KR20210113838A - 유도가열방식을 이용한 용기 가열 방법 - Google Patents

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강요한
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Abstract

본 발명은 가열코일을 이용하여 용기를 가열함에 있어서, 가열코일에 교류 전류를 출력하는 스위칭 소자의 전력 손실을 방지함과 동시에, 용기의 종류에 따라 스위칭 소자의 동작 주파수를 제어함으로써 용기 가열의 효율성을 향상시키는 용기 가열 방법에 관한 것이다. 본 발명의 일 실시예에 다른 용기 가열 방법은 스위칭 모듈의 동작 주파수를 제어함으로써 가열코일에 코일 전류를 출력하여 상기 가열코일 상에 놓인 용기를 가열하는 방법에 있어서, 용기 감지 모드에서 상기 가열코일의 공진 주파수를 검출하는 단계, 용기 가열 모드에서 상기 스위칭 모듈의 동작 주파수와 상기 스위칭 모듈의 온도에 기초하여 전류 제한값을 식별하는 단계 및 상기 코일 전류의 크기가 상기 식별된 전류 제한값을 초과하지 않도록 상기 동작 주파수를 제어하면서, 상기 동작 주파수가 상기 검출된 공진 주파수를 추종하도록 제어하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

유도가열방식을 이용한 용기 가열 방법{METHOD FOR HEATING CONTAINER USING INDUCTION HEATING}
본 발명은 가열코일을 이용하여 용기를 가열함에 있어서, 가열코일에 교류 전류를 출력하는 스위칭 소자의 전력 손실을 방지함과 동시에, 용기의 종류에 따라 스위칭 소자의 동작 주파수를 제어함으로써 용기 가열의 효율성을 향상시키는 용기 가열 방법에 관한 것이다.
근래 무선 유도가열방식을 이용한 다양한 조리기기가 개발되고 있다. 이에 발맞추어 주방 가전 시장에서는 자기장을 이용하여 취사물을 가열하는 장치(이하, 유도가열장치)에 대한 연구가 이루어지고 있다.
용기가 유도가열장치 상에 놓여지면, 유도가열장치는 내부의 가열코일에 교류 전류를 인가함으로써 용기 방향으로 자기장을 발생시키고, 자기장이 용기에 와류전류(eddy current)를 유도함으로써 용기가 가열된다.
이러한 유도가열방식에서, 가열코일은 유도가열장치 상에 놓여진 용기의 종류에 따라 서로 다른 공진점에서 최대 출력을 용기에 제공한다.
도 1은 유도가열장치 상에 놓여진 용기의 재질 및 제조사에 따른 가열코일의 출력 특성을 도시한 도면이다.
도 1을 참조하면, 유도가열장치 상에 용기가 놓여져 있지 않을 때(이하, 무부하 상태), 가열코일은 상대적으로 낮은 공진 주파수에서 최대 출력을 낸다. 한편, 유도가열장치 상에 용기가 놓여져 있을 때(이하, 부하 상태), 가열코일은 용기의 종류에 따라 각기 다른 공진 주파수에서 최대 출력을 낸다.
종래에는 어떤 용기가 유도가열장치 상에 놓여져 있는지를 판단할 수 없었으므로 가열코일의 동작점(operating point; OP)을 무부하 상태의 공진점(resonance point; RP)에 일치시켜, 다시 말해, 가열코일에 교류 전류를 출력하는 스위칭 소자의 동작 주파수가 무부하 상태의 공진점(RP)을 추종하도록 제어하여 용기를 가열하였다.
그러나, 이러한 종래 방법에 의하면 도 1에 도시된 바와 같이 가열코일의 동작점(OP, 무부하 상태의 공진점)이 부하 상태의 공진점(RP)의 좌측 영역에 위치하게 되므로, 용기에 대한 가열 효율이 낮을 뿐만 아니라, 스위칭 소자의 전력 손실이 증가하여 발열에 의한 스위칭 소자의 소손 가능성이 높은 문제점이 있다.
본 발명은 가열코일을 이용하여 용기를 가열함에 있어서, 가열코일에 흐르는 코일 전류의 크기를 제한함과 동시에, 가열코일에 전류를 출력하는 스위칭 소자의 동작 주파수가 공진 주파수를 추종하도록 제어하는 용기 가열 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
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 특허 청구 범위에 나타낸 수단 및 그 조합에 의해 실현될 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다.
