KR101406476B1 - 브릿지리스 pfc 부스트컨버터 - Google Patents

브릿지리스 pfc 부스트컨버터 Download PDF

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KR101406476B1 KR1020130075163A KR20130075163A KR101406476B1 KR 101406476 B1 KR101406476 B1 KR 101406476B1 KR 1020130075163 A KR1020130075163 A KR 1020130075163A KR 20130075163 A KR20130075163 A KR 20130075163A KR 101406476 B1 KR101406476 B1 KR 101406476B1
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Abstract

교류전원에 연결된 제1인덕터, 제1스위치, 제1인덕터스위치로 구성된 제1회로; 제1회로의 제1스위치에 제1다이오드를 통해 병렬연결된 출력단; 교류전원에 연결된 제2인덕터, 제2스위치, 제2인덕터스위치로 구성되며, 제2스위치는 제2다이오드를 통해 출력단에 병렬연결된 제2회로; 및 교류전원의 양의 상이 입력되는 경우 제1인턱터스위치를 온(ON)하고 제1스위치의 온/오프(ON/OFF)를 통해 출력단을 승압하며, 교류전원의 음의 상이 입력되는 경우 제2인덕터스위치를 온하고 제2스위치의 온오프를 통해 출력단을 승압하는 제어부;를 포함하는 브릿지리스 PFC 부스트컨버터가 소개된다.

