KR20200009754A - 인덕션 레인지용 인버터 제어장치 - Google Patents

인덕션 레인지용 인버터 제어장치 Download PDF

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KR20200009754A
KR20200009754A KR1020180084561A KR20180084561A KR20200009754A KR 20200009754 A KR20200009754 A KR 20200009754A KR 1020180084561 A KR1020180084561 A KR 1020180084561A KR 20180084561 A KR20180084561 A KR 20180084561A KR 20200009754 A KR20200009754 A KR 20200009754A
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Abstract

본 발명은 인덕션 레인지용 인버터 제어장치에 관한 것으로, 인버터의 스위치소자의 온/오프 스위칭 작동을 제어하는 스위치 구동부로 구동제어신호가 인가되는 동안 MCU가 상기 스위치소자의 온/오프 타임 길이와 턴온 시점을 결정하는 구동신호의 온/오프 타임 길이와 턴온 시점을 가변하여 상기 구동제어신호의 주파수보다 상기 스위치소자의 스위칭주파수를 낮게 하여 인버터의 정출력을 유지할 때 구동신호의 온 타임 길이가 최대치이면 스위치소자의 공진전압이 미리 정해진 안전공진전압 이하에 속하는 경우에만 스위치소자를 온시킨다.
본 발명에 따르면 인버터의 정출력을 유지할 때 구동신호의 온 타임 길이가 최대치이면 스위치소자의 공진전압이 미리 정해진 안전공진전압 이하에 속하는 경우에만 스위치소자를 온시키기 때문에 상기 구동신호의 온 타임 길이가 최대치일 때 강제적으로 상기 스위치소자를 온시킴에 따라 스위치소자에 심각한 공진 손실을 야기하는 하드 스위칭 작동이 발생하는 문제점을 방지할 수 있고, 그 결과로 스위치소자가 과전류나 심각한 발열 혹은 지속적인 스위칭 스트레스에 기인하여 소손되는 문제점을 해소할 수 있으며, 부가적으로 스위치소자의 공진 손실 저감에 따른 스위칭 효율 증가 및 전자 방해 잡음(EMI) 특성 개선을 기대할 수 있다.

Description

인덕션 레인지용 인버터 제어장치{Inverter control device for induction range}
본 발명은 인덕션 레인지에 관한 것이며, 더욱 상세히는 인덕션 레인지용 인버터 제어장치에 관한 것이다.
인덕션 레인지는 상판에 형성된 쿠킹존(cooking zone) 하부에 설치된 워킹코일(working coil)로 쿠킹존 위에 올려진 조리용기를 가열하는 조리기기이다.
상기한 인덕션 레인지는 병렬 연결된 워킹코일과 콘덴서의 공진작용에 의해 상기 워킹코일에 고주파 교류 전류가 공급되고 공진전압이 발생하는 동안 워킹코일 주변에 형성되는 자기장에 의해 워킹코일 위에 올려진 조리용기에 와전류(Eddy Current)를 유도하고, 이 와전류가 유도되는 동안 해당 조리용기가 전기저항 역할을 하는 부하로 작용하여 발열 작동함으로써 조리용기 내부의 조리물을 가열한다.
한편, 상기한 인덕션 레인지는 인버터 제어장치에 의해 스위치소자의 온/오프 스위칭 작동을 반복하여 직류 전원을 워킹코일로 공급하기 위한 고주파 교류 전원으로 변환하는 인버터를 포함한다.
상기 인버터는 대전력 반도체인 IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)를 전원공급용 스위치소자로 범용하며, 부하 역할을 하는 조리용기의 종류나 재질에 따라 상기 IGBT의 온/오프 스위칭 작동 시 워킹코일의 공진전압으로 감지되는 IGBT 콜렉터 전압은 대략 0.8∼1.5kV 수준으로 높은 전위차를 갖게 되며, 순간 피크 전류값은 30∼90A, 그리고 스위칭주파수는 대략 25∼45kHz 정도이다.
상기 IGBT는 고주파 교류 전원을 만들기 위해 온/오프 스위칭 작동을 반복하기 때문에 높은 내압 및 전류 용량, 고속 스위칭 속도, 높은 내열 특성을 가지지만 조리용기의 종류나 재질에 따라 수 많은 부하 변동에서 온/오프 스위칭 작동의 신뢰성 및 안전성을 확보하기 어려운 문제점이 있다.
다른 한편, 인덕션 레인지의 유도가열에 적용되는 일반적인 인버터 토폴로지(Inverter Topology)는 크게 개별 쿠킹존의 최대 출력에 따라 싱글-엔디드(Single-Ended) 전압 공진 방식과 하프-브리지(Half-Bridge) 전류 공진 방식으로 나뉜다.
상기의 싱글-엔디드(Single-Ended) 전압 공진 방식은 하프-브리지(Half-Bridge) 전류 공진 방식에 비해 회로구성이 간단하고, 전자 방해 잡음(EMI: Electro Magnetic Interference) 특성에 유리하여 경제적이기는 하지만 개별 출력 3kW이상의 높은 출력을 요구하는 제품군(Applications)에서는 기술적으로 적용하기 어려운 단점이 있다
경제적이기는 하지만 전원공급을 위한 공진회로가 개별부품으로 구성되어 있으므로, 회로가 복잡하고 생산성과 신뢰성이 떨어지는 단점이 있다.
또한, 220V 상용 교류 입력 전원에서 워킹코일은 노이즈필터 및 평활 커패시터에 의해 평활된 직류전압(예컨대, 311Vp-p)을 인가받아 전기에너지로 축적하며, 상기한 IGBT의 오프 시 워킹코일에 흐르던 전류가 차단되어 워킹코일 양단에 매우 높은 레벨을 갖는 역기전압이 발생하게 된다.
