KR20210081071A - 전자 유도 가열 조리기기 및 그의 제어 방법 - Google Patents

전자 유도 가열 조리기기 및 그의 제어 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명의 실시예에 따른 유도 가열 조리기기는 적어도 하나의 가열 코일; 상기 가열 코일의 발열을 위해 상용 전원으로부터 제1 전력을 전송하는 인버터; 상기 가열 코일에 제2 전력을 추가적으로 전송하는 배터리; 및 상기 배터리와 상기 인버터 사이에 연결되며, 상기 가열 코일의 목표 전력에 따라 상기 배터리를 충전하거나, 상기 배터리로부터 전압을 전달하는 양방향 DCDC 컨버터를 포함한다. 따라서,
복수의 화구를 포함하는 경우, 배터리를 포함하여, 동시 최대 출력을 보장할 수 있어 화력이 보장되는 유도 가열 조리기기를 제공할 수 있다. 또한, 배터리의 충전과 방전을 구동하기 위한 양방향 DCDC 컨버터를 구현함으로써 사용자가 원하는 목표 출력에 따라 배터리의 충전 또는 방전을 유도할 수 있다.

Description

전자 유도 가열 조리기기 및 그의 제어 방법{Induction heat cooking apparatus and the control method thereof}
본 발명은 전자 유도 가열 조리기기에 대한 것으로서, 더욱 상세하게는 상용 전원과 배터리를 적용한 전자 유도 가열 조리기기 및 그의 제어 방법에 대한 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 흐르게한다.
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.
이와 같은 유도 가열 조리기기는 한국공개번호 10-2016-0123672 등에 상세히 개시되어 있다.
상기 종래 기술에서 기재된 바와 같이, 일반적으로 가정에서 적용하는 유도가열 조리기기의 경우, 적어도 2구 이상의 조리 영역을 포함하는 경우가 많다. 이와 같은 가정용 유도 가열 조리기기는 상용 전원이 인가될 때, 해당하는 모든 조리 영역이 모두 최대 전력을 요구하게 되면 상용 전원으로 최대 전력을 충족하지 못하는 문제가 발생한다.
따라서, 가정에서 적용하는 유도 가열 조리기구의 경우, 동시에 복수의 요리를 가열하는 경우 화력이 충분하게 주어지지 않아 만족도가 저하되는 문제가 있다.
한국공개번호 10-2016-0123672호(공개일: 2016년 10년 26일)
본 발명의 제1 과제는 유도 가열 조리기기에 있어서, 복수의 조리 화구를 포함하는 경우, 동시 최대 출력을 보장하기 위해 보조 배터리를 포함하는 유도 가열 조리기기를 제공하는 것이다.
이를 위해, 배터리의 충전과 방전을 구동하기 위한 양방향 DCDC 컨버터를 구현함으로써 사용자가 원하는 목표 출력에 따라 배터리의 충전 또는 방전을 구동할 수 있는 유도 가열 조리기기를 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 제3 과제는 사용자가 원하는 목표 출력에 대하여, 상용 전원과 배터리의 출력 전원을 연산하고, 현재 배터리의 출력 전원에 따라 DCDC 컨버터의 스위칭 듀티를 제어하고, 인버터의 주파수를 제어하는 구동 방법을 제공하는데 있다.
본 발명의 실시예에 따른 유도 가열 조리기기는 적어도 하나의 가열 코일; 상기 가열 코일의 발열을 위해 상용 전원으로부터 제1 전력을 전송하는 인버터; 상기 가열 코일에 제2 전력을 추가적으로 전송하는 배터리; 및 상기 배터리와 상기 인버터 사이에 연결되며, 상기 가열 코일의 목표 전력에 따라 상기 배터리를 충전하거나, 상기 배터리로부터 전압을 전달하는 양방향 DCDC 컨버터를 포함한다.
상기 제1 전력은 상기 상용 전원으로부터 교류 전압 및 교류 전류에 의해 생성될 수 있다.
상기 제2 전력은 상기 배터리로부터 직류 전압 및 직류 전류에 의해 생성될 수 있다.
상기 가열 코일의 목표 전력이 상기 제1 전력보다 클 때, 상기 배터리로부터 상기 제2 전력을 수득할 수 있다.
상기 양방향 DCDC 컨버터는 상기 제2 전력이 필요한 경우, 상기 배터리의 충전 전압을 부스팅하여 상기 인버터로 제공하는 부스트 모드로 동작할 수 있다.
상기 양방향 DCDC 컨버터는 상기 제2 전력이 필요하지 않은 경우, 상기 상용 전원으로부터 상기 배터리를 충전하기 위한 벅 컨버터로 동작할 수 있다.
상기 유도 가열 조리기기는, 상기 상용 전원을 인가받아 정류하는 정류부; 및
상기 정류부로부터 정류된 전압을 저장하여 상기 인버터에 제공하는 DC 링크 커패시터;를 더 포함할 수 있다.
상기 양방향 DCDC 컨버터는 상기 DC 링크 커패시터의 양 단에 연결되어 상기 DC 링크 커패시터에 상기 배터리 전압을 부스트하여 인가할 수 있다.
상기 양방향 DCDC 컨버터는 상기 DC 링크 커패시터의 양 단에 직렬 연결되어 있는 제1 구동 스위칭 소자 및 제2 구동 스위칭 소자, 상기 배터리와 병렬 연결되어 있는 구동 커패시터, 그리고 상기 구동 커패시터의 일단과 상기 제1 및 제2 구동 스위칭 소자 사이의 접점에 연결되어 있는 인덕터를 포함할 수 있다.
상기 양방향 DCDC 컨버터는 상기 배터리의 충전 모드일 때 상기 제1 구동 스위칭 소자가 스위칭 동작하고 상기 제2 구동 스위칭 소자는 턴오프 될 수 있다.
