KR100253548B1 - 유도가열 조리기 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 부하(가열용기)의 구경에 따라 출력이 가변되어 스위치 소자의 파손을 방지하도록 한 유도가열 조리기에 관한 것이다.
이를 위해, 본 발명의 역률 제어부(400)는 제 1, 제 2 스위치 소자(S1,S2)가 교번으로 스위칭되게 하는 구동 드라이브(410)와, 상기 구동 드라이브(410)가 동작되도록 스위칭 주파수를 발생시키는 주파수 발생기(420)와, 인버터부(30)의 동작에 의하여 입력전원에서 소비되는 전력을 측정하는 제 1 전류 검출기(430)와, 상기 인버터부(30)의 제 2 댐핑 다이오드(D2)에 흐르는 전류를 측정하는 제 2 전류 검출기(450)와, 상기 제 1, 제 2 전류 검출기(430,450)의 측정 전류값에 따라 상기 주파수 발생기(420)가 적정 주파수를 발생하도록 제어하는 제어기(440)로 구성된다.

Description

유도가열 조리기
본 발명은 유도가열 조리기에 관한 것으로, 특히 부하(가열용기)의 구경에 따라 출력이 가변되어 스위치 소자의 파손을 방지하도록 한 유도가열 조리기에 관한 것이다.
종래의 유도가열 조리기는 도 1의 회로 구성도에 나타낸 바와 같이, 입력되는 교류전원(AC)을 직류전원(DC)으로 정류하는 정류 회로(10)와, 상기 정류 회로(10)를 통해 정류된 맥동전원을 일정하게 평활시키는 필터 인덕터(Lf) 및 필터 캐패시터(Cf)로 이루어진 필터 회로(20)와, 상기 필터 회로(20)의 출력에 따라 공진되어 자장에 의한 전기유도 효과로 부하(가열용기)를 가열하는 인버터부(30)와, 소비 전력를 측정하여 전체 회로의 역률이 개선되게 상기 인버터부(30)를 제어하는 역률 제어부(40)로 구성되어져 있다.
상기 인버터부(30)는 자장에 의한 전기유도 효과로 부하에 와전류를 유도하는 워킹 코일(Lr)과, 상기 워킹 코일(Lr)과 공진 회로를 이루는 제 1 공진 캐패시터(Cr1) 및 제 2 공진 캐패시터(Cr2)와, 입력되는 제어신호에 따라 스위칭 구동되어 상기 워킹 코일(Lr)과 제 1, 제 2 공진 캐패시터(Cr1,Cr2)가 공진 회로를 이루도록 하는 제 1, 제 2 스위치 소자(S1,S2)로 구성되어져 있다.
상기 역률 제어부(40)는 상기 제 1, 제 2 스위치 소자(S1,S2)가 교번으로 스위칭되게 하는 구동 드라이브(41)와, 상기 구동 드라이브(41)가 동작되도록 스위칭 주파수를 발생시키는 주파수 발생기(42)와, 상기 인버터부(30)의 동작에 의하여 입력전원에서 소비되는 전력을 측정하는 전류 검출기(43)와, 상기 전류 검출기(43)의 측정 전류값에 따라 상기 주파수 발생기(42)가 적정 주파수를 발생하도록 제어하는 제어기(44)로 구성되어져 있다.
도면 중 미설명 부호인 D1와 D2는 상기 제 1, 제 2 스위치 소자(S1,S2)에 각각 역병렬로 연결된 제 1, 제 2 댐핑 다이오드이고, Ca1와 Ca2는 상기 제 1, 제 2 스위치 소자(S1,S2)에 각각 병렬로 연결된 제 1, 제 2 보조공진 캐패시터이다.
이와 같이 구성된 종래 유도가열 조리기의 동작을 첨부한 도 1 내지 도 3을 참조하여 설명하면 다음과 같다.