이와 같이 싱글-엔디드(Single-Ended) 전압 공진 방식의 인버터 토폴로지에서는 약 1200V이상의 역기전압 내압 내성 특성을 갖는 IGBT가 필요하게 되며, 높은 레벨의 역기전압이 IGBT의 콜렉터에 연결된 공진 콘덴서에 인가되어, 워킹코일에 강력한 자계가 형성되어 자성체 용기의 와류 전류를 흐르게 하여 부하로 작용하는 조리용기를 가열시킨다.
상기한 싱글-엔디드(Single-Ended) 전압 공진 방식의 인버터 토폴로지에서는 조리용기의 종류나 재질에 따라 혹은 조리용기의 편심 여부에 따라 부하 변동이 있는 경우, 특히 고출력 구간에서 상기한 IGBT의 온/오프 스위칭 작동을 제어하도록 게이트로 인가되는 스위치 온/오프신호의 스위칭주파수 가변 및 스위소자의 도통시간 가변제어동작으로 인버터의 정출력을 유지함으로써 사용자가 설정한 목표출력으로 워킹코일의 출력을 제어하여 조리용기를 가열한다.
예컨대, 상기한 IGBT의 온/오프 스위칭 작동을 제어하는 스위치 구동부로 구동제어신호가 인가되는 동안 인버터 제어장치의 MCU가 상기 IGBT의 온/오프 타임 길이와 턴온 시점을 결정하는 구동신호의 온/오프 타임 길이와 턴온 시점을 가변하여 상기 구동제어신호의 주파수보다 상기 IGBT의 스위칭주파수를 낮게 하여 인버터의 정출력을 유지하면 워킹코일에 많은 전류가 흐르게 되어 부하 변동에 따라 사용자가 설정한 목표출력으로 워킹코일의 출력이 제어되어 조리용기가 충분히 가열된다.
하지만, 상기한 싱글-엔디드(Single-Ended) 전압 공진 방식의 인버터 토폴로지에서 인버터 제어 장치의 MCU가 결정하는 상기 구동신호의 온 타임 길이가 최대치가 제한되어 있고 상기 구동신호의 온 타임 길이가 최대치를 넘어설 경우 상기 구동제어신호의 주파수보다 상기 IGBT의 스위칭주파수가 낮아져 인덕션 레인지의 소비전력이 증가하는 문제점이 있다.
이러한 소비전력 증가를 방지하기 위해, 종래에는 상기 구동신호의 온 타임 길이가 최대치일 때 강제적으로 상기 IGBT를 온시켜 스위칭주파수 감소에 따른 소비전력 증가를 제한하였다.
하지만, 상기 구동신호의 온 타임 길이가 최대치일 때 강제적으로 상기 IGBT를 온시키면 IGBT의 양단(콜렉터, 이미터)간 공진전압이 상기한 역기전압 내압(예컨대, 1200V) 이상으로 높을 때 IGBT에 심각한 공진 손실을 야기하는 하드 스위칭(Hard Switching) 작동이 발생한다.
이처럼, 상기 IGBT를 강제로 온 시킬 때마다 지속적으로 상기한 하드 스위칭(Hard Switching) 작동이 발생하면 IGBT의 낮은 도통 저항(Ron)으로 인해 매우 큰 단락전류가 흐르게 되어 과전류와 심각한 발열 혹은 지속적인 스위칭 스트레스를 야기시켜 결국에는 IGBT가 소손될 수 있다.
KR 10-1993-0019067 A1
본 발명은 상기한 바와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 인버터의 스위치소자의 온/오프 스위칭 작동을 제어하는 스위치 구동부로 구동제어신호가 인가되는 동안 MCU가 상기 스위치소자의 온/오프 타임 길이와 턴온 시점을 결정하는 구동신호의 온/오프 타임 길이와 턴온 시점을 가변하여 상기 구동제어신호의 주파수보다 상기 스위치소자의 스위칭주파수를 낮게 하여 인버터의 정출력을 유지할 때 구동신호의 온 타임 길이가 최대치이면 스위치소자의 공진전압이 미리 정해진 안전공진전압 이하에 속하는 경우에만 스위치소자를 온시키는 인덕션 레인지용 인버터 제어장치를 제공하는 것이다.
