KR101296386B1 - 광범위 동작 역률 보정 회로 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 역률 보정 회로에 관한 것으로서, 역률 보정을 위해 사용되는 곱셈기에서 정현파인 AC 감지전압과 출력으로부터 피드백된 에러앰프 출력의 곱셈을 직선성이 보장되는 직선 구간에서 곱셈이 이루어지도록 하여 정상적으로 역률이 보정되는 AC 입력 전압 범위를 확장할 수 있도록 구성된 광범위 동작 역률 보정 회로에 관한 것이다. 수동소자인 저항 분할된 AC 감지 전압을 그대로 사용하지 않고, AGC 회로를 거쳐 항상 일정한 모양과 크기를 가지는 정현파로 가공하여 곱셈기의 입력으로 인가하거나, 감쇄회로를 통해 AC 감지 전압을 감쇄시켜서 곱셈기의 또다른 입력인 에러앰프 출력의 전압 수준이 지나치게 낮은 수준을 벗어나 곱셈이 원활히 진행될 수 있는 직선 구간에 위치할 수 있도록 곱셈기 출력 특성을 개선하여 입력 전 범위에서의 역률 특성을 개선한 역률 보정 회로에 관한 것이다.

Description

광범위 동작 역률 보정 회로{Wide Range Operation PFC Circuit}
본 발명은 파워 시스템의 역률 보정 회로에 관한 것으로서, 특히, 역률 보정을 위해 사용되는 곱셈기에서 정현파인 AC 감지전압과 출력으로부터 피드백된 에러앰프 출력의 곱셈을 직선성이 보장되는 직선 구간에서 곱셈이 이루어지도록 하여 정상적으로 역률이 보정되는, AC 입력 전압 범위를 확장할 수 있도록 구성된 광범위 동작 역률 보정 회로에 관한 것이다.
역률 보정(Power Factor Correction)이란 AC 상용전원의 입력 전류 파형을 입력 전압과 동상인 정현파로 만드는 기술이다. 통상적으로 역률 보정 회로가 없는 일반적인 파워 시스템은 AC 전원이 인가되면 반파 또는 전파 정류되어 입력단에 수십~수천 μF에 이르는 큰 평활 콘덴서를 지나면서 DC에 가깝게 평활된다. 이 때 평활 후의 전압 파형은 약간의 AC 리플이 실린 DC 파형처럼 보이게 된다.
입력전압은 AC이기 때문에 항상 정현파 형태로 인가되지만 입력단 정류 다이오드를 통해 입력 평활 콘덴서 전압이 RMS 수준으로 높게 유지되고 있기 때문에 AC 전 구간에서 전류가 흐르지는 않게 된다. 입력 정류 다이오드 양단의 전압이 순방향이 되는 AC 입력전압의 피크 구간에서만 전류가 흐르기 때문에 실제 AC 입력 전류 파형은 전압 피크치 부분에서만 굉장히 높은 수준의 피크 전류 형태로 나타난다.
역률 보정이 되지 않은 AC 파워 시스템에서 정현파 형태의 입력 전압과 피크성 전류 파형의 곱이 소비전력이 된다. 전력 요금은 입력전압과 전류의 RMS치를 가지고 계산하기 때문에 피크성 전류가 아무리 높아도 실제 RMS치를 가지고 곱하면 낮은 수준의 전류가 된다.
결국 전기 수요자의 입장에서는 역률 보정 여부에 상관없이 전기 요금은 일정하다고 볼 수 있으나 전력 발전의 관점에서는 큰 문제가 된다. 전력 공급의 입장에서는 전력 피크치를 기준으로 최대 공급 전력을 산정해야 하기 때문이다. 즉, RMS 전류로 보면 얼마 되지 않는 전류도 특정 구간에서만 피크성으로 흐르는 전류라면 피크 전류를 기준으로 최대 전류를 공급할 수 있는 발전 및 송전 능력을 갖춰야 한다.
만약 AC 전류를 AC 입력 전 구간에서 연속하여 전류가 흐르도록 하면 전류의 피크치는 상당히 낮아지며, 역률 보정이 반영되면 전 구간에서 입력전압과 동상인 정현파의 형태로 전류가 흐르기 때문에 피크 전류는 기존의 수분의 일로 줄어들 수 있다. 이 때문에 모든 전력 시스템에 역률 보정을 의무화하면 발전소 몇 개를 줄일 수 있다고 하는 것이다.
현재 일반적으로 사용하는 있는 역률 보정 회로의 개념은 AC 입력단에 저항 분할된 정현파 입력과 에러앰프의 출력을 곱한 정현파 형태의 전압을 기준전압으로 전류 감지 비교기를 동작시키면 AC 입력 전류를 곱셈기 출력의 정현파와 동일하게 만들 수 있다는 것이다. 즉, AC 전압의 정현파와 에러앰프 출력의 DC를 곱하여 정현파를 만드는 곱셈기의 기능과 특성이 역률 보정 회로의 핵심이라고 할 수 있다.
