KR20210088841A - 유도 가열 장치 및 이에 포함되는 가열 코일 구동 회로 - Google Patents

Abstract

유도 가열 장치 및 이에 포함되는 가열 코일 구동 회로가 개시된다. 유도 가열 장치는 발명에 따른 유도 가열 장치는 DC 링크 전압과 기준 전압을 비교하여 DC 링크 전압이 기준 전압보다 높으면, 인버터를 정지시켜 가열 코일을 오프한다.

Description

유도 가열 장치 및 이에 포함되는 가열 코일 구동 회로{Induction heating device and heating coil drive circuit included therein}

본 발명은 복수의 전원을 이용하여 복수의 가열 코일을 동작시키는 경우 발생하는 에너지 간섭을 방지하고 전력 소자를 보호할 수 있는 유도 가열 장치 및 이에 포함되는 가열 코일 구동 회로에 관한 것이다.

가정이나 식당에서 음식을 가열하기 위한 다양한 방식의 조리 기구들이 사용되고 있다. 상기한 조리 기구는, 가스를 이용하는 가스 레인지 및 전기를 이용하는 전기 레인지를 포함한다.

전기 레인지는 크게 저항 가열 방식과 유도 가열 방식으로 나누어진다. 전기 저항 방식은 금속 저항선 또는 탄화 규소와 같은 비금속 발열체에 전류를 인가하여 열을 발생시키고, 발생된 열을 방사하거나 전도시켜 피가열체(일례로, 냄비, 프라이팬 등의 조리 용기)를 가열하는 방식이다.

특히, 유도 가열 방식은 고주파 전력을 코일에 인가하여 코일 주변에 자계를 발생시키고, 발생된 자계에서 생성된 와전류(eddy current)를 이용하여 금속 성분으로 이루어진 피가열체를 가열하는 방식이다.

유도 가열 방식의 기본적인 가열 원리를 살펴보면, 워킹 코일(Working Coil) 또는 가열 코일에 전류가 인가되면 조리 용기가 유도 가열(Induction Heating)에 의해 열을 생성하고, 생성된 열에 의하여 피가열체가 가열된다.

유도 가열 방식을 사용하는 유도 가열 장치는 인버터를 사용한다. 인버터는 가열 코일에 고주파 전류가 흐르도록 가열 코일에 인가되는 전압을 스위칭하는 역할을 한다. 인버터는 통상 절연 게이트 양극성 트랜지스터(IGBT: Insulated Gate Bipolar Transistor)로 이루어진 스위칭 소자를 사용하며, 인버터는 고주파의 전류를 가열 코일에 흐르도록 하며, 고주파 자계가 가열 코일에 형성된다.

한편, 유도 가열 장치에는 내측 가열 코일 및 외측 가열 코일을 포함하는 듀얼 가열 코일이 사용될 수 있으며, 듀얼 가열 코일을 동시 동작시키기 위해서는 2개의 전원 및 2개의 인버터가 필요하다. 이 때, 2개의 인버터를 사용함으로 인해 2개의 가열 코일의 동작 주파수 및 동작 위상의 불일치 현상이 발생할 수 있다.

즉, 동일한 공간에 배치되는 내측 가열 코일 및 외측 가열 코일이 동시에 동작하기 위해서는 내측 가열 코일 및 외측 가열 코일의 동작 주파수 및 동작 위상이 일치하여야 한다. 만약, 동작 주파수 및 동작 위상이 불일치하는 경우 에너지 간섭이 발생한다. 에너지 간섭으로 인해, 하나의 가열 코일에서 발생된 에너지가 상대방 가열 코일로 유기(遺棄)되어 DC 링크(Link) 전압을 상승시킨다. DC 링크 전압이 상승하는 경우 인버터의 IGBT VDS 특성이나 정류부(일례로 브릿지 다이오드(Bridge Diode))의 내전압 특성에 영향을 미치며, 이에 따라 유도 가열 장치 내의 전력 소자가 파손되는 문제점이 있다.

본 발명의 목적은 복수의 전원을 이용하여 복수의 가열 코일을 동작시키는 경우 발생하는 에너지 간섭을 방지하는 유도 가열 장치 및 이에 포함되는 가열 코일 구동 회로를 제공하는 것이다.

본 발명의 목적은 듀얼 가열 코일의 사용 시 전력 소자의 파손을 방지할 수 있는 유도 가열 장치 및 이에 포함되는 가열 코일 구동 회로를 제공하는 것이다.

본 발명의 목적들은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기의 설명에 의해서 이해될 수 있고, 본 발명의 실시예에 의해 보다 분명하게 이해될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 청구 범위에 나타낸 수단 및 그 조합에 의해 실현될 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다.

