KR101119840B1 - 다단 워킹 코일을 구비한 전류 공진 방식의 유도 가열 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 가열 대상물이 담겨지는 조리용기와; 조리용기의 외형을 둘러싸는 외솥체와; 외솥체의 바깥면에 형성되는 워킹 코일부와; 워킹 코일부와 연결되어 있는 공진 커패시터와; 직류 전원을 출력하는 직류 전원 공급부와; 입력되는 스위칭 신호에 따라 워킹 코일부에 고주파 전류가 인가되도록 하는 인버터부와; 스위칭 신호를 출력하는 스위칭 제어부를 포함하는 유도 가열 장치로서: 상기 워킹 코일부는, 직렬로 연결된 복수의 서브 워킹 코일로 구성되며, 최대 전력이 1400W 이상인 것을 특징으로 하는 다단 워킹 코일을 구비한 유도 가열 장치를 제공한다.

Description

다단 워킹 코일을 구비한 전류 공진 방식의 유도 가열 장치{INDUCTION HEATING DEVICE}

본 발명은 다단 워킹 코일을 구비한 전류 공진 방식의 유도 가열 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 조리 용기의 다양한 부분을 입체적으로 가열할 수 있도록 여러 부분에 배치된 다단 워킹 코일을 구비한 전류 공진 방식의 유도 가열 장치에 관한 것이다.

종래의 전기 밥솥과 같은 조리 기구에서는 저항체의 발열에 의해 열을 발생하는 히터에 의해 음식물이 담겨진 조리 용기의 표면에 직접 열을 공급하는 열판식 구조를 채용하고 있었다. 하지만, 최근에는 발열 효율이 높은 유도 가열의 원리를 이용하는 조리 기구가 등장하고 있다.

도 1은 이와 같은 일반적인 유도 가열식 조리 기구로서 전기 밥솥의 워킹 코일 배치 구조를 나타낸 단면도이다. 전기 밥솥과 같은 조리 기구는, 조리될 음식물을 수용하는 조리용기(내솥)(41)와, 이 조리 용기(41)가 삽입되어 안착될 수 있으며 조리 용기(41)로 열을 제공하는 외솥체(42)와, 이 외솥체(42)를 구동시켜 조리를 행하기 위한 구동부(90)와 전기 밥솥의 외형을 형성하는 본체(5)를 포함하여 이루어진다.

이러한 유도 가열식 조리 기구에는 조리 용기(41)를 수용하는 외솥체(42)의 둘레에 조리 용기(41)의 주변을 둘러싸도록 배치되며 조리 용기(41)에 와전류를 발생시키기 위한 코일(워킹 코일)(WC)이 설치된다.

일반적으로 유도 가열은 워킹 코일(WC)에 인가되는 직류 전압을 스위칭하고, 상기 직류 전압이 턴오프되었을 경우 발생하는 역기전력이 워킹 코일(WC)에 강력한 자계를 형성함으로써, 워킹 코일(WC)의 안쪽에 배치되는 자성체 용기인 조리 용기(41)를 가열시켜 음식물 등을 조리하는 원리를 이용하는 것이다.

그러나 이러한 종래의 유도 가열식 조리 기기에 있어서도 조리 용기(41)를 가열하기 위한 워킹 코일(WC)이 외솥체(42)의 주로 하부에만 설치되어 조리 용기(41)에 수용된 음식물을 골고루 가열할 수 없었고, 그에 따라 음식물을 가열하여 조리 완료하기까지는 다소 많은 시간이 소요되는 문제점이 있다.

또한, 조리 용기(41)가 일부분, 주로 바닥쪽으로부터 가열되게 되므로 수용하고 있는 음식물의 각 위치에서의 조리 속도가 달라서, 조리 용기(41) 내의 위치에 따라 조리된 음식물의 맛이 달라질 수 있다는 문제점이 있다.

이러한 문제점을 해결하기 위하여, 유도 가열 조리 기기의 경우에 있어서, 복수의 워킹 코일을 외솥체의 바닥, 측면 중 아래쪽, 측면 중 위쪽 등 복수 개 배치하고, 각각의 워킹 코일을 개별적으로 또는 동시에 제어함으로써, 조리 용기 내에 수용된 음식물을 각 위치에서 동시에 가열하도록 하고 있다.

