KR100622803B1

KR100622803B1 - 유도 가열 조리 장치의 입력 전류 안정화 장치

Info

Publication number: KR100622803B1
Application number: KR1020050021993A
Authority: KR
Inventors: 구본학
Original assignee: 쿠쿠전자주식회사
Priority date: 2005-03-16
Filing date: 2005-03-16
Publication date: 2006-09-19

Abstract

본 발명은 유도 가열 조리 장치의 구동 제어 알고리즘을 DSP를 이용하여 구현함으로써 입력 전압 파형에 따른 전류 파형 왜곡을 DSP에서 연산 제어하여 전류 파형 왜곡에 따른 출력 왜곡을 줄이게 되어 안정적이고 효율적인 유도 가열 조리 장치의 입력 전류 안정화 장치를 제공함에 그 목적이 있다.

이러한 목적은, IGBT의 스위칭과 LC공진회로의 시정수에 의한 에너지 충방전을 반복하여 조리 기구를 유도 가열하는 LC공진 및 유도가열부와, 입력 전압과 입력 전류를 바탕으로 PWM 신호의 발생에 의하여 상기 IGBT의 스위칭을 제어하는 DSP를 포함하여 이루어진 유도 가열 조리 장치에 있어서, 전원으로부터 검출된 전압과 전류를 디지털 신호로 변환하는 A/D 변환부; 상기 A/D 변환부에 의하여 변환된 디지털 신호로부터 sin파 형태의 전압 및 전류 기본파를 추출하는 전압/전류 기본파 추출부; 상기 전압/전류 기본파 추출부에 의하여 추출된 sin파 형태의 전압 기본파를 위상 쉬프트시켜 cos파 형태의 전압 기본파를 계산하는 위상차 계산부; 상기 위상차 계산부의 출력을 근거로 크기가 같고 위상이 90도 앞선 cos 전압 및 전류를 생성하는 cos 전압/전류 생성부; 상기 추출된 sin파 형태의 전압 기본파와 cos 전압을 인가받아 절대치를 취하여 직류 전압을 생성하는 직류 전압 생성부; 상기 추출된 sin파 형태의 전류 기본파와 cos 전류를 인가받아 절대치를 취하여 직류 전류을 생성하는 직류 전류 생성부; 상기 직류 전압 생성부로부터 출력되는 직류 전압과 조리 기구의 전력량 설정을 위한 전력 계수를 곱하여 출력하는 곱셈기; 상기 곱 셈기의 출력으로부터 상기 직류 전류 생성부의 출력인 직류 전류값을 감산하여 출력하는 감산기; 상기 감산기의 출력을 PI 제어하는 PI 제어부; 상기 PI 제어부의 출력을 펄스폭 변조하여 PWM신호를 생성하여 상기 IGBT에 공급하는 PWM 발생부;로 구성됨으로써 달성된다.

Description

유도 가열 조리 장치의 입력 전류 안정화 장치{Current stabilization apparatus of induction heater}

도 1 은 본 발명에 따른 유도 가열 조리 장치의 입력 전류 안정화 장치의 구성도.

도 2 는 도 1 의 DSP 내부의 회로 블럭도.

도 3 은 아날로그 방식의 유도 가열 조리 장치의 입력 전압 및 전류 파형도.

도 4 는 본 발명에 의거하여 유도 가열 조리 장치의 입력 전압 및 전류 파형도.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

10 : 정류부 20 : 입력전류 검출부

30 : 입력전압 검출부 40 : LC공진 및 유도가열부

50 : 온도 검출부 60 : 공진전압 검출부

70 : IGBT구동부 80 : 공진전압 위상검출부

90 : 과전압 검출부 100 : 과전류 검출부

200 : DSP 201,202 : A/D 변환부

203 : 전압 기본파 추출부 204 : 위상차 계산부

205 : 전류 기본파 추출부 206 : COS 전압 생성부

207 : COS 전류 생성부 208 : 직류 전압 생성부

209 : 직류 전류 생성부 210 : 전력 계수

211 : 곱셈기 212 : 감산기

213 : PI 제어부 214 : 클램프부

215 : PWM 발생부

본 발명은 유도 가열 조리 장치에 관한 것으로, 특히 유도 가열 조리 장치의 입력 전압을 DSP(Digital Signal Processor)의 구동 제어 알고리즘으로 제어하여 정현화시킴으로써 안정적이고 효율적으로 구현한 유도 가열 조리 장치의 입력 전류 안정화 장치에 관한 것이다.

