KR101055055B1

KR101055055B1 - 전원공급장치의 역률보상 회로

Info

Publication number: KR101055055B1
Application number: KR1020090074130A
Authority: KR
Inventors: 류승완
Original assignee: 엘지이노텍 주식회사
Priority date: 2009-08-12
Filing date: 2009-08-12
Publication date: 2011-08-05
Also published as: KR20110016564A

Abstract

본 발명은 과전압으로부터 역률보상회로가 손상되는 것을 방지하기 위한 전원공급장치의 역률보상 회로에 관한 것으로, 외부로부터 입력되는 직류전원을 교류전원의 변동에 관계없이 항상 일정한 레벨의 직류전압을 출력하는 역률개선부와, 외부로부터 공급된 전원에 따라 동작되고 상기 역률개선부에 포함된 메인스위치를 스위칭 제어하여 역률을 보상하게 되는 역률보상제어부와, 상기 역률개선부의 출력단과 저전위 사이에 복수의 저항이 직렬 연결되어 출력단에 걸리는 전압을 분배하여 검출하는 전압검출부, 및 상기 전압검출부에서 검출된 전압에 따라 작동되고, 상기 검출된 전압이 설정된 전압보다 높은 과전압일 경우 상기 역률보상제어부로 공급되는 전원을 차단하여 메인스위치가 오프되도록 하는 전원차단부를 포함한다.

전원장치, 역률보상회로, PFC, 과전압, 전원차단

Description

전원공급장치의 역률보상 회로{POWER FACTOR CORRECTION CIRCUIT OF POWER SUPPLY APPARATUS}

본 발명은 역률보상 회로에 관한 것으로, 특히 과전압으로부터 역률보상회로가 손상되는 것을 방지하기 위한 전원공급장치의 역률보상 회로에 관한 것이다.

일반적으로, 정격 250W급 이상의 고출력 전원공급장치에는 역률보상회로(Power Factor Correction; 이하 'PFC'라 함)가 내장될 수 있는 데, 역률보상회로는 전원공급장치의 전력효율을 향상시키기 위한 절전회로이다.

스위칭모드의 전원공급장치(SMPS)를 설계할 때, 전파 정류를 위한 다이오드와 평활용 커패시터는 필수구성 요소가 되며, 이러한 경우 상기 정류용 다이오드와 평활용 커패시터에서 발생하는 고조파 왜곡(Harmonic distortion) 및 첨두 전류(Peak current)를 발생시키고, 역률을 대략 0.6 정도로 낮게 나타난다.

역률보상회로는 이와 같은 낮은 역률을 개선하여 대략 '1'에 가깝게 보상함으로써, 전원선에서의 고조파 왜곡을 감소시킬 수 있을 뿐만 아니라 입력전원으로 부터 가능한 한 최대의 유효전력을 얻을 수 있게 된다.

상기와 같은 기능을 하는 역률보상회로는 순간적인 파워 누출이 우려되는 트랜스포머와 안정기 및 컨버터와 같은 구성부품으로 공급되는 전력을 조절하여 각 부품에 보다 안정된 전류를 공급하고, 불필요하게 낭비되는 전력소비를 방지할 수 있다.

이와 같은 역률보상회로는 과전압 보호회로(Over Voltage Protection)가 구비되어 있어, 출력전압을 피드백받아 과전압시 래치 동작을 수행하게 된다.

하지만, 역률보상제어부에 이상이 있어 피드백단에서 과전압을 검출하지 못하는 경우에 역률보상제어부가 계속 동작하여 출력전압이 지속적으로 상승하여 주변 부품에 심각한 피해를 주게 된다.

따라서, 역률보상제어부의 이상시에도 주변 부품 등을 과전압으로부터 보호하기 위한 대응책이 필요하다.

본 발명은 역률보상제어부의 이상 여부에 관계없이 과전압으로부터 역률보상회로와 주변 부품들이 손상되는 것을 방지하기 위한 전원공급장치의 역률보상 회로전원장치를 제공하기 위한 것이다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명 이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 역률보상 회로는, 외부로부터 입력되는 직류전원을 교류전원의 변동에 관계없이 항상 일정한 레벨의 직류전압을 출력하는 역률개선부; 외부로부터 공급된 전원에 따라 동작되고 상기 역률개선부에 포함된 메인스위치를 스위칭 제어하여 역률을 보상하게 되는 역률보상제어부; 상기 역률개선부의 출력단과 저전위 사이에 복수의 저항이 직렬 연결되어 출력단에 걸리는 전압을 분배하여 검출하는 전압검출부; 및 상기 전압검출부에서 검출된 전압에 따라 작동되고, 상기 검출된 전압이 설정된 전압보다 높은 과전압일 경우 상기 역률보상제어부로 공급되는 전원을 차단하여 메인스위치가 오프되도록 하는 전원차단부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

