KR101141673B1

KR101141673B1 - 전류제한기능이 개선된 위상분할제어방식의 역률보상회로

Info

Publication number: KR101141673B1
Application number: KR1020120034218A
Authority: KR
Inventors: 이종복; 정환수
Original assignee: (주) 오디피
Priority date: 2012-04-03
Filing date: 2012-04-03
Publication date: 2012-05-04

Abstract

본 발명은 전류제한기능이 개선된 위상분할제어방식의 역률보상회로에 관한 것이다. 본 발명의 회로는 소정 범위의 교류전원을 전파정류하여 직류전압으로 변환하는 브리지다이오드와, 브리지다이오드의 일단자에 연결되는 제1역률 보상 인덕터와, 제1역률 보상 인덕터의 전류를 모니터링하기 위한 보조역률 보상 인덕터와, 제1역률 보상 인덕터의 출력을 일방향으로 연결하는 제1다이오드와, 제1역률 보상 인덕터를 구동신호에 따라 스위칭하는 제1스위칭소자와, 브리지다이오드의 일단자에 연결되는 제2역률 보상 인덕터와, 제2역률 보상 인덕터의 출력을 일방향으로 연결하는 제2다이오드와, 제2역률 보상 인덕터를 구동신호에 따라 스위칭하는 제2스위칭소자와, 제1다이오드와 제2다이오드의 출력이 연결되어 안정된 직류전압을 출력하는 콘덴서와, 보조역률 보상 인덕터를 통해 신호를 입력받고 제1스위칭소자를 턴온시켜 제1역률 보상 인덕터에 전류가 흐르게 하여 에너지를 저장시키고, 제1스위칭소자를 턴오프시켜 제1다이오드를 통해 콘덴서를 충전시키며, 제1스위칭소자가 턴오프되고 t1 지연 후 제2스위칭소자를 턴온시켜 제2역률 보상 인덕터에 전류가 흐르게 하여 에너지를 저장시키고, 제1스위칭소자를 턴온하기 전에 제2스위칭소자를 턴오프시켜 제2다이오드를 통해 콘덴서를 충전시키도록 위상분할제어하는 PFC제어부로 구성된다.

Description

전류제한기능이 개선된 위상분할제어방식의 역률보상회로{PHASE DIVISION TYPE POWER FACTOR CORRECTION CIRCUIT OF IMPROVED CURRENT LIMIT FUNCTION}

본 발명은 스위칭 컨버터 등에 사용되는 역률보상회로에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 전류제한기능이 개선된 위상분할제어방식의 역률보상회로에 관한 것이다.

일반적으로, 전기 및 전자 제품들은 많은 경우 상용 교류 전원을 입력받아 직류 전원으로 변환하는 전원공급장치를 사용하는데, 대부분의 전기 제품들은 유도성 혹은 용량성 부하 특성을 갖고 있어 역률이 1 보다 낮은 상태에서 사용되므로 전력 소비에 비해 에너지 효율이 낮다. 따라서, 무효 전력분을 줄이고, 유효 전력분을 높혀 전체적인 에너지 사용 효율을 높이기 위하여 전원공급장치에 역률보상회로(Power Factor Correction)가 사용된다.

종래 역률보상회로(PFC)는 입력된 교류 전원을 전파 정류하여 전압 신호를 생성한 후, 전압 신호에 가까운 위상 및 주파수를 가지는 인덕터 전류를 발생시킨다. 이를 위해서 역률보상회로는 인덕터 전류를 제어하기 위해 인덕터에 연결된 스위치 소자의 스위칭 동작을 제어한다.

도 1은 AC 90V ~ AC 264V 입력시 DC 400V를 출력하는 전원회로에 사용되는 종래의 역률보상회로를 도시한 회로도이고, 도 2는 도 1에 도시된 역률보상회로의 동작 파형을 도시한 파형도로서 (a)는 스위칭소자를 온/오프시키기 위한 게이트 구동신호의 파형이고, (b)는 역률 보상 인덕터(L)에 흐르는 전류의 파형이다. 도 3은 도 1에 도시된 역률보상회로의 과부하 보호 특성을 도시한 도면으로서, (a)는 입력전압이 90V AC일 경우에 나타나는 과부하영역(h1)을 도시한 것이고, (b)는 입력전압이 264V AC일 경우에 나타나는 과부하영역(h2)을 도시한 것이다.

