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  유도가열이란

(참고문헌 : Induction Heating Handbook, 저자: John Davies(University of Aston in Birminham),  Peter Simpson(Ministry of Defence)

1. 유도가열의 기초

1). 유도가열이란

유도가열이란 금속체를 전자기장 유도 현상을 이용하여 가열하는 것이다.

보통 우리가 어떤 물질(피가열물)을 가열할 때는 화기가 있어야 하며 그 열기를 전달할 매질이 있어야 한다. 혹은 열복사에 의해 가능하다. 그러나 이러한 가열 방법은 화기 발생원에서 피가열물까지의 열 전달 과정에서 매질을 통해야 하므로 에너지 전달 효율이 낮고  오랜 가열 시간이 필요하다.

유도 가열을 이용하면 전자기장을 금속체(피가열물)에 높은 효율로 인가시킬 수 있으므로 전기 에너지를 열 에너지로 효율 좋게 변환시킬 수 있다. 또한 매질을 통하지 않으므로 많은 양의 에너지를 짧은 시간에 피가열물에 투여 가능하므로 빠른 가열 시간에 큰 용량의 피가열물을 가열시킬 수 있다.

유도가열을 다른 표현으로 인덕션히타라고 하는데 이 말은 즉시 가열 혹은 빨른 가열을 뜻한다.

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2). 유도가열의 응용

응용 분야는 대략 4가지 분류한다.

첫째로 관통형 토일로 연속 가열과 비교적 낮은 주파수를 이용한 단조(forging), forming, anneling이 있다.

둘째로 중간 주파수와 높은 주파수를 이용한 표면열처리(surface hardening)가 있다.

셋째로 중간 주파수와 높은 주파수를 이용한 soldering, brazing, tube welding 등이 있다.

넷째로 낮은 주파수와 중간 주파수를 이용한 용해로가 있다.

3). 유도가열의 기본

유도가열의 기본은 3가지 기초에 기인한다; 전자기유도 현상, 표피효과, 전열효과가 주된 것이다. 유도가열 효과를 트랜스의 등가회로를 사용하면 1차의 전류가 2차에 전달되는 전달 효율은 다음과 같다.

( : 코일의 저항, : 소재의 저항, :소재의 투자율 )

          

이것은 트랜스의 투자율이 대단히 크면 효율은 100%이고 투자율이 없으면 최대 50%()가 됨을 알 수 있다. 또한 소재의 저항이 크면 효율이 올라감도 알 수 있다.

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4). 등가회로를 이용한 코일 (Equivalent circuit coil-..)

가열코일과 트랜스는 유사한 관계를 가지고 있으며, 코일을 저항과 리액턴스의 등가회로로 변환시켜 생각한다. 코일은 단일 직선상에 감겨져있으며 냉각수는 코일의 손실을 제거한다.

그림 2.22(a)에 보여주듯이 이것은 자속의 3가지 성분으로 이루어진다.

          (1) = 소재에 유기된 자속

          (2) = 공극으로 누설된 자속

          (3) = 코일 표면으로 흐르는 자속

(1) ; 소재에 유기된 자속

소재내의 전력 소요와 자속은 에 의한 H의 함수 로 표현된다.

          

그리고

           

여기서 = 소재전력(W), = 표면자기력(A/m) 최대치, = 소재에 쇄교되는 자속(Wb), = 소재 길이 및 단면적 (m, ㎡), 는 베셀함수로부터 구해지는 상수 값이다. 이러한 것으로부터, 소재에 투여되는 전력과 자속이 구해진다.

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(2) : 공극으로 누설된 자속

유도가열코일은 절연물 및 물리적 여유 폭 때문에 공극이 일반적으로 크다. 그래서 누설자속이 많고 이것은 리액티브 값으로 나타나며 코일의 전력 역율을 낮추는 요인이 된다.

