KR100714558B1 - 고주파 유도가열 조리기 - Google Patents

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임영대
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쿠쿠전자주식회사
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Abstract

본 발명은 전압제어발진기와 비교부를 이용한 펄스폭변조 및 펄스주파수변조 혼합방식에 의한 고주파 유도가열 조리기에 관한 것으로, 직류전원을 IGBT 인버터부에 인가하여 고주파스위칭시키고 유도가열코일에 고주파 전류를 흐르게 하여 조리용기를 가열하는 고주파 유도가열 조리기에 있어서, 상기 조리용기인 부하의 출력을 정출력으로 제어하도록 상기 부하의 전류 전압을 입력받아 출력제어 PWM 전압으로 출력하는 마이크로컨트롤러부; 상기 출력제어 PWM 전압을 출력제어 직류전압으로 변환하는 여파기; 상기 출력제어 직류전압을 상기 출력제어 직류전압에 비례하는 톱니파형 전압을 출력하는 전압제어발진부; 상기 출력제어 직류전압과 상기 톱니파형 전압을 입력받아 주파수와 듀티비가 동시에 가변되는 펄스폭변조(PWM) 및 펄스주파수변조(PFM) 혼합신호 전압을 상기 IGBT 인버터로 출력하는 비교부 및 순간정전시 전원전압의 변화율을 감지하는 감지수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 고주파유도 가열조리기를 마련한다.
이러한 고주파유도 가열조리기에 의해 순간정전시에 전원전압이 하강할 때 전원전압의 하강변화율의 크기가 적어서 검출하지 못하면 동시에 상승하는 전원전압의 상승변화율의 크기를 검출하여 보호회로를 작동시켜 출력을 OFF시킬 수 있고, 만약에 전원전압이 상승할 때 전원전압의 상승변화율의 크기가 적어서 검출하지 못하면 동시에 하강하는 전원전압의 하강변화율의 크기를 검출하여 보호회로를 작동시켜 출력을 OFF시키므로 IGBT의 손실을 보호할 수 있다.
유도가열, 정출력제어기, 순간정전보호회로, 과온도보호회로부

Description

고주파 유도가열 조리기{High Frequency Inductive Heating Appliance for Cooking}
도 1은 본 발명에 따른 전압제어발진부와 비교부를 이용한 펄스폭변조 및 펄스주파수변조 혼합방식에 의한 고주파 유도가열 조리기를 개략적으로 나타낸 블록도.
도 2는 본 발명의 제 1실시 예에 따른 고주파 유도가열 조리기의 상세 회로도.
도 3은 순간 정전시 전원전압의 하강 변화율의 크기만을 감지할 수 있는 도 2 각 부의 전압파형도.
도 4는 본 발명에 제 2실시 예에 따른 고주파 유도가열 조리기의 상세 회로도.
도 5는 순간정전시에 전원전압의 하강변화율의 크기와 상승변화율의 크기를 모두 감지할 수 있는 도 4 각 부의 전압파형도.
도 6은 본 발명에 따른 부하출력이 최대일 때의 각 부의 전압파형도.
도 7은 본 발명에 따른 부하출력이 중간일 때의 각 부의 전압파형도.
도 8은 본 발명에 따른 부하출력이 최소일 때의 각 부의 전압파형도.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
100: 상용교류전원부 200: 정류부
300: 평활부 400: 부하(조리용기)
500: LC 유사공진부 510: 유도가열코일
520: 공진콘덴서 600: IGBT 인버터부
700: 전원전류검출부 800: 순간정전보호회로부
900: 전원 과전압 및 공진 과전압 보호회로부
1000: 마이크로 컨트롤러부 1010: A/D변환기
1020: 디지털감산기 1030: 정출력제어기
1100: 전압제어발진기 1200: 저역여파기
1300: 비교부 1400: 출력 ON/OFF 논리부
1500: IGBT 게이트 구동부 1600: 과온도보호회로부
1700: 방열판 1800: 전류검출기
본 발명은 전압제어발진기(Voltage Controlled Oscillator, VCO)와 비교부(Comparator)를 이용한 펄스폭변조(Pulse Width Modulation, PWM) 및 펄스주파수변조(Pulse Frequency Modulation, PFM) 혼합방식에 의한 고주파 유도가열 조리기 에 관한 것으로, 특히 정류부와 평활부에 의해 상용교류 전원을 직류전원으로 변환시키고 상기 직류전원을 인버터부인 IGBT 에 가하여 고주파 스위칭시킴으로써 LC 유사공진부내에 있는 유도가열코일에 고주파 전류를 흐르게 하여 부하인 조리기를 가열하는 전압제어발진기와 비교부를 이용한 펄스폭변조(PWM) 및 펄스주파수변조(PFM) 혼합방식에 의한 고주파 유도가열 조리기에 관한 것이다.
이러한 유도가열장치에 관한 기술이 대한민국 실용신안 등록공보 제20-0175715호에 개시되어 있다.
