KR100206847B1 - 전자조리기의 스위칭회로 - Google Patents

Abstract

본 발명은 전자조리기의 스위칭회로에 관한 것으로, 종래에는 알루미늄과 같은 비자성 용기는 재질 자체의 낮은 저항값을 투자율로 인하여 유도가열을 하기 위해서는 높은 주파수에서 스위칭을 행하여야 하는데, 현재 시판중인 IGBT의 기술로서는 비자성용기를 가열하기 위한 80KHz 주파수로 구동시킬 수 없을 뿐 아니라 고전압 고전류 정격을 갖는 고가의 모스 트랜지스터(MOSFET)를 사용해야 하는 문제점이 있다.

따라서 본 발명은 범용 IGBT를 그대로 사용하면서 고주파 스위칭이 가능하도록 스위칭 발진부(300)의 출력펄스에 대해 2배주기를 갖는 펄스를 생성하는 2배주기 스위칭(400)를 상기 스위칭 발진부(300)와 스위칭 구동부(500) 사이에 구성하고, 그 2배주기-스위칭부(400)에서 생성한 펄스를 이용하여 스위칭 구동부(500)가 스위칭부(800)의 스위칭소자(S1)(S2)를 교번 동작으로 스위칭시키도록 함으로써 자성용기 뿐만아니라 비자성 용기도 가열할 수 있도록 하고, 범용 IGBT를 그대로 사용하도록 하여 비용을 절감할 수 있도록 한다.

Description

전자조리기의 스위칭회로

본 발명은 고주파 스위칭이 가능하도록 하여 비자성 용기를 가열할 수 있도록 하기 위한 것으로, 특히 스위칭소자에 인가되는 구동주파수의 듀티(duty)를 각기 달리 구동시켜 고주파 스위칭이 가능하도록 한 전자조리기의 스위칭회로에 관한 것이다.

종래 전자조리기의 스위칭 회로는, 도1에 도시된 바와같이, 일정한 폭을 갖는 펄스를 발생하는 외부 발진기인 타이머(10)와; 상기 타이머(10)에서 발생되는 펄스를 이용하여 스위칭소자 교번 동작시 동시에 온/오프되는 것을 방지하기 위한 데드타임 조절부(20)와; 상기 데드타임 조절부(20)에서 제공되는 펄스를 이용하여 스위칭소자를 발진 시키기 위하여 ZVC(Zero Voltage Switching)을 수행하도록 하는 스위칭 발진부(30)와; 입력되는 상용전원(ac)을 다이오드를 이용하여 직류 전압으로 정류시키는 정류부(50)와; 상기 정류부(50)를 통해 정류된 직류전압을 입력받아 역률개선을 위해 필터링 및 평활하는 LC필터(60)와; 상기 LC필터(60)를 통해 제공된 직류전압에 직렬로 구성된 역병렬 다이오드를 갖는 두개의 스위치로 이루어지고 스위칭 제어신호에 따라 스위칭하여 워킹코일에 공진전압을 제공하는 스위칭부(70)와; 상기 스위칭부(70)의 스위칭소자로 스위칭 제어신호를 공급하는 스위칭 구동부(40)와; 상기 스위칭부(70)에 의한 공진 전압에 의해 발생하는 자장에 의한 전자기 유도효과로 가열되어질 가열판에 와전류를 유도시켜 가열하도록 하는 워킹코일(L1)로 구성된다.

이와같이 구성된 종래의 기술에 대하여 상세히 살펴보면 다음과 같다.

외부발진기로 이용되고 있는 타이머(10)에서 도2a에서와 같은 소정의 폭을 갖는 펄스(a점 파형)를 발생시키면, 데드타임 조절부(20)의 콘덴서(C4)와 저항(R1)에 의해 미분되어 도2b에서와 같은 펄스(b점파형)로 변하게 되고 이는 연산증폭기(OP1)의 비반전단자(+)로 전달된다.

이에 상기 연산증폭기(OP1)는 저항(R2)과 가변저항(VR1)에 의해 조정되는 기준전압을 반전단자(-)로 입력받아 두 값을 비교하여 오차를 구하고 그 오차를 다시 연산증폭기(OP2)의 비반전단자(+)로 출력한다.

상기 연산증폭기(OP2)는 저항(R3-R5)에 의해 조정된 기준전압을 그의 반전단자(-)로 입력받아 두 값을 비교하여 얻은 값을 스위칭 발진부(30)로 출력한다.

