KR101195208B1 - 영전압 영전류 스위칭 연속전류모드 역률 보상회로 - Google Patents

영전압 영전류 스위칭 연속전류모드 역률 보상회로 Download PDF

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Abstract

본 발명은 연속전류로 동작하면서 스위치의 전류만이 불연속이 되도록 하여 턴 온시에 영전류 스위칭이 얻어지도록 하며 무손실 스너버 회로를 이용하여 턴 오프시에 영전압 스위칭이 되도록 하여 회로의 고효율화와 EMI(Electromagnetic Interference) 문제를 최소화할 수 있는 역률 보상회로에 관한 것이다. 본 발명의 일면에 따른, 영전압 영전류 스위칭 연속전류모드 역률 보상회로는, 한 점에서 각각의 한쪽 단자가 연결된 제1권선, 제2권선, 및 제3권선을 포함하는 커플링 인덕터, 상기 제3권선의 외부단자와 음의 단자 사이에 연결된 스위치, 상기 제2권선의 외부단자에 애노드가 연결된 출력 다이오드, 및 상기 출력 다이오드의 양단자 사이에 연결되며, 상기 제3권선의 외부 단자와 상기 스위치가 연결된 접점과도 연결되며, 상기 스위치의 동작에 따른 전류 리셋을 보조하기 위한 보조회로, 및 상기 스위치의 양단자 사이에 연결된 스너버 회로를 포함하고, 상기 제 1권선의 외부 단자와 상기 음의 단자 사이의 입력 전원으로부터 상기 제1권선, 상기 제 2권선, 및 상기 출력 다이오드를 통해 출력측 커패시터와 부하로 연속전류가 흐르는 것을 특징으로 한다

Description

영전압 영전류 스위칭 연속전류모드 역률 보상회로{Power Factor Compensation Circuit for Continuous Current Mode with Zero Voltage and Zero Current Switching}
본 발명은 역률 보상회로에 관한 것으로서, 특히, 연속전류로 동작하면서 스위치의 전류만이 불연속이 되도록 하여 턴 온시에 영전류 스위칭이 얻어지도록 하며 무손실 스너버 회로를 이용하여 턴 오프시에 영전압 스위칭이 되도록 하여 회로의 고효율화와 EMI(Electromagnetic Interference) 문제를 최소화할 수 있는 역률 보상회로에 관한 것이다.
전원회로에서 스위치는 이상적인 소자가 아니므로 항상 도 1에 나타낸 바와 같이 켜지거나 꺼질 때 전압과 전류가 교차하는 부분이 생기며 이것은 모두 손실이 된다. 이를 없애기 위해 소프트 스위칭 방식이 여러 가지 소개되어 왔으며 스위치 전압을 꺼질 때 일정시간 영으로 만들거나 켜질 때 스위치 전류를 일정시간 영으로 만들어 전압과 전류의 교차를 최소화하였다.현재까지 여러 문헌에서 역률보상을 위해 소프트 스위칭과 관련되는 회로기술을 제안해 왔으며, 대표적인 것이 공진형 회로를 이용한 방식과 능동 스위치를 이용하는 방식 그리고 스너버회로를 이용하는 방식이다.
공진형 회로를 이용하는 방식은 스위치 소자의 턴 온과 오프 상태 이전에 소자의 전압이나 전류를 영으로 만들어서 스위칭 시의 전압과 전류가 교차되는 손실을 없애주는 방식이다. 이와 같이 공진형 회로를 이용하는 방식은 공진 특성이 부하에 따라 달라지므로 영전압/영전류 스위칭 특성을 얻을 수 없는 부하영역이 존재하며 소자의 전압이나 전류 스트레스가 큰 단점이 있다.
능동 스위치를 이용하는 방식은 모든 부하영역에서 효과적인 소프트 스위칭 특성이 얻어지며 부가적인 손실이 가장 낮은 장점이 있는 반면에 능동 스위치로 인한 회로의 구성비용이 다소 높으며 제어회로가 복잡하다.
반면에 상기의 단점들이 없으며 회로구성이 간단한 장점이 있기 때문에 무손실 스너버 회로를 이용한 방식이 다수 제안되었다.