일반적으로 유도 가열 장치는 유도 가열 코일을 고속으로 스위칭할 때 발생하는 유도 자계가 유도 가열 코일에 인접한 자계성 가열대상의 표면에 와전류(Eddy Current)를 흐르게 함으로써 와류손(Eddy Current Loss)및 교번 자계에 의한 히스테리시스 손실에 의한 열을 발생하도록 한 장치로, 유도 가열 조리 장치는 이를 이용하여 조리 용기를 가열하도록 한 장치이며, 이제까지의 유도 가열 조리 장치는 대부분 아날로그 회로를 이용하여 그 출력을 제어하도록 구현되어 왔다.

그런데, 이러한 아날로그 회로에 의해 구성된 제어기는 입력 전류 PFC(Power Factor Correction)를 입력 전압의 레퍼런스로 제어하기 때문에 입력 전압의 왜곡이 입력 전류의 왜곡으로 그대로 나타나게 된다.

즉, 도 3 에 도시한 바와 같이 아날로그 유도 가열 방식은 입력 전압에 비정현적인 왜곡이 발생하는 경우 입력 전류 또한 입력 전압과 유사한 형태의 왜곡이 발생하게 된다.

이로 인해, 입력 역률이 나빠지고, 입력 고조파의 함유율이 높아지며, 입력 DC 리액터에 전류 고조파에 의한 진동음이 발생하게 됨과 아울러, 심지어는 이러한 전류 고조파에 의하여 DC 리액터가 과열될 수 있다.

결국, 유도 가열 조리 장치의 안정적인 구동이 어렵게 되는 문제점이 발생한다.

본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 유도 가열 조리 장치의 구동 제어 알고리즘을 DSP를 이용하여 구현함으로써 입력 전압 파형에 따른 전류 파형 왜곡을 DSP에서 연산 제어하여 전류 파형 왜곡에 따른 출력 왜곡을 줄이게 되어 안정적이고 효율적인 유도 가열 조리 장치의 입력 전류 안정화 장치를 제공함에 그 목적이 있다.

상기 본 발명의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 유도 가열 조리 장치의 입력 전류 안정화 장치는,

IGBT의 스위칭과 LC공진회로의 시정수에 의한 에너지 충방전을 반복하여 조리 기구를 유도 가열하는 LC공진 및 유도가열부와, 입력 전압과 입력 전류를 바탕으로 PWM 신호의 발생에 의하여 상기 IGBT의 스위칭을 제어하는 DSP를 포함하여 이루어진 유도 가열 조리 장치에 있어서,

상기 DSP는,

전원으로부터 검출된 전압과 전류를 디지털 신호로 변환하는 A/D 변환부;

상기 A/D 변환부에 의하여 변환된 디지털 신호로부터 sin파 형태의 전압 및 전류 기본파를 추출하는 전압/전류 기본파 추출부;

상기 전압/전류 기본파 추출부에 의하여 추출된 sin파 형태의 전압 기본파를 위상 쉬프트시켜 cos파 형태의 전압 기본파를 계산하는 위상차 계산부;

상기 위상차 계산부의 출력을 근거로 크기가 같고 위상이 90도 앞선 cos 전압 및 전류를 생성하는 cos 전압/전류 생성부;

상기 추출된 sin파 형태의 전압 기본파와 cos 전압을 인가받아 절대치를 취하여 직류 전압을 생성하는 직류 전압 생성부;

상기 추출된 sin파 형태의 전류 기본파와 cos 전류를 인가받아 절대치를 취하여 직류 전류을 생성하는 직류 전류 생성부;

상기 직류 전압 생성부로부터 출력되는 직류 전압과 조리 기구의 전력량 설정을 위한 전력 계수를 곱하여 출력하는 곱셈기;

상기 곱셈기의 출력으로부터 상기 직류 전류 생성부의 출력인 직류 전류값을 감산하여 출력하는 감산기;

상기 감산기의 출력을 PI 제어하는 PI 제어부;

상기 PI 제어부의 출력을 펄스폭 변조하여 PWM신호를 생성하여 상기 IGBT에 공급하는 PWM 발생부;로 구성된다.

또한, 상기 PI 제어부와 PWM 발생부 사이에는 PI 제어부의 출력을 클램핑하여 PWM 발생부로 공급하는 클램프부가 더 구비된다.

이하, 본 발명을 첨부된 도면을 참조로 하여 보다 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명에 따른 유도 가열 조리 장치의 구성도를 나타낸 것이고, 도 2 는 도 1 의 DSP(200)의 내부 구성 블럭도이다.

