KR100916046B1 - 무손실 역률 개선 회로 - Google Patents

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Abstract

정류된 입력전압이 일단으로 입력되며, 제1 권선을 형성하는 부스트 인덕터; 상기 부스트 인덕터의 타단과 접지 사이에 연결된 스위치; 상기 부스트 인덕터의 타단에 일단이 연결되는 스너버 인덕터; 상기 스너버 인덕터의 타단에 애노드가 연결된 주다이오드; 상기 부스트 인덕터의 타단에 애노드가 연결된 제1 보조 다이오드; 상기 제1 보조 다이오드의 캐소드에 애노드가 연결되고 상기 주다이오드의 캐소드에 캐소드가 연결된 제2 보조 다이오드; 상기 주다이오드의 애노드와 상기 제2 보조 다이오드의 애노드 사이에 연결된 캐패시터; 상기 스너버 인덕터의 타단에 일단이 연결되고 상기 제1 권선과 소정 권선비로 결합되며 누설 인덕턴스를 갖는 제2 권선; 및 상기 제2 권선의 타단에 애노드가 연결되고 상기 제2 보조 다이오드의 애노드에 캐소드가 연결된 제3 보조 다이오드를 포함하는 무손실 역률 개선 회로가 개시된다.
역률 개선(PFC), 플라잉-캡, 스위치, 부스터, 스너버(snubber)

Description

무손실 역률 개선 회로{LOSELESS POWER FACTOR CORRECTION CIRCUIT}
본 발명은 무손실 역률 개선(Power Factor Correction: PFC) 회로에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 프라잉-캡 무손실 스너버에서 주다이오드의 역회복 특성을 충분히 제거하지 못하는 문제점을 해결할 수 있는 회로 구조를 갖는 무손실 역률 개선회로에 관한 것이다.
최근 국제적으로 고조파 규제가 강화됨에 따라 각종 전기, 전자 제품에서의 역률 개선(Power Factor Correction: PFC) 회로의 사용이 보편, 의무화 되어 가고 있다.
일반적으로, 역률 개선 회로는 수동형과 능동형의 두 가지 형태로 분류될 수 있다. 수동형 회로는 전원 입력쪽에 인덕터(L)과 캐패시터(C)로 이루어진 수동형 라인 필터를 적절히 설계하여 전원 전류의 고조파 성분을 감쇄시키는 방식을 채택한 것으로, 가격이 저렴하고 회로 구성이 간단하다는 장점이 있다. 하지만 이 수동형 역률 개선 회로는 입력 전원 전압의 크기에 따라 출력 전압의 크기가 변함으로써 전압의 안정화가 어렵고, 상용전원 주파수에 맞추어 설계가 이루어져야 하므로, 크기와 부피가 매우 커지는 단점이 있다. 한편 능동형 역률 개선 회로는 일반적으로 알려진 부스트 컨버터를 응용하여 구성한다. 이 능동형 역률 개선 회로는 거의 1에 가까운 역률 특성을 나타내고, 안정된 직류전원을 입력전압의 변동에 무관하게 출력할 수 있는 장점을 가지고 있어, 현재 대부분의 대전력 제품의 경우 국제적으로 강화된 고조파 규제를 만족시키기 위해 능동형 PFC회로를 채택하고 있는 추세이다.
