KR20210135852A - 유도 가열 장치 및 유도 가열 장치의 제어 방법 - Google Patents

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정시훈
강계룡
한진욱
박화평
정지훈
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엘지전자 주식회사
울산과학기술원
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Abstract

본 발명은 유도 가열 장치 및 유도 가열 장치의 제어 방법에 관한 것이다. 본 발명의 일 실시예에 따른 유도 가열 장치는 용기의 특성에 따라서 동작 모드를 결정한다. 본 발명의 일 실시예에서, 유도 가열 장치의 동작 모드는 주파수 2배(Frequency Doubler) 모드, 하프 브릿지 모드, 풀 브릿지 모드 중 어느 하나로 결정될 수 있다. 또한 본 발명의 일 실시예에서, 유도 가열 장치의 전력 제어 모드는 비대칭 펄스 폭 변조(Asymmetric Pulse Width Modulation, APWM) 모드 및 위상 변이(Phase Shift) 모드 중 어느 하나로 결정된다.

Description

유도 가열 장치 및 유도 가열 장치의 제어 방법{INDUCTION HEATING APPARATUS AND METHOD FOR CONTROLLING INDUCTION HEATING APPARATUS}
본 발명은 유도 가열 장치 및 유도 가열 장치의 제어 방법에 관한 것이다.
유도 가열 장치는 워킹 코일 주변에 발생하는 자계를 이용하여 금속 재질의 용기에 와전류(eddy current)를 발생시킴으로써 용기를 가열하는 장치이다. 유도 가열 장치가 구동되면 고주파 전류가 워킹 코일에 인가된다. 이에 따라 유도 가열 장치 내부에 배치되는 워킹 코일 주변에는 유도 자계가 발생한다. 이와 같이 발생한 유도 자계의 자력선이 워킹 코일의 상부에 놓인 금속 성분을 포함한 용기의 바닥을 통과하면, 용기 바닥의 내부에 와전류가 발생한다. 이렇게 발생한 와전류가 용기에 흐르면 용기 자체가 가열된다.
도 1은 종래 기술에 따른 유도 가열 장치의 회로 구성을 개략적으로 나타낸다. 또한 도 2는 도 1에 도시된 유도 가열 장치의 워킹 코일의 공진 특성 곡선을 나타내는 그래프이다.
도 1을 참조하면, 종래 기술에 따른 유도 가열 장치(3)는 정류 회로(32), 평활화 회로(L1, C1), 인버터 회로(34), 워킹 코일(36)을 포함한다.
정류 회로(32)는 다수의 다이오드 소자(D1, D2, D3, D4)를 포함한다. 정류 회로(32)는 전원 장치(30)로부터 공급되는 교류 입력 전압을 정류하여 맥동 파형을 갖는 전압을 출력한다.
평활화 회로(L1, C1)는 정류 회로(32)에 의해서 정류된 전압을 평활화하여 직류 링크 전압을 출력한다. 평활화 회로(L1, C1)는 인덕터(L1) 및 직류 링크 캐패시터(C1)를 포함한다.
인버터 회로(34)는 제1 스위칭 소자(SW1), 제2 스위칭 소자(SW2), 제1 캐패시터(C2), 제2 캐패시터(C3)를 포함한다. 제1 스위칭 소자(SW1) 및 제2 스위칭 소자(SW2)는 각각 제1 스위칭 신호(S1) 및 제2 스위칭 신호(S2)에 의해서 서로 상보적으로 턴 온 및 턴 오프된다. 제1 스위칭 소자(SW1) 및 제2 스위칭 소자(SW2)의 상보적인 턴 온 및 턴 오프 동작에 의해서, 평활화 회로(L1, C1)로부터 출력되는 직류 링크 전압이 워킹 코일(132)의 구동을 위한 교류 전압으로 변환된다.
인버터 회로(34)가 워킹 코일(36)에 교류 전압(또는 교류 전류)을 공급하면 워킹 코일(36)의 공진 현상이 발생한다. 도 2에는 워킹 코일(36)의 구동 주파수에 따른 출력 전력값의 변화를 나타내는 공진 특성 곡선이 도시되어 있다.
도 2에 도시된 바와 같이, 워킹 코일(36)은 공진점, 즉 공진 주파수(fr)를 중심으로 출력 전력값이 점차 낮아지는 특성을 갖는다. 도 2에 도시된 공진 특성 곡선에서 공진 주파수(fr)보다 낮은 주파수 영역에서는 인버터 회로(34)에 포함된 스위칭 소자들의 하드 스위칭 동작이 발생하므로 전력 변환 효율이 낮다. 따라서 워킹 코일(36)의 구동 주파수는 공진 주파수(fr)보다 높은 주파수 값으로 설정된다.
유도 가열 장치의 가열 영역에 용기가 놓인 상태에서 사용자가 가열 영역에 대한 파워 레벨을 설정하면, 가열 영역과 대응되는 위치에 배치된 워킹 코일(36)에 대한 요구 전력값 및 구동 주파수가 설정된다. 예를 들어 가열 영역의 파워 레벨이 8로 설정되면 워킹 코일(36)의 요구 전력값은 P1으로 설정되고, 워킹 코일(36)의 구동 주파수는 f1으로 설정된다. 다른 예로, 가열 영역의 파워 레벨이 2로 설정되면 워킹 코일(36)의 요구 전력값은 500W로 설정되고, 워킹 코일(36)의 구동 주파수는 60kHz로 설정된다. 즉, 가열 영역의 파워 레벨이 높게 설정될수록 워킹 코일(36)의 요구 전력값은 높게 설정되는 반면에 워킹 코일(36)의 구동 주파수는 낮게 설정된다.
그런데 유도 가열 장치에 사용되는 용기의 재질, 투자율, 비저항과 같은 특성에 따라서 워킹 코일(36)의 공진 주파수(fr) 및 공진 특성이 달라지게 된다. 그러나 종래 기술에 따른 유도 가열 장치는 주로 전력 변환 효율이 좋은 자성 용기의 공진 특성을 반영하여 설계된다. 따라서 종래 기술에 따른 유도 가열 장치로 전력 변환 효율이 좋지 않은 용기(예컨대, 비자성 용기)를 가열할 경우 워킹 코일이 충분한 전력을 출력하지 못하거나, 워킹 코일의 구동 주파수가 지나치게 높게 설정되어 인버터 회로에 포함된 스위칭 소자의 온도가 높아지고 스위칭 소자가 소손될 수 있다. 이처럼 종래 기술에 따른 유도 가열 장치는 서로 다른 특성을 갖는 다양한 종류의 용기를 가열할 수 없는 문제가 있다.
또한 종래 기술에 따른 유도 가열 장치는 도 2에 도시된 바와 같이 워킹 코일의 구동 주파수를 변경하는 펄스 주파수 변조(Pulse Frequency Modulation, PFM) 방식을 사용하여 워킹 코일의 출력 전력값을 조절한다. 펄스 주파수 변조 방식에 따르면 워킹 코일의 요구 전력값이 낮아질수록 워킹 코일의 구동 주파수가 높게 설정된다. 그러나 워킹 코일의 구동 주파수가 높게 설정될수록 인버터 회로에 포함된 스위칭 소자의 빠른 스위칭 동작으로 인하여 전력 손실이 커져 전력 변환 효율이 낮아지고, 스위칭 소자의 발열 및 소손 가능성이 높아지는 문제가 있다.
본 발명의 목적은 서로 다른 특성을 갖는 다양한 종류의 용기를 가열할 수 있는 유도 가열 장치 및 유도 가열 장치의 제어 방법을 제공하는 것이다.
또한 본 발명의 목적은 워킹 코일의 요구 전력값의 크기와 관계없이 높은 전력 변환 효율을 갖는 유도 가열 장치 및 유도 가열 장치의 제어 방법을 제공하는 것이다.
또한 본 발명의 목적은 워킹 코일의 요구 전력값이 낮게 설정되더라도 스위칭 소자의 발열 및 소손 가능성을 줄일 수 있는 유도 가열 장치 및 유도 가열 장치의 제어 방법을 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 특허 청구 범위에 나타낸 수단 및 그 조합에 의해 실현될 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 유도 가열 장치는 용기에 대한 가열 동작을 수행하기 전에 용기의 특성을 확인하고 용기의 특성에 따라서 동작 모드를 결정한다. 본 발명의 일 실시예에서, 유도 가열 장치의 동작 모드는 주파수 2배(Frequency Doubler) 모드, 하프 브릿지 모드, 풀 브릿지 모드 중 어느 하나로 결정될 수 있다.
주파수 2배 모드에서 워킹 코일에 입력되는 공진 전류의 주파수는 인버터 회로에 입력되는 스위칭 신호의 주파수의 2배로 설정된다. 이에 따라서 워킹 코일의 공진 주파수 및 구동 주파수 대역이 높아진다. 이처럼 워킹 코일의 공진 주파수 및 구동 주파수 대역이 높아지더라도 워킹 코일에 입력되는 입력 전압의 크기가 작아지지 않으므로 워킹 코일의 출력 가능한 전력값의 크기가 높게 유지된다.
또한 하프 브릿지 모드나 풀 브릿지 모드에서 워킹 코일에 입력되는 공진 전류의 주파수는 인버터 회로에 입력되는 스위칭 신호의 주파수의 1배로 설정된다. 하프 브릿지 모드나 풀 브릿지 모드에서 워킹 코일의 공진 주파수 및 구동 주파수 대역은 주파수 2배 모드보다 낮아진다.
즉, 본 발명의 일 실시예에 따르면 용기의 특성에 따라서 워킹 코일의 공진 주파수 및 구동 주파수 대역이 각각 다르게 설정될 수 있다. 따라서 본 발명의 일 실시예에 따른 유도 가열 장치는 서로 다른 특성을 갖는 다양한 종류의 용기를 가열할 수 있다.
또한 본 발명의 일 실시예에서는 유도 가열 장치의 동작 모드에 따라서 유도 가열 장치의 전력 제어 모드가 결정된다. 본 발명의 일 실시예에서, 유도 가열 장치의 전력 제어 모드는 비대칭 펄스 폭 변조(Asymmetric Pulse Width Modulation, APWM) 모드 및 위상 변이(Phase Shift) 모드 중 어느 하나로 결정된다.
비대칭 펄스 폭 변조 모드에서, 유도 가열 장치는 인버터 회로에 입력되는 스위칭 신호의 펄스 폭(또는 스위칭 신호의 듀티비)을 조절함으로써 워킹 코일의 출력 전력값을 조절한다.
위상 변이 모드에서, 유도 가열 장치는 인버터 회로에 입력되는 스위칭 신호들 간의 위상차를 조절함으로써 워킹 코일의 출력 전력값을 조절한다.
비대칭 펄스 폭 변조 모드 또는 위상 변이 모드에 따라서 워킹 코일의 출력 전력값이 조절될 때, 워킹 코일의 구동 주파수는 변경되지 않는다. 전술한 바와 같이, 워킹 코일의 구동 주파수가 높아질수록 스위칭 소자의 전력 손실 증가로 인한 전력 변환 효율의 저하가 발생하고 스위칭 소자의 발열 및 소손 가능성이 높아진다. 그러나 본 발명의 일 실시예에 따르면 워킹 코일의 구동 주파수를 변경하지 않고도 워킹 코일의 실제 출력값이 조절되므로 전술한 문제점이 해결될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 유도 가열 장치의 제어 방법은, 워킹 코일의 구동 주파수를 미리 정해진 제1 기준 주파수로 설정한 상태에서 상기 워킹 코일의 상부에 배치된 용기의 저항값에 기초하여 유도 가열 장치의 동작 모드를 결정하는 단계, 상기 유도 가열 장치의 동작 모드에 대응되는 상기 유도 가열 장치의 전력 제어 모드를 결정하는 단계, 상기 워킹 코일의 구동 주파수를 미리 정해진 제2 기준 주파수로 설정한 상태에서 워킹 코일을 구동시키는 단계 및 상기 유도 가열 장치의 전력 제어 모드에 기초하여 상기 워킹 코일의 출력 전력값을 상기 워킹 코일의 요구 전력값과 일치하도록 조절하는 단계를 포함하고, 상기 유도 가열 장치의 전력 제어 모드는 비대칭 펄스 폭 변조 모드 및 위상 변이 모드 중 어느 하나로 결정된다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 워킹 코일의 상부에 배치된 용기의 저항값에 기초하여 유도 가열 장치의 동작 모드를 결정하는 단계는 상기 제1 기준 주파수가 상기 워킹 코일의 최소 주파수의 2배로 설정된 상태에서 상기 용기의 저항값이 미리 정해진 제1 기준 저항값보다 작으면 상기 유도 가열 장치의 동작 모드를 주파수 2배 모드로 결정하는 단계를 포함한다.
또한 본 발명의 일 실시예에서, 상기 워킹 코일의 상부에 배치된 용기의 저항값에 기초하여 유도 가열 장치의 동작 모드를 결정하는 단계는 상기 제1 기준 주파수가 상기 워킹 코일의 최소 주파수로 설정된 상태에서 상기 용기의 저항값이 미리 정해진 제2 기준 저항값보다 작으면 상기 유도 가열 장치의 동작 모드를 하프 브릿지 모드로 결정하는 단계를 포함한다.
또한 본 발명의 일 실시예에서, 상기 워킹 코일의 상부에 배치된 용기의 저항값에 기초하여 유도 가열 장치의 동작 모드를 결정하는 단계는 상기 제1 기준 주파수가 상기 워킹 코일의 최소 주파수로 설정된 상태에서 상기 용기의 저항값이 미리 정해진 제2 기준 저항값보다 작지 않으면 상기 유도 가열 장치의 동작 모드를 풀 브릿지 모드로 결정하는 단계를 포함한다.
