GaN HEMT 기반 anyplace 유도 가열 시스템 설계 및 제어 :Design and control method of GaN HEMT based anyplace induction heating system

박상민

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자료유형: 학위논문

저자정보: 박상민 (성균관대학교, 성균관대학교 일반대학원)

지도교수: 이병국

발행연도: 2020

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이 논문의 연구 히스토리 (3)

2021

GaN HEMT 기반 Anyplace 유도 가열 시스템 설계 및 제어

박상민 전력전자학회지 2021.12 학술저널

GaN HEMT 기반 Anyplace 유도 가열 시스템의 부하 식별 및 다중 인버터 제어 알고리즘 설계

박상민 , 노용수 , 현병조 외 2명 전력전자학회 학술대회 논문집 2021.07 학술대회자료

2020

GaN HEMT 기반 anyplace 유도 가열 시스템 설계 및 제어

박상민 전자전기컴퓨터공학과 2020.01 학위논문

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최근 가전 제품은 사용자의 안정성 및 편리성은 물론 위생 관리까지 갖춘 제품으로 발전되고 있다. 이러한 추세로 기존의 가스 가열 방식보다 안전하고 청결성이 좋으며 발열이 빠른 유도 가열 (Induction Heating; IH) 방식의 인덕션 쿡탑이 전세계적으로 각광을 받고 있다. 기존 가정에서 사용되고 있는 인덕션 쿡탑은 상판 위 원형으로 표기된 조리영역 아래 워킹코일이 존재하며 해당 영역에서만 가열이 가능하다는 단점이 있다. 이러한 단점을 해결하고 사용자의 편의성을 높이기 위해 쿡탑 상판 위 모든 영역에서 조리가 가능한 (Anyplace Induction Cooking Zone; AICZ) 기술이 최근 연구되고 있다.
AICZ 기술은 조리 용기의 개수, 크기 및 형상에 상관없이 상판 위 어느 위치에서도 동시에 용기 가열이 가능해야 하기 때문에 다수의 워킹코일이 필수적으로 요구되며, 여러 개의 워킹코일들에 고주파 교류 전류를 공급할 수 있는 전력변환시스템 (Power Conversion System; PCS)이 필요하다. PCS는 AC 상용 계통 (220 Vrms/60 Hz)으로부터 DC 전압을 얻기 위한 정류기와 고주파 스위칭이 가능한 직렬 공진형 인버터 (Series Resonant Inverter; SRI)로 구성된다. AICZ 기술 구현을 위한 여러 워킹코일과 인버터의 연결방식은 주로 세 가지 방식이 있으며, 하나의 인버터로 여러 워킹코일을 연결하거나 릴레이 스위치를 사용하여 워킹코일 간 연결을 제어하거나 인버터를 각 워킹코일에 배치하는 방식이다. 세 가지 방식은 비용, 성능, 소음 및 제어 복잡성 등의 장/단점이 각각 존재하므로 AICZ 시스템 구현 시 최적 설계가 요구된다. 또한 워킹코일 형상, 개수 및 크기는 AICZ 시스템의 성능을 결정짓기 때문에 최적의 크기와 턴 수를 분석하여 설계해야 한다.
본 논문에서 다루는 AICZ 시스템의 구현 방식은 빠른 제어 속응성 및 고성능을 달성하기 위해 인버터-워킹코일 통합 일체형 모듈을 적용하여 총 22개의 워킹코일과 인버터로 구성된 전체 시스템을 제안하였다. 또한 다수의 인버터로 적용함에 있어 전력밀도 향상 및 고효율화를 위해 Wide Band Gap (WBG) 소자인 GaN HEMT 스위치를 적용하였다. 따라서, GaN HEMT를 적용한 고주파 인버터를 통해 워킹코일의 턴 수 및 높이를 최소화하였으며 사각 코일 형상을 적용하여 쿡탑 상판 면적 대비 90.63%에 달하는 조리영역을 확보하였다. 또한 AICZ 시스템 제어는 다중 통신이 가능한 CAN 통신 방식을 활용하여 여러 개의 인버터 모듈을 동시 제어하였다. 구현된 제어 알고리즘은 주파수 제어를 통한 입력 전력제어 및 실시간 용기 판별 알고리즘과 다수의 용기 동시 가열 및 가열 중 용기 이동 등을 포함한다. 최종적으로 설계된 PCS는 인버터 모듈 하나당 94.26%의 IH 효율을 달성하였고 다양한 용기 개수 및 크기의 가열 실험을 통해 GaN HEMT가 적용된 인버터-워킹코일 일체형 AICZ 시스템의 성능을 검증하였다.

