KR20120098362A - 스위칭소자 보호 기능이 구비된 전압 공진형 유도가열장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 상호 병렬 연결된 워킹코일과 공진 콘덴서 간의 공진작용으로 워킹코일에 발생되는 공진전압(즉, 유도전류에 의한 전압)에 의한 자장에 기인한 전자기 유도효과로 워킹코일 위에 올려진 가열 대상물(예; 조리용기)에 와전류를 유도하여 조리용기를 가열시키는 전압 공진형 유도가열장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 전압 공진형 방식의 특성에 기인하여 스위칭 소자에 입력 상용전압의 3~4배 정도의 고전압이 걸려 스위칭 소자가 파손되지 않도록, 워킹코일에 발생되는 공진전압을 감지하여 과전압인 경우에 드라이버를 정지(즉, 오프)시켜 스위칭 소자를 보호하되, 공진전압 파형에서 과전압 구간이 극히 짧아, 제어부가 이를 정상적으로 감지하지 못하는 것을 방지하고, 아울러 정상적으로 감지하였다 하여도 일정시간 스위칭 소자의 스위칭을 정지시켜 극히 짧은 과전압 구간 이후에 정상 전압으로 판단(감지)하여 즉시 스위칭 소자가 스위칭 동작을 계속함으로써 보다 큰 공진전압이 발생되는 것을 방지함으로써, 보다 확실하게 스위칭 소자를 보호하는 스위칭소자 보호 기능이 구비된 전압 공진형 유도가열장치에 관한 것이다.
본 발명에 따른 스위칭소자 보호 기능이 구비된 전압 공진형 유도가열장치는 워킹코일; 상기 워킹코일과 병렬 연결된 공진 콘덴서; 상기 공진 콘덴서에 직류전원을 공급하는 직류부; 온오프 스위칭하여 상기 워킹코일과 공진 콘덴서 간에 공진작용이 발생되도록 하는 스위칭소자; 상기 스위칭소자를 온오프시키는 드라이버; 상기 드라이버를 제어하는 제어부; 상기 워킹코일의 출력 공진전압을 감지하는 감지부; 상기 감지부에서 과전압이 감지되면, 상기 드라이버의 구동을 일정시간 정지시켜 상기 스위칭소자를 보호하는 보호부;를 포함하여 이루어진다.

Description

스위칭소자 보호 기능이 구비된 전압 공진형 유도가열장치{Induction heating apparatus equipped with function of protecting switching device}

본 발명은 상호 병렬 연결된 워킹코일과 공진 콘덴서 간의 공진작용으로 워킹코일에 발생되는 공진전압(즉, 유도전류에 의한 전압)에 의한 자장에 기인한 전자기 유도효과로 워킹코일 위에 올려진 가열 대상물(예; 조리용기)에 와전류를 유도하여 조리용기를 가열시키는 전압 공진형 유도가열장치에 관한 것으로서,

보다 상세하게는 전압 공진형 방식의 특성에 기인하여 스위칭 소자에 입력 상용전압의 3~4배 정도의 고전압이 걸려 스위칭 소자가 파손되지 않도록, 워킹코일에 발생되는 공진전압을 감지하여 과전압인 경우에 드라이버를 정지(즉, 오프)시켜 스위칭 소자를 보호하되,

공진전압 파형에서 과전압 구간이 극히 짧아, 제어부가 이를 정상적으로 감지하지 못하는 것을 방지하고, 아울러 정상적으로 감지하였다 하여도 일정시간 스위칭 소자의 스위칭을 정지시켜 극히 짧은 과전압 구간 이후에 정상 전압으로 판단(감지)하여 즉시 스위칭 소자가 스위칭 동작을 계속함으로써 보다 큰 공진전압이 발생되는 것을 방지함으로써, 보다 확실하게 스위칭 소자를 보호하는 스위칭소자 보호 기능이 구비된 전압 공진형 유도가열장치에 관한 것이다.

유도가열장치는 워킹코일에 흐르는 유도전류의 표피효과를 이용하여 가열 대상물을 가열시키는 장치로서, 에너지 효율을 극대화한 장치이다.

유도가열장치는 대표적으로 1석식 전압 공진형과, 2석식 하브-브리지 방식이 있다.

1석식 전압 공진형 유도가열장치는 워킹코일에 공진작용이 발생되도록 하는 스위칭 소자가 하나로 구성되고, 2석식 하프-브리지 방식은 스위칭소자가 상측과 하측의 두개로 구성되며 서로 교대로 스위칭한다.

1석식 전압 공진형 유도가열장치는 회로가 간단하고 제어가 간편하여 널리 사용되고 있지만, 스위칭 소자에 입력 상용전압의 3~4배 정도의 고전압이 걸려 스위칭 소자가 스위칭 소자가 쉽게 파손되는 문제가 있다.

