소형 가전에서 인기를 얻고있는 인덕션 히팅(IH) 기술 구현하기

  • 2020-07-07
  • 글 / Giuseppe de Falco, 인피니언 테크놀로지스




인덕션 히팅 기술을 사용해서 어느 때보다 세련되고 시각적으로 매력적인 소형 가전을 설계할 수 있다. 인피니언의 IGBT와 드라이버를 통합한 솔루션은 높은 효율을 달성하고 비용과 크기를 줄일 수 있다.


집에서 요리를 하는 것이 하나의 트렌드가 되고 있다. 여기에는 몇 가지 요인이 있는데, TV 프로그램이나 블로그를 통해서 시청자들이 더 건강하고 흥미로운 요리들을 접하게 되었으며, 플라스틱 포장을 사용한 가공 식품이 탄소 배출을 늘린다는 점에서 환경 영향에 대한 인식도 높아지고 있다. 또한 스타일이 세련되고 기능이 뛰어난 최신 주방 기기들이 디지털 세대의 이목을 사로잡고 있다. 첨단 기술을 사용한 가전은 음식 맛을 좋게 하고, 청소는 쉬우며 에너지 소비를 줄인다.



현재 인덕션 히팅(IH)이 전기밥솥, 프라이어, 우유 거품기 같은 소형 가전에서 핵심 기술로 사용되고 있다. 인덕션 히팅은 기존의 전기 히팅 방식 대비 정밀하게 가열을 제어할 수 있고 반응 속도가 빠르며 에너지 효율이 우수하다. 시장 조사에 따르면, 인덕션 쿡탑의 시장 규모가 2022년에 135억 달러를 넘으면서 약 6퍼센트의 CAGR로 성장할 것으로 전망된다[1].

인덕션 쿠커 설계

이 기술을 사용한 설계는 트랜스포머에서 시작된다. 메인 AC 전압을 그보다 낮은 값으로 변환하는 많은 제품들과 마찬가지인데, 다만 이차 코일을 제거하고 일차 권선에 금속을 접촉시킨다. 일차 코일에 에너지가 가해지면, 트랜스포머가 인접한 금속을 단락된 이차 권선으로 보고 와류 전류를 유도해서 흐르게 한다. 이 금속이 저항을 띠면 I2R 손실로 인해서 줄(Joule) 히팅이 발생된다. 인덕션 쿠커는 이 금속이 팬 바닥면이다(그림 1).



구리와 알루미늄은 저항이 매우 낮기 때문에 가열이 잘 되지 않는다. AC 주파수가 높으면, 스킨 효과가 작용해서 금속의 몸체가 아니라 표면을 따라서 전류가 흐르도록 하고, 그러면 전기 전도 면적을 줄임으로써 저항을 높이고 히팅 효과를 일으킨다. 금속이 철이나 강철처럼 투자율(magnetic permeability)을 띠면, 강자성 결정 구조가 미세한 자기 영역들로 이루어진다. 이것들이 일차 코일로부터 인가되는 자기장에 의해서 교대 정렬 방향이 된다.

이 영역에 마찰처럼 보이는 것이 발생되고, 에너지를 회전하게 하고, 이것이 열을 발생시킨다. 이 작용을 줄(Joule) 히팅이라고 하는 것으로서, 온도를 상승시켜서 조리를 할 수 있도록 한다. 트랜스포머 일차 AC는 곧바로 메인으로부터 50/60Hz를 사용할 수도 있으나, 이렇게 하면 제품의 크기가 부적절하게 커지고 스킨 효과가 매우 작아진다. 그러므로 25kHz~75kHz의 고주파수를 사용하면 전반적인 크기를 줄일 수 있다.

