WO2022186422A1 - 유도 가열 방식의 쿡탑 - Google Patents

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WO2022186422A1
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cooktop
switching element
induction heating
frequency
inverter
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김의성
문현욱
박경호
김양경
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엘지전자 주식회사
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Definitions

  • the present disclosure relates to an induction heating type cooktop, and more particularly, to an induction heating type cooktop capable of heating both a magnetic material and a nonmagnetic material.
  • a method of heating an object to be heated using electricity is largely divided into a resistance heating method and an induction heating method.
  • the resistance heating method is a method of heating by transferring heat generated when a current flows through a metal resistance wire or a non-metal heating element such as silicon carbide to the cooking vessel through radiation or conduction.
  • the induction heating method is a method of generating an eddy current in a cooking vessel made of a metal component using a magnetic field generated around the coil when high-frequency power of a predetermined size is applied to the coil, thereby heating the cooking vessel itself.
  • the non-magnetic container has a lower resistivity in the same operating frequency band due to a lower magnetic permeability than the magnetic container, and accordingly, the output of the non-magnetic container is smaller than that of the magnetic container.
  • An object of the present disclosure is to solve the above-mentioned problem.
  • An object of the present disclosure is to provide a cooktop capable of heating both a magnetic container and a non-magnetic container with high output.
  • An object of the present disclosure is to minimize switching loss in a cooktop including a SiC device.
  • An object of the present disclosure is to minimize a heating problem of a switching device in a cooktop including a SiC device.
  • the cooktop according to an embodiment of the present disclosure intends to use a SiC device as a switching device.
  • the cooktop according to an embodiment of the present disclosure intends to use a different power control method for each type of cooking vessel.
  • the cooktop according to an embodiment of the present disclosure intends to drive the inverter differently for each type of cooking container.
  • the cooktop according to an embodiment of the present disclosure intends to change the operating frequency according to the type of the cooking vessel.
  • An embodiment of the present disclosure provides a cooktop in which a switch having a long duty is disposed close to a heat dissipation fan.
  • the cooktop of the induction heating method includes a working coil, an inverter including a plurality of switching elements driven to flow a current in the working coil, a container determining unit for determining the type of the cooking container, and the type of the cooking container. It may include a control unit for changing the driving method of the inverter according to the.
  • the controller may change the driving method of the inverter so that the operating frequency is adjusted to be higher than or lower than the resonance frequency according to the type of the cooking vessel.
  • the controller may change the driving method of the inverter to operate in a region equal to or higher than the resonance frequency if the type of the cooking vessel is a magnetic material, and may change the driving method of the inverter to operate in a region below the resonance frequency if the type of the cooking vessel is a non-magnetic material.
  • the controller may adjust the duty of the plurality of switching elements when operating in a region less than or equal to the resonance frequency.
  • the controller may adjust the duty of the first switching element among the plurality of switching elements to be smaller than the duty of the second switching element among the plurality of switching elements.
  • the duty of the first switching element may be 50% or less.
  • the second switching element may be disposed closer to the heat dissipation fan than the first switching element.
  • the controller may adjust the output by varying the operating frequency when the operating frequency is equal to or greater than the resonant frequency, and may adjust the output by adjusting the duty of the plurality of switching elements when the operating frequency is equal to or less than the resonant frequency.
  • the operating frequency When the operating frequency is less than or equal to the resonance frequency, the operating frequency may be a fixed frequency.
  • the plurality of switching devices may be SiC devices.
  • the SiC element is applied to the cooktop, it is possible to operate in a high frequency band, thereby improving the heating efficiency of the non-magnetic material.
  • FIG. 1 is a perspective view illustrating a cooktop and a cooking container according to an embodiment of the present disclosure
  • FIG. 2 is a cross-sectional view of a cooktop and a cooking container according to an embodiment of the present disclosure.
  • FIG. 3 is a diagram illustrating a circuit diagram of a cooktop according to an embodiment of the present disclosure.
  • FIG. 4 is a diagram illustrating output characteristics of a cooktop according to an embodiment of the present disclosure.
  • FIG. 5 is a diagram illustrating an operation section of an inverter of an induction heating type cooktop to which a SiC element is applied.
  • FIG. 6 is a diagram illustrating electrical operation characteristics of an inverter according to a type of cooking vessel.
  • FIG. 8 is a control block diagram of a cooktop according to an embodiment of the present disclosure.
  • FIG. 9 is a flowchart illustrating a method of operating a cooktop according to an embodiment of the present disclosure.
  • FIG. 10 is a diagram illustrating an operating frequency of a cooktop according to an embodiment of the present disclosure according to a change in a driving method of an inverter.
  • FIG 11 is an example illustrating an operation waveform of an inverter when a cooking container of the cooktop according to an embodiment of the present disclosure is a non-magnetic material.
  • FIG. 12 is a diagram illustrating an example of arrangement of a plurality of switching elements according to an embodiment of the present disclosure.
  • FIG. 13 is a graph illustrating temperatures of a plurality of switching elements when a first switching element is disposed closer to a heat dissipation fan than a second switching element in the cooktop according to an embodiment of the present disclosure.
  • FIG. 14 is a graph illustrating temperatures of a plurality of switching elements when a second switching element is disposed closer to a heat dissipation fan than a first switching element in the cooktop according to an embodiment of the present disclosure.
  • FIG. 1 is a perspective view illustrating a cooktop and a cooking container according to an embodiment of the present disclosure
  • FIG. 2 is a cross-sectional view of the cooktop and the cooking container according to an embodiment of the present disclosure.
  • the cooking container 1 may be positioned on the cooktop 10 , and the cooktop 10 may heat the cooking container 1 positioned on the top.
  • the cooktop 10 may generate a magnetic field 20 so that at least a part of it passes through the cooking vessel 1 .
  • the magnetic field 20 may induce an eddy current 30 in the cooking vessel 1 .
  • the eddy current 30 heats the cooking vessel 1 itself, and this heat is conducted or radiated and transferred to the inside of the cooking vessel 1 , so that the contents of the cooking vessel 1 can be cooked.
  • the eddy current 30 does not occur. Accordingly, in this case, the cooktop 10 cannot heat the cooking vessel 1 .
  • the cooking container 1 that can be heated by the cooktop 10 may be a stainless steel container or a metal container such as an enamel or cast iron container.
  • the cooktop 10 may include at least one of a top glass 11 , a working coil 12 , and a ferrite 13 .
  • the upper glass 11 may support the cooking vessel 1 . That is, the cooking container 1 may be placed on the upper surface of the upper glass 11 .
  • the upper glass 11 may be formed of tempered glass made of a ceramic material obtained by synthesizing various minerals. Accordingly, the upper glass 11 may protect the cooktop 10 from external impact or the like.
  • the upper glass 11 may prevent a problem of foreign substances such as dust from being introduced into the cooktop 10 .
  • the working coil 12 may be positioned under the upper glass 11 .
  • the working coil 12 may or may not be supplied with current to generate the magnetic field 20 .
  • current may or may not flow in the working coil 12 according to on/off of the internal switching element of the cooktop 10 .
  • a magnetic field 20 When a current flows through the working coil 12 , a magnetic field 20 is generated, and the magnetic field 20 may meet an electrical resistance component included in the cooking vessel 1 to generate an eddy current 30 .
  • the eddy current heats the cooking vessel 1 , so that the contents of the cooking vessel 1 can be cooked.
  • the heating power of the cooktop 10 may be adjusted according to the amount of current flowing through the working coil 12 .
  • the ferrite 13 is a component for protecting the internal circuit of the cooktop 10 . Specifically, the ferrite 13 serves as a shield to block the influence of the magnetic field 20 generated from the working coil 12 or the electromagnetic field generated from the outside on the internal circuit of the cooktop 10 .
  • the ferrite 13 may be formed of a material having very high permeability.
  • the ferrite 13 serves to induce the magnetic field flowing into the cooktop 10 to flow through the ferrite 13 without being radiated.
  • the movement of the magnetic field 20 generated in the working coil 12 by the ferrite 13 may be as shown in FIG. 2 .
  • the cooktop 10 may further include other components in addition to the above-described upper glass 11 , the working coil 12 , and the ferrite 13 .
