KR100277513B1 - 역률제어용 승압형 컨버터 - Google Patents

역률제어용 승압형 컨버터 Download PDF

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Abstract

본 발명은 입력되는 상용전원을 정류하는 정류수단과, 외부의 제어신호에 따라 상기 정류수단에서 출력된 전원을 받아서 역률제어 기능을 하는 승압형 컨버터부와, 외부의 제어신호에 따라 스위칭 동작을 하여 상기 승압형 컨버터부에서의 스위칭 손실을 줄이는 소프트 스위칭부와, 상기 승압형 컨버터부의 각종 입/출력 신호를 각기 달리 검출하되 효율적으로 제어하기 위한 정보만을 검출하는 검출수단, 및 상기 검출수단에서 출력된 신호를 검색하고 그 검색 결과에 따라 상기 승압형 컨버터부와 소프트 스위칭부를 각기 제어하는 제어수단을 포함하여 구성하여, 기존의 역률제어용 승압형 컨버터의 문제점인 손실 문제를 소프트 스위칭 방식을 이용하여 거의 '영'으로 줄임으로써, 방열을 위한 방열판과 냉각용 팬(Fan) 등의 사용을 제거하여 전체 시스템을 콤팩트하게 구성할 수 있으며, 또한 소프트 스위칭에 의해서 전자기 간섭(Electromagnetic interference)에 대한 문제도 상당히 저감시킬 수 있는 역률제어용 승압형 컨버터를 제공한다.

Description

역률제어용 승압형 컨버터{soft switching Power Factor Correcting Boost Converter}
본 발명은 역률제어용 승압형 컨버터에 관한 것으로, 특히 소프트 스위칭 방법을 채택하여 스위치 및 다이오드의 스위칭 손실을 최소로 하고 전자방해잡음(Electromagnetic interference)을 억제할 수 있도록 한 역률제어용 승압형 컨버터에 관한 것이다.
종래의 역률제어 기능이 없는 DC 전원회로는 도 1에 도시된 바와 같이, 입력되는 상용전원을 정류하는 복수의 다이오드로 구성된 정류부(1)와, 상기 정류부(1)를 통해 정류된 직류전원을 일정하게 평활시키는 평활 커패시터(2)로 구성되어 사용되어지고 있다.
이 경우 도 2에 도시된 바와 같이 출력전압(Vo)과 입력전류(Vin)를 갖는다.
이 회로의 역률은 보통 0.4∼0.7 사이의 수치를 갖으며, 또한 고조파(Harmonics) 성분이 크기 때문에 가정내에서 사용할 수 있는 전력이 다소 감소되는 문제점이 있다.
따라서, 최근에는 역률제어용 회로를 삽입하여 역률 및 고조파를 줄이고 있다.
그의 구성은 도 3에 도시된 바와 같이, 입력되는 상용전원을 정류하는 복수의 다이오드로 구성된 정류부(10)와, 상기 정류부(101)의 출력을 받아서 역률제어 기능을 하는 상기 정류부(10)의 전원단에 직렬 연결된 인덕터(L)와, 상기 인덕터(L)의 후단과 상기 정류부(10)의 접지단 사이에 병렬 연결된 역병렬 다이오드(D1)를 갖는 스위칭소자(S1)와, 상기 스위칭소자(S1)와 인턱터(L)의 연결점에 연결된 다이오드(D)와, 상기 다이오드(D)의 캐소드와 상기 정류부(10)의 접지단 사이에 연결된 필터 커패시터(C)와, 상기 필터 커패시터(C)에 병렬로 연결된 부하(20a)로 이루어진 승압형 컨버터부(20)와, 상기 정류부(10)에서 출력되는 전압을 검출하는 입력전압 검출부(30)와, 상기 정류부(101)에서 출력되는 전류를 검출하는 전류 검출부(40)와, 상기 승압형 컨버터부(20)의 출력 전압을 검출하는 출력전압 검출부(50)와, 상기 입력전압 검출부(30)와 전류 검출부(40) 및 출력전압 검출부(50)에서 각각 출력된 신호에 따라 상기 승압형 컨버터부(20)를 제어하는 역률제어부(60)로 구성되어져 있다.
이와 같이 구성된 종래의 역률제어용 승압형 컨버터의 동작을 첨부한 도면 도 4 및 도 5를 참조하여 설명하면 다음과 같다.
