KR20190094521A - 자려 발진 방식의 유도 가열 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 자려 발진 방식의 유도 가열 장치에 관한 것으로서, 중간탭을 가지는 유도 코일(L2)과 공진식 자려발진을 수행하는 자려발진 공진회로를 통해 가열 용기와 유도 코일(L2)과의 전자기 유도 결합에 의한 상호작용에 의해 L2의 인덕턴스 값이 자동으로 변하면서 공진주파수가 결정되고, 이렇게 결정된 공진주파수로 공진하면서 모든 금속 재질의 가열 용기, 용기의 크기, 화구에 놓여있는 위치 등의 용기 조건에 맞춰서 가열 기능이 진행될 수 있으며, 중간탭을 가지는 유도 코일(L2)이 공급 전류를 한 방향으로만 흐르게 하는 것이 아니라 중간탭(T2)을 통해 공급 전류를 양분하여 T1 단자와 T3 단자로 서로 반대방향으로 흐르게 하여 전류에 의한 발열 손실을 현저히 줄일 수 있다.

Description

자려 발진 방식의 유도 가열 장치{INDUCTION HEATING DEVICE OF SELF-EXCITED OSCILLATION TYPE}

본 발명은 자려 발진 방식의 유도 가열 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 자려 발진 공진회로를 이용한 전자기 유도 결합에 의해 가열 용기와 유도 코일 간의 상호 작용으로 가열함으로써 모든 금속 재질의 용기를 사용할 수 있는 자려 발진 방식의 유도 가열 장치에 관한 것이다.

인덕션 레인지(이하 "유도가열 조리기")는 피가열체 자체에 열을 유도시키는 간접적인 방식을 이용하여 에너지 효율과 안전성이 높은 장점이 있다.

유도 가열(Induction Heating) 방법을 사용하는 유도가열 조리기의 에너지 효율은 약 90%로 에너지 효율이 30 ~40%인 가스레인지, 하이라이트(Hi-Light) 레인지, 핫플레이트(Hot Plate)에 비해 상당히 우수하고 화재위험성이 거의 없고 유해가스가 방출되지 않기 때문에 친환경, 고품격 조리 기구로 각광받고 있으며 대형 음식점, 호텔 등을 중심으로 점차 확산 되고 있다.

여기서, 유도가열 조리기의 가장 중요한 부분인 유도 코일(10)은 인덕터(Inductor) 라고도 하며, 도 1에 나타난 바와 같이 여러 가닥의 구리선(에나멜선)이 나선형으로 감긴 구조를 취하고 있다.

이러한 기존 방식의 유도 코일(10)은 2단자만 가지고 있으므로 유도 코일에 공급되는 공급 전류가 한 방향으로만 흐르게 되고, 또한 상기 공급 전류는 스위칭 주파수의 반주기 기간 동안 한꺼번에 흐르기 때문에 평균 전류의 2배에 해당하는 피크 전류가 흐르게 되며, 이때 유도 코일(10)에 흐르는 유도 전류와 공전 전류가 겹치는 상태가 발생하여 전류가 2배가 되고, 결국 에너지 손실은 전류의 2승에 비례하여 커지게 되는 문제점이 있다.

한편, 한국공개특허 제10-2016-0056993호는 하프브릿지 유도 코일을 구동하기 위한 FET 스위칭부, PWM 스위칭 주파수를 생성하여 FET 드라이브부에 제공하는 PWM 조절부, PWM 조절부로부터 제공된 PWM 스위칭 주파수를 변압하여 하프브릿지 FET 스위칭부에 제공하는 FET 드라이브부를 포함하고 있어 고속 스위칭이 가능하여 전자파의 발생을 억제할 수 있고, 하프브릿지 FET 스위칭부를 통해 주파수 가변에 의한 다단계 출력 제어가 가능한 하프브릿지 FET 스위칭을 이용한 인덕션을 기술하고 있다.

그러나 종래의 하프브릿지 FET 스위칭을 이용한 인덕션은 설정된 출력 조절 단계 값에 근거하여 주파수 조절부를 제어하여 PWM 조절부의 PWM 듀티 제어를 수행하는 것으로서 자려 발진 방식이 아니므로 공진 필터부와 유도 가열 코일은 가열 용기의 재질, 크기, 놓여있는 상태 등을 고려하여 정밀 공진을 수행할 수 없는 문제점이 있다.