전술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 용기 가열 방법은 스위칭 모듈의 동작 주파수를 제어함으로써 가열코일에 코일 전류를 출력하여 상기 가열코일 상에 놓인 용기를 가열하는 방법에 있어서, 용기 감지 모드에서 상기 가열코일의 공진 주파수를 검출하는 단계, 용기 가열 모드에서 상기 스위칭 모듈의 동작 주파수와 상기 스위칭 모듈의 온도에 기초하여 전류 제한값을 식별하는 단계 및 상기 코일 전류의 크기가 상기 식별된 전류 제한값을 초과하지 않도록 상기 동작 주파수를 제어하면서, 상기 동작 주파수가 상기 검출된 공진 주파수를 추종하도록 제어하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
일 실시예에서, 상기 용기 감지 모드에서 상기 가열코일의 공진 주파수를 검출하는 단계는, 상기 가열코일에 코일 전류가 인가되지 않은 상태에서 상기 용기의 무게가 감지되면 상기 용기 감지 모드에 진입하여 상기 가열코일의 공진 주파수를 검출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
일 실시예에서, 상기 용기 감지 모드에서 상기 가열코일의 공진 주파수를 검출하는 단계는, 상기 가열코일과 연결된 오실레이터(oscillator)의 출력 펄스에 기초하여 상기 가열코일의 공진 주파수를 검출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
일 실시예에서, 상기 용기 가열 모드에서 상기 스위칭 모듈의 동작 주파수와 상기 스위칭 모듈의 온도에 기초하여 전류 제한값을 식별하는 단계는, 상기 가열코일에 코일 전류가 인가되면 상기 용기 가열 모드에 진입하여 상기 스위칭 모듈의 동작 주파수와 상기 스위칭 모듈의 온도에 기초하여 전류 제한값을 식별하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
일 실시예에서, 상기 용기 가열 모드에서 상기 스위칭 모듈의 동작 주파수와 상기 스위칭 모듈의 온도에 기초하여 전류 제한값을 식별하는 단계는, 메모리를 참조하여 상기 스위칭 모듈의 온도에 따른 동작 주파수별 전류 제한값을 식별하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
일 실시예에서, 상기 스위칭 모듈의 온도는 상기 스위칭 모듈 내 스위칭 소자의 정션 온도(junction temperature)인 것을 특징으로 한다.
일 실시예에서, 상기 용기 가열 모드에서 상기 스위칭 모듈의 동작 주파수와 상기 스위칭 모듈의 온도에 기초하여 전류 제한값을 식별하는 단계는, 상기 스위칭 모듈에 구비된 온도 센서에서 측정된 온도를 이용하여 상기 스위칭 소자의 정션 온도를 추정하고, 상기 추정된 정션 온도와 상기 동작 주파수에 기초하여 전류 제한값을 식별하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
일 실시예에서, 상기 코일 전류의 크기가 상기 식별된 전류 제한값을 초과하지 않도록 상기 동작 주파수를 제어하는 단계는, 상기 코일 전류의 크기가 상기 전류 제한값을 초과하면 상기 동작 주파수를 단계적으로 증가시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
일 실시예에서, 상기 동작 주파수가 상기 검출된 공진 주파수를 추종하도록 제어하는 단계는, 상기 코일 전류의 크기가 상기 전류 제한값을 초과하지 않으면 상기 동작 주파수와 상기 검출된 공진 주파수를 비교하는 단계 및 상기 비교 결과에 따라 상기 동작 주파수가 상기 공진 주파수를 추종하도록 상기 동작 주파수를 증감하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
일 실시예에서, 상기 비교 결과에 따라 상기 동작 주파수가 상기 공진 주파수를 추종하도록 상기 동작 주파수를 증감하는 단계는, 상기 동작 주파수가 상기 공진 주파수 미만이면 상기 동작 주파수를 상기 공진 주파수로 변경하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
일 실시예에서, 상기 비교 결과에 따라 상기 동작 주파수가 상기 공진 주파수를 추종하도록 상기 동작 주파수를 증감하는 단계는, 상기 동작 주파수가 상기 공진 주파수를 초과하면 상기 동작 주파수를 단계적으로 감소시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 가열코일을 이용하여 용기를 가열함에 있어서, 가열코일에 흐르는 코일 전류의 크기를 제한함과 동시에, 가열코일에 전류를 출력하는 스위칭 소자의 동작 주파수가 공진 주파수를 추종하도록 제어함으로써, 스위칭 소자의 전력 손실을 방지할 수 있을 뿐만 아니라 용기 가열의 효율성을 향상시킬 수 있다.
상술한 효과와 더불어 본 발명의 구체적인 효과는 이하 발명을 실시하기 위한 구체적인 사항을 설명하면서 함께 기술한다.
도 1은 유도가열장치 상에 놓여진 용기의 재질 및 제조사에 따른 가열코일의 출력 특성을 도시한 도면.
도 2는 본 발명이 적용되는 유도가열장치의 일 예시를 도시한 도면.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 용기 가열 방법을 도시한 순서도.
도 4는 가열코일과 연결된 오실레이터(oscillator)의 출력에 기초하여 공진 주파수를 검출하는 방법을 설명하기 위한 도면.
도 5는 유도가열장치의 내부 회로를 예시적으로 도시한 도면.
도 6은 코일 전류 및 동작 주파수에 따라 동작 주파수가 공진 주파수를 추종하도록 제어하는 과정을 도시한 순서도.
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.
본 명세서에서 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.
또한, 본 명세서에서 "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, 본 명세서에서 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.
또한, 본 명세서에서 사용되는 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "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.
이하, 도 2 내지 도 6을 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 유도가열장치와 이의 용기 가열 방법을 구체적으로 설명하도록 한다.
도 2는 본 발명이 적용되는 유도가열장치의 일 예시를 도시한 도면이고, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 용기 가열 방법을 도시한 순서도이다.