또한 본 발명의 일 실시예에 따른 유도 가열 장치의 제어 방법은, 상기 제1 기준 주파수가 상기 워킹 코일의 최소 주파수로 설정된 상태에서 상기 용기의 저항값이 미리 정해진 제3 기준 저항값보다 작지 않으면 상기 워킹 코일의 전력값을 미리 정해진 제한 전력값 이하로 제한하는 단계를 더 포함한다.
또한 본 발명의 일 실시예에서, 상기 유도 가열 장치의 동작 모드에 대응되는 상기 유도 가열 장치의 전력 제어 모드를 결정하는 단계는 상기 유도 가열 장치의 동작 모드가 주파수 2배 모드 및 하프 브릿지 모드 중 어느 하나이면 상기 유도 가열 장치의 전력 제어 모드를 상기 비대칭 펄스 폭 변조 모드로 결정하는 단계를 포함한다.
또한 본 발명의 일 실시예에서, 상기 유도 가열 장치의 동작 모드에 대응되는 상기 유도 가열 장치의 전력 제어 모드를 결정하는 단계는 상기 유도 가열 장치의 동작 모드가 풀 브릿지 모드이면 상기 유도 가열 장치의 전력 제어 모드를 상기 비대칭 펄스 폭 변조 모드 및 상기 위상 변이 모드 중 어느 하나로 결정하는 단계를 포함한다.
또한 본 발명의 일 실시예에서, 상기 제2 기준 주파수는 상기 워킹 코일의 최소 주파수로 설정된다.
또한 본 발명의 일 실시예에서, 상기 유도 가열 장치의 전력 제어 모드가 상기 비대칭 펄스 폭 변조 모드이면 인버터 회로에 입력되는 상보적인 스위칭 신호들의 듀티비가 비대칭적으로 설정된다.
또한 본 발명의 일 실시예에서, 상기 유도 가열 장치의 전력 제어 모드에 기초하여 상기 워킹 코일의 출력 전력값을 상기 워킹 코일의 요구 전력값과 일치하도록 조절하는 단계는 상기 유도 가열 장치의 전력 제어 모드가 상기 비대칭 펄스 폭 변조 모드이면 인버터 회로에 입력되는 스위칭 신호의 듀티비를 조절하여 상기 워킹 코일의 출력 전력값을 조절하는 단계를 포함한다.
또한 본 발명의 일 실시예에서, 상기 유도 가열 장치의 전력 제어 모드가 상기 위상 변이 모드이면 인버터 회로에 입력되는 서로 대응되는 스위칭 신호들이 위상차를 갖도록 설정된다.
또한 본 발명의 일 실시예에서, 상기 유도 가열 장치의 전력 제어 모드에 기초하여 상기 워킹 코일의 출력 전력값을 상기 워킹 코일의 요구 전력값과 일치하도록 조절하는 단계는 상기 유도 가열 장치의 전력 제어 모드가 상기 위상 변이 모드이면 인버터 회로에 입력되는 서로 대응되는 스위칭 신호들 간의 위상차를 조절하여 상기 워킹 코일의 출력 전력값을 조절하는 단계를 포함한다.
또한 본 발명의 일 실시예에 따른 유도 가열 장치는, 워킹 코일, 다수의 스위칭 소자를 포함하며 상기 워킹 코일에 전류를 공급하는 인버터 회로 및 상기 워킹 코일의 구동 주파수를 미리 정해진 제1 기준 주파수로 설정하고, 상기 워킹 코일의 상부에 배치된 용기의 저항값에 기초하여 유도 가열 장치의 동작 모드를 결정하고, 상기 유도 가열 장치의 동작 모드에 대응되는 상기 유도 가열 장치의 전력 제어 모드를 결정하고, 상기 워킹 코일의 구동 주파수를 미리 정해진 제2 기준 주파수로 설정한 상태에서 워킹 코일을 구동시키고, 상기 유도 가열 장치의 전력 제어 모드에 기초하여 상기 워킹 코일의 출력 전력값을 상기 워킹 코일의 요구 전력값과 일치하도록 조절하는 제어기를 포함하고, 상기 유도 가열 장치의 전력 제어 모드는 비대칭 펄스 폭 변조 모드 및 위상 변이 모드 중 어느 하나로 결정된다.
또한 본 발명의 일 실시예에서, 상기 제어기는 상기 제1 기준 주파수가 상기 워킹 코일의 최소 주파수의 2배로 설정된 상태에서 상기 용기의 저항값이 미리 정해진 제1 기준 저항값보다 작으면 상기 유도 가열 장치의 동작 모드를 주파수 2배 모드로 결정한다.
또한 본 발명의 일 실시예에서, 상기 제어기는 상기 제1 기준 주파수가 상기 워킹 코일의 최소 주파수로 설정된 상태에서 상기 용기의 저항값이 미리 정해진 제2 기준 저항값보다 작으면 상기 유도 가열 장치의 동작 모드를 하프 브릿지 모드로 결정한다.
또한 본 발명의 일 실시예에서, 상기 제어기는 상기 제1 기준 주파수가 상기 워킹 코일의 최소 주파수로 설정된 상태에서 상기 용기의 저항값이 미리 정해진 제2 기준 저항값보다 작지 않으면 상기 유도 가열 장치의 동작 모드를 풀 브릿지 모드로 결정한다.
또한 본 발명의 일 실시예에서, 상기 제어기는 상기 제1 기준 주파수가 상기 워킹 코일의 최소 주파수로 설정된 상태에서 상기 용기의 저항값이 미리 정해진 제3 기준 저항값보다 작지 않으면 상기 워킹 코일의 전력값을 미리 정해진 제한 전력값 이하로 제한한다.
또한 본 발명의 일 실시예에서, 상기 제어기는 상기 유도 가열 장치의 동작 모드가 주파수 2배 모드 및 하프 브릿지 모드 중 어느 하나이면 상기 유도 가열 장치의 전력 제어 모드를 상기 비대칭 펄스 폭 변조 모드로 결정한다.
또한 본 발명의 일 실시예에서, 상기 제어기는 상기 유도 가열 장치의 동작 모드가 풀 브릿지 모드이면 상기 유도 가열 장치의 전력 제어 모드를 상기 비대칭 펄스 폭 변조 모드 및 상기 위상 변이 모드 중 어느 하나로 결정한다.
또한 본 발명의 일 실시예에서, 상기 제2 기준 주파수는 상기 워킹 코일의 최소 주파수로 설정된다.
또한 본 발명의 일 실시예에서, 상기 유도 가열 장치의 전력 제어 모드가 상기 비대칭 펄스 폭 변조 모드이면 인버터 회로에 입력되는 상보적인 스위칭 신호들의 듀티비가 비대칭적으로 설정된다.
또한 본 발명의 일 실시예에서, 상기 제어기는 상기 유도 가열 장치의 전력 제어 모드가 상기 비대칭 펄스 폭 변조 모드이면 인버터 회로에 입력되는 스위칭 신호의 듀티비를 조절하여 상기 워킹 코일의 출력 전력값을 조절한다.
또한 본 발명의 일 실시예에서, 상기 유도 가열 장치의 전력 제어 모드가 상기 위상 변이 모드이면 인버터 회로에 입력되는 서로 대응되는 스위칭 신호들이 위상차를 갖도록 설정된다.
또한 본 발명의 일 실시예에서, 상기 제어기는 상기 유도 가열 장치의 전력 제어 모드가 상기 위상 변이 모드이면 인버터 회로에 입력되는 서로 대응되는 스위칭 신호들 간의 위상차를 조절하여 상기 워킹 코일의 출력 전력값을 조절한다.
본 발명에 따른 유도 가열 장치를 사용하면 서로 다른 특성을 갖는 다양한 종류의 용기를 가열할 수 있다.
또한 본 발명에 따른 유도 가열 장치는 워킹 코일의 요구 전력값의 크기와 관계없이 높은 전력 변환 효율을 갖는다.
또한 본 발명에 따른 유도 가열 장치를 사용하면 워킹 코일의 요구 전력값이 낮게 설정되더라도 스위칭 소자의 발열 및 소손 가능성을 줄일 수 있다.
도 1은 종래 기술에 따른 유도 가열 장치의 회로 구성을 개략적으로 나타낸다.
도 2는 도 1에 도시된 유도 가열 장치의 워킹 코일의 공진 특성 곡선을 나타내는 그래프이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 유도 가열 장치의 분해 사시도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 유도 가열 장치의 회로 구성도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에서 유도 가열 장치의 동작 모드가 주파수 2배 모드일 때 스위칭 신호, 입력 전압, 공진 전류의 파형을 각각 나타낸다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에서 유도 가열 장치의 동작 모드가 주파수 2배 모드이고 유도 가열 장치의 전력 제어 모드가 비대칭 펄스 폭 변조 모드일 때 스위칭 신호, 입력 전압, 공진 전류의 파형을 각각 나타낸다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에서 유도 가열 장치의 동작 모드가 주파수 2배 모드일 때 워킹 코일의 공진 특성 곡선을 나타내는 그래프이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에서 유도 가열 장치의 동작 모드가 주파수 2배 모드인 상태에서 유도 가열 장치의 전력 제어 모드가 펄스 주파수 변조 모드로 설정될 때와 유도 가열 장치의 전력 제어 모드가 비대칭 펄스 폭 변조 모드로 설정될 때 유도 가열 장치의 전력 변환 효율을 각각 나타내는 그래프이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에서 유도 가열 장치의 동작 모드가 하프 브릿지 모드일 때 스위칭 신호, 입력 전압, 공진 전류의 파형을 각각 나타낸다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에서 유도 가열 장치의 동작 모드가 하프 브릿지 모드이고 유도 가열 장치의 전력 제어 모드가 비대칭 펄스 폭 변조 모드일 때 스위칭 신호, 입력 전압, 공진 전류의 파형을 각각 나타낸다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에서 유도 가열 장치의 동작 모드가 하프 브릿지 모드일 때 워킹 코일의 공진 특성 곡선을 나타내는 그래프이다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에서 유도 가열 장치의 동작 모드가 하프 브릿지 모드인 상태에서 유도 가열 장치의 전력 제어 모드가 펄스 주파수 변조 모드로 설정될 때와 유도 가열 장치의 전력 제어 모드가 비대칭 펄스 폭 변조 모드로 설정될 때 유도 가열 장치의 전력 변환 효율을 각각 나타내는 그래프이다.
도 13은 본 발명의 일 실시예에서 유도 가열 장치의 동작 모드가 풀 브릿지 모드일 때 스위칭 신호, 입력 전압, 공진 전류의 파형을 각각 나타낸다.
도 14는 본 발명의 일 실시예에서 유도 가열 장치의 동작 모드가 풀 브릿지 모드이고 유도 가열 장치의 전력 제어 모드가 비대칭 펄스 폭 변조 모드일 때 스위칭 신호, 입력 전압, 공진 전류의 파형을 각각 나타낸다.
도 15는 본 발명의 일 실시예에서 유도 가열 장치의 동작 모드가 풀 브릿지 모드이고 유도 가열 장치의 전력 제어 모드가 위상 변이 모드일 때 스위칭 신호, 입력 전압, 공진 전류의 파형을 각각 나타낸다.
도 16은 본 발명의 일 실시예에서 유도 가열 장치의 동작 모드가 풀 브릿지 모드일 때 워킹 코일의 공진 특성 곡선을 나타내는 그래프이다.
도 17은 본 발명의 일 실시예에서 유도 가열 장치의 동작 모드가 풀 브릿지 모드인 상태에서 유도 가열 장치의 전력 제어 모드가 펄스 주파수 변조 모드로 설정될 때, 유도 가열 장치의 전력 제어 모드가 비대칭 펄스 폭 변조 모드로 설정될 때, 유도 가열 장치의 전력 제어 모드가 위상 변이 모드로 설정될 때 유도 가열 장치의 전력 변환 효율을 각각 나타내는 그래프이다.
도 18은 본 발명의 일 실시예에 따른 유도 가열 장치의 제어 방법을 나타내는 흐름도이다.
도 19는 본 발명의 일 실시예에서 제어기가 유도 가열 장치의 동작 모드를 결정하는 방법을 나타내는 흐름도이다.
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.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 유도 가열 장치의 분해 사시도이다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 유도 가열 장치(10)는 본체를 구성하는 케이스(102) 및 케이스(102)와 결합되어 케이스(102)를 밀폐하는 커버 플레이트(104)를 포함한다.
커버 플레이트(104)는 케이스(102)의 상면과 결합하여 케이스(102) 내부에 형성되는 공간을 외부로부터 밀폐한다. 커버 플레이트(104)는 음식물의 조리를 위한 용기가 놓일 수 있는 상판부(106)를 포함한다. 본 발명의 일 실시예에서, 상판부(106)는 세라믹 글래스와 같은 강화 유리 재질로 이루어질 수 있으나 상판부(106)의 재질은 실시예에 따라 달라질 수 있다.
상판부(106)에는 워킹 코일 어셈블리(122, 124)와 각각 대응되는 가열 영역(12, 14)이 형성된다. 사용자가 가열 영역(12, 14)의 위치를 명확하게 인식할 수 있게 하기 위하여, 가열 영역(12, 14)에 대응되는 선이나 도형이 상판부(106) 상에 인쇄 또는 표시될 수 있다.