구체적으로, 상기 전원차단부는 상기 전압검출부의 검출노드에 걸리는 전압에 따라 전류통로가 개폐되는 전류개폐수단; 및 상기 전류개폐수단을 통해 인가되는 신호에 따라 스위칭되어 상기 역률보상제어부로 인가되는 동작전원의 공급 여부를 조절하는 스위칭부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

이상에서 설명한 바와 같이 본 발명은 역률보상회로를 통해 정격전압보다 높 은 과전압이 출력될 경우 역률보상제어부의 이상 여부에 관계없이 역률보상제어부로 공급되는 동작전원을 차단하여 역률보상회로의 각종 부품의 손상이나 방폭을 방지하여 제품의 신뢰성을 높일 수 있는 이점이 있다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다. 도면들 중 동일한 구성요소들은 가능한 어느 곳에서든지 동일한 부호로 표시한다. 또한 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다.

도 1은 본 발명과 관련된 역률보상회로를 구비한 전원공급장치를 나타낸 도면으로서, 전원공급장치(1)는 정류회로부(10)와 역률개선부(11), 전압검출부(13), 출력 커패시터(Co) 및 역률보상제어부(15) 등을 포함하여 이루어져 있다.

정류회로부(10)는 외부로부터 입력된 교류전원을 정류하여 직류전원으로 변환하여 출력하는 브릿지 다이오드와 평활용 커패시터를 포함한다.

역률개선부(11)는 정류회로부(10)로부터 입력되는 직류전원을 교류전원의 변동에 관계없이 항상 일정한 레벨의 직류전압을 출력하게 된다.

상기 역률개선부(11)는, 상기 정류회로부(10)의 출력단에 일단이 연결된 입력 인덕터(L1)와, 상기 입력 인덕터(L1)와 역률개선부(11)의 출력단 사이에 순방향으로 연결된 정류용 다이오드(D1)와, 상기 입력 인덕터(L1)와 정류용 다이오드(D1)의 접속노드와 저전위 사이에 전류통로가 연결되고 소정의 제어신호에 따라 스위칭 되는 메인스위치(MS)를 포함하여 구성된다.

전압검출부(13)는 출력단(Out)과 저전위 사이에 복수의 저항(R1, R2)이 직렬 연결되어 출력단에 걸리는 전압을 분배하여 검출한다.

출력 커패시터(Co)는 출력단(Out)과 저전위 사이에 연결되어 상기 정류용 다이오드(D1)를 통해 정류된 전압을 평활하여 출력하는 평활용 콘덴서이다.

역률보상제어부(15)는 메인스위치(MS)를 스위칭하게 되는 데, 입력신호의 주파수보다 더 높은 주파수로 메인스위치를 스위칭시키고, 메인스위치(MS)의 동작시간(On-time)을 입력전압의 크기에 비례하도록 조정한다. 이에 따라 입력 인덕터(L1)를 통해 흐르는 전류는 역률보상제어부(15)의 스위칭 주기에 따라 전류량이 제어되어 역률이 보상된다.

아울러, 역률보상제어부(15)는 전압검출부(13)를 통해 출력전압을 감시하고, 출력단을 통해 과전압이 출력될 경우 래치(latch) 동작을 수행하게 된다.

상기 메인스위치(MS)는 전계효과 트랜지스터(FET) 또는 바이폴라 트랜지스터가 사용될 수 있다.

이와 같이 구성된 역률보상회로는 출력단을 통해 과전압이 출력될 경우 이를 전압검출부(13)를 통해 검출하여 역률보상제어부(15)에서 래치 동작을 수행하는 기능이 있다. 즉, 역률보상제어부(15)는 전압검출부(13)를 통해 출력전압을 피드백받아 검출하고 검출된 전압이 설정전압 이상의 과전압일 경우 래치 동작을 수행하여 과전압이 출력되지 않도록 한다.

하지만, 역률보상제어부(15) 또는 소정의 피드백단에 이상(abnormal)이 있어 전압검출부(13)를 통해 과전압을 검출하지 못하는 경우 역률보상제어부(15)가 계속적으로 메인스위치(MS)를 스위칭시켜 출력전압이 지속적으로 상승하게 되고, 이에 따라 출력 커패시터(Co) 등 주변 부품이 손상되게 된다. 실제로 출력단(Out)의 전압이 450V 이상으로 상승하게 되면 출력 커패시터 등이 방폭되는 현상이 발생되므로 이에 대한 대응책이 시급하다.

