KR100692634B1 - 유도가열 조리기 구동회로 및 그 구동방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 유도가열 조리기에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 유도가열 조리기의 공진회로에서의 손실을 최소화할 수 있는 스위칭 트랜지스터의 스위칭 방법에 관한 것이다.
본 발명은 유도가열 조리기 구동회로에 있어서, 스위칭 트랜지스터; 상기 스위칭 트랜지스터의 스위칭에 의해 LC공진회로의 시정수에 의한 에너지 충방전을 반복하여 조리기구를 유도가열하는 LC공진 및 유도가열부; 상기 LC공진 및 유도가열부의 공진전압과 미리 설정된 보상전압을 비교하여 제로크로스 신호를 생성하는 제로크로스 신호 발생부; 상기 제로크로스 신호를 이용하여 상기 스위칭 트랜지스터를 구동하며, 상기 제로크로스 펄스신호의 하강엣지로부터 미리 설정된 지연시간이 경과한 후 상기 스위칭 트랜지스터를 턴온시켜 구동하는 디지털신호처리부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 유도가열조리기 구동회로를 개시한다.
유도가열, 제로크로스, IGBT, 공진전압, DSP

Description

유도가열 조리기 구동회로 및 그 구동방법{DRIVING CIRCUIT FOR INDUCTION HEATING DEVICE AND THE DRIVING METHOD THEREOF}
도 1은 유도가열 조리기에서 공진회로 및 이에 연결되는 스위칭회로를 보여주는 도면
도 2는 유도가열조리기의 공진회로에서의 출력전력에 따른 공진전압을 보여주는 도면,
도 3은 유도가열조리기에서 IGBT의 턴온 시점에 따른 손실발생을 설명하는 도면,
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 유도가열조리기 구동회로의 구성을 보여주는 도면,
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 유도가열 조리기 구동회로의 제로크로스 신호 발생부의 구성을 보여주는 도면,
도 6은 도 5의 각 노드에서의 전압파형을 보여주는 도면,
도 7에서는 보상전압이 0[V]를 넘는 경우의 전압파형을 보여주는 도면이다.
본 발명에 따른 도면들에서 실질적으로 동일한 구성과 기능을 가진 구성요소들에 대하여는 동일한 참조부호를 사용한다.
*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*
100 : LC공진 및 유도가열부 200 : 스위칭 트랜지스터
300 : 정류부 310 : 퓨즈
320, 340 : 필터 330 : 브릿지 다이오드
400 : 제로크로스 신호 발생부 500 : 디지털 신호 처리부(DSP)
900 : 조리기구
본 발명은 유도가열 조리기에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 유도가열 조리기의 공진회로에서의 손실을 최소화할 수 있는 스위칭 트랜지스터의 스위칭 방법 및 이를 이용한 유도가열 조리기 구동회로에 관한 것이다.
유도가열이란 먼저 가열을 원하는 금속 주위에 1차 코일을 감아 자기장을 변화시키면 금속에 2차 전류(유도전류)가 흐르는 현상을 이용하는 가열방식으로, 유도전류가 금속에 흐르면 금속의 자체 저항 때문에 열이 발생해 금속이 뜨거워지게 된다. 유도가열 조리기는 이러한 유도가열 현상을 이용하여 만든 밥솥과 같은 조리기를 가리킨다.
즉, 유도가열 조리기는 상용전원을 정류하여 그 정류된 전원을 스위칭 함으로써 발생되는 전압을 유도가열 코일에 인가하여 유도코일에 강력한 자계를 발생시키고 이 자계를 통해 피가열물인 금속을 가열하여 음식물을 조리하도록 한 장치이 다.
유도가열 조리기에서 유도가열코일을 스위칭하기 위해 사용되는 것이 스위칭 트랜지스터이다. 특히, 유도가열 조리기에서는 정류된 전원을 스위칭할 때 큰 공진전압과 공진전류가 발생하므로 반도체 소자로 고속의 스위칭이 가능하고 PWM제어 인버터에 많이 이용되는 절연게이트 바이폴라 트랜지스터(IGBT : Insulated Gate Bipolar Transistor)를 사용한다.
도 1은 유도가열 조리기에서 공진회로 및 이에 연결되는 스위칭회로를 보여주는 도면이다.
도 1을 참조하면, 유도가열 조리기는 공진회로(10)와 상기 공진회로의 스위칭을 위한 IGBT(20)를 포함하여 구성된다. 상기 IGBT(20)의 게이트(G)에는 IGBT의 턴온/턴오프 구동을 위한 구동신호 인가된다. 상기 구동신호에 의해 상기 IGBT는 턴온(Turn-ON) 또는 턴오프(Turn-OFF)된다.
