KR100935967B1 - 집적 코일을 갖는 역률 개선 회로 - Google Patents

집적 코일을 갖는 역률 개선 회로 Download PDF

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Abstract

본 발명은 개별적으로 회로에 채용되는 복수의 인덕터를 하나의 코어에 권선된 집적 코일을 갖는 역률 개선 회로에 관한 것이다.
본 발명의 역률 개선 회로는 상용 교류 전원을 정류하는 정류부와, 스위칭에 따라 상기 정류부로부터의 정류된 전원의 전류 변화를 제어하는 코일부와, 상기 코일부로부터의 전원을 상보적으로 스위칭하는 스위칭부를 포함하고, 상기 코일부는 서로 전기적으로 연결된 제1 코일 및 제2 코일과, 자기적으로 서로 연결된 제1 레그, 제2 레그 및 제3 레그를 갖는 코어를 구비하며, 상기 제1 코일은 상기 제1 레그에 권선되고,상기 제2 코일은 상기 제2 레그에 권선되며, 상기 제3 레그는 상기 제1 및 제2 레그와 자로를 형성하는 것을 특징으로 한다.
역률 개선(Power Factor Correction), 집적(Integrate), 인덕터(Inductor)

Description

집적 코일을 갖는 역률 개선 회로{POWER FACTOR CORRECTED CIRCUIT HAVING INTEGRATED COIL}
본 발명은 역률 개선 회로에 관한 것으로 보다 상세하게는 개별적으로 회로에 채용되는 복수의 인덕터를 하나의 코어에 권선된 집적 코일을 갖는 역률 개선 회로에 관한 것이다.
사전에 설정된 다양한 동작을 수행하는 전자장치에 있어서, 상용 전원을 전자장치의 구동에 필요한 구동 전원으로 변환하여 공급하는 전원 장치는 필수적으로 채택된다.
이러한, 전원 장치는 사전에 설정된 전원을 공급하는 기능과 함께, 전원의 EMI 제거 기능, 전압 및 전류 조정 기능 또는 역률 개선 기능 등을 수행할 수 있다.
한편, 상술한 역률 개선 기능은 사용 전원의 효율적인 사용을 위해 전원 장치에 채택되며, 일반적으로 인덕턴스 소자와 스위치 소자를 이용하여 구성한다.
전원 장치에 채택된 종래의 역률 개선 회로는 복수의 스위치 소자에 각각 전기적으로 연결된 복수의 인덕턴스 소자를 채용하고, 이에 따라 인덕턴스 소자의 개 수 만큼 회로 면적이 증가하는 문제점이 있으며, 이는 경박단소화를 지향하는 전자장치에 있어서 필수적으로 개선이 필요한 문제점이다.
상술한 문제점을 해결하기 위해, 본 발명의 목적은 복수의 코일이 하나의 코어에 권선된 집적 코일을 갖는 역률 개선 회로를 제공하는 것이다.
상술한 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 역률 개선 회로의 제1 실시형태는 상용 교류 전원을 정류하는 정류부와, 스위칭에 따라 상기 정류부로부터의 정류된 전원의 전류 변화를 제어하는 코일부와, 상기 코일부로부터의 전원을 상보적으로 스위칭하는 스위칭부를 포함하고, 상기 코일부는 서로 전기적으로 연결된 제1 코일및 제2 코일과, 자기적으로 서로 연결된 제1 레그, 제2 레그 및 제3 레그를 갖는 코어를 구비하며, 상기 제1 코일은 상기 제1 레그에 권선되고,상기 제2 코일은 상기 제2 레그에 권선되며, 상기 제3 레그는 상기 제1 및 제2 레그와 자로를 형성하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 제1 실시형태에 따르면, 상기 스위칭부는 상기 제1 코일과 전기적으로 연결되어 상기 제1 코일로부터의 전원을 스위칭하는 제1 스위치와, 상기 제2 코일과 전기적으로 연결되어 상기 제2 코일로부터의 전원을 상기 제1 스위치와 상보적으로 스위칭하는 제2 스위치를 포함할 수 있다.