상기 제20-0175715호에 개시된 기술은 고속으로 스위칭 됨으로써 발생 된 자계로 인하여 자계성 가열대상에 와류손에 의한 열이 발생되는 유도가열코일, 상기 유도가열 코일과 병렬로 접속된 공진 커패시터를 사용하여 상기 유도가열 코일을 고속으로 스위칭시킴으로써 상기 유도가열 코일에 자계를 발생시키는 공진회로, 상기 유도가열 코일의 출력을 제어하는 마이크로프로세서, 상기 마이크로프로세서의 제어에 의하여 고주파의 스위칭 펄스신호가 발생되는 단안정 발진부, 상기 단안정 발진부에서 출력된 펄스 파형에 따라 상기 공진회로의 공진 커패시터에 고주파 전류가 흐르도록 하는 스위칭 전력소자, 상기 공진회로 양단에서 출력된 위상차 신호를 자극신호로 변환한 후에 상기 단안정 발진수단에 지속적으로 공급하는 위상 검출수단, 상기 유도가열 코일의 출력을 제어하기 위하여 상기 마이크로 프로세서에서 출력된 디지털 제어 값을 아날로그 신호로 변환하는 디지털/아날로그 변환부, 상기 아날로그 신호에 따라 스위칭 펄스신호의 펄스 크기를 제어하는 출력 제어부 및 상기 출력 제어부와 상기 스위칭 전력소자 간을 연결하여 상기 공진회로에서 출 력된 이상 과전압으로부터 상기 스위칭 전력소자를 보호하는 과전압 검출수단으로 구성된다.
다른 유도가열 조리기에 관한 기술이 대한민국 실용신안 등록공보 제20-0288125호에 개시되어 있다.
상기 제20-0288125호에 개시된 기술은 상용교류 전원을 공급받아 직류로 변환하는 정류부 및 평활부, 상기 정류부 및 평활부에서 출력된 직류전원을 공급받아 고주파 전력신호로 변환하는 인버터부, 상기 인버터부에 접속되어 유도자계를 발생시켜 조리용기를 가열하는 유도가열코일을 구비한 유도가열 조리기, 전류감지 기능과 입력전압 변동에 따른 전압보상 기능이 혼합된 전류감지 및 전압보상부, 과전류로부터 인버터 소자를 보호하기 위한 과전류 감지부, 과전류 또는 과도공진상태 발생시 브레이크 신호를 발생하는 이상상태 홀드부, 자체적으로 발진하며 인버터전력소자(IGBT)를 구동하기 위한 드라이브 출력 기능을 구비한 자려발진 하프-브리지 드라이버, 상기 자려발진 하프-브리지 드라이버의 발진주파수를 가변하여 출력을 제어하기 위한 출력제어부, 상기 출력제어부를 활성/비활성화하여 인버터 작동을 단속하기 위한 온/오프, 홀드해제부 및 마이크로컴퓨터로부터 공급받은 디지털 신호를 아날로그 신호로 변환하여 상기 출력제어부의 제어 소스로 제공하기 위한 아날로그 변환부로 구성된다.
또 다른 유도가열 조리기에 관한 기술이 대한민국 등록실용신안공보 제20-0358192호에 개시되어 있다.
상기 제20-0358192호 기술은 교류회로를 정류하는 정류 다이오드, 상기 정류 다이오드에 일단이 연결되어 정류된 전원을 평활시키는 평활회로부, 상기 평활회로부의 타단에 각각 일단이 연결된 공진회로부 및 전원드롭 감지부, 상기 전원드롭 감지부의 타단에 일단이 연결되어 상기 전원드롭 감지부로부터 기준전압값(VERF) 이상의 전압값이 입력될 경우 하이(H) 값을 출력하여 유지하는 이상상태 홀드부를 포함하여 구성된다.
그러나, 상기 제20-0175715호에 개시된 기술은 스타트신호가 필요하고, 부하공진회로 양단의 위상차 신호를 검출하는 수단이 필요하므로 회로의 구성이 복잡한 문제점이 있고, 발진주파수의 변경을 위해 전계효과트랜지스터 및 수동소자가 필요하기 때문에 회로의 구성이 복잡하며, 원가가 높은 문제점이 있다.
또, 상기 제20-0288125호에 개시된 기술은 자려발진 하프-브리지 드라이버 집적소자의 단가가 비싸고, 발진주파수의 변경을 위해 전계효과트랜지스터 및 수동소자가 필요하기 때문에 회로의 구성이 복잡하다는 문제점이 있다.
또한, 상기 제20-0358192호의 기술은 순간정전시에 전원전압의 상승변화율의 크기만을 검출하는 방식으로서 전원전압의 최소점보다 높은 점에서 보호회로가 작동되어 출력을 OFF 시키므로 전원의 평활부의 출력인 직류전압과 IGBT의 공진전압이 높아진다는 문제점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 회로의 구성방식이 단순한 전압제어발진기(VCO)와 비교부를 이용한 펄스폭변조(PWM) 및 펄스 주파수변조(PFM) 혼합방식에 의한 고주파 유도가열 조리기를 제공함에 그 목적이 있다.