  • the cooktop 10 may further include a heat insulating material (not shown) positioned between the upper glass 11 and the working coil 12 . That is, the cooktop according to the present disclosure is not limited to the cooktop 10 shown in FIG. 2 .
  • FIG. 3 is a diagram illustrating a circuit diagram of a cooktop according to an embodiment of the present disclosure.
  • the induction heating type cooktop includes a power supply unit 110 , a rectifier unit 120 , a DC link capacitor 130 , an inverter 140 , a working coil 150 , a resonance capacitor 160 , and an SMPS 170 ). may include at least some or all of.
  • the power supply unit 110 may receive external power. Power that the power supply unit 110 receives from the outside may be AC (Alternation Current) power.
  • AC Alternation Current
  • the power source 110 may supply an AC voltage to the rectifier 120 .
  • the rectifier 120 (rectifier) is an electrical device for converting alternating current to direct current.
  • the rectifier 120 converts the AC voltage supplied through the power supply 110 into a DC voltage.
  • the rectifier 120 may supply the converted voltage to both ends of DC 121 .
  • the output terminal of the rectifier 120 may be connected to both DC ends 121 .
  • the DC both ends 121 output through the rectifier 120 may be referred to as a DC link.
  • a voltage measured at both ends of DC 121 is referred to as a DC link voltage.
  • the DC link capacitor 130 serves as a buffer between the power supply unit 110 and the inverter 140 . Specifically, the DC link capacitor 130 is used to maintain the DC link voltage converted through the rectifier 120 and supply it to the inverter 140 .
  • the inverter 140 serves to switch the voltage applied to the working coil 150 so that a high-frequency current flows through the working coil 150 .
  • the inverter 140 may include a semiconductor switch, and the semiconductor switch may be an Insulated Gate Bipolar Transistor (IGBT) or a SiC device, but this is only exemplary and is not limited thereto.
  • IGBT Insulated Gate Bipolar Transistor
  • SiC SiC device
  • current may or may not flow depending on whether the switching element is driven.
  • a current flows through the working coil 150 , a magnetic field is generated.
  • the working coil 150 may heat the cooking appliance by generating a magnetic field as current flows.
  • One side of the working coil 150 is connected to the connection point of the switching element of the inverter 140 , and the other side is connected to the resonance capacitor 160 .
  • the switching element is driven by a driving unit (not shown), and a high-frequency voltage is applied to the working coil 150 while the switching elements operate alternately by controlling the switching time output from the driving unit.
  • the voltage supplied to the working coil 150 changes from a low voltage to a high voltage because the on/off time of the switching element applied from the driving unit (not shown) is gradually compensated.
  • the resonant capacitor 160 may be a component to serve as a buffer.
  • the resonance capacitor 160 controls a saturation voltage increase rate during turn-off of the switching element, thereby affecting energy loss during turn-off time.
  • SMPS Switching Mode Power Supply
  • the SMPS 170 converts a DC input voltage into a square wave voltage, and then obtains a controlled DC output voltage through a filter.
  • the SMPS 170 may minimize unnecessary loss by controlling the flow of power by using a switching processor.
  • the resonance frequency is determined by the inductance value of the working coil 150 and the capacitance value of the resonance capacitor 160 .
  • a resonance curve is formed based on the determined resonance frequency, and the resonance curve may represent the output power of the cooktop 10 according to a frequency band.
  • FIG. 4 is a diagram illustrating output characteristics of a cooktop according to an embodiment of the present disclosure.
  • the Q factor may be a value indicating sharpness of resonance in a resonance circuit. Accordingly, in the case of the cooktop 10 , the Q factor is determined by the inductance value of the working coil 150 included in the cooktop 10 and the capacitance value of the resonance capacitor 160 . The resonance curve is different depending on the Q factor. Accordingly, the cooktop 10 has different output characteristics according to the inductance value of the working coil 150 and the capacitance value of the resonance capacitor 160 .
  • a horizontal axis of the resonance curve may indicate a frequency, and a vertical axis may indicate output power.
  • the frequency at which the maximum power is output in the resonance curve is called the resonance frequency (f 0 ).
  • the cooktop 10 uses the frequency of the right region based on the resonance frequency f 0 of the resonance curve.
  • the cooktop 1 may have a preset minimum operating frequency and a maximum operating frequency.
  • the cooktop 10 may operate at a frequency corresponding to a range from the maximum operating frequency f max to the minimum operating frequency f min . That is, the operating frequency range of the cooktop 10 may be from the maximum operating frequency (f max ) to the minimum operating frequency (f min ).
  • the maximum operating frequency f max may be the IGBT maximum switching frequency.
  • the maximum IGBT switching frequency may mean a maximum frequency that can be driven in consideration of the withstand voltage and capacity of the IGBT switching element.
  • the maximum operating frequency fmax may be 75 kHz.
  • the minimum operating frequency f min may be about 20 kHz. In this case, since the cooktop 10 does not operate at an audible frequency (about 16Hz to 20kHz), noise of the cooktop 10 can be reduced.
  • the set values of the above-described maximum operating frequency (f max ) and minimum operating frequency (f min ) are merely exemplary, and thus are not limited thereto.
  • the cooktop 10 may determine an operating frequency according to the heating power level set in the heating command. Specifically, the cooktop 10 may adjust the output power by lowering the operating frequency as the set heating power level is higher and increasing the operating frequency as the set heating power level is lower. That is, upon receiving the heating command, the cooktop 10 may perform a heating mode operating in any one of the operating frequency ranges according to the set thermal power.
  • the cooktop 10 requires a large current in order to increase the heating efficiency of the cooking container 1 which is not only a magnetic material but also a non-magnetic material.
  • the SiC device can tolerate a high current, but since the larger the current, the greater the power loss, the cooktop 10 that minimizes the problem of power loss is required.
  • an object of the present disclosure is to provide a cooktop 10 that minimizes an increase in power loss while having an inverter 140 formed of a SiC element to heat various types of cooking containers 1 .
  • a magnetic material may mean a material having ferromagnetism (ferromagnetic material), and the non-magnetic material may mean including a material having weak magnetism other than a ferromagnetic material (weak magnetic material) or a material having no magnetism at all.
  • FIG. 5 is a diagram illustrating an operation section of an inverter of an induction heating type cooktop to which a SiC element is applied
  • FIG. 6 is a diagram illustrating electrical operation characteristics of the inverter according to the type of cooking vessel.
  • the operation period of the inverter 140 may be divided into a channel conduction period 501 , a switch turn-off period 503 , and a dead time period 505 .
  • the channel conduction section 501 may be a section in which current flows through a channel inside the SiC device.
  • the switch turn-off section 503 may be a section in which a switch turn-off loss occurs during the turn-off section of the SiC device.
  • the dead time period 505 may be a period for a safe operation when the SiC device is turned on. Meanwhile, in the dead time period, a reverse conduction period 507 in which current flows through an internal diode may be included.
  • the cooking vessel 1 when the cooking vessel 1 is a magnetic material, it has a large equivalent resistance (eg, about 2 to 3 ⁇ ) when magnetically coupled to the working coil 150 , and as shown in FIG. 6 , the resonance voltage-current Since the phase difference of is small, it is possible to secure the rated power even at a low current.
  • a large equivalent resistance eg, about 2 to 3 ⁇
  • the cooking vessel 1 when it is a non-magnetic material, it has a low equivalent resistance (eg, about 1 ⁇ ) when magnetically coupled to the working coil 150 , and as shown in FIG. 6 , the resonance voltage-current phase difference is large, so a high current is required to secure the rated power.
  • a low equivalent resistance eg, about 1 ⁇
  • the SiC device has a low loss characteristic because the on-resistance (Rds(on)) of the channel is very small in its structure, but the internal diode (body diode) of the SiC device does not have a low loss characteristic.
  • the reverse conduction section through which current flows is a relatively short section, a large amount of power loss occurs.
  • the increase in power loss according to the type of the cooking container 1 can be confirmed through the table shown in FIG. 7 .
  • STS 304 is an example of the cooking container 1 which is a non-magnetic body
  • Clad is an example of the cooking container 1 which is a magnetic body.
  • the loss ratio in the reverse conduction section is 8% when the cooking vessel 1 is a magnetic material, whereas it is significantly increased to 28% when the cooking vessel 1 is a non-magnetic material. .
