KR101393752B1

KR101393752B1 - 역률개선회로

Info

Publication number: KR101393752B1
Application number: KR1020120071176A
Authority: KR
Inventors: 한재현
Original assignee: 엘지이노텍 주식회사
Priority date: 2012-06-29
Filing date: 2012-06-29
Publication date: 2014-05-12
Also published as: KR20140003211A

Abstract

발명의 실시예에 따른 역률개선회로는 교류전원으로부터 정류되는 전압을 분압하고 직렬 연결되는 제1 및 제2 분압저항; 상기 제2 분압저항의 타단은 접지와 연결되고, 상기 제2 분압저항의 일단과 연결되는 트랜지스터; 상기 트랜지스터와 연결되는 IC; 및, 상기 IC와 연결되는 스위칭 소자;를 포함한다.

Description

역률개선회로{POWER FACTOR IMPROVEMENT CIRCUIT}

본 발명은 역률개선회로 및 이를 사용한 LED 조명기구에 관한 것으로서, 특히 역률을 개선하고 또한 노이즈(noise)를 억제하는 기술에 관한 것이다.

발광 다이오드(Light Emitting Diode: LED)는 친환경적이며, 응답속도가 수 나노 초로 고속 응답이 가능하여 비디오 신호 스트림에 효과적이고, 임펄시브(Impulsive) 구동이 가능하며, 색재현성이 100% 이상이고 적색, 녹색, 청색 LED의 광량을 조정하여 휘도, 색온도 등을 임의로 변경할 수 있을 뿐만 아니라, LCD패널의 경박단소화에 적합한 장점들을 가지므로, 최근 LCD 패널 등의 백라이트용 광원으로 적극적으로 채용되고 있는 실정이다.

발광 다이오드는 직류전원을 사용하므로 220볼트의 상용전원을 직류로 정류하고, 정류된 직류전압을 요구되는 크기의 직류전압으로 변환하기 위하여 스위칭 모드 파워 서플라이(Switching Mode Power Supply: SMPS)가 필요하다.

한편, 종래기술의 일반전구를 사용하는 신호등에서는 트라이액(Triac)을 온오프스위칭시켜 입력전압의 크기를 제어하게 되는데, 트라이액의 게이트에 턴오프신호가 입력되는 경우에 트라이액의 애노드측과 캐소드측 사이에 전류는 흐르지 않으나 130 - 150 볼트의 맥류형 전압이 걸리게 된다. 이는 트라이액의 게이트에 턴오프 신호가 입력되더라도 트라이액 내에 존재하는 커패시턴스 특성으로 인한 것으로서, 트라이액을 SMPS에 접속하여 사용하게 되면 맥류형 전압으로 인하여 SMPS가 순간적으로 동작됨으로써 발광다이오드를 사용한 신호등이 미세하게 깜빡거리게 되는 현상을 발생시키게 되고, 교통 사고를 유발하는 요인으로 작용할 수도 있다.

또한, SMPS는 정류된 직류전압을 트랜지스터의 온오프시간을 조절하여 듀티비(Duty Ratio)를 제어함으로써 요구되는 크기의 직류전압으로 변환하기 때문에 역률(Power Factor)이 낮다는 단점이 존재한다.

본 발명은 입력과 출력의 파형의 THD(Total hamonic distortion) 특성이 개선될 수 있다.

이에 따라 역률 개선을 통한 무효전력을 절감하는 것을 목적으로 한다.

발명의 실시예에 따르면 입력과 출력 파형의 THD(Total hamonic distortion) 특성이 개선될 수 있다.

또한 이에 의해 입력전류와 전압 파형의 위상차가 감소하여 역률이 증가할 수 있다.

도 1은 LED 조명용 회로의 개략적인 블록도를 나타낸 도면이다.
도 2는 제어 회로의 구조를 예시한 도면이다.
도 3은 발명의 실시예에 따른 제어 회로를 나타낸 도면이다.
도 4는 발명의 실시예에 따른 전압 파형을 나타낸 그래프이다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시 예에 대하여 첨부도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다. 기타 실시 예들의 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다. 본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예를 참조하면 명확해질 것이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.