도 1을 참조하면, 입력단자를 통해 입력된 AC 90V ~ AC 264V 교류전원은 EMI필터(12)에서 필터링된 후 브리지 다이오드(14:BD)에서 전파 정류된다. 전파 정류된 DC 전압은 역률 보상 인덕터(L)와 다이오드(D) 및 평활 콘덴서(C2)를 통해 DC 400V를 출력한다. 역률 보상 인덕터(L)의 출력단에는 FET로 된 스위칭소자(Q)가 연결되어 있고, 스위칭소자(Q)는 역률보상(PFC) 제어부(16)의 게이트 구동(GD)신호에 따라 온/오프된다. PFC제어부(16)는 역률 보상 인덕터(L)에 흐르는 전류를 모니터링하기 위한 보조 권선의 전압(Vcc)을 입력받아 스위칭소자(Q)의 게이트 구동신호를 출력한다.

이와 같은 회로에서 역률 개선의 스위칭 동작을 도 2를 참조하여 설명하면, 스위칭소자의 게이트 구동(Q gate)신호가 하이(high)일 때 스위칭소자(Q)의 드레인-소스(Drain-Source)가 도통되어 전류가 흐르게 되며, 이 전류로 인해 역률 보상 인덕터(L)에 에너지가 저장된다. 스위칭소자의 게이트구동(Q gate)신호가 로우(Low)일 때에는 스위칭소자(Q)의 드레인-소스(Drain-Source)가 오픈(open)되어 전류가 흐르지 않게 되고, 이때 역률 보상 인덕터(L)에 저장되어 있던 에너지는 다이오드(D)를 도통하여 콘덴서(C2)에 충전된다.

그런데 이러한 종래의 역률보상회로는 스위칭 주기 위상의 1/2만을 사용하므로 역률 및 효율의 극대화에 한계가 있으며, 출력 과부하시 전력을 제한하는 기능이 도 3에 도시된 바와 같이, 입력전압의 크기에 비례하여 동작하므로 제품 설계시 과도한 과부하 상태까지 고려해야 하는 문제점이 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해소하기 위해 제안된 것으로, 본 발명의 목적은 스위칭 주기 위상을 분할 제어하여 기존 1/2 주기 이외에 추가로 1/2 주기를 사용하여 역률 및 효율을 더 높일 수 있으며, 출력 과부하시 전력을 제한하는 기능의 변화폭을 최소화하여 제품 설계 효율을 높일 수 있는 전류제한기능이 개선된 위상분할제어방식의 역률보상회로를 제공하는 것이다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 회로는, 저전압에서 고전압까지 소정의 범위를 갖는 교류전원을 입력받아 전파정류하여 직류로 변환하는 전원공급장치의 역률보상회로에 있어서, 소정 범위의 교류전원을 전파정류하여 직류전압으로 변환하는 브리지 다이오드; 상기 브리지 다이오드의 일단자에 연결되는 제1역률 보상 인덕터; 상기 제1 역률 보상 인덕터의 출력을 일방향으로 연결하는 제1다이오드; 상기 제1 역률 보상 인덕터를 구동신호에 따라 스위칭하는 제1 스위칭소자; 상기 브리지 다이오드의 일단자에 연결되는 제2 역률 보상 인덕터; 상기 제2 역률 보상 인덕터의 출력을 일방향으로 연결하는 제2 다이오드; 상기 제2 역률 보상 인덕터를 구동신호에 따라 스위칭하는 제2 스위칭소자; 상기 제1 다이오드와 제2 다이오드의 출력이 연결되어 안정된 직류전압을 출력하는 콘덴서; 및 상기 제1 역률 보상 인덕터에 구현된 보조 권선을 통해 신호를 입력받고 상기 제1 스위칭소자를 턴 온시켜 상기 제1 역률 보상 인덕터에 전류가 흐르게 하여 에너지를 저장시키고, 상기 제1 스위칭소자를 턴 오프시켜 상기 제1 다이오드를 통해 상기 콘덴서를 충전시키며, 상기 제1 스위칭소자가 턴 오프되고 제1 시간(t1) 지연 후 상기 제2 스위칭소자를 턴 온시켜 상기 제2 역률 보상 인덕터에 전류가 흐르게 하여 에너지를 저장시키고, 상기 제1 스위칭소자를 턴 온하기 전에 상기 제2 스위칭소자를 턴 오프시켜 상기 제2 다이오드를 통해 상기 콘덴서를 충전시키도록 위상분할제어하는 역률보상(PFC) 제어부로 구성된 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따르면 스위칭 주기 위상을 분할 제어하여 기존 1/2 주기 이외에 추가로 1/2 주기를 사용하여 역률 및 효율을 더 높일 수 있으며, 출력 과부하시 전력을 제한하는 기능의 변화폭을 최소화하여 제품 설계 효율을 높일 수 있는 장점이 있다. 즉, 본 발명의 회로는 종래의 방식에 비해 제1 스위칭소자(Q1)의 오프(off) 구간을 활용하는 위상분할 제어방식으로 역률 및 효율을 극대화시킬 수 있고, 전류제한점(OCP Point)의 편차를 최소화시킬 수 있다.