상기 양방향 DCDC 컨버터는 상기 배터리의 부스트 모드일 때 상기 제2 구동 스위칭 소자가 스위칭 동작하고, 상기 제1 구동 스위칭 소자는 턴오프 될 수 있다.
상기 인버터는 주파수에 따라 상기 DC 링크 커패시터의 전압을 교류로 변환하여 전달하는 복수의 스위칭 소자를 포함할 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 유도 가열 조리기기의 제어 방법은 가열 코일에 대한 사용자 입력이 있는지 판단하는 단계; 상기 사용자 입력이 있는 경우, 상기 가열 코일의 목표 전력에 대한 상용 전원과 배터리로부터의 전력을 분산하는 단계; 및 배터리로부터의 충전된 전압을 부스트하여 상기 가열 코일에 상기 상용 전원으로부터의 전력과 상기 배터리로부터의 전력을 합성한 전력을 제공하는 단계를 포함한다.
상기 가열 코일의 발열을 위해 상용 전원으로부터 제1 전력을 전송하는 인버터; 및 상기 배터리와 상기 인버터 사이에 연결되며, 상기 가열 코일의 목표 전력에 따라 상기 배터리를 충전하거나, 상기 배터리로부터 전압을 전달하는 양방향 DCDC 컨버터를 포함할 수 있다.
상기 사용자 입력이 있는 경우, 상기 양방향 DCDC 컨버터는 부스트 모드로 동작하여 상기 배터리에 충전된 전압을 부스트하여 전달할 수 있다.
합성 전력은 상기 상용 전원으로부터의 교류 전압 및 교류 전류에 의해 생성되는 제1 전력과 상기 배터리로부터의 직류 전압 및 직류 전류에 의해 생성되는 제2 전력을 합성하여 생성할 수 있다.
상기 가열 코일의 목표 전력이 상기 제1 전력보다 클 때, 상기 배터리로부터 상기 제2 전력을 수득할 수 있다.
상기 양방향 DCDC 컨버터는 상기 제2 전력이 필요하지 않은 경우, 상기 상용 전원으로부터 상기 배터리를 충전하기 위한 벅 컨버터로 동작할 수 있다.
상기 유도 가열 조리기기는, 상기 상용 전원을 인가받아 정류하는 정류부; 및
상기 정류부로부터 정류된 전압을 저장하여 상기 인버터에 제공하는 DC링크 커패시터;를 더 포함할 수 있다.
상기 양방향 DCDC 컨버터는 상기 DC 링크 커패시터의 양 단에 연결되어 상기 DC링크 커패시터에 상기 배터리 전압을 부스트하여 인가할 수 있다.
상기 해결 수단을 통해, 복수의 조리구를 포함하는 경우, 배터리를 포함하여, 동시 최대 출력을 보장할 수 있어 화력이 보장되는 유도 가열 조리기기를 제공할 수 있다.
또한, 배터리의 충전과 방전을 구동하기 위한 양방향 DCDC 컨버터를 구현함으로써 사용자가 원하는 목표 출력에 따라 배터리의 충전 또는 방전을 유도할 수 있다.
그리고, 목표 출력에 대하여, 상용 전원과 배터리의 출력 전원을 연산하고, 현재 배터리의 출력 전원에 따라 DCDC 컨버터의 스위칭 듀티를 제어하고, 인버터의 주파수를 제어하여 최적화된 배터리 출력 및 상용 전원에 의한 전력 제공이 가능하다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 전자 유도 가열조리기기의 상면 사시도이다.
도 2는 도 1의 전자 유도 가열조리기기의 내부 사시도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 전자 유도 가열조리기기의 구성도이다.
도 4는 도 3의 전자 유도 가열조리기기의 구체화된 회로도이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 전자 유도 가열조리기기의 구동 방법을 나타내는 도면이다.
도 6은 도 5의 배터리 부스트 모드에서의 구동 방법을 나타내는 순서도이다.
도 7a 및 도 7b는 배터리와 상용 전원의 혼합 전압 및 전류를 나타내는 파형도이다.
도 8은 배터리와 상용 전원의 동시 구동에 따른 전력량을 나타내는 그래프이다.
이하에서 언급되는 “전(F)/후(R)/좌(Le)/우(Ri)/상(U)/하(D)” 등의 방향을 지칭하는 표현은 도면에 표시된 바에 따라 정의하나, 이는 어디까지나 본 발명이 명확하게 이해될 수 있도록 설명하기 위한 것이며, 기준을 어디에 두느냐에 따라 각 방향들을 다르게 정의할 수도 있음은 물론이다.
이하에서 언급되는 구성요소 앞에 ‘제1, 제2' 등의 표현이 붙는 용어 사용은, 지칭하는 구성요소의 혼동을 피하기 위한 것일 뿐, 구성요소 들 사이의 순서, 중요도 또는 주종관계 등과는 무관하다. 예를 들면, 제1 구성요소 없이 제2 구성요소 만을 포함하는 발명도 구현 가능하다.
도면에서 각 구성의 두께나 크기는 설명의 편의 및 명확성을 위하여 과장되거나 생략되거나 또는 개략적으로 도시되었다. 또한 각 구성요소의 크기와 면적은 실제크기나 면적을 전적으로 반영하는 것은 아니다.
또한, 본 발명의 구조를 설명하는 과정에서 언급하는 각도와 방향은 도면에 기재된 것을 기준으로 한다. 명세서에서 구조에 대한 설명에서, 각도에 대한 기준점과 위치관계를 명확히 언급하지 않은 경우, 관련 도면을 참조하도록 한다.