먼저, 입력되는 교류전원은 정류회로(10)를 통하여 맥동 직류전압으로 정류된 후 필터 인덕터(Lf) 및 필터 캐패시터(Cf)로 이루어진 필터 회로(20)를 통하여 필터링되어 일정하게 평활된다.
그리고, 구동 드라이브(41)에서 출력되는 스위칭 제어신호에 따라 제 1, 제 2 스위치 소자(S1,S2)가 교번으로 스위칭되어 워킹 코일(Lr)과 제 1, 제 2 공진 캐패시터(Cr1,Cr2)가 공진 회로를 이룬다.
상술하면, 역률 제어부(40)의 제어 신호에 의하여 제 1 스위치 소자(S1)는 온됨과 동시에 제 2 스위치 소자(S2)가 오프되면 워킹 코일(Lr)과 제 2 공진 캐패시터(Cr2)는 공진회로를 이뤄 입력 전압(Vd)이 인가되어 워킹 코일(Lr)에 흐르는 전류가 선형적으로 상승된다.
이후, 워킹 코일(Lr)에 흐르는 전류의 크기가 설정된 값에 이르러 제어 신호에 의하여 제 1 스위치 소자(S1)가 영전압의 조건으로 오프되면 제 1, 제 2 보조공진 캐패시터(Ca1)(Ca2)가 보조공진을 하여 제 2 보조공진 캐패시터(Ca2)의 전압은 Vd에서 영까지 떨어지고, 그 사이 제 1 보조공진 캐패시터(Ca1)의 전압은 영에서 Vd까지 상승된다.
다음으로, 제 2 스위치 소자(S2)에 역 병렬 연결된 제 2 댐핑 다이오드(D2)가 도통되어 공진회로에는 영전압이 가해져 제 1 공진 캐패시터(Cr1)에 충전된 전압에 의하여 계속 공진이 일어난다.
이때, 제 2 스위치 소자(S2)가 영전압의 조건에서 온되면 계속된 공진에 의하여 공진 전류가 영으로 떨어지고, 이번에는 워킹 코일(Lr)과 제 1 공진 캐패시터(Cr1)가 공진회로를 이뤄 반대 방향의 공진에 의하여 워킹 코일(Lr)에 흐르는 전류가 선형적으로 증가된다.
이후, 공진 반주기가 지나기 전에 제 2 스위치 소자(S2)를 오프시키면 제 1, 제 2보조공진 캐패시터(Ca1)(Ca2)가 공진회로와 보조공진을 해서 제 1 보조공진 캐패시터(Ca1)의 전압은 Vd에서 영까지 떨어지고, 그 사이 제 2 보조공진 캐패시터(Ca2)의 전압은 영에서 Vd까지 상승된다.
다음으로, 제 1 스위치 소자(S1)에 역 병렬 연결된 제 1 댐핑 다이오드(D1)가 도통되어 공진회로에는 전압 Vd가 가해져 계속 공진이 일어난다.
이때, 제 1 스위치 소자(S1)를 영전압의 조건에서 온시키면 계속된 공진에 의하여 공진 전류가 영으로 떨어져 공진 한 주기의 동작이 끝나고 상기와 같은 공진 동작이 반복된다.
그러므로, 워킹 코일(Lr)에 놓여진 부하에 의하여 고정된 L값과 공진 캐패시터(Cr)의 값에 따라 공진 주파수가 형성되어 주파수 변화에 의한 LC 공진에 따라 부하에 와전류가 유도되어 가열된다.
한편, 전류 검출기(43)는 입력전원에 흐르는 전류의 양을 검지하여 부하의 가열에 따라 입력전원에서 소비되는 전력을 측정하면 이를 입력받은 제어기(44)는 인버터부(30)가 적절한 파워를 낼 수 있도록 주파수 발생기(42)에 신호를 인가하여 구동 드라이브(41)를 통하여 제 1, 제 2 스위칭 소자(S1,S2)의 게이트에 신호를 입력함에 따라 제 1, 제 2 스위치 소자(S1,S2)가 교번으로 스위칭되는 것이다.