  • the present disclosure seeks to minimize loss even when the cooking container 1 is a non-magnetic material.
  • the switching element is designed in the form of a bridge
  • the resonance capacitor 160 is also designed in the form of a bridge to cope with a large resonant current
  • a working coil ( 150 may be connected between the inverter 140 and the resonance capacitor 160 .
  • the cooktop 10 may change the driving method of the inverter 140 according to the type of the cooking container 1 . To this end, the cooktop 10 may determine the type of the cooking container 1 .
  • FIG. 8 is a control block diagram of a cooktop according to an embodiment of the present disclosure.
  • FIG. 8 only an example of a configuration necessary to explain the control method of the cooktop 10 according to the present disclosure is shown, some of the configurations shown in FIG. 8 are omitted, or other configurations not shown in FIG. 8 are further added. it might be
  • the cooktop 10 may include a container determining unit 191 , a control unit 193 , and an inverter 140 .
  • the inverter 140 may include a plurality of switching elements driven so that a current flows through the working coil 150 .
  • the plurality of switching devices may be a silicon carbide (SiC) device, but is not limited thereto.
  • the plurality of switching elements may be GaN elements. That is, the plurality of switching devices may be wide band-gap (WBG) devices.
  • the container determining unit 191 may determine the type of the cooking container 1 .
  • the container determining unit 191 may determine the material of the cooking container 1 .
  • the container determining unit 191 may acquire the type of the cooking container 1 or the material of the cooking container 1 .
  • the type of the cooking vessel 1 may be a concept including the material of the cooking vessel 1 .
  • a method for the container determining unit 191 to determine the type of the cooking container 1 may be various.
  • the controller 193 may change the driving method of the inverter 140 according to the type of the cooking vessel 1 .
  • a method of changing the driving method of the inverter 140 according to the type of the cooking vessel 1 will be described in more detail with reference to FIG. 9 .
  • FIG. 9 is a flowchart illustrating a method of operating a cooktop according to an embodiment of the present disclosure.
  • the controller 193 may control the container determining unit 191 to detect the type of the cooking container 1 ( S10 ).
  • the control unit 193 may obtain whether the cooking vessel 1 is a magnetic body (S12).
  • control unit 193 may obtain whether the cooking vessel 1 is a non-magnetic material.
  • the controller 193 may determine a method in which the operating frequency is equal to or greater than the resonance frequency as the power control method (S14).
  • the controller 193 may change the driving method of the inverter 140 to operate in a region having a resonance frequency or higher.
  • the controller 193 may determine a method in which the operating frequency is equal to or less than the resonance frequency as the power control method ( S16 ).
  • the controller 193 may change the driving method of the inverter 140 to operate in a region having a resonance frequency or less.
  • the controller 193 may change the driving method of the inverter 140 so that the operating frequency is adjusted to be higher than or lower than the resonance frequency according to the type of the cooking vessel 1 .
  • FIG. 10 is a diagram illustrating an operating frequency of a cooktop according to an embodiment of the present disclosure according to a change in a driving method of an inverter.
  • the first resonant frequency f 01 is a resonant frequency when the cooking container 1 is a magnetic material
  • the second resonant frequency f 02 is a resonance when the cooking container 1 is a non-magnetic material. It can be a frequency.
  • the cooktop 10 controls the inverter 140 so that the operating frequency is equal to or higher than the first resonant frequency f 01 , and if the cooking vessel 1 is a non-magnetic material, the operating frequency is the second
  • the inverter 140 may be controlled to be less than or equal to the resonance frequency f 02 .
  • the controller 193 may change the output by varying the operating frequency according to the thermal power level. That is, when the operating frequency is equal to or greater than the resonance frequency, the controller 193 may adjust the output by varying the operating frequency.
  • the control unit 193 may adjust the output in a region above the resonance point using a pulse frequency modulation (PFM) control method.
  • PFM pulse frequency modulation
  • the controller 193 may change the output by varying the duty according to the thermal power level. That is, when the operating frequency is equal to or less than the resonance frequency, the controller 193 may adjust the output by adjusting the duty of the plurality of switching elements. When the operating frequency is less than or equal to the resonance frequency, the operating frequency may be a fixed frequency. When the cooking vessel 1 is a non-magnetic material, the control unit 193 may adjust the output in a pulse width modulation (PWM) control method in a region below the resonance point.
  • PWM pulse width modulation
  • FIG 11 is an example illustrating an operation waveform of an inverter when a cooking container of the cooktop according to an embodiment of the present disclosure is a non-magnetic material.
  • the controller 193 may control the inverter 140 to operate in a region less than or equal to the resonance frequency when the cooking vessel 1 is a non-magnetic material, and may adjust the duty of the plurality of switching elements when operating in a region less than or equal to the resonance frequency.
  • the controller 193 may adjust the duty of the first switching element among the plurality of switching elements to be smaller than the duty of the second switching element.
  • the controller 193 may adjust the duty of the first switching element to the first duty, and may adjust the duty of the second switching element to the remaining section obtained by subtracting the first duty from the entire period (100%).
  • the first duty may be 50% or less.
  • the first duty may be 30%, and the second duty may be 70%.
  • a first period 1101 may be a period in which the first switching element is on
  • a third period 1105 may be a period in which the second switching element is on.
  • the second section 1103 may be between the first section 1103 and the third section 1105
  • the fourth section 1107 may be between the second section 1105 and the first section 1101 .
  • the second switching element may be disposed closer to the heat dissipation fan than the first switching element.
  • FIG. 12 is a diagram illustrating an example of arrangement of a plurality of switching elements according to an embodiment of the present disclosure.
  • the cooktop 10 may further include a heat dissipation fan 180 for cooling the heat of internal components, wherein the second switching element 141 is higher than the first switching element 143 . It may be disposed closer to the heat dissipation fan 180 . That is, a switching element whose duty is longer controlled among the plurality of switching elements may be disposed close to the heat dissipation fan 180 .
  • FIG. 13 is a graph illustrating temperatures of a plurality of switching elements when a first switching element is disposed closer to a heat dissipation fan than a second switching element in a cooktop according to an embodiment of the present disclosure
  • FIG. 14 is an embodiment of the present disclosure.
  • a graph showing temperatures of a plurality of switching elements when the second switching element is disposed closer to the heat dissipation fan than the first switching element in the cooktop according to .
  • the first switching element may be a switching element whose duty is controlled to be shorter than that of the second switching element, and vice versa. Accordingly, it is assumed that the amount of heat generated in the second switching element is larger than that in the first switching element.
  • the temperature of the second switching element is rapidly increased since the second switching element having a relatively larger amount of heat is disposed farther from the heat dissipation fan.
  • the temperature of the second switching element is gently increased, and in particular, the first switching element during PWM control. It can be seen that the temperature rise curves of the device and the second switching device are similar.
  • the power control is performed in a frequency region above the resonance point, and if the cooking vessel 1 is a non-magnetic material, the power is controlled below the resonance point. In the region, power control may be performed by a duty control method. Accordingly, there is an advantage in that it is possible to secure heating performance for cooking containers made of various materials by minimizing the amount of loss occurring in the switching element, and to provide convenience such as high output and continuous operation time to the user.
  • the switching device having a longer duty is disposed closer to the heat dissipation fan than the switching device having a short duty, the high degradation of the switching device is minimized, and the heat dissipation fins and the heat dissipation fan are miniaturized. And there is an advantage that the cost can be reduced.

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Abstract

본 개시는 자성체 용기와 비자성체 용기를 모두 높은 출력으로 가열할 수 있는 쿡탑을 제공하기 위한 것으로, 조리 용기의 종류별로 인버터의 구동 방식을 변경할 수 있다.

Description

유도 가열 방식의 쿡탑
본 개시는 유도 가열 방식의 쿡탑에 관한 것으로, 보다 상세하게 자성체 및 비자성체를 모두 가열할 수 있는 유도 가열 방식의 쿡탑에 관한 것이다.
가정이나 식당에서 음식을 가열하기 위한 다양한 방식의 조리 기구들이 사용되고 있다. 종래에는 가스를 연료로 하는 가스 레인지가 널리 보급되어 사용되어 왔으나, 최근에는 가스를 이용하지 않고 전기를 이용하여 조리 용기를 가열하는 장치들의 보급이 이루어지고 있다.