케이스(102)는 상부가 개방된 육면체 형상을 가질 수 있다. 케이스(102) 내부에 형성되는 공간에는 용기를 가열하기 위한 워킹 코일 어셈블리(122, 124)가 배치된다. 또한 케이스(102) 내부에는 사용자로 하여금 전원을 인가하게 하거나 각 가열 영역(12, 14)의 파워 레벨을 조절하게 하는 기능과, 유도 가열 장치(10)와 관련된 정보를 표시하는 기능을 갖는 인터페이스부(114)가 구비된다. 인터페이스부(114)는 터치에 의한 정보 입력 및 정보 표시가 모두 가능한 터치 패널로 이루어질 수 있으나, 실시예에 따라서 다른 구조를 갖는 인터페이스부(114)가 사용될 수도 있다.
또한 상판부(106)에는 인터페이스부(114)와 대응되는 위치에 배치되는 조작 영역(118)이 구비된다. 사용자의 조작을 위하여, 조작 영역(118)에는 문자나 이미지 등이 미리 인쇄될 수 있다. 사용자는 조작 영역(118)에 미리 인쇄된 문자나 이미지를 참고하여 조작 영역(118)의 특정 지점을 터치함으로써 원하는 조작을 수행할 수 있다. 또한 인터페이스부(114)에 의해서 출력되는 정보는 조작 영역(118)을 통해서 표시될 수 있다.
사용자는 인터페이스부(114)를 통해서 각각의 가열 영역(12, 14)의 파워 레벨을 설정할 수 있다. 파워 레벨은 조작 영역(118) 상에 숫자(예컨대, 1, 2, 3, ..., 9)로 표시될 수 있다. 각각의 가열 영역(12, 14)에 대한 파워 레벨이 설정되면 각각의 가열 영역(12, 14)과 대응되는 워킹 코일의 요구 전력값 및 구동 주파수가 결정된다. 제어기는 결정된 구동 주파수에 기초하여 각각의 워킹 코일의 출력 전력값이 사용자에 의하여 설정된 요구 전력값과 일치하도록 각각의 워킹 코일을 구동시킨다.
또한 케이스(102) 내부에 형성되는 공간에는 워킹 코일 어셈블리(122, 124)나 인터페이스부(114)에 전력을 공급하기 위한 전원부(112)가 배치된다.
참고로 도 3의 실시예에서는 케이스(102) 내부에 배치된 두 개의 워킹 코일 어셈블리, 즉 제1 워킹 코일 어셈블리(122) 및 제2 워킹 코일 어셈블리(124)가 예시적으로 도시되어 있으나, 실시예에 따라서는 케이스(102) 내부에 세 개 이상의 워킹 코일 어셈블리가 배치될 수도 있다.
워킹 코일 어셈블리(122, 124)는 전원부(112)에 의해 공급되는 고주파 교류 전류를 이용하여 유도 자계를 형성하는 워킹 코일 및 용기에 의해 발생하는 열로부터 코일을 보호하기 위한 단열 시트를 포함한다. 예를 들어 도 3에서 제1 워킹 코일 어셈블리(122)는 제1 가열 영역(12)에 놓여지는 용기를 가열하기 위한 제1 워킹 코일(132) 및 제1 단열 시트(130)를 포함한다. 또한 도시되지는 않았으나, 제2 워킹 코일 어셈블리(124)는 제2 워킹 코일 및 제2 단열 시트를 포함한다. 실시예에 따라서는 단열 시트가 배치되지 않을 수도 있다.
또한 각각의 워킹 코일의 중심부에는 온도 센서가 배치된다. 예를 들어 도 3에서 제1 워킹 코일(134)의 중심부에는 온도 센서(134)가 배치된다. 온도 센서는 각각의 가열 영역에 놓여진 용기의 온도를 측정한다. 본 발명의 일 실시예에서, 온도 센서는 용기의 온도에 따라서 저항값이 변화하는 가변 저항을 갖는 서미스터 온도 센서일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 일 실시예에서 온도 센서는 용기의 온도에 대응되는 센싱 전압을 출력하며, 온도 센서로부터 출력되는 센싱 전압은 제어기에 전달된다. 제어기는 온도 센서로부터 출력되는 센싱 전압의 크기에 기초하여 용기의 온도를 확인하고, 용기의 온도가 미리 정해진 기준값 이상이면 워킹 코일의 출력 전력값을 낮추거나 워킹 코일의 구동을 중단시키는 과열 보호 동작을 수행한다.
또한 도 3에는 도시되지 않았으나 케이스(102) 내부에 형성되는 공간에는 제어기를 포함한 다수의 회로 또는 소자가 실장되는 기판이 배치될 수 있다. 제어기는 인터페이스부(114)를 통해서 입력되는 사용자의 가열 시작 명령에 따라서 각각의 워킹 코일을 구동시켜 가열 동작을 수행할 수 있다. 사용자가 인터페이스부(114)를 통해서 가열 종료 명령을 입력하면 제어기는 워킹 코일의 구동을 중단시켜 가열 동작을 종료시킨다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 유도 가열 장치의 회로 구성도이다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 유도 가열 장치(10)는 정류 회로(202), 평활화 회로(L1, C1), 인버터 회로(204), 워킹 코일(132), 구동 회로(22), 제어기(2)를 포함한다.
정류 회로(202)는 다수의 다이오드 소자(D1, D2, D3, D4)를 포함한다. 도 4에 도시된 바와 같이 정류 회로(202)는 브릿지 다이오드 회로일 수 있으며, 실시예에 따라 다른 회로일 수 있다. 정류 회로(202)는 전원 장치(20)로부터 공급되는 교류 입력 전압을 정류하여 맥동 파형을 갖는 전압을 출력한다.
평활화 회로(L1, C1)는 정류 회로(32)에 의해서 정류된 전압을 평활화하여 직류 링크 전압을 출력한다. 평활화 회로(L1, C1)는 제1 인덕터(L1) 및 직류 링크 캐패시터(C1)를 포함한다.
인버터 회로(204)는 제1 스위칭 소자(SW1), 제2 스위칭 소자(SW2), 제3 스위칭 소자(SW3), 제4 스위칭 소자(SW4), 제2 인덕터(L2), 다수의 캐패시터를 포함하는 가변 캐패시터부(C2, C3, C4), 릴레이부(206)를 포함한다.
도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 유도 가열 장치(10)의 인버터 회로(204)는 4개의 스위칭 소자(SW1, SW2, SW3, SW4)를 포함하는 풀 브릿지 회로로 구성된다. 인버터 회로(204)는 후술하는 제어기(2)의 제어에 의해서 풀 브릿지 회로 또는 하프 브릿지 회로로 변환될 수 있다.
제1 스위칭 소자(SW1), 제2 스위칭 소자(SW2), 제3 스위칭 소자(SW3), 제4 스위칭 소자(SW4)는 각각 구동 회로(22)로부터 출력되는 제1 스위칭 신호(S1), 제2 스위칭 신호(S2), 제3 스위칭 신호(S3), 제4 스위칭 신호(S4)에 의해서 턴 온 및 턴 오프된다. 각각의 스위칭 소자((SW1, SW2, SW3, SW4)는 각각의 스위칭 신호(S1, S2, S3, S4)가 하이 레벨일 때 턴 온되고, 각각의 스위칭 신호(S1, S2, S3, S4)가 로우 레벨일 때 턴 오프된다.
도 4에는 각각의 스위칭 소자(SW1, SW2, SW3, SW4)가 IGBT 소자인 실시예가 도시되어 있으나, 각각의 스위칭 소자(SW1, SW2, SW3, SW4)는 실시예에 따라서 다른 타입의 스위칭 소자(예컨대, BJT 또는 FET 등)일 수도 있다.
각각의 스위칭 소자(SW1, SW2, SW3, SW4) 중 임의의 스위칭 소자들은 서로 상보적으로 턴 온 및 턴 오프될 수 있다. 예를 들어 임의의 동작 모드에서, 제1 스위칭 소자(SW1)가 턴 온(턴 오프) 되는 동안 제2 스위칭 소자(SW2)는 턴 오프(턴 온)될 수 있다. 본 명세서에는 서로 상보적으로 턴 온 및 턴 오프되는 스위칭 소자들이 '서로 상보적인' 스위칭 소자들로 지칭된다.
또한 각각의 스위칭 소자(SW1, SW2, SW3, SW4) 중 임의의 스위칭 소자들은 서로 동일하게 턴 온 및 턴 오프될 수 있다. 예를 들어 임의의 동작 모드에서, 제1 스위칭 소자(SW1)는 제3 스위칭 소자(SW3)와 서로 동일한 타이밍에 턴 온 및 턴 오프될 수 있다. 본 명세서에는 서로 동일한 타이밍에 턴 온 및 턴 오프되는 스위칭 소자들이 '서로 대응되는' 스위칭 소자들로 지칭된다.
인버터 회로(204)에 포함된 스위칭 소자들(SW1, SW2, SW3, SW4)의 턴 온 및 턴 오프 동작, 즉 스위칭 동작에 의해서, 인버터 회로(204)에 입력되는 직류 링크 전압이 교류 전압(교류 전류)으로 변환된다. 인버터 회로(204)에 의해서 변환되는 교류 전압(교류 전류)은 제2 인덕터(L2), 워킹 코일(132) 및 다수의 가변 캐패시터부(C2, C3, C4)로 공급된다. 인버터 회로(204)에 의해서 교류 전압(교류 전류)이 공급되면 워킹 코일(132)에 공진 현상이 발생하여 용기에 열 에너지가 공급된다.
본 발명에서 제1 스위칭 신호(S1), 제2 스위칭 신호(S2), 제3 스위칭 신호(S3), 제4 스위칭 신호(S4)는 각각 미리 정해진 듀티 비(duty ratio)를 갖는 PWM(Pulse Width Modulation) 신호이다.
릴레이부(206)는 각각의 가변 캐패시터부(C2, C3, C4)와 직렬로 연결되는 다수의 릴레이를 포함한다. 릴레이부(206)에 포함되는 각각의 릴레이는 제어기(2)의 제어 신호에 의해서 열리거나 닫힐 수 있다.
본 발명에서, 제어기(2)의 제어에 의해서 닫힌 릴레이의 개수에 따라서 가변 캐패시터부(C2, C3, C4)의 전체 캐패시턴스 값이 달라질 수 있다. 즉, 제어기(2)는 릴레이부(206)에 포함된 각각의 릴레이를 열거나 닫음으로써 가변 캐패시터부(C2, C3, C4)의 캐패시턴스 값을 조절할 수 있다. 본 발명의 일 실시예에서, 제어기(2)는 유도 가열 장치의 동작 모드를 결정하고, 가변 캐패시터부(C2, C3, C4)의 캐패시턴스 값이 유도 가열 장치의 동작 모드와 대응되도록 릴레이부(206)에 포함된 각각의 릴레이의 개폐 상태를 제어할 수 있다. 후술하는 바와 같이, 가변 캐패시터부(C2, C3, C4)의 캐패시턴스 값에 따라서 워킹 코일(132)에 흐르는 공진 전류의 주파수가 조절될 수 있다.
도 4의 실시예에서 가변 캐패시터부는 병렬로 연결되는 3개의 캐패시터를 포함한다. 그러나 가변 캐패시터부에 포함되는 캐패시터의 개수는 실시예에 따라서 달라질 수 있다. 또한 가변 캐패시터부에 포함되는 캐패시터의 연결 상태(직렬 또는 병렬)는 실시예에 따라 달라질 수 있다.
인버터 회로(204)로부터 출력되는 교류 전류가 워킹 코일(132)에 공급되면 워킹 코일(132)이 구동된다. 워킹 코일(132)이 구동되면 워킹 코일(132)의 상부에 놓인 용기에 와전류가 흐르면서 용기가 가열된다. 워킹 코일(132)이 구동될 때 워킹 코일의 구동에 의하여 실제로 발생하는 전력의 크기, 즉 워킹 코일의 출력 전력값에 따라서 용기에 공급되는 열 에너지의 크기가 달라진다.
제어기(2)는 사용자가 가열 영역에 대하여 설정한 파워 레벨에 대응되도록 워킹 코일(132)의 구동 주파수를 결정한다. 본 발명의 일 실시예에서, 제어기(2)는 각각의 파워 레벨에 대응되는 구동 주파수가 기록된 테이블이나 각각의 파워 레벨과 구동 주파수 간의 관계식을 참조하여 워킹 코일(132)의 구동 주파수를 결정할 수 있다. 또한 사용자가 설정한 파워 레벨에 따라서 워킹 코일(132)이 출력해야 하는 전력의 크기, 즉 요구 전력값이 결정된다.
제어기(2)는 결정된 구동 주파수에 대응되는 제어 신호를 구동 회로(22)에 공급한다. 구동 회로(22)는 제어기(2)로부터 출력되는 제어 신호에 기초하여, 제어기(2)에 의해서 결정된 구동 주파수에 대응되는 듀티 비를 갖는 스위칭 신호(S1, S2, S3, S4)를 출력한다.
사용자가 유도 가열 장치(10)의 인터페이스부를 조작하여 유도 가열 장치(10)를 전원 온(Power On) 상태로 변경하면, 입력 전원(20)으로부터 유도 가열 장치에 전력이 공급되면서 유도 가열 장치는 구동 대기 상태가 된다. 이어서 사용자는 유도 가열 장치의 워킹 코일 상부에 용기를 올려 놓고 용기에 대한 파워 레벨을 설정함으로써 워킹 코일에 대한 가열 시작 명령을 내린다. 사용자가 가열 시작 명령을 내리면, 사용자가 설정한 파워 레벨에 따라서 워킹 코일(132)에 요구되는 전력값, 즉 요구 전력값이 결정된다.
