๊นํ์ง
(Hyun-Ji Kim)
1iD
ํ๊ฒฝ์ฑ
(Kyung-Wook Heo)
2iD
์ ์งํ
(Jee-Hoon Jung)
โ iD
-
(Dept. of Electrical Engineering, Ulsan National Institute of Science and Technology
(UNIST), Korea.)
-
(Dept. of Electrical Engineering, Ulsan National Institute of Science and Technology
(UNIST), Korea.)
Copyright ยฉ The Korean Institute of Electrical Engineers(KIEE)
Key words
IH(Induction Heating), SRI(Series Resonant Inverter), Impedance measurement, Temperature estimation
1. ์ ๋ก
์ ๋ ๊ฐ์ด (Induction Heating; IH) ๊ธฐ์ ์ ๋ค๋ฅธ ๊ฐ์ด ๋ฐฉ๋ฒ์ ๋นํด ๊ณ ํจ์จ, ๊ณ ์ ๊ฐ์ด, ๋น์ ์ด์ ๊ฐ์ด ๋ฐ ์ฒญ๊ฒฐ์ฑ์ผ๋ก ์ธํด ์ฐ์
๊ณ์
๊ฐ์ ๋ฐ ์๋ฃ๊ณ์์ ๋๋ฆฌ ์ฌ์ฉ๋๊ณ ์๋ ๊ธฐ์ ์ด๋ค(1). ์ ๋ ๊ฐ์ด๊ธฐ๋ ๊ทธ๋ฆผ 1๊ณผ ๊ฐ์ด ๋ค์ด์ค๋ ์ ๋ฅ๊ธฐ, ์ค์์นญ ํ๋ก, ๊ณต์ง ํฑํฌ, ์ํน ์ฝ์ผ๋ก ๊ตฌ์ฑ๋๋ค. ์ ๋ ๊ฐ์ด๊ธฐ์ ์ ์์ด ์ธ๊ฐ๋จ์ ๋ฐ๋ผ ์ํน ์ฝ์ผ์ ๊ณ ์ฃผํ ์ ๋ฅ๊ฐ ํ๋ฅด๊ฒ
๋๋ค. ์ด์ ๋ฐ๋ผ ์ํน ์ฝ์ผ ์ฃผ๋ณ์ ๋ฐ์ํ๋ ์๊ณ์ ์ํด ๋ฐ์ํ๋ ์์ ๋ฅ(Eddy current)์ ์ ํญ ์์ค(Ohmic Loss)๋ก ์ฉ๊ธฐ๊ฐ ๊ฐ์ด๋๋
๋ฐฉ์์ด๋ค. ์ต๊ทผ ๊ฐ์ ์์ ์ฌ์ฉํ๊ณ ์๋ ์ธ๋์
๋ ์ธ์ง๋ ์ฌ์ฉ์์๊ฒ ํธ์์ฑ ๋ฐ ์์ ์ฑ์ ๊ฐํํ๊ธฐ ์ํด ์๋ ์กฐ๋ฆฌ ๊ธฐ๋ฅ๊ณผ ์ ์จ ๊ธฐ๋ฅ ๊ฐ๋ฐ์ด ํ๋ฐํ๊ฒ ์ด๋ฃจ์ด์ง๊ณ
์๋ค(2). ์ ๋ ๊ฐ์ด๊ธฐ๋ฅผ ์ฌ์ฉํจ์ ์์ด ์ผ๋ฐ์ ์ผ๋ก ์ฌ์ฉ์๋ ์จ๋๊ฐ ์ผ๋ง๋ ๋์์ง์ ๋ํ ์ค์๊ฐ ์ ๋ณด๊ฐ ์๊ธฐ ๋๋ฌธ์ ํ์์น๋ณด๋ค ๋ ๋ง์ ์ ๋ ฅ์ ์ฌ์ฉํ๋ ๊ฒฝํฅ์ด
์๋ค. ์ ๋ ฅ ์ ์ ์ฅ์น์ ํจ์จ์ฑ์ ๋งค์ฐ ๋์ง๋ง ์ด๋ฌํ ์๋์ง ๋ญ๋น๋ ์ ์ฒด ์กฐ๋ฆฌ ๊ณผ์ ์ ์๋์ง ํจ์จ์ฑ์ ๊ฐ์์ํจ๋ค.