즉, 이와 같이 스위칭 동작을 반복시켜 워킹 코일(Lr)을 통하여 부하를 가열하되 제 1, 제 2 스위치 소자(S1,S2)의 턴-온 시간 즉, 듀티(Duty)비를 변화시켜 워킹 코일(Lr)에 흐르는 전류를 제어한다.
이때, 부하의 구경(크기)에 따른 스위칭 동작 특성은 도 2 및 도 3에 도시한 전압 전류 파형도에 나타낸 바와 같다.
상술하면, 워킹 코일(Lr)과 가열용기의 등가 모델을 저항과 리액터로 구성하되, Rin(입력 임피던스)는 R1(워킹 코일의 저항) + Roven(가열용기의 저항)으로 보고, 리액터값을 Lr로 볼 때 소비전력 P는 아래와 같이 나타낼 수 있다.
P = (Vin/Zin)2×Rin
여기서, Vin= ton/ (ton+ toff) × Vd(입력전압펄스)이고, (Zin)2= Rin 2+ (ωLr- 1/ωCr)2이다.
따라서,
Figure 1019970078605_B1_M0001
인 공진 주파수 대역에서 인버터부(30)의 파워는 최대가 되고, 실제 스위칭 주파수는 영-전압-스위칭(ZCS)이 가능한 fr(스위칭주파수)>fo(공진주파수)인 영역에서 스위칭하며, 입력 임피던스(Rin)에 따라 최대 출력 파워가 달라진다.
즉, 공진 주파수(fo)에서 스위칭할 때 입력 임피던스(Rin)값이 클 때는 최대 출력 파워가 작고, 입력 임피던스(Rin)값이 작을 때는 최대 출력 파워가 크다.
그러므로, 원하는 출력 파워에서 소정의 스위칭주파수(fr)로 스위칭할 때 입력 임피던스(Rin)값이 작을 때(작은 가열용기의 경우)는 도 2에 도시된 바와 같이 스위칭 오프 손실이 크고, 입력 임피던스(Rin)값이 클 때(큰 가열용기의 경우)는 도 3에 도시된 바와 같이 스위칭 오프 손실이 작다.(도면에서 a는 스위치 전압 파형이고, b는 스위치 전류 파형이며, A는 다이오드 도통 전류이고, B는 스위칭 오프 손실이다.)
따라서, 종래에는 작은 가열용기을 가열할 경우, 일예로 구경(φ)이 120㎜인 용기를 2㎾의 출력 파워로 가열할 경우에는 스위칭 오프 손실이 매우 커 몇 분 동안 지속적으로 동작되면 스위치 소자가 파손되는 문제점이 있었다.
따라서 본 발명은 상기한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해 제안한 것으로서, 부하(가열용기)의 구경(크기)에 따라 출력이 가변되어 스위치 소자의 파손을 방지하도록 한 유도가열 조리기를 제공하는데 그 목적이 있다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 기술적 수단은, 인버터의 동작에 의하여 소비되는 전력과 인버터내의 스위치 소자에 역병렬로 연결된 다이오드에 흐르는 전류를 측정하여 전체 회로의 역률이 개선되게 하는 역률 제어부를 포함하여 이루어짐을 특징으로 한다.
도 1은 종래 유도가열 조리기의 회로 구성도.
도 2 및 도 3은 도 1에 도시된 유도가열 조리기의 동작에 따른 전압 전류 파형도.
도 4는 본 발명에 의한 유도가열 조리기의 회로 구성도.
*** 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 ***
400 : 역률 제어부 410 : 구동 드라이브
420 : 주파수 발생기 430 : 제 1 전류 검출기
440 : 제어기 450 : 제 2 전류 검출기
이하, 본 발명을 첨부한 도면에 의거하여 설명하면 다음과 같다.