도 6은 종래의 역률 보정 회로의 특성을 설명하기 위한 도면이다. 도6에서 보는 바와 같이 곱셈기는 전파 정류된 AC 정현파(VX)를 저항 분할한 VM1과 에러앰프 출력 VM2를 2개의 입력으로 하여 곱셈기 이득 K와 곱한 K*VM1*VM2가 곱셈기의 출력 VMO가 되도록 한다. 이 전압은 비교기에서 전류 감지 전압 CS과 비교되어 비교기에서 출력단을 구동할 수 있는 로직 블록의 입력 신호를 발생한다. 저항 분할된 AC 감지 전압을 그대로 곱셈기의 입력으로 사용하기 때문에 AC 전압 가변시 이에 비례하여 함께 바뀐다는 단점을 가진다.
도 7a는 도 6에서 Vac 가변에 따른 VIN 전압 변화이다. VIN=VM1이 되며 AC 전압 가변에 따라 이와 비례하는 AC 감지 전압 특성을 나타낸다. 도 7b는 도 6에서 Vac 증가시 VM2의 변화량을 나타낸다. AC 전압 가변량의 제곱에 반비례하는 결과를 나타낸다. 90Vac에서 270Vac로 가변시 동일한 전력을 유지하기 위해 VM2는 초기 90Vac 조건에서의 값 대비 3배의 제곱에 반비례하는 1/9 수치까지 떨어져서 대단히 낮은 전압 상태를 유지한다. 도 7c는 도 6에서 동일 전력 유지를 위해 AC 전압 변동분에 반비례하는 수준까지 변화하는 VMO 전압 파형을 나타낸다. 도 7d는 도 6에서 곱셈기 특성 파형이다. AC 전압 가변시 VM2의 변동폭이 커지며 특히 AC 고전압 조건에서의 VM2 전압인 VM2=VE 파형을 보면 대단히 낮은 전압 수준에 있어서 곱셈 특성이 원활하지 않는 구간에 있음을 알 수 있다. 도 7e는 도 6에서 AC 전압 가변에 따른 역률 특성 파형이다. AC 입력 증가시 어느 정도까지는 우수한 역률 특성을 보이다가 고전압 구간에 들어서면서부터 역률이 급격히 떨어지는 것을 알 수 있다.
위와 같이 통상적인 경우 AC 전압을 감지하기 위해 수동소자인 저항에 의해 분할된 전압을 이용하다 보면, 저항 분할된 AC 감지 전압은 AC 전압이 상승하면 할수록 이와 비례하여 전압 수준이 함께 상승한다. 즉, AC 90V때보다 AC 270V일 때의 AC 감지 전압이 3배로 상승한다는 것이다. 동일한 소비전력을 유지하기 위해 AC 전압이 3배로 증가하면 입력전류는 1/3로 줄어야 한다. 즉, 입력전류를 결정하는 전류 감지 비교기의 기준전압도 입력전압 증가에 따라 1/3 수준으로 줄어야 한다는 것이다. 하지만 상기 비교기의 출력을 결정하는 곱셈기에서 문제가 발생한다.
곱셈기 출력은 보통 VMO=K*VM1*VM2(VMO:곱셈기 출력전압, K:상수, VM1:AC 감지 전압, VM2:에러앰프 출력전압)로 표현되는데, K가 상수이기 때문에 VM1이 3배로 바뀌면 VM2는 1/9로 줄어야 동일한 소비전력을 유지하게 된다.
일반적으로 곱셈기는 충분히 큰 전압 즉, 원점에서 많이 벗어나고 0보다는 충분히 큰 구간에서 우수한 직선성이 확보된다. 예를 들면 VM1=1V, VM2=1V의 경우 정상적인 곱셈이 가능하지만, VM1=0.2V, VM2=0.2V와 같은 저전압 원점 부근 값은 계산이 부정확할 수 있다. 전압 수준이 낮거나 원점 부근에서의 곱셈이 원활하지 않은 것은 곱셈기를 구성하는 비교기나 앰프의 입력 오프셋과 곱셈기 출력단의 누설전류 등에 의해 값이 일정하지 않기 때문이다.
상기 설명한 바와 같이 AC 입력전압이 상승하면 입력전류는 감소해야 하는데, 수동소자로 구성된 AC 감지 전압이 입력전압 상승분만큼 증가하기 때문에 에러앰프 출력은 AC 입력전압 증가분의 제곱에 반비례하여 감소하는 특징을 가진다. 즉, AC 전압이 높아지면 에러앰프 출력전압이 너무 낮아지기 때문에 곱셈이 원활하지 않은 원점 가까운 저전압 구간에서 곱셈이 이루어지는 것이 원인이 되어 곱셈기 출력이 정상적인 정현파보다는 많이 왜곡되는 것이 일반적이다.