즉, 가열 용기가 화구(유도 코일의 면적)에 비해 너무 작거나, 용기 바닥이 울퉁불퉁하거나, 가열 용기가 비스듬히 놓여있거나, 가열 용기의 위치가 화구에서 벗어난 위치에 놓여있게 되면 공진 필터부와 유도 가열 코일로 구성되는 공진 회로의 공진이 깨지면서 회로 자체에 많이 열이 발생하게 되고, 회로 보호와 화재 위험을 예방하기 위해 일정 이상의 열 발생시 유도 가열 기능이 자동 정지되어 가열 동작이 이루어지지 않는다는 문제점이 있다.

한국등록특허 제10-1288551호는, 플레이트 아래에 고주파 유도 자기장이 발생되는 워킹코일이 위치되고, 이에 고주파 유도 자기장의 발생을 위해 전력제어, 고주파 발진제어의 컨트롤러의 과정 및 장치 내부의 과열을 방지하기 위해 일측으로 고냉각 기능을 갖는 냉각부를 구성함으로써 안정되게 작동되도록 하면서, 고효율로 냉각됨으로 인해 고효율로 가열작동하여 전력소비가 최소가 되도록 하는 고주파 유도가열 인덕션렌지를 기재하고 있다.

종래의 고주파 유도가열 인덕션 렌지는 주파수 조절부와 조절 모터에 의해 발진주파수를 제어하는 방식으로서, 용기와 유도 결합하여 공진주파수를 결정하는 방식이 아니기 때문에 용기의 조건에 따라 워킹 코일이 상호 작용에 의해 인덕턴스 값이 변화하더라도 변화된 인덕턴스 값에 맞게 공진주파수가 조절되지 못하고, 인덕턴스 값을 변화시키기 위한 별도의 주파수 조절부와 조절 모터를 구비해야 하므로 부품의 원가가 높고 비효율적이라는 문제점이 있다.

이러한 종래의 고주파 유도 가열 인덕션 렌지는 비효율적인 에너지 효율로 인해 장치 내부의 과열로 냉각부가 자주 작동되어 바람소리 등의 소음이 발생하는 문제점이 있다.

한국공개특허 제10-2017-0075913호는 인덕션 화구들의 각 화력 및 듀티를 조절하여 복수의 인덕션 화구들의 설정 가열량(설정 적산 전력)이 감소되지 않으면서 복수의 인덕션 화구들이 동시에 동작하지 않도록 하는 듀티 엇갈림 제어를 수행하는 유도가열 조리기를 기재하고 있다.

종래의 유도가열 조리기는 복수의 인덕션 화구 간의 간섭에 의해 발생하는 간섭소음을 방지하는 것으로서, 유도 가열 도중 발생하는 각 인덕션 화구의 구동 소음 문제는 여전히 해소되지 않는다는 문제점이 있다.

일반적으로 유도 코일에 가해지는 전압은 교류 전원을 브릿지 다이오드를 이용하여 전파 정류한 후에 커패시터를 이용해 평활하지 않고 바로 직류 형태의 구동 전압으로 공급된다. 이렇게, 평활되지 않은 구동 전압에는 60㎐의 2배인 120㎐의 높은 리플이 혼재되어 있어 유도 가열시 리플 전압에 의해 "윙"하는 소음이 발생하게 된다.

따라서, 인덕션 화구들 간의 간섭 소음뿐만 아니라 개별 화구마다 리플 전압이 없는 평활된 전압을 공급하여 개별 화구의 구동 소음 문제도 방지해야 한다.

이에 본 출원인은 상기 종래기술의 문제점들을 해결할 수 있는 새로운 방식의 자려 발진 방식의 유도 가열 장치에 대해서 고민하여 본 발명을 창안하게 되었다.

