KR0170204B1 - 회로구성이 간단한 승압형 콘버터의 역률 보상 회로 - Google Patents

Abstract

개시된 승압형 콘버터의 역률 보상회로는 피드 포워드의 구성없이 입력되는 교류전압에 따라 입력전류의 레벨이 증감되고 동상을 유지하여 회로의 구성을 간단하게 한다.

본 발명은 승압형 콘버터가 스위칭 트랜지스터의 온 및 오프 상태에 따라 코일에 에너지를 축적 및 코일에 축적된 에너지에 입력 직류전압을 중첩시켜 출력하고, 승압형 콘버터가 출력하는 출력 직류전압의 변동에 따라 출력 감지부가 레벨이 가변되는 비교 기준 전압신호를 발생하며, 스위칭 트랜지스터가 온될 경우에 흐르는 전류에 따른 전압신호를 전류 감지부가 발생하고, 출력 감지부가 발생하는 비교기준 전압신호 및 전류 감지부가 감지한 전압신호를 신호 합성부가 합성하여 비교신호를 발생하며, 신호 합성부의 비교신호와 역톱니파 신호를 비교기가 비교하여 스위칭 트랜지스터의 오프 제어신호를 발생하며, 역톱니파 신호의 상승 에지에 동기하는 클럭신호에 따라 구동부가 스위칭 트랜지스터를 턴 온시키고 비교기의 오프제어신호에 따라 스위칭 트랜지스터를 턴 오프시킴으로써 상용 교류전원의 레벨에 추종하고, 상용 교류전원과 동상의 정현파형의 연속전류를 제어할 수 있어 회로의 구성이 간단하고, 고역률을 달성할 수 있다.

Description

회로 구성이 간단한 승압형 콘버터의 역률 보상회로

본 발명은 승압형 콘버터의 역률 보상회로에 관한 것으로 특히 회로 구성이 간단한 승압형 콘버터의 역률 보상회로에 관한 것이다.

일반적으로 직류전압은 산업용에서 가정용까지 넓은 분야에서 널리 사용되고 있다.

성이 간단한 콘덴서 입력형 정류회로를 많이 사용하고 있다.

그러나 콘덴서 입력형 정류회로는 입력전류가 상용 교류전원의 교류전압의 피크(peak) 부분에서만 흐르므로 펄스형으로 맥동되어 역률이 매우 나쁘다.

또한 각종 전기장치에는 저항, 인덕턴스 및 커패시턴스 성분이 조합되어 나타나므로 전류의 위상이 상용 교류전원과 상이하게 되고, 이로 인하여 출력 직류전압이 왜곡되어 나타나게 된다.

그리고 산업 분야에서는 고속 스위칭 방식을 이용하여 소정의 전기장치를 제어하므로 고속 스위칭에 의한 많은 잡음이 발생하고, 발생한 잡음에 의하여 동일한 전원 공급라인에 접속된 전기장치들이 상호간에 영향을 주게 된다.

산업용 전기장치는 전기장치의 자체로 흐르는 전류가 상용 교류전원에 미치는 영향을 아주 작게 하기 위하여 동상 입력역률을 높게 설계하고 있다.

예를 들면, 인덕턴스 성분의 전기장치들은 상용 교류전원의 입력 라인에 커패시턴스 성분을 부가하여 전원으로부터 인덕턴스 및 커패시턴스 각각의 입력전류가 서로 상쇄되도록 하고 있다.

그러나 이러한 수동 소자만으로 얻을 수 있는 성능에는 한계가 있다.

그러므로 콘버터 시스템의 구동에 있어서는 트랜지스터 등의 능동 소자를 고속으로 스위칭하여 보다 작은 인덕턴스 및 커패시턴스 값으로 잡음을 제거하고, 전압의 왜곡을 억제함으로써 역률을 개선하는 방법이 연구되고 있고, 현재 고역률(HIGH POWER FACTOR)을 만들기 위한 각종 연구와 집적소자가 발표되고 있다.