결과적으로 현재 보편화된 역률 보정의 기술은 대부분의 AC 입력 구간에서 우수한 역률 특성을 보이지만 AC 고전압 구간으로 갈수록 급격히 역률이 떨어지는 것이 일반적이다. 때문에 역률 보정 회로에서 광범위 동작 특성 저하의 원인이 되는 곱셈기의 특성 개선이 요구된다.
따라서, 본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은, AC 고전압에서 역률이 급격히 나빠지는 원인인 AC 감지전압의 크기를 AC 전압 가변에 둔감하도록 AGC를 사용하여 그 크기를 일정하게 유지하거나, 감쇄기를 사용하여 전압 수준을 낮춰서, AC 입력 전 범위에서 곱셈기의 직선성이 좋은 구간에서 곱셈이 이루어지도록 하는, 광범위 동작 역률 보정 회로를 제공하는 데 있다.
현재 일반적인 역률 보정 회로에서 AC 감지 전압은 수동소자인 저항에 분할된 전압을 이용 한다. 이때 AC 감지전압은 AC 전압의 RMS치 상승시 정비례하여 상승하게 되고 일정한 전력을 유지하기 위해 에러앰프의 출력은 AC 전압 증가분 외에 추가로 더 감소하여야 한다. 결국 AC 전압 가변시 AC 감지전압의 변동폭이 크다는 것이 문제의 핵심이며, 이에 대한 해결 수단이 강구되어야 한다.
역률 보정 회로에서 역률이 안정적으로 나오는 AC 전압의 동작 범위를 확대하려면 고전압 특성의 개선이 필요하다. 앞에서 설명한 바와 같이 입력 고전압에서의 곱셈기 입력이 저전압 원점 부근에 위치하지 않도록 하면 AC 입력의 동작 범위가 확대된다. 저항으로 분할된 전압은 수동소자의 특성상 입력 전압 수준에 따라 크기가 변화하지만 IC 내부의 곱셈기 입력으로 사용하기 위하여 AC 감지 전압을 가공하여 AC 전압 수준에 상관없이 항상 일정한 크기를 가지는 정현파 형태를 유지할 수 있도록 한다면, 결과적으로 AC 감지전압은 항상 일정하게 되고 에러앰프의 출력만 변화하면서 동작하게 된다. 기본적으로 파워 시스템에서 정해진 전력을 유지하기 위해서는 출력 회로(도 8참조)로부터 피드백된 에러앰프의 신호만 있으면 되는데, 역률 보정 회로에서는 AC 입력전압과 동일한 모양의 전류 파형을 만들어내기 위하여 곱셈기의 입력으로 AC 감지전압을 취하는 것이다. 이 때 AC 입력전압과 동일한 형태의 정현파가 필요한 것이지, 입력과 비례하는 정현파를 필요로 하는 것은 아니다. 즉, AC 감지 전압을 IC 내부에서 가공하여 일정한 크기를 가지는 신호로 만들어 곱셈기의 입력으로 사용하여도 곱셈에 아무 문제가 없으며, 역률 보정 특성에도 아무런 문제가 없다는 것이다. 이렇게 AC 감지 전압의 크기를 일정하게 유지하면 입력 고전압 구간에서도 에러앰프 출력전압이 저전압 원점보다는 훨씬 전압 수준이 높은 직선 구간에서 안정된 곱셈이 이루어지는 효과를 가진다.
또한, AC 전 입력 범위에서 AC 감지 전압의 크기를 일정하게 유지하도록 구성하는 회로를 좀 더 단순화하고도 유사한 기대효과를 얻을 수 있는 방법도 있다. AC 전 범위에서 역률은 어느 정도 안정적인 값을 유지하다가 AC 고전압에서 급격히 나빠지는 특성을 가지기 때문에 AC 고전압으로 갈수록 AC 감지전압을 일정하게까지는 아니더라도, 원래의 저항 분할 전압보다는 일정 수준 감쇄시키면 에러앰프의 출력전압이 곱셈기의 정상 곱셈이 가능한 구간으로 이동하기 때문에 이전 기술보다는 상당한 개선 효과를 얻을 수 있다.
본 발명의 특징을 요약하면, 본 발명의 일면에 따른, 입력 AC 전원 전압이 전파 정류된 전압을 출력회로를 통해 변환한 출력전압으로 전력을 제공하는 파워 시스템의 상기 출력회로에 대한 역률 보정을 위한 역률 보정 회로에 있어서, 상기 입력 AC 전원 전압의 M(실수)배 변동에 대하여 1/M배 변동값을 갖는 신호(VMO)를 생성하여 상기 출력회로를 제어하기 위하여, 상기 전파 정류된 전압이 직렬 저항들에 의해 분할되어 감지된 전압(VIN)과 동기된 신호(VM1)를 출력하는 수단; 상기 입력 AC 전원 전압의 변동에 따라 상기 출력회로에서 피드백되는 신호(INS)에 따라 신호(VM2)를 출력하는 에러앰프; 및 상기 VM1과 상기 VM2의 곱셈에 상응하는 상기 VMO를 출력하는 곱셈기를 포함하고, 상기 입력 AC 전원 전압 파형의 M배 변동 또는 이에 따른 상기 VM1의 파형 변동에 대하여, 상기 에러앰프는 이전값의 (1/M2)배 보다 작은 변동값을 갖는 상기 VM2를 출력하는 것을 특징으로 한다.