           

(3) : 코일 표면으로 흐르는 자속

표피 효과는 소재뿐만 아니라 코일에서도 영향을 미친다. 따라서 코일 전류는 코일 내경의 표면을 따라 흐르려 한다. 그리고 코일은 비자성체이므로 자속은 전류의 45°의 위상차가 발생한다. 쉽게 다시 정리하면

             

          

             

단면적은, 코일 내경에만 전류가 흐르므로 를 곱하면     시작

           

여기서 은 상수이며, 권수 등에 의한 여유 값이다. 은 1에서 1.5사이 이다. 따라서 전체 자속은 아래와 같으며

           

여기에 위상을 추가하면; 그림 2.22(b) 참조

           

만약 코일이 단일코일이고 외부 자속이 쇄교하지 않는다면 자속의 경로가 쉽게 표현될 것이다. 코일이 충분히 길고 외부 자속 회로를 가지며 코일의 전 mmf, 에 의해서 형성되므로

           

그리고 코일의 실효전압(rms)는

           

위의 두 식을 대입하면

           

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5). 유도가열코일이란

유도가열 코일은 단층 코일로 주로 사용되며 때에 따라서는 낮은 주파수에서 다층 코일도 있다. 단층 코일을 쓰는 이유는 비교적 높은 주파수(상용 주파수에 비해) 때문에 자속이 피가열물로 부터 멀어져서 가열 효율이 떨어지기 때문이다.

코일의 효율은 코일에 투여된 전력이 실제 소재를 가열시킨 효율을 말한다.

손실은 가열코일의 동손과 소재의 방사손으로 나눠진다.

가열코일의 동손은 코일의 역율에 의해서 좌우된다. 코일의 역율이 올라가면 코일의 전류가 많아지고 동손이 상승한다.

방사손은 낮은 온도에서는 무시될 정도이며 높은 온도에서는 코일과 피 가열물과의 공극에 기인한다. 이 공극이 커지면 코일의 역율은 증대되고 대신 방사손은 줄어든다. 따라서 최대의 효율을 가지려면 적당한 공극이 요구된다.

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6). 방사손 및 대류손

방사손실은 다음과 같이 주어진다.

          

여기서 은 표면방사계수, 는 표면에서의 절대온도, 는 주위 절대온도, 은 표면에서의 단위 면적당 방사손실. 그림 2.17에 여러 물체의 방사손실을 나타냈다. 이것은 주위온도 20℃에서의 방사손실을 나타냈다. 표면산화에 의한 의 상승이 방사손실을 증가시킨다는 것에 주위 해야 한다. 예를 들어 구리는 표면산화 정도에 따라 가 0.03에서 0.7까지 변한다. 이러한 고려할 점으로 유도가열에 의한 방사손실을 정확히 구하기 어렵다. 강이나 또 다른 금속에서 1300℃ 가열하는 터널형 가열장치는 코일 내부에 절연물이 잘 처리되어 있으므로 경험적으로 통상 40kw/㎡이며 이 값은 코일 전체에 대하여는 무시하지 못하는 값이다. 소재가 공기 중에 노출되었을 때는 다음과 같은 대류손실이 된다. (표면 열처리에 적용된다.)

              (kw/㎡)

내화물을 통해서 잃은 손실은 통상 위의 대류 손실의 50% 정도가 된다.

          

           : 온도 편차 값 (℃)

           : 내화물 열저항 (kcal/hr.℃)

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7). 가열코일의 저항

가열코일의 저항 값은 온도에 따라 조금의 차이는 있지만 통상 통전용으로 사용할 때 최대 온도를 80℃로 한다. 80℃에서의 비저항 값()은 0.0217(uΩ-m)이다.

따라서 80℃에서의 비저항 값은

             (Ω)

           : 코일의 길이 (m)

          : 코일의 단면적 (㎟)

참고로 알루미늄의 비저항 값은 0.027(uΩ-m)이다.

8). 피가열물의 저항

온도에 의한 금속의 저항값은 대부분 선형적으로 변한다.

                         

여기서 는 금속체가 가지고 있는 온도에서의 저항값이며 에서의 저항값이다. 는 금속에 대한 상수이다.

강(steel)과 다른 자성체금속은 온도에 의한 의 값이 비선형이다. 그림 2.16에 합금강과 탄소강에 대한 자세한 저항계수를 나타냈다.

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9). 고주파 전류의 표피효과

금속에서의 고주파 전류는 전 단면적을 골고루 흐르는 게 아니고 가장 가까운 거리로 흐르려는 경향이 있다. 서로 전류의 흐름이 반대로 마주보는 전선이 있으면 가까운 거리로 흐르려는 경향에 의해 마주보는 부분에서만 전류가 흐른다. 홀로 있는 전선에서는 마찬가지로 동선의 최 외곽으로 전류가 집중된다. 이 효과를 표피효과라 하며 다음식과 같다.