하지만, 이러한 구조에서 복수의 워킹 코일을 개별적으로 구동하는 경우에 있어서는, 각 워킹 코일마다 각각의 인버터를 설치하고, 각각의 인버터를 개별적으로 제어해야하므로, 인버터의 개수가 증가하여 조리 기기의 제조 비용이 상승하게 된다.

또한, 인버터의 개수를 줄이기 위하여, 복수의 워킹 코일을 직렬로 연결하여 제어하고자 할 때, 워킹 코일이 전압 공진 방식으로 동작하기 때문에, 복수의 워킹 코일에 의한 동작 전력의 상승에 따라, 내압이 높은 인버터를 사용해야할 필요가 있으며, 이에 의해 고가의 인버터에 따른 제조 비용이 상승한다는 문제점이 있다.

따라서, 본 발명은, 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 복수의 워킹 코일을 직렬로 연결하고 하나의 인버터에 의해 구동을 제어할 수 있는 유도 가열 장치를 제공하고자 하는 것을 목적으로 한다.

또한, 본 발명은, 복수의 워킹 코일의 전체적인 동작 전력을 증가시키고자 할 때에 있어서도, 고내압성을 갖는 고가의 인버터를 사용하지 않아도 무방한 유도 가열 장치를 제공하고자 하는 것을 목적으로 한다.

상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 전류 공진 방식의 유도 가열 장치는, 가열 대상물이 담겨지는 조리용기와; 상기 조리용기가 내부에 삽입되어 안착될 수 있도록 상기 조리용기의 외형을 둘러싸는 외솥체와; 상기 외솥체의 바깥면에 설치되며 입력되는 고주파 전류에 의해 상기 외솥체에 안착된 상기 조리용기에 와전류를 유도하여 상기 조리용기를 발열시키는 워킹 코일부와; 상기 워킹 코일부와 직렬로 연결되어 있는 공진 커패시터와; 상용 교류 전원을 입력받아 직류 전원을 출력하는 직류 전원 공급부와; 입력되는 스위칭 신호에 따라 상기 직류 전원 공급부로부터 출력되는 상기 직류 전원을 온오프 스위칭함으로써 상기 워킹 코일부 및 상기 공진 커패시터에 고주파 전류가 인가되도록 하는 인버터부와; 상기 인버터부의 구동을 제어하기 위한 상기 스위칭 신호를 출력하는 스위칭 제어부를 포함하는 유도 가열 장치로서: 상기 워킹 코일부는, 직렬로 연결된 복수의 서브 워킹 코일로 구성되며, 최대 전력이 1400W 이상인 것을 특징으로 하는 다단 워킹 코일을 구비한다.

또한, 직렬로 연결된 상기 복수의 서브 워킹 코일은, 상기 외솥체의 외부에 도선을 감아 형성할 때 상기 외솥체의 바닥부로부터 옆면상부까지에서 권선수의 집중도를 변경시킴으로써, 하나의 도선으로 형성된다.

또한, 상기 워킹 코일부는, 상기 외솥체의 바닥으로부터 옆면까지 3개 이상의 서브 워킹 코일로 이루어진다.

또한, 상기 인버터부는, 적어도 2개의 IGBT를 하프 브리지 방식으로 결합하여 이루어진다.

또한, 상기 인버터부의 출력 전압의 크기를 감지하고, 상기 출력 전압이 기준 전압을 초과하면 상기 스위칭 제어부의 동작을 제어하는 워킹 코일 체결 감지부를 더 포함한다.

또한, 상기 워킹 코일부 및 상기 공진 커패시터로 인가되는 상기 고주파 전류에 의해 발생하는 전자파를 감쇄시키기 위하여 상기 인버터부를 구성하는 스위칭 소자의 콜렉터와 이미터 사이의 양단에 배치되는 22nF 내지 300nF 범위의 용량을 갖는 커패시터를 구비한 전자파 감쇄부를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

상술한 바와 같은 본 발명에 따른 유도 가열 장치는, 전류 공진 방식으로 동작하는 유도 가열 장치에 있어서, 워킹 코일부를 하나의 도선을 권선 집중도를 달리하여 외솥체에 감아 형성함으로써, 직렬 연결된 복수의 서브 워킹 코일을 포함하는 형태로 구성하여, 하나의 인버터부로부터의 출력에 의해 유도 가열 동작을 제어할 수 있게 된다. 따라서, 고주파 공진 전류를 출력하기 위한 스위칭 소자(IGBT)의 개수를 최소화할 수 있다.