전기를 이용하여 피가열 물체를 가열하는 방식은 크게 저항 가열 방식과 유도 가열 방식으로 나누어진다. 저항 가열 방식은 금속 저항선 또는 탄화규소와 같은 비금속 발열체에 전류를 흘릴 때 생기는 열을 방사 또는 전도를 통해 조리 용기에 전달함으로써 가열하는 방식이다. 그리고 유도 가열 방식은 소정 크기의 고주파 전력을 코일에 인가할 때 코일 주변에 발생하는 자계를 이용하여 금속 성분으로 이루어진 조리 용기에 와전류(eddy current)를 발생시켜 조리 용기 자체가 가열되도록 하는 방식이다.
한편, 이러한 유도 가열 방식의 경우 동일한 전류가 코일에 인가되더라도 조리 용기의 재질에 따라서 출력 파워가 달라지는 문제가 있다. 구체적으로, 비자성체 용기는 자성체 용기 보다 낮은 투자율로 인해 동일한 동작 주파수 대역에서 비저항이 작고, 이에 따라 비자성체 용기의 출력이 자성체 용기의 출력 보다 작다.
이에, 자성체 용기뿐만 아니라 비자성체 용기에 대한 출력을 높이기 위한 방안이 요구된다. 즉, 자성체 용기와 비자성체 용기를 모두 높은 출력으로 가열할 수 있는 쿡탑이 요구되고 있다.
본 개시는 상술한 문제를 해결하는 것을 목적으로 한다.
본 개시는 자성체 용기 및 비자성체 용기 모두를 고출력으로 가열할 수 있는 쿡탑의 제공을 일 목적으로 한다.
본 개시는 SiC 소자를 포함하는 쿡탑에서의 스위칭 손실을 최소화는 것을 일 목적으로 한다.
본 개시는 SiC 소자를 포함하는 쿡탑에서의 스위칭 소자의 발열 문제를 최소화하는 것을 일 목적으로 한다.
본 개시의 일 실시 예에 따른 쿡탑은 스위칭 소자로 SiC 소자를 사용하고자 한다.
본 개시의 일 실시 예에 따른 쿡탑은 조리 용기의 종류별로 상이한 전력 제어 방법을 사용하고자 한다.
본 개시의 일 실시 예에 따른 쿡탑은 조리 용기의 종류별로 인버터를 상이하게 구동시키고자 한다. 특히, 본 개시의 일 실시 예에 따른 쿡탑은 조리 용기의 종류에 따라 동작 주파수를 변경하고자 한다.
본 개시의 일 실시 예는 듀티가 긴 스위치가 방열팬에 가깝게 배치된 쿡탑을 제공하고자 한다.
본 개시의 실시 예에 따른 유도 가열 방식의 쿡탑은 워킹 코일, 워킹 코일에 전류가 흐르도록 구동되는 복수의 스위칭 소자를 포함하는 인버터, 조리 용기의 종류를 판별하는 용기 판별부, 조리 용기의 종류에 따라 인버터의 구동 방식을 변경하는 제어부를 포함할 수 있다.
제어부는 조리 용기의 종류에 따라 동작 주파수가 공진 주파수 이상 또는 이하로 조절되도록 인버터의 구동 방식을 변경할 수 있다.
제어부는 조리 용기의 종류가 자성체이면 공진 주파수 이상인 영역에서 동작하도록 인버터의 구동 방식을 변경하고, 조리 용기의 종류가 비자성체이면 공진 주파수 이하인 영역에서 동작하도록 인버터의 구동 방식을 변경할 수 있다.
제어부는 공진 주파수 이하인 영역에서 동작할 때 복수의 스위칭 소자의 듀티를 조절할 수 있다.
제어부는 복수의 스위칭 소자 중 제1 스위칭 소자의 듀티를 복수의 스위칭 소자 중 제2 스위칭 소자의 듀티 보다 작게 조절할 수 있다.
제1 스위칭 소자의 듀티는 50% 이하일 수 있다.
제2 스위칭 소자는 제1 스위칭 소자 보다 방열팬에 가깝게 배치될 수 있다.
제어부는 동작 주파수가 공진 주파수 이상인 경우 동작 주파수를 가변시켜 출력을 조절하고, 동작 주파수가 공진 주파수 이하인 경우 복수의 스위칭 소자의 듀티를 조절하여 출력을 조절할 수 있다.
동작 주파수가 공진 주파수 이하인 경우 동작 주파수는 고정 주파수일 수 있다.
복수의 스위칭 소자는 SiC 소자일 수 있다.
본 개시의 일 실시 예에 따르면, 쿡탑에 SiC 소자가 적용됨에 따라 높은 주파수 대역에서 동작이 가능하여, 비자성체에 대한 가열 효율이 향상되는 이점이 있다.
또한, 본 개시의 일 실시 예에 따르면, 조리 용기의 종류별로 인버터 구동 방식이 구분됨에 따라 스위칭 소자에서 발생하는 손실이 최소화되기 때문에, 다양한 재질의 용기에 대한 가열 성능이 확보되며, 고출력, 연속 운전 시간의 증가 등과 같은 사용자 편의성이 증대되는 이점이 있다.
또한, 상술한 바와 같이 스위칭 소자의 손실이 최소화되므로, 스위칭 소자의 고열화를 억제하며, 방열 핀 및 냉각 팬 등의 방열 시스템의 소형화 및 저비용화가 가능한 이점이 있다.
도 1은 본 개시의 실시 예에 따른 쿡탑과 조리 용기가 도시된 사시도이다.
도 2는 본 개시의 실시 예에 따른 쿡탑과 조리 용기의 단면도이다.
도 3은 본 개시의 실시 예에 따른 쿡탑의 회로도가 도시된 도면이다.
도 4는 본 개시의 실시 예에 따른 쿡탑의 출력 특성을 나타내는 도면이다.
도 5는 SiC 소자를 적용한 유도 가열 방식의 쿡탑의 인버터에서의 동작 구간을 나타내는 도면이다.
도 6은 조리 용기의 종류에 따른 인버터의 전기적 동작 특성이 도시된 도면이다.
도 7은 SiC 소자를 적용한 유도 가열 방식의 쿡탑이 가열하는 조리 용기의 종류에 따른 손실이 도시된 표이다.
도 8은 본 개시의 실시 예에 따른 쿡탑의 제어 블록도이다.
도 9는 본 개시의 실시 예에 따른 쿡탑의 동작 방법이 도시된 순서도이다.
도 10은 본 개시의 실시 예에 따른 쿡탑이 인버터의 구동 방식을 변경함에 따른 동작 주파수가 도시된 도면이다.
도 11은 본 개시의 실시 예에 따른 쿡탑이 조리 용기가 비자성체일 때 인버터의 동작 파형이 도시된 예시이다.
도 12는 본 개시의 실시 예에 따른 복수의 스위칭 소자의 배치 모습의 일 예가 도시된 도면이다.
도 13은 본 개시의 실시 예에 따른 쿡탑에서 제1 스위칭 소자가 제2 스위칭 소자 보다 방열팬에 더 가깝게 배치된 경우 복수의 스위칭 소자의 온도가 도시된 그래프이다.
도 14는 본 개시의 실시 예에 따른 쿡탑에서 제2 스위칭 소자가 제1 스위칭 소자 보다 방열팬에 더 가깝게 배치된 경우 복수의 스위칭 소자의 온도가 도시된 그래프이다.
이하, 본 개시와 관련된 실시 예에 대하여 도면을 참조하여 보다 상세하게 설명한다. 이하의 설명에서 사용되는 구성요소에 대한 접미사 "모듈" 및 "부"는 명세서 작성의 용이함만이 고려되어 부여되거나 혼용되는 것으로서, 그 자체로 서로 구별되는 의미 또는 역할을 갖는 것은 아니다.
이하, 본 개시의 실시 예에 따른 유도 가열 방식의 쿡탑 및 그의 동작 방법을 설명한다. 설명의 편의를 위해, “유도 가열 방식의 쿡탑”을 “쿡탑”으로 일컫는다.
도 1은 본 개시의 실시 예에 따른 쿡탑과 조리 용기가 도시된 사시도이고, 도 2는 본 개시의 실시 예에 따른 쿡탑과 조리 용기의 단면도이다.
