KR20040102915A - 유도가열 전기밥솥의 인버터 회로 제어장치 - Google Patents

유도가열 전기밥솥의 인버터 회로 제어장치 Download PDF

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KR20040102915A
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Abstract

본 발명은 유도가열 전기밥솥의 인버터 회로로 입력되는 입력전압의 변동에 따라 주파수를 가변 제어하는 동시에, 인버터 회로의 스위칭 동작을 구동시키는 구동펄스의 턴 오프 시간이 가열부하의 변동에 가변되도록 하는 유도가열 전기밥솥의 인버터 회로 제어장치에 관한 것으로서, 상기 인버터 회로에 공급되는 입력전압을 검출하는 입력전압 검출부와, 상기 입력전압 검출부에서 검출된 입력전압 레벨에 따라 상기 인버터 회로의 스위칭 동작을 구동시키는 구동펄스의 주파수가 가변되도록 하는 제어신호를 발생시키는 주파수가변 제어신호발생부와, 상기 주파수가변 제어신호발생부에서 출력된 제어신호에 따라 펄스주파수가 가변되는 동시에 상기 내솥 및 가열조리물의 상태변동에 따라 턴 오프시간이 가변되는 구동펄스를 생성하는 트리거 발생부를 포함하여 구성됨에 따라, 저가의 OP AMP만으로 입력전압에 따라 주파수를 가변제어할 수 있으므로 경제적이고, 넓은 가열부하의 변동에 대응할 수 있으므로 내부 소자를 보호함은 물론, 인버터 회로의 신뢰성을 향상시킬 수 있다.

Description

유도가열 전기밥솥의 인버터 회로 제어장치{Inverter circuit's control apparatus of induction heating rice cooker}
본 발명은 유도가열 전기밥솥의 인버터 회로 제어장치에 관한 것으로서, 특히 입력전압에 따라 주파수가 가변되는 구동펄스를 생성하여 인버터 회로의 스위칭 동작을 구동시키는 동시에 가열부하(내솥 및 음식물의 조리상태)의 변동에 따라 턴 오프시간이 가변되도록 인버터 회로를 제어하는 유도가열 전기밥솥의 인버터 회로 제어장치에 관한 것이다.
도 1에 도시된 바와 같이 유도가열 전기밥솥은 본체(1)와, 상기 본체 내측에 안착되어 조리물이 담기는 내솥(2)과, 상기 내솥(2)에 담긴 조리물이 조리되도록 상기 내솥(2)의 하부 또는 본체(1)의 내측에 장착되는 취사히터(3)로 구성되어 있다.
이러한 전기밥솥은 내부에 담긴 조리물을 담아 상기 조리물을 일정 수준 이상의 온도로 가열하여 조리하는 가전제품으로서, 주로 밥짓기에 사용된다. 사용자는 쌀이나 그 외의 첨가 조리물 및 이에 적합한 물의 양을 조정하여 내솥(2)에 넣고, 상기 내솥(2)을 본체(1)에 안착시킨 다음 조리분량 및 방법을 조작할 수 있다.
상기 전기밥솥은 내솥(2)에 조리열을 제공하는 방식에 따라 구분될 수 있는데, 상기 내솥(2)이 안착되는 본체(1) 부분에 일정 간격으로 코일이 형성되어 상기 코일에 전류가 흐르게 됨에 따라 발생되는 자기장으로 인해, 자성체로 구성된 내솥에 와전류가 발생되도록 하여 내솥(2)을 가열하는 방식의 전기밥솥을 유도가열 전기밥솥이라 한다.
종래 발명에 의한 유도가열 전기밥솥의 인버터 회로를 도 2를 참조하여 살펴보면 다음과 같다.
인버터 회로는 스위치 소자를 스위칭 구동시킴으로써 생성되는 고출력 전압을 이용하여 내솥 및 내솥에 담긴 조리물을 유도 가열하는 밥솥에 적용된다. 이러한 인버터 회로(41)는 제어신호에 따라 스위칭 동작하여 코일에 전원을 인가하여 열이 공급되도록 하는데, 기본적인 구성은 다음과 같다.
통상의 교류전원이 공급되는 교류 전원부(10)와, 상기 교류전원을 정류하는 정류부(20)와, 상기 정류부(20)에서 정류된 전원을 필터링하는 필터부(30)와, 상기 필터부(30)에서 필터링된 전원을 인가받아 스위칭 구동됨에 따라 상기 코일에 고출력의 전원을 인가하는 스위칭부(40)를 포함하여 구성된다.
