KR20180080462A - Wpt 구현 가능한 전자 유도 가열 조리기 및 pfc 전력 변환 장치 - Google Patents

Wpt 구현 가능한 전자 유도 가열 조리기 및 pfc 전력 변환 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명의 실시 예에 따른 전자 유도 가열 조리기는 외부 전원으로부터 공급된 교류 전압을 직류 전압으로 변환하는 정류부, 정류부로부터 출력된 전압을 이용하여 가열 코일에 전류를 공급하는 인버터, 인버터에 의해 전류가 흐르면 자기장을 발생시키는 가열 코일, 정류부로부터 전압이 출력되는 DC 양단과 가열 코일 사이에 직렬 연결된 복수의 커패시터를 포함하는 공진 커패시터, 공진 커패시터와 병렬 연결될 수 있는 WPT 커패시터 및 공진 커패시터와 WPT 커패시터의 병렬 연결 여부를 결정하는 모드 전환 스위치를 포함한다.

Description

WPT 구현 가능한 전자 유도 가열 조리기 및 PFC 전력 변환 장치{INDUCTION HEAT COOKING APPARATUS TO IMPLEMENT WPT AND PFC POWER CONVERTER}
본 발명은 전자 유도 가열 조리기 및 그의 동작 방법에 관한 것이다.
최근에는 전기레인지의 시장 규모가 점차 확대되는 추세이다. 이는, 전기레인지의 경우 연소 과정에서 일산화탄소를 발생시키지 않고, 가스 누출이나 화재 등 안전사고의 위험이 낮기 때문이다.
한편, 전기레인지는 전기저항이 큰 니크롬선을 이용하여 전기를 열로 전환하는 하이라이트 방식과, 자기장을 발생시켜 전자유도 가열방식을 통해 열을 가하는 인덕션 방식이 있다.
전자 유도 가열 조리기는 인덕션 방식에 따라 동작하는 전기레인지를 의미할 수 있다. 전자 유도 가열 조리기의 작동 원리를 설명하면 아래와 같다.
일반적으로, 전자 유도 가열 조리기는 내부에 구비된 워킹 코일(Working Coil) 또는 가열 코일에 고주파의 전류를 흐르게 한다. 워킹 코일 또는 가열 코일에 고주파의 전류가 흐르면 강력한 자력선이 발생하게 된다. 워킹 코일 또는 가열코일에서 발생한 자력선은 조리기기를 통과할 때 와류전류(Eddy Current)를 형성하게 된다. 따라서, 조리기기에 와류전류가 흐름에 따라 열이 생성되어 용기 자체를 가열시키고, 용기가 가열됨에 따라 용기 안의 내용물을 가열시킨다.
위와 같이, 전자 유도 가열 조리기는 조리기기 자체에 열을 유도시켜 내용물을 가열하는 원리를 이용한 전기조리 장치이다. 전자 유도 가열 조리기를 이용하면 산소를 소모하지 않고, 폐가스를 배출하지 않아 실내공기 오염을 줄일 수 있다. 또한, 전자 유도 가열 조리기는 에너지 효율과 안정성이 높으며, 용기 자체를 가열시키기 때문에 화상의 위험이 낮다.
본 발명의 제1 과제는 동일한 가열 코일을 이용하여 조리기기를 가열하거나 무선 전력을 전송하는 전자 유도 가열 조리기를 제공하고자 한다.
본 발명의 제2 과제는 전자 유도 가열 조리기로부터 전송된 무선 전력을 수신하기 위한 PFC 전력 변환 장치를 제공하고자 한다.
본 발명의 제1 과제를 해결하기 위한 전자 유도 가열 조리기는, 조리기기 가열 모드로 동작하거나 무선 전력 전송 모드로 동작함에 따라 공진 커패시터와 병렬 연결되지 않거나 병렬 연결되는 WPT 커패시터 및 병렬 연결 여부를 결정하는 모드 전환 스위치를 포함할 수 있다.
본 발명의 제2 과제를 해결하기 위한 PFC 전력 변환 장치는, 전자 유도 가열 조리기로부터 교류 전원을 수신하여, 변동 부하로 고정 전압을 출력하기 위한 PFC 회로를 포함할 수 있다.
본 발명의 다양한 실시 예에 따르면, 조리기기 가열 모드 또는 무선 전력 전송 모드로 동작하는 전자 유도 가열 조리기를 제공할 수 있는 효과가 있다.
본 발명의 다양한 실시 예에 따르면, WPT 커패시터 및 모드 전환 스위치를 통해 공진 주파수를 조절함으로써, 동일한 가열 코일을 통해 조리기기 가열 모드로 동작하거나 무선 전력 전송 모드로 동작할 수 있는 효과가 있다.
본 발명의 다양한 실시 예에 따르면, 변동 부하를 포함하는 무선 전력 수신 장치가 전자 유도 가열 조리기로부터 무선 전력을 수신하는 경우 안정적으로 동작할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 전자 유도 가열 조리기의 작동 모습을 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 전자 유도 가열 조리기의 측면 단면도를 나타내는 도면이다.
도 3은 전자 유도 가열 조리기의 회로도를 나타내는 예시 도면이다.
도 4는 전자 유도 가열 조리기의 주파수에 따른 출력 전력을 나타내기 위한 도면이다.
도 5a 내지 도 5b는 본 발명의 실시 예에 따른 전자 유도 가열 조리기의 회로도를 나타내는 도면이다.
도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 전자 유도 가열 조리기를 나타내는 등가 회로도이다.
도 7은 본 발명의 실시 예에 따른 무선 전력 전송 모드에 따른 동작 주파수 결정 방법을 설명하기 위한 전압 이득 곡선의 예시 도면이다.
도 8은 본 발명의 실시 예에 따른 2차측 부하가 고정 부하인 경우 전자 유도 가열 조리기로부터 무선 전력을 수신하기 위한 회로도를 나타내는 도면이다.
도 9는 본 발명의 실시 예에 따른 2차측 부하가 변동 부하인 경우 전자 유도 가열 조리기로부터 무선 전력을 수신하기 위한 회로도를 나타내는 도면이다.
도 10은 본 발명의 실시 예에 따른 PFC 전력 변환 장치를 설명하기 위한 도면이다.
도 11은 본 발명의 실시 예에 따른 전자 유도 가열 조리기가 동작하는 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
도 12는 본 발명의 실시 예에 따른 전자 유도 가열 조리기가 가열용 제품이 위치한 경우 작동 모습을 설명하기 위한 도면이다.
도 13은 본 발명의 실시 예에 따른 전자 유도 가열 조리기가 무선 전력 수신용 제품이 위치한 경우 동작 회로도를 나타내는 도면이다.
도 14는 본 발명의 실시 예에 따른 전자 유도 가열 조리기가 무선 전력 수신용 제품이 위치한 경우 작동 모습을 나타내는 도면이다.
도 15는 본 발명의 실시 예에 따른 전자 유도 가열 조리기 시스템의 효율을 나타내는 도면이다.
도 16은 본 발명의 실시 예에 따른 전자 유도 가열 조리기 시스템의 역률을 나타내는 도면이다.
이하의 내용은 단지 본 발명의 원리를 예시한다. 그러므로 당업자는 비록 본 명세서에 명확히 설명되거나 도시되지 않았지만 본 발명의 원리를 구현하고 본 발명의 개념과 범위에 포함된 다양한 장치를 발명할 수 있는 것이다. 또한, 본 명세서에 열거된 모든 조건부 용어 및 실시 예들은 원칙적으로, 본 발명의 개념이 이해되도록 하기 위한 목적으로만 명백히 의도되고, 이와 같이 특별히 열거된 실시 예들 및 상태들에 제한적이지 않는 것으로 이해되어야 한다.