본 발명에 따른 유도 가열 장치는 DC 링크 전압과 기준 전압을 비교하여 DC 링크 전압이 기준 전압보다 높으면, 인버터를 정지시켜 가열 코일을 오프한다. 본 발명의 일 실시예에 따른 유도 가열 장치는, 제1 전압을 정류하는 제1 정류부, 상기 제1 전압과 다른 제2 전압을 정류하는 제2 정류부, 상기 제1 정류부와 전기적으로 연결되고, 상기 제1 정류부에서 출력된 전압에 기초하여 동작하는 제1 인버터, 상기 제2 정류부와 전기적으로 연결되고, 상기 제2 정류부에서 출력된 전압에 기초하여 동작하는 제2 인버터, 상기 제1 인버터에서 출력된 전압에 의해 동작하는 제1 가열 코일, 상기 제2 인버터에서 출력된 전압에 의해 동작하는 제2 가열 코일, 상기 제1 정류부와 상기 제1 인버터 사이의 전압인 제1 DC 링크 전압과 제1 기 전압을 비교하는 제1 비교기, 상기 제2 정류부와 상기 제2 인버터 사이의 전압인 제2 DC 링크 전압과 제2 기준 전압을 비교하는 제2 비교기 및 상기 제1 비교기의 출력 신호와 상기 제2 비교기의 출력 신호에 기초하여 상기 제1 인버터 및 상기 제2 인버터를 제어하는 제어부를 포함한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 가열 코일 구동 회로는, 제1 전압을 정류하는 제1 정류부, 상기 제1 전압과 다른 제2 전압을 정류하는 제2 정류부, 상기 제1 정류부와 전기적으로 연결되고, 상기 제1 정류부에서 출력된 전압을 제1 가열 코일로 인가하는 제1 인버터, 상기 제2 정류부와 전기적으로 연결되고, 상기 제2 정류부에서 출력된 전압을 제2 가열 코일로 인가하는 제2 인버터 - 상기 제2 가열 코일은 상기 제1 가열 코일의 외측에 배치됨 -, 상기 제1 정류부와 상기 제1 인버터 사이의 전압인 제1 DC 링크 전압과 제1 기준 전압을 비교하는 제1 비교기, 상기 제2 정류부와 상기 제2 인버터 사이의 전압인 제2 DC 링크 전압과 제2 기준 전압을 비교하는 제2 비교기 및 상기 제1 비교기의 출력 신호와 상기 제2 비교기의 출력 신호에 기초하여 상기 제1 인버터 및 상기 제2 인버터를 제어하는 제어부를 포함한다.

본 발명에 따르면, 복수의 전원을 이용하여 복수의 가열 코일을 동작시키는 경우 발생하는 에너지 간섭을 방지할 수 있다.

또한, 본 발명에 따르면, 유도 가열 장치 내의 전력 소자의 파손을 방지할 수 있다.

상술한 효과와 더불어 본 발명의 구체적인 효과는 이하 발명을 실시하기 위한 구체적인 사항을 설명하면서 함께 기술한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 유도 가열 장치의 사시도를 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 듀얼 가열 코일의 형상의 일례를 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 구동 회로의 개략적인 회로 구성을 도시한 도면이다.
도 4는 다양한 상황에 따른 제1 DC 링크 전압과 제2 DC 링크 전압의 파형을 도시한 도면이다.

전술한 목적, 특징 및 장점은 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 후술되며, 이에 따라 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 것이다. 본 발명을 설명함에 있어서 본 발명과 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 상세한 설명을 생략한다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 도면에서 동일한 참조부호는 동일 또는 유사한 구성요소를 가리키는 것으로 사용된다.

비록, 제1, 제2 등이 다양한 구성요소들을 서술하기 위해서 사용되나, 이들 구성요소들은 이들 용어에 의해 제한되지 않음은 물론이다. 이들 용어들은 단지 하나의 구성요소를 다른 구성요소와 구별하기 위하여 사용하는 것으로, 특별히 반대되는 기재가 없는 한, 제1 구성요소는 제2 구성요소일 수도 있음은 물론이다.

이하에서 구성요소의 "상부 (또는 하부)" 또는 구성요소의 "상 (또는 하)"에 임의의 구성이 배치된다는 것은, 임의의 구성이 상기 구성요소의 상면 (또는 하면)에 접하여 배치되는 것뿐만 아니라, 상기 구성요소와 상기 구성요소 상에 (또는 하에) 배치된 임의의 구성 사이에 다른 구성이 개재될 수 있음을 의미할 수 있다.

