KR100248715B1 - 소프트 스위칭 풀 브릿지 유도 가열장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 소프트 스위칭 방식을 사용하여 스위칭 소자의 손실을 최소로 하고 다출력 제어시 각 버너 사이의 간섭음을 없애기 위해 하나의 인버터로 여러개의 부하를 시분할을 통해서 제어할 수 있도록 하여 저손실의 대출력 시스템을 제공토록 한 소프트 스위칭 풀 브릿지 유도 가열장치에 관한 것이다.
이를 위해, 본 발명은 입력전압에 대하여 일정한 직류전압을 출력하는 평활용 커패시터와 역병렬 다이오드를 갖는 스위치 6개가 세 개씩 직렬로 연결된 후 상기 평활용 커패시터에 병렬 연결되어 별도의 제어신호에 따라 스위칭 동작하여 복수의 가열판을 선택하는 스위칭 수단, 및 상기 스위칭 수단의 일측 스위치단의 공통 연결접점과 타측 스위치단의 공통접점 사이에 각각 워킹코일과 공진 커패시터가 직렬로 연결된 복수의 가열수단을 구비한 유도가열 조리기에 있어서, 상기 스위칭 수단은, 각 스위치의 스위칭 손실을 최소화하기 위하여 상기 역병렬 다이오드에 병렬로 접속되는 보조 공진 커패시터를 더 구비한 것을 특징으로 한다.

Description

소프트 스위칭 풀 브릿지 유도 가열장치
본 발명은 소프트 스위칭 풀 브릿지 유도 가열장치에 관한 것으로, 특히 소프트 스위칭 방식을 사용하여 스위칭 소자의 손실을 최소로 하고 다 출력 제어시 각 버너 사이의 간섭음을 없애기 위해 하나의 인버터로 여러 개의 부하를 시분할을 통해서 제어할 수 있도록 하여 저손실의 대출력 시스템을 제공토록 한 소프트 스위칭 풀 브릿지 유도 가열장치에 관한 것이다.
종래의 다출력형 전자 유도 가열 조리기는 일반적으로 1200W이하로 제한되기 때문에 보다 큰 출력을 얻기 위해서는 제1도에 도시된 바와 같이, 입력되는 교류 전원(AC Source)을 직류 전원으로 정류하는 제 1, 제 2 브리지 다이오드(1)(2)와, 상기 제 1, 제 2 브리지 다이오드(1)(2)를 통해 정류된 직류 전원을 평활시키는 제1, 제 2 필터 인덕터(Lfl)(Lf2) 및 커퍼시터(Cfl)(Cf2)와 상기 제 1, 제 2 필터 인덕터(Lfl)(Lf2) 및 커패시터(Cfl)(Cf2)에 병렬로 연결되어 이 평활된 전원에 직렬로 구성된 제 1 제 2 역병렬 다이오드(Dl)(D2)를 갖는 제 1, 제 2 스위치(S1,S2) 및 제3, 제 4 역병렬 다이오드(D3)(D4)를 갖는 제 3, 제 4 스위치(S3,S4)와, 상기 제 1, 제 3 스위치(S1)(S3)에 병렬로 연결되어 적절하게 유도 가열하는 유도 가열 코일(Lrl)(Lr2) 및 직렬로 연결된 공진 커패시터(Crl)(Cr2)로 구성되어져 있다.
이와 같이 구성된 종래 다출력형 전자 유도 가열 조리기의 동작을 첨부한 도면 제1도를 참조하여 설명하면 다음과 같다.
그의 인버터 회로의 동작을 설명하기 위해서 하나의 인버터 회로만을 설명하면 다음과 같다.
먼저, 제 2 스위치(S2)를 온(ON)시키면 공진탱트회로내에 입력전압이 가해지고 유도 가열 코일(Lr1)의 전류가 공진에 의해서 증가하고 공진 커패시터(Cr1)에는 이 전류에 의해서 충전된다.
일정 시간 후에, 제 2 스위치(S2)를 오프(off)하고 제 1 스위치(S1)를 온하면 공진 커패시터(Crl)의 충전 에너지의 방전에 의해서 유도 가열 코일(Lr1)의 전류를 위의 경우와는 반대 방향으로 흐르게 한다.