이처럼 전압 공진형 유도가열장치에서 스위칭 소자에 고전압이 걸리는 문제가 있어, 스위칭 소자는 일반적으로 고전압 및 고주파에 강한 IGBT를 주로 사용하고 있지만, IGBT도 과전압에 견딜 수 있는 한계치인 파손 전압에 한계가 있다.

따라서 과전압으로부터 스위칭 소자를 보호할 수 있는 수단이 절실히 요구되고 있다.

그런데 종래기술에서는 과전압으로부터 스위칭 소자를 보호할 수 있는 수단이 별도로 구비되어 있지 않다.

도1은 등록특허 제0904236호에 도시되어 있는 종래기술에 따른 전압 공진형 유도 가열장치를 도시한 것으로서, 도면에서 보는 바와 같이 종래기술에 따른 일반전인 전압 공진형 유도 가열장치는

상호 병렬 연결되어 공진작용을 하는 워킹코일(800)과 공진 콘덴서(810),

공진작용이 발생되도록 온오프 스위칭하는 스위칭 소자(710),

스위칭 소자를 온오프 시키는 드라이버(700),

발진신호를 드라이버로 입력하여 드라이버를 제어하는 제어부(600),

입력 상용전원(100)을 정류 및 평활하여 직류전원화하여 공진 콘덴서에 공진전원을 공급하는 브릿지다이오드 및 코일,

입력 상용전원의 전압과 전류를 감지하고 비교하여 제어부에 전송하는 전압보상부(200), 전류보상부(300), 전압전류 비교부(400)로 구성된다.

그리고 제어부(600)는 전압전류 비교부(400)에서 입력되는 보상신호의 크기에 따라 발진신호의 온타임 길이를 결정하고, 워킹코일(800)의 출력전압에서 위상차를 검출하여 발진신호의 턴온 시점을 결정한다.

도1과 위의 종래기술에 대한 설명에서 알 수 있듯이, 종래기술에 따른 전압 공진형 유도가열장치에는 스위칭 소자에 걸리는 전압(즉, 워킹코일의 출력 공진전압)을 감지하여, 과전압으로부터 스위칭 소자를 보호하는 수단이 구비되어 있지 않다.

종래기술에서 스위칭 소자에 걸리는 과전압을 감지하지 아니하는 것은 공진전압에서 과전압이 발생되는 초기 시점을 감지하기 어렵기 때문이다.

도3은 본 발명에 따른 전압 공진형 유도가열장치에서 주요 구성요소들에서의 입출력 파형을 도시한 것인데, 도3에서 위의 파형들을 참조하여, 종래기술에서 과전압을 감지하지 못한 이유를 설명하면 다음과 같다.

스위칭소자(IGBT)는 공진작용으로 점차 온타임이 길어지도록 온오프 스위칭하여 구형파를 발생시키고, 그에 따라 워킹코일은 진폭이 점차로 커지는 삼각파의 공진전압(CP2(-))를 출력한다. 이 출력 공진전압(CP2(-))은 스위칭소자에 걸리는 걸린다.

그리고 진폭이 점차로 커지는 출력 공진전압은 어느 시점이 되면 그 피크치가 스위칭소자를 보호하기 위한 보호전압(CP2(+))을 넘어선다.

그런데 출력 공진전압 파형에서 보호전압을 넘는 부분의 시간은 극히 짧고, 일반적으로 피크치가 최초로 보호전압을 넘는 부분은 1us 이하이다.

그래서 공진전압 파형에서 직접 최초로 보호전압을 넘어서는 공진전압을 넘는 시점을 감지해 내는 것은 현실적으로 불가능하다고 할 수 있다.

최초로 보호전압을 넘는 공진전압이 발생한 이후에 발생되는 공진전압은 보호전압을 넘는 시간이 점차로 점차로 길어져 이를 감지해 낼 수 있게 되지만, 최초로 보호전압을 넘고 난 뒤, 한 두번 후에 발생되는 공진전압 파형의 피크치는 스위칭소자가 파손되는 파손전압을 넘게 된다.

따라서 보호전압이 최초로, 또는 적어도 두 번째 발생한 시점의 공진전압 파형으로부터 과전압(즉, 피크치가 보호전압을 넘어 섬)을 감지해 내야 한다.

그런데, 종래기술에서는 이처럼 극히 짧은 시간 동안에 발생되는 과전압을 감지할 수가 없어서, 그 필요성에도 불구하고 과전압의 감지수단과 감지 결과로 스위칭소자를 제어하여 보호하는 수단을 구비하지 못하였다.