본 발명의 제1 실시형태에 따르면, 상기 제3 레그는 상기 제1 레그 및 제2 레그 사이에 형성될 수 있다.
본 발명의 제1 실시형태에 따르면, 상기 제1 코일의 권선수와 상기 제2 코일의 권선수는 동일할 수 있다.
본 발명의 제1 실시형태에 따르면, 상기 제1 레그 및 제2 레그는 상기 코일부의 인덕턴스를 조절하는 갭(gap)이 형성될 수 있다.
본 발명의 제2 실시형태에 따르면, 상기 코일부는 상기 정류부와 상기 제1 코일 및 제2 코일 사이에 전기적으로 연결되며, 상기 제3 레그에 권선되는 제3 코일을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 제2 실시형태에 따르면, 상기 제1 코일의 권선수와 상기 제2 코일의 권선수는 동일하며, 상기 제3 코일의 권선수는 상기 제1 코일의 권선수보다 적을 수 있다.
본 발명의 제2 실시형태에 따르면, 상기 제1 내지 제3 레그에는 상기 코일부의 인덕턴스를 조절하는 갭(gap)이 형성될 수 있다.
본 발명의 집적 코일을 갖는 역률 개선 회로의 제3 실시형태는 상용 교류 전 원을 정류하는 정류부와, 스위칭에 따라 상기 정류부로부터의 정류된 전원의 전류 변화를 제어하는 코일부와, 상기 코일부로부터의 전원을 상보적으로 스위칭하는 스위칭부를 포함하고, 상기 코일부는 서로 전기적으로 연결된 제1 코일및 제2 코일 과, 자기적으로 서로 연결된 제1 레그, 제2 레그, 제3 레그 및 제4 레그를 갖는 코어를 구비하며, 상기 제1 코일은 상기 제1 레그에 권선되고,상기 제2 코일은 상기 제2 레그에 권선되며, 상기 제3 레그는 상기 제1 레그와 하나의 자로를 형성하고, 상기 제4 레그는 상기 제2 레그와 다른 하나의 자로를 형성하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 제3 실시형태에 따르면, 상기 스위칭부는 상기 제1 코일과 전기적으로 연결되어 상기 제1 코일로부터의 전원을 스위칭하는 제1 스위치와, 상기 제2 코일과 전기적으로 연결되어 상기 제2 코일로부터의 전원을 상기 제1 스위치와 상보적으로 스위칭하는 제2 스위치를 포함할 수 있다.
본 발명의 제3 실시형태에 따르면, 상기 제1 레그는 상기 제2 레그 및 상기 제3 레그 사이에 형성되고, 상기 제2 레그는 상기 제1 레그와 상기 제4 레그 사이에 형성될 수 있다.
본 발명의 제3 실시형태에 따르면, 상기 제1 레그 및 제2 레그는 상기 코일부의 인덕턴스를 조절하는 갭(gap)이 형성될 수 있다.
본 발명의 제3 실시형태에 따르면, 상기 제1 코일의 권선수와 상기 제2 코일의 권선수는 동일할 수 있다.
본 발명에 따르면, 복수의 코일을 하나의 코어에 집적화하여 복수의 코일을 개별적으로 사용했을 시와 동일한 전기적인 효과를 가지며 회로의 면적을 저감할 수 있는 효과가 있다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하도록 한다.
도 1은 본 발명의 역률 개선 회로의 제1 실시형태를 나타내는 구성도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 역률 개선 회로의 제1 실시형태(100)는 정류부(110), 코일부(120) 및 스위칭부(130)를 포함한다.
정류부(110)는 브릿지(Bridge Diode)로 구성될 수 있으며, 상용 교류 전원을 정류한다.
코일부(120)는 제1 코일(121), 제2 코일(122) 및 코어(123)를 구비할 수 있으며, 제1 코일(121) 및 제2 코일(122)는 각각 정류부(110)에 전기적으로 연결된다.
코어(123)는 EE코어 또는 EI 코어의 결합으로 인해 서로 자기적으로 연결된 제1 내지 제3 레그(leg)(123a, 123b, 123c)를 구비하며, 제1 코일(121)은 제1 레그(123a)에 권선되고, 제2 코일(122)는 제2 레그(123b)에 권선된다.
