KR100764387B1 - 준싱글단 ｐｆｃ 컨버터 - Google Patents

준싱글단 ｐｆｃ 컨버터 Download PDF

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KR100764387B1
KR100764387B1 KR1020060062213A KR20060062213A KR100764387B1 KR 100764387 B1 KR100764387 B1 KR 100764387B1 KR 1020060062213 A KR1020060062213 A KR 1020060062213A KR 20060062213 A KR20060062213 A KR 20060062213A KR 100764387 B1 KR100764387 B1 KR 100764387B1
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류동균
사공석진
홍성수
노정욱
한상규
김종선
김준성
김태성
조광승
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삼성전기주식회사
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    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M1/00—Details of apparatus for conversion
    • H02M1/42—Circuits or arrangements for compensating for or adjusting power factor in converters or inverters
    • H02M1/4208—Arrangements for improving power factor of AC input
    • H02M1/4225—Arrangements for improving power factor of AC input using a non-isolated boost converter
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    • G05F—SYSTEMS FOR REGULATING ELECTRIC OR MAGNETIC VARIABLES
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    • Y02B70/10—Technologies improving the efficiency by using switched-mode power supplies [SMPS], i.e. efficient power electronics conversion e.g. power factor correction or reduction of losses in power supplies or efficient standby modes

Abstract

본 발명은, PFC 컨버터에서, BCM(Boundary Conduction Mode) 제어방식을 채택하여 피드백 제어기를 하나로 줄일 수 있고, 고정 주파수 및 고정 듀티로 동작하는 DC/DC 변환을 구현한 준싱글단 PFC 컨버터에 관한 것으로,
본 발명의 준싱글단 PFC 컨버터는, 교류전압을 정류하는 정류부(100); BCM(Boundary Conduction Mode) 제어에 따라 동작하는 역률 개선용 스위치를 포함하여, 상기 정류부로부터의 전압에 대한 역률을 개선하는 PFC 회로부; 상기 PFC 회로부의 입력전류의 영전류를 검출하는 영전류 검출부; 상기 PFC 회로부에 링크 커패시터를 통해 연결되어 상기 PFC 회로부로부터의 직류 전압을 목표 직류전압으로 변환하는 DC/DC 변환부; 및 상기 DC/DC 변환부의 출력단에서 검출한 피드백 전압과 기준전압과의 오차전압에 기초해서 기준 전류를 설정하고, 상기 기준전류와 상기 역률 개선용 스위치를 통해 흐르는 검출전류가 동일하면 상기 역률 개선용 스위치의 스위칭 오프를 제어하고, 상기 영전류 검출부에 의해 영전류 검출시 상기 역률 개선용 스위치의 스위칭 온을 제어하여, 상기 PFC 회로부를 BCM 제어하는 BCM PFC 제어기를 포함한다.
준싱글단, PFC, 컨버터

Description

준싱글단 ＰＦＣ 컨버터{QUASI SINGLE STAGE PFC CONVERTER}
도 1은 종래 2단 PFC 컨버터의 회로 블록도.
도 2는 일반 역률 보상 개념 설명을 위한 전압 및 전류 파형도.
도 3은 종래 2단 PFC 컨버터의 CCM 동작 설명을 위한 전류 파형도.
도 4는 종래 단일단 PFC 컨버터의 회로 블록도.
도 5는 종래 단일단 PFC 컨버터의 DCM 동작 설명을 위한 전류 파형도.
도 6은 본 발명에 따른 준싱글단 PFC 컨버터의 회로 블록도.
도 7은 본 발명에 따른 BCM PFC 제어기의 상세 블록도.
도 8은 본 발명에 따른 기준전류의 조절 동작을 보이는 기준 전류 파형도.
도 9는 본 발명에 따른 BCM 제어 동작을 보이는 기준전류 및 감지전류 파형도.
도 1O은 본 발명에 따른 BCD 제어 개념의 설명을 위한 기준전류 및 검출전류 파형도.
도 11의 (a),(b)는 본 발명의 준싱글단 PFC 컨버터의 변동 부하에 따른 리플전압의 파형도.
도 12의 (a),(b)는 종래 및 본 발명에 따른 부하에 따른 효율을 보이는 그래프.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *
50 : 교류전압 100 : 정류부
200 : PFC 회로부 300 : 영전류 검출부
400 : DC/DC 변환부 410 : 스위칭신호 생성기
420 : 하프-브릿지 430 : LLC 공진형 트랜스
440 : 정류부 500 : BCM PFC 제어기
505 : 분압기 510 : 오차 증폭기
520 : 기준전류 설정기 530 : 리세트 비교기
540 : 래치부 550 : 게이트 구동 로직부
Vf : 피드백 전압 Vref : 기준전압
Vdf : 오차전압 Id : 정현파 기준전류
Izcd ; 영전류 검출신호 Iref : 기준 전류
Isen : 검출전류 SW61 : 역률 개선용 스위치
SW81,SW82 : 스위치 L61 : 코일
D61 : 다이오드 RS : 저항
NS : 접속노드 Srst : 리세트신호
Sst : 세트신호
본 발명은 전자 제품의 전원장치에 적용되는 준싱글단 PFC 컨버터에 관한 것으로, 특히 PFC 컨버터에서, BCM(Boundary Conduction Mode) 제어방식을 채택하여 피드백 제어기를 하나로 줄일 수 있고, 고정 주파수 및 고정 듀티로 동작하는 DC/DC 변환을 구현하며, 전류 스트레스가 높지 않고, 동특성(Dynamics)이 우수하며, 또한 최적 동작점에서 동작을 수행할 수 있으며, 이에 따라 효율 및 성능을 향상시킬 수 있는 준싱글단 PFC 컨버터에 관한 것이다.
