KR100415186B1 - 역톱니파를이용한역률보상회로 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 역톱니파를 이용한 역률 보상회로에 관한 것으로서, 특히 승압형 콘버터의 역률을 보상하는 회로에 있어서, 상기 승압형 콘버터의 출력전압을 소정 전압으로 분배하는 전압분배부; 상기 전압분배부의 출력신호를 기준신호와 비교하여 출력전압의 변동에 비례한 에러신호를 검출하는 에러 증폭부; 상기 에러 증폭부의 출력신호와 역톱니파 신호를 곱하여 일정한 이득을 얻기위한 승산기; 상기 스위칭 트랜지스터의 턴온 전류에 대응하여 입력전류를 감지하는 전류 감지부; 상기 전류 감지부의 출력신호와 상기 곱셈부의 출력신호를 비교하여 상기 스위칭 트랜지스터의 턴오프 시간을 결정해주는 비교부; 클럭신호와 상기 클럭신호와 동기된 역톱니파 신호를 발생하는 발진기; 및 상기 발진기의 클럭신호에 응답하여 상기 스위칭 트랜지스터를 구동시켜 상기 입력전류의 펄스 주기가 결정되는 구동부를 구비하는 것을 특징으로 한다.
따라서, 본 발명에서는 역톱니파 신호를 이용하여 입력전압의 형태로 입력전류를 제어할 수 있으므로 회로를 간단하게 구성하여 단위 역률(Unit Power Factor)에 가까운 고역률을 얻을 수 있다.

Description

역톱니파를 이용한 역률 보상회로
본 발명은 승압형 콘버터의 역률 보상회로에 관한 것으로서, 특히 역톱니파를 이용하여 입력전류의 기울기를 제어시켜 고역률을 달성할 수 있는 역톱니파를이용한 역률 보상회로에 관한 것이다.
직류전원은 상업용부터 가정용까지 넓은 분야에서 이용되고 있다. 이 직류전원을 상용 교류전원으로 부터 얻기 위해서는 일반적으로 회로구성이 간단한 콘덴서 입력형의 정류회로가 많이 사용되어진다. 그러나, 이 회로는 입력전류가 입력교류전압의 피크부분에서만 흐르기 때문에 펄스형으로 되어 역률이 나빠지며, 각종 전기장치에는 저항, 인덕턴스, 커패시턴스 성분이 조합되어 나타나기 때문에 전원으로 부터의 전류 위상이 전원전압과 달라지고 전압이 왜곡되어 나타난다.
그러므로, 콘버터 시스템의 구동에 있어서 전압왜곡을 억제함으로 역률을 개선하는 방법 중 연속전류모드 (Continus Current Mode;CCM)방식은 단위 역률(Unit Power Factor)을 얻을 수 있는 가장 근접한 제어방식으로 알려지고 있다.
CCM 제어방식으로는 피크전류 검출방식, 가변 히스테리시스 제어 방식, 평균전류 방식 등이 있다. 이들 개개의 방식들은 높은 역률을 얻는 장점도 있지만 단점들도 있기 때문에 선택한 시스템에 사용되는 회로가 경제적이고, 적합한가를 잘 생각해야 한다.
CCM 제어방식 중에서 평균전류 제어방식은 입력전압이나, 출력부하의 변동에도 입력전류가 연속전류모드(CCM)와 비연속전류모드(Discontinus Current Mode;DCM)이 혼합된 형태로 자동 제어되며 입력전압에 비례하는 정현한 전류파형을 얻을 수 있어 라인 전류왜곡을 매우 낮게 만들기 때문에 고역률 보상회로에 가장 적합한 제어방식이다.
그러나, 평균전류 제어방식은 기술적으로 복잡한 제어구조를 가지기 때문에이해가 어렵고, 회로구현을 위해 외부 부품수가 증가하여 제조비용이 증가되는 문제점이 있다.
