KR20090005142U - 유도가열 조리기 - Google Patents

Abstract

본 고안은 유도가열 조리기에 관한 것으로, 본 고안의 목적은 유휴(遊休) 하프 브릿지 인버터 회로를 이용하여 풀 브릿지 인버터 회로를 구현함으로써 출력 용량의 향상 및 인버터 회로 내 스위칭 소자의 수명이 개선된 유도가열 조리기를 제공함에 있다.

이를 위해 본 고안에 따른 유도가열 조리기는 입력되는 교류전원을 직류전원으로 정류하는 정류부; 상기 직류전원을 스위칭하여 공진전압을 제공하는 제 1 및 제 2 하프 브릿지 인버터; 상기 공진전압을 제공받아 자성체 용기에 와전류를 유도시켜 가열하는 제 1 및 제 2 인덕션 코일; 상기 제 1 인덕션 코일과 상기 제 1 하프 브릿지 회로를 연결하는 제 1 스위칭 소자; 상기 제 2 인덕션 코일과 상기 제 2 하프 브릿지 회로를 연결하는 제 2 스위칭 소자; 상기 제 1 및 제 2 하프 브릿지 회로를 연결하는 제 3 스위칭 소자 및 공진 커패시터; 상기 제 1 및 제 2 인덕션 코일의 상부에 상기 자성체 용기가 존재하는지 여부를 감지하는 제 1 및 제 2 감지부; 상기 제 1 및 제 2 감지부의 감지 결과에 따라 상기 제 1 내지 제 3 스위칭 소자를 제어하는 제어부를 포함하는 유도가열 조리기를 포함한다.

유도가열 조리기, 하프 브릿지 인버터, 풀 브릿지 인버터

Description

유도가열 조리기{Induction heating cooker}

본 고안은 유도가열 조리기에 관한 것으로, 보다 상세하게는 하프 브릿지 인버터 회로를 이용하는 유도가열 조리기에 관한 것이다.

유도가열이란 먼저 가열을 원하는 금속 주위에 1차 코일을 감아 자기장을 변화시키면 금속에 2차 전류(유도전류)가 흐르는 현상을 이용하는 가열방식으로, 유도전류가 금속에 흐르면 금속의 자체 저항 때문에 열이 발생해 금속이 뜨거워지게 된다. 유도가열 조리기는 이러한 유도가열 현상을 이용하여 만든 밥솥 과 같은 조리기를 가리킨다.

즉, 유도가열 조리기는 상용전원을 정류하여 그 정류된 전원을 스위칭 함으로써 발생되는 전압을 인덕션 코일에 인가하여 인덕션 코일에 강력한 자계를 발생시키고 이 자계를 통해 피가열물인 금속을 가열하여 음식물을 조리하도록 한 장치이다.

유도가열 조리기에서 인덕션 코일을 스위칭하기 위해 사용되는 것이 스위칭 트랜지스터이다. 특히, 유도가열 조리기에서는 정류된 전원을 스위칭할 때 큰 공진전압과 공진전류가 발생하므로 반도체 소자로 고속의 스위칭이 가능하고 PWM제어 인버터에 많이 이용되는 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터(IGBT : Insulated Gate Bipolar Transistor)를 사용한다.

이러한 유도가열 조리기 중 하나인 인덕션 호브(또는 인덕션 쿡탑)는 일반적으로 도 1에 도시한 바와 같이 2개의 인덕션 모듈(2, 3)을 갖추고 있다. 하나의 인덕션 모듈(이하에서는 제 1 인덕션 모듈(2)을 기준으로 설명하도록 한다)에는 2개의 조리구(4A, 4B)가 마련되어 있으며, 이들 각각의 조리구를 동작시키기 위해 하나의 인덕션 코일과 하나의 인버터 회로를 필요로 한다. 즉, 하나의 인덕션 모듈(2)은 2개의 인덕션 코일(L1, L2)과 2개의 인버터 회로(40A, 40B)로 이루어진다. 인버터 회로에는 여러 가지 종류가 있으나, 인덕션 호브(1)에는 보통 2개의 스위칭 소자(S1, S2)와 2개의 공진 커패시터(C1, C2)로 구성된 하프 브릿지 인버터(40A)가 이용된다.