한편, 도 2 에 나타낸 기존의 역률보상회로에서 스위치(S)의 소프트 스위칭을 얻기 위해서는 인덕터(L)의 전류를 불연속으로 동작하게 하여 스위치(S)의 영전류 상태를 만드는 것이 대부분의 회로였다. 이것은 스위치(S)뿐만 아니라 다이오드(Df)를 거쳐 부하(R, Co)로 흐르는 첨두전류의 증가와 함께 회로 손실을 증가시키는 단점을 가진다.
공진회로 방식이나 보조 스위치를 이용한 방식 모두 스위치에 흐르는 전류를 영으로 강제하기 위해 인덕터 전류를 영으로 만드는 회로동작을 만든다. 따라서 인덕터 전류는 영에서 어느 값으로 증가와 감소를 반복하는 불연속 형태를 가지며 평균 전류량을 얻기 위해 첨두값이 높아지는 단점이 있다. 이러한 단점은 일반적인 승압형 회로를 기반으로 한 역률보상회로들이나 브릿지리스 형태의 역률보상회로에서 나타나는 공통적인 점이다.
또한 일부 문헌에서는 연속전류를 얻기 위한 방법들이 역시 제시되었으나 스위치의 소프트 스위칭과 결합한 형태는 지금까지 제안되지 않았다. 연속전류 동작에서는 불연속전류 동작에 비해 하드 스위칭하는 경우 EMI 문제가 다소 덜해지지만 소프트 스위칭을 하는 회로들에 비해서는 EMI 문제가 보다 큰 단점이 있다.
종래의 역률보상회로에서 인덕터의 연속적인 전류를 얻는 회로들은 스위치의 전류 역시 연속적이 되어서 소프트 스위칭을 하기가 용이하지 않았으며 소프트 스위칭을 하는 회로들 역시 턴 온과 턴 오프에 대해 소프트 스위칭 조건을 동시에 주는 회로는 극히 미진한 상태이다.
이와 같이 기존 역률보상회로는 회로의 영전압 스위칭 또는 영전류 스위칭을 턴 온 시 또는 턴 오프시에 제공하는 회로가 이용되었고, 일부 문헌에서 연속전류를 가지는 회로이면서 일부 영전압 스위칭 또는 영전류 스위칭을 턴 온이나 턴 오프에 제공하는 회로가 있었지만, 대부분의 기존 회로는 연속전류에서 발생하는 다이오드의 역회복전류 손실을 막기 위해 불연속 모드로 동작하는 회로를 제안하였으며, 이에 따라 스위치의 턴 온과 턴오프에 의한 손실을 피할 수 없거나 EMI 문제가 발생하는 문제점이 있었다.
따라서, 본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은, 인덕터의 보조권선을 이용하여 스위치의 턴 온시에 영전류 스위칭이 얻어지도록 하며 무손실 스너버 회로를 이용하여 스위치의 턴 오프시에 영전압 스위칭이 되도록 하면서 입력전류를 정현파로 만드는 기본동작을 하면서, 인덕터의 전류를 연속으로 만들어 회로전류를 최소화하고 부하측으로 연결된 다이오드의 역회복전류에 의한 손실을 줄임으로써, 회로의 손실을 최소화하고 회로의 고효율화를 이룰 수 있는 역률보상회로를 제공하는 데 있다.
먼저, 본 발명의 특징을 요약하면, 상기와 같은 본 발명의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일면에 따른 역률 보상 회로는, 한 점에서 각각의 한쪽 단자가 연결된 제1권선, 제2권선, 및 제3권선을 포함하는 커플링 인덕터; 상기 제3권선의 외부단자와 음의 단자 사이에 연결된 스위치; 상기 제2권선의 외부단자에 애노드가 연결된 출력 다이오드; 상기 출력 다이오드의 양단자 사이에 연결되며, 상기 제3권선의 외부 단자와 상기 스위치가 연결된 접점과도 연결되며, 상기 스위치의 동작에 따른 전류 리셋을 보조하기 위한 보조회로; 및 상기 스위치의 양단자 사이에 연결된 스너버 회로를 포함하고, 상기 제 1권선의 외부 단자와 상기 음의 단자 사이의 입력 전원으로부터 상기 제1권선, 상기 2권선, 및 상기 출력 다이오드를 통해 연속전류가 흐르는 것을 특징으로 한다.