도 4는 가열코일과 연결된 오실레이터(oscillator)의 출력에 기초하여 공진 주파수를 검출하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 유도가열장치의 내부 회로를 예시적으로 도시한 도면이다.
도 6은 코일 전류 및 동작 주파수에 따라 동작 주파수가 공진 주파수를 추종하도록 제어하는 과정을 도시한 순서도이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 용기 가열 방법이 적용되는 유도가열장치(1)는 용기(2)가 놓이는 상부 플레이트(10)와 사용자 조작이 수행되는 제어 플레이트(30)를 포함할 수 있다.
제어 플레이트(30)에는 유도가열장치(1)의 동작 정보, 상태 정보 등을 표시하는 디스플레이부(31)와, 사용자 조작을 입력받기 위한 복수의 버튼(32) 및 노브 스위치(33)가 구비될 수 있다.
특히, 노브 스위치(33)는 그 회전 정도에 따른 신호를 생성할 수 있고, 후술되는 가열코일(110)은 노브 스위치(33)에서 생성되는 신호에 따라 전력을 출력할 수 있다. 다시 말해, 가열코일(110)의 출력은 노브 스위치(33)의 회전 정도에 따라 제어될 수 있다.
한편, 상부 플레이트(10) 내측에는 가열코일(110)이 구비될 수 있고, 상부 플레이트(10)에는 용기(2)의 위치를 가열코일(110)의 상부로 가이드하기 위한 가이드라인(20)이 형성될 수 있다.
가열코일(110)에는 제어부(130)의 제어에 의해 전류가 흐를 수 있다. 보다 구체적으로, 제어부(130)는 가열코일(110)과 연결된 스위칭 모듈(120)의 동작 주파수를 제어할 수 있고, 이에 따라 스위칭 모듈(120)은 가열코일(110)에 코일 전류(ic)를 출력할 수 있다.
가열코일(110)에 코일 전류(ic)가 흐르면 가열코일(110)에서는 자기장이 발생할 수 있다. 가열코일(110)에서 발생한 자기장은, 상부 플레이트(10)에 놓여진 용기(2)에 와류전류(eddy current)를 유도할 수 있고, 용기(2)는 유도된 전류에 의한 줄열(Joule's heat)로 가열될 수 있다.
유도 전류의 발생을 위해 용기(2)는 자성을 띄는 임의의 성분으로 이루어질 수 있고, 예컨대, 철(Fe) 성분이 포함된 주철(cast iron)이나, 철(Fe) 및 스테인리스 스틸(stainless steel) 등을 접합시킨 클래드(clad)로 이루어질 수 있다.
즉, 본 발명이 적용되는 유도가열장치(1)는 가열코일(110)에서 발생하는 자기장을 이용하여 용기(2)를 가열한다. 이러한 유도가열방식을 통한 가열에 있어서, 도 1을 참조하여 설명한 바와 같이 가열코일(110)은 유도가열장치(1) 상에 놓여진 용기(2)의 종류에 따라 서로 다른 공진점(resonance point)에서 최대 출력을 낸다.
다만, 종래에는 유도가열장치(1) 상에 놓여진 용기(2)의 종류를 파악할 수 없어 가열코일(110)의 동작점(operating point)을 실제 공진점을 추종하도록 제어하기 어려워, 용기(2)에 대한 가열 효율이 낮아질 뿐만 아니라, 가열코일(110)에 전류를 출력하는 스위칭 소자의 전력 손실이 증가하여 발열에 의한 스위칭 소자의 소손 가능성이 높아지는 문제가 있었다.
본 발명은 이러한 종래 방법의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 가열코일(110)을 이용하여 용기(2)를 가열함에 있어서, 가열코일(110)에 교류 전류를 출력하는 스위칭 소자의 전력 손실을 방지함과 동시에, 용기(2)의 종류에 따라 스위칭 소자의 동작 주파수를 제어함으로써 용기 가열의 효율성을 향상시키는 용기 가열 방법에 관한 것이다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 용기 가열 방법은 가열코일(110)의 공진 주파수를 검출하는 단계(S1), 가열코일(110)과 연결된 스위칭 모듈(120)의 동작 주파수와 스위칭 모듈(120)의 온도에 기초하여 전류 제한값을 식별하는 단계(S2) 및 코일 전류(ic)의 크기와 전류 제한값의 비교 결과 및 동작 주파수와 공진 주파수의 비교 결과에 따라 동작 주파수를 제어하는 단계(S3)을 포함할 수 있다.
도 3에 도시된 용기 가열 방법은 일 실시예에 따른 것이고, 각 단계들이 도 3에 도시된 실시예에 한정되는 것은 아니며, 필요에 따라 일부 단계가 부가, 변경 또는 삭제될 수 있다.
아래에서 구체적으로 설명되는 용기 가열 방법은 전술한 제어부(130)에 의해 수행될 수 있으며, 이를 위해 제어부(130)는 ASICs(application specific integrated circuits), DSPs(digital signal processors), DSPDs(digital signal processing devices), PLDs(programmable logic devices), FPGAs(field programmable gate arrays), 프로세서(processors), 제어기(controllers), 마이크로 컨트롤러(micro-controllers), 마이크로 프로세서(microprocessors) 중 적어도 하나의 물리적인 요소를 포함하여 구현될 수 있다.