상술한 바와 같이 하나의 인덕션 모듈에는 2개의 조리구가 마련되어 있지만실제 사용자들이 두 개의 조리구를 동시에 사용하는 경우는 극히 드물고, 하나의 조리구만을 사용하는 경우가 대부분이다. 따라서 사용하지 않는 조리구 쪽의 동작 정지 중인(遊休) 인버터 회로를 효율적으로 사용할 수 있는 방안에 대한 논의가 필요하게 되었다.

따라서, 본 고안은 전술한 문제점(사용하지 않는 인버터 회로 존재)을 해결하기 위한 것으로, 본 고안의 목적은 유휴(遊休) 하프 브릿지 인버터 회로를 이용하여 풀 브릿지 인버터 회로를 구현함으로써 출력 용량의 향상 및 인버터 회로 내 스위칭 소자의 수명이 개선된 유도가열 조리기를 제공함에 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 고안에 따른 유도가열 조리기는 입력되는 교류전원을 직류전원으로 정류하는 정류부; 상기 직류전원을 스위칭하여 공진전압을 제공하는 제 1 및 제 2 하프 브릿지 인버터; 상기 공진전압을 제공받아 자성체 용기에 와전류를 유도시켜 가열하는 제 1 및 제 2 인덕션 코일; 상기 제 1 인덕션 코일과 상기 제 1 하프 브릿지 회로를 연결하는 제 1 스위칭 소자; 상기 제 2 인덕션 코일과 상기 제 2 하프 브릿지 회로를 연결하는 제 2 스위칭 소자; 상기 제 1 및 제 2 하프 브릿지 회로를 연결하는 제 3 스위칭 소자 및 공진 커패시터; 상기 제 1 및 제 2 인덕션 코일의 상부에 상기 자성체 용기가 존재하는지 여부를 감지하 는 제 1 및 제 2 감지부; 상기 제 1 및 제 2 감지부의 감지 결과에 따라 상기 제 1 내지 제 3 스위칭 소자를 제어하는 제어부를 포함한다.

또한 상기 제 1 및 제 2 하프 브릿지 인버터는 각각 두 개의 스위칭 소자와 두 개의 공진 커패시터로 구성된다.

또한 상기 제어부는 상기 제 1 및 제 2 인덕션 코일의 상부에 상기 자성체 용기가 존재한다고 판단되면 상기 제 1 및 제 2 스위칭 소자는 단락시키고 상기 제 3 스위칭 소자는 개방되도록 제어한다.

또한 상기 제어부는 상기 제 1 또는 제 2 인덕션 코일 중 어느 한 쪽의 상부에 만 상기 자성체 용기가 존재한다고 판단되면 상기 제 1 및 제 2 스위칭 소자는 개방시키고 상기 제 3 스위칭 소자는 단락되도록 제어한다.

본 고안에 의할 경우 유휴(遊休) 하프 브릿지 인버터 회로를 이용하여 풀 브릿지 인버터 회로를 구현함으로써 출력 용량의 향상 및 인버터 회로 내 스위칭 소자의 수명 개선 효과를 얻을 수 있다.

이하에서는 도면을 참조하여 본 고안의 일실시예를 상세하게 설명하도록 한다.

이하 설명할 도 2 내지 도 5에서 도 1과 동일한 부분에 대해서는 동일 부호를 병기하도록 한다.

본 고안의 일실시예에 따른 유도가열 조리기는 도 2에 도시한 바와 같이(이 하에서는 하나의 인덕션 모듈(도 1에서의 제 1 인덕션 모듈(2), 두 개의 조리구(4A, 4B))을 기준으로 설명하도록 한다) 정류부(20), 평활부(30), 2개의 하프 브릿지 인버터(40A, 40B), 감지부(50A, 50B), 제어부(60) 및 3개의 스위칭 소자(SW1, SW2, SW3)와 1개의 공진 커패시터(Cr)를 포함하여 이루어진다.

즉, 본 실시예에 따른 유도가열 조리기는 도 1에 도시한 기존의 회로에 스위칭 소자 3개(SW1, SW2, SW3)와 공진 캐패시터 1개(Cr)를 추가함으로써 구성된다(여기서, 추가된 구성 요소는 점선으로 원형을 도시하여 표현하였다).