특히 고역률을 구현하기 위한 방법으로 연속전류 모드(CONTINUOUS CURRENT MODE : 이하, 'CCM'이라고 약칭함) 방식은 단위 역률(UNITY POWER FACTOR)을 얻을 수 있는 가장 근접한 제어방식으로 알려지고 있다.

상기 CCM 방식으로는 피크 전류 검출(PEAK CURRENT DETECTION) 방식, 가변 히스테리시스(VARIABLE HYSTERESIS) 제어방식 및 평균 전류(AVERAGE CURRENT) 제어방식 등이 있다.

이러한 CCM 방식들은 높은 역률을 얻을 수 있는 장점이 있다.

그러나 상기한 CCM 방식들 중에서 피크 전류 검출방식은 외부의 코일로 흐르는 전류의 왜곡(CURRENT DISTORTION) 및 시각 왜곡(DEAD ANGLE DISTORTION)이 발생하고, 최대 듀티 사이클(MAXIMUM DUTY CYCLE)을 50% 이하로 유지해야 되는 것으로서 정확한 보상을 할 수 없었다.

그리고 상기 가변 히스테리시스 제어방식은 코일의 전류 감지에 따른 가변 주파수 방식으로 입력전압이 낮아질 경우에 코일로 흐르는 전류의 제어를 위하여 주파수가 무한히 증가하게 되므로 주파수의 제어에 한계가 있다.

또한 상기 평균전류 제어방식은 단위 역률을 구현하기 위한 제어방식의 구성이 매우 복잡하였다.

따라서 본 발명의 목적은 피드 포워드(feed forword)의 구성없이 입력되는 상용 교류전원의 교류전압에 따라 입력전류의 레벨이 증감되고 동상을 유지함으로써 회로의 구성을 간단하게 하는 회로 구성이 간단한 승압형 콘버터의 역률 보상회로를 제공하는 데 있다.

이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 회로 구성이 간단한 승압형 콘버터의 역률 보상회로에 따르면, 스위칭 트랜지스터의 온 상태에서 코일에 에너지를 축적하고 스위칭 트랜지스터의 오프 상태에서 상기 코일에 축적된 에너지에 입력 직류전압을 중첩시켜 출력하는 승압형 콘버터, 상기 승압형 콘버터가 출력하는 출력직류전압의 변동에 따라 레벨이 가변되는 비교 기준 전압신호를 발생하는 출력 감지부 및 상기 스위칭 트랜지스터가 온될 경우에 흐르는 전류에 따른 전압신호를 발생하는 전류 감지부를 구비하고, 상기 출력 감지부가 발생한 비교 기준 전압신호 및 상기 전류 감지부가 발생한 전압신호로 상기 스위칭 트랜지스터의 구동을 제어하는 승압형 콘버터의 역률 보상회로에 있어서, 상기 출력 감지부가 발생하는 비교 기준 전압신호 및 상기 전류 감지부가 감지한 전압신호를 합성하여 비교신호를 발생하는 신호 합성부; 상기 신호 합성부의 비교신호와 역톱니파 신호를 비교하여 상기 스위칭 트랜지스터의 오프 제어신호를 발생하는 비교기; 및 상기 역톱니파 신호를 발생하고 발생한 역톱니파 신호의 상승 에지에 동기하는 클럭신호에 따라 상기 스위칭 트랜지스터를 턴 온시키고 상기 비교기의 오프 제어신호에 따라 스위칭 트랜지스터를 오프시키는 구동부를 구비한 것을 특징으로 한다.

그러므로 본 발명에서는 피드 포워드의 구성없이 역톱니파 신호와 비교 기준전압신호를 비교함으로써 입력 직류전압의 레벨에 추종하고, 입력되는 상용 교류전원과 동상의 정현파형으로 연속 전류를 제어할 수 있으므로 회로의 구성이 간단하고, 고역률을 달성할 수 있다.

