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유도가열은 전자기 유도 현상을 이용하여 전기에너지를 열에너지로 변환하여 가열하는 방식으로 오래전부터 산업계에서 금속의 용융 및 열처리 가공분야에 사용되었다[1]-[3]. 특히 1980년대 반도체 소자와 제어 시스템의 진보로 다양한 고주파 공진형 인버터 시스템이 개발됨으로써, 높은 효율과 친환경적 특성에 의해 오늘날 산업계뿐만 아니라 가정용 조리기에도 그 사용이 급증하고 있다[4][5].

전기밥솥 혹은 인덕션 레인지 등 가정에서 사용되는 유도가열 조리기용 인버터는 보통 1∼2kW급 용량을 가지며, 구조가 간단하고 가격이 낮은 싱글-엔디드(Single-ended) 공진형 인버터가 주로 사용된다[6]-[8]. 싱글-엔디드 공진형 인버터는 워킹코일(Working coil)과 병렬로 커패시터를 삽입하여 전압공진을 발생시키기 때문에 가정용의 경우 1.2kV 이상의 고 내압의 스위칭 소자가 사용된다[9][10].

유도가열 조리기용 인버터의 동작에서 전원 입력단 역률과 직류링크단의 전압 안정화를 위해서는 PFC(Power Factor Correction) 기능을 갖는 DC/DC 컨버터와 큰 용량의 직류링크 커패시터를 적용하는 것이 성능과 기술적 측면에서는 가장 바람직하다[11]. 그러나 싱글-엔디드 공진형 인버터는 회로의 단순화와 저가격의 측면에서 직류링크단에 쵸크 코일과 작은 용량의 커패시터만 적용, 인버터측의 고주파 스위칭에 의한 자연적인 고입력 역률 특성을 이용하는 방식을 적용함으로써 입력전압의 변화와 왜란에 대해 매우 취약하게 된다. 따라서 이를 해결하기 위한 많은 연구가 진행되고 있다[12][13].

한편, 싱글-엔디드 공진형 인버터를 사용하는 가정용 유도가열 조리기의 일반적인 제어는 초기 부하 상태를 파악하고 부하 상태가 정상이라고 판단되면 전력을 공급한다. 이 경우 전력제어의 방식은 고주파 공진 부하의 전력을 직접 제어하는 대신 계측이 용이한 입력전력을 통해 간접적으로 제어한다. 이 때 부하상태 판단이 잘못되어 무부하 혹은 비정상 부하 상태에서 전력을 공급하게 되면 공진전압이 매우 높아져 스위칭 소자가 소손될 수 있다. 동작 초기뿐만 아니라 동작 중에서 부하가 제거되는 경우에도 마찬가지다. 따라서 싱글-엔디드 공진형 인버터의 제어에서 부하 상태 검출은 필수적이며 이에 대한 다양한 연구가 이루어지고 있다[14].

일례로, 무부하 혹은 비정상 부하에서도 문제가 되지 않을 짧은 단펄스 신호로 스위칭 소자를 구동시킨 후, 발생되는 입력전류의 기울기 혹은 공진전압의 감쇄주기를 통해 초기 부하 상태를 검출하기도 하였다[15]. 그러나 이 방법은 입력전압의 순간적인 급변과 왜란에 대해 취약하여 부하의 상태 판단에 오류를 발생시킬 수 있다는 문제점이 있다.

본 논문에서는 일정 시간 동안 스위칭 소자를 구동하여 발생되는 입력전류 및 스위칭 소자 양단의 전압을 검출함으로써 초기 부하상태를 검출하는 방법을 제안하였다. 또한 입력전력 제어 오차의 크기와 지속시간을 이용하여 동작 중의 부하상태를 검출하는 방법을 제안하였다[16]. 제안하는 부하 상태 검출 방법을 가정용 1.3kW 유도가열 전기밥솥의 싱글-엔디드 공진형 인버터에 적용한 실험결과로써 187V, 220V, 253V 입력전압에서 왜란 및 동작 중 무부하 급변 시에도 신뢰성 있게 부하상태 검출이 가능함을 입증하였다.

본 논문에서 제안하는 부하상태 검출방법을 가정용 1.3kW 유도가열 밥솥에 적용하여 제안한 방법의 유용성을 검증하고자 하였다.