본 발명은 상기 목적을 달성하기 위해, 직류전원을 IGBT 인버터부에 인가하여 고주파스위칭시키고 유도가열코일에 고주파 전류를 흐르게 하여 조리용기를 가열하는 고주파 유도가열 조리기에 있어서, 상기 조리용기인 부하의 출력을 정출력으로 제어하도록 상기 부하의 전류 전압을 입력받아 출력제어 PWM 전압으로 출력하는 마이크로컨트롤러부, 상기 출력제어 PWM 전압을 출력제어 직류전압으로 변환하는 여파기, 상기 출력제어 직류전압을 상기 출력제어 직류전압에 비례하는 톱니파형 전압을 출력하는 전압제어발진부, 상기 출력제어 직류전압과 상기 톱니파형 전압을 입력받아 주파수와 듀티비가 동시에 가변되는 펄스폭변조(PWM) 및 펄스주파수변조(PFM) 혼합신호 전압을 상기 IGBT 인버터로 출력하는 비교부 및 상기 마이크로컨트롤러부의 출력에 따라 순간정전시 전원전압의 변화율을 감지하는 감지수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 고주파유도 가열조리기를 제공한다.
상기 감지수단의 감지결과에 따라 상기 부하의 출력을 ON 또는 OFF 시키는 출력 ON/OFF 논리부를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 감지수단은 순간정전시 전원전압의 변화율의 크기를 검출하는 순간정전보호 회로부, 상기 전원전압의 과전압과 상기 인버터부의 공진전압의 과전압을 검출하는 전원과전압 및 공진과전압 보호회로부와 상기 인버터부의 온도를 검출하는 과온도 보호회로부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 순간정전보호 회로부는 순간정전시 전원전압의 하강변화율의 크기를 검출하는 것을 특징으로 한다.
상기 순간정전보호 회로부는 순간정전시 전원전압의 하강 변화율의 크기와 상승변화율의 크기를 검출하는 것을 특징으로 한다.
상기 순간정전보호 회로부는 상기 직류전원을 입력받는 미분회로부 및 상기 미분회로부의 출력과 기준전압을 중첩한 전압을 입력받는 반전입력단자와 하강감지허용 기준전압을 입력받는 비반전 입력단자를 구비한 제 1의 증폭회로부를 포함하고, 상기 제 1의 증폭회로부의 출력에 따라 부하의 출력을 ON 또는 OFF 신호를 출력하는 것을 특징으로 한다.
상기 순간정전보호 회로부는 상기 직류전원을 입력받는 미분회로부, 상기 미분회로부의 출력과 기준전압을 중첩한 전압을 입력받는 반전입력 단자와 하강감지허용 기준전압을 입력받는 비반전 입력단자를 구비한 제 1의 증폭회로부 및 상기 미분회로부의 출력과 기준전압을 중첩한 전압을 입력받는 비반전입력단자와 상승감지허용 기준전압을 입력받는 반전입력단자를 구비한 제 2의 증폭회로부를 포함하고, 상기 제 1의 증폭회로부 또는 제 2의 증폭회로부의 출력에 따라 부하의 출력을 ON 또는 OFF 신호를 출력하는 것을 특징으로 한다.
상기 과온도보호 회로부는 상기 인버터부의 온도를 감지하는 서미스터에서 감지된 온도가 설정온도 이상으로 되면, 부하의 출력을 ON 또는 OFF 신호를 출력하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 상기 및 그 밖의 목적과 새로운 특징은 본 명세서의 기술 및 첨부도면에 의해 더욱 명확하게 될 것이다.
(실시예)
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 전압제어발진부와 비교부를 이용한 펄스폭변조 및 펄스주파수변조 혼합방식에 의한 고주파 유도가열 조리기를 개략적으로 나타낸 블록도이다.
상기 도 1에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 전압제어발진부와 비교기를 이용한 펄스폭변조 및 펄스주파수변조 혼합방식에 의한 고주파 유도가열 조리기는 전원부(100), 정류부(200), 평활부(300), 부하(조리용기)(400), LC 유사공진부(500), IGBT 인버터부(600), 전원전류검출부(700), 순간정전보호회로부(800), 전원과전압 및 공진과전압 보호회로부(900), 마이크로컨트롤러부(1000), 전압제어발진부(1100), 저역여파기(1200), 비교부(1300), 출력 ON/OFF 논리부(1400), IGBT 게이트 구동부(1500), 과온도 보호회로부(1600), 방열판(1700), 전류검출기(1800)로 이루어진다.