Description

브릿지리스 PFC 부스트컨버터 {BRIDGELESS PFC BOOST CONVERTER}
본 발명은 AC전원을 입력으로 하는 AC-DC 컨버터의 AC 교류 정류단(전파정류단) 및 PFC 부스트컨버터에 관한 것이다.
Conventional Bridge diode + PFC(power factor correction: 역률 보정) Boost converter 구조의 경우, AC의 교류전원 입력에 대해 동일한 극성으로 변환(전파)을 위해 브리지다이오드가 사용되며, 브리지다이오드를 거쳐 역률 보상 및 승압을 위한 PFC 승압회로가 구성된다. 하지만 대전류의 경우 브리지다이오드의 순방향 전압강하로 인한 도통손실증가가 발생하고 이는 전체 효율에 상당히 저감시키며, 브리지다이오드로 인한 손실로 인해 브리지 다이오드의 방열 및 패키지 구성 등으로 컨버터의 사이즈가 증가하게 된다.
Bridgeless PFC Converter의 경우, PFC Boost단 GND Floating에 따른 EMI 및 PFC 전류 전압, 입력전압 센싱 문제가 발생하며, Turn OFF구간 스위치의 Body Diode를 통한 루프형성으로 PFC 스위치 소자 스트레스 증가 및 효율 감소로 대용량에 불리하다.
Phase shift semi Bridge less Converter의 경우, PFC Boost단의 On/Off구간 추가로 Diode Path공간이 발생하며, FET Gate 가 Floating되어 제어구성이 복잡하고, 효율감소 발생으로 기존 Conventional대비 효율 이득이 적은 단점이 있다.
본 발명은 AC전원을 입력으로 하는 AC-DC PFC 부스트컨버터 토폴로지로서, 브리지 다이오드의 전파정류부를 제거하고 양의 상에서 승압컨버터A가 음의 상에서 승압컨버터B를 동작시킴으로써 브리지 다이오드를 제거한다. Live와 Neutral간의 전류루프를 제한하기 위해 영전압 스위칭 동기 회로를 적용하는 것이다.
상기의 배경기술로서 설명된 사항들은 본 발명의 배경에 대한 이해 증진을 위한 것일 뿐, 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에게 이미 알려진 종래기술에 해당함을 인정하는 것으로 받아들여져서는 안 될 것이다.
KR 10-2009-0072560 A
본 발명은 AC전원을 입력으로 하는 AC-DC 컨버터의 AC 교류 정류단(전파정류단) 및 PFC 부스트컨버터를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 브릿지리스 PFC 부스트컨버터는, 교류전원에 연결된 제1인덕터, 제1스위치, 제1인덕터스위치로 구성된 제1회로; 제1회로의 제1스위치에 제1다이오드를 통해 병렬연결된 출력단; 교류전원에 연결된 제2인덕터, 제2스위치, 제2인덕터스위치로 구성되며, 제2스위치는 제2다이오드를 통해 출력단에 병렬연결된 제2회로; 및 교류전원의 양의 상이 입력되는 경우 제1인턱터스위치를 온(ON)하고 제1스위치의 온/오프(ON/OFF)를 통해 출력단을 승압하며, 교류전원의 음의 상이 입력되는 경우 제2인덕터스위치를 온하고 제2스위치의 온오프를 통해 출력단을 승압하는 제어부;를 포함한다.
제어부는 교류전원의 양의 상이 입력되는 경우 제2인덕터스위치는 오프될 수 있다.
제어부는 교류전원의 음의 상이 입력되는 경우 제1인덕터스위치는 오프될 수 있다.
제어부는 교류전원의 양의 상이 입력되는 경우 제1인턱터스위치를 온하고, 제1스위치를 온하여 제1인덕터에 에너지를 축적하거나 제1스위치를 오프하여 출력단에 축적된 제1인덕터의 에너지를 전달할 수 있다.
제어부는 교류전원의 음의 상이 입력되는 경우 제2인턱터스위치를 온하고, 제2스위치를 온하여 제2인덕터에 에너지를 축적하거나 제2스위치를 오프하여 출력단에 축적된 제2인덕터의 에너지를 전달할 수 있다.
본 발명의 또 다른 브릿지리스 PFC 부스트컨버터는, 교류전원에 연결된 제1인덕터, 제1스위치, 제1인덕터스위치로 구성된 제1회로; 제1회로의 제1스위치에 제1보조스위치를 통해 병렬연결된 출력단; 교류전원에 연결된 제2인덕터, 제2스위치, 제2인덕터스위치로 구성되며, 제2스위치는 제2보조스위치를 통해 출력단에 병렬연결된 제2회로; 및 교류전원의 양의 상이 입력되는 경우 제1인턱터스위치를 온(ON)하고 제1스위치 및 제1보조스위치의 온/오프(ON/OFF)를 통해 출력단을 승압하며, 교류전원의 음의 상이 입력되는 경우 제2인덕터스위치를 온하고 제2스위치 및 제2보조스위치의 온오프를 통해 출력단을 승압하는 제어부;를 포함한다.
상술한 바와 같은 구조로 이루어진 브릿지리스 PFC 부스트컨버터에 따르면, 브리지 다이오드 제거로 인한 다이오드 순방향 전압 강하분에 해당하는 손실 감소로 인한 효율 상승을 이룰 수 있다.
브리지 다이오드 제거 및 손실감소에 따른 방열공간 제거 및 컨버터 체적 축소가 가능하다.
AC 주파수에 따라 교번 스위칭함으로써 PFC 부스트 소자 스트레스 감소 및 방열 구성이 편리하다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 브릿지리스 PFC 부스트컨버터의 회로도.
도 2 내지 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 브릿지리스 PFC 부스트컨버터의 작동과정을 나타낸 도면.
도 6 내지 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 브릿지리스 PFC 부스트컨버터의 회로도.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 브릿지리스 PFC 부스트컨버터에 대하여 살펴본다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 브릿지리스 PFC 부스트컨버터의 회로도이고, 도 2 내지 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 브릿지리스 PFC 부스트컨버터의 작동과정을 나타낸 도면이며, 도 6 내지 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 브릿지리스 PFC 부스트컨버터의 회로도이다.
본 발명에 따른 브릿지리스 PFC 부스트컨버터는, 교류전원(10)에 연결된 제1인덕터(140), 제1스위치(160), 제1인덕터스위치(180)로 구성된 제1회로(100); 제1회로(100)의 제1스위치(160)에 제1다이오드(150)를 통해 병렬연결된 출력단(30); 교류전원(10)에 연결된 제2인덕터(240), 제2스위치(260), 제2인덕터스위치(280)로 구성되며, 제2스위치(260)는 제2다이오드(250)를 통해 출력단(30)에 병렬연결된 제2회로(200); 및 교류전원(10)의 양의 상이 입력되는 경우 제1인덕터스위치(180)를 온(ON)하고 제1스위치(160)의 온/오프(ON/OFF)를 통해 출력단(30)을 승압하며, 교류전원(10)의 음의 상이 입력되는 경우 제2인덕터스위치(280)를 온하고 제2스위치(260)의 온오프를 통해 출력단(30)을 승압하는 제어부;를 포함한다.