본 발명의 목적은 평균전류 제어방식의 개념과 동일한 동작특성을 가지는 역률 보상회로를 구현하므로서, 역톱니파 신호를 이용하여 입력전류의 기울기를 제어시켜 고역률을 얻을 수 있고, 또한 회로구성을 간단하게 하여 경제성이 있는 저가형의 역률 보상회로를 제공하는데 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 장치는 스위칭 트랜지스터의 턴온 상태에서 인덕터에 전압을 축적하고, 턴오프 상태에서 인덕터에 축적된 전압을 입력전압과 중첩시켜 출력하는 승압형 콘버터의 역률을 보상하는 회로에 있어서, 상기 승압형 콘버터의 출력전압을 소정 전압으로 분배하는 전압분배부; 상기 전압분배부의 출력신호를 기준신호와 비교하여 출력전압의 변동에 비례한 연산 신호를 검출하는 에러 증폭부; 상기 에러 증폭부의 출력신호와 역톱니파 신호를 곱하여 일정한 이득을 얻기위한 승산기; 상기 스위칭 트랜지스터의 턴온 전류에 대응하여 입력전류를 감지하는 전류 감지부; 상기 전류 감지부의 출력신호와 상기 승산기의 출력신호를 비교하여 상기 스위칭 트랜지스터의 턴오프 시간을 결정해주는 비교부; 클럭신호와 상기 클럭신호와 동기된 역톱니파 신호를 발생하는 발진기; 및 상기 발진기의 클럭신호에 응답하여 상기 스위칭 트랜지스터를 턴온시키고, 상기 비교부의 출력신호에 응답하여 상기 스위칭 트랜지스터를 턴오프시켜 상기 입력전류의 펄스 주기가 결정되는 구동부를 구비하는 것을 특징으로 한다.
도 1 은 본 발명에 따른 역톱니파를 이용한 역률 보상회로를 나타내는 회로도이다.
도 2 는 본 발명에 따른 역률 보상회로의 제어전압들을 나타내는 파형도이다.
도 3 은 본 발명에 따른 이득이 서로 다른 입력전류들의 파형도이다.
*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*
100: 승압형 콘버터. 110: 정류기.
200: 역률 보상회로. 210: 전압분배부.
220: 에러 증폭부. 230: 곱셈부.
240: 전류 감지부. 250: 비교부.
260: 발진기. 270: 구동부.
이하, 첨부한 도면을 첨부하여 본 발명을 상세하게 설명하고자 한다.
도 1 은 본 발명에 따른 역톱니파를 이용한 역률 보상회로의 일 실시예로서, 승압형 콘버터(100)는 교류신호를 정류하는 정류기(110), 상기 정류된 신호를 평활하는 평활 커패시턴스(C1), 스위칭 트랜지스터(T1)에 응답하여 상기 평활된 신호를 축적하는 인덕턴스(L), 상기 인덕턴스(L)를 통과한 신호가 역류되지 않도록 제어하는 다이오드(D), 및 상기 도통된 다이오드(D)의 출력신호를 충전하는 충전 커패시턴스(C3)로 구성된다.
역률 보상회로(200)는 상기 승압형 콘버터(100)의 출력신호를 저항(R2,R3)에 의해 소정 전압으로 분배하는 전압분배부(210)와, 상기 전압분배부(210)의 출력신호를 기준신호(Vref)와 비교하여 출력전압(Vo)의 변동에 따른 에러신호(Ve)를 검출하기 위해 연산 증폭기(AMP1), 커패시턴스(C4), 기준전압(Vref)을 포함하는 에러 증폭부(220)와, 상기 에러 증폭부(220)의 에러신호(Ve)와 역톱니파 신호(Vsw)를 곱하여 일정한 이득을 얻어 출력전압(Vo)에 변동에 따른 입력전류를 제어하기 위한 기준전압(Vmo)을 발생하는 승산기(230)와, 상기 스위칭 트랜지스터(T1)의 턴온 전류에 대응하여 입력전류를 발생하기 위해 감지저항(Rs), 저항(R), 커패시턴스(C2)를 포함하는 전류 감지부(240)와, 상기 전류 감지부(240)의 출력신호(Vcs)와 상기 승산기(230)의 기준전압(Vmo)을 비교하여 상기 스위칭 트랜지스터(T1)의 턴오프 시간을 결정해주는 비교부(250)와, 클럭신호(Clock)와 상기 클럭신호(Clock)와 동기된 역톱니파 신호(Vsw)를 발생하는 발진기(260)와, 상기 발진기(260)의 클럭신호(Clock)에 응답하여 상기 스위칭 트랜지스터(T1)를 턴온시키고, 상기 비교부(250)의 출력신호에 응답하여 상기 스위칭 트랜지스터(T1)를 턴오프시켜 입력전류를 제어하는 플립플롭(272), 부정 논리합 게이트(274), 드라이버(276)를 포함하는 구동부(270)로 구성된다.