๊ทธ๋ฆผ. 1. IH ์์คํ
์ ๋ธ๋ก๋์ ํํ
Fig. 1. Block Diagram and Waveforms of an IH System
๋ฐ๋ผ์ ์ฉ๊ธฐ์ ์ค์๊ฐ ์จ๋ ์ ๋ณด๋ ์๋์ง ํจ์จ์ฑ ์ธก๋ฉด์์๋ ํ์์ ์ด๋ค. ๊ธฐ์กด ์จ๋ ์ธก์ ๋ฐฉ์์ NTC ์ ํญ์ ์ฌ์ฉํ์ฌ ์จ๋์ ์ํด ๋ณํ๋ NTC ์ ํญ๊ฐ์
์ํด ๊ฐ์ ์ ์ผ๋ก ์ธก์ ํ์๋ค(3). ๊ทธ๋ฌ๋ ์ฉ๊ธฐ์ ์จ๋๋ฟ๋ง ์๋๋ผ IH ์ฝ์ผ ์จ๋์ ์ํฅ๋ ๋ฐ๊ธฐ ๋๋ฌธ์ ์จ๋ ์ถ์ ์ค์ฐจ์จ์ด ๋์ ๋ฌธ์ ์ ์ด ์๋ค. ๊ทธ๋ฆฌ๊ณ ์ ์ธ์ ์ผ์๋ฅผ ์ฌ์ฉํ์ฌ ์ฉ๊ธฐ์
์จ๋๋ฅผ ์ธ๋ถ ์ ์ธ์ ์ผ์๋ฅผ ์ฌ์ฉํ์ฌ ์ง์ ์ ์ผ๋ก ์ธก์ ํ๋ ๋ฐฉ์๋ ์๋ค. ๊ทธ๋ฌ๋ ์ธ๋ถ ์ผ์๋ฅผ ์ฌ์ฉํจ์ ๋ฐ๋ผ ์์คํ
๋น์ฉ์ ์ฆ๊ฐ์ํค๊ณ , ์ฌ์ฉ์์ ์ํด ์ธ๋ถ์
๋์ถ๋ ์ผ์๊ฐ ์์๋ ์ ์์ด ์ผ์ ํ์์ ๋ํ ์ธก์ ์ค์ฐจ ๋ฐ ์ ์ง๊ด๋ฆฌ ๋น์ฉ์ด ๋ฐ์ํ ์ ์๋ค. ๋ฐ๋ผ์ ๋ณธ ๋
ผ๋ฌธ์์๋ ์ธ๋ถ ์ผ์ ์์ด IH ์ํผ๋์ค
๊ณ์ธก์ ํตํด ์จ๋๋ฅผ ์ถ์ ํ๋ค. ์จ๋๊ฐ ์ฆ๊ฐํ๋ฉด ๊ธ์ ์์ ์์ ์ ์์ ์ด๋์ฑ์ด ๋์์ ธ ์ ๋ฅ์ ํ๋ฆ์ ๋ฐฉํดํ๊ฒ ๋์ด ์จ๋๊ฐ ์ฆ๊ฐํ ์๋ก ์ ํญ์ด ์ฆ๊ฐํ๊ฒ
๋๋ค. ๋ฐ๋ผ์ ์ค์๊ฐ ์ํผ๋์ค ์ธก์ ์ ํตํด ์จ๋์ ์ํผ๋์ค ๊ฐ์ ๊ด๊ณ์ฑ์ ํ์
ํ์ฌ ์ฉ๊ธฐ์ ์จ๋๋ฅผ ์ถ์ ํ๋ค. IH ๋ถํ์ ์ค์๊ฐ ์ํผ๋์ค ์ธก์ ์ ํตํด
์ ํํ๊ฒ ์ ์ ์ถ๋ ฅ ์ ๋ ฅ์ ์ ์ดํ ๋ฟ๋ง ์๋๋ผ ๋ถํ ์ํผ๋์ค์ ์จ๋์์ ๊ด๊ณ๋ฅผ ํตํด ์๋ ์กฐ๋ฆฌ ๊ธฐ๋ฅ์ ๊ตฌํ์ ๊ธฐ๋ํ ์ ์๋ค.
์ ๋ ๊ฐ์ด ์์คํ
์ ์ต์ 20 kHz ์ด์์ ์ค์์นญ ์ฃผํ์๋ก ๋์ํ์ฌ ์ํ๋ง๋ ์ ํธ๋ฅผ ์์ ํธ ์ ๋ณด๋ก ๋ณต์ํ๊ธฐ ์ํด์๋ ๊ณ ์ฃผํ ADC(Analog-to-Digital
Converter) ๋ฅผ ํ์๋ก ํ๋ค. ์ฐธ๊ณ ๋ฌธํ (5),(6),(7)์์๋ 10 MHz ์ด์์ ์ํ๋ง ์ฃผํ์๋ก ์ํผ๋์ค๋ฅผ ๊ณ์ธกํ์์ผ๋ฉฐ, ์ด๋ก ์ธํด FPGA์ ๊ฐ์ ๋์ ์ฑ๋ฅ์ ์ ์ด๊ธฐ๊ฐ ์๊ตฌ๋์ด ์ ๋ ๊ฐ์ด ์์คํ
์ ๋น์ฉ์
์ฆ๊ฐ์ํค๋ ๋ฌธ์ ๊ฐ ์๋ค.
๋ณธ ๋
ผ๋ฌธ์์๋ ์ ์ฑ๋ฅ ์ ์ด๊ธฐ์์๋ ์ํผ๋์ค ๊ณ์ธก์ด ๊ฐ๋ฅํ Time-Split ๋ฐฉ์์ ๊ธฐ๋ฐํ ์จ๋ ์ถ์ ๊ธฐ๋ฒ์ ์ ์ํ๋ค. ๊ธฐ์กด ์ฐ๊ตฌ์ ๋นํด ๋ฎ์ ์ํ๋ง
์ฃผํ์๋ฅผ ์ฌ์ฉํ์ง๋ง ์ํผ๋์ค๋ฅผ ์ ํํ๊ฒ ๊ณ์ธกํ๋ค. ๊ฒฐ๊ณผ์ ์ผ๋ก ๊ธฐ์กด ๋ฐฉ์์ ๋นํด ์ ๋ ๊ฐ์ด ์์คํ
์ ๋น์ฉ์ ์ ๊ฐํ ์ ์๋ค. ๊ทธ๋ฆผ 2์ ๊ฐ์ด 2-kW ํํ ๋ธ๋ฆฌ์ง ์ง๋ ฌ ๊ณต์งํ ์ธ๋ฒํฐ ์์ํ์ ํตํด ์ ์ํ๋ Time-Split ๊ธฐ๋ฒ์ ์ฌ์ฉํ์ฌ ์ค์๊ฐ ์ํผ๋์ค ๊ณ์ธก์ ํตํด ํน์ ์ฉ๊ธฐ์
๋ํ ์จ๋ ์ถ์ ์ ํ๋น์ฑ์ ๊ฒ์ฆํ๊ณ ์ ํ๋ค.