도 1은 종래의 역률보상회로를 도시한 회로도,
도 2는 도 1에 도시된 역률보상회로의 동작 파형을 도시한 파형도,
도 3은 도 1에 도시된 역률보상회로의 과부하 보호특성을 도시한 도면,
도 4는 본 발명에 따라 전류제한기능이 개선된 위상분할제어방식의 역률보상회로도,
도 5는 도 3에 도시된 역률보상회로의 동작 파형을 도시한 파형도,
도 6은 도 3에 도시된 역률보상회로의 과부하 보호 특성을 도시한 도면이다.

본 발명과 본 발명의 실시에 의해 달성되는 기술적 과제는 다음에서 설명하는 본 발명의 바람직한 실시예들에 의하여 보다 명확해 질 것이다. 다음의 실시예들은 단지 본 발명을 설명하기 위하여 예시된 것에 불과하며, 본 발명의 범위를 제한하기 위한 것은 아니다.

도 4는 본 발명에 따라 전류제한기능이 개선된 위상분할제어방식의 역률보상회로도이다.

본 발명에 따라 전류제한기능이 개선된 위상분할제어방식의 역률보상회로는 도 4에 도시된 바와 같이, 교류 입력전원의 EMI 노이즈를 필터링하는 EMI 필터(12)와, 소정 범위의 교류전원을 전파 정류하여 직류전압으로 변환하는 브리지 다이오드(14;BD)와, 브리지 다이오드(14)의 전파정류된 출력을 평활화하여 직류전압을 출력하는 평활 콘덴서(C2)와, 브리지 다이오드(14)와 평활 콘덴서(C2) 사이에서 제1 위상에 역률을 개선하기 위한 제1 역률보상회로와, 브리지 다이오드(14)와 평활 콘덴서(C2) 사이에서 제2 위상에 역률을 개선하기 위한 제2 역률보상회로와, 제1 위상에서는 제1 역률보상회로를 통해 역률을 개선하고 제2 위상에서는 제2 역률보상회로를 통해 역률을 개선하도록 위상분할제어하는 역률보상(PFC) 제어부(20)와, 입력 교류전압의 변화에 따라 플로팅 포인트를 변화시켜 최소 입력전압과 최대 입력전압 사이의 과전류보호(OCP:Over Current Protection) 포인트 편차를 최소화하는 과부하 보호 회로로 구성된다.

도 4를 참조하면, 제1 역률보상회로는 브리지 다이오드(14)의 일단자에 직렬로 연결되는 제1 역률 보상 인덕터(L1)와, 제1 역률 보상 인덕터(L1)에 흐르는 전류를 모니터링하기 위한 보조 권선과, 제1 역률 보상 인덕터(L1)의 출력 전류가 일방향으로 흐르게 하는 제1 다이오드(D1)와, 제1 역률 보상 인덕터(L1)를 구동신호에 따라 스위칭하는 제1 스위칭소자(Q1)로 구성된다. 제1 스위칭소자(Q1)는 FET로 구현된다.