그림 13에 실험에 사용한 유도가열 밥솥의 시스템 구성도를 나타내었다. EMI 필터, 브리지 정류기, 직류 링크, 싱글-엔디드 공진형 인버터 및 제어기로 구성된다.

Fig. 13. 
Configuration of IH cooker for kitchen

여기서, 제안한 부하상태 검출을 포함하여 전력제어 및 상용 전기밥솥에 필요한 모든 제어 기능을 하나의 MCU로 구현하였다. 한편, 실험회로의 주요 정수는 표 2에 나타낸 바와 같다.

먼저, 전원전압 220V에서 기동 시 부하상태 검출에 대한 실험결과를 그림 14에 나타내었다. 그림 14의 (a)는 전원전압 220V에서 무부하 기동 시 실험결과로, 160ms 동안 기동 시 부하 검출 알고리즘이 동작하였으나 부하상태가 무부하로 판정되어 인버터 운전을 정지한 경우이다.

Fig. 14. 
Experimental results of load detection at 220V of source voltage

그림 14의 (b)는 전원전압 220V에서 정상적인 부하상태에서 기동하였을 때의 실험파형으로, 부하가 정상으로 판단됨에 따라서 지속적으로 인버터가 운전되는 것을 확인할 수 있다. 기동 시 부하상태가 정상으로 판단되면 인버터는 조리에 필요한 전력제어 모드로 동작하게 된다.

그림 14의 (c)는 전원전압 220V에서 정상 동작 중 인위적으로 부하를 제거 시켰다가 다시 부하를 인가한 경우에 대한 실험결과를 보여주는 것이다.

인버터 동작 중 스위치 양단 전압이 일정 이상이 되지 않도록 제어를 행하기 때문에 스위칭 소자의 파손을 일어나지 않으나, 그 시간이 400msec 이상이 되면 부하가 제거된 것으로 판단하여 인버터 동작을 정지시킨다.

그림 15와 그림 16은 그림 14와 마찬가지로 기동 시 부하상태 검출을 나타낸 실험결과로 전원전압의 전압범위를 고려하여 각각 187V와 253V에서 실험한 결과 파형이다. 기동 시 무부하 상태 검출, 기동 시 정상부하 상태 검출 및 동작 중 부하 검출이 제안한 검출방법에 의해 전원전압의 변동 범위에서 안정적으로 이루어지고 있음을 보여준다.

Fig. 15. 
Experimental results of load detection at 187V of source voltage

Fig. 16. 
Experimental results of load detection at 253V of source voltage

끝으로, 그림 17에 전원전압에 왜곡이 있을 때의 부하상태 검출에 대한 실험결과를 나타내었다. 전원공급 시뮬레이터를 사용하여 그림 5와 동일한 파형을 발생시켰다. 최대 전압변동은 57도 근처에서 156V이다. 전원 왜란은 공장 밀집 지역에서 자주 발생하며 실험결과 제안한 방법은 전원 왜란 하에서도 부하상태를 잘 검출하고 있음을 확인하였다.

Fig. 17. 
Experimental results of load detection at 220V of distorted source voltage

본 논문에서는 대부분의 가정용 유도가열 밥솥에 적용되는 싱글-엔디드 공진형 인버터의 새로운 부하 검출 방법을 제안하였다. 제안된 검출 방법은 유도가열 부하의 특성을 고려함으로써 종래의 기술보다 입력전압의 변동과 왜란에 강인한 특성을 가지므로 보다 안정적으로 부하상태를 검출할 수 있다. 제안된 초기 기동 시 및 동작 중 부하 검출 방법을 1.3kW 가정용 유도가열 밥솥에 적용한 실험결과로써 제안된 부하 검출 방법의 유용성을 입증하였다. 제안된 방법은 187V, 220V와 253V의 전원전압의 변동 범위 및 최대 156V의 전원전압의 왜곡에서도 안정적으로 부하 상태가 잘 검출됨을 확인하였다.

본 논문에서 제안한 방법은 현재 연간 약 50만대 가량의 유도가열 전기밥솥에 적용되고 있으며, 향후 연구과제로는 제안한 기술을 유도가열 레인지에 적용하는 알고리즘을 개발하는 것 등이다.