또한, 전류 공진 방식을 이용하기 때문에, 워킹 코일의 최대 출력을 증가시키더라도 내압이 낮은 IGBT를 적용할 수 있게 되며, 이에 의해 고내압 성능을 보이는 고가의 IGBT를 사용하지 않아도 되므로 유도 가열 장치의 제조 비용의 상승을 억제할 수 있게 된다.

또한, 전자파 감쇄부를 적용함으로써 유도 가열 장치에서 발생하는 전자기파에 의한 노이즈의 발생을 억제할 수 있고, 또한, 워킹 코일 체결 감지부를 부가하여 유도 가열 장치의 제조시 워킹 코일이 회로 내에 정상적으로 결합되지 않은 경우에도 전자파 감쇄용 커패시터에 의한 공진에 의해 발생한 과전류에 의해 IGBT가 손상되는 것을 방지할 수 있다.

도 1은 이와 같은 일반적인 유도 가열식 조리 기구로서 전기 밥솥의 워킹 코일 배치 구조를 나타낸 단면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 유도 가열 장치의 구성을 나타낸 블록도이다.
도 3은 복수의 서브 워킹 코일이 감겨진 외솥체의 외부를 도시한 도면이다.
도 4는 복수의 서브 워킹 코일이 감겨진 외솥체의 단면을 나타낸 도면이다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다. 이하의 설명에 있어서, 본 발명의 일 실시예에 따른 유도 가열 장치는, 가정용 전기 밥솥을 예로 들어 설명하지만, 본 발명은 전기 밥솥뿐만 아니라, 유도 가열 원리를 이용한 모든 종류의 가열 장치를 포함할 수 있다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 유도 가열 장치의 구성을 나타낸 블록도이다. 도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 전류 공진 방식의 유도 가열 장치는, 워킹 코일부(40)가 배치된 외솥체(42)에 조리 용기(41)를 안착한 후 유도 가열 동작을 실행함으로써 조리 용기(41) 내부에 수용된 음식물을 조리하는 장치로서, 워킹 코일부(40)를 구동하기 위한 직류 전원 공급부(10)와, 인버터부(20)와, 스위칭 제어부(30)를 구비하고, 더욱, 전자파 감쇄부(60)와, 워킹 코일 체결 감지부(70)를 포함한다.

직류 전원 공급부(10)는, 주로 가정용 상용 교류 전원(AC)을 입력받고, 입력받은 교류 전원을 직류 전압 및 직류 전류를 갖는 직류 전원으로 정류 및 평활화한다. 이를 위하여, 직류 전원 공급부(10)는, 교류 전원의 정류를 위한 브리지 다이오드와, 정류된 전원의 평활화를 위한 인덕터 및 커패시터를 구비할 수 있다.

인버터부(20)는, 직류 전원 공급부(10)로부터 정류되어 출력되는 직류 전원을 높은 주파수로 온오프 스위칭하여 출력함으로써, 연결되어 있는 워킹 코일부(40)에 구비된 하나 또는 복수의 워킹 코일에 대하여 고주파 전류(공진 전류)가 흐르도록 한다. 이때, 본 실시예의 인버터부(20)는, 2개의 IGBT(IGBT1 및 IGBT2)를 하프 브리지 방식으로 결합하고, 각각의 IGBT를 교대로 온/오프 스위칭한다. 여기에서, 2개의 IGBT가 결합된 접속점은 직류 전원이 스위칭되어 고주파 공진 전류로서 출력되는 출력단자가 된다.

스위칭 제어부(30)는, 마이컴(도시하지 않음)으로부터 유도 가열을 실행하고자 하는 구동 신호를 입력받으면, 워킹 코일부(40)를 구동하기 위한 고주파 공진 전류를 생성하기 위하여, 인버터부(20)에 구비된 2개의 IGBT를 교대로 온/오프하기 위한 스위칭 신호를 IGBT1 및 IGBT2의 각각에 대하여 독립적으로 출력한다.