또한 상기 인버터회로(41)를 제어하는 인버터회로 제어부(81)는 상기 교류 전압부(10)와 연결되어 인버터 회로(41)로 입력되는 전압의 변동분을 검출하는 입력전압 검출부(50)와, 상기 입력전압의 변동분에 따라 상기 스위칭부(40)를 구동시키는 구동펄스의 주파수를 가변시키는 주파수발생IC(60)와, 상기 주파수발생 IC(60)에서 발생된 구동펄스를 상기 스위칭부(40)로 전달하여 스위칭 동작이 이루어지도록 하는 게이트 구동부(80)를 포함하여 구성된다.
이러한 주파수발생IC(60)는 상기 입력전압 검출부(50)에서 출력된 변동분에 따라 펄스의 주파수를 가변함에 있어서, IC 제조시 설정된 바에 따라 동일한 턴 오프 시간을 가지는데, 이를 도 3에 도시하였다. 도 3은 종래 발명의 가열부하 변동에 따른 인버터 회로의 스위치 전압 및 구동펄스의 파형도이며, 이를 참조하여 종래 발명의 문제점을 설명하면 다음과 같다.
실선으로 도시된 파형(G1)은 내솥이 안착된 상태, 즉 상기 내솥 및 코일이 결합된 정상적인 가열부하를 가지는 때의 파형이고, 점선으로 도시된 파형(G2)은 내솥이 탈거된 상태, 즉 가열부하가 제거된 무부하 상태의 파형이다.
도시된 바와 같이 두 파형이 차이가 나는 이유는 코일에 전원이 인가되어 점차 가열됨에 따라 내솥과 코일의 특성이 변화하게 되기 때문이다. 즉, 가열부하의 변동에 따라 공진 인덕턴스값에 차이가 생기므로, 정상적인 가열부하를 가지는 공진 인덕턴스값보다 무부하 상태의 공진 인덕턴스값이 훨씬 커지게 되고, 그만큼 공진 시간이 길어지게 된다.
이에 반해, 상기 주파수발생 IC는 제조시 설정된 바에 따라 동일한 턴 오프 시간을 가지는 펄스신호(G3)를 생성하여 인버터 회로를 구동시키므로 무부하 상태의 경우 스위칭 동작시 충분한 턴 오프 시간을 확보하지 못한 채 높은 스위치 전압에서 턴 온을 수행함에 따라 스위치 소자에 큰 단락 전류가 흐르게 되므로, 소자 파손이 우려되고, 스위칭 동작의 신뢰성이 저하된다는 문제점이 있었다.
특히, 상기 스위칭부(40)의 스위치 소자는 코일이 열원으로서 동작되도록 구동전원의 공급 여부를 결정하는 소자로서, 상기 스위치 소자의 스펙(SPEC)에 따라양단에 걸리는 전압을 견디는 내압이 한정된다. 따라서, 종래의 가열부하의 변동을 고려하지 않고 일정한 구동펄스를 인가함으로써 스위칭부(40)를 구동시키는 경우 스위치 소자의 내압 초과로 인한 파손이 야기될 수 있다.
본 발명은 상기한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 그 목적은 조리물이 담기는 내솥의 결합상태에 따라 변동하는 가열부하의 상태변동에 따라 대응되어 구동펄스의 턴 오프 시간이 가변되도록 하여 스위칭 동작의 신뢰성을 확보하는 것은 물론, 고가의 주파수발생 IC를 대체하여 저가의 차동증폭기(OP AMP)를 이용하여 주파수를 가변제어할 수 있어 생산비를 절감할 수 있는 유도가열 전기밥솥의 인버터 회로 제어장치를 제공하는데 있다.
도 1 은 일반적인 유도가열 전기밭솥의 정단면도,
도 2 는 종래 발명의 인터버 회로 구동장치의 구성도,
도 3 은 종래 발명의 가열부하의 변동에 따른 인버터 회로의 스위치 전압 및 구동펄스 파형도,
도 4 는 본 발명의 인버터 회로 구동장치의 구성도,
도 5 는 본 발명의 인버터 회로 제어장치의 각 부 주요 파형도,
도 6 은 본 발명에 의한 가열부하의 변동에 따른 인버터 회로의 스위치 전압 및 구동펄스 파형도이다.