또한 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결", "결합" 또는 "접속"된다고 기재된 경우, 상기 구성요소들은 서로 직접적으로 연결되거나 또는 접속될 수 있지만, 각 구성요소 사이에 다른 구성요소가 "개재"되거나, 각 구성요소가 다른 구성요소를 통해 "연결", "결합" 또는 "접속"될 수도 있는 것으로 이해되어야 할 것이다.

명세서 전체에서, 특별히 반대되는 기재가 없는 한, 각 구성요소는 단수일 수도 있고 복수일 수도 있다.

본 명세서에서 사용되는 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "구성된다" 또는 "포함한다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 여러 구성 요소들, 또는 여러 단계들을 반드시 모두 포함하는 것으로 해석되지 않아야 하며, 그 중 일부 구성 요소들 또는 일부 단계들은 포함되지 않을 수도 있고, 또는 추가적인 구성 요소 또는 단계들을 더 포함할 수 있는 것으로 해석되어야 한다.

명세서 전체에서, "A 및/또는 B" 라고 할 때, 이는 특별한 반대되는 기재가 없는 한, A, B 또는 A 및 B 를 의미하며, "C 내지 D" 라고 할 때, 이는 특별한 반대되는 기재가 없는 한, C 이상이고 D 이하인 것을 의미한다.

이하에서는, 본 발명의 몇몇 실시예에 따른 유도 가열 장치를 설명하도록 한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 유도 가열 장치의 사시도를 도시한 도면이다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 유도 가열 장치는 본체 하우징(10), 커버 플레이트(20), 사용자 인터페이스(30), 구동 회로(40)를 포함한다. 각 구성 요소 별 기능을 설명하면 다음과 같다.

본체 하우징(10) 상에는 용기를 올려 놓을 수 있는 커버 플레이트(20)이 배치될 수 있다.

본체 하우징(10)의 상면의 일측에는 사용자의 입력을 수신하고, 유도 가열 장치의 상태 정보를 표시하는 사용자 인터페이스(30)가 배치될 수 있다.

유도 가열 장치의 구동 회로(40)는 본체 하우징(10)의 하부에 위치할 수 있다. 다만, 본 발명은 이에 한정되는 것은 아니며 다양한 위치에 구동 회로(40)가 배치될 수 있다.

본체 하우징(10)의 내부에는 커버 플레이트(20) 하부에 설치된다.

커버 플레이트(20)에 열원을 제공하기 위한 복수의 가열 코일(110)이 배치된다. 복수의 가열 코일(110) 각각은 커버 플레이트(20)의 하부에 배치될 수 있다.

복수의 가열 코일(110) 각각은, 내부 가열 코일 및 외부 가열 코일을 포함하는 듀얼 가열 코일일 수도 있고, 하나의 가열 코일을 포함하는 싱글 가열 코일일 수 있다. 다만, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 듀얼 가열 코일(110)의 형상의 일례를 도시한 도면이다.

도 2을 참조하면, 듀얼 가열 코일(110)은 내부 가열 코일(즉, 제1 가열 코일)(112), 외부 가열 코일(즉, 제2 가열 코일)(114) 및 자성체(116)를 포함한다.

내부 가열 코일(112) 및 외부 가열 코일(114)에는 고주파의 전원이 인가될 수 있다. 즉, 아래에서 상세하게 설명하는 바와 같이, 내측 가열 코일(112)과 외부 가열 코일(114)은 서로 다른 전원에 의해 동작할 수 있다. 내부 가열 코일(112)와 외부 가열 코일(114)는 서로 이격되도록 형성되며, 전기적으로 분리되어 동작할 수 있다. 듀얼 가열 코일(110)의 최대 출력값은 내부 가열 코일(112) 및 외부 가열 코일(114)의 출력의 최대값과 대응된다.

내부 가열 코일(112)은 듀얼 가열 코일(110)의 내측에 배치되고, 외부 가열 코일(114)은 듀얼 가열 코일(110)의 외측에 배치된다. 따라서, 외부 가열 코일(114)의 원주는 내부 가열 코일(112)의 원주보다 크게 형성된다.

자성체(116)은 내측 가열 코일(112)과 외측 가열 코일(114) 사이에 연결되어 듀얼 가열 코일(110) 내에 교류 자계가 형성되도록 한다.

자성체(116)로는 자계를 형성하는 재료나 소자가 모두 사용될 수 있으며, 특히 페라이트(Ferrite)가 사용될 수 있다. 페라이트는 단단하고 부서지기 쉬우며 철을 포함하고 있고 보통 회색이나 검은색의 다결정, 즉 수많은 작은 결정으로 이루어져 있으며, 화학적 조성을 보면 산화철과 하나 이상의 다른 금속으로 되어 있다. 이는 아철산염이라고도 하며, 여러 종류의 전자장치에 이용되는 자성이 있는 세라믹과 같은 물질이다. 페라이트의 모양이나 배치에 따라 용기를 더욱 쉽게, 또는 다른 방식들로 가열할 수 있다.