도 1은 LED 조명용 회로의 개략적인 블록도를 나타낸 도면이다. 도 1을 참조하면, LED 조명용 회로는 정류회로(110), 컨버터(120), LED 구동부(130), 피드백 신호 생성부(140) 및 제어회로(150)를 포함한다.

정류회로(110)는 다이오드를 이용하여 가정용 교류 전원(Alternating Current: AC)을 직류 전원(Direct Current: DC)으로 변환한다. 정류회로(110)는 용도에 따라 다양하게 구현되며, 반파(半波) 정류회로, 전파(全波) 정류회로, 브릿지 전파 정류회로, 반파 배전압 정류회로, 전파 배전압 정류회로 등을 포함한다.

컨버터(120)는 정류회로(110)로부터 출력된 직류 전원을 LED 구동에 적합한 직류 전원으로 변환한다. 약 200W 이하의 소용량 DC/DC 컨버터를 위한 회로는 벅(buck) 컨버터, 부스트(boost) 컨버터, 포워드(forward) 컨버터, 플라이백(flyback) 컨버터 등을 포함할 수 있다.

벅 컨버터는 일정한 주기로 스위칭(온/오프 반복)하는 스위칭 소자를 이용하여, 스위치가 '온' 되어 있는 동안 입력 전원이 회로에 연결되고 '오프' 되어 있는 동안 입력 전원이 회로에서 끊어진다. 벅 컨버터는 주기적으로 입력 전원이 연결되었다 끊어졌다 하는 펄스 모양의 전압을 LC(inductor 및 capacitor) 필터를 통해 평활하여 저압의 직류 전압을 출력한다. 이와 같은 방식의 컨버터를 전압원(voltage-fed) 컨버터라고 한다.

스위칭 주기 내에서 스위치가 '온' 되어 있는 시간이 길수록 펄스전압의 폭이 넓어져서 출력 전압이 높아진다. 반면, 스위치가 '온' 되어 있는 시간이 짧을수록 출력 전압이 낮아진다. '온' 시간/스위칭 주기를 시비율 D라고 할 경우, 출력 전압은 VOUT=D*VIN이 된다.

플라이백 컨버터는 벅 컨버터의 절연된 형태이다. 플라이백 컨버터는 변압기의 자화 인덕턴스 성분을 부스트 인덕터로 활용하며, 스위치가 '온' 되면 변압기의 자화 인덕턴스가 충전되고 스위치가 '오프'되면 자화 인덕턴스의 전류가 변압기 2차 측으로 넘어가면서 출력 전압은 V_OUT=N*D*VIN/(1-D)이 된다.

LED 구동부(130)는 컨버터(120)로부터 출력된 직류 전원을 조명용 광원에 공급한다. 피드백 신호 생성부(140)는 역률 보상을 위해 컨버터(120)로부터 출력된 직류 전원에 관한 정보를 제어회로(150)에 알리기 위한 피드백 신호를 생성한다.

피드백 신호는 전압 또는 전류 형태로 생성되어 제어회로(150)로 제공된다.

제어회로(150)는 피드백 신호 생성부(140)로부터 받은 전압 또는 전류 신호에 기초하여 컨버터(120)를 제어한다. 이를 통해, 컨버터(120)의 역률을 보상한다. 제어회로(150)는 뒤에서 도면을 참조하여 보다 구체적으로 예시한다.

상기 교류 전원(AC)은 정류회로(110), 예를 들어 4개의 다이오드로 구성된 다이오드 브릿지에 의해 전파 정류된다. 전파 정류 출력은 변압기가 포함되는 컨버터(120)의 1차 권선을 통해 스위칭 소자(Q1)의 일단에 접속된다.