그리고 설사 피크치가 보호전압(과전압)을 넘어서는 초기 시점의 공진전압을 감지하더라도, 문제는 공진전압 파형에서 과전압 구간이 극히 짧아서 과전압으로 감지하였다가도 즉시로 보호전압 이하의 정상전압으로 감지되므로, 이후에도 공진작용은 지속된다는 것이다.

즉, 공진전압 파형의 피크치가 예정된 크기 보다는 조금 작을 수 있지만, 피크치가 점차 커지는 공진작용은 계속되므로, 극히 짧은 순간에 발생되는 과전압을 감지하는 것만으로는 큰 의미가 없고, 과전압을 최초로 감지한 시점 이후로 일정시간 이상 스위칭 소자가 스위칭을 정지하도록 하여 공진작용을 일정시간 정지시켜 공진전압 파형의 피크치를 확 줄인 후에 다시 공진작용이 발생하도록 하여야 한다.

본 발명은 위와 같이 종래기술에 따른 전압 공진형 유도가열장치가 갖는 문제를 해결하기 위해 안출된 발명으로서, 워킹코일의 출력 공진전압, 즉, 스위칭 소자에 걸리는 전압을 감지하고, 감지 결과 과전압인 경우에 스위칭 소자의 스위칭 동작을 일정시간 이상 정지시켜 과전압으로부터 스위칭 소자가 파손되는 것을 방지하고,

과전압이 최초로 발생한 시점 이후에 이에 대한 출력신호의 상태를 일정시간 이상 유지시켜 과전압이 발생한 사실을 보다 정확하게 감지하고, 스위칭 소자의 정지상태도 일정시간 이상 유지시켜 과전압에 의한 스위칭 소자의 보호를 보다 확실히 한 스위칭소자 보호 기능이 구비된 전압 공진형 유도가열장치를 제공함을 목적으로 한다.

또한, 회로구성을 간소화하여 제조원가를 절감하고, 공진작용에 따른 고주파와 노이즈, 고온 등에 악영향을 받는 전자소자들은 인버터보드에서 떨어진 제어보드에 장착하여 보다 정밀한 제어와 파손을 방지할 수 있는 전압 공진형 유도가열장치를 제공함을 또 다른 목적으로 한다.

이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 스위칭소자 보호 기능이 구비된 전압 공진형 유도가열장치는

워킹코일;

상기 워킹코일과 병렬 연결된 공진 콘덴서;

상기 공진 콘덴서에 직류전원을 공급하는 직류부;

온오프 스위칭하여 상기 워킹코일과 공진 콘덴서 간에 공진작용이 발생되도록 하는 스위칭소자;

상기 스위칭소자를 온오프시키는 드라이버;

상기 드라이버를 제어하는 제어부;

상기 워킹코일의 출력 공진전압을 감지하는 감지부;

상기 감지부에서 과전압이 감지되면, 상기 드라이버의 구동을 일정시간 정지시켜 상기 스위칭소자를 보호하는 보호부;를 포함하여 이루어진다.

그리고 상기 감지부는

상기 워킹코일의 출력 공진전압을 전압 분배하여 감지하는 분배저항과,

상기 분배저항이 감지한 출력 공진전압과 기준전압을 입력받아 비교하는 제2비교기를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하고,

상기 보호부는

상기 감지부의 출력신호와 기준전압을 입력받아 비교하며, 출력신호를 상기 드라이버로 전송하는 제3비교기와,

상기 제2비교기의 출력신호가 입력되는 입력라인에 연결되며, 상기 보호부로부터 과전압에 해당하는 출력신호가 입력된 이후에, 증가(또는 감소)되는 자신의 충전전압을 상기 제3비교기에 입력하여, 상기 제3비교기의 출력신호를 일정시간 유지시키는 출력유지 콘덴서를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하고,

상기 워킹코일 양단의 입력전압과 출력전압을 입력받아 위상차를 검출하고, 이를 상기 제어부로 전송하여, 상기 스위칭소자의 턴온 시점을 결정하는 트리거부;를 더 포함하고,

상기 보호부는 상기 출력유지 콘덴서에 병렬 연결되어 충전전압을 방전시키는 방전 저항과, 상기 출력유지 콘덴서에 직렬 연결되어 충전전압을 공급하는 충전 저항을 더 포함하고,

상기 제어부는 상기 보호부 제3비교기의 출력신호를 입력받아, 상기 드라이버가 상기 보호부에 의해 구동 정지 상태가 해제된 이후에 일정시간 더 구동 정지 상태를 유지시키는 것을 특징으로 한다.

위와 같은 구성을 갖는 본 발명에 따른 스위칭소자 보호 기능이 구비된 전압 공진형 유도가열장치는 스위칭 소자가 고전압으로부터 확실하게 보호되어 보다 장기간 그리고 안정적으로 구동이 가능하고, 스위칭 소자의 파손에 따른 교체 비용이 줄어들게 되어 경제적이다.

