KR100663545B1 - 역률 보상 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 고효율, 고 역률을 실현하고 역률 보상 회로의 단순화를 도모하며, 전자파 발생을 감소토록 한 역률 보상 장치에 관한 것으로서,

이러한 본 발명은, 입력 전압의 레벨을 감지하는 입력 전압 감지부와; 부하에 공급되는 출력 전류의 레벨을 감지하는 출력 전류 감지부와; 후술되는 주 역률 보상부의 인덕터에 흐르는 전류를 감지하는 주전류 감지부와; 입력 전압 감지부와 출력 전류 감지부 및 주전류 감지부에서 각각 획득되는 입력 전압 레벨과 주전류 레벨 및 출력 전류 레벨에 따라 부하에 공급되는 출력 전류의 제어와 역률보상을 위하여 보조 역률 보상 제어신호를 선택적으로 발생하는 병렬 역률 보상 제어기와; 병렬 역률 보상 제어기에서 발생하는 주 역률 보상 제어신호에 대응하여 입력되는 전류의 손실을 최소화하는 주 역률 보상부와; 병렬 역률 보상 제어기에서 발생하는 보조 역률 보상 제어신호에 대응하여 입력되는 전류의 손실을 최소화하는 보조 역률 보상부로 구현된다.

역률 보상, 고효율, 고역률, PFC

Description

역률 보상 장치{POWER FACTOR CORRECTION UNIT}

도 1은 종래 역률 보상 장치의 회로도.

도 2는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 역률 보상 장치의 회로도.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

110… 입력 전압 감지부

120… 출력 전류 감지부

130… 병렬 역률 보상 제어기

140… 주 역률 보상부

150… 보조 역률 보상부

160 ..... 주전류 감지부

본 발명은 역률 보상(PFC: Power Factor Correction)에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 고효율, 고 역률을 실현하고 역률 보상 회로의 단순화를 도모하며, 전자파 발생을 감소토록 한 역률 보상 장치에 관한 것이다.

일반적으로, 정보통신기기나 컴퓨터 기기 또는 의료장비 등에 적용된 전원 시스템에서는 소형 경량을 요구하면서 고효율을 갖는 역률 보상 회로(PFC)에 대한 요구가 급격히 증가하고 있는 추세이다. 특히, 변압기 및 커패시터의 크기와 무게를 줄이면서도 스위칭 소자에 대한 스위칭 손실을 최소화하도록 한 역률 보상 회로가 요구되고 있다.

전기 전자 제품의 효율증가 및 송배전 과정의 손실을 줄이기 위하여 전 세계적으로 역률 보상 회로의 사용이 강제화되고 있는 추세이며, 전자 제품의 소형화 및 고품질화를 위하여 고주파 스위칭에 의한 부스트(boost) 방식이 일반적으로 사용되고 있으며, 역률 보상 회로는 역률을 조정하기 위해 정류기와 인버터 사이에 삽입되는 경우가 대부분이다.

도 1은 종래 적용된 역률 보상 회로의 회로도를 개시한 것이다.

이에 도시된 바와 같이, 교류 전원 입력단에 위치한 커패시터(C1)와, 그 커패시터(C1)의 출력단에 연결된 승압 인덕터(L1), 펄스 폭 변조(PWM) 신호를 통해 역률을 보상하는 역률 보상 제어기(10)와, 역률 보상 제어기(10)에서 출력되는 펄스폭변조 신호에 대응하여 스위칭 동작을 수행하는 스위칭소자(Q1)와, 블로킹 다이오드(D1)로 구성된다.

이와 같이 구성되는 종래 역률 보상 회로는, 역률 보상 제어기(10)에서 스위칭소자(Q1)가 펄스 폭 변조 신호를 통해 제어를 하게 되고, 인덕터에 충전된 전류 에너지가 역기전력을 발생하여 블로킹 다이오드(D1)를 통하여 출력으로 방전되는 동작을 한다.

그리고 인덕터(L1)는 흐르는 전류의 손실이 거의 없는 경로를 제공해주게 된다. 그러나 이러한 고주파 스위칭 회로를 역률 보상 회로로 적용할 경우, 용량의 증가에 따라 반도체 스위치 및 인덕터(inductor)의 용량이 증가하므로, 전류량의 증가시 기하급수적으로 스위칭 소자에 가해지는 스트레스(stress) 및 개별부품의 손실이 증가하고, 전자파 잡음 및 발열 등에 의하여 효율이 저하되고, 제품의 신뢰성이 떨어지고 가격이 상승하는 문제점을 발생하였다.

또한, 하나의 인덕터에 의한 동작의 경우 전력량이 줄어들면 전류가 줄어들어 역기전력의 감소 및 감지(sensing) 감도의 저하로 작은 부하에서 고역률 실현이 어렵다는 문제점도 야기하였다.