제3 레그(123c)는 제1 레그(123a)와 제2 레그(123b) 사이에 위치하여 제1 레그(123a) 및 제2 레그(123b)와 각각 하나의 자로를 형성한다.
제1 코일(121) 및 제2 코일(122)이 각각 권선되는 제1 레그(123a) 및 제2 레그(123b)에는 코일부(120)의 인덕턴스를 조절하는 갭(gap)(G)이 형성될 수 있다.
스위칭부(130)는 코일부(120)로부터의 전원을 스위칭하는 제1 스위치(S1) 및 코일부(120)로부터의 전원을 제1 스위치(S1)과 상보적으로 스위칭하는 제2 스위치(S2)를 구비한다.
더하여, 스위칭시에 전원을 정류하는 제1 및 제2 다이오드(D1, D2) 및 출력 전원을 안정화시키는 캐패시터(C1)을 구비할 수 있다.
제1 스위치(S1)는 제1 코일(121)과 전기적으로 연결되고, 제2 스위치(S2)는 제2 코일(122)과 전기적으로 연결된다.
제1 스위치(S1)과 제2 스위치(S2)는 서로 상보적으로 스위칭하므로, 이에 따라 스위칭시에 코어(123)에 여자되는 전류의 중첩을 방지하기 위해 제1 코일(121)의 권선방향과 제2 코일(122)의 권선방향은 서로 반대인 것이 바람직하다. 또한, 여자되는 전류의 평형을 위해 제1 코일(121)의 권선수와 제2 코일(122)의 권선수는 동일한 것이 바람직하다.
도 2는 본 발명의 역률 개선 회로의 제2 실시형태를 나타내는 구성도이다.
도 1과 함께 도 2를 참조하면, 도 2에 도시된 본 발명의 역률 개선 회로의 제2 실시형태(200)는 도 1에 도시된 제1 실시형태(100)와 동일한 정류부(210) 및 스위칭부(230)를 구비하므로, 이에 대한 설명은 생략하도록 한다.
본 발명의 역률 개선 회로의 제2 실시형태(200)에 채용된 코일부(220)는 제1 코일(221), 제2 코일(222) 및 코어(223)를 구비할 수 있으며, 제1 코일(221) 및 제2 코일(222)는 각각 정류부(210)에 전기적으로 연결된다.
코어(223)는 EE코어 또는 EI 코어의 결합으로 인해 서로 자기적으로 연결된 제1 내지 제3 레그(leg)(223a, 223b, 223c)를 구비하며, 제1 코일(221)은 제1 레그(223a)에 권선되고, 제2 코일(222)는 제2 레그(223b)에 권선된다.
제3 레그(223c)는 제1 레그(223a)와 제2 레그(223b) 사이에 위치하여 제1 레그(223a) 및 제2 레그(223b)와 각각 하나의 자로를 형성한다.
제1 내지 제3 레그(223a, 223b, 223c)에는 코일부(220)의 인덕턴스를 조절하는 갭(G)이 형성될 수 있다.
한편, 코일부(220)는 제3 레그(223c)에 권선된 제3 코일(224)을 더 포함할 수 있다. 이에 따라, 상술한 바와 같이 제3 레그(223c)에는 인덕턴스를 조절하는 갭(G)이 형성될 수 있다.
제3 코일(224)은 정류부(210)와 제1 및 제2 코일(221, 222)사이에 전기적으로 연결되며, 제1 코일과 제2 코일(221, 222)의 권선 방향이 같을 경우 전류의 변 화를 억제하여 상보적인 스위칭시에 코어(223)에 여자되는 전류의 중첩에 따른 전류 왜곡 현상을 개선할 수 있다. 또한, 여자되는 전류의 평형을 위해 제1 코일(221)의 권선수와 제2 코일(222)의 권선수는 동일한 것이 바람직하며, 제3 코일(224)의 권선수는 제1 및 제2 코일(221, 222)의 권선수보다 적은 것이 바람직하다. 더하여, 제3 코일(224)의 단면적은 제1 코일(221)의 단면적과 제2 코일(222)의 단면적의 합인 것이 바람직하다.
