KR100318806B1 - 포화자기유도코일을갖는리플전류제너레이터 - Google Patents

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Abstract

유도 가열 장치에 사용하는 리플 전류 제너레이터는 전류 주입 자기 유도 (6), 커패시터 (13), 유도가열 코일 (14) 및 고주파수 제어 전력 스위치 (12)를 갖는 공진회로로 구성된다.
상기 전류 주입 코일 (6) 은 포화이며, 2 개의 아암, 즉, 스위치 (12)를 포함하는 제 1 아암 (B1) 과 유도가열코일 (14) 와 직렬로 장착된 커패시터 (13) 를 포함하는 제 2 아암 (B2) 으로 구성된 병렬 어셈블리와 직렬로 장착된다.
상기 제너레이터는 금속 부품 처리를 위한 산업용 유도 가열 장치 뿐만아니라 유도판, 쿠커 또는 디프 (deep) 프라이팬과 같은 가정용 요리기구에 사용된다.

Description

포화 자기 유도 코일을 갖는 리플 전류 제너레이터
본 발명은 유도 가열 장치에 사용되는 리플 전류 제너레이터에 관한 것이다. 이 형태의 제너레이터는 공지되어 있고 본 출원서에서 설명하는 것은 전류 주입 초크(current-injection choke), 커패시터, 유도 가열 코일(induction-heating coil) 및 고주파수에서 제어되는 전력 스위치로 구성된 발진 회로를 포함한다.
유도 가열의 원리는 공지되어 있고, 전기적으로 도전되는 물체에 근접하여 배치되어 인덕터로서 제공되는 코일에 수십 ㎑ 까지의 비교적 고주파수에서 변화하는 전류를 인가하여 와전류를 일으킴으로써 주울 효과에 의해 많은 양의 열을 발생시키는 것이다. 이 가열원리를 적용하는 현존하는 장치는 커플링(coupling)에 민감한 결점이 있는데 즉, 가열되는 물체의 크기가 변화하면 전송되는 가열전력이 변화한다.
특히, 그러한 제너레이터가 용기에 담긴 음식물을 가열하는 유도판(induction plates)에서 사용될때, 용기의 저면의 직경이 작을수록 가열되는 음식물이 담긴 용기에 전송되는 최대가열전력이 약해진다.
이러한 결점을 보완하기 위하여, 발진 회로의 인덕턴스를 변화시켜 전송되는 전력을 변조시키는 몇가지 해결책이 수행되어 왔다. 다른 기술은 인덕터와 인덕터에 근접하여 위치하며 그 위에 용기가 배치되는 지지판 사이의 이격된 갭을 변화시키는 기계적인 방식을 이용하여 상기 지지판을 포함하는 갭이 변하게 되고, 그 결과 이 갭을 통하는 자속이 변하게 된다. 다른 공지된 방법으로는 유도 가열 코일에 공급하는 반도체 인버터의 출력 주파수를 변화시키는 것이 있다. 또한, 정류 회로의 위상 제어 정류기를 이용하여 인버터의 DC 전원 전압을 조절하는 방법이 공지되어 있다. 또 다른 방법으로는 스위칭 회로의 커패시턴스와 인덕턴스 파라미터를 변화시키는 것이 있다.
그러나, 이들 모든 방법은, 가열 전력을 변조시킬 수 있지만, 가열되는 물체의 크기가 인덕터에 의해 물체에 전송되는 전력에 미치는 영향을 피할 수 없다. 사실, 쿠킹용 용기내에 담긴 음식물을 가열하는 경우에서 상술한 바와 같이, 이 와전류가 발생하는 가열되는 용기의 표면영역이 감소할 때, 흡수되는 전력이 낮아짐으로써 이 영향이 명백히 나타난다. 이것은 크기가 작은 용기에서 고전력을 얻고자 하는 사용자에게 결점이 된다.
