KR101473242B1 - 역률 및 thd 개선회로 - Google Patents

Abstract

다이오드와 콘덴서, 인덕터로 구성된 회로를 추가하여 역률 및 전체 고조파 왜곡률을 개선하는 전원회로의 역률 및 THD 개선회로를 제공한다. 본 발명에 의하면, THD를 10~20%대로 대폭 낮출 수 있고, 역률을 0.91~0.98 수준으로 끌어올릴 수 있어 THD 및 역률을 큰 폭으로 개선할 수 있게 된다.

Description

역률 및 THD 개선회로{A circuit for improving power factor and THD}

본 발명은 조명기기 등에 사용할 수 있는 전원회로에 관한 것으로써, 보다 상세하게는 다이오드와 콘덴서, 인덕터로 구성된 회로를 추가하여 역률(PF, Power Factor) 및 전체 고조파 왜곡률(THD, Total Harmonic Distortion)을 개선하는 전원회로의 역률 및 THD 개선회로에 관한 것이다.

일반적인 교류전원의 파형은 사인파의 형상을 나타내는데, 전원회로와 같이 다이오드와 콘덴서를 연결하게 되면 사인파의 끝부분에만 전류가 흐르게 되어 전류파형이 사인파가 아닌 펄스파와 유사한 폭이 매우 좁은 사인파 형상을 띄게 된다. 전체 고조파 왜곡률(THD, Total Harmonic Distortion)은 원래의 사인파 입력전압에 비하여 전류파형이 사인파에서 얼마나 왜곡되었는지에 대한 정도를 나타내며, 이 값이 적을수록 고조파가 없는 원형 그대로의 사인파에 가깝게 된다고 할 수 있다.

도 1은 종래의 교류입력-직류출력 회로의 회로구성도이다. 도 1에서 도시된 바와 같이, 종래의 교류입력-직류출력 회로(10)는 교류입력전원(11)과 상기 교류입력전원과 연결되는 브릿지정류부(12), 그리고 상기 브릿지정류부(12)와 연결되는 평활콘덴서부(13) 및 실제 사용되는 장치가 연결되는 작동기기부(14)로 구성된다.

상기의 교류입력-직류출력 회로(10)의 구성요소에 대해 살펴보면, 상기 교류입력전원(11)은 상기 회로(10)에 교류전원을 입력하는 역할을 하며, 상기 브릿지정류부(12)는 일반적인 브릿지 정류회로(Bridge Rectifier) 방법을 사용하여 구성하며 다이오드 등을 사용하여 입력받은 교류입력을 직류 출력으로 변형시키는 역할을 한다.

또한 상기 평활콘덴서부(13)는 상기 회로(10)에서 브릿지정류부(12)를 통해 정류된 맥류를 직류로 변환시키는 역할을 하며, 하나 이상의 콘덴서(Condenser, 또는 캐패시터(Capacitor))를 이용한다.

그리고 작동기기부(14)는 실제로 상기 회로(10)를 통하여 사용되는 전자제품이 연결되어 작동하는데, 상기의 작동기기부(14)에 연결될 수 있는 전자제품의 예를 들면 LED조명 등의 조명기기들이 있으며, 다른 전자제품 역시 연결하여 사용할 수 있다.

상기와 같이 구성된 종래의 교류입력-직류출력 회로(10)의 교류입력전원(11)에 대한 전압과 전류파형이 제1그래프(P10)에 도시되어 있다. 제1그래프(P10)에서 도시된 바와 같이, 교류입력전원(11)에 대한 전압그래프(P10-V)은 사인파의 형상을 나타내는데, 상술한 바와 같이 전원회로에 다이오드 및 콘덴서 등의 전자부품이 연결되면서 사인파의 끝자락에만 전류가 흐르게 되어 교류입력전원(11)에 대한 전류그래프(P10-I)는 펄스파의 형태를 나타내게 된다.

상술한 바와 같이 THD는 원래의 사인파 입력전압에 비하여 전류파형이 사인파에서 얼마나 왜곡되었는지에 대한 정도를 나타내므로, 상기 제1그래프(P10)에 도시된 전압그래프(P10-V)에 비해 전류그래프(P10-I)가 크게 왜곡되어 THD가 매우 나쁘다는 것을 알 수 있다. 또한 상기와 같은 종래의 교류입력-직류출력 회로(10)는 평활콘덴서부(13)에 설치되는 콘덴서들로 인하여 전력의 역률(PF, Power Factor) 또한 악화된다.