통상, 능동형 역률 개선 회로에 채용되는 부스트 컨버터는 구조가 간단하며 입력전류가 연속적이므로 역률 개선 회로로 적용하기 적합하지만, 하드-스위칭 및 다이오드의 역회복 특성에 의한 문제점들을 가지고 있다. 특히, 다이오드의 역회복 특성은 과도한 스위치의 전류 써지(serge)를 야기하여 스위치의 전류 첨두치를 더욱 증가시킨다. 또한 역회복 손실 및 발열문제도 심각하므로 이에 대한 해결책이 필요하다. 일반적으로 다이오드의 역회복 특성 문제를 해결하기 위해서 스위치나 다이오드에 직렬로 턴온(ture-on) 전류 스너버(snubber)를 사용한다. 턴-온 전류 스너버는 스위치 턴-온 시 다이오드 전류의 감소 기울기를 완만하게 함으로써 다이오드의 역회복 특성 문제를 향상시킬 수 있다. 그러나, 이 턴-온 전류 스너버는 스위치 턴-오프 시 스위치 양단에 과도한 전압 써지를 야기시키며 스위치와 다이오드의 전압 스트레스를 크게 증가시키는 문제를 발생시킬 수 있다. 이러한 턴-온 전류 스너버로 인한 문제점을 해결하기 위해서, 스위치 턴-오프(turn-off) 전압 스너버가 필요하게 된다. 그러나, 전형적인 턴-오프 전압 스너버는 저항, 캐패시터, 다이오드를 포함하는 구조(RCD 구조)를 가지며, 캐패시터로 턴-오프 시 스위치에 인가 되는 스트레스 에너지를 흡수하였다가 저항을 통해 열 에너지로 방출하는 방식을 채택하고 있다. 이러한 RCD 구조의 턴-오프 스너버는 스트레스 에너지를 저항을 통해 열에너지로 방출하는 방식을 채택함으로써 전체 에너지 전달효율을 저하시키고 방출되는 열에너지가 주위에 영향을 미치는 등의 문제가 발생한다.
이와 같은 RCD 구조의 스너버가 갖는 문제점을 해결하기 위해 다양한 스너버들이 개발되어왔다. 그 중 도 1에 도시한 플라잉-캡 무손실 스너버는 하나의 인덕터(LS)와 하나의 캐패시터(CR), 및 두 개의 다이오드(dC1, dC2) 로 이루어진 비교적 간단한 구조의 스너버로 알려져 있다. 도 1에 도시된 플라잉-캡 무손실 스너버(10)는 캐패시터(CR)의 전압을 이용하여 스위치 턴-오프 시 다이오드(dC1, dC2)를 통해 흐르던 전류를 주다이오드(D0)를 통해 흐르게 하는데, 캐패시터(CR)의 전압(VCR)은 주다이오드(D0)의 역회복 전류에 의해 형성 되는 특징을 가진다. 즉, 스너버의 정상적인 동작을 위해서는 소정 수준 이상의 역회복 전류가 필요하게 되므로 결국 주다이오드(D0)의 역회복 특성을 충분히 제거할 수 없는 문제점이 발생한다. 즉, 만약 역회복 전류가 충분히 작도록 스너버 인덕터(LS)가 설계되어 캐패시터(CR)의 전압(VCR)이 충분하지 못한 경우, 다이오드(dC1, dC2)로 흐르던 전류를 주다이오드(D0)로 흐르게 하지 못하게 되는 문제가 발생한다.
본 발명은 플라잉-캡 무손실 스너버에서 주다이오드의 역회복 특성을 충분히 제거하지 못하는 문제점을 해결할 수 있는 회로 구조를 갖는 무손실 역률 개선회로를 제공하는 것을 기술적 과제로 한다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위한 수단으로서 본 발명은,
정류된 입력전압이 일단으로 입력되며, 제1 권선을 형성하는 부스트 인덕터;
상기 부스트 인덕터의 타단과 접지 사이에 연결된 스위치;
상기 부스트 인덕터의 타단에 일단이 연결되는 스너버 인덕터;
상기 스너버 인덕터의 타단에 애노드가 연결된 주다이오드;
상기 부스트 인덕터의 타단에 애노드가 연결된 제1 보조 다이오드;
상기 제1 보조 다이오드의 캐소드에 애노드가 연결되고 상기 주다이오드의 캐소드에 캐소드가 연결된 제2 보조 다이오드;
상기 주다이오드의 애노드와 상기 제2 보조 다이오드의 애노드 사이에 연결된 캐패시터;
상기 스너버 인덕터의 타단에 일단이 연결되고 상기 제1 권선과 소정 권선비로 결합되며 누설 인덕턴스를 갖는 제2 권선; 및
상기 제2 권선의 타단에 애노드가 연결되고 상기 제2 보조 다이오드의 애노 드에 캐소드가 연결된 제3 보조 다이오드
를 포함하는 무손실 역률 개선 회로를 제공한다.
바람직하게, 상기 제1 권선은 상기 입력전의 입력단에서 권선이 시작되고, 상기 제2 권선은 상기 제3 보조 다이오드의 애노드 연결단에서 권선이 시작될 수 있다.