도 4는 본 발명에 의한 유도가열 조리기의 회로 구성도를 나타낸 것으로서, 도 3에 도시된 유도가열 조리기와 동일한 구성인 정류 회로(10)와 필터 회로(20) 및 인버터부(30)와, 소비 전력과 상기 인버터부(30)의 제 2 댐핑 다이오드(D2)의 전류를 측정하여 전체 회로의 역률이 개선되게 상기 인버터부(30)를 제어하는 역률 제어부(400)로 구성되어져 있다.
상기 역률 제어부(400)는 상기 제 1, 제 2 스위치 소자(S1,S2)가 교번으로 스위칭되게 하는 구동 드라이브(410)와, 상기 구동 드라이브(410)가 동작되도록 스위칭 주파수를 발생시키는 주파수 발생기(420)와, 상기 인버터부(30)의 동작에 의하여 입력전원에서 소비되는 전력을 측정하는 제 1 전류 검출기(430)와, 상기 인버터부(30)의 제 2 댐핑 다이오드(D2)에 흐르는 전류를 측정하는 제 2 전류 검출기(450)와, 상기 제 1, 제 2 전류 검출기(430,450)의 측정 전류값에 따라 상기 주파수 발생기(420)가 적정 주파수를 발생하도록 제어하는 제어기(440)로 구성되어져 있다.
이와 같이 구성된 본 발명의 동작 및 작용 효과를 첨부한 도면 도 4를 참조하여 설명하면 다음과 같다.
본 발명에 의한 인버터부(30)가 공진 작용에 따라 워킹 코일(Lr)에 의하여 부하(가열용기)를 가열하는 과정은 종래 기술과 동일하고, 역률 제어부(400)가 인버터부(30)를 제어하는 과정은 아래와 같다.
먼저, 제 1 스위치 소자(S1)는 온됨과 동시에 제 2 스위치 소자(S2)가 오프된 상태에서 워킹 코일(Lr)과 제 2 공진 캐패시터(Cr2)가 이루는 공진회로에 의하여 워킹 코일(Lr)에 흐르는 전류가 설정된 값에 이르러 제 1 스위치 소자(S1)가 영전압의 조건으로 오프되면, 제 1, 제 2 보조공진 캐패시터(Ca1)(Ca2)가 보조공진을 하여 제 2 보조공진 캐패시터(Ca2)의 전압은 Vd에서 영까지 떨어지고, 그 사이 제 1 보조공진 캐패시터(Ca1)의 전압은 영에서 Vd까지 상승된다.
이때, 제 2 스위치 소자(S2)에 역 병렬 연결된 제 2 댐핑 다이오드(D2)가 도통되어 공진회로에는 영전압이 가해져 제 1 공진 캐패시터(Cr1)에 충전된 전압에 의하여 계속 공진이 일어나는데, 제 2 전류 검출기(450)는 이러한 제 2 댐핑 다이오드(D2)에 흐르는 전류를 측정한다.
동시에, 제 1 전류 검출기(430)는 입력전원에 흐르는 전류의 양을 검지하여 부하의 가열에 따라 입력전원에서 소비되는 전력을 측정한다.
그리고, 제 1, 제 2 전류 검출기(430,450)로부터 측정값을 입력받은 제어기(440)는 인버터부(30)가 적절한 파워를 낼 수 있도록 주파수 발생기(420)에 신호를 인가하여 주파수가 발생되게 하되, 제 1, 제 2 전류 검출기(430,450)의 측정값이 각각 소정의 최대 설정값 이하로 유지되게 제어한다.
이때, 제 2 댐핑 다이오드(D2)에 흐르는 전류의 최대 설정값은 부하(가열용기)의 구경(크기)에 따라 단계적으로 설정된다.
아래의 표 1은 출력 파워가 동일하게 2㎾로 설정되었을 경우 구경(φ)에 따른 제 1, 제 2 전류 검출기(430,450)의 측정값을 나타낸 것으로서, 가열용기의 구경(φ)과 제 2 전류 검출기(450)의 측정값을 반비례함을 알 수 있다.