상기와 같이 구성되는 종래의 교류입력-직류출력 회로(10)의 경우, THD는 80% 정도로써 THD의 표준 규격인 UL규격(Underwriters Laboratories Standard), CE마크(Confromity to European) 기준이 30% 이하인 점을 고려해 보았을 때 매우 좋지 않다는 것을 알 수 있으며, 역률 또한 상기 평활콘덴서(13)에 설치되는 콘덴서의 숫자에 따라 역률이 달라지지만, 상기의 회로(10)에서의 대략적인 역률은 약 0.2~0.3 정도로 역률 최대치인 1에 비해서는 그 효율이 상당히 좋지 못하다는 것을 알 수 있다.

본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하여, 최소한을 회로 구성만으로 THD 및 역률을 큰 폭으로 개선할 수 있는 역률 및 THD 개선회로를 제공하는 데 그 목적이 있다.

본 발명은 상기와 같은 본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 교류입력전원; 상기 교류입력전원의 일측과 연결되는 인덕터; 교류입력의 일측이 (+)일때 축전되는 제1콘덴서 및 제1다이오드; 그리고 교류입력의 타측이 (+)일때 축전되는 제2콘덴서 및 제2다이오드를 포함하고, 상기 교류입력전원 및 인덕터를 통하여 상기 교류입력전원이 인가하는 교류파형을 밀리게 하며 상기 제1콘덴서 및 제2콘덴서를 통하여 전압을 부스트시켜 상기 교류파형을 당기게 됨으로써 직류출력이 필요한 작동기기에 일정한 전력을 지속적으로 공급할 수 있도록 하는 역률 및 THD 개선회로를 제공한다.

상기의 전압의 부스트를 이용하여 직류출력이 필요한 작동기기에 일정한 전력을 지속적으로 공급할 수 있는 효과를 실현하기 위하여, 인덕터와 교류콘덴서를 직렬로 연결한 회로를 이용한 역률 및 THD 개선회로를 제공할 수도 있다.

상기에서 인덕터는 저주파용 코어를 사용함이 바람직하다.

상기의 코어는 니켈 코어 또는 G코어임을 사용함이 바람직하다.

상기에서, 인덕터는 100mH~2H의 값을 가지도록 함이 바람직하다.

본 발명과 같이 회로를 구성하게 되면, THD를 10~20%대로 대폭 낮출 수 있고, 역률을 0.91~0.98 수준으로 끌어올릴 수 있어 THD 및 역률을 큰 폭으로 개선할 수 있게 된다.

도 1은 종래의 교류입력-직류출력 회로의 회로구성도.
도 2는 본 발명의 역률 및 THD 개선회로의 회로구성도.
도 3은 본 발명의 역률 및 THD 개선회로 제1예시의 내부 전압파형을 도시한 그래프.
도 4는 본 발명의 역률 및 THD 개선회로 제2예시의 내부 전압파형을 도시한 그래프.

이하에서는 첨부되는 도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세히 설명한다. 하기의 설명은 본 발명의 이해와 실시를 돕기 위한 것이지 본 발명을 이에 한정하는 것은 아니다. 당업자들은 이하의 특허청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 내에서 다양한 변형 및 변경이 가능함을 이해할 것이다.

도 2는 본 발명의 역률 및 THD 개선회로(100)의 회로구성도이다. 본 발명의 개선회로(100)는 교류입력전원(101) 및 인덕터(102), 제1~3콘덴서(110, 111, 112) 및 제1~6다이오드(120, 121, 122, 123, 124, 125)로 구성되며 작동기기부(L)와 연결되어 상기 작동기기부(L)에 부하를 인가하게 된다.

여기서 상기 교류입력전원(101)의 주파수는 50Hz, 60Hz, 또는 400Hz 수준으로 매우 낮게 출력되므로, 상기 교류입력전원(101)과 연결되는 인덕터(102)의 코어는 일반적인 SMPS(Switching Mode Power Supply) 회로 등에 사용되는 페라이트(Ferrite) 재질의 코어가 아닌, 낮은 주파수응답 특성에 우수한 재질을 사용하여야 하며, 이러한 특성을 가진 니켈 재질의 코어 또는 G코어를 사용하는 것이 바람직하다.