이와같이 미분하고 연산동작을 행하여 출력시키는 이유는 스위칭 소자(S1)(S2)의 교번 동작시 동시에 온 또는 오프되는 경우를 방지하기 위하여 교번 동작시 스위칭 파형이 겹치지 않고 제로(Zero)점인 상태에서 각각 스위칭될 수 있도록 데드타임을 설정하여 주는 것이다.

상기 데드타임 조절부(20)에서 데드타임을 조절하여 출력하면 스위칭 발진부(30)의 노아게이트(NR1)(NR2)에서 순차적으로 노아링한 펄스를 출력하는데, 이는 도2c에서와 같은 펄스(c점파형)를 출력한다.

상기 c점파형은 디플립플롭(DF)의 클럭펄스 입력단(Cp)과 노아게이트(NR3)(NR4)의 일측입력단으로 각각 입력된다.

이에 디플립플롭(DF)은 그의 클럭펄스 입력단(Cp)을 통해 입력되는 펄스가 상승에지일때 그의 데이타 입력단(D)으로 입력되는 펄스를 그의 출력단(Q)으로 출력함에 있어, 상기 데이타 입력단(D)은 그의 반전출력단()의 출력으로 입력으로 한다.

따라서 상기 디플립플롭(DF)의 반전출력단()를 통해 출력되는 도2e에서와 같은 펄스(e점파형)를 출력하게 되면, 비반전출력단(Q)를 통해서는 도2d에서와 같은 펄스(d점파형)를 출력한다.

그러면 노아게이트(NR3)는 c점파형과 d점파형을 각각 입력으로 하여 도2f에서와 같은 펄스(f점파형)를 출력하고, 노아게이트(NR4)는 c점파형과 e점파형을 각각 입력으로 하여 도2g에서와 같은 펄스(g점파형)을 출력하여 스위칭 구동부(40)로 제공한다.

상기 노아게이트(NR3)(NR4)에서 출력되는 펄스를 비교해보면 스위칭소자(S1)(S2)가 동시에 온 또는 오프되는 것을 방지하기 위한 ZVS구간이 존재하게 된다.

스위칭 구동부(40)는 스위칭 발진부(30)로 부터 발생되는 도2f와 도2g에서와 같은 펄스를 스위칭부(70)의 스위칭소자(S1)(S2)의 게이트로 각각 발생하여 교번동작으로 스위칭하도록 한다.

이때 정류부(50)는 상용전원(AC)를 정류하여 직류 전압을 출력하고, 이 직류 전압은 LC필터(60)의 코일(L2)과 콘덴서(C4)를 통해 필터링 및 평활한 전압을 스위칭부(70)로 제공한다.

이렇게 직류전압이 제공될 때 스위칭 구동부(40)의 스위칭 제어신호에 따라 스위칭 소자(S1)(S2)를 교번동작으로 스위칭시켜 워킹코일(L1)과 공진콘덴서(C1)에 의해 LC 공진을 일으키고, 이에따라 공진전류는 스위칭소자(S1)과 (S2)에 교번하여 흐른다.

상기 스위칭소자(S1)의 게이트로 인가되는 펄스가 도3a에서와 같을 때 그 스위칭소자(S1)를 통해 흐르는 스위칭 전류파형은 도 3b에서와 같다.

그러나, 상기와 같은 종래의 기술에서 알루미늄과 같은 비자성용기는 재질 자체의 낮은 저항값을 투자율로 인하여 유도가열을 하기 위해서는 높은 주파수에서 스위칭을 행하여야 하는데, 현재 시판중인 IGBT의 기술로는 비자성용기를 가열하기 위한 80KHz 주파수로 구동시킬 수 없을뿐 아니라 고전압 고전류 정격을 갖는 고가의 모스 트랜지스터(MOSFET)를 사용해야 하는 문제점이 있다.

따라서 상기에서와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 범용의 IGBT를 사용하면서도 스위칭 주파수보다 2배 주기인 LC부하 공진을 구현시켜 고주파 스위칭을 수행할 수 있도록 한 전자조리기의 스위칭회로를 제공함에 있다.

제1도는 종래 전자조리기의 스위칭 회로도.

제2도는 제1도에서, 각 부의 입출력 신호 파형도.