사용자에 의한 가열 시작 명령을 수신한 제어기(2)는 워킹 코일(132)의 요구 전력값에 대응되는 구동 주파수를 결정하고, 결정된 구동 주파수에 대응되는 제어 신호를 구동 회로(22)에 공급한다. 이에 따라서 구동 회로(22)로부터 스위칭 신호(S1, S2, S3, S4)가 출력되고, 스위칭 신호(S1, S2, S3, S4)가 각각 스위칭 소자(SW1, SW2, SW3, SW4)에 입력되면서 워킹 코일(132)이 구동된다. 워킹 코일(132)이 구동되면 용기에 와전류가 흐르면서 용기가 가열된다.
이하에서는 도 3 내지 도 17을 참조하여, 본 발명의 실시예들에 따른 유도 가열 장치(10)의 제어 과정이 기술된다.
사용자가 가열 영역에 용기를 놓은 상태에서 가열 영역의 파워 레벨을 설정하여 가열 시작 명령을 입력하면, 제어기(2)는 워킹 코일(132)의 구동 주파수를 미리 정해진 제1 기준 주파수로 설정한다. 이 때 제1 기준 주파수는 워킹 코일(132)의 최소 주파수(fmin)의 2배, 즉 2×fmin으로 설정될 수 있다.
본 발명에서 워킹 코일(132)의 최소 주파수(fmin)는 제어기(2)가 설정할 수 있는 워킹 코일(132)의 구동 주파수 중 가장 작은 값을 의미한다. 최소 주파수(fmin)는 실시예에 따라서 다르게 설정될 수 있는 임의의 값이며, 워킹 코일(132)의 공진 주파수와 동일하거나 워킹 코일(132)의 공진 주파수보다 큰 값으로 설정될 수 있다. 워킹 코일(132)이 최소 주파수(fmin)로 구동될 때 워킹 코일(132)의 출력 전력값은 최대가 된다.
제어기(2)는 구동 회로(22)가 제1 기준 주파수, 즉 2×fmin에 대응되는 스위칭 신호(S1, S2, S3, S4)를 출력하도록 구동 회로(22)에 제어 신호를 공급한다. 이에 따라서 구동 회로(22)로부터 출력되는 스위칭 신호(S1, S2, S3, S4)가 각각의 스위칭 소자(SW1, SW2, SW3, SW4)에 입력되어 워킹 코일(132)이 구동된다.
워킹 코일(132)이 구동되면, 제어기(2)는 스위칭 신호(S1, S2, S3, S4)의 스위칭 동작에 의해서 워킹 코일(132)에 입력되는 입력 전압 및 입력 전류의 크기인 입력 전압값(Vin) 및 입력 전류값(Iin)을 각각 전압 검출기(24) 및 전류 검출기(26)로부터 획득한다. 제어기(2)는 입력 전압값(Vin) 및 입력 전류값(Iin)에 기초하여 워킹 코일(132)의 상부에 놓인 용기의 저항값을 산출한다.
예를 들어 용기의 임피던스를 Z라고 할 때, Z=Vin/Iin의 관계가 성립한다. 제어기(2)는 하기 [수학식 1]에 따라서 입력 전류값(Iin)에 대한 입력 전압값(Vin)의 위상(또는 임피던스(Z)의 위상)φ을 산출할 수 있다.
Figure pat00001
[수학식 1]에서 Im(Z) 및 Re(Z)는 각각 임피던스(Z)의 허수부 및 실수부를 의미한다. 또한 제어기(2)는 실시예에 따라서 arctan 대신에 arcsin 또는 acrcos를 이용하여 임피던스(Z)의 위상(φ)을 산출할 수도 있다.
또한 제어기(2)는 [수학식 2]에 따라서 용기의 유효 전력값(We)을 산출할 수 있다.
Figure pat00002
또한 제어기(2)는 [수학식 3]에 따라서 용기에 흐르는 전류의 실효값(Ie)을 산출할 수 있다.
Figure pat00003
[수학식 2] 및 [수학식 3]에서 Iin*는 Iin의 복소 공역을 의미한다.
결국 제어기(2)는 [수학식 4]에 따라서 용기의 저항값(R)을 산출할 수 있다.
Figure pat00004
그러나 [수학식 1] 내지 [수학식 4]에 따른 용기의 저항값 산출 과정은 하나의 예시일 뿐이며, 본 발명의 다른 실시예에서 제어기(2)는 알려진 다른 방법 및 회로 구성에 기초하여 용기의 저항값을 산출할 수 있다.
제어기(2)는 산출된 용기 저항값을 미리 정해진 제1 기준 저항값(K1)과 비교한다. 본 발명의 일 실시예에서, 제어기(2)는 하기 [수학식 5]에 따라서 제1 기준 저항값(K1)을
Figure pat00005
로 설정한다.
Figure pat00006
[수학식 5]에서
Figure pat00007
는 워킹 코일(132)에 입력되는 입력 전압의 크기인 입력 전압값(Vin)과 워킹 코일(132)에 의해서 출력되는 전압의 크기인 출력 전압값의 크기인 출력 전압값의 비율인 전압 이득 중 최대값인 최대 전압 이득을 나타내고,
Figure pat00008
은 워킹 코일(132)에 입력되는 전압의 크기인 입력 전압값을 나타낸다. 그리고
Figure pat00009
는 유도 가열 장치의 최대 정격 전력을 나타낸다.
산출된 용기 저항값과 제1 기준 저항값(K1)을 비교한 결과 용기 저항값이 제1 기준 저항값(K1)보다 작을 경우, 제어기(2)는 유도 가열 장치(10)의 동작 모드를 주파수 2배 모드로 설정한다. 용기 저항값이 제1 기준 저항값(K1)보다 작다는 것은 용기의 전력 변환 효율이 낮다는 것을 의미하므로, 제어기(2)는 워킹 코일(132)의 공진 주파수 및 구동 주파수 대역이 높게 설정되도록 유도 가열 장치(10)의 동작 모드를 주파수 2배 모드로 설정한다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에서 유도 가열 장치의 동작 모드가 주파수 2배 모드일 때 스위칭 신호, 입력 전압, 공진 전류의 파형을 각각 나타낸다.
유도 가열 장치(10)의 동작 모드가 주파수 2배 모드로 결정되면, 제어기(2)는 도 5에 도시된 바와 같은 파형을 갖는 스위칭 신호(S1, S2, S3, S4)를 출력하도록 구동 회로(22)에 제어 신호를 인가한다.
또한 제어기(2)는 도 5에 도시된 바와 같이 스위칭 신호(S1, S2, S3, S4)의 1주기(TS1) 동안 워킹 코일(132)에 공급되는 공진 전류가 2회 출력되도록, 다시 말해서 워킹 코일(132)에 공급되는 공진 전류의 주파수가 스위칭 신호(S1, S2, S3, S4)의 주파수의 2배가 되도록 하기 위하여, 가변 캐패시터부(C1, C2, C3)의 캐패시턴스 값을 하기 [수학식 6]과 같이 Cr,d로 설정한다.
Figure pat00010
[수학식 6]에서 (fr,d)는 스위칭 신호(S1, S2, S3, S4)의 주파수의 2배가 되는 값을 의미하고, Lr은 제2 인덕터(L2)의 인덕턴스 값을 의미한다.
제어기(2)는 가변 캐패시터부(C1, C2, C3)의 전체 캐패시턴스 값이 [수학식 6]의 캐패시턴스 값(Cr,d)과 일치하도록 릴레이부(206)에 포함된 릴레이들을 각각 열거나 닫는다. 가변 캐패시터부(C1, C2, C3)의 캐패시턴스 값 조절이 완료되면 제어기(2)는 구동 회로(22)를 통해서 도 5에 도시된 바와 같은 파형을 갖는 스위칭 신호(S1, S2, S3, S4)를 인버터 회로(204)에 공급한다. 이에 따라서 용기에 대한 가열이 수행된다.
도 5에 도시된 바와 같이, 각각의 스위칭 신호는 1주기(TS1) 내에서 턴 온 구간 및 턴 오프 구간을 갖는다. 본 명세서에서 턴 온 구간의 시간은 턴 온 시간(TS11)으로 지칭되고, 턴 오프 구간의 시간은 턴 오프 시간(TS12)으로 지칭된다. 또한 1주기(TS1)에 대한 턴 온 시간(TS11)의 비율이 스위칭 신호의 듀티비(duty ratio)로 지칭된다. 예를 들어 제1 스위칭 신호(S1)의 1주기(TS1)가 1초이고 턴 온 시간(TS11)이 0.5초일 경우, 제1 스위칭 신호(S1)의 듀티비는 50%(또는 0.5)이다.
도 5를 참조하면, 제1 스위칭 소자(SW1)는 제3 스위칭 소자(SW3)와 서로 상보적으로 턴 온 및 턴 오프된다. 또한 제2 스위칭 소자(SW2)는 제4 스위칭 소자(SW4)와 서로 상보적으로 턴 온 및 턴 오프된다.
또한 도 5에는 도 4의 회로도에서 a노드 및 b노드 사이의 전압의 크기인 Vab의 파형이 도시되어 있다. 여기서 Vab는 워킹 코일(132)에 입력되는 입력 전압의 크기인 입력 전압값(Vin)과 동일하다. 또한 도 5에는 워킹 코일(132)에 입력되는 입력 전류, 즉 공진 전류의 파형이 도시되어 있다.
도 5에 도시된 바와 같이 유도 가열 장치(10)의 동작 모드가 주파수 2배 모드일 때, 입력 전압(Vab) 및 공진 전류는 서로 동일한 주파수를 갖는다. 또한 입력 전압(Vab) 및 공진 전류의 주파수는 스위칭 신호(S1, S2, S3, S4)의 주파수의 2배이다. 이에 따라서 워킹 코일(132)의 공진 주파수 및 구동 주파수 대역이 높아지더라도 워킹 코일(132)의 전압 이득은 최대값(예컨대, 1)으로 유지된다. 따라서 비자성 용기와 같이 전력 변환 효율이 좋지 않은 용기가 사용될 때 워킹 코일(132)의 입력 전류값(Iin)이 높아지지 않으며 용기에 대한 안정적인 전력 공급이 가능해진다.
한편, 유도 가열 장치(10)의 동작 모드가 주파수 2배 모드로 결정되면 제어기(2)는 유도 가열 장치(10)의 전력 제어 모드를 비대칭 펄스 폭 변조 모드로 결정한다. 비대칭 펄스 폭 변조 모드에서, 제어기(2)는 스위칭 신호(S1, S2, S3, S4)의 주파수를 그대로 유지하면서 스위칭 신호(S1, S2, S3, S4)의 듀티비를 조절함으로써 워킹 코일(132)의 출력 전력값을 조절할 수 있다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에서 유도 가열 장치의 동작 모드가 주파수 2배 모드이고 유도 가열 장치의 전력 제어 모드가 비대칭 펄스 폭 변조 모드일 때 스위칭 신호, 입력 전압, 공진 전류의 파형을 각각 나타낸다.
유도 가열 장치(10)의 전력 제어 모드가 비대칭 펄스 폭 변조 모드로 결정되면 제어기(2)는 스위칭 신호(S1, S2, S3, S4)의 듀티비를 조절한다. 도 6에 도시된 바와 같이, 제1 스위칭 신호(S1) 및 제3 스위칭 신호(S3)의 턴 온 시간(TS11)(또는 제2 스위칭 신호(S2) 및 제4 스위칭 신호(S4)의 턴 오프 시간)과, 제2 스위칭 신호(S2) 및 제4 스위칭 신호(S4)의 턴 온 시간(TS12)(또는 제1 스위칭 신호(S1) 및 제3 스위칭 신호(S3)의 턴 오프 시간)에 따라서 입력 전압의 크기(Vab) 및 공진 전류의 크기가 각각 달라진다. 워킹 코일(132)의 출력 전력값은 입력 전압의 크기(Vab) 및 공진 전류의 크기에 따라서 달라지므로, 제어기(2)는 제1 스위칭 신호(S1) 및 제3 스위칭 신호(S3)의 턴 온 시간(TS11), 즉 제1 스위칭 신호(S1) 및 제3 스위칭 신호(S3)의 듀티비를 조절함으로써 워킹 코일(132)의 출력 전력값을 조절할 수 있다.
예를 들어 제어기(2)는 제1 스위칭 신호(S1) 및 제3 스위칭 신호(S3)의 턴 온 시간(TS11)을 증가시킴으로써, 다시 말해서 제1 스위칭 신호(S1) 및 제3 스위칭신호(S3)의 듀티비를 증가시킴으로써 워킹 코일(132)의 출력 전력값을 증가시킬 수 있다. 반대로 제어기(2)는 제1 스위칭 신호(S1) 및 제3 스위칭 신호(S3)의 턴 온 시간(TS11)을 감소시킴으로써, 다시 말해서 제1 스위칭 신호(S1) 및 제3 스위칭신호(S3)의 듀티비를 감소시킴으로써 워킹 코일(132)의 출력 전력값을 감소시킬 수 있다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에서 유도 가열 장치의 동작 모드가 주파수 2배 모드일 때 워킹 코일의 공진 특성 곡선을 나타내는 그래프이다.
도 7에는 유도 가열 장치(10)의 동작 모드가 풀 브릿지 모드일 때 워킹 코일(132)의 공진 특성 곡선(51) 및 유도 가열 장치(10)의 동작 모드가 주파수 2배 모드일 때 워킹 코일(132)의 공진 특성 곡선(52)이 각각 도시되어 있다.
전술한 바와 같이 제어기(2)가 유도 가열 장치(10)의 동작 모드를 주파수 2배 모드로 설정하면 워킹 코일(132)의 공진 전류의 주파수가 스위칭 신호(S1, S2, S3, S4)의 주파수의 2배로 설정된다. 이에 따라서 도 7과 같이 워킹 코일(132)의 공진 주파수가 fr의 2배인 2×fr로 변경된다.