한국 공개특허 제10-2016-0056993호 "하프브릿지 FET 스위칭을 이용한 인덕션" 한국 등록특허 제10-1288551호 "고주파 유도가열 기술을 이용한 인덕션렌지" 한국 공개특허 제10-2017-0075913호 "유도 가열 조리기"

본 발명은 자려 발진 공진회로를 이용한 전자기 유도 결합에 의해 가열 용기와 유도 코일 간의 상호 작용으로 정확하게 공진함으로써 모든 금속 재질의 용기를 사용할 수 있고, 중간탭을 가지는 유도 코일에 의해 용기의 가열에 필요한 전류를 평균 전류의 1/2씩 양분하여 서로 반대방향으로 흐르게 함으로써 전류에 의한 발열 손실을 감소시키며, 이때 서로 반대방향으로 1/2씩 나눠서 흐르는 공급 전류는 L2 & C4의 공진전류 방향과 정확히 일치되어지는 자려 발진 방식의 유도 가열 장치를 제공한다.

실시예들 중에서, 자려 발진 방식의 유도 가열 장치는, 입력 교류 전원을 정류하여 직류 전압으로 제공하는 전원부; 가열용기의 유무를 검출하는 용기 검출부; 복수 개의 저항(R2, R3)이 병렬 연결되어 전력 제어 기능 및 비상시 자동으로 가열 정지 기능을 수행하는 기능정지 결정부; 상기 기능정지 결정부와 연계하여 최소 화력에서부터 최대 화력까지 연속으로 정밀 제어하고, 상기 입력 교류 전원에 대한 역률 보상 기능을 수행하는 화력 제어부; 상기 전원부에서 제공되는 직류 전압을 스위칭하여 게이트 구동 신호를 출력하도록 복수 개의 FET로 구성되는 스위칭부; 상기 스위칭부의 게이트 구동 신호에 따라 상기 직류 전압을 기설정된 전압범위 이내로 변환하여 2차측 부하로 구동전원을 제공하는 컨버터부; 및 상기 구동 전원을 공진시키면서 공진전류에 의해 발생된 자기장에 의한 전자기 유도 작용으로 상기 가열 용기 내부를 가열하도록 유도 코일(L2)과 공진 커패시터(C4)를 포함한 자려발진식 고주파 공진 회로를 구성하는 유도가열부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 화력 제어부는 과전류 방지를 위한 적어도 하나 이상의 션트 저항(R1, R6)을 포함하는 것을 특징으로 한다.

자려 발진 방식의 유도 가열 장치는, 커플드 인덕터(TF1), 상기 커플드 인덕터의 턴수비를 이용한 승압비 조정을 통해 목표 직류 출력전압을 출력하도록 제어하는 집적회로(IC1), 상기 커플드 인덕터의 출력단에 연결되어 제1 보조 전압을 출력하는 다이오드(D1) 및 커패시터(C5), 상기 다이오드의 출력단에 연결되어 상기 제1 보조 전압에서 기설정된 전압만큼 낮아진 제2 보조 전압을 출력하도록 제어하는 집적회로(IC4), 상기 집적회로(IC4)에 의해 제1 보조 전압의 전압 강하를 통해 제2 보조 전압을 출력하는 커패시터(C3)를 포함하는 보조전압 생성부를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

자려 발진 방식의 유도 가열 장치는, 상기 컨버터부와 유도 가열부 사이에 병렬 설치된 복수 개의 저항(R4, R5)에 의해 과전압을 방지하는 과전압 방지부를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 컨버터부는, 상기 게이트 구동신호에 의해 동작하는 제1 FET(Q1), 커플드 인덕터(TF2), 충방전 커패시터(C1), 정류 다이오드(D2) 및 평활 커패시터(C2)를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 유도 가열부는, 바이어스 저항(R7, R8), 스위칭 FET(Q2, Q4), 블록킹 다이오드(D3, D4), 공진 커패시터(C4), 유도 코일(L2), 발진 보호용 코일(L1)을 포함하고, 상기 공진 커패시터(C4)와 유도 코일(L2)의 병렬 공진에 의해 공진 주파수가 결정되며, 상기 결정된 공진 주파수에 의해 스위칭 FET(Q2, Q4)가 교대로 온/오프 동작을 수행하고, 상기 스위칭 FET(Q2, Q4)의 온 동작시 공진 전류가 상기 발진 보호용 코일(L1)을 거쳐 유도 코일에 전달되는 것을 특징으로 한다.

상기 유도 코일은 중간탭(T2)을 가지는 3단자(T1, T2, T3) 구조로 형성된 것을 특징으로 한다.

상기 유도 코일은 상기 공급 전류가 중간탭을 통해 양분되어 T1 단자와 T3 단자로 각각 흐르게 하여 피크전류를 1/4로 줄임으로써 발열 손실을 줄이는 것을 특징으로 한다.