이하 도 1 및 도 2를 참조하여, 배터리를 포함하는 유도 전력 조리기기를 예로 들어 설명하나, 반드시 이에 한정될 필요는 없다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 전자 유도 가열 조리기기(1)의 상면 사시도이고, 도 2는 도 1의 전자 유도 가열 조리기기(1)의 내부 사시도이다.
도 1을 참조하면, 전자 유도 가열 조리기기(1)의 상부에 조리기기(1)(도시하지 않음)가 위치할 수 있다. 전자 유도 가열 조리기기(1)는 상부에 위치하고 있는 조리용기를 가열시킬 수 있다.
구체적으로, 전자 유도 가열 조리기기(1)가 조리용기를 가열시키는 방법을 설명한다. 전자 유도 가열 조리기기(1)는 자기장을 발생시킬 수 있다. 전자 유도 가열 조리기기(1)에서 발생한 자기장 중 일부는 조리용기를 통과할 수 있다. 이때, 조리용기의 재질에 전기 저항 성분이 포함된 경우 자기장은 조리용기에 와류 전류를 발생 시킨다. 와류 전류는 조리용기 자체를 발열시키고, 이 열은 전도되어 조리용기의 내부까지 전달된다. 이에 따라, 조리용기의 내용물이 조리되는 방식으로 전자 유도 가열 조리기기(1)는 동작한다.
한편, 조리용기의 재질에 전기 저항 성분이 포함되지 않은 경우에는 와류 전류 전자 유도 가열 조리기기(1)에 의해 가열되기 위해서는 조리용기는 스테인리스 계열 혹은 법랑이나 주철 용기 같은 금속 재질 용기여야 한다.
전자 유도 가열 조리기기(1)는 도 2와 같이 상판 글래스(11), 가열 코일(51, 52, 53)을 적어도 하나 이상을 포함하는 케이싱(20)을 포함할 수 있다. 먼저, 전자 유도 가열 조리기기(1)를 구성하는 각각의 구성요소를 구체적으로 설명한다.
상판 글래스(11)는 전자 유도 가열 조리기기(1)의 내부를 보호하고, 조리용기를 지지하는 역할을 한다. 구체적으로, 상판 글래스(11)는 여러 광물질을 합성한 세라믹 재질의 강화 유리로 형성될 수 있다. 이에 따라, 전자 유도 가열 조리기기(1)의 내부를 외부로부터 보호할 수 있다. 또한, 상판 글래스(11)는 상부에 위치한 조리 용기를 지지할 수 있다. 따라서, 상판 글래스(11)의 상부에는 조리용기가 위치할 수 있다. 가열 코일(51, 52, 53)은 조리용기를 가열시키기 위한 자기장을 발생시키는 역할을 하며, 설계에 따라 적어도 하나의 가열 코일(51, 52, 53)이 포함될 수 있다. 이때, 각 코일(51, 52, 53)에 따라 조리를 할 수 있는 화구가 정의된다. 상판 글래스(11)의 일 측에는 각 화구의 출력을 선택할 수 있는 사용자 입력부(12)가 배치될 수 있다.
구체적으로, 가열 코일(51, 52, 53)은 상판 글래스(11)의 하부에 위치할 수 있다. 가열 코일(51, 52, 53)은 전자 유도 가열 조리기기(1)의 전원 온/오프에 따라 전류가 흐르거나 흐르지 않을 수 있다. 또한, 가열 코일(51, 52, 53)에 전류가 흐르는 경우에도 전자 유도 가열 조리기기(1)의 화력 단계에 따라 가열 코일(51, 52, 53)에 흐르는 전류의 양은 달라질 수 있다.
가열 코일(51, 52, 53)에 전류가 흐르는 경우 가열 코일(51, 52, 53)은 자기장을 발생시킬 수 있다. 가열 코일(51, 52, 53)에 흐르는 전류가 많을수록 자기장은 많이 발생한다.
한편, 가열 코일(51, 52, 53)에서 발생하는 자기장의 방향은 가열 코일(51, 52, 53)을 흐르는 전류의 방향에 의해 결정된다. 그러므로 가열 코일(51, 52, 53)에 교류를 흘리게 되면 자기장의 방향은 교류의 주파수만큼 변환된다. 예를 들어, 가열 코일(51, 52, 53)에 60Hz의 교류를 흘리면 자기장의 방향이 1초에 60번 변환하게 된다.
전자 유도 가열 조리기기(1)는 내부에 페라이트(도시하지 않음)을 포함하여 내부 회로를 보호할 수 있다.
즉, 페라이트는 가열 코일(51, 52, 53)에서 발생한 자기장 또는 외부에서 발생한 전자기장이 전자 유도 가열 조리기기(1)의 내부 회로에 미치는 영향을 차단하는 차폐 역할을 한다.
이를 위해, 페라이트는 투자율(permeability)이 매우 높은 물질로 형성될 수 있다. 페라이트는 전자 유도 가열 조리기기(1)의 내부로 유입되는 자기장이 방사되지 않고, 페라이트를 통해 흐르도록 유도하는 역할을 한다.
도 1 및 도 2에서는 적어도 1개의 가열 코일을 포함하는 전자 유도 가열 조리기기(1)를 개시하고 있으며, 일반적으로 가정에서는 2개 내지 4개의 화구에 해당하는 가열 코일(51, 52, 53)을 포함하도록 형성될 수 있다.
각각의 가열 코일(51, 52, 53)의 코일 크기는 서로 상이하게 형성될 수 있으며, 각각의 코일(51, 52, 53)은 구동부(도시하지 않음)의 제어에 따라 인버터(140) 구동하여 전류를 흘림으로써 사용자가 선택하는 화력 레벨에 해당하는 목표 전력을 발생하여 그에 해당하는 열을 발생할 수 있다.