이때, 독립적인 스위칭 신호에 의해 각 IGBT를 개별적으로 스위칭하는 이유는, 각 IGBT의 히스테리시스에 의한 완전한 온/오프 시간을 확보하도록 하기 위함이다.

한편, 본 실시예에 있어서, 이러한 스위칭 제어부(30)는 유도 가열 장치에 널리 사용되고 있는 ON Semiconductor？ 에서 개발한 NCP1396 소자를 스위칭 제어용 반도체로서 사용할 수 있다.

이러한 스위칭 제어용 반도체는 다양한 신호를 입력으로 할 수 있는데. 본 발명에 적용되는 상기 스위칭 제어용 반도체는, 특히, BO 단자로 명명된 활성화/비활성화 제어 단자를 구비한다. 상기 스위칭 제어용 반도체는, 마이컴으로부터의 구동 신호가 존재함과 동시에 BO 단자로 high의 신호가 입력되는 경우에만 인버터부(20)가 스위칭을 지속적으로 수행하도록 제어하여 유도 가열을 실행한다. 하지만, BO 단자에 low 신호가 입력되는 경우에는 마이컴으로부터의 구동 신호의 유무에 관계없이 스위칭 동작을 정지하여 IGBT의 동작을 정지시킨다.

이와 같은, 스위칭 제어부(30)는, 워킹 코일부(40)로 인가되는 직류 전류를 스위칭하도록 인버터부(20)를 제어함으로써, 전류 공진 방식으로 유도 가열을 행하도록 한다. 이와 같이 전류 공진 방식으로 유도 가열을 행하게 되면, 워킹 코일부(40)에서 출력하는 동일 전력에 대비하여 전압의 크기를 낮게 유지할 수 있으므로, 내압이 낮은 IGBT를 사용하여도 충분히 고출력의 유도 가열을 행할 수 있게 된다. 즉, 전류량을 상승시킴으로써 출력 전력을 높일 수 있으므로, 전압은 낮게 유지할 수 있게 되는 것이다.

워킹 코일부(40)는 하나 또는 복수의 워킹 코일(도 2 및 도 3 참조)을 포함하여 이루어지며, 인버터부(20)의 하프 브리지 방식으로 구비된 2개의 IGBT로부터 출력되는 고주파 공진 전류에 의한 유도 에너지를 발생하게 되며, 이 유도 에너지에 의해 조리 용기(41)를 유도 발열시킨다. 본 발명에서는 두 개 이상의 복수의 워킹 코일을 구비하는 것으로 한다.

즉, 인버터부(20)와 워킹 코일부(40)와 공진 커패시터와 접지를 연결한 회로 루프에 있어서, 가상의 저항(회로를 구성하는 도선 자체의 저항, 워킹 코일에서 발생하는 역기전력에 의한 저항, 또는 조리 용기와의 전자기 유도 현상에 의한 저항 등)과, 워킹 코일과, 공진 커패시터(C1)에 의해 RLC 공진 회로를 구성하게 되고, 이 RLC 공진 회로가 인버터부(20)를 통해 인가되는 고주파 공진 전류에 의해 공진하게 됨으로써 조리 용기(41)에 대하여 유도 가열 현상을 발생시키게 되는 것이다.

한편, 스위칭 제어부(30)의 스위칭 제어용 반도체는 워킹 코일부(40)의 공진 회로에, 예를 들면, 약 35kHz의 공진 주파수가 발생하도록 적절한 주파수의 스위칭 신호를 각각의 IGBT에 대하여 출력하게 된다.

이어서, 전자파 감쇄부(60)는, 인버터부(20)에서 하이(high)측 IGBT와 로우(low)측 IGBT의 각각에서 콜렉터와 이미터 양단에 배치된 적어도 하나의 커패시터(C6 및 C7; 전자파 감쇄용 커패시터)를 포함하여 이루어진다. 이 전자파 감쇄용 커패시터(C6 및 C7)에 의해, 고주파 공진 전류에 의해 발생하는 전자기파에 의한 회로 내의 노이즈를 감쇄시킬 수 있게 된다.