본 발명에 따르면, 플라잉-캡 스너버 내에 구비되는 캐패시터를 주다이오드의 역회복 전류를 이용하여 충전하는 것이 아니라, 부스트 인덕터와 결합되어 트랜스포머를 형성하는 권선을 이용하여 이 권선의 누설 인덕턴스와 스너버 내의 상기 캐패시터의 공진을 통해 충전함으로써, 역회복 전류가 충분히 작아지도록 스너버 인덕터를 설계 가능하여 턴-온 전류 스너버로서의 성능을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
더하여 본 발명에 따르면, 역회복 전류가 충분히 작아지도록 스너버 인덕터를 설계 가능함으로써 스너버 인덕터의 사이즈를 감소시킬 수 있는 효과가 있다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대한 동작 원리를 상세히 설명한다. 하기에서 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구 성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 그리고 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
도 2는 본 발명의 일실시형태에 따른 플라잉-캡 스너버를 구비한 역률 개선 회로를 도시한 회로도이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 일실시형태에 따른 플라잉-캡 스너버를 구비한 역률 개선 회로(20)는, 정류된 입력전압이 일단으로 입력되며, 제1 권선(NB)을 형성하는 부스트 인덕터(LB)와, 상기 부스트 인덕터(LB)의 타단과 접지 사이에 연결된 스위치(Q)와, 상기 부스트 인덕터(LB)의 타단에 일단이 연결되는 스너버 인덕터(LS)와, 상기 스너버 인덕터(LS)의 타단에 애노드가 연결된 주다이오드(DO)와, 상기 부스트 인덕터(LB)의 타단에 애노드가 연결된 제1 보조 다이오드(dC1)와, 상기 제1 보조 다이오드(dC1)의 캐소드에 애노드가 연결되고 상기 주다이오드(DO)의 캐소드에 캐소드가 연결된 제2 보조 다이오드(dC2)와, 상기 주다이오드(DO)의 애노드와 상기 제2 보조 다이오드(dC2)의 애노드 사이에 연결된 캐패시터(CR)와, 상기 스너버 인덕 터(LS)의 타단에 일단이 연결되고 상기 제1 권선(NB)과 소정 권선비로 결합되며 누설 인덕턴스(Llkg)를 갖는 제2 권선(NS), 및 상기 제2 권선(NS)의 타단에 애노드가 연결되고 상기 제2 보조 다이오드(dC2)의 애노드에 캐소드가 연결된 제3 보조 다이오드(dS)를 포함하여 구성될 수 있다.
상기와 같이 구성되는 본 발명의 일실시형태에 따른 역률 개선 회로에서, 부스터 인덕터(LB)의 일단은 정류된 입력 전압이 입력되는 입력단이 되며, 상기 주다이오드(DO)의 캐소드는 부하(RO)가 연결되는 출력단이 될 수 있으며, 이 출력단에는 부하(RO)와 병렬로 출력을 안정화하기 위한 출력 캐패시터(CO)가 연결될 수 있다.
상기 부스트 인덕터(LB), 스위치(Q), 주다이오드(DO) 및 출력 캐패시터(CO)는 기초적인 부스트 컨버터를 구성하며, 상기 스너버 인덕터(LS), 제1 보조 다이오드(dC1), 제2 보조 다이오드(dC2), 캐패시터(CR), 제2 권선(NS), 제3 보조 다이오드(dS)는 스너버를 구성한다.
본 발명은 부스트 인덕터(LB)에 의해 형성된 제1 권선(NB)과, 스너버 내의 제2 권선(NS)이 서로 결합하여 트랜스포머를 형성한다. 이 트랜스포머에서, 상기 제1 권선(NB), 즉 부스트 인덕터(LB)은 상기 입력 전압의 입력단에서 권선이 시작되 고, 상기 제2 권선(NS)은 상기 제3 보조 다이오드(dS)의 애노드 연결단에서 권선이 시작되는 것이 바람직하다.