이와 같이 구성된 본 발명의 동작은 도 1 을 참조하여 보면 다음과 같다.
상기 스위칭 트랜지스터(T1)의 턴온 상태에서 인덕터(L)에 에너지가 축적되고, 상기 스위칭 트랜지스터(T1)의 턴오프 상태에서 상기 축적된 에너지를 입력전압(Vin)에 중첩시켜서 출력하므로 승압형 콘버터(100)를 통해 상기 입력전압(Vin)보다 높은 출력전압(Vo)을 얻을 수 있다.
상기 승압형 콘버터(100)의 상기 출력전압(Vo)을 전압 분배부(210)에 의해 입력전압(Vi)과 출력부하 변동에 따른 안정된 입력전류를 형성하기 위해 소정의 전압으로 분배한 후, 상기 전압분배부(210)의 출력신호를 에러 증폭부(220)의 기준전압(Vref)과 비교하여 출력전압(Vo)의 변동에 비례하여 입력전압(Vi)과 출력전압 (Vo)의 에러를 검출하기 위해 에러신호(Ve)를 출력한다.
그리고, 상기 에러신호(Ve)와 발진기(262)의 역톱니파 신호(Vsw)는 상기 승산기(230)를 통해 두신호가 곱해져 일정한 이득을 얻어 출력전압(Vo)에 변동에 따른 입력전류를 제어하기 위한 기준전압(Vmo)을 발생한다.
또한, 상기 스위칭 트랜지스터(T1)가 턴온되면 상기 인덕턴스에 축전된 전류가 전류 감지부(240)로 흐르게 되어 입력전류를 형성하는 신호(Vcs)를 발생한다.
상기 전류감지부(240)의 출력신호(Vcs)는 비교부(250)를 통해 상기 기준전압(Vmo)과 비교되어 상기 출력전압(Vo) 변동에 따른 입력전류를 제어하기 위해 플립프롭(272)을 리세트시키는 제어신호를 발생한다.
그리고, 발진기(260)를 출력되는 역톱니파 신호(Vsw)의 상승에지에 동기한 클럭신호(Clock)에 의해 상기 플립플롭(272)은 세트되고, 클럭신호와 동기된 상기 비교부(250)의 제어신호에 의해 상기 플립플롭(272)이 리세트된다.
상기 플립플롭(272)의 출력신호와 발진기(260)를 출력되는 역톱니파 신호 (Vsw)의 상승에지에 동기한 클럭신호(Clock)에 의해 부정 논리합 게이트(274)는 두 신호가 하이상태일때만 로우상태의 구동신호를 발생한다.
구동부(276)는 상기 구동신호에 응답하여 로우레벨일 경우는 상기 스위칭 트랜지스터(T1)가 턴오프되고, 하이레벨일 경우 상기 스위칭 트랜지스터(T1)를 턴온된다.
그러므로, 상기 비교부(250)의 제어신호로 상기 스위칭 트랜지스터(T1)를 통한 펄스폭 변조가 가능하므로 입력전압의 형태대로 상기 전류 감지부(240)의 입력전류를 제어할 수 있다.
도 2 는 본 발명에 따른 역률 보상회로의 제어전압들을 나타내는 파형도로서, 도 2 를 참조하면 상기 스위칭 트랜지스터(T1)가 턴오프되는 때의 순간 인덕턴스 전류는 상기 스위칭 트랜지스터(T1)의 턴온 상태와 턴오프 상태가 같다.