이러한 전자파 감쇄용 커패시터(C6 및 C7)는 22nF 내지 300nF 범위의 용량을 갖는 것이 바람직하며, 회로에 적용되는 용량은 장착될 유도 가열 장치에 따라 실험에 의해 적절하게 선택되어 채용될 수 있다.

한편, 이와 같은 커패시터(C6 및 C7)를 이용하는 것은, 단지 커패시터를 추가하는 간단한 회로 구성에 의해 원하지 않는 전자파를 제거할 수 있다는 목적을 달성할 수 있지만, 반면에, 유도 가열을 실행할 때 각 회로 소자에 대하여 좋지 못한 영향을 미칠 수 있게 된다.

즉, 유도 가열 장치를 제조하는 과정에서, 워킹 코일부(40)의 하나 또는 복수의 워킹 코일이 정상적으로 정확하게 회로에 연결되도록 조립되지 않았고, 이러한 상태에서 사용자의 조작에 의해 인버터부(20)의 스위칭이 개시되어 유도 가열이 시작되면, 2개의 IGBT 중 어느 하나에서의 첫번째 온에 의해 워킹 코일부(40)로 인가된 전류가 전자파 감쇄용 커패시터(C7)에 저장되게 되고, 이후 스위칭 신호에 의한 두번째 온에서 전자파 감쇄용 커패시터(C7)에 저장된 에너지에 의해 이 IGBT에 과도한 전류가 인가되게 되고, 이후의 스위칭 신호에 의한 온에서도 전자파 감쇄용 커패시터(C7)와의 공진에 의해 완전한 0전위 스위칭 제어를 하지 못하게 되어 동작중인 IGBT에 피크(peak)성 전류가 계속 발생하게 된다. 이러한 피크성 전류는 IGBT에 과전압을 인가하게 되어 IGBT를 심각하게 손상시킬 수 있다.

이와 같이 전자파 감쇄용 커패시터(C7)를 적용함으로써 유발되는 문제점을 해결하기 위하여, 각각의 IGBT(IGBT1 또는 IGBT2)에 흐르는 전류 또는 전압을 지속적으로 감지하고, 순간적으로 발생하는 과전압(또는 과전류)에 신속하게 대응할 수 있도록, 워킹 코일 체결 감지부(70)를 적용하게 된 것이다.

본 발명의 일 실시예에 따른 유도 가열 장치에 적용되는 워킹 코일 체결 감지부(70)는, 인버터부(20)의 고주파 공진 전류에 의한 출력 전압의 크기를 감지하고, 그 출력 전압이 미리 설정된 기준값을 초과하는 경우에, high를 나타내는 제어 신호를 생성하여 스위칭 제어부(30)로 출력하게 된다. 스위칭 제어부(30)는 high의 제어 신호를 수신하는 즉시 각각의 IGBT에 대한 스위칭 제어를 중단하게 되고, 이에 의해 인버터부(20)로부터의 고주파 공진 전류의 출력이 정지된다. 여기에서, 제어 신호의 high 및 low는 임의로 설정 및 적용될 수 있다.

이때, 워킹 코일 체결 감지부(70)는, 고주파 공진 전류에 의한 출력 전압의 크기를 기준값과 직접 비교할 수 있지만, 하나 또는 복수의 저항을 포함하는 전압 분배 회로를 이용하여 출력 전압의 크기를 특정의 비율로 감소시킨 후 비교기 등을 이용하여 기준 전압과 비교하는 것이 바람직하다. 또한, 출력되는 고주파 공진 전류 그대로 또는 특정 비율로 감소된 전압의 크기를 일정 시간 동안 유지하는 전압 홀드 회로(도시하지 않음)를 더 구비할 수도 있다.

또한, 워킹 코일 체결 감지부(70)는, 마이컴 등으로부터 입력되는 감지 인에이블 신호에 의해 감지 동작을 개시하는 것이 바람직하다. 즉, 감지 인에이블 신호가 활성화된 상태에서 고주파 공진 전류에 의한 출력 전압(또는, 감압된 출력 전압)이 기준 전압을 초과하는 경우에만, 워킹 코일 체결 감지부(70)에서 스위칭 제어부(30)를 정지시키기 위한 제어 신호를 출력하도록 한다. 이에 의하면, 스위칭 제어부(30)의 동작이 원하지 않는 시점에 수시로 차단되는 것을 방지할 수 있게 된다. 즉, 정상적인 동작하에서 스위칭 제어의 초기에 있어서 나타날 수 있는 일반적인 과전압에 의해 장치가 정지하게 되는 것을 방지할 수 있게 된다.