이를 위해 각각의 가열 코일(51, 52, 53)은 각각의 인버터(140)와 연결되도록 구현 가능하며, 복수개의 가열 코일(51, 52, 53)이 스위치에 의해 직병렬로 연결되어 하나의 인버터(140)에 연결되도록 구현도 가능하다.
본 발명에서는 일반적인 가정에 제공되는 전자 유도 가열 조리기기(1)에서 3개의 가열 코일(51, 52, 53)을 포함하고 있는 경우, 상용 전원, 즉 220V 교류 전원으로부터 전력을 수신하여 그에 따라 목표 전력을 출력하는 경우 발생할 수 있는 화력 저하를 개선하고자 한다.
구체적으로, 한국의 전원은 일반 작정에서 벽에 내장된 전선과 소켓 및 플러그의 최대 허용 전류가 16A이므로 전자 유도 가열 조리기기(1)는 전체에 대하여 최대 출력이 3500W 이하로 설계되어야 한다.
그러나, 복수개의 화구를 포함하는 경우, 사용자의 선택에 따라 동시에 복수개의 화구, 즉 가열 코일(51, 52, 53)에서 전력을 출력할 때, 3500W 이하로 출력을 제한하는 경우 원하는 화력에 도달하지 못할 수 있다.
따라서, 본 발명에 따른 실시예에서는 상용 전원에 부가적으로 배터리(180)를 포함하고, 사용자가 선택한 화력 레벨에 따라 상용 전원과 배터리(180)의 출력 전력을 제어하고 합성함으로써 최대 출력을 4000W 이상으로 확보할 수 있다.
이하에서는 도 3 및 도 4를 참고하여 본 발명의 실시예에 따른 전자 유도 가열 조리기기(1)의 회로 구성을 설명한다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 전자 유도 가열조리기기(1)의 구성도이고, 도 4는 도 3의 전자 유도 가열조리기기(1)의 구체화된 회로도이다.
구체적으로, 도 3은 한 개의 인버터(140) 및 한 개의 가열 코일(51, 52, 53)에 해당하는 전자 유도 가열 조리기기(1)의 부분 구성도를 나타낸 것이다.
일 예로, 전자 유도 가열 조리기기(1)가 3개의 가열 코일(51, 52, 53)을 포함할 때, 2개의 가열 코일(51, 52, 53)은 최대 전력이 상대적으로 작은 코일로서, 상용 전원에만 연결되는 인버터(140) 구조와 연결될 수 있으며, 최대 전력이 상대적으로 큰 가열 코일(51, 52, 53)에 대하여만 상용 전원과 배터리(180)의 합성에 의한 목표 전력 생성을 유도할 수 있다. 따라서, 도 3 및 도 4는 최대 전력이 상대적으로 큰 가열 코일에 대하여 도시한 것이다.
이를 위해, 도 3의 가열 코일(51, 52, 53, 이하 150 이라 함)의 회로는 외부 전원인 상용 전원에 연결되는 정류부(120), DC 링크 커패시터(130), 인버터(140), 가열 코일(150) 및 공진 커패시터(160)를 포함한다.
외부 전원은 AC(Alternation Current) 입력 전원일 수 있다. 외부 전원은 전자 유도 가열 조리기기(1)로 교류 전원을 공급할 수 있다. 보다 구체적으로, 외부 전원은 전자 유도 가열 조리기기(1)의 정류부(120)로 교류 전압을 공급할 수 있다. 정류부(120)(Rectifier)는 교류를 직류로 변환하기 위한 전기적 장치이다. 정류부(120)는 외부 전원을 통해 공급되는 교류 전압을 직류 전압으로 변환한다. 한편, 정류부(120)를 통해 출력되는 DC 양단(n1, n2)을 DC 링크라하며, DC 양단(n1, n2)에서 측정되는 전압을 DC 링크 전압이라고 한다.
공진 곡선이 동일한 경우 DC 링크 전압에 따라 출력 전력이 달라질 수 있다. DC 링크 커패시터(130)(Cf1)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 소자(S1, S2)를 구동시킴으로써 가열 코일(150)에 고주파의 전류가 흐르게 하고, 이에 따라 가열 코일(150)에 고주파 자계가 형성된다. 가열 코일(150)은 소정 주파수에 의한 스위칭 소자(S1, S2)의 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 조리기기(1)를 가열시킬 수 있다. 이와 같이, 전자 유도 가열 조리기는 가열 코일(150)을 전자기 유도에 이용하여 조리기기(1)를 가열할 수 있다.
가열 코일(150)의 일측은 인버터(140)의 스위칭 소자(S1, S2)의 접속점에 연결되어 있고, 다른 일측은 공진 커패시터(160)(Cr1, Cr2)에 연결된다. 스위칭 소자(S1, S2)의 구동은 구동부(미도시)에 의해서 이루어지며, 구동부에서 출력되는 스위칭 시간에 제어되어 스위칭 소자(S1, S2)가 서로 교호로 동작하면서 가열 코일(150)로 고주파의 전압을 인가한다.
구동부(미도시)는 전자 유도 가열 조리기기(1)의 전반적인 동작을 제어하는 역할을 한다. 즉, 구동부는 전자 유도 가열 조리기기(1)를 구성하는 각각의 구성 요소의 동작을 제어할 수 있다.
공진 커패시터(160)는 완충기 역할을 수행하기 위한 것이다. 공진 커패시터(160)는 스위칭 소자(S1, S2)의 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(n1, n2)과 가열 코일(150) 사이에 직렬 연결된 복수의 커패시터(Cr1, Cr2)를 포함할 수 있다. 공진 커패시터(160)는 제1 공진 커패시터(160)(Cr1)와 제2 공진 커패시터(160)(Cr2)로 구성될 수 있다.