다시 도 1을 참조하면, 커버 플레이트(20)의 하부에는 복수의 가열 코일(110)을 구동시키기 위한 구동 회로(40)가 배치될 수 있다. 구동 회로(40)에 대한 구체적인 설명은 이하에서 후술하도록 한다.

본체 하우징(10)의 상부의 일측에는 복수의 가열 코일(110)을 제어하기 위한 사용자 인터페이스(30)가 배치될 수 있다. 사용자 인터페이스(30)는 조작부 및 표시부를 포함한다. 조작부는 사용자로부터 명령을 입력받는 복수의 조작 버튼을 포함한다. 표시부는 유도 가열 장치의 동작 상태에 관련된 정보를 표시한다.

다만, 도 1에 나타난 사용자 인터페이스(30)는 본 발명의 일 실시예에 불과하며, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니고, 여러 실시예로 변경되어 사용될 수 있다.

사용자는, 피가열체를 커버 플레이트(20)에 올려놓은 뒤, 사용자 인터페이스(30)에 포함된 조작 버튼을 눌러 용기가 놓인 가열 코일(110)의 파워 레벨을 설정한다. 파워 레벨에 상응하는 고주파 전원이 가열 코일(110)에 인가되여 피가열체가 가열된다.

이하에서는, 가열 코일(110)에 고주파 전원을 공급하는 구동 회로(40)의 구조와 동작에 대해 구체적으로 살펴보도록 한다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 구동 회로(40)의 개략적인 회로 구성을 도시한 도면이다.

도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 유도 가열 장치는, 제1 전원(302), 제2 전원(304), 제1 정류부(306), 제2 정류부(308), 제1 DC 링크 커패시터(C1), 제2 DC 링크 커패시터(C2), 제1 인버터(310), 제2 인버터(312), 제1 공진 커패시터(Cr1), 제2 공진 커패시터(Cr2), 제3 공진 커패시터(Cr3), 제4 공진 커패시터(Cr4), 제1 비교기(314), 제2 비교기(316) 및 제어부(318)를 포함한다.

제1 전원(302)은 듀얼 가열 코일 중 내측 가열 코일을 동작시키기 위한 제1 전압을 제공한다

제1 정류부(306)는 제1 전원(302)에서 출력된 제1 전압을 정류한다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 제1 정류부(306)는 4개의 다이오드를 포함하는 브릿지 다이오드일 수 있다.

제1 DC 링크 커패시터(C1)는 제1 정류부(306)에서 출력된 전류에 대한 평활화 동작을 수행하며, 전력 변환 시 전압을 유지시켜 일정한 전압을 공급하는 기능을 수행한다.

제1 DC 링크 커패시터(C1)의 일단은 제1 정류부(306)의 포지티브 출력단과 제1 노드(N1)에서 전기적으로 연결되고, 제1 DC 링크 커패시터(C1)의 타단은 제1 정류부(306)의 네거티브 출력단과 제2 노드(N2)에서 전기적으로 연결된다. 제2 노드(N2)는 접지와 연결된다. 한편, 제1 DC 링크 커패시터(C1)의 일단의 전압, 즉 제1 노드(N1)의 전압은 제1 DC 링크 전압과 대응된다.

제1 인버터(310)는 제1 정류부(306)와 전기적으로 연결되고, 복수의 제1 스위칭 소자(T1, T2)를 포함하고, 제1 정류부(306)에서 출력된 전압에 기초하여 동작한다. 일례로, 제1 스위칭 소자는 절연 게이트 양극성 트랜지스터(IGBT: Insulated Gate Bipolar Transistor)일 수 있다.

또한, 제1 인버터(310)는 내부 가열 코일에 동작 전원을 제공할 수 있다. 즉, 내부 가열 코일은 제1 인버터(310)에서 출력된 전압에 의해 동작한다.

제1 공진 커패시터(Cr1) 및 제2 공진 커패시터(Cr2)는 제1 인버터(310)의 동작에 의해 내부 가열 코일과 공진한다.