            (m)

는 표피에서의 전류침투 유효 거리(m), 는 진공중의 투자율 (), 는  비 투자율, 는 각속도 ()이다.

10). 비열

비열은 물체에 온도 변화에 드는 에너지이며, 단위는 혹은 단위이다. 열량으로 환산하면 가 된다. 대부분의 금속은 온도에 따른 비열이 선형으로 변한다. 그러나 투자율 금속은 비선형으로 바뀐다. 특히 탄소강의 경우 투자율이 1이 되는 지점(큐리점)에서 비열이 급속히 상승됨을 유념해야 한다. 아래 그림 2-14에 각종 금속에 대한 비열을 온도변화에 대하여 그려져 있다.

                          

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11). 주파수 선정

앞에서 전류 표피효과를 이용하면 다음과 같이 바뀐다.

              (Ω)

 : 길이 (m),  : 비저항 값 (uΩ-m),   : 직경 (m),  : 전류 침투깊이 (m)

위의 식에서 전류 침투깊이가 적을수록 저항값이 올라간다. 따라서 피가열물은 저항 값이 올라가야 효율이 증대된다.

또한 간단히 주파수에 따른 소재 직경을 아래 그림에 나타나 있다.

그림 4. 탄소강의 주파수 대비 소재 직경

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-물론 위의 그래프는 탄소강의 투자율이 1일 때이며 투자율이 크면 더 낮은 주파수로 가능하다.

12). 근접효과(Proximity heating)

그림 12.15(a)로부터,

           

() 지점에서의 최대 전력밀도는,

           

여기서

           

이 식은 여러 가지 요소의 효과를 설명한다.

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(1). 최대 전력 밀도는 코일과 소재의 높이 에 비례하여 감소한다. 즉 높은 전력 소요를 가지려면 코일과 소재의 높이를 줄여야 한다.

(2). 전력밀도는 최대 손실 지점에서 멀어짐으로 급격히 감소한다.

(3). 축을 고려해서 12.84을 적분하여 풀면,

           

이러한 관계를 표 12.1에 나타냈다.

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표 12.1 근접효과의 파라미터

0

0.25

0.5

0.75

1

2

3

4

5

1

0.89

0.64

0.41

0.25

0.04

0.01

-

-

0

0.16

0.31

0.41

0.5

0.70

0.80

0.84

0.87

실제적인 가열기에서 일반적으로 코일은 동 파이프를 사용하고, 그것 역시 표피효과를 가진다. Brown et al. 씨는 코일과 소재의 결합 관계를 아래 식으로 보여준다.

           

코일 근접효과는

           

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여기서 는 전류를 흘리는 튜브의 반지름. 에 의해(가깝게 결합) 효율이 올라간다는 것을 알 수 있다. 만약 가열 소재가 구리이고 냉각되어 있으며 로 근접시켰다면 효율은 최대 50%가 될 것이다. 그러나 구리는 곧 가열 될 것이고 그러면 저항 값이 증가하여 효율은 올라간다. (구리를 1000℃ 가열한다면 이며 따라서 최대 효율은 70%로 올라간다. 강자성체 소재의 가열은 높은 투자율과 높은 저항 계수를 가지므로 높은 결합도를 가지며 효율이 높다. 즉, 만약 이고 이면, 효율은 99%이다.

위의 높이 는 실제적으로 가열 코일의 표피효과를 더해야 한다. 따라서 변형된 높이 는 다음과 같다.

           

13). Scanning heating (표면 연속 열처리)

위의 근접효과로부터 열처리의 관계식을 유추한다. 거리 떨어진 곳의 소재의 가열 모양을 유추한다. 시간에서 표면의 온도는 시간이 경과 후 투여되는 입력 전력에 의해 정해진다.

           

: 길이 방향으로의 전 입력 전력(W/m),   : 이송 속도(m/sec),   : 표피효과를 고려한 피가열물오부터 코일까지의 높이

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비열은 고정이라 하고 (평균 값), 여기서 의 값을 표 2에 표기되어 있다.

이 표는 소재가 코일의 중앙에서부터 되는 지점으로 이동되었을 때 최대의 온도를 나타냄을 알 수 있다. 이 시간 지연은 Quenching의 위치로 적당함을 알 수 있다.