상기 VM2의 변화량을 최소화하여 상기 곱셈기에서의 곱셈에 대한 직선성이 좋은 구간에서 곱셈이 이루어지도록 하기 위한 것이다.
상기 수단은, 상기 VIN의 가변 형태에 무관하게 일정 크기의 파형 모양을 유지하는 상기 VM1 신호를 생성하는 자동이득조절회로를 포함한다.
또는, 상기 수단은, 비반전 증폭기; 및 상기 VIN의 1주기 동안 피크치를 감지하여 상기 비반전 증폭기의 이득을 조절하기 위한 앰프이득조절신호를 생성하는 피크전압 감지기를 포함하고, 상기 비반전 증폭기는 다음 주기 동안 상기 앰프이득조절신호에 따라 이득을 조절하여 상기 VIN에 동기된 일정 크기의 파형 모양을 유지하는 상기 VM1 신호를 생성한다.
또는, 상기 수단은, 상기 입력 AC 전원 전압의 전 구간에 대하여 상기 VIN을 일정 비율로 감쇄시킨 상기 VM1 신호를 생성하는 감쇄기를 포함한다.
또는, 상기 수단은, 상기 입력 AC 전원 전압 또는 상기 VIN이 일정 크기 이상에서 상기 VIN을 일정 비율로 감쇄시킨 상기 VM1 신호를 생성하는 감쇄기를 포함한다.
본 발명에 따른 광범위 동작 역률 보정 회로에 따르면, AC 감지전압의 크기를 AC 전압 가변에 둔감하도록 AGC를 사용하여 그 크기를 일정하게 유지하거나, 감쇄기를 사용하여 전압 수준을 낮춰서, AC 입력 전 범위에서 곱셈기의 직선성이 좋은 구간에서 곱셈이 이루어지도록 함으로써, 출력단이 정상적으로 역률이 보정된 전력을 출력할 수 있고, 이에 따라 파워 시스템에 활용하여 발전 및 송전 능력을 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 광범위 역률 보정 회로의 개념을 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 광범위 역률 보정 회로의 특성을 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 광범위 역률 보정 회로의 특성을 설명하기 위한 도면이다.
도 4a 내지 도 4f는 도 1,2의 특성을 설명하기 위한 각 부 특성 파형 도면이다.
도 5a 내지 도 5f는 도 3의 특성을 설명하기 위한 각 부 특성 파형 도면이다.
도 6은 종래의 역률 보정 회로의 특성을 설명하기 위한 도면이다.
도 7a 내지 도 7e는 도 6의 특성을 설명하기 위한 각 부 특성 파형 도면이다.
도 8은 본 발명의 실시예들이 적용될 수 있는 파워 시스템의 출력 회로에 대한 도면이다.
이하 첨부 도면들 및 첨부 도면들에 기재된 내용들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명하지만, 본 발명이 실시예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 광범위 역률 보정 회로(100)의 개념을 설명하기 위한 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 광범위 역률 보정 회로(100)는, 정현파로 인가되는 AC 전원(Vac), AC 전원(Vac)에 대한 전파 정류를 위한 정류 다이오드(또는 브릿지 다이오드)(D1, D2, D3, D4), 콘덴서(Ci), 콘덴서(Ci) 양단 사이에 직렬 연결된 저항들(R1, R2), 저항들(R1, R2) 간 접점에서 출력되는 콘덴서(Ci) 전압(VX)의 분할 전압인 AC 감지전압(VIN)을 입력받는 자동이득조절회로(AGC)(110), 에러앰프(120), 곱셈기(130) 및 비교기(140)를 포함한다. 곱셈기(130)는 자동이득조절회로(AGC)(110)에 의해 출력되는 일정 크기의 정현파 신호 VM1과 에러앰프(120)의 출력 DC 신호 VM2를 곱하여 출력 신호 VMO를 생성하며, 비교기(140)는 VMO와 출력 회로(도 8 참조)에서 피드백되는 전류 감지 신호 CS를 비교하여 그 결과 신호를 로직 블록으로 전달한다. 비교기(140)의 출력 신호에 따라 로직 블록은 콘덴서(Ci) 양단의 전압을 이용하는 부스트 회로 등 변환 회로를 갖는 출력 회로(도 8 참조)를 제어하여 출력 회로가 역률 특성이 개선된 전력의 출력 전압(도 8의 VOUT참조)을 발생하도록 할 수 있다. 에러앰프(120)는 출력 회로(도 8 참조)에서 피드백되는 전압(예, 도 8의 INV)과 기준 전압(Vref)을 비교하여 그에 상응하는 출력 DC 신호 VM2를 생성한다. 예를 들어, AC 전원(Vac)의 전압이 커지면 VMO가 감소되고(예, Vac가 3배되면 VM2와 VMO가 1/3됨.), 비교기(140)는 AC 전원(Vac)의 전류 상태를 나타내는 전류 감지 신호 CS와 VMO를 비교한 결과 신호를 발생하여 로직 블록이 해당 결과 신호에 따라 출력 회로(도 8 참조)를 제어하도록 함으로써 AC 전원(Vac)의 고전압 구간에서도 급격한 역률 저하없이 전력을 제공하도록 할 수 있다. 도 8과 같이, 상기 로직블록과 함께 자동이득조절회로(AGC)(110), 에러앰프(120), 곱셈기(130) 및 비교기(140)는 하나의 IC(Integrated Circuit) 칩 내에 구현될 수 있다. 도 2의 피크전압 감지기(211)와 비반전 증폭기(212)를 포함하는 역률 보정회로, 또는 도 3의 감쇄기(310) 를 포함하는 역률 보정회로 역시 IC 칩내에 구현될 수 있다.