도시한 바와 같이, 과전류 방지용 퓨즈(F1)와 전도성 노이즈 제거를 위한 EMI필터(L1)를 거쳐 입력되는 상용전원(AC)을 브릿지 다이오드(11)를 통해 전파정류하는 정류부(10), 상기 과전류 방지용 퓨즈(F1)와 전도성 노이즈 제거를 위한 EMI필터(L1)를 거쳐 입력되는 상용전원(AC)으로부터 전류 트랜스포머(T1)를 사용하여 전류를 검출하여 이에 따른 전압레벨을 DSP(200)로 입력하는 입력전류 검출부(20), 상기 정류부(10)의 출력을 저항분압회로를 통해 전압레벨로 변환하여 DSP(200)로 입력하는 입력전압 검출부(30), IGBT(41)의 스위칭과 LC공진회로(42)의 시정수에 의한 에너지 충방전을 반복하여 조리기구(43)를 유도가열하는 LC공진 및 유도가열부(40), 상기 IGBT(41)의 동작온도를 검출하여 DSP(200)로 입력하는 온도 검출부(50), 상기 LC공진회로(42)에 연결되어 LC공진전압을 검출하는 공진전압 검출부(60), DSP(200)로부터 공급되는 PWM 신호인 IGBT구동제어신호를 바탕으로 IGBT(41)를 구동하는 IGBT구동부(70)로 구성된다.

또한, 상기 공진전압 검출부(60)에서 검출된 LC공진전압의 제로 위상을 검출하여 상기 IGBT(41)의 도통 시작신호로 사용할 수 있도록 하는 공진전압 위상검출부(80), 상기 공진전압 검출부(60)에 접속되며, 상기 IGBT(41)의 허용 내압 이상의 과전압을 검출하여 IGBT(41)의 구동을 정지시킬 수 있도록 하기 위한 과전압 검출부(90), 상기 IGBT구동부(70)에 접속되며, IGBT(41)의 허용 전류 이상의 과전류를 검출하여 IGBT(41)의 구동을 정지시킬 수 있도록 하는 과전류 검출부(100) 및 상기 입력전류 검출부(20), 입력전압 검출부(30), 온도 검출부(50), 공진전압 위상검출부(80), 과전압 검출부(90), 과전류 검출부(100)의 출력을 바탕으로 상기 IGBT(41)의 구동제어를 위한 IGBT구동제어신호를 상기 IGBT구동부(70)로 출력하여 IGBT(41)가 적정하게 구동될 수 있도록 하는 DSP(200)로 구성된다.

상기 정류부(10)는 상용전원(AC) 입력단에 연결된 과전류 방지용 퓨즈(F1)에 병렬로 전도성 노이즈 제거를 위한 EMI필터(L1)가 연결되고, EMI필터(L1)에 브릿지 다이오드(11)가 연결된 구조로, 상기 과전류 방지용 퓨즈(F1)에 병렬 연결된 캐패시터(C1)는 서지전압 방지용이다.

상기 입력전류 검출부(20)는 상기 정류부(10)를 통해 입력되는 상용전원(AC)으로부터 전류 트랜스포머(T1)로 전류를 검출하고, 이 전류 트랜스포머(T1)에서 검 출된 전류값이 저항(R3),(R4)을 통해 전압레벨로서 DSP(200)의 A/D 변환부(201)에 입력되도록 구성된다.

상기 입력전압 검출부(30)는 상기 정류부(10)의 출력으로부터 저항(R5-R8)으로 이루어진 저항분압회로를 이용하여 해당 전압레벨로서 상기 DSP(200)의 A/D 변환부(202)에 입력되도록 구성되며, 미설명 부호인 캐패시터(C3)는 회로보호용이다.

그리고 상기 LC공진 및 유도가열부(40)는 상기 정류부(10)에 연결된 코일(L2)에 서로 병렬 연결된 캐패시터(C5) 및 유도가열코일(L3)로 구성된 LC공진회로(42)와 상기 캐패시터(C5)에 콜렉터가 연결되고 상기 IGBT구동부(70)에 베이스가 연결되며 에미터는 그라운드에 연결된 IGBT(41)로 구성되며, 상기 온도 검출부(50)는 상기 IGBT(41)의 동작온도를 검출하는 온도센서(51)를 포함하여 구성된다.