구체적으로, 제1 공진 커패시터(160)(Cr1)는 일단이 정류부(120)로부터 전압이 출력되는 일단(n1)과 연결되고, 타단이 제2 공진 커패시터(Cr2)와 가열 코일(150)의 접속점에 연결될 수 있다. 마찬가지로, 제2 공진 커패시터(160)(Cr2)는 일단이 정류부(120)로부터 저압이 출력되는 타단(n2)과 연결되고, 타단이 제1 공진 커패시터(160) Cr1)와 가열 코일(150)의 접속점에 연결될 수 있다. 제1 공진 커패시터(160)(Cr1)의 커패시턴스와 제2 공진 커패시터(160)(Cr2)의 커패시턴스는 동일하다. 한편, 공진 커패시터(160)의 커패시턴스는 전자 유도 가열 조리기기(1)의 공진 주파수(resonance frequency)를 결정할 수 있다. 구체적으로, 도 3에 도시된 바와 같은 회로도로 구성되는 전자 유도 가열 조리기기(1)의 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. 전자 유도 가열 조리기기(1)에 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.
따라서, 가열 코일(150)의 인덕턴스와 공진 커패시터(160)의 커패시턴스에 따라 전자 유도 가열 조리기기(1)는 상이한 출력 특성을 가지며, 최대 전력을 출력하는 주파수를 공진 주파수(f0)라고 한다.
일반적으로, 전자 유도 가열 조리기기(1)는 공진 곡선의 공진 주파수(f0)를 기준으로 오른쪽 영역의 주파수를 이용한다. 따라서, 전자 유도 가열 조리기기(1)는 주파수를 감소시켜 화력 단계를 높이고, 주파수를 증가시켜 화력 단계를 높일 수 있다.
전자 유도 가열 조리기기(1)는 이와 같이 주파수를 조절함으로써 출력 전력을 조절할 수 있다. 전자 유도 가열 조리기기(1)는 제1 주파수(f1)부터 제2 주파수(f2)의 범위에 해당하는 주파수를 이용할 수 있다. 즉, 전자 유도 가열 조리기기(1)는 제1 주파수(f1)부터 제2 주파수(f2)의 범위에 포함된 어느 하나의 주파수로 변경하여, 화력을 조절할 수 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, 전자 유도 가열 조리기기(1)가 조리용기를 가열하기 위해 일반적으로 사용하는 주파수는 약 20kHz 에서 75kHz에 포함된 주파수일 수 있다.
한편, 상용 전원에 의한 전력을 보강하기 위해 배터리(180)를 추가로 포함할 수 있다.
이와 같은 배터리(180)는 충전과 방전을 번갈아 진행하며, 사용자의 선택에 의해 발열 코일(150)이 발열하는 경우에는 구동부의 제어에 따라 방전 모드로 동작하고, 발열 코일(150)이 발열하지 않는 스탠바이 상태에서 상용 전원에 의해 충전 모드로 동작한다.
이를 위해, 본 발명의 실시예에서는 배터리(180)의 충전과 방전을 수행하기 위한 양방향 DCDC 컨버터(170)를 추가로 포함한다.
양방향 DCDC 컨버터(170)는 도 4와 같이, DC링크 커패시터(130)의 양단에 직렬로 형성되어 있는 제3 스위칭 소자(S3) 및 제4 스위칭 소자(S4), 제3 스위칭 소자(S3)와 제4 스위칭 소자(S4) 사이에 연결되는 인덕터(L1) 및 상기 인덕터(L1)의 타단에 연결되며 상기 배터리(180)와 병렬로 연결되는 커패시터(Cf2)를 포함할 수 있다.
이때, 2개의 스위칭 소자(S3, S4)는 각 모드에 따라 선택적으로 구동하며, 하나의 스위칭 소자(S3, S4)가 동작할 때, 다른 스위칭 소자(S3, S4)는 오프 상태를 유지한다.
구체적으로, 사용자로부터 가열 코일(150)의 동작을 명령하는 신호가 수신되지 않는 경우, 구동부는 배터리(180)의 충전량을 체크하여 배터리(180)를 충전할 수 있다.
이때, 배터리(180) 충전 모드에서는 상기 양방향 DCDC 컨버터(170)가 벅 컨버터로서 동작하며, 제4 스위칭 소자(S4)가 오프 상태를 유지하고, 제3 스위칭 소자(S3)가 소정 듀티를 가지고 스위칭되어 배터리(180)의 충전을 수행한다.
즉, 제4 스위칭 소자(S4)가 다이오드로서 기능한다.
배터리(180)는 소정 용량의 배터리(180)가 직렬로 연결된 상태일 수 있으며, 일 예로 리튬 이온 셀 한 개의 공칭 전압이 3.6V로서, 이를 20개 직렬 연결하여 DC 72V의 전압을 충전할 수 있는 배터리(180)일 수 있다.
한편, 사용자로부터 가열 코일(150)의 동작을 명령하는 신호가 수신되는 경우, 구동부는 상용 전원 및 배터리(180)로부터 전력을 혼합하여 부스트된 목표 전력을 가열 코일(150)에 전송한다.
이때, 양방향 DCDC 컨버터(170)는 부스트 컨버터로 기능하며, 제3 스위칭 소자(S3)가 턴오프 상태를 유지하면서 다이오드로 기능하고, 제4 스위칭 소자(S4)가 소정 듀티를 가지며 스위칭 동작을 수행하면서 배터리(180) 전압을 소정 값으로 승압하여 DC링크 커패시터(130)에 배터리(180)의 전압을 전달할 수 있다.