표 2

-2

-1

0

0.5

1

2

3

4

5

0.03

0.08

0.87

1.0

0.84

0.6

0.48

0.4

0.36

 

14). 빌레트의 가열 기간 동안의 온도분포

소재가 가열 코일 내부를 진행하는 동안 소재는 표면으로부터 온도가 상승하며 소재의 열전도율에 의해 소재 내부로 열이 침투할 것이다. 대부분의 금속은 열전도율이 온도에 비례하지만 탄소강의 경우는 큐리점에 의해서 다르게 나타난다. 탄소강을 고려하면,

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(1). 큐리점 이하에서는 투자율이 커서 표피효과가 크게 나타난다.

(2). 큐리점까지 는 가 가파르게 상승한다.

(3). 큐리점에서는 투자율이 1로 바뀐다.

(4). 소재의 표면에서는 투자율이 1로 바뀌나 소재 내부는 그대로 투자율이 있어서 자기파형(magnetic wave)이라는 것이 표면에서부터 내부로 작용한다.

(5). 큐리점에서는 잠열 에너지가 필요하다.

(6). 큐리점까지는 고유 저항 값이 가파르게 상승한다.

빌레트 가열 기간 동안의 온도 분포

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2. 유도가열의 실체

유도가열이란 가열할 금속 자체가 발열되는 것이다. 이것은 화석연료를 대신하고 대형화가 가능하며 가열 준비 시간을 단축하고 가열 시간을 줄여준다. 다시 부연하면 장비 설비가 작고, 사용이 편리며, 전력이 소재에 집적 투여되고, 가열시간은 짧다, 생산 공정을 잘 맞출 수 있어 자동화가 가능하다. 비릇 단위 에너지 당 전기 비용이 비싸지만 대신 높은 효율을 가지고 있다.

비철금속은 전열계수가 높아서 별 문제 없지만 철이나 다른 낮은 전열계수의 금속은 표면의 과열이나 용해에 주의할 필요가 있다. 유도 가열에서는 전열 문제가 중요한 요소이다.

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1). 화석 연료를 사용한 가열로와 터널형 유도가열로의 비교

(1). 소재 가열시간 면에서 유도가열 시스템이 방열로보다 시간이 짧다. 그 결과 시간을 줄이므로 스케일의 양이 적다.       방열로의 경우 3-4%의 스케일이 일어나지만 유도로의 경우 0.5% 정도로 아주 적다. 스케일은 작은 조각이 되어 금       형을 빨리 손상 시키는 원인이 된다. (한 회사의 산출에 의하면 금형 수명이 약 30% 증가한다고 한다.)

(2). 열 매질이 필요 없으며 빠른 가열 시간으로 소재가 깨끗하고, 산화가 적으며 탈탄이 없다. 전례적으로 고탄소강, 합       금강, 고속도강, 공구강은 표면에서 5% 이상 탈탄이 발생하며 이것은 재가공 공정을 거쳐 탄소를 주입시켜야 한다.

(3). 유도가열시간이 빨라서 식사시간, 금형교환, 일시생산 중지에 의한 가열정지를 하여 에너지를 절약한다.

(4). 유도가열 설비는 방열노보다 설치공간이 적다.

(5). 주위에 화염과 방사손실이 없기 때문에 여유 공간이 생긴다.

(6). 유독가스가 발생하지 않으며 화염으로 인한 화상의 우려가 없다.

(7). 빠른 가열시간으로 국부가열이 용이하다.

(8). 소재온도의 설정이 용이하다.

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2). 가열효율

보통 방열로(방사로)의 효율은 3~15(%) 정도이지만 유도로의 경우 실제적인 효율이 50~80% 정도 이며, 통상 단조 가열기는 2.25kg/kwh에서 3.6kg/㎾h 정도의 생산량이 되며 아닐링에서는 3,7kg/㎾h에서 8.7kg/kwh의 생산량이 나온다..

위에서 설명한 여러 가지 요인에 의해서 가열 효율이 변한다. 그림 2.15는 주파수에 대한 소재 직경의 가열효율을 표시하고 있다.