또한, 본 발명의 원리, 관점 및 실시 예들뿐만 아니라 특정 실시 예를 열거하는 모든 상세한 설명은 이러한 사항의 구조적 및 기능적 균등물을 포함하도록 의도되는 것으로 이해되어야 한다. 또한 이러한 균등물들은 현재 공지된 균등물뿐만 아니라 장래에 개발될 균등물 즉 구조와 무관하게 동일한 기능을 수행하도록 발명된 모든 소자를 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
본 명세서의 청구범위에서, 상세한 설명에 기재된 기능을 수행하기 위한 수단으로 표현된 구성요소는 예를 들어 상기 기능을 수행하는 회로 소자의 조합 또는 펌웨어/마이크로 코드 등을 포함하는 모든 형식의 소프트웨어를 포함하는 기능을 수행하는 모든 방법을 포함하는 것으로 의도되었으며, 상기 기능을 수행하도록 상기 소프트웨어를 실행하기 위한 적절한 회로와 결합된다. 이러한 청구범위에 의해 정의되는 본 발명은 다양하게 열거된 수단에 의해 제공되는 기능들이 결합되고 청구항이 요구하는 방식과 결합되기 때문에 상기 기능을 제공할 수 있는 어떠한 수단도 본 명세서로부터 파악되는 것과 균등한 것으로 이해되어야 한다.
상술한 목적, 특징 및 장점은 첨부된 도면과 관련한 다음의 상세한 설명을 통하여 보다 분명해질 것이며, 그에 따라 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 것이다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서 본 발명과 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에 그 상세한 설명을 생략하기로 한다.
이하의 설명에서 사용되는 구성요소에 대한 접미사 "모듈" 및 "부"는 단순히 본 명세서 작성의 용이함을 고려하여 부여되는 것으로서, 상기 "모듈" 및 "부"는 서로 혼용되어 사용될 수도 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 다양한 실시 예에 따른 전자 유도 가열 조리기를 상세히 설명하기로 한다.
먼저, 도 1은 전자 유도 가열 조리기의 작동 모습을 설명하기 위한 도면이다.
도 1을 참조하면, 전자 유도 가열 조리기(10)의 상부에 조리기기(1)가 위치할 수 있다. 전자 유도 가열 조리기(10)는 상부에 위치하고 있는 조리기기(1)를 가열시킬 수 있다.
구체적으로, 전자 유도 가열 조리기(10)가 조리기기(1)를 가열시키는 방법을 설명한다. 전자 유도 가열 조리기(10)는 자기장(20)을 발생시킬 수 있다. 전자 유도 가열 조리기(10)에서 발생한 자기장(20) 중 일부는 조리기기(1)를 통과할 수 있다.
이 때, 조리기기(1)의 재질에 전기 저항 성분이 포함된 경우 자기장(20)은 조리기기(1)에 와류 전류(30)를 발생시킨다. 와류 전류(30)는 조리기기(1) 자체를 발열시키고, 이 열은 전도되어 조리기기(1)의 내부까지 전달된다. 이에 따라, 조리기기(1)의 내용물이 조리되는 방식으로 전자 유도 가열 조리기(10)는 동작한다.
한편, 조리기기(1)의 재질에 전기 저항 성분이 포함되지 않은 경우에는 와류 전류(30)가 발생하지 않는다. 따라서, 이러한 경우에는 조리기기(1)를 가열시킬 수 없다. 그러므로 전자 유도 가열 조리기(10)에 의해 가열되기 위해서는 조리기기(1)는 스테인리스 계열 혹은 법랑이나 주철 용기 같은 금속 재질 용기여야 한다.
다음으로, 도 2를 참조하여, 전자 유도 가열 조리기(10)가 자기장(20)을 발생시키는 방법을 설명한다.
도 2는 전자 유도 가열 조리기의 측면 단면도를 나타내는 도면이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 전자 유도 가열 조리기(10)는 상판 글래스(11), 가열 코일(12) 및 페라이트(13) 중 적어도 하나 이상을 포함할 수 있다.
먼저, 전자 유도 가열 조리기(10)를 구성하는 각각의 구성요소를 구체적으로 설명한다.
상판 글래스(11)는 전자 유도 가열 조리기(10)의 내부를 보호하고, 조리기기(1)를 지지하는 역할을 한다.
구체적으로, 상판 글래스(11)는 여러 광물질을 합성한 세라믹 재질의 강화 유리로 형성될 수 있다. 이에 따라, 전자 유도 가열 조리기(10)의 내부를 외부로부터 보호할 수 있다. 또한, 상판 글래스(11)는 상부에 위치한 조리기기(1)를 지지할 수 있다. 따라서, 상판 글래스(11)의 상부에는 조리기기(1)가 위치할 수 있다.
가열 코일(12)은 조리기기(1)를 가열시키기 위한 자기장(20)을 발생시키는 역할을 한다.
구체적으로, 가열 코일(12)은 상판 글래스(11)의 하부에 위치할 수 있다.
가열 코일(12)은 전자 유도 가열 조리기(10)의 전원 온/오프에 따라 전류가 흐르거나 흐르지 않을 수 있다. 또한, 가열 코일(12)에 전류가 흐르는 경우에도 전자 유도 가열 조리기(10)의 화력 단계에 따라 가열 코일(12)에 흐르는 전류의 양은 달라질 수 있다.
가열 코일(12)에 전류가 흐르는 경우 가열 코일(12)은 자기장(20)을 발생시킬 수 있다. 가열 코일(12)에 흐르는 전류가 많을수록 자기장(20)은 많이 발생한다. 가열 코일(12)에서 발생한 자기장(20)은 조리기기(1)를 통과할 수 있다. 조리기기(1)를 통과하는 자기장(20)은 조리기기(1)에 포함된 전기 저항 성분을 만나 와류 전류(미도시)를 발생시킬 수 있다. 와류 전류는 조리기기(1)를 가열시키고, 이에 따라 조리기기(1)의 내용물이 조리될 수 있다.
한편, 가열 코일(12)에서 발생하는 자기장(20)의 방향은 가열 코일(12)을 흐르는 전류의 방향에 의해 결정된다. 그러므로 가열 코일(12)에 교류를 흘리게 되면 자기장(20)의 방향은 교류의 주파수만큼 변환된다. 예를 들어, 가열 코일(12)에 60Hz의 교류를 흘리면 자기장(20)의 방향이 1초에 60번 변환하게 된다.
페라이트(13)는 전자 유도 가열 조리기(10)의 내부 회로를 보호하기 위한 구성 요소이다.
구체적으로, 페라이트(13)는 가열 코일(12)에서 발생한 자기장(20) 또는 외부에서 발생한 전자기장이 전자 유도 가열 조리기(10)의 내부 회로에 미치는 영향을 차단하는 차폐 역할을 한다.
이를 위해, 페라이트(13)는 투자율(permeability)이 매우 높은 물질로 형성될 수 있다. 페라이트(13)는 전자 유도 가열 조리기(10)의 내부로 유입되는 자기장이 방사되지 않고, 페라이트(13)를 통해 흐르도록 유도하는 역할을 한다. 페라이트(13)에 의해 가열 코일(12)에서 발생한 자기장(20)이 이동하는 모습은 도 2에 도시된 바와 같다.
다음으로, 도 3은 전자 유도 가열 조리기의 회로도를 나타내는 예시 도면이다. 구체적으로, 도 3은 한 개의 인버터 및 한 개의 가열 코일을 포함하는 경우 전자 유도 가열 조리기의 회로도를 나타낸 것이다.
도 3을 참조하면, 전자 유도 가열 조리기는 정류부(120), DC 링크 커패시터(130), 인버터(140), 가열 코일(150) 및 공진 커패시터(160)를 포함한다.
외부 전원(110)은 AC(Alternation Current) 입력 전원일 수 있다. 외부 전원(110)은 전자 유도 가열 조리기로 교류 전원을 공급할 수 있다. 보다 구체적으로, 외부 전원(110)은 전자 유도 가열 조리기의 정류부(120)로 교류 전압을 공급할 수 있다.
정류부(120, Rectifier)는 교류를 직류로 변환하기 위한 전기적 장치이다.