제3도는 제1도에서, 스위칭 소자의 구동전압 및 그에따른 전류 파형도.

제4도는 본 발명 전자조리기의 스위칭 회로도.

제5도는 제4도에서, 각 부의 입출력신호 파형도.

제6도는 제4도에서, 2배주기 스위칭부의 다른 회로도.

제7도는 제4도에서, 스위칭 소자의 구동전압 및 그에따른 전류 파형도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

100 : 타이머 200 : 데드타임 조절부

300 : 스위칭 발진부 400 : 2배주기 스위칭부

500 : 스위칭 구동부 600 : 정류부

700 : LC필터 C1 : 공진콘덴서

S1, S2 : 스위칭소자 L1 : 워킹코일

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명 전자조리기의 스위칭회로는, 도4에 도시한 바와 같이, 일정한 폭을 갖는 펄스를 발생하는 외부 발진기인 타이머(100)와; 상기 타이머(100)에서 발생되는 펄스를 이용하여 스위칭소자 교번 동작시 동시에 온/오프되는 것을 방지하기 위한 데드타임 조절부(200)와; 상기 데드타임 조절부(200)에서 제공되는 펄스를 이용하여 스위칭소자를 발진시키기 위하여 ZVC(Zero Voltage Switching)을 수행하도록 하는 스위칭 발진부(300)와; 상기 스위칭 발진부(300)에서 출력되는 스위칭 펄스의 2배 주기를 갖도록 하는 2배주기 스위칭부(400)와; 입력되는 상용전원(ac)을 다이오드를 이용하여 직류 전압으로 정류시키는 정류부(600)와; 상기 정류부(600)를 통해 정류된 직류전압을 입력받아 역률개선을 위해 필터링 및 평활하는 LC필터(700)와; 상기 LG 필터(700)를 통해 제공된 직류전압에 직렬로 구성된 역병렬 다이오드를 갖는 두개의 스위치로 이루어지고 스위칭 제어신호에 따라 스위칭하여 워킹코일에 공진전압을 제공하는 스위칭부(800)와; 상기 2배주기 스위칭부(400)로 부터 출력되는 출력펄스에 따라 스위칭부(800)의 스위칭소자로 스위칭 제어신호를 공급하는 스위칭 구동부(500)와; 상기 스위칭부(800)에 의한 공진전압에 의해 발생하는 자장에 의한 전자기 유도효과로 가열되어질 가열판에 와전류를 유도시켜 가열하도록 하는 워킹코일(L1)로 구성된다.

이와같이 구성된 본 발명의 동작 및 작용 효과에 대하여 도5의 파형도에 의거하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

외부발진기의 역할을 수행하고 있는 타이머(100)에서 도2a에서와 같은 펄스(a점파형)를 출력하면, 이는 데드타임 조절부(200)로 입력되어 콘덴서(C4)와 저항(R1)에 의해 미분되고 이 미분된 도5b에서와 같은 펄스(b점파형)로 변하게 되고 이는 연산증폭기(OP1)의 비반전단자(+)로 전달된다.

이에 상기 연산증폭기(OP1)는 저항(R2)과 가변저항(VR1)에 의해 조정되는 기준전압을 반전단자(-)로 입력받아 두 값을 비교하여 오차를 구하고 그 오차를 다시 연산증폭기(OP2)의 비반전단자(+)로 출력한다.

상기 연산증폭기(OP2)는 저항(R3-R5)에 의해 조정된 기준전압을 그의 반전단자(-)로 입력받아 두 값을 비교하여 얻은 값을 스위칭 발진부(300)로 출력한다.

이와같이 미분하고 연산동작을 행하여 출력시키는 이유는 스위칭 소자(S1)(S2)의 교번동작시 동시에 온 또는 오프되는 경우를 방지하기 위하여 교번 동작시 스위칭 파형이 겹치지 않고 제로(Zero)점인 상태에서 각각 스위칭될 수 있도록 데드타임을 설정하여 주는 것이다.

상기 데드타임 조절부(200)에서 데드타임이 조절된 펄스를 출력하면, 상기 스위칭 발진부(300)의 노아게이트(NR1)(NR2)에서 순차적으로 노아링한 펄스를 출력하는데, 이는 도5c에서와 같은 펄스(c점파형)를 출력한다.

c점파형은 디플립플롭(DF1)의 클럭펄스 입력단(Cp)과 노아게이트(NR3)(NR4)의 일측입력단으로 각각 입력된다.