도 3은 본 발명의 역률 개선 회로의 제3 실시형태를 나타내는 구성도이다.
도 1과 함께 도 3을 참조하면, 도 3에 도시된 본 발명의 역률 개선 회로의 제3 실시형태(300)는 도 1에 도시된 제1 실시형태(100)와 동일한 정류부(310) 및 스위칭부(330)를 구비하므로, 이에 대한 설명은 생략하도록 한다.
본 발명의 역률 개선 회로의 제3 실시형태(300)에 채용된 코일부(320)는 제1 코일(321), 제2 코일(322) 및 코어(323)를 구비할 수 있으며, 제1 코일(321) 및 제2 코일(322)는 각각 정류부(310)에 전기적으로 연결된다.
코어(323)는 EE코어 또는 EI 코어의 결합으로 인해 서로 자기적으로 연결된 제1 내지 제4 레그(leg)(323a, 323b, 323c, 323d)를 구비하며, 제1 코일(321)은 제1 레그(323a)에 권선되고, 제2 코일(322)는 제2 레그(323b)에 권선된다.
코어(323)의 레그 형성에 있어서, 제1 레그(323a)와 제2 레그(323b)는 서로 가장 가깝게 형성되고, 제3 레그(323c)는 제1 레그(323a)와 가장 가깝게 형성되며, 제4 레그(323d)는 제2 레그(323b)와 가장 가깝게 형성된다.
제1 코일(321) 및 제2 코일(322)이 각각 권선되는 제1 및 제2 레그(223a, 223b)에는 각각 코일부(320)의 인덕턴스를 조절하는 갭(G)이 형성될 수 있으며, 이에 따라 제1 레그(323a)와 제3 레그(323c)는 하나의 자로를 형성하고, 제2 레그(323c)와 제4 레그(323d)는 다른 하나의 자로를 형성한다.
따라서, 상보적인 스위칭시에 코어(323)에 여자되는 전류는 그 경로가 서로 상이하므로 전류의 중첩이 발생하지 않아 제1 코일(321)의 권선 방향과 제2 코일(322)의 권선방향은 동일한 것이 바람직하며, 마찬가지로, 여자되는 전류의 평형을 위해 제1 코일(321)의 권선수와 제2 코일(322)의 권선수는 동일한 것이 바람직하다..
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 동작 및 작용에 관하여 상세히 설명하도록 한다.
도 1을 참조하면, 정류부(110)로부터의 전류는 제1 코일(121)에 유입되는 전류와 제2 코일(122)에 유입되는 전류의 합과 같다.
제1 코일(121)에 유입되는 전류(i1)과 제2 코일(122)에 유입되는 전류(i2)는 다음의 수학식1과 같다.
(수학식1)
Figure 112007078276236-pat00001
여기서, W2는 제1 및 제2 코일(121, 122)의 권선수이고, R1은 제1 및 제2 레그(123a, 123b)의 자기 릴럭턴스(magnetic reluctance), R2는 제3 레그(123c)의 자기 릴럭턴스이며, Φ1 및 Φ2는 각각 제1 레그(123a) 및 제2 레그(123b)의 플럭스를 나타낸다.
다음으로, 도 2를 참조하면, 정류부(210)로부터의 전류는 제1 코일(221)에 유입되는 전류와 제2 코일(222)에 유입되는 전류의 합과 같으며, 제1 코일(221)에 유입되는 전류(i1)과 제2 코일(222)에 유입되는 전류(i2)는 다음의 수학식2와 같다.
(수학식2)
Figure 112007078276236-pat00002
여기서, W2는 제1 및 제2 코일(221, 222)의 권선수이고, W3은 제3 코일(224)의 권선수이며, R1은 제1 및 제2 레그(123a, 123b)의 자기 릴럭턴스(magnetic reluctance), R2는 제3 레그(123c)의 자기 릴럭턴스이고, Φ1 및 Φ2는 각각 제1 레그(123a) 및 제2 레그(123b)의 플럭스를 나타낸다. 제3 코일(224)에 유입되는 전류는 상술한 바와 같이, 제1 코일(221)에 유입되는 전류와 제2 코일(222)에 유입되는 전류의 합과 같다.