정류부(120)는 외부 전원(110)을 통해 공급되는 교류 전압을 직류 전압으로 변환한다.
한편, 정류부(120)를 통해 출력되는 DC 양단(121a, 121b)을 DC 링크라고 한다. DC 양단(121a, 121b)에서 측정되는 전압을 DC 링크 전압이라고 한다. 공진 곡선이 동일한 경우 DC 링크 전압에 따라 출력 전력이 달라질 수 있다.
DC 링크 커패시터(130)는 외부 전원(110)과 인버터(140) 사이의 버퍼 역할을 수행한다. 구체적으로, DC 링크 커패시터(130)는 정류부(120)를 통해 변환된 DC 링크 전압을 유지시켜 인버터(140)까지 공급하기 위한 용도로 사용된다.
인버터(140)는 가열 코일(150)에 고주파의 전류가 흐르도록 가열 코일(150)에 인가되는 전압을 스위칭하는 역할을 한다. 인버터(140)는 통상 IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)로 이루어진 스위칭 소자를 구동시킴으로써 가열 코일(150)에 고주파의 전류가 흐르게 하고, 이에 따라 가열 코일(150)에 고주파 자계가 형성된다.
가열 코일(150)은 스위칭 소자의 구동 여부에 따라 전류가 흐르거나 전류가 흐르지 않을 수 있다. 가열 코일(150)에 전류가 흐르면 자기장이 발생한다. 가열 코일(150)은 전류가 흐름에 따라 자기장을 발생시켜 조리기기를 가열시킬 수 있다.
이와 같이, 전자 유도 가열 조리기는 가열 코일(150)을 전자기 유도에 이용하여 조리기기를 가열할 수 있다.
한편, 본 발명은 조리기기 가열에 이용되는 가열 코일(150)을 무선 전력 전송(WPT, Wireless Power Transfer)에도 이용하고자 한다.
먼저, 무선 전력 전송을 설명한다. 무선 전력 전송이란 전선 없이 전력을 전송할 수 있는 기술을 의미한다. 현재, 주로 무선 전력 전송에 활용되는 방식으로는 자기유도(MI) 방식, 자기공진(MR) 방식이 있다. 각각의 방식을 구체적으로 설명하면 다음과 같다.
자기유도 방식은 1차 코일과 2차 코일간의 자기유도 현상을 이용하는 것이다. 구체적으로, 1차(송신) 코일에 전류가 주입되면 자기장이 발생할 수 있다. 2차(수신) 코일은 1차 코일에서 발생한 자기장에 의해 유도 전류가 발생한다. 2차 코일에서 발생한 유도 전류는 배터리를 충전시킬 수 있다. 자기 유도 방식에 따라 발생하는 자기장은 약하기 때문에, 1차 코일과 2차 코일은 매우 근접한 위치에 있어야 충전이 가능하다.
자기공진(자기공명) 방식에 의한 충전 원리를 설명한다. 이는, 1차 코일과 2차 코일이 같은 주파수를 사용하여 전력을 주고 받는 방식이다. 즉, 1차 코일에서 공진 주파수로 진동하는 자기장을 생성하면, 2차 코일은 1차 코일에서 생성된 자기장과 동일한 공진 주파수로 설계되어 에너지를 수신할 수 있다. 이 경우, 비교적 원거리에서도 충전이 가능하다.
이와 같이, 무선 전력 전송에는 코일이 사용한다. 본 발명은 조리기기 가열에 사용되는 가열 코일(150)을 무선 전력 전송에도 함께 사용하고자 한다. 이와 관련된 자세한 설명은 후술하기로 한다.
다시, 도 3을 참조하면, 가열 코일(150)의 일측은 인버터(140)의 스위칭 소자의 접속점에 연결되어 있고, 다른 일측은 공진 커패시터(160)에 연결된다.
스위칭 소자의 구동은 구동부(미도시)에 의해서 이루어지며, 구동부에서 출력되는 스위칭 시간에 제어되어 스위칭 소자가 서로 교호로 동작하면서 가열 코일(150)로 고주파의 전압을 인가한다. 그리고, 구동부로터 인가되는 스위칭 소자의 온/오프 시간은 점차 보상되는 형태로 제어되기 때문에 가열 코일(150)에 공급되는 전압은 저전압에서 고전압으로 변한다.
구동부(미도시)는 전자 유도 가열 조리기의 전반적인 동작을 제어하는 역할을 한다. 즉, 구동부는 전자 유도 가열 조리기를 구성하는 각각의 구성 요소의 동작을 제어할 수 있다.
공진 커패시터(160)는 완충기 역할을 하기 위한 구성요소이다. 공진 커패시터(160)는 스위칭 소자의 턴오프 동안 포화 전압 상승 비율을 조절하여, 턴오프 시간 동안 에너지 손실에 영향을 준다.
공진 커패시터(160)는 정류부(120)로부터 전압이 출력되는 DC 양단(121a, 121b)과 가열 코일(150) 사이에 직렬 연결된 복수의 커패시터(160a, 160b)를 포함할 수 있다.
공진 커패시터(160)는 제1 공진 커패시터(160a)와 제2 공진 커패시터(160b)로 구성될 수 있다. 구체적으로, 제1 공진 커패시터(160a)는 일단이 정류부(120)로부터 전압이 출력되는 일단(121a)과 연결되고, 타단이 제2 공진 커패시터(160b)와 가열 코일(150)의 접속점에 연결될 수 있다. 마찬가지로, 제2 공진 커패시터(160b)는 일단이 정류부(120)로부터 저압이 출력되는 타단(121b)과 연결되고, 타단이 제1 공진 커패시터(160a)와 가열 코일(150)의 접속점에 연결될 수 있다.
제1 공진 커패시터(160a)의 커패시턴스와 제2 공진 커패시터(160b)의 커패시턴스는 동일하다.
한편, 공진 커패시터(160)의 커패시턴스는 전자 유도 가열 조리기의 공진 주파수(resonance frequency)를 결정할 수 있다.
구체적으로, 도 3에 도시된 바와 같은 회로도로 구성되는 전자 유도 가열 조리기의 공진 주파수는 가열 코일(150)의 인덕턴스(inductance)와 공진 커패시터(160)의 커패시턴스(capacitance)에 의해 결정된다.
또한, 가열 코일(150)의 인덕턴스와 공진 커패시터(160)의 커패시턴스에 의해 결정된 공진 주파수를 중심으로 공진 곡선이 형성될 수 있다. 공진 곡선은 주파수에 따른 출력 전력을 나타낼 수 있다.
다음으로, 도 4는 전자 유도 가열 조리기의 주파수에 따른 출력 전력을 나타내기 위한 도면이다.
전자 유도 가열 조리기에 포함된 가열 코일(150)의 인덕턴스 값과 공진 커패시터(160)의 커패시턴스 값에 따라 Q 팩터(quality factor)가 결정된다. Q 팩터에 따라 공진 곡선은 상이하게 형성된다. 예를 들어, 도 4를 참조하면, 제1 공진 곡선(410)과 제2 공진 곡선(420)은 서로 다른 Q 팩터에 의해 형성된 공진 곡선이다. 따라서, 가열 코일(150)의 인덕턴스와 공진 커패시터(160)의 커패시턴스에 따라 전자 유도 가열 조리기는 상이한 출력 특성을 갖는다.
구체적으로, 도 4를 참조하여, Q 팩터에 따른 공진 곡선을 설명한다. 일반적으로, Q 팩터가 클수록 곡선의 모양이 샤프(sharp)하고, Q 팩터가 작을수록 곡선의 모양이 브로드(broad)하다. 따라서, 제1 공진 곡선(410)의 Q 팩터는 제2 공진 곡선(420)의 Q 팩터보다 작은 경우이다.
도 4에 도시된 제1 및 제2 공진 곡선(410, 420)의 가로축은 주파수(frequency)를 나타내고, 세로축은 출력되는 전력(power)을 나타낸다. 제1 및 제2 공진 곡선(410, 420)에서 최대 전력을 출력하는 주파수를 공진 주파수(f0)라고 한다.