한편, 제1 인버터(310)는 직렬 연결된 제1-1 스위칭 소자(T1) 및 제1-2 스위칭 소자(T2)를 포함한다. 제1-1 스위칭 소자(T1)의 일단 및 제1 공진 커패시터(Cr1)의 일단은 제1 노드(N1)에서 전기적으로 연결되고, 제1-1 스위칭 소자(T1)의 타단은 제1-2 스위칭 소자(T2)의 일단과 전기적으로 연결되고, 제1-2 스위칭 소자(T2)의 타단은 제2 노드(N2)와 전기적으로 연결된다. 그리고, 내부 가열 코일의 일단은 제1-1 스위칭 소자(T1)의 타단 및 제1-2 스위칭 소자(T2)의 일단과 전기적으로 연결되고, 내부 가열 코일의 타단은 제1 공진 커패시터(Cr1)의 타단 및 제2 공진 커패시터(Cr2)의 일단과 전기적으로 연결된다.

제2 전원(304)은 듀얼 가열 코일 중 외측 가열 코일을 동작시키기 위한 제2 전압을 제공한다

제2 정류부(308)는 제2 전원(304)에서 출력된 제2 전압을 정류한다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 제2 정류부(308)는 4개의 다이오드를 포함하는 브릿지 다이오드일 수 있다.

제2 DC 링크 커패시터(C2)는 제2 정류부(308)에서 출력된 전류에 대한 평활화 동작을 수행하며, 전력 변환 시 전압을 유지시켜 일정한 전압을 공급하는 기능을 수행한다.

제2 DC 링크 커패시터(C2)의 일단은 제2 정류부(308)의 포지티브 출력단과 제3 노드(N3)에서 전기적으로 연결되고, 제2 DC 링크 커패시터(C2)의 타단은 제2 정류부(308)의 네거티브 출력단과 제4 노드(N4)에서 전기적으로 연결된다. 제4 노드(N4)는 접지와 연결된다. 한편, 제2 DC 링크 커패시터(C2)의 일단의 전압, 즉 제3 노드(N3)의 전압은 제2 DC 링크 전압과 대응된다.

제2 인버터(312)는 제2 정류부(308)와 전기적으로 연결되고, 복수의 제2 스위칭 소자(T3, T4)를 포함하고, 제2 정류부(308)에서 출력된 전압에 기초하여 동작한다. 일례로, 제2 스위칭 소자는 절연 게이트 양극성 트랜지스터(IGBT)일 수 있다.

또한, 제2 인버터(312)는 외부 가열 코일에 동작 전원을 제공할 수 있다. 즉, 외부 가열 코일은 제2 인버터(312)에서 출력된 전압에 의해 동작한다.

제3 공진 커패시터(Cr3) 및 제4 공진 커패시터(Cr4)는 제2 인버터(312)의 동작에 의해 외부 가열 코일과 공진한다.

한편, 제2 인버터(312)는 직렬 연결된 제2-1 스위칭 소자(T3) 및 제2-2 스위칭 소자(T4)를 포함한다. 제2-1 스위칭 소자(T3)의 일단 및 제3 공진 커패시터(Cr3)의 일단은 제3 노드(N3)에서 전기적으로 연결되고, 제2-1 스위칭 소자(T3)의 타단은 제2-2 스위칭 소자(T4)의 일단과 전기적으로 연결되고, 제2-2 스위칭 소자(T4)의 타단은 제4 노드(N4)와 전기적으로 연결된다. 그리고, 외부 가열 코일의 일단은 제2-1 스위칭 소자(T3)의 타단 및 제2-2 스위칭 소자(T4)의 일단과 전기적으로 연결되고, 외부 가열 코일의 타단은 제3 공진 커패시터(Cr3)의 타단 및 제4 공진 커패시터(Cr4)의 일단과 전기적으로 연결된다.

제1 비교기(314)는 제1 DC 링크 전압과 제1 기준 전압을 비교한다. 그리고, 제2 비교기(316)는 제2 DC 링크 전압과 제2 기준 전압을 비교한다. 일례로, 제1 기준 전압과 제2 기준 전압은 동일한 전압일 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 제1 기준 전압은 제1 인버터(310)의 정격 전압 및 제1 마진 전압에 기초하여 설정될 수 있다. 여기서, 제1 마진 전압은 제1 정류부(306)의 내압(withstand voltage) 및 복수의 제1 스위칭 소자(T1, T2)의 내압 중 적어도 하나에 기초하여 설정될 수 있다.

유사하게, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 제2 기준 전압은 제2 인버터(312)의 정격 전압 및 제2 마진 전압에 기초하여 설정될 수 있다. 여기서, 제2 마진 전압은 제2 정류부(308)의 내압 및 복수의 제2 스위칭 소자(T3, T4)의 내압 중 적어도 하나에 기초하여 설정될 수 있다.