상기한 바와 같은 본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 인덕션 레인지용 인버터 제어장치는, 인덕션 레인지용 인버터의 스위치소자의 온/오프 스위칭 작동 시 워킹코일의 입력전압 감지전압(VIN_Sense)과 출력공진전압 감지전압(VCE_Sense)을 비교하여 공진전압 제어신호(VCE_Control)를 출력하는 제1비교기와; 워킹코일의 출력공진전압 감지전압(VCE_Sense)이 미리 정해진 안전공진전압 영역(VBLOCK)에 속하는지를 알리는 안전공진전압 감지신호(Vsafe_Sense)를 출력하는 제2비교기; 구동제어신호(Driving_Control)가 인가되면 온/오프 스위칭 작동을 하여 상기 스위치소자의 온/오프 스위칭 작동을 제어하는 스위치 구동부; 상기 공진전압 제어신호(VCE_Control)와 워킹코일의 공진전압 출력을 제어하는 공진제어신호(Resonant_Control)를 비교하여 상기 스위치 구동부를 구동하는 구동제어신호(Driving_Control)를 출력하는 펄스발생부; 인버터로 입력되는 전류(Iin)와 상기 공진전압 제어신호(VCE_Control)를 비교하여 상기 공진제어신호(Resonant_Control)를 출력하고 상기 스위치소자의 온/오프 타임 길이와 턴온 시점을 결정하는 구동신호(Driver)를 출력하고 상기 구동신호(Driver)의 온/오프 타임 길이와 턴온 시점을 가변하여 구동제어신호(Driving_Control)의 주파수보다 상기 스위치소자의 스위칭주파수를 높거나 낮게 하여 인버터의 정출력을 유지하고 인버터의 정출력을 유지할 때 상기 구동신호(Driver)의 온 타임 길이가 최대치임을 알리는 온 타임 맥스(On Time Max) 신호를 출력하는 MCU(Main Control Unit); 상기 구동신호(Driver)가 인가되면 온/오프 스위칭 작동을 하여 상기 스위치 구동부의 작동을 제어하는 구동제어스위치; 상기 온 타임 맥스(On Time Max) 신호가 입력되고 상기 안전공진전압 감지신호(Vsafe_Sense)가 미리 정해진 로우트립 안전공진전압(Lower Trip) 이하에 속할 때만 인버터의 스위치소자를 온시키기 위한 안전공진전압신호(Vsafe)를 출력하는 안전공진제어기; 및 상기 안전공진전압신호(Vsafe)가 인가되면 상기 스위치 구동부의 작동을 제어하여 스위치소자를 온시키는 안전구동제어스위치;로 구성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 인덕션 레인지용 인버터 제어장치에 있어서, 상기 제2비교기는 워킹코일의 출력공진전압 감지전압(VCE_Sense)이 미리 정해진 안전공진전압 영역(VBLOCK) 중 미리 정해진 업퍼트립 안전공진전압(Upper Trip) 이상으로 판정된 후 미리 정해진 로우트립 안전공진전압(Lower Trip) 이하에 속함을 알리는 안전공진전압 감지신호(Vsafe_Sense)를 출력하는 히스테리시스 전압비교기인 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 인덕션 레인지용 인버터 제어장치에 있어서, 상기 안전공진제어기는 상기 온 타임 맥스(On Time Max) 신호와 상기 안전공진전압 감지신호(Vsafe_Sense)를 부정 논리곱 연산하는 낸드게이트(NAND)인 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 인덕션 레인지용 인버터 제어장치에 있어서, 워킹코일의 출력공진전압 감지전압(VCE_Sense)이 공진기준전압(VREF)을 초과하면 워킹코일로 고주파 교류 전원을 공급하기 위해 온/오프 스위칭 작동이 제어되는 인버터의 스위치소자를 과전압(예컨대, 1200V 이상)으로부터 보호하기 위한 전압보호신호(VCE_Protection)를 출력하여 MCU로 인가하는 제3비교기를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 인덕션 레인지용 인버터 제어장치에 있어서, 상기 MCU는 상기 전압보호신호(VCE_Protection)가 인가되면 상기 스위치 구동부의 동작을 정지시켜 워킹코일의 출력을 정지하는 구동신호(Driver)를 출력하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 인덕션 레인지용 인버터 제어장치에 있어서, 상기 스위치소자의 도통전류(ICE)의 순간 피크 전류값이 상기 공진기준전압(VREF)에 대응하는 기준전류을 초과하면 상기 스위치소자를 과전류(예컨대, 65A 이상)로부터 보호하기 위한 전류보호신호(ICE_Protection)를 출력하여 MCU로 인가하는 제4비교기를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 인덕션 레인지용 인버터 제어장치에 있어서, 상기 MCU는 상기 전류보호신호(ICE_Protection)가 인가되면 상기 스위치 구동부의 동작을 정지시켜 워킹코일의 출력을 정지하는 구동신호(Driver)를 출력하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면 인버터의 정출력을 유지할 때 구동신호(Driver)의 온 타임 길이가 최대치이면 스위치소자의 공진전압이 미리 정해진 안전공진전압 이하에 속하는 경우에만 스위치소자를 온시키기 때문에 상기 구동신호의 온 타임 길이가 최대치일 때 강제적으로 상기 스위치소자를 온시킴에 따라 스위치소자에 심각한 공진 손실을 야기하는 하드 스위칭(Hard Switching) 작동이 발생하는 문제점을 방지할 수 있고, 그 결과로 스위치소자가 과전류나 심각한 발열 혹은 지속적인 스위칭 스트레스에 기인하여 소손되는 문제점을 해소할 수 있으며, 부가적으로 스위치소자의 공진 손실 저감에 따른 스위칭 효율 증가 및 전자 방해 잡음(EMI) 특성 개선을 기대할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 인덕션 레인지용 인버터 제어장치를 나타낸 실시예.
도 2는 본 발명에 따른 안전공진제어기 미작동 시 IGBT의 소손이 발생하는 작동을 설명하는 파형도.
도 3은 본 발명에 따른 안전공진제어기 작동 시 IGBT의 소손이 발생하는 문제점을 해결하는 작동을 설명하는 파형도.
이하, 본 발명의 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 더욱 상세하게 설명한다.
이하에서 설명하는 본 발명에 따른 인덕션 레인지용 인버터 제어장치는 하기의 실시예에 한정되지 않고, 청구범위에서 청구하는 기술의 요지를 벗어남이 없이 해당 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 변경하여 실시할 수 있는 범위까지 그 기술적 정신이 있다.
도 1에는 인덕션 레인지용 인버터(100)와 본 발명에 따른 인덕션 레인지용 인버터 제어장치(200)가 도시되어 있다.
도 1에 나타낸 바와 같이, 인덕션 레인지용 인버터(100)는 교류전원입력부(110)와 정류부(120), 공진부(130) 및 스위치소자(140)를 포함하여 구성되고, 본 발명에 따른 인버터 제어장치(200)에 의해 스위치소자(140)의 온/오프 스위칭 작동이 제어된다.