상기 보조회로는, 상기 출력 다이오드의 애노드와 캐소드 사이에, 커패시터(Cx)와 다이오드(Dx2)의 애노드가 접속된 상기 커패시터(Cx)와 상기 다이오드(Dx2)의 직렬 회로; 및 상기 제3권선과 상기 스위치가 연결된 접점과 상기 다이오드(Dx2)의 애노드 사이에 순방향으로 연결된 다이오드(Dx1)를 포함한다.
상기 보조회로는, 상기 제3권선과 상기 스위치가 연결된 접점과 상기 다이오드(Dx2)의 캐소드 사이에 순방향으로 연결된 다이오드(Dx3)를 더 포함한다.
상기 스너버 회로는, 상기 다이오드(Dx1)의 애노드에 다이오드(Ds1)의 애노드가 연결되고, 다이오드(Ds1)의 캐소드와 커패시터(Cs)가 접속된 상기 다이오드(Ds1)와 상기 커패시터(Cs)의 직렬 회로, 및 커패시터(Cs)의 다른 한쪽은 음의단자에 연결되고, 상기 다이오드(Ds1)의 캐소드와 상기 다이오드(Dx2)의 애노드 사이에, 순방향으로 연결된 다이오드(Ds2)를 포함한다.
상기 제3권선은 상기 제1권선 및 상기 제2권선과 반대 극성으로 권선된다.
인덕터의 전압 가극성과 감극성 효과에 의해 스위치 턴 오프 후에 제 3권선의 전류는 영으로 감소한다.
상기 제3권선에 흐르는 전류가 0이 된 후에 상기 스위치가 턴온되도록 제어한다(영전류 스위칭).
상기 스위치가 턴 오프되면, 상기 제3권선을 통해 흐르는 전류는 커패시터(Cs)를 충전하면서 전압 상승이 느려지게 되고 상기 스위치 양단자 사이의 전압 상승이 역시 느려진다(영전압 스위칭).
본 발명에 따른 영전압 영전류 스위칭 연속전류모드 역률보상회로에 따르면, 스위치의 턴 오프시에 영전압 스위칭이 되도록 하면서 입력전류를 정현파로 만드는 기본동작을 하면서, 인덕터의 전류를 연속으로 만들어 회로전류를 최소화하고 인덕터 보조권선에 의해 부하측으로 연결된 다이오드의 역회복전류에 의한 손실을 줄임으로써, 회로의 손실을 최소화하고 회로의 고효율화를 이룰 수 있다.
도 1은 전력용 반도체 소자의 스위칭 파형이다.
도 2는 기존의 역률 보상회로이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 영전압 영전류 스위칭 연속전류모드 역률 보상회로이다.
도 4 는 도 2의 커플링 인덕터의 구성도이다.
이하 첨부 도면들 및 첨부 도면들에 기재된 내용들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명하지만, 본 발명이 실시예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 영전압 영전류 스위칭 연속전류모드 역률 보상회로이다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 역률 보상회로는, 커플링 인덕터(110), 스위치(S), 무손실 스너버(snubber) 회로(120), 보조회로(130), 출력 다이오드(Df)를 포함한다.
도 3과 같이 커플링 인덕터(110)는 한 점에서 각각의 한쪽 단자가 연결된 3개의 권선으로 이루어지며, 제1권선(L1), 제1권선(L1)과 동일 극성으로 권선된(권선 방향이 동일) 제2권선(L2), 제1권선(L1)과 반대 극성으로 권선된 제3권선(L3)을 포함한다. 스위치(S)는 커플링 인덕터(110)의 제3권선(L3)의 외부단자와 음의 단자(VM) 사이에 연결된다. 제 1권선(L1)의 외부 단자와 음의 단자(VM) 사이의 입력 전원(예를 들어, 브리지 다이오드로부터 출력되는 직류 입력)으로부터 제1권선(L1), 상기 제 2권선(L2), 및 출력 다이오드(Df)를 통해 출력측 커패시터(Co)와 부하(R)로 연속 전류가 흐르게 된다.