도 6과 같이 일반적인 역률 보정 회로는 전파 정류된 신호를 저항을 이용해 분할하여 입력 전압과 동일한 모양의 정현파를 곱셈기의 입력으로 취한다. 이 경우 R1, R2가 수동소자이기 때문에 AC 전압의 RMS치가 상승하면 정비례하여 저항 분할된 AC 감지전압 VIN도 증가하게 된다.
반면, 도 1과 같이, 본 발명의 역률 보정회로(100)에서는, 곱셈기(130)의 입력 VM1으로서 굳이 입력 AC 전원(Vac)에 비례하는 정현파가 필요한 것은 아니고, 단지 입력 AC 전원(Vac)의 전압과 동일한 모양의 정현파가 필요하므로, 저항들(R1, R2) 간 접점에서 출력되는 콘덴서(Ci) 전압(VX)의 분할 전압인 AC 감지전압(VIN)을 자동이득조절회로(AGC)(110)로 입력한다. 이에 따라 자동이득조절회로(AGC)(110)는 AC 전원(Vac) 전압의 RMS(Root Mean Square) 값 변동에 상관없이 그(Vac 또는 VIN)에 동기된 정현파 모양과 일정 크기를 유지하는 신호 VM1을 생성하며(도 4b 참조), 곱셈기(130)는 VM1과 VM2에 따라 VMO=K*VM1*VM2(K:상수)로 표현되는 출력 신호를 발생할 수 있다(도 4d 참조).
곱셈기(130)는 상당히 넓은 입력범위를 가지지만 입력 저전압 구간 또는 원점 부근에서의 곱셈은 원활하지 않다는 특성을 가진다. 때문에 도 1과 같이 AGC(110)를 통해 AC 전원(Vac) 전압의 입력 크기에 상관없이 항상 일정한 크기와 모양을 가지는 정현파를 만들어서 사용하면 AC 전원(Vac) 전압의 전 범위 특히 고전압 구간에서 곱셈기(130)의 특성이 월등히 개선되는 효과를 얻을 수 있다. 즉, AC 전원(Vac) 전압의 파형의 변동(예, M(실수)배 변동)을 기초로 에러앰프(120)가 이전값의 (1/M2)배 보다 작은 변동값(예, 1/M배 변동)을 갖는 VM2를 출력하도록 함으로써, VM2의 변화량이 최소화되고 곱셈기(130)에서의 곱셈에 대한 직선성이 좋은 구간에서 곱셈이 이루어지도록 한다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 광범위 역률 보정 회로(200)의 특성을 설명하기 위한 도면이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 광범위 역률 보정 회로(200)는, 도 1의 자동이득조절회로(AGC)(110) 대신에, 피크전압 감지기(211)와 비반전 증폭기(212)를 포함하는 것 이외에는 도 1의 회로와 유사하다. 여기서는 피크전압 감지기(211)가 분할 전압인 AC 감지전압(VIN)으로부터 AC 1주기 동안 VIN 정현파의 피크치(최대값)를 감지하여 비반전 증폭기(212)의 이득을 조절하기 위한 앰프이득조절신호를 생성하고, 이에 따라 비반전 증폭기(212)는 다음 주기 동안 상기 앰프이득조절신호에 따라 이득을 조절함으로써, VIN의 가변 형태에 무관하게 항상 Vac 또는 VIN과 동일한 모양의 정현파이면서 크기가 일정하게 유지되는 일정 크기의 정현파 신호 VM1를 생성하여 곱셈기(130)로 출력한다. 이와 같은 회로도 본 발명의 기술을 실현하는 방법 중 하나이며 AC 전원(Vac)을 저항분할한 전압을 가공하여 항상 일정한 정현파로 만드는 방법이라면 모두 적용 가능하다.
도 3은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 광범위 역률 보정 회로(300)의 특성을 설명하기 위한 도면이다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 광범위 역률 보정 회로(300)는, 도 1의 자동이득조절회로(AGC)(110)나, 피크전압 감지기(211)와 비반전 증폭기(212), 대신에, 감쇄기(310)를 포함하는 것 이외에는 도 1이나 도 2의 회로와 유사하다.