마지막으로, 도 3을 참조하면, 정류부(310)로부터의 전류는 제1 코일(321)에 유입되는 전류와 제2 코일(322)에 유입되는 전류의 합과 같으며, 제1 코일(221)에 유입되는 전류(i1)과 제2 코일(222)에 유입되는 전류(i2)는 다음의 수학식3과 같다.
(수학식3)
Figure 112007078276236-pat00003
여기서, W1은 제1 및 제2 코일(321, 322)의 권선수이고, R1은 제1 및 제2 레그(123a, 123b)의 자기 릴럭턴스(magnetic reluctance)이며, Φ1 및 Φ2는 각각 제1 레그(123a) 및 제2 레그(123b)의 플럭스를 나타낸다.
도 4는 종래의 역률 개선 회로의 전류 그래프이고, 도 5는 본 발명의 역률 개선 회로의 전류 그래프이다.
도 4의 (a)에 도시된 식별부호 a 및 b는 종래의 역률 개선 회로에 각각 개별적으로 채용된 인덕터의 플럭스를 나타내며, 도 4의 (b)에 도시된 식별부호 c 및 d는 종래의 역률 개선 회로에 각각 개별적으로 채용된 인덕터의 전류를 나타낸다.
도 5의 (a)에 도시된 식별부호 a, b 및 c는 본 발명의 제2 실시형태에 채용된 코일부(220)의 플럭스를 나타내며, 도 5의 (b)에 도시된 d, e 및 f는 각각 본 발명의 제2 실시형태에 채용된 코일부(220)의 제1 내지 제3 코일의 전류를 나타낸다. 본 발명의 제1 실시형태 및 제3 실시형태의 플럭스 및 전류는 도 5의 (b)의 제 3 코일의 전류를 제외하고는 모두 동일하여 그래프 및 설명은 생략하도록 한다.
도 4와 도 5를 비교하면, 종래의 인덕터와 본 발명의 집적화된 코일부(220)의 플럭스 및 전류가 동일한 것을 확인할 수 있으며, 이에 따라 본 발명의 집적화된 코일은 종래의 개별적인 인덕터와 동일한 전기적인 작용을 하며, 회로의 면적을 감소시킬 수 있는 효과가 있다.
이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고 후술하는 특허청구범위에 의해 한정되며, 본 발명의 구성은 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 그 구성을 다양하게 변경 및 개조할 수 있다는 것을 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 쉽게 알 수 있다.
도 1은 본 발명의 역률 개선 회로의 제1 실시형태를 나타내는 구성도.
도 2는 본 발명의 역률 개선 회로의 제2 실시형태를 나타내는 구성도.
도 3은 본 발명의 역률 개선 회로의 제3 실시형태를 나타내는 구성도.
도 4는 종래의 역률 개선 회로의 전류 그래프.
도 5는 본 발명의 역률 개선 회로의 전류 그래프.
<도면의 주요 부호에 대한 상세한 설명>
100, 200, 300...역률 개선 회로
110, 210, 310...정류부
120, 220, 320...코일부
121, 221, 321...제1 코일
122, 222, 322...제2 코일
123, 223, 323...코어
123a, 223a, 323a...제1 레그
123b, 223b, 323b...제2 레그
123c, 223c, 323c...제3 레그
323d...제4 레그
130, 230, 330...스위칭부

Claims (13)

  1. 상용 교류 전원을 정류하는 정류부;
    스위칭에 따라 상기 정류부로부터의 정류된 전원의 전류 변화를 제어하는 코일부; 및
    상기 코일부로부터의 전원을 상보적으로 스위칭하는 스위칭부를 포함하고,
    상기 코일부는 서로 전기적으로 연결된 제1 코일 및 제2 코일과, 자기적으로 서로 연결된 제1 레그, 제2 레그 및 제3 레그를 갖는 코어를 구비하며,
    상기 제1 코일은 상기 제1 레그에 권선되고,상기 제2 코일은 상기 제2 레그에 권선되며, 상기 제3 레그는 상기 제1 및 제2 레그와 자로를 형성하는 것을 특징으로 하는 집적 코일을 갖는 역률 개선 회로.