이처럼 워킹 코일(132)의 공진 주파수가 높아지면 동일한 출력 전력값에 대한 워킹 코일(132)의 구동 주파수도 높아진다. 예를 들어 워킹 코일(132)이 P1의 전력을 출력하기 위해서, 풀 브릿지 모드에서는 워킹 코일(132)의 구동 주파수가 f1으로 설정되어야 한다. 그러나 주파수 2배 모드에서 워킹 코일(132)이 P1의 전력을 출력하기 위해서 워킹 코일(132)의 구동 주파수는 f1의 2배인 2×f1으로 설정되어야 한다.
이처럼 주파수 2배 모드에서 워킹 코일(132)의 구동 주파수 대역은 풀 브릿지 모드에 비해서 증가한다. 그러나 도 5를 참조하여 설명된 바와 같이 입력 전압의 주파수와 공진 전류의 주파수가 동일하게 유지되어 전압 이득이 최대로 설정되므로, 워킹 코일(132)의 구동 주파수가 높게 설정되지 않더라도 워킹 코일(132)의 출력 전력값이 높게 유지될 수 있다.
한편, 도 7에는 주파수 2배 모드에서 제1 스위칭 신호(S1) 및 제3 스위칭 신호(S3)의 듀티비가 50%일 때 워킹 코일(132)의 공진 특성 곡선(52) 및 주파수 2배 모드에서 제1 스위칭 신호(S1) 및 제3 스위칭 신호(S3)의 듀티비가 30%일 때 워킹 코일(132)의 공진 특성 곡선(53)이 각각 도시되어 있다.
도 7에 도시된 바와 같이 주파수 2배 모드에서 워킹 코일(132)의 구동 주파수가 2×f1일 때, 제1 스위칭 신호(S1) 및 제3 스위칭 신호(S3)의 듀티비가 50%로 설정되면 워킹 코일(132)의 출력 전력값은 P1이 된다. 그러나 제어기(2)가 워킹 코일(132)의 구동 주파수를 그대로 유지하면서 제1 스위칭 신호(S1) 및 제3 스위칭 신호(S3)의 듀티비를 50%에서 30%로 감소시키면 워킹 코일(132)의 출력 전력값은 P2로 감소한다. 따라서 제어기(2)는 주파수 2배 모드에서 워킹 코일(132)의 구동 주파수를 동일한 값(예컨대, 2×f1)으로 유지하면서, 비대칭 펄스 폭 변조 방식에 따라서 제1 스위칭 신호(S1) 및 제3 스위칭 신호(S3)의 듀티비를 조절하는 것만으로도 워킹 코일(132)의 출력 전력값을 조절할 수 있다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에서 유도 가열 장치의 동작 모드가 주파수 2배 모드인 상태에서 유도 가열 장치의 전력 제어 모드가 펄스 주파수 변조 모드로 설정될 때와 유도 가열 장치의 전력 제어 모드가 비대칭 펄스 폭 변조 모드로 설정될 때 유도 가열 장치의 전력 변환 효율을 각각 나타내는 그래프이다.
도 8에는 유도 가열 장치(10)의 동작 모드가 주파수 2배 모드인 상태에서 유도 가열 장치(10)의 전력 제어 모드가 펄스 주파수 변조 모드일 때, 즉 제어기(2)가 워킹 코일(132)의 구동 주파수를 조절하여 워킹 코일(132)의 출력 전력값을 조절할 때 각각의 입력 전력값에 대한 전력 변환 효율을 나타내는 그래프(54)가 도시되어 있다.
또한 도 8에는 유도 가열 장치(10)의 동작 모드가 주파수 2배 모드인 상태에서 유도 가열 장치(10)의 전력 제어 모드가 비대칭 펄스 폭 변조 모드일 때, 즉 제어기(2)가 워킹 코일(132)의 구동 주파수를 변경하지 않고 스위칭 신호의 듀티비를 조절함으로써 워킹 코일(132)의 출력 전력값을 조절할 때 각각의 입력 전력값에 대한 전력 변환 효율을 나타내는 그래프(55)가 도시되어 있다.
도 8에서 전력 변환 효율은 워킹 코일(132)에 입력되는 전력 중에서 용기에 실제로 전달되는 전력의 비율을 의미한다. 예를 들어 워킹 코일(132)의 입력 전력이 1000W일 때 전력 변환 효율이 80%이면 용기에 실제로 전달되는 전력의 크기는 800W이다.
도 8에 도시된 바와 같이, 입력 전력값의 전 범위에 걸쳐서 유도 가열 장치(10)의 전력 제어 모드가 비대칭 펄스 폭 변조 모드로 설정될 때의 전력 변환 효율이 유도 가열 장치(10)의 전력 제어 모드가 펄스 주파수 변조 모드로 설정될 때의 전력 변환 효율보다 높다. 따라서 유도 가열 장치(10)의 동작 모드가 주파수 2배 모드로 설정된 상태에서 워킹 코일(132)의 출력 전력값을 비대칭 펄스 폭 변조 방식으로 조절함으로써 종래의 유도 가열 장치에 비해 워킹 코일(132)의 전력 변환 효율이 증대된다.
한편, 제1 기준 저항값이 K1(
Figure pat00011
)로 설정된 상태에서 산출된 용기의 저항값이 제1 기준 저항값보다 작지 않으면, 제어기(2)는 제1 기준 주파수를 워킹 코일(132)의 최소 주파수(fmin)로 설정하고, 워킹 코일(132)을 제1 기준 주파수로 구동시킨다.
워킹 코일(132)의 구동 주파수가 워킹 코일(132)의 최소 주파수(fmin)로 설정된 상태에서 제어기(2)는 용기의 저항값을 다시 산출하고, 산출된 용기의 저항값을 제2 기준 저항값(K2)과 비교한다. 본 발명의 일 실시예에서, 제어기(2)는 하기 [수학식 7]에 따라서 제2 기준 저항값(K2)을
Figure pat00012
로 설정한다.
Figure pat00013
산출된 용기 저항값과 제2 기준 저항(K2)값을 비교한 결과 용기 저항값이 제2 기준 저항값(K2)보다 작을 경우, 제어기(2)는 유도 가열 장치(10)의 동작 모드를 하프 브릿지 모드로 설정한다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에서 유도 가열 장치의 동작 모드가 하프 브릿지 모드일 때 스위칭 신호, 입력 전압, 공진 전류의 파형을 각각 나타낸다.
유도 가열 장치(10)의 동작 모드가 하프 브릿지 모드로 결정되면, 제어기(2)는 도 9에 도시된 바와 같은 파형을 갖는 스위칭 신호(S1, S2, S3, S4)를 출력하도록 구동 회로(22)에 제어 신호를 인가한다.
또한 제어기(2)는 도 9에 도시된 바와 같이 스위칭 신호(S1, S2, S3, S4)의 1주기(TS1) 동안 워킹 코일(132)에 공급되는 공진 전류가 1회 출력되도록, 다시 말해서 워킹 코일(132)에 공급되는 공진 전류의 주파수가 스위칭 신호(S1, S2, S3, S4)의 주파수의 1배가 되도록 하기 위하여, 가변 캐패시터부(C1, C2, C3)의 캐패시턴스 값을 하기 [수학식 8]과 같이 Cr,h로 설정한다.
Figure pat00014
[수학식 8]에서 (fr,h)는 스위칭 소자들(SW1, SW2, SW3, SW4)의 구동 주파수와 동일한 주파수이다.
제어기(2)는 가변 캐패시터부(C1, C2, C3)의 전체 캐패시턴스 값이 [수학식 8]의 캐패시턴스 값(Cr,h)과 일치하도록 릴레이부(206)에 포함된 릴레이들을 각각 열거나 닫는다. 가변 캐패시터부(C1, C2, C3)의 캐패시턴스 값 조절이 완료되면 제어기(2)는 구동 회로(22)를 통해서 도 9에 도시된 바와 같은 파형을 갖는 스위칭 신호(S1, S2, S3, S4)를 인버터 회로(204)에 공급한다. 이에 따라서 용기에 대한 가열이 수행된다.
도 9를 참조하면, 제1 스위칭 소자(SW1)는 제2 스위칭 소자(SW2)와 서로 상보적으로 턴 온 및 턴 오프된다. 또한 제3 스위칭 소자(SW3)는 지속적으로 턴 온 상태를 유지하고, 제4 스위칭 소자(SW4)는 지속적으로 턴 오프 상태를 유지한다.
도 9에는 도 4의 회로도에서 a노드 및 b노드 사이의 전압의 크기인 Vab의 파형이 도시되어 있다. 여기서 Vab는 워킹 코일(132)에 입력되는 입력 전압의 크기인 입력 전압값(Vin)과 동일하다. 또한 도 9에는 워킹 코일(132)에 입력되는 입력 전류, 즉 공진 전류의 파형이 도시되어 있다.
도 9에 도시된 바와 같이 유도 가열 장치(10)의 동작 모드가 하프 브릿지 모드일 때, 입력 전압(Vab) 및 공진 전류는 서로 동일한 주파수를 갖는다. 또한 입력 전압(Vab) 및 공진 전류의 주파수는 스위칭 신호(S1, S2, S3, S4)의 주파수와 동일하다. 이에 따라서 워킹 코일(132)의 전압 이득은 최대값(예컨대, 1)으로 유지되므로 용기에 대한 안정적인 전력 공급이 가능해진다.
한편, 유도 가열 장치(10)의 동작 모드가 하프 브릿지 모드로 결정되면 제어기(2)는 유도 가열 장치(10)의 전력 제어 모드를 비대칭 펄스 폭 변조 모드로 결정한다. 비대칭 펄스 폭 변조 모드에서, 제어기(2)는 스위칭 신호(S1, S2, S3, S4)의 주파수를 그대로 유지하면서 스위칭 신호(S1, S2, S3, S4)의 듀티비를 조절함으로써 워킹 코일(132)의 출력 전력값을 조절할 수 있다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에서 유도 가열 장치의 동작 모드가 하프 브릿지 모드이고 유도 가열 장치의 전력 제어 모드가 비대칭 펄스 폭 변조 모드일 때 스위칭 신호, 입력 전압, 공진 전류의 파형을 각각 나타낸다.
유도 가열 장치(10)의 전력 제어 모드가 비대칭 펄스 폭 변조 모드로 결정되면 제어기(2)는 스위칭 신호(S1, S2, S3, S4)의 듀티비를 조절한다. 도 10에 도시된 바와 같이, 제1 스위칭 신호(S1)의 턴 온 시간(TS21)(또는 제2 스위칭 신호(S2)의 턴 오프 시간) 및 제2 스위칭 신호(S2)의 턴 온 시간(TS22)(또는 제1 스위칭 신호(S1)의 턴 오프 시간)에 따라서 입력 전압의 크기(Vab) 및 공진 전류의 크기가 각각 달라진다. 워킹 코일(132)의 출력 전력값은 입력 전압의 크기(Vab) 및 공진 전류의 크기에 따라서 달라지므로, 제어기(2)는 제1 스위칭 신호(S1)의 턴 온 시간(TS21), 즉 제1 스위칭 신호(S1)의 듀티비를 조절함으로써 워킹 코일(132)의 출력 전력값을 조절할 수 있다.
예를 들어 제어기(2)는 제1 스위칭 신호(S1)의 턴 온 시간(TS21)을 증가시킴으로써, 다시 말해서 제1 스위칭 신호(S1)의 듀티비를 증가시킴으로써 워킹 코일(132)의 출력 전력값을 증가시킬 수 있다. 반대로 제어기(2)는 제1 스위칭 신호(S1)의 턴 온 시간(TS21)을 감소시킴으로써, 다시 말해서 제1 스위칭 신호(S1)의 듀티비를 감소시킴으로써 워킹 코일(132)의 출력 전력값을 감소시킬 수 있다.
도 10의 실시예에서 제1 스위칭 신호(S1)의 듀티비는 도 9의 실시예의 제1 스위칭 신호(S1)의 듀티비보다 작다. 따라서 도 10의 실시예에서 워킹 코일(132)의 출력 전력값은 도 9의 실시예의 워킹 코일(132)의 출력 전력값보다 작다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에서 유도 가열 장치의 동작 모드가 하프 브릿지 모드일 때 워킹 코일의 공진 특성 곡선을 나타내는 그래프이다.
도 11에는 하프 브릿지 모드에서 제1 스위칭 신호(S1)의 듀티비가 50%일 때 워킹 코일(132)의 공진 특성 곡선(61) 및 하프 브릿지 모드에서 제1 스위칭 신호(S1)의 듀티비가 30%일 때 워킹 코일(132)의 공진 특성 곡선(62)이 각각 도시되어 있다. 도 11에서 fr은 워킹 코일(132)의 공진 주파수이다.
도 11에 도시된 바와 같이 하프 브릿지 모드에서 워킹 코일(132)의 구동 주파수가 f1일 때, 제1 스위칭 신호(S1)의 듀티비가 50%로 설정되면 워킹 코일(132)의 출력 전력값은 P1이 된다. 그러나 제어기(2)가 워킹 코일(132)의 구동 주파수를 f1으로 유지하면서 제1 스위칭 신호(S1)의 듀티비를 50%에서 30%로 감소시키면 워킹 코일(132)의 출력 전력값은 P2로 감소한다. 따라서 제어기(2)는 하프 브릿지 모드에서 워킹 코일(132)의 구동 주파수를 동일한 값으로 유지하면서, 비대칭 펄스 폭 변조 방식에 따라서 제1 스위칭 신호(S1)의 듀티비를 조절하는 것만으로도 워킹 코일(132)의 출력 전력값을 조절할 수 있다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에서 유도 가열 장치의 동작 모드가 하프 브릿지 모드인 상태에서 유도 가열 장치의 전력 제어 모드가 펄스 주파수 변조 모드로 설정될 때와 유도 가열 장치의 전력 제어 모드가 비대칭 펄스 폭 변조 모드로 설정될 때 유도 가열 장치의 전력 변환 효율을 각각 나타내는 그래프이다.