먼저, 입력되는 상용전원을 정류부(10)가 정류하여 입력전원 주파수(50 내지 60Hz)의 두 배의 주파수를 갖는 전압을 만든다.
이 전압을 입력으로 해서 승압형 컨버터부(20)내의 스위칭소자(S1)를 스위칭해 주면 인덕터(L)에는 입력전압(Vin)과 동상인 전류가 흐르고 상용전원에서 보면 50∼60Hz의 입력전압에 동상인 싸인파 전류가 흘러서 역률이 거의 1.0에 가깝다.
이 경우 출력전압은 입력전압(Vin)의 피크치보다 큰 전압이 되고 이는 출력전압 검출부(50)를 통해서 검출되어 출력전압이 설정치로 안정되게 동작되도록 역률제어부(60)가 제어해 준다.
즉, 승압형 컨버터(20)내의 인덕터(L)의 전류가 입력전압(Vin)을 추종하도록 해 주는 부분은 입력전압 검출부(30)와 전류검출부(40)의 정보를 가지고 제어를 하는 데 상기 입력전압 검출부(30)의 정보는 기준 파형을 제공해 주고, 상기 전류 검출부(40)는 실 제어의 정보를 제공하여 제어하도록 하게 된다.
한편, 승압형 컨버터(20)내의 스위칭소자(S1)는 50KHz이상의 높은 주파수로 동작하기 때문에 각 스위칭시에 인덕터(L)의 전류는 전류원과 같은 역할을 한다.
만일, 스위치소자와 다이오드 및 각 수동소자(L, C)가 이상적이라고 가정하면 역률제어용 승압형 컨버터의 미세 동작은 다음과 같다.
먼저, 역률제어부(60)의 제어 신호에 따라 스위칭소자(S1)가 '온'되면 인덕터(L)에는 입력전압(Vin)이 걸리고 전류가 선형적으로 상승하고 이때, 출력 필터 커패시터(C)는 부하(20a)에 전원(Power)을 공급하게 된다.
한편, 역률제어부(60)의 제어 신호에 따라 스위칭소자(S1)가 '오프'되면 다이오드(D)가 도통하여 인덕터(L)에는 출력전압(Vo)-입력전압(Vin)이 위의 경우와는 반대방향으로 인덕터(L)에 걸리고 상기 인덕터(L)의 전류(IL)는 선형적으로 감소한다.
이 경우 입력에서 출력으로 전원(Power)을 공급하여 출력 필터 커패시터(C)를 충전하게 된다.
이와 같은 동작을 반복하여 인덕터(L)의 전류(IL)가 입력전압의 모양을 추종하도록 하여 역률을 개선하는 것이다.
도 4는 도 3의 스위칭소자(S1)의 스위칭시 전압 및 전류 파형도를 나타낸 것으로 처음의 전압/전류의 변동은 스위칭소자(S1)가 '오프'되어 발생하는 것이고 다음의 변동은 스위칭소자(S1)가 '온'되어 발생하는 것이다.
여기서, 각 소자의 전압과 전류의 곱이 각 소자에서 발생하는 스위칭 손실인데 각 소자의 전압 및 전류의 파형이 겹치는 부분이 많아지면 손실이 커진다.
특히, 다이오드(D)에는 도 4에 도시된 바와 같이 반대 방향으로 전류(ID)가 흐르는 역회복 특성을 갖는 데 이 역회복 전류는 다이오드(D) → 스위칭소자(S1) → 출력 필터 커패시터(C)의 경로로 흐르고 이는 스위치소자(S1)와 다이오드(D)의 손실을 상당히 크게 하는 역할을 한다.
또한, 이러한 피크성 전류는 전자방해잡음(Electromagnetic interference) 발생을 증대시키는 문제점이 있었다.
따라서, 이러한 종래의 역률제어용 승압형 컨버터의 스위칭하는 회로는 효율이 상당히 낮고, 또한 이러한 손실로 의한 열 발생을 냉각시켜 주기 위해서는 부피가 큰 방열판 및 큰 풍량의 팬(Fan)을 사용해야 하는 문제점이 있었다.