일반적으로, 전자 제품의 전원장치(예,SMPS 등)에는, 50~60Hz의 상용라인으로부터 AC/DC변환을 위해 풀 브릿지(full-bridge) 정류기와 캐패시터로 구성된 정류 회로가 사용되어 왔으나, 이러한 풀 브릿지 정류기의 역률은 대략 0.5~0.6 정도로 매우 낮고, 또한 입력 전류에 많은 고조파 성분이 포함되어 있음과 동시에 입력 전압과 전류 사이에 큰 위상차가 있으므로, 동일 라인에 연결된 다른 기기나 시스템에 심각한 악영향을 초래할 수 있다는 단점이 있다.
이러한 단점을 개선하기 위해서는, 낮은 고조파 전류 및 높은 역률을 가지는 역률 개선회로(Power Factor Correction: PFC)가 필요하다.
통상, 역률 개선 회로를 갖는 AC/DC 컨버터를 간단히 PFC 컨버터라고 부르기도 하며, 이 PFC 컨버터는 구조적으로 2단(two stage) PFC 컨버터와 단일단(single stage) PFC 컨버터로 구분될 수 있고, 2단 PFC 컨버터는 역률 개선을 위한 PFC 회 로부와 직류 전압 변환을 위한 DC/DC 변환부로 이루어진 구조로서, 이는 PFC 기능과 DC/DC 변환 기능을 분리하여 수행하므로 거의 1에 가까운 높은 역률을 얻을 수 있으며, 출력전압의 조절(Regulation)과 동적특성 또한 우수한 장점을 가진다.
또한, 단일단 PFC 컨버터는 하나의 전력단에서 PFC 기능과 DC/DC 변환기능을 동시에 수행하므로 하나의 제어회로만으로 구현이 가능하다. 따라서 회로 소자수가 적고 간단하며 저가형 전력단 구현을 가능하게 한다.
이하, 도 1 내지 도 5를 참조하여 종래 PFC 컨버터에 대해 설명한다.
도 1은 종래 2단 PFC 컨버터의 회로 블록도로서, 도 1에 도시된 종래 2단 PFC 컨버터는, 대략 50~60Hz의 교류전압(10)을 정류하여 직류전압으로 변환하는 정류부(20)와, 상기 정류부(20)로부터의 전압에 대한 역률을 개선하여 입력전압을 대략 390V 정도의 높은 전압으로 변환하는 PFC 회로부(30)와, 상기 PFC 회로부(30)에 링크 커패시터(Clink)를 통해 연결되어 상기 PFC 회로부(30)로부터의 높은 직류 전압을 대략 215V정도의 직류전압으로 변환하는 DC/DC 변환부(40)를 포함한다.
상기 PFC 회로부(30)는, 전류연속모드(CCM)로 동작되는 부스터(boost) 컨버터로서, 코일(L11), 스위치(SW11) 및 다이오드(D11)로 이루어져, 상기 스위치(SW11)의 온/오프 스위칭 동작에 따라 상기 코일(L11)에 전류가 축적되거나 상기 코일(L11)에 축적된 전류가 출력으로 전달되는 동작을 수행한다. 이러한 동작과정을 통해서, 전압파형과 전류파형은 서로 동일한 형태와 위상이 서로 같게 된다.
상기 DC/DC 변환부(40)는, LLC 공진형 컨버터로서, 이는 서로 직렬로 연결된 2개의 스위치(SW21,SW22)를 포함하여, 상기 PFC 회로부(30)로부터의 전압을 스위칭 동작으로 제어하는 하프-브릿지(41)와, 상기 하프-브릿지(41)로부터의 전압을 2차 전압으로 변환하는 LLC 공진형 트랜스(42)와, 상기 LLC 공진형 트랜스(42)로부터의 전압을 정류하여 부하(LD)에 출력하는 정류부(43)를 포함한다.
또한, 상기 2단 PFC 컨버터는, 상기 PFC 회로부(30)의 출력단에서 저항(R11,R12)을 통해 상기 PFC 회로부(30)의 출력전압을 감시하면서, 상기 스위치(SW11)의 스위칭 동작을 제어하는 CCM PFC 제어기(50)와, 상기 DC/DC 변환부(40)의 출력전압을 제어하는 DC/DC 제어기(60)를 포함한다.
한편, 상기 PFC 회로부(30)의 동작에 대해 도 2를 참조하여 설명한다.
도 2는 일반 역률 보상 개념 설명을 위한 전압 및 전류 파형도로서, 도 2를 참조하면, 상기 PFC 회로부(30)는, 전압과 전류를 도 2에 도시한 바와 같이 동일한 파형과 동일한 위상을 갖도록 하여,최대의 역률을 갖게 한다.
상기 PFC 회로부(30)는, 가장 일반적인 전류연속모드(CCM)로 동작되는 부스터(boost) 컨버터로서, 그 CCM 동작에 대해 도 3을 참조하여 설명한다.
도 3은 종래 2단 PFC 컨버터의 CCM 동작 설명을 위한 전류 파형도로서, 도 3을 참조하면, 상기 CCM PFC 제어기(50)는, 상기 PFC 회로부(30)가 CCM 동작을 수행 하도록 제어하여, 상기 PFC 회로부(30)에서는, 도 3에 도시한 바와 같이 입력전류(Iin)가 연속적으로 조절되면서 입력전압(Vin)의 파형을 따른다. 이때, 상기 입력전류(Iin)의 평균전류(Iavr)는 도 3에 도시한 바와 같이 된다.