상기 유도 가열부는, 상기 공진 주파수에 의해 전력 송신 기능을 수행하고, 전력수신용 냄비 또는 코일(무선충전기의 경우)이 유도 가열부와 근접 결합되어 전자기 유도 작용에 의해 무선전력전송을 수행하는 것을 특징으로 한다.

한편 본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있으며, 특정 실시예들은 상세한 설명에서 구체적으로 설명한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해서 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

또한 본 발명에서 사용하는 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, “포함하다”또는 “가지다” 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이며, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

본 발명의 자려 발진 방식의 유도 가열 장치는 자려 발진 공진회로의 스위칭 FET는 IGBT에 비해 훨씬 높은 주파수로 공진하고, 공진 주파수가 높을수록 유도 가열 효과가 급격히 증가하므로 모든 금속 재질의 용기에 대한 가열이 가능하고, 중간탭을 가지는 유도 코일에 의해 용기의 가열에 필요한 전류를 양분하여 서로 반대방향으로 흐르게 함으로써 전류 피크값이 기존의 2단자 구조를 가지는 유도 코일에 비해 1/4로 낮아져 전체적인 발열 손실을 1/16으로 줄일 수 있을 뿐만 아니라 스위칭 FET의 용량도 1/4로 줄일 수 있는 효과가 있다.

또한, 본 발명은 유도 코일(L2)과 공진 커패시터(C4)의 병렬 공진으로 고조파가 거의 없는 정현파 전류만 흐르고 있어 인체 유해성이 매우 낮으며, 컨버터부에서 직류전압만을 유도 코일에 공급하기 때문에 기존에 120㎐의 리플 전압에 의해 발생하던 구동 소음을 방지할 수 있고, 에너지 변환 효율이 높아서 방열판을 식히기 위한별도의 냉각팬이 불필요하다는 효과가 있다.

도 1은 일반적인 유도 코일의 구조를 설명하는 도면,
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 자려 발진 방식의 유도 가열 장치의 구성을 설명하는 회로도,
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 중간탭을 가지는 유도 코일의 구조를 설명하는 도면,
도 4는 도 2의 유도 가열부의 전압 및 전류 파형을 측정한 그래프이다.

이하, 본 발명을 첨부된 예시도면에 의거하여 상세히 설명한다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 자려 발진 방식의 유도 가열 장치의 구성을 설명하는 회로도이고, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 중간탭을 가지는 유도 코일의 구조를 설명하는 도면이며, 도 4는 도 2의 유도 가열부의 전압 및 전류 파형을 측정한 그래프이다.

도 2 내지 도 4를 참고하면, 자려 발진 방식의 유도 가열 장치는, 전원부(110), 용기 검출부(CT1), 기능정지 결정부(120), 역률보상 및 화력 제어부(130), 스위칭부(140), 컨버터부(150), 유도 가열부(160), 보조전압 생성부(170) 및 과전압 방지부(180)를 포함한다.

전원부(110)는 입력 교류 전원을 저주파통과필터(Low-pass Filter, LF1)로 전자파를 필터링하고, 브릿지 다이오드(BD1)로 AC 85V~AC285V의 리플이 포함된 전압을 전파 정류하여 직류 전압으로 제공한다.

용기 검출부(CT1)는 전류 센서로서 가열용기의 유무를 검출한다.

기능정지 결정부(120)는 R2와 R3의 저항이 병렬 연결되고, R3 저항은 5V와 연결되어어 전력 제어 기능 및 비상시 자동으로 가열 정지 기능을 수행한다.

화력 제어부(130)는 기능정지 결정부(120)와 연계하여 최소 화력에서부터 최대 화력까지 단수 없이 연속으로 정밀 제어한다.

구체적으로, 제어용 MCU에서 R2 저항을 통해 직류 전압을 직선적으로 미세하게 조절하게 되며, 컨버터부로부터 유도코일 중간탭에 가해지는 전압을 조절하면 유도코일에 흐르는 공급 전류의 크기가 미세하게 변화하게 된다.