본 발명의 목적은 가열되는 물체의 크기에 의존하지 않는 전력을 얻을 수 있으며 작은 크기의 쿠킹용 용기일지라도 높은 가열전력을 얻을 수 있는 장치를 제공하는 것이다.
본 발명에 의하면, 제너레이터는 2개의 분기(branches), 즉, 전력스위치를 포함하는 제1분기(B1) 및 유도 가열 코일과 직렬로 장착된 커패시터를 포함하는 제2분기(B2)에 의해 형성된 병렬 어셈블리와 직렬로 장착된 포화형 전류주입 초크를 포함한다.
본 발명에 의한 장치는 사용되는 용기의 크기가 변화하더라도 약 100 W 로부터 2.5 kW 까지 연속적으로 전력을 변화시킬 수 있다. 이러한 장점은 시머링 (simmering)에 종종 필요한 저전력이 사이클링(cycling)없이 얻어지는 유도 가열 호브 (hob)내의 제너레이터가 가정용으로 사용되는 경우에 있어서 중요하다.
본 발명에 의한 제너레이터의 또다른 장점은 포화 상태에 도달하기 위해 추가의 장치를 필요로 하지 않는 구성에 의해 포화될 수 있고 발진 회로의 공진 위상동안 포화 상태에서 자동적으로 작동하는 전류 주입 초크를 사용하는 것이다. 크기나 가격을 줄이는 것 외에, 그러한 포화 초크의 사용의 중요한 결과는 로드(load)에 대한 제너레이터의 자동 적응성(auto-adaptability)이 얻어진다는 것이다. 사실상, 이 본체의 크기가 작아질때, 가열되는 본체에 의해 흡수되는 전력이 감소하는 종래 기술의 유사한 장치들과는 대조적으로, 본 발명에 따른 제너레이터는 가열되는 본체의 크기와는 독립적으로 넓은 범위에서 변화할 수 있는 가열 전력을 얻을 수 있으며 그 값은 오로지, 사용자에 의해 선택될 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 의한 제너레이터의 특징과 장점에 대하여 상세히 설명한다.
제 1도는 사용되는 전력 스위치가 전력 다이오드와 결합된 IGBT형의 전력 트랜지스터인 본 발명에 의한 제너레이터의 일 실시예를 도시하는 다이어그램;
제 2 도는 비포화 초크(non-saturable choke)를 포함하는 종래 기술의 제너레이터의 경우에 가열되는 음식물이 담긴 용기의 다른 직경 (d)(cm)에 대한 전원 전압의 함수로서 흡수되는 전력을 도시하는 그래프;
제 3 도는 포화 초크(saturable choke)를 포함하는 본 발명에 의한 제너레이터의 경우에 가열되는 음식물이 담긴 용기의 다른 직경 (d)(cm)에 대한 전원전압의 함수로서 흡수되는 전력을 도시하는 그래프;
제 4 도는 스위치가 MOS 제어 사이리스터 (MCT; MOS CONTROLLED THYRISTOR)전압 대칭형의 사이리스터인 본 발명의 변형예를 도시하는 도면;
제 5a 도는 전류 주입 초크의 자기 회로를 구성하는 E 형 페라이트(ferrite)부의 사시도;
제 5b 도는 본 발명에 의한 제너레이터에 사용되는 포화전류주입 초크의 수직단면을 도시하는 도면;
제 5c 도는 본 발명에 의한 제너레이터에 사용되는 포화전류주입 초크의 수평단면을 도시하는 도면;
제 6 도는 한편으로는 유도 가열 코일 뿐만 아니라 특히 비포화 전류 주입 초크로 구성된 발진 회로내에서 흐르는 전원 전류의 주기 (A)를, 다른 한편으로는 본 발명에 의한 포화 초크를 갖으면서 동일 형태인 회로에 흐르는 전원전류의 주기(B)를 도시하는 도면;
제 7도는 비포화 전류 주입 초크를 포함하는 발진 회로의 경우에, 전원 전압의 엔벨로프(envelop) (E)와 전력 스위치의 단자에 인가되는 이 전압의 일부를 확대하여 도시하는 도면;
제 8 도는 제 7 도와 유사하지만 본 발명에 의한 포화전류주입 초크를 포함하는 발진회로의 경우를 도시하는 도면.