븍, 본 발명의 경우 브릿지를 삭제하면서 교류전원(10)에 제1회로(100)와 제2회로(200)를 구성하여 2중의 인덕터를 구비하며, 이를 교번으로 스위칭함으로써 부스팅할 수 있도록 한다.
이를 위해, 본 발명에 따른 브릿지리스 PFC 부스트컨버터는, 교류전원(10)에 연결된 제1인덕터(140), 제1스위치(160), 제1인덕터스위치(180)로 구성된 제1회로(100)가 마련된다.
그리고, 제1회로(100)의 제1스위치(160)에 제1다이오드(150)를 통해 출력단(30)이 병렬연결되도록 한다.
한편, 제2회로(200)는 교류전원(10)에 연결된 제2인덕터(240), 제2스위치(260), 제2인덕터스위치(280)로 구성되며, 제2스위치(260)는 제2다이오드(250)를 통해 출력단(30)에 병렬연결되도록 한다.
그리고, 제어부(제어부는 스위칭 소자를 제어하는 것으로서 도면에 특별히 도시하지는 않음)는 교류전원(10)의 양의 상이 입력되는 경우 제1인덕터스위치(180)를 온(ON)하고 제1스위치(160)의 온/오프(ON/OFF)를 통해 출력단(30)을 승압하며, 교류전원(10)의 음의 상이 입력되는 경우 제2인덕터스위치(280)를 온하고 제2스위치(260)의 온오프를 통해 출력단(30)을 승압하는 것이다.
이에 따라, 제어부는 교류전원(10)의 양의 상이 입력되는 경우 제2인덕터스위치(280)를 오프하는 것이고, 교류전원(10)의 음의 상이 입력되는 경우 제1인덕터스위치(180)는 오프하는 것이다.
구체적으로, 제어부는 도 2 내지 3과 같이, 교류전원(10)의 양의 상이 입력되는 경우 제1인덕터스위치(180)를 온하고, 제1스위치(160)를 온하여 제1인덕터(140)에 에너지를 축적하거나 제1스위치(160)를 오프하여 출력단(30)에 축적된 제1인덕터(140)의 에너지를 전달할 수 있다.
도 2를 살펴보면, 교류전원(10)의 접지기준 양(+)의 상이 입력되는 경우 제1인덕터스위치(180)는 항상 도통 된다. 양의 구간에서 부스트컨버터는 제1스위치(160) 온 시간 동안 제1인덕터(140)에 전류가 증가하며, 에너지가 축적된다. 온 동작은 제1인덕터(140), 제1인덕터스위치(180), 제1스위치(160)의 제1회로(100) 루프를 따라 동작한다.
도 3의 경우는, 교류전원(10)의 접지기준 양(+)의 상이 입력되는 경우, 제1인덕터스위치(180)는 항상 도통 된다. 양의 구간시 부스트컨버터는 제1스위치(160) 오프 시간 동안에 제1인덕터(140)에 축적된 에너지가 제1다이오드(150)를 통해서 전달된다. 오프 동작은 제1인덕터(140), 제1다이오드(150), 제1인덕터스위치(180)의 루프를 따라 동작한다.
한편, 제어부는 교류전원(10)의 음의 상이 입력되는 경우 제2인덕터스위치(280)를 온하고, 제2스위치(260)를 온하여 제2인덕터(240)에 에너지를 축적하거나 제2스위치(260)를 오프하여 출력단(30)에 축적된 제2인덕터(240)의 에너지를 전달할 수 있다.
즉, 도 4의 경우, 교류전원(10)의 접지기준 음(-)의 상이 입력되는 경우, 제2인덕터스위치(280)는 항상 도통된다. 음의 구간 부스트컨버터는 제2스위치(260) 온 시간 동안 제2인덕터(240)에 전류가 증가하며, 에너지가 축적된다. 온 동작은 제2인덕터(240), 제2인덕터스위치(280), 제2스위치(260)의 제2회로(200) 루프를 따라 동작한다.
도 5의 경우, 교류전원(10)의 접지기준 음(-)의 상이 입력되는 경우, 제2인덕터스위치(280)는 항상 도통된다. 음의 구간시 부스트컨버터는 오프 시간 동안에 제2인덕터(240)에 축적된 에너지가 제2다이오드(250)를 통해서 전달된다. 오프 동작은 제2인덕터(240), 제2다이오드(250), 제2스위치(260)의 루프를 따라 동작한다.
본 발명의 또 다른 브릿지리스 PFC 부스트컨버터는, 교류전원(10)에 연결된 제1인덕터(140), 제1스위치(160), 제1인덕터스위치(180)로 구성된 제1회로(100); 제1회로(100)의 제1스위치(160)에 제1보조스위치(152)를 통해 병렬연결된 출력단(30); 교류전원(10)에 연결된 제2인덕터(240), 제2스위치(260), 제2인덕터스위치(280)로 구성되며, 제2스위치(260)는 제2보조스위치(252)를 통해 출력단(30)에 병렬연결된 제2회로(200); 및 교류전원(10)의 양의 상이 입력되는 경우 제1인덕터스위치(180)를 온(ON)하고 제1스위치(160) 및 제1보조스위치(152)의 온/오프(ON/OFF)를 통해 출력단을 승압하며, 교류전원(10)의 음의 상이 입력되는 경우 제2인덕터스위치(280)를 온하고 제2스위치(260) 및 제2보조스위치(252)의 온오프를 통해 출력단을 승압하는 제어부;를 포함한다.
이 경우는 도 6과 같이 다이오드 대신 트랜지스터 스위치를 사용할 수 있음을 나타낸다. 이 경우에는 교류전원의 양의 상이 입력되는 경우 제1인턱터스위치를 온(ON)하고 제1스위치 및 제1보조스위치의 온/오프(ON/OFF)를 통해 출력단을 승압하며, 교류전원의 음의 상이 입력되는 경우 제2인덕터스위치를 온하고 제2스위치 및 제2보조스위치의 온오프를 통해 출력단을 승압하도록 한다.
한편, 3상 교류전원의 인가시에는 그 승압을 위해 도 7과 같이 구현할 수 있다. 이 경우는 3개의 상을 모두 고려해야 하는바, 인덕터, 인덕터스위치, 스위치, 다이오드 등으로 구성된 2개 회로 라인을 추가함으로써 3상의 제어가 가능해진다. 이 또한 다이오드 대신 보조스위치를 활용할 수 있다.
상술한 바와 같은 구조로 이루어진 브릿지리스 PFC 부스트컨버터에 따르면, 브리지 다이오드 제거로 인한 다이오드 순방향 전압 강하분에 해당하는 손실 감소로 인한 효율 상승을 이룰 수 있다.
브리지 다이오드 제거 및 손실감소에 따른 방열공간 제거 및 컨버터 체적 축소가 가능하다.
AC 주파수에 따라 교번 스위칭함으로써 PFC 부스트 소자 스트레스 감소 및 방열 구성이 편리하다.
본 발명은 특정한 실시예에 관련하여 도시하고 설명하였지만, 이하의 특허청구범위에 의해 제공되는 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 한도 내에서, 본 발명이 다양하게 개량 및 변화될 수 있다는 것은 당 업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.
10 : 교류전원 30 : 출력단
100 : 제1회로 200 : 제2회로