조리 용기(1)는 쿡탑(10) 상부에 위치할 수 있고, 쿡탑(10)은 상부에 위치하고 있는 조리 용기(1)를 가열시킬 수 있다.
먼저, 쿡탑(10)이 조리 용기(1)를 가열시키는 방법을 설명한다.
도 1에 도시된 바와 같이, 쿡탑(10)은 적어도 일부가 조리 용기(1)를 통과하도록 자기장(20)을 발생시킬 수 있다. 이 때, 조리 용기(1)의 재질에 전기 저항 성분이 포함되어 있다면, 자기장(20)은 조리 용기(1)에 와류 전류(30)를 유도할 수 있다. 이러한 와류 전류(30)는 조리 용기(1) 자체를 발열시키고, 이러한 열은 전도 또는 방사되어 조리 용기(1)의 내부까지 전달되므로, 조리 용기(1)의 내용물이 조리될 수 있다.
한편, 조리 용기(1)의 재질에 전기 저항 성분이 포함되지 않은 경우에는 와류 전류(30)가 발생하지 않는다. 따라서, 이러한 경우 쿡탑(10)은 조리 용기(1)를 가열시킬 수 없다.
따라서, 이러한 쿡탑(10)에 의해 가열될 수 있는 조리 용기(1)는 스테인리스 계열 혹은 법랑이나 주철 용기 같은 금속 재질 용기일 수 있다.
다음으로, 쿡탑(10)이 자기장(20)을 발생시키는 방법을 설명한다.
도 2에 도시된 바와 같이, 쿡탑(10)은 상판 글래스(11), 워킹 코일(12) 및 페라이트(13) 중 적어도 하나 이상을 포함할 수 있다.
상판 글래스(11)는 조리 용기(1)를 지지할 수 있다. 즉, 조리 용기(1)는 상판 글래스(11)의 상면에 놓일 수 있다.
그리고, 상판 글래스(11)는 여러 광물질을 합성한 세라믹 재질의 강화 유리로 형성될 수 있다. 이에 따라, 상판 글래스(11)는 쿡탑(10)을 외부 충격 등으로부터 보호할 수 있다.
또한, 상판 글래스(11)는 쿡탑(10) 내부로 먼지 등의 이물질이 인입되는 문제를 방지할 수 있다.
워킹 코일(12)은 상판 글래스(11)의 아래에 위치할 수 있다. 이러한 워킹 코일(12)은 자기장(20)을 발생시키도록 전류가 공급되거나 공급되지 않을 수 있다. 구체적으로, 쿡탑(10) 내부 스위칭 소자의 온/오프에 따라 워킹 코일(12)에 전류가 흐르거나 흐르지 않을 수 있다.
워킹 코일(12)에 전류가 흐르면 자기장(20)이 발생하고, 이러한 자기장(20)은 조리 용기(1)에 포함된 전기 저항 성분을 만나 와류 전류(30)를 발생시킬 수 있다. 와류 전류는 조리 용기(1)를 가열시키고, 이에 따라 조리 용기(1)의 내용물이 조리될 수 있다.
또한, 워킹 코일(12)에 흐르는 전류의 양에 따라 쿡탑(10)의 화력이 조절될 수 있다. 구체적인 예로, 워킹 코일(12)을 흐르는 전류가 많을수록 자기장(20)이 많이 발생하게 되고, 이에 따라 조리 용기(1)를 통과하는 자기장이 증가하므로 쿡탑(10)의 화력이 높아질 수 있다.
페라이트(13)는 쿡탑(10)의 내부 회로를 보호하기 위한 구성 요소이다. 구체적으로, 페라이트(13)는 워킹 코일(12)에서 발생한 자기장(20) 또는 외부에서 발생한 전자기장이 쿡탑(10)의 내부 회로에 미치는 영향을 차단하는 차폐 역할을 한다.
이를 위해, 페라이트(13)는 투자율(permeability)이 매우 높은 물질로 형성될 수 있다. 페라이트(13)는 쿡탑(10)의 내부로 유입되는 자기장이 방사되지 않고, 페라이트(13)를 통해 흐르도록 유도하는 역할을 한다. 페라이트(13)에 의해 워킹 코일(12)에서 발생한 자기장(20)이 이동하는 모습은 도 2에 도시된 바와 같을 수 있다.
한편, 쿡탑(10)은 상술한 상판 글래스(11), 워킹 코일(12) 및 페라이트(13) 외에 다른 구성을 더 포함할 수 있다. 예를 들어, 쿡탑(10)은 상판 글래스(11)와 워킹 코일(12) 사이에 위치하는 단열재(미도시)를 더 포함할 수도 있다. 즉, 본 개시에 따른 쿡탑은 도 2에 도시된 쿡탑(10)으로 제한되지 않는다.
도 3은 본 개시의 실시 예에 따른 쿡탑의 회로도가 도시된 도면이다.
도 3에 도시된 쿡탑(10)의 회로도는 설명의 편의를 예시적으로 든 것에 불과하므로, 본 개시는 이에 제한되지 않는다.
도 3을 참조하면, 유도 가열 방식의 쿡탑은 전원부(110), 정류부(120), DC 링크 커패시터(130), 인버터(140), 워킹 코일(150), 공진 커패시터(160) 및 SMPS(170) 중 적어도 일부 또는 전부를 포함할 수 있다.
전원부(110)는 외부 전원을 입력받을 수 있다. 전원부(110)가 외부로부터 입력받는 전원은 AC(Alternation Current) 전원일 수 있다.
전원부(110)은 정류부(120)로 교류 전압을 공급할 수 있다.
정류부(120, Rectifier)는 교류를 직류로 변환하기 위한 전기적 장치이다. 정류부(120)는 전원부(110)을 통해 공급되는 교류 전압을 직류 전압으로 변환한다. 정류부(120)는 변환된 전압을 DC 양단(121)으로 공급할 수 있다.
정류부(120)의 출력단은 DC 양단(121)으로 연결될 수 있다. 정류부(120)를 통해 출력되는 DC 양단(121)을 DC 링크라고 할 수 있다. DC 양단(121)에서 측정되는 전압을 DC 링크 전압이라고 한다.
DC 링크 커패시터(130)는 전원부(110)과 인버터(140) 사이의 버퍼 역할을 수행한다. 구체적으로, DC 링크 커패시터(130)는 정류부(120)를 통해 변환된 DC 링크 전압을 유지시켜 인버터(140)까지 공급하기 위한 용도로 사용된다.
인버터(140)는 워킹 코일(150)에 고주파의 전류가 흐르도록 워킹 코일(150)에 인가되는 전압을 스위칭하는 역할을 한다. 인버터(140)는 반도체 스위치를 포함할 수 있고, 반도체 스위치는 IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor) 또는 SiC 소자일 수 있으나, 이는 예시적인 것에 불과하므로, 이에 제한되지 않음이 타당하다. 인버터(140)는 반도체 스위치를 구동시킴으로써 워킹 코일(150)에 고주파의 전류가 흐르게 하고, 이에 따라 워킹 코일(150)에 고주파 자계가 형성된다.
워킹 코일(150)은 스위칭 소자의 구동 여부에 따라 전류가 흐르거나 전류가 흐르지 않을 수 있다. 워킹 코일(150)에 전류가 흐르면 자기장이 발생한다. 워킹 코일(150)은 전류가 흐름에 따라 자기장을 발생시켜 조리기기를 가열시킬 수 있다.
워킹 코일(150)의 일측은 인버터(140)의 스위칭 소자의 접속점에 연결되어 있고, 다른 일측은 공진 커패시터(160)에 연결된다.
스위칭 소자의 구동은 구동부(미도시)에 의해서 이루어지며, 구동부에서 출력되는 스위칭 시간에 제어되어 스위칭 소자가 서로 교호로 동작하면서 워킹 코일(150)로 고주파의 전압을 인가한다. 그리고, 구동부(미도시)로터 인가되는 스위칭 소자의 온/오프 시간은 점차 보상되는 형태로 제어되기 때문에 워킹 코일(150)에 공급되는 전압은 저전압에서 고전압으로 변한다.