상기 공진전압 검출부(60)는 상기 LC공진회로(42)에 연결되어 LC공진전압을 검출하는 다수의 저항(R10-R14) 및 캐패시터(C6)로 구성되고, 상기 IGBT구동부(70)는 상기 DSP(200)로부터의 PWM 신호인 IGBT구동제어신호에 따라 IGBT(41)를 구동하는 IGBT스위칭제어IC(71)를 포함한다.

상기 공진전압 위상검출부(80)는 상기 공진전압 검출부(60)에 (+)단이 연결되고, 저항(R17),(R18) 및 캐패시터(C8)에 의해 형성되는 기준전압이 (-)단에 입력되는 비교기(81)를 포함하고, 상기 과전압 검출부(90)는 상기 공진전압 검출부(60)에 (+)단이 연결되고, 저항(R20),(R21) 및 캐패시터(C9)에 의해 형성되는 기준전압이 (-)단에 입력되는 비교기(91)를 포함하여 구성되며, 상기 과전류 검출부(100)는 (+)단이 상기 IGBT스위칭제어IC(71)에 연결되고, (-)단에 기준전압이 입력되는 비 교기(101)로 구성된다.

상기와 같이 구성된 본 발명에서 입력되는 상용전원(AC)은 상기 정류부(10)에서 정류된 후, LC공진회로(42)에 공급되며, 공급된 전력은 DSP(200)에서 제공되는 IGBT구동제어신호에 따른 IGBT(41)의 스위칭에 의해 유도가열코일(L3)로부터 조리기구(43)로 전달되어 조리기구(43)가 가열될 수 있게 된다.

또한, 공진전압이 제로 위상일 때 스위칭하기 위해, DSP(200)는 공진전압 검출부(60)의 출력으로부터 공진전압 위상검출부(80)에서 검출된 신호를 바탕으로 IGBT(41)의 도통 시작신호를 제공하게 된다.

뿐만 아니라, 본 발명은 스위칭소자인 IGBT(41)를 보호하기 위해 온도 검출부(50)에서 상기 IGBT(41)의 온도를 검출하며, DSP(200)는 이를 바탕으로 과열로부터 IGBT(41)를 보호할 수 있게 된다.

그리고 상기 DSP(110)는 상기 공진전압 검출부(60)의 출력으로부터 과전압을 검출하는 과전압 검출부(90)의 출력을 바탕으로 IGBT(41)를 과전압에 따른 소손으로부터 보호하게 되며, 과전류 검출부(100)의 출력을 바탕으로 IGBT(41)를 과전류에 따른 소손으로부터 보호하게 된다.

특히, 상기 DSP(200)는 상기 입력전류 검출부(20) 또는 입력전압 검출부(30)의 출력으로부터 순시정전을 감지하여 정전시 정전 이전 상태를 기억하며, 복전시 이전 상태로 구동될 수 있도록 한다.

이때, 상기 DSP(200)는 조리기구(43)로 공급되는 전력을 일정하게 유지하기 위해 상기 입력전류 검출부(20) 및 입력전압 검출부(30)에서 검출된 전류량 및 전 압을 바탕으로 IGBT(41)의 스위칭 동작 시간을 결정하여 이를 제어하게 된다.

이의 전류량 및 전압을 바탕으로 IGBT(41)를 제어하는 동작을 도 2 내지 도 4 까지를 참조하여 상세히 설명한다.

도 3 에 도시한 바와 같이 왜곡된 전압이 입력되면 이에 따라 왜곡된 전류가 A/D 변환부(201)로 입력되고, 이 A/D 변환부(201)에 의하여 디지털 값으로 변환된 입력 전류는 전류 기본파 추출부(205)로 입력되어 sin파 형태의 전류 기본파가 추출된다.

또한, 왜곡된 전압은 A/D 변환부(202)로 입력되어 디지털 값으로 변환된 입력 전압은 전압 기본파 추출부(203)로 입력되어 sin파 형태의 전압 기본파가 추출되는 것이다.

즉, 상기 전류 기본파와 전압 기본파는 동일 위상을 갖는 기본파가 되는 것이다.

상기 전압 기본파 추출부(203)로부터 추출된 전압 기본파를 근거로 위상차 계산부(204)에서는 90도의 위상차를 갖는 cos값을 계산한 다음 이의 값을 cos 전압 생성부(206) 및 cos 전류 생성부(207)로 제공한다.

상기 cos 전압 생성부(206) 및 cos 전류 생성부(207)에서는 이의 값을 인가받아 위상이 90도 앞선 cos 형태의 전압 및 전류 파형을 각각 생성하여 출력하게 된다.