이에 본 발명은 상기와 같은 종래 고주파 스위칭 소자를 사용한 역률 보상 회로에서 발생하는 제반 문제점을 해결하기 위해서 제안된 것으로서,

본 발명의 목적은, 고효율, 고 역률을 실현하고 역률 보상 회로의 단순화를 도모하며, 전자파 발생을 감소토록 한 역률 보상 장치를 제공하는 데 있다.

본 발명의 다른 목적은, 전자제품의 대용량화에 따른 전원부의 발열, 손실의 증가, 부품 스트레스를 줄여 제품의 신뢰성 향상을 도모하기 위한 역률 보상 장치를 제공하는 데 있다.

본 발명의 또 다른 목적은, 소용량 부품의 적용 및 전자파 차폐(EMI) 필터를 줄이고, 방열구조를 최소화함으로써 제품의 소형화 및 원가절감을 도모하도록 한 역률 보상 장치를 제공하는 데 있다.

이러한 목적들을 달성하기 위한 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 "역률 보상 장치"는,

입력 전압의 레벨을 감지하는 입력 전압 감지부와;

부하에 공급되는 출력 전류의 레벨을 감지하는 출력 전류 감지부와;

후술되는 주 역률 보상부의 인덕터에 흐르는 전류를 감지하는 주전류 감지부와;

상기 입력 전압 감지부와 출력 전류 감지부 및 주전류 감지부에서 각각 획득되는 입력 전압 레벨과 주전류 레벨 및 출력 전류 레벨에 따라 상기 부하에 공급되는 출력 전류의 제어와 역률보상을 위하여 보조 역률 보상 제어신호를 선택적으로 발생하는 병렬 역률 보상 제어기와;

상기 병렬 역률 보상 제어기에서 발생하는 주 역률 보상 제어신호에 대응하여 입력되는 전류의 손실을 최소화하는 주 역률 보상부와;

상기 병렬 역률 보상 제어기에서 발생하는 보조 역률 보상 제어신호에 대응하여 입력되는 전류의 손실을 최소화하는 보조 역률 보상부를 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.

여기서 병렬 역률 보상 제어기는 입력 전압의 레벨과 출력 전류의 레벨에 따라 여러 단으로 구성된 제어신호 출력단을 통해 주 역률 보상 제어신호와 보조 역 률 보상 제어신호를 발생하는 것을 특징으로 한다.

또한, 주 역률 보상부는 전원 입력단에 연결된 인덕터와, 상기 인덕터의 출력단에 접속되고 상기 병렬 역률 보상 제어기의 제어신호에 따라 스위칭 동작을 수행하는 스위칭소자와, 상기 인덕터의 출력단과 스위칭소자의 일단에 접속되어 부하에 전류를 공급해주는 역전류 방지용 다이오드를 포함한다.

또한, 보조 역률 보상부는 적어도 하나이상의 주 역률 보상부와 병렬로 연결되는 것을 특징으로 한다.

또한, 보조 역률 보상부는, 전원 입력단에 연결된 인덕터와, 상기 인덕터의 출력단에 접속되고 상기 병렬 역률 보상 제어기의 제어신호에 따라 스위칭 동작을 수행하는 스위칭소자와, 상기 인덕터의 출력단과 스위칭소자의 일단에 접속되어 부하에 전류를 공급해주는 역전류 방지용 다이오드로 이루어진 역률 보상기가 적어도 2개 이상 병렬로 연결된 것을 특징으로 한다.

이하 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부한 도면에 의거 상세히 설명하면 다음과 같다. 본 발명을 설명하기에 앞서 관련된 공지 기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그에 대한 상세한 설명은 생략한다.

역률 보상 회로의 손실은 전류의 크기의 제곱에 비례하여 증가하므로 용량이 클수록 손실이 기하급수적으로 증가하는 것에 착안하여, 본 발명에서는 대용량의 역률 보상 회로를 중소용량의 n개의 회로로 분산하고, 이를 병렬로 연결하여 전류를 분산시켜 손실을 줄이고, 병렬회로를 주회로와 보조회로로 분류하고 제어를 위 한 전류 및 전압을 검출하여 검출 손실을 줄이며 하나의 컨트롤러에 의하여 제어가 가능토록 한다.

도 2는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 "역률 보상 장치"의 회로도이다.

여기서 참조부호 110은 입력 전압의 레벨을 감지하는 입력 전압 감지부를 나타내고, 참조부호 120은 부하에 공급되는 출력 전류의 레벨을 감지하는 출력 전류 감지부를 나타낸다.

또한, 참조부호 160은 주 역률 보상부(140)의 인덕터에 흐르는 전류를 감지하는 주전류 감지부로서, 저항(R10)을 구비한다.