이하에서는, 도 3에 도시된 각 단계를 구체적으로 설명하도록 한다.
제어부(130)는 용기 감지 모드에서 가열코일(110)의 공진 주파수를 검출할 수 있다(S1). 용기 감지 모드는 용기 가열 이전에 용기(2)의 유무, 용기(2)의 종류를 감지하는 모드로서, 유도가열장치(1)에 초기 전원이 인가될 때 용기 감지 모드에 진입할 수 있다.
보다 구체적으로, 용기 감지 모드는 유도가열장치(1)에 초기 전원이 인가된 후 사용자의 제어에 따라 가열코일(110)에 전류가 공급되기 이전의 시점에 진입되는 모드로 정의될 수 있다. 예컨대, 사용자는 유도가열장치(1)의 전원을 ON시킨 후 가열코일(110) 상에 용기(2)를 거치할 수 있다. 이에 따라, 유도가열장치(1)는 용기 감지 모드로 진입할 수 있고, 가열코일(110)의 공진 주파수를 검출할 수 있다.
한편, 가열코일(110) 상에 용기(2)가 거치된 경우에 한해 공진 주파수를 검출하기 위해, 유도가열장치(1)는 상부 플레이트(10)에 놓여진 물체의 무게를 감지할 수 있는 압력 센서(미도시)를 더 포함할 수 있다.
이 때, 제어부(130)는 가열코일(110)에 코일 전류(ic)가 인가되지 않은 상태에서, 압력 센서에 의해 용기(2)의 무게가 감지되면 용기 감지 모드에 진입하고, 가열코일(110)의 공진 주파수를 검출할 수 있다. 한편, 본 명세서에서 코일 전류(ic)는 스위칭 모듈(120)의 동작에 따라 가열코일(110)에 제공되는 전류를 의미한다.
다시 말해, 제어부(130)는 사용자에 의해 유도가열장치(1)의 전원이 ON 되더라도 압력 센서에 의해 용기(2)의 무게가 감지되기 전까지는 용기 감지 모드에 진입하지 않다가, 압력 센서에 의해 용기(2)의 무게가 감지되면 용기 감지 모드에 진입하여 가열코일(110)의 공진 주파수를 검출할 수 있다.
가열코일(110) 상에 용기(2)가 놓여져 있는 경우, 용기(2)의 종류에 따라 가열코일(110)의 공진점, 구체적으로 공진 주파수가 결정될 수 있다. 이 때, 제어부(130)는 가열코일(110)을 자율 공진시킬 수 있고, 이에 따라 가열코일(110)에는 공진 전류가 흐를 수 있다. 한편, 본 명세서에서 공진 전류는 가열코일(110)의 자율 공진에 따라 가열코일(110)에 발생하는 전류를 의미한다.
제어부(130)는 공진 전류의 주파수를 감지함으로써 공진 주파수를 검출할 수 있다. 제어부(130)의 주파수 검출에는 다양한 방법이 적용될 수 있다.
일 예에서, 제어부(130)는 가열코일(110)과 연결된 오실레이터(oscillator, 140)의 출력 펄스에 기초하여 가열코일(110)의 공진 주파수를 검출할 수 있다.
도 4를 참조하면, 가열코일(110)에 공진 전류를 발생시키기 위해 가열코일(110)에는 오실레이터(140)가 연결될 수 있다. 이 때, 제어부(130)는 오실레이터(140)의 출력에 기초하여 공진 전류의 주파수를 식별할 수 있다.
보다 구체적으로, 가열코일(110)은 일정 크기의 인덕턴스를 갖는 인덕터(L)와 기생 저항(ESR)으로 등가화될 수 있다. 이 때, 가열코일(110)의 일단은 오실레이터(140)와 연결될 수 있다.
오실레이터(140)는, 가열코일(110)과 병렬 연결됨으로써 공진 주파수를 결정하는 커패시터(C)와, 다수의 저항(Ra, Rb, Rc)을 포함하는 증폭기를 포함할 수 있다. 제어부(130)에 의해 오실레이터(140)에 전원이 인가되면, 가열코일(110)에는 공진 주파수를 갖는 일정 크기의 전류, 즉 공진 전류가 흐를 수 있다.
오실레이터(140)는 가열코일(110)에 흐르는 공진 전류를 증폭된 전압으로 변환하여 펄스 형태로 출력할 수 있고, 제어부(130)는 오실레이터(140)의 출력에 포함된 펄스의 개수를 카운팅하여 공진 주파수를 검출할 수 있다.
제어부(130)는 검출된 공진 주파수에 대한 정보를 유도가열장치(1)의 내부 메모리에 저장해 둘 수 있다.
공진 주파수 검출 동작 이후, 용기 가열 모드에서 제어부(130)는 스위칭 모듈(120)의 동작 주파수와 스위칭 모듈(120)의 온도에 기초하여 전류 제한값을 식별할 수 있다(S2).
