KR100279629B1 - 소프트 스위칭 역률제어용 승압형 컨버터의 스위칭 회로 - Google Patents

소프트 스위칭 역률제어용 승압형 컨버터의 스위칭 회로 Download PDF

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Abstract

본 발명은 소프트 스위칭 역률제어용 승압형 컨버터의 스위칭 회로에 관한 것으로, 종래에는 스위칭손실이 많고, 이에따라 효율이 상당히 낮아지고, 이러한 손실을 방열시켜 주기 위해서는 큰 방열판의 사용 및 큰 풍량의 팬을 사용해야 하는 문제점이 있다. 직렬연결된 제1스위칭소자(S1)와 제1보조 다이오드(Da1)가 인덕터(L)에 병렬로 연결하고, 직렬연결된 제2보조 다이오드(Da2)와 제2스위칭소자(S2)가 상기 제1스위칭소자(S1)와 제1보조 다이오드(Da1)에 병렬로 연결하고, 상기 제1스위칭소자(S1)와 제1보조 다이오드(Da1)의 접속점과 제2보조 다이오드(Da2)와 제2스위칭소자(S2)의 접속점 사이에 공진 인덕터(Lr)를 연결하여 구성된 소프트 스위칭부(22)와, 역률 제어부에 따라 상기 소프트 스위칭부의 스위칭소자를 제어하기 위한 스위치 제어신호를 출력하는 스위치 구동부(28)를 더 포함하여 구성된 승압형 컨버터를 구성하여, 소프트 스위칭 방식으로 스위치 및 다이오드의 손실을 거의 영으로 줄임으로써, 큰 방열판과 큰 풍량의 팬 사용을 제거하고, EMI 문제도 상당히 저감하고, 부가적으로 들어가는 소자의 수를 최소로 할 수 있어 가격을 낮추도록 한 것이다.

Description

소프트 스위칭 역률제어용 승압형 컨버터의 스위칭 회로
본 발명은 스위칭시 다이오드의 역회복 특성으로 인한 손실 등으로 인해 효율이 떨어지는 것을 방지하기 위한 소프트 스위칭 역률제어용 승압형 컨버터의 스위칭 회로에 관한 것으로, 특히 소프트 스위칭 기술을 이용하여 스위치 및 다이오드의 스위칭 손실을 최소로 하고, EMI를 억제할 수 있도록 한 소프트 스위칭 역률제어용 승압형 컨버터의 스위칭 회로에 관한 것이다.
종래 역률 제어 기능이 없는 DC 전원공급 회로는, 도 1에 도시된 바와같이, 입력되는 상용 전원을 정류하고 그 정류된 직류전압을 출력하는 정류부(10)와, 상기 정류부(10)에서 출력되는 직류전압을 필터링하여 부하(12)로 공급하는 필터용 캐패시터(C)로 구성된다.
그리고, 종래 역률제어용 승압형 컨버터에 대한 회로구성은, 도 3에 도시된 바와같이, 입력되는 상용 전원을 정류하고 그 정류된 직류전압을 출력하는 정류부(10)와, 상기 정류부(10)에서 출력되는 전압에 대해 역률을 개선하기 위한 동작을 수행하는 승압형 컨버터부(11)와, 상기 승압형 컨버터부(11)에서 출력하는 전압을 필터링하여 부하(12)로 공급하기 위한 필터용 캐패시터(C)와, 상기 부하(12)로 입력되는 전류를 검출하는 전류 검출부(13)와, 상기 부하로 입력되는 전압을 검출하는 입력전압 검출부(14)와, 상기 부하 동작시 발생하는 출력전압을 검출하는 출력전압 검출부(15)와, 상기 검출부(13~15)를 통해 검출한 전류 및 전압을 이용하여 역률 제어를 위한 스위칭신호를 상기 승압형 컨버터부(11)의 스위칭소자(S1)로 출력하는 역률 제어부(16)로 구성된다.
이와같이 구성된 종래 기술에 대하여 상세히 살펴보면 다음과 같다.
