KR100635680B1 - 역률 보정 회로 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 역률을 보정하기 위한 회로에 관한 것이다. 회로는 전원 정류기를 포함한다. 정류기의 입력측은 AC 전압원에 연결되며, 정류기의 출력측은 캐패시터(CS1) 및 다이오드(DS1)를 포함하는 직렬 연결부에 연결된다. 다이오드(DS1)는 캐패시터가 다이오드를 통해 전원 정류기의 출력 신호에 의해 충전될 수 없는 방식으로 배치된다. 하프 브리지 및 풀 브리지의 제 1과 제 2 스위치(T1, T2) 사이의 연결 포인트는 인턱터(L)를 거쳐 캐패시터 및 다이오드를 포함하는 직렬 연결부에 부속된 캐패시터 및 다이오드의 연결부의 포인트에 연결되며 부하(LD)에 대한 연결부를 형성한다. 연결부 상의 신호에는 작동시 AC 전압원의 출력 신호 보다 훨씬 고주파가 제공된다. 저장 캐패시터(CS)는 두 스위치에 대해 병렬로 연결된다. 적어도 하나의 추가 다이오드(DP1; DP2)는 전력 정류기에 의해 저장 캐패시터의 방전이 제공되는 방식으로 저장 캐패시터와 전원 정류기 사이에 배치된다.

Description

역률 보정 회로{CIRCUIT FOR CORRECTING THE POWER FACTOR}
본 발명은 역률 보정을 위한 회로에 관련된 것이다. 이러한 회로는 "전하 펌프" 또는 "펌프 회로"의 형태로 공지되었다. 예를 들어, 상기 회로들은 전기 공급 협회가 수용 가능한 네트워크-전류 고조파 레벨을 규정한 표준 IEC 1000-3-2를 만족시키기 위해 사용된다. 따라서, 전기 공급 네트워크로부터 고주파 에너지를 유도하는 것은 바람직하지 않다. 네트워크로부터 유도된 네트워크 전류는 네트워크 전압에 비례한다. 네트워크 전류와 네트워크 전압 사이의 비례는 최대 전력량이 소정의 케이블 사이즈에 대해 전송되도록 한다. 네트워크 전압과 네트워크 전류가 비례하지 않는 경우 발생하는 무효 전류는 케이블 손실(cable loss)을 초래하며, 추가로 케이블을 로딩하여 다른 부하와 간섭하게 한다.
역률 보정을 위한 이러한 회로는 특히 가스 방전 램프의 작동을 위한 안정기에 사용된다.
본 발명은 IEEE Transaction on Power Electronics, Vol.12, No.5, September 1997 page 867 to 875 에 나타난 "An Improved "Charge Pump" Electronic Ballast with Low THD and Low Crest Factor"라는 표제를 가진 W.Chen, F. Lee 및 T. Yamauchi에 의한 논문에서 개시된 바와 같이 종래 기술에 기초를 둔다. 논문의 도 8을 참조하면, 이 논문은 포인트(A)에서의 전압, 즉 Va(논문의 도 7을 보라)가 일정한 고주파 진폭을 갖는 방식으로 논문의 도 1의 회로를 변경하는 문제에 기초한다. 이는 네트워크에서 유도된 전력이 네트워크 전압에 비례하게 한다. 다이오드(Da1 및 Da2)는 이를 보장하기 위해 삽입되며, 이 결과로 포인트(A)는 캐패시터(CB)로 클램핑(clamp)된다. 이는 부하로부터의 반작용을 배제하며 고주파 진폭이 일정한 Va를 유지한다(논문의 도 9를 보라).
논문의 도 8에 도시된 회로의 단점은 램프 전압이 또한 다이오드(D2)에 의해 제한된다는 것이다. 따라서, 변압기가 펌프 회로와 작동될 램프사이에 연결되지 않으면 기동 전압(starting voltage)을 발생시키는 것은 불가능하다. 변압기에 대한 추가의 비용은 램프용 안정기와 같은 대량 생산 품목에서는 바람직하지 못하다.
본 발명의 목적은 역률 보정을 위한 회로, 즉 변압기를 필요로 하지 않는 펌프회로를 제공하는 것이다.
