KR20230140233A - 전자담배의 에어로졸 형성 물품을 가열하기 위한 전자기 유도 가열 장치 - Google Patents

전자담배의 에어로졸 형성 물품을 가열하기 위한 전자기 유도 가열 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 전자담배의 에어로졸 형성 물품을 가열하기 위한 전자기 유도 가열 장치에 관한 것이다.
본 발명은 DC 전원을 공급하는 전원부, 상기 전원부로부터 상기 DC 전원을 공급받아 동작하며 차동 구조를 갖는 한 쌍의 트랜지스터 스위치로 이루어진 스위치부, 상기 스위치부의 출력단에 연결되어 있으며 상기 전자담배의 에어로졸 형성 물품을 가열하는 발열체의 인덕터 성분과 전자기 유도 결합되는 공진 인덕터 및 상기 공진 인덕터에 병렬 연결된 공진 커패시터로 이루어진 LC 공진 네트워크를 포함하는 전력 증폭기 및 상기 전력 증폭기의 동작을 제어하여 상기 발열체의 온도를 조절하는 구동부를 포함한다.
본 발명에 따르면, 발열체를 사용하여 전자담배의 에어로졸 형성 물품을 가열하는 과정에서 전력 사용률을 극대화할 수 있고, 장치의 구현 및 제작 난이도를 낮출 수 있고, 발열체의 가열 온도를 적응적으로 조절할 수 있는 효과가 있다.

Description

전자담배의 에어로졸 형성 물품을 가열하기 위한 전자기 유도 가열 장치{ELECTROMAGNETIC INDUCTION HEATING APPARATUS FOR HEATING AN AEROSOL-FORMING ARTICLE OF AN ELECTRONIC CIGARETTE}
본 발명은 발열체를 사용하여 전자담배의 에어로졸 형성 물품을 가열하기 위한 전자기 유도 가열 장치에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명은 발열체를 사용하여 전자담배의 에어로졸 형성 물품을 가열하는 과정에서 전력 사용률을 극대화할 수 있고, 장치의 구현 및 제작 난이도를 낮출 수 있고, 발열체의 가열 온도를 적응적으로 조절할 수 있는 전자담배의 에어로졸 형성 물품을 가열하기 위한 전자기 유도 가열 장치에 관한 것이다.
일반적으로, 궐련을 대체하기 위한 에어로졸 형성 담배 함유 물품을 사용하는 전자 장치들이 공지되어 있다.
에어로졸 형성을 위한 종래 기술의 하나로, 가열 가능한 금속 발열체를 사용하여 저항성 발열을 유도하고, 에어로졸 형성 물품에 이 금속 발열체가 직접 접촉하여 휘발 성분을 방출할 수 있는 온도까지 에어로졸 형성 물품을 가열하는 저항성 발열 유도 방식이 있다. 이러한 저항성 발열 유도 방식에 따르면, 금속 발열체는 가열 블레이드 (heating blade), 가열 스피어 (heating spear), 가열 캔 (heating can) 등 금속 성분 물체를 사용하여 다양한 형태를 갖도록 구현될 수 있다.
에어로졸 형성을 위한 다른 종래 기술로, 가열 가능한 금속 발열체의 온도를 높이기 위해 와류를 발생시켜 전력 손실에 대응하는 발열 특성을 이용하는 전자기 유도형 가열 방식이 있다. 이러한 전자기 유도형 가열 방식에 따르면, 인덕터를 포함하는 LC 형태의 공진 네트워크에 교류 자기장을 발생시켜 금속 발열체의 온도를 상승시키고, 금속 발열체에 접촉된 에어로졸 형성 물품은 휘발 성분을 방출하는 온도까지 가열된다. 이때의 금속 발열체는 저항성 발열체와 마찬가지로 금속 성분을 사용하여 다양한 형태를 갖도록 구현될 수 있다.
저항성 발열 유도 방식에 따르면 발열체가 반드시 전자 장치에 물리적으로 접촉되어야 하는 반면, 전자기 유도형 가열 방식에 따르면 발열체가 전자 장치에 물리적으로 접촉 또는 접촉되지 않아도 발열체 가열이 가능하다.
이와 같은 전자기 유도형 가열 방식은 저항성 발열 방식에 비해 발열체를 빠르게 목표한 온도까지 상승시킬 수 있으며, 비교적 높은 전력 사용률을 통해 제한된 전력을 사용시 사용자에게 높은 사용 편의성을 제공할 수 있다.
이하에서는 전자기 유도형 가열 기술인 공개특허공보 제10-2020-0003938호를 인용하여 종래의 전자기 유도형 가열 기술의 문제점을 설명한다.
도 1은 공개특허공보 제10-2020-0003938호에 공개된 클래스-E 전력 증폭기 구조를 나타낸 도면이다.
도 1을 참조하면, 공개특허공보 제10-2020-0003938호는 가열의 신속성 및 작은 크기의 장치 형성을 위해 클래스-E 구조의 전력 증폭기를 이용한다. 클래스-E 전력 증폭기는 인덕터와 커패시터의 직렬 연결형태를 포함하는 LC 부하 네트워크를 포함하며 단일 스위치만으로 동작하기 때문에 작은 장치 형성에 적합하다고 할 수 있다. 또한 스위치 모드로 동작하는 전력 증폭기이기 때문에 여타 선형 모드 전력 증폭기에 비해 전자기 유도 가열에 적합하여 신속히 발열체를 가열하여 에어로졸 형성에 효과적이라 할 수 있다.