또한, 참조부호 130은 입력 전압 감지부(110)와 출력 전류 감지부(120) 및 주전류 감지부(160)에서 각각 획득되는 입력 전압 레벨과 주전류 레벨 및 출력 전류 레벨을 비교하여 그 결과에 따라 부하에 공급되는 출력 전류의 제어와 역률 보상을 위하여 보조 역률 보상 제어신호를 선택적으로 발생하는 병렬 역률 보상 제어기로서, 입력 전압의 레벨과 주전류 레벨 및 출력 전류의 레벨에 따라 여러 단으로 구성된 제어신호 출력단을 통해 주 역률 보상 제어신호와 보조 역률 보상 제어신호를 발생하게 된다.

아울러 참조부호 140은 병렬 역률 보상 제어기(130)에서 발생하는 주 역률 보상 제어신호에 대응하여 입력되는 전류의 손실을 최소화하는 주 역률 보상부로서, 전원 입력단에 연결된 인덕터(L1)와, 인덕터(L1)의 출력단에 접속되고 병렬 역률 보상 제어기(130)의 제어신호에 따라 스위칭 동작을 수행하는 스위칭소자(Q1)와, 인덕터(L1)의 출력단과 스위칭소자(Q1)의 일단에 접속되어 부하에 전류를 공급 해주는 역전류 방지용 다이오드(D1)를 포함한다.

참조부호 150은 병렬 역률 보상 제어기(130)에서 발생하는 보조 역률 보상 제어신호에 대응하여 입력되는 전류의 손실을 최소화하는 보조 역률 보상부로서, 전원 입력단에 연결된 인덕터(L2, L2, Ln)와 그 인덕터의 출력단에 접속되고 병렬 역률 보상 제어기의 제어신호에 따라 스위칭 동작을 수행하는 스위칭소자(Q2, Q3, Q4) 및 인덕터의 출력단과 스위칭소자의 일단에 접속되어 부하에 전류를 공급해주는 역전류 방지용 다이오드(D2, D3, Dn)로 이루어진 역률 보상기(151 ~ 150n)가 적어도 2개 이상 병렬로 연결된다.

이와 같이 구성된 본 발명에 따른 역률 보상 장치는, 입력 전압 감지부(110)에서 입력되는 전압의 레벨을 감지하여 병렬 역률 보상 제어기(130)에 제공하게 되고, 출력 전류 감지부(120)에서 부하에 공급되는 출력 전류의 레벨을 감지하여 병렬 역률 보상 제어기(130)에 제공하며, 주전류 감지부(160)도 주 역률 보상부(140)내의 인덕터에 흐르는 전류를 감지하여 주 전류 레벨로 병렬 역률 보상 제어기(130)에 제공한다.

병렬 역률 보상 제어기(130)는 시스템에서 사용하는 전력량인 출력 전류와 입력 전압 및 주전류 레벨을 비교하여 저전력을 사용하거나 입력 전압이 고전압일 경우 그 레벨에 따라 주 역률 보상부(140)와 보조 역률 보상부(150)내의 역률 보상기(151 ~ 150n)의 동작을 순차적으로 제어하게 된다.

예를 들어, 최소 저전력을 사용하는 경우에는 주 역률 보상 제어신호만 동작 신호를 발생하여 주 역률 보상부(140)만을 동작시키고, 보조 역률 보상 제어신호를 발생하지 않아 보조 역률 보상부(150)는 동작을 시키지 않게 된다.

아울러 저전력이나 최소 저전력보다는 많이 사용할 경우에는 주 역률 보상부(140)는 동작시키고, 보조 역률 보상부(150) 내의 하나의 역률 보상기(예를 들어, 151) 만을 동작시키는 방법으로 역률 보상을 수행하여 고효율, 고 역률을 구현하게 된다.

그리고 입력 전압이 고전압일 경우에는 입력전류가 적으므로 주 역률 보상부(140)와 보조 역률 보상부(150)내의 몇 개의 역률 보상기만을 동작시켜 역률을 보상하게 되고, 입력 전압이 고전압보다는 낮은 전압일 경우에는 주 역률 보상부(140)와 보조 역률 보상부(150)를 모두 동작시켜 역률 보상을 하게 된다.

여기서 역률 보상부(150) 내의 하나의 역률 보상기의 구성은 동일하고, 작용 역시 동일하며, 주 역률 보상부(140)의 동작은 주지한 도 1의 종래 역률 보상 회로의 구성과 동일하므로 중복 기재를 회피하기 위해서 그의 자세한 설명은 생략한다.

즉, 본 발명은 저 전력시나 입력 고전압 영역에서 인덕터의 전류 감소에 의한 역기전력 부족에 기인하는 역률저하 현상을 일부의 인덕터로 전류를 모아 해소할 수 있다. 아울러 용량분산에 따라 반도체 스위치(Q1 ~ Q4)의 사용시 반도체 제조과정에서 수반되는 기생용량 성분이 적은 소자를 사용할 수 있으므로, 역률의 개선 및 효율 증가를 도모하게 되는 것이다.