제2 역률보상회로는 브리지 다이오드(14)의 일단자에 직렬로 연결되는 제2 역률 보상 인덕터(L2)와, 제2 역률 보상 인덕터(L2)의 출력 전류가 일방향으로 흐르게 하는 제2 다이오드(D2)와, 제2 역률 보상 인덕터(L2)를 구동신호에 따라 스위칭하는 제2 스위칭소자(Q2)로 구성된다. 제1 스위칭소자(Q1)는 FET로 구현된다.

역률보상(PFC) 제어부(20)는 제1 역률 보상 인덕터에 구현된 보조 권선을 통해 신호를 입력받아 제1 위상에서 제1 스위칭소자(Q1)를 턴온시켜 제1 역률 보상 인덕터(L1)에 전류가 흐르게 하여 에너지를 저장시키고, 제1 스위칭소자(Q1)를 턴오프시켜 제1 다이오드(D1)를 통해 평활 콘덴서(C2)를 충전시키며, 제1 스위칭소자(Q1)가 턴 오프되면 제1 지연시간(t1) 후 제2 스위칭소자(Q2)를 턴온시켜 제2 역률 보상 인덕터(L2)에 전류가 흐르게 하여 에너지를 저장시키고, 제1 스위칭소자(Q1)를 턴 온하기 전에 제2 스위칭소자(Q2)를 턴 오프시켜 제2 다이오드(D2)를 통해 평활 콘덴서(C2)를 충전시키도록 위상분할제어한다.

과부하보호회로는 제1 역률 보상 인덕터(L1)의 입력단과 연결되는 R4 저항과, 제1 스위칭소자(Q1)의 소스측에 연결되는 R1 저항과, R4 저항과 R1 저항 사이에 연결되는 R5 저항과, 제2 역률 보상 인덕터(L2)의 입력단과 연결되는 R6 저항과, 제2 스위칭소자(Q2)의 소스측에 연결되는 R3 저항과 R6 저항과 R3 저항 사이에 연결되는 R2 저항으로 이루어진다.

이와 같이 본 발명에 따른 역률보상회로는 제2 역률 보상 인덕터(L2)와 제2스위칭소자(Q2)를 포함하는 회로가 부가되고, 안정된 과부하 보호를 위한 회로가 추가되며, 추가된 제2 스위칭소자(Q2)는 제1 스위칭소자(Q1)가 오프(off)일 때 약간의 지연시간(delay time) 이후에 온(on) 상태로 전환된다. 따라서, 본 발명의 회로는 종래의 방식에 비해 제1 스위칭소자(Q1)의 오프(off) 구간을 활용하는 위상분할 제어방식으로 역률 및 효율을 극대화시킬 수 있다.

도 4를 참조하면, AC 90V ~ AC 264V 사이의 교류 입력 전압은 EMI 필터(12)에서 노이즈가 제거되고, 브리지 다이오드(14)에 의해 직류로 변환된다. 이때 부하의 종류에 따라 무효 전력이 포함되어 있어 역률이 1 이 아닌 1 이하의 값이 나와 공급되는 전력에 비해 에너지 효율이 낮으므로 에너지 효율 개선을 위하여 역률보상회로가 구비되어 있다. 역률보상은 브리지 다이오드(14)에 직렬로 연결된 역률 보상 인덕터(L1, L2)에 흐르는 전류를 제어하여 이루어진다. 제1 스위칭소자(Q1)는 제1 역률 보상 인덕터(L1)에 병렬로 연결되어 역률보상 제어부(20)의 제1 구동신호(GD1)에 따라 제1 역률 보상 인덕터(L1)에 흐르는 전류를 제어하고, 제2 스위칭소자(Q2)는 제2 역률 보상 인덕터(L2)에 병렬로 연결되어 역률보상 제어부(20)의 제2 구동신호(GD2)에 따라 제2 역률 보상 인덕터(L2)에 흐르는 전류를 제어한다.

역률보상 제어부(20)는 제1 역률 보상 인덕터(L1)에 구비된 보조 권선을 통하여 감지된 신호에 따라 제 1 스위칭소자(Q1)와 제2 스위칭소자(Q2)를 위상분할 구동하여 역률을 제어한다.