이와같은 동작을 가청주파수 이상의 높은 주파수로 반복시켜 주면 유도 가열코일(Lr1) 위에 있는 용기에 적절한 출력을 전달할 수가 있다.
그러나 이러한 종래의 다출력형 전자 유도 가열 조리기는 일반적으로 주파수제어를 통해서 출력을 제어한다.
따라서, 각 가열판위에 다른 크기의 용기를 놓거나 다른 출력을 내고 있을 경우에는 인접한 가열판 사이에서 동작 주파수의 차이에 의한 간섭음이 발생하고, 게다가 각각 별개의 제어회로를 갖는 인버터로 각각 하나의 유도 가열 코일에 전력을 긍급하기 때문에 전체 시스템의 부피가 커지고, 또한 제조 원가도 상승되는 문제점이 있었다.
따라서, 본 발명은 소프트 스위칭 방식을 사용하여 스위칭 소자의 손실을 최소로 하고 다출력 제어시 각 버너 사이의 간섭음을 없애기 위해 하나의 인버터로 여러개의 부하를 시분할을 통해서 제어할 수 있도록 하여 저손실의 대출력 시스템을 제공토록 한 소프트 스위칭 듀얼 풀 브릿지 유도 가열장치를 제공하는 데 그 목적이 있다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 기술적 수단은, 입력전압에 대하여 일정한 직류전압을 출력하는 평활용 커패시터와, 역병렬 다이오드를 갖는 스위치 6개가 세 개씩 직렬로 연결된 후 상기 평활용 커패시터에 병렬 연결되어 별도의 제어신호에 따라 스위칭 동작하여 복수의 가열판을 선택하는 스위칭 수단, 및 상기 스위칭 수단의 일측 스위치단의 공통 연결접점과 타측 스위치단의 공통접점 사이에 각각 워킹코일과 공진 커패시터가 직렬로 연결된 복수의 가열수단을 구비한 유도가열 조리기에 있어서,
상기 스위칭 수단은,
각 스위치의 스위칭 손실을 최소화하기 위하여 상기 역병렬 다이오드에 병렬로 접속되는 보조 공진 커패시터를 더 구비한 것을 특징으로 한다.
제1도는 종래의 다출력형 전자 유도 가열 조리기를 나타낸 회로 구성도이고,
제2도는 본 발명에 의한 소프트 스위칭 풀 브릿지 유도 가열장치를 나타낸 블록도이고,
제3도는 제2도에 적용되는 각 가열코일의 구동시 스위칭상태 및 전류 파형을 나타낸 도면이다.
* 도면의 주요 부분예 대한 부호의 설명
Cf: 필터용 커패시터 101 : 가열부
102 : 스위칭부 101a : 제 1 가열부
101b : 제 2 가열부
이하, 본 발명의 일 실시예를 첨부만 도면에 의거하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
제2도는 본 발명에 의한 소프트 스위칭 듀얼 풀 브릿지 유도 가열장치의 구성도이고, 제3도는 제2도에 적용된 유도 가열 코일의 구동시 스위칭상태 및 전류 파형도를 나타낸 것으로서, 입력전압의 역률을 향상시키는 필터용 커패시터(Cf)와, 상기 필터용 커패시터(Cf)를 통해 출력된 전원에 따라 발열하여 하나 이상의 가열판을 선택적으로 가열하는 가열부(101)와, 별도로 입력되는 제어신호에 따라 스위칭 동작을 하여 상기 가열부(101)를 선택적으로 가열되도록 하는 스위칭부(102)로 구성되어져 있다.
상기에서, 가열부(101)은 상기 스위칭부(102)의 스위칭 동작에 따라 입력되는 전원으로 동작되어 제 1 가열판을 가열하는 가열코일(Lr1)과 공진 커폐시더(Cr1)로 구성된 제 1 가열부(10la)와, 상기 스위칭부(102)의 스위칭 동작에 따라 입력되는 전원으로 동작되어 제 2 가열판을 가열하는 가열코일(Lr2)과 공진 커패시터(Cr2)로 구성된 제 2 가열부(101b)로 구성되어져 있다.