상기 목적은 입력측이 AC 전압원에 연결될 수 있으며, 출력측은 캐패시터 및 다이오드를 포함하는 적어도 하나의 직렬회로에 연결된 정류기를 가지며, 상기 다이오드는 상기 캐패시터가 정류기로부터의 출력신호에 의해 다이오드를 통해 충전될 수 없도록 구성된 회로에 의하여 달성된다. 상기 회로는 하프 브리지(half bridge) 또는 풀 브리지(full bridge)로서 직렬로 연결된 제 1 및 제 2 전자 회로 스위치를 더 포함하며, 각 스위치는 상기 스위치와 병렬로 연결된 프리휠링(freewheeling) 다이오드를 가지며, 제 1과 제 2 스위치 사이의 접합 포인트에 의해 하프 브리지 또는 풀 브리지의 출력은 한편으로 인턱터를 통해 캐패시터 및 다이오드를 포함하는 각 직렬회로의 캐패시터 및 다이오드의 접속부 상의 포인트에 연결되며, 다른 한편으론 동작 중에 AC 전압원로부터의 출력신호 보다 상당히 높은 주파수의 신호를 가진 부하에 연결된다. 회로는 두 스위치에 병렬로 연결된 에너지 저장 캐패시터 및 상기 에너지 저장 캐패시터가 정류기를 통해 방전될 수 없는 방식으로 에너지 저장 캐패시터와 정류기 사이에 배치된 적어도 하나의 추가 다이오드를 더 포함한다.
한편으로 본 발명은 두 회로 사이의 소정의 반작용을 상당히 대부분 극복함으로써 펌프 및 부하회로에서 소자의 설계에 대해 추가의 자유로움을 제공한다. 더욱이, 이는 캐패시터 상의 전압이 적어도 한번 정류기 AC 전압인 각각의 현재 공급값에 도달하는 방식으로 캐패시터(CS1), 또는 캐패시터(CS1, CS2)의 적절한 설계에 의해 램프 전력을 조정하는 것을 간단하게 하며, 이 경우 정류기 AC 전압은 부하 주기가 고려될 때 일정한 것으로 가정할 수 있다. 게다가, 부하로 펌핑되려는 에너지는 오직 캐패시터(CS1)의 캐패시턴스 또는 캐패시터(CS1 및 CS2)의 캐패시턴스에만 의존한다. 인턱터(L)의 인턱턴스는 전기적 스위치에 과도한 전류가 흐르지 않으며 전압이 0(ZVS)일 경우, 스위치는 스위칭 온 상태로 남아 있는 것을 보장할 만큼 만 크도록, 작게 될 수 있다.
유리한 개량에서, 필터는 정류기의 입력들 사이에 배치되며, 회로가 AC 전압원에 연결된 경우는 AC 전압원과 직렬 또는 병렬로 배치된다. 추가로 또는 택일적으로, 필터는 정류기의 출력에 직렬 또는 병렬로 배치될 수도 있다.
제 1 실시예에서, 회로는 다이오드 및 캐패시터에 의해 형성되는 직렬회로 및 추가의 다이오드를 포함한다. 두 스위치 중 하나가 온 상태에 있는 경우, 펌핑 즉, 전술한 실시예의 밸런싱(balancing)을 하는 또 다른 실시예에서, 회로는 다이오드 및 캐패시터에 의해 형성되는 직렬회로 및 추가의 두 다이오드를 포함한다.
이미 설명한 대로, 회로는 하프 브리지 또는 풀 브리지의 형태로 작동될 수 있다. 풀 브리지에서, 회로는 추가의 두 개의 스위치를 포함하며, 상기 두개의 스위치 사이의 접합 포인트는 제 2 부하 연결부를 형성한다. 하프 브리지의 경우, 회로는 두 결합 캐패시터(coupling capacitor)를 포함하며, 두 결합 캐패시터 사이의 접합 포인트는 제 2 부하 연결부를 형성하며, 두 결합 캐패시터에 의해 형성된 직렬회로는 에너지 저장 캐패시터와 병렬로 배치된다. 이것에 택일적으로, 오직 하나의 결합 캐패시터를 포함할 수도 있는데, 결합 캐패시터의 연결부 중 하나가 제 2 부하 연결부를 형성하고, 제 2 연결부는 에너지 저장 캐패시터의 두 연결부 중 하나에 연결된다.
본 발명의 또 다른 장점은 종속항에서 개시된다.
본 발명의 예가 되는 실시예는 첨부된 도면을 참조하여 보다 상세히 설명될 것이다.
도 1a는 하프 브리지 및 두 결합 캐패시터를 가진 본 발명에 따른 회로의 제 1 실시예를 나타낸 도면이다.