또한, 상기 화력 제어부(130)의 입력을 제어하여 역률이 0.95이상이 되도록 역률 보상 기능이 수행되어지며, 이러한 화력 제어부(130)는 제1 집적회로(IC1)로 구성되고, 과전류 방지를 위한 적어도 하나 이상의 션트 저항(R1, R6)을 포함한다.

스위칭부(140)는 복수 개의 FET를 포함하는 제2 집적회로(IC2)로서, 제1 집적회로(IC1)의 출력을 증폭하고, 전원부(110)에서 제공되는 직류 전압을 스위칭하여 게이트 구동 신호를 출력한다.

컨버터부(150)는 스위칭부(140)의 게이트 구동 신호에 따라 직류 전압을 기설정된 전압범위 이내로 변환하여 2차측 부하로 구동전원을 제공한다.

이러한 컨버터부(150)는 게이트 구동신호에 의해 동작하는 제1 FET(Q1), 커플드 인덕터(TF2), 충방전 커패시터(C1), 정류 다이오드(D2) 및 평활 커패시터(C2)를 포함한다.

컨버터부(150)는 브릿지 다이오드(BD1)에서 전파 정류된 맥류 전압을 DC 100V~DC 200V 사이의 전압 범위 내에서 화력 제어부(130)의 화력 조절에 맞추어 리플이 매우 낮은 구동 전원으로 생성하여 유도 코일(L1)에 공급한다.

유도 가열부(160)는 구동 전원을 공진시키면서 공진전류에 의해 발생된 자기장에 의한 전자기 유도 작용으로 상기 가열 용기 내부를 가열하도록 유도 코일(L2)과 공진 커패시터(C4)를 포함한 자려발진식 공진 회로를 구성한다.

유도 가열부(160)는 바이어스 저항(R7, R8), 스위칭 FET(Q2, Q4), 블록킹 다이오드(D3, D4), 공진 커패시터(C4), 유도 코일(L2), 자려 발진 공진회로에 구동전원을 공급하면서 발진을 보호하는 발진 보호용 코일(L1)을 포함하는 완전한 자려발전식 공진회로를 구성한다.

이러한 유도 가열부(160)는 공진 커패시터(C4)와 유도 코일(L2)의 병렬 공진에 의해 공진 주파수가 결정되며, 이렇게 결정된 공진 주파수에 의해 스위칭 FET(Q2, Q4)가 교대로 온/오프 동작을 수행하고, 스위칭 FET(Q2, Q4)의 온 동작시 공진 전류가 발진 보호용 코일(L1)을 거쳐 유도 코일(L2)에 전달된다.

이때, 유도 코일(L2)은 도 3에 도시된 바와 같이, 중간탭(T2)을 가지는 3단자(T1, T2, T3) 구조로 형성됨으로써 공진 전류가 중간탭을 통해 양분되어 T1 단자와 T3 단자로 각각 흐르게 하여 공진 전류에 의한 발열 손실을 줄일 수 있다.

즉, 중간탭을 가지는 유도 코일(L2)은 기존의 2단자 구조의 유도 코일에 비해 전류 피크값이 1/4로 낮아지고, 전류에 의한 발열 손실이 전류의 2승에 반비례하므로 전체적인 발열 손실을 1/16으로 줄일 수 있다.

따라서, 가열 용기(200)에 공급되는 에너지에 필요한 전류는 스위칭 FET(Q2, Q4)가 온 동작될 때마다 유도 코일(L1)을 거쳐 중간탭을 가지는 유도 코일(L2)을 통해 1/2로 양분되어 서로 반대 방향의 T1 단자와 T3 단자로 흐르기 때문에 스위칭 FET(Q2, Q4)의 용량도 1/4로 줄일 수 있다.

즉, 본 발명에 따른 자려 발진 방식의 유도 가열 장치는 상기 유도 코일(L1)을 통해, 상기 스위칭 FET(Q2, Q4)가 교대로 ‘온(ON)’ 될 때마다 중간탭을 가지는 유도 코일(L2)에 전류가 1/2씩 나눠서 공급되어지며, 상기 공급 전류는 중간탭을 가지는 유도 코일(L2) 및 공진 커패시터(C4)의 발진이 유지되도록 함으로써, 공진하면서 흐르는 전류의 흐름이 끊이지 않고 계속되어지는 것이다.