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3). 유도가열 장치의 구성

유도가열 장치의 구성에는 전기를 공급 받는 수전반이 있고, 입력 받은 전원을 교번 주파수로 변환 시키는 전기 제어장치인 전원반이 있다. 또한 피가열물을 가열 시키기 위한 가열반이 있으며, 전원반 및 가열반을 냉각 시키기 위한 냉각 장치가 필요로 한다.

3. 발진 방식

전원반은 가열반의 가열 코일에 교번 전자기장을 적정한 주파수로 인가하기 위하여 전력제어장치, 발진장치(인버터), 냉각장치로 구성되어 있다.

전력 제어장치는 입력 상요 전원을 위상제어하여 전력을 제어하거나 발진장치(인버터)의 위상각 제어를 이용하여 제어하기도 한다.

발진장치(인버터)는 발진 주파수에 따라서 적정한 스위칭 소자를 사용한다. 스위칭 소자로는 보통 낮은 주파수에서는 SCR을 사용하고, 높은 주파수는 진공관을 사용한다. 최근에는 IGBT를 이용한 소자로 낮은 주파수에서 높은 주파수까지 를 많이 쓰이고 있다.

냉각장치로는 증류수로 냉각시키는 순수 장치가 있다. 전기가 통전되는 전기 회로를 냉각시키기 때문에 증류수를 사용해야 하며 그렇지 않으면 전식에 의해 통전 부위가 누수되어 곤란하다.

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1). 진공관 발진 방식

초기의 가열 장치는 MG-set (발전기)를 이용하여 적정한 주파수로 가열 코일에 인가하고 역율 커페시터를 병렬로 연결하여 사용하였다. 이 방식은 크기 면에서 많은 부피를 차지하고 전력 제어가 곤란했다.

큰 용량의 진공관이 개발 되면서 진광관을 이용한 발진장치가 가능해졌다. 보통 산업용으로 쓰이는 출력용량은 5kW에서 500kW까지 있다.

진공관 발진 방식은 자려 동조 방식, 콜피츠 방식, 하트리 방식 등이 있다. 이 방식들 대부분은 C급 발진 방식이며 발진 효율은 75(%) 정도이다. 진광관 방식의 발진 효율이 낮은 이유는 C급 발진 방식을 쓰기 때문인데, C급 방식이 회로가 간단하고 제어가 쉽기 때문이다. 간혹 B급 방식을 채용하여 효율을 극대화 항 장비도 있다.

진공관 방식이 효율이 낮음에도 아직 애용 되는 것은 높은 주파수의 발진이 가능하며 회로가 간단하여 제작이 용이하기 때문이다. 또한 높은 주파수에 극도의 표피효과를 이용한 조관기(파이프밀), 핀튜브용전기(피닝머신), 헤어핀 열처리, 주사바늘 열처리 등에 이 방식이 용이하다.

진공관 방식의 전력 제어는 컨버터라고 하는 SCR위상제어부를 사용한다. 상용 전원을 가변 직류 전원으로 변환하여 발진회로의 전원으로 보내지며 발진회로는 이 직류 전원을 다시 교류 전원으로 변환시킨다.

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2). SCR 발진방식

SCR의 발진방식(인버터)은 여러 방식이 선보이고 있으며, 각 회로마다의 장단점이 있다.

발진기에 사용하는 SCR은 고속 단방향 스위칭 소자이며 산업용으로 100(A)에서 2000(A) 정도가 있다. 고속 스위칭을 하기 위해서는 SCR의 선택 조건도 까다롭다. 전압 상승률(dv/dt) 전류 상승률(di/dt)이 높아야 하며, 역회복시간(trr), 역회복전류(Irr), 역회복용량(Qrr), turn off time(tq)가 낮아야 한다.

SCR의 구성에서 SCR이 1가지(nod)만 있는 C급 발진, 2가지(nod)가 있는 Half Bridge Inverter, 4가지(nod)가 있는 Full Bridge Inverter이 있다.

발진부(inverter)의 전원으로는 DC Reactor을 이용한 전류원이 있고, DC Link Capacitor를 이용한 전압원이 있다.

출력부(Matching)는 코일에 높은 전압과 많은 전류를 흘려야하기 때문에 정합부가 필요하다. 정합 방식에서는 병렬 공진 방식과 직렬 공진 방식이 있으며 병렬 방식은 부하율이 낮은 경우 사용되며 직렬 방식은 부하율이 큰 경우 사용된다. 또한 필요한 경우 정합 트랜스도 사용된다. 정합 트랜스를 사용하면 정합에 용이하며 입력 전원과 출력 코일과의 절연에 의해 출력 코일의 누전을 막는데 효과적이다. 그러나 정합 트랜스는 비용부담이 있다.