Claims (6)

  1. 교류전원에 연결된 제1인덕터, 제1스위치, 제1인덕터스위치로 구성된 제1회로;
    제1회로의 제1스위치에 제1다이오드를 통해 병렬연결된 출력단;
    교류전원에 연결된 제2인덕터, 제2스위치, 제2인덕터스위치로 구성되며, 제2스위치는 제2다이오드를 통해 출력단에 병렬연결된 제2회로; 및
    교류전원의 양의 상이 입력되는 경우 제1인턱터스위치를 온(ON)하고 제1스위치의 온/오프(ON/OFF)를 통해 출력단을 승압하며, 교류전원의 음의 상이 입력되는 경우 제2인덕터스위치를 온하고 제2스위치의 온오프를 통해 출력단을 승압하는 제어부;를 포함하는 브릿지리스 PFC 부스트컨버터.
  2. 청구항 1에 있어서,
    제어부는 교류전원의 양의 상이 입력되는 경우 제2인덕터스위치는 오프하는 것을 특징으로 하는 브릿지리스 PFC 부스트컨버터.
  3. 청구항 1에 있어서,
    제어부는 교류전원의 음의 상이 입력되는 경우 제1인덕터스위치는 오프하는 것을 특징으로 하는 브릿지리스 PFC 부스트컨버터.
  4. 청구항 1에 있어서,
    제어부는 교류전원의 양의 상이 입력되는 경우 제1인턱터스위치를 온하고, 제1스위치를 온하여 제1인덕터에 에너지를 축적하거나 제1스위치를 오프하여 출력단에 축적된 제1인덕터의 에너지를 전달하는 것을 특징으로 하는 브릿지리스 PFC 부스트컨버터.
  5. 청구항 1에 있어서,
    제어부는 교류전원의 음의 상이 입력되는 경우 제2인턱터스위치를 온하고, 제2스위치를 온하여 제2인덕터에 에너지를 축적하거나 제2스위치를 오프하여 출력단에 축적된 제2인덕터의 에너지를 전달하는 것을 특징으로 하는 브릿지리스 PFC 부스트컨버터.
  6. 교류전원에 연결된 제1인덕터, 제1스위치, 제1인덕터스위치로 구성된 제1회로;
    제1회로의 제1스위치에 제1보조스위치를 통해 병렬연결된 출력단;
    교류전원에 연결된 제2인덕터, 제2스위치, 제2인덕터스위치로 구성되며, 제2스위치는 제2보조스위치를 통해 출력단에 병렬연결된 제2회로; 및
    교류전원의 양의 상이 입력되는 경우 제1인턱터스위치를 온(ON)하고 제1스위치 및 제1보조스위치의 온/오프(ON/OFF)를 통해 출력단을 승압하며, 교류전원의 음의 상이 입력되는 경우 제2인덕터스위치를 온하고 제2스위치 및 제2보조스위치의 온오프를 통해 출력단을 승압하는 제어부;를 포함하는 브릿지리스 PFC 부스트컨버터.
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