상기 전원전류검출부(700)에서 출력된 부하전류 검출 아날로그전압 V6을 상기 마이크로컨트롤러부(1000)에 내장된 A/D 변환기(1010) 입력단에 입력하고 디지 털로 변환된 궤환전압 Vf와 부하출력설정 디지털전압 Vr은 디지털감산기(1020)을 거쳐 정출력제어기(1030)에 입력되고, 상기 정출력제어기(1030)는 부하의 출력을 정출력으로 안정하게 제어하도록 출력제어 PWM전압 V2가 출력된다.
한편, 부하의 출력을 ON 또는 OFF 하기 위한 출력 ON/OFF 및 홀딩해제 전압 V1에 의해 트랜지스터 Q3(도 2참조)를 구동한다.
그리고, 저역여파기(1200)에서는 출력제어 PWM전압 V2가 출력제어 직류전압 V3으로 변환되는데, 상기 V3은 전압제어발진부(1100)에 입력되어 상기 V3에 비례하는 발진주파수를 갖는 톱니파형전압 V4(도 2참조)가 출력되고, 동시에 상기 V3은 비교부(1300)의 반전입력단자에 입력되며, 상기 전압제어발진부(1100)의 출력인 상기 톱니파형전압 V4는 상기 비교부(1300)의 비반전입력에 입력되어 상기 비교부(1300)의 출력으로서 주파수와 듀티 비(Duty cycle)가 동시에 가변되는 펄스폭변조(PWM) 및 펄스주파수변조(PFM) 혼합신호전압 V5가 출력된다.
상기 마이크로컨트롤러부(1000)의 출력 ON/OFF 및 홀딩해제 전압 V1, 순간정전보호회로부(800)의 출력 VB, 전원과전압 및 공진과전압 보호회로부(900)의 출력 VC 및 과온도보호회로부(1600)의 출력 VD는 출력 ON/OFF 논리부(1400)의 입력단자인 Vx에 입력된다.
상기 비교부(1300)에서 출력되는 발진주파수와 듀티 비(Duty cycle)가 동시 에 가변되는 펄스폭변조(PWM) 및 펄스주파수변조(PFM) 혼합신호전압 V5는 IGBT 게이트구동부(1500)의 입력에 입력되어 IGBT 인버터부(600)를 고속 스위칭한다.
상기 IGBT 인버터부(600)의 구동전원은 상기 상용교류전원부(100)의 전원이 상기 정류부(200)와 상기 평활부(300)에 의해 변환된 직류전원을 사용하고, 상기 IGBT 인버터부(600)의 부하는 상기 LC 유사공진부(500)내에 있는 유도가열코일(510), 공진콘덴서(520) 및 조리용기(400)로 구성된다.
상기 IGBT 인버터부(600)와 상기 정류부(200)의 방열을 위해 방열판(1700)이 사용되고, 전원전류의 검출을 위해 전류검출기(1800)가 사용된다.
1. 제 1실시예
도 2는 본 발명의 제 1실시예에 따른 상세 회로도이다.
상기 도 2에 나타낸 바와 같이, 상기 전압제어발진부(1100)의 입력인 VCOIN 단자에는 상기 저역여파기(1200)의 출력인 출력제어 직류전압 V3 단자에 연결되고, C1B단자는 제 3저항(R3)과 연결되어 상기 비교부(1300)의 비반전입력단자(+)에 접속된다.
그리고, 제 1저항(R1)은 R1 단자와 접지에 연결되고, 제 2저항(R2)은 R2 단자와 접지에 연결되며, 제 4커패시터(C4)는 C1A 단자와 C1B 단자에 연결된다.
또한, 제 6다이오드(D6)의 캐소드는 C1B 단자와 연결되고 애노드는 접지에 연 결된다.
INH 및 Vss 단자는 접지에 연결되고, VDD 단자는 외부공급전원 VCC1에 연결된다.
상기 비교부(1300)는 반전입력단자(-)로 저역여파기(1200)의 출력인 출력제어 직류전압 V3이 입력되고, 비반전입력단자(+)에는 제 3저항(R3)과 연결되어 상기 전압제어발진부(1100)의 C1B 단자에 연결되며, 제 4저항(R4)은 VCC 단자와 상기 비교부(1300)의 출력단자에 연결된다.
또한, 상기 IGBT 게이트 구동부(1500)의 입력단자에는 비교부(1300)의 출력과 출력 ON/OFF 논리부(1400)의 출력이 공통으로 접속되고, 출력단자에는 IGBT 인버터부(600)의 게이트단자에 접속된다.
그리고, 상기 출력 ON/OFF 논리부(1400)의 입력단자인 Vx는 과온도보호회로부(1600)의 출력인 VD와 순간정전보호회로부(800)의 출력인 VB와 전원과전압 및 공진과전압 보호회로부(900)의 출력인 VC와 공통으로 접속되고, 상기 출력 ON/OFF 논리부(1400)의 입력단자인 VY는 마이크로콘터롤러부의 출력인 V1단자에 연결되고, 상기 출력 ON/OFF 논리부(1400)의 출력단자인 Vz는 IGBT 게이트 구동부(1500)의 입력단자에 연결된다.