그러나, 클래스-E 전력 증폭기는 구조 및 동작 특성상 스위치(도 1의 부호 1320)에 매우 높은 드레인-소스 피크 전압을 갖게 되어 높은 항복 전압을 갖는 스위치 소자를 반드시 필요로 한다. 이는 장치를 구현하는데 있어 부품 사용의 제약 및 단가 상승의 매우 큰 장벽으로 작용할 것이다.
또한 클래스-E 전력 증폭기는 높은 드레인-소스 피크 전압과 더불어 피크 형태의 전류파형 특성을 갖기 때문에 전력 증폭기의 전력 이용률을 저하시키는 단점을 갖고 있다.
1977년 12월 IEEE Transactions on Circuits and Systems, vol. CAS-24, NO.:12, 725-735 쪽에 공개된 논문 (“Idealized Operation of the Class E Tuned Power Amplifier”, F.H. Raab)에 상세히 설명된 바와 같이 클래스-E 전력 증폭기의 전력 이용률은 0.0981로 매우 낮은 수치를 보이며, 이는 스위치에 인가되는 높은 피크 전압(3.56)과 높은 피크 전류(2.86) 수치에 기인한다고 볼 수 있다.
상기 기술된 바와 같이, 클래스-E 전력 증폭기를 사용한 전자기 유도 가열 장치는 특히 제한적인 전압, 전류원(배터리 또는 커패시터)을 사용하는 응용분야(좁게는 전자담배)에서 사용자에게 반복되는 충전 과정을 요구한다는 문제점이 있다.
또한 상기 기술된 바와 같이, 클래스-E 전력 증폭기를 사용한 전자기 유도 가열 장치는 장치의 안정적인 동작을 보장하기 위해 사용 전압원 보다 수 배 높은(일반적으로 3.56배, 높게는 7배) 항복 전압을 갖는 스위치를 필요로 하기 때문에 장치 구현의 난이도가 매우 높다는 문제점이 있다.
공개특허공보 제10-2020-0003938호(공개일자: 2020년 01월 10일, 명칭: 에어로졸 형성 기재를 가열하기 위한 유도 가열 장치)
본 발명의 기술적 과제는 발열체를 사용하여 전자담배의 에어로졸 형성 물품을 가열하는 과정에서 전력 사용률을 극대화할 수 있고, 장치의 구현 및 제작 난이도를 낮출 수 있고, 발열체의 가열 온도를 적응적으로 조절할 수 있는 전자담배의 에어로졸 형성 물품을 가열하기 위한 전자기 유도 가열 장치를 제공하는 것이다.
이러한 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명에 따른 전자담배의 에어로졸 형성 물품을 가열하기 위한 전자기 유도 가열 장치는 DC 전원을 공급하는 전원부, 상기 전원부로부터 상기 DC 전원을 공급받아 동작하며 차동 구조를 갖는 한 쌍의 트랜지스터 스위치로 이루어진 스위치부, 상기 스위치부의 출력단에 연결되어 있으며 상기 전자담배의 에어로졸 형성 물품을 가열하는 발열체의 인덕터 성분과 전자기 유도 결합되는 공진 인덕터 및 상기 공진 인덕터에 병렬 연결된 공진 커패시터로 이루어진 LC 공진 네트워크를 포함하는 전력 증폭기 및 상기 전력 증폭기의 동작을 제어하여 상기 발열체의 온도를 조절하는 구동부를 포함한다.
본 발명에 따른 전자담배의 에어로졸 형성 물품을 가열하기 위한 전자기 유도 가열 장치에 있어서, 상기 전력 증폭기는 전류모드 클래스-D 전력 증폭기이고, 상기 전력 증폭기를 구성하는 스위치부는 상기 LC 공진 네트워크의 공진을 유도하여 상기 발열체로 전력을 전달하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 전자담배의 에어로졸 형성 물품을 가열하기 위한 전자기 유도 가열 장치에 있어서, 상기 전력 증폭기는 상기 스위치부를 구성하는 제1 트랜지스터 스위치의 드레인과 상기 전원부 사이에 설치된 제1 초크 인덕터 및 상기 스위치부를 구성하는 제2 트랜지스터 스위치의 드레인과 상기 전원부 사이에 설치된 제2 초크 인덕터를 더 포함하고, 상기 LC 공진 네트워크는 상기 제1 트랜지스터 스위치의 드레인과 상기 제2 트랜지스터 스위치의 드레인에 연결되어 있는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 전자담배의 에어로졸 형성 물품을 가열하기 위한 전자기 유도 가열 장치에 있어서, 상기 구동부는 상기 LC 공진 네트워크의 전압에 따라 상기 발열체의 저항치 변화를 산출하여 상기 발열체의 온도 변화를 추정하고, 추정된 온도 변화에 따라 상기 전력 증폭기의 동작을 제어하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 전자담배의 에어로졸 형성 물품을 가열하기 위한 전자기 유도 가열 장치에 있어서, 상기 구동부는 상기 LC 공진 네트워크의 전압을 감지하는 감지회로, 상기 감지회로에 의해 감지된 상기 LC 공진 네트워크의 전압에 따라 상기 발열체의 저항치 변화를 산출하여 상기 발열체의 온도 변화를 추정하고, 추정된 상기 발열체의 온도 변화에 따라 상기 발열체의 온도를 제어하기 위한 발열체 온도 제어신호를 생성하는 MCU 및 상기 MCU로부터 전달받은 발열체 온도 제어신호에 따라 상기 스위치부를 구성하는 한 쌍의 트랜지스터 스위치를 차동 구동하기 위한 스위치 구동신호를 생성하는 스위치 드라이버를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 전자담배의 에어로졸 형성 물품을 가열하기 위한 전자기 유도 가열 장치에 있어서, 상기 구동부는 상기 전력 증폭기의 사용 전류에 따라 상기 발열체의 저항치 변화를 산출하고, 산출된 저항치 변화에 따라 상기 전력 증폭기의 동작을 제어하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 