보조회로(130)는 3개의 다이오드(Dx1, Dx2, Dx3)와 커패시터(Cx)로 이루어지며, 여기서 경우에 따라 특성 개선을 위해 Dx3는 생략 가능하다. 보조회로(130)는 출력 다이오드(Df)의 양단자 사이에 연결되며, 제3권선(L3)의 외부 단자와 스위치(S)가 연결된 접점과도 연결되어 스위치(S)의 턴 오프 후에 제 3권선(L3)의 전류가 영으로 가도록 한다.
출력 다이오드(Df)의 애노드는 제2권선(L2)의 외부단자에 연결되며, 출력 다이오드(Df)의 애노드와 캐소드 사이에, 커패시터(Cx)와 다이오드(Dx2)의 애노드가 접속된 커패시터(Cx)와 다이오드(Dx2)의 직렬 회로가 연결된다. 다이오드(Dx1)은 제3권선(L3)과 스위치(S)가 연결된 접점과 다이오드(Dx2)의 애노드 사이에 순방향으로 연결되며, 경우에 따라 다이오드(Dx3)은 제3권선(L3)과 스위치(S)가 연결된 접점과 다이오드(Dx2)의 캐소드 사이에 순방향으로 연결될 수 있다.
보조회로(130)와 음의 단자(VM) 사이(또는 스위치(S)의 양 단자 사이)에 연결된 스너버 회로(120)는, 2개의 다이오드(Ds1, Ds2)와 커패시터(Cs)로 이루어진다.
스너버 회로(120)에서 상기 다이오드(Dx1)의 애노드에 다이오드(Ds1)의 애노드가 연결되고, 다이오드(Ds1)의 캐소드와 커패시터(Cs)가 접속된 상기 다이오드(Ds1)와 상기 커패시터(Cs)의 직렬 회로, 및 커패시터(Cs)의 다른 한쪽은 음의 단자에 연결되고 상기 다이오드(Ds1)의 캐소드와 상기 다이오드(Dx2)의 애노드 사이에, 다이오드(Ds2)가 순방향으로 연결된다.
이하, 위와 같이 구성된 본 발명의 일실시예에 따른 역률 보상회로의 동작을 좀 더 자세히 설명한다. 역률 보상회로의 설명에서 역률보상회로로서 입력전류의 역률을 '1'로 제어하는 기본 동작은 설명에서 제외하고 스위치(S)의 소프트 스위칭과 회로의 전류가 연속모드로 동작하는 새로운 기능에 국한하여 설명한다.
도 3에서, 커플링 인덕터(110)의 제1권선(L1)과 제2권선(L2)를 통해 출력 다이오드(Df)를 거쳐 부하(R, Co)로 흐르는 전류는 일정한 맥동을 가지는 연속전류로 동작하지만, 제3권선(L3)를 통해 스위치(S)로 흐르는 전류는 스위치(S)가 턴오프(turn-off)되면 영으로 감소했다가 스위치(S)가 턴온(turn-on)되면 다시 증가하는 불연속 전류가 된다. 이것은 인덕터의 전압극성에 의한 리셋 효과에 의해 나타나며, 스위치(S)가 턴온되면 커플링 인덕터(110)의 제1권선(L1)과 제3권선(L3) 사이에 입력 직류 전원이 인가되므로 스위치(S)로 제1권선(L1)의 전류증가분이 흐르며, 스위치 스위치(S)가 턴오프될 때는 전압이 상대적으로 큰 제1권선(L1)과 제2권선(L2)의 방향으로 전류가 모두 흐르게 되고 제3권선(L3)의 전류는 자연 감소하게 된다. 즉, 제1권선(L1)과 제2권선(L2)은 동일한 극성이므로 합 전압이 커지지만 제1권선(L1)과 제3권선(L3)은 역극성이어서 합 전압이 작아지게 되므로 인덕터 전류는 전압이 큰 쪽을 통해 흐르게 되는 것이다.
전류의 증가와 감소비율은 제1권선(L1)과 제2권선(L2) 그리고 제3권선(L3)의 인덕턴스 값에 따라 달라질 수 있다. 스위치(S)가 턴온되기 전에 제3권선(L3)의 전류가 영으로 감소되도록 하여, 소정 제어회로의 제어에 따라 제3권선(L3)의 전류가 영전류 시에 스위치(S)가 턴온되도록 함으로써 영전류 스위칭이 가능하며, 제1권선(L1)과 제2권선(L2)으로 전류의 연속성이 유지되므로 출력 다이오드(Df)의 역회복 손실은 없게 된다.