한편, 용기 가열 모드는 용기(2)에 대한 가열 동작을 수행되는 모드로서, 유도가열장치(1)에 사용자 조작이 입력될 때 용기 가열 모드에 진입할 수 있다. 보다 구체적으로, 용기 가열 모드는 사용자의 제어에 따라 가열코일(110)에 코일 전류(ic)가 공급되면 진입되는 모드로 정의될 수 있다.
예컨대, 사용자는 유도가열장치(1)의 전원을 ON시킨 후 가열코일(110) 상에 용기(2)를 거치할 수 있다. 이어서, 사용자는 노브 스위치(33)를 조작할 수 있고, 노브 스위치(33)의 조작 정도에 따라 가열코일(110)에는 코일 전류(ic)가 흐를 수 있다. 가열코일(110)에 코일 전류(ic)가 흐르게 되면 유도가열장치(1)는 용기 가열 모드로 진입할 수 있고, 전류 제한값을 식별할 수 있다.
전류 제한값을 식별하는 방법을 구체적으로 설명하기에 앞서, 가열코일(110)에 코일 전류(ic)를 흐르게 하기 위해 제어부(130)가 스위칭 모듈(120)을 제어하는 방법을 설명하도록 한다.
도 5를 참조하면, 유도가열장치(1)는 회로를 구성하는 요소로서, 전원부(210), 정류부(220), DC 링크 커패시터(CDC), 공진 커패시터부, 가열코일(110) 및 스위칭 모듈(120)을 포함할 수 있다. 도 5에 도시된 유도가열장치(1)는 일 실시예에 따른 것이고, 그 구성요소들이 도 5에 도시된 실시예에 한정되는 것은 아니며, 필요에 따라 일부 구성요소가 부가, 변경 또는 삭제될 수 있다.
전원부(210)는 교류 전력을 출력하는 전원으로서, 예컨대, 상용전원으로 구현될 수 있다. 정류부(220)는 전원부(210)에서 출력된 교류 전력을 직류 전력으로 변환하여 DC 링크 커패시터(CDC)에 제공할 수 있다. 이를 위해, 정류부(220)는 적어도 하나의 다이오드 및/또는 전력 스위칭 소자를 포함하는 브릿지 회로로 구현될 수 있다.
DC 링크 커패시터(CDC)는 평활 커패시터로서, 정류부(220)에서 제공된 직류 전력의 리플을 저감할 수 있고, 리플이 저감된 직류 전력을 스위칭 모듈(120)로 제공할 수 있다.
스위칭 모듈(120)은 상보적으로 동작하는 제1 및 제2 스위칭 소자(S1, S2)를 포함할 수 있다. 제1 및 제2 스위칭 소자(S1, S2)는 제어부(130)로부터 제공된 스위칭 신호에 따라 턴온 또는 턴오프되어 DC 링크 커패시터(CDC)에서 제공된 직류 전력을 코일 전류(ic)로 변환할 수 있다. 이에 따라, 코일 전류(ic)는 가열코일(110)에 제공될 수 있다.
한편, 스위칭 모듈(120)에 포함된 제1 및 제2 스위칭 소자(S1, S2)는 IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)일 수 있고, 스위칭 모듈(120)은 개별 IGBT를 각각 포함하는 복수의 패키지로 구현될 수 있으며, 모든 IGBT를 포함하는 단일의 패키지로 구현될 수 있다.
공진 커패시터부는 제1 및 제2 스위칭 소자(S1, S2)에 각각 병렬로 연결된 제1 및 제2 공진 커패시터(C1, C2)를 포함할 수 있다. 공진 커패시터부는 스위칭 모듈(120)의 동작에 따라 가열코일(110)과 LC 공진회로를 형성할 수 있다. 구체적으로, 제1 스위칭 소자(S1)가 턴온되고 제2 스위칭 소자(S2)가 턴오프된 경우 가열코일(110)과 제2 공진 커패시터(C2)는 LC 공진회로를 형성할 수 있고, 제2 스위칭 소자(S2)가 턴온되고 제2 스위칭 소자(S2)가 턴오프된 경우 가열코일(110)과 제1 공진 커패시터(C1)는 LC 공진회로를 형성할 수 있다.
용기 가열 모드에서 제어부(130)는 스위칭 모듈(120)을 동작 주파수에 따라 제어할 수 있다. 다시 말해, 제어부(130)는 스위칭 모듈(120)이 동작 주파수에 따라 턴온 또는 턴오프되도록 제어할 수 있다.
스위칭 모듈(120)을 통해 흐르는 코일 전류(ic)의 크기가 커짐에 따라 스위칭 모듈(120)에서는 열이 발생하게 되는데, 발열량이 커지는 경우 스위칭 모듈(120)의 전력 변환 효율이 낮아질 수 있다. 이에 따라, 제어부(130)는 코일 전류(ic)의 크기를 제한하기 위한 전류 제한값을 설정할 수 있다.
보다 구체적으로, 제어부(130)는 스위칭 모듈(120)의 동작 주파수와 스위칭 모듈(120)의 온도에 기초하여 전류 제한값을 식별할 수 있다.
스위칭 모듈(120)은 제어부(130)에서 제공되는 제어 신호에 따라 동작하므로, 스위칭 모듈(120)의 동작 주파수는 제어부(130)에서 출력되는 제어 신호의 주파수와 동일할 수 있다. 제어부(130)는 제어 신호의 주파수를 동작 주파수로 식별할 수 있다.