그러나, 도 1 내지 도 3에 도시한 종래 2단 PFC 컨버터는, PFC 회로부(30)의 출력전압을 제어하는 CCM PFC 제어기(50)와, 상기 DC/DC 변환부(40)의 출력전압을 제어하는 DC/DC 제어기(60)가 각각 별도로 구비되어 있으므로, 회로의 구성이 복잡해지고 이에 따라 제작단가가 상승하는 문제점이 있다. 또한, DC/DC 변환부는 출력 부하에 따라 출력 전압 제어를 위해 주파수가 변동하므로 어떤 특정 부하조건에서는 최적의 동작을 하지만, 특정 부하조건과 다른 부하조건에서는 최적 동작에서 멀어지게 되어, 시스템 효율이나 특성상 불리하다는 문제점이 있다.
이러한 종래 2단 PFC 컨버터의 단점을 해결하기 위해서 단일단 PFC 컨버터가 제안되었으며, 이 단일단 PFC 컨버터에 대해서는 도 4 및 도 5를 참조하여 설명한다.
도 4는 종래 단일단 PFC 컨버터의 회로 블록도이다.
도 4에 도시된 종래 단일단 PFC 컨버터는, 링크 전압 궤환을 이용한 단일단 역률개선 포워드 컨버터로서, 이는 교류전압(10)을 정류하는 정류부(20)와, 상기 정류부(20)로부터의 전압에 대한 역률을 개선하고, 역률 개선된 전압을 2차 전압으 로 변환한 후, 2차 전압을 정류하는 역률 개선 포워드 컨버터(140)를 포함한다.
상기 역률 개선 포워드 컨버터(140)는, 전류불연속모드(DCM)로 동작되는 컨버터로서, 이는 코일(L31), 제1 및 제2 다이오드(D31,D32) 및 스위치(SW31)로 이루어진 PFC 컨버터(141)와, 상기 PFC 컨버터(131)의 동작에 따라 1차 전압을 2차 전압으로 변환하는 LLC 공진형 트랜스(142)와, 상기 LLC 공진형 트랜스(142)로부터의 전압을 정류하여 부하(LD)에 출력하는 정류부(143)를 포함한다.
또한, 상기 1단 PFC 컨버터는, 상기 정류부(143)의 출력단에서 출력전압을 감시하면서, 상기 스위치(SW31)의 스위칭 동작을 제어하는 PWM 제어기(150)를 포함한다.
이와 같은 종래 단일단 PFC 컨버터는, 하나의 전력단에서 PFC 기능과 DC/DC 변환기능을 동시에 수행하므로, 하나의 제어회로만으로 그 구현이 가능하다. 따라서 회로 소자수가 적고 간단하며 저가형 전력단 구현을 가능하게 한다. 그리고, 도 4의 종래 단일단 PFC 컨버터는 DCM 제어를 수행하며, 이에 대해서는 도 5를 참조하여 설명한다.
도 5는 종래 단일단 PFC 컨버터의 DCM 동작 설명을 위한 전류 파형도로서, 도 5를 참조하면, 상기 PWM 제어기(150)는, 상기 PFC 회로부(141)가 DCM 동작을 수행하도록 제어하여, 상기 PFC 회로부(141)에서는, 도 5에 도시한 바와 같이 입력전류(Iin)가 불연속적으로 조절되면서 입력전압을 따르고, 이때, 상기 입력전류(Iin) 의 평균전류(Iavr)는 도 5에 도시된 바와 같다.
그러나, 이와 같은 종래 단일단 PFC 컨버터는, 하나의 전력 스위치로 역률개선 기능과 전력변환 기능을 공유하여 동시에 수행해야 하므로, 도 5에 도시한 바와 같이 전류 첨두치가 상당히 높고, 이에 따라 소자 스트레스가 크며, 경부하시 입력전력과 출력전력의 불균형에 의한 링크 캐패시터 전압이 과도하게 증가할 수 있는 문제점이 있다.
또한, 이와 같은 단일단 PFC 컨버터는 간단하게 보이지만, 실제로 전력용량이 증가하면 할수록 전류불연속모드(DCM) 동작으로 인해서, 전류 스트레스가 너무 높기 때문에, 실제로 하나의 스위칭 소자로는 구동이 불가능하므로 복수개의 스위칭 소자가 필요하게 되며, 이에 따라 전류 스트레스로 인해 제작단가는 오히려 2단 PFC 컨버터에 비해 높게 되는 문제점이 있다.
뿐만 아니라, 회로의 구성이 복잡해지므로 특성 또한 복잡한 구성 만큼 저조해 질 수 밖에 없으며, 이러한 이유로 종래 단일단 PFC 컨버터는 중용량급 이상에서 실제 제품으로 개발된 사례가 거의 없는 것이 일반적인 실정이다.
전술한 바와 같이, 종래 단일단 PFC 컨버터의 단점으로 인해 2단 PFC 컨버터가 주로 이용되지만, 상기 2단 PFC 컨버터도 전술한 바와 같은 문제점이 해결되어야 한다.
본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위해 제안된 것으로, 그 목적은, PFC 컨버터에서, BCM(Boundary Conduction Mode) 제어방식을 채택하여 피드백 제어기를 하나로 줄일 수 있고, 고정 주파수 및 고정 듀티로 동작하는 DC/DC 변환을 구현하며, 전류 스트레스가 높지 않고, 동특성(Dynamics)이 우수하며, 또한 최적 동작점에서 동작을 수행할 수 있으며, 이에 따라 효율 및 성능을 향상시킬 수 있는 준싱글단 PFC 컨버터를 제공하는데 있다.