먼저, 역률 제어 기능이 없는 DC 전원공급 회로에 대하여 도 1과 도 2에 의거하여 살펴보면, 전원공급단을 통해 상용전원과 그에 비례하는 도 2의 (다)에서와 같은 상용 전류( IAC )가 정류부(10)로 공급된다.
그러면 정류부(10)는 입력되는 상용전원을 다이오드를 이용하여 정류하여 직류전압으로 만들고, 이 정류된 직류전압을 필터용 캐패시터(C)로 출력한다.
이때 상기 필터용 캐패시터(C)에 공급되는 입력전류(IIN)는 도 2의 (나)에 도시한 바와같다.
상기에서와 같은 입력전류(IIN)와 직류전압을 공급받은 필터용 캐패시터(C)는 필터링하고, 그 필터링한 전압, 즉 도 2의 (가)에서와 같은 출력전압(Vo)을 부하(13)로 공급하여 동작하도록 한다.
이상에서와 같이 동작하는 회로의 역률은 보통 0.4~0.7 사이의 수치를 갖는다.
게다가 고조파(Harmonics) 성분이 크기 때문에 국제규격인 IEC 1000-3을 만족할 수 없다.
역률이 낮으면 실효전력도 작아지기 때문에 가정내에서 사용할 수 있는 전력이 감소하는 문제점이 있다.
따라서 역률제어용 회로를 삽입하여 역률 및 고조파를 줄이고 있다.
이와같은 회로는 도 3에 도시하였으면, 도 3과 도4에 의거하여 살펴보면 다음과 같다.
상용전원을 정류부(10)로 공급하면, 상기 정류부(10)는 입력전압을 정류하고 이 정류된 전압(VIN)을 승압형 컨버터(11)로 출력하는데, 상기 정류된 전압(VIN)은 입력전원 주파수(50/60Hz)의 두배 주파수를 갖는 전압이 나온다.
이 전압(VIN)을 입력으로 해서 승압형 컨버터부(11)로 출력하면, 상기 승압형 컨버터부(11)의 인덕터(L)에는 입력전압(VIN)과 동상인 전류가 흐르고, 상용전원에서 보면 50/60Hz의 입력전압에 동상인 싸인파 전류가 흘러서 역률이 거의 1.0에 가깝게 된다.
이때 다이오드(D)와 필터용 캐패시터(C)를 거쳐 필터링되어 부하(12)에 공급되는 출력전압(Vo)은 입력전압(VIN)의 피크치보다 큰 전압이 된다.
상기 부하(12)에서 출력되는 출력전압(Vo)을 출력전압 검출부(15)에서 검출하여 역률 제어부(16)로 출력하면, 상기 역률 제어부(16)는 출력전압이 설정치로 안정하게 동작하도록 제어해준다.
그리고, 인덕터(L)의 전류가 입력전압(VIN)을 추종하도록 역률 제어부(16)에서 제어하는데, 이는 입력전압 검출부(14)에서 검출한 입력전압과 전류 검출부(13)에서 검출한 입력전류를 이용하여 제어한다.
상기 스위치(S1)는 50KHz 이상의 높은 주파수로 동작하기 때문에 각 스위칭시에 인덕터(L)의 전류는 전류원과 같은 역할을 한다.
이상에서와 같은 동작에 의해 역률 제어부(16)에서 승압형 컨버터부(11)의 스위치(S1)를 오프시키면 인덕터(L)에는 정류부(10)를 통해 정류된 전압(VIN)이 걸리고, 인덕터 전류(IL)는 선형적으로 상승한다.
이때 필터용 캐패시터(C)는 부하(12)에 파워를 공급한다.
상기 스위치(S1)가 오프되면, 그 스위치(S1)로 흐르는 전류( IS )는 (-)측으로 바이패스 되지 못하게 되므로 도 4의 (a)에서와 같이 서서히 감소하고, 다이오드(D)로 흐르는 전류( ID )는 도 4의 (b)에서와 같이 같이 서서히 증가한다.
이때 필터용 캐패시터(C)는 승압형 컨버터부(11)로 부터 공급되는 전압( VS1 )을 필터링하고, 그 필터링한 전압(Vo)을 부하(12)로 공급하여 동작하도록 한다.