전자담배의 에어로졸 형성 물품을 가열하기 위한 전자기 유도 가열 장치에 있어서, 상기 구동부는 상기 전력 증폭기의 사용 전류를 감지하는 감지회로, 상기 감지회로에 의해 감지된 상기 전력 증폭기의 사용 전류에 따라 상기 발열체의 저항치 변화를 산출하고, 상기 발열체의 산출된 저항치 변화에 따라 상기 발열체의 온도를 제어하기 위한 발열체 온도 제어신호를 생성하는 MCU 및 상기 MCU로부터 전달받은 발열체 온도 제어신호에 따라 상기 스위치부를 구성하는 한 쌍의 트랜지스터 스위치를 차동 구동하기 위한 스위치 구동신호를 생성하는 스위치 드라이버를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 전자담배의 에어로졸 형성 물품을 가열하기 위한 전자기 유도 가열 장치에 있어서, 상기 스위치부를 구성하는 한 쌍의 트랜지스터 스위치의 동작 주파수는 0.1MHz 내지 27.283MHz인 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 전자담배의 에어로졸 형성 물품을 가열하기 위한 전자기 유도 가열 장치에 있어서, 상기 전원부는 충전식 DC 배터리를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 발열체를 사용하여 전자담배의 에어로졸 형성 물품을 가열하는 과정에서 전력 사용률을 극대화할 수 있고, 장치의 구현 및 제작 난이도를 낮출 수 있고, 발열체의 가열 온도를 적응적으로 조절할 수 있는 전자담배의 에어로졸 형성 물품을 가열하기 위한 전자기 유도 가열 장치가 제공되는 효과가 있다.
도 1은 종래기술에 공개된 클래스-E 전력 증폭기 구조를 나타낸 도면이고,
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 전자담배의 에어로졸 형성 물품을 가열하기 위한 전자기 유도 가열 장치를 개념적으로 나타낸 블록도이고,
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 전자담배의 에어로졸 형성 물품을 가열하기 위한 전자기 유도 가열 장치의 회로도이고,
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 있어서, 발열체가 포함된 예를 나타낸 도면이고,
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 있어서, 발열체의 부하 저항 변화에 따라 변화하는 LC 공진 전압 신호를 나타낸 도면이고,
도 6은 본 발명의 일 실시 예에 적용되는 전류모드 클래스-D 전력 증폭기의 동작을 설명하기 위한 도면이고,
도 7 및 도 8은 전류모드 클래스-D 전력 증폭기를 구성하는 한 쌍의 트랜지스터 스위치(M1, M2)가 on/off 동작시 인가되는 최대 드레인-소스 피크 전압 및 전류를 나타낸 도면이고,
도 9는 전류모드 클래스-D 전력 증폭기 동작시의 드레인-소스의 피크 전압과 전류 특성을 시뮬레이션 한 결과를 나타낸 도면이고,
도 10은 본 발명의 일 실시 예에 있어서, 전류모드 클래스-D 전력 증폭기가 6.78MHz로 동작하는 경우 부하 저항 (각 2Ω, 1Ω, 0.5Ω) 변화에 따라 LC 공진 네트워크의 피크 전압의 변화를 시뮬레이션 한 결과를 나타낸 도면이다.
본 명세서에 개시된 본 발명의 개념에 따른 실시 예들에 대해서 특정한 구조적 또는 기능적 설명은 단지 본 발명의 개념에 따른 실시 예들을 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로서, 본 발명의 개념에 따른 실시 예들은 다양한 형태들로 실시될 수 있으며 본 명세서에 설명된 실시 예들에 한정되지 않는다.
본 발명의 개념에 따른 실시 예들은 다양한 변경들을 가할 수 있고 여러 가지 형태들을 가질 수 있으므로 실시 예들을 도면에 예시하고 본 명세서에서 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명의 개념에 따른 실시 예들을 특정한 개시 형태들에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물, 또는 대체물을 포함한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어는 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 나타낸다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의된 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 갖는 것으로 해석되어야 하며, 본 명세서에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하에서는, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 상세히 설명한다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 전자담배의 에어로졸 형성 물품을 가열하기 위한 전자기 유도 가열 장치를 개념적으로 나타낸 블록도이고, 도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 전자담배의 에어로졸 형성 물품을 가열하기 위한 전자기 유도 가열 장치의 회로도이고, 도 4는 본 발명의 일 실시 예에 있어서, 발열체가 포함된 예를 나타낸 도면이고, 도 5는 본 발명의 일 실시 예에 있어서, 발열체의 부하 저항 변화에 따라 변화하는 LC 공진 전압 신호를 나타낸 도면이다.