또한, 저역여파기(1200)의 입력단자는 마이크로컨트롤러부(1000)의 출력인 출력제어 PWM 전압 V2 단자에 연결되고, 상기 저역여파기(1200)의 출력은 전압제어 발진부(1100)의 입력단자인 VCOIN 단자와 비교부(1300)의 비반전입력단자에 공통으로 연결된다.
또한, 마이크로컨트롤러부(1000)에서 프로그램으로 작성된 정출력제어기(1030) 입력에는 디지털감산기(1020)의 출력인 디지털 오차전압 Vr-Vf가 입력되고, 상기 정출력제어기(1030)의 출력은 출력제어 PWM 전압 V2를 생성시켜 저역여파기(1200)의 입력단자에 입력된다.
상기 마이크로컨트롤러부(1000)에 의해 작성되는 상기 정출력제어기(1030)의 프로그램은 기본적인 PID 제어를 비롯한 다양한 지능제어 알고리즘에 의해 실현되고, 조리방식의 선택, 조리용기의 유/무 인식을 비롯한 각종 정보의 디스플레이 등의 부수적인 제어기능도 실현된다.
상기 순간정전보호회로부(800)는 순간정전시에 전원전압의 하강변화율만 감지하기 위하여 전원의 평활부(300)의 출력은 C5와 R8로 구성된 미분회로의 C5에 입력되고, 상기 미분회로의 출력에 VCC와 R5에 의해 공급되는 기준전압을 중첩한 VA 파형을 만들어서 OP AMP2의 반전 입력단자에 가한다.
VR1에 의해 정해지는 VL 전압(도 3참조)은 전원전압이 순간적으로 하강할 때 전원전압의 하강변화율 감지허용 기준전압이다.
OP AMP2의 출력은 R29를 거쳐 Vcc에 연결되고, 동시에 D4를 거쳐 출력 ON/OFF 논리부(1400)의 입력단자인 Vx에 입력된다.
순간정전으로 인해 출력 ON/OFF 논리부가 홀딩상태(여기서는 VB가 순간적으로 HIGH 상태가 되면 Q2,Q4,D0로 구성된 정궤환 회로에 의해 VX가 HIGH 상태를 유지하여 Q2의 콜렉터전압 VHL이 LOW상태임)일 경우, 출력 ON/OFF 및 홀딩유지 전압 V1에 의해 트랜지스터 Q3를 ON 시켜 Q3의 콜렉터 전압을 LOW(0V)상태로 하면 출력 ON/OFF 논리부의 홀딩된 상태가 해제(여기서는 VX가 D1을 통해 LOW(0V)상태로 되어 Q2의 콜렉터전압 VHL이 HIGH(VCC)상태임)된다.
상기 전원과전압 및 공진과전압 보호회로부(900)는 상기 전원의 평활부(300)의 출력을 R16와 R17로 분압된 VG가 D6을 거쳐 OP AMP1의 비반전입력단자에 입력된다.
아울러, R14와 R15로 분압시킨 VH는 D7을 거쳐 OP AMP1의 비반전입력단자에 입력되고, R18와 R19로 분압된 전원과전압 및 공진과전압의 기준전압 VI는 OP AMP1의 반전입력단자에 입력된다.
상기 OP AMP1의 출력은 R13을 거쳐 Vcc에 연결되고 동시에 D10을 거쳐 출력 ON/OFF 논리부의 입력단자인 Vx에 입력된다.
상기 전원과전압 및 공진과전압으로 인해 출력 ON/OFF 논리부가 홀딩상태일 경우 출력 ON/OFF 및 홀딩해제전압 V1에 의해 트랜지스터 Q3를 ON시켜 Q3의 콜렉터 전압을 LOW(0V)상태로 하면 홀딩 상태가 해제된다.
한편, 전력소자들의 방열을 위해 사용되는 방열팬(Fan)에 이상이 생겨 방열 판의 온도가 상승하면 설정온도이상이 되어 전력소자가 파괴된다.
이때, 상기의 전력소자의 파괴를 보호하기 위한 과온도보호회로부(1600)는 방열판에 부착시킨 방열판의 온도를 감지하는 서미스터소자 RT와 R24,R25,R26으로 구성된 브릿지회로를 구성하고, R25와 RT의 연결점은 R22를 거쳐 OP AMP4의 비반전입력단자에 연결하고, R24와 R26의 연결점은 R23을 거쳐 OP AMP4의 반전입력단자에 연결된다.
상기 OP AMP4의 출력은 R27을 거쳐 전원 VCC에 연결되고 동시에 D9를 거쳐 출력 ON/OFF 논리부의 입력단자인 VX에 입력된다.