<도면의 주요 부분에 관한 부호의 설명>
100: 교류 전원부 200: 정류부
300: 필터부 400: 스위칭부
410: 인버터 회로부 500: 입력전압 검출부
600: 주파수가변 제어신호발생부 700: 트리거 발생부
상기한 과제를 해결하기 위한 본 발명에 의한 유도가열 전기밥솥의 인버터 회로 제어장치의 특징에 따르면, 인버터 회로에 공급되는 입력전압을 검출하는 입력전압 검출부와, 상기 입력전압 검출부에서 검출된 입력전압 레벨에 따라 상기 인버터 회로의 스위칭 동작을 구동시키는 구동펄스의 주파수가 가변되도록 하는 제어신호를 발생시키는 주파수가변 제어신호발생부와, 상기 주파수가변 제어신호발생부에서 출력된 제어신호에 따라 펄스주파수가 가변되는 동시에 상기 내솥 및 가열조리물의 상태변동에 따라 턴 오프시간이 가변되는 구동펄스를 생성하는 트리거 발생부를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 4 는 본 발명의 인버터 회로 제어장치의 구성도이고, 도 5는 본 발명의 인버터 회로 제어장치의 각 부 주요 파형도로서, 이를 참고로 하여 본 발명의 구성을 상세히 설명한다.
인버터 회로는 사용자가 조작한 가열온도, 가열시간, 조리방식을 포함하는 제어명령에 따라 스위칭 동작되어 내솥의 코일에 전원을 인가함으로서 유도가열 밥솥이 가열되도록 하는 회로이다. 즉, 조리물이 담긴 내솥이 가열부하가 되고, 상기 내솥에 권선된 코일에 전원을 인가함으로서 상기 인버터 회로는 가열 부하를 해소한다.
이러한 인버터 회로(410)는 기본적으로 교류전원이 공급되는 교류 전원부(100)와, 정류 다이오드를 통한 상기 교류전원이 정류되는 정류부(200)와, 상기 정류부(200)에서 정류된 전원의 노이즈를 필터링하는 필터부(300)를 포함하여 구성되며, 정류 및 필터링된 전원을 인가받은 스위칭부(400)는 스위칭 동작을 수행하여 코일에 고출력의 전원을 인가하여 내솥이 가열되도록 한다.
이러한 인버터 회로(410)는 후술하는 입력전압 검출부(500), 주파수가변 제어신호발생부(600), 트리거 발생부(700) 및 게이트 구동부(800)를 포함하여 구성되는 인버터 회로 제어부(810)에 의해 제어된다. 여기서, 상기 게이트 구동부(800)는트리거 발생부(700)에서 발생된 구동펄스를 스위칭부(400)로 전달한다.
우선, 입력전압 검출부(500)는 상기 교류 전원부(100)에서 공급되는 교류전원의 플러스/마이너스 단자와 직접 연결됨에 따라 상기 교류전원의 전압레벨 및 주파수를 감지한다. 이는 교류전원이 노이즈에 의하여 변동되거나, 입/출력 특성이 불안정한 경우 스위칭되는 스위치 소자의 파손을 방지하기 위함이다.
상기 교류 전원부(100)에서 공급되는 교류전원은 다이오드를 거쳐 정류된 후, R1 : R2 의 비율로 전압 분배가 되어 R2에는만큼의 전압(Va)이 걸리게 되는데, Va의 파형은 도 5의 G4에 도시된 바와 같다.
R2에 걸린 Va는 클램핑 다이오드(CD)를 통과하는데, 이는 Va의 기준치 이하의 전압치를 클램핑(clamping)하기 위한 것으로, 일반적인 다이오드 1개의 문턱전압이 0.7V이라 가정할 때 0.7V 이하의 전압을 클램핑할 수 있다. 따라서, 생산자는 연결되는 클램핑 다이오드(CD)의 개수를 조정하여 ()V 이하의 전압이 클램핑되도록 함으로써 R3에 걸리는 전압(Vb)에서 양(+)의 구간을 제한할 수 있다. 이러한 Vb의 양의 구간에서만 전압레벨에 비례하여 구동펄스의 주파수를 가변 제어하게 되며, Vb의 전압파형은 도 5의 G5와 같다.
클램핑된 전압은 주파수가변 제어신호발생부(600)로 입력되는데, 이는 종래와 같이 IC를 이용하지 않고, 차동증폭기(601)를 이용하여 간략하게 구현할 수 있다. 상기 차동증폭기는 (+)입력단에 기준값이 되는 Vref가 입력되고, (-)입력단에는 상기 클램핑 다이오드(CD)를 통과한 전압신호(Vb)가 입력된다. 양 전압신호의차동분이 증폭되어 후술하는 트리거 발생부(700)로 입력되며, 증폭된 가변주파수 제어신호 레벨에 따라 펄스의 주파수가 가변되도록 한다.