2. ์ค์๊ฐ ์ํผ๋์ค ๊ณ์ธก
2.1 IH ๋ถํ
IH ๋ถํ๋ ์ผ๋ฐ์ ์ผ๋ก ๊ทธ๋ฆผ 3๊ณผ ๊ฐ์ด ๋ฑ๊ฐ ์ธ๋ํฐ์ ๋ฑ๊ฐ ์ ํญ์ ์ง๋ ฌ์ฐ๊ฒฐ๋ก ๋ชจ๋ธ๋ง์ด ๋๋ค. ๊ทธ๋ฌ๋ IH ๋ถํ๋ ์ฉ๊ธฐ์ ์ฌ์ง, ์ฃผํ์, ์จ๋, ์ธ๋ํฐ์ ์ฉ๊ธฐ์ ์๋์ ์์น์ ๋ฐ๋ผ
๋ณํํ๋ค. ์ธ๋ฒํฐ์ ์ถ๋ ฅ ์ ๋ ฅ ๋ฐ ํจ์จ์ ๋์์ ์ ๋ฐ๋ผ ์ข์ฐ๋๋ค. ์ด๋ก ์ธํด ์ ํํ ์ ๋ ฅ ์ ์ด ๋ฐ ์์ ์ ์ค์์นญ(Zero Voltage Switching;
ZVS) ๋์์ด ๋ณด์ฅ๋์ง ์์ IH ์์คํ
์ ์ ๋ขฐ์ฑ์ด ์ ํด๋ ์ ์๋ค. ๋ํ, ์ด๋ฅผ ํํผํ๊ธฐ ์ํด ๊ณผ๋ํ๊ฒ ๊ณ ์ฃผํ ์์ญ์์ ๋์ํ๋ฉด ์ถฉ๋ถํ ์ ์ ์ด๋์
์ป์ ์ ์๊ณ , ์ค์์นญ ์์ค๋ ์ฆ๊ฐํ๋ค. ๋ฐ๋ผ์ IH ์์คํ
์ ๋์ ์ ๋ขฐ๋์ ํจ์จ ๋ฐ ์ถฉ๋ถํ ์ ๋ ฅ์ ์ป๊ธฐ ์ํด์๋ ๋์์ ์ ๋ฐ๋ฅธ ์ค์๊ฐ ์ํผ๋์ค ๊ณ์ธก์
ํ์์ ์ด๋ค.
2.2 ์ํผ๋์ค ๊ณ์ธก ๊ธฐ๋ณธ ์๋ฆฌ
๊ทธ๋ฆผ 4์ ๊ฐ์ด LCR Meter๋ฅผ ์ด์ฉํ์ฌ ์คํ๋ผ์ธ ์ํ์์ ์ ์ฒด ๋ถํ ์ํผ๋์ค๋ก๋ถํฐ ๋ถํ์ ๋ฑ๊ฐ ์ ํญ๊ณผ ๋ฑ๊ฐ ๋ฆฌ์กํด์ค๋ฅผ ๊ณ์ธกํ ์ ์๋ค. ์ฉ๊ธฐ์ ๊ณต์ง
์ปคํจ์ํด์ค๊ฐ ๊ฒฐํฉ๋ IH Inverter์ ๋ถํ ์ํผ๋์ค๋ฅผ ์์์ผ๋ก ๋ํ๋ด๋ฉด ์(1)๊ณผ ๊ฐ๋ค.
๊ทธ๋ฆผ. 2. IH ์ธ๋ฒํฐ ํ๋ก๋
Fig. 2. Circuit Diagram of an IH Inverter
๊ทธ๋ฆผ. 3. IH ๊ณต์ง ๋คํธ์ํฌ์ ๋ฑ๊ฐ ํ๋ก
Fig. 3. Equivalent Circuit of an IH Resonant Network
๊ทธ๋ฆผ. 4. ๋์ ์ฃผํ์์ ๋ฐ๋ฅธ IH ๋ถํ์ ์ ํญ๊ณผ ์ธ๋ํด์ค
Fig. 4. Resistance and Inductance Curves of an IH Loads According to the Operating
Frequency
Rload ์ ์ฝ์ผ๊ณผ ์ฉ๊ธฐ์ ํฉ์ฑ์ ํญ, Xload ๋ ๋ถํ์ ๋ฆฌ์กํด์ค ์ด๋ค. Rload,Xload ์ '์ด์ ๋ฒ์น'์ ์ํด ํ๊ธฐ์ ์(2), (3)๊ณผ ๊ฐ์ด ๋ํ๋๋ค.
Ir(rms) ๋ ์ธ๋ฒํฐ ๋ถํ์ ๊ณต์ง ์ ๋ฅ์ RMS ์ ๋ฅ์ด๊ณ , ์ ์ ํญ์ ์ ๋ฌ๋๋ ์ ํจ ์ ๋ ฅ, Qtr ๋ ๋ฆฌ์กํด์ค์ ์ ๋ฌ๋๋
๋ฌดํจ์ ๋ ฅ์ด๋ค. ๊ทธ๋ฆผ 2 ๋ IH ์ธ๋ฒํฐ์ ์ ์, ์ ๋ฅ ์ธก์ ์ง์ ์ ๋ณด์ฌ์ค ๋ค. IH ์ธ๋ฒํฐ์ ์ํผ๋์ค ๋์งํธ ์ถ์ ์ ๊ทธ๋ฆผ 2 ์ ์ ์๊ณผ ์ ๋ฅ ์ธก์ ์ง์ ์์ DSP์ ์ํด ์ํ๋งํ์ฌ ์(4), (5)์ ๊ฐ์ด ์ป์ ์ ์๋ค.
์(6)-(8)์ ์ ๋ ฅ ๊ณต์์ ๋ฐ๋ผ Str ๋ ํผ์์ ๋ ฅ, Ptr ๋ ์ ํจ ์ ๋ ฅ, Qtr ๋ ๋ฌดํจ์ ๋ ฅ์ด๋ค.
์(4)-(8)์ ํตํด Ir(rms),Ptr,Qtr ๋ฅผ ๊ณ์ฐํ๊ณ ์(2), (3) ์ ๋์
ํ์ฌ ์ ํญ๊ณผ ๋ฆฌ์กํด์ค ๊ฐ์ ๊ณ์ธกํ ์ ์๋ค.