일반적으로, 전자 유도 가열 조리기는 공진 곡선의 공진 주파수(f0)를 기준으로 오른쪽 영역의 주파수를 이용한다. 따라서, 전자 유도 가열 조리기는 주파수를 감소시켜 화력 단계를 높이고, 주파수를 증가시켜 화력 단계를 높일 수 있다. 전자 유도 가열 조리기는 이와 같이 주파수를 조절함으로써 출력 전력을 조절할 수 있다.
전자 유도 가열 조리기는 제1 주파수(f1)부터 제2 주파수(f2)의 범위에 해당하는 주파수를 이용할 수 있다. 즉, 전자 유도 가열 조리기는 제1 주파수(f1)부터 제2 주파수(f2)의 범위에 포함된 어느 하나의 주파수로 변경하여, 화력을 조절할 수 있다.
전자 유도 가열 조리기가 제어 가능한 최소 주파수인 제1 주파수(f1) 및 최대 주파수인 제2 주파수(f2)는 기 설정되어 있을 수 있다. 예를 들어, 제1 주파수(f1)는 20kHz이고, 제2 주파수(f2)는 75kHz일 수 있다.
제1 주파수(f1)를 20kHz로 설정함에 따라 전자 유도 가열 조리기가 가청 주파수(약 16Hz~ 20kHz)를 사용하는 경우를 방지할 수 있다. 따라서, 전자 유도 가열 조리기의 소음을 줄일 수 있는 효과가 있다.
제2 주파수(f2)를 IGBT 최대 스위칭 주파수로 설정할 수 있다. IGBT 최대 스위칭 주파수란 IGBT 스위칭 소자의 내압 및 용량 등을 고려하여, 구동 가능한 최대 주파수를 의미할 수 있다. 예를 들어, IGBT 최대 스위칭 주파수는 75kHz일 수 있다.
이와 같은 이유로, 전자 유도 가열 조리기가 조리기기를 가열하기 위해 일반적으로 사용하는 주파수는 약 20kHz에서 75kHz에 포함된 주파수일 수 있다.
한편, 무선 전력 전송(WPT, Wireless Power Transfer)에 사용되는 주파수는 전자 유도 가열 조리기가 조리기기를 가열하기 위해 사용하는 주파수와 상이할 수 있다. 특히, 무선 전력 전송에 사용되는 주파수는 전자 유도 가열 조리기가 조리기기를 가열하기 위해 사용하는 주파수보다 더 높은 대역의 주파수일 수 있다.
따라서, 본 발명에 따른 전자 유도 가열 조리기는 공진 주파수를 조절함으로써 동일한 가열 코일(150)을 통해 조리기기 가열 기능 및 무선 전력 전송 기능을 모두 제공하고자 한다.
다음으로 도 5a 내지 도 5b는 본 발명의 실시 예에 따른 전자 유도 가열 조리기의 회로도를 나타내는 도면이다. 먼저, 도 5a는 본 발명의 실시 예에 따른 조리기기 가열 기능 및 무선 전력 전송 기능을 모두 제공하는 전자 유도 가열 조리기의 회도로를 나타내는 도면이다.
도 5a를 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 전자 유도 가열 조리기(100)는 정류부(120), DC 링크 커패시터(130), 인버터(140), 가열 코일(150), 공진 커패시터(160a, 160b), WPT 커패시터(170a, 170b) 및 모드 전환 스위치(180a, 180b)를 포함할 수 있다.
도 3을 통해 설명한 바와 동일한 내용은 여기서 생략하기로 한다.
가열 코일(150)은 전류가 흐름에 따라 자기장을 발생시킨다. 가열 코일(150)에서 발생한 자기장은 2차측 제품을 통과함에 따라 2차측 제품을 가열시킬 수 있다. 또는, 가열 코일(150)에서 발생한 자기장은 2차측 제품을 통과함에 따라 2차측 제품으로 전력을 전송할 수 있다.
공진 커패시터(160a, 160b)는 도 3을 통해 설명한 바와 동일하다. 즉, 도 5에 도시된 공진 커패시터(160a, 160b)는 도 3을 통해 설명한 종래 전자 유도 가열 조리기에 포함된 공진 커패시터와 동일하다.
한편, 공진 커패시터(160a, 160b)는 무선 전력 전송 모드로 동작하거나 조리기기 가열 모드로 동작함에 따라 WPT 커패시터(170a, 170b)와 병렬 연결되거나 병렬 연결되지 않을 수 있다.
WPT 커패시터(170a, 170b)는 공진 커패시터(160a, 160b)와 병렬 연결될 수 있다. WPT 커패시터(170a, 170b)는 전자 유도 가열 조리기(100)가 무선 전력 전송 모드로 동작하도록 무선 전력 전송의 공진 주파수를 낮추기 위한 구성요소이다.
구체적으로, 전자 유도 가열 조리기(100)가 조리기기 가열 모드로 동작하는 경우 WPT 커패시터(170a, 170b)는 공진 커패시터(160a, 160b)와 연결되지 않는다.
반면에, 전자 유도 가열 조리기(100)가 무선 전력 전송 모드로 동작하는 경우 WPT 커패시터(170a, 170b)는 공진 커패시터(160a, 160b)와 병결 연결된다. WPT 커패시터(170a, 170b)와 공진 커패시터(160a, 160b)가 병렬 연결되면, 합성 커패시턴스는 증가하게 된다. 합성 커패시턴스가 증가하면, 아래 수학식 1에 의해 공진 주파수(f0)가 감소하게 된다.
Figure pat00001
즉, 전자 유도 가열 조리기(100)가 무선 전력 전송 모드로 동작하는 경우 공진 주파수(f0)가 감소하게 된다. 이와 같이, 전자 유도 가열 조리기(100)는 공진 주파수(f0)를 감소시켜 기존의 인버터(140) 및 가열 코일(150)을 이용하여 2차측 제품으로 무선 전력을 전송할 수 있다.
WPT 커패시터(170a, 170b)는 제1 WPT 커패시터(170a)와 제2 WPT 커패시터(170b)로 구성된다. 제1 WPT 커패시터(170a)는 제1 공진 커패시터(160a)와 병렬 연결될 수 있고, 제2 WPT 커패시터(170b)는 제2 공진 커패시터(160b)와 병렬 연결될 수 있다.
제1 WPT 커패시터(170a)의 커패시턴스와 제2 WPT 커패시터(170b)의 커패시턴스는 동일하다.
모드 전환 스위치(180a, 180b)는 WPT 커패시터(170a, 170b)와 공진 커패시터(160a, 160b)의 병렬 연결 여부를 결정할 수 있다. 즉, 모드 전환 스위치(180a, 180b)는 WPT 커패시터(170a, 170b)를 공진 커패시터(160a, 160b)와 병렬 연결되거나 병렬 연결되지 않도록 제어한다.
구체적으로, 모드 전환 스위치(180a, 180b)가 온(On)되면 회로가 단락(short)되어, WPT 커패시터(170a, 170b)와 공진 커패시터(160a, 160b)는 병렬 연결된다. 이에 따라, 앞에서 설명한 바와 같이 공진 주파수(f0)가 감소하게 된다.
반면에, 모드 전환 스위치(180a, 180b)가 오프(Off)되면 회로가 개방(open)되어, WPT 커패시터(170a, 170b)는 공진 커패시터(160a, 160b)와 연결되지 않는다. 따라서, 공진 주파수(f0)는 변경되지 않는다.
모드 전환 스위치(180a, 180b)는 제1 모드 전환 스위치(180a) 및 제2 모드 전환 스위치(180b)로 구성되며, 제1 모드 전환 스위치(180a)와 제2 모드 전환 스위치(180b)는 동시에 동작한다. 제1 모드 전환 스위치(180a)는 제1 WPT 커패시터(170a)와 제1 공진 커패시터(160a)의 병렬 연결 여부를 결정하고, 제2 모드 전환 스위치(180b)는 제2 WPT 커패시터(170b)와 제2 공진 커패시터(160b)의 벙렬 연결 여부를 결정할 수 있다.