상기한 본 발명의 목적을 달성하기 위해서, 본 발명의 준싱글단 PFC 컨버터는, 교류전압을 정류하는 정류부; BCM 제어에 따라 동작하는 역률 개선용 스위치를 포함하여, 상기 정류부로부터의 전압에 대한 역률을 개선하는 PFC 회로부; 상기 PFC 회로부의 입력전류의 영전류를 검출하는 영전류 검출부; 상기 PFC 회로부에 링크 커패시터를 통해 연결되어 상기 PFC 회로부로부터의 직류 전압을 목표 직류전압으로 변환하는 DC/DC 변환부; 및 상기 DC/DC 변환부의 출력단에서 검출한 피드백 전압과 기준전압과의 오차전압에 기초해서 기준 전류를 설정하고, 상기 기준전류와 상기 역률 개선용 스위치를 통해 흐르는 검출전류가 동일하면 상기 역률 개선용 스위치의 스위칭 오프를 제어하고, 상기 영전류 검출부에 의해 영전류 검출시 상기 역률 개선용 스위치의 스위칭 온을 제어하여, 상기 PFC 회로부를 BCM 제어하는 BCM PFC 제어기를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 PFC 회로부는, 상기 정류부의 출력단에 연결된 일단과, 상기 역률 개선용 스위치의 일단에 연결된 타단을 갖는 코일; 상기 코일의 타단에 연결된 애노드와, 상기 PFC 회로부의 출력단에 연결된 캐소드를 갖는 다이오드; 및 상기 역률 개선용 스위치의 타단과 접지 사이에 연결된 저항을 더 포함하고, 상기 역률 개선용 스위치와 상기 저항과의 접속노드에서 상기 검출전류를 출력하는 것을 특징으로 한다.
상기 DC/DC 변환부는, 하이레벨과 로우레벨을 기설정된 고정 주파수로 반복되는 50% 듀티를 갖고, 동일레벨이 서로 중첩되지 않고 서로 역위상을 갖는 한쌍의 스위칭 신호를 생성하는 스위칭신호 생성기; 상기 PFC 회로부의 출력단과 접지사이에 서로 직렬로 연결되는 2개의 스위치를 포함하고, 상기 2개의 스위치는 상기 한쌍의 스위칭 신호에 따라 동작하여, 상기 PFC 회로부로부터의 전압을 스위칭 동작으로 조절하는 하프-브릿지; 상기 하프-브릿지로부터의 전압을 2차 전압으로 변환하는 LLC 공진형 트랜스; 및 상기 LLC 공진형 트랜스로부터의 전압을 정류하여 부하에 출력하는 정류부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 BCM PFC 제어기는, 상기 DC/DC 변환부의 출력단에서 피드백 전압을 검출하는 분압기; 상기 분압기로부터의 피드백전압과 기준전압과의 오차전압을 증폭하는 오차 증폭기; 상기 정류부의 출력단에서 검출된 정현파 기준전류를 상기 오차 증폭기로부터의 오차전압으로 보정하여 기준전류를 설정하는 기준전류 설정기; 상기 PFC 회로부의 역률 개선용 스위치를 통하는 전류를 검출하고, 상기 검출전류가 상기 기준전류 설정기로부터의 기준전류와 동일하면 리세트신호를 출력하는 리세트 비교기; 상기 리세트 비교기로부터의 리세트신호를 래치시키고, 상기 영전류 검출부에 의해 영전류 검출신호를 세트신호로 래치시키는 래치부; 및 상기 래치부로부터의 리세트신호에 따라 상기 역률 개선용 스위치를 스위칭온시키고, 상기 래치부로부터의 세트신호에 따라 상기 역률 개선용 스위치를 스위칭오프시키는 게이트 구동 로직부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 본 발명에 참조된 도면에서 실질적으로 동일한 구성과 기능을 가진 구성요소들은 동일한 부호를 사용할 것이다.
도 6은 본 발명에 따른 준싱글단 PFC 컨버터의 회로 블록도이다.
도 6을 참조하면, 본 발명에 따른 준싱글단 PFC 컨버터는, 교류전압(50)을 정류하는 정류부(100)와, BCM(Boundary Conduction Mode) 제어에 따라 동작하는 역률 개선용 스위치(SW61)를 포함하여, 상기 정류부(200)로부터의 전압에 대한 역률을 개선하는 PFC 회로부(200)와, 상기 PFC 회로부(200)의 입력전류의 영전류를 검출하는 영전류 검출부(300)와, 상기 PFC 회로부(200)에 링크 커패시터(Clink)를 통해 연결되어 상기 PFC 회로부(200)로부터의 직류 전압을 목표 직류전압으로 변환하는 DC/DC 변환부(400)와, 상기 DC/DC 변환부(400)의 출력단에서 검출한 피드백 전압(Vf)과 기준전압(Vref)과의 오차전압(Vdf)에 기초해서 기준 전류(Iref)를 설정하고, 상기 기준전류(Iref)와 상기 역률 개선용 스위치(SW61)를 통해 흐르는 검출전 류(Isen)가 동일하면 상기 역률 개선용 스위치(SW61)의 스위칭 오프를 제어하고, 상기 영전류 검출부(300)에 의해 영전류 검출시 상기 역률 개선용 스위치(SW61)의 스위칭 온을 제어하여, 상기 PFC 회로부(200)를 BCM 제어하는 BCM PFC 제어기(500)를 포함한다.
여기서, TO1은 상기 정류부(100)의 출력단이고, TO2는 상기 DC/DC 변환부(400)의 출력단이다.
상기 PFC 회로부(200)는, 상기 정류부(100)의 출력단에 연결된 일단과, 상기 역률 개선용 스위치(SW61)의 일단에 연결된 타단을 갖는 코일(L61)과, 상기 코일(L61)의 타단에 연결된 애노드와, 상기 PFC 회로부(200)의 출력단에 연결된 캐소드를 갖는 다이오드(D61)와, 상기 역률 개선용 스위치(SW61)의 타단과 접지 사이에 연결된 저항(RS)을 더 포함한다.