고주파수로는 트랜스포머 일차인 인덕션 코일에 더 적은 수의 권수를 사용할 수 있고, 그러므로 저항성 손실을 낮추면서 동일한 스킨 효과를 발생시킬 수 있다. 통상적으로 코일은 리츠 와이어를 사용해서 형성되고 가는 절연 와이어의 병렬 가닥을 사용해서 이루어진다. 스킨 효과 손실을 낮추기 위해서 이들 각각의 가닥이 스킨 효과의 깊이보다 직경이 작다.

공진 컨버터가 적합함

인덕션 코일로 고주파수 AC를 발생은 다양한 방법으로 할 수 있다. 2.1kW까지 이르는 소형 가전에 효율과 비용을 최적으로 조합하기 위해서 가장 적합한 솔루션은 싱글 엔디드 병렬 공진(SEPR) 컨버터를 사용하는 것이다(그림 2).



Q1은 IGBT로, 컨트롤러에 의해서 제어되어서 풀 부하로 낮게는 20kHz까지 이르는 가변 주파수로 스위칭한다. Leq는 인덕션 코일이다. 정상 상태(steady state)이면 Q1이 컬렉터에서 제로 전압으로 턴온하고 정류 메인에서 Leq를 거쳐서 전류가 흘러서 선형적으로 증가한다.

그러다 지정된 전류 수준에 도달하면, Q1이 턴오프하고 전류가 Cres로 순환해서 컬렉터 전압이 피크가 되었다가 Leq와 Cres의 공진 주파수에 이르면서 떨어진다. 전압이 제로 아래로 떨어지면, D1이 전도해서 전류가 Cf로 순환한다. 그러면 Q1이 다시 턴온하고 이 사이클을 반복한다. IGBT 스위치 오프 전류 Ipk를 설정해서 전력을 제어한다.

Energy = 0.5LeqIpk2에 따라서 Leq로 이용 가능한 에너지가 결정된다.

이 회로는 턴온 시에 제로 전압 스위칭으로 효율이 우수하나, IGBT가 메인 피크 전압의 거의 두 배에 달하는 전압을 겪을 수 있다. 또한 턴오프 손실이 낮다. 컬렉터 전압이 상승하는 것이 느리고 공진 커패시터에 의해서 제한되기 때문이다. 벌크 또는 저장 커패시터를 사용하지 않고 Cf가 매우 작다는 것을 알 수 있다. 그러므로 역률이 우수하며 EMC 요건을 충족하기 위해서 역률 교정을 필요로 하지 않는다. 하지만 전도 간섭 한계 요건을 충족하기 위해서 고주파수 메인 필터는 흔히 사용된다.

이 회로는 비교적 단순하며 몇 가지 한계점을 갖는다. Q1으로 스트레스가 높고, 메인 서지를 감쇠시키기 위해서 벌크 커패시터를 사용하지 않으므로 이 점이 또한 스트레스를 높인다. 스타트업 같은 트랜션트 조건이나 쿡탑 애플리케이션의 경우에 팬을 치웠을 때 전류 스파이크가 발생되고 제로 전압 스위칭을 못하게 됨으로써 Q1으로 손상을 일으킬 수 있다. 그러므로 애플리케이션에 따라서 적합한 IGBT를 선택하고 보호 메커니즘을 사용해야 한다.

IGBT와 이의 제어가 중요한 요소

높은 AC 메인으로 피크 공진 스윙과 트랜션트를 허용하기 위해서는 IGBT의 전압 정격이 1200V 이상으로 높아야 한다. 트랜션트 조건에 대비해서 전류 정격이 다소 여유가 있어야 하며, 전도 손실을 최소화하기 위해서 포화 전압 VCE(on)이 되도록 낮아야 한다. 컬렉터 전압이 상승할 때 dV/dt가 느리므로 턴오프 손실이 낮으나, 에너지 소모를 줄이기 위해서는 IGBT 오프 상태 테일 전류를 제어해야 한다.