그리고, 상기 IGBT 인버터부(600)의 게이트는 상기 IGBT 게이트 구동부 (1500)의 출력에 연결되고, 상기 IGBT 인버터부(600)의 콜렉터는 LC 유사공진부 (500)의 출력단에 연결된다.
그리고, 상기 LC 유사공진부(500)의 입력단은 상기 평활부(300)의 출력단에 접속되고, 유도가열코일(L2)과 공진콘덴서(C3)는 병렬접속된다.
또한, 전원부는 상기 상용교류전원(100)을 공급받아 상기 정류부(200)와 상기 평활부(300)를 통해 직류전원으로 변환된 후 상기 IGBT 인버터부(600)의 공급전원으로 사용된다.
상기 IGBT 인버터부(600)와 상기 정류부(200)의 방열을 위해 방열판(1700)이 사용되고, 전원전류의 검출을 위해 전류검출기(1800)가 사용된다.
도 3은 순간 정전시 전원전압의 하강 변화율의 크기만을 감지할 수 있는 도 2의 각 부의 전압파형도이다.
상기 도 3에 나타낸 바와 같이, C5와 R8로 구성된 미분회로와 VCC와 R5에 의해 공급되는 기준전압을 중첩한 도 3의 VA파형을 만들어서 OP AMP2의 반전 입력단자에 가한다.
VR1에 의해 정해지는 VL전압은 전원전압이 순간적으로 하강할 때 전원전압의 하강변화율 감지허용 기준전압이다.
전원전압이 순간적으로 하강하여 VA의 전압이 VL보다 낮아지면 OP AMP2의 출력이 LOW(0V)에서 HIGH(VCC)로 되고 동시에 D4와 트랜지스터 Q2에 의해 Q2의 콜렉터전압 VHL은 HIGH(Vcc)에서 LOW(0V)로 홀딩되어 비교부의 출력 V5는 LOW(0V)가 되어 평활부의 출력인 직류전압 VE와 IGBT의 공진전압 VF의 최소점에서 부하의 출력을 OFF시키므로 전력소자의 파괴를 보호할 수 있다.
2. 제 2실시예
도 4는 본 발명에 제 2실시예에 따른 상세 회로도이다.
상기 도 4는 순간정전보호회로부(800)의 구성만 다르고, 그 외의 모든 도면은 도 2의 내용과 동일하다(도 2와 동일부분에 대한 설명은 생략한다).
상기 도 4에 나타낸 바와 같이, 순간정전보호회로부(800)는 순간정전시에 전 원전압의 하강변화율의 크기와 상승변화율의 크기를 모두 감지할 수 있도록 전원의 평활부(300)의 출력은 C5와 R8로 구성된 미분회로의 C5에 입력되고, 상기 미분회로의 출력에 VCC와 R5에 의해 공급되는 기준전압을 중첩한 VA파형이 OP AMP2의 반전 입력단자에 입력되고, 동시에 OP AMP3의 비반전 입력단자에 입력된다.
그리고, VR1에 의해 정해지는 VL전압(도 5참조)은 전원전압이 순간적으로 하강할 때 전원전압의 하강변화율 감지허용 기준전압이고, VR2에 의해 정해지는 VP전압(도 5참조)은 전원전압이 순간적으로 상승할 때 전원전압의 상승변화율 감지허용 기준전압이다.
상기 OP AMP2의 출력은 R29를 지나서 Vcc에 연결되고 동시에 D4를 지나서 출력 ON/OFF 논리부의 입력단자인 VX에 입력되고, OP AMP3의 출력은 R30을 지나서 Vcc에 연결되고 동시에 D5를 지나서 출력 ON/OFF 논리부의 입력단자인 VX에 입력된다.
그리고, 순간정전으로 인해 출력 ON/OFF 논리부가 홀딩상태일 경우 출력 ON/OFF 및 홀딩해제전압 V1에 의해 트랜지스터 Q3를 ON 시켜 Q3의 콜렉터 전압을 LOW(0V)상태로 하면 출력 ON/OFF 논리부는 홀딩된 상태가 해제된다.
도 5는 순간정전시에 전원전압의 하강변화율의 크기와 상승변화율의 크기를 모두 감지할 수 있는 도 4의 각 부의 전압파형도이다.
상기 도 5에 나타낸 바와 같이, C5와 R8로 구성된 미분회로와 VCC와 R5에 의해 공급되는 기준전압을 중첩한 도 5의 VA파형을 만들어서 OP AMP2의 반전 입력단자에 입력되고, 동시에 OP AMP3의 비반전 입력단자에 입력된다.
VR1에 의해 정해지는 VL전압은 전원전압이 순간적으로 하강할 때 전원전압의 하강변화율 감지허용 기준전압이고, VR2에 의해 정해지는 VP전압은 전원전압이 순간적으로 상승할 때 전원전압의 상승변화율 감지허용 기준전압이다.