2.4 Time-Split ๊ธฐ๋ฒ
๊ธฐ์กด์ ๋์งํธ ์ ํธ ์ธก์ ๋ฐฉ์์ ๋์ ์ํ๋ง ์ฃผํ์๊ฐ ์๊ตฌ๋์ด ๋์ ์ฑ๋ฅ์ ์ ์ด๊ธฐ์ ์ ํธ์ฒ๋ฆฌ๊ธฐ๊ฐ ํ์ํ๋ค. ๋ณธ ๋
ผ๋ฌธ์์๋ Time-Split ๊ธฐ๋ฒ์
ํตํด ๋ฎ์ ์ํ๋ง ์ฃผํ์๋ก๋ ๋น๊ต์ ์ ํํ ์ํผ๋์ค๋ฅผ ๊ณ์ธกํ ์ ์๋ค. ๊ทธ๋ฆผ 5์ ๊ฐ์ด, Time-Split ๊ธฐ๋ฒ์ ๋ง์ ํํ์ผ๋ก๋ถํฐ ์ํ๋ง ๋ฐ์ดํฐ๋ฅผ ์ป๋ ๊ธฐ๋ฒ์ด๋ค. ์ค์์นญ ์ฃผํ์์ ์ํ๋ง ์ฃผํ์ ๊ฐ์ ์ฐจ์ด๋ฅผ ์ฌ์ฉํ์ฌ ํํ์ด
์ํ๋ง๋๋ ํ์๋ฅผ ๊ฒฐ์ ํ๋ค. ์ํ๋ง ์ฃผํ์๋ ์(9)์ ๊ฐ์ด ๋์ถํ๋ค. ์ฌ๊ธฐ์ k๋ ํํ ์, kโ1์ ์ํ๋ง ์, fsw๋ IH ์ธ๋ฒํฐ์ ์ค์์นญ ์ฃผํ์์ด๋ค.
๊ทธ๋ฆผ. 5. Time-Split ๊ธฐ๋ฒ
Fig. 5. Time-Split Method
๊ทธ๋ฆผ. 6. ์ฐ์์ ์ธ ๊ณต์ง ์ ๋ฅ์ FFT ํํ
Fig. 6. FFT Waveform of Continuous Resonant Curren
๊ทธ๋ฆผ. 7. ์ํ๋ ๊ณต์ง ์ ๋ฅ์ FFT ํํ
Fig. 7. FFT Waveform of Sampled Resonant Current
๊ทธ๋ฆผ. 8. ๊ณต์ง ์ ๋ฅ์ FFT ํํ
Fig. 8. Magnitude Plot of the Band-Pass Filter
๊ทธ๋ฆผ 6์ ์ค์์นญ ์ฃผํ์๊ฐ 50 kHz์ธ ๊ณต์ง ์ ๋ฅ์ FFT(Fast Fourier Transform) ํํ์ด๊ณ , ๊ทธ๋ฆผ 7์ Time-Split ๊ธฐ๋ฒ์ ํตํด ์ํ๋ง ๋ ๊ณต์ง ์ ๋ฅ์ FFT ํํ์ด๋ค. ์(10)์ Time-Split ๊ธฐ๋ฒ์ ํตํด ์ํ๋ง๋ ์์์ ํ์์ธ X์ฐจ ์ฃผํ์ ์ฑ๋ถ์ด๋ค.
์๋ฅผ ๋ค์ด ์ค์์นญ ์ฃผํ์๊ฐ 50 kHz์ธ ํํ์ 100๊ฐ์ ํํ ์ค์ 99๋ฒ ์ํ๋ง ํด์ผ ํ๋ ๊ฒฝ์ฐ ์ ์ ํธ์ 1/100์ธ ์ฃผํ์ ์ฑ๋ถ์ ๊ฐ์ง๋ค.
์ ์ํ๋ ์๊ณ ๋ฆฌ์ฆ์ ๊ณต์ง์ ๊ทผ์ฒ์์ ๋์ํ๋ฏ๋ก ์ ํจ ์ ๋ ฅ์ ๋๋ถ๋ถ ๊ธฐ๋ณธํ ์ฑ๋ถ์ ์ํด ์ ๋ฌ๋๋ค. ๋ฐ๋ผ์ ์ํ๋ง๋ ํํ์์ ๊ธฐ๋ณธํ ์ถ์ถ์ ํตํด ์ํผ๋์ค๋ฅผ
์ถ์ ํ ์ ์๋ค. ๊ทธ๋ฌ๋, AC ์
๋ ฅ์ ๊ฒฝ์ฐ ๊ทธ๋ฆผ 7๊ณผ ๊ฐ์ด ์ ํ ์ ๋ฅ๋
120 Hz์ Side Band๊ฐ ์กด์ฌํ๋ค. ๋ฐ๋ผ์ Side Band๋ฅผ ํฌํจํ๋ ๋ค๋ฅธ ๊ณ ์กฐํ ์ฑ๋ถ์ ์ํ ์๊ณก์ ๋ฐฉ์งํ๊ธฐ ์ํด ๋์ญํต๊ณผํํฐ๊ฐ ์๊ตฌ๋๋ค.
3์ฐจ ๊ณ ์กฐํ ์ด์์ ์ฃผํ์ ์ฑ๋ถ์ ๊ธฐ๋ณธํ ์ฑ๋ถ์ ๋นํด ๋งค์ฐ ์์ผ๋ Side Band ์ฃผํ์ ์ฑ๋ถ์ ์ฝ ๊ธฐ๋ณธํ์ ์ฝ 3/10์ ํฌ๊ธฐ๋ฅผ ๊ฐ์ง๋ค. ๋ฐ๋ผ์
๊ธฐ๋ณธํ๋ง์ ์ถ์ถํ๊ธฐ ์ํด์๋ Side Band ์ฑ๋ถ์ ํํฐ๋งํด์ผ ํ๋ค.
์ด๋ฅผ ์ํด ๊ณ ์กฐํ๋ก ์ธํ ํํ์ ์๊ณก์ ์ ๋๋ฅผ ๋ํ๋ด๋ ์งํ์ธ ์ ๊ณ ์กฐํ ์์จ(Total Harmonic Distortion; THD)์ ๊ณ์ฐํ์๋ค.