제1도는 본 발명에 따른 역률 보상회로의 구성을 보인 회로도.

제2도는 본 발명에 따른 역률 보상회로의 동작을 설명하기 위한 파형도이다.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

100 : 승압형 콘버터 200 : 역률 보상회로

210 : 출력 감지부 212 : 분압수단

214 : 에러 증폭기 216 : 레벨 기준수단

220 : 전류 감지부 230 : 합성부

240 : 비교기 250 : 구동부

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 회로 구성이 간단한 승압형 콘버터의 역률 보상회로를 상세히 설명한다.

제1도는 본 발명에 따른 승압형 콘버터의 역률 보상회로의 구성을 보인 회로도이다.

이에 도시된 바와 같이 본 발명은 승압형 콘버터(100) 및 역률 보상회로(200)를 구비한다.

상기 승압형 콘버터(100)는, 입력되는 상용 교류전원(AC)이 브리지 정류기(110)에서 정류되고, 정류된 전원은 평활용 콘덴서(C1)에 의해 평활되어 입력 직류전압(Vin)으로 변환된다.

상기 입력 직류전압(Vin)은 코일(L)을 통해 스위칭 트랜지스터(MT) 및 정류용 다이오드(D)에 인가된다.

상기 정류용 다이오드(D)의 출력 전원은 평활용 콘덴서(C3)에 의해 평활되어 출력 직류전압(V₀)으로 변환되고, 평활용 콘덴서(C3)의 양단에는 부하(Load)가 연결되어 상기 출력 직류전압(V₀)이 동작전원으로 인가된다.

이러한 CCM 방식의 승압형 콘버터(100)는 입력되는 상용 교류전원(AC)이 브리지 정류기(110)에서 정류되고, 평활용 콘덴서(C1)에 의해 평활되어 입력 직류전압(Vin)으로 변환된다.

그리고 스위칭 트랜지스터(MT)가 온 상태일 경우에 상기 입력 직류전압(Vin)의 에너지가 코일(L)에 축적되고, 스위칭 트랜지스터(MT)가 오프 상태일 경우에 상기 코일(L)에 축적된 에너지가 상기 입력 직류전압(Vin)에 중첩된 후 정류용 다이오드(D)에 의해 정류되고, 평활용 콘덴서(C3)에 의해 출력 직류전압(V₀)으로 출력되어 부하(Load)에 인가되는 것으로서 입력 직류전압(Vin)보다 높은 레벨의 출력 직류전압(V0)을 얻어 부하(Load)에 공급할 수 있다.

상기 역률 보상회로(200)는, 출력 감지부(210), 전류 감지부(220), 합성부(230), 비교기(240) 및 구동부(250)를 구비한다.

상기 출력 감지부(210)는, 상기 승압형 콘버터(100)의 출력 직류전압(V₀)의 변동에 따라 레벨이 가변되는 비교 기준 전압신호(V2)를 발생하는 것으로서 상기 승압형 콘버터(100)의 출력 직류전압(V₀)을 저항(R2)(R3)으로 분압하는 분압수단(212)과, 상기 분압수단(212)의 출력전압으로 상기 출력 직류전압(V₀)의 변동에 따른 에러 전압(Ve₀)을 검출하는 연산 증폭기(U1), 저항(R4)(R5), 콘덴서(C4) 및 기준 전압원(Vref)으로 구성된 에러 증폭기(214)와, 상기 에러 증폭기(214)에서 출력되는 에러 전압(Ve₀)을 미리 설정된 소정의 기준 전압원(Vref1)과 합성하여 비교 기준 전압신호(V2)를 발생하는 기준 전압원(Vref1) 및 합성기(SM1)로 구성된 레벨 기준수단(216)으로 이루어진다.