공진 커패시터(160)는 완충기 역할을 하기 위한 구성요소일 수 있다. 공진 커패시터(160)는 스위칭 소자의 턴오프 동안 포화 전압 상승 비율을 조절하여, 턴오프 시간 동안 에너지 손실에 영향을 준다.
SMPS(170, Switching Mode Power Supply)는 스위칭 동작에 따라 전력을 효율적으로 변환시키는 전원공급장치를 의미한다. SMPS(170)는 직류 입력 전압을 구형파 형태의 전압으로 변환한 후, 필터를 통하여 제어된 직류 출력 전압을 획득한다. SMPS(170)는 스위칭 프로세서를 이용하여, 전력의 흐름을 제어함으로써 불필요한 손실을 최소화할 수 있다.
도 3에 도시된 바와 같은 회로도로 구성되는 쿡탑(10)의 경우, 공진 주파수(resonance frequency)는 워킹 코일(150)의 인덕턴스 값과 공진 커패시터(160)의 커패시턴스 값에 의해 결정된다. 그리고, 결정된 공진 주파수를 중심으로 공진 곡선이 형성되며, 공진 곡선은 주파수 대역에 따라 쿡탑(10)의 출력 파워를 나타낼 수 있다.
다음으로, 도 4는 본 개시의 실시 예에 따른 쿡탑의 출력 특성을 나타내는 도면이다.
먼저, Q 팩터(quality factor)는 공진 회로에서 공진의 예리함을 나타내는 값일 수 있다. 따라서, 쿡탑(10)의 경우, 쿡탑(10)에 포함된 워킹 코일(150)의 인덕턴스 값과 공진 커패시터(160)의 커패시턴스 값에 의해 Q 팩터가 결정된다. Q 팩터에 따라 공진 곡선은 상이하다. 따라서, 워킹 코일(150)의 인덕턴스 값과 공진 커패시터(160)의 커패시턴스 값에 따라 쿡탑(10)은 상이한 출력 특성을 갖는다.
도 4에는 Q 팩터에 따른 공진 곡선의 일 예가 도시되어 있다. 일반적으로, Q 팩터가 클수록 곡선의 모양이 샤프(sharp)하고, Q 팩터가 작을수록 곡선의 모양이 브로드(broad)하다.
공진 곡선의 가로축은 주파수(frequency)를 나타내고, 세로축은 출력되는 전력(power)을 나타낼 수 있다. 공진 곡선에서 최대 전력을 출력하는 주파수를 공진 주파수(f 0)라고 한다.
일반적으로, 쿡탑(10)은 공진 곡선의 공진 주파수(f 0)를 기준으로 오른쪽 영역의 주파수를 이용한다. 그리고, 쿡탑(1)은 동작 가능한 최소 동작 주파수와 최대 동작 주파수가 미리 설정되어 있을 수 있다.
일 예로, 쿡탑(10)은 최대 동작 주파수(f max)부터 최소 동작 주파수(f min)의 범위에 해당하는 주파수로 동작할 수 있다. 즉, 쿡탑(10)의 동작 주파수 범위는 최대 동작 주파수(f max)부터 최소 동작 주파수(f min)까지일 수 있다.
일 예로, 최대 동작 주파수(f max)는 IGBT 최대 스위칭 주파수일 수 있다. IGBT 최대 스위칭 주파수란 IGBT 스위칭 소자의 내압 및 용량 등을 고려하여, 구동 가능한 최대 주파수를 의미할 수 있다. 예를 들어, 최대 동작 주파수(fmax)는 75kHz일 수 있다.
최소 동작 주파수(f min)는 약 20kHz일 수 있다. 이 경우, 쿡탑(10)이 가청 주파수(약 16Hz~ 20kHz)로 동작하지 않으므로, 쿡탑(10)의 소음을 줄일 수 있는 효과가 있다.
한편, 상술한 최대 동작 주파수(f max) 및 최소 동작 주파수(f min)의 설정 값은 예시적인 것에 불과하므로, 이에 제한되지 않는다.
이러한 쿡탑(10)은 가열 명령을 수신하면 가열 명령에서 설정된 화력 단계에 따라 동작 주파수를 결정할 수 있다. 구체적으로, 쿡탑(10)은 설정된 화력 단계가 높을수록 동작 주파수를 낮추고, 설정된 화력 단계가 낮을수록 동작 주파수를 높임으로써 출력 파워를 조절할 수 있다. 즉, 쿡탑(10)은 가열 명령을 수신하면 설정된 화력에 따라 동작 주파수 범위 중 어느 하나로 동작하는 가열 모드를 실시할 수 있다.
이러한 쿡탑(10)은 자성체뿐만 아니라 비자성체인 조리 용기(1)에 대해서도 가열 효율을 높이기 위해, 큰 전류를 필요로 한다.
한편, IGBT 소자는 주파수가 높아질수록 허용 전류가 작기 때문에 비자성체인 조리 용기(1)에 대한 가열 효율에 한계가 발생할 수 있다.
SiC 소자는 높은 전류를 허용 가능하나, 소자 특성상 전류가 클수록 전력 손실 크기 때문에, 전력 손실의 문제를 최소화하는 쿡탑(10)이 요구된다.
이에, 본 개시는 다양한 종류의 조리 용기(1)를 가열 가능하도록 SiC 소자로 구성된 인버터(140)를 구비하면서, 전력 손실의 증가를 최소화한 쿡탑(10)을 제공하고자 한다.
본 명세서에서, 자성체는 강자성을 띠는 물질(강자성체)를 의미하고, 비자성체는 강자성체 이외의 자성이 약한 물질(약자성체) 또는 전혀 자성을 갖지 않는 물질을 포함하는 의미일 수 있다.
그리고, 본 명세서에서, 조리 용기(1)가 자성체인 경우 전압/전류/저항/전력 등이 크다(높다)/작다(낮다) 등의 표현은 조리 용기(1)가 비자성체인 경우와 비교하여 크거나(높거나), 작다(낮다)는 것이고, 반대로, 조리 용기(1)가 비자성체인 경우 전압/전류/저항/전력 등이 크다(높다)/작다(낮다) 등의 표현은 조리 용기(1)가 자성체인 경우와 비교하여 크거나(높거나), 작다(낮다)는 것을 의미할 수 있다.
도 5는 SiC 소자를 적용한 유도 가열 방식의 쿡탑의 인버터에서의 동작 구간을 나타내는 도면이고, 도 6은 조리 용기의 종류에 따른 인버터의 전기적 동작 특성이 도시된 도면이다.
도 5의 예시를 참조하면, 인버터(140)의 동작 구간은 채널 컨덕션 구간(501), 스위치 턴 오프 구간(503), 데드 타임 구간(505)으로 구분될 수 있다.
채널 컨덕션(Channel Conduction) 구간(501)은, 전류가 SiC 소자 내부의 채널(Channel)을 통해 흐르는 구간일 수 있다.
스위치 턴 오프 구간(503)은 SiC 소자의 턴-오프 구간 중 스위치 턴 오프(Switch Turn off) 손실이 발생하는 구간일 수 있다.
데드 타임(Dead time) 구간(505)은, SiC 소자가 턴 온 될 때 안전 동작을 위한 구간일 수 있다. 한편, 데드 타임 구간에서는 내부 다이오드를 통해 전류가 흐르는 리버스 컨덕션(Reverse Conduction) 구간(507)이 포함될 수 있다.
리버스 컨덕션 구간에서는 내부 다이오드를 통해 전류가 흐르기 때문에, 특히 조리 용기(1)가 비자성체인 경우 SiC 소자에 높은 전류가 흐르는 바, 리버스 컨덕션 구간에서 큰 전력 손실이 발생할 수 있다.
상세하게, 조리 용기(1)가 자성체인 경우에는 워킹 코일(150)과 자기적 결합시 큰 등가 저항(예를 들어, 약 2 내지 3Ω)을 갖고, 도 6에 도시된 바와 같이 공진 전압-전류의 위상차가 작기 때문에, 낮은 전류에도 정격 전력을 확보할 수 있다.
한편, 조리 용기(1)가 비자성체인 경우에는 워킹 코일(150)과 자기적 결합시 낮은 등가 저항(예를 들어, 약 1Ω)을 갖고, 도 6에 도시된 바와 같이 공진 전압-전류의 위상차가 크기 때문에 정격 전력을 확보하기 위해서는 높은 전류를 필요로 한다.