Recently, home appliances have been developed as products with hygiene management as well as stability and convenience for users. With this trend, induction heating (IH) cooktops are in the spotlight worldwide. IH cooking technology offers advantages such as better efficiency conversion, ease of cleaning, low noise, rapid heating, high power density and high reliability compared to conventional gas and electric stoves. Conventionally, induction cooktops have a drawback that a working coil is present under a cooking area marked as a circle on the top plate and heating is possible only in the corresponding area. In order to solve these drawbacks and increase the user''s convenience, an anyplace induction cooking zone (AICZ) technology that is capable of cooking in all areas on the top of a cooktop has been recently studied.
AICZ technology requires several working coils because it is necessary to simultaneously heat the pot at any position on the top plate regardless of the number, size and shape of the cooking pots. Therefore, there is a need for a power conversion system (PCS) capable of supplying high-frequency alternating current to several working coils. In addition, since the working coil shape, number and size determine the performance of the AICZ system, it should be designed by analyzing the optimal size and number of turns.
In this paper, in order to achieve fast response and high performance, the AICZ system consisting of a total of 22 working coils and an inverter was proposed by applying the integrated module of the inverter-working coil. In addition, a GaN HEMT switch, which is a wide band gap (WBG) device, was applied to improve power density and increase efficiency in application to multiple inverters. Therefore, the number of turns and the height of the working coil were minimized through a high-frequency inverter using GaN HEMT, and a square coil shape was applied to secure a cooking area that reached 90.63% of the top area of the cooktop. In addition, the AICZ system control simultaneously controlled multiple inverter modules by using the CAN communication method capable of multiple communication. The implemented control algorithm includes input power control through frequency control and real-time pot identification algorithm, and simultaneous pot heating and pot movement during heating. The final designed PCS achieved an IH efficiency of 94.26% per inverter module and verified the performance of the inverter-working coil integrated AICZ system with GaN HEMT through heating experiments of various pots and sizes.

#프리존 인덕션 #GaN induction #Anyplace induction cooking zone #Freezone #Flexible induction

제 1 장 서 론 1
1.1. 연구 배경 및 필요성 1
1.2. 기존 연구 동향 11
1.3. 연구 목적 17
1.4. 논문의 구성 19
제 2 장 유도 가열 원리 및 공진형 인버터 구조에 대한 분석 21
2.1. 유도 가열 원리 21
2.2. 공진형 인버터 구조 분석 25
2.3. 공진 네트워크 특성 분석 29
2.3.1. 직렬 공진 네트워크 (LC) 30
2.3.2. 병렬 공진 네트워크 (LCL) 32
2.3.3. 직·병렬 공진 네트워크 (LCCL) 36
제 3 장 워킹코일 및 공진 네트워크 설계 40
3.1. AICZ 쿡탑 시스템의 가열 조건 및 사양 선정 41
3.2. 워킹코일 설계 43
3.2.1. 워킹코일 형상·크기·개수 설계 43
3.2.2. 워킹코일 권선 및 턴 수 설계 49
3.3. 공진 네트워크 설계 63
3.3.1. 용기 크기 및 위치에 따른 등가 파라미터 분석 63
3.3.2. 공진 커패시터 및 동작 주파수 선정 66
3.3.3. 시뮬레이션 검증 76
제 4 장 GaN HEMT 를 적용한 고주파 인버터 설계 79
4.1. 시스템 사양 79
4.2. 모듈형 인버터 하드웨어 설계 82
4.2.1. GaN HEMT 소자 및 게이트 드라이버 선정 82
4.2.2. 스위치 방열 및 PCB 레이아웃 설계 92
4.3. GaN HEMT 인버터 데드타임 선정 99
제 5 장 AICZ 시스템 제어 알고리즘 설계 102
5.1. 인버터 모듈 및 실험 환경 구성 102
5.2. 용기 가열 제어 알고리즘 설계 107
5.2.1. 초기 용기 판별 제어 알고리즘 107
5.2.2. Curve-fitting 을 적용한 이동 가열 제어 알고리즘 116
5.2.3. 워킹코일 그룹 가열 제어 119
제 6 장 AICZ 시스템 인버터 모듈 성능 평가 124
6.1. 하드웨어 구성 및 실험환경 124
6.2. 실험 결과 및 분석 127
6.2.1. 무부하 및 이물질 감지 실험 127
6.2.2. 용기 동시 및 이동 가열 실험 134
6.2.3. 워킹코일 그룹 가열 실험 144
6.3. 유도 가열 효율 측정 152
제 7 장 결 론 154
참 고 문 헌 157

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