도 2 내지 도 5를 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 전자담배의 에어로졸 형성 물품을 가열하기 위한 전자기 유도 가열 장치는 전원부(10), 구동부(20) 및 전력 증폭기(30)를 포함하여 구성된다.
전원부(10)는 DC 전원을 공급하는 구성요소로서, 예를 들어, 전원부(10)는 충전식 DC 배터리를 포함하여 구성될 수 있다.
전력 증폭기(30)는 스위치부(32), LC 공진 네트워크(34) 및 초크 인덕터부(36)를 포함하여 구성될 수 있다.
스위치부(32)는 전원부(10)로부터 DC 전원을 공급받아 동작하며 차동(differential) 구조를 갖는 한 쌍의 트랜지스터 스위치(M1, M2)로 이루어진다.
예를 들어, 스위치부(32)를 구성하는 한 쌍의 트랜지스터 스위치(M1, M2)는 MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)일 수 있다.
또한, 전력 증폭기(30)는 전류모드 클래스-D 전력 증폭기이고, 전력 증폭기(30)를 구성하는 스위치부(32) LC 공진 네트워크(34)의 공진을 유도하여 발열체(40)로 전력을 전달하도록 구성될 수 있다.
LC 공진 네트워크(34)는 스위치부(32)의 출력단에 연결되어 있으며 전자담배의 에어로졸 형성 물품을 가열하는 발열체(40)의 인덕터 성분과 전자기 유도 결합되는 공진 인덕터(L1) 및 이 공진 인덕터(L1)에 병렬 연결된 공진 커패시터(C1)로 이루어진다.
예를 들어, 스위치부(32)가 차동 동작 구조로 결합된 2개의 MOSFET 소자로 구성되는 경우, LC 공진 네트워크(34)는 제1 트랜지스터 스위치(M1)의 드레인과 제2 트랜지스터 스위치(M2)의 드레인에 전기적으로 연결될 수 있다.
초크 인덕터부(36)는 스위치부(32)를 구성하는 제1 트랜지스터 스위치(M1)의 드레인과 전원부(10) 사이에 설치된 제1 초크 인덕터(L2) 및 스위치부(32)를 구성하는 제2 트랜지스터 스위치(M2)의 드레인과 전원부(10) 사이에 설치된 제2 초크 인덕터(L3)를 포함하도록 구성될 수 있다.
구동부(20)는 전력 증폭기(30)의 동작을 제어하여 발열체(40)의 온도를 조절하는 구성요소이다.
하나의 예로, 구동부(20)는 LC 공진 네트워크(34)의 전압에 따라 발열체(40)의 저항치 변화를 산출하여 발열체(40)의 온도 변화를 추정하고, 추정된 온도 변화에 따라 전력 증폭기(30)의 동작을 제어하도록 구성될 수 있다.
이를 위한 구체적인 구성으로서, 구동부(20)는 감지회로(22), MCU(Main Control Unit, 24) 및 스위치 드라이버(26)를 포함하여 구성될 수 있다.
감지회로(22)는 LC 공진 네트워크(34)의 전압을 감지하여 MCU(24)로 전달한다.
MCU(24)는 감지회로(22)에 의해 감지된 LC 공진 네트워크(34)의 전압에 따라 발열체(40)의 저항치 변화를 산출하여 발열체(40)의 온도 변화를 추정하고, 추정된 발열체(40)의 온도 변화에 따라 발열체(40)의 온도를 제어하기 위한 발열체 온도 제어신호를 생성하여 스위치 드라이버(26)로 전달한다.
스위치 드라이버(26)는 MCU(24)로부터 전달받은 발열체 온도 제어신호에 따라 스위치부(32)를 구성하는 제1 트랜지스터 스위치(M1)와 제2 트랜지스터 스위치(M2)를 차동 구동하기 위한 스위치 구동신호를 생성하여 제1 트랜지스터 스위치(M1)와 제2 트랜지스터 스위치(M2)의 게이트로 전달한다.
다른 예로, 구동부(20)는 전력 증폭기(30)의 사용 전류에 따라 발열체(40)의 저항치 변화를 산출하고, 산출된 저항치 변화에 따라 전력 증폭기(30)의 동작을 제어하도록 구성될 수 있다.
이를 위한 구체적인 구성으로서, 구동부(20)는 감지회로(22), MCU(24) 및 스위치 드라이버(26)를 포함하여 구성될 수 있다.
감지회로(22)는 전력 증폭기(30)의 사용 전류를 감지하여 MCU(24)로 전달한다.
MCU(24)는 감지회로(22)에 의해 감지된 전력 증폭기(30)의 사용 전류에 따라 발열체(40)의 저항치 변화를 산출하고, 발열체(40)의 산출된 저항치 변화에 따라 발열체(40)의 온도를 제어하기 위한 발열체 온도 제어신호를 생성하여 스위치 드라이버(26)로 전달한다.