도 12에는 유도 가열 장치(10)의 동작 모드가 하프 브릿지 모드인 상태에서 유도 가열 장치(10)의 전력 제어 모드가 펄스 주파수 변조 모드일 때, 즉 제어기(2)가 워킹 코일(132)의 구동 주파수를 조절하여 워킹 코일(132)의 출력 전력값을 조절할 때 각각의 입력 전력값에 대한 전력 변환 효율을 나타내는 그래프(63)가 도시되어 있다.
또한 도 12에는 유도 가열 장치(10)의 동작 모드가 하프 브릿지 모드인 상태에서 유도 가열 장치(10)의 전력 제어 모드가 비대칭 펄스 폭 변조 모드일 때, 즉 제어기(2)가 워킹 코일(132)의 구동 주파수를 변경하지 않고 스위칭 신호의 듀티비를 조절함으로써 워킹 코일(132)의 출력 전력값을 조절할 때 각각의 입력 전력값에 대한 전력 변환 효율을 나타내는 그래프(64)가 도시되어 있다.
도 12에 도시된 바와 같이, 입력 전력값의 전 범위에 걸쳐서 유도 가열 장치(10)의 전력 제어 모드가 비대칭 펄스 폭 변조 모드로 설정될 때의 전력 변환 효율이 유도 가열 장치(10)의 전력 제어 모드가 펄스 주파수 변조 모드로 설정될 때의 전력 변환 효율보다 높다. 따라서 유도 가열 장치(10)의 동작 모드가 하프 브릿지 모드로 설정된 상태에서 워킹 코일(132)의 출력 전력값을 비대칭 펄스 폭 변조 방식으로 조절함으로써 종래의 유도 가열 장치에 비해 워킹 코일(132)의 전력 변환 효율이 증대된다.
한편, 워킹 코일(132)의 구동 주파수가 워킹 코일(132)의 최소 주파수(fmin)로 설정된 상태에서 산출된 용기 저항값과 제2 기준 저항값(K2)을 비교한 결과 용기 저항값이 제2 기준 저항값(K2)보다 작지 않으면, 제어기(2)는 유도 가열 장치(10)의 동작 모드를 풀 브릿지 모드로 설정한다.
그리고 나서, 제어기(2)는 산출된 용기 저항값을 미리 설정된 제3 기준 저항값(K3)과 비교한다. 본 발명의 일 실시예에서, 제어기(2)는 하기 [수학식 9]에 따라서 제3 기준 저항값(K3)을
Figure pat00015
로 설정한다.
Figure pat00016
산출된 용기 저항값과 제3 기준 저항값(K3)을 비교한 결과 용기 저항값이 제3 기준 저항값(K3)보다 작지 않을 경우, 제어기(2)는 유도 가열 장치(10)의 동작 모드를 풀 브릿지 모드로 설정하되, 워킹 코일(132)의 출력 전력값을 제한 전력값 이하로 제한한다. 제어기(2)는 워킹 코일(132)의 구동 주파수를 미리 정해진 제한 주파수 이상의 값이 되도록 제어함으로써 워킹 코일(132)의 출력 전력값을 제한 전력값 이하로 제한한다. 여기서 제한 주파수는 제한 전력값과 대응되는 구동 주파수이다. 예를 들어 워킹 코일(132)의 구동 주파수가 40kHz일 때 워킹 코일(132)의 출력 전력값이 2000kHz라면, 제어기(2)는 워킹 코일(132)의 제한 주파수를 40kHz로 설정함으로써 워킹 코일(132)의 출력 전력값을 제한 전력값인 2000kHz 이하로 제한할 수 있다.
산출된 용기 저항값과 제3 기준 저항값(K3)을 비교한 결과 용기 저항값이 제3 기준 저항값(K3)보다 작으면, 제어기(2)는 워킹 코일(132)의 출력 전력값을 제한하지 않고 유도 가열 장치(10)의 동작 모드를 풀 브릿지 모드로 설정한다.
도 13은 본 발명의 일 실시예에서 유도 가열 장치의 동작 모드가 풀 브릿지 모드일 때 스위칭 신호, 입력 전압, 공진 전류의 파형을 각각 나타낸다.
유도 가열 장치(10)의 동작 모드가 풀 브릿지 모드로 결정되면, 제어기(2)는 도 13에 도시된 바와 같은 파형을 갖는 스위칭 신호(S1, S2, S3, S4)를 출력하도록 구동 회로(22)에 제어 신호를 인가한다.
또한 제어기(2)는 도 13에 도시된 바와 같이 스위칭 신호(S1, S2, S3, S4)의 1주기(TS1) 동안 워킹 코일(132)에 공급되는 공진 전류가 1회 출력되도록, 다시 말해서 워킹 코일(132)에 공급되는 공진 전류의 주파수가 스위칭 신호(S1, S2, S3, S4)의 주파수의 1배가 되도록 하기 위하여, 가변 캐패시터부(C1, C2, C3)의 캐패시턴스 값을 하기 [수학식 10]과 같이 Cr,f로 설정한다.
Figure pat00017
제어기(2)는 가변 캐패시터부(C1, C2, C3)의 전체 캐패시턴스 값이 [수학식 10]의 캐패시턴스 값(Cr,f)과 일치하도록 릴레이부(206)에 포함된 릴레이들을 각각 열거나 닫는다. 가변 캐패시터부(C1, C2, C3)의 캐패시턴스 값 조절이 완료되면 제어기(2)는 구동 회로(22)를 통해서 도 13에 도시된 바와 같은 파형을 갖는 스위칭 신호(S1, S2, S3, S4)를 인버터 회로(204)에 공급한다. 이에 따라서 용기에 대한 가열이 수행된다.
도 13을 참조하면, 제1 스위칭 소자(SW1)는 제2 스위칭 소자(SW2)와 서로 상보적으로 턴 온 및 턴 오프된다. 또한 제3 스위칭 소자(SW3)는 제4 스위칭 소자(SW4)와 서로 상보적으로 턴 온 및 턴 오프된다.
도 13에는 도 4의 회로도에서 a노드 및 b노드 사이의 전압의 크기인 Vab의 파형이 도시되어 있다. 여기서 Vab는 워킹 코일(132)에 입력되는 입력 전압의 크기인 입력 전압값(Vin)과 동일하다. 또한 도 13에는 워킹 코일(132)에 입력되는 입력 전류, 즉 공진 전류의 파형이 도시되어 있다.
도 13에 도시된 바와 같이 유도 가열 장치(10)의 동작 모드가 풀 브릿지 모드일 때, 입력 전압(Vab) 및 공진 전류는 서로 동일한 주파수를 갖는다. 또한 입력 전압(Vab) 및 공진 전류의 주파수는 스위칭 신호(S1, S2, S3, S4)의 주파수와 동일하다. 이에 따라서 워킹 코일(132)의 전압 이득은 최대값(예컨대, 1)으로 유지되므로 용기에 대한 안정적인 전력 공급이 가능해진다.
한편, 유도 가열 장치(10)의 동작 모드가 풀 브릿지 모드로 결정되면 제어기(2)는 유도 가열 장치(10)의 전력 제어 모드를 비대칭 펄스 폭 변조 모드 및 위상 변이 모드 중 어느 하나로 결정한다.
비대칭 펄스 폭 변조 모드에서, 제어기(2)는 스위칭 신호(S1, S2, S3, S4)의 주파수를 그대로 유지하면서 스위칭 신호(S1, S2, S3, S4)의 듀티비를 조절함으로써 워킹 코일(132)의 출력 전력값을 조절할 수 있다.
위상 변이 모드에서, 제어기(2)는 스위칭 신호(S1, S2, S3, S4)의 주파수를 그대로 유지하면서 서로 대응되는 스위칭 신호들의 위상차를 조절함으로써 워킹 코일(132)의 출력 전력값을 조절할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 유도 가열 장치(10)의 동작 모드가 풀 브릿지 모드일 때, 제어기(2)는 워킹 코일(132)의 요구 전력값을 미리 정해진 기준 전력값과 비교하여 유도 가열 장치(10)의 전력 제어 모드를 비대칭 펄스 폭 변조 모드 및 위상 변이 모드 중 어느 하나로 결정할 수 있다. 예를 들어 제어기(2)는 워킹 코일(132)의 요구 전력값이 기준 전력값보다 작으면 유도 가열 장치(10)의 전력 제어 모드를 비대칭 펄스 폭 변조 모드로 결정하고, 워킹 코일(132)의 요구 전력값이 기준 전력값보다 작지 않으면 유도 가열 장치(10)의 전력 제어 모드를 위상 변이 모드로 결정할 수 있다.
도 14는 본 발명의 일 실시예에서 유도 가열 장치의 동작 모드가 풀 브릿지 모드이고 유도 가열 장치의 전력 제어 모드가 비대칭 펄스 폭 변조 모드일 때 스위칭 신호, 입력 전압, 공진 전류의 파형을 각각 나타낸다.
유도 가열 장치(10)의 전력 제어 모드가 비대칭 펄스 폭 변조 모드로 결정되면 제어기(2)는 스위칭 신호(S1, S2, S3, S4)의 듀티비를 조절한다. 도 14에 도시된 바와 같이, 제1 스위칭 신호(S1) 및 제4 스위칭 신호(S4)의 턴 온 시간(TS31)(또는 제2 스위칭 신호(S2) 및 제3 스위칭 신호(S3)의 턴 오프 시간) 및 제2 스위칭 신호(S2) 및 제3 스위칭 신호(S3)의 턴 온 시간(TS32)(또는 제1 스위칭 신호(S1) 및 제4 스위칭 신호(S4)의 턴 오프 시간)에 따라서 입력 전압의 크기(Vab) 및 공진 전류의 크기가 각각 달라진다. 워킹 코일(132)의 출력 전력값은 입력 전압의 크기(Vab) 및 공진 전류의 크기에 따라서 달라지므로, 제어기(2)는 제1 스위칭 신호(S1) 및 제4 스위칭 신호(S4)의 턴 온 시간(TS31), 즉 제1 스위칭 신호(S1) 및 제4 스위칭 신호(S4)의 듀티비를 조절함으로써 워킹 코일(132)의 출력 전력값을 조절할 수 있다.
예를 들어 제어기(2)는 제1 스위칭 신호(S1) 및 제4 스위칭 신호(S4)의 턴 온 시간(TS31)을 증가시킴으로써, 다시 말해서 제1 스위칭 신호(S1) 및 제4 스위칭 신호(S4)의 듀티비를 증가시킴으로써 워킹 코일(132)의 출력 전력값을 증가시킬 수 있다. 반대로 제어기(2)는 제1 스위칭 신호(S1) 및 제4 스위칭 신호(S4)의 턴 온 시간(TS31)을 감소시킴으로써, 다시 말해서 제1 스위칭 신호(S1) 및 제4 스위칭 신호(S4)의 듀티비를 감소시킴으로써 워킹 코일(132)의 출력 전력값을 감소시킬 수 있다.
도 14의 실시예에서 제1 스위칭 신호(S1) 및 제4 스위칭 신호(S4)의 듀티비는 도 13의 실시예의 제1 스위칭 신호(S1) 및 제4 스위칭 신호(S4)의 듀티비보다 작다. 따라서 도 14의 실시예에서 워킹 코일(132)의 출력 전력값은 도 13의 실시예의 워킹 코일(132)의 출력 전력값보다 작다.
도 15는 본 발명의 일 실시예에서 유도 가열 장치의 동작 모드가 풀 브릿지 모드이고 유도 가열 장치의 전력 제어 모드가 위상 변이 모드일 때 스위칭 신호, 입력 전압, 공진 전류의 파형을 각각 나타낸다.
유도 가열 장치(10)의 전력 제어 모드가 위상 변이 모드로 결정되면 제어기(2)는 서로 대응되는 스위칭 신호들 간의 위상차를 조절한다. 도 15에 도시된 바와 같이, 서로 대응되는 제1 스위칭 신호(S1) 및 제3 스위칭 신호(S3) 간의 위상차(또는 제2 스위칭 신호(S2) 및 제3 스위칭 신호(S3) 간의 위상차)에 따라서 입력 전압의 크기(Vab) 및 공진 전류의 크기가 각각 달라진다. 워킹 코일(132)의 출력 전력값은 입력 전압의 크기(Vab) 및 공진 전류의 크기에 따라서 달라지므로, 제어기(2)는 서로 대응되는 제1 스위칭 신호(S1) 및 제3 스위칭 신호(S3) 간의 위상차를 조절함으로써 워킹 코일(132)의 출력 전력값을 조절할 수 있다.
예를 들어 제어기(2)는 서로 대응되는 제1 스위칭 신호(S1) 및 제3 스위칭 신호(S3) 간의 위상차를 감소시킴으로써 워킹 코일(132)의 출력 전력값을 증가시킬 수 있다. 반대로 제어기(2)는 서로 대응되는 제1 스위칭 신호(S1) 및 제3 스위칭 신호(S3) 간의 위상차를 증가시킴으로써 워킹 코일(132)의 출력 전력값을 감소시킬 수 있다.