따라서. 본 발명의 목적은 소프트 스위칭 방법을 채택하여 스위치 및 다이오드의 스위칭 손실을 최소로 하고 전자방해잡음(Electromagnetic interference)을 억제할 수 있도록 한 역률제어용 승압형 컨버터를 제공하는 데 있다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 기술적 수단은, 입력되는 상용전원을 정류하는 정류수단과, 외부의 제어신호에 따라 상기 정류수단에서 출력된 전원을 받아서 역률제어 기능을 하는 승압형 컨버터부와, 외부의 제어신호에 따라 스위칭 동작을 하여 상기 승압형 컨버터부에서의 스위칭 손실을 줄이는 소프트 스위칭부와, 상기 승압형 컨버터부의 각종 입/출력 신호를 각기 달리 검출하되 효율적으로 제어하기 위한 정보만을 검출하는 검출수단과, 상기 검출수단에서 출력된 신호를 검색하고 그 검색 결과에 따라 상기 승압형 컨버터부와 소프트 스위칭부를 각기 제어하는 제어수단으로 이루어진다.
도 1은 종래의 역률제어 기능이 없는 DC 전원 회로도이고,
도 2는 도 1의 출력 전압 및 입력 전류를 나타낸 파형도이고,
도 3은 종래의 역률제어용 승압형 컨버터의 회로 구성도이고,
도 4는 도 1의 스위칭시 전압 및 전류 파형을 나타낸 도면이고,
도 5는 본 발명에 의한 역률제어용 승압형 컨버터를 나타낸 회로도이고,
도 6은 도 5의 스위칭시 한 주기 동안의 스위칭상태 및 전류/전압 레벨을 나타낸 파형도이다.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *
100: 정류부 200: 승압형 컨버터
300: 소프트 스위칭부 400: 검출부
500: 제어부
이하, 본 발명의 일 실시예를 첨부한 도면에 의거하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 5는 본 발명에 의한 역률제어용 승압형 컨버터의 회로 구성도를 나타낸 것으로서, 입력되는 상용전원을 정류하는 정류부(100)와, 외부의 제어신호에 따라 상기 정류부(100)에서 출력된 전원을 받아서 역률제어 기능을 하는 승압형 컨버터부(200)와, 외부의 제어신호에 따라 스위칭 동작을 하여 상기 승압형 컨버터부(200)에서의 스위칭 손실을 줄이는 소프트 스위칭부(300)와, 상기 승압형 컨버터부(200)의 각종 입/출력 신호를 각기 달리 검출하되 효율적으로 제어하기 위한 정보만을 검출하는 검출부(400)와, 상기 검출부(400)에서 출력된 신호를 검색하고 그 검색 결과에 따라 상기 승압형 컨버터부(200)와 소프트 스위칭부(300)를 각기 제어하는 제어부(500)로 구성되어져 있다.
또한, 상기 승압형 컨버터부(200)는, 정류수단(100)의 전원단에 직렬로 연결된 인덕터(L)와, 상기 인덕터(L)의 일측단과 정류수단(100)의 접지단 사이에 연결된 역병렬 다이오드(D1)를 갖는 스위칭소자(S1)와, 상기 인덕터(L)와 부하 사이의 전원단에 연결된 다이오드(D)와, 상기 다이오드(D)의 캐소드와 정류수단의 접지단 사이에 연결된 필터 커패시터(C), 및 상기 필터 커패시터(C)에 병렬로 연결된 부하(210)를 포함하여 구성되어져 있다.
그리고, 소프트 스위칭부(300)는, 전원단과 접지단 사이에 제 1 보조공진 커패시터(Cr1)가 연결되고, 상기 제 1 보조공진 커패시터(Cr1)에 병렬로 공진 인덕터(Lr)와 제 1 보조 스위칭소자(Sa1)가 연결되고, 상기 공진 인덕터(Lr)에는 병렬로 제 2 보조공진 커패시터(Cr2)와 제 2 보조 스위칭소자(Sa2)가 연결되고, 상기 각 제 1, 제 2 보조 스위칭소자(Sa1)(Sa2)에는 역병렬 다이오드(Da1)(Da2)가 각각 병렬로 연결되어 있으며, 상기 검출수단(400)은 도시된 바와 같이 승압형 컨버터부(200)의 일측의 입력전압을 검출하는 입력전압 검출부(410)와, 타측의 입력전류를 검출하는 전류검출부(420), 및 출력전압을 검출하는 출력전압 검출부(430)로 구성되어져 있다.