스위치 드라이버(26)는 MCU(24)로부터 전달받은 발열체 온도 제어신호에 따라 스위치부(32)를 구성하는 제1 트랜지스터 스위치(M1)와 제2 트랜지스터 스위치(M2)를 차동 구동하기 위한 스위치 구동신호를 생성하여 제1 트랜지스터 스위치(M1)와 제2 트랜지스터 스위치(M2)의 게이트로 전달한다.
예를 들어, 스위치부(32)를 구성하는 한 쌍의 트랜지스터 스위치(M1, M2)는 최대 수 GHz 동작도 가능하지만 장치가 목적하는 바와 물리적 구성요소를 고려해서 한 쌍의 트랜지스터 스위치(M1, M2)의 동작 주파수는 0.1MHz 내지 27.283MHz 범위에서 조정되도록 구성될 수 있다.
예를 들어, 발열체(40)의 온도를 감지하고 온도를 조정하기 위한 방법을 구현하기 위한 구동부(20)는 전자 흡연 장치의 체적을 최소화하기 위해 하나의 실리콘 칩 또는 하나의 패키지 형태로 구현되는 것이 바람직하다. 다만, 이에 한정되지는 않으며, 구동부(20)의 구성요소를 단일 부품으로 조합하여 구성할 수도 있다.
이하에서는 도 6 내지 도 10을 추가로 참조하여 본 발명을 보다 구체적이고 예시적으로 설명한다.
도 6은 본 발명의 일 실시 예에 적용되는 전류모드 클래스-D 전력 증폭기의 동작을 설명하기 위한 도면이고, 도 7 및 도 8은 전류모드 클래스-D 전력 증폭기를 구성하는 한 쌍의 트랜지스터 스위치(M1, M2)가 on/off 동작시 인가되는 최대 드레인-소스 피크 전압 및 전류를 나타낸 도면이다.
도 6 내지 도 8을 추가로 참조하면, 본 발명에서 실시하는 에어로졸 형성 물품 가열을 목적으로 하는 전자기 유도 가열 장치는 전류모드 클래스-D 전력 증폭기를 포함하고 있다. 이 전력 증폭기는 트랜지스터 스위치 한 쌍(M1, M2)과, 초크 인덕터 한 쌍(L2, L3) 및 LC 공진 네트워크(L1, C1)로 구성된다.
전류모드 클래스-D 전력 증폭기는 작은 크기의 장치 구현 필요성 및 제한된 전력을 사용하는 전자 흡연 장치를 구현하는데 있어 매우 유리하다.
도 6에 예시된 바와 같이, 차동형태로 동작하는 증폭기의 트랜지스터 스위치 한 쌍(M1, M2)에 각각 인가되는 드레인-소스 피크 전압(VDS1, VDS2)은 수식 1과 수식 2에 의해 해석될 수 있다.
[수식 1]
[수식 2]
이때 LC 공진 네트워크와 부하가 병렬로 연결된 전력 증폭기의 구조 특성상 고조파 성분은 단락되며, 기본 공진 주파수만이 부하에 인가되기 때문에 트랜지스터에 인가되는 전류는 사각파 형태를 가지며, 이때의 드레인 피크 전류(ID1, ID2)는 아래의 수식 3, 수식 4, 수식5에 의해 해석될 수 있다.
[수식 3]
[수식 4]
[수식 5]
수식 4를 참조하면, sq(ωt)는 무한개의 푸리에 계수를 포함하는 사각파를 의미하며, 트랜지스터 M1 과 M2 의 on/off 동작에 의해 ID(ωt)는 수식 5와 같은 최대 전류 값을 갖게 된다.
수식 2와 수식 5에 의해 정의되는 트랜지스터 스위치 한 쌍(M1, M2)이 on/off 동작시 인가되는 최대 드레인-소스 피크 전압 및 전류는 각각 도 7 및 도 8과 같이 도식화 할 수 있다.
앞서 설명한 바와 같이, 종래 기술인 클래스-E 구조 전력 증폭기의 특성인 트랜지스터 스위치에 인가되는 높은 드레인-소스 피크 전압(전압원의 약 3.56배)과 피크 형태의 전류파형 특성에 비해, 전류모드 클래스-D 전력 증폭기는 비교적 낮은 드레인-피크 전압 및 IDC의 2배 이하로 제한되는 사각파 형태의 전류파형 특성을 갖는다. 이와 같은 특성은 목표하는 장치 형성에 있어 트랜지스터의 사용 선택에 좀 더 폭넓은 선택의 폭을 제공하며 제작 가격을 낮추는데 도움을 줄 수 있다.
도 9는 전류모드 클래스-D 전력 증폭기 동작시의 드레인-소스의 피크 전압과 전류 특성을 시뮬레이션 한 결과를 나타낸 도면이다.
도 9에 개시된 시뮬레이션에서, 트랜지스터 스위치의 동작 주파수는 약 6.78MHz이며, 전압원(VDC)의 전압은 3.2V, 부하 저항은 1Ω이다.
이 시뮬레이션 결과를 통해 제1 및 제2 트랜지스터 스위치(M1, M2)에 인가되는 최대 피크 전압(VDS1, VDS2)은 VDC가 3.2V인 경우에서 약 10.1V로 수식 2를 통해 얻을 수 있는 수치 10.05V 와 매우 근사치임을 확인할 수 있다. 또한 IDC의 2배 이하로 제한되는 사각파 형태의 전류파형이 트랜지스터에 흐르는 것을 확인할 수 있다. 도 9의 피크점 A의 계측값은 9.583271㎲, 10.10566V이고, 피크점 B의 계측값은 9.658514㎲, 10.11498V이다.