이와 같은 부스트 인덕터(LB)에 의해 형성되는 제1 권선(NB)과 제2 권선(NS)의 자기결합에 의해, 제2 권선(NS)의 누설 인덕턴스(Llkg)와 스너버 내의 캐패시터(CR)의 공진이 발생할 수 있으며, 이 공진에 의한 전류에 의해 캐패시터(CR)이 충전됨으로써 스위치(Q)의 턴-오프 시 제1 및 제2 보조 다이오드(dC1, dC2)에 흐르던 전류를 주다이오드(DO)로 흐르게 할 수 있다. 즉, 스위치(Q)의 턴-오프시 턴-오프 전압 스너버로서 동작할 수 있게 된다.
상술한 바와 같이, 본 발명은 플라잉-캡 스너버 내에 구비되는 캐패시터(CR)를 주다이오드(DO)의 역회복 전류를 이용하여 충전하는 것이 아니라, 스너버 내부의 제2 권선(NS)의 누설 인덕턴스(Llkg)와 스너버 내의 캐패시터(CR)의 공진을 통해 충전함으로써, 역회복 전류가 충분히 작아지도록 스너버 인덕터(LS)를 설계하더라도 바람직한 스너버 동작을 확보할 수 있으며, 이로써 상기 스너버 인덕터(LS)의 사이즈를 감소시킬 수 있다.
도 3은 본 발명의 일실시형태에 따른 플라잉-캡 스너버를 구비한 역률 개선 회로의 파형도이다. 또한, 도 4a 내지 4f는 상기 도 3에 도시된 파형의 각 시간 구 간에서 본 발명의 일실시형태에 따른 플라잉-캡 스너버를 구비한 역률 개선 회로의 동작을 도시한 회로도이다.
이하, 도 3 및 도 4a 내지 4f를 참조하여, 본 발명의 일실시형태에 따른 역률 개선 회로의 동작을 상세하게 설명한다. 특히, 도 3에 표시된 각 시간 구간으로 본 발명의 일실시형태에 따른 역률 개선 회로의 동작 모드를 구분하여 상세하게 설명한다.
먼저, 도 3a에 도시된 't0' 내지 't1' 구간에 대해 설명한다. 't0' 시점에 스위치(Q)가 도통되면, 부스터 인덕터(LB)에 흐르는 전류(ILb)는 스위치(Q)를 통해 흐른다. 스너버 인덕터(LS)에 의해 주다이오드(DO)를 통해 흐르는 전류(IDo)는 서서히 감소하게 된다. 부스터 인덕터(LB)에는 정류된 입력전압(VIN)이 인가되며, 제2 권선(NS)에는 제1 권선(부스트 인덕터에 의한 권선(NB))과의 권선비(예를 들어, n:1)에 따라 소정 비율로 감소된 전압(VIN/n)이 형성된다. 이 제2 권선(NS)에 형성된 전압을 전압원으로 하여, 제2 권선(NS)의 누설 인덕턴스(Llkg)와 캐패시터(CR)은 공진을 하게 된다. 이 공진전류가 제3 보조 다이오드(dS)를 통하여 캐패시터(CR)을 충전시키게 된다. 제2 권선(NS)을 통하여 흐르는 전류는 부스트 인덕터(LB)에 의한 제1 권선(NB)으로 투영되어 스위치(Q)로도 흐르게 된다. 또한, 주다이오드(DO)의 역회복 특성에 의해 스너버 인덕터(LS)에 남아 있던 전류도 제1 보조 다이오드(dC1)을 통하여 캐패시터(CR)을 충전시키게 된다.
이어, 도 3b를 참조하여 't1' 내지 't2' 구간에 대해 설명한다. 't1' 시점이 되면 주다이오드(DO)의 역회복 특성에 의해 스너버 인덕터(LS)에 남아 있던 전류(ILb)가 0이 되고, 제1 보조 다이오드(dC1)에 흐르는 전류도 0가 된다. 이 구간에서는, 제2 권선(NS) 및 누설 인덕턴스(Llkg)와 캐패시터(CR)가 형성하는 공진전류만 캐패시터(CR)을 충전시킨다.
이어, 도 3c를 참조하여 't2' 내지 't3' 구간에 대해 설명한다. 't2' 시점이 되면 제2 권선(NS) 및 누설 인덕턴스(Llkg)와 캐패시터(CR)가 형성하는 공진전류도 점차 감소하여 0이 되며, 스위치(Q)를 통해서 부스터 인덕터(LB)에 흐르는 전류(ILb)가 모두 흐르게 된다.