  2. 제1항에 있어서, 상기 스위칭부는
    상기 제1 코일과 전기적으로 연결되어 상기 제1 코일로부터의 전원을 스위칭하는 제1 스위치; 및
    상기 제2 코일과 전기적으로 연결되어 상기 제2 코일로부터의 전원을 상기 제1 스위치와 상보적으로 스위칭하는 제2 스위치를 포함하는 것을 특징으로 하는 집적 코일을 갖는 역률 개선 회로.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제3 레그는 상기 제1 레그 및 제2 레그 사이에 형성되는 것을 특징으로 하는 집적 코일을 갖는 역률 개선 회로.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제1 코일의 권선수와 상기 제2 코일의 권선수는 동일한 것을 특징으로 하는 집적 코일을 갖는 역률 개선 회로.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제1 레그 및 제2 레그는 상기 코일부의 인덕턴스를 조절하는 갭(gap)이 형성되는 것을 특징으로 하는 집적 코일을 갖는 역률 개선 회로.
  6. 제3항에 있어서,
    상기 코일부는 상기 정류부와 상기 제1 코일 및 제2 코일 사이에 전기적으로 연결되며, 상기 제3 레그에 권선되는 제3 코일을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 집적 코일을 갖는 역률 개선 회로.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 제1 코일의 권선수와 상기 제2 코일의 권선수는 동일하며,
    상기 제3 코일의 권선수는 상기 제1 코일의 권선수보다 적은 것을 특징으로 하는 집적 코일을 갖는 역률 개선 회로.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 제1 내지 제3 레그에는 상기 코일부의 인덕턴스를 조절하는 갭(gap)이 형성되는 것을 특징으로 하는 집적 코일을 갖는 역률 개선 회로.
  9. 상용 교류 전원을 정류하는 정류부;
    스위칭에 따라 상기 정류부로부터의 정류된 전원의 전류 변화를 제어하는 코일부; 및
    상기 코일부로부터의 전원을 상보적으로 스위칭하는 스위칭부를 포함하며,
    상기 코일부는 서로 전기적으로 연결된 제1 코일및 제2 코일과, 자기적으로 서로 연결된 제1 레그, 제2 레그, 제3 레그 및 제4 레그를 갖는 코어를 구비하며,
    상기 제1 코일은 상기 제1 레그에 권선되고,상기 제2 코일은 상기 제2 레그에 권선되며, 상기 제3 레그는 상기 제1 레그와 하나의 자로를 형성하고, 상기 제4 레그는 상기 제2 레그와 다른 하나의 자로를 형성하는 것을 특징으로 하는 집적 코일을 갖는 역률 개선 회로.
  10. 제9항에 있어서, 상기 스위칭부는
    상기 제1 코일과 전기적으로 연결되어 상기 제1 코일로부터의 전원을 스위칭하는 제1 스위치; 및
    상기 제2 코일과 전기적으로 연결되어 상기 제2 코일로부터의 전원을 상기 제1 스위치와 상보적으로 스위칭하는 제2 스위치를 포함하는 것을 특징으로 하는 집적 코일을 갖는 역률 개선 회로.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 제1 레그는 상기 제2 레그 및 상기 제3 레그 사이에 형성되고, 상기 제2 레그는 상기 제1 레그와 상기 제4 레그 사이에 형성되는 것을 특징으로 하는 집적 코일을 갖는 역률 개선 회로.
  12. 제10항에 있어서,
    상기 제1 레그 및 제2 레그는 상기 코일부의 인덕턴스를 조절하는 갭(gap)이 형성되는 것을 특징으로 하는 집적 코일을 갖는 역률 개선 회로.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 제1 코일의 권선수와 상기 제2 코일의 권선수는 동일한 것을 특징으로 하는 집적 코일을 갖는 역률 개선 회로.
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