이러한 출력 감지부(210)는 분압수단(212)의 출력 전압으로 에러 증폭기(214)가 승압형 콘버터(100)의 출력 직류전압(V₀)의 리플(△V₀)을 감지하여 에러전압(Ve₀)을 출력하는 것으로서 출력 직류전압(V₀)의 레벨이 증가될 경우에 에러전압(Ve₀)이 감소되고, 출력 직류전압(V₀)의 레벨이 감소될 경우에 에러 전압(Ve₀)이 증가된다.

그리고 상기 레벨 기준수단(216)은 후술하는 비교기(240)에 역톱니파 신호(B)와 비교되는 비교 기준신호(V3)의 기준을 결정하는 역할을 하는 것으로서 V2 = Vref₁- △Ve₀의 관계식에 의하여 출력 직류전압(V₀)이 증가하면, 비교 기준 전압 신호(V2)가 증가하여 비교 기준신호(V3)가 높아지고, 출력 직류전압(V0)이 감소하면, 비교 기준 전압신호(V2)가 감소되어 비교 기준신호(V3)가 낮아지게 된다.

상기 기준 전압원(Vref1)은 승압형 콘버터(100)의 출력 직류전압(V₀)의 변화에 비례하는 리플(△V₀)을 비교기(240)에 입력시키기 위한 기준 전압원이다.

상기 전류 감지부(220)는, 상기 스위칭 트랜지스터(MT)가 온될 경우에 스위칭 트랜지스터(MT)로 흐르는 전류를 검출하여 전압 신호(V1)를 발생하기 위한 것으로 전류 감지저항(RS), 저항(R1) 및 콘덴서(C1)로 구성된다.

상기 신호 합성부(230)는, 상기 출력 감지부(210)의 비교 기준 전압신호(V2)와 상기 전류 감지부(220)의 전압신호(V1)를 합성기(SM2)로 합성하여 비교 기준신호(V3)를 발생하게 구성된다.

상기 비교기(240)는, 상기 신호 합성부(230)의 비교 기준신호(V3)와 후술하는 발진기(252)에서 출력되는 역톱니파 신호(B)를 연산 증폭기(U2)로 비교하여 상기 스위칭 트랜지스터(MT)의 오프 제어신호를 발생한다.

상기 구동부(250)는, 상기 역톱니파 신호(B)의 상승 에지에 동기하는 클럭신호(CLOCK)에 응답하여 상기 스위칭 트랜지스터(MT)를 턴 온시키고, 상기 비교기(240)의 오프 제어신호에 응답하여 상기 스위칭 트랜지스터(MT)를 턴 오프시키는 것으로 발진기(252), 플립플롭(254), 반전 논리 합 게이트(256) 및 드라이버(258)를 구비한다.

상기 발진기(252)는, 동일 주파수를 가지는 역톱니파 신호(B) 및 클럭신호(CLOCK)를 발생하고, 상기 플립플롭(254)은, 상기 발진기(252)가 출력하는 클럭신호(CLOCK)의 상승 에지에서 세트되고 상기 비교기(240)가 출력하는 오프 제어신호의 상승 에지에서 리세트되어 클럭신호(CLOCK)의 상승 에지와 오프 제어신호의 상승 에지 사이의 폭을 가지는 펄스 폭 변조신호를 발생한다.

상기 반전 논리 합 게이트(256)는, 상기 클럭신호(CLOCK)와 상기 플립플롭(254)이 출력하는 펄스 폭 변조신호가 모두 저전위 상태일 경우에 고전위 구간을 가지는 펄스 폭 변조형 구동신호를 발생하고, 상기 드라이버(258)는, 상기 반전 논리 합 게이트(256)가 출력하는 펄스 폭 변조형 구동신호에 응답하여 고전위 구간에서는 상기 스위칭 트랜지스터(MT)가 턴 온되고 저전위 구간에서는 턴 오프되게 구동한다.

이와 같이 구성된 본 발명의 승압형 콘버터의 역률 보상회로의 작용 및 효과를 제2도의 파형도를 참조하여 설명한다.

