KR20240114546A - 충전식 배터리 일체형 인덕션 레인지 - Google Patents

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주식회사 솔론
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Abstract

충전식 배터리의 직류 전원으로 작동하는 충전식 배터리 일체형 인덕션 레인지가 개시된다. 이 인덕션 레인지는 배터리 전원을 공급받아 피가열체에 와전류를 형성시키기 위한 유도 가열부, 배터리 전압을 소정의 제 1 전압으로 강하시키는 제 1 전압 강하부, 제 1 전압을 마이컴의 동작전압인 제 2 전압으로 강하시키는 제 2 전압 강하부, 제 1 전압을 공급받아 유도 가열부와 연결된 스위칭 소자를 구동시키는 소자 구동부, 및 제 2 전압을 공급받아 동작하고, 배터리 전압이 제 1 전압으로 강하되도록 제 1 전압 강하부를 펄스 폭 변조(Pulse Width Modulation, PWM) 제어하는 마이컴을 포함한다.

Description

충전식 배터리 일체형 인덕션 레인지{Induction range with rechargeable battery}
본 발명은 인덕션 레인지에 관한 것으로, 특히 충전식 배터리 전원으로 작동하는 인덕션 레인지에 관한 것이다.
인덕션 레인지(induction range)는 유도가열 원리를 이용한 조리용 가열기구로서, 인덕션, 인덕션 쿠커(induction cooker), 인덕션 전기레인지, 영어권에서는 Induction Cooktop, Induction stove 등으로 다양하게 불린다. 그리고 현재까지 대부분의 인덕션 레인지는 대용량의 충분한 전력을 상용교류전원으로 공급받아 작동하는 인덕션 레인지와 충전형 배터리가 장착되어 직류전원을 공급받아 작동하는 인덕션 레인지로 구분될 수 있다.
한편, 국내등록특허공보에는 배터리 전력을 이용한 휴대용 인덕션에 대해 개시되어 있다. 이 휴대용 인덕션은 평상시에 요리를 할 때는 상용교류전원을 공급받아 작동하며, 외부에서 요리를 할때는 내장된 배터리로부터 직류 전원을 공급받아 작동하는 것으로, 일종의 하이브리드 인덕션이다. 이 휴대용 인덕션은 내부에 배터리가 구비된 인덕션과, 그 인덕션이 안착될 수 있는 공간이 마련되고 판 형상의 플레이트에 삽입 고정되는 전원공급부를 포함한다. 그리고 인덕션은 전원공급부에 탈부착이 가능하고, 인덕션이 전원공급부 내에 안착되면 상용교류전원을 공급받아 작동하며 인덕션이 전원공급부로부터 분리되면 자동으로 배터리 전원을 공급받아 작동한다.
그런데 배터리를 전력 공급원으로 사용하는 인덕션 레인지의 경우, 사용전력이 워낙 커서 포터블 인덕션에 사용 가능한 배터리 용량의 한계로 인해 사용시간은 극히 제한적일 수 밖에 없다. 따라서 조리 자체가 불가능하여 실제 시스템을 구성하는 기술은 전개된 바가 없다. 특히, 배터리 전력을 효율적으로 사용하지 못할 경우에는 손실이 발생하는데 그 손실된 에너지만큼 배터리 사용시간은 감소하게 된다. 더욱이 에너지 손실은 열로 전환되어 배터리를 가열시키게 되므로 인덕션의 안정성에 심각한 문제를 야기시킨다.
국내등록특허공보 제10-2262520호 (2021년 7월 14일 공고)
본 발명은 충전형 배터리를 사용하는 인덕션 레인지에서 있어 에너지 손실을 최소화할 수 있는 기술적 방안을 제공함을 목적으로 한다.