THD๋ ๊ธฐ๋ณธํ ํฌ๊ธฐ ๋๋น ํ ์ฃผํ์ ์ฑ๋ถ์ ํฌ๊ธฐ์ด๋ฉฐ, ์ n์ฐจ ๊ณ ์กฐํ์ RMS ๊ฐ์ ์๋ฏธํ๋ค. ๊ทธ๋ฆผ 7์ FFT ํํ์ ํตํด ์(11)์ ๋ฐ๋ผ ๊ณ์ฐํ์๋ค. ๊ธฐ๋ณธํ ๋๋น Side Band ์ฃผํ์์ ํฌ๊ธฐ๋ฅผ ๊ณ ๋ คํ์์ ๋ THD๋ 42%์ด๋ค. ์๋ฅผ ๋ค์ด THD๋ฅผ 7% ์ด๋ด๋ก ๋ฌ์ฑํ๊ธฐ ์ํด์๋
์(11)์ ๋ฐ๋ผ ๊ธฐ๋ณธํ ์ฑ๋ถ์ด โ26dB ๋ณด๋ค ํฌ๊ฒ ๊ฐ์ํ๋ ์์ญ์ ๋์ญํญ์ผ๋ก ์ค๊ณํด์ผ ํ๋ค. ๊ทธ๋ฆผ 8์ ๋์ญํญ์ ์ค์ฌ ์ฃผํ์์ 2% ์ด๋ด๋ก ์ค๊ณํ 2์ฐจ ๋์ญํต๊ณผํํฐ์ Bode Plot ํฌ๊ธฐ ์ ๋๋ก, ์ค์ฌ ์ฃผํ์์ Side Band ๊ณ ์กฐํ ์ฑ๋ถ ํฌ๊ธฐ
์ฑ๋ถ์ ๋ณด์ฌ์ค๋ค. Side Band ์ฃผํ์ ์ฑ๋ถ์ด โ26dB๋ณด๋ค ํฌ๊ฒ ๊ฐ์ํ์์ผ๋ฏ๋ก, ๋์ญํต๊ณผํํฐ๋ฅผ ํตํด THD 7%๋ฅผ ๋ง์กฑํ ์ ์๋ค. ๋ฐ๋ผ์ ๊ธฐ๋ณธํ์
Side Band ์ฃผํ์ ์ฑ๋ถ์ ํฌํจํ์ฌ ํํฐ๋ง ๋ ์ํ๋ง ์ ์ ๋ฐ ์ ๋ฅ๋ฅผ ํ์ฉํ์ฌ ์๊ณก์ด ์ ์ ์ํผ๋์ค๋ฅผ ๊ณ์ธกํ ์ ์๋ค.
3. ์ฉ๊ธฐ ์ํผ๋์ค์ ์จ๋์ ์๊ด๊ด๊ณ ๋ถ์
3.1 IH ๋ถํ ํน์ฑ ๋ถ์
์ฉ๊ธฐ์ ์ฌ์ง์ ๋ฐ๋ผ ๊ณ ์ ์ ๋น์ ํญ, ํฌ์์จ์ ๊ฐ์ง๊ณ ์์ด ๋ถํ ์ ํญ์ด ๋ฌ๋ผ์ง๋ฏ๋ก ํน์ ์ฉ๊ธฐ ์กฐ๊ฑด์์ ๋ถ์์ ์งํํ์๋ค. ์ฐธ๊ณ ๋ฌธํ (4)์ ๊ฐ์ด ์ฉ๊ธฐ์ ๊ฐ์ด์๊ฐ์ ๋ฐ๋ผ ์ฉ๊ธฐ์ ์ ํญ์ ์ฆ๊ฐํ๋ค. ์จ๋๊ฐ ์ฆ๊ฐํ๋ฉด ์์ ์ ์์ ์ด๋์ฑ์ด ์ฆ๊ฐํ์ฌ ์ ๋ฅ ํ๋ฆ์ ๋ฐฉํดํ๊ฒ ๋์ด ์ ํญ์ ์ฆ๊ฐ์ํจ๋ค.
์(12)์ ๋ฐ๋ผ ๊ธ์์ ๋น์ ํญ(resistivity)์ ์จ๋์ ๋ํด ์ ํ์ ์ผ๋ก ์ฆ๊ฐํจ์ ๋ณด์ฌ์ค๋ค. ๋น์ ํญ๊ณผ ์ ํญ๊ฐ์ ๋น๋กํ๋ฏ๋ก ์(13)๊ณผ ๊ฐ์ด ์จ๋์ ๋ฐ๋ฅธ ์ ํญ์ ๋ณํ๋ฅผ ๋ํ๋ผ ์ ์๋ค.
๊ทธ๋ฆผ. 9. IH ์ฉ๊ธฐ์ ์ ํญ๊ณผ ์จ๋ ๊ณก์
Fig. 9. Resistance and Temperature Curves of an IH Pot
๊ทธ๋ฆผ. 10. IH ์ฉ๊ธฐ์ ์จ๋ ์ธก์ ์ง์
Fig. 10. Temperature Measuring Points of IH Pot
์ฌ๊ธฐ์, ฯ๋ ์ฉ๊ธฐ์ ๋น์ ํญ, ฯ0๋ ํ์ค ์จ๋์์์ ์ ํญ๋ฅ , ฮฑ๋ ์จ๋๊ณ์, R์ ์์์ ์จ๋์์์ ์ ํญ,
R0์ ํ์ค ์จ๋์์์ ์ ํญ์ด๋ค.