한편, 유도 가열 장치의 마이컴은, 유도 가열 장치의 일측에 구비된 소정의 조작 입력 수단(도시하지 않음)으로 입력되는 사용자의 조작 명령에 따라서 또는 미리 설정되어 있는 프로그램 등에 따라서, 유도 가열 장치의 제반 동작을 제어한다. 이러한 제어에는, 직류 전원 공급부(10)의 동작 및 스위칭 제어부(30)의 동작을 제어하기 위한 구동 신호의 출력 동작, 워킹 코일 체결 감지부(70)에서의 제어 신호 출력을 인에이블 및 디스에이블시키기 위한 감지 인에이블 신호의 출력 동작 등이 있을 수 있다.

이때, 본 발명의 일 실시예에 따른 워킹 코일부(40)는 적어도 3개 이상의 복수의 서브 워킹 코일(예를 들면, WC1, WC2, WC3, ... 등)을 포함하여 이루어진다. 본 발명의 일 실시예에 따른 서브 워킹 코일의 구조는 도 3 및 도 4를 참조하여 설명한다.

도 3은 외솥체의 외부를 도시한 도면으로서 복수의 서브 워킹 코일이 감겨진 형태를 간략하게 나타낸다. 또한, 도 4는 복수의 서브 워킹 코일이 감겨진 외솥체의 단면을 간략하게 나타낸 도면이다.

먼저, 도 3은, 일례로서 3개의 서브 워킹 코일(WC1, WC2 및 WC3)을 형성하도록 하나의 도선이 외솥체(42)의 바깥부분에 감겨진 형태를 보여준다. 이때, 각 서브 워킹 코일들(WC1, WC2 및 WC3)은 하나의 도선에 의해 형성되고 있음을 주목해야 한다. 즉, 외솥체(42)의 바닥 부분으로부터 옆면 상부까지 하나의 도선에 의해 외솥체(42)의 바깥쪽을 감음으로써 워킹 코일을 형성하고 있는데, 이때, 도선이 감겨질 때 단위 단면적당 감겨진 횟수를 나타내는 권선 집중도를 임의로 변화시킴으로써 복수의 서브 워킹 코일을 형성하고 있는 것이 본 발명의 주요 특징이 된다.

즉, 외솥체(42)의 바닥면에서 도선의 권선 집중도를 높게 설정하여 제1 서브 워킹 코일(WC1)을 형성하고, 외솥체(42)의 바닥면의 모서리 부분에 가까운 지점에 권선 집중도를 높게 하여 제2 서브 워킹 코일(WC2)을 형성하고, 외솥체(42)의 옆면에서 다시 권선 집중도를 높게 하여 제3 서브 워킹 코일(WC3)을 형성하고 있는 것을 볼 수 있다. 이때, 서브 워킹 코일의 개수는 3개로 설정할 수 있을 뿐만 아니라, 그 이상의 다수로 설정할 수도 있다.

이와 같이, 도 3에 따른 하나의 도선에 의한 권선 구조를 갖는 워킹 코일부(40)에 의하면, 하나의 도선에 의해 복수의 서브 워킹 코일(WC1, WC2, WC3, ... 등)을 형성하고 있으므로, 워킹 코일부(40)는 단지 한 쌍의 단자(T1 및 T2)를 갖게 된다. 따라서, 단지 한 쌍의 IGBT(하프 브리지 방식을 이용하기 때문)를 이용한 인버터부(20)에 의해서 워킹 코일부(40)의 동작을 제어할 수 있게 되는 것이다.