일 양상에 따른 충전식 배터리의 직류 전원으로 작동하는 충전식 배터리 일체형 인덕션 레인지는 배터리 전원을 공급받아 피가열체에 와전류를 형성시키기 위한 유도 가열부, 배터리 전압을 소정의 제 1 전압으로 강하시키는 제 1 전압 강하부, 제 1 전압을 마이컴의 동작전압인 제 2 전압으로 강하시키는 제 2 전압 강하부, 제 1 전압을 공급받아 유도 가열부와 연결된 스위칭 소자를 구동시키는 소자 구동부, 및 제 2 전압을 공급받아 동작하고, 배터리 전압이 제 1 전압으로 강하되도록 제 1 전압 강하부를 펄스 폭 변조(Pulse Width Modulation, PWM) 제어하는 마이컴을 포함할 수 있다.
인덕션 레인지는 배터리 전압을 강하하여 제 2 전압 강하부로 입력시키기 위한 스타트부를 더 포함할 수 있다. 그리고 마이컴은 마이컴은 스타트부에 의해 제 2 전압 강하부로 입력된 전압이 강하되어 출력된 전압을 공급받아 동작을 개시해 제 1 전압 강하부를 펄스 폭 변조 제어하며, 펄스 폭 변조 제어에 따라 제 2 전압을 공급받아 동작을 지속할 수 있다.
본 발명은 충전식 배터리로 작동하는 인덕션 레인지의 에너지 손실을 최소화하여 장시간 배터리 사용을 가능하게 함은 물론 발열 문제를 해소하는 효과를 창출한다.
도 1은 일 실시예에 따른 인덕션 레인지 블록도이다.
도 2는 일 실시예에 따른 인덕션 레인지 회로도이다.
전술한, 그리고 추가적인 본 발명의 양상들은 첨부된 도면을 참조하여 설명되는 바람직한 실시예들을 통하여 더욱 명백해질 것이다. 이하에서는 본 발명을 이러한 실시예를 통해 통상의 기술자가 용이하게 이해하고 재현할 수 있도록 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 일 실시예에 따른 충전식 배터리 일체형 인덕션 레인지 블록도이다. 인덕션 레인지는 충전식 배터리(100)와 유도 가열부(200)와 스위칭 소자(300)와 소자 구동부(400)와 냉각팬(500)과 제 1 전압 강하부(600)와 제 2 전압 강하부(700)와 마이컴(800) 및 스타트부(900) 중에서 적어도 일부를 포함한다. 또한, 도 1에 도시되어 있지는 않으나 인덕션 레인지는 입출력부를 포함할 수 있다. 입출력부는 사용자로부터 입력을 받고 사용자에게 출력을 하기 위한 것으로서, 키(key)나 디스플레이(display) 등을 포함하여 구성될 수 있다.
배터리(100)는 충전식 배터리이며, 배터리 전압(VB)은 20V 이상일 수 있다. 일 예로, 인덕션 레인지에는 48V 배터리가 사용된다. 유도 가열부(200)는 인덕션 레인지의 상부와 접촉하는 피가열체(조리용기)의 바닥에 와전류를 형성시키는 것으로, 공진 회로로 구성될 수 있다. 스위칭 소자(300)는 절연 게이트 양극성 트랜지스터(Insulated gate bipolar transistor, IGBT)일 수 있으며, 소자 구동부(400)는 IGBT 드라이버일 수 있다. 소자 구동부(400)는 마이컴(800)에 의해 제어되어 스위칭 소자(300)를 구동시키고, 스위칭 소자(300)는 소자 구동부(400)에 의해 on/off 스위칭 작동이 이루어지며, 이에 따라 유도 가열부(200)의 코일에 전류가 흐르고 피가열체에 와전류가 형성되는데, 이는 잘 알려진 바와 같다. 한편, 냉각팬(500)은 팬 모터를 포함하며, 인덕션 레인지의 내부 온도를 낮추는 역할을 한다. 구체적인 예로, 냉각팬(500)은 스위칭 소자(300)와 유도 가열부(200)의 내부 온도를 낮추기 위한 구성이다.