아울러, 스위칭부(102)은 별도로 입력되는 제어신호에 따라 스위칭 동작을 하여 상기 가열부(101)내의 제 1, 제 2 가열부(101a)(101b )가 독립적으로 가열 동작을 수행할 수 있도록 전원을 공급하는 제 1 내지 제 6 스위칭소자(S1∼S6)와, 상기 제 1 내지 게 6 스위칭소자(S1∼S6)의 스위칭 손실을 최소화하기 위한 제 1 내지 제 3 보조 공진 커패시터(Cal∼Ca3)로 구성되어져 있다.
이와 같이 구성된 본 발명의 동작 및 작용 효과를 첨부한 도면 제2도 및 제3도을 참조하여 설명하면 다음과 같다.
먼저, 교류 전원(AC Source)을 정류하여 역률 개선용 LC 필터를 거치는 부분은 생략하고 단지 필터 커패시터 이후의 회로만 도시하였다.
풀 브리지형(Full Bridge) 유도 가열 조리장치는 기존의 하프 브리지(Half Bridge)형 보다는 큰 출력을 낼 수 있는 회로 구조로 3kW이상의 높은 출력을 낼 수 있다.
현재까지는 주로 산업용으로 사용되었으나 가정용 또는 업소용으로도 응용범위를 확대할 수 있다.
특히, 본 발명은 간단한 구조로 두 개 이상의 부하를 간섭음 없이 동시에 가열할 수 있고 손실을 최소화하기 위해서 소프트 스위칭을 이용한 방식이다.
먼저, 가열부(101)내의 제 1 가열부(101a)가 동작할 경우를 설명하면 다음과 같다
제 3, 제 6 스위칭소자(S3, S6)은 항상 온(ON)되어 있고 가열부(101a)내의 제1가열부(101a)의 가열코일(Lr1)의 전류가 제로(Zero)인 상황에서 제 2, 제 4 스위칭소자(S2, S4)는 오프되고 제 1, 제 5 스위칭소자(S1, S5)가 온(ON)되면 제 1 가열부(101a)의 가열코일(Lr1)과 공진 커패시터(Cr1)에는 입력전압(Vd)이 인가되고 공진을 시작하여 상기 가열코일(Lr1)의 전류가 상승한다.
한편, 공진 반주기가 지나기전에 제 1 스위칭소자(S1)를 제로전압의 조건에서 오프시키면 제 1, 제 2 보조 공진 커패시터(Ca1, Ca2), 가열코일(Lr1)과 공진 커패시터(Cr1)가 보조 공진을 해서 상기 제 2 보조 공진 커패시더(Ca2)의 전압은 입력전압(Vd)에서 제로까지 떨어지고 그 사이 제 1 보조 공진 커패시터(Ca1)의 전압은
제로에서 입력전압(Vd)까지 상승한다.
이후, 제 2 스위칭소자(S2)의 역병렬 다이오드가 도통되어 제 1 가열부(101a)에는 제로 전압이 가해지고 계속된 공진에 의해서 가열코일(Lr1)의 전류가 제로로 떨어진다.
이 전류가 제로가 되었을 때 제 5 스위칭소자(S5)는 제로전류의 조건으로 오프시키고 반대로 제 4 스위칭소자(S4)는 제로 전류의 조건으로 온시키며, 제 2 스위칭소자(S2)는 제로전압/제로전류의 조건으로 온시켜서 스위칭 손신을 최소화한다.
그러면, 가열부(101)내의 제 1 가열부(101a)에는 입력전압(Vd)이 역으로 가해지고 상기 제 1 가열부(101a)의 가열코일(Lr1)의 전류는 위와는 반대방향으로 공진에 의해서 증가한다.
그 공진 반주기가 지나기전에 제 2 스위칭소자(S2)를 제로전압의 조건에서 오프시키면 제 1, 제 2 보조 공진 커패시더(Ca1,Ca2), 가열코일(Lr1)과 공진 커패시터(Cr1)가 보조 공진을 해서 상기 제 2 보조 공진 커패시터(Ca2)의 전압은 입력전압(Vd)에서 제로가지 떨어지고 그 사이 제 2 보조 공진 커패시티(Ca2)의 전압은 제로에서 입력전압(Vd)까지 상승한다.