[수학식 1]
단,t on스위칭 트랜지스터(T1)가 턴온된 시간, Vi은 입력전압, Vo는 승압형 콘버터(100)의 출력전압, T는 시간의 함수이다.
입력전압이V i =V ｐ sin(wt) 이라면V ρ 는 입력 피크전압을 나타내고, 상기 스위칭 트랜지스터(T1)가 턴오프되는 순간은 역톱니파 신호(V sw )와 상기 승산기(230)의 기준전압(V mo )와 같아지는 순간과 같다.
[수학식 2]
단,V cs 는 전류감지부(240)의 출력전압,V mo 는 승산기(230)의 기준전압,V e 는 에러 증폭부(220)의 에러전압, V α 는 승산기(230)의 이득전압, K는 상수를 나타낸다.
상기 수학식 2에 수학식 1을 대입하고, 상기V cs 에 포함된 인덕턴스(L) 전류를 유도하면 다음과 같다.
[수학식 3]
상기 수학식 3에서 보면 시간의 함수인 인덕턴스 전류i L (t)가 입력전압V ρ sin(wt)와 비례하며 일정한 이득()에 의해 입력전압의 크기가 결정되고 동상을 가지는 것을 알 수 있다.
도 3 은 본 발명에 따른 이득(GM)의 크기가 서로 다른 입력전류들의 파형도로서, 이득(GM)의 크기는 입력전압(Vi)과 곱해져서 일정한 상수를 가지므로 입력전류의 파형은 당연히 입력전압(Vi)의 사인파형에 벗어나지 않는다.
입력전압(Vi)이 증가하거나 출력부하 변동이 작은 경우 입력전류는 낮게 제어되므로 자동적으로 연속전류모드(CCM)와 비연속전류모드(DCM)를 합한 제어형태를 취하게 된다.
따라서, 본 발명은 평균전류 제어방식의 동작특성과 동일한 개념으로 입력전압의 형태대로 입력전류를 제어시키므로 단위 역률(Unit Power Factor)에 가까운 고역률을 얻을 수 있으며 또한, 상기 평균전류 제어방식의 회로구성이 복잡하다는 단점을 해결할 수 있다.
본 발명은 역톱니파 신호를 이용하여 입력전압이나 출력부하의 큰변동에 대해서 입력전류를 제어할 수 있으므로 단위 역률(Unit Power Factor)에 가까운 고역률을 얻을 수 있고, 회로구성이 간단하므로 경제성이 높은 역률 보상회로를 구현할 수 있는 효과가 있다.

Claims (1)

  1. 스위칭 트랜지스터의 턴온 상태에서 인덕터에 전압을 축적하고, 턴오프 상태에서 인덕터에 축적된 전압을 입력전압과 중첩시켜 출력하는 승압형 콘버터의 역률을 보상하는 회로에 있어서, 상기 승압형 콘버터의 출력전압을 소정 전압으로 분배하는 전압분배부; 상기 전압분배부의 출력신호를 기준신호와 비교하여 출력전압의 변동에 비례한 에러신호를 검출하는 에러 증폭부; 상기 에러 증폭부의 출력신호와 역톱니파 신호를 곱하여 일정한 이득을 얻기위한 승산기; 상기 스위칭 트랜지스터의 턴온 전류에 대응하여 입력전류를 감지하는 전류 감지부; 상기 전류 감지부의 출력신호와 상기 승산기의 출력신호를 비교하여 상기 스위칭 트랜지스터의 턴오프 시간을 결정해주는 비교부; 클럭신호와 상기 클럭신호와 동기된 역톱니파 신호를 발생하는 발진기; 및 상기 발진기의 클럭신호에 응답하여 상기 스위칭 트랜지스터를 턴온시키고, 상기 비교부의 출력신호에 응답하여 상기 스위칭 트랜지스터를 턴오프시켜 상기 입력전류의 펄스 주기가 결정되는 구동부를 구비하는 것을 특징으로 하는 역톱니파를 이용한 역률 보상회로.
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