제 1 전압 강하부(600)는 배터리(100)로부터의 입력 전압(예를 들어, 48V)을 제 1 전압(예를 들어, 18V)으로 강하시켜 출력하는 DC-DC 컨버터이며, 제 2 전압 강하부(700)는 제 1 전압 강하부(600)로부터의 입력 전압(제 1 전압)을 제 2 전압(예를 들어, 5V)으로 강하시켜 출력하는 DC-DC 컨버터이다. 전자를 제 1 DC-DC 컨버터라 하고, 후자를 제 2 DC-DC 컨버터라 한다. 제 1 전압 강하부(600)에 의해 강하된 제 1 전압은 소자 구동부(400)의 구동전압으로 공급되며, 냉각팬(500)의 동작전압으로도 공급될 수 있다. 그리고 제 2 전압 강하부(700)에 의해 강하된 제 2 전압은 마이컴(800)의 동작전압으로 공급된다.
마이컴(800)은 인덕션 레인지의 전반을 제어하는 구성으로서, 배터리 전압이 제 1 전압 강하부(600)를 통해 제 1 전압으로 강하되도록 제 1 전압 강하부(600)를 펄스 폭 변조(Pulse Width Modulation, PWM) 제어한다. 즉, 마이컴(800)은 제 1 전압 강하부(600)를 대상으로 펄스 폭 듀티비 제어를 통해 배터리 전압을 제 1 전압으로 강하시키는 것이다.
스타트부(900)는 배터리로부터 인가되는 전압을 강하하여 제 2 전압 강하부(700)로 입력시켜 마이컴(800)에 동작전압이 공급되도록 함으로써, 마이컴(800)의 동작 개시를 가능하게 한다. 이 같이 하는 이유는 인덕션 레인지의 스위치가 온(on) 되더라도 마이컴(800)이 별도 전원을 통해 초기 동작을 개시하지 못하는 경우에는 제 1 전압 강하부(600)를 제어할 수 없으며, 그에 따라 동작전압을 공급받지 못하기 때문이다. 이에 스타트부(900)를 추가로 두어 배터리(100) → 스타트부(900) → 제 2 전압 강하부(700)를 통해 마이컴(800)이 동작전압을 공급받을 수 있게 한다. 그리고 마이컴(800)은 스타트부(900)에 의해 동작전압을 공급받아 동작을 개시해 제 1 전압 강하부(600)를 PWM 제어하며, PWM 제어를 통해 배터리(100) → 제 1 전압 강하부(600) → 제 2 전압 강하부(700)를 통해 제 2 전압을 공급받아 동작을 지속한다.
일 실시예에 있어서, 제 1 전압 강하부(600)는 두 개의 트랜지스터를 포함하여 구성된다. 하나는 배터리로부터 인가되는 전압을 제 1 전압으로 출력시키기 위한 제 1 트랜지스터이며, 다른 하나는 제 1 트랜지스터의 베이스 단자와 연결되며 마이컴(800)의 PWM 제어에 따라 스위칭 동작하는 제 2 트랜지스터이다. 그리고 제 1 트랜지스터는 PWM 제어에 의해 제 2 트랜지스터의 스위칭 동작에 따라 제 1 트랜지스터의 베이스 단자에 인가되는 신호에 의해 스위칭되어 제 1 전압을 출력한다. 일 예로 제 1 트랜지스터는 PNP 트랜지스터이고, 제 2 트랜지스터는 NPN 트랜지스터이다.
이하에서는 도 2를 통해 인덕션 레인지에 대해 보다 구체적으로 설명한다. 도 1에 대한 회로도는 도 2와 같이 구성될 수 있으며, 48V 배터리를 사용하는 것으로 전제하고 도 2에 대해 설명한다. 우선, 배터리의 양(+)단자에는 기계적인 스위치를 직렬로 연결시켜 미사용중에는 배터리가 방전되지 않도록 할 수 있다. 제 1 DC-DC 컨버터(600)는 제 1 트랜지스터(Q1)와 제 2 트랜지스터(Q2) 그리고 복수의 저항을 포함한다. 저항 R1과 R2는 배터리 전압을 모니터링하기 위한 것으로, 배터리 양단전압은 R1과 R2에 의해 분배되어 마이컴(800)의 Vin 단자에 입력된다. 이에 마이컴(800)은 Vin 단자를 통해 배터리 전압을 모니터링(센싱)할 수 있다.