제어부(318)(일례로, 마이컴)는 제1 비교기(314)의 출력 신호와 제2 비교기(316)의 출력 신호에 기초하여 제1 인버터(310) 및 제2 인버터(312)를 제어한다. 일례로, 제1 인버터(310)가 복수의 제1 스위칭 소자(T1, T2)를 포함하고, 제2 인버터(312)가 복수의 제2 스위칭 소자(T3, T4)를 포함하는 경우, 제어부(318)는 복수의 제1 스위칭 소자(T1, T2) 및 복수의 제2 스위칭 소자(T3, T4)의 제어 전극으로 제어 신호를 전송할 수 있고, 복수의 제1 스위칭 소자(T1, T2) 및 복수의 제2 스위칭 소자(T3, T4)는 상기한 제어 신호에 의해 스위칭 동작을 수행한다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 제1 DC 링크 전압이 제1 기준 전압보다 큰 경우, 제1 비교기(314)는 제1 출력 신호(일례로, 하이 논리 신호)를 출력하고, 제어부(318)는 제1 출력 신호에 기초하여 제1 인버터(310)의 동작을 정지시킬 수 있다.

반대로, 제1 DC 링크 전압이 제1 기준 전압보다 작은 경우, 제1 비교기(314)는 제2 출력 신호를 출력하고, 제어부(318)는 제2 출력 신호(일례로, 로우 논리 신호)에 기초하여 내부 가열 코일이 자계를 발생시킬 수 있도록 제1 인버터(310)의 동작을 제어할 수 있다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 제2 DC 링크 전압이 제2 기준 전압보다 큰 경우, 제2 비교기(316)는 제2 출력 신호를 출력하고, 제어부(318)는 제2 출력 신호에 기초하여 제2 인버터(312)의 동작을 정지시킬 수 있다.

반대로, 제2 DC 링크 전압이 제2 기준 전압보다 작은 경우, 제2 비교기(316)는 제2 출력 신호를 출력하고, 제어부(318)는 제2 출력 신호에 기초하여 외부 가열 코일이 자계를 발생시킬 수 있도록 제2 인버터(312)의 동작을 제어할 수 있다.

한편, 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 제1 비교기(314), 제2 비교기(316) 및 제어부(318)는 서로 일체로 구성될 수 있다. 즉, 제어부(318)(318)는 제1 DC 링크 전압과 제1 기준 전압을 비교하고, 제2 DC 링크 전압과 제2 기준 전압을 비교하고, 비교 결과에 기초하여 제1 인버터(310) 및 제2 인버터(312)를 제어할 수 있다.

이하, 듀얼 가열 코일의 사용 시 전력 소자의 파손을 방지하는 유도 가열 장치의 동작을 보다 상세하게 설명한다.

도 4는 다양한 상황에 따른 제1 DC 링크 전압과 제2 DC 링크 전압의 파형을 도시한 도면이다.

동일한 공간에 배치되는 내측 가열 코일 및 외측 가열 코일이 동시에 동작하기 위해서는 내측 가열 코일 및 외측 가열 코일의 동작 주파수 및 동작 위상이 일치하여야 한다.

내측 가열 코일 및 외측 가열 코일의 동작 주파수 및 동작 위상이 일치하는 경우, 제1 DC 링크 전압 및 제2 DC 링크 전압은 상승되지 않는다. 이는 도 4의 (a)에 도시된 바와 같다.

만약, 내측 가열 코일 및 외측 가열 코일의 동작 주파수 및 동작 위상이 불일치하는 경우, 에너지 간섭이 발생하며, 이로 인해, 하나의 가열 코일에서 발생된 에너지가 상대방 가열 코일로 유기(遺棄)되어 DC 링크 전압을 상승시킨다. 이는 도 4의 (b) 및 (c)에 도시된 바와 같다. DC 링크 전압이 상승하는 경우 인버터의 IGBT VDS 특성이나 정류부의 내전압 특성에 영향을 미치며, 유도 가열 장치 내의 전력 소자가 파손된다.

따라서, 본 발명은 제1 DC 링크 전압 또는 제2 DC 링크 전압이 제1 기준 전압 또는 제2 기준 전압보다 큰 경우 제1 인버터(310) 또는 제2 인버터(312)의 동작을 기 설정된 시간 구간(일례로, 1초 이상) 동안 정지시키고, 이에 따라 상기한 시간 구간 동안 내부 가열 코일 또는 외부 가열 코일의 출력이 오프된다. 이 때, 내부 가열 코일 또는 외부 가열 코일의 출력이 오프되면, 방전 저항에 의해 정상적인 제1 DC 링크 전압 또는 제2 DC 링크 전압까지 방전되며, 이에 따라 전력 소자의 파손을 방지할 수 있다.