이하에서는 도 5 내지 도 8을 참고하여 본 발명의 제어 방법을 설명한다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 전자 유도 가열조리기기(1)의 구동 방법을 나타내는 도면이고, 도 6은 도 5의 배터리(180) 부스트 모드에서의 구동 방법을 나타내는 순서도이다. 도 7a 및 도 7b는 배터리(180)와 상용 전원의 혼합 전압 및 전류를 나타내는 파형도이고, 도 8은 배터리(180)와 상용 전원의 동시 구동에 따른 전력량을 나타내는 그래프이다.
도 5와 같이, 전자 유도 가열 조리기기(1)의 구동부는 동작이 시작되면, 주기적으로 현재 상태를 감지하여 상태를 판단한다(S10).
이때, 구동부는 사용자 입력부(12)로부터 사용자의 입력 신호가 수신되었는지 판단하고, 사용자 입력 신호의 유무에 따라 배터리(180)의 양방향 DCDC 컨버터(170) 및 인버터(140)의 스위칭 소자를 구동한다.
구체적으로, 사용자 입력 신호가 있는 경우(S20), 특히 배터리(180)가 연결되어 있는 해당 가열 코일(150)에 대응하는 화구에 대하여 사용자가 가열 명령을 지시하는 입력 신호를 입력한 경우, 구동부는 다른 화구에 대한 사용자 입력 신호 및 각 화구의 목표 전력을 판단하여 배터리(180)의 충전 또는 방전 모드를 결정한다.
즉, 배터리(180)가 연결된 가열 코일(150)의 목표 전력이 상용 전원에 의한 전력으로 부족한 경우에 구동부는 배터리(180)에 충전되어 있는 전압을 DC링크 커패시터(130)로 부스팅하여 전달한다(S40).
이를 위해 양방향 DCDC 컨버터(170)는 부스팅 모드로 구동하게 되며, 제4 스위칭 소자(S4)가 스위칭 동작을 수행하고 제3 스위칭 소자(S3)는 턴오프 상태를 유지하여 다이오드와 같이 기능한다.
제4 스위칭 소자(S4)의 스위칭 동작에 따라 배터리(180)에 충전되어 있는 직류 전압이 승압되어 DC 링크 커패시터(130)에 전송되고 이를 상용 전원으로부터의 전압과 합성하여 가열 코일(150)에 목표 전력을 충족하도록 전류를 흘리게 된다.
한편, 사용자 입력이 없는 경우에는, 구동부는 배터리(180)의 충전 상태를 판단한다(S60).
전자 유도 가열 조리기기(1)는 사용자 입력이 없는 경우, 스탠바이 상태를 유지하며, 이때, 배터리(180)의 충전 값을 읽어들여 상기 배터리(180)의 충전 값이 임계값보다 작은 경우에는 배터리(180)의 충전을 진행한다(S70).
즉, 양방향 DCDC 컨버터(170)는 벅 컨버터로 기능하여 배터리(180)의 충전 모드에서 기능할 수 있으며, 제3 스위칭 소자(S3)가 스위칭 동작을 수행하고, 제4 스위칭 소자(S4)는 턴오프 상태를 유지하게 된다.
이에 따라 정류부(120)로부터 인가되는 상용 전원의 전압이 배터리(180)에 저전압 상태로 충전될 수 있어 배터리(180)를 원하는 레벨까지 충전시킬 수 있다.
이와 같이, 사용자 입력 여부에 따라 양방향 DCDC 컨버터(170) 및 배터리(180)의 모드를 가변하면서 상용 전원과 배터리(180) 전원을 합성 또는 상용 전원에 의해 배터리(180) 전원을 충전할 수 있다.
더욱 구체적으로, 도 6과 같이 구동부는 복수의 가열 코일(51, 52, 53)에 대하여 동시에 사용자로부터 가열 명령을 수신하는 경우, 구동부는 배터리(180)가 연결되어 있는 큰 출력 전력의 가열 코일(150)에 대하여 목표 전력을 수신할 수 있다.
배터리(180)가 연결되어 있는 큰 출력 전력의 가열 코일(150)에 대하여 배터리(180)와 상용 전원의 출력 전력 분배를 수행할 수 있다(S42).
일 예로, 사용자로부터 배터리(180)가 연결되어 있는 큰 최대 전력의 가열 코일(150, 도 2에서 53으로 도시됨)과 작은 최대 전력의 가열 코일(51, 52)에 대하여 동시 가열 명령이 수신 되면, 각 가열 코일(51, 52, 53)의 목표 전력을 각각 읽어들인다.
예를 들어, 큰 최대 전력의 가열 코일(53)이 3000W, 작은 최대 전력의 가열 코일(51, 52)이 1800W의 최대 출력 전력을 가질 때, 2개의 가열 코일(51, 52, 53)에 동시 구동 명령이 수신될 수 있다. 이때, 상용 전원으로부터 얻을 수 있는 최대 전력은 220V, 16A에서 3500W 정도로 볼 수 있는 바, 화력이 약해질 수 밖에 없다.
이때, 상용 전원으로부터 작은 최대 전력의 가열 코일(51, 52)의 목표 전력을 먼저 제공하도록 배분한 뒤, 남은 2700W 정도의 상용 전원으로부터의 전력과 배터리(180)로부터의 전력을 합성하여 큰 최대 전력의 가열 코일(53)의 목표 전력을 커버할 수 있다.
즉, 구동부는 수신된 사용자 입력으로부터 큰 최대 전력의 가열 코일(53)에 대한 목표 출력 전력을 획득하게 된다.
이때, 큰 최대 전력의 가열 코일(53)에 대하여 소정의 목표 전력을 요구하는 경우, 위에서 설명한 바와 같이 배터리(180)와 상용 전원으로부터 전력을 합성하여 해당 목표 출력 전력을 구한다.
구동부는 목표 출력 전력에 대하여 상용 전원으로부터 얻을 수 있는 전력과 배터리(180)로부터 얻을 수 있는 전력을 각각의 지령치로 정의하고, 지령치 1을 배터리(180)로부터의 전력, 지령치 1을 상용 전원으로부터의 전력으로 지정한다(S42).