또한, 본 발명은, 전류 공진 방식의 유도 가열을 행하게 됨으로써 고출력의 워킹 코일부(40)를 구성하더라도 내압이 낮은 IGBT를 이용할 수 있게 된다. 즉, 기존의 전압 공진 방식의 유도 가열에서 다단의 서브 워킹 코일을 직렬로 이용하는 경우에 있어서는, 복수의 서브 워킹 코일이 직렬로 연결됨에 따라, 직렬 연결된 복수의 워킹 코일 전체의 출력 전력이 각 서브 워킹 코일 단위의 각각의 동작 전력에 따라 상승하게 되고, 따라서 스위칭 소자인 IGBT에는 동작 전력에 비례하는 높은 전압이 걸리게 된다. 이 때문에, 전압 공진 방식의 유도 가열 장치에서는 워킹 코일의 최대 출력이 IGBT의 내압에 영향을 받는다.

또한, 내압이 높은 IGBT는 부품 단가가 매우 높아지므로, 유도 가열 장치의 제품 단가에도 크게 영향을 미쳤다.

이러한 문제점을 해결하기 위한 한가지 방안으로써, 복수의 서브 워킹 코일을 독립적으로 구성하여 개별적인 IGBT에 의해 제어하는 방법이 적용될 수도 있는데, 이 경우에는 필요한 IGBT의 개수가 워킹 코일의 개수에 따라 증가하게 된다는 문제점이 발생하여, 근본적인 해결책이 될 수 없었다.

하지만, 본 발명과 같은 전류 공진 방식에 의하면, 다단의 서브 워킹 코일을 직렬로 연결하더라도, 전류에 의해 워킹 코일부(40)의 전체 출력을 제어할 수 있으므로, 전압의 변동은 크지 않다. 따라서, 유도 가열의 최대 출력에 따라 IGBT의 내압을 증가시켜야만 할 필요성이 높지 않기 때문에, 저내압의 IGBT를 적용하여도 손상될 가능성이 적다. 따라서, 고가의 IGBT를 사용하지 않음에 따라 제조 비용을 감소시킬 수 있게 된다.

예를 들면, 본 발명에 따른 유도 가열 장치의 워킹 코일부(40)를 1300W 내지 2500W의 출력을 갖도록 설계하고, 더욱 바람직하게는, 워킹 코일부(40)는 1400W의 출력을 갖도록 한다. 본 발명에서와 같은 전류 공진 방식에 의한 유도 가열시에는, 이와 같이 다양한 출력으로 변화시키면서 워킹 코일부(40)를 구동시키더라도, 인버터부(20)의 각각의 IGBT에 걸리는 전압이 약 500V 정도로 유지될 수 있다. 따라서, 각각의 IGBT를 내압이 비교적 낮은 부품으로 적용할 수 있으므로, 제품 제조 비용의 감소를 도모할 수 있게 된다.

도 4는, 이와 같이 형성된 워킹 코일부를 포함하는 외솥체의 단면을 보여준다. 제1 서브 워킹 코일(WC1)과 제2 서브 워킹 코일(WC2)과 제3 서브 워킹 코일(WC3)이 외솥체(42)의 바깥쪽에 권선 집중도를 달리하여 감겨져 있는 형태를 확인할 수 있다.

상술한 바와 같은 본 발명의 일 실시예에 따른 유도 가열 장치는, 전류 공진 방식으로 동작하는 유도 가열 장치에 있어서, 워킹 코일부(40)를 하나의 도선을 권선 집중도를 달리하여 외솥체(42)에 감음으로써 직렬 연결된 복수의 서브 워킹 코일로서 구성하게 됨으로써, 인버터부(20)의 하나의 출력에 의해 유도 가열 동작을 제어할 수 있게 된다. 따라서, 인버터부(20)를 구성하는 스위칭 소자(IGBT)의 개수를 최소화할 수 있다.

또한, 전류 공진 방식을 이용하기 때문에, 워킹 코일의 최대 출력을 증가시키더라도, 워킹 코일에 인가되는 전압의 크기는 크게 변화시킬 필요가 없으므로(또는 워킹 코일에 의해 발생하는 전압이 크게 변동하지 않으므로), 내압이 낮은 IGBT를 적용하여도 IGBT가 손상될 가능성이 작다. 따라서, 고내압 성능을 보이는 고가의 IGBT를 사용하지 않아도 되므로, 유도 가열 장치의 제조 비용의 상승을 억제할 수 있게 된다.

또한, 하나의 도선으로 워킹 코일을 형성하게 되어, 단지 2개의 단자만 가지므로, 회로 설계가 용이하고, 코일을 권선하는 제조의 편의성을 높일 수 있게 된다.