도 1b는 도 1a에 설명된 실시예에 대한 또 다른 실시예를 나타낸 도면이다.
도 1c는 결합 캐패시터를 가진 하프 브리지를 사용하는 도 1a에 도시된 부하 연결에 대한 또 다른 결선방법을 나타낸 도면이다.
도 1d는 풀 브리지를 가진 도 1a 및 도 1c의 실시예에 따른 부하 연결에 대한 또 다른 결선방법을 나타낸 도면이다.
도 2는 정류기에 병렬로 배치된 필터를 가진 도 1a, 1b, 1c에 도시된 실시예에 대한 또 다른 결선방법을 나타낸 도면이다.
도 3은 도 1 및 도 2에 도시된 실시예에 관하여 대칭적으로 결선된 또 다른 실시예를 나타낸 도면이다.
도 1a는 필터(12)와 직렬로 배치된 AC 전압원을 가진 회로를 나타낸다. 네트워크 전압은 AC 전압원(10)으로 사용될 수도 있다. 필터(12)는 한편으로 AC 전압원로부터 유도되는 고주파 전력을 방지하기 위해 사용되며, 다른 한편으로 고주파 신호가 AC 전압원에 인가되는 것을 방지한다. 이는 예를 들어 인덕터 형태일 수도 있는 저대역 필터이다.
AC 전압원(10) 및 필터(12)는 4개의 다이오드들(DG1, DG2, DG3 및 DG4)을 포함하는 정류기(14)의 입력에 연결된다. 도시된 회로에 대한 대안으로, 필터(12)는 정류기의 입력 연결부와 병렬로 배치될 수도 있는데, 필터는 낮은 비용으로 캐패시터의 형태일 수도 있다. 캐패시터(CS1) 및 다이오드(DS1)를 포함하는 직렬회로는 정류기의 출력 단자(K1, K2)와 병렬로 연결될 수도 있다. 캐패시터(C1)는 다이오드(DP1)를 통해 두 전기 스위치(T1 및 T2)를 포함하는 직렬회로에 연결되며, 각 스위치는 상기 스위치에 병렬로 연결된 프리휠링 다이오드(DF1 및 DF2)를 가진다. 두 스위치(T1 및 T2) 사이의 접합 포인트는, 한 편으로는 인턱터 포인트(L)를 거쳐 캐패시터(CS1) 및 다이오드(DS1) 사이의 접합 포인트에 연결되며, 다른 한 편으로는 부하(LD)에 연결된다.
도 1a에 도시된 실시예에서, 부하(LD)는 하프 브리지의 출력 단자에 연결되고, 제 2 부하 연결부는 결합 캐패시터(CK1, CK2) 사이의 접합 포인트에 의해 형성되는데, 결합 캐패시터는 스위치(T1 및 T2)에 병렬로 배열된다. 도 1a에 도시된 회로에서, 에너지 저장 캐패시터(CS)는 결합 캐패시터(CK1 및 CK2)와 병렬로 배치된다.
만일 전기 스위치(T1 및 T2)가 각각 전계 효과 트랜지스터일 경우, 프리휠링 다이오드(DF1 및 DF2)는 미리 전계 효과 트랜지스터에 포함될 수 있다.
도 1a에 도시된 회로는 다음과 같이 동작한다: 반대상태(antiphase)로 동작되는 두 전기 스위치의 동작 주파수는 AC 전압원의 주파수와 비교하여 높다. 예를 들어, 50 ㎐에 비교하여 50 ㎑일 수도 있으며, 즉 두 트랜지스터는 각각 10㎲로 교대로 스위칭 온 된다. 스위치(T2)가 스위칭 온 된 시간동안, 전류는 정류기(14)로부터 단자(K1)을 거쳐 캐패시터(CS1)에 흐르며, 인턱터(L) 및 전기 스위치(T2)를 거쳐 정류기의 단자(K2)로 흐른다. 캐패시터(CS1) 및 인턱터(L)는 스위치(T2)가 스위칭 오프되기 전에 캐패시터(CS1)가 AC 전압원(10)의 현재 전압까지 실질적으로 충전되는 크기이다.