상기 전압 기본파 추출부(203)의 출력 및 cos 전압 생성부(206)의 출력은 직류 전압 생성부(208)로 인가되어 절대치가 취해짐으로써 직류 성분의 전압이 생성 되며, 또한 상기 전류 기본파 추출부(205)의 출력 및 cos 전류 생성부(207)의 출력은 직류 전류 생성부(209)로 인가되어 절대치가 취해짐으로써 직류 성분의 전류가 생성되는 것이다.

직류 전압 생성부(208)에서 형성된 직류 전압은 곱셈기(211)로 공급되어 조리기구(43)의 전력량을 설정하기 위한 계수인 전력 계수(210)와 곱하게 되고, 이 곱셈기(211)의 출력은 감산기(212)로 입력되어 상기 직류 전류 생성부(209)의 출력과 감산이 행해진다.

상기 감산기(212)의 출력은 PI 제어부(213)로 제공되어 PI제어에 의하여 잔류 편차가 제거된 다음 클램프부(214)로 입력되고, 클램프부(214)는 이를 일정 전압 레벨로 클램핑한 후 PWM 발생부(215)로 제공하게 된다.

PWM 발생부(215)는 이의 입력된 전압값을 펄스폭 변조하여 IGBT 구동부(70)로 출력하게 되며, 이로인해 IGBT(41)는 도 4 에 도시한 바와 같은 비교적 정현파 형태의 입력 전류를 LC 공진회로(42)에 제공함으로써 그 유도 에너지가 조리기구(43)에 전달되어진다.

결국 정현적인 입력 전류가 IGBT(41)에 공급됨으로써 안정적인 전력의 공급이 조리기구(43)로 제공되는 것이다.

상술한 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시 예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 또는 변형하여 실시할 수 있다.

이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명은 입력전압파형에 따른 전류파형 왜곡을 DSP에서 연산제어하여 전류파형 왜곡에 따른 출력왜곡을 줄여 정현적인 입력 전류를 인가하도록 함으로써 조리기구가 안정적이고 효율적으로 동작하도록 하는 효과가 있다.

Claims

IGBT의 스위칭과 LC공진회로의 시정수에 의한 에너지 충방전을 반복하여 조리 기구를 유도 가열하는 LC공진 및 유도가열부와, 입력 전압과 입력 전류를 바탕으로 PWM 신호의 발생에 의하여 상기 IGBT의 스위칭을 제어하는 DSP를 포함하여 이루어진 유도 가열 조리 장치에 있어서,

상기 DSP는, 전원으로부터 검출된 전압과 전류를 디지털 신호로 변환하는 A/D 변환부; 상기 A/D 변환부에 의하여 변환된 디지털 신호로부터 sin파 형태의 전압 및 전류 기본파를 추출하는 전압/전류 기본파 추출부; 상기 전압/전류 기본파 추출부에 의하여 추출된 sin파 형태의 전압 기본파를 위상 쉬프트시켜 cos파 형태의 전압 기본파를 계산하는 위상차 계산부; 상기 위상차 계산부의 출력을 근거로 크기가 같고 위상이 90도 앞선 cos 전압 및 전류를 생성하는 cos 전압/전류 생성부; 상기 추출된 sin파 형태의 전압 기본파와 cos 전압을 인가받아 절대치를 취하여 직류 전압을 생성하는 직류 전압 생성부; 상기 추출된 sin파 형태의 전류 기본파와 cos 전류를 인가받아 절대치를 취하여 직류 전류을 생성하는 직류 전류 생성부; 상기 직류 전압 생성부로부터 출력되는 직류 전압과 조리 기구의 전력량 설정을 위한 전력 계수를 곱하여 출력하는 곱셈기; 상기 곱셈기의 출력으로부터 상기 직류 전류 생성부의 출력인 직류 전류값을 감산하여 출력하는 감산기; 상기 감산기의 출력을 PI 제어하는 PI 제어부; 상기 PI 제어부의 출력을 펄스폭 변조하여 PWM신호를 생성하여 상기 IGBT에 공급하는 PWM 발생부;로 구성된 것을 특징으로 하는 유도 가열 조리 장치의 입력 전류 안정화 장치.
제 1 항에 있어서, 상기 PI 제어부와 PWM 발생부 사이에는 PI 제어부의 출력을 클램핑하여 PWM 발생부로 공급하는 클램프부가 더 구비된 것을 특징으로 하는 DSP를 이용한 유도가열 조리장치.