상기 승압형 컨버터부(11)에 걸리는 전압( VS1 )은 도 4의 (a)에 도시한 바와같다.
그리고 역률 제어부(16)에 의해서 승압형 컨버터부(11)의 스위치(S1)가 온되면 다이오드(D)가 도통하여 인덕터(L)에는 (Vo-VIN)전압이 걸리고, 인덕터 전류(IL)는 선형적으로 감소한다.
이 경우 입력에서 출력으로 파워를 공급하여 필터용 캐패시터(C)를 충전하게 된다.
상기 스위치(S1)가 온됨에 따라, 상기 스위치(S1)로 흐르는 전류( IS )는 도 4의 (a)에서와 같이 서서히 상승하다가 소정값이상이 되면 역으로 감소하다가 일정값이 되면 그 값을 유지하고, 다이오드(D)로 흐르는 전류( ID )는 도 4의 (b)에서와 같이 서서히 감소하다가 0값을 유지한다.
이상에서와 같은 동작을 반복하여 인덕터전류( IL )가 입력전압의 모양을 추종하도록 역률을 개선한다.
그러나, 상기에서와 같은 종래기술에서 스위치 온/오프시 발생하는 전압과 전류의 곱이 각 소자에서 발생하는 스위칭손실인데, 각 소자의 전압 및 전류의 파형이 겹치는 부분이 많아 손실이 커지고, 특히 다이오드(D)에는 전류가 다이오드(D)→스위치(S1)→필터용 캐패시터(C)의 패스로 흐르는데 이는 스위치(S1)와 다이오드(D)의 손실을 상당히 크게하는 역할을 한다. 따라서 효율이 상당히 낮아지고, 이러한 손실을 방열시켜 주기 위해서는 큰 방열판의 사용 및 큰 풍량의 팬을 사용해야 하는 문제점이 있다.
따라서 상기에서와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 소프트 스위칭 기술을 이용하여 스위치 및 다이오드의 스위칭 손실을 최소화하기 위한 소프트 스위칭 역률제어용 승압형 컨버터를 제공함에 있다.
본 발명의 다른 목적은 EMI를 억제할 수 있도록 한 소프트 스위칭 역률제어용 승압형 컨버터를 제공함에 있다.
도 1은 종래 역률 제어 기능이 없는 DC 전원공급 회로도.
도 2는 도 1에 대한 출력전압 및 입력전류에 대한 신호 파형도.
도 3은 종래의 역률 제어용 승압형 컨버터의 회로 구성도.
도 4는 도 3에서, 스위칭시의 전압 및 전류 파형도.
도 5는 본 발명 소프트 스위칭 역률제어용 승압형 컨버터에 대한 회로 구성도.
도 6은 도 5에서, 스위칭 한 주기 동안의 스위칭상태를 보여주는 전류 전압 파형도.
도 7은 도 5에서, 스위치 구동부의 상세 회로도.
*** 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 ***
20 : 정류부 21 : 승압형 컨버터부
22 : 소프트 스위칭부 23 : 부하
24 : 전류 검출부 25 : 입력전압 검출부
26 : 출력전압 검출부 27 : 역률 제어부
28 : 스위치 구동부 Cr : 공진 캐패시터
Lr : 공진 인덕터
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은 상용전원을 정류하는 정류부의 출력을 받아서 역률을 개선하기 위한 인덕터와, 상기 인덕터에서 제공하는 출력전압에 따라 공진을 하여 영전압 조건을 만들어주는 공진 캐패시터와, 부하로 입력되는 전류를 검출하는 전류 검출부와, 상기 부하로 입력 및 출력되는 전압을 검출하는 입력 및 출력전압 검출부와, 상기 부하고 공급되는 출력전압을 제어하기 위한 역률 제어부로 이루어진 승압형 컨버터에 있어서, 상기 인덕터의 역률을 개선하기 위하여 소프트 스위칭동작을 행하여 손실을 줄이도록 한 소프트 스위칭부와, 상기 역률 제어부의 출력전압에 따라 스위칭 제어신호를 상기 소프트 스위칭부로 출력하여 스위칭 제어를 행하도록 하는 스위치 구동부를 더 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.
