[첨단 헬로티]

인덕션 쿠킹은 거의 100년 전 등장한 오랜 기술이지만 그 인기는 날로 높아지고 있다. 인덕션 쿡탑은 가정용과 상업용 모두에서 큰 인기를 얻고 있다. 이 기술은 조리 분야의 혁신적인 최첨단 기술 중 하나로 여겨진다. 아시아 신흥 국가의 수많은 지역에서는 비교적 새로운 기술이기도 하다. 따라서 인덕션 쿡탑 시장은 빠르게 성장할 것으로 예상된다. 아시아태평양 및 동유럽 지역에서 급속도로 진행되고 있는 도시화와 함께 인덕션 쿡탑에 대한 인식도 확대됐기 때문이다.

인덕션 쿠킹은 자기 코일을 사용해 쿡웨어(조리 용기)를 가열하는 전기적 조리 방식이다. 인덕션 쿠킹의 매력은 쿡웨어 안에서 열이 발생하고 있는 동안에도 인덕션 쿠커 표면 자체는 시원하게 유지된다는 점이다. 인덕션 쿡탑을 사용한 조리는 다른 기존 방식에 비해 빠르면서도 에너지 효율적이다. 특히, 불꽃이 발생하지 않으므로 더 안전하다.

작동 원리

인덕션 쿠킹은 전자기 유도와 이후의 와전류(Eddy Current) 생성을 통해 강자성 주방 기구·냄비·쿡웨어에 직접적으로 열을 발생시킨다. 전자기 유도의 원리는 오래 전인 1831년에 마이클 패러데이(Michael Faraday)가 발견했다. 전자기 유도란 옆에 위치한 다른 회로에서 전류가 변동해 폐쇄 회로에서 전기 전류가 발생하는 현상을 말한다. 이를 위해서는 인덕션 쿡탑 위에 강자성 쿡웨어를 위치시켜야 한다. 

세라믹 또는 유리 표면 아래에는 [그림 1]에서처럼 공진 코일이 깔려 있다. 인덕션 쿡탑과 쿡웨어의 경우, 단락된 이차(부하)로서 쿡웨어가 동작하는 트랜스포머로 생각하면 된다. 공진 코일을 통해 교류 전류가 흐르게 되며, 이는 발진 자기장을 생성한다. 이 자기장이 쿡웨어 내부에 전기 전류를 유도한다.

그림 1. 인덕션 쿡탑의 작동 원리 – 전자기 유도

인덕션 쿡탑은 특정 성질을 갖는 특정 소재로 만들어진 쿡웨어로만 작동한다. 쿡웨어가 자기장으로 가열되기 위해서는 스테인리스 스틸이나 철 같은 강자성 소재로 제작돼야만 한다.

인덕션 쿠킹의 본질적 이점

“쿡웨어가 없으면 에너지 소모도 없다” - 인덕션 쿡탑은 그 위에 쿡웨어가 놓여 있어야만 전력을 소모하게 된다. 가스버너나 전기스토브와 달리, 인덕션 쿡탑은 자체적으로 열을 발생시키지 못한다. 쿡웨어를 올려놓지 않고 인덕션 쿠커를 작동하거나 인덕션 쿡탑이 작동하는 도중에 쿡웨어를 치우면, 공진 코일이 부하가 없는 것(개방 회로)으로 간주하고 에너지를 전송하지 않는다. 쿡웨어가 놓여있지 않은 경우에는 인덕션 쿡탑이 슬립 모드가 되어 1W 미만의 최소 대기 전력만을 소모한다.

인덕션 쿠킹이 공진 전력 변환 토폴로지를 사용하는 이유

통상적으로 반도체 디바이스는 다양한 전력 컨버터에서 스위칭 소자로 사용된다. 인덕션 쿠킹 시스템은 IGBT(Insulated Gated Bipolar Transistor)를 사용한다. 전력 변환을 위해서는 스위칭 손실을 최소화하기 위해 ‘하드 스위칭’보다는 ‘소프트 스위칭’ 기법을 선호한다. 소프트 스위칭은 스위칭 순간에 공진 스위치에서 전압이나 전류가 제로가 되도록 조정하는 것이다. 소프트 스위칭은 제로 전압 스위칭(ZVS)과 제로 전류 스위칭(ZCS) 등 두 가지 기법으로 다시 구분할 수 있다.  