정류부(20)는 입력되는 교류전원(10)을 정류하고, 이 정류된 맥동전압을 출력한다.

평활부(30)는 정류부(20)로부터 제공되는 맥동전압을 평활하고 이 평활하여 얻은 일정한 직류전압을 출력한다.

제 1 하프 브릿지 인버터(40A)는 제어부(60)의 제어신호에 따라 스위칭 소자(S1, S2)를 스위칭 하는 구동부(45A)와, 평활부(20)로부터 제공되는 직류전압을 구동부(45A)의 스위칭 제어신호에 따라 스위칭하여 공진전압을 제공하는 스위칭 소자(S1, S2)와, 정전원단자와 부전원단자 사이에 직렬 연결되어 입력되는 전압에 의해 인덕션 코일(L1)과 연속적으로 공진하는 공진 커패시터(C1, C2)를 구비한다.

이 때, 인덕션 코일(L1)은 스위칭 소자(S1, S2) 사이에 연결되어 정류부(20)로부터 입력되는 공진전압에 의해 자성체로 이루어진 조리용기(A)에 와전류를 유도시켜 조리용기(A)를 가열한다.

감지부(50A)는 인덕션 코일(L1)의 상부에 자성체(즉, 조리용기)가 존재하는 지 여부를 감지하여 그 감지결과를 제어부(60)에 제공한다.

제 2 하프 브릿지 인버터(40B) 및 감지부(50B)의 구성은 제 1 하프 브릿지 인버터(40A) 및 감지부(50A)의 구성과 동일하므로 여기서는 설명을 생략한다.

또한 본 실시예에서는 도 2에 도시한 바와 같이 인덕션 코일(L1)과 공진 커패시터(C1)와 공진커패시터(C2)의 접속점 사이에는 제 1 스위칭 소자가 연결되고, 스위칭 소자(S3)와 스위칭 소자(S4)의 접속점과 인덕션 코일(L2) 사이에는 제 2 스위칭 소자(SW2)가 연결된다. 그리고, 제 1 스위칭 소자(SW1)의 전단과 제 2 스위칭 소자(SW2)의 전단 사이에는 제 3 스위칭 소자(SW3) 및 공진 커패시터(Cr)가 연결된다.

제어부(60)는 유도가열 조리기의 전반적인 제어를 수행하는 것으로, 감지부(50A, 50B)로부터 제공된 감지결과를 이용하여 인덕션 모듈(2)에 마련된 두 개의 조리구(4A, 4B) 중 하나만 사용되고 있는지 아니면 두 개 다 사용되고 있는지 여부를 판단한다. 판단결과 사용자가 두 개의 조리구를 모두 사용하고 있다고 판단되면 제어부(60)는 제 1 내지 제 3 스위칭 소자(SW1, SW2, SW3)에 제어신호를 보내어 SW1 및 SW2는 단락시키고, SW3는 개방되도록 제어한다.

반면 판단결과 사용자가 하나의 조리구만을 사용하고 있다고 판단되면 제어부(60)는 제 1 내지 제 3 스위칭 소자(SW1, SW2, SW3)에 제어신호를 보내어 SW1 및 SW2는 개방시키고, SW3는 단락되도록 제어한다.

도 3은 인덕션 모듈에 마련된 두 개의 조리구를 모두 사용할 경우의 회로도로, 도 2에서 SW1 및 SW2는 단락시키고, SW3는 개방되도록 제어한 경우의 회로를 나타낸다. 이 때에는 도 1에서와 같이 기존의 2개의 하프 브릿지 인버터 회로로 사용하는 경우와 구성 및 동작이 동일하게 되며, 제어부(60)는 2개의 하프 브릿지 인버터(40A, 40B)를 각각 별개로 제어하고, 부스트(boost) 기능(단시간 내에 고출력을 내어 조리물이 빠른 시간 내에 익을 수 있도록 하는 기능)도 조리구(인버터) 마다 각각 동작하도록 제어한다.