이하, 첨부한 도면에 의거하여 상세히 살펴보면 다음과 같다.
도 5는 본 발명 소프트 스위칭 역률제어용 승압형 컨버터의 스위칭 회로도로서, 이에 도시한 바와같이, 상용전원을 정류하는 정류부(21)의 출력을 받아서 역률을 개선하기 위한 인덕터(L)와, 상기 인덕터(L)의 역률을 개선하기 위하여 소프트 스위칭동작을 행하여 손실을 줄이도록 한 소프트 스위칭부(22)와, 상기 소프트 스위칭부(22)의 스위칭 상태에 따라 공진을 하여 영전압 조건을 만들어주는 공진 캐패시터(Cr)와, 부하로 입력되는 전류를 검출하는 전류 검출부(24)와, 상기 부하(23)로 입력 및 출력되는 전압을 검출하는 입력 및 출력전압 검출부(25)(26)와, 상기 소프트 스위칭부(22)를 제어하기 위한 출력전압을 출력하는 역률 제어부(27)와, 상기 출력전압에 따라 스위칭 제어신호를 출력하는 스위치 구동부(28)로 구성한다.
상기에서 스위치 구동부(28)는 도 7에 도시한 바와같이, 상기 소프트 스위칭부(27)는 직렬연결된 제1스위칭소자(S1)와 제1보조 다이오드(Da1)가 인덕터(L)에 병렬로 연결하고, 직렬연결된 제2보조 다이오드(Da2)와 제2스위칭소자(S2)가 상기 제1스위칭소자(S1)와 제1보조 다이오드(Da1)에 병렬로 연결하고, 상기 제1스위칭소자(S1)와 제1보조 다이오드(Da1)의 접속점과 제2보조 다이오드(Da2)와 제2스위칭소자(S2)의 접속점 사이에 공진 인덕터(Lr)를 연결하여 구성한다.
이와같이 구성된 본 발명의 동작 및 작용 효과에 대하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 5에서, 상용전원이 공급되면 이를 정류부(20)에서 입력받아 정류하고, 그 정류된 직류전압과 이 전압에 비례하는 전류는 인덕터(L)로 흐른다.
각 소자가 이상적이라고 가정하고, 초기상태는 소프트 스위칭부(22)의 제1,제2 스위칭소자(S1,S2)는 각각 오프되어 있어서, 상기 인덕터(L)에 흐르는 전류는 다이오드(D)를 통해서 필터용 캐패시터(C)와 부하(23)로 공급된다.
그러면 상기 부하(23)가 동작한다.
이때 전류 검출부(24)는 상기 부하(23)로 공급되는 입력전류를 검출저항(Rs)을 통해 검출하여 역률 제어부(27)로 제공하고, 입력전압 검출부(25)는 상기 인덕터(L)로 공급되는 입력전압을 검출하여 상기 역률 제어부(27)로 출력하고, 또한 출력전압 검출부(26)는 부하(23)가 동작할 경우 그때 발생되는 출력전압(Vo)을 검출하여 상기 역률 제어부(27)로 출력한다.
그러면 상기 역률 제어부(27)는 상기 각 검출부(24~26)에서 공급되는 전류 및 전압을 이용하여 소프트 스위칭부(22)의 두 개의 스위칭소자(S1,S2)를 제어하기 위한 스위칭 제어신호를 스위치 구동부(28)로 출력한다.
이에따라 상기 스위치 구동부(28)는 소프트 스위치부(22)의 두 스위칭소자(S1,S2)의 동작을 제어한다.
가령 상기 스위치 구동부(27)가 도 6의 (a)(b)에서와 같이 소프트 스위칭부(22)의 두 개의 스위칭소자(S1,S2)를 동시에 온시키면, 영전류의 조건에서 온다.(t0구간)
상기 두 개의 스위칭소자(S1,S2)가 동시에 온되면, 공진 인덕터(Lr)에는 출력전압(Vo)이 걸리고, 공진 인덕터 전류( iLr )는 도 6(c)에서와 같이 선형적으로 증가한다.