상기의 수식 및 시뮬레이션 검증을 통해 전류모드 클래스-D 전력 증폭기가 갖는 전력이용률은 수식 6을 통해 계산할 수 있다.
[수식 6]
이때 P max 는 최대 전력이용률이며, P out 은 전력증폭기의 출력 전력이다. 차동구조로 동작하는 전력 증폭기의 출력 전력은 수식 7과 같으며, 이때 V F1 ,I F1 은 전압, 전류의 각 푸리에 급수 기본 주파수 성분을 나타낸다.
[수식 7]
시뮬레이션 결과와 같이 정현파 형태의 전압특성을 갖는 V F1 , 사각파 형태의 특성을 갖는 I F1 은 수식 8과 같이 정의할 수 있다.
[수식 8]
결국, 수식 7은 수식 8에 의해 수식 9로 나타나며, 이를 최대 전력이용률 수식 6에 적용하면 수식 10으로 간략화된다.
[수식 9]
[수식 10]
즉, 전류모드 클래스-D 전력 증폭기의 최대 전력 이용률은 약 0.32로 클래스-E 전력 증폭기의 전력 이용률 0.0981 대비 3.24배 높은 특성을 보이기 때문에 제한된 전력을 사용하는 응용분야(좁게는 전자담배)에서 사용자에게 좀 더 높은 편의성을 제공한다.
한편, 앞서 설명한 바와 같이, 본 발명의 일 실시 예에 따른 에어로졸 형성 물품을 가열하기 위한 전자기 유도 가열 장치는 DC 전압원인 전원부(10)의 입력 전력, 전력 증폭기(30)의 출력 전력 및 LC 공진 네트워크(34)의 전압을 감지하여 발열체(40)의 온도 변화를 유추할 수 있도록 프로그래밍된 MCU(24)가 전력 증폭기(30)의 동작 유무를 결정하는 구동부(20)를 포함하고 있다. 이는 비록 발열체(40)가 본 발명의 일 실시 예에 따른 에어로졸 형성 물품을 가열하기 위한 전자기 유도 가열 장치와 비접촉 상태여도 온도 변화를 유추하여 전력 증폭기(30)의 동작 유무를 결정할 수 있음을 의미한다. 더욱 상세히 후술하는 바와 같이, 전류모드 클래스-D 전력 증폭기는 사용자가 관심있는 일정 수준의 부하 저항을 포함하는 발열체(40)의 온도 변화에 대하여 능동적으로 동작 여부를 판단할 수 있다.
전류모드 클래스-D 전력 증폭기의 병렬 공진 네트워크에 사용되는 인덕터(L1)와 커패시터(C1)의 용량은 동작 주파수와 부하 저항치에 의해 선택됨이 바람직하다. 아래 수식 11의 QLC는 공진회로의 품질 인자로서 사용자에 의해 선택 가능한 수치이며, 본 발명에서 사용하는 동작 주파수 중 하나로 트랜지스터 스위칭 주파수가 고정된 상태에서 특정 부하 저항치(RL)에 의해 수식 12와 같이 인덕터(L1)와 커패시터(C1)의 용량을 선택할 수 있다.
[수식 11]
[수식 12]
단, 전류모드 클래스-D 전력 증폭기의 경우 LC 공진 네트워크(34)가 부하 저항과 병렬로 위치해 있기 때문에 트랜지스터 스위치(M1, M2)가 가지고 있는 CDS1, CDS2 (드래인-소스 커패시턴스) 성분을 공진 커패시터(C1)의 용량 선택 시 고려가 필요하며, 이는 실험치에 의해 반영이 가능하다.
특정 부하 저항치(RL)를 갖는 발열체(40)를 가열하기 위한 목적으로 선택된 인덕터(L1)와 커패시터(C1)의 용량을 갖는 LC 공진 네트워크(34)를 포함한 전력 증폭기(30)는 발열체(40)의 온도를 감지하여 동작의 범위를 판단해야 할 필요성이 있다. 발열체가 유도 가열 장치 접촉된 상태로 제작된 장치의 경우 온도 감지를 위한 장치, 예를 들어, NTC 서미스터(Negative Temperature Coefficient thermistor) 또는 PTC 서미스터(Positive Temperature Coefficient) 및 열전대 장치, 즉, 서모커플(thermocouple) 등을 사용해 직관적으로 온도의 변화를 감지할 수 있다.
그러나 유도 가열 장치와 비접촉 형태로 구성된 발열체인 경우 상기의 접촉식 온도 감지 장치 사용이 불가능하기 때문에 발열체 온도 상승 및 변화를 감지하기 위해 전력 증폭기(30)의 사용 전류 및 변화량을 감지하여 겉보기 저항치를 추산하는 방법을 사용할 수도 있다. 예를 들어, 전력 증폭기(30)의 최초 동작에 의해 발생한 와류는 발열체(40)의 온도를 지속적으로 상승시킬 것이다. 통상적으로 금속성분으로 구현되는 발열체(40)는 온도가 상승함에 따라 저항치가 증가하게 되며, 더 이상 와류에 의해 전자기가 유도되지 않는 온도(퀴리(Curie)온도 또는 퀴리점)까지 저항치는 증가할 것이다. 이때 발생하는 저항치의 상승분에 대응하여 전력 증폭기(30)의 사용 전류는 감소할 것이고 이를 감지 회로(22)를 통해 MCU(24)가 변화량을 산출하여 발열체(40)의 겉보기 저항치를 계산할 수 있다.