제어회로(150)는 제어 IC(Integrated Chip)로 구성될 수 있으며 스위칭 소자(Q1)의 스위칭 시간을 제어함으로써 교류 전원(Vac)과 그것에 흐르는 전원 전류(Iac)의 위상을 제어하여 역률을 개선한다.

스위칭 소자(Q1)는 제어회로(150)에 의해 온/오프 제어되고, 변압기의 1차 전류를 단속한다. 스위칭 소자(Q1)는 MOSFET(Metal-Oxide semiconductor Field-Effect Transistor), JFET(Junctin gate Field-Effect Transistor), 공핍형 MOSFET(Depletion Metal-Oxide semiconductor Field-Effect Transistor) 및 BJT(Bipolar Junction Transistor) 등을 사용할 수 있다.

변압기는 단속하는 1차 전류에 의한 에너지를 2차 측에 전달함과 함께, 1차 권선과 2차 권선의 비에 따라 2차 권선에 전압을 발생시킨다. 변압기의 2차 전압은 다이오드 및 커패시터를 통해 리플이 적은 직류로 정류되며, LED 구동부(130)를 통해 LED에 공급된다.

LED는 조명 장치의 광원이 되는 발광 다이오드로서 단독 또는 복수 개를 직렬/병렬 접속하여 이용한다. LED 구동부(130)의 귀환 라인에는 귀환저항이 형성되고 귀환저항은 LED에 흐르는 전류(ILED)를 검출한다.

전력이 큰 조명 장치는 역률 개선 회로를 구비하고 있을 필요가 있다. 역률(power factor)은 전력 전달의 효율성(effectiveness)을 나타낸다. 전력 전달에 있어서, 실제 전달되는 전력은 유효 전력(real power)이다. 전력의 전압 및 전류 각각의 실효 값의 곱으로 나타내는 피상 전력(apparent power)으로 유효 전력을 나누어 역률을 나타낸다. 전압과 전류가 모두 정현파일 경우 전압과 전류의 위상 차에 따라 역률이 달라진다. 위상 차가 적을수록 역률이 개선된다. 따라서 일반적으로 역률을 개선시키는 역률 보상은 전력의 전압 및 전류 간의 위상 차를 감소시키는 동작을 의미한다.

상기 피드백 신호 생성부(140)는 이러한 역률을 개선하기 위해 상기 귀환저항을 흐르는 전류는 전압으로 변환된 후 증폭기를 통해 제어회로(150)로 제공한다.

도 2는 종래 제어 회로의 구조를 예시한 도면이다. 도 2를 참조하면 제어회로(150)는 비교기(152), 제어부(153) 및 레퍼런스 전압원(154)을 포함한다.

상기 비교기(152)는 제어부(153)에서 출력되는 제어신호를 수신하는 비반전단자(+) 및 기준 신호(VREF)를 수신하는 반전 단자(-)를 포함한다. 비교기(152)는 기준 신호(VREF)가 제어신호 미만이면 하이 레벨의 듀티 제어 신호(Duty Control Signal)를 생성하고, 기준 신호(VREF)가 제어신호 이상이면 로우 레벨의 듀티 제어 신호를 생성한다.

도 2에서 상기 레퍼런스 전압원(154)과 비교기(152) 사이에는 IC 내부 임피던스(Impedance:155)에 의해 출력편차가 나타날 수 있다. 예를 들어, 기준 신호(VREF)가 5V이고, 임피던스(155)가 25kΩ일 수 있다. 이러한 임피던스(155)는 PF 특성에 직접적인 영향을 미치게 된다.

도 3은 발명의 실시예에 따른 제어 회로를 나타낸 도면이다. 도 4는 발명의 실시예에 따른 전압 파형을 나타낸 그래프이다.

발명의 실시예에 따른 제어 회로(150)는 교류전원(Vin)을 정류하는 정류기(110)의 출력전압을 분압하고, 서로 직렬연결된 제1 및 제2 분압저항(R1, R2)을 포함한다. 상기 제2 분압저항(R2)의 타단은 접지와 연결될 수 있다.