도 2는 본 발명의 실시예에 의한 역률보상회로를 구비한 전원공급장치를 나타낸 도면으로서, 전원공급장치(100)는 정류회로부(101)와 역률개선부(110), 출력 커패시터(Co), 역률보상제어부(130), 전압검출부(150) 및 전원차단부(170) 등을 포함하여 이루어져 있다.

정류회로부(101)는 외부로부터 입력된 교류전원을 정류하여 직류전원으로 변환하여 출력하는 브릿지 다이오드와 평활용 커패시터를 포함한다.

상기 정류회로부(101)의 전단에는 외부로부터 상용 교류전원을 입력받아 교류전원에 포함된 노이즈를 L,C 공진 작용에 의해 제거함과 아울러 내부에서 발생된 고주파 노이즈가 입력라인을 타고 외부로 나가는 것을 차단하는 라인필터 등이 더 포함될 수 있다.

역률개선부(110)는 정류회로부(101)로부터 입력되는 직류전원을 교류전원의 변동에 관계없이 항상 일정한 레벨의 직류전압을 출력하게 된다.

상기 역률개선부(110)는, 상기 정류회로부(101)의 출력단에 일단이 연결된 입력 인덕터(L1)와, 상기 입력 인덕터(L1)와 역률개선부(110)의 출력단(Out) 사이에 순방향으로 연결된 정류용 다이오드(D1)와, 상기 입력 인덕터(L1)와 정류용 다 이오드(D1)의 접속노드와 저전위 사이에 전류통로가 연결되고 소정의 제어신호에 따라 스위칭되는 메인스위치(MS)를 포함하여 구성된다. 즉, 역률개선부(110)는 입력 인덕터(L1)에 축적되는 에너지를 메인스위치(MS)의 스위칭을 통해 충방전함으로써 입력 전압과 전류를 동상으로 만든다.

역률보상제어부(130)는 공급된 전원에 따라 동작되어 메인스위치(MS)를 스위칭하게 되는 데, 입력신호의 주파수보다 더 높은 주파수로 메인스위치(MS)를 스위칭시키고, 메인스위치(MS)의 동작시간(On-time)을 입력전압의 크기에 비례하도록 조정한다. 이에 따라 입력 인덕터를 통해 흐르는 전류는 역률보상제어부(130)의 스위칭 주기에 따라 전류량이 제어되어 역률이 보상된다.

전압검출부(150)는 역률개선부(110)의 출력단(Out)과 저전위 사이에 연결되어 출력단(Out)에 걸리는 전압을 분배하여 검출한다. 상기 전압검출부(150)는 역률개선부(110)의 출력단(Vout)과 저전위 사이에 직렬로 연결된 복수의 저항(R1~R5)을 포함할 수 있다.

상기 복수의 저항(R1~R5)은 출력단의 전압(Vout)을 분배하여 일정전압 이하로 강하시키게 되며, 역률개선부(110)에서 정격전압이 출력될 경우와 과전압이 출력될 경우는 검출노드(Nd1)와 저전위(Vss) 사이에 걸리는 전압, 즉 제4 및 제5 저항(R4, R5)에 걸리는 전압(V_Nd1)은 다르다. 전압검출부(150)는 실시예에서 5개의 저항(R1~R5)을 사용하였지만 필요에 따라 증감이 가능함은 당연하다.

전원차단부(170)는 상기 전압검출부(150)에서 검출된 전압에 따라 작동되되 상기 검출된 전압이 설정된 전압보다 높은 과전압일 경우 상기 역률보상제어부(130)로 공급되는 전원을 차단하여 메인스위치(MS)가 오프되도록 한다.

상기 전원차단부(170)는 전류개폐수단(171)과 스위칭부(175)를 포함하여 구성될 수 있는 데, 상기 전류개폐수단(171)은 상기 전압검출부(150)의 검출노드(Nd1)에 걸리는 전압에 따라 전류통로를 개폐하는 것으로, 예컨대 제너다이오드(ZD1)가 사용될 수 있다. 즉, 제너다이오드(ZD1)는 검출노드(Nd1)에 제너전압 이상이 걸려야 도통되며, 검출노드(Nd1)에 제너전압 이하가 걸릴 경우 오프된다. 따라서, 상기 역률개선부(110)를 통해 과전압이 출력될 경우에는 전압검출부(150)의 검출노드(Nd1)에 제너다이오드(ZD1)를 온시키는 전압이 인가되도록 하고, 역률개선부(110)를 통해 정격전압이 출력될 경우에는 전압검출부(150)의 검출노드(Nd1)에 제너다이오드(ZD1)를 오프시키는 전압이 걸리도록 각 저항(R1~R5)값을 설정하면 된다.

