KR100248713B1 - 병렬공진형소프트스위칭유도가열조리기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 스위치에 걸리는 전압 스트레스(stress)를 입력 전압으로 클램핑하여 높은 출력을 얻을 수 있을 뿐만아니라 유도 가열시 내부 열손실과 노이즈를 제거할 수 있도록 한 병렬공진형 소프트 스위칭 유도가열 조리기에 관한 것이다.

이를 위해, 본 발명은 입력전압을 분기시키는 두 개의 평활용 커패시터와, 가열수단 및 외부로부터 입력되는 제어신호에 따라 교번적으로 개폐되어 상기 가열수단에 전원을 공급하는 한 쌍의 스위칭수단을 포함한 유도가열 조리기에 있어서, 상기 가열수단은, 상기 두 개의 평활용 커패시터의 공통접점과 한 쌍의 스위칭수단의 공통접점 사이에 연결되어 전류 루프를 형성하는 유도가열 코일, 및 상기 유도가열 코일에 병렬로 접속되어 상기 유도가열 코일과의 상호 공진을 통하여 유도 가열시 내부 열손실과 노이즈를 제거할 수 있는 공진 커패시터로 구성하는 것을 특징으로 한다.

Description

병렬 공진형 소프트 스위칭 유도가열 조리기{Parallel Resonant soft switching Induction Heating Cooker}

본 발명은 병렬공진형 소프트 스위칭 유도가열 조리기에 관한 것으로, 특히 스위치에 걸리는 전압 스트레스(stress)를 입력 전압으로 클램핑하여 높은 출력을 얻을 수 있도록 한 병렬공진형 소프트 스위칭 유도가열 조리기에 관한 것이다.

종래의 병렬 공진형 유도가열 조리기는 도 1에 도시된 바와 같이, 입력되는 교류 전원(AC Source)을 정류하여 전원 주파수의 두배의 주파수를 갖는 맥동 전원으로 출력하는 정류부(1)와, 상기 정류부(1)를 통해 정류된 맥동 전원을 역률 개선용 필터 인턱터(Lf) 및 커패시터(Cf)로 맥동 전원을 전달하는 필터부(2)와, 외부로부터 입력되는 제어신호에 따라 스위칭되어 상기 필터부(2)에서 출력되는 전압을 입력으로 해서 부하를 공진시키고 그 공진 전류에 의해 발생된 자장에 기인한 전자기 유도 효과로 원하는 가열온도로 가열하는 유도가열 코일(Lr)과 그 유도가열 코일(Lr)과 일련의 공진회로를 이루는 공진 커패시터(Cr)와 댐핑다이오드(D1) 및 스위칭소자(S1)로 이루어진 인버터부(3)로 구성되어져 있다.

이와 같이 구성된 종래 병렬공진형 유도가열 조리기의 동작을 첨부한 도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다.

먼저, 그의 인버터의 동작을 설명하기 위해서 하나의 인버터 회로만을 설명하면 다음과 같다.

먼저, 상용 교류전원(AC)이 정류부(1)를 통해 맥동 전압으로 정류된 다음 필터부(2)의 인덕터(Lf) 및 커패시터(Cf)를 통해 맥동 전압이 인버터부(3)에 입력된다.

이때, 인버터부(3)내의 공진 커패시터(Cr)에 입력전압(Vd)이 충전되어 있는 상태에서 외부로 부터 입력되는 제어신호에 의해 스위치(S1)를 영전압의 조건에서 도통시킨다.

그러면, 유도가열 코일(Lr)과 공진 커패시터(Cr)는 일련의 공진회로를 이뤄 전류는 선형적으로 증가한다.

이후, 유도가열 코일(Lr)에 흐르는 전류의 크기가 설정된 값에 이르러 외부로부터 입력되는 제어 신호에 의하여 스위치(S1)가 영전압의 조건으로 폐쇄되면 유도가열 코일(Lr)과 공진 커패시터(Cr)가 공진을 하여 공진 커패시터(Cr)의 전압은 도 2에 도시된 바와 같이 Vd에서 -Vpeak까지 공진을 통하여 떨어졌다가 다시 입력전압(Vd)으로 상승한다.

이때, 유도가열 코일(Lr)의 전류는 공진에 의해 약간 증가했다가 제로(Zero)점을 지나 반대방향으로 증가한다.

한편, 공진 커패시터(Cr)의 전압이 입력전압(Vd)과 같아지면 다이오드(D1)가 도통하여 워킹코일(Lr)의 전류는 다이어드(D1)-유도가열 코일(Lr)-커패시터(Cr)의 패스(Path)로 선형적으로 감소한다.

이때, 다이오드(D1)가 도통하고 있을 때 스위치(S1)를 영전압의 조건으로 도통시킨다.

이 전류가 영이되면 한 주기가 종료되고 같은 동작을 반복하게 된다.