전원전압이 순간적으로 하강할 때는 상기 도 3의 경우와 동일하고, VA의 전압이 VL보다 높아서 하강변화율의 크기를 감지하지 못하게 되면 VA는 동시에 상승하게 되어 VP보다 높게 될 때 OP AMP3의 출력이 LOW(0V)에서 HIGH(VCC)로 되고 동시에 D5와 트랜지스터 Q2에 의해 Q2의 콜렉터전압 VHL은 HIGH(VCC)에서 LOW(0V)로 홀딩되어 비교부의 출력 V5는 LOW(0V)가 되어 출력을 OFF 시키므로 IGBT의 직류전압과 공진전압의 증가를 억제시켜 전력소자의 파괴가 보호된다.
도 6은 본 발명에 따른 부하출력이 최대일 때의 각 부의 전압파형도이다.
도 6에 나타낸 바와 같이, 부하출력을 최대(POWERmax)로 할 경우 상기 마이크로컨트롤러부(1000)로부터 출력된 출력제어 PWM전압 V2는 상기 저역여파기(1200)에 의해 출력제어 직류전압 V3이 최소로 변환되고, 이 변환된 V3이 상기 전압제어발진부(1100)의 입력인 VCOIN단자에 입력되면 상기 전압제어발진부(1100)의 출력인 C1B 단자에는 V3에 비례하는 최소의 발진주파수(Fmin)를 갖는 톱니파형전압 V4가 출력된다.
상기 전압제어발진부(1100)의 출력인 V4의 발진주파수는 제 1저항(R1), 제 2저항(R2) 및 제 4커패시터(C4)에 의해 다음 식으로 정해진다.
최소의 출력발진주파수 = 1/{R2(C4+32pF)}
단, VCOIN = VSS
최대의 출력발진주파수=1/{R1(C4+32pF)} +최소의 출력발진주파수
단, VCOIN = VDD
(여기서 10K≤R1≤1M, 10K≤R2≤1M, 100pF≤C4≤0.01μF 이다.)
상기 비교부(1300)의 비반전입력단자(+)에 V4가 입력되고, 반전입력단자(-)에 V3이 입력되면 상기 비교부(1300)의 출력은 발진주파수와 듀티 비(Duty cycle)가 동시에 가변되는 펄스폭변조(PWM) 및 펄스주파수변조(PFM) 혼합신호전압 V5가 출력된다.
그래서, 상기 마이크로컨트롤러부(1000)에 내장된 디지털 부하출력설정전압 Vr의 가변에 따라 출력제어 직류전압 V3은 가변되므로 상기 비교기(1300)의 출력인 V5는 발진주파수와 듀티 비(Duty cycle)가 동시에 가변된다.
상기 V5의 발진주파수는 부하출력과 반비례관계가 있으므로 발진주파수의 가변을 통해 부하의 출력을 제어할 수 있다.
상기 V5의 듀티 비의 가변은 IGBT의 스위칭 턴온(Turn On) 시간을 조정할 수 있으므로 상기 IGBT의 스위칭 턴온 손실이 최소가 되도록 할 수 있다.
상기 비교기(1300) 출력인 V5의 듀티 비는 다음 식으로 정해진다.
듀티 비 = T1 / (T1 + T2)
그리고, 상기 마이크로컨트롤러부(1000)의 출력인 출력 ON/OFF 및 홀딩해제 전압 V1이 LOW(0V)일 때는 출력 ON/OFF 논리부(1400)에 있는 Q3의 콜렉터전압이 LOW(0V)가 되어 부하출력은 0이 되고, V1이 HIGH(VDD)일 때는 Vr의 설정에 따른 정출력이 부하에 출력된다.
그리고, 이상현상(부하과전류상태, 공진과전압상태 및 과온도상태)이 발생한 경우에도 상기 출력 ON/OFF 논리부(1400)에 있는 Q3의 콜렉터전압이 LOW(0V)가 되어 부하의 출력을 OFF시키므로서 각부의 전력소자들이 보호된다.
아울러, 도 7은 본 발명에 따른 부하출력이 중간일 때의 각 부의 전압파형 도, 도 8은 본 발명에 따른 부하출력이 최소일 때의 각 부의 전압파형도이며, 상기 도 2에서 설명한 바와 같다.
이상 본 발명자에 의해서 이루어진 발명을 상기 실시예에 따라 구체적으로 설명하였지만, 본 발명은 상기 실시예에 한정되는 것은 아니고 그 요지를 이탈하지 않는 범위에서 여러가지로 변경 가능한 것은 물론이다.
즉, 상기 실시예에 있어서는 고주파 유도 가열기에 대해 설명하였지만, 이에 한정되는 것은 아니고, 기준 전압의 상승시 및 하강시 그 부품의 보호를 위한 전기기기에 적용할 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 고주파 유도가열 조리기에 의하면 전압제어발진기와 비교부를 이용하여 톱니파형 발진주파수와 듀티 비(Duty cycle)가 동시에 가변되는 IGBT구동신호를 얻어내어 톱니파형 발진주파수와 듀티 비(Duty cycle)의 최적값을 선정함으로서 IGBT의 스위칭 턴온 손실을 최소화하는 효과가 얻어진다.