따라서, 비자성체인 조리 용기(1)를 가열할 때 보다 높은 전류가 흐르는 바, 리버스 컨덕션 구간에서 전력 손실 또한 커지게 된다. 그 이유는, SiC 소자는 구조 상 채널의 온 저항(Rds(on))이 매우 작기 때문에 낮은 손실을 특성으로 하나, SiC 소자의 내부 다이오드(바디 다이오드)는 저손실 특성을 갖지 않기 때문에, 내부 다이오드를 통해 전류가 흐르는 리버스 컨덕션 구간은 비교적 짧은 구간이지만 전력 손실이 크게 발생하게 된다.
이러한 조리 용기(1)의 종류에 따른 전력 손실의 증가는, 도 7에 도시된 표를 통해서 확인할 수 있다.
도 7은 SiC 소자를 적용한 유도 가열 방식의 쿡탑이 가열하는 조리 용기의 종류에 따른 손실이 도시된 표이다.
도 7에 도시된 표에서 STS 304는 비자성체인 조리 용기(1)의 일 예이고, Clad는 자성체인 조리 용기(1)의 일 예이다.
도 7을 참조하면, 리버스 컨덕션 구간에서의 손실 비율이 조리 용기(1)가 자성체일 때 8%인 반면, 조리 용기(1)가 비자성체일 때 28%로 매우 크게 증가함을 확인할 수 있다.
따라서, 본 개시는 조리 용기(1)가 비자성체인 경우에도 손실을 최소화하고자 한다. 이를 위해, 본 개시의 일 실시 예에 따른 쿡탑(10)은 스위칭 소자가 브릿지(bridge) 형태로 설계되고, 큰 공진 전류에 대응 가능하도록 공진 커패시터(160)도 브릿지 형태로 설계되며, 워킹 코일(150)은 인버터(140)와 공진 커패시터(160) 사이에 연결될 수 있다.
그리고, 쿡탑(10)은 조리 용기(1)의 종류에 따라 인버터(140)의 구동 방식을 변경할 수 있다. 이를 위해, 쿡탑(10)은 조리 용기(1)의 종류를 판별할 수 있다.
도 8은 본 개시의 실시 예에 따른 쿡탑의 제어 블록도이다.
도 8에서는 본 개시에 따른 쿡탑(10)의 제어 방법을 설명하기 위해 필요한 구성의 일 예만 도시된 것으로, 도 8에 도시된 구성 중 일부가 생략되거나, 도 8에 도시되지 않은 다른 구성들이 더 추가될 수도 있다.
쿡탑(10)은 용기 판별부(191), 제어부(193) 및 인버터(140)를 포함할 수 있다.
인버터(140)는 워킹 코일(150)에 전류가 흐르도록 구동되는 복수의 스위칭 소자를 포함할 수 있다. 일 예로, 복수의 스위칭 소자는 SiC(Silicon carbide) 소자일 수 있으나, 이에 제한되지 않음이 타당하다. 예를 들어, 복수의 스위칭 소자는 GaN 소자일 수도 있다. 즉, 복수의 스위칭 소자는 WBG(Wide Band-Gap) 소자일 수 있다.
용기 판별부(191)는 조리 용기(1)의 종류를 판별할 수 있다. 보다 상세하게, 용기 판별부(191)는 조리 용기(1)의 재질을 판별할 수 있다. 정리하면, 용기 판별부(191)는 조리 용기(1)의 종류 또는 조리 용기(1)의 재질을 획득할 수 있다. 조리 용기(1)의 종류는 조리 용기(1)의 재질을 포함하는 개념일 수 있다.
용기 판별부(191)가 조리 용기(1)의 종류를 판별하는 방법은 다양할 수 있다.
제어부(193)는 조리 용기(1)의 종류에 따라 인버터(140)의 구동 방식을 변경할 수 있다. 도 9를 참조하여, 조리 용기(1)의 종류에 따라 인버터(140)의 구동 방식을 변경하는 방법을 보다 상세히 설명한다.
도 9는 본 개시의 실시 예에 따른 쿡탑의 동작 방법이 도시된 순서도이다.
제어부(193)는 조리 용기(1)의 종류를 감지하도록 용기 판별부(191)를 제어할 수 있다(S10).
제어부(193)는 조리 용기(1)가 자성체인지 여부를 획득할 수 있다(S12).
반대로, 제어부(193)는 조리 용기(1)가 비자성체인지 여부를 획득할 수도 있다.
제어부(193)는 조리 용기(1)가 자성체이면, 동작 주파수가 공진주파수 이상인 방식을 전력 제어 방법으로 결정할 수 있다(S14).
즉, 제어부(193)는 조리 용기(1)의 종류가 자성체이면 공진 주파수 이상인 영역에서 동작하도록 인버터(140)의 구동 방식을 변경할 수 있다.
한편, 제어부(193)는 조리 용기(1)가 비자성체이면, 동작 주파수가 공진 주파수 이하인 방식을 전력 제어 방법으로 결정할 수 있다(S16).
즉, 제어부(193)는 조리 용기(1)의 종류가 비자성체이면 공진 주파수 이하인 영역에서 동작하도록 인버터(140)의 구동 방식을 변경할 수 있다.
정리하면, 제어부(193)는 조리 용기(1)의 종류에 따라 동작 주파수가 공진 주파수 이상 또는 이하로 조절되도록 인버터(140)의 구동 방식을 변경할 수 있다.
도 10은 본 개시의 실시 예에 따른 쿡탑이 인버터의 구동 방식을 변경함에 따른 동작 주파수가 도시된 도면이다.
도 10의 예시에서, 제1 공진 주파수(f 01)는 조리 용기(1)가 자성체일 때의 공진 주파수이고, 제2 공진 주파수(f 02)는 조리 용기(1)가 비자성체일 때의 공진 주파수일 수 있다.
쿡탑(10)은 조리 용기(1)가 자성체이면 동작 주파수가 제1 공진 주파수(f 01) 이상이 되도록 인터버(140)를 제어하고, 조리 용기(1)가 비자성체이면 동작 주파수가 제2 공진 주파수(f 02) 이하가 되도록 인버터(140)를 제어할 수 있다.
한편, 제어부(193)는 동작 주파수가 제1 공진 주파수(f 01) 이상이 되도록 제어할 경우, 화력 단계에 따라 동작 주파수를 가변시켜 출력을 변경할 수 있다. 즉, 제어부(193)는 동작 주파수가 공진 주파수 이상인 경우 동작 주파수를 가변시켜 출력을 조절할 수 있다. 제어부(193)는 조리 용기(1)가 자성체인 경우에는 공진점 이상인 영역에서 PFM(Pulse Frequency Modulation) 제어 방식으로 출력을 조절할 수 있다.
그리고, 제어부(193)는 동작 주파수가 제2 공진 주파수(f 02) 이하가 되도록 제어할 경우, 화력 단계에 따라 듀티를 가변시켜 출력을 변경할 수 있다. 즉, 제어부(193)는 동작 주파수가 공진 주파수 이하인 경우 복수의 스위칭 소자의 듀티를 조절하여 출력을 조절할 수 있다. 동작 주파수가 공진 주파수 이하인 경우 동작 주파수는 고정 주파수일 수 있다. 제어부(193)는 조리 용기(1)가 비자성체인 경우에는 공진점 이하인 영역에서 PWM(Pulse Width Modulation) 제어 방식으로 출력을 조절할 수 있다.
도 11은 본 개시의 실시 예에 따른 쿡탑이 조리 용기가 비자성체일 때 인버터의 동작 파형이 도시된 예시이다.
제어부(193)는 조리 용기(1)가 비자성체일 때 공진 주파수 이하인 영역에서 동작하도록 인버터(140)를 제어하며, 공진 주파수 이하인 영역에서 동작할 때 복수의 스위칭 소자의 듀티를 조절할 수 있다.
제어부(193)는 복수의 스위칭 소자 중 제1 스위칭 소자의 듀티를 제2 스위칭 소자의 듀티 보다 작게 조절할 수 있다. 제어부(193)는 제1 스위칭 소자의 듀티를 제1 듀티로 조절하고, 제2 스위칭 소자의 듀티를 전체 주기(100%)에서 제1 듀티를 뺀 나머지 구간으로 조절할 수 있다. 제1 듀티는 50% 이하일 수 있다. 예를 들어, 제1 듀티는 30%이고, 제2 듀티는 70%일 수 있다.