이렇게 형성된 전류에 의해서 전류의 크기에 비례하는 자계가 발생하고 이 자계가 가열판(도시 생략됨) 위의 가열 용기(도시 생략됨)와 쇄교하여 가열 용기의 바닥에는 와전류(Eddy Current)가 발생된다. 따라서, 이 와전류에 의한 주울(Joule)열에 의하여 가열 용기가 가열된다.

한편, 용기에 가해지는 출력을 제어하기 위해서는 주파수를 제어하면 되는 데 주파수를 제어하면 각 주파수에 따라서 전류의 크기가 정해진다.

즉, 주파수가 커지면 전류의 크기는 작아지고 부하용기에는 낮은 출력을 전달하고 주파수가 낮아지면 전류의 크기는 커져서 부하용기에는 높은 출력을 전달하게 된다.

그러나 이러한 종래의 병렬 공진형 유도가열 조리기는 스위치에 걸리는 전압 스트레스(Stress)가 너무 크므로 인해 일정량의(약 1200W)의 출력밖에 얻을 수 없으며, 또한 공진 커패시터에 걸리는 전압도 커서 부품 개발도 어렵고, 아울러 제조 원가도 상승되는 문제점이 있었다.

따라서 본 발명의 목적은 스위치에 걸리는 전압 스트레스(stress)를 입력 전압으로 클램핑하여 높은 출력을 얻을 수 있을 뿐만 아니라 유도가열시 내부 열손실과 노이즈 문제를 해결할 수 있도록 한 병렬공진형 소프트 스위칭 유도가열 조리기를 제공하는 데 있다.

이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 기술적 수단은, 입력전압을 분기시키는 두 개의 평활용 커패시터와, 가열수단 및 외부로부터 입력되는 제어신호에 따라 교번적으로 개폐되어 상기 가열수단에 전원을 공급하는 한 쌍의 스위칭수단을 포함한 유도가열 조리기에 있어서,

상기 가열수단은,

상기 두 개의 평활용 커패시터의 공통접점과 한 쌍의 스위칭수단의 공통접점 사이에 연결되어 전류 루프를 형성하는 유도가열 코일; 및

상기 유도가열 코일에 병렬로 접속되어 상기 유도가열 코일과의 상호 공진을 통하여 유도 가열시 내부 열손실과 노이즈를 제거할 수 있는 공진 커패시터로 구성된 것을 특징으로 한다.

도 1은 종래의 병렬 공진형 유도가열 조리기의 회로 구성도이고,

도 2는 도 1에 도시된 유도가열 조리기의 동작에 따른 전류 전압 파형도이고,

도 3은 본 발명에 의한 병렬공진형 소프트 스위칭 유도가열 조리기의 회로 구성도이고,

도 4는 도 3에 도시된 유도가열 조리기의 동작에 따른 전류 전압 파형도이다.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *

101: 전압 분기부 102: 가열부

103: 스위칭부

이하, 본 발명의 일 실시예를 첨부한 도면에 의거하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 3는 본 발명에 의한 병렬공진형 소프트 스위칭 유도가열 조리기의 구성도이고, 도 4는 도 3에 동작에 따른 전류 전압 파형도를 나타낸 것으로서, 맥동되어 입력되는 전압을 분기시키고 역률을 향상시키는 제 1, 제 2 커패시터(Cf1)(Cf2)로 구성된 전압 분기부(101)와, 공진 커패시터(Cr) 및 워킹 코일(Lr)이 공진회로를 이뤄 상기 전압 분기부(101)에 의하여 분기된 입력전압을 공진시켜 가열판을 가열하는 가열부(102)와, 외부로부터 입력되는 제어 신호에 따라 스위칭되는 제 1, 제 2 스위치(S1)(S2)에 제 1, 제 2 댐핑 다이오드(D1)(D2)가 각각 역 병렬 연결되어 스위칭 작용에 따라 상기 가열부(102)가 가열되도록 전원을 공급하는 제 2 스위칭부(103)로 구성되어져 있다.

이와 같이 구성된 본 발명의 동작 및 작용 효과를 첨부한 도면 도 3 및 도 4를 참조하여 설명하면 다음과 같다.

먼저, 교류전원(AC Source)이 브리지 정류회로(도시 생략됨)에 의하여 맥동 전압으로 정류되어 역률을 개선하기 위한 LC 필터회로(도시 생략됨)를 통하여 입력되면 전압 분기부(101)의 제 1, 제 2 필터 커패시터(Cf1)(Cf2)는 입력전압을 분기시키게 된다.