본 발명은 앞에서 설명한 바와 같이 동작 모드에 따라 모드 전환 스위치(180a, 180b)를 제어하여, 동일한 가열 코일(150)을 통해 무선 전력 전송 모드로 동작시키거나 조리기기 가열 모드로 동작시킬 수 있다.
다음으로 도 5b를 참조하여, 모드 전환 스위치(180a, 180b)를 제어하는 구동부(501), 동작 모드를 결정하기 위한 센서부(502) 및 인터페이스부(503)를 설명한다.
구동부(501)는 모드 전환 스위치(180a, 180b)의 단락(closed)/개방(open) 상태를 제어할 수 있다. 구체적으로, 구동부(501)는 센서부(502) 또는 인터페이스부(503)로부터 수신된 신호에 따라 모드 전환 스위치(180a, 180b)가 단락되거나 개방되도록 제어할 수 있다.
센서부(502)는 전자 유도 가열 조리기(100)에 위치한 제품의 종류를 인식할 수 있다. 구동부(501)는 감지된 제품의 종류가 가열용 제품이면 모드 전환 스위치(180a, 180b)가 개방되도록 제어하고, 감지된 제품의 종류가 무선 전력 수신용 제품이면 모드 전환 스위치(180a, 180b)가 단락되도록 제어할 수 있다.
인터페이스부(503)는 전자 유도 가열 조리기(100)의 동작 모드를 수신할 수 있다. 즉, 인터페이스부(503)는 사용자 입력을 통해 전자 유도 가열 조리기(100)를 조리기기 가열 모드로 동작시킬지 또는 무선 전력 전송 모드로 동작시킬지 동작 모드 선택 명령을 수신할 수 있다. 구동부(501)는 수신된 동작 모드가 조리기기 가열 모드이면 모드 전환 스위치(180a, 180b)가 개방되도록 제어하고, 수신된 동작 모드가 무선 전력 전송 모드이면 모드 전환 스위치(180a, 180b)가 단락되도록 제어할 수 있다.
이에 대한 자세한 설명은 도 11을 통해 후술하기로 한다.
한편, 조리기기 가열 모드로 동작하는 경우 공진 주파수는 공진 커패시터(160a, 160b)의 커패시턴스 및 가열 코일(150)의 인덕턴스에 의해 결정된다.
반면에, 무선 전력 전송 모드로 동작하는 경우 공진 주파수는 공진 커패시터(160a, 160b)와 WPT 커패시터(170a, 170b)의 합성 커패시턴스 및 누설 인덕턴스에 의해 결정된다.
다음으로 도 6을 참조하여, 무선 전력 전송 모드에 따른 공진 주파수를 획득하기 위한 누설 인덕턴스를 설명한다. 도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 전자 유도 가열 조리기를 나타내는 등가 회로도이다.
도 6을 참조하면, 가열 코일(150)은 누설 코일(150a)과 자화 코일(150b)로 구분될 수 있다. 즉, 전자 유도 가열 조리기(100)의 가열 코일(150)은 누설(leakage)되는 부분과 자화(magnetizing)되는 부분으로 나누어질 수 있다. 누설 코일(150a)과 자화 코일(150b)의 합성 인덕턴스는 가열 코일(150)의 인덕턴스와 동일하다.
누설 코일(150a)은 2차측 코일과 결합되지 못한 나머지 부분이다. 즉, 누설 코일(150a)은 가열 코일(150) 중 2차측 코일로 전력을 전송하지 못하는 부분을 의미한다. 자화 코일(150b)은 2차측 코일과 결합되는 부분이다. 즉, 자화 코일(150b)은 가열 코일(150) 중 2차측 코일로 전력을 전송하는 부분을 의미한다.
이 때, 누설 코일(150a)의 인덕턴스가 무선 전력 전송 모드에 따른 공진 주파수를 결정한다. 보다 구체적으로, 누설 코일(150a)의 인덕턴스 및 공진 커패시터(160a, 160b)와 WPT 커패시터(170a, 170b)의 합성 커패시턴스를 통해 무선 전력 전송 모드에 따란 공진 주파수가 결정된다.
다음으로 도 7을 참조하여, 본 발명의 실시 에에 따른 전자 유도 가열 조리기가 무선 전력 전송 모드로 동작하는 경우 동작 주파수를 결정하는 방법을 설명한다. 도 7은 본 발명의 실시 예에 따른 무선 전력 전송 모드에 따른 동작 주파수 결정 방법을 설명하기 위한 전압 이득 곡선의 예시 도면이다.
도 7에 도시된 복수 개의 곡선은 x축을 주파수, y축을 전압 이득(Voltage Gain)으로 한다. 구체적으로, x축은 무선 전력 전송 모드의 공진 주파수를 기준으로 정규화한(normalized) 주파수이다. y축은 1차측 전압 대비 2차측 전압을 나타내는 전압 이득이다.
도 7에 도시된 복수 개의 곡선 형태를 참조하면, 부하(Load)가 변경됨에 따라 전압 이득 곡선의 형태가 변경됨에 알 수 있다. 특히, 부하가 커질수록 전압 이득이 감소하는 형태로 곡선이 변경된다.
조리기기 가열 모드에 따른 동작 주파수(301)는 가장 높은 전압 이득을 나타내는 주파수로 결정될 수 있다. 조리기기 가열 모드로 동작하는 경우에는 부하 변동에 관계 없이 전압 이득이 가장 큰 경우의 주파수로 동작하여 2차측 조리기기를 가열할 수 있다.
반면에, 무선 전력 전송 모드에 따른 동작 주파수(302)는 부하 변동에 관계 없이 전압 이득을 일정하게 나타내는 주파수로 결정될 수 있다. 이는, 무선 전력 전송 모드에 따라 전력을 수신하는 2차측 제품의 부하가 변경될 수 있기 때문에, 부하가 변경되더라도 일정한 전압을 가하기 위함이다. 따라서, 무선 전력 전송 모드로 동작하는 경우에는 부하 변동에 관계 없이 일정한 전압을 2차측에 전달할 수 있다.
조리기기 가열 모드에 따른 동작 주파수(301)는 부하가 변경됨에 따라 전압 이득이 상이하나, 무선 전력 전송 모드에 따른 동작 주파수(302)는 부하가 변경되더라도 전압 이득이 일정하다. 예를 들어, 무선 전력 전송 모드에 따른 동작 주파수(302)에서 전압 이득이 0.5로 일정할 수 있다. 이 경우, 1차측 전자 유도 가열 조리기기가 100V를 전달하면, 2차측 제품은 50V를 출력할 수 있다.
다음으로, 도 8 내지 도 10을 참조하여, 전자 유도 가열 조리기로부터 무선 전력을 수신하는 2차측 회로도를 설명한다. 2차측 회로도는 전자 유도 가열 조리기(100)로부터 무선 전력을 수신하는 무선 전력 수신 장치의 회로도를 의미할 수 있다.
먼저, 도 8은 본 발명의 실시 예에 따른 2차측 부하가 고정 부하인 경우 전자 유도 가열 조리기로부터 무선 전력을 수신하기 위한 회로도를 나타내는 도면이다. 고정 부하는 저항 값이 고정된 상태로 구동되는 부하를 의미할 수 있다.
구체적으로, 1차측의 가열 코일(150)로부터 2차측의 수신 코일(250)이 무선 전력을 수신할 수 있다. 1차측은 앞에서 설명한 바와 동일하다.
2차측 제품은 수신 코일(250), 공진 회로(240), 고정 부하(210)로 구성될 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따르면, 수신 코일(250)은 가열 코일(150)에서 발생한 자기장을 수신하는 역할을 한다. 구체적으로, 수신 코일(250)은 가열 코일(150)에서 발생한 자기장과 동일한 공진 주파수로 설계되어 있을 수 있다. 따라서, 수신 코일(250)은 가열 코일(150)에서 발생한 자기장으로부터 전력을 수신할 수 있다.