도 11에서, 제1 구간(1101)은 제1 스위칭 소자가 온인 구간이며, 제3 구간(1105)은 제2 스위칭 소자가 온인 구간일 수 있다. 제2 구간(1103)은 제1 구간(1103)과 제3 구간(1105)의 사이이며, 제4 구간(1107)은 제2 구간(1105)과 제1 구간(1101)의 사이일 수 있다.
제2 구간(1103)에서 제3 구간(1105)으로 변경될 때, 제2 스위칭 소자의 내부 다이오드로 전류가 흐르다가 제2 스위칭 소자로 전류가 흐르므로, ZVS(zero-voltage switch) 턴 온이 이루어지므로, 스위칭 손실이 발생하지 않는 이점이 있다. 그리고, 제4 구간(1107)에서 제1 구간(1101)으로 변경될 때, 제2 스위칭 소자의 내부 다이오드로 전류가 흐르다가 제1 스위칭 소자로 전류가 흐르므로, 리버스 전류에 의한 손실이 약간 발생하게 된다.
즉, 도 11을 참조하면, 제1 스위칭 소자에서는 하드 스위칭으로 손실이 1회 발생하기는 하나, 리버스 컨덕션 구간에서 전류가 낮기 때문에 손실량이 작아진다. 그리고, 제2 스위칭 소자에서는 소프트 스위칭으로 손실이 발생하지 않게 되며, 채널 컨덕션 구간에서 약간의 손실만 발생하므로, 손실량의 증가가 억제되는 이점이 있다.
한편, 이 경우, 제2 스위칭 소자는 듀티가 제1 스위칭 소자 보다 길기 때문에, 발열량이 다소 증가될 수 있다. 즉, 상술한 바와 같이, 쿡탑(10)의 조리 용기(1)가 비자성체일 때 동작 주파수가 공진 주파수 이하로 제어될 경우에는 제2 스위칭 소자에서의 발열량이 제1 스위칭 소자에서의 발열량 보다 많아질 수 있다. 이에, 본 개시의 일 실시 예에 따른 쿡탑(10)은 제2 스위칭 소자가 제1 스위칭 소자 보다 방열팬에 가깝게 배치될 수 있다.
도 12는 본 개시의 실시 예에 따른 복수의 스위칭 소자의 배치 모습의 일 예가 도시된 도면이다.
도 12에 도시된 바와 같이, 쿡탑(10)은 내부 구성요소들의 열을 냉각시키기 위한 방열팬(180)을 더 포함할 수 있는데, 제2 스위칭 소자(141)가 제1 스위칭 소자(143) 보다 방열팬(180)에 더 가깝게 배치될 수 있다. 즉, 복수의 스위칭 소자 중 듀티가 더 길게 제어되는 스위칭 소자가 방열팬(180)에 가깝게 배치될 수 있다.
도 13은 본 개시의 실시 예에 따른 쿡탑에서 제1 스위칭 소자가 제2 스위칭 소자 보다 방열팬에 더 가깝게 배치된 경우 복수의 스위칭 소자의 온도가 도시된 그래프이고, 도 14는 본 개시의 실시 예에 따른 쿡탑에서 제2 스위칭 소자가 제1 스위칭 소자 보다 방열팬에 더 가깝게 배치된 경우 복수의 스위칭 소자의 온도가 도시된 그래프이다.
여기서, 제1 스위칭 소자는 제2 스위칭 소자 보다 듀티가 짧게 제어되고, 반대로 제2 스위칭 소자는 제1 스위칭 소자 보다 듀티가 길게 제어되는 스위칭 소자일 수 있다. 따라서, 제2 스위칭 소자에서의 발열량은 제1 스위칭 소자에서의 발열량 보다 많은 것으로 가정된다.
도 13을 참조하면, 상대적으로 발열량이 더 많은 제2 스위칭 소자가 방열팬에서 더 멀리 배치되는 구조인 바, 제2 스위칭 소자의 온도가 급격하게 상승함을 확인할 수 있다.
한편, 도 14를 참조하면, 상대적으로 발열량이 더 많은 제2 스위칭 소자가 방열팬에 더 가깝게 배치되는 구조인 바, 제2 스위칭 소자의 온도가 완만하게 상승하며, 특히, PWM 제어시 제1 스위칭 소자와 제2 스위칭 소자의 온도 상승 곡선이 유사함을 확인할 수 있다.
정리하면, 본 개시의 실시 예에 따른 쿡탑(10)은 조리 용기(1)가 자성체이면 공진점 이상의 주파수 영역에서 주파수 제어 방식으로 전력 제어를 수행하고, 조리 용기(1)가 비자성체이면 공진점 이하의 영역에서 듀티 제어 방식으로 전력 제어를 수행할 수 있다. 이에 따라, 스위칭 소자에서 발생하는 손실량을 최소화하여 다양한 재질의 조리 용기에 대한 가열 성능을 확보하며, 고출력, 연속 운전 시간의 증가 등과 같은 편의성을 사용자에게 제공 가능한 이점이 있다.
또한, 이러한 쿡탑(10)의 복수의 스위칭 소자는 듀티가 보다 긴 스위칭 소자가 듀티가 짧은 스위칭 소자 보다 방열팬에 가깝게 배치되므로, 스위칭 소자의 고열화를 최소화하며, 방열 핀과 방열팬 등의 소형화 및 저비용화가 가능한 이점이 있다.
이상의 설명은 본 개시의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 개시가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 개시의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다.
따라서, 본 개시에 개시된 실시 예들은 본 개시의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시 예에 의하여 본 개시의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다.
본 개시의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 개시의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (10)

  1. 워킹 코일;
    상기 워킹 코일에 전류가 흐르도록 구동되는 복수의 스위칭 소자를 포함하는 인버터;
    조리 용기의 종류를 판별하는 용기 판별부;
    상기 조리 용기의 종류에 따라 상기 인버터의 구동 방식을 변경하는 제어부를 포함하는
    유도 가열 방식의 쿡탑.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 제어부는
    상기 조리 용기의 종류에 따라 동작 주파수가 공진 주파수 이상 또는 이하로 조절되도록 상기 인버터의 구동 방식을 변경하는
    유도 가열 방식의 쿡탑.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 제어부는
    상기 조리 용기의 종류가 자성체이면 공진 주파수 이상인 영역에서 동작하도록 상기 인버터의 구동 방식을 변경하고,
    상기 조리 용기의 종류가 비자성체이면 공진 주파수 이하인 영역에서 동작하도록 상기 인버터의 구동 방식을 변경하는
    유도 가열 방식의 쿡탑.
  4. 청구항 2에 있어서,
    상기 제어부는
    공진 주파수 이하인 영역에서 동작할 때 상기 복수의 스위칭 소자의 듀티를 조절하는
    유도 가열 방식의 쿡탑.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 제어부는
    상기 복수의 스위칭 소자 중 제1 스위칭 소자의 듀티를 상기 복수의 스위칭 소자 중 제2 스위칭 소자의 듀티 보다 작게 조절하는
    유도 가열 방식의 쿡탑.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 제1 스위칭 소자의 듀티는 50% 이하인
    유도 가열 방식의 쿡탑.
  7. 청구항 5에 있어서,
    상기 제2 스위칭 소자는 상기 제1 스위칭 소자 보다 방열팬에 가깝게 배치되는
    유도 가열 방식의 쿡탑.
  8. 청구항 2에 있어서,
    상기 제어부는
    동작 주파수가 공진 주파수 이상인 경우 동작 주파수를 가변시켜 출력을 조절하고,
    동작 주파수가 공진 주파수 이하인 경우 상기 복수의 스위칭 소자의 듀티를 조절하여 출력을 조절하는
    유도 가열 방식의 쿡탑.
  9. 청구항 8에 있어서,
    동작 주파수가 공진 주파수 이하인 경우 상기 동작 주파수는 고정 주파수인
    유도 가열 방식의 쿡탑.
  10. 청구항 1에 있어서,
    상기 복수의 스위칭 소자는 SiC 소자인
    유도 가열 방식의 쿡탑.
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