상기와 같은 재질로 제작된 저주파용 인덕터(102)는 교류입력전원(101)의 출력을 AC220V 기준 시 100W~5W 정도라고 하였을 때 약 100mH~2H의 값을 가지게 된다. 이렇게 함으로써 상기의 교류입력전원(101)의 낮은 주파수를 저주파용 인덕터(102)를 통하여 상기 교류입력전원(101)이 인가하는 교류파형을 밀리게 하고 상기 제1콘덴서(110) 및 제2콘덴서(111)을 통하여 전압을 부스트시켜 상기 교류파형을 낮은 전압부분에서부터 높은 전압부분에서는 부스트된 전압을 낮추어 계속적으로 당기게 됨으로써 직류출력이 필요한 작동기기부(L)에 일정한 전력을 지속적으로 공급하게 함으로써 교류입력에 대한 역률과 THD를 개선하고, 또한 상기의 개선회로(100)는 기기의 갑작스런 ON/OFF 동작 시에 발생하는 러쉬 전류가 작아 위상제어기의 출력과의 결합 시에도 부드러운 디밍이 가능해지게 된다.

상기와 같은 효과를 낼 수 있는 본 발명의 역률 및 THD 개선회로의 회로 동작에 대해 설명하자면, 교류입력전원(101)의 상단이 '+' 전압으로 인가될 때에는 인덕터(102)와 제2다이오드(121)를 통하여 제2콘덴서(111)에 축전되며, 동시에 그 전 사이클에서 '-' 전압으로 인가되었을 때 제1다이오드(120)를 통하여 축전되었던 제1콘덴서(110)에 축전된 전압이 상기 교류입력전원(101)이 인가하는 '+' 전압과 합산되어 제3다이오드(122)를 통하여 제3콘덴서(112)에 인가되고, 이를 통하여 작동기기부(L)에 부하를 공급하게 되는데, 상기 제2콘덴서(111)에 축전된 전압은 약 1μF 정도로 매우 낮기 때문에 상기 작동기기부(L)에서 소비되는 부하와 상기 제2콘덴서(111)에 축전되는 전력량이 균형을 이루게 되어 축전된 전압이 낮아져 교류입력전압의 증가파형 형태가 직류적인 전압에 가까워져 공급되어 부드럽게 상기 제3콘덴서(112)에 인가될 수 있다.

그리고 교류입력전원(101)의 상단이 '-' 전압으로 인가될 때에는 상기와 같이 동일하게 동작하며, 보다 자세하게는 제1다이오드(120)를 통하여 제1콘덴서(110)에 축전되며, 동시에 그 전 사이클에서 '+' 전압으로 인가되었을 때 인덕터(102)와 제2다이오드(121)를 통하여 제2콘덴서(111)에 축전된 전압이 상기 교류입력전원(101)이 인가하는 '-' 전압과 합산되어 제4다이오드(123)를 통하여 제3콘덴서(112)에 인가되어 작동기기부(L)에 부하를 공급하게 된다. 또한 상술한 바와 마찬가지로 상기 제1콘덴서(110)에 축전된 전압은 약 1μF 정도로 매우 낮기 때문에 상기 작동기기부(L)에서 소비되는 부하와 상기 제1콘덴서(110)에 축전되는 전력량이 균형을 이루게 되어 축전된 전압이 낮아져 교류입력전압의 증가파형 형태가 직류적인 전압에 가까워져 공급되어 부드럽게 상기 제3콘덴서(112)에 인가될 수 있게 된다.

도 3은 본 발명의 또 다른 회로구성도로써, 상술한 바와 같이 전압을 부스트시켜 상기 교류파형을 낮은 전압부분에서부터 높은 전압부분에서는 부스트된 전압을 낮추어 계속적으로 당기게 됨으로써 직류출력이 필요한 작동기기부(L)에 일정한 전력을 지속적으로 공급하게 하는 효과를 실시하기 위하여, 콘덴서(202)와 교류입력전원(101), 인덕터(201)를 직렬로 연결한 것이다.