제 1 도에 나타낸 바와 같이, 리플 전류 제너레이터(1)는 열판형(hotplatetype)의 유도가열장치에 사용되는 것으로, 주요부에 의해 공급되며, 원래 공지된 방식으로 전단에 간섭방지 필터(anti-interference filter) (3)가 놓이고 후단에 코일 (5)과 커패시터 (7)로 구성된 저역 통과 필터 (4)가 놓인 정류 브리지 (2) 를 포함한다. 정류 브리지 (2) 의 제 1 출력 단자 (8) 는 코일 (5) 의 제 1 단자에 연결되고, 코일 (5) 의 제2 단자는 전류 주입 초크 (6) 와 커패시터 (7) 에 공통(common)인 단자에 연결된다. 전류 주입 초크 (6) 의 제 2 단자 (9) 는 2개의 분기 (B1, B2)로 구성된 병렬 어셈블리의 제 1 단자에 연결된다. 이 병렬 어셈블리의 제 2 단자 (10) 는 커패시터 (7) 의 제 2 단자와 정류 브리지 (2) 의 제 2 출력 단자 (11) 에 연결된다. 분기 (B1) 는 전자스위치 (12) 를 포함하며, 분기 (B2) 는 인덕터 (14) 를 형성하는 코일에 직렬로 장착된 커패시터 (13) 를 포함한다.
코일 (5) 과 커패시터 (7) 는 주요부로 되돌아가는 발진 회로에 발생할 수 있는 급격한 전압프론트(voltage fronts)를 피할 수 있도록 하는 저역 통과 필터 (4) 를 구성한다.
제 2 도는 상술한 바와 같은 종래기술의 제너레이터에서 전원 전압의 함수로서 흡수되는 전력을 나타낸다. 이 그래프는, 전원 전압이 180 V 로부터 270 V 로 변화할때, 직경이 95 cm 내지 150 cm인 용기를 사용하면, 유도되는 가열전력이 2 kW를 초과하지 않는다는 것을 나타낸다.
본 발명에 의하면, 전류 주입 초크는 포화 초크이며, 2개의 분기, 즉, 제 1도에서는 참조 부호가 12이고 제 4도에서는 참조 부호가 21인 스위치를 포함하는제 1 분기 (B1) 와, 유도-공급 코일(induction-feeding coil) (14) 과 직렬로 장착된 커패시터 (13) 를 포함하는 제 2 분기 (B2) 에 의해 형성된 병렬 어셈블리와 직렬로 장착된다. 초크 (6) 는 그 권선이 소정값의 전류를 전송하면 자동적으로 포화 상태에 도달하는 자기 회로를 포함한다. 이 자기 회로는 제 5a, 5b도에 나타낸 바와 같이, 각 측면 바아 (17) 에 의해 연결되고 각 중심코어 (18) 가 4 mm 의 갭으로 분리된 2 개의 동일한 E 형상 페라이트부 (16) 를 포함한다.
본 발명의 바람직한 실시예에 의하면, 초크 (6) 는 포화될 수 있고 직경이 0.2 mm인 60 가닥으로 형성된 턴수(turns)가 46 인 권선을 포함한다. 초크 (6) 는 그 권선이 소정 값의 전류를 전송하면 자동적으로 포화 상태에 도달하는 자기 회로를 포함하는 것을 특징으로 한다. 제 1 도에 나타낸 바와 같이, 분기 (B1) 의 스위치 (12) 는 전력 다이오드 (19) 와 직렬로 장착된 IGBT 형의 전력 트랜지스터이다. 다이오드 (19) 는 전력 트랜지스터가 턴오프(turn-off)되었을때 전력 트랜지스터의 단자에 역전압이 인가될 수 있도록 한다.