또, 본발명에 의하면 순간정전시에 전원전압이 하강할 때 전원전압의 하강변화율의 크기가 적어서 검출하지 못하면 동시에 상승하는 전원전압의 상승변화율의 크기를 검출하여 보호회로를 작동시켜 출력을 OFF시킬 수 있고, 만약에 전원전압이 상승할 때 전원전압의 상승변화율의 크기가 적어서 검출하지 못하면 동시에 하강하는 전원전압의 하강변화율의 크기를 검출하여 보호회로를 작동시켜 출력을 OFF시키 므로 IGBT의 손실을 보호할 수 있다는 효과가 얻어진다.
또한, 본 발명에 의하면 전원과전압 및 공진과전압 보호회로부와 과온도보호회로부의 이상현상이 발생될 때에도 보호회로를 작동시켜 출력을 OFF시키므로 IGBT의 손실이 보호되는 효과가 얻어진다.

Claims (8)

  1. 직류전원을 IGBT 인버터부에 인가하여 고주파스위칭시키고 유도가열코일에 고주파 전류를 흐르게 하여 조리용기를 가열하는 고주파 유도가열 조리기에 있어서,
    상기 조리용기인 부하의 출력을 정출력으로 제어하도록 상기 부하의 전류 전압을 입력받아 출력제어 PWM 전압으로 출력하는 마이크로컨트롤러부,
    상기 출력제어 PWM 전압을 출력제어 직류전압으로 변환하는 여파기,
    상기 출력제어 직류전압을 상기 출력제어 직류전압에 비례하는 톱니파형 전압을 출력하는 전압제어발진부,
    상기 출력제어 직류전압과 상기 톱니파형 전압을 입력받아 주파수와 듀티비가 동시에 가변되는 펄스폭변조(PWM) 및 펄스주파수변조(PFM) 혼합신호 전압을 상기 IGBT 인버터로 출력하는 비교부 및
    상기 마이크로컨트롤러부의 출력에 따라 순간정전시 전원전압의 변화율을 감지하는 감지수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 고주파유도 가열조리기.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 감지수단의 감지결과에 따라 상기 부하의 출력을 ON 또는 OFF 시키는 출력 ON/OFF 논리부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 고주파유도 가열조리기.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 감지수단은 순간정전시 전원전압의 변화율의 크기를 검출하는 순간정전보호 회로부,
    상기 전원전압의 과전압과 상기 인버터부의 공진전압의 과전압을 검출하는 전원과전압 및 공진과전압 보호회로부와
    상기 인버터부의 온도를 검출하는 과온도 보호회로부를 포함하는 것을 특징으로 하는 고주파유도 가열조리기.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 순간정전보호 회로부는 순간정전시 전원전압의 하강변화율의 크기를 검출하는 것을 특징으로 하는 고주파유도 가열조리기.
  5. 제 3항에 있어서,
    상기 순간정전보호 회로부는 순간정전시 전원전압의 하강 변화율의 크기와 상승변화율의 크기를 검출하는 것을 특징으로 하는 고주파유도 가열조리기.
  6. 제 4항에 있어서,
    상기 순간정전보호 회로부는
    상기 직류전원을 입력받는 미분회로부 및
    상기 미분회로부의 출력과 기준전압을 중첩한 전압을 입력받는 반전입력단자 와 하강감지허용 기준전압을 입력받는 비반전 입력단자를 구비한 제 1의 증폭회로부를 포함하고,
    상기 제 1의 증폭회로부의 출력에 따라 부하의 출력을 ON 또는 OFF하는 신호를 출력하는 것을 특징으로 하는 고주파유도 가열조리기.
  7. 제 5항에 있어서,
    상기 순간정전보호 회로부는
    상기 직류전원을 입력받는 미분회로부,
    상기 미분회로부의 출력과 기준전압을 중첩한 전압을 입력받는 반전입력 단자와 하강감지허용 기준전압을 입력받는 비반전 입력단자를 구비한 제 1의 증폭회로부 및
    상기 미분회로부의 출력과 기준전압을 중첩한 전압을 입력받는 비반전입력단자와 상승감지허용 기준전압을 입력받는 반전입력단자를 구비한 제 2의 증폭회로부를 포함하고,
    상기 제 1의 증폭회로부 또는 제 2의 증폭회로부의 출력에 따라 부하의 출력을 ON 또는 OFF하는 신호를 출력하는 것을 특징으로 하는 고주파유도 가열조리기.
  8. 제 3항 내지 제 7항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 과온도보호 회로부는 상기 인버터부의 온도를 감지하는 서미스터에서 감지된 온도가 설정온도 이상으로 되면, 부하의 출력을 ON 또는 OFF하는 신호를 출 력하는 것을 특징으로 하는 고주파유도 가열조리기.
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