가정용 조리기기로서 보급되고 있는 빌트인(Built-in) 타입의 IH 쿠킹히터는 20kHz~90kHz의 고주파 유도 가열로 냄비를 직접 가열하기 때문에 가스 및 전열히터와 같은 적열부(赤熱部)가 없어 안전하고 가열 효율이 높으며 주위에 열을 방산하지 않아 쾌적성이 높다는 특장점이 있다. 그 실용화는 파워 반도체 디바이스가 민간에 보급되기 시작한 1974년부터 이어져 디바이스의 진화와 함께 성장해 왔다. 특히, 1980년대 후반에 IGBT가 실용화되고 나서는 그 제어의 용이성으로 인해 다소자화가 진행되는 등 다양한 회로 토폴로지가 연구되고 있다. 또 기기의 고효율화 및 저노이즈화를 실현하기 위한 기술로 알려진 소프트 스위칭 기술의 적용도 일찍부터 진행되어 왔다. 최근에는 기존의 가열조리에서 할 수 없었던 동냄비(구리냄비) 및 알루미늄 냄비를 포함한 모든 금속냄비를 가열할 수 있는 올 메탈 대응 제품이 실용화되고 있다. 본고에서는 일본 히타치 제작소에서 개발한 IH 조리기기의 최신기술에 대해 설명한다. 

정리 편집부

가정에서 사용되는 냄비에는 철, 스테인리스, 알루미늄 등 다양한 재질의 냄비가 있으며, 그 중에서 알루미늄 냄비의 비율이 약 30%를 차지하고 있다. 기존의 IH 쿠킹히터는 철냄비 및 스테인리스 냄비 등의 자성체 또는 고저항률의 냄비에만 대응하고, 비자성체인 알루미늄 냄비는 가열하지 못했다. 여기서는 그 원인과 최근에 개발된 회로방식에 대해 소개한다.

기존의 IH 쿠킹히터는 상용 교류전압을 정류하고 비평활의 DC링크전압을 공진형 인버터에 의해 고주파 교류전력으로 변환하여 금속냄비를 유도가열한다. 직렬 공진회로를 이용한 전류 공진형 인버터는 인버터의 출력전압에 대해 전류를 뒤진 위상에서 동작시킴으로써 간단하게 소프트 스위칭 동작이 가능하다. 전력제어 방법으로는 공진 주파수보다 높은 주파수대에서 동작시키는 펄스 주파수 변조(Pulse Frequency Modulation: PFM) 제어방식이 일반적이며, 고저항률의 냄비를 부하로 한 경우 직렬 공진회로의 주파수 특성이 완만하게 변화하기 때문에 PFM 제어가 널리 적용된다. 그러나 동이나 알루미늄 등의 비자성체로, 저저항률의 냄비를 부하로 한 경우 직렬 공진회로의 주파수 특성이 공진 주파수 부근에서 가파르게 변하기 때문에 PFM 제어에 의한 전력제어가 쉽지 않다. 유도가열에서의 가열전력 P는 아래의 식으로 나타낼 수 있다.