저항 R3의 일단은 배터리에 연결되고 타단은 제 1 트랜지스터(Q1)의 에미터(Emitter) 단자에 연결되고, 제 1 트랜지스터(Q1)의 에미터 단자와 베이스(Base) 단자 양단에는 저항 R5가 연결된다. 제 1 트랜지스터(Q1)의 베이스 단자와 제 2 트랜지스터(Q2)의 컬렉터(Collector) 단자에는 저항 R6이 연결되고, 제 2 트랜지스터(Q2)의 베이스는 마이컴(800)의 18V PWM 출력 단자에 연결되며, 제 1 트랜지스터(Q1)의 18V 출력은 콘덴서 C1에 의해 평활된다. 그리고 스타트부(900)는 저항 R4일 수 있다. 도 2에 도시된 바와 같이, 저항 R4는 제 1 트랜지스터(Q1)의 에미터와 컬렉터 사이에 접속될 수 있다.
제 2 DC-DC 컨버터(700)는 정전압 레귤레이터(U1)와 저항 및 콘덴서를 포함한다. 저항 R8과 R9는 제 1 전압(18V)을 센싱하기 위한 것으로, 18V 양단전압은 저항 R8과 R9에 의해 분압되어 마이컴 18V 센싱 단자에 입력된다. 또한, 전압 18V는 저항 R10에 연결되고 콘덴서 C2에 의해 평활되어 정전압 IC(U1)에 입력되어 마이컴(800)의 동작전압(예를 들어, 5V)을 만든다.
마이컴(800)은 입출력부(10)를 통한 사용자 입력에 따라 인덕션 레인지의 동작을 제어하며, 그 동작 상태를 입출력부(10)를 통해 사용자에게 표시한다. 마이컴(800)은 모터 구동 단자를 통해서 냉각팬(500)의 모터를 제어하며, IGBT 구동 단자를 통해 IGBT 드라이버(400)를 구동 제어하여 IGBT(Q4)가 온/오프 스위칭되도록 한다.
제 1 전압(18V)은 IGBT(Q4)의 구동전압으로 공급되며, 냉각팬(500)의 동작전압으로도 공급될 수 있다. 통상 IGBT의 구동전압은 부품마다 약간의 차이가 있으나 통상 10V 이상 25V 이하로 맞춰져 있어 대부분 18V를 사용하고 있으며, 냉각팬의 전압도 이에 맞춰 18V를 사용하는 경우가 많다. 그러나 도 2와 달리 냉각각팬(500)의 동작전압은 배터리 48V일 수도 있다.
도 2에 예시된 바와 같이, 48V 배터리 전원은 코일 L1과 직렬 연결되며, 콘덴서 C4에 의해 평활되어 유도 가열부(200)의 유도코일(가열코일) L2에 공급된다. 유도코일 L2 양단에는 공진콘덴서 C5가 연결되며, IGBT(Q4)의 컬렉터에 연결되어 IGBT 드라이버(400)에 의해 20 ~ 30kHz로 스위칭 제어된다. 저항 R15는 일단이 IGBT(Q4)의 에미터와 연결되고 타단이 마이컴의 ICE 단자와 연결되고, IGBT(Q4)의 컬렉터 공진전압은 저항 R11, R12, R13에 의해 분압되어 마이컴(800)의 VCE 센싱 단자에 입력되며, 콘덴서 C6과 저항 R14에 의해 마이컴(800)의 VCE 트리거 단자에 VCE 트리거 신호가 입력된다.
한편, 인덕션 레인지는 도 2에 도시된 바와 같이 전압 제한부(20)를 더 포함할 수 있다. 전압 제한부(20)는 저항 R7과 제너다이오드 ZD1을 포함하여 구성되어 제 1 DC-DC 컨버터(600)로부터 출력되어 제 2 DC-DC 컨버터(700)로 입력되는 제 1 전압이 소정 전압(예를 들어, 20V)을 초과하지 않도록 억제하는 역할을 한다. 도 2에서와 같이 저항 R7은 제 1 트랜지스터(Q1)의 컬렉터에 연결되며, 제너다이오드 ZD1은 18V 양단에 접속된다.
