QR 인덕션 쿠커의 신뢰성 문제 해결

인덕션 쿠커의 인기가 날로 높아지고 있다. 이 쿠커는 가스를 이용한 조리에 비해 약 2배의 변환 열을 팬에 들어있는 음식으로 전달하면서 훨씬 효율적인 식품 조리법을 제공한다.

인덕션 기반 기기는 이제 전체 가정용 주방 쿡탑 시장의 20% 가까이를 차지하고 있다. 시장 조사 기관인 트랜스패런시 마켓 리서치(Transparency Market Research)의 예측에 따르면 이 시장은 이제 겨우 시작일 뿐이며 2018년까지 전세계 연간 인덕션 쿡탑 사업 규모가 52억달러에 달할 것으로 예상된다.

매우 급속히 성장할 이 시장에서 경쟁하기 위해 제조사들은 기기의 신뢰도를 높게 유지해야 할 필요가 있다. 그렇지 못하면 브랜드 명성이 추락하고 제품 회수 관련 비용도 치명적인 수준으로 늘어날 것이기 때문이다.

<자료제공: 온세미컨덕터(www.onSemiconductor.com)>

[그림1] 에 전형적인 준 공진형(QR) 인덕터 쿠커 회로가 나와 있다. 여기에서 보듯이 쿠커는 공진 컨버터에 전원을 공급하는 작은 노이즈 필터가 달린 풀 브릿지 정류기로 구성된다.

소형 노이즈 필터가 스위칭 주파수 리플을 제거하지만 이는 씨필터(Cfilter)에서 인풋 정류 파형이 나타나기에 충분할 정도로 고주파다.

일반적으로 고정된 시간에 작동하는 IGBT가 스위칭을 관리한다. 이 제어 체계는 소형 입력 필터와 더불어 적절한 역률을 제공한다. 대부분의 기기는 0.98 이상의 역률에서 작동한다.

파워트레인은 인덕터(Ltank)와 콘덴서(Ctank) 및 IGBT로 구성된다. IGBT는 다른 수동 소자 부품과 비교할 때 반도체에 그렇게 하듯이 이 세 가지 부품을 거의 확실히 고장 낼 것이다. 

고장은 대부분 과전압, 과전류, 또는 과출력에 의한 것인데 열 또한 고장의 원인이 된다. 그러나 다이 온도가 적정한 수준으로 유지되면 IGBT에서 작동 이상이 발생할 여지가 최소화된다.

[그림2]에 IGBT의 전압 및 전류 파형이 자세히 나와 있다. 전류 램프는 코일 전반에 걸친 인풋 전압을 기준으로 하지만 램프의 di/dt는 V/L별로 제시된다(여기서 V는 입력 전압의 순간 값이다).

입력 전압이 증가하면 전류의 ramp 율도 증가하게 되는데 쿠커가 고정된 시간에 일정한 출력 레벨로 작동하므로 그에 따라 피크 전류도 상승한다.
전류 피크가 상승하면 저장된 에너지가 증가하므로 IGBT를 끄면 최종 전압 사인 펄스가 상승한다. 쿠커의 상판 위에 올려둔 팬이 저항 부하 작용을 하면서 에너지의 대부분을 펄스로부터 흡수하게 된다.

QR 인덕턴스 쿠킹 시스템의 신뢰성과 관련해 고려해야 할 여러 가지 매개 변수들이 있는데 그 중 몇 가지를 예로 들자면 다음과 같다:

- 정션(Junction) 온도
- 항복 전압
- 다이오드 스트레스

이것들을 각각 살펴보기로 한다.
정션 온도(TJ-IGBT) = 여러 가지 라인 및 부하 조건에서 이것을 측정해야 한다.
IGBT의 케이스 온도를 측정한 후 아래 공식을 활용해 TJ-IGBT를 계산할 수 있다:
TJ-IGBT=(PIGBT×RøIGBT)+(PDIODE×Psi)+TCASE

여기서 ▲PIGBT는 IGBT의 출력 손실 ▲TCASE는 IGBT의 케이스 온도 ▲PDIODE는 집적 다이오드의 출력 손실 ▲RøIGBT는 IGBT의 세타 값 ▲Psi는 다이간의 열 상호작용을 커버하는 정수다.

대부분의 파워 컨버터에서는 전부하 조건에서 손실이 가장 크다. 제로 변압 토폴로지를 갖도록 설계되었다 하지만 QR 시스템의 경우는 실제로 그렇지 않다.
이것이 발생하려면 IGBT를 켤 때 컬렉터 전압을 접지시켜야 한다. [그림1]에 코일의 왼쪽 끝단이 라인과 연결된 것이 보인다.

즉 이것을 아래로 당겼다가 놓으면 이 전압 주위에서 순환순환 구동할 것이라는 의미다.