유도 가열 장치와 비접촉 형태로 구성된 발열체의 온도를 감지하기 위한 다른 하나의 예는, LC 공진 네트워크(34)의 전압(VLC)을 감지하여 발열체(40)의 저항치 변화를 통해 온도 변화를 감지하는 것이다. 도 5와 같이 고정된 주파수로 동작하는 전류모드 클래스-D 전력 증폭기의 LC 공진 네트워크(34)의 전압(VLC)은 특정 부하 저항에 대응하여 일정한 피크 전압 특성을 보인다. 이러한 일정 피크 전압 특성은 LC 공진 네트워크(34)의 용량 및 동작 주파수가 고정되어 있다면 유일하게 발열체(40)의 저항치 변화에 종속적이다. 앞서 기술한 금속성분 발열체의 온도 변화 특성을 참조하여, 전력 증폭기(30)의 최초 동작시의 LC 공진 네트워크(34)의 전압(VLC) 대비 발열체(40)의 온도 상승에 따라 저항치가 상승하고, 이 저항치 상승에 따라 VLC가 감소하는 것은 명확하다. 마찬가지로 VLC의 변화량은 감지회로(22)를 통해 프로그래밍된 MCU(24)에 전달되고 이를 산출하여 발열체(40)의 온도 변화에 대응하기 위해 스위치 드라이버(26) 동작 여부를 판단할 수 있다. 즉, 감지회로(22)가 LC 공진 네트워크(34)의 전압(VLC)을 감지하여 MCU(24)로 전달하고, MCU(24)가 감지회로(22)에 의해 감지된 LC 공진 네트워크(34)의 전압(VLC)에 따라 발열체(40)의 저항치 변화를 산출하여 발열체(40)의 온도 변화를 추정하고, 추정된 발열체(40)의 온도 변화에 따라 발열체(40)의 온도를 제어하기 위한 발열체 온도 제어신호를 생성하여 스위치 드라이버(26)로 전달하고, 스위치 드라이버(26)는 MCU(24)로부터 전달받은 발열체 온도 제어신호에 따라 스위치부(32)를 구성하는 한쌍의 트랜지스터 스위치(M1, M2)를 차동 구동하기 위한 스위치 구동신호를 생성하도록 구성될 수 있다.
도 10은 본 발명의 일 실시 예에 있어서, 전류모드 클래스-D 전력 증폭기가 6.78MHz로 동작하는 경우 부하 저항 (각 2Ω, 1Ω, 0.5Ω) 변화에 따라 LC 공진 네트워크의 피크 전압의 변화를 시뮬레이션 한 결과를 나타낸 도면이다. 도 10의 피크점 C의 계측값은 5.21534㎲, 11.15368V이고, 피크점 D의 계측값은 5.217782㎲, 10.11192V이고, 피크점 E의 계측값은 5.228352㎲, 9.385039V이다.
도 10을 추가로 참조하면, 기준 피크 전압 조건을 RL=1Ω으로 가정할 경우, 전자기 유도에 의해 발열체(40)의 온도가 지속 상승할 경우 저항치는 증가하여 VLC는 하강하는 형태로 감지될 것이다. 이때 MCU(24)는 발열체(40)의 온도를 낮추기 위해 전력 증폭기(30)의 동작을 중단할 수도 있다. 이와는 반대로 전력 증폭기(30)가 일정시간 동작을 중단하여 발열체(40)의 온도가 하강하면 VLC는 다시 상승하는 형태로 감지되며, 이때 MCU(24)는 발열체(40)의 온도를 일정하게 유지하기 위해 전력 증폭기(30)를 다시 동작할 수도 있다. 이상에서 하나의 실시예로서 부하저항의 수치 및 VLC 변화량에 대해 기술하였지만, 이는 예시이고 특정한 구현예들로 한정하는 것이 아님이 명백하다. 예를 들어, 감지회로(22)의 동작 용이성을 위해 VLC는 피크 검출기 중 다이오드 또는 연산 증폭기(operation amplifier)등을 사용한 통상적인 피크 검출기 회로를 거쳐 감지회로(22)로 연결될 수도 있다.
본 발명을 통해 실시되는 전자기 유도가열 장치는 발열체(40)의 온도를 능동적으로 감지하고 이에 대응하여 전력 증폭기(30)의 동작 여부를 판단하기 위해 상기 기술한 겉보기 저항치 추산 및 LC 공진 전압 감지를 조합하여 사용할 수 도 있다. 이와 같은 동작의 수행은 구동부(20)를 구성하는 MCU(24)에서 선택적으로 제어 가능하며, 사용자가 발열체(40)를 이용한 전자 흡연 물품을 흡입하는 행위 반복시 발생하는 발열체(40)의 온도 변화에 대해 전력 증폭기(30)의 동작시간 및 시점을 즉각적으로 제어하여 에어로졸을 형성하기 위한 발열체(40)가 최적의 가열온도를 항시 유지하도록 할 수 있다.