수신 코일(250)은 가열 코일(150)로부터 교류 전력을 수신한다. 수신 코일(250)이 수신한 교류 전력은 공진 회로(240)를 통과하여 고정 부하(210)로 전달된다.
고정 부하(210)는 수신된 교류 전력을 이용하여 구동할 수 있다.
고정 부하(210)를 포함하는 2차측 제품의 예로는 자이글(zaigle), 히터기 등과 같은 전열기가 있다. 즉, 자이글, 히터기 등과 같은 전열기가 전자 유도 가열 조리기로부터 무선 전력을 수신하여 구동될 수 있다.
한편, 2차측이 도 8에 도시된 바와 같은 회로도로 구성된 변동 부하인 경우에는 출력 전압의 변화(리플 전압)로 인해 출력 제어가 어려운 문제가 있다. 이를 해결하기 위해, 2차측 회로도는 PFC(Power Factor Correction) 전력 변환 장치를 더 포함할 수 있다.
도 9는 본 발명의 실시 예에 따른 2차측 부하가 변동 부하인 경우 전자 유도 가열 조리기로부터 무선 전력을 수신하기 위한 회로도를 나타내는 도면이다.
도 9를 참조하면, 2차측 제품은 수신 코일(250), 공진 회로(240), 2차 정류부(320), PFC 회로(330) 및 변동 부하(310)로 구성될 수 있다. 변동 부하(310)는 저항 값이 고정되지 않은 상태로 구동되는 부하를 의미할 수 있다. 또한, 2차 정류부(320) 및 PFC 회로(330)를 포함하여 PFC 전력 변환 장치라고 이름할 수 있다.
수신 코일(250) 및 공진 회로(240)는 도 8을 통해 설명한 바와 동일하다. 즉, 수신 코일(250)은 가열 코일(250)로부터 교류 전력을 수신하고, 공진 회로(240)는 교류 전력을 2차 정류부(320)로 전달한다. 2차 정류부(320)는 도 3을 통해 설명한 1차측 회로도의 정류부(120)와 그 역할이 동일하나, 구분을 위해 그 명칭을 달리할 뿐이다.
2차 정류부(320)는 전달된 교류 전압을 직류 전압으로 정류한다. 2차 정류부(320)에서 정류된 직류 전압은 PFC 회로(330)를 통과하여 변동 부하(310)로 전달된다.
이 때, PFC 회로(330)는 1차측에서 전달된 무효 전력을 최소화하여 역률을 개선하기 위한 장치이다.
동시에, PFC 회로(330)는 변동 부하 구동을 위한 구성 요소이다. PFC 회로(330)는 2차 정류부(320)를 통해 정류된 파형을 이용하여 고정 전압을 출력할 수 있다. 구체적으로, PFC 회로(330)는 고정된 출력 전압을 공급하여, 변동 부하(310)를 고정 부하로 변환할 수 있다. 이러한 과정을 Power Stage라고 할 수 있다.
다음으로 도 10을 참조하여, 본 발명의 실시 예에 따른 PFC 회로(330)의 역할을 구체적으로 설명한다. 도 10은 본 발명의 실시 예에 따른 PFC 전력 변환 장치를 설명하기 위한 도면이다.
PFC 전력 변환 장치는 2차 정류부(320) 및 PFC 회로(330)로 구성된다.
입력 전원(900)은 수신 코일(250)을 통해 수신되어 공진 회로(240)를 통과한 교류 전원을 의미한다. 입력 전원(900)은 PFC 전력 변환 장치로 공급된다.
이하, PFC 전력 변환 장치를 구체적으로 설명한다.
먼저, 2차 정류부(320)는 입력 전원(900)을 직류로 정류하는 역할을 한다. 2차 정류부(320)는 다이오드 브릿지 형태로 형성되어 있을 수 있다. 예를 들어, 다이오드 브릿지는 SBR30300CTFP로 구성된 Full-Bridge 형태일 수 있다.
PFC 회로(330)는 PFC 제어부(331), FET 스위치(332), 인덕터(333), 다이오드(334) 및 출력 커패시터(335)로 구성될 수 있다.
이하, PFC 회로(330)의 동작 원리를 설명한다.
인덕터(333)는 2차 정류부(320)로부터 입력 전압을 수신한다.
PFC 제어부(331)는 FET 스위치(332)의 동작을 제어할 수 있다. 구체적으로, PFC 제어부(331)는 FET 스위치(332)를 온(On) 또는 오프(Off)로 제어할 수 있다.
FET 스위치(332)가 온인 경우 인덕터(333)를 통과한 전류는 FET 스위치(332) 방향으로 흘러 인덕터(333)에 전류가 충전된다. 이 경우, 다이오드(334)는 출력 커패시터(335)에 충전되어 있는 전류가 역방향으로 흐르는 것을 방지한다.
FET 스위치(332)가 오프인 경우 인덕터(333)에 충전된 전류가 방전되어, 입력 전압보다 더 큰 전압이 생성된다. 즉, 이를 통해 출력 커패시터(335)에 입력 전압보다 더 큰 전압이 인가된다. 출력 커패시터(335)는 고주파를 흡수하는 역할을 한다.
이에 따라, PFC 회로(330)는 고조파가 발생하는 상황에서도 전압 위상에 따라 전류 위상을 선형 부하의 위상과 동일하게 출력할 수 있다. 즉, PFC 회로(330)를 통해 정류된 직류 출력 전압을 획득할 수 있다.
예를 들어, 인덕터(333)의 인덕턴스는 220uH이고, 출력 커패시터(335)의 커패시턴스는 800uF일 수 있다. 이 경우, PFC 전력 변환 장치는 2차 정류부(320)를 통해 입력되는 전원이 80~120V Vdc/60kHz이면 180Vdc를 일정하게 출력할 수 있다.
이와 같이, PFC 전력 변환 장치를 통해 2차측의 역률을 개선할 수 있다. 또한, 2차측은 변동 부하를 포함하고 있음에도 불구하고, 안정적으로 동작할 수 있는 효과가 있다.
또한, PFC 전력 변환 장치를 2차측이 포함함으로써 전력 용량을 낮출 수 있는 효과가 있다. 보다 구체적으로, 1차측이 PFC 전력 변환 장치를 포함하면 출력 커패시터(335)에 의해 입력 임피던스의 허수부가 증가하여, 1차측 및 전체의 전력 용량이 매우 증가하게 된다. 반면에, 본 발명과 같이, 2차측이 PFC 전력 변환 장치를 포함할 경우에는 2차측 및 전체의 전력 용량을 비교적 줄일 수 있는 효과가 있다.
변동 부하(310)를 포함하는 2차측 제품의 예로는 믹서기(mixer) 등과 같은 모터(motor)를 포함하는 기기가 있다. 즉, 모터와 같은 회전 부하를 포함하는 기기는 전자 유도 가열 조리기로부터 무선 전력을 수신하여 구동될 수 있다.
다음으로 도 11은 본 발명의 실시 예에 따른 전자 유도 가열 조리기가 동작하는 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
구동부(501)는 전자 유도 가열 조리기(100)에 위치한 제품의 종류를 감지할 수 있다(S101).
본 발명의 제1 실시 예에 따르면, 전자 유도 가열 조리기(100)는 센서부(502)를 더 포함할 수 있다. 센서부(502)는 전자 유도 가열 조리기(100)에 위치한 제품의 종류를 감지하여, 구동부(501)로 전달할 수 있다. 즉, 센서부(502)는 전자 유도 가열 조리기(100)에 위치한 제품이 가열용 제품인지 또는 무선 전력 수신용 제품인지 감지하여, 구동부(501)로 전달할 수 있다.
또는, 본 발명의 제2 실시 예에 따르면, 전자 유도 가열 조리기(100)의 인터페이스부(503)는 제품 종류 정보를 수신할 수 있다. 구체적으로, 사용자는 전자 유도 가열 조리기(100)를 조리기기 가열 모드로 동작시킬지 또는 무선 전력 전송 모드로 동작시킬지 동작 모드를 인터페이스부(503)를 통해 입력할 수 있다.