그리고, 스위칭부(175)는 전류개폐수단(171)을 통해 인가되는 신호에 따라 스위칭되어 상기 역률보상제어부(130)로 인가되는 동작전원의 공급 여부를 조절하게 된다.

상기 스위칭부(175)는, 상기 역률보상제어부(130)로 공급되는 전원단(Vcc)과 저전위(Vss) 사이에 전류통로가 연결되어 상기 전류개폐수단(171)을 통해 인가된 신호에 따라 스위칭되어 동작전원을 저전위로 풀다운시켜 동작전원이 역률보상제어부(130)로 공급되는 것을 차단하는 스위칭수단(Q1)과, 상기 제너다이오드(ZD1)의 애노드와 저전위 사이에 연결되고 상기 스위칭수단(Q1)의 베이스에 일정 전압이 인가되도록 하는 저항부(R6, R7)를 포함한다.

설계에 따라 상기 전류개폐수단(171)은 션트 레귤레이터로도 구성될 수 있는 데, 이 경우에는 션트 레귤레이터가 검출노드(Nd1)의 전압에 따라 스위칭되도록 구성되며, 스위칭수단(Q1)의 게이트가 션트 레귤레이터의 캐소드에 연결되어야 한다.

상기에서 역률보상회로는 역률개선부(110)와 역률보상제어부(130), 출력 커패시터(Co), 전압검출부(150) 및 전원차단부(170)를 포함한다.

상기 메인스위치(MS)는 전계효과 트랜지스터(FET) 또는 바이폴라 트랜지스터가 사용될 수 있으나 전압 제어용 전계효과 트랜지스터를 사용하는 것이 바람직하고, 스위칭수단(Q1)도 전계효과 트랜지스터(FET) 또는 바이폴라 트랜지스터가 사용될 수 있으나 전류 제어용 바이폴라 트랜지스터를 사용하는 것이 바람직하다.

상기와 같이 구성된 역률보상회로의 동작을 간단하게 살펴보면 아래와 같다.

먼저, 역률개선부(110)를 통해 정격전압이 출력될 경우에는 출력단(Out)의 전압은 전압검출부(150)의 각 분압저항(R1~R5)에 의해 강하되어 일정전압이 검출노드(Nd1)를 통해 제너다이오드(ZD1)에 인가된다. 하지만, 상기 검출노드(Nd1)에 걸리는 전압은 설정된 제너전압보다 낮으므로 제너다이오드(ZD1)를 통해 전류가 흐르지 못하여 스위칭수단(Q1)은 턴오프되고, 전원(Vcc)은 역률보상제어부(130)로 정상적으로 공급된다.

한편, 역률개선부(110)를 통해 출력되는 전압이 정격전압보다 높은 과전압이 출력될 경우, 과전압은 전압검출부(150)의 각 분압저항(R1~R5)에 의해 강하되어 일 정전압이 검출노드(Nd1)에 걸리게 된다. 상기 검출노드(Nd1)에 걸리는 전압은 설정된 제너전압보다 높은 전압이므로 제너다이오드(ZD1)를 도통시키게 된다. 상기에서 역률개선부(110)를 통해 과전압이 출력될 경우 검출노드(Nd1)에 걸리는 전압은 제너다이오드(ZD1)의 제너전압보다 높은 전압이 걸리도록 각 저항(R1~R5)값이 설정되어 있다.

상기 제너다이오드(ZD1)가 도통되면 제너다이오드를 통해 흐르는 전류는 제6 및 제7 저항(R6, R7)으로 흐르게 되고, 스위칭수단(Q1)의 베이스에 바이어스 전류로 흐르게 된다. 이에 따라 스위칭수단(Q1)은 바이어스 전류에 의해 턴온된다. 여기서, 제6 및 제7 저항(R6, R7)은 제너다이오드(ZD1)의 제너전압과 스위칭수단(Q1)의 임계전압에 맞게 각 저항(R6, R7)값이 선정된다.