코일의 에너지가 0에 도달하면 양쪽 끝이 지면이 아닌 전위선에 닿을 것이다. 에너지 레벨이 낮으면 코일이 지면까지 단번에 순환순환 구동하지 않아야 하는데 이는 [그림3]에 설명돼 있다. 전원을 켤 때 컬렉터의 전압으로 인해 턴 온(Turn on) 손실이 크게 증가한다.

가벼운 부하에서 손실 증가를 최소화시키기 위해 대부분의 기기는 적절한 온스테이트(on-state) 스위칭 손실로 저 출력 레벨을 제한한다. 수 초 동안 출력 회로를 켰다가 일정 시간 동안 끄면 그 이하의 부하에 펄스 폭 변조가 적용된다. 이렇게 하면 회로가 제로 전압 스위칭 모드와 근접하게 작동할 수 있고 팬 시간 상수가 수초에서 수분에 달하므로 조리에 영향을 주지 않는다.

항복 전압-인덕션 기반 기기에서 이 현상의 원인은 여러 가지가 있는데 라인 과도 = 현상이나 부하 과도 현상에 의해 초래된다. 라인 과도 현상은 일반적으로 기기와 근접한 전자 기기의 스위치가 빠르게 꺼질 때 발생한다. 따라서 건물의 라인 인덕턴스에 저장된 에너지는 불가피하게 방출 경로를 찾아야 한다. 이때 쿠커의 AC 인력 단자에서 전압 스파이크가 발생한다.

과도 현상의 크기와 폭에 따라 이러한 스파이크가 인풋 필터의 특성과 결합돼 IGBT의 컬렉터 전압을 높일 수 있다. 부하 과도 현상은 부하 임피던스가 급격하게 바뀔 경우 발생한다.

인덕션 기반 쿠커의 경우 대체로 팬을 코일에서 들어올림에 따라 발생한다.
이 현상이 발생하면 LC 회로의 Q 값이 대폭 증가하면서 공진 전압이 불안한 수준까지 상승할 수 있다.

그러나 IGBT를 끄면 상황이 더욱 악화되므로 항상 전압 과도 현상이 전류 과도 현상보다 처리하기 까다롭다.

전압 과도 현상을 방지하기 위한 일반적인 방법은 스위치를 펄스시켜 전압을 내리고 LC 회로에 저장된 에너지 일부를 활용하되 회로에 추가 에너지가 저장될 정도로 오래 끌지 않는 것이다. 이 방법으로 탱크 회로의 에너지를 열로 변환시킴으로써 IGBT 전압을 제한할 수 있다.

이에 따라 IGBT 온도가 상승하게 되는데 설계 엔지니어는 정상 작동을 재개하기 전에 냉각 시간을 갖기 위해 IGBT 작동을 중지해야 할지 여부를 판단해야 한다.
일반적으로 소프트웨어 비교기는 재빨리 전원 스위치를 끌 수 없으므로 이러한 과전압 방지는 아날로그 비교기 기능을 가진 하드웨어에서 실시해야 한다.

다이오드 스트레스 = 위에서 언급한 바와 같이 인덕션 쿠커에 사용되는 IGBT(다른 기기의 IGBT에서 발견되는 co-packaged 다이오드가 아닌)는 모놀리딕 다이오드가 IGBT 구조로 집적돼 있다. 이러한 일체형 다이오드는 공동으로 패키지 된 다이오드만큼 견고하지는 않지만 더 비용 절가에 도움이 되며 정상 작동 중에도 다이오드의 전류 스파이크가 매우 적으므로 커다란 정류기를 필요로 하지 않는다.

[그림5]에 게이트 드라이브(보라색), 컬렉터 전압(노랑색) 및 IGBT 전류(붉은색)가 나와 있다. 전류의 평평한 부위는 제로 포인트다. 그 레벨을 넘어서는 전류는 IGBT에서 전도되는 반면 그 아래 레벨의 전류는 다이오드에서 전도된다.

궤적을 보면 다이오드에서 짧은 시간 적은 전류만이 존재함을 알 수 있다.
그러나 [그림6]에서 보듯이 다이오드 전류가 대폭 증가해 평상시보다 오래 지속되는 경우가 종종 있음을 알아야 한다.

흔하지 않은 특정 팬 합금이나 팬 위치가 코일 중심을 벗어날 경우 이런 현상이 발생할 수 있다. 다이오드의 과도한 전류는 다이오드를 손상시켜 고장을 유발하기도 한다. 그러나 추가 스트레스를 처리할 수 있는 보다 큰 공동 패키지 형태의 다이오드를 갖춘 IGBT를 활용하면 이런 상태를 피할 수 있다.

위에서 살펴본 바와 같이 신뢰성이 높은 기기를 설계 제조할 때에는 QR 인덕션 가열 쿠커에 발생할 수 있는 다양한 고장 모드를 알아두는 것이 중요하다. 과도 전압 및 고온으로부터 기기를 보호하기 위한 적절한 메커니즘이 접목된다면 이러한 고장 모드를 일소할 수 있다.