이후, 제 1 스위칭소자(S1)의 역병렬다이오드가 도통되어 가열부(101)내의 제 1 가열부(101a)에는 제로전압이 가해지고 계속된 공진에 의해서 상기 제 1 가열부(10la)의 가열코일(Lr1)의 전류가 제로로 떨어진다.
이 전류가 제로가 되었을 때 제 4 스위칭소자(S4)는 제로전류의 조건으로 오프시키고 반대로 제 5 스위칭소자(S5)는 제로전류의 조건으로 온시키며 제 1 스위칭소자(S1)는 제로전압/제로전류의 조건으로 온시켜서 스위칭 손실을 최소화한다.
이렇게 스위칭 상태를 바꾸면 한 주기의 동작이 종료하고 같은 동작이 반복된다.
제3도는 각 가열코일의 구동시 스위칭상태 및 전류 파형을 보여주고 있다.
이렇게 유기된 전류의 크기와 주파수에 따라서 교류 자속이 발생하고 이 자속에 의해 부하에는 “맴돌이 전류”라고 하는 와전류(Eddy Current)가 발생한다.
이 와전류에 의한 주울(Joule)열이 발생하게 되고 이 열이 부하용기를 직접가열하계 된다.
한편, 가열부(101)의 제 2 가열부(101b)를 동작시키려면 제 1 스위칭소자(S1)와 제 4 스위칭소자(S4)를 온시켜 놓고 나머지 스위치로 위에서 언급한 동작을 하면 부하에 원하는 출력을 공급할 수가 있다.
그리고, 시분할을 통해서 위의 두 동작을 번갈아서 해주면 가열시 간섭음 없이 두 버너를 동시에 가열할 수가 있다.
본 발명의 의한 다른 실시예로서, 필터용 커패시터(Cr) 이후의 회로를 하나더 병렬로 연결하면 하나의 시스템으로 4개의 부하를 갖는 유도가열조리기를 구성 할 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명은 기존 다 출력형 유도 가열 조리기에서의 문제점인 간섭음을 제거할 수 있고 하나의 인버터로 두 개의 부하를 구동하므로 전체 시스템의 구성이 간소화되고, 또한 풀 브리지형 회로를 채용하여 가정용 또는 업소용으로 응용할 수 있는 대출력의 시스템을 구성할 수 있고, 이를 하나의 제어
회로로 구현이 가능하므로 제조 원가가 절감된다.
또한, 최신의 소프트 스위칭방식을 채용하여 각 스위치의 스위칭시 최소의 스위칭 손실을 얻어서 방열판 등의 냉각 시스템을 줄일 수 있어 컴팩트한 시스템을 구성할 수 있는 효과가 있다.

Claims (3)

  1. 입력전압에 대하여 일정한 직류전압을 출력하는 평활용 커패시터와, 역병렬 다이오드를 갖는 스위치 6개가 세 개씩 직렬로 연결된 후 상기 평활용 커패시터에 병렬 연결되어 별도의 제어신호에 따라 스위칭 동작하여 복수의 가열판을 선택하는 스위칭 수단, 및 상기 스위칭 수단의 일측 스위치단의 공통 연결접점과 타측 스위치단의 공통접점 사이에 각각 워킹코일과 공진 커패시터가 직렬로 연결된 복수의 가열수단을 구비한 유도가열 조리기에 있어서, 상기 스위칭 수단은, 각 스위치의 스위칭 손실을 최소화하기 위하여 상기 역병렬 다이오드에 병렬로 접속되는 보조 공진 커패시터를 더 구비한 것을 특징으로 하는 소프트 스위칭 풀 브릿지 유도 가열장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 보조 공진 커패시터는, 상기 스위칭 수단의 6개의 스위치 중 3개의 스위치가 직렬로 연결된 일측 스위치단에 설치되어 상기 일측 스위치단의 각 스위치가 교번적으로 개폐될 때 데드타임을 갖도록 하는 것을 특징으로 하는 소프트 스위칭 풀 브릿지 유도 가열장치.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 일측 스위치단의 데드타임은 상기 보조 공진 커패시터를 갖는 각 스위치의 오프때부터 상기 가열수단의 워킹코일의 전류가 제로로 하강할 때까지의 시간인 것을 특정으로 하는 소프트 스위칭 풀 브릿지 유도 가열장치.
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