이 때, 제1 기준 전압 또는 제2 기준 전압은 유도 가열 장치 내의 전력 소자의 내압 스펙 이내로 설계되어야 한다. 따라서, 본 발명의 제1 기준 전압 또는 제2 기준 전압은 제1 인터버 또는 제2 인버터(312)의 정격 전압에 제1 마진 전압 또는 제2 마진 전력을 곱한 전압으로 설정될 수 있다.

일례로서, 제1 인버터(310)의 정격 전압은 230Vac이고, 제1 마진 전압이 30%인 경우, 제1 기준 전압은 299Vac(즉, 422.786Vdc)로 설정될 수 있다. 한편, 통상적인 브릿지 다이오드 및 IGBT의 내압이 600Vdc 및 650Vdc이므로 유도 가열 장치는 정상적으로 동작할 수 있다.

요컨대, 본 발명에 따른 유도 가열 장치는 DC 링크 전압과 기준 전압을 비교하여 DC 링크 전압이 기준 전압보다 높으면, 인버터를 정지시켜 가열 코일을 오프할 수 있다. 이에 따라 복수의 전원을 이용하여 복수의 가열 코일을 동작시키는 경우 발생하는 에너지 간섭을 방지할 수 있으며, 유도 가열 장치 내의 전력 소자의 파손을 방지할 수 있다.

이상과 같이 본 발명에 대해서 예시한 도면을 참조로 하여 설명하였으나, 본 명세서에 개시된 실시 예와 도면에 의해 본 발명이 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술사상의 범위 내에서 통상의 기술자에 의해 다양한 변형이 이루어질 수 있음은 자명하다. 아울러 앞서 본 발명의 실시 예를 설명하면서 본 발명의 구성에 따른 작용 효과를 명시적으로 기재하여 설명하지 않았을 지라도, 해당 구성에 의해 예측 가능한 효과 또한 인정되어야 함은 당연하다.

10: 본체 하우징 20: 커버 플레이트
30: 사용자 인터페이스 40: 구동 회로
110: 듀얼 가열 코일 112: 내부 가열 코일
114: 외부 가열 코일 116: 자성체
302: 제1 전원 304: 제2 전원
306: 제1 정류부 308: 제2 정류부
310: 제1 인버터 312: 제2 인버터
314: 제1 비교기 316: 제2 비교기
318: 제어부

Claims (14)

1. 제1 전압을 정류하는 제1 정류부;
   상기 제1 전압과 다른 제2 전압을 정류하는 제2 정류부;
   상기 제1 정류부와 전기적으로 연결되고, 상기 제1 정류부에서 출력된 전압에 기초하여 동작하는 제1 인버터;
   상기 제2 정류부와 전기적으로 연결되고, 상기 제2 정류부에서 출력된 전압에 기초하여 동작하는 제2 인버터;
   상기 제1 인버터에서 출력된 전압에 의해 동작하는 제1 가열 코일;
   상기 제2 인버터에서 출력된 전압에 의해 동작하는 제2 가열 코일;
   상기 제1 정류부와 상기 제1 인버터 사이의 전압인 제1 DC 링크 전압과 제1 기준 전압을 비교하는 제1 비교기;
   상기 제2 정류부와 상기 제2 인버터 사이의 전압인 제2 DC 링크 전압과 제2 기준 전압을 비교하는 제2 비교기; 및
   상기 제1 비교기의 출력 신호와 상기 제2 비교기의 출력 신호에 기초하여 상기 제1 인버터 및 상기 제2 인버터를 제어하는 제어부;를 포함하는, 유도 가열 장치.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 제1 정류부의 포지티브 출력단은 상기 제1 인버터의 일단과 제1 노드에서 연결되고, 상기 제1 정류부의 네거티브 출력단은 상기 제1 인버터의 타단과 제2 노드에서 연결되고,
   상기 제2 노드는 접지와 연결되고, 상기 제1 DC 링크 전압은 상기 제1 노드의 전압인, 유도 가열 장치.
   
3. 제1항에 있어서,
   상기 제1 DC 링크 전압이 상기 제1 기준 전압보다 큰 경우, 상기 제1 비교기는 제1 출력 신호를 출력하고,
   상기 제어부는 상기 제1 출력 신호에 기초하여 상기 제1 인버터의 동작을 정지시키는, 유도 가열 장치.
   
4. 제3항에 있어서,
   상기 제1 인버터는 복수의 제1 스위칭 소자를 포함하고,
   상기 제어부는 상기 제1 출력 신호에 기초하여 상기 복수의 제1 스위칭 소자를 턴 오프시키는, 유도 가열 장치.
   
5. 제4항에 있어서,
   상기 제1 기준 전압은 상기 제1 인버터의 정격 전압 및 제1 마진 전압에 기초하여 설정되는, 유도 가열 장치.
   