비자성체를 가열하기 위해서는 냄비에 흐르는 과전류의 주파수를 높여 표피저항을 높임과 동시에 가열코일의 권수와 전류를 증대시켜 자계를 크게 할 필요가 있는데 그에 따라 회로 및 코일의 발열이 커져 장치의 대형화 및 냉각의 문제가 생기게 된다.
또한, 알루미늄 등의 가벼운 냄비에 크게 맥동하는 자계가 쇄교하면 윙윙거리는 소리가 발생하는 문제도 있다. 따라서 인버터에 인가하는 DC링크전압의 변동을 억제하여 가열코일 전류의 맥동을 줄일 필요가 있다. 그래서 DC링크전압을 평활화하면서 상용 교류전원의 입력 고조파 전류 규제에 대응한 역률개선회로와 인버터의 전단에 역률개선(Power Factor Correction: PFC) 기능을 구비한 PFC 컨버터가 필요하다. 이와 같이 철· 스테인리스를 비롯해 동, 알루미늄 등 서로 다른 특성의 모든 금속냄비에 대응할 수 있는 올 메탈 대응을 실현하기 위해서는 많은 과제들을 해결해야 한다.이러한 과제를 해결하는 방법으로서 패시브형 PFC 컨버터의 후단에 Boost-Half Bridge(B-HB) 방식 3배 공진 인버터를 접속한 회로방식이 개발되고 있다. 이 방식은 철냄비를 가열하는 경우에는 통상 1배 공진 모드에서 인버터를 동작시키고, 알루미늄 냄비를 가열하는 경우에는 공진 주파수를 인버터의 스위칭 주파수보다 높여 3배 공진 모드에서 동작시킨다. 스위치의 도통 기간 중 1주기 이상의 공진을 얻을 수 있으며, 스위칭 주파수는 낮아도 자력 발생 코일 전류의 주파수를 높일 수 있다. 그 결과, 스위칭 손실 증가가 억제된다. 다른 방식으로는 냄비의 재질에 따라 자력 발생 코일의 권수를 바꾸고 동시에 인버터의 전단에 PFC 기능과 승강압 기능을 갖는 Pulse Amplitude Modulation(PAM) 컨버터를 설치한다. 알루미늄 냄비의 경우에는 PAM 컨버터의 전압을 인버터에 인가하여 높은 주파수로 구동하는 방식이 개발되고 있다. 또, 냄비의 재질 및 설정 화력에 따라 인버터를 풀 브리지 방식 또는 변형 하프 브리지 방식의 Single Ended Push Pull(SEPP) 방식으로 바꾸는 회로방식이 개발되고 있다. PFC 컨버터의 소형화와 고효율화에 대해서도 검토가 진행되고 있는데 기존의 승압 초퍼와 강압 초퍼를 이용한 방식에서 H 브리지 컨버터를 적용하여 초퍼용의 초크코일을 절감한 PFC 기능 탑재 H 브리지 PAM 컨버터가 개발 중이다. 그리고 파워소자의 절감을 한층 도모한 벅-부스트 풀 브리지 인버터(Buck-Boost-Full Bridge Inverter)도 개발 중에 있다. 이 방식은 H 브리지 PAM 컨버터와 풀 브리지 인버터 파워소자의 일부를 겸용한 점이 특징이며, 철냄비를 가열하는 경우 인버터는 승압 기능을 가진 부스트형 풀 브리지 인버터 구성이 된다. 한편, 알루미늄 냄비를 가열하는 경우, 회로에 설치한 릴레이 RY1을 OFF로 하면 H 브리지 PAM 컨버터와 SEPP 인버터로 분리돼 각각 독립된 구성이 된다. 이 방식의 회로규격은 2003년 당시에 개발된 회로규격 대비 약 1/3까지 소형화되었다. 또 철냄비 가열 시의 전력변환효율은 입력전력 0.5kW~3kW의 넓은 범위에서 거의 플랫한 특성을 보여 IH 쿠킹히터 가열방식의 유효성이 입증되었다.([그림 1] 참조)

IH 쿠킹히터는 생선이나 닭고기, 피자 등을 조리하는 오븐을 갖추고 있다. 따라서 인버터의 실장 공간이 제한되어 있다. 당초에는 우측 IH 히터에만 올 메탈 대응 기능을 탑재했으나, 전술한 바와 같이 인버터 기술의 진화와 함께 회로의 소형화가 진행되어 현재에는 좌우 IH 히터에 올 메탈 대응 기능을 탑재하게 되었다. 또한, 최근에는 기존의 라디언트 히터(radiant heater)였던 중앙히터도 IH화됨에 따라 적열 부분이 없어져 보다 안전성이 향상되고 사용이 편리해졌다.([그림 2] 참조)


냄비 온도 센싱 기술
IH 쿠킹히터는 상단 플레이트 아래에 배치한 온도센서를 이용함으로써 플레이트에 전해지는 냄비의 밑바닥 온도를 감지해 화력을 컨트롤하고 있다. 그러나 플레이트를 통해 온도를 감지하기 때문에 감지속도가 느리고, 냄비에 식자재를 넣으면 온도가 저하되어 복귀하는 데 시간이 걸리는 등의 문제가 있었다. 이에 냄비 밑바닥에서 발하는 적외영역의 빛을 감지하는 적외선 센서가 적용되어 기존의 온도센서 대비 감지속도가 대폭적으로 개선되었다. 적외선 센서는 열형(熱型)과 양자형(量子型)의 2가지 종류로 나뉘는데 각 제조사마다 각각의 특성에 맞게 제품에 적용하고 있다. 여기에서 냄비의 밑바닥 온도는 자력 발생 코일의 상방부(上方部)가 높아지는 경향이 있고, 얇은 바닥의 냄비에서는 열전도가 나쁘기 때문에 그 경향이 현저하게 나타난다. 그리하여 불균일한 가열을 억제함과 동시에 냄비 밑바닥의 고온부를 보다 정확하게 검지하기 위해서 자력 발생 코일을 안팎으로 분할하고 그 틈새로부터 적외선을 검지하는 방법이 실용화되고 있다. 이와 같이 냄비 바닥의 온도 변화에 신속하게 반응하여 화력을 순시에 제어함으로써 냄비 바닥의 온도를 안정적으로 유지하고, 예열 및 불조절을 간단하게 조정할 수 있는 「적온조리」 기능을 탑재할 수 있게 되었다. 또 기존의 온도센서를 코일 중심부에 1개, 코일 사이에 3개 배치시켜 적외선 센서와 병용함으로써 냄비 바닥의 휨이나 변형에도 대응해 안전성을 높이고 있다.([그림 3] 참조)