다음으로 양방향 DCDC 컨버터(170)를 부스트 컨버터 모드로 동작하도록 제3 스위칭 소자(S3)는 턴오프 상태를 유지하고, 제4 스위칭 소자(S4)의 듀티를 가변하면서 배터리(180)로부터의 출력 전력이 지령치 1과 동일할 때까지 제어한다.
즉, 배터리(180)의 현재 출력 전력이 지령치 1과 동일하면(S44), 제4 스위칭 소자(S4)의 듀티를 현재 듀티로 고정 유지하고, 상용 전원으로부터의 출력이 지령치2와 동일한지 판단한다(S45).
이때, 상용 전원으로부터의 출력 전력이 지령치 2와 동일하면 인버터(140)의 주파수도 현재 주파수로 유지하면서 가열 코일(150)에 합성된 전력을 나타내는 전류를 흘린다.
이때, 합성 전압과 합성 전류는 도 7a 및 도 7b와 같이 나타낼 수 있으며, 도 7a에서와 같이 정류부(120)를 통과한 전압은 양의 값을 가지는 정현파 교류 값을 가지며, 이때 배터리(180)로부터의 양의 직류 전압이 승압되어 dc 링크 커패시터(130)의 일단(n1)에 인가된다. 따라서, dc 링크 커패시터(130)의 양 단(n1, n2)에 걸리는 전압 값은 도 7a와 같이 배터리(180) 전압이 승압된 상태에서 일부 구간에서 교류값을 가지는 합성 파형을 나타낸다.
한편, 도 7b와 같이 가열 코일(150)에 흐르는 전류의 값은 배터리(180)로부터의 직류 전류와 상용 전원으로부터의 교류 전류가 서로 상보적으로 설정된다.
즉, 배터리(180) 전압이 전원 전압보다 작을 때 전원 전류가 흐르고, 배터리(180) 전압이 전원 전압보다 클 때 배터리(180)의 dc 전류가 흐른다.
따라서, 전압과 전류값에 따라 출력 전력이 결정되며, 해당 출력 전력을 연산하고, 각 지령치와 비교함으로써 도 6의 구동이 가능하다.
한편, 배터리(180)의 출력 전력이 지령치 1보다 큰 경우(S47), 제4 스위칭 소자(S4)의 듀티를 감소하여 배터리(180)의 출력 전력을 감소시킬 수 있다(S48).
이와 같은 듀티 제어는 아래의 표와 같이 진행할 수 있다.
S4 Duty DC전압[V] 배터리(180)출력[W] 전원 출력[W] 가열코일의출력[W] 배터리(180) 출력비
0.69 239 2624 2616 5240 50.1%
0.67 219 1975 2937 4912 40.2%
0.64 202 1536 3143 4679 32.8%
0.61 186 1199 3297 4496 26.7%
0.58 175 997 3399 4396 22.7%
0.56 164 824 3466 4290 19.2%
0.53 155 689 3525 4214 16.4%
0.50 146 584 3572 4156 14.1%
0.47 138 499 3610 4109 12.1%
즉, 제4 스위칭 소자(S4)의 듀티를 표 1과 같이 조절할 때, 배터리(180)로부터의 dc 전압 값이 가변될 수 있으며, 그에 따라 전체 목표 출력에 대하여 배터리(180) 출력 비가 가변할 수 있다.구체적으로 제4 스위칭 소자(S4)의 듀티를 줄이면 배터리(180) 출력 전력이 감소하여 배터리(180) 출력비가 감소하게 된다.
또는, 배터리(180) 출력 전력이 지령치 1보다 작은 경우, 제4 스위칭 소자(S4)의 듀티를 증가시켜 배터리(180) 출력 전력이 지령치 1과 동일할 때까지 가변할 수 있다(S49).
한편, 상용 전원으로부터의 출력 전력이 지령치 2와 같지 않은 경우, 상용 전원의 출력 전력이 지령치 2보다 크면(S51) 인버터(140)의 주파수를 증가하여 상용 전원으로부터의 출력 전력을 감소시킨다.
또는 상용 전원으로부터의 출력 전력이 지령치 2보다 작은 경우 인버터(140)의 주파수를 감소시켜 상용 전원으로부터의 출력 전력이 지령치 2와 동일할 때까지 제어할 수 있다(S53).
이와 같이, 제4 스위칭 소자(S4)의 듀티 및 인버터(140)의 스위칭 소자의 주파수를 제어함으로써 목표 전력에 대한 배터리(180)와 상용 전원으로부터의 배분된 전력 값을 충족하도록 제어할 수 있다.
이러한 제어에 의해 도 8과 같이 가열 코일에 인가되는 출력 전력은 배터리(180)로부터의 전력과 상용 전원으로부터의 전력의 합에 해당하는 전력을 충족할 수 있으며, 이와 같은 전력 값은 상용 전원만으로부터의 전력 값보다 큰 값일 수 있어 사용자가 원하는 화력의 가열 코일이 제공 가능하다.