상기 제2 분압저항(R2)과 병렬 연결되는 제3 저항(R3)을 포함할 수 있다. 상기 제3 저항(R3)의 타단은 전원(Va)의 양극과 연결되고, 상기 전원(Va)의 음극은 접지와 연결될 수 있다.

상기 제2 분압저항(R2)의 일단은 트랜지스터의 베이스 단과 연결될 수 있다. 상기 트랜지스터는 PNP트랜지스터로 형성될 수 있다. 상기 트랜지스터의 컬렉터 단은 접지와 연결되고, 에미터 단은 IC의 Vr 핀과 연결될 수 있다. 상기 에미터단과 커패시터의 일단이 연결될 수 있고, 상기 커패시터의 타단은 접지와 연결될 수 있다.

상기 트랜지스터의 에미터단과 IC가 연결될 수 있고, 상기 IC는 스위칭 소자(Q1)와 연결될 수 있다. 상기 스위칭 소자(Q1)는 N 채널 증가형 MOSFET으로 형성될 수 있고, 게이트단이 상기 IC와 연결될 수 있다.

상기 분압 저항에 따라, 예를 들어 상기 트랜지스터의 베이스단 전압인 V1은 도 4에 도시된 바와 같이 0.2A 내지 1.7V의 전압값을 가질 수 있고, 상기 트랜지스터의 에미터단 전압인 V2는 상기 IC 내부의 전압(Vb)에 의해 상기 V1에 비해 상대적으로 높은 전압값을 가질 수 있다.

상기 트랜지스터는 상기 V1에 의해 턴온되고, 에미터와 컬렉터가 쇼트되면서 Vr 핀이 접지와 연결된다.

상기 V2 전압은 상기 IC의 Vr 핀으로 입력된다. 상기 V2 전압은 1V 내지 2.4V의 전압값을 가질 수 있으므로 기존제어회로에 비해 IC의 Vr핀으로 입력되는 전압값이 감소한다.

이에 따라 상기 스위칭 소자를 효과적으로 제어할 수 있게 되고, 입력전압과 전류의 위상차가 감소하게 되어 역률이 개선될 수 있다.

이상에서 실시예들에 설명된 특징, 구조, 효과 등은 본 발명의 적어도 하나의 실시예에 포함되며, 반드시 하나의 실시예에만 한정되는 것은 아니다. 나아가, 각 실시예에서 예시된 특징, 구조, 효과 등은 실시예들이 속하는 분야의 통상의 지식을 가지는 자에 의해 다른 실시예들에 대해서도 조합 또는 변형되어 실시 가능하다. 따라서 이러한 조합과 변형에 관계된 내용들은 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims

교류전원으로부터 정류되는 전압을 분압하고 직렬 연결되는 제1 및 제2 분압저항;
상기 제2 분압저항의 일단과 베이스 단자가 연결되고 접지와 컬렉터 단자가 연결되는 트랜지스터;
상기 트랜지스터의 에미터 단자와 연결되는 IC(Integrated Circuit);
상기 에미터 단자와 컬렉터 단자 사이에 연결되는 제1 커패시터;
상기 제2 분압저항의 일단과 제1 전원 사이에 연결된 제3 저항; 및
상기 제1 분압저항과 접지 사이에 연결된 로드 저항;를 포함하고,
상기 IC는,
상기 에미터 단자와 제2 커패시터 사이에 연결된 제4 저항 및
상기 에미터 단자와 제2 전원 사이에 연결된 제5 저항을 포함하는 역률개선회로.
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제1 항에 있어서,
상기 역률개선회로는,
정류회로로부터 입력 신호를 인가받아 LED 구동부로 출력 신호를 공급하는 DC-DC컨버터 및 상기 DC-DC컨버터의 출력 신호를 인가 받는 피드백 신호 생성부 사이에 연결되는 역률개선회로.