도 1 은 종래기술에 따른 전압 공진형 유도가열장치의 회로도.
도 2는 본 발명에 따른 전압 공진형 유도가열장치의 회로도.
도 3 은 본 발명에 따른 전압 공진형 유도가열장치에서 주요 구성요소의 동작 파형도.
도 4 는 본 발명에 따른 전압 공진형 유도가열장치에서 고주파에 의해 트리거부에 유입되는 노이즈를 최소화하여 안정적이고 신뢰도 높은 동작이 되도록 하는 본 발명에 따른 제어보드와 인버터보드의 회로 배치도,
도 5 는 종래기술에 따른 제어보드와 인버터보드의 회로 배치도.

이하, 도2 내지 도4를 참조하여 본 발명에 따른 스위칭소자 보호 기능이 구비된 전압 공진형 유도가열장치에 대하여 보다 구체적으로 설명한다.

도2에서 보는 바와 같이 본 발명에 따른 스위칭소자 보호 기능이 구비된 전압 공진형 유도가열장치는 워킹코일(WC), 공진 콘덴서(C3), 직류부(10), 스위칭소자(Q1), 드라이버(60), 제어부(50), 감지부(30), 보호부(40)라는 대 구성요소를 포함하여 이루어진다.

여기서, 상기 워킹코일(WC), 공진 콘덴서(C3), 직류부(10), 스위칭소자(Q1)의 구성은 일반적으로 전압 공진형 인버터(90)라고 한다. 즉, 전압 공진형 인버터(90)를 구성하는 워킹코일(WC), 공진 콘덴서(C3), 직류부(10), 스위칭소자(Q1)는 공지의 기술이다. 따라서 이들에 대하여는 간략히 설명한다.

우선, 상기 직류부(10)는 입력되는 상용전원, 즉 교류전원을 직류전원으로 변환하여 상기 공진 콘덴서(C3)에 공진전원을 공급한다.

상기 직류부(10)는 입력되는 상용전원을 전파정류하는 브릿지다이오드(BD1)와, 상기 브릿지다이오드(BD1)를 통해 정류된 전원을 평활하여 직류화하는 평활 콘덴서(C1, C2)와 인덕터(L1)로 구성된다.

그리고 도면에 도시하지 아니하였으나, 상기 직류부(10) 전단에는 입력되는 상용전원에서 노이즈를 제거하는 라인필터, 서지를 차단 흡수하는 바리스터와 어레스터, 과전류를 차단하는 퓨즈 등이 구비될 수 있다.

서로 병렬 연결된 상기 워킹코일(WC)과 공진 콘덴서(C3)는 상기 스위칭 소자(Q1)의 스위칭에 따라 공진작용을 한다.

다시 말해, 상기 공진 콘덴서(C3)는 상기 직류부(10)에서 입력되는 공진전원에 의해 충전되고, 상기 스위칭 소자(Q1)의 스위칭 동작에 따라 방전과 충전을 반복한다.

그리고 상기 워킹코일(WC)은 상기 공진 콘덴서(C3)의 충방전에 따라 역기전력이 발생하여 강력한 자계를 형성하고, 이 자계에 의해 유도전류(즉, 공진전압)가 발생한다.

그리고 워킹코일(WC)에서 발생되는 유도전류(즉, 공진전압)는 그 위에 놓여지는 가열 대상체에 와전류가 유도되도록 하고, 이 와전류에 의해 저항체인 가열 대상체는 가열된다.

상기 스의칭 소자(Q1)는 온오프 스위칭하여 상기 워킹코일(WC)과 공진 콘덴서(C3) 간에 공진작용이 발생하도록 한다.

전술한 바와 같이 상기 스위칭 소자(Q1)는 고전압과 고주파수에 강한 IGBT가 바람직하다.

그리고 상기 스위칭소자(Q1)는 상기 제어부(50)의 제어를 받는 드라이버(60)에 의해 구동되는데, 공진작용이 지속되면서 그 온타임이 점차로 길어지도록 온오프 스위칭한다.

이때 상기 제어부(50)가 드라이버(50)를 통해 제어하는 상기 스위칭 소자(Q1)의 온오프 동작에서, 온타임 길이는 입력측 상용전원의 전압과 전류를 비교한 보상 신호의 크기에 따라 결정되고, 턴온 시점은 워킹코일(WC) 양단에서 발생되는 공진전압의 위상차에 따라 결정된다.

이를 보다 구체적으로 설명하면 다음과 같다.

우선, 입력단에 연결된 변류기(CT)는 입력되는 상용전원의 전류를 감지하고, 입력전류 검출회로(80)는 변류기(CT)에서 입력되는 전류로부터 전류의 세기와 위상을 검출하여 제어부(50)에 전송한다.