동작은 다음과 같다. 스위치 S1이 오프되어 있으면 마이컴(800)이 동작하지 않으므로 제 1 트랜지스터(Q1)와 제 2 트랜지스터(Q2)는 오프 상태이다. 스위치 S1이 오프 상태에서 온 상태로 전환되면, 제 1 트랜지스터(Q1)의 에미터와 컬렉터 사이에 연결된 스타트 저항 R4에 의해 전류가 흘러 정전압 IC(U1)에 입력전압을 공급하게 되고, 정전압 IC(U1)로부터 5V가 출력되어 마이컴(800)에 공급된다. 이에 마이컴(800)은 동작을 개시하여 Vin을 센싱하고 18V PWM 단자를 통해 제 2 트랜지스터(Q2)의 베이스로 PWM 제어신호를 출력하며, 이에 의해 제 1 DC-DC 컨버터(600)가 동작하여 18V 전압이 만들어진다. 이 18V 전압은 저항 R7과 제너다이오드 ZD1 20V에 의해서 20V가 넘지 않는다. 그리고 마이컴(800)은 18V 센싱 단자(Q1 출력 센싱 단자)를 통해 센싱되는 전압에 따라서 펄스 폭 듀티비를 조절함으로써 제 1 DC-DC 컨버터(600)의 출력전압이 18V로 일정하게 나오도록 한다.
이 외에도 마이컴(800)은 제 3 트랜지스터(Q3)의 베이스로 모터 구동 신호를 출력하여 냉각팬(500)을 구동시킨다. 냉각팬(500)의 분당 회전수(revolution per minute, RPM)에 따라 전류소모가 달라져서 18V의 전압이 변할 수 있으므로, 일정전압이 나오도록 마이컴(800)에서 피드백 받아서 18V PWM 제어를 통해서 일정한 18V를 유지할 수 있다. 또한, 마이컴(800)은 VCE 센싱 단자를 통해 공진전압 VCE를 센싱하고 Vin 단자를 통해 배터리 전압을 센싱하여 IGBT(Q4)의 턴 온 시점을 정하며, Vin 단자를 통해 센싱된 배터리 전압과 ICE 센싱 단자를 통해 센싱된 ICE 전류에 따라 정출력이 나오도록 IGBT(Q4)를 구동 제어한다. 그리고 VCE 트리거(trigger)는 IGBT(Q4)를 턴 온 하기 위한 신호이다. IGBT(Q4) 양단전압을 센싱하여 전압 제로(zero) 부근에서 트리거 신호가 나오게 나오게 트리거 신호와 동기되어 IGBT(Q4)가 턴 온 된다.
IGBT(Q4)의 턴 온에 대해 부연 설명한다. 마이컴(800)은 배터리 입력전압 Vin과 IGBT(Q4) 공진전압 VCE를 체크하고, IGBT(Q4)를 턴 오프시키고 나서 VCE가 Vin보다 낮아질 때 IGBT(Q4) 트리거 시점이 정해지고, 트리거 시점에서 일정시간 지연시켜 최적의 시점에서 IGBT(Q4)를 턴 온 시킬 수 있다. 보다 구체적으로, 마이컴(800)은 배터리전압 Vin과 IGBT 공진전압 VCE를 입력받아서 IGBT(Q4)의 턴 온 시점을 결정한다. IGBT(Q4)가 턴 온 되면 유도코일(L2)에 전류가 흘러 에너지가 공급되고, 턴 오프되면 유도코일과 공진콘덴서(C5)에 의해 공진 모드로 동작되며, 공진전압은 사인파형으로 초기 0V에서 공급전압의 3배 ~ 5배 정도로 최대로 높게 올라갔다가 내려가게 된다. 마이컴(800)은 Vin과 VCE를 비교하여 VCE가 Vin보다 낮아지는 시점을 트리거로 체크하고, 트리거 시점에서 일정시간(약 2us) 지연시킨 후 IGBT(Q4)의 최적 동작 시점에서 턴 온 시킨다.