분기 (B1)의 전류가 제로이면, 발진 회로의 공진 위상(resonance phase)동안 제어 장치 CMD (20) 는 전력 트랜지스터의 고주파수 스위칭(high-frequency switching)을 행한다. 제어 장치 (20) 는 또한 전력 트랜지스터의 단자에서 발생할 수 있는 과전압을 피할 수 있게 한다.
그러므로, 본 발명에 의하면, 초크 (6) 가 포화될 수 있으면, 넓은 범위에 걸쳐 변화할 수 있고 그 값은 가열되는 용기의 크기에 의존하지 않는 가열전력(heating power)을 유도할 수 있는 제너레이터를 얻을 수 있다. 제 3 도에 나타낸 바와 같이, 180 V내지 270 V로 변화하는 다른 전원 전압에 대하여 흡수되는 전력은 용기의 직경이 95 cm이고 전원 전압이 230 V 보다 큰 경우를 제외하고는 2 kW 보다 크다.
후자의 경우에 있어서, 흡수된 전력의 강하가 관찰되는데 이것은 스위치가 견딜 수 있는 한계전압에 도달한 사실에 기인한다; 이것은 스위치의 단자에서 전압을 자동적으로 조절할 수 있도록 함으로써 손상을 피할 수 있다.
제 1 도와 동일한 소자에 대하여 동일 참조 번호를 사용한 제 4 도에 설명된 제 2실시예에 의하면, 고주파수에서 제어되는 스위치는 전압 대칭 MOS 제어 사이리스터 (MCT)형의 사이리스터 (21) 이다. 이러한 형태의 스위치를 사용하면 분기 (B1) 의 전력 다이오드 (19) 가 없어도 된다. 더우기, 이 실시예는 효율과 소형화에 있어서 우수하다. 사실상, 전력 다이오드 (19) 에 직렬로 연결된 IGBT형의 전력 트랜지스터(12)를 포함할 때, 제 1 도에 따른 분기 (B1)의 단자에서의 전체 전압 강하는 6.1 V 인 한편, 분기 (B1)가 MOS제어 사이리스터 (21) 만을 포함하는 제 4 도의 레이아웃에서 이 전압 강하는 1.6 V이다. 이것은 적어도 3.8 의 전력 이득을 초래한다.
출원인에 의해 수행된 시험에 의해 얻어진 바람직한 일 실시예에 의하면, 포화 초크 (6)의 인덕턴스는 250 μH이고, 커패시터 (13)의 커패시턴스는 188 nF 이고, 인덕터 (14) 오프-로드(off-load)의 인덕턴스는 66μH이고, 전력 스위치는 항복 전압(breakdown voltage)이 1200 V를 초과하지 않도록 선택한다. 주위온도에서 약 17암페어의 초크(6)의 포화전류로 시험을 수행하였다.
제 7도는 29. 6 Hz인 주파수에서 1500 W의 전력으로 시험을 수행하고, 제 8도는 31.5 ㎑의 주파수에서 1500 W의 전력으로 시험을 수행하였다.
제 6, 7, 8도에 의하면, 이 시험들은, 본 발명에 의한 포화초크가 사용되면, 분기 (B1) (제 8도)의 단자에서의 전압의 엔벨로프(envelope)(E) 뿐만 아니라 공급 전류 (곡선 B) 는 곡선 A 및 E (제 7 도) 와 대조하여 클리핑(clipping)되고, 포화초크가 없을 경우에 사인곡선이 되는것을 나타낸다. 곡선 E (제 8도)의 시험에 있어서, 분기 (B1)의 단자전압이 이 예에서는 1200V인 전력스위치의 항복 전압보다 매우 낮은 한편, 곡선 E (제 7도)의 시청에 있어서, 분기 (B1)의 단자 전압은 전력 스위치의 항복 전압과 실질적으로 동일하다.