상기 공진 인덕터 전류( iLr )가 인덕터(L)에 흐르는 전류( IL )와 같아지면, 다이오드(D)에 흐르는 전류( ID )는 도 6(g)에서와 같이 영(zero)이 되고, 공진 캐패시터(Cr)와 공진 캐패시터(Cr)→제1스위칭소자(S1)→공진 인덕터(Lr)→제2스위칭소자(S2) 패스로 공진을 해서 공진 캐패시터(Cr)의 전압이, 도 6(d)에서와 같이, 영으로 떨어진다.(t1-t2구간)
이때 다이오드(D)의 전압( VD )은, 도 6(f)에서와 같이, 영에서 출력전압(Vo) 까지 상승한다.
t2구간 부터 인덕터(L)의 전류( IL )는 S1→Lr→S2 패스로 흐르고, 공진 인덕터 전류( iLr )중 인덕터(L)의 전류( IL )를 뺀 나머지 전류는 제1스위칭소자(S1)→공진 인덕터(Lr)→제2보조다이오드(Da2)와 제2스위칭소자(S2)→제1보조다이오드(Da1)→공진 인덕터(Lr)의 두 패스로 환류(Freewheeling)한다.
따라서 t2까지 소프트 스위칭을 이용한 두 스위칭소자(S1,S2)의 온 절차가 모두 끝난다.
이상에서와 같이 두 스위칭소자(S1,S2)가 온되어 소프트 스위칭을 행하다가 역률 제어부(27)의 제어에 의해 스위칭 구동부(28)가 소프트 스위칭부(22)의 두 스위칭소자(S1,S2)를 모두 오프시키면 다음과 같은 동작이 일어난다.
즉, 상기 두 스위칭소자(S1,S2)가 오프되면, 인덕터(L)의 전류( IL )와 공진 인덕터(Lr)의 전류( iLr )에 의해서 공진 캐패시터(Cr)와 다시 공진을 하여 공진 캐패시터(Cr)의 전압( VCr )이, 도 6(d)에서와 같이, 출력전압(Vo) 까지 상승한다.(t3-t4구간)
이렇게 공진 캐패시터(Cr)의 전압 (VCr) 이 상승하다가 출력전압(Vo)과 같아지면, 다이오드(D)의 양단전압은 영이되고 도통되어 인덕터(L)의 전류 (IL) 를 필터용 캐패시터(C)와 부하(23)로 공급한다.
한편 공진 인덕터(Lr)에 남아있던 전류는 Da2→Lr→D→C 및 부하 패스로 흘러서, 도 6(c)에서와 같이, 선형적으로 감소한다.
따라서 이 전류가 영이되면 오프 절차가 모두 끝난다.
이후 역률 제어부(27)에서 다시 소프트 스위칭부(28)의 두 스위칭소자(S1,S2)를 온시키라는 신호가 나오기 전까지는 현 상태가 유지되어 한 주기가 끝난다.
이와같이 각 스위칭시는 항상 영전압 또는 영전류에서 스위칭을 해서 도 5의 각 스위칭소자 및 다이오드의 손실을 최소화한다.
도 7은 도 5에서 스위칭 구동부(27)의 실시예를 보이고 있는 것으로, 역률 제어부(27)의 출력인 Vp를 받아서 소프트 스위칭부(22)의 두 개의 스위칭소자(S1,S2)를 구동시킬 수 있는 게이트 펄스를 만들어 준다.
즉, 역률 제어부(27)에서 소프트 스위칭부(22)를 제어하기 위한 출력전압(Vp)을 스위치 구동부(28)로 제공하면, 상기 출력전압(Vp)은 포토 커플러(281)와 제2게이트 저장부(284)로 각각 출력된다.
먼저 출력전압(Vp)은 포토 커플러(281)의 트랜지스터(Tr)의 게이트로 인가되어, 상기 트랜지스터(Tr)를 턴온 또는 턴오프 시킨다.
가령, 출력전압(Vp)이 고전위 상태이면, 상기 트랜지스터(Tr)는 턴온되어 포토 다이오드가 발광하지 않게 되고 이에따라 포토 트랜지스터는 턴오프 상태가 된다.