이러한 주파수가변 제어신호발생부(600)에서 출력되는 제어신호(Vc)를 도 5의 G6에 도시하였으며, 낮은 입력전압에서의 펄스 주파수와 클램핑된 전압(Vb)의 양의 구간에서 가변 제어된 펄스 주파수의 비교를 위하여 G6 파형의 상세파형이 각각 G7 및 G8이다.
낮은 입력전압이 인가되는 경우 스위칭 동작에 무리를 주거나, 소자 파손의 위험이 없으므로 펄스의 주파수를 제어할 필요가 없으며, 이때의 펄스 주기는 (T_L)이다.
그러나 높은 입력전압이 스위칭부(40)에 인가되는 경우 스위칭부(400)의 정상 동작을 위하여 클램핑된 전압신호(Vb)의 양의 구간에서 주파수를 가변제어하며, 최대 입력전압을 가지는 포인트의 G8 파형을 살펴보면, 펄스 주파수를 높게 하여 스위칭부(400)로 인가되는 전압을 줄인다. 이때 펄스주기는 (T_H)이며, 이는 주파수 제어 전의 펄스 주기(T_L)와 비교된다.
결국, 인버터 회로(410)로 입력되는 교류전원의 레벨에 따라 스위칭부(400)의 구동펄스 주파수가 가변 제어되며, 교류전압값이 기준전압보다 높으면 펄스 주파수가 높아지고, 기준전압보다 낮으면 펄스 주파수가 낮아지도록 제어됨에 따라 스위칭부(400)로 인가되는 전원이 스위치 소자의 내압을 초과하지 않도록 한다.
트리거 발생부(700)는 스위칭부(400)로 인가되는 직류전압(Vdc)과 스위치 전압(Vsw)을 검출하여 설정된 저항비에 의해 트리거링되는 전압레벨이 결정되어 가열부하의 변동에 따라 설정된 전압레벨이 될 때까지는 턴 오프 시간을 유지하도록 한다. 또한, 주파수가변 제어신호발생부(600)에서 출력된 제어신호에 따라 주파수를 가변된 구동펄스를 출력한다.
이러한 트리거 발생부(700)는 제 1 차동증폭기(710)와 제 2 차동증폭기(720)를 포함하여 구성되는데, 먼저 제 1 차동증폭기(710)는 상기 내솥 및 가열조리물의 상태에 따른 가열부하의 변동을 검출하기 위하여 상기 내솥을 가열시키는 코일의 양단의 전압차를 출력한다.
즉, 제 1 차동증폭기(710)의 (+)입력단에는 DC LINK전압(Vdc)이 연결되고, (-)입력단에는 스위칭 동작에 의해 생성되는 고출력의 스위치 전압(Vsw)이 연결되어 양 입력전압의 차동 증폭된 신호가 출력되어 제 2 증폭기의 (+) 입력단으로 연결된다.
제 2 차동증폭기(720)는 상기 제 1 차동증폭기에서 출력되는 전압차와 기설정된 기준전압과의 비교결과에 따라 상기 인버터 회로의 스위칭 동작을 구동시키는 구동펄스를 생성하는 동시에 상기 주파수가변 제어신호발생부(600)에서 출력되는 제어신호에 따라 상기 구동펄스의 주파수를 가변시킨다.
여기서, 상기 제 2 차동증폭기(720)는 (+)입력단에 캐소드가 연결되고, 상기 기준전압이 입력되는 (-)입력단에 애노드가 연결되어, 상기 전압차(Vdc-Vsw)와 기준전압의 차이에 따라 차폐되는 다이오드(D1)를 포함하여 구성된다. 이때, 저항 R4 및 R5가 Vcc단과 직렬 연결되고, R5에 걸리는 전압이 기준전압이 되어 다이오드의 애노드와 연결된다.
즉, 제 1 차동증폭기(710)의 차동분(Vdc-Vsw)이 양인 경우에 상기 주파수가변 제어신호(Vc)에 의한 구동펄스가 턴 온(turn-on)되므로, 가열부하의 변동에 따라 펄스신호의 턴 온/턴 오프시간이 가변되는 것이다.
따라서 도 6에 도시된 바와 같이 정상적인 가열부하가 있는 경우의 스위치 전압파형(G1')과 무부하상태의 스위치전압파형(G2')이 상이한 경우, 종래의 무부하 상태가 고려되지 않고 일정한 주파수로만 구동펄스가 생성되어 무부하 상태에서 턴 오프시간이 충분히 보장되지 않았던 문제점을 해결할 수 있다.