여기서 2개의 하프 브릿지 인버터(40A, 40B)중 하나의 인버터(40A)의 동작을 간단히 살펴본다(다른 인버터(40B)도 하기 동작과 동일). 먼저, 컨트롤 패널(도 1에서의 도면 부호 5 참조)을 통해 조리명령이 입력되면, 구동부(45A)에서는 스위칭소자(S1, S2)중 하나만 동작시키기 위한 스위칭 제어신호를 교대로 발생시킨다. 예를 들어 스위칭 소자(S1)를 도통하고 스위칭 소자(S2)를 차단하면, 도 3에서 ①로 표시한 경로와 같이 스위칭소자(S1)→인덕션 코일(L1)→공진 커패시터(C2)로 이루어지는 회로가 구성된다. 반면, 스위칭소자(S2)를 도통하고 스위칭소자(S1)를 차단하면, ②로 표시한 경로와 같이 공진 커패시터(C1)→인덕션 코일(L1)→스위칭 소자(S2)로 이루어지는 회로가 구성되어 인덕션 코일(L1)에 공진전압이 제공된다. 이 때, 인덕션 코일(L1)과 공진 커패시터(C1, C2)가 연속적으로 공진상태가 되기 때문에 인덕션 코일(L1)에는 큰 공진전류가 흐르게 된다.

이 공진전류에 의해 인덕션 코일(L1)에는 고주파 자계가 발생하고 이 고주파 자계에 의한 전자기 유도로 인해 용기(A)에 와전류가 유도되어 용기가 가열됨에 따라 그 용기내의 음식물이 가열되어 원하는 요리가 진행된다.

도 4는 인덕션 모듈의 두 개의 조리구 중 하나만 사용할 경우의 회로도로, 도 2에서 SW1 및 SW2는 개방시키고, SW3는 단락되도록 제어한 경우의 회로를 나타낸다. 이 때에는 인덕션 모듈 전체가 4개의 스위칭 소자(S1 내지 S4)와 하나의 공진 커패시터(Cr)로 이루어진 하나의 풀 브릿지 인버터 회로(40C)가 되어, 하나의 인덕션 코일(L1) 및 조리구(4A)만 동작하게 된다.

여기서 하나의 풀 브릿지 인버터 회로(40C)가 구성되었을 경우의 동작을 간단히 살펴본다. 이 때 구동부(45A, 45B)에서는 스위칭 소자(S1과 S4 연동) 또는 스위칭 소자(S2와 S3 연동) 중 어느 한 쪽만 동작시키기 위한 스위칭 제어신호를 교대로 발생시킨다. 예를 들어 스위칭 소자 S1과 S4를 도통하고 스위칭 소자 S2와 S3를 차단하면, 도 4에서 ③으로 표시한 경로와 같이 스위칭 소자(S1)→인덕션 코일(L1)→공진 커패시터(Cr)→스위칭 소자(S4)로 이루어지는 회로가 구성된다. 반면, 스위칭 소자 S3과 S2를 도통하고 스위칭 소자 S1과 S4를 차단하면 ④로 표시한 경로와 같이 스위칭 소자(S3)→공진 커패시터(Cr)→인덕션 코일(L1)→스위칭 소자(S2)로 이루어지는 회로가 구성되어 인덕션 코일(L1)에 공진전압이 제공된다.

도 4에 나타낸 바와 같이 동작을 중지하고 있는 하프 브릿지 인버터 회로(40B)를 동작중인 하프 브릿지 인버터 회로(40A)와 연결하여 하나의 풀 브릿지 인버터 회로(40C)를 구현하게 되면, 출력 용량(최대 출력 파워)이 커져(예를 들어, 하프 브릿지 인버터로 사용할 때의 출력 용량이 1000W라면 풀 브릿지 인버터로 사용할 때의 출력 용량은 2000W가 됨) 사용자가 부스트 기능 선택시 더 높은 출력을 낼 수 있으므로 하프 브릿지 인버터를 사용할 때의 부스트 기능 동작시보다 더욱 빠른 시간 내에 조리물의 조리가 가능해지는 장점이 있다.