따라서 전원전압단(Vdd)의 고전위는 버퍼부(282)의 트랜지스터(TR1)는 턴온시키고, 트랜지스터(TR2)는 턴오프 시킨다.
상기 트랜지스터(TR1)가 턴온됨에 따라 전원전압단(Vdd)의 고전위는 게이트 저항부(283)의 저항(Rg1) 및 다이오드(D1)를 통해 고전위상태의 펄스를 Vg1단자를 통해 소프트 스위칭부(22)의 제2스위칭소자(S2)로 제공한다.
고전위 상태의 출력전압(Vp)은 제2게이트 저항부(284)의 저항(Rg2)와 다이오드(D2)를 통해 고전위상태의 펄스를 Vg2단자를 통해 상기 소프트 스위칭부(22)의 제2스위칭소자(S2)로 제공한다.
결국, 역률 제어부(27)에서 고전위상태의 출력전압(Vp)을 스위치 구동부(28)로 제공하면, 상기 스위치 구동부(28)는 소프트 스위칭부(22)의 두 개의 스위칭소자(S1,S2)를 모두 구동시킬 펄스를 제공한다.
마찬가지로 상기 역률 제어부(27)에서 저전위상태의 출력전압(Vp)을 스위치 구동부(28)로 제공하면, 상기 스위치 구동부(28)는 저전위 상태의 펄스를 Vg1, Vg2단자를 통해 소프트 스위칭부(22)로 제공하여 두 개의 스위칭소자(S1,S2)는 모두 구동되지 않게 된다.
이상에서와 같이 소프트 스위칭부(22)를 이용하여 스위칭소자를 스위칭할 경우 항상 영전압 또는 영전류에서 스위칭하도록 하여, 스위치 및 다이오드의 손실을 최소화한다.
따라서, 본 발명은 소프트 스위칭 방식을 이용하여 스위치 및 다이오드의 손실을 거의 영으로 줄임으로써, 큰 방열판과 큰 풍량의 팬 사용을 제거하고, EMI 문제도 상당히 저감하고, 부가적으로 들어가는 소자의 수를 최소로 할 수 있어 가격을 낮추도록 한 효과가 있다.

Claims (2)

  1. 상용전원을 정류하는 정류부의 출력을 받아서 역률을 개선하기 위한 인덕터와, 상기 인덕터의 역률을 개선하기 위하여 소프트 스위칭동작을 행하여 손실을 줄이도록 한 소프트 스위칭부와, 상기 소프트 스위칭부의 스위칭 상태에 따라 공진을 하여 영전압 조건을 만들어주는 공진 캐패시터와, 부하고 입력되는 전류를 검출하는 전류 검출부와, 상기 부하로 입력 및 출력되는 전압을 검출하는 입력 및 출력전압 검출부와, 상기 소프트 스위칭부를 제어하기 위한 출력전압을 출력하는 역률 제어부와, 상기 출력전압에 따라 스위칭 제어신호를 출력하는 스위치 구동부로 구성된 승압형 컨버터에 있어서, 상기 스위치 구동부는 역률 제어부의 출력전압에 따라 온 또는 오프되는 포토 커플러와, 상기 포토 커플러의 출력전압을 버퍼링하여 출력하는 버퍼부와, 상기 버퍼부의 출력전압에 따라 제1스위칭소자를 제어하기 위한 게이트 펄스를 생성하여 출력하는 제1게이트 저항부와, 상기 역률 제어부의 출력전압에 따라 제2스위칭소자를 제어하기 위한 게이트 펄스를 생성하여 출력하는 제2게이트 저항부로 구성된 것을 특징으로 하는 소프트 스위칭 역률제어용 승압형 컨버터의 스위칭 회로.
  2. 제1항에 있어서, 게이트 저항부는 저항 및 역방향 다이오드를 직렬연결하고, 상기 직렬 연결된 저항 및 역방향 다이오드와 병렬로 저항을 연결하여 구성된 것을 특징으로 하는 소프트 스위칭 역률제어용 승압형 컨버터의 스위칭 회로.
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