이때, 상기 스위칭 FET(Q2, Q4)의 ‘온(ON)’, ‘오프(OFF)’는 상기 중간탭을 가지는 유도 코일(L2) 및 공진 커패시터(C4)의 공진 전류에 의해 결정되어지며, 이러한 방식을 자려발진 방식이라고 부른다.

이로 인해, 중간탭을 가지는 유도 코일(L2) 위에 냄비나 무선 휴대폰 등이 올리어져 있지 않을 경우, 빠져나가는 에너지 자체도 없기 때문에 상기 유도 코일(L1)을 통해 공급되는 전류의 양은 극히 적어지며, 반대로 냄비 등이 올라가 있는 경우 냄비 가열에 의해 빠져나가는 에너지양만큼의 전류가 상기 유도 코일(L1)을 통해 공급되어지는 것이다.

한편, 유도 코일(L2)에 흐르는 공진 전류는 스위칭 FET(Q2, Q4)를 경유하지 않고 공진 커패시터(C4)만을 통과하여 흐르기 때문에 스위칭 FET(Q2, Q4)에 전혀 영향을 주지 않아 용량이 적은 FET를 사용해도 된다.

또한, 도 4에 도시된 바와 같이 유도 코일(L2)에 흐르는 공진 전류 파형도 정확한 정현파 공진을 하기 때문에 고조파가 현저히 낮아서 인체 유해성이 매우 낮으며, 컨버터부(150)를 통해 직류전압만을 공급하고 있어 120㎐의 '윙'하는 구동 소음이 발생하지 않는다.

또한, 에너지 변환 효율이 높아서 방열판을 식히기 위한 별도의 냉각팬도 필요하지 않다.

유도 가열부(160)는 공진 커패시터(C4)와 유도 코일(L2)의 병렬 공진에 의해 공진 주파수가 결정되고, 공진 주파수는 모든 금속 재질의 용기, 크기, 놓여있는 위치 등에 맞춰서 가열 용기(200)와 유도 코일(L2)의 전자기 유도 결합에 의한 상호 작용에 의해 유도 코일(L2)의 인덕턴스 값이 자동으로 변하면서 결정된다.

즉, 공진 주파수는 가열 용기(200)가 화구에 놓여있지 않을 경우에 전자기 유도 결합이 이루어지 않아 최소가 되고, 알루미늄 재질이나 비철금속 재질의 용기가 화구에 놓여질 경우에 최대가 된다. 일반적으로, 공진주파수가 높을수록 유도 가열 효과가 급격히 증가한다.

스위칭 FET(Q2, Q4)는 일반적으로 사용하는 IGBT 방식에 비해 훨씬 높은 주파수로 공진하므로, 유도 가열부(160)는 알루미늄을 포함한 모든 금속 재질의 가열 용기(200)를 가열할 수 있다.

한편, 유도 가열부(160)는 전자기 유도 작용에 의해 사용자 단말(300)의 무선 충전을 수행할 수 있다.

즉, 유도 가열부(160)는 LC 공진 주파수에 의해 전력 송신 기능을 수행하고, 전력수신용 코일(310)을 유도 가열부(160)와 근접 결합되도록 함으로써 무선전력전송을 수행할 수 있다.

무선 충전은 2개의 물체 간에 에너지 전달을 하기 위해 전자기장 유도 방식을 사용하는 것으로서, 전력이 유도 결합을 통해 사용자 단말(300)에 전달되어 배터리를 충전하거나 단말을 작동시킬 수 있다.

유도 가열부(160)는 교류 전자기장을 생성하는 유도 코일(L2)을 사용하므로, 사용자 단말(300)의 전력수신용 코일(310)이 전자기장으로부터 전력을 얻어 배터리를 충전하기 위한 전류로 변환시킨다.

이때, 사용자 단말(300)은 휴대폰, 스마트 폰(smart phone), 노트북 컴퓨터(laptop computer), 디지털방송용 단말기, PDA(personal digital assistants), PMP(portable multimedia player), 네비게이션, 슬레이트 PC(slate PC), 태블릿 PC(tablet PC), 울트라북(ultrabook), 웨어러블 디바이스(wearable device, 예를 들어, 워치형 단말기 (smartwatch), 글래스형 단말기 (smart glass), HMD(head mounted display)) 등의 무선 충전이 가능한 기기를 포함할 수 있다.