제1 스위칭소자(Q1)와 제2 스위칭소자(Q2)의 후단에는 각각 다이오드(D1,D2)가 해당 역률 보상 인덕터(L1,L2)와 직렬로 연결되고, 각 스위칭소자(Q1,Q2)와 병렬로 평활 콘덴서(C2)가 연결되어 구동신호에 따라 제1 스위칭소자(Q1)가 턴 오프되면 제1 다이오드(D1)를 통해 평활 콘덴서(C2)를 충전시키며, 제2 스위칭소자(Q2)가 턴 오프되면 제2 다이오드(D2)를 통해 평활 콘덴서(C2)를 충전시킨다.

도 5는 본 발명에 따라 전류제한기능이 개선된 위상분할제어방식의 역률보상회로의 동작 파형을 도시한 파형도로서, (a)는 제1 스위칭 소자를 온/오프시키기 위한 제1 게이트 구동신호의 파형이고, (b)는 제2 스위칭 소자를 온/오프시키기 위한 제2 게이트 구동신호의 파형이며, (c)는 제1 역률 보상 인덕터(L1)와 제2 역률 보상 인덕터(L2)에 의한 전류의 파형이다.

도 5를 참조하면, 제1 스위칭소자(Q1)의 게이트 구동신호가 하이일 때 제1 스위칭소자(Q1)가 턴 온되어 제1 역률 보상 인덕터(L1)에는 C-1 전류파형과 같이 전류가 증가하면서 제1 역률 보상 인덕터(L1)에 에너지를 저장하고, 제1 스위칭소자(Q1)의 게이트 구동신호가 로우일 때 제1 스위칭소자(Q1)가 턴 오프되어 제1 역률 보상 인덕터(L1)의 전류는 평활 콘덴서(C2)를 충전시키면서 C-1 전류 파형과 같이 전류가 감소된다. 그리고 제1 스위칭소자(Q1)가 턴 오프되고 나서 t1 시간 지연 후 제2 스위칭소자(Q2)가 턴 온되어 제2 역률 보상 인덕터(L2)에는 C-2 전류파형과 같이 전류가 증가하면서 제2 역률 보상 인덕터(L2)에 에너지를 저장하고 제1 스위칭소자(Q1)의 턴 온 시점보다 t2 시간 앞서 턴 오프되어 제2 역률 보상 인덕터(L2)의 전류는 평활 콘덴서(C2)를 충전시키면서 C-2 전류 파형과 같이 전류가 감소된다. 따라서 실제 전류는 C-1과 C-2 파형을 합한 C-3 파형이 되어 기존의 방식에 비해 제1 스위칭소자(Q1)의 오프(off) 구간을 활용하는 위상분할 제어 방식으로 역률 및 효율을 극대화시킬 수 있다.

도 6은 본 발명에 따라 전류제한기능이 개선된 위상분할제어방식의 역률보상회로의 과부하 보호 특성을 도시한 도면으로서, (a)는 입력전압이 90V AC일 경우에 나타나는 과부하영역(j1)을 도시한 것이고, (b)는 입력전압이 264V AC일 경우에 나타나는 과부하영역(j2)을 도시한 것이다.

도 3에 도시된 종래방식의 OCP(Over Current Protection) 동작 파형과 도 6에 도시된 본 발명에 따른 OCP 동작 파형을 대비해보면, 종래방식은 입력전압 변화에 따른 보상회로가 존재하지 않기 때문에 최소 입력과 최대 입력에서의 전류제한점(OCP Point)이 크게 벌어지는 것을 알 수 있으나 본 발명에 따른 방식은 R4와 R1, R5에 의해 분압된 전압이 입력전압에 비례하여 변화하게 된다. 이 변화된 전압 레벨(k)만큼 전류 최소점을 플로팅(Floating)시킴으로써 최소 입력전압과 최대 입력 전압 사이의 전류제한점(OCP Point) 편차가 거의 없음(j1=j2)을 확인할 수 있다. 따라서, 본 발명의 회로에서는 전류제한점(OCP Point)의 편차를 최소화시킬 수 있다.

이상에서 본 발명은 도면에 도시된 일 실시예를 참고로 설명되었으나, 본 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다.