여기서 상기 인덕터(201) 또한 낮은 주파수응답 특성에 우수한 재질, 예를 들면 이러한 특성을 가진 니켈 재질의 코어 또는 G코어를 사용하게 되며, 콘덴서(202)는 교류 콘덴서를 사용하여야 상기의 효과를 만족할 수 있으므로, 상기 콘덴서(202)는 교류 콘덴서를 사용하게 된다.

도 4는 본 발명의 역률 및 THD 개선회로를 사용한 LED조명기기의 내부 전압파형을 도시한 그래프이다. 상기 도 2 및 도 3을 통하여 본 발명의 역률 및 THD 개선회로 내부의 전압 흐름에 관하여 설명하면, 우선 도 2에 도시된 역률 및 THD 개선회로(100)의 제1예시로써, 상기 교류입력전원(101)의 입력전압은 AC 120V rms이며 부하는 15W로 설정하고, 상기 작동기기부(L)는 LED조명기기를 설치하였으며 상기 LED조명기기의 구동전압은 130V 120mA에서 동작하게끔 설정되어 있다. 그리고 도 3은 상기 개선회로(100)의 LED조명기기를 사용한 제1예시에서 상기 개선회로(100) 내부의 전압파형을 도시한 그래프이다. 도 3의 그래프에서, 적색 파형은 상기 교류입력전원(101)의 입력전압파형이며, 녹색 파형은 LED조명기기 부하에 걸리는 직류전압파형, 황색 파형은 입력전력소비파형, 보라색 파형은 LED조명기기 부하에 걸리는 전력파형으로써 상기의 그래프를 확인하면 역률과 THD의 특성이 좋다는 것을 알 수 있다.

도 5는 본 발명의 역률 및 THD 개선회로를 사용한 LED조명기기의 제2예시로써, 입력전압을 AC120V rms, LED조명기기의 구동전압은 DC130V 18mA의 저출력일 경우의 AC입력 소비전력파형을 확대한 사진으로, 상기 AC입력 소비전력파형은 청색 파형이다. 상기 도 4의 그래프에서 확인할 수 있듯이, 펄스파 형태가 아닌 입력전압에 비례하는 사인파 형태로 출력됨으로써 역률 및 THD가 우수하다는 것을 알 수 있다.

100 : 역률 및 THD 개선회로. 101 : 교류입력전원. 102, 201 : 인덕터
110, 111, 112, 202 : 콘덴서. 120, 121, 122, 123, 124, 125: 다이오드.
L : 작동기기부.

Claims (5)

1. 전원회로에 있어서, 교류입력전원; 상기 교류입력전원의 일측과 연결되는 인덕터; 교류입력의 일측이 (+)일때 축전되는 제1콘덴서 및 제1다이오드; 그리고 교류입력의 타측이 (+)일때 축전되는 제2콘덴서 및 제2다이오드를 포함하고, 상기 교류입력전원 및 인덕터를 통하여 상기 교류입력전원이 인가하는 교류파형을 밀리게 하며 상기 제1콘덴서 및 제2콘덴서를 통하여 전압을 부스트시켜 상기 교류파형을 당기게 됨으로써 직류출력이 필요한 작동기기에 일정한 전력을 지속적으로 공급할 수 있는 것을 특징으로 하는 전원회로의 역률 및 THD 개선회로.
2. 제 1항에 있어서, 상기 전압의 부스트를 이용하여 직류출력이 필요한 작동기기에 일정한 전력을 지속적으로 공급할 수 있는 효과를 실현하기 위하여, 인덕터와 교류콘덴서를 직렬로 연결한 회로를 이용할 수도 있는 것을 특징으로 하는 전원회로의 역률 및 THD 개선회로.
3. 제 1항 또는 2항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 인덕터는 저주파용 코어를 사용함을 특징으로 하는 전원회로의 역률 및 THD 개선회로.
4. 제 3항에 있어서, 상기 코어는 니켈 코어 또는 G코어임을 특징으로 하는 전원회로의 역률 및 THD 개선회로.
5. 제 3항에 있어서, 상기 인덕터는 100mH~2H의 값을 가지는 것을 특징으로 하는 전원회로의 역률 및 THD 개선회로.

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