테일 전류와 VCE(on)은 상충 관계이다. 그러므로 에너지 규격 요건을 충족하기 위해서 최대의 효율을 달성하도록 이 둘을 적절히 절충하는 것이 필요하다. 또 트랜션트 조건 시에 IGBT 전류, 전압, 온도를 모니터링하고 제한하는 것이 바람직하다.

디자이너들을 위해서 바로 이러한 요구를 충족하는 솔루션이 출시되었다. 인피니언의 TRENCHSTOP™ F 시리즈 Protected IGBT RC-H5이다(그림 3)[2].



이 제품은 1350V 20A 정격 디바이스로서 TO-247 6핀 패키지로 제공되며, 2.2kW에 이르는 SEPR 인덕션 히팅 애플리케이션에 사용하기에 적합하다. 스위칭 손실이 동급으로 가장 우수하며, 순방향 전압 강하가 낮은 병렬 다이오드를 포함한다. 하지만 무엇보다도 특징적인 점은 보호 기능들을 포함한다는 것이다.

사이클-대-사이클 전류 제한 기능을 포함하며, 이 기능은 최대 LC 공진 에너지와 피크 전압을 설정하는 역할도 한다. 2개 저항으로 형성된 전압 분할기를 통해서 스케일링된 컬렉터-이미터 전압을 사용해서 VDET 핀에서 3개 임계값에 대해서 모니터링을 한다.

먼저 IGBT가 5μs 동안 턴온하고, 그러면서 과전압을 억제한다. 그런 다음 IGBT가 턴오프한다. 그런데 인덕터로 에너지가 여전히 존재하면 전압이 계속해서 상승해서 그 다음 임계값에 도달한다. 그러면 IGBT가 다시 턴온하고 VDET가 첫 번째 임계값 아래로 떨어지기를 기다린다. 이러한 2단계 프로세스로 트랜션트 과전압에 대해서 연속적 클램핑에 비해서 에너지 소모를 훨씬 줄일 수 있다.

반대로 세 번째의 가장 낮은 임계값은 전압이 너무 높을 때 정상적인 IGBT 턴온을 못하게 한다. 전압 분할기에 필요한 저항 값은 그림 4에서 보는 것과 같이 계산할 수 있다[2]. 신뢰할 수 있는 동작을 위해서는 안정적인 전압이 필요하므로 바이패스 커패시터를 사용할 수도 있다.




게이트 구동 턴온 전류는 두 단계로 제공된다. 먼저 낮은 값으로 된다. 이것은 dV/dt와 dI/dt를 낮춰서 공진 커패시터 충전으로 인한 컬렉터 전류 스파이크를 낮춘다. 그런 다음 더 높은 게이트 전류가 된다. 이것은 IGBT를 포화시키고 전도 손실을 낮춘다. 또한 온도를 모니터링하고 다이 온도가 75℃가 넘으면 INN 핀을 통해서 경고를 하고 150°C를 넘으면 완전히 셧다운한다. INN 핀은 동작 시에 로우로 풀링해서 IGBT를 온으로 구동하는데, 오프 상태일 때는 외부 회로가 고 임피던스가 되고 IGBT 시그널링이 각기 다른 전압 레벨로 이 핀을 제어해서 정상인지 과열 조건인지 지시한다(그림 5)[2].



갈수록 인기가 높아지는 인덕션 히팅

인덕션 히팅 기술을 사용해서 어느 때보다 세련되고 시각적으로 매력적인 소형 가전을 설계할 수 있다. 인피니언의 IGBT와 드라이버를 통합한 솔루션은 높은 효율을 달성하고 비용과 크기를 줄일 뿐만 아니라 포괄적인 보호 메커니즘과 여유 있는 정격으로 신뢰할 수 있는 동작을 달성한다.


참고자료

[1] https://www.alliedmarketresearch.com/household-induction-cooktops-market
[2] 인피니언 애플리케이션 노트 AN2018-34 “TRENCHSTOP™ F 시리즈 Protected IGBT: 기능 설명과 설계 도움말”

 

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