이때, 상기 PFC 회로부(200)는, 상기 상기 역률 개선용 스위치(D61)와 상기 저항(RS)과의 접속노드(NS)에서 상기 검출전류(Isen)를 출력한다.
또한, 상기 영전류 검출부(300)는, 상기 PFC 회로부(200)의 코일(L61)에 흐르는 전류를 전자기적으로 유도하기 위해 상기 코일(L61)에 대한 2차 코일(L300)을 포함한다.
상기 DC/DC 변환부(400)는, 하이레벨과 로우레벨을 기설정된 고정 주파수로 반복되는 50% 듀티를 갖고, 동일레벨이 서로 중첩되지 않고 서로 역위상을 갖는 한 쌍의 스위칭 신호를 생성하는 스위칭신호 생성기(410)와, 상기 PFC 회로부(200)의 출력단과 접지사이에 서로 직렬로 연결되는 2개의 스위치(SW81,SW82)를 포함하고, 상기 2개의 스위치(SW81,SW82)는 상기 한쌍의 스위칭 신호에 따라 동작하여, 상기 PFC 회로부(200)로부터의 전압을 스위칭 동작으로 조절하는 하프-브릿지(420)와, 상기 하프-브릿지(420)로부터의 전압을 2차 전압으로 변환하는 LLC 공진형 트랜스(430)와, 상기 LLC 공진형 트랜스(430)로부터의 전압을 정류하여 부하(LD)에 출력하는 정류부(440)로 이루어진다.
도 7은 본 발명에 따른 BCM PFC 제어기의 상세 블록도이다.
도 7을 참조하면, 상기 BCM PFC 제어기(500)는, 상기 DC/DC 변환부(400)의 출력단에서 피드백 전압(Vf)을 검출하는 분압기(505)와, 상기 분압기(505)로부터의 피드백전압(Vf)과 기준전압(Vref)과의 오차전압(Vdf)을 증폭하는 오차 증폭기(510)와, 상기 정류부(100)의 출력단에서 검출된 정현파 기준전류(Id)를 상기 오차 증폭기(510)로부터의 오차전압(Vdf)으로 보정하여 기준전류(Iref)를 설정하는 기준전류 설정기(520)와, 상기 PFC 회로부(200)의 역률 개선용 스위치(SW61)를 통하는 전류(Isen)를 검출하고, 상기 검출전류(Isen)가 상기 기준전류 설정기(520)로부터의 기준전류(Iref)와 동일하면 리세트신호(Srst)를 출력하는 리세트 비교기(530)와, 상기 리세트 비교기(530)로부터의 리세트신호(Srst)를 래치시키고, 상기 영전류 검출부(300)에 의해 영전류 검출신호(Izcd)를 세트신호(Sst)로 래치시키는 래치부(540)와, 상기 래치부(540)로부터의 리세트신호(Srst)에 따라 상기 역률 개선용 스위치(SW61)를 스위칭온시키고, 상기 래치부(540)로부터의 세트신호(Sst)에 따라 상기 역률 개선용 스위치(SW61)를 스위칭오프시키는 게이트 구동 로직부(550)를 포함한다.
도 8은 본 발명에 따른 기준전류의 조절 동작을 보이는 기준 전류 파형도이다.
도 8에서, Iref는 상기 기준전류 설정기(520)에서 출력되는 기준전류이고, 도 8에서는 기준전류(Iref)가 변경 설정되는 동작을 설명하기 위한 기준전류(Iref) 파형을 보이고 있다.
도 9는 본 발명에 따른 BCM 제어 동작을 보이는 기준전류 및 감지전류 파형도이다.
도 9에서, Iref는 상기 기준전류의 파형이고, Isen은 검출전류의 파형도이고, SSW는 상기 역률 개선용 스위치(SW61)를 스위칭하기 위해 상기 게이트 구동 로직부(550)에서 출력되는 스위칭 신호이다.
도 1O은 본 발명에 따른 BCD 제어 개념의 설명을 위한 기준전류 및 검출전류 파형도이다. 도 9에 보인 바와 같이, Iref는 상기 기준전류의 파형이고, Isen은 검출전류의 파형도이고, P1은 상기 검출전류(Isen)가 상기 기준전류 설정기(520)로부터의 기준전류(Iref)와 동일하게 되는 시점을 나타내고, P2는 상기 검출전류(Isen) 가 영전류가 되는 시점을 나타낸다. 그리고, SSW는 상기 역률 개선용 스위치(SW61)를 스위칭하기 위해 상기 게이트 구동 로직부(550)에서 출력되는 스위칭 신호이다.
도 11의 (a),(b)는 교류 입력전압 175Vrms 및 최종 출력전압 215V 조건에서 본 발명의 준싱글단 PFC 컨버터의 변동 부하에 따른 리플전압의 파형도이다.
도 11의 (a)는 본 발명의 준싱글단 PFC 컨버터의 변동 부하에 따른 링크전압(Vlink)의 리플전압 파형도이고, 도 11의 (b)는 본 발명의 준싱글단 PFC 컨버터의 변동 부하에 따른 출력전압(Vo)의 리플전압 파형도이다.
도 12의 (a),(b)는 교류 입력전압 175Vrms 및 최종 출력전압 215V 조건에서 종래 및 본 발명에 따른 부하에 따른 효율을 보이는 그래프로서, 도 12의 (a)는 종래 기술에 따른 부하에 따른 효율을 보이는 그래프이고, 도 12의 (b)는 본 발명에 따른 부하에 따른 효율을 보이는 그래프이다. 도 12의 (a),(b)에서, 가로축은 부하(A)를 나타내고, 세로축은 효율을 나타낸다.