도 15의 실시예에서 서로 대응되는 제1 스위칭 신호(S1) 및 제3 스위칭 신호(S3) 간의 위상차(90°)는 도 13의 실시예의 서로 대응되는 제1 스위칭 신호(S1) 및 제3 스위칭 신호(S3) 간의 위상차(0°)보다 크다. 따라서 도 15의 실시예에서 워킹 코일(132)의 출력 전력값은 도 13의 실시예의 워킹 코일(132)의 출력 전력값보다 작다.
도 16은 본 발명의 일 실시예에서 유도 가열 장치의 동작 모드가 풀 브릿지 모드일 때 워킹 코일의 공진 특성 곡선을 나타내는 그래프이다.
도 16에는 풀 브릿지 모드에서 제1 스위칭 신호(S1)의 듀티비가 50%일 때 워킹 코일(132)의 공진 특성 곡선(71) 및 풀 브릿지 모드에서 제1 스위칭 신호(S1)의 듀티비가 30%일 때 워킹 코일(132)의 공진 특성 곡선(72)이 각각 도시되어 있다. 도 16에서 fr은 워킹 코일(132)의 공진 주파수이다.
도 16에 도시된 바와 같이 풀 브릿지 모드에서 워킹 코일(132)의 구동 주파수가 f1일 때, 제1 스위칭 신호(S1)의 듀티비가 50%로 설정되면 워킹 코일(132)의 출력 전력값은 P1이 된다. 그러나 제어기(2)가 워킹 코일(132)의 구동 주파수를 f1으로 유지하면서 제1 스위칭 신호(S1)의 듀티비를 50%에서 30%로 감소시키면 워킹 코일(132)의 출력 전력값은 P2로 감소한다. 따라서 제어기(2)는 풀 브릿지 모드에서 워킹 코일(132)의 구동 주파수를 동일한 값으로 유지하면서, 비대칭 펄스 폭 변조 방식에 따라서 제1 스위칭 신호(S1)의 듀티비를 조절하는 것만으로도 워킹 코일(132)의 출력 전력값을 조절할 수 있다.
또한 도 16의 그래프는 제1 스위칭 신호(S1) 및 제3 스위칭 신호(S3) 간의 위상차가 0°일 때의 공진 특성 곡선(71) 및 제1 스위칭 신호(S1) 및 제3 스위칭 신호(S3) 간의 위상차가 90°일 때의 공진 특성 곡선(72)일 수도 있다.
도 16에 도시된 바와 같이 풀 브릿지 모드에서 워킹 코일(132)의 구동 주파수가 f1일 때, 제1 스위칭 신호(S1) 및 제3 스위칭 신호(S3) 간의 위상차가 0°로 설정되면 워킹 코일(132)의 출력 전력값은 P1이 된다. 그러나 제어기(2)가 워킹 코일(132)의 구동 주파수를 f1으로 유지하면서 제1 스위칭 신호(S1) 및 제3 스위칭 신호(S3) 간의 위상차를 90°로 증가시키면 워킹 코일(132)의 출력 전력값은 P2로 감소한다. 따라서 제어기(2)는 풀 브릿지 모드에서 워킹 코일(132)의 구동 주파수를 동일한 값으로 유지하면서, 위상 변이 방식에 따라서 제1 스위칭 신호(S1) 및 제3 스위칭 신호(S3) 간의 위상차를 조절하는 것만으로도 워킹 코일(132)의 출력 전력값을 조절할 수 있다.
한편, 도 11에 도시된 하프 브릿지 모드에서의 공진 특성 곡선 및 도 16에 도시된 공진 특성 곡선을 참조하면, 동일한 조건에서 워킹 코일(132)의 구동 주파수가 동일할 때 하프 브릿지 모드에서 워킹 코일(132)의 출력 전력값이 풀 브릿지 모드에서 워킹 코일(132)의 출력 전력값보다 낮다.
도 17은 본 발명의 일 실시예에서 유도 가열 장치의 동작 모드가 풀 브릿지 모드인 상태에서 유도 가열 장치의 전력 제어 모드가 펄스 주파수 변조 모드로 설정될 때, 유도 가열 장치의 전력 제어 모드가 비대칭 펄스 폭 변조 모드로 설정될 때, 유도 가열 장치의 전력 제어 모드가 위상 변이 모드로 설정될 때 유도 가열 장치의 전력 변환 효율을 각각 나타내는 그래프이다.
도 17에는 유도 가열 장치(10)의 동작 모드가 풀 브릿지 모드인 상태에서 유도 가열 장치(10)의 전력 제어 모드가 펄스 주파수 변조 모드일 때, 즉 제어기(2)가 워킹 코일(132)의 구동 주파수를 조절하여 워킹 코일(132)의 출력 전력값을 조절할 때 각각의 입력 전력값에 대한 전력 변환 효율을 나타내는 그래프(73)가 도시되어 있다.
또한 도 17에는 유도 가열 장치(10)의 동작 모드가 풀 브릿지 모드인 상태에서 유도 가열 장치(10)의 전력 제어 모드가 비대칭 펄스 폭 변조 모드일 때, 즉 제어기(2)가 워킹 코일(132)의 구동 주파수를 변경하지 않고 스위칭 신호의 듀티비를 조절함으로써 워킹 코일(132)의 출력 전력값을 조절할 때 각각의 입력 전력값에 대한 전력 변환 효율을 나타내는 그래프(74)가 도시되어 있다.
또한 도 17에는 유도 가열 장치(10)의 동작 모드가 풀 브릿지 모드인 상태에서 유도 가열 장치(10)의 전력 제어 모드가 위상 변이 모드일 때, 즉 제어기(2)가 워킹 코일(132)의 구동 주파수를 변경하지 않고 서로 대응되는 스위칭 신호들 간의 위상차를 조절함으로써 워킹 코일(132)의 출력 전력값을 조절할 때 각각의 입력 전력값에 대한 전력 변환 효율을 나타내는 그래프(75)가 도시되어 있다.
도 17에 도시된 바와 같이, 입력 전력값의 전 범위에 걸쳐서 유도 가열 장치(10)의 전력 제어 모드가 비대칭 펄스 폭 변조 모드 또는 위상 변이 모드로 설정될 때의 전력 변환 효율이 유도 가열 장치(10)의 전력 제어 모드가 펄스 주파수 변조 모드로 설정될 때의 전력 변환 효율보다 높다. 따라서 유도 가열 장치(10)의 동작 모드가 풀 브릿지 모드로 설정된 상태에서 워킹 코일(132)의 출력 전력값을 비대칭 펄스 폭 변조 방식 또는 위상 변이 방식으로 조절함으로써 종래의 유도 가열 장치에 비해 워킹 코일(132)의 전력 변환 효율이 증대된다.
전술한 과정에 의하여 유도 가열 장치(10)의 동작 모드 및 전력 제어 모드가 결정되면, 제어기(2)는 워킹 코일(132)의 구동 주파수를 제2 기준 주파수로 설정하고, 워킹 코일(132)을 구동시킨다.
본 발명의 일 실시예에서, 제2 기준 주파수는 워킹 코일(132)의 최소 주파수(fmin)로 설정될 수 있다. 이에 따라서 각각의 동작 모드에서 워킹 코일(132)의 출력 전력값은 최소 주파수(fmin)와 대응되는 최대 전력값(Pmax)이 된다. 그러나 제2 기준 주파수는 실시예에 따라서 최소 주파수가 아닌 다른 값으로 설정될 수도 있다.
워킹 코일(132)의 구동 주파수가 제2 기준 주파수로 설정된 상태에서 워킹 코일(132)이 구동된 이후, 제어기(2)는 결정된 전력 제어 모드에 기초하여 워킹 코일(132)의 출력 전력값을 워킹 코일(132)의 요구 전력값과 일치하도록 조절한다(808).
예를 들어 워킹 코일(132)의 동작 모드가 주파수 2배 모드이고 전력 제어 모드가 비대칭 펄스 폭 변조 모드일 때, 제어기(2)는 제1 스위칭 신호(S1)의 듀티비를 증가시켜 워킹 코일(132)의 출력 전력값을 증가시키거나 제1 스위칭 신호(S1)의 듀티비를 감소시켜 워킹 코일(132)의 출력 전력값을 감소시킴으로써 워킹 코일(132)의 출력 전력값을 워킹 코일(132)의 요구 전력값과 일치하도록 조절할 수 있다.
다른 예로, 워킹 코일(132)의 동작 모드가 풀 브릿지 모드이고 전력 제어 모드가 위상 변이 모드일 때, 제어기(2)는 제1 스위칭 신호(S1) 및 제4 스위칭 신호(S4) 간의 위상차를 감소시켜 워킹 코일(132)의 출력 전력값을 증가시키거나 제1 스위칭 신호(S1) 및 제4 스위칭 신호(S4) 간의 위상차를 증가시켜 워킹 코일(132)의 출력 전력값을 감소시킴으로써 워킹 코일(132)의 출력 전력값을 워킹 코일(132)의 요구 전력값과 일치하도록 조절할 수 있다.
도 18은 본 발명의 일 실시예에 따른 유도 가열 장치의 제어 방법을 나타내는 흐름도이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 유도 가열 장치(10)의 제어기(2)는 워킹 코일(132)의 구동 주파수를 미리 정해진 제1 기준 주파수로 설정하여 워킹 코일(132)을 구동시킨다. 제어기(2)는 워킹 코일(132)이 제1 기준 주파수로 설정된 상태에서 워킹 코일(132)의 상부에 배치된 용기의 저항값에 기초하여 유도 가열 장치(10)의 동작 모드를 결정한다(802).
도 19는 본 발명의 일 실시예에서 제어기가 유도 가열 장치의 동작 모드를 결정하는 방법을 나타내는 흐름도이다.
제어기(2)는 워킹 코일(132)의 구동 주파수를 최소 주파수(fmin)의 2배, 즉 2×fmin으로 설정하고(902), 워킹 코일(132)을 구동시켜 용기의 저항값을 산출한다.
제어기(2)는 용기의 저항값을 미리 정해진 제1 기준 저항값(K1)과 비교한다(904).
단계(904)의 비교 결과 용기의 저항값이 제1 기준 저항값(K1)보다 작으면, 제어기(2)는 유도 가열 장치(10)의 동작 모드를 주파수 2배 모드로 설정하고(906), 단계(804)를 수행한다.
단계(904)의 비교 결과 용기의 저항값이 제1 기준 저항값(K1)보다 작지 않으면, 제어기(2)는 워킹 코일(132)의 구동 주파수를 최소 주파수(fmin)로 설정하고(908), 워킹 코일(132)을 구동시켜 용기의 저항값을 산출한다.
제어기(2)는 용기의 저항값을 미리 정해진 제2 기준 저항값(K2)과 비교한다(910).
단계(910)의 비교 결과 용기의 저항값이 제2 기준 저항값(K2)보다 작으면, 제어기(2)는 유도 가열 장치(10)의 동작 모드를 하프 브릿지 모드로 설정하고(912), 단계(804)를 수행한다.
단계(910)의 비교 결과 용기의 저항값이 제2 기준 저항값(K2)보다 작지 않으면, 제어기(2)는 유도 가열 장치(10)의 동작 모드를 풀 브릿지 모드로 설정한다(914).
유도 가열 장치(10)의 동작 모드가 풀 브릿지 모드로 설정된 상태에서, 제어기(2)는 용기의 저항값을 미리 정해진 제3 기준 저항값(K3)과 비교한다(916).
단계(916)의 비교 결과 용기의 저항값이 제3 기준 저항값(K3)보다 작지 않으면, 제어기(2)는 워킹 코일(132)의 전력값을 미리 정해진 제한 전력값 이하로 제한하고(918), 단계(804)를 수행한다.
단계(916)의 비교 결과 용기의 저항값이 제3 기준 저항값(K3)보다 작으면, 제어기(2)는 워킹 코일(132)의 전력값을 제한하지 않고 단계(804)를 수행한다.
다시 도 18을 참조하면, 단계(802)에서 유도 가열 장치(10)의 동작 모드가 결정되면, 제어기(2)는 유도 가열 장치(10)의 동작 모드에 대응되는 유도 가열 장치(10)의 전력 제어 모드를 결정한다(804).
본 발명의 일 실시예에서, 유도 가열 장치(10)의 전력 제어 모드를 결정하는 단계(804)는 유도 가열 장치(10)의 동작 모드가 주파수 2배 모드 및 하프 브릿지 모드 중 어느 하나이면 유도 가열 장치(10)의 전력 제어 모드를 비대칭 펄스 폭 변조 모드로 결정하는 단계를 포함한다.
또한 본 발명의 일 실시예에서, 유도 가열 장치(10)의 전력 제어 모드를 결정하는 단계(804)는 유도 가열 장치(10)의 동작 모드가 풀 브릿지 모드이면 유도 가열 장치(10)의 전력 제어 모드를 비대칭 펄스 폭 변조 모드 및 위상 변이 모드 중 어느 하나로 결정하는 단계를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에서, 유도 가열 장치(10)의 전력 제어 모드가 비대칭 펄스 폭 변조 모드이면 인버터 회로(204)에 입력되는 상보적인 스위칭 신호들의 듀티비가 비대칭적으로 설정될 수 있다.
또한 본 발명의 일 실시예에서, 유도 가열 장치(10)의 전력 제어 모드가 위상 변이 모드이면 인버터 회로(204)에 입력되는 서로 대응되는 스위칭 신호들이 위상차를 갖도록 설정될 수 있다.
유도 가열 장치(10)의 전력 제어 모드가 결정되면, 제어기(2)는 워킹 코일(132)의 구동 주파수를 제2 기준 주파수로 설정하고, 워킹 코일(132)을 구동시킨다(806).