CS1이 AC 전압원의 현재 전압까지 충전되자마자, 전위는 다이오드(DS1)의 양쪽에서 같으며, 이는 다이오드(DS1)가 순방향 바이어스되게 한다. 심지어 CS1이 최종 충전 단계에 이미 도달한 경우도, 인턱터(L)는 계속해서 전류를 운반하며, 이 전류는 다이오드(DS1), 인덕터(L) 및 스위치(T2)를 포함하는 회로에 흐른다. 이러한 주기 동안 인턱터(L)에 저장된 에너지는 AC 전압원의 현재 전압에 비례한다. 따라서 에너지는 스위치(T2)가 스위칭 온 되는 시간의 나머지 동안 회로에 저장된다. 만일, 전술한 예에서, 스위치(T2)가 스위칭 온 되는 총 시간이 10㎲라면, CS1의 최종 충전 단계는 단지 8㎲후에 도달하며, 따라서 2㎲는 에너지가 이러한 주기 동안 저장되는 시간으로 남는다. 일단 스위치(T2)가 스위칭 오프되면, 즉 스위치가 이제 오프 상태에 있으면, 전술한 주기 동안 저장된 에너지는 프리휠링 다이오드(DF1)를 거쳐 에너지 저장 캐패시터(CS)로 흐르며, 여기서 이것은 방전된다. 펌프 다이오드(DP1)는 에너지가 에너지 저장 캐패시터(CS)로부터 정류기의 단자(K1)로 거꾸로 흐르는 것을 방지한다.
따라서, 설명된 회로에서, 네트워크로부터 흐르는 에너지는 항상 네트워크 전압에 비례하므로, 네트워크 전류 및 네트워크 전압이 비례하게 되는 처음에 언급한 필요조건을 만족시킨다. 한편으로, 이러한 회로는 중간에 어떠한 변압기도 없는, 부하가 가스 방전 램프인 경우, 특히 기동시 부하(LD)의 동작, 특히 기동을 가능케 한다.
도 1b에 설명된 변형예는 스위치(T1)가 스위칭 온 되는 시간동안 캐패시터(CS2)가 충전되는 식으로 도 1a에 설명된 실시예로부터 변경된다. 상응하는 방식으로, 비록 정류기(14)의 출력단자에 관하여 캐패시터(CS2)와 다이오드(DS2)의 위치가 상호 교대되더라도 캐패시터(CS2)와 직렬로 연결된 다이오드(DS2)가 제공되야 한다. 상응하는 방식으로, 다이오드(DP2)는 에너지 저장 캐패시터(CS)가 방전되는 것을 방지하기 위해 캐패시터(CS2)와 스위치(T2) 사이에 연결된다.
도 1c는 단지 한 쌍의 커플 캐패시터(CK2)를 사용하는 실시예를 도시한다. 이것에 택일적으로 도 1a 및 도 1b에 도시된 회로에서 결합 캐패시터(CK1)는 CK2를 대신하여 동일한 기능, 즉 직류 소자에 대한 수정을 수행할 수 있다. 결합 캐패시터는 바람직하게 호일(foil) 캐패시터의 형태일 수도 있으며, 에너지 저장 캐패시터는 전해질 캐패시터 형태이다.
도 1a 내지 도 1c에 도시된 실시예에서, 부하(LD)가 하프 브리지의 출력 단자에 연결되는 반면, 도 1d는 풀 브리지를 가진 회로에서 본 발명에 따른 개념의 변형을 도시한다. 이는 또한 전기적 스위치(T3 및 T4)를 포함한다.
도 1a에 도시된 회로에 대한 대안적인 회로로서, 도 2는 정류기(14')의 출력 단자(K1 및 K2)에 연결된 저대역 필터(12')를 도시한다. 필터(12')가 설명된 실시예에서 병렬로 배치되는 반면에 필터는 또한 출력 단자(K1 및 K2)과 직렬로 연결될 수도 있다. 특히 간단한 변형예에서, 필터(12')는 출력 단자(K1 및 K2)와. 병렬로 배치된 경우 캐패시터의 형태이며, 직렬로 배치된 경우 인턱터의 형태일 수도 있다.
도 3은 특히 바람직한 실시예를 도시하며, 이 실시예에서 도 1a 및 도 1b의 실시예에서 도시된 회로 구현 및 동작법이 결합된다. 즉, 에너지는 시간(T2)이 스위칭 온 되는 동안 그리고 T1이 스위칭 온 될때, AC 전압원(10)로부터 유도된다. 당업자에게 도 3에 도시된 회로는 도 1c, 도 1d 및 도 2에 도시된 변형예와 함께 형성될 수 있음은 명백하다.