즉, Vsw가 Vdc이하인 때에 펄스신호가 턴 온되므로, 무부하 상태에서 턴 오프시간(T_OFF_2)이 정상상태의 턴 오프시간(T_OFF_1)에 비해 여유있게 확보될 수 있으므로 높은 스위치 전압이 걸려있는 상태에서 큰 단락 전류가 인가되는 현상을 방지할 수 있다.
이상과 같이 본 발명에 의한 유도가열 전기밥솥의 인버터 회로 제어장치에 관하여 예시된 도면을 참조로 하여 설명하였으나, 본 명세서에 개시된 실시예와 도면에 의해 본 발명은 한정되지 않고, 본 발명이 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상이 보호되는 범위 이내에서 응용이 가능하다.
상기와 같이 구성되는 본 발명의 유도가열 전기밥솥의 인버터 회로 제어장치는 저가의 차동증폭기를 이용한 주파수가변 제어신호발생부를 이용하여 입력전압의레벨에 따라 주파수를 가변 제어하여 생산비를 절감할 수 있으며, 내솥의 결합/탈거상태에 따른 가열부하의 변동에 대응되어 턴 오프시간이 확보되므로 스위치 소자의 파손 위험을 감소시키고, 인버터 회로의 신뢰성을 향상시킬 수 있다.

Claims (8)

  1. 내솥에 담긴 조리물을 가열 조리하기 위하여 고출력의 전압을 생성 및 출력하는 인버터 회로를 포함하는 유도가열 전기밥솥에 있어서,
    상기 인버터 회로에 공급되는 입력전압을 검출하는 입력전압 검출부와;
    상기 입력전압 검출부에서 검출된 입력전압 레벨에 따라 상기 인버터 회로의 스위칭 동작을 구동시키는 구동펄스의 주파수가 가변되도록 하는 제어신호를 발생시키는 주파수가변 제어신호발생부와;
    상기 주파수가변 제어신호발생부에서 출력된 제어신호에 따라 펄스주파수가 가변되는 동시에 상기 내솥 및 가열조리물의 상태변동에 따라 턴 오프시간이 가변되는 구동펄스를 생성하는 트리거 발생부를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 유도가열 전기밥솥의 인버터 회로 제어장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 입력전압 검출부는 기준 하한치 이하인 입력전압을 클램핑(clamping)하는 클램핑 다이오드를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 유도가열 전기밥솥의 인버터 회로 제어장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 주파수가변 제어신호발생부는 기설정된 기준전압값과 상기 입력전압 검출부에서 출력되는 클랭핑된 전압신호의 차동분을 증폭시킴에 따라 주파수가변 제어신호를 출력하는 차동증폭기를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 유도가열 전기밥솥의 인버터 회로 제어장치.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 주파수가변 제어신호발생부는 상기 클램핑된 전압신호가 양(+)인 구간에서 상기 클램핑된 전압신호의 전압레벨에 비례하여 상기 구동펄스의 주파수를 가변 제어하는 것을 특징으로 하는 유도가열 전기밥솥의 인버터 회로 제어장치.
  5. 제 3 항에 있어서,
    상기 트리거 발생부는 상기 내솥 및 가열조리물의 상태변동을 검출하기 위하여 상기 내솥을 가열시키는 코일의 양단의 전압차를 출력하는 제 1 차동증폭기와;
    상기 제 1 차동증폭기에서 출력되는 전압차와 기설정된 기준전압과의 비교결과에 따라 상기 인버터 회로의 스위칭 동작을 구동시키는 구동펄스를 생성하는 동시에 상기 주파수가변 제어신호발생부에서 출력되는 제어신호에 따라 상기 구동펄스의 주파수를 가변시키는 제 2 차동증폭기를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 유도가열 전기밥솥의 인버터 회로 제어장치.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 제 1 차동증폭기는 상기 인버터 회로에서 정류 및 필터링된직류전압(Vdc)과 스위칭 동작에 의해 생성되는 스위치 전압(Vsw)과의 전압차를 출력하는 것을 특징으로 하는 유도가열 전기밥솥의 인버터 회로 제어장치.
  7. 제 5 항에 있어서,
    상기 제 2 차동증폭기는 상기 전압차가 입력되는 (+)입력단에 캐소드가 연결되고, 상기 기준전압이 입력되는 (-)입력단에 애노드가 연결되어, 상기 전압차와 기준전압의 차이에 따라 차폐되는 다이오드를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 유도가열 전기밥솥의 인버터 회로 제어장치.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 제 2 차동증폭기는 주파수가변 제어신호발생부에서 출력되는 제어신호가 (+)입력단과 연결되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 유도가열 전기밥솥의 인버터 회로 제어장치.
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