3.1 IH ๋ถํ ํน์ฑ ๋ถ์
์ฝ์ผ์ ๋์ ์ฃผํ์ ๋์ญ๋ณ๋ก IHใ๋ถํ ์ ํญ์ ๊ณ์ธกํ๊ณ , ์จ๋์ ๋ถํ ์ํผ๋์ค์ ๊ฒฝํฅ์ฑ์ ํ์
ํ๊ธฐ ์ํด ์ ํ ํ๊ท ๋ถ์ ๋ชจ๋ธ์ ๋์ถํ๋ค. ๊ทธ๋ฆผ 9๋ ๋์ ์ฃผํ์ 50 kHz๋ก ๊ตฌ๋ํ์์ ๋ ์๊ฐ์ ๋ฐ๋ฅธ ์จ๋์ ์ ํญ ๊ทธ๋ํ์ด๋ค. ๊ทธ๋ฆผ 10๊ณผ ๊ฐ์ด 3๊ฐ์ ์จ๋ ์ธก์ ์ง์ ์ ํ๊ท ๊ฐ์ผ๋ก ์ฉ๊ธฐ์ ์จ๋๋ฅผ ์ธก์ ํ์๋ค. ๊ทธ๋ฆผ 9์ ๊ฐ์ด IH ์์คํ
์ ๊ฐ์ด ํน์ฑ์ผ๋ก ์ธํด ์จ๋ ์ฉ๊ธฐ์ ์จ๋๊ฐ ์ฆ๊ฐํ ์๋ก ์ ํญ์ด ํน์ ๊ตฌ๊ฐ์์ ์๊ฐ์ ๋ฐ๋ผ ์ ํ์ ์ผ๋ก ์ฆ๊ฐํจ์ ํ์ธํ์๋ค. ์ด๋ฅผ ์ ํ
ํ๊ทํ์ฌ ์(14)์ ๊ฐ์ด ๊ธฐ์ธ๊ธฐ a์ y ์ ํธ์ ๋ฐ๋ผ ์จ๋์ ์ ํญ ๊ฐ์ ์ ํ ํ๊ท ๋ชจ๋ธ์์ ๋์ถํ ์ ์๋ค.
ํ๊ท ๋ถ์์ ํตํด ์(14)์ a์ b๋ฅผ ๊ตฌํ๋ฉด ํน์ ์ฉ๊ธฐ์์ ์์์ ์ ํญ๊ฐ์ผ๋ก ์จ๋๋ฅผ ์ถ์ ํ ์ ์๋ค.
4. ๋ชจ์์ํ ๋ฐ ์คํ ๊ฒฐ๊ณผ
๋ณธ ์ฅ์์๋ ๋ชจ์์ํ๊ณผ ์คํ์ ๋น๊ต ๋ถ์ํ์ฌ ์ํผ๋์ค ๊ณ์ธก์ ์ํ Time-Split ๊ธฐ๋ฒ๊ณผ ์ํผ๋์ค ๊ณ์ธก์ ํตํ ์จ๋ ์ถ์ ์ ์คํจ์ฑ์ ๊ฒ์ฆํ๋ค.
๊ทธ๋ฆผ 11๊ณผ ๊ฐ์ด Time-Spilt์ ๊ฒ์ฆํ๊ธฐ ์ํด PSIM ์๋ฎฌ๋ ์ด์
์ผ๋ก ํ๋ก๋๋ฅผ ๊ตฌ์ฑํ๊ณ ๊ทธ๋ฆผ 12๊ณผ ๊ฐ์ด 2-kW ์ง๋ ฌ ๊ณต์ง ์ธ๋ฒํฐ ์์ํ์ ๊ตฌ์ฑํ์ฌ ์คํํ์๋ค. ์ฉ๊ธฐ์ ์ง๋ฆ์ 220mm, ๋ฌผ์ ์ 2L๋ก, IEC standard 60335-2-9
๊ท๊ฒฉ์ ์๋ถํ๋์ผ๋ก ์คํ์ ์งํํ์๋ค. ํ 1์ ์ง๋ ฌ ๊ณต์ง ์ธ๋ฒํฐ์ ์ค๊ณ ์ฌ์์ ๋ํ๋ธ๋ค.
๊ทธ๋ฆผ. 11. IH ์ธ๋ฒํฐ์ ์๋ฎฌ๋ ์ด์
ํ๋ก
Fig. 11. Simulated Circuit Diagram of an IH Inverter
๊ทธ๋ฆผ. 12. 2-kW๊ธ IH ์ธ๋ฒํฐ ์์ํ
Fig. 12. 2-kW IH Inverter Prototype
ํ 1. ์ง๋ ฌ ๊ณต์งํ ์ธ๋ฒํฐ์ ์ค๊ณ ์ฌ์
Table 1. Design Specification of the Series Resonant Inverter
Parameter
|
Mark
|
Value
|
Unit
|
Input Voltage
|
Vin,AC
|
220
|
V
|
Resonant Capacitor
|
Cr
|
660
|
ฮผF
|
Resonant Inductor
|
Lr
|
18
|
ฮผH
|
Coil Turn Number
|
n
|
16
|
turn
|
Sampling Frequency
|
fsample
|
49.5
|
kHz
|
Switching Frequency
|
fsw
|
50
|
kHz
|
Pot Material
|
SUS304 18-10
|
ํ 2. ์ ๋ ฅ ๋ณ ์ถ์ ํ๊ท ๋ฐฉ์ ์
Table 2. Estimated Regression Equations According to Power
|
1 kW
|
2 kW
|
The number of experiments
|
3
|
3
|
Slope (a)
|
85.2191
|
206.38
|
Y-Intercept (b)
|
-266.8924
|
-683.1
|
๊ทธ๋ฆผ. 13. Time-Split ์๋ฎฌ๋ ์ด์
Fig. 13. Time-Split Simulation
๊ทธ๋ฆผ. 14. ์ ํญ ๊ณ์ธก ์๋ฎฌ๋ ์ด์
Fig. 14. Resistance Measurement Simulation
4.1 ์ํผ๋์ค ๊ณ์ธก ๋ชจ์์ํ
LCR Meter๋ฅผ ์ฌ์ฉํ์ฌ ์ธก์ ํ ๋ถํ ์ํผ๋์ค ํ๋ผ๋ฏธํฐ๋ฅผ ์ฌ์ฉํ์ฌ IH Inverter๋ฅผ ๋ชจ์์ํํ์๋ค. PSIM ์๋ฎฌ๋ ์ด์
์์ ์จ๋์ ์ํฅ์ฑ์
๊ณ ๋ คํ ์ ์์ผ๋ฏ๋ก ๊ณ ์ ์ ํญ์ ์ฌ์ฉํ์ฌ ์๋ฎฌ๋ ์ด์
์ ์งํํ์๋ค. ๊ทธ๋ฆผ 13๊ณผ ๊ฐ์ด ์(10)์์ ๋์ถํ ์ํ๋ง ์ฃผํ์๋ก Time-Split ๊ธฐ๋ฒ์ ์ ์ ์๋์ ํ์ธํ์๋ค. ๊ทธ๋ฆผ 14์์ Time-Split ๊ธฐ๋ฒ์ ์ฌ์ฉํ์ฌ ๊ณ์ธก๋ ์ ํญ์ด ๊ณ ์ ์ ํญ์ ๋ํด ์ค์ฐจ์จ 1% ์ด๋ด๋ก ๊ณ์ธก๋จ์ ํ์ธํ์๋ค.