본 발명의 일 실시예에서, 제2 기준 주파수는 워킹 코일(132)의 최소 주파수(fmin)로 설정될 수 있다. 이에 따라서 각각의 동작 모드에서 워킹 코일(132)의 출력 전력값은 최소 주파수(fmin)와 대응되는 최대 전력값(Pmax)이 된다. 그러나 제2 기준 주파수는 실시예에 따라서 최소 주파수가 아닌 다른 값으로 설정될 수도 있다.
워킹 코일(132)이 구동되면, 제어기(2)는 유도 가열 장치(10)의 전력 제어 모드에 기초하여 워킹 코일(132)의 출력 전력값을 워킹 코일(132)의 요구 전력값과 일치하도록 조절한다(808).
본 발명의 일 실시예에서, 워킹 코일(132)의 출력 전력값을 워킹 코일(132)의 요구 전력값과 일치하도록 조절하는 단계(808)는 유도 가열 장치(10)의 전력 제어 모드가 비대칭 펄스 폭 변조 모드이면 인버터 회로(204)에 입력되는 스위칭 신호의 듀티비를 조절하여 워킹 코일(132)의 출력 전력값을 조절하는 단계를 포함한다.
또한 본 발명의 일 실시예에서, 워킹 코일(132)의 출력 전력값을 워킹 코일(132)의 요구 전력값과 일치하도록 조절하는 단계(808)는 유도 가열 장치(10)의 전력 제어 모드가 위상 변이 모드이면 인버터 회로(204)에 입력되는 서로 대응되는 스위칭 신호들 간의 위상차를 조절하여 워킹 코일(132)의 출력 전력값을 조절하는 단계를 포함한다.
이상과 같이 본 발명에 대해서 예시한 도면을 참조로 하여 설명하였으나, 본 명세서에 개시된 실시 예와 도면에 의해 본 발명이 한정되는 것은 아니며, 본 명세서의 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 않았을지라도, 해당 구성에 의해 예측 가능한 효과 또한 인정되어야 함은 당연하다.

Claims (24)

  1. 워킹 코일의 구동 주파수를 미리 정해진 제1 기준 주파수로 설정한 상태에서 상기 워킹 코일의 상부에 배치된 용기의 저항값에 기초하여 유도 가열 장치의 동작 모드를 결정하는 단계;
    상기 유도 가열 장치의 동작 모드에 대응되는 상기 유도 가열 장치의 전력 제어 모드를 결정하는 단계;
    상기 워킹 코일의 구동 주파수를 미리 정해진 제2 기준 주파수로 설정한 상태에서 워킹 코일을 구동시키는 단계; 및
    상기 유도 가열 장치의 전력 제어 모드에 기초하여 상기 워킹 코일의 출력 전력값을 상기 워킹 코일의 요구 전력값과 일치하도록 조절하는 단계를 포함하고,
    상기 유도 가열 장치의 전력 제어 모드는
    비대칭 펄스 폭 변조 모드 및 위상 변이 모드 중 어느 하나로 결정되는
    유도 가열 장치의 제어 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 워킹 코일의 상부에 배치된 용기의 저항값에 기초하여 유도 가열 장치의 동작 모드를 결정하는 단계는
    상기 제1 기준 주파수가 상기 워킹 코일의 최소 주파수의 2배로 설정된 상태에서 상기 용기의 저항값이 미리 정해진 제1 기준 저항값보다 작으면 상기 유도 가열 장치의 동작 모드를 주파수 2배 모드로 결정하는 단계를 포함하는
    유도 가열 장치의 제어 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 워킹 코일의 상부에 배치된 용기의 저항값에 기초하여 유도 가열 장치의 동작 모드를 결정하는 단계는
    상기 제1 기준 주파수가 상기 워킹 코일의 최소 주파수로 설정된 상태에서 상기 용기의 저항값이 미리 정해진 제2 기준 저항값보다 작으면 상기 유도 가열 장치의 동작 모드를 하프 브릿지 모드로 결정하는 단계를 포함하는
    유도 가열 장치의 제어 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 워킹 코일의 상부에 배치된 용기의 저항값에 기초하여 유도 가열 장치의 동작 모드를 결정하는 단계는
    상기 제1 기준 주파수가 상기 워킹 코일의 최소 주파수로 설정된 상태에서 상기 용기의 저항값이 미리 정해진 제2 기준 저항값보다 작지 않으면 상기 유도 가열 장치의 동작 모드를 풀 브릿지 모드로 결정하는 단계를 포함하는
    유도 가열 장치의 제어 방법.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제1 기준 주파수가 상기 워킹 코일의 최소 주파수로 설정된 상태에서 상기 용기의 저항값이 미리 정해진 제3 기준 저항값보다 작지 않으면 상기 워킹 코일의 전력값을 미리 정해진 제한 전력값 이하로 제한하는 단계를 더 포함하는
    유도 가열 장치의 제어 방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 유도 가열 장치의 동작 모드에 대응되는 상기 유도 가열 장치의 전력 제어 모드를 결정하는 단계는
    상기 유도 가열 장치의 동작 모드가 주파수 2배 모드 및 하프 브릿지 모드 중 어느 하나이면 상기 유도 가열 장치의 전력 제어 모드를 상기 비대칭 펄스 폭 변조 모드로 결정하는 단계를 포함하는
    유도 가열 장치의 제어 방법.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 유도 가열 장치의 동작 모드에 대응되는 상기 유도 가열 장치의 전력 제어 모드를 결정하는 단계는
    상기 유도 가열 장치의 동작 모드가 풀 브릿지 모드이면 상기 유도 가열 장치의 전력 제어 모드를 상기 비대칭 펄스 폭 변조 모드 및 상기 위상 변이 모드 중 어느 하나로 결정하는 단계를 포함하는
    유도 가열 장치의 제어 방법.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 제2 기준 주파수는
    상기 워킹 코일의 최소 주파수로 설정되는
    유도 가열 장치의 제어 방법.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 유도 가열 장치의 전력 제어 모드가 상기 비대칭 펄스 폭 변조 모드이면 인버터 회로에 입력되는 상보적인 스위칭 신호들의 듀티비가 비대칭적으로 설정되는
    유도 가열 장치의 제어 방법.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 유도 가열 장치의 전력 제어 모드에 기초하여 상기 워킹 코일의 출력 전력값을 상기 워킹 코일의 요구 전력값과 일치하도록 조절하는 단계는
    상기 유도 가열 장치의 전력 제어 모드가 상기 비대칭 펄스 폭 변조 모드이면 인버터 회로에 입력되는 스위칭 신호의 듀티비를 조절하여 상기 워킹 코일의 출력 전력값을 조절하는 단계를 포함하는
    유도 가열 장치의 제어 방법.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 유도 가열 장치의 전력 제어 모드가 상기 위상 변이 모드이면 인버터 회로에 입력되는 서로 대응되는 스위칭 신호들이 위상차를 갖도록 설정되는
    유도 가열 장치의 제어 방법.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 유도 가열 장치의 전력 제어 모드에 기초하여 상기 워킹 코일의 출력 전력값을 상기 워킹 코일의 요구 전력값과 일치하도록 조절하는 단계는
    상기 유도 가열 장치의 전력 제어 모드가 상기 위상 변이 모드이면 인버터 회로에 입력되는 서로 대응되는 스위칭 신호들 간의 위상차를 조절하여 상기 워킹 코일의 출력 전력값을 조절하는 단계를 포함하는
    유도 가열 장치의 제어 방법.
  13. 워킹 코일;
    다수의 스위칭 소자를 포함하며 상기 워킹 코일에 전류를 공급하는 인버터 회로; 및
    상기 워킹 코일의 구동 주파수를 미리 정해진 제1 기준 주파수로 설정하고, 상기 워킹 코일의 상부에 배치된 용기의 저항값에 기초하여 유도 가열 장치의 동작 모드를 결정하고, 상기 유도 가열 장치의 동작 모드에 대응되는 상기 유도 가열 장치의 전력 제어 모드를 결정하고, 상기 워킹 코일의 구동 주파수를 미리 정해진 제2 기준 주파수로 설정한 상태에서 워킹 코일을 구동시키고, 상기 유도 가열 장치의 전력 제어 모드에 기초하여 상기 워킹 코일의 출력 전력값을 상기 워킹 코일의 요구 전력값과 일치하도록 조절하는 제어기를 포함하고,
    상기 유도 가열 장치의 전력 제어 모드는
    비대칭 펄스 폭 변조 모드 및 위상 변이 모드 중 어느 하나로 결정되는
    유도 가열 장치.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 제어기는
    상기 제1 기준 주파수가 상기 워킹 코일의 최소 주파수의 2배로 설정된 상태에서 상기 용기의 저항값이 미리 정해진 제1 기준 저항값보다 작으면 상기 유도 가열 장치의 동작 모드를 주파수 2배 모드로 결정하는
    유도 가열 장치.
  15. 제13항에 있어서,
    상기 제어기는
    상기 제1 기준 주파수가 상기 워킹 코일의 최소 주파수로 설정된 상태에서 상기 용기의 저항값이 미리 정해진 제2 기준 저항값보다 작으면 상기 유도 가열 장치의 동작 모드를 하프 브릿지 모드로 결정하는
    유도 가열 장치.
  16. 제13항에 있어서,
    상기 제어기는
    상기 제1 기준 주파수가 상기 워킹 코일의 최소 주파수로 설정된 상태에서 상기 용기의 저항값이 미리 정해진 제2 기준 저항값보다 작지 않으면 상기 유도 가열 장치의 동작 모드를 풀 브릿지 모드로 결정하는
    유도 가열 장치.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 제어기는
    상기 제1 기준 주파수가 상기 워킹 코일의 최소 주파수로 설정된 상태에서 상기 용기의 저항값이 미리 정해진 제3 기준 저항값보다 작지 않으면 상기 워킹 코일의 전력값을 미리 정해진 제한 전력값 이하로 제한하는
    유도 가열 장치.
  18. 제13항에 있어서,
    상기 제어기는
    상기 유도 가열 장치의 동작 모드가 주파수 2배 모드 및 하프 브릿지 모드 중 어느 하나이면 상기 유도 가열 장치의 전력 제어 모드를 상기 비대칭 펄스 폭 변조 모드로 결정하는
    유도 가열 장치.
  19. 제13항에 있어서,
    상기 제어기는
    상기 유도 가열 장치의 동작 모드가 풀 브릿지 모드이면 상기 유도 가열 장치의 전력 제어 모드를 상기 비대칭 펄스 폭 변조 모드 및 상기 위상 변이 모드 중 어느 하나로 결정하는
    유도 가열 장치.
  20. 제13항에 있어서,
    상기 제2 기준 주파수는
    상기 워킹 코일의 최소 주파수로 설정되는
    유도 가열 장치.
  21. 제13항에 있어서,
    상기 유도 가열 장치의 전력 제어 모드가 상기 비대칭 펄스 폭 변조 모드이면 인버터 회로에 입력되는 상보적인 스위칭 신호들의 듀티비가 비대칭적으로 설정되는
    유도 가열 장치.
  22. 제13항에 있어서,
    상기 제어기는
    상기 유도 가열 장치의 전력 제어 모드가 상기 비대칭 펄스 폭 변조 모드이면 인버터 회로에 입력되는 스위칭 신호의 듀티비를 조절하여 상기 워킹 코일의 출력 전력값을 조절하는
    유도 가열 장치.
  23. 제13항에 있어서,
    상기 유도 가열 장치의 전력 제어 모드가 상기 위상 변이 모드이면 인버터 회로에 입력되는 서로 대응되는 스위칭 신호들이 위상차를 갖도록 설정되는
    유도 가열 장치.
  24. 제13항에 있어서,
    상기 제어기는
    상기 유도 가열 장치의 전력 제어 모드가 상기 위상 변이 모드이면 인버터 회로에 입력되는 서로 대응되는 스위칭 신호들 간의 위상차를 조절하여 상기 워킹 코일의 출력 전력값을 조절하는
    유도 가열 장치.
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Families Citing this family (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB201721612D0 (en) * 2017-12-21 2018-02-07 British American Tobacco Investments Ltd Circuitry for a plurality of induction elements for an aerosol generating device
US20220364488A1 (en) * 2021-05-16 2022-11-17 Eaton Intelligent Power Limited Aftertreatment heater power electronics
DE102022200166A1 (de) * 2022-01-10 2023-07-13 E.G.O. Elektro-Gerätebau GmbH Verfahren und Vorrichtung zum Messen einer Leistung an einer Induktionsheizspule
TWI827456B (zh) * 2023-01-30 2023-12-21 新唐科技股份有限公司 具有過溫保護機制的全橋電路模組與電路系統

Family Cites Families (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP4613585B2 (ja) * 2004-11-05 2011-01-19 パナソニック株式会社 誘導加熱装置
JP4799523B2 (ja) * 2007-10-15 2011-10-26 三菱電機株式会社 誘導加熱調理器
JP4909968B2 (ja) 2008-09-29 2012-04-04 日立アプライアンス株式会社 電磁誘導加熱装置
CN102177765B (zh) 2008-10-08 2013-10-02 松下电器产业株式会社 感应加热装置
WO2014068647A1 (ja) 2012-10-30 2014-05-08 三菱電機株式会社 誘導加熱調理器
KR20180002247A (ko) * 2016-06-29 2018-01-08 (주)쿠첸 전기 레인지 및 전기 레인지의 제어 방법
KR20180069532A (ko) 2016-12-15 2018-06-25 엘지전자 주식회사 전자 유도 가열 조리기 및 그의 동작 방법
KR102172413B1 (ko) 2017-10-11 2020-10-30 엘지전자 주식회사 유도 가열 장치
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KR102201189B1 (ko) * 2019-09-05 2021-01-08 엘지전자 주식회사 유도 가열 장치

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