6. 제5항에 있어서,
   상기 제1 마진 전압은 상기 제1 정류부의 내압(withstand voltage) 및 상기 복수의 제1 스위칭 소자의 내압 중 적어도 하나에 기초하여 설정되는, 유도 가열 장치.
   
7. 제1항에 있어서,
   상기 제2 정류부의 포지티브 출력단은 상기 제2 인버터의 일단과 제3 노드에서 연결되고, 상기 제2 정류부의 네거티브 출력단은 상기 제2 인버터의 타단과 제4 노드에서 연결되고,
   상기 제4 노드는 접지와 연결되고, 상기 제2 DC 링크 전압은 상기 제3 노드의 전압인, 유도 가열 장치.
   
8. 제1항에 있어서,
   상기 제2 DC 링크 전압이 상기 제2 기준 전압보다 큰 경우, 상기 제2 비교기는 제2 출력 신호를 출력하고,
   상기 제어부는 상기 제2 출력 신호에 기초하여 상기 제2 인버터의 동작을 정지시키는, 유도 가열 장치.
   
9. 제8항에 있어서,
   상기 제2 인버터는 복수의 제2 스위칭 소자를 포함하고,
   상기 제어부는 상기 제2 출력 신호에 기초하여 상기 복수의 제2 스위칭 소자를 턴 오프시키는, 유도 가열 장치.
   
10. 제9항에 있어서,
    상기 제2 기준 전압은 상기 제2 인버터의 정격 전압 및 제2 마진 전압에 기초하여 설정되는, 유도 가열 장치.
    
11. 제10항에 있어서,
    상기 제2 마진 전압은 상기 제2 정류부의 내압 및 상기 복수의 제2 스위칭 소자의 내압 중 적어도 하나에 기초하여 설정되는, 유도 가열 장치.
    
12. 제1항에 있어서
    상기 제1 정류부와 상기 제1 인덕터 사이에서 전기적으로 연결되는 제1 DC 링크 커패시터;
    상기 제2 정류부와 상기 제2 인덕터 사이에서 전기적으로 연결되는 제2 DC 링크 커패시터;를 더 포함하는, 유도 가열 장치.
    
13. 제12항에 있어서
    상기 제1 인덕터는 직렬 연결된 제1 스위칭 소자 및 제2 스위칭 소자를 포함하고,
    상기 제2 인덕터는 직렬 연결된 제3 스위칭 소자 및 제4 스위칭 소자를 포함하고,
    상기 제1 DC 링크 커패시터의 일단은 상기 제1 정류부의 포지티브 출력단 및 상기 제1 스위칭 소자의 일단과 전기적으로 연결되고, 상기 제1 DC 링크 커패시터의 타단은 상기 제1 정류부의 네거티브 출력단 및 상기 제2 스위칭 소자의 타단과 전기적으로 연결되고, 상기 제1 스위칭 소자의 타단과 상기 제2 스위칭 소자의 일단은 전기적으로 연결되고,
    상기 제2 DC 링크 커패시터의 일단은 상기 제2 정류부의 포지티브 출력단 및 상기 제3 스위칭 소자의 일단과 전기적으로 연결되고, 상기 제2 DC 링크 커패시터의 타단은 상기 제2 정류부의 네거티브 출력단 및 상기 제4 스위칭 소자의 타단과 전기적으로 연결되고, 상기 제3 스위칭 소자의 타단과 상기 제4 스위칭 소자의 일단은 전기적으로 연결되는, 유도 가열 장치.
    
14. 제1 전압을 정류하는 제1 정류부;
    상기 제1 전압과 다른 제2 전압을 정류하는 제2 정류부;
    상기 제1 정류부와 전기적으로 연결되고, 상기 제1 정류부에서 출력된 전압을 제1 가열 코일로 인가하는 제1 인버터;
    상기 제2 정류부와 전기적으로 연결되고, 상기 제2 정류부에서 출력된 전압을 제2 가열 코일로 인가하는 제2 인버터 - 상기 제2 가열 코일은 상기 제1 가열 코일의 외측에 배치됨 -;
    상기 제1 정류부와 상기 제1 인버터 사이의 전압인 제1 DC 링크 전압과 제1 기준 전압을 비교하는 제1 비교기;
    상기 제2 정류부와 상기 제2 인버터 사이의 전압인 제2 DC 링크 전압과 제2 기준 전압을 비교하는 제2 비교기; 및
    상기 제1 비교기의 출력 신호와 상기 제2 비교기의 출력 신호에 기초하여 상기 제1 인버터 및 상기 제2 인버터를 제어하는 제어부;를 포함하는, 가열 코일 구동 회로.

Images