구경 제 1 전류 검출기 제 2 전류 검출기
φ 120 3V 3.5V
φ 200 3V 2.0V
그러므로, 실험을 통하여 적절하게 제 2 댐핑 다이오드(D2)에 흐르는 전류의 최대 설정값을 설정하되 가열용기의 구경(φ)이 작을수록 전류의 최대 설정값 또한 낮게 설정한다.
다음으로, 주파수 발생기(420)의 출력 신호에 따라 구동 드라이브(410)가 동작되어 제 1, 제 2 스위칭 소자(S1,S2)가 교번으로 스위칭 구동되도록 게이트에 신호를 입력하면 제 1, 제 2 스위치 소자(S1,S2)는 스위칭 동작이 반복되어 소정의 공진회로에 의하여 공진 작용이 주기적으로 반복된다.
그러므로, 워킹 코일(Lr)에 의하여 부하(가열용기)가 가열되는데 제어기(440)가 구경에 따른 단계적인 설정값에 따라 제 1, 제 2 스위치 소자(S1,S2)의 턴-온 시간 즉, 듀티(Duty)비를 변화시켜 제어함에 따라 부하의 구경이 작으면 출력은 상대적으로 낮아지고, 부하의 구경이 크면 출력은 상대적으로 높아진다.
이때, 구경이 작은 가열용기는 대체적으로 피가열체 또한 적게 수납되므로 출력 파워를 낮추더라도 빠른 시간안에 가열할 수 있기 때문에 구경이 큰 가열용기를 상대적으로 높은 출력 파워로 가열하는 경우와 비교하여 가열시간은 크게 차이가 나지 않는다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명은 부하(가열용기)의 구경에 따라 출력이 가변됨으로써, 스위치 소자의 파손이 방지되어 장치의 신뢰성이 향상되는 효과가 있다.

Claims (2)

  1. 자장에 의한 전기유도 효과로 부하에 와전류를 유도하는 워킹 코일(Lr)과, 상기 워킹 코일(Lr)과 공진 회로를 이루는 제 1, 제 2 공진 캐패시터(Cr1,Cr2)와, 입력되는 제어신호에 따라 스위칭 구동되어 상기 워킹 코일(Lr)과 제 1, 제 2 공진 캐패시터(Cr1,Cr2)가 공진 회로를 이루도록 하는 제 1, 제 2 스위치 소자(S1,S2)와, 상기 제 1, 제 2 스위치 소자(S1,S2)에 각각 역병렬로 연결된 제 1, 제 2 다이오드(D1,D2)로 이루어진 인버터부(30)를 구비한 유도가열 조리기에 있어서,
    상기 인버터부(30)의 동작에 의하여 소비되는 전력과 상기 제 2 다이오드(D2)의 전류를 측정하여 전체 회로의 역률이 개선되게 상기 인버터부(30)를 제어하는 역률 제어부(400)를 더 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 유도가열 조리기.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 역률 제어부(400)는 상기 제 1, 제 2 스위치 소자(S1,S2)가 교번으로 스위칭되게 하는 구동 드라이브(410)와,
    상기 구동 드라이브(410)가 동작되도록 스위칭 주파수를 발생시키는 주파수 발생기(420)와,
    상기 인버터부(30)의 동작에 의하여 입력전원에서 소비되는 전력을 측정하는 제 1 전류 검출기(430)와,
    상기 인버터부(30)의 제 2 댐핑 다이오드(D2)에 흐르는 전류를 측정하는 제 2 전류 검출기(450)와,
    상기 제 1, 제 2 전류 검출기(430,450)의 측정 전류값에 따라 상기 주파수 발생기(420)가 적정 주파수를 발생하도록 제어하는 제어기(440)를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 유도가열 조리기.
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