이하, 본 발명의 작용 및 효과를 첨부한 도면에 의거하여 상세히 설명한다.
도 6 내지 도 12를 참조하여 본 발명의 준싱글단 PFC 컨버터에 대한 동작을 설명하면, 먼저, 도 6을 참조하면 본 발명의 정류부(100)는 교류전압(50)을 정류하여 PFC 회로부(200)로 출력한다.
상기 PFC 회로부(200)는, BCM(Boundary Conduction Mode) 제어에 따라 동작하는 역률 개선용 스위치(SW61)를 포함하여, 상기 정류부(200)로부터의 전압에 대한 역률을 개선하여 DC/DC 변환부(400)에 출력한다.
한편, 본 발명의 영전류 검출부(300)는, 상기 PFC 회로부(200)의 입력전류의 영전류를 검출하여 BCM PFC 제어기(500)로 출력한다.
상기 DC/DC 변환부(400)는, 상기 PFC 회로부(200)에 링크 커패시터(Clink)를 통해 연결되어 상기 PFC 회로부(200)로부터의 직류 전압을 목표 직류전압으로 변환한다.
이때, 상기 BCM PFC 제어기(500)는, 상기 DC/DC 변환부(400)의 출력단에서 검출한 피드백 전압(Vf)과 기준전압(Vref)과의 오차전압(Vdf)에 기초해서 기준 전류(Iref)를 설정하고, 상기 기준전류(Iref)와 상기 역률 개선용 스위치(SW61)를 통해 흐르는 검출전류(Isen)가 동일하면 상기 역률 개선용 스위치(SW61)의 스위칭 오프를 제어하고, 상기 영전류 검출부(300)에 의해 영전류 검출시 상기 역률 개선용 스위치(SW61)의 스위칭 온을 제어하여, 상기 PFC 회로부(200)를 BCM 제어한다.
상기 PFC 회로부(200)는 코일(L61), 역률 개선용 스위치(SW61) 및 다이오드(D61)를 포함하는 전형적인 PFC 회로로서, 상기 역률 개선용 스위치(SW61)가 온되면 상기 코일(L61)에 흐르는 전류는 상승하고, 상기 역률 개선용 스위치(SW61)가 오프되면 상기 코일(L61)에 흐르는 전류는 하강하는 동작을 수행하며, 이러한 동작에 따라 정형파인 입력전압의 파형에 입력전류의 파형이 따르게 조절되고, 상기 입 력전압과 입력전류의 위상이 서로 동일하게 조절되며, 결국 역률이 거의 "1"에 가깝게 된다.
또한, 상기 PFC 회로부(200)는, 상기 BCM PFC 제어기(500)의 BCM 제어에 따라 동작하여, 상기 코일(L61)에 흐르는 전류는 전류연속모드(CCM:Continuous Current Mode)와 전류불연속모드(DCM:Discontinuous Current Mode)의 중간 형태의 제어모드인 BCM(Boundary Conduction Mode)로 제어된다.
게다가, 상기 PFC 회로부(200)는, 상기 역률 개선용 스위치(SW61)의 타단과 접지 사이에 연결된 저항(RS)을 더 포함하여, 상기 역률 개선용 스위치(SW61)와 상기 저항(RS)과의 접속노드(NS)에서 상기 검출전류(Isen)를 상기 BCM PFC 제어기(500)에 출력한다.
한편, 상기 영전류 검출부(300)는, 상기 PFC 회로부(200)의 코일(L61)에 흐르는 전류를 전자기적으로 유도하기 위해 상기 코일(L61)에 대한 2차 코일(L300)을 포함하여, 상기 PFC 회로부(200)의 코일(L61)에 흐르는 전류를 검출하여 상기 BCM PFC 제어기(500)에 출력한다.
즉, 상기 PFC 회로부(200)의 코일(L61)에 흐르는 전류가 영전류일 경우, 상기 영전류 검출부(300)는 영전류를 상기 BCM PFC 제어기(500)에 출력한다.
또한, 상기 DC/DC 변환부(400)의 스위칭신호 생성기(410)는 하이레벨과 로우 레벨을 기설정된 고정 주파수로 반복되는 50% 듀티를 갖고, 동일레벨이 서로 중첩되지 않고 서로 역위상을 갖는 한쌍의 스위칭 신호를 생성하여 하프-브릿지(420)의 2개의 스위치(SW81,SW82)에 공급한다.
이때, 상기 하프-브릿지(420)에서, 상기 PFC 회로부(200)의 출력단과 접지사이에서, 상기 2개의 스위치(SW81,SW82)가 상기 한쌍의 스위칭 신호에 따라 상보적으로 온 또는 오프 동작하여, 상기 PFC 회로부(200)로부터의 전압을 조절하여 LLC 공진형 트랜스(430)에 출력한다.
상기 LLC 공진형 트랜스(430)는, 상기 하프-브릿지(420)로부터의 전압을 2차 전압으로 변환하여 정류부(440)에 출력한다.
상기 정류부(440)는, 상기 LLC 공진형 트랜스(430)로부터의 전압을 정류하여 부하(LD)에 출력한다.
도 6 및 도 7을 참조하여 상기 BCM PFC 제어기(500)에 대한 동작을 설명한다.
먼저, 상기 BCM PFC 제어기(500)의 분압기(505)는, 상기 DC/DC 변환부(400)의 출력단에서 출력전압(Vo)을 저항비율로 분할하여 피드백 전압(Vf)을 검출하여 오차 증폭기(510)에 출력한다. 상기 오차 증폭기(510)는, 상기 분압기(505)로부터의 피드백전압(Vf)과 기설정된 기준전압(Vref)과의 차이에 해당되는 오차전압(Vdf)을 기설정 이득으로 증폭하여 기준전류 설정기(520)에 출력한다.