한편, 보조전압 생성부(170)는 커플드 인덕터(TF1), 커플드 인덕터(TF1)의 턴수비를 이용한 승압비 조정을 통해 목표 직류 출력전압을 출력하도록 제어하는 제3 집적회로(IC3), 커플드 인덕터(TF1)의 출력단에 연결되어 제1 보조 전압(15V)을 출력하는 다이오드(D1) 및 커패시터(C5), 다이오드(D1)의 출력단에 연결되어 제1 보조 전압에서 기설정된 전압만큼 낮아진 제2 보조 전압(5V)을 출력하도록 제어하는 제4 집적회로(IC4), 제4 집적회로(IC4)에 의해 제1 보조 전압의 전압 강하를 통해 제2 보조 전압을 출력하는 커패시터(C3)를 포함한다.

구체적으로, 제1 보조전압(15V)은 FET 구동에 필요한 전압이고, 제2 보조전압(5V)은 제어용 외부 MCU에 필요한 전압이다.

또한, R3 저항을 통해 제1 집적회로(IC1)의 6핀에 연결함으로써, MCU가 이상을 일으켰을 때 상기 6핀에 5V 전압이 공급되어져, 상기 제1 집적회로(IC1)의 기능을 정지시켜 컨버터의 출력 전압이 0V가 되게끔 함으로써, 결과적으로 유도가열이 정지되어지는 원리이다.

한편, 상기 제1 집적회로(IC1)의 6핀에 가하는 전압을 2.5V에서 상하로 조금씩 변화하게 되면, 컨버터의 출력 전압을 미세하게 제어 할 수 있도록 구성되어진다.

다음으로, 과전압 방지부(180)는 컨버터부(150)와 유도 가열부(160) 사이에 병렬 설치된 복수 개의 저항(R4, R5)에 의해 과전압을 방지한다.

이와 같이, 본 발명은 중간탭을 가지는 유도 코일(L2)과 공진식 자려발진을 수행하는 자려발진 공진회로를 통해 가열 용기와 유도 코일(L2)과의 전자기 유도 결합에 의한 상호작용에 의해 L2의 인덕턴스 값이 자동으로 변하면서 공진주파수가 결정되고, 이렇게 결정된 공진주파수로 공진하면서 모든 금속 재질의 가열 용기, 용기의 크기, 화구에 놓여있는 위치 등의 용기 조건에 맞춰서 가열 기능이 진행될 수 있다.

무엇보다도, 본 발명은 중간탭을 가지는 유도 코일(L2)이 T1, T2, T3의 3단자 구조를 가지고, 공급 전류를 한 방향으로만 흐르게 하는 것이 아니라 중간탭(T2)을 통해 공급 전류를 양분하여 T1 단자와 T3 단자로 서로 반대방향으로 흐르게 하여 전류에 의한 발열 손실을 현저히 줄일 수 있다.

또한, 본 발명은 컨버터부(150)를 통해 리플이 없는 직류전압 형태의 구동 전원을 유도 코일(L1)에 공급하기 때문에 리플 전압에 의한 소음이 발생하지 않고, 유도 코일(L2)을 송신측으로 하고, 전력수신용 코일(310)을 수신측으로 하여 전자기 유도형 무선 충전 기능을 부가적으로 제공할 수 있다.

상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

한편, 본 발명에 기재된 실시예 및 도면에 도시된 구성은 본 발명의 바람직한 실시예에 불과할 뿐이고, 본 발명의 기술적 사상을 모두 표현하는 것은 아니므로, 본 발명의 권리범위는 본문에 설명된 실시예 및 도면에 의하여 제한되는 것으로 해석되어서는 아니 된다. 즉, 실시예는 다양한 변경이 가능하고 여러 가지 형태를 가질 수 있으므로 본 발명의 권리범위는 기술적 사상을 실현할 수 있는 균등물들을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 또한, 본 발명에서 제시된 목적 또는 효과는 특정 실시예가 이를 전부 포함하여야 한다거나 그러한 효과만을 포함하여야 한다는 의미는 아니므로, 본 발명의 권리범위는 이에 의하여 제한되는 것으로 이해되어서는 아니 될 것이다.

나아가, 여기서 사용되는 모든 용어들은 다르게 정의되지 않는 한, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 것으로 해석되어야 하며, 본 발명에서 명백하게 정의하지 않는 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미를 지니는 것으로 해석될 수 없다.

