(VDC1)을 비교하는 상기 제1비교기(U1)를 통하여 (b)의의 제1전압(V1)을 얻으며, 상기 제1전압(V1) 파형을 제5저항(R5)과 제1커패시터(C1)로 구성된 상기 저역 통과 필터(314)를 통하여 (c)의 제2전압(V2) 파형을 얻는다. 또한, 상기 제2전압(V2)과 미리 정해진 기준 전압(VREF)을 비교하는 상기 제2비교기(U2)를 통하여 (d)의 제3전압(V3) 파형을 얻고, 상기 제3전압(V3) 파형을 제2커패시터(C2)와 제6저항(R6)으로 구성된 고역 통과 필터(316)를 통하여 (e)의 제4전압(V4) 파형을 얻는다. 그리고, 상기 제4전압(V4)이 상기 제1다이오드(D1)를 통하여 (f)의 제5전압(V5) 파형을 얻는다.
여기에서, 상기 영전압 검출부(310)의 최종적으로 나타나는 상기 제5전압(V5) 파형은 제5도의 (a)와 비교할 때, 공진 전압(VCE)이 최소값을 가지는 시점, 즉, 상기 스위칭 소자(220)가 턴 온하기에 가장 적절한 시점이 된다. 이는, 제4도의 (b)에서처럼 불안정한 스위칭 동작에 의한 에너지 효율의 감소를 방지할 수 있는 것이다.
또한, 상기 발진 회로부(320)는 제5도 (g)의 점선처럼 시간 t0-t4의 주기로 미리 정해진 톱니파 파형을 연속해서 발생하는 톱니파 파형 발생 회로로서, 상기 제5전압(V5)에 의해 시간 t3에서 리셋되어 시간 t0-t3의 주기를 갖는 제6전압(V6)을 얻는다.
또한, 제5도의 (h)에서 상기 피드백 회로부(340)의 출력 전압인 제7전압(V7)과 상기 제6전압(V6)을 비교하는 상기 제3비교기(U3)에 의해 제5도의 (i)에 나타난 것처럼 제8전압(V8), 즉, 스위칭 주파수를 얻을 수 있다. 그리하여, 상기 제8전압(V8)으로 상기 스위치 구동부(350)를 구동시켜 상기 스위칭 소자(220)를 스위칭 하게 된다.
여기에서, 이와 같은 시스템이 정상 부하 상태 일 때 상기 제7전압(V7)은 제5도의 (h)에서 V7(1)이고, 상기 제8전압(V8)이 제5도의 (i)에서 V8(1)이라고 가정할 때, 시스템의 전력이 정상 부하상태보다 낮으면 상기 제7전압(V7)은 V7(2)이 되고, 상기 제8전압(V8)은 V8(2)이 되어 스위칭 주파수를 낮추는 것으로 상기 공진 탱크회로(210)의 공진 전압을 증가시켜 시스템의 전력 수준을 정상 부하상태로 끌어올린다. 또한 시스템의 전력이 정상 부하 상태보다 높으면 상기 제7전압(V7)은 V7(3)이 되고, 상기 제8전압(V8)은 V8(3)이 되어 스위칭 주파수를 높이는 것으로 상기 공진 탱크 회로(210)의 공진 전압이 감소되어 시스템의 전력을 정상 부하 상태의 전력 수준으로 끌어내리게 된다.
이와 같이 시스템의 전력에 대해 역으로 스위칭 주파수를 주어 공진 전압을 증감시키는 것으로 유도 가열 장치 시스템의 전력을 제어할 수 있는 것이다.
따라서 본 발명은 공진 탱크 회로의 양단 전압만을 검출하여 시스템의 전력을 제어함으로 회로 구성이 간단하며 스위칭 턴 온 시점이 안정되어 에너지 효율을 최대화할 수 있다.

Claims (3)

  1. 유도 가열 전원 장치에 있어서, AC 전원에서 인가되는 교류를 정류기와 평활 캐패시터를 이용하여 DC 전원으로 변환하는 DC 전원부; 상기 DC 전원의 전력을 고주파 스위칭 함으로서 발생하는 고주파 교류 전력이 공진 인덕터와 공진 커패시터로 구성된 공진 탱크 회로에 인가되어 공진 현상을 일으키는 것으로 고주파 자계 에너지를 발생하는 인버터 회로부; 및 상기 인버터 회로부의 공진 탱크 회로의 양단 전압을 검출하여 시스템의 전력이 정상 부하 상태보다 낮으면 스위칭 주파수를 낮추어 상기 시스템의 전력을 정상 부하 상태로 올리며, 시스템의 전력이 정상 부하 상태보다 높으면 상기 스위칭 주파수를 높여 시스템의 전력을 정상 부하상태로 낮추는 구동 제어부를 구비한 것을 특징으로 하는 유도 가열 전원 장치의 전력 제어 회로.
  2. 제1항에 있어서, 상기 구동 제어부는 상기 공진 탱크 회로의 양단 전압을 검출하여 상기 공진 전압의 영전압을 검출하는 영전압 검출부; 상기 영전압 검출부의 출력 신호를 리셋 입력으로 하여 미리 정해진 톱니파 파형을 주기적으로 출력하는 발진 회로부; 상기 AC 전원의 입력 전류나 상기 인버터 회로부의 공진 전압 등의 최대 값을 항상 일정하게 유지하도록 피드백을 걸어 주는 피드백 회로부; 상기 발진 회로부의 출력과 상기 피드백 회로부의 출력을 비교하여 스위칭 주파수를 출력하는 제3비교기; 및 상기 스위칭 주파수 신호를 입력으로 하여 스위치 구동 신호를 출력하는 스위치 구동부를 구비한 것을 특징으로 하는 유도 가열 전원장치의 전력 제어 회로.
  3. 제2항에 있어서, 상기 영전압 검출부는 상기 공진 탱크 회로의 양단 전압을 각각 분압하는 분압부; 상기 각각 분압된 전압을 비교하여 출력하는 제1비교기; 상기 비교기의 출력을 저역 필터링하는 저역 통과 필터; 상기 저역 통과 필터의 출력과 미리 정해진 기준 전압을 비교하여 출력하는 제2비교기; 상기 제2비교기의 출력을 교역 필터링하는 고역 통과 필터; 및 상기 고역 통과 필터의 출력중 양의 출력만을 출력하는 제1다이오드를 구비한 것을 특징으로 하는 유도 가열 전원 장치의 전력 제어회로.
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