▲ 그림 2. 하드 스위칭 vs 소프트 스위칭

ZVS와 ZCS 스위칭 기법은 각각 장단점이 있으며 애플리케이션에 따라 적합한 방식을 쓰면 된다. L-C 공진 회로에 의해 발생하는 공진을 사용해 스위칭 회로로 인가되는 전압 또는 전류를 0 으로 만들 수 있다.

이런 종류의 컨버터는 ‘공진 컨버터’ 토폴로지로 알려져 있다. 인덕션 쿡탑에는 다음과 같이 두 가지 주요 공진 전력 변환 토폴로지가 사용된다.

• 의사 공진 컨버터(Quasi Resonant Converter)

•‌ 하프 브리지 공진 컨버터(Half-Bridge Resonant Converter)

제어 알고리즘

인덕션 쿡탑은 LC 공진 컨버터 원리에 따라 동작한다. 공진 주파수는 공진 탱크 회로뿐만 아니라 쿡웨어·용기의 크기와 소재에 따라 결정된다. 이로 인해 시스템의 진동 공진 주파수가 발생한다. 쿡웨어·용기로 전송되는 시스템의 전력 공급을 제어하기 위해서는 IGBT를 통해 흐르는 입력 메인 전압과 전류를 마이크로컨트롤러로 모니터링하며, 시스템 스위칭 주파수를 조절해야 한다.

의사 공진 토폴로지 기반 인덕션 쿠커

‘1.8KW’형 의사 공진 인덕션 쿡탑 시스템은 ST마이크로일렉트로닉스(STMicroelectronics, 이하 ST)의 STGWT20IH125DF(1250V, 20A IH 시리즈 트렌치 게이트 필드-스톱 IGBT)와 STM8S003F3(밸류 라인 8비트 마이크로컨트롤러)을 사용해 개발됐다. 이는 완성 단계로 즉각적인 제품화가 가능하다. 이 시스템은 전압 트랜션트와 비호환 쿡웨어/용기를 처리할 수 있는 포괄적인 안전성 메커니즘을 통합하고 있다. [그림 3]은 개발된 시스템의 블록 다이어그램을, [그림 4]는 실제 시스템을 보여준다.

▲ 표 1. 의사 공진과 하프 브리지 공진 컨버터 비교

▲ 그림 3. 블록 다이어그램 – 의사 공진 인덕션 쿡탑

▲ 그림 4. 의사 공진 인덕션 쿡탑 – 1800W, 즉시 제품화 가능

하프 브리지 토폴로지 기반 인덕션 쿠커

‘3.5KW’형 하프 브리지 인덕션 쿡탑 시스템 평가 보드는 ST의 STGW40H65DFB(HB 시리즈 650V, 40A 고속, 트렌치 게이트 필드-스톱 IGBT, L6491 고전압 하이사이드 및 로우사이드 4A 게이트 드라이버)와 STM32F072(32비트 MCU)를 사용해 개발됐다. 이 시스템도 전압 트랜션트와 비호환 쿡웨어·용기를 처리하기 위한 포괄적인 안전성 메커니즘을 통합하고 있다. [그림 5]는 개발된 시스템의 블록 다이어그램을, [그림 6]은 실제 시스템을 보여준다.

▲ 표 2. 의사 공진 및 하프 브리지 공진 인덕션 시스템의 특성 비교

▲ 그림 5. 블록 다이어그램 – 하프 브리지 공진 인덕션 쿡탑

▲ 그림 6. 하프 브리지 인덕션 쿡탑 – 3500W, 평가 보드

맺음말

인덕션 쿠킹은 가정의 주방과 호텔 레스토랑 등에서 지속 가능성을 추구하는 사람들에게 유망한 기술이며, 전기에 비해 또는 가스관을 설치하는 비용과 그 탄소발자국에 비해 분명 더 나은 선택이다.  

‌아크샤트 자인(Akshat JAIN), 라나제이 말리크(Ranajay MALLIK)

ST마이크로일렉트로닉스 인도, AMG 중앙연구소(AMG CENTRAL LAB)