또한, 전자파 감쇄부를 적용함으로써 전자기파의 발생을 억제할 수 있다. 또한, 워킹 코일 체결 감지부를 적용함으로써, 유도 가열 장치의 제조시 워킹 코일이 정상적으로 결합되지 않은 경우에도 전자파 감쇄용 커패시터에 의한 공진에 의해 발생한 과전류에 의해 IGBT가 손상되는 것을 방지할 수 있다.

10 : 직류 전원 공급부
20 : 인버터부
30 : 스위칭 제어부
40 : 워킹 코일부

Claims (6)

1. 가열 대상물이 담겨지는 조리용기와; 상기 조리용기가 내부에 삽입되어 안착될 수 있도록 상기 조리용기의 외형을 둘러싸는 외솥체와; 상기 외솥체의 바깥면에 설치되며 입력되는 고주파 전류에 의해 상기 외솥체에 안착된 상기 조리용기에 와전류를 유도하여 상기 조리용기를 발열시키는 워킹 코일부와; 상기 워킹 코일부와 직렬로 연결되어 있는 공진 커패시터와; 상용 교류 전원을 입력받아 직류 전류를 출력하는 직류 전원 공급부와; 입력되는 스위칭 신호에 따라 상기 직류 전원 공급부로부터 출력되는 상기 직류 전류를 온오프 스위칭함으로써 상기 워킹 코일부 및 상기 공진 커패시터에 고주파 전류가 인가되도록 하는 인버터부와; 상기 인버터부의 구동을 제어하기 위한 상기 스위칭 신호를 출력하는 스위칭 제어부를 포함하는 유도 가열 장치로서:
   상기 인버터부는, 제1 IGBT의 이미터와 제2 IGBT의 콜렉터를 연결하고, 상기 제1 IGBT의 이미터와 상기 제2 IGBT의 콜렉터의 접속점은 상기 워킹 코일부와 연결되고, 상기 제1 IGBT의 콜렉터에 상기 직류 전류가 입력되고, 상기 제2 IGBT의 이미터에는 접지가 연결되고, 상기 제1 IGBT 및 상기 제2 IGBT의 각각의 베이스에는 상기 스위칭 제어부의 상기 스위칭 신호가 연결되어 상기 제1 IGBT와 상기 제2 IGBT가 교대로 온오프되고,
   상기 워킹 코일부는, 직렬로 연결된 복수의 서브 워킹 코일로 구성되며, 최대 전력이 1400W 이상인 것을 특징으로 하는 다단 워킹 코일을 구비한 전류 공진 방식의 유도 가열 장치.
2. 제1항에 있어서,
   직렬로 연결된 상기 복수의 서브 워킹 코일은, 상기 외솥체의 외부에 도선을 감아 형성할 때 상기 외솥체의 바닥부로부터 옆면상부까지에서 권선수의 집중도를 변화시킴으로써, 하나의 도선으로 형성되는 것을 특징으로 하는 다단 워킹 코일을 구비한 전류 공진 방식의 유도 가열 장치.
3. 제2항에 있어서,
   상기 워킹 코일부는, 상기 외솥체의 바닥으로부터 옆면까지의 3개 이상의 서브 워킹 코일로 이루어지는 것을 특징으로 하는 다단 워킹 코일을 구비한 전류 공진 방식의 유도 가열 장치.
4. 삭제
5. 제3항에 있어서,
   상기 인버터부의 출력 전압의 크기를 감지하고, 상기 출력 전압이 기준 전압을 초과하면 상기 스위칭 제어부의 동작을 제어하는 워킹 코일 체결 감지부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 다단 워킹 코일을 구비한 전류 공진 방식의 유도 가열 장치.
6. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 워킹 코일부 및 상기 공진 커패시터로 인가되는 상기 고주파 전류에 의해 발생하는 전자파를 감쇄시키기 위하여 상기 인버터부를 구성하는 스위칭 소자의 콜렉터와 이미터 사이의 양단에 배치되는 22nF 내지 300nF 범위의 용량을 갖는 커패시터를 구비한 전자파 감쇄부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 다단 워킹 코일을 구비한 전류 공진 방식의 유도 가열 장치.

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