상기 교류전원입력부(110)는 교류전원(예컨대, 220V 상용 교류전원)을 정류부(120)로 입력한다.
상기 정류부(120)는 입력 교류전원을 브리지다이오드로 전파정류한 후 평활 콘덴서와 노이즈필터로 평활하여 직류전원으로 변환한다.
상기 공진부(130)는 상기 정류부(120)를 통해 입력되는 직류전원에 의해 충전되고 스위치소자(140)의 온/오프 스위칭 작동에 따라 충전과 방전을 반복하는 공진 콘덴서(CR)와 상기 공진 콘덴서(CR)의 충방전에 따라 역기전압이 발생하여 자기장을 형성하고 이 자기장에 기인하는 유도전류를 생성하는 워킹코일(WC)을 포함한다.
상기 스위치소자(140)는 온/오프 스위칭 작동을 제어하는 스위치 온/오프신호에 따라 온/오프 스위칭 작동을 반복하여 상기 정류부(120)를 통해 입력되는 직류전원을 워킹코일(WC)로 공급하기 위한 고주파 교류 전원으로 변환한다.
상기 인버터(100)는 대전력 반도체인 IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)를 스위치소자(140)로 범용하고, 이 IGBT는 게이트로 입력되는 스위치 온/오프신호(Vgate)에 의해 온/오프 스위칭 작동이 제어된다.
상기 인버터 제어장치(200)는 제1비교기(210)와 제2비교기(220), 스위치 구동부(230), 펄스발생부(240), MCU(Main Control Unit)(250), 구동제어스위치(260), 안전공진제어기(270), 안전구동제어스위치(280), 제3비교기(290) 및 제4비교기(290')를 포함하여 구성된다.
상기 제1비교기(210)는 인버터(100)의 스위치소자(140)의 온/오프 스위칭 작동 시 워킹코일(WC)의 입력전압 감지전압(VIN_Sense)과 출력공진전압 감지전압(VCE_Sense)을 비교하여 공진전압 제어신호(VCE_Control)를 출력한다.
상기 제2비교기(220)는 워킹코일(WC)의 출력공진전압 감지전압(VCE_Sense)이 미리 정해진 안전공진전압 영역(VBLOCK)에 속하는지를 알리는 안전공진전압 감지신호(Vsafe_Sense)를 출력한다.
상기 제2비교기(220)는 워킹코일(WC)의 출력공진전압 감지전압(VCE_Sense)이 미리 정해진 안전공진전압 영역(VBLOCK) 중 미리 정해진 업퍼트립 안전공진전압(Upper Trip) 이상으로 판정된 후 미리 정해진 로우트립 안전공진전압(Lower Trip) 이하에 속함을 알리는 안전공진전압 감지신호(Vsafe_Sense)를 출력하는 히스테리시스 전압비교기인 것이 바람직하다.
상기 스위치 구동부(230)는 구동제어신호(Driving_Control)가 인가되면 온/오프 스위칭 작동을 하여 상기 스위치소자(140)의 온/오프 스위칭 작동을 제어한다.
상기 펄스발생부(240)는 상기 공진전압 제어신호(VCE_Control)와 워킹코일(WC)의 공진전압 출력을 제어하는 공진제어신호(Resonant_Control)를 비교하여 상기 스위치 구동부(230)를 구동하는 구동제어신호(Driving_Control)를 출력한다.
상기 MCU(250)는 인버터(100)로 입력되는 전류(Iin)와 상기 공진전압 제어신호(VCE_Control)를 비교하여 상기 공진제어신호(Resonant_Control)를 출력하고 상기 스위치소자(140)의 온/오프 타임 길이와 턴온 시점을 결정하는 구동신호(Driver)를 출력하고 상기 구동신호(Driver)의 온/오프 타임 길이와 턴온 시점을 가변하여 구동제어신호(Driving_Control)의 주파수보다 상기 스위치소자(140)의 스위칭주파수를 높거나 낮게 하여 인버터(100)의 정출력을 유지하고 인버터(100)의 정출력을 유지할 때 상기 구동신호(Driver)의 온 타임 길이가 최대치임을 알리는 온 타임 맥스(On Time Max ) 신호를 출력한다.
상기 MCU(250)가 상기 공진전압 제어신호(VCE_Control)와 비교하는 인버터(100)로 입력되는 전류(Iin)는 상기 교류전원입력부(110)로부터 입력되는 교류전원(예컨대, 220V 상용 교류전원)을 변류기 등으로 구성되는 입력전류감지기(250')를 이용하여 감지하는 것이 바람직하다.
상기 구동제어스위치(260)는 상기 구동신호(Driver)가 인가되면 온/오프 스위칭 작동을 하여 상기 스위치 구동부(230)의 작동을 제어한다.
상기 안전공진제어기(270)는 상기 온 타임 맥스(On Time Max) 신호가 입력되고 상기 안전공진전압 감지신호(Vsafe_Sense)가 미리 정해진 로우트립 안전공진전압(Lower Trip) 이하에 속할 때만 인버터(100)의 스위치소자(140)를 온시키기 위한 안전공진전압신호(Vsafe)를 출력한다.
상기 안전공진제어기(270)는 상기 온 타임 맥스(On Time Max) 신호와 상기 안전공진전압 감지신호(Vsafe_Sense)를 부정 논리곱 연산하는 낸드게이트(NAND)인 것이 바람직하다.
상기 안전구동제어스위치(280)는 상기 안전공진전압신호(Vsafe)가 인가되면 상기 스위치 구동부(230)의 작동을 제어하여 스위치소자(140)를 온시킨다.