여기서는 감쇄기(310)가 분할 전압인 AC 감지전압(VIN)에 대하여 동기되어 일정 비율(예, 10dB) 전압이 감쇄된 정현파 신호 VM1을 출력하거나, AC 감지전압(VIN)이 일정 크기 이상에서 일정 비율로 전압이 감쇄된 정현파 신호 VM1를 출력함으로써, Vac 또는 VIN RMS(Root Mean Square)치 상승 시 저항 분할된 VIN 전압의 상승 속도보다는 완화된 감쇄기(310)의 출력을 곱셈기(130)의 입력 VM1으로 사용할 수 있다. 감쇄기(310)는 Vac 또는 VIN전 구간에서 동작하도록 할 수 있지만 더 간단히는 VIN 전압의 특정 크기 이상을 AC 고전압으로 설정하여 그 전압 이상이 된 것을 감지하면 그 다음 주기부터 일정 비율만큼 감쇄시켜 사용하는 것도 가능하다. 예를 들면, 감쇄기(310)는 VIN 전압의 RMS치가 2V가 되면 220Vac 이상이 된 것으로 간주하여 VIN 전압을 1/2로 감쇄시킨 전압을 VM1으로 하여 곱셈기 입력으로 사용할 수 있다. AC 고전압으로 간주하는 AC 감지 전압이나 감쇄 비율은 임의로 설정이 가능하며, 기존 기술에서 AC 감지 전압이 AC 저전압 대비 3배까지 상승하는 것을 감안 하면, 어느 정도이든지 감쇄만 시켜도 현재의 기술보다는 역률 특성이 보장되는 AC 입력 구간의 최대치를 끌어 올릴 수 있다.
이와 같은 감쇄기(310)를 적용하는 것은, 정밀한 AGC 회로를 사용할 때보다 간편함이 있다. 도 1과 같이 정밀한 AGC 회로를 사용하면 AC 전압 RMS치 변동에 상관없이 항상 일정한 정현파를 만들어 내기 때문에 곱셈기(130)의 계산식인 VMO=K*VM1*VM2에서 원래 상수인 K와 함께 VM1도 상수로 간주할 수 있고, 이 경우 오직 에러앰프(120) 출력 전압 수준에 의해서만 출력회로(도 8 참조)의 MOSFET(M1) 또는 인덕터(또는 변압기)(L1) 전류가 결정되기 때문에 계산이 편리한 부분이 있다. 하지만 정밀한 AGC 회로를 만들어내기 위해서는 많은 부가회로가 필요하고 이를 구현하기 위한 일정 부분의 칩면적이 필요하다. 때문에 도 3과 같이 AGC가 아닌 감쇄기(310)를 사용하여도 유사한 효과를 기대할 수 있다. 도 8에서 로직 블록은 비교기(140)의 출력, 전압 VX를 출력하는 콘덴서(Ci)에 연결된 인덕터(또는 변압기)(L1)의 2차측 전류에 기초한 신호(ZCD), 인덕터(또는 변압기)(L1)의 2차측 전압을 정류한 전압(VCC) 등을 이용해 출력회로의 MOSFET(M1)에 흐르는 전류를 제어할 수 있다.
입력 AC 전원(Vac) RMS치 상승 시 저항 분할된 VIN 전압의 상승 속도보다는 완화된 감쇄회로의 출력을 곱셈기(310)의 입력 VM1으로 사용함으로써 고전압 구간에서 이전 기술 대비해서는 월등한 특성 개선효과를 기대할 수 있다. 일반적인 역률 보정 회로가 적용된 경우 거의 대부분의 AC 입력 구간에서 양호한 역률 특성을 보이다가 고전압 구간에서 급격히 나빠지는 특성을 보인다. 예를 들면 90Vac에서 240V까지는 어느 정도 양호한 역률을 나타내다가 240Vac 이상부터 급격히 역률이 떨어지는 식의 형태를 보인다는 것이다. 역률이 급속도로 나빠지는 원인이 AC 감지 전압이 너무 높아져서 반대 급부로 에러앰프의 출력전압이 지나치게 떨어지는데 있기 때문에 저항 분할된 AC 감지전압을 그대로 사용하지 않고, 감쇄기(310)를 지나 일정 수준 감쇄된 전압 VM1을 사용하면 AGC 사용시 대비 약간 열세일 수는 있으나 이전 기술 대비해서는 월등한 특성 개선효과를 기대할 수 있다.
예를 들면, 이전 기술에서는 90Vac에서 270Vac까지 증가시켰을 때 저항분할된 감지전압은 3배로, 에러앰프 출력전압은 1/9로 줄어들게 된다. 즉, 90Vac에서 VM2=1.8V였다면 270Vac에서의 VM2=0.2V가 되어 곱셈 특성이 좋지 않은 구간에서 곱셈이 이루어진다.