한편, 잘 알려진 바와 같이 인덕션 레인지는 보온용으로도 사용될 수 있다. 즉, 상술한 인덕션 레인지는 가열기구 전용일 수도 있고 워머 전용일 수도 있으며 둘 모두가 가능한 것일 수도 있는 것이다. 이제까지 본 발명에 대하여 그 바람직한 실시예들을 중심으로 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.
100 : 배터리 200 : 유도 가열부
300 : 스위칭 소자 400 : 소자 구동부
500 : 냉각팬 600 : 제 1 전압 강하부
700 : 제 2 전압 강하부 800 : 마이컴
900 : 스타트부

Claims (5)

  1. 충전식 배터리의 직류 전원으로 작동하는 충전식 배터리 일체형 인덕션 레인지에 있어서,
    배터리 전원을 공급받아 피가열체에 와전류를 형성시키기 위한 유도 가열부;
    배터리 전압을 소정의 제 1 전압으로 강하시키는 제 1 전압 강하부;
    제 1 전압을 마이컴의 동작전압인 제 2 전압으로 강하시키는 제 2 전압 강하부;
    제 1 전압을 공급받아 유도 가열부와 연결된 스위칭 소자를 구동시키는 소자 구동부; 및
    제 2 전압을 공급받아 동작하고, 배터리 전압이 제 1 전압으로 강하되도록 제 1 전압 강하부를 펄스 폭 변조(Pulse Width Modulation, PWM) 제어하는 마이컴;
    을 포함하는 충전식 배터리 일체형 인덕션 레인지.
  2. 제 1 항에 있어서,
    배터리 전압을 강하하여 제 2 전압 강하부로 입력시키기 위한 스타트부;를 더 포함하며,
    마이컴은 스타트부에 의해 제 2 전압 강하부로 입력된 전압이 강하되어 출력된 전압을 공급받아 동작을 개시해 제 1 전압 강하부를 펄스 폭 변조 제어하며, 펄스 폭 변조 제어에 따라 제 2 전압을 공급받아 동작을 지속하는 충전식 배터리 일체형 인덕션 레인지.
  3. 제 2 항에 있어서, 제 1 전압 강하부는 :
    배터리로부터 인가되는 전압을 제 1 전압으로 출력시키기 위한 제 1 트랜지스터; 및
    제 1 트랜지스터의 베이스 단자와 연결되며 마이컴의 PWM 제어신호를 인가받아 스위칭 동작하는 제 2 트랜지스터;를 포함하며,
    제 1 트랜지스터는 제 2 트랜지스터의 스위칭 동작에 따라 제 1 트랜지스터의 베이스 단자에 인가되는 신호에 의해 스위칭되어 제 1 전압을 출력하는 충전식 배터리 일체형 인덕션 레인지.
  4. 제 2 항에 있어서, 제 1 전압 강하부는 :
    배터리 및 제 1 트랜지스터의 에미터에 연결된 저항;
    제 1 트랜지스터의 에미터와 베이스에 연결된 저항; 및
    제 1 트랜지스터의 베이스와 제 2 트랜지스터의 컬렉터에 연결된 저항;을 더 포함하고,
    제 1 트랜지스터는 배터리로부터 에미터 단자로 인가되는 전압을 제 1 전압으로 출력하며,
    제 2 트랜지스터는 제 1 트랜지스터의 베이스 단자와 컬렉터 단자를 통해 연결되며 마이컴과 베이스 단자를 통해 연결되어 베이스 단자로 마이컴의 PWM 제어신호를 인가받는 충전식 배터리 일체형 인덕션 레인지.
  5. 제 3 항 또는 제 4 항에 있어서,
    스타트부는 제 1 트랜지스터의 에미터와 컬렉터에 연결된 저항인 충전식 배터리 일체형 인덕션 레인지.
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