10: 전원부
20: 구동부
22: 감지회로
24: MCU(Main Control Unit)
26: 스위치 드라이버
30: 전력 증폭기
32: 스위치부
34: LC 공진 네트워크
36: 초크 인덕터부
40: 발열체
M1: 제1 트랜지스터 스위치
M2: 제2 트랜지스터 스위치
L1: 공진 인덕터
C1: 공진 커패시터
L2: 제1 초크 인덕터
L3: 제2 초크 인덕터

Claims (9)

  1. 전자담배의 에어로졸 형성 물품을 가열하기 위한 전자기 유도 가열 장치로서,
    DC 전원을 공급하는 전원부;
    상기 전원부로부터 상기 DC 전원을 공급받아 동작하며 차동 구조를 갖는 한 쌍의 트랜지스터 스위치로 이루어진 스위치부, 상기 스위치부의 출력단에 연결되어 있으며 상기 전자담배의 에어로졸 형성 물품을 가열하는 발열체의 인덕터 성분과 전자기 유도 결합되는 공진 인덕터 및 상기 공진 인덕터에 병렬 연결된 공진 커패시터로 이루어진 LC 공진 네트워크를 포함하는 전력 증폭기; 및
    상기 전력 증폭기의 동작을 제어하여 상기 발열체의 온도를 조절하는 구동부를 포함하는, 전자담배의 에어로졸 형성 물품을 가열하기 위한 전자기 유도 가열 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 전력 증폭기는 전류모드 클래스-D 전력 증폭기이고,
    상기 전력 증폭기를 구성하는 스위치부는 상기 LC 공진 네트워크의 공진을 유도하여 상기 발열체로 전력을 전달하는 것을 특징으로 하는, 전자담배의 에어로졸 형성 물품을 가열하기 위한 전자기 유도 가열 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 전력 증폭기는 상기 스위치부를 구성하는 제1 트랜지스터 스위치의 드레인과 상기 전원부 사이에 설치된 제1 초크 인덕터 및 상기 스위치부를 구성하는 제2 트랜지스터 스위치의 드레인과 상기 전원부 사이에 설치된 제2 초크 인덕터를 더 포함하고,
    상기 LC 공진 네트워크는 상기 제1 트랜지스터 스위치의 드레인과 상기 제2 트랜지스터 스위치의 드레인에 연결되어 있는 것을 특징으로 하는, 전자담배의 에어로졸 형성 물품을 가열하기 위한 전자기 유도 가열 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 구동부는,
    상기 LC 공진 네트워크의 전압에 따라 상기 발열체의 저항치 변화를 산출하여 상기 발열체의 온도 변화를 추정하고, 추정된 온도 변화에 따라 상기 전력 증폭기의 동작을 제어하는 것을 특징으로 하는, 전자담배의 에어로졸 형성 물품을 가열하기 위한 전자기 유도 가열 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 구동부는,
    상기 LC 공진 네트워크의 전압을 감지하는 감지회로;
    상기 감지회로에 의해 감지된 상기 LC 공진 네트워크의 전압에 따라 상기 발열체의 저항치 변화를 산출하여 상기 발열체의 온도 변화를 추정하고, 추정된 상기 발열체의 온도 변화에 따라 상기 발열체의 온도를 제어하기 위한 발열체 온도 제어신호를 생성하는 MCU; 및
    상기 MCU로부터 전달받은 발열체 온도 제어신호에 따라 상기 스위치부를 구성하는 한 쌍의 트랜지스터 스위치를 차동 구동하기 위한 스위치 구동신호를 생성하는 스위치 드라이버를 포함하는 것을 특징으로 하는, 전자담배의 에어로졸 형성 물품을 가열하기 위한 전자기 유도 가열 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 구동부는,
    상기 전력 증폭기의 사용 전류에 따라 상기 발열체의 저항치 변화를 산출하고, 산출된 저항치 변화에 따라 상기 전력 증폭기의 동작을 제어하는 것을 특징으로 하는, 전자담배의 에어로졸 형성 물품을 가열하기 위한 전자기 유도 가열 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 구동부는,
    상기 전력 증폭기의 사용 전류를 감지하는 감지회로;
    상기 감지회로에 의해 감지된 상기 전력 증폭기의 사용 전류에 따라 상기 발열체의 저항치 변화를 산출하고, 상기 발열체의 산출된 저항치 변화에 따라 상기 발열체의 온도를 제어하기 위한 발열체 온도 제어신호를 생성하는 MCU; 및
    상기 MCU로부터 전달받은 발열체 온도 제어신호에 따라 상기 스위치부를 구성하는 한 쌍의 트랜지스터 스위치를 차동 구동하기 위한 스위치 구동신호를 생성하는 스위치 드라이버를 포함하는 것을 특징으로 하는, 전자담배의 에어로졸 형성 물품을 가열하기 위한 전자기 유도 가열 장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 스위치부를 구성하는 한 쌍의 트랜지스터 스위치의 동작 주파수는 0.1MHz 내지 27.283MHz인 것을 특징으로 하는, 전자담배의 에어로졸 형성 물품을 가열하기 위한 전자기 유도 가열 장치.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 전원부는 충전식 DC 배터리를 포함하는 것을 특징으로 하는, 전자담배의 에어로졸 형성 물품을 가열하기 위한 전자기 유도 가열 장치.
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