상기와 같이 스위칭수단(Q1)이 턴온됨에 따라 역률보상제어부(130)로 공급되는 동작전원(Vcc)은 스위칭수단(Q1)의 콜렉터와 이미터를 통해 저전위로 흐르게 되어 동작전원단이 저전위로 풀다운된다.

따라서, 역률보상제어부(130)로 공급되는 동작전원(Vcc)은 저전위로 풀다운되어 역률보상제어부(130)에 동작전원이 공급되지 않는다. 이에 따라 역률보상제어부(130)는 셧다운(shutdown)되어 동작하지 않게 되며, 메인스위치(MS)도 오프된다.

이와 같이 본 발명에서는 역률개선부(110)를 통해 출력되는 과전압을 센싱하고 검출된 전압이 설정전압 이상일 때 역률보상제어부(130)로 인가되는 동작전원을 차단하여 메인스위치(MS)의 스위칭을 중단시킴에 따라 메인스위치(MS)가 온오프를 반복하면서 출력전압을 상승시키는 것을 방지하게 된다.

상술한 바와 같이 본 발명에서는 출력전압이 정격전압보다 높은 과전압일 경우 역률보상제어부(130)의 이상 여부에 관계없이 역률보상제어부(130)로 공급되는 동작전원을 차단하게 되어 역률보상회로의 각종 부품의 손상이나 방폭을 방지할 수 있다.

상기의 본 발명은 바람직한 실시예를 중심으로 살펴보았으며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 본질적 기술 범위 내에서 상기 본 발명의 상세한 설명과 다른 형태의 실시예들을 구현할 수 있을 것이다. 여기서 본 발명의 본질적 기술범위는 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.

도 1은 본 발명과 관련된 역률보상회로를 구비한 전원공급장치를 나타낸 도면이다.

도 2는 본 발명의 실시예에 의한 역률보상회로를 구비한 전원공급장치를 나타낸 도면이다.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명

110: 역률개선부 130: 역률보상제어부

150: 전압검출부 170: 전원차단부

171: 전류개폐수단 175: 스위칭부

MS: 메인스위치 Co: 출력 커패시터

ZD1: 제너다이오드 Q1: 스위칭수단

Claims

외부로부터 입력되는 직류전원을 교류전원의 변동에 관계없이 항상 일정한 레벨의 직류전압을 출력하는 역률개선부;

외부로부터 공급된 전원에 따라 동작되고 상기 역률개선부에 포함된 메인스위치를 스위칭 제어하여 역률을 보상하게 되는 역률보상제어부;

상기 역률개선부의 출력단과 저전위 사이에 복수의 저항이 직렬 연결되어 출력단에 걸리는 전압을 분배하여 검출하는 전압검출부; 및

상기 전압검출부에서 검출된 전압에 따라 작동되고, 상기 검출된 전압이 설정된 전압보다 높은 과전압일 경우 상기 역률보상제어부로 공급되는 전원을 차단하여 메인스위치가 오프되도록 하는 전원차단부;를 포함하며,

상기 전원차단부는

상기 전압검출부의 검출노드에 걸리는 전압에 따라 전류통로가 개폐되는 전류개폐수단; 및 상기 전류개폐수단을 통해 인가되는 신호에 따라 스위칭되어 상기 역률보상제어부로 인가되는 동작전원의 공급 여부를 조절하는 스위칭부;를 포함하는 전원공급장치의 역률보상 회로.
삭제
제 1 항에 있어서, 상기 전류개폐수단은

상기 전압검출부의 검출노드에 걸리는 전압이 일정 전압 이상일 경우 도통되는 제너다이오드를 포함하는 전원공급장치의 역률보상 회로.
제 1 항에 있어서, 상기 스위칭부는

상기 역률보상제어부로 공급되는 전원단과 저전위 사이에 전류통로가 연결되어 상기 전류개폐수단을 통해 인가된 신호에 따라 스위칭되어 동작전원을 저전위로 풀다운시키는 스위칭수단; 및 상기 전류개폐수단의 일측과 저전위 사이에 연결되고 상기 스위칭수단에 일정 전압이 인가되도록 하는 저항부;를 포함하는 전원공급장치의 역률보상 회로.
제 4 항에 있어서,

상기 스위칭수단은 바이폴라 트랜지스터인 전원공급장치의 역률보상 회로.
제 1 항에 있어서,

상기 역률개선부의 출력단과 저전위 사이에 연결되어 상기 역률개선부를 통 해 출력되는 전압을 평활하여 출력하는 출력 커패시터를 포함하는 전원공급장치의 역률보상 회로.