하지만 여기서도 AC 전원(Vac) 전압의 파형의 변동(예, M(실수)배 변동)에 따라, 감쇄기(310)를 지나 일정 수준 감쇄된 전압 VM1 파형의 해당 변동을 기초로, 에러앰프(120)가 이전값의 (1/M2)배 보다 작은 변동값을 갖는 VM2를 출력하도록 함으로써, VM2의 변화량이 최소화되고 곱셈기(130)에서의 곱셈에 대한 직선성이 좋은 구간에서 곱셈이 이루어지도록 한다. 예를 들어, 감쇄기(310)를 적용하여 90Vac에서 270Vac로 상승시 AC 감지전압을 감쇄시켜 1.5배 수준으로 증가되는 수준에서 그친다면 에러앰프 출력인 VM2는 90Vac 대비 약 2/9 수준까지만 낮아지면 되기 때문에 이전 기술의 1/9 수준보다는 2배 높은 전압 수준에서 곱셈이 이루어진다. 역률이 급격히 나빠지는 구간은 최대 AC 동작 전압에 근접한 곳이기 때문에 이와 같이 VM2의 강하 속도만 완화시켜 주어도 역률은 AC 입력 전 범위에서 양호한 특성을 나타내고, 고전압에서의 동작전압 범위를 더 넓힐 수 있다는 장점을 가진다.
도 4a 내지 도 4f는 도 1,2의 특성을 설명하기 위한 각 부 특성 파형 도면이다.
도 4a와 같이 AC 전압이 증가하면, 도 1,2의 저항 분할된 VIN 전압은 이와 비례하여 상승하게 된다. 일반적인 입력 범위에서 VIN은 약 3배 수준까지 증가하게 된다. AGC(110) 회로(또는 비반전 증폭기)를 거쳐 항상 일정한 크기와 모양을 가지도록 가공된 도 4b의 VM1 전압 파형은 곱셈기(130) 입력 신호로 사용된다. AC 전 입력 범위에서 항상 동일한 정현파 상태를 유지한다. 도 4c와 같이 VM1이 일정한 신호가 되면 전 입력 범위에서 VM2의 가변 범위는 최소화된다. 90Vac~270Vac의 전 입력 범위에서 VM2의 가변 범위는 90Vac 조건 대비 약 1/3 수준까지만 떨어지기 때문에 곱셈 특성이 나빠지는 저전압 원점 구간까지 도달하지 않아 전 구간에서 안정적인 역률을 보장할 수 있다.
도 4d는 Vac 가변에 따른 곱셈기(130) 출력 VMO 전압의 변화를 나타낸다. VMO는 입력전압 가변에 따라 일정한 전력을 유지하기 위해 가변되는 것이기 때문에 감지되는 입력 AC 전원(Vac) 크기의 수준에 상관없이 일정한 형태를 보인다. 즉, 이전 기술이나 본 발명의 기술 적용 여부에 상관없이 항상 일정한 VMO 변화 형태를 나타낸다. 하지만 실질적으로는 저전압끼리 곱셈이 진행되는 경계 부분(VMO 저전압 구간)의 곱셈 특성이 현저히 개선되고, 결과적으로 역률 특성 또한 함께 개선된다. 도 4e는 도 1 또는 도 2와 같은 본 발명의 기술을 적용시 곱셈기(130) 특성 파형이다. 입력 AC 전원(Vac) 저전압에서의 VM2=VA 조건과 입력 AC 전원(Vac) 고전압인 VM2=VC 조건을 비교해 보면, 양방향 화살표로 표시된 VA 내지 VC에 대한 VM2의 변동폭이 작다는 것을 알 수 있다. VA 대비 VC가 많이 낮지 않다는 것은 AC 고전압에서의 곱셈기(130) 동작 시 VM2의 동작 영역이 직선성이 좋은 구간에 있다는 것을 의미하기 때문에 고전압에서의 곱셈 특성 개선과 함께 우수한 역률 특성을 기대할 수 있다. 도 4f는 도 1,2와 같은 본 발명의 기술을 적용시 AC 전압 가변에 따른 역률의 변화를 나타낸 것이다. 통상 고전압대에 가면서 역률이 급격히 나빠지지만 역률이 정상적으로 유지되는 구간이 더 길어지고 고전압에서도 안정적인 역률 특성이 나타남을 알 수 있다.
도 5a 내지 도 5f는 도 3의 특성을 설명하기 위한 각 부 특성 파형 도면이다.
도 5a 의 AC 감지 전압 VIN 파형은 수동소자인 저항에 의해 분할된 전압이기 때문에 도 4a의 경우와 동일하다. 도 5b와 같이 도 3에서 VM1의 파형은 AGC를 적용한 도 4b와는 다소 상이하다. AGC 대비 좀 더 단순화된 감쇄 회로(310)를 사용하였기 때문에 AC 전압 증가에 따라 저항 분할된 AC 감지 전압 VIN은 감쇄기(310)를 거쳐 모양은 동일한 정현파를 유지하지만 크기가 감쇄된 파형으로 가공되어 곱셈기(130)의 입력 VM1이 된다. 도 5c와 같이 감쇄기(310) 적용 시 AC 전압 가변에 따른 VM2 전압 가변폭은 이전 기술보다는 작고, AGC 적용 시보다는 다소 클 수 있다.