그리고 입력측에 연결된 입력 전압 검출부(70)는 입력 전압을 감지하여 제어부(50)로 전송한다. 상기 입력 전압 검출부(70)는 입력 상용전압을 양파정류하는 정류다이오드(D1, D2)와, 정류다이오드(D1, D2)에서 정류된 입력 전압을 전압 분배하는 저항(R11, R12)과, 저항(R11, R12)에서 분배된 전압을 평활하고 노이즈를 제거하여 제어부에 전송하는 캐패시터(C1)로 구성된다.

그리고 제어부(50)는 전송 받은 입력측 상용전원의 전류와 전압을 상호 비교하여 보상 신호의 크기를 검출하고, 검출된 보상 신호의 크기에 따라 스위칭의 온타임을 조절한다. 즉, 보상 신호의 크기가 클수록 온타임을 길게하여 공진전압의 진폭이 커지도록 한다.

다음으로, 트리거부(20)는 워킹코일(WC)의 양단, 즉, 입력측과 출력측으로부터 각각 공진전압을 입력받고, 이를 비교하여 워킹코일(WC) 양단의 위상차를 검출하여 상기 제어부로 전송한다.

그리고 상기 제어부(50)는 전송받은 워킹코일(WC) 양단의 위상차 신호로부터 공진 시정수와 동기화되는 턴온 시점을 연산하여 결정한다.

그리고 상기 제어부(50)에는 워킹코일(WC)의 센터측과 측면측에 각각 배치되어 발열되는 온도를 감지하는 두 온도센서(TH1, TH2)로부터 감지한 온도신호를 전송받고, 전송된 온도에 따라 상기 드라이버(60)를 제어하여 스위칭 소자(Q1)의 온오프 스위칭을 제어함으로써, 과열되지 아니하도록 한다. 스위칭 소장(Q1)는 콜렉터와 이미터 간의 정격 전압, 콜렉터의 정격 전류를 초과하는 경우뿐만 아니라 동작 온도가 정격 온도를 초과하는 경우에도 파손된다. 따라서 온도로부터 보호하기 위해 온도센서(TH1, TH2)가 구비되는 것이다.

또한, 상기 제어부(50)에는 사용자의 조작신호를 입력받는 다수의 입력키와, 동작 상태를 알려주는 디스플레이부가 연결된다.

상기 트리거부(20)는 전술한 바와 같이 상기 워킹코일(WC)의 양단 공진전압을 입력받고, 이로부터 위상차를 검출하여 스위칭 소자(Q1)의 턴온 시점을 결정한다.

상기 트리거부(20)는 워킹코일(WC)의 양단전압을 각각 전압 분배하는 저항들(R1, R2와 R3, R4)과, 전압 분배된 양단의 전압을 각각 평활하는 캐패시터(C4, C5)와, 평활된 양단의 전압을 각각 반전(-) 단자와 비반전(+) 단자로 입력받아 비교하여 위상차를 검출하고, 이를 상기 제어부(50)로 전송하는 제1비교기(CP1)를 포함하여 이루어진다.

참고로, 상기 제1비교기(CP1)와, 이하에서 설명할 제2비교기(CP2) 및 제3비교기(CP3)의 출력 형태는 오픈 컬렉터를 기준으로 하여 설명한다. 즉, 주 출력인 하이(Hi)에서 오픈(Open) 형태인 것이다. 물론, 오픈 형태에서 주 출력이 로우(Low)인 오픈 드레인 방식의 비교기도 사용 가능하다.

또한, 상기 제1,2,3비교기(CP1,2,3)의 반전(-) 단자와, 비반전(+) 단자로 각각 입력되는 신호는 이를 반대 단자로 입력되도록 할 수도 있고, 이들(CP1,2,3)의 출력신호인 Hi와 Low 역시 반대로 되도록 할 수 있다. 물론, 이때에는 반전, 비반전 단자로 입력되는 신호와 출력 단자로 출력되는 출력 신호 간에 관계가 맞도록 하는 설정이 필요하다.

상기 감지부(30)는 상기 워킹코일(WC)의 출력 공진전압(즉, 도면에서 점B의 전압으로서, 스위칭 소자(Q1)의 콜렉터단 전압)을 감지하여, 공진전압 피크치가 과전압을 넘었는지 판단한다.

상기 감지부(30)는 스위칭 소자(Q1)인 IGBT의 컬렉터단에 걸리는 전압(점B)을 전압 분배하는 저항(R5, R6)과, 상기 저항(R5, R6)에서 전압 분배된 전압을 반전단자(-)로 입력받고, 과전압 여부의 판단이 되는 기준전압을 비반전단자(+)로 입력받아 비교하는 제2비교기(CP2)로 구성된다.