이에 디플립플롭(DF1)은 그의 클럭펄스 입력단(Cp)을 통해 입력되는 펄스가 상승에지일때 그의 데이타 입력단(D)으로 입력되는 펄스를 그의 출력단(Q)으로 출력함에 있어, 상기 데이타 입력단(D)은 그의 반전출력단()의 출력을 입력하도록 연결되어 있다.

따라서 상기 디플립플롭(DF1)의 반전출력단()을 통해 출력되는 도5e에서와 같은 펄스(E점파형)를 출력하게 되면, 비반전출력단(Q)을 통해서는 도5d에서와 같은 펄스(d점파형)를 출력한다.

그러면 노아게이트(NR3)는 c점파형과 d점파형을 각각 입력으로 하여 도5f에서와 같은 펄스(f점파형)를 출력하고, 노아게이트(NR4)는 c점파형과 E점파형을 각각 입력으로 하여 도5g에서와 같은 펄스(G점파형)을 출력하여 2배주기 스위칭부(400)로 제공한다.

상기 노아게이트(NR3)(NR4)에서 출력되는 펄스를 비교해보면 스위칭소자(S1)(S2)가 동시에 온 또는 오프되는 것을 방지하기 위한 ZVS구간이 존재하게 된다.

2배주기 스위칭부(400)는 스위칭 발진부(300)의 노아게이트(NR3) 출력펄스를 디플립플롭(DF2)의 클럭 입력단자(Cp)로 입력받고 그 입력되는 펄스가 상승에지일때 소정의 폭을 갖는 펄스를 반전 및 비반전출력단자()(Q)를 통해 출력한다.

여기서 상기 디플립플롭(DF2)의 반전출력단자()와 데이타 입력단자(D)가 연결되어 있어서, 디플립플롭(DF2)의 반전출력단자()를 통해 출력되는 펄스가 입력단자(D)의 입력이 된다.

따라서, 디플립플롭(DF2)이 도5i에서와 같이 스위칭 발진부(300)에서 출력하는 펄스폭의 2배를 갖는 펄스(I점파형)를 출력하도록 하면, 데이타 입력단(D)으로는 상기 도5i에서와 같은 펄스가 입력되고 그의 비반전 출력단자(Q)로 도5i의 반전상태의 펄스(H점파형)가 출력된다.

그러면 오아게이트(OR)는 스위칭 발진부(300)의 노아게이트(NR3) 출력신호와 디플립플롭(DF2)의 비반전 출력단자(Q)를 통해 출력되는 신호를 오아링하고 그 오아링한 도5j에서와 같은 펄스(J점파형)출력하고, 앤드게이트(AND)는 노아게이트(NR4)의 출력신호와 디플립플롭(DF2)의 반전출력단자()를 통해 출력되는 신호를 앤드조합한 도5k에서와 같은 펄스(K점파형)를 출력한다.

결국, 2배주기 스위칭부(400)는 디플립플롭(DF2)을 이용하여 스위칭 발진부(300)에서 제공하는 펄스의 2배 주기를 갖는 펄스를 제공한다.

상기 2배주기 스위칭(400)의 출력 펄스를 제공받은 스위칭 구동부(500)는 스위칭부(800)의 스위칭소자(S1)(S2)를 교번동작으로 스위칭한다.

이때 정류부(600)는 상용전원(AC)를 정류하여 직류 전압을 출력하고, 이 직류 전압은 LC필터(700)의 코일(L2)과 콘덴서(C4)를 통해 필터링 및 평활한 전압을 스위칭부(800)로 제공한다.

이렇게 직류전압이 제공될 때 스위칭 구동부(500)의 스위칭 제어신호에 따라 스위칭소자(S1)(S2)를 교번동작으로 스위칭시켜 워킹코일(L1)과 공진콘덴서(C1)에 의해 LC공진을 일으키고, 이에따라 공진전류는 스위칭소자(S1)과 (S2)에 교번하여 흐른다.

상기에서와 같은 동작에서 상기 스위칭소자(S1)의 게이트로 인가되는 펄스가 7a에서와 같을 때 그 스위칭소자(S1)를 통해 흐르는 스위칭 전류파형은 도 7b에서와 같다.