도 5d의 VMO 파형은 감쇄기(310) 적용 여부에 상관없이 AC 전압 가변에 따라 동일한 전력을 유지하기 위함이기 때문에 AC 전압 증가분에 반비례하여 감소하는 형태를 나타낸다. 도 5e는 감쇄기(310) 적용시 곱셈기(130) 특성파형이다. 앞에서 설명한 AGC의 경우보다는 VM2 가변폭이 크며 AC 저전압 조건에서의 VM2(=VA)보다는 상당히 낮은 수준의 AC 고전압 조건에서의 VM2(=VD) 값을 보여 준다. 하지만 곱셈 특성이 현저히 나빠질 정도의 낮은 수준까지는 떨어지지 않기 때문에 역률이 급격히 나빠질 가능성은 적어지며, 실제 정상적인 역률 특성이 발휘되는 AC 입력 구간이 더 넓어지는 효과를 보여 준다. 도 5f는 감쇄기(310) 적용 시 AC 입력 전 구간에서의 역률 특성을 보여 준다. AGC 적용시 보다는 다소 떨어지는 역률 특성을 보여주지만, 이전 기술보다는 현저히 개선된 결과를 나타낸다. 역률이 급격히 떨어지는 구간을 고전압 쪽으로 더 밀어내기 때문에 입력 전 범위에서 우수한 역률 특성을 발휘할 수 있다.
이와 같이 본 발명에 따른 파워 시스템의 역률 보정 회로에 따라 역률 보정을 위해 사용되는 곱셈기(130)에서 정현파인 AC 감지전압 VM1과 출력으로부터 피드백된 에러앰프(120) 출력 VM2의 곱셈을 직선성이 보장되는 직선 구간에서 곱셈이 이루어지도록 하여 정상적으로 역률이 보정될 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.
자동이득조절회로(AGC)(110)
에러앰프(120)
곱셈기(130)
비교기(140)
피크전압 감지기(211)
비반전 증폭기(212)
감쇄기(310)

Claims (6)

  1. 입력 AC 전원 전압이 전파 정류된 전압을 출력회로를 통해 변환한 출력전압으로 전력을 제공하는 파워 시스템의 상기 출력회로에 대한 역률 보정을 위한 역률 보정 회로에 있어서,
    상기 입력 AC 전원 전압의 M(실수)배 변동에 대하여 1/M배 변동값을 갖는 신호(VMO)를 생성하여 상기 출력회로를 제어하기 위하여, 상기 전파 정류된 전압이 직렬 저항들에 의해 분할되어 감지된 전압(VIN)과 동기된 신호(VM1)를 출력하는 수단; 상기 입력 AC 전원 전압의 변동에 따라 상기 출력회로에서 피드백되는 신호(INS)에 따라 신호(VM2)를 출력하는 에러앰프; 및 상기 VM1과 상기 VM2의 곱셈에 상응하는 상기 VMO를 출력하는 곱셈기를 포함하고,
    상기 입력 AC 전원 전압 파형의 M배 변동 또는 이에 따른 상기 VM1의 파형 변동에 대하여, 상기 에러앰프는 이전값의 (1/M2)배 보다 작은 변동값을 갖는 상기 VM2를 출력하는 것을 특징으로 하는 역률 보정 회로.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 VM2의 변화량을 최소화하여 상기 곱셈기에서의 곱셈에 대한 직선성이 좋은 구간에서 곱셈이 이루어지도록 하기 위한 것을 특징으로 하는 역률 보정 회로.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 수단은, 상기 VIN의 가변 형태에 무관하게 일정 크기의 파형 모양을 유지하는 상기 VM1 신호를 생성하는 자동이득조절회로
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 역률 보정 회로.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 수단은, 비반전 증폭기; 및 상기 VIN의 1주기 동안 피크치를 감지하여 상기 비반전 증폭기의 이득을 조절하기 위한 앰프이득조절신호를 생성하는 피크전압 감지기를 포함하고,
    상기 비반전 증폭기는 다음 주기 동안 상기 앰프이득조절신호에 따라 이득을 조절하여 상기 VIN에 동기된 일정 크기의 파형 모양을 유지하는 상기 VM1 신호를 생성하는 것을 특징으로 하는 역률 보정 회로.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 수단은, 상기 입력 AC 전원 전압의 전 구간에 대하여 상기 VIN을 일정 비율로 감쇄시킨 상기 VM1 신호를 생성하는 감쇄기
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 역률 보정 회로.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 수단은, 상기 입력 AC 전원 전압 또는 상기 VIN이 일정 크기 이상에서 상기 VIN을 일정 비율로 감쇄시킨 상기 VM1 신호를 생성하는 감쇄기
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 역률 보정 회로.
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