상기 제2비교기(CP2)는 상기 반전단자(-)로 입력되는 스위칭 소자(Q1)의 콜렉터단 전압이 정상인 경우, 즉, 비반전단자(+)로 입력되는 기준레벨(기준1)의 기준전압 보다 작은 경우, 출력은 Open상태(즉, Hi)가 된다.

그런데, 도3에서 도시된 것과 같이 피크치가 최초로 기준전압을 넘어서는 구간이 발생하는 공진전압에서, 기준전압(즉, 과전압)을 넘어서는 구간의 시간은 극히 짧다.

다시 말해, 도3에서 나타낸 것과 같이, 제2비교기(CP2)가 과전압을 감지하는 시간, 즉, 오픈 상태에서 공진전압이 과전압을 넘어서 쇼트되었다가 다시 공진전압이 과전압 아래로 내려가 오픈되는 시기(즉, 제2비교기가 과전압으로 판단하여 출력신호가 Low로 출력되는 시기)는 스위칭 소자(Q1)인 IGBT가 오프(Off)되는 시점의 공진파형이 최대인 부근이므로 1us이하의 매우 짧은 시간이어서, 이를 그대로 제어부에 전송하더라도, 제어부(50)는 이를 정상적으로 인지할 수 없어 적절한 제어가 불가능하다.

따라서, 제어부(50)가 상기 감지부(30)가 감지하여 출력하는 과전압 신호를 정상적으로 인지할 수 있는 수단이 필요하고, 이 수단이 상기 보호부(40)이다.

또한, 극히 짧은 과전압 시기를 정상 감지하지 못하여, 전압공진은 계속하여 발생하고, 그에 따라 스위칭 소자Q1)가 파손될 위험이 있으므로, 과전압이 발생한 시점에서 일정 시간 이상 스위칭 소자(Q1)의 온오프 스위칭을 강제로 정지시킬 필요가 있고, 이 또한 상기 보호부(40)가 담당한다.

상기 보호부(40)는 상기 감지부(30)가 공진전압에 과전압이 포함되어 있는 것을 감지한 때에 상기 드라이버(60)의 구동을 일정시간 정지시켜 스위칭 소자(Q1)를 보호하고, 과전압이 감지되었다는 출력신호를 일정시간 이상 지속시켜 상기 제어부(50)로 전송함으로써, 제어부(50)가 과전압이 있음을 충분히 인지하도록 한다.

상기 보호부(40)는 상기 감지부(30) 제2비교기(CP2)의 출력신호를 비반전단자(+)로 입력받고, 기준전압을 반전단자(-)로 입력받아 비교하며, 비교결과를 상기 제어부(50)로 전송함과 동시에 상기 드라이버(60)로 전송하여 드라이버(60)의 구동을 정지시키는 제3비교기(CP3)와, 상기 제2비교기(CP2)의 출력신호가 상기 제3비교기(CP3)로 입력되는 입력라인, 즉, 제3비교기(CP3)의 비반전단자(+)에 연결되어 있으며, 자신의 충전전압을 방전하여 제3비교기(CP3) 비반전단자(+)로 입력하여 제3비교기의 출력신호를 일정시간 유지시키는 출력유지 콘덴서(C7)와, 상기 출력유지 콘덴서(C7)에 병렬 연결되어 콘데서(C7)의 충전전압을 방전시키는 방전 저항(R8)과, 상기 출력유지 콘덴서(C7)에 직렬 연결되어 인가전원(V+)을 콘덴서(C7)에 공급하여 충전시키는 충전 저항(R7)을 포함하여 이루어진다.

상기 보호부(40)의 동작을 도3의 회로 동작 파형을 참조하여 설명한다.

우선, 워킹코일(WC)의 출력 공진전압(즉, 스위칭 소자(Q1)의 콜렉터 이미터 간 전압)이 기준전압으로 설정된 과전압을 넘기 전에는 정상 상태로 상기 제2비교기(CP2)의 출력은 Hi가 되어 상기 제3비교기(CP3)의 비반전단자(+)로 입력되고, 제3비교기(CP3)의 반전단자(-)에는 기준전압이 입력된다. 그래서 이때는 반전단자(-)기준전압이 비반전단자(+)의 입력전압 보다 작으므로 제3비교기(CP3)의 출력은 Open 상태(즉, Hi)가된다.

참고로, 이때는 제3비교기(CP3)의 비반전단자(+)는 저항 R7, R8에 의해 바이어스전압이 걸리고, 제2비교기(CP2)의 출력은 Open 상태이므로 영향을 주지 못하며, 제3비교기(CP3)의 비반전단자(+) 전압은 V+가 된다.