상기 제3비교기(290)는 워킹코일(WC)의 출력공진전압 감지전압(VCE_Sense)이 공진기준전압(VREF)을 초과하면 워킹코일(WC)로 고주파 교류 전원을 공급하기 위해 온/오프 스위칭 작동이 제어되는 인버터(100)의 스위치소자(140)를 과전압(예컨대, 1200V 이상)으로부터 보호하기 위한 전압보호신호(VCE_Protection)를 출력하여 MCU(240)로 인가한다. 이때, 상기 MCU(240)는 상기 스위치 구동부(230)의 동작을 정지시켜 워킹코일(WC)의 출력을 정지하는 구동신호(Driver)를 출력한다.
상기 제4비교기(290')는 상기 스위치소자(140)의 도통전류(ICE)의 순간 피크 전류값이 상기 공진기준전압(VREF)에 대응하는 기준전류을 초과하면 상기 스위치소자(140)를 과전류(예컨대, 65A 이상)로부터 보호하기 위한 전류보호신호(ICE_Protection)를 출력하여 MCU(240)로 인가한다. 이때, 상기 MCU(240)는 상기 스위치 구동부(230)의 동작을 정지시켜 워킹코일(WC)의 출력을 정지하는 구동신호(Driver)를 출력한다.
상기 제4비교기(290')가 상기 공진기준전압(VREF)에 대응하는 기준전류와 비교하는 상기 스위치소자(140)의 도통전류(ICE)는 상기 스위치소자(140)의 출력단, 예컨대 IGBT의 이미터 측에 배치된 변류기 등으로 구성되는 도통전류감지기(290")를 이용하여 감지하는 것이 바람직하다.
상기와 같이 구성되는 본 발명에 따른 인덕션 레인지용 인버터 제어장치(200)는 다음과 같이 작동한다.
사용자가 쿠킹존 위에 조리용기를 올려놓고 인덕션 레인지의 상판에 배치된 조작부의 주전원 스위치를 온 시키고 화력조절스위치로 자신이 원하는 온도로 조리용기를 가열하기 위한 목표출력을 설정하면 인버터 제어장치(200)는 해당 목표출력으로 워킹코일(WC)의 출력을 제어하여 조리용기를 가열한다.
이때, 상기 MCU(250)는 인버터(100)로 입력되는 전류(Iin)와 상기 공진전압 제어신호(VCE_Control)를 비교하여 상기 공진제어신호(Resonant_Control)를 출력하고 상기 스위치소자(140)로 사용되는 IGBT의 온/오프 타임 길이와 턴온 시점을 결정하는 구동신호(Driver)를 출력하고 상기 구동신호(Driver)의 온/오프 타임 길이와 턴온 시점을 가변하여 구동제어신호(Driving_Control)의 주파수보다 상기 스위치소자(140)의 스위칭주파수를 높거나 낮게 하여 상기한 목표출력으로 인버터(100)의 정출력을 유지한다.
이하, 도 2 내지 도 3을 참조하여 인버터(100)의 정출력 유지 작동을 구체적으로 설명하면 다음과 같다.
상기 구동제어신호(Driving_Control)에 의해 IGBT가 온 되었을 때, 상기 제1비교기(210)가 워킹코일(WC)의 입력전압 감지전압(VIN_Sense)과 출력공진전압 감지전압(VCE_Sense)을 비교하여 공진전압 제어신호(VCE_Control)를 출력함에 따라 상기 MCU(250)가 정해진 기울기를 가진 톱니파 신호로 된 상기 공진제어신호(Resonant_Control)를 출력하면 상기 펄스발생부(240)가 상기 스위치 구동부(230)를 구동하는 구동제어신호(Driving_Control)를 출력한다.
도 2 내지 도 3에 나타낸 바와 같이, 상기 구동제어신호(Driving_Control)는 IGBT의 게이트를 활성화(Activation)시키는 스위치 온/오프신호(Vgate)의 베이스로 활용된다.
상기 MCU(250)는 상기 구동제어신호(Driving_Control)의 폴링엣지(Falling Edge) 신호를 기준으로 사용자가 설정한 해당 목표출력에서 상기 구동신호(Driver)가 활성화되는 온 타임 길이 최대치(On Time Max)를 규정한다.
예컨대, 조리용기의 종류나 재질에 따라 혹은 조리용기의 편심 여부에 따라 부하 변동이 있는 경우, 상기 MCU(250)는 상기한 목표출력으로 인버터(100)의 정출력을 유지하기 위해 상기 구동신호(Driver)의 온 타임 길이가 최대치임을 알리는 온 타임 맥스(On Time Max) 신호를 출력한다.
이때, 도 2에 나타낸 바와 같이, 부하 변동에 따라 온 타임 맥스(On Time Max) 신호 이전에 제1비교기(210)에 의한 워킹코일(WC)의 입력전압 감지전압(VIN_Sense)과 출력공진전압 감지전압(VCE_Sense)의 비교 동작이 종료되어 상기 구동신호(Driver)가 비활성화되거나, 입력전압 감지전압(VIN_Sense)과 출력공진전압 감지전압(VCE_Sense)의 비교 동작이 종료되지 않을 경우 사용자가 설정한 해당 목표출력에 따라 규정되는 온 타임 길이가 최대치가 되면 상기 구동신호(Driver)를 로우(Low)로 활성화시킨다.
상기한 바와 같이 구동신호(Driver)가 비활성화되거나 목표출력에 따라 규정되는 온 타임 길이가 최대치가 되면 상기 구동신호(Driver)를 로우(Low)로 활성화되는 경우 상기 스위치 구동부(230)를 구동하는 구동제어신호(Driving_Control)에 의해 상기 스위치 구동부(230)가 IGBT를 턴온시킨다.