그러므로, 본 발명에 의한 제너레이터는 넓은 범위의 전력에 걸쳐 작동하는 간단하고 저가인 장치를 얻을 수 있으며, 가열할 음식물이 담긴 용기의 크기에 의존하지 않는 가열 전력을 얻을 수 있다.
더욱이, 이 장치는 적은 로드에 대한 실리콘의 사용계수를 높일 수 있다. 이것은 절약형스위치로 소망의 높은 전력을 얻을 수 있다. 더욱이, 스위치 (12, 21)의 단자에서의 과전압의 감소에 의해, 약한 커플링에도 불구하고 고전력이 적은 로드에서 유지될 수 있다.
본 발명은 예를 들어, 스티머, 밥솥, 디프 (deep)프라이팬과 같은 장치의 하우징(housings)에 결합된 유도 가열 제너레이터에도 적용된다. 금속부 처리를 위한 유도 가열용 산업 기계에도 적용된다.
즉, 포화초크에 의해, 소형의 전자회로를 만들 수 있고, 디프프라이팬에 적합한 고전력과 시머 (simmer) 기능을 갖는 쿠커 또는 스티머에 적합한 저전력을 얻을 수 있다.

Claims (9)

  1. 전류 주입 초크 (6), 커패시터 (13), 유도 가열 코일 (14) 및 고주파수에서 제어되는 전력스위치 (12, 21) 로 구성된 발진회로를 포함하며, 유도 가열 장치에 사용되는 리플 전류 제너레이터에 있어서, 상기 전류 주입 초크 (6) 는 포화형이며, 상기 스위치(12, 21)를 포함하는 제1 분기(B1)와 상기 유도 가열 코일(14)과 직렬로 장착된 상기 커패시터 (13) 를 포함하는 제 2 분기 (B2) 의 2 개의 분기에 의해 형성된 병렬 어셈블리와 직렬로 장착되는 것을 특징으로 하는 리플 전류 제너레이터.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 스위치 (12) 는 전력 다이오드(19) 에 연결된 IGBT형의 전력 트랜지스터인 것을 특징으로 하는 리플 전류 제너레이터.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 스위치는 전압 대칭 MOS 제어 사이리스터 (MCT) (21) 형인 것을 특징으로 하는 리플 전류 제너레이터.
  4. 전술한 항중 어느 한항에 있어서, 상기 분기 (B1) 의 전류가 제로일때 전력스위치 (12, 21) 의 고주파수 스위칭을 제어하는 장치(20) 를 포함하는 것을 특징으로 하는 리플 전류 제너레이터.
  5. 제 1 항, 제 2 항 또는 제 3 항에 있어서, 전단에 간섭방지 필터 (3) 가 있고 후단에 저역 통과 필터 (4) 가 있는 전압 정류 브리지 (2) 를 포함하는 것을 특징으로 하는 리플전류제너레이터.
  6. 제 1 항, 제 2 항 또는 제 3 항에 있어서, 상기 전류 주입 초크 (6) 를 통과하는 리플전류가 17 암페어 정도의 포화값을 갖는 것을 특징으로 하는 리플 전류 제너레이터.
  7. 제 1 항, 제 2 항 또는 제 3 항에 있어서, 스티머(steamer) 나 디프 (deep) 프라이팬과 같은 요리 기구의 하우징에 결합되는 것을 특징으로 하는 리플 전류 제너레이터.
  8. 제 1 항, 제 2 항 또는 제 3 항에 있어서, 상기 전류 주입 초크(6)는 자동적으로 포화에 도달하는 자기회로를 포함하는 것을 특징으로 하는 리플 전류 제너레이터.
  9. 제 8 항에 있어서, 상기 전류 주입 초크(6)의 자기회로는 상기 발진회로의 공진 위상동안 자동적으로 포화에 도달하는 것을 특징으로 하는 리플 전류 제너레이터.
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