다음으로, 스위칭 소자(Q1)의 콜렉터 전압(출력 공진전압)이 상승하여 피크치가 과전압(즉, 기준전압)을 넘어서면, 제2비교기(CP2)의 반전단자(-)의 전압이 기준전압(기준1)보다 높게 되면서 제2비교기(CP2)의 출력은 Low 상태가 되고, 그에 따라 제3비교기(CP3)의 비반전단자(+)는 Low 상태가 된다. 그러면 비반전단자(+)의 전압은 기준전압(기준1) 보다 낮게 되므로 제3비교기(CP3)의 출력은 Low 상태가 된다.

그러데 앞에서 설명된 바와 같이 제2비교기(CP2)의 출력이 Low되는 시간은 1us이하로 매우 짧은 시간이며, 바로 Open 상태로 복귀되므로, 제3비교기(CP3)가 출력신호 Low를 일정시간 유지하도록 하여야 한다.

제2비교기(CP2)의 출력이 Low되는 시간에는 제3비교기(CP3) 비반전단자(+)에 연결된 저항 R8과 병열 연결된 출력유지 콘덴서(C7)의 초기조건은 0V이며, 제2비교기(CP2)의 출력이 Hi된 이후에는 인가전원 V+에서 저항 R7를 통해 C7를 충전하게 되고, 그에 따라 제3비교기(CP3) 비반전단자(+)의 입력전압이 상승하게 된다.

출력유지 콘덴서(C7)의 충전전압이 상승하여 제3비교기(CP3)의 비반전단자(+) 전위가 반전단자(-)의 기준전압(기준1)보다 높게 상승하게 될 때까지 제3비교기(CP3)의 출력은 Low 상태를 유지하게 된다.

그리고 출력이 Low 상태로 유지되는 시간 동안 제3비교기(CP3)의 출력신호를전송받은 드라이버는 강제로 구동이 정지되고, 또한 제3비교기(CP3)의 출력신호를전송받은 제어부는 충분한 시간의 Low 출력신호를 전송받아 과전압 여부를 정확하게 인식한다.

참고로, 이때 출력유지 콘데서(C7)의 상승하여 기준전압에 도달하는 시간, 다시 말해 제3비교기(CP3)가 출력신호를 Low 상태를 유지하는 시간은 C7과 R7의 시정수로 결정된다.

그리고 본 발명에서 제3비교기(CP3) 비반전단자(+)에의 인가전압 V+는 15V를, 기준전압은 1/2 V+ 즉 7.5V를 사용했으며, 저항 R8은 R7보다 약 2배 정도 크게 사용하며, R8을 200kohm, R7을 100kohm 사용했을 때 제3비교기(CP3)의 비반전단자(+)는 {R8/(R7+R8)}*V+= 10V로 기준으로 하였다.

그리고 일반적으로 유도가열장치 구동회로는 사용자의 조작을 위한 제어보드(3)와, 공진작용으로 워킹코일(WC)을 가열시키는 인버터보드(1)로 분리되며, 인버터보드(1)는 워킹코일(WC)에 인접하여 배치되고, 제어보드(3)는 사용자 조작과 워킹코일(WC)에 의한 영향을 받지 않도록 인버터보드(1)에서 떨어져 사용자에게 편리한 위치에 배치된다.

그리고 도5에서 보는 바와 같이 종래기술에서는 인버터보드(1)에 대부분의 전자소자, 즉, 공진 콘덴서(C3), 트리거회로(20), 인버터마이컴(50A) 등이 장착되고, 제어보드(3)에는 제어마이컴(50B)과, 사용자 조작을 위한 버튼과 디스프레이부가 장착된다.

참고로, 상기 인버터마이컴(50A)은 드라이버(60)와, 전류검출회로(80)와, 전압검출부(70)와, 제어부(50)의 일부를 포함하고, 상기 제어마이컴(50B)는 제어부(50)의 나머지 일부를 포함한다.

그런데 위와 인버터보드에 대부분의 전자소자를 장착하는 경우에는 워킹코일(SW)과 공진 콘덴서(C3) 간의 공진작용에 따라 발생하는 고주파에 트리거부(20)와 인버터마이컴(50A)가 영향을 받고, 그에 따라 유도가열장치의 제어가 정밀하게 되지 못하고, 스위칭소자(Q1)가 파손되는 문제가 발생한다.

특히, 공진작용에 따른 고주파의 영향으로 트리거부(20)에 노이즈가 유입되어 턴온시점 결정에 오류가 발생되고, 전류검출회로(80)와, 전압검출부(70)에도 노이즈가 유입되어 온타임 결정에 오류가 발생될 위험이 높다.

그리고 이러한 오류가 발생하면 유도가열장치의 정밀한 제어가 어렵게 될 뿐만 아니라 스위칭소자(Q1)에 인가되는 온오프 스위칭 신호의 변형으로 스위칭 소자가 파손될 수도 있다.