따라서 스위칭부(800)의 스위칭소자(S1)(S2)로 인가되는 주파수가 40KHz일 경우 2배주기 스위칭부(400)를 통해 80KHz의 주파수를 생성하여 비자성용기 가열을 할 수 있게 된다.

그리고, 2배주기 스위칭부(400)는 도6에서와 같이 오아게이트(OR) 대신 스위칭 발진부(300)의 f점신호와 디플립플롭(DF2)의 바반전출력단자(Q)를 통해 출력되는 신호를 각각 받아 노아링하는 노아게이트(NR5)와 이 노아게이트(NR5)의 출력신호를 두 입력으로 각각 받아 다시한번 더 노아링하는 노아게이트(NR6)를 사용하고, 앤드게이트(AND)대신 디플립플롭(DF2)의 반전출력단자()의출력신호를 두 입력단자로 각각 받아 노아링하는 노아게이트(NR7), 스위칭 발진부(300)의 G점신호를 두 입력단자로 각각 받아 노아링하는 노아게이트(NR8), 상기 노아게이트(NR7)(NR8)의 출력신호를 받아 노아링하는 노아게이트(NR9)를 사용한다.

다시말하면, 오아게이트(OR)와 앤드게이트(AND) 대신 노아게이트(NR5-NR9)의 조합으로 동일한 동작을 수행하도록 한다.

결국, 2배주기 스위칭부(400)를 거쳐 형성된 펄스를 이용하여 스위칭 구동부(500)는 스위칭부(800)의 스위칭소자(S2)에 40KHz의 주파수에 25%의 듀티를 갖는 온신호를 인가하여 공진을 일으킨 후 다시 스위칭소자(S1)에 75%의 듀티를 갖는 온신호를 인가하게 함으로써 워킹코일(L1)과 공진콘덴서(C1)에 의하 부하공진은 80KHz로 동작시키게 한다.

따라서 워킹코일(L1)과 공진콘덴서(C1)에 의하 부하공진은 80KHz로 동작하게 되어 비자성 용기를 가열하게 한다.

상술한 바와 같이, 본 발명은 스위칭소자에 인가되는 구동주파수의 듀티를 각각 달리 구동시켜 범용 IGBT를 사용하면서 40KHz의 스위칭 주파수보다 2배주기인 LC부하공진 주파수인 80KHz를 발생하도록 하여 자성용기 뿐만아니라 비자성 용기도 가열할 수 있도록 함과 아울러 범용 IGBT를 그대로 사용하도록 하여 비용을 절감하도록 한 효과가 있다.

Claims (3)

1. 외부발진기에서 발생되는 펄스를 이용하여 스위칭소자(S1)(S2)을 교번동작으로 스위칭시켜 일정한 파워를 얻도록 하는 전자조리기에 있어서, 상기 외부발진기에서 출력되는 펄스dp 데드타임을 설정하여 상기 스위칭소자(S1)(S2)가 동시에 온 또는 오프되는 것을 방지하는 데드타임 조절수단과; 상기 데드타임 조절수단의 출력펄스에 대하여 스위칭소자를 스위칭하기 위한 주파수를 갖도록 펄스폭을 조절하는 스위칭 발진수단과; 상기 스위칭 발진수단에서 출력되는 펄스폭에 대해 2배주기를 갖도록 조절하여 고주파 스위칭이 가능하도록 하는 2배주기 스위칭수단과; 상기 2배주기 스위칭수단의 출력펄스에 따라 상기 스위칭소자의 온/오프동작을 제어하는 스위칭 구동수단으로 구성됨을 특징으로 하는 전자조리기의 스위칭회로.
2. 제1항에 있어서, 2배주기 스위칭수단은 스위칭 발진수단의 하나의 출력펄스를 입력받아 그 출력펄스의 2배 주기를 갖도록 하는 디플립플롭과; 상기 디플립플롭의 출력과 상기 스위칭 발진수단의 출력펄스를 각각 입력받아 오아링 및 앤드조합하여 고주파 스위칭이 가능한 펄스를 출력하는 오아게이트와 앤드게이트로 구성됨을 특징으로 하는 전자조리기의 스위칭회로.
3. 제2항에 있어서, 오아게이트와 앤드게이트는 노아게이트 또는 다른 게이트의 조합으로 구현하여 사용할 수 있음을 특징으로 하는 전자조리기의 스위칭회로.