아울러, 전류검출부(420)는, 검출저항(Rs)의 위치가 승압형 컨버터부(200)의 스위칭소자(S1)의 소오스(또는 이미터)와 정류수단(100)의 접지단 사이에 연결되어져 있다.
이와 같이 구성된 본 발명의 동작 및 작용 효과를 첨부한 도면 도 5 및 도 6을 참조하여 설명하면 다음과 같다.
먼저, 역률제어를 하는 동작은 종래 기술에서 설명한 바와 같이 동일하게 동작이 이루어지고 단지 손실을 줄이기 위해서 승압형 컨버터부(200)의 스위칭소자(S1)가 스위칭시에만 소프트 스위칭부(300)를 동작시켜서 상기 승압형 컨버터부(200)의 스위칭소자(S1)와 다이오드(D)의 손실을 최소화시킨다.
여기서는 스위칭시 한 주기 동안의 동작을 도 6에 의거하여 설명한다.
먼저, 각 소자가 이상적이라고 가정하면 초기상태는 승압형 컨버터부(200)의 스위칭소자(S1)가 '오프'되어 있으므로, 다이오드(D)를 통해서 인덕터(L)의 전류를 필터 커패시터(C)와 부하로 공급하고 있는 상황이다.
한편, 제어부(500)의 제어신호에 의해서 승압형 컨버터부(200)의 스위칭소자(S1)를 '온'시키려면 이에 앞서서 소프트 스위칭부(300)의 제 1 보조 스위치(Sa1)가 먼저 '온'된다.(즉, 도 6의 t0 구간)
그러면, 소프트 스위칭부(300)의 공진 인덕터(Lr)에는 출력전압(Vo)이 걸리고 전류(iLr)가 선형적으로 증가한다.
이 전류가 인덕터(L)의 전류(IL)와 같아지면 승압형 컨버터부(200)의 다이오드(D)의 전류(ID)가 '영'이되고 제 1 보조공진 커패시터(Cr1)와 Cr1 → Sa1 → Lr의 경로로 공진을 해서 승압형 컨버터부(200)의 스위칭소자(S1)의 전압이 '영'으로 떨어진다.(즉, 도 6의 t1∼t2 구간)
그러면, 승압형 컨버터부(200)의 다이오드(D)의 전압은 '영'에서 출력전압(Vo)까지 상승한다.
이후, t2 구간부터는 공진 인덕터 전류(ILr)가 D1 → Sa1 → Lr의 경로로 환류(Free-wheeling)한다.
한편, 일정시간 후 소프트 스위칭부(300)의 제 1 보조 스위칭소자(Sa1)가 '오프'되고, 승압형 컨버터부(200)의 스위칭소자(S1)가 '온'되면 공진 인덕터 전류(ILr)는 Lr → Da2 → Cr2의 경로로 공진을 하여 '영'까지 떨어진다.
따라서, t3 구간에서의 승압형 컨버터부(200)의 스위칭소자(S1)와 소프트 스위칭부(300)의 제 1 보조 스위칭소자(Sa1)의 스위칭은 '영'전압에서 스위칭이 이루어지기 때문에 손실이 거의 없다.
한편, 제어부(500)의 제어신호에 의해서 스위칭소자(S1)를 '오프'시키려면 이에 앞서서 소프트 스위칭부(300)의 제 2 보조 스위칭소자(Sa2)가 먼저 '온'된다.(도 6의 t5구간)
그러면, 소프트 스위칭부(300)의 제 2 보조공진 커패시터(Cr2)에 저장된 에너지에 의해서 Cr2 → Sa2 → Lr의 경로로 공진을 해서 상기 제 2 보조공진 커패시터(Cr2)의 에너지를 공진 인덕터(Lr)의 전류의 형태로 전달해 준다.
이후, 상기 제 2 보조공진 커패시터(Cr2)의 전압이 '영'이 되면 공진 인덕터의 전류(ILr)는 Lr → Da1 → S1의 경로로 환류한다.
한편, 승압형 컨버터부(200)의 스위칭소자(S1)와 소프트 스위칭부(300)의 보조 스위칭소자(Sa2)를 '영'전압의 조건에서 '오프'시키려면(도 6의 t6구간) Lr → Da1 → Cr1의 경로로 공진을 하여 제 1 보조공진 커패시터(Cr1)의 전압인 승압형 컨버터부(200)의 스위칭소자(S1)의 전압이 출력전압(Vo)까지 상승하고, 다이오드(D)의 전압은 '영'으로 떨어진다.