이어, 도 3d를 참조하여 't3' 내지 't4' 구간에 대해 설명한다. 't3' 시점에서 스위치(Q)가 턴-오프 되면, 부스터 인덕터(LB)의 전류(ILb)가 제1 보조 다이오드 및 제2 보조 다이오드(dC1, dC2)를 통하여 출력단으로 전달되기 시작한다. 이 때 캐패시터(CR)의 전압(VCR)이 스너버 인덕터(LS)에 인가되어 스너버 인덕터에 흐르는 전 류(ILs)를 증가시키고 제1 보조 다이오드(dC1)에 흐르는 전류(Idc1)는 감소시키게 된다.
이어, 도 3e를 참조하여 't4' 내지 't5' 구간에 대해 설명한다. 't4' 시점에서, 제1 보조 다이오드(dC1)에 흐르는 전류(Idc1)가 0이 되면, 부스터 인덕터(LB)의 전류(ILb)가 스너버 인덕터(LS)를 통해 흐르게 된다. 또한, 캐패시터(CR)의 전압(VCR)은 이 스너버 인덕터(LS)를 통해 흐르는 전류(ILs)에 의해서 점차 감소하게 된다.
마지막으로, 도 3f를 참조하여 't5' 내지 't6' 구간에 대해 설명한다. 't5' 시점에 캐패시터(CR)의 전압(VCR)이 0가 되면 주다이오드(DO)가 도통되고, 최종적으로 부스터 인덕터(LB)의 전류(ILb)는 주다이오드(DO)를 통해 출력단으로 전달된다.
이상 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시예에 관해 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다. 그러므로 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되지 않으며, 후술되는 특허청구의 범위뿐만 아니라 이 특허청구의 범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
도 1은 종래의 플라잉-캡 스너버를 구비한 역률 개선 회로를 도시한 회로도이다.
도 2는 본 발명의 일실시형태에 따른 플라잉-캡 스너버를 구비한 역률 개선 회로를 도시한 회로도이다.
도 4은 본 발명의 일실시형태에 따른 플라잉-캡 스너버를 구비한 역률 개선 회로의 파형도이다.
도 4a 내지 4f는 도 3에 도시된 파형의 각 시간 구간에서 본 발명의 일실시형태에 따른 플라잉-캡 스너버를 구비한 역률 개선 회로의 동작을 도시한 회로도이다.
*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*
LB: 부스터 인덕터 NB: 제1 권선
Q: 스위치 LS 스너버 인덕터
NS: 제2 권선 CR: 캐패시터
CR: 캐패시터 dC1: 제1 보조 다이오드
dC2: 제2 보조 다이오드 dS: 제3 보조 다이오드
Llkg: 제2 권선의 누설 인덕턴스 D0: 주다이오드

Claims (2)

  1. 정류된 입력전압이 일단으로 입력되며, 제1 권선을 형성하는 부스트 인덕터;
    상기 부스트 인덕터의 타단과 접지 사이에 연결된 스위치;
    상기 부스트 인덕터의 타단에 일단이 연결되는 스너버 인덕터;
    상기 스너버 인덕터의 타단에 애노드가 연결된 주다이오드;
    상기 부스트 인덕터의 타단에 애노드가 연결된 제1 보조 다이오드;
    상기 제1 보조 다이오드의 캐소드에 애노드가 연결되고 상기 주다이오드의 캐소드에 캐소드가 연결된 제2 보조 다이오드;
    상기 주다이오드의 애노드와 상기 제2 보조 다이오드의 애노드 사이에 연결된 캐패시터;
    상기 스너버 인덕터의 타단에 일단이 연결되고 상기 제1 권선과 소정 권선비로 결합되며 누설 인덕턴스를 갖는 제2 권선; 및
    상기 제2 권선의 타단에 애노드가 연결되고 상기 제2 보조 다이오드의 애노드에 캐소드가 연결된 제3 보조 다이오드
    를 포함하는 무손실 역률 개선 회로.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 권선은 상기 입력전압의 입력단에서 권선이 시작되고, 상기 제2 권 선은 상기 제3 보조 다이오드의 애노드 연결단에서 권선이 시작되는 것을 특징으로 하는 무손실 역률 개선 회로.
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