이때, 워킹 코일(Lr)과 공진 커패시터(Cr)로 이루어진 공진회로를 이용하여 가열판(도시 생략됨)을 가열하고자 할 경우에는 도 3에 도시된 제 1, 제 2 스위치(S1)(S2)의 스위칭 상태 및 전류 전압 파형도와 같이, 외부로부터 입력되는 제어 신호에 의하여 스위칭부(103)의 제 1 스위치(S1)는 도통됨과 동시에 제 2 스위치(S2)가 폐쇄되면 워킹 코일(Lr)과 공진 커패시터(Cr)는 일련의 공진회로를 이뤄 입력 전압의 반(Vd/2)이 인가됨과 아울러 워킹 코일(Lr)에 흐르는 전류가 선형적으로 상승된다.

이후, 워킹 코일(Lr)에 흐르는 전류의 크기가 설정된 값에 이르러 외부로부터 입력되는 제어 신호에 의하여 제 1 스위치(S1)가 영전압의 조건으로 폐쇄되면 워킹 코일(Lr)과 공진 커패시터(Cr)가 공진을 하여 공진 커패시터(Cr)의 전압이 +Vd/2에서 -Vd/2로 공진을 통하여 떨어진다.

그리고, 공진 커패시터(Cr)의 전압이 -Vd/2가 되면 제 2 스위치(S2)에 역 병렬 연결된 제 2 댐핑 다이오드(D2)는 도통됨과 아울러 워킹 코일(Lr1)에 흐르는 전류가 선형적으로 감소된다.

이때, 외부로부터 입력되는 제어 신호에 의하여 제 2 스위치(S2)가 영전압의 조건으로 도통되면 워킹 코일(Lr)에 흐르는 전류는 영까지 떨어졌다가 다음에는 반대 방향으로 증가된다.

그리고, 이 전류가 설정치에 이르면 외부로부터 입력되는 제어 신호에 의하여 제 2 스위치(S2)가 영전압의 조건으로 폐쇄된다.

그러면, 다시 워킹 코일(Lr)과 공진 커패시터(Cr)가 공진을 하여 공진 커패시터(Cr)의 전압이 -Vd/2에서 +Vd/2로 공진을 통하여 증가된다.

또한, 공진 커패시터(Cr)의 전압이 +Vd/2가 되면 제 1 스위치(S2)에 역 병렬 연결된 제 1 댐핑 다이오드(D1)는 도통됨과 아울러 워킹 코일(Lr)에 흐르는 전류가 선형적으로 증가된다.

그리고, 이 전류가 영이 되면 한 공진 주기가 끝나고 상술한 공진 동작이 반복된다.

이와 같이, 워킹 코일(Lr)에 유기된 전류에 의하여 자속이 발생되고, 이 자속이 가열판(도시 생략됨) 위의 가열 용기(도시 생략됨)와 쇄교하여 가열 용기의 바닥에는 와전류(Eddy Current)가 발생된다. 따라서, 이 와전류에 의한 주울(Joule)열에 의하여 가열 용기가 가열된다.

이상에서 설명한 바와 같이 본 발명은 스위치의 전압 스트레스(Stress)가 큰 것을 입력전압(Vd)으로 클램핑함으로서 제조 원가가 저렴한 전압 용량의 스위치를 사용할 수가 있고, 또한 공진 커패시터에 걸리는 전압도 Peak-to-Peak로 입력전압(Vd)으로 클램핑되어 제조 원가가 저렴한 전압 용량의 커패시터를 사용할 수가 있고, 또한 제어측면에서 보면 기존의 병렬공진형 유도가열 조리기는 영전압 조건을 센싱해서 거기에 맞게 한 포인트에서 스위칭을 해주어야 하므로 제어가 어렵고 모든 범위에서의 영전압 조건을 맞추기도 어렵지만 본 발명에서 제어한 방식은 영전압 스위칭 구간이 길기 때문에 제어가 매우 손쉬어 제어회로를 간략화할 수 있어 전체 시스템의 구성을 간소화할 수 있을 뿐만아니라 워킹코일과 병렬로 연결된 공진 커패시터로 인하여 유도 가열시 내부 열손실과 노이즈를 해결할 수 있는 효과가 있다.

Claims (1)

1. 입력전압을 분기시키는 두 개의 평활용 커패시터와, 가열수단 및 외부로부터 입력되는 제어신호에 따라 교번적으로 개폐되어 상기 가열수단에 전원을 공급하는 한 쌍의 스위칭수단을 포함한 유도가열 조리기에 있어서,

   상기 가열수단은,

   상기 두 개의 평활용 커패시터의 공통접점과 한 쌍의 스위칭수단의 공통접점 사이에 연결되어 전류 루프를 형성하는 유도가열 코일; 및

   상기 유도가열 코일에 병렬로 접속되어 상기 유도가열 코일과의 상호 공진을 통하여 유도 가열시 내부 열손실과 노이즈를 제거할 수 있는 공진 커패시터로 구성된 것을 특징으로 하는 병렬공진형 소프트 스위칭 유도가열 조리기.

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