도 2는 유도가열조리기의 공진회로에서의 출력전력에 따른 공진전압을 보여주는 도면이고, 도 3은 유도가열조리기에서 IGBT의 턴온 시점에 따른 손실발생을 설명하는 도면이다.
도 2에서 점선으로 표시된 공진전압 그래프는 출력전력이 높은 경우의 공진전압을 보여주는 그래프이고, 실선으로 표시된 그래프는 출력전력이 낮은 경우의 공진전압을 보여주는 그래프이며, 도 2를 참조하면, 유도가열조리기의 출력전력이 낮을 경우 공진전압은 0[V] 이하로 떨어지지 않은 상태에서 다시 상승하게 된다.
IGBT의 턴온시 IGBT의 손실을 최소화하기 위해서는 공진전압의 변곡점에서 IGBT를 턴온하여 스위칭을 하여야 하는데 도 3의 t2시점과 같이 IGBT의 턴온 시점이 빠르거나 도 3의 t1시점과 같이 턴온 시점이 늦게 되면 이에 따른 추가적인 손실이 발생하게 된다.
이러한 손실을 방지하게 위해 종래에 단안정 멀티 바이브레이터 또는 자려식 하프브리지 드라이버를 사용하였으나, 이러한 방식은 마이크로 컴퓨터의 출력명령에 의해 주파수와 턴온 시간이 일정하게 변하도록 RC시정수에 의한 발진주파수를 제어하므로 유도가열코일, 공진 커패시터 및 오븐의 재질에 따라 공진주파수 및 공진전압이 변화할 때 이에 따라 IGBT의 구동을 위한 회로적인 시정수를 조절하는 작업이 추가적으로 이루어져야 한다는 문제점이 있었다.
본 발명은 상기의 문제점을 해결하기 위하여 창안된 것으로, 본 발명의 목적은 유도가열코일이나 오븐의 재질에 따라 IGBT구동회로의 특성을 일일이 조절하지 않아도 자동적으로 최적의 스위칭 시점을 조절함으로써 스위칭 손실을 최소화 할 수 있는 유도가열 조리기의 스위칭 트랜지스터 구동회로를 제공하는데 있다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 구성은 유도가열 조리기 구동회로에 있어서, 스위칭 트랜지스터; 상기 스위칭 트랜지스터의 스위칭에 의해 LC공진회로의 시정수에 의한 에너지 충방전을 반복하여 조리기구를 유도가열하는 LC공진 및 유도가열부; 상기 LC공진 및 유도가열부의 공진전압과 미리 설정된 보상전압을 비교하여 제로크로스 신호를 생성하는 제로크로스 신호 발생부; 상기 제로크로스 신호를 이용하여 상기 스위칭 트랜지스터를 구동하며, 상기 제로크로스 펄스신호의 하강엣지로부터 미리 설정된 지연시간이 경과한 후 상기 스위칭 트랜지스터를 턴온시켜 구동하는 디지털신호처리부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 제로크로스 신호 발생부는: 상기 공진전압을 분압하는 전압분압저항들과; 상기 전압분압저항들에 의해 분압된 전압과 상기 보상전압을 비교하는 비교기;를 포함한다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 제로크로스 신호 발생부는 상기 전압분압저항들에 의해 분압된 전압신호를 필터링하는 고대역 통과필터를 더 포함한다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 스위칭 트랜지스터는 절연게이트 바이폴라 트랜지스터이다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 제로크로스 신호 발생부는 보상전압으로 영전위 전압을 사용한다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 디지털 신호 처리부는 타이머회로를 갖는다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 방법은 스위칭 트랜지스터, LC공진 및 유도가열기 그리고 디지털신호처리부를 포함하는 유도가열 조리기의 스위칭 트랜지스터 구동방법에 있어서, 공진전압과 미리 설정된 보상전압을 비교하여 제로크로스 신호를 생성하는 단계; 상기 제로크로스 발생회로의 하강엣지에서부터 소정의 지연 시간동안 상기 스위칭 트랜지스터를 턴오프상태로 유지하는 단계; 미리 설정된 시간이 경과하면 상기 스위칭 트랜지스터를 턴온하여 구동하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 제로크로스 신호 생성단계는 상기 보상전압으로 영전위 전압을 사용한다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 턴오프상태 유지단계는 상기 디지털신호처리부의 타이머회로를 이용하여 상기 지연시간을 생성한다.