한편, 스위칭 모듈(120)에는 온도 센서가 구비될 수 있다. 예컨대, 스위칭 모듈(120)에는 서미스터(thermistor)가 구비될 수 있고, 제어부(130)는 서미스터에 인가되는 전압에 기초하여 스위칭 모듈(120)의 온도를 식별할 수 있다.
여기서 스위칭 모듈(120)의 온도는 스위칭 모듈(120) 외면의 온도일 수 있다. 앞서 설명한 바와 같이 스위칭 모듈(120)이 IGBT를 포함하는 패키지로 구현되는 경우, 제어부(130)는 패키지의 외면에 구비된 온도 센서를 통해 스위칭 모듈(120)의 온도를 식별할 수 있다.
이와 달리, 스위칭 모듈(120)의 온도는 스위칭 모듈(120) 내 스위칭 소자의 정션 온도(junction temperature)일 수 있다. 이 때, 제어부(130)는 온도 센서를 통해 측정된 온도를 이용하여 정션 온도를 추정하고, 추정된 온도를 스위칭 모듈(120)의 온도로 식별할 수 있다. 정션 온도의 추정 방법에는 당해 기술분야에서 이용되는 다양한 방법이 적용될 수 있다.
스위칭 모듈(120)의 온도가 식별되면, 제어부(130)는 스위칭 모듈(120)의 동작 주파수와 온도에 대응하는 전류 제한값을 식별할 수 있다. 보다 구체적으로, 유도가열장치(1)의 내부 메모리에는 동작 주파수 및 온도에 따른 전류 제한값이 서로 대응되도록 저장될 수 있고, 제어부(130)는 메모리를 참조하여 동작 주파수와 온도에 대응하는 전류 제한값을 식별할 수 있다.
예컨대, 메모리에는 하기 [표 1]과 같은 룩업테이블(Look Up Table; LUT)이 저장될 수 있다.
온도[oC] 동작 주파수[kHz] 전류 제한값[A]
120 36 116
120 38 114
120 40 112
120 42 110
120 44 108
제어부(130)는 메모리를 참조하여 스위칭 모듈(120)의 온도에 따른 동작 주파수별 전류 제한값을 식별할 수 있다. 보다 구체적으로, 제어부(130)는 스위칭 모듈(120)의 온도를 120도로 식별할 수 있다. 이 때, [표 1]에 도시된 바와 같이 메모리에는 120도의 온도에서 동작 주파수별 전류 제한값이 미리 저장될 수 있다.
제어부(130)는 스위칭 모듈(120)에 제공되는 제어 신호의 출력 주체이므로, 제어 신호의 주파수를 통해 스위칭 모듈(120)의 동작 주파수를 예컨대 40kHz로 식별할 수 있고, 40kHz의 동작 주파수에 대응하는 전류 제한값을 112A로 식별할 수 있다.
전류 제한값이 식별되면, 제어부(130)는 코일 전류(ic)의 크기가 전류 제한값을 초과하지 않도록 동작 주파수를 제어하면서, 동작 주파수가 앞서 검출된 가열코일(110)의 공진 주파수를 추종하도록 제어할 수 있다(S3).
먼저, 제어부(130)가 코일 전류(ic)의 크기와 전류 제한값의 비교 결과에 따라 동작 주파수를 제어하는 과정을 설명하도록 한다.
제어부(130)는 가열코일(110)에 연결된 전류 센서를 통해 코일 전류(ic)를 식별할 수 있다. 이어서, 제어부(130)는 코일 전류(ic)의 크기와 전류 제한값을 비교하고, 비교 코일 전류(ic)의 크기가 전류 제한값을 초과하면 동작 주파수를 증가시킴으로써, 스위칭 모듈(120)의 발열, 발열에 의한 열손실 및 소자 소손을 방지할 수 있다.
스위칭 모듈(120)의 동작 주파수가 증가하면 코일 전류(ic)의 크기는 감소할 수 있다. 코일 전류(ic)의 크기가 감소되면 제어부(130)는 감소된 코일 전류(ic)의 크기와 전류 제한값을 다시 비교할 수 있고, 여전히 코일 전류(ic)의 크기가 전류 제한값을 초과하는 경우 동작 주파수를 더 증가시킬 수 있다.
다시 말해, 제어부(130)는 동작 주파수를 단계적으로 증가시키면서 지속적으로 코일 전류(ic)의 크기와 전류 제한값을 비교하고, 코일 전류(ic)의 크기가 전류 제한값 이하가 될 때까지 동작 주파수를 단계적으로 증가시킬 수 있다.
다음으로, 제어부(130)가 동작 주파수와 공진 주파수의 비교 결과에 따라 동작 주파수를 제어하는 과정을 설명하도록 한다.
제어부(130)는 코일 전류(ic)의 크기가 전류 제한값을 초과하지 않을 때, 동작 주파수와 앞서 단계(S1)에서 검출된 가열코일(110)의 공진 주파수를 비교할 수 있다.