이때, 상기 승압형 컨버터부(200)의 스위칭소자(S1)의 전압이 출력전압(Vo)과 같아지면 다이오드(D)가 도통하여 인덕터(L)의 전류(IL)를 부하로 전해주고, 이때 소프트 스위칭부(300)의 공진 인덕터(Lr)에는 출력전압(Vo)이 가해져서 공진 인덕터 전류(ILr)가 선형적으로 감소하여 '영'으로 된다.
이후, 제어부(500)에서 다시 승압형 컨버터부(200)의 스위칭소자(S1)를 '온'시키려는 제어 신호가 나오기 전까지는 이 상태가 유지되어 한 주기가 종료된다.
이와 같이 각 스위칭시는 항상 '영'전압 또는 '영'전류에서 스위칭을 해 주어 각 스위칭소자 및 다이오드의 손실을 최소화하게 되는 것이다.
따라서, 본 발명에서는 기존의 역률제어용 승압형 컨버터의 문제점인 손실 문제를 소프트 스위칭 방식을 이용하여 거의 '영'으로 줄임으로써, 방열을 위한 방열판과 냉각용 팬(Fan) 등의 사용을 제거하여 전체 시스템을 콤팩트하게 구성할 수 있으며, 또한 소프트 스위칭에 의해서 전자기 간섭(Electromagnetic interference)에 대한 문제도 상당히 저감시킬 수 있는 효과가 있다.

Claims (5)

  1. 입력되는 상용전원을 정류하는 정류수단;
    외부의 제어신호에 따라 상기 정류수단에서 출력된 전원을 받아서 역률제어 기능을 하는 승압형 컨버터부;
    외부의 제어신호에 따라 스위칭 동작을 하여 상기 승압형 컨버터부에서의 스위칭 손실을 줄이는 소프트 스위칭부;
    상기 승압형 컨버터부의 각종 입/출력 신호를 각기 달리 검출하되 효율적으로 제어하기 위한 정보만을 검출하는 검출수단; 및
    상기 검출수단에서 출력된 신호를 검색하고 그 검색 결과에 따라 상기 승압형 컨버터부와 소프트 스위칭부를 각기 제어하는 제어수단을 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 역률제어용 승압형 컨버터.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 승압형 컨버터부는, 상기 정류수단의 전원단에 직렬로 연결된 인덕터(L)와, 상기 인덕터(L)의 일측단과 상기 정류수단의 접지단 사이에 연결된 역병렬 다이오드(D1)를 갖는 스위칭소자(S1)와, 상기 인덕터(L)와 부하 사이의 전원단에 연결된 다이오드(D)와, 상기 다이오드(D)의 캐소드와 상기 정류수단의 접지단 사이에 연결된 필터 커패시터(C), 및 상기 필터 커패시터(C)에 병렬로 연결된 부하(210)를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 역률제어용 승압형 컨버터.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 소프트 스위칭부는, 전원단과 접지단 사이에 제 1 보조공진 커패시터(Cr1)가 연결되고, 상기 제 1 보조공진 커패시터(Cr1)에 병렬로 공진 인덕터(Lr)와 제 1 보조 스위칭소자(Sa1)가 연결되고, 상기 공진 인덕터(Lr)에는 병렬로 제 2 보조공진 커패시터(Cr2)와 제 2 보조 스위칭소자(Sa2)가 연결되고, 상기 각 제 1, 제 2 보조 스위칭소자(Sa1)(Sa2)에는 역병렬 다이오드(Da1)(Da2)가 각각 병렬로 연결된 것을 특징으로 하는 역률제어용 승압형 컨버터.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 검출수단은, 상기 승압형 컨버터부의 일측의 입력전압을 검출하는 입력전압 검출부(410)와, 타측의 입력전류를 검출하는 전류검출부(420), 및 출력전압을 검출하는 출력전압 검출부(430)로 구성된 것을 특징으로 하는 역률제어용 승압형 컨버터.
  5. 제 1 항 또는 제 4 항에 있어서,
    상기 전류검출부는, 검출저항의 위치가 상기 승압형 컨버터부의 스위칭소자(S1)의 소오스(또는 이미터)와 상기 정류수단의 접지단 사이에 연결된 것을 특징으로 하는 역률제어용 승압형 컨버터.
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