이하 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 유도가열조리기 구동회로의 구성을 보여주는 도면이다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 유도가열조리기 구동회로는 정류부(300), 스위칭 트랜지스터(200), LC공진 및 유도가열부(100), 제로크로스 신호 발생부(400) 및 디지털 신호 처리부(DSP: Digital Signal Processor, 500)를 포함하여 구성된다.
상기 정류부(300)는 퓨즈(310), 브릿지 다이오드(330) 및 필터들(320, 340)로 구성되고, 과전류 방지용 퓨즈(310)와 전도성 노이즈 제거를 위한 EMI필터(320)를 거쳐 입력되는 상용전원을 브릿지 다이오드(330) 및 LC필터(340)를 통해 정류한다.
상기 스위칭 트랜지스터(200)로는 절연게이트 바이폴라 트랜지스터(IGBT : Insulated Gate Bipolar Transistor)를 사용한다.
상기 LC공진 및 유도가열부(100)는 유도가열 코일과 커패시터로 구성된다.
상기 LC공진 및 유도가열부(100)는 상기 스위칭 트랜지스터(200)의 스위칭에 의해 LC공진회로의 시정수에 의한 에너지 충방전을 반복하여 조리기구를 유도가열하고, LC 공진전압은 스위칭 트랜지스터(200)인 IGBT의 오프구간동안 발생하며, 유도가열 조리기의 출력전력에 따라 상기 공진전압의 크기가 변화한다.
유도가열 조리기의 출력전력이 낮을 경우 공진전압의 최대값인 공진전압 피크값이 낮으며 특히 출력전력이 낮을 경우에는 공진전압은 0[V] 이하로 떨어지지 않고 다시 상승한다.
도 3에서 보인 바와 같이 공진전압의 변곡점에서 IGBT를 턴온할 경우 그 손실이 가장 적기 때문에 이 변곡점에 오게 되는 시점을 예상하여 이 시점에서 IGBT를 턴온할 수 있다면 구동회로의 손실을 최소화할 수 있게 된다.
상기 공진전압의 변곡점을 찾기 위해 본 발명의 실시예에서는 제로크로스 신호 발생부(400)와 타이머를 갖는 디지털 신호처리부(500)를 이용한다.
제로크로스 신호 발생부(400)는 상기 LC공진 및 유도가열부(100)의 공진전압과 미리 설정된 보상전압을 비교하여 제로크로스 펄스신호를 생성하고, 상기 디지털 신호 처리부(500)는 이렇게 생성된 제로크로스 펄스신호를 이용하여 상기 스위칭 트랜지스터(200)인 IGBT를 스위칭한다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 유도가열 조리기 구동회로의 제로크로스 신호 발생부의 구성을 보여주는 도면이고, 도 6은 도 5의 각 노드에서의 전압파형을 보여주는 도면이다.
도 5를 참조하면, 상기 제로크로스 신호 발생부(400)는 전압분압을 위한 저항들(R1,R2), 일단이 상기 저항들(R1,R2) 사이에 연결되고 타단이 비교기(410)의 제 1입력단에 연결되는 고대역 통과필터(HPF:High Pass Filter, 420) 및 제 2입력단에 미리 설정된 보상전압이 인가되는 비교기(410)를 포함하여 구성된다.
도 6에서는 IGBT(200)의 콜렉터(C)와 이미터(E) 양단의 전압인 VCE전압과 같은 값인 공진전압의 파형(a), 상기 공진전압이 저항들(R1,R2)에 의해 분압된 후 고대역 통과필터(420)를 통과한 상태의 전압신호인 AC공진전압의 파형(b) 그리고 상기 제로크로스 발생부(400)에 의해 생성되는 제로크로스 신호의 파형(c)을 보여주고 있다.
또한, 도 6에서는 제로크로스 펄스 신호를 만들기 위한 보상전압이 0[V]인 경우의 전압파형을 보여준다.
도 7에서는 보상전압이 0[V]를 넘는 경우의 전압파형을 보여주는 도면이다. 도 7을 참조하면, 보상전압을 높여줌으로써 보상전압이 영전위 전압인 도 6의 경우보다 제로크로스 펄스신호의 펄스폭이 좁아진 것을 확인할 수 있다.
제로크로스 신호 발생부(400)에서 AC공진전압과 보상전압의 비교에 의해 생성된 제로크로스 펄스신호는 상기 디지털 신호 처리부(500)로 입력된다.