이러한 종래기술에 따른 문제를 해결하기 위해 본 발명은 도4에서 도시한 바와 같이 인버터보드(1)에는 공진작용을 하는 워킹코일(WC)과 공진 콘덴서(C3)와, 온오프 스위칭하는 스위칭 소자(Q1)와, 상용전원을 직류전원으로 변환하는 직류부(10)를 장착, 즉, 일반적인 전압 공진형 인버터(90)를 장착하고,

워킹코일(WC)과 공진 콘덴서(C3)의 공진작용에 영향을 받는 트리거부(20), 드라이버(60), 제어부(50), 전류검출회로(80), 전압검출부(70)는 제어보드(3)에 장착하였다.

그리고 인버터보드(1)에서 제어보드(3)로 이동하여 장착된 전자소자들은 커넥터(J1, J2)를 통해 인버터보드(1)에 전기적으로 연결하여, 전기적 신호를 송수신하도록 하였다.

이처럼 공진작용에 따른 고주파, 노이즈, 고온 등에 영향을 받아, 유도가열장치의 제어야 악영향을 줄 수 있는 전자소자들을 인버터보드(1)에서 떨어진 제어보드(3)에 장착하고, 케넥터(J1, J2)를 통해 전기적 신호의 송수신은 정상적으로 이루어지도록 함으로써, 본원발명은 오동작이나 파손 등의 위험을 획기적으로 줄일 수 있다.

이상에서 본 발명을 설명함에 있어 첨부된 도면을 참조하여 특정 회로도의 스위칭소자 보호 기능이 구비된 전압 공진형 유도가열장치에 대해 설명하였으나 본 발명은 당업자에 의하여 다양한 변형 및 변경이 가능하고, 이러한 변형 및 변경은 본 발명의 보호범위에 속하는 것으로 해석되어야 한다.

1 : 인버터보드 3 : 제어보드
10 : 직류부 20 : 트리거부
30 : 감지부 40 : 보호부
50 : 제어부 60 : 드라이버
70 : 전압 검출부 80 : 전류 검출회로
90 : 인버터
WC : 워킹코일 C3 : 공진 콘덴서
Q1 : 스위칭 소자 J1, J2 : 커넥터

Claims (4)

1. 워킹코일;
   상기 워킹코일과 병렬 연결된 공진 콘덴서;
   상기 공진 콘덴서에 직류전원을 공급하는 직류부;
   온오프 스위칭하여 상기 워킹코일과 공진 콘덴서 간에 공진작용이 발생되도록 하는 스위칭소자;
   상기 스위칭소자를 온오프시키는 드라이버;
   상기 드라이버를 제어하는 제어부;
   상기 워킹코일의 출력 공진전압을 감지하는 감지부;
   상기 감지부에서 과전압이 감지되면, 상기 드라이버의 구동을 일정시간 정지시켜 상기 스위칭소자를 보호하는 보호부;를 포함하여 이루어지는 스위칭소자 보호 기능이 구비된 전압 공진형 유도가열장치.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 감지부는
   상기 워킹코일의 출력 공진전압을 전압 분배하여 감지하는 분배저항과,
   상기 분배저항이 감지한 출력 공진전압과 기준전압을 입력받아 비교하는 제2비교기를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 스위칭소자 보호 기능이 구비된 전압 공진형 유도가열장치.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
   상기 보호부는
   상기 감지부의 출력신호와 기준전압을 입력받아 비교하며, 출력신호를 상기 드라이버로 전송하는 제3비교기와,
   상기 제2비교기의 출력신호가 입력되는 입력라인에 연결되며, 상기 보호부로부터 과전압에 해당하는 출력신호가 입력된 이후에, 증가(또는 감소)되는 자신의 충전전압을 상기 제3비교기에 입력하여, 상기 제3비교기의 출력신호를 일정시간 유지시키는 출력유지 콘덴서를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 스위칭소자 보호 기능이 구비된 전압 공진형 유도가열장치.
4. 제 3 항에 있어서,
   상기 워킹코일 양단의 입력전압과 출력전압을 입력받아 위상차를 검출하고, 이를 상기 제어부로 전송하여, 상기 스위칭소자의 턴온 시점을 결정하는 트리거부;를 더 포함하고,
   상기 보호부는 상기 출력유지 콘덴서에 병렬 연결되어 충전전압을 방전시키는 방전 저항과, 상기 출력유지 콘덴서에 직렬 연결되어 충전전압을 공급하는 충전 저항을 더 포함하고,
   상기 제어부는 상기 보호부 제3비교기의 출력신호를 입력받아, 상기 드라이버가 상기 보호부에 의해 구동 정지 상태가 해제된 이후에 일정시간 더 구동 정지 상태를 유지시키는 것을 특징으로 하는 스위칭소자 보호 기능이 구비된 전압 공진형 유도가열장치.

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