참고로, 도 2에서는 사용자가 설정한 해당 목표출력이 저출력인 경우 상기 구동신호(Driver)가 온 타임 길이가 T1으로 활성화되고, 고출력인 경우 상기 구동신호(Driver)가 온 타임 길이가 최대치 T2인 온 타임 맥스(On Time Max) 신호로 활성화되는 실시예를 나타낸다.
특히, 도 2에 나타낸 바와 같이, 상기 안전공진제어기(270) 미작동 시를 전제하는 경우, 고출력 구간에서 부하 변동 시 상기 구동신호(Driver)가 상기한 목표출력에 따라 규정되는 온 타임 맥스(On Time Max) 신호로 활성화되면 상기 IGBT의 게이트를 활성화(Activation)시키는 스위치 온/오프신호(Vgate)의 베이스로 활용하는 상기 구동제어신호(Driving_Control)의 주파수보다 상기 IGBT의 스위칭주파수, 즉 IGBT는 게이트로 입력되는 스위치 온/오프신호(Vgate)의 주파수가 낮아져 인덕션 레인지의 소비전력이 증가한다.
따라서, 이러한 소비전력 증가를 방지하기 위해, 도 2에 나타낸 바와 같이 고출력 구간에서 부하 변동 시 상기 구동신호(Driver)가 상기한 목표출력에 따라 규정되는 온 타임 맥스(On Time Max) 신호로 활성화되고 제1비교기(210)에 의해 입력전압 감지전압(VIN_Sense)과 출력공진전압 감지전압(VCE_Sense)의 비교 동작이 종료되지 않으면 상기 MCU(250)가 상기 구동신호(Driver)를 로우(Low)로 활성화시켜 상기 스위치 구동부(230)를 구동하는 구동제어신호(Driving_Control)에 의해 상기 스위치 구동부(230)가 IGBT를 턴온시키고, 그 결과 워킹코일(WC)의 출력이 정지되고 소비전력 증가를 방지할 수 있다.
하지만, 상기 구동신호(Driver)가 온 타임 맥스(On Time Max) 신호로 활성화되고 제1비교기(210)에 의해 입력전압 감지전압(VIN_Sense)과 출력공진전압 감지전압(VCE_Sense)의 비교 동작이 종료되지 않을 때마다 상기 MCU(250)가 상기 구동신호(Driver)를 로우(Low)로 활성화시켜 IGBT를 강제로 턴온시키면 IGBT의 양단(콜렉터, 이미터)간 공진전압이 역기전압 내압(예컨대, 1200V) 이상으로 높을 때 IGBT에 심각한 공진 손실을 야기하는 하드 스위칭(Hard Switching) 작동이 발생한다.
이처럼, 상기 IGBT를 강제로 턴온시킬 때마다 지속적으로 상기한 하드 스위칭(Hard Switching) 작동이 발생하면 IGBT의 낮은 도통 저항(Ron)으로 인해 매우 큰 단락전류가 흐르게 되어 과전류와 심각한 발열 혹은 지속적인 스위칭 스트레스를 야기시켜 결국에는 IGBT가 소손될 수 있다.
도 2에 나타낸 파형도를 참고하여 IGBT 소손 문제가 발생하는 과정을 구체적으로 설명하면 다음과 같다.
상기 IGBT의 게이트로 입력되는 스위치 오프신호(Vgate)에 의해 상기 IGBT가 오프 시 상기 제1비교기(210)로부터 공진전압 제어신호(VCE_Control)를 수신한 상기 MCU(250)는 입력전압 감지전압(VIN_Sense)이 출력공진전압 감지전압(VCE_Sense)보다 클 때를 상기 스위치 구동부(230)를 구동하는 구동제어신호(Driving_Control)의 라이징엣지(Rising Edge) 지점인 출력공진전압(VCE)의 제로-크로싱 포인트(Zero-Crossing Point)로 판단한다.
그러나 정확히 구동제어신호(Driving_Control)의 라이징엣지 지점이 출력공진전압(VCE)의 제로-크로싱 포인트(Zero-Crossing Point)는 아니다.
이는 인버터(100) 내부 회로의 기생 R-C성분 등으로 인해 전파지연이 발생되는 것을 보상하기 위함이며, 상기 MCU(250)는 구동제어신호(Driving_Control)의 라이징엣지(Rising Edge) 이후 일정 시간 뒤 구동신호(Driver)를 로우(Low)로 활성화시킴으로써 출력공진전압(VCE)이 제로-크로싱(Zero-Crossing)되는 지점에서 IGBT를 턴온시킨다.
이처럼, 상기 IGBT를 제로-크로싱 포인트(Zero-Crossing Point)에서 턴온시킴으로써 IGBT의 도통손실을 줄일 수 있으며, 도통 시에도 상기한 하드 스위칭(Hard Switching) 작동을 방지할 수 있다.
그러나, 상기와 같이 MCU(250)가 상기 구동신호(Driver)의 온/오프 타임 길이와 턴온 시점을 가변하여 구동제어신호(Driving_Control)의 주파수보다 상기 스위치소자(140)의 스위칭주파수를 높거나 낮게 하여 인버터(100)의 정출력을 유지하더라고, 예컨대 조리용기의 재질, 종류, 두께, 편심 등에 따라 부하가 변동되는 경우, 특히 고출력 구간에서 입력전압 감지전압(VIN_Sense)이 출력공진전압 감지전압(VCE_Sense)보다 작을 때 상기 구동신호(Driver)가 온 타임 맥스(On Time Max) 신호로 활성화되어 출력공진전압(VCE)이 제로-크로싱(Zero-Crossing) 되지 않는 지점에서 상기 IGBT가 강제적으로 턴온되면, 출력공진전압(VCE)이 상기 IGBT의 콜렉터와 이미터 간에 인가되어 공진 손실(VCE_loss)을 야기하는 하드 스위칭(Hard Switching) 작동이 발생한다.