디지털 신호처리부(500)에서는 제로크로스 신호를 읽어 들인 후 타이머회로를 이용하여 제로크로스 펄스신호의 하강 엣지에서부터의 지연시간을 카운팅(counting)하고, 미리 설정된 값의 지연시간이 경과하면 이 시점을 IGBT의 턴온(Turn-ON)시점으로 하여 제어신호를 상기 IGBT로 출력하여 상기 IGBT를 턴온 구동한다. 즉, 상기 디지털 신호 처리부(500)는 상기 제로크로스 신호의 하강엣지로부터 상기 지연시간이 경과한 시점에서 상기 IGBT를 턴온 구동한다.
상기와 같이 구성된 유도가열 조리기 구동회로의 동작을 다시 한번 정리하면, 먼저 공진전압과 미리 설정된 보상전압을 비교하여 제로크로스 펄스신호를 생성하고, 상기 제로크로스 펄스신호의 하강엣지에서부터 미리 설정된 지연시간이 경과하면 상기 스위칭 트랜지스터를 턴온하여 구동하는 방식을 사용한다.
이상에서, 본 발명의 구성 및 동작을 상기한 설명 및 도면에 따라 도시하였지만, 이는 예를 들어 설명한 것에 불과하며 본 발명의 기술적 사상 및 범위를 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 변화 및 변경이 가능함은 물론이다.
상술한 바와 같이 본 발명에 의하면, 제로크로스 신호 발생회로를 이용하여 IGBT의 스위칭을 조절함으로써 IGBT의 스위칭시 발생하는 손실을 최소화할 수 있다는 장점이 있다.

Claims (9)

  1. 유도가열 조리기 구동회로에 있어서,
    스위칭 트랜지스터;
    상기 스위칭 트랜지스터의 스위칭에 의해 LC공진회로의 시정수에 의한 에너지 충방전을 반복하여 조리기구를 유도가열하는 LC공진 및 유도가열부;
    상기 LC공진 및 유도가열부의 공진전압과 미리 설정된 보상전압을 비교하여 제로크로스 펄스신호를 생성하는 제로크로스 신호 발생부;
    상기 제로크로스 펄스신호를 이용하여 상기 스위칭 트랜지스터를 구동하며, 상기 제로크로스 펄스신호의 하강엣지로부터 미리 설정된 지연시간이 경과한 후 상기 스위칭 트랜지스터를 턴온시켜 구동하는 디지털신호처리부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 유도가열 조리기 구동회로.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 제로크로스 신호 발생부는:
    상기 공진전압을 분압하는 전압분압저항들과;
    상기 전압분압저항들에 의해 분압된 전압과 상기 보상전압을 비교하는 비교기;를 포함하는 것을 특징으로 하는 유도가열 조리기 구동회로.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 제로크로스 신호 발생부는:
    상기 전압분압저항들에 의해 분압된 전압신호를 필터링하는 고대역 통과필터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 유도가열 조리기 구동회로.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 스위칭 트랜지스터는 절연게이트 바이폴라 트랜지스터인 것을 특징으로 하는 유도가열 조리기 구동회로.
  5. 제 2항 내지 제 4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제로크로스 신호 발생부는 상기 보상전압으로 영전위 전압을 사용하는 것을 특징으로 하는 유도가열 조리기 구동회로.
  6. 제 2항 내지 제 4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 디지털 신호 처리부는 타이머회로를 갖는 것을 특징으로 하는 유도가열 조리기 구동회로.
  7. 스위칭 트랜지스터, LC공진 및 유도가열기 그리고 디지털신호처리부를 포함하는 유도가열 조리기의 스위칭 트랜지스터 구동방법에 있어서,
    공진전압과 미리 설정된 보상전압을 비교하여 제로크로스 펄스신호를 생성하는 단계;
    상기 제로크로스 펄스신호의 하강엣지에서부터 소정의 지연시간동안 상기 스위칭 트랜지스터를 턴오프상태로 유지하는 단계;
    미리 설정된 상기 지연시간이 경과하면 상기 스위칭 트랜지스터를 턴온하여 구동하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 유도가열 조리기 구동방법.
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 제로크로스 펄스신호 생성단계는 상기 보상전압으로 영전위 전압을 사용하는 것을 특징으로 하는 유도가열 조리기 구동방법.
  9. 제 7항에 있어서,
    상기 턴오프상태 유지단계는 상기 디지털신호처리부의 타이머회로를 이용하여 상기 지연시간을 카운팅하는 것을 특징으로 하는 유도가열 조리기 구동방법.
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