아울러 용량의 분산으로 반도체의 스트레스를 줄일 수 있으므로, 고주파화가 가능하여 개별 부품을 소형화할 수 있게 되는 것이다.

본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시 예에 한정되지 아니하며, 청구범위 에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 범위 내에 있게 된다.

이상에서 상술한 본 발명에 따르면, 대용량의 역률 보상 회로를 중소용량의 n개의 회로로 분산하고, 이를 병렬로 연결하여 전류를 분산시킴으로써 전류 손실을 줄일 수 있는 효과가 있다.

또한, 하나의 컨트롤러에서 다수로 분산된 소용량의 주회로와 보조회로를 동시에 제어할 수 있으므로, 전체적인 회로 구현을 단순화할 수 있는 이점도 있다.

또한, 저 전력시나 입력 고전압 영역에서 인덕터의 전류 감소에 의한 역기전력 부족에 기인하는 역률저하 현상을 일부의 인덕터를 통해 해소할 수 있는 장점도 있으며, 용량분산에 따라 반도체 스위치의 사용시 반도체 제조과정에서 수반되는 기생용량 성분이 적은 소자도 사용할 수 있으므로, 역률의 개선 및 효율 증가를 도모해주는 이점이 있다.

또한, 용량의 분산으로 반도체의 스트레스를 줄일 수 있으므로, 고주파화가 가능하여 개별 부품을 소형화할 수 있는 장점도 있다.

Claims (6)

1. 역률 보상 장치에 있어서,

   입력 전압의 레벨을 감지하는 입력 전압 감지부와;

   부하에 공급되는 출력 전류의 레벨을 감지하는 출력 전류 감지부와;

   후술되는 주 역률 보상부의 인덕터에 흐르는 전류를 감지하는 주전류 감지부와;

   상기 입력 전압 감지부와 출력 전류 감지부 및 주전류 감지부에서 각각 획득되는 입력 전압 레벨과 주전류 레벨 및 출력 전류 레벨에 따라 상기 부하에 공급되는 출력 전류의 제어와 역률보상을 위하여 보조 역률 보상 제어신호를 선택적으로 발생하는 병렬 역률 보상 제어기와;

   상기 병렬 역률 보상 제어기에서 발생하는 주 역률 보상 제어신호에 대응하여 입력되는 전류의 손실을 최소화하는 주 역률 보상부와;

   상기 병렬 역률 보상 제어기에서 발생하는 보조 역률 보상 제어신호에 대응하여 입력되는 전류의 손실을 최소화하는 보조 역률 보상부를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 역률 보상 장치.
2. 제1항에 있어서, 상기 병렬 역률 보상 제어기는 상기 입력 전압의 레벨과 출력 전류의 레벨에 따라 여러 단으로 구성된 제어신호 출력단을 통해 주 역률 보상 제어신호와 보조 역률 보상 제어신호를 발생하는 것을 특징으로 하는 역률 보상 장치.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 병렬 역률 보상 제어기는, 상기 입력 전압의 레벨과 출력 전류의 레벨에 따라 다수의 보조 역률 보상 제어신호를 동시에 발생하거나 하나의 보조 역률 보상 제어신호만을 발생하거나 보조 역률 보상 제어신호를 발생하지 않는 것을 특징으로 하는 역률 보상 장치.
4. 제1항에 있어서, 상기 주 역률 보상부는 전원 입력단에 연결된 인덕터와, 상기 인덕터의 출력단에 접속되고 상기 병렬 역률 보상 제어기의 제어신호에 따라 스위칭 동작을 수행하는 스위칭소자와, 상기 스위칭소자의 일단에 접속되어 부하에 전류를 공급해주는 역전류 방지용 다이오드를 구비한 것을 특징으로 하는 역률 보상 장치.
5. 제1항에 있어서, 상기 보조 역률 보상부는 적어도 하나이상의 주 역률 보상부와 병렬로 연결되는 것을 특징으로 하는 역률 보상 장치.
6. 제1항 또는 제5항에 있어서, 상기 보조 역률 보상부는, 전원 입력단에 연결된 인덕터와, 상기 인덕터의 출력단에 접속되고 상기 병렬 역률 보상 제어기의 제어신호에 따라 스위칭 동작을 수행하는 스위칭소자와, 상기 인덕터의 출력단과 스위칭소자의 일단에 접속되어 부하에 전류를 공급해주는 역전류 방지용 다이오드로 이루어진 역률 보상기가 적어도 하나 이상 병렬로 연결된 것을 특징으로 하는 역률 보상 장치.

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