12: EMI필터 14: 브리지다이오드
20: PFC제어부 L1,L2: 역률 보상 인덕터
D1,D2: 다이오드 Q1,Q2: 스위칭소자(FET)

Claims

저전압에서 고전압까지 소정의 범위를 갖는 교류전원을 입력받아 전파정류하여 직류로 변환하는 전원공급장치의 역률보상회로에 있어서,
소정 범위의 교류전원을 전파정류하여 직류전압으로 변환하는 브리지 다이오드(14);
상기 브리지 다이오드의 일단자에 직렬로 연결되는 제1 역률 보상 인덕터(L1);
상기 제1 역률 보상 인덕터(L1)에 병렬로 연결되어 상기 제1 역률 보상 인덕터(L1)에 흐르는 전류를 구동신호에 따라 제어하는 제1 스위칭소자(Q1);
상기 제1 역률 보상 인덕터(L1)와 직렬로 연결되고, 애노드가 상기 제 1 스위칭소자(Q1)의 드레인과 연결되어 전류가 한 방향으로만 흐르게 하는 제1 다이오드(D1);
상기 브리지 다이오드(14)의 일단자에 직렬로 연결되는 제2 역률 보상 인덕터(L2);
상기 제2 역률 보상 인덕터(L2)에 병렬로 연결되어 상기 제2 역률 보상 인덕터(L2)에 흐르는 전류를 구동신호에 따라 제어하는 제2 스위칭소자(Q2);
상기 제2 역률 보상 인덕터(L2)와 직렬로 연결되고, 애노드가 상기 제 2 스위칭소자(Q2)의 드레인과 연결되어 전류가 한 방향으로만 흐르게 하는 제2 다이오드(D2);
상기 제1 다이오드(D1)와 상기 제2 다이오드(D2)의 출력이 연결되어 안정된 직류전압을 출력하는 콘덴서(C2); 및
상기 제1 역률 보상 인덕터(L1)에 구비된 보조 권선을 통하여 감지된 신호에 따라 상기 제1 스위칭소자(Q1)를 턴 온시켜 상기 제1 역률 보상 인덕터(L1)에 전류가 흐르게 하여 에너지를 저장시키고, 상기 제1 스위칭소자(Q1)를 턴 오프시켜 상기 제1 다이오드(D1)를 통해 상기 콘덴서(C2)를 충전시키며, 상기 제1 스위칭소자(Q1)의 턴 오프 시점보다 제1 시간(t1) 지연 후 상기 제2 스위칭소자(Q2)를 턴 온시켜 상기 제2 역률 보상 인덕터(L2)에 전류가 흐르게 하여 에너지를 저장시키고, 상기 제1 스위칭소자(Q1)의 턴 온 시점보다 제2 시간(t2) 전에 상기 제2 스위칭소자(Q2)를 턴 오프시켜 상기 제2 다이오드(D2)를 통해 상기 콘덴서(C2)를 충전시키도록 위상분할제어하는 역률보상(PFC) 제어부(20)로 구성된 것을 특징으로 하는 전류제한기능이 개선된 위상분할제어방식의 역률보상회로.
제1항에 있어서, 상기 역률보상회로는
상기 제1 역률 보상 인덕터(L1)의 입력단과 연결되는 R4저항과, 상기 제1 스위칭소자(Q1)의 소스측에 연결되는 R1저항과, 상기 R4저항과 상기 R1저항 사이에 연결되는 R5 저항과, 상기 제2 역률 보상 인덕터(L2)의 입력단과 연결되는 R6저항과, 상기 제2 스위칭소자(Q2)의 소스측에 연결되는 R3저항과, 상기 R6저항과 R3저항 사이에 연결되는 R2저항으로 이루어진 과부하보호회로를 더 포함하여 입력전압의 크기에 따라 플로팅 포인트를 가변시켜 과부하 영역을 일정하게 하는 것을 특징으로 하는 전류제한기능이 개선된 위상분할제어방식의 역률보상회로.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 역률보상회로는
교류 입력전원의 EMI 노이즈를 필터링하는 EMI 필터(12)를 더 구비하고,
입력단자를 통해 입력된 AC 90V ~ AC 264V 교류전원을 전파 정류하고 역률보상하여 DC 400V를 출력하는 것을 특징으로 하는 전류제한기능이 개선된 위상분할제어방식의 역률보상회로.