또한 하프 브릿지 인버터와 풀 브릿지 인버터가 동일한 출력을 내고자 하는 경우, 예를 들어 양자 모두 2000W의 출력을 내고자 한다면 하프 브릿지 인버터의 경우 2개의 스위칭 소자가 2000W를 감당해야 하는 반면, 풀 브릿지 인버터의 경우에는 4개의 스위칭 소자가 2000W를 감당하므로 스위칭 소자에 가해지는 부담이 절반으로 줄어들게 되어 스위칭 소자의 수명이 향상되는 효과를 얻을 수 있게 된다.

도 2는 제 1 조리구(4A)를 사용하고 제 2 조리구(4B)를 사용하지 않을 경우에 제 1 조리구(4A) 쪽에 풀 브릿지 인버터를 구현하기 위한 회로 구성이고, 반대로 제 1 조리구(4A)를 사용하지 않고 제 2 조리구(4B)를 사용하는 경우에 제 2 조리구 (4B)쪽에 풀 브릿지 인버터를 구현하기 위한 회로는 도 5에 도시한 바와 같이 구성할 수 있다.

도 1은 일반적인 유도가열 조리기의 구동회로이다.

도 2는 본 고안의 제 1 실시예에 따른 유도가열 조리기의 구동회로이다.

도 3은 인덕션 모듈의 두 개의 조리구를 모두 사용할 경우의 회로도이다.

도 4는 인덕션 모듈의 두 개의 조리구 중 하나만 사용할 경우의 회로도이다.

도 5는 본 고안의 제 2 실시예에 따른 유도가열 조리기의 구동회로이다.

*도면의 주요부분에 대한 부호 설명*

1 : 유도 가열 조리기(인덕션 호브) 2, 3 : 제 1 및 제 2 인덕션 모듈

4A, 4B : 제 1 및 제 2 조리구 5 : 컨트롤 패널

10 : 교류전원 20 : 정류부

30 : 평활부

40A, 40B : 제 1 및 제 2 하프 브릿지 인버터

40C : 풀 브릿지 인버터

45A, 45B : 구동부 50A, 50B : 감지부

60 : 제어부 L1, L2 : 인덕션 코일

SW1, SW2, SW3 : 제 1, 2, 3 스위칭 소자

C1~C4, Cr : 공진 커패시터

Claims (4)

1. 입력되는 교류전원을 직류전원으로 정류하는 정류부;

   상기 직류전원을 스위칭하여 공진전압을 제공하는 제 1 및 제 2 하프 브릿지 인버터;

   상기 공진전압을 제공받아 자성체 용기에 와전류를 유도시켜 가열하는 제 1 및 제 2 인덕션 코일;

   상기 제 1 인덕션 코일과 상기 제 1 하프 브릿지 회로를 연결하는 제 1 스위칭 소자;

   상기 제 2 인덕션 코일과 상기 제 2 하프 브릿지 회로를 연결하는 제 2 스위칭 소자;

   상기 제 1 및 제 2 하프 브릿지 회로를 연결하는 제 3 스위칭 소자 및 공진 커패시터;

   상기 제 1 및 제 2 인덕션 코일의 상부에 상기 자성체 용기가 존재하는지 여부를 감지하는 제 1 및 제 2 감지부;

   상기 제 1 및 제 2 감지부의 감지 결과에 따라 상기 제 1 내지 제 3 스위칭 소자를 제어하는 제어부를 포함하는 유도가열 조리기
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 제 1 및 제 2 하프 브릿지 인버터는 각각 두 개의 스위칭 소자와 두 개 의 공진 커패시터로 구성된 유도가열 조리기
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 제어부는 상기 제 1 및 제 2 인덕션 코일의 상부에 상기 자성체 용기가 존재한다고 판단되면 상기 제 1 및 제 2 스위칭 소자는 단락시키고 상기 제 3 스위칭 소자는 개방되도록 제어하는 유도가열 조리기
4. 제 1 항에 있어서,

   상기 제어부는 상기 제 1 또는 제 2 인덕션 코일 중 어느 한 쪽의 상부에 만 상기 자성체 용기가 존재한다고 판단되면 상기 제 1 및 제 2 스위칭 소자는 개방시키고 상기 제 3 스위칭 소자는 단락되도록 제어하는 유도가열 조리기

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