또한, 스위치(S) 양단에 결선된 스너버 회로(120)는 스위치(S)가 턴오프 될 때, 제3권선(L3)을 통해 다이오드(Ds1)에 이르는 전류 경로에 의해 커패시터(Cs)의 충전으로 스위치(S) 양단의 전압 상승을 느리게 하여(영전압 스위칭) 스위칭 손실을 최소화 한다. 스너버 회로(120)의 커패시터(Cs)의 충전전압은, 스위치(S)가 턴온될 때, 다이오드(Ds2)를 거쳐 커패시터(Cx)와 제2권선(L2)과 제3권선(L3)을 통해 스위치(S)에 이르는 전류 경로에 의해 영으로 방전하여 에너지 회생이 이루어진다.
이와 같이 본 발명에서는 스위치(S)의 턴온 시에 영전류 스위칭이 얻어지도록 하며 스위치(S)의 턴오프 시에 영전압 스위칭이 되도록 하여 입력전류를 정현파로 만드는 기본동작을 하면서, 인덕터의 전류를 연속으로 만들어 부하측으로 연결된 출력 다이오드(Df)의 역회복전류에 의한 손실을 줄임으로써, 회로의 손실을 최소화하고 회로의 고효율화를 이룰 수 있다.
이상과 같이 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 그러므로, 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
110: 커플링 인덕터
120: 무손실 스너버 회로
130: 보조회로
S: 스위치
Df: 출력 다이오드

Claims (6)

  1. 한 점에서 각각의 한쪽 단자가 연결된 제1권선, 제2권선, 및 제3권선을 포함하는 커플링 인덕터;
    상기 제3권선의 외부단자와 음의 단자 사이에 연결된 스위치;
    상기 제2권선의 외부단자에 애노드가 연결된 출력 다이오드;
    상기 출력 다이오드의 양단자 사이에 연결되며, 상기 제3권선의 외부 단자와 상기 스위치가 연결된 접점과도 연결되며, 상기 스위치의 동작에 따른 전류 리셋을 보조하기 위한 보조회로; 및
    상기 스위치의 양단자 사이에 연결된 스너버 회로를 포함하는 것을 특징으로 하는 역률 보상 회로.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 보조회로는,
    상기 출력 다이오드의 애노드와 캐소드 사이에, 커패시터(Cx)와 다이오드(Dx2)의 애노드가 접속된 상기 커패시터(Cx)와 상기 다이오드(Dx2)의 직렬 회로;
    상기 제3권선과 상기 스위치가 연결된 접점과 상기 다이오드(Dx2)의 애노드 사이에 순방향으로 연결된 다이오드(Dx1); 및
    상기 제3권선과 상기 스위치가 연결된 접점과 상기 다이오드(Dx2)의 캐소드 사이에 순방향으로 연결된 다이오드(Dx3)
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 역률 보상 회로.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 스너버 회로는,
    상기 다이오드(Dx1)의 애노드에 다이오드(Ds1)의 애노드가 연결되고, 다이오드(Ds1)의 캐소드와 커패시터(Cs)가 접속된 상기 다이오드(Ds1)와 상기 커패시터(Cs)의 직렬 회로, 및 상기 다이오드(Ds1)의 캐소드와 상기 다이오드(Dx2)의 애노드 사이에 순방향으로 연결된 다이오드(Ds2)를 포함하고, 상기 커패시터(Cs)의 다른 한쪽은 상기 음의 단자에 연결된 것을 특징으로 하는 역률 보상 회로.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제3권선은 상기 제1권선 및 상기 제2권선과 반대 극성으로 권선된 것을 특징으로 하는 역률 보상 회로.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제3권선에 흐르는 전류가 0이 된 후에 상기 스위치가 턴온되도록 제어하는 것을 특징으로 하는 역률 보상 회로.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 스위치가 턴 오프되면, 상기 제3권선을 통해 흐르는 전류는 커패시터(Cs)를 충전하면서 전압 상승이 느려지게 되어 상기 스위치 양단자 사이의 전압 상승도 느려지는 것을 특징으로 하는 역률 보상 회로.
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