인터페이스부(503)는 수신된 동작 모드를 구동부(502)로 전달한다. 구동부(502)는 수신된 동작 모드가 조리기기 가열 모드로의 동작 명령이면 전자 유도 가열 조리기(100)에 위치한 제품을 가열용 제품으로 감지할 수 있다. 반면에, 구동부(502)는 수신된 동작 모드가 무선 전력 전송 모드로의 동작 명령이면 전자 유도 가열 조리기(100)에 위치한 제품을 무선 전력 수신용 제품으로 감지할 수 있다.
전자 유도 가열 조리기(100)의 구동부는 감지된 제품의 종류가 가열용 제품이면(S103), 모드 전환 스위치(180a, 180b)가 개방되도록 제어할 수 있다(S105).
다음으로, 도 5a 및 도 12를 참조하여 본 발명의 실시 예에 따른 전자 유도 가열 조리기(100)가 가열용 제품이 위치한 경우 동작하는 방법을 설명한다.
앞에서 설명한 도 5a의 회로도를 참조하면, 모드 전환 스위치(180a, 180b)는 개방(open)되어 있다. 이에 따라, 공진 커패시터(160a, 160b)는 WPT 커패시터(170a, 170b)와 연결되지 않은 상태로 동작한다.
따라서, 정류부(120)는 외부 전원을 입력 받아 DC 양단(121)으로 출력하고, 인버터(140)는 DC 링크 전압을 통해 가열 코일(150)에 전류를 공급한다. 이에 따른 작동 모습을 도 12을 통해 자세히 설명한다.
다음으로 도 12는 본 발명의 실시 예에 따른 전자 유도 가열 조리기가 가열용 제품이 위치한 경우 작동 모습을 설명하기 위한 도면이다.
전자 유도 가열 조리기(100)의 가열 코일(150)에는 인버터(140)에 의해 공급된 전류(1101)가 흐른다. 전류(1101)는 자기장(1102)을 발생시키고, 발생한 자기장(1102)은 조리기기(1100)를 통과할 수 있다. 조리기기(1100)를 통과하는 자기장은 조리기기(1100)에 와류 전류를 발생시켜 조리기기(1100)를 가열시킨다.
다시 도 11을 설명한다.
전자 유도 가열 조리기(100)의 구동부는 감지된 제품의 종류가 가열용 제품이 아니면(S103), 무선 전력 수신용 제품인지 판단한다(S107).
전자 유도 가열 조리기(100)의 구동부는 감지된 제품의 종류가 무선 전력 수신용 제품이면(S107), 모드 전환 스위치(180a, 180b)가 단락되도록 제어한다(S109).
다음으로 도 13 내지 도 14를 참조하여 본 발명의 실시 예에 따른 전자 유도 가열 조리기(100)가 무선 전력 수신용 제품이 위치한 경우 동작하는 방법을 설명한다. 보다 구체적으로, 도 13은 본 발명의 실시 예에 따른 전자 유도 가열 조리기가 무선 전력 수신용 제품이 위치한 경우 동작 회로도를 나타내는 도면이고, 도 14는 본 발명의 실시 예에 따른 전자 유도 가열 조리기가 무선 전력 수신용 제품이 위치한 경우 작동 모습을 나타내는 도면이다.
도 13에 도시된 바와 같이, 감지된 제품이 무선 전력 수신용 제품이면, 모드 전환 스위치(180a, 180b)는 단락(closed)된다. 이에 따라, 공진 커패시터(160a, 160b)와 WPT 커패시터(170a, 170b)는 병렬 연결된 상태로 동작한다. 공진 커패시터(160a, 160b)와 WPT 커패시터(170a, 170b)가 병렬 연결됨에 따라, 합성 커패시턴스는 증가하고, 합성 커패시턴스가 증가함에 따라 공진 주파수는 감소한다.
이에 따라, 가열 코일(150)을 이용하여 2차측(상판 글래스(11)에 위치한 제품)으로 무선 전력을 전송할 수 있다. 이에 따른 작동 모습을 도 14을 통해 자세히 설명한다.
전자 유도 가열 조리기(100)의 가열 코일(150)은 전류(1101)가 흐름에 따라 자기장(1102)을 발생시킬 수 있다. 자기장(1102)은 무선 전력 수신용 제품(1200)을 통과할 수 있다. 이 때, 무선 전력 수신용 제품(1200)의 수신 코일(250)은 자기장(1102)을 수신하고, 전류(1201)를 발생시킨다. 무선 전력 수신용 제품(1200)에 발생한 전류(1201)는 부하(310)에 전압을 인가하여, 부하(310)를 구동시킨다. 부하(310)는 도 8에 도시된 바와 같은 고정 부하(210)이거나, 도 9에 도시된 바와 같은 변동 부하(310)일 수 있다.
이와 같이, 전자 유도 가열 조리기(100)는 제품의 종류를 감지하여 제품을 가열하거나 제품으로 무선 전력을 전송할 수 있다. 즉, 전자 유도 가열 조리기(100)는 필요에 따라 제품을 가열시키거나 제품으로 무선 전력을 전송할 수 있는 효과가 있다.
다음으로 도 15는 본 발명의 실시 예에 따른 전자 유도 가열 조리기 시스템의 효율을 나타내는 도면이고, 도 16은 본 발명의 실시 예에 따른 전자 유도 가열 조리기 시스템의 역률을 나타내는 도면이다.
본 발명의 실시 예에 따른 전자 유도 가열 조리기 시스템은 전자 유도 가열 조리기(100) 및 2차단 제품을 포함할 수 있다. 2차단 제품는 전자 유도 가열 조리기(100)에 포함된 모드 전환 스위치(180a, 180b)의 동작에 따라 가열되거나 무선 전력을 수신할 수 있다.
도 15 내지 도 16을 참조하면, IH-WPT는 전자 유도 가열 조리기(100)의 가열 코일(150)로 무선 전력을 전송한 경우를 나타낸다. IH-WPT+PFC는 전자 유도 가열 조리기(100)의 가열 코일(150)로 무선 전력을 전송하고 PFC 구동 회로를 통해 수신된 전력을 변환한 경우를 나타낸다. PFC는 PFC 회로 자체만의 효율 및 역률을 측정한 경우를 나타낸다.
도 15를 참조하면, IH-WPT 및 IH-WPT+PFC는 모두 효율(Efficiency)이 약 86% 이상으로 측정된다. 또한, 도 16을 참조하면, IH-WPT 및 IH-WPT+PFC는 모두 역률(Power Factor)이 약 0.8 이상으로 산출된다.
이에 따라, 전자 유도 가열 조리기(100)를 이용하여 무선 전력의 전송이 가능함을 확인할 수 있다.
다만, 도 14를 참조하면, IH-WPT+PFC에 따른 효율은 IH-WPT에 따른 효율보다 다소 낮게 측정된다. 이는, IH-WPT+PFC에 따른 효율은 변동 부하를 구동시키는 경우 측정된 효율이고, IH-WPT에 따른 효율은 고정 부하를 구동시키는 경우 측정된 효율이기 때문이다. 즉, IH-WPT+PFC에 따른 효율은 PFC 회로의 추가에 의해 IH-WPT보다 낮게 측정되는 것이다.
그러나, 도 15를 참조하면, IH-WPT+PFC에 따른 역률과 IH-WPT에 따른 역률이 유사하게 측정되는 것을 통해 PFC 구동 회로를 통해 역률이 개선되었음을 확인할 수 있다.
이상에서는 본 발명의 바람직한 실시 예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시 예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형 실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어서는 안 될 것이다.