1: 전자 유도 가열 조리기기 11: 탑플레이트
20: 케이스
51, 52, 53, 150 : 가열코일 120: 정류부
130: dc링크 커패시터 140: 인버터
160: 공진 커패시터 180: 배터리
170: 양방향 DCDC 컨버터

Claims (20)

  1. 적어도 하나의 가열 코일;
    상기 가열 코일의 발열을 위해 상용 전원으로부터 제1 전력을 전송하는 인버터;
    상기 가열 코일에 제2 전력을 추가적으로 전송하는 배터리; 및
    상기 배터리와 상기 인버터 사이에 연결되며, 상기 가열 코일의 목표 전력에 따라 상기 배터리를 충전하거나, 상기 배터리로부터 전압을 전달하는 양방향 DCDC 컨버터
    를 포함하는 유도 가열 조리기기.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 전력은 상기 상용 전원으로부터 교류 전압 및 교류 전류에 의해 생성되는 것을 특징으로 하는 유도 가열 조리기기.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제2 전력은 상기 배터리로부터 직류 전압 및 직류 전류에 의해 생성되는 것을 특징으로 하는 유도 가열 조리기기.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 가열 코일의 목표 전력이 상기 제1 전력보다 클 때, 상기 배터리로부터 상기 제2 전력을 수득하는 것을 특징으로 하는 유도 가열 조리기기.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 양방향 DCDC 컨버터는 상기 제2 전력이 필요한 경우, 상기 배터리의 충전 전압을 부스팅하여 상기 인버터로 제공하는 부스트 컨버터 모드로 동작하는 것을 특징으로 하는 유도 가열 조리기기.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 양방향 DCDC 컨버터는 상기 제2 전력이 필요하지 않은 경우, 상기 상용 전원으로부터 상기 배터리를 충전하기 위한 벅 컨버터 모드로 동작하는 것을 특징으로 하는 유도 가열 조리기기.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 유도 가열 조리기기는,
    상기 상용 전원을 인가받아 정류하는 정류부; 및
    상기 정류부로부터 정류된 전압을 저장하여 상기 인버터에 제공하는 DC링크 커패시터;
    를 더 포함하는 유도 가열 조리기기.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 양방향 DCDC 컨버터는 상기 DC 링크 커패시터의 양 단에 연결되어 상기 DC링크 커패시터에 상기 배터리 전압을 부스트하여 인가하는 것을 특징으로 하는 유도 가열 조리기기.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 양방향 DCDC 컨버터는 상기 DC 링크 커패시터의 양 단에 직렬 연결되어 있는 제1 구동 스위칭 소자 및 제2 구동 스위칭 소자,
    상기 배터리와 병렬 연결되어 있는 구동 커패시터, 그리고
    상기 구동 커패시터의 일단과 상기 제1 및 제2 구동 스위칭 소자 사이의 접점에 연결되어 있는 인덕터
    로 구현되어 있는 것을 특징으로 하는 유도 가열 조리기기.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 양방향 DCDC 컨버터는 상기 배터리의 충전 모드일 때 상기 제1 구동 스위칭 소자가 스위칭 동작하고 상기 제2 구동 스위칭 소자는 턴오프 되어 있는 것을 특징으로 하는 유도 가열 조리기기.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 양방향 DCDC 컨버터는 상기 배터리의 방전 모드일 때 상기 제2 구동 스위칭 소자가 스위칭 동작하고, 상기 제1 구동 스위칭 소자는 턴오프 되어 있는 것을 특징으로 하는 유도 가열 조리기기.
  12. 제10항에 있어서,
    상기 인버터는 주파수에 따라 상기 DC 링크 커패시터의 전압을 교류로 변환하여 전달하는 복수의 스위칭 소자를 포함하는 유도 가열 조리기기.
  13. 가열 코일에 대한 사용자 입력이 있는지 판단하는 단계;
    상기 사용자 입력이 있는 경우, 상기 가열 코일의 목표 전력에 대한 상용 전원과 배터리로부터의 전력을 분산하는 단계; 및
    배터리로부터의 충전된 전압을 부스트하여 상기 가열 코일에 상기 상용 전원으로부터의 전력과 상기 배터리로부터의 전력을 합성한 전력을 제공하는 단계
    를 포함하는 유도 가열 조리기기의 제어 방법.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 가열 코일의 발열을 위해 상용 전원으로부터 제1 전력을 전송하는 인버터; 및
    상기 배터리와 상기 인버터 사이에 연결되며, 상기 가열 코일의 목표 전력에 따라 상기 배터리를 충전하거나, 상기 배터리로부터 전압을 전달하는 양방향 DCDC 컨버터
    를 포함하는 유도 가열 조리기기의 제어 방법.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 사용자 입력이 있는 경우, 상기 양방향 DCDC 컨버터는 부스트 컨버터모드로 동작하여 상기 배터리에 충전된 전압을 부스트하여 전달하는 것을 특징으로 하는 유도 가열 조리기기의 제어 방법.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 합성 전력은 상기 상용 전원으로부터의 교류 전압 및 교류 전류에 의해 생성되는 제1 전력과 상기 배터리로부터의 직류 전압 및 직류 전류에 의해 생성되는 제2 전력을 합성하여 생성하는 것을 특징으로 하는 유도 가열 조리기기의 제어 방법.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 가열 코일의 목표 전력이 상기 제1 전력보다 클 때, 상기 배터리로부터 상기 제2 전력을 수득하는 것을 특징으로 하는 유도 가열 조리기기의 제어 방법.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 양방향 DCDC 컨버터는 상기 제2 전력이 필요하지 않은 경우, 상기 상용 전원으로부터 상기 배터리를 충전하기 위한 벅 컨버터 모드로 동작하는 것을 특징으로 하는 유도 가열 조리기기의 제어 방법.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 유도 가열 조리기기는,
    상기 상용 전원을 인가받아 정류하는 정류부; 및
    상기 정류부로부터 정류된 전압을 저장하여 상기 인버터에 제공하는 DC링크 커패시터;
    를 더 포함하는 유도 가열 조리기기의 제어 방법.
  20. 제19항에 있어서,
    상기 양방향 DCDC 컨버터는 상기 DC 링크 커패시터의 양 단에 연결되어 상기 DC링크 커패시터에 상기 배터리 전압을 부스트하여 인가하는 것을 특징으로 하는 유도 가열 조리기기의 제어 방법.
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