제어부(130)는 동작 주파수와 공진 주파수의 비교 결과에 따라, 동작 주파수가 공진 주파수를 추종하도록 동작 주파수를 증감할 수 있다.
다시 도 1을 참조하면, 유도가열장치(1)의 가열코일(110)은 공진점의 우측 영역에서 동작해야 할 필요가 있다. 이에 따라, 제어부(130)는 가열코일(110)의 동작점이 공진점의 우측 영역에 위치하도록 동작 주파수를 제어할 수 있다. 다시 말해, 제어부(130)는 가열코일(110)에 코일 전류(ic)를 출력하는 스위칭 모듈(120)의 동작 주파수가 가열코일(110)의 공진점, 즉 공진 주파수보다 높아지도록 제어할 수 있다.
이를 위해, 제어부(130)는 동작 주파수가 공진 주파수 미만이면 동작 주파수를 공진 주파수로 변경할 수 있다. 보다 구체적으로, 제어부(130)는 동작 주파수와 공진 주파수의 차이가 얼마인지에 관계없이 동작 주파수가 공진 주파수 미만이면 동작 주파수를 곧바로 공진 주파수로 변경할 수 있다.
이에 따라, 가열코일(110)의 동작점은 곧바로 공진점으로 이동할 수 있고, 후술될 제어부(130)의 동작 주파수 감소 제어 동작에 따라 가열코일(110)은 공진점의 우측 영역에서 동작할 수 있다.
한편, 제어부(130)는 동작 주파수가 공진 주파수를 초과하면 동작 주파수를 감소시킴으로써, 가열코일(110)의 동작점이 공진점에 근접하도록 할 수 있다. 동작 주파수가 감소되면 제어부(130)는 감소된 동작 주파수와 공진 주파수를 다시 비교할 수 있고, 여전히 동작 주파수가 공진 주파수를 초과하는 경우 동작 주파수를 더 감소시킬 수 있다.
다시 말해, 제어부(130)는 동작 주파수를 단계적으로 감소시키면서 지속적으로 동작 주파수와 공진 주파수를 비교하고, 동작 주파수가 지속적으로 공진 주파수를 추종하도록 할 수 있다.
한편, 이러한 동작 주파수 감소 제어는 코일 전류(ic)가 전류 제한값을 초과하지 않는 범위 내에서 수행될 수 있다. 즉, 제어부(130)가 동작 주파수를 감소시킴에 따라 코일 전류(ic)의 크기가 전류 제한값을 초과하는 경우, 제어부(130)는 다시 동작 주파수를 증가시킴으로써 코일 전류(ic)의 크기를 전류 제한값 이하로 유지할 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명은 가열코일(110)을 이용하여 용기(2)를 가열함에 있어서, 가열코일(110)에 흐르는 코일 전류(ic)의 크기를 제한함과 동시에, 가열코일(110)에 전류를 출력하는 스위칭 소자의 동작 주파수가 공진 주파수를 추종하도록 제어함으로써, 스위칭 소자의 전력 손실을 방지할 수 있을 뿐만 아니라 용기 가열의 효율성을 향상시킬 수 있다.
이하에서는 도 6을 참조하여, 용기 가열 방법의 일 예시를 시계열적으로 설명하도록 한다.
사용자는 유도가열장치(1)에 전원 ON시키고(S11) 가열코일(110) 상에 용기(2)를 거치할 수 있다. 제어부(130)는 압력 센서를 통해 용기(2)의 무게가 감지되는지 여부를 판단할 수 있고(S12), 용기(2)의 무게가 감지되는 경우 가열코일(110)의 공진 주파수를 검출할 수 있다(S21).
한편, 용기(2)의 무게가 감지되지 않는 경우, 제어부(130)는 무게 감지를 위해 미리 설정된 대기 시간이 경과되었는지를 판단하고(S13), 대기 시간이 경과되지 않은 경우 유도가열장치(1)의 전원을 ON 상태로 유지할 수 있다(S11). 반면에, 대기 기간이 경과된 경우 제어부(130)는 사용자에게 용기 가열의 의도가 없다고 판단하여 유도가열장치(1)의 전원을 OFF시킬 수 있다(S14).
단계(S21)에서 가열코일(110)의 공진 주파수가 검출된 후, 사용자가 유도가열장치(1)에 사용자 조작을 입력하면 제어부(130)는 사용자 조작에 따라 가열코일(110)에 코일 전류(ic)를 인가할 수 있다(S22).
이에 따라, 가열코일(110)과 연결된 스위칭 모듈(120)의 온도는 증가할 수 있고, 제어부(130)는 스위칭 모듈(120)에 구비된 온도 센서를 통해 스위칭 모듈(120)의 온도를 식별할 수 있다(S23). 이어서, 제어부(130)는 현재 스위칭 모듈(120)의 동작 주파수와 스위칭 모듈(120)의 온도에 대응하는 전류 제한값을 식별할 수 있다(S24).
전류 제한값이 식별되면, 제어부(130)는 현재 가열코일(110)에 흐르는 코일 전류(ic)의 크기와 전류 제한값을 비교하고(S31), 코일 전류(ic)가 전류 제한값을 초과하는 경우 동작 주파수를 증가시킴으로써(S32), 코일 전류(ic)의 크기를 낮출 수 있다.