이처럼 하드 스위칭(Hard Switching) 작동이 발생하면 과전류(ICE_peak)와 심각한 발열 혹은 지속적인 스위칭 스트레스를 야기시켜 결국에는 IGBT가 소손될 수 있다.
상기한 바와 달리 상기 안전공진제어기(270)가 작동하는 경우 도 3에 나타낸 바와 같이 IGBT가 소손되는 문제를 해결할 수 있다.
도 3의 (a)는 도 2에 나타낸 안전공진제어기(270) 미작동 시 IGBT의 소손이 발생하는 작동을 설명하는 파형도이고, 도 3의 (b)는 상기 안전공진제어기(270) 작동 시 IGBT의 소손이 발생하는 문제점을 해결하는 작동을 설명하는 파형도이다.
도 3의 (a)는 이미 도 2를 참고하여 설명한 작동을 설명하는 것으로, 상기 구동신호(Driver)가 온 타임 맥스(On Time Max) 신호로 활성화되고 제1비교기(210)에 의해 입력전압 감지전압(VIN_Sense)과 출력공진전압 감지전압(VCE_Sense)의 비교 동작이 종료되지 않을 때마다 상기 MCU(250)가 상기 구동신호(Driver)를 로우(Low)로 활성화시켜 상기 IGBT를 강제로 턴온시키면 IGBT에 심각한 공진손실(VCE_loss)을 야기하는 하드 스위칭(Hard Switching) 작동이 발생하여 IGBT가 소손될 수 있다.
그러나, 도 3의 (b)에 나타낸 바와 같이, 상기 안전공진제어기(270)가 작동하면 상기 구동신호(Driver)가 온 타임 맥스(On Time Max) 신호로 활성화되고 제1비교기(210)에 의해 입력전압 감지전압(VIN_Sense)과 출력공진전압 감지전압(VCE_Sense)의 비교 동작이 종료되지 않을 때마다 상기 구동신호(Driver)가 로우(Low)로 활성화되더라도 상기 안전공진제어기(270)가 안전공진전압신호(Vsafe)를 출력하여 상기 안전구동제어스위치(280)로 인가해야만 상기 스위치 구동부(230)를 구동하는 구동제어신호(Driving_Control)에 의해 상기 스위치 구동부(230)가 IGBT를 턴온시키고, 그 결과 워킹코일(WC)의 출력이 정지되고 소비전력 증가를 방지할 수 있고, 상기한 바와 같이 IGBT에 심각한 공진손실(VCE_loss)을 야기하는 하드 스위칭(Hard Switching) 작동도 방지할 수 있다.
상기 안전공진제어기(270)가 안전공진전압신호(Vsafe)를 출력하는 작동은 다음과 같다.
상기 MCU(250)가 상기 구동신호(Driver)의 온/오프 타임 길이와 턴온 시점을 가변하여 구동제어신호(Driving_Control)의 주파수보다 상기 스위치소자(140)의 스위칭주파수를 높거나 낮게 하여 인버터(100)의 정출력을 유지할 때 상기 구동신호(Driver)의 온 타임 길이가 최대치임을 알리는 온 타임 맥스(On Time Max ) 신호를 출력하면, 상기 안전공진제어기(270)는 상기 온 타임 맥스(On Time Max) 신호와 상기 제2비교기(220)가 출력하는 안전공진전압 감지신호(Vsafe_Sense)를 부정 논리곱 연산한다.
이때, 상기 제2비교기(220)는 워킹코일(WC)의 출력공진전압 감지전압(VCE_Sense)이 미리 정해진 안전공진전압 영역(VBLOCK) 중 미리 정해진 업퍼트립 안전공진전압(Upper Trip) 이상으로 판정된 후 미리 정해진 로우트립 안전공진전압(Lower Trip) 이하에 속함을 알리는 안전공진전압 감지신호(Vsafe_Sense)를 출력한다.
상기한 부정 논리곱 연산 결과, 상기 안전공진제어기(270)는 상기 온 타임 맥스(On Time Max) 신호가 입력되고 상기 안전공진전압 감지신호(Vsafe_Sense)가 미리 정해진 로우트립 안전공진전압(Lower Trip) 이하에 속할 때만 인버터(100)의 스위치소자(140)를 온시키기 위한 안전공진전압신호(Vsafe)를 출력하여 상기 안전구동제어스위치(280)로 인가한다.
이에 따라서, 상기 안전구동제어스위치(280)가 스위치소자(140)로 사용되는 IGBT를 온시킨다.
상기한 바에서 알 수 있듯이, 본 발명에 따르면 MCU(250)가 인버터(100)의 정출력을 유지할 때 구동신호(Driver)의 온 타임 길이가 최대치이면 스위치소자(140)의 공진전압(VCE)이 미리 정해진 안전공진전압(VREF) 이하에 속하는 경우에만 스위치소자(140)를 온시키기 때문에 상기 구동신호(Driver)의 온 타임 길이가 최대치일 때 강제적으로 상기 스위치소자(140)를 온시킴에 따라 스위치소자(140)에 심각한 공진 손실(VCE_loss)을 야기하는 하드 스위칭(Hard Switching) 작동이 발생하는 문제점을 방지할 수 있고, 그 결과로 스위치소자(140)가 과전류(ICE_peak)나 심각한 발열 혹은 지속적인 스위칭 스트레스에 기인하여 소손되는 문제점을 해소할 수 있으며, 부가적으로 스위치소자(140)의 공진 손실 저감에 따른 스위칭 효율 증가 및 전자 방해 잡음(EMI) 특성 개선을 기대할 수 있다.