입력 직류전압(Vin)이 증가할 경우에 입력전류도 입력 직류전압(Vin)에 비례로 증가하여 전압 및 전류가 동상을 이루어야 한다.

제2도에 도시된 바와 같이 입력 직류전압(Vin)이 증가함에 따라 다음의 수학식 1 및 수학식 2와 같이 코일(L)로 흐르는 전류(I_L)는 증가 또는 감소하게 된다.

여기서, V_L은 코일(L)의 전압이다.

즉, 상기 출력 감지부(210)에서 감지된 비교 기준 전압신호(V2)와, 상기 전류 감지부(220)에서 감지된 스위칭 트랜지스터(MT)의 턴 온시 흐르는 전류에 대응하는 전압 신호(V1)가 합성기(230)에서 합성되어 비교 기준신호(V3)가 발생된다.

상기 비교 기준신호(V3)가 역톱니파 신호(B)와 동일 레벨로 되는 순간에 비교기(240)의 출력신호가 고전위로 반전되므로 플립플롭(254)이 리세트되어 스위칭 트랜지스터(MT)가 턴 오프되고, 비교기(240)의 출력신호는 다시 저전위로 반전된다.

그러므로 제2도에 도시된 바와 같이 상기 비교기(240)에서 비교 기준신호(V3)와 역톱니파 신호(B)가 서로 비교되어 제2도의 펄스 폭 변조된 신호(GATE)를 발생하고, 발생한 펄스 폭 변조신호(GATE)로 스위칭 트랜지스터(MT)의 구동을 제어한다.

이러한 본 발명은 입력 직류전압(Vin)에 따라 전류 및 전압 파형이 동상으로 되고, 비례적인 크기가 된다. 그 이유는 감지 저항(RS)에 의하여 전류 감지부(220)가 이미 입력 직류전압(Vin)에 대한 정보를 가지고 있기 때문이다.

이상에서와 같이 본 발명에 따르면, 기존의 CCM 방식의 역률 보상회로들의 많은 단점을 해결하고, 역률이 0.99 이상으로 단위 역률에 가까운 고역률을 달성할 수 있으며, 기존의 방식들에 비하여 훨씬 간단하게 회로를 구성할 수 있다.

Claims (1)

1. 스위칭 트랜지스터의 온 상태에서 코일에 에너지를 축적하고 스위칭 트랜지스터의 오프 상태에서 상기 코일에 축적된 에너지에 입력 직류전압을 중첩시켜 출력하는 승압형 콘버터, 상기 승압형 콘버터가 출력하는 출력 직류전압의 변동에 따라 레벨이 가변되는 비교 기준 전압신호를 발생하는 출력 감지부 및 상기 스위칭 트랜지스터가 온될 경우에 흐르는 전류에 따른 전압신호를 발생하는 전류 감지부를 구비하고, 상기 출력 감지부가 발생한 비교 기준 전압신호 및 상기 전류 감지부가 발생한 전압신호로 상기 스위칭 트랜지스터의 구동을 제어하는 승압형 콘버터의 역률 보상회로에 있어서, 상기 출력 감지부가 발생하는 비교 기준 전압신호 및 상기 전류 감지부가 감지한 전압신호를 합성하여 비교신호를 발생하는 신호 합성부; 상기 신호 합성부의 비교신호와 역톱니파 신호를 비교하여 상기 스위칭 트랜지스터의 오프 제어신호를 발생하는 비교기; 및 상기 역톱니파 신호를 발생하고 발생한 역톱니파 신호의 상승 에지에 동기하는 클럭신호에 따라 상기 스위칭 트랜지스터를 턴 온시키고 상기 비교기의 오프 제어신호에 따라 스위칭 트랜지스터를 턴 오프시키는 구동부로 구성됨을 특징으로 하는 회로 구성이 간단한 승압형 콘버터의 역률 보상회로.