๊ทธ๋ฆผ. 15. ์ ๋ ฅ ๋ถ์๊ธฐ๋ก ๊ณ์ธกํ ์ ํญ๊ณผ Time-Split ๊ธฐ๋ฒ์ ์ ์ฉํ DSP ๊ณ์ธก ์ ํญ ๋ฐ์ดํฐ ๋น๊ต
Fig. 15. Comparison between Power Analyzer Data and DSP Measurement data Using Time-split:
(a) 1 kW, (b) 2 kW
4.2 ์ํผ๋์ค ๊ณ์ธก ์คํ ๊ฒฐ๊ณผ
๊ทธ๋ฆผ 15๋ ์ ๋ ฅ ๋ถ์๊ธฐ์ ์ํด ์ธก์ ๋ ๊ฐ๊ณผ ์ ์ด๊ธฐ์ ์ํด ๊ณ์ธก๋ ์ ํญ๊ฐ์ ๋ณด์ฌ์ค๋ค. ์ฉ๊ธฐ ์์ ๋ฌผ์ด ๋๋ ๊ตฌ๊ฐ, ์ฆ ์ ์ ์ํ ๊ตฌ๊ฐ์์ ์ํผ๋์ค ์ถ์ ํํ์ด๋ค.
ํํ ๋ธ๋ฆฌ์ง ์ง๋ ฌ ๊ณต์งํ ์ธ๋ฒํฐ๋ ๋์์ฃผํ์์ ๋ณ๋์ ํตํด ์ ๋ ฅ์ ์ ์ดํ๋ค. ๋ฐ๋ผ์ ๋์ ์ฃผํ์์ ๋ฐ๋ผ ์ํผ๋์ค๊ฐ ๋ณ๋ํ๋ฏ๋ก ๋๋ ๊ตฌ๊ฐ์์ ์ ๋ ฅ ์ฉ๋
๋ณ ์ํผ๋์ค๋ ๋ค๋ฅด๊ฒ ๋ํ๋๋ค. ๊ฒฐ๊ณผ์ ์ผ๋ก ์ ํญ์ ์ค์ฐจ์จ 1.2% ์ด๋ด๋ก ๊ณ์ธก๋๋ค.
๊ทธ๋ฆผ. 16. ์ ํญ-์จ๋ ํ๊ท ๊ณก์
Fig. 16. Resistance-Temperature Regression Curves: (a) 1 kW, (b) 2 kW
๊ทธ๋ฆผ. 17. ์ฉ๊ธฐ ์จ๋ ์ถ์ ํํ
Fig. 17. Experimental Curves of Pot Temperature Estimation: (a) 1 kW, (b) 2 kW
4.3 ์ํผ๋์ค ๊ณ์ธก์ ํตํ ์จ๋ ์ถ์ ๋ถ์
IHใ์์คํ
์ ์ฉ๊ธฐ์ ์์น, ์ฝ์ผ์ ์ด๊ธฐ ์จ๋์ ๋ฐ๋ผ ์ฐจ์ด๊ฐ ์์ผ๋ฏ๋ก ๊ทธ๋ฆผ 16๊ณผ ๊ฐ์ด 3ํ ์คํ์ ํตํด ํ๊ท ๋ถ์ ๋ชจ๋ธ์์ ๋์ถํ๋ค. ํ๊ท ๋ถ์์ ํตํด ๋์ถํ ์์ ํ 2์ ๋ํ๋ด์๋ค. ํ 2๋ฅผ ํตํด ๋์ ์ ๋ ฅ์ผ์๋ก ๊ธฐ์ธ๊ธฐ๊ฐ ํฌ๋ฏ๋ก ๋น ๋ฅด๊ฒ ๊ฐ์ด๋จ์ ํ์ธํ ์ ์๋ค. ๊ทธ๋ฆผ 17์ ์๊ฐ์ ๋ฐ๋ฅธ ์ฉ๊ธฐ์ ์ค์ ์จ๋์ ์ถ์ ์จ๋๋ฅผ ๋น๊ตํ ๊ทธ๋ํ์ด๋ค. ๊ทธ๋ฆผ 17๊ณผ ๊ฐ์ด ์จ๋ ์ฆ๊ฐ ๊ตฌ๊ฐ ์ต๋ ยฑ7โC, ์จ๋ ์ ์ง ๊ตฌ๊ฐ ์ต๋ ยฑ5โC
์ ๋ฎ์ ์ค์ฐจ๋ก ์จ๋ ์ถ์ ์ด ๊ฐ๋ฅํ๋ค. ๋ฐ๋ผ์ ์ ํํ ์ํผ๋์ค ์ถ์ ์ผ๋ก๋ถํฐ ์จ๋ ์ถ์ ์ ์คํจ์ฑ์ ๊ฒ์ฆํ์๋ค.