110 : 전원부 CT1 : 용기 검출부
120 : 기능정지 결정부 130 : 화력 제어부
140 : 스위칭부 150 : 컨버터부
160 : 유도 가열부 170 : 보조전압 생성부
180 : 과전압 방지부

Claims (8)

1. 입력 교류 전원을 정류하여 직류 전압으로 제공하는 전원부;
   가열용기의 유무를 검출하는 용기 검출부;
   복수 개의 저항(R2, R3)이 병렬 연결되어 전력 제어 기능 및 비상시 자동으로 가열 정지 기능을 수행하는 기능정지 결정부;
   상기 기능정지 결정부와 연계하여 최소 화력에서부터 최대 화력까지 연속으로 정밀 제어하고, 상기 입력 교류 전원에 대한 역률 보상 기능을 수행하는 화력 제어부;
   상기 전원부에서 제공되는 직류 전압을 스위칭하여 게이트 구동 신호를 출력하도록 복수 개의 FET로 구성되는 스위칭부;
   상기 스위칭부의 게이트 구동 신호에 따라 상기 직류 전압을 기설정된 전압범위 이내로 변환하여 2차측 부하로 구동전원을 제공하는 컨버터부; 및
   상기 구동 전원을 공진시키면서 공진전류에 의해 발생된 자기장에 의한 전자기 유도 작용으로 상기 가열 용기 내부를 가열하도록 유도 코일(L2)과 공진 커패시터(C4)를 포함한 자려발진식 고주파 공진 회로를 구성하는 유도가열부를 포함하는 것을 특징으로 하는 자려 발진 방식의 유도 가열 장치.
   
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 화력 제어부는
   과전류 방지를 위한 적어도 하나 이상의 션트 저항(R1, R6)을 포함하는 것을 특징으로 하는 자려 발진 방식의 유도 가열 장치.
   
3. 제 1 항에 있어서,
   커플드 인덕터(TF1), 상기 커플드 인덕터의 턴수비를 이용한 승압비 조정을 통해 목표 직류 출력전압을 출력하도록 제어하는 집적회로(IC1), 상기 커플드 인덕터의 출력단에 연결되어 제1 보조 전압을 출력하는 다이오드(D1) 및 커패시터(C5), 상기 다이오드의 출력단에 연결되어 상기 제1 보조 전압에서 기설정된 전압만큼 낮아진 제2 보조 전압을 출력하도록 제어하는 집적회로(IC4), 상기 집적회로(IC4)에 의해 제1 보조 전압의 전압 강하를 통해 제2 보조 전압을 출력하는 커패시터(C3)를 포함하는 보조전압 생성부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 자려 발진 방식의 유도 가열 장치.
   
4. 제 1 항에 있어서,
   상기 컨버터부와 유도 가열부 사이에 병렬 설치된 복수 개의 저항(R4, R5)에 의해 과전압을 방지하는 과전압 방지부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 자려 발진 방식의 유도 가열 장치.
   
5. 제 1 항에 있어서,
   상기 컨버터부는
   상기 게이트 구동신호에 의해 동작하는 제1 FET(Q1), 커플드 인덕터(TF2), 충방전 커패시터(C1), 정류 다이오드(D2) 및 평활 커패시터(C2)를 포함하는 것을 특징으로 하는 자려 발진 방식의 유도 가열 장치.
   
6. 제 1 항에 있어서,
   상기 유도 코일은
   중간탭(T2)을 가지는 3단자(T1, T2, T3) 구조로 형성된 것을 특징으로 하는 자려 발진 방식의 유도 가열 장치.
   
7. 제 6 항에 있어서,
   상기 유도 코일은
   상기 공급 전류가 중간탭을 통해 양분되어 T1 단자와 T3 단자로 각각 흐르게 하여 공급 전류에 의한 손실을 줄이는 것을 특징으로 하는 자려 발진 방식의 유도 가열 장치.
   
8. 제 1 항에 있어서,
   상기 유도 가열부는
   상기 공진 주파수에 의해 전력 송신 기능을 수행하고, 전력수신용 코일이 유도 가열부와 근접 결합되어 전자기 유도 작용에 의해 무선전력전송을 수행하는 것을 특징으로 하는 자려 발진 방식의 유도 가열 장치.

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