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위의 SCR 구성과 전원부 및 출력 정합 방식에 따라 여러 조합의 발진 방식이 가능하다. 보통 부하 조건에 따라 발진기 방법이 결정되며 어느 방식이 더 좋다고 할 수는 없다. 몇 가지만 예를 든다면

Full Bridge 전류원 병렬공진 방식은 SCR이 단방향 스위칭 소자이므로 제어가 가능하며 다른 방식에 비해서 좀더 적은 비용에 변환효율이 높은 장점과 제어회로가 복잡한 단점이 있다.

Full Bridge 전압원 병렬 공진 방식은 전류원 방식의 단점을 보완하여 제어회로가 쉽게 만들어진다. 그러나 SCR의 전압 및 전류 부담이 크고 DC Link Capacitor를 삽입해야한다. 변환효율은 조금 떨어진다.

Full Bridge 전압원 직렬 공진 방식은 부하율이 대단히 큰 경우 아주 유용하지만 그렇지 않은 경우에는 출력 정합 트랜스가 필요하다. 제어회로가 간단하고 출력 제어를 인버터에서 직접하므로 입력 역율이 좋다. 단점으로는 위의 방식들에 비해서 변환효율이 다소 떨어지고, DC Link Capacitor , Anti Diode 및 정합 트랜스가 필요하므로 비용 증가가 있다.

기타 제어 방식에 SCR 1가지(nod) C급 전류원 병렬 공진 방식이 있다. 이 방식은 제어회로가 간단하고 비용면에서도 아주 유리하며 효율도 좋으나 출력 교류 전원에 직류 전원이 중첩되어 전압 및 전류 파형이 일그러진다. 직류 전원이 중첩되어 피가열물이 코일 내에 흡입되는 힘이 다른 방식에 비해 강하다. 따라서 적은 용량의 설비에는 아주 유용하다. 그 외에 Sweep 방식이 있으며 Push Pull 방식 등이 있다.

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3. IGBT 발진 방식

IGBT는 FET의 적은 전류 용량을 대신할 소자로 각광 받고 있다. FET에 비하여 스위칭 속도는 부족하지만 비교적 높은 주파수(SCR 방식에 비하여)에 큰 용량(FET에 비하여)의 스위칭 소자이다. 적은 전류 용량은 병렬로 묶어서 사용된다. 근래에는 좀 더 큰 전류 용량(600A급)의 IGBT를 쉽게 구입할 수 있다. 물론 600A보다 더 큰 용량의 IGBT도 있지만 쉽게 구입하기는 힘들다.

IGBT는 SCR과는 다르게 역방향 다이오드(anti diode)가 필요하며 따라서 전원이 전압원으로 구성되어야 한다. IGBT의 구성은 Full Bridge, Half Bridge, C-class 방식이 있다. 출력 정합부에는 병렬 공진 방식과 직렬 공진 방식이 있다. 모두 다 인버터 정합에 있어서 진상 혹은 지상의 한 쪽만 선택하여 제어한다. 인버터 위상각을 이용하여 출력 제어를 할 수 있다. ZVS(zero voltage switching)나 ZCS(zero current switching)을 할 수 있기 때문에 스위칭 손실을 줄일 수 있다.

Full Bridge 직렬 공진 방식은 가장 기본 적인 방법이며 효율은 좀 떨어지지만 제어 회로 구성이 간단하다. 부하율이 큰 경우 사용한다. 부하율이 적을 경우에는 정합 트랜스가 필요하다.

Full Bridge 병렬 공진 방식은 회로가 대단히 복잡하지만 효율은 좋은 편이다. 부하율이 낮을 때 사용하면 IGBT의 전류 부담율이 줄어서 좋다.

C-class 병렬 공진 방식은 스위칭 소자자 1가지(nod)이므로 회로가 아주 간단하다. 그러나 제어 회로는 좀 복잡하고 큰 용량의 설비는 곤란하다. 회로가 간단하고 제작 비용이 저렴해서 가정용 인덕션 쿠커에 사용되고 있다.                                                        시작