100: 인버터 110: 교류전원입력부
120: 정류부 130: 공진부
140: 스위치소자 200: 인버터 제어장치
210: 제1비교기 220: 제2비교기
230: 스위치 구동부 240: 펄스발생부
250: MCU 260: 구동제어스위치
270: 안전공진제어기 280: 안전구동제어스위치
290: 제3비교기 290': 제4비교기
WC: 워킹코일 CR: 공진 콘덴서

Claims (7)

  1. 인덕션 레인지용 인버터의 스위치소자의 온/오프 스위칭 작동 시 워킹코일의 입력전압 감지전압(VIN_Sense)과 출력공진전압 감지전압(VCE_Sense)을 비교하여 공진전압 제어신호(VCE_Control)를 출력하는 제1비교기와;
    워킹코일의 출력공진전압 감지전압(VCE_Sense)이 미리 정해진 안전공진전압 영역(VBLOCK)에 속하는지를 알리는 안전공진전압 감지신호(Vsafe_Sense)를 출력하는 제2비교기;
    구동제어신호(Driving_Control)가 인가되면 온/오프 스위칭 작동을 하여 상기 스위치소자의 온/인프 스위칭 작동을 제어하는 스위치 구동부;
    상기 공진전압 제어신호(VCE_Control)와 워킹코일의 공진전압 출력을 제어하는 공진제어신호(Resonant_Control)를 비교하여 상기 스위치 구동부를 구동하는 구동제어신호(Driving_Control)를 출력하는 펄스발생부;
    인버터로 입력되는 전류(Iin)와 상기 공진전압 제어신호(VCE_Control)를 비교하여 상기 공진제어신호(Resonant_Control)를 출력하고 상기 스위치소자의 온/오프 타임 길이와 턴온 시점을 결정하는 구동신호(Driver)를 출력하고 상기 구동신호(Driver)의 온/오프 타임 길이와 턴온 시점을 가변하여 구동제어신호(Driving_Control)의 주파수보다 상기 스위치소자의 스위칭주파수를 높거나 낮게 하여 인버터의 정출력을 유지하고 인버터의 정출력을 유지할 때 상기 구동신호(Driver)의 온 타임 길이가 최대치임을 알리는 온 타임 맥스(On Time Max) 신호를 출력하는 MCU(Main Control Unit);
    상기 구동신호(Driver)가 인가되면 온/오프 스위칭 작동을 하여 상기 스위치 구동부의 작동을 제어하는 구동제어스위치;
    상기 온 타임 맥스(On Time Max) 신호가 입력되고 상기 안전공진전압 감지신호(Vsafe_Sense)가 미리 정해진 로우트립 안전공진전압(Lower Trip) 이하에 속할 때만 인버터의 스위치소자를 온시키기 위한 안전공진전압신호(Vsafe)를 출력하는 안전공진제어기; 및
    상기 안전공진전압신호(Vsafe)가 인가되면 상기 스위치 구동부의 작동을 제어하여 스위치소자를 온시키는 안전구동제어스위치;
    로 구성되는 것을 특징으로 하는 인덕션 레인지용 인버터 제어장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 제2비교기는 워킹코일의 출력공진전압 감지전압(VCE_Sense)이 미리 정해진 안전공진전압 영역(VBLOCK) 중 미리 정해진 업퍼트립 안전공진전압(Upper Trip) 이상으로 판정된 후 미리 정해진 로우트립 안전공진전압(Lower Trip) 이하에 속함을 알리는 안전공진전압 감지신호(Vsafe_Sense)를 출력하는 히스테리시스 전압비교기인 것을 특징으로 하는 인덕션 레인지용 인버터 제어장치.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 안전공진제어기는 상기 온 타임 맥스(On Time Max) 신호와 상기 안전공진전압 감지신호(Vsafe_Sense)를 부정 논리곱 연산하는 낸드게이트(NAND)인 것을 특징으로 하는 인덕션 레인지용 인버터 제어장치.
  4. 제 1 항에 있어서, 워킹코일의 출력공진전압 감지전압(VCE_Sense)이 공진기준전압(VREF)을 초과하면 워킹코일로 고주파 교류 전원을 공급하기 위해 온/오프 스위칭 작동이 제어되는 인버터의 스위치소자를 과전압으로부터 보호하기 위한 전압보호신호(VCE_Protection)를 출력하여 MCU로 인가하는 제3비교기를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 인덕션 레인지용 인버터 제어장치.
  5. 제 4 항에 있어서, 상기 MCU는 상기 전압보호신호(VCE_Protection)가 인가되면 상기 스위치 구동부의 동작을 정지시켜 워킹코일의 출력을 정지하는 구동신호(Driver)를 출력하는 것을 특징으로 하는 인덕션 레인지용 인버터 제어장치.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 스위치소자의 도통전류(ICE)의 순간 피크 전류값이 상기 공진기준전압(VREF)에 대응하는 기준전류을 초과하면 상기 스위치소자를 과전류로부터 보호하기 위한 전류보호신호(ICE_Protection)를 출력하여 MCU로 인가하는 제4비교기를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 인덕션 레인지용 인버터 제어장치.
  7. 제 6 항에 있어서, 상기 MCU는 상기 전류보호신호(ICE_Protection)가 인가되면 상기 스위치 구동부의 동작을 정지시켜 워킹코일의 출력을 정지하는 구동신호(Driver)를 출력하는 것을 특징으로 하는 인덕션 레인지용 인버터 제어장치.
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