5. ๊ฒฐ ๋ก
๋ณธ ๋
ผ๋ฌธ์์๋ ์ ํญ-์จ๋ ํ๊ท ๋ถ์์ ํตํด ์จ๋ ์ถ์ ์ด ๊ฐ๋ฅํ ์๊ณ ๋ฆฌ์ฆ์ ์ ์ํ์๋ค. ๋ํ, ๋ฎ์ ์ํ๋ง ์ฃผํ์๋ก๋ IH ๋ถํ์ ์ํผ๋์ค๋ฅผ ๊ณ์ธกํ
์ ์๋ Time-Split ๊ธฐ๋ฒ์ ์ ์ํ์๋ค. ์ต์ข
์ ์ผ๋ก 2-kW ์ง๋ ฌ ๊ณต์ง ์ธ๋ฒํฐ ์์ํ์ ํตํด ์คํ์ด ์ํ๋์๋ค. ์ค์ ์ธก์ ๋ ๊ฐ ๋๋น ์ ํญ์ด
์ค์ฐจ์จ 1.2% ์ด๋ด๋ก ๊ณ์ธก๋จ์ ๋ฐ๋ผ Time-split ๊ธฐ๋ฒ์ ํ๋น์ฑ์ด ๊ฒ์ฆ๋์๋ค. ์ํผ๋์ค ๊ณ์ธก์ ํตํ์ฌ ํน์ ์ฉ๊ธฐ์์ ์จ๋์ ์ ํญ ๊ฐ์ ํ๊ท
๋ถ์ ๋ชจ๋ธ์์ ๋์ถํ์ฌ ์จ๋ ์์น ๊ตฌ๊ฐ์์์ ์ฉ๊ธฐ ์จ๋๋ ยฑ7โC ์ด๋ด์ ์ค์ฐจ, ๋ฌผ์ด ๋๋ ๊ตฌ๊ฐ์์์ ์ฉ๊ธฐ
์จ๋๋ ยฑ5โC ์ด๋ด์ ์ค์ฐจ๋ก ์ ํํ๊ฒ ์จ๋๋ฅผ ์ถ์ ํ ์ ์๋ค.
Acknowledgements
์ด ๋
ผ๋ฌธ์ 2022 ๋
๋ ์ ๋ถ(์ฐ์
ํต์์์๋ถ)์ ์ฌ์์ผ๋ก ํ๊ตญ์๋์ง๊ธฐ์ ํ๊ฐ์์ ์ง์์ ๋ฐ์ ์ํ๋ ์ฐ๊ตฌ์(2019381010001A, ์์ฉ๊ฐ์ฉ LVDC
์ ์๊ณต๊ธ ๋ฐ ๋ถ์ฐ์ ์ ์ฐ๊ณ์ฉ ํต์ฌ๊ธฐ๊ธฐ ๊ฐ๋ฐ)
References
O. Lucia, P. Maussion, E. J. Dede., J. M. Burdio, May 2014, Induction heating technology
and its application: Past developments, current technology, and future challenges,
IEEE Trans. Ind. Electron., Vol. 61, No. 5, pp. 2509-2520

J. Lasobras, R. Alonso, C. Carretero, E. Carretero, E. Imaz, Mar 2014, Infrared Sensor-Based
Temperature Control for Domestic Induction Cooktops, Sensors, Vol. 14, No. 3, pp.
5278-5295

D. Paesa, S. Llorente, C. Sagues, O. Aldana, May-june 2009, Adaptive Observers Applied
to Pan Temperature Control of Induction Hobs, in IEEE Transactions on Industry Applications,
Vol. 45, No. 3, pp. 1116-1125

D. Paesa, C. Franco, S. Llorente, G. Lopez-Nicolas, C. Sagues, Sept-Oct 2011, Adaptive
Simmering Control for Domestic Induction Cookers, in IEEE Transactions on Industry
Applications, Vol. 47, No. 5, pp. 2257-2267

O. Jimenez, O. Lucia, L. A. Barragan, D. Navarro, J. I. Artigas, I. Urriza, Aug 2013,
FPGA-Based Test-Bench for Resonant Inverter Load Characterization, in IEEE Transactions
on Industrial Informatics, Vol. 9, No. 3, pp. 1645-1654

O. Jimenez, O. Lucia, I. Urriza, L. A. Barragan, D. Navarro, May 2014, Analysis and
implementation of FPGA-based online parametric identification algorithms for resonant
power converters, IEEE Trans. on Industrial Informatics, Vol. 10, pp. 1144-1153

H. Sarnago, O. Lucia, J. M. Burdio, Mar 2018, A Versatile Resonant Tank Identification
Methodology for Induction Heating Systems, in IEEE Transactions on Power Electronics,
Vol. 33, No. 3, pp. 1897-1901

, Safety standards for household electrical products-IEC 60335-2-9, Table 101, Figure
103 and 104

์ ์์๊ฐ
She received her B.S. degree in electronic engineering from Hanbat National University,
Daejeon, South Korea, in 2020.
She is currently working toward a MS. degree in electrical engineering from the Ulsan
National Institute of Science and Technology, Ulsan, South Korea.
ํ๊ฒฝ์ฑ(Kyung-Wook Heo)
He received his B.S. degree in electronic engineering from the Kumoh National Institute
of Technology, Gumi, South Korea, in 2019.
He is currently working toward a Ph.D. degree in electrical engineering from the
Ulsan National Institute of Science and Technology, Ulsan, South Korea.
He received his B.S., M.S., and Ph.D. degrees in Electrical and Computer Engineering
Program from the Department of Electronics and Electrical Engineering, Pohang University
of Science and Technology (POSTECH), Pohang, South Korea, in 2000, 2002 and 2006,
respectively.
From 2006 to 2009, he was a Senior Research Engineer in the Digital Printing Division,
Samsung Electronics Company Ltd., Suwon, South Korea.
From 2009 to 2010, he was a Postdoctoral Research Associate in the Department of
Electrical and Computer Engineering, Texas A&M University at Qatar (TAMUQ), Doha,
Qatar.
From 2011 to 2012, he was a Senior Researcher in the Power Conversion and Control
Research Center, HVDC Research Division, Korea Electrotechnology Research Institute
(KERI), Changwon, South Korea.
From 2013 to 2017, he was an Assistant Professor in the School of Electrical and
Computer Engineering, Ulsan National Institute of Science and Technology (UNIST),
Ulsan, South Korea.
From 2017 to 2022, he was an Associate Professor in the Department of Electrical
Engineering, UNIST where he is presently working as a Professor.