100: 전자 유도 가열 조리기
120: 정류부
130: DC 링크 커패시터
140: 인버터
150: 가열 코일
160a, 160b: 공진 커패시터
170a, 170b: WPT 커패시터
180a, 180b: 모드 전환 스위치
210: 고정 부하
240: 공진 회로
250: 수신 코일
320: 2차 정류부
330: PFC 회로
501: 구동부
503: 센서부
503: 인터페이스부

Claims (15)

  1. 전자 유도 가열 조리기에 있어서,
    외부 전원으로부터 공급된 교류 전압을 직류 전압으로 변환하는 정류부;
    상기 정류부로부터 출력된 전압을 이용하여 가열 코일에 전류를 공급하는 인버터;
    상기 인버터에 의해 전류가 흐르면 자기장을 발생시키는 가열 코일;
    상기 정류부로부터 전압이 출력되는 DC 양단과 상기 가열 코일 사이에 직렬 연결된 복수의 커패시터를 포함하는 공진 커패시터;
    상기 공진 커패시터와 병렬 연결될 수 있는 WPT 커패시터; 및
    상기 공진 커패시터와 상기 WPT 커패시터의 병렬 연결 여부를 결정하는 모드 전환 스위치를 포함하는,
    전자 유도 가열 조리기.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 모드 전환 스위치의 단락(closed)/개방(open) 상태를 제어하는 구동부를 더 포함하고,
    상기 모드 전환 스위치가 단락되면 상기 공진 커패시터와 상기 WPT 커패시터가 병렬 연결되고,
    상기 모드 전환 스위치가 개방되면 상기 공진 커패시터와 상기 WPT 커패시터는 연결되지 않는,
    전자 유도 가열 조리기.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 전자 유도 가열 조리기에 위치한 제품의 종류를 인식하는 센서부를 더 포함하고,
    상기 구동부는, 상기 감지된 제품의 종류가 가열용 제품이면 상기 모드 전환 스위치가 개방되도록 제어하고, 상기 감지된 제품의 종류가 무선 전력 수신용 제품이면 상기 모드 전환 스위치가 단락되도록 제어하는,
    전자 유도 가열 조리기.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 전자 유도 가열 조리기의 동작 모드를 수신하는 인터페이스부를 더 포함하고,
    상기 구동부는, 상기 수신된 동작 모드가 조리기기 가열 모드이면 상기 모드 전환 스위치가 개방되도록 제어하고, 상기 수신된 동작 모드가 무선 전력 전송 모드이면 상기 모드 전환 스위치가 단락되도록 제어하는,
    전자 유도 가열 조리기.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 공진 커패시터는, 제1 공진 커패시터 및 제2 공진 커패시터를 포함하고,
    상기 제1 공진 커패시터는, 일단이 상기 정류부로부터 전압이 출력되는 일단과 연결되고, 타단이 상기 제2 공진 커패시터와 상기 가열 코일의 접속점에 연결되고,
    상기 제2 공진 커패시터는, 일단이 상기 정류부로부터 전압이 출력되는 타단과 연결되고, 타단이 상기 제1 공진 커패시터와 상기 가열 코일의 접속점에 연결되는,
    전자 유도 가열 조리기.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 WPT 커패시터는, 제1 WPT 커패시터 및 제2 WPT 커패시터를 포함하고,
    상기 제1 WPT 커패시터는 상기 제1 공진 커패시터와 병렬 연결될 수 있고,
    상기 제2 WPT 커패시터는 상기 제2 공진 커패시터와 병렬 연결될 수 있는,
    전자 유도 가열 조리기.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 모드 전환 스위치는, 제1 모드 전환 스위치 및 제2 모드 전환 스위치를 포함하고,
    상기 제1 모드 전환 스위치는, 상기 제1 WPT 커패시터와 상기 제1 공진 커패시터의 병렬 연결 여부를 결정하고,
    상기 제2 모드 전환 스위치는, 상기 제2 WPT 커패시터와 상기 제2 공진 커패시터의 벙렬 연결 여부를 결정하는,
    전자 유도 가열 조리기.
  8. 무선 전력 수신 장치에 있어서,
    전자 유도 가열 조리기로부터 교류 전원을 수신하는 수신 코일;
    저항 값이 고정되지 않은 상태로 구동되는 변동 부하; 및
    상기 수신 코일을 통해 공급된 교류 전원을 이용하여 상기 변동 부하로 고정 전압을 출력하는 PFC 전력 변환 장치를 포함하는,
    무선 전력 수신 장치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 PFC 전력 변환 장치는,
    상기 수신 코일을 통해 공급된 교류 전원을 직류로 정류하는 2차 정류부; 및
    상기 2차 정류부를 통해 정류된 파형을 이용하여 고정 전압을 출력하는 PFC 회로를 포함하는,
    무선 전력 수신 장치.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 PFC 회로는,
    상기 2차 정류부로부터 입력 전압을 수신하는 인덕터;
    온 상태에서 상기 인덕터에 전류를 충전시키고, 오프 상태에서 상기 인덕터에 충전된 전류를 방전시키는 FET 스위치;
    상기 FET 스위치의 동작을 제어하는 PFC 제어부; 및
    상기 FET 스위치의 동작에 따라 전류가 방전되면 입력 전압보다 큰 전압이 인가되며, 고주파를 흡수하는 출력 커패시터를 포함하는,
    무선 전력 수신 장치.
  11. 전자 유도 가열 조리기가 동작하는 방법에 있어서,
    전자 유도 가열 조리기에 위치한 제품의 종류를 감지하는 단계;
    상기 감지된 제품의 종류가 가열용 제품이면 모드 전환 스위치가 개방(open)되도록 제어하고, 상기 감지된 제품의 종류가 무선 전력 수신용 제품이면 모드 전환 스위치가 단락(closed)되도록 제어하는 단계; 및
    상기 모드 전환 스위치의 동작에 따른 합성 커패시턴스와 가열 코일의 인덕턴스에 의해 결정되는 공진 주파수의 자기장을 발생시키는 단계를 포함하는,
    전자 유도 가열 조리기의 동작 방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 모드 전환 스위치가 개방되면 공진 커패시터와 WPT 커패시터가 연결되지 않고, 상기 모드 전환 스위치가 단락되면 상기 공진 커패시터와 상기 WPT 커패시터가 병렬 연결되는 단계를 더 포함하는,
    전자 유도 가열 조리기의 동작 방법
  13. 제11항에 있어서,
    상기 제품의 종류를 감지하는 단계는, 센서부를 통해 상기 전자 유도 가열 조리기에 위치한 제품의 종류를 감지하는 단계를 포함하는,
    전자 유도 가열 조리기의 동작 방법.
  14. 제11항에 있어서,
    상기 제품의 종류를 감지하는 단계는,
    동작 모드 입력을 수신하는 단계; 및
    상기 수신된 동작 모드가 가열 모드로의 동작 명령이면 가열용 제품으로 감지하고, 상기 수신된 동작 모드가 무선 전력 전송 모드로의 동작 명령이면 무선 전력 수신용 제품으로 감지하는 단계를 포함하는,
    전자 유도 가열 조리기의 동작 방법.
  15. 전자 유도 가열 조리기 및 2차단 제품을 포함하는 전자 유도 가열 조리기 시스템에 있어서,
    상기 전자 유도 가열 조리기는,
    외부 전원으로부터 공급된 교류 전압을 직류 전압으로 변환하는 정류부;
    상기 정류부로부터 출력된 전압을 이용하여 가열 코일에 전류를 공급하는 인버터;
    상기 인버터에 의해 전류가 흐르면 자기장을 발생시키는 가열 코일;
    상기 정류부로부터 전압이 출력되는 DC 양단과 상기 가열 코일 사이에 직렬 연결된 복수의 커패시터를 포함하는 공진 커패시터;
    상기 공진 커패시터와 병렬 연결되는 WPT 커패시터; 및
    상기 공진 커패시터와 상기 WPT 커패시터의 병렬 연결 여부를 결정하는 모드 전환 스위치를 포함하고,
    상기 2차단 제품은, 상기 모드 전환 스위치의 동작에 따라 가열되거나 무선 전력을 수신하는,
    전자 유도 가열 조리기 시스템.
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