다음, 상기 기준전류 설정기(520)는, 상기 정류부(100)의 출력단에서 검출된 정현파 기준전류(Id)를 상기 오차 증폭기(510)로부터의 오차전압(Vdf)으로 보정하여 기준전류(Iref)를 설정하여 리세트 비교기(530)에 출력한다. 이에 대해서는 도 8을 참조하여 구체적으로 설명한다.
도 8을 참조하면, 상기 실제 출력전압(Vo)이 목표로 하는 출력전압보다 높아지면, 상기 오차전압(Vdf)은 낮아지고, 이에 따라 상기 기준전류(Iref)와 상기 오차전압(Vdf)을 곱하면, 상기 기준전류(Iref)는 낮아지게 된다.
반대로, 상기 실제 출력전압(Vo)이 목표로 하는 출력전압보다 낮아지면, 상기 오차전압(Vdf)이 높아지고, 이에 따라 상기 기준전류 설정기가 곱셈기로 이루어지는 경우, 상기 기준전류(Iref)와 상기 오차전압(Vdf)을 곱하면, 기준전류(Iref)는 높아지게 된다.
전술한 바와 같은 과정을 통해서, 상기 기준전류는 도 8에 도시한 바와 같은 매카니즘으로 상기 오차전압(Vdf)의 크기에 따라 재 설정되며, 이와 같이 재설정되는 기준전류(Iref)를 기준으로 상기 PFC 회로부(200)의 코일(L300)에 흐르는 전류를 BCM으로 제어하며, 이러한 BCM 제어 과정은 다음과 같다.
도 6 내지 도 10을 참조하면, 상기 리세트 비교기(530)는, 상기 PFC 회로부(200)의 역률 개선용 스위치(SW61)를 통하는 전류(Isen)를 검출하고, 상기 검출전류(Isen)가 상기 기준전류 설정기(520)로부터의 기준전류(Iref)와 동일하면(도 10의 P1에 해당) 리세트신호(Srst)를 래치부(540)의 리세트 단자로 제공한다.
한편, 상기 영전류 검출부(300)는 상기 코일(L61)에 흐르는 전류가 영전류가 되면(도 10의 P2에 해당), 영전류 검출신호(Izcd)를 상기 래치부(540)의 세트(S)단자로 제공한다.
다음, 상기 래치부(540)는, 리세트(R)단자로 상기 리세트 비교기(530)로부터의 리세트신호(Srst)가 입력되면 출력(Q)단자로 래치시켜 게이트 구동 로직부(550)에 출력한다. 또는 상기 래치부(540)는 상기 영전류 검출부(300)에 의해 영전류 검출신호(Izcd)가 세트(S)단자로 입력되면 세트신호(Sst)를 출력(Q)단자로 래치시켜 상기 게이트 구동 로직부(550)에 출력한다.
이에 따라, 도 10에 도시한 바와 같아, 상기 래치부(540)는 상기 검출전류(Isen)가 상기 기준전류 설정기(520)로부터의 기준전류(Iref)와 동일하면(도 10의 P1에 해당) 상기 게이트 구동 로직부(550)에 리세트신호를 출력하고, 반대로 상기 영전류 검출부(300)로부터 영전류 검출신호(Izcd)가 검출되면(도 10의 P2에 해당) 세트신호(Sst)를 상기 게이트 구동 로직부(550)에 출력한다.
다음, 상기 게이트 구동 로직부(550)는, 상기 래치부(540)로부터의 리세트신호(Srst)에 따라 상기 역률 개선용 스위치(SW61)를 스위칭온시키고, 상기 래치부(540)로부터의 세트신호(Sst)에 따라 상기 역률 개선용 스위치(SW61)를 스위칭오프시켜 상기 PFC 회로부(200)의 코일(L61)에 흐르는 전류가 불연속구간 없이 연속 적으로 흐르는 것과 같으므로, 상기 PFC 회로부(200)의 코일(L61)에 흐르는 전류는 전류연속모드(CCM)와 전류불연속모드(DCM)의 중간 동작모드로서 BCM으로 제어된다.
전술한 바와 같은 본 발명의 준싱글단 PFC 컨버터에서는, 부하가 변동하더라도 링크전압(Vlink)에 포함되는 리플전압은 도 11의 (a)에 도시한 바와 같이 대략 7V정도로 대략 390V의 링크전압에 비하면 상당히 낮은 리플전압임을 알 수 있다. 그리고, 출력전압(V)도 도 11의 (b)에 보인 바와 같이 대략 4 내지 6V 정도로 대략 215V의 출력전압에 비하면 상당히 낮은 리플전압임을 알 수 있다.
또한, 본 발명의 준싱글단 PFC 컨버터는 부하변화에 대한 효율에 있어서도 종래 기술에 비해 높다는 것을 도 12의 (a),(b)를 참조하면 알 수 있다.
도 12의 (a)를 참조하면, 종래 기술에 의한 효율은 부하변동에 따라 효율의 변화폭이 크고, 전체적으로 효율도 91% 이하로 낮지만, 도 12의 (b)를 참조하면, 본 발명의 준싱글단 PFC 컨버터에 의하면, 효율은 부하변동에 따라 효율의 변화폭이 거의 없으며, 전체적으로 효율도 94% 정도로 높다는 것을 알 수 있다.
이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시 예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고 특허청구범위에 의해 한정되며, 본 발명의 장치는 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것이 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백하다.