Claims (9)

  1. 역률 보정 회로에 있어서,
    입력측에서 AC 전압원(10)에 연결되며, 출력측에서 캐패시터(CS1; CS2) 및 다이오드(DS1; DS2) - 상기 다이오드(DS1; DS2)는 캐패시터(CS1; CS2)가 정류기(14; 14')로부터의 출력 신호에 의해 다이오드(DS1; DS2)를 통해 충전되지 않도록 배치됨 - 를 포함하는 적어도 하나의 직렬회로에 연결되는 정류기(14; 14');
    하프 브리지 또는 풀 브리지의 일부로서 직렬로 연결되는 제 1 및 제 2 전자 스위치(T1, T2) - 각각의 상기 스위치는 상기 스위치(T1; T2)에 병렬로 연결된 프리휠링 다이오드(DF1; DF2)를 가지며, 상기 제 1 및 제 2 스위치(T1, T2) 사이에 형성된 접합 포인트에 의해 하프 브리지 또는 풀 브리지의 출력부는 한편으로 인턱터(L)를 통해 상기 캐패시터(CS1; CS2) 및 다이오드(DS1; DS2)를 포함하는 각 직렬회로의 캐패시터(CS1; CS2)와 다이오드(DS1; DS2)의 연결부 상의 포인트에 연결되며, 다른 한편으로 부하에 연결되며, 동작 동안 상기 부하와의 연결부에서의 신호는 AC 전압원(10)로부터의 출력 신호보다 높은 주파수를 가짐 - ;
    상기 두 스위치(T1, T2)와 병렬로 연결된 에너지 저장 캐패시터(CS); 및
    상기 에너지 저장 캐패시터(CS)가 상기 정류기(14; 14')를 통해 방전되지 않도록 상기 에너지 저장 캐패시터(CS)와 상기 정류기(14; 14') 사이에 배치된 적어도 하나의 추가 다이오드(DP1; DP2)를 포함하는 역률 보정 회로.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 정류기(14; 14')의 입력들 사이에 필터(12)가 배치되며, 상기 회로가 AC 전압원(10)에 연결된 경우, 상기 필터는 상기 AC 전압원(10)에 직렬 또는 병렬로 배치되는 것을 특징으로 하는 역률 보정 회로.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 정류기(14; 14')의 출력에 필터(12')가 직렬 또는 병렬로 배치되는 것을 특징으로 하는 역률 보정 회로.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 회로는 다이오드(DS1; DS2), 캐패시터(CS1; CS2) 및 2개의 추가 다이오드(DP1; DP2)를 구비한 2개의 직렬회로를 포함하는 것을 특징으로 하는 역률 보정 회로.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 회로는 다이오드(DS1, DS2) 및 캐패시터(CS1, CS2)를 포함하는 두 직렬회로 및 추가의 다이오드(DP1, DP2)를 포함하는 것을 특징으로 하는 역률 보정 회로.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 풀 브리지는 2개의 추가 스위치(T3, T4)를 포함하며, 상기 2개의 추가스위치들(T3,T4) 사이의 접합 포인트는 제 2 부하 연결부를 형성하는 것을 특징으로 하는 역률 보정 회로.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 하프 브리지는 두 개의 결합 캐패시터들(CK1, CK2)을 포함하며, 상기 2개의 결합 캐패시터들(CK1, CK2) 사이의 접합 포인트는 제 2 부하 연결부를 형성하며, 상기 2개의 결합 캐패시터들(CK1, CK2)을 포함하는 직렬 회로는 상기 에너지 저장 캐패시터(CS)에 병렬로 연결되는 것을 특징으로 하는 역률 보정 회로.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 하프 브리지의 일부인 2개의 결합 캐패시터들(CK1, CK2)에 의해 에너지 저장 캐패시터가 형성되며, 상기 2개의 결합 캐패시터들(CK1, CK2) 사이의 접합 포인트는 제 2 부하 연결부를 형성하는 것을 특징으로 하는 역률 보정 회로.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 역률 보정 회로는 단지 하나의 결합 캐패시터(CK1; CK2)를 포함하고, 상기 캐패시터의 연결부 중 하나는 제 2 부하 연결부를 형성하며, 상기 캐패시터의 제 2 연결부는 상기 에너지 저장 캐패시터(CS)의 두 연결부 중 하나에 연결되는 것을 특징으로 하는 역률 보정 회로.
KR1020007013543A 1999-03-30 2000-02-18 역률 보정 회로 KR100635680B1 (ko)

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KR20010043952A KR20010043952A (ko) 2001-05-25
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