한편, 코일 전류(ic)가 전류 제한값을 초과하지 않는 경우, 제어부(130)는 스위칭 모듈(120)의 동작 주파수와 가열코일(110)의 공진 주파수를 비교하고(S33), 동작 주파수가 공진 주파수 이하이면 동작 주파수를 증가시킴으로써(S32) 동작 주파수를 공진 주파수와 동일하게 제어할 수 있다.
반면에, 동작 주파수가 공진 주파수를 초과하면 제어부(130)는 동작 주파수를 감소시킬 수 있다(S34). 이러한 제어부(130)의 동작 주파수 감소 제어는 코일 전류(ic)의 크기가 제한 전류값을 초과하지 않는 범위 내에서 수행될 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.

Claims (11)

  1. 스위칭 모듈의 동작 주파수를 제어함으로써 가열코일에 코일 전류를 출력하여 상기 가열코일 상에 놓인 용기를 가열하는 방법에 있어서,
    용기 감지 모드에서 상기 가열코일의 공진 주파수를 검출하는 단계;
    용기 가열 모드에서 상기 스위칭 모듈의 동작 주파수와 상기 스위칭 모듈의 온도에 기초하여 전류 제한값을 식별하는 단계; 및
    상기 코일 전류의 크기가 상기 식별된 전류 제한값을 초과하지 않도록 상기 동작 주파수를 제어하면서, 상기 동작 주파수가 상기 검출된 공진 주파수를 추종하도록 제어하는 단계를 포함하는
    용기 가열 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 용기 감지 모드에서 상기 가열코일의 공진 주파수를 검출하는 단계는
    상기 가열코일에 코일 전류가 인가되지 않은 상태에서 상기 용기의 무게가 감지되면 상기 용기 감지 모드에 진입하여 상기 가열코일의 공진 주파수를 검출하는 단계를 포함하는
    용기 가열 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 용기 감지 모드에서 상기 가열코일의 공진 주파수를 검출하는 단계는
    상기 가열코일과 연결된 오실레이터(oscillator)의 출력 펄스에 기초하여 상기 가열코일의 공진 주파수를 검출하는 단계를 포함하는
    용기 가열 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 용기 가열 모드에서 상기 스위칭 모듈의 동작 주파수와 상기 스위칭 모듈의 온도에 기초하여 전류 제한값을 식별하는 단계는
    상기 가열코일에 코일 전류가 인가되면 상기 용기 가열 모드에 진입하여 상기 스위칭 모듈의 동작 주파수와 상기 스위칭 모듈의 온도에 기초하여 전류 제한값을 식별하는 단계를 포함하는
    용기 가열 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 용기 가열 모드에서 상기 스위칭 모듈의 동작 주파수와 상기 스위칭 모듈의 온도에 기초하여 전류 제한값을 식별하는 단계는
    메모리를 참조하여 상기 스위칭 모듈의 온도에 따른 동작 주파수별 전류 제한값을 식별하는 단계를 포함하는
    용기 가열 방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 스위칭 모듈의 온도는 상기 스위칭 모듈 내 스위칭 소자의 정션 온도(junction temperature)인
    용기 가열 방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 용기 가열 모드에서 상기 스위칭 모듈의 동작 주파수와 상기 스위칭 모듈의 온도에 기초하여 전류 제한값을 식별하는 단계는
    상기 스위칭 모듈에 구비된 온도 센서에서 측정된 온도를 이용하여 상기 스위칭 소자의 정션 온도를 추정하고, 상기 추정된 정션 온도와 상기 동작 주파수에 기초하여 전류 제한값을 식별하는 단계를 포함하는
    용기 가열 방법.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 코일 전류의 크기가 상기 식별된 전류 제한값을 초과하지 않도록 상기 동작 주파수를 제어하는 단계는
    상기 코일 전류의 크기가 상기 전류 제한값을 초과하면 상기 동작 주파수를 단계적으로 증가시키는 단계를 포함하는
    용기 가열 방법.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 동작 주파수가 상기 검출된 공진 주파수를 추종하도록 제어하는 단계는
    상기 코일 전류의 크기가 상기 전류 제한값을 초과하지 않으면 상기 동작 주파수와 상기 검출된 공진 주파수를 비교하는 단계; 및
    상기 비교 결과에 따라 상기 동작 주파수가 상기 공진 주파수를 추종하도록 상기 동작 주파수를 증감하는 단계를 포함하는
    용기 가열 방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 비교 결과에 따라 상기 동작 주파수가 상기 공진 주파수를 추종하도록 상기 동작 주파수를 증감하는 단계는
    상기 동작 주파수가 상기 공진 주파수 미만이면 상기 동작 주파수를 상기 공진 주파수로 변경하는 단계를 포함하는
    용기 가열 방법.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 비교 결과에 따라 상기 동작 주파수가 상기 공진 주파수를 추종하도록 상기 동작 주파수를 증감하는 단계는
    상기 동작 주파수가 상기 공진 주파수를 초과하면 상기 동작 주파수를 단계적으로 감소시키는 단계를 포함하는
    용기 가열 방법.
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