상술한 바와 같은 본 발명에 따르면, 전자 제품의 전원장치에 적용되는 준싱글단 PFC 컨버터에서, BCM(Boundary Conduction Mode) 제어방식을 채택하여 역률개선을 꾀하고, 별도의 제어기 없이 고정 주파수 및 고정 듀티로 동작하는 DC/DC 변환을 구현함으로써, 전체적으로 제어기 하나만이 요구되며, 전류 스트레스가 높지 않고, 동특성(Dynamics)이 우수하며, 또한 최적 동작점에서 동작을 수행할 수 있으며, 이에 따라 효율 및 성능을 향상시킬 수 있다.
즉, 기존 2단 및 단일단 PFC의 높은 가격, 소자 스트레스, 낮은 성능을 모두 개선할 수 있는 새로운 중용량급 컨버터를 제공할 수 있다.
구체적으로는, DC/DC 변환부로는 동특성이 우수한 LLC 컨버터를 채용하여 별도의 제어기 없이 값싼 고정 주파수 및 고정 듀티(50%) 발생기에 의해 오픈 루프(Open loop)로 구동시킴으로써 저가격화를 꾀할 수 있고, 부하에 관계없이 항상 최적 상태로 동작 되도록 함으로써 고효율 및 고성능을 획득할 수 있다.
또한, PFC 회로부로는 역시 동특성이 우수한 BCM으로 동작되는 Boost 컨버터를 채용하여 간단한 제어기 1개만을 사용하여 역률 개선과 동시에 DC/DC 변환부의 최종 출력 전압을 제어하게 되며, 기존 2단 시스템과 달리 PFC 링크 전압을 피드백(Feedback)하지 않고서도, DC/DC 변환부의 최종 출력 전압을 피드백하여 제어할 수 있다.
이러한 본 발명의 컨버터에서는, 제어기가 1개임에도 불구하고 DC/DC 변환부의 최종출력전압이 제어됨은 물론 링크 전압도 일정전압으로 제어되는 장점이 있 다.

Claims (4)

  1. 교류전압을 정류하는 정류부;
    BCM 제어에 따라 동작하는 역률 개선용 스위치를 포함하여, 상기 정류부로부터의 전압에 대한 역률을 개선하는 PFC 회로부;
    상기 PFC 회로부의 입력전류의 영전류를 검출하는 영전류 검출부;
    상기 PFC 회로부에 링크 커패시터를 통해 연결되어 상기 PFC 회로부로부터의 직류 전압을 목표 직류전압으로 변환하는 DC/DC 변환부; 및
    상기 DC/DC 변환부의 출력단에서 검출한 피드백 전압과 기준전압과의 오차전압에 기초해서 기준 전류를 설정하고, 상기 기준전류와 상기 역률 개선용 스위치를 통해 흐르는 검출전류가 동일하면 상기 역률 개선용 스위치의 스위칭 오프를 제어하고, 상기 영전류 검출부에 의해 영전류 검출시 상기 역률 개선용 스위치의 스위칭 온을 제어하여, 상기 PFC 회로부를 BCM 제어하는 BCM PFC 제어기
    를 구비하는 것을 특징으로 하는 준싱글단 PFC 컨버터
  2. 제1항에 있어서, 상기 PFC 회로부는,
    상기 정류부의 출력단에 연결된 일단과, 상기 역률 개선용 스위치의 일단에 연결된 타단을 갖는 코일;
    상기 코일의 타단에 연결된 애노드와, 상기 PFC 회로부의 출력단에 연결된 캐소드를 갖는 다이오드; 및
    상기 역률 개선용 스위치의 타단과 접지 사이에 연결된 저항을 더 포함하고,
    상기 역률 개선용 스위치와 상기 저항과의 접속노드에서 상기 검출전류를 출력하는 것을 특징으로 하는 준싱글단 PFC 컨버터.
  3. 제1항에 있어서, 상기 DC/DC 변환부는,
    하이레벨과 로우레벨을 기설정된 고정 주파수로 반복되는 50% 듀티를 갖고, 동일레벨이 서로 중첩되지 않고 서로 역위상을 갖는 한쌍의 스위칭 신호를 생성하는 스위칭신호 생성기;
    상기 PFC 회로부의 출력단과 접지사이에 서로 직렬로 연결되는 2개의 스위치를 포함하고, 상기 2개의 스위치는 상기 한쌍의 스위칭 신호에 따라 동작하여, 상기 PFC 회로부로부터의 전압을 스위칭 동작으로 조절하는 하프-브릿지;
    상기 하프-브릿지로부터의 전압을 2차 전압으로 변환하는 LLC 공진형 트랜스; 및
    상기 LLC 공진형 트랜스로부터의 전압을 정류하여 부하에 출력하는 정류부
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 준싱글단 PFC 컨버터
  4. 제2항에 있어서, 상기 BCM PFC 제어기는,
    상기 DC/DC 변환부의 출력단에서 피드백 전압을 검출하는 분압기;
    상기 분압기로부터의 피드백전압과 기준전압과의 오차전압을 증폭하는 오차 증폭기;
    상기 정류부의 출력단에서 검출된 정현파 기준전류를 상기 오차 증폭기로부터의 오차전압으로 보정하여 기준전류를 설정하는 기준전류 설정기;
    상기 PFC 회로부의 역률 개선용 스위치를 통하는 전류를 검출하고, 상기 검출전류가 상기 기준전류 설정기로부터의 기준전류와 동일하면 리세트신호를 출력하는 리세트 비교기;
    상기 리세트 비교기로부터의 리세트신호를 래치시키고, 상기 영전류 검출부에 의해 영전류 검출신호를 세트신호로 래치시키는 래치부;
    상기 래치부로부터의 리세트신호에 따라 상기 역률 개선용 스위치를 스위칭온시키고, 상기 래치부로부터의 세트신호에 따라 상기 역률 개선용 스위치를 스위칭오프시키는 게이트 구동 로직부
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 준싱글단 PFC 컨버터.
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