KR101609726B1

KR101609726B1 - 고역률 스위칭 정류기의 제어회로

Info

Publication number: KR101609726B1
Application number: KR1020140078009A
Authority: KR
Inventors: 안태영
Original assignee: 청주대학교 산학협력단
Priority date: 2014-06-25
Filing date: 2014-06-25
Publication date: 2016-04-06
Also published as: KR20160000638A

Abstract

본 발명은 교류전압을 직류전압으로 변환시키는 고주파 스위칭 정류기에서 높은 역률과 일정한 출력전압을 유지 할 수 있도록 부스트형 정류회로를 사용하고, 그 부스트형 정류기를 제어하기 위해서 기준전압과 출력전압의 오차를 증폭하는 오차증폭기, 입력전압을 검출하는 입력전압 분배기, 두 개의 전압을 곱하는 곱셈기, 입력전압에 비례하는 삼각파 전압 발생기, 곱셈기 출력과 삼각파전압을 비교하는 비교기, 부스트 인덕터의 전압에서 영전압 검출기, 필터 및 펄스 렛치회로를 거쳐서 부스트 컨버터의 주스위치의 구동전압을 높은 스위칭 주파수로 조정하여 입력 역률과 전력변환 효율을 높이고 고신뢰성을 갖는 고역률 스위칭 정류기의 제어회로를 제공한다.

Description

고역률 스위칭 정류기의 제어회로{CONTROL CIRCUIT OF SWITCHING RECTIFIER WITH HIGH POWER FACTOR}

본 발명은 고역률 스위칭 전원장치의 제어회로에 관련한 것으로, 특히 교류를 직류전압으로 변환시켜주는 부스트형 스위칭 정류기의 제어회로에서 필수적으로 사용하였던 전류검출 회로를 사용하지 않고 정류기를 제어 할 수 있는 정류기 제어 회로를 구성하여 스위칭 정류기 전원장치의 소형화와 고효율 설계를 용이하게 수행할 수 있도록 하는 고역률 스위칭 정류기의 제어회로에 관한 것이다.

일반적으로 스위칭 전원장치는 안정된 출력전압을 목적으로 하는 전력변환 장치이다. 특히, 교류를 입력으로 하는 경우 교류전압을 직류전압으로 변환시키는 정류회로가 필수적으로 이용되는데 이 때 주로 사용되는 회로방식이 부스트 컨버터이다.

부스트 컨버터는 입력전압보다 높은 전압으로 변환하는 경우 사용되는 회로방식이지만 입력단에 인덕터가 있어서 입력전류가 연속적으로 흐름에 따라 입력단 필터의 부담이 작고 간단한 전류 필터구성이 가능하다는 장점이 있다.

부스트 컨버터를 기본으로 하는 스위칭 정류기는 기본적으로 교류전압을 직류전압으로 변환시키는 기능 외에도 입력전류의 파형을 입력전압 파형과 같아지도록 제어하여 입력 역률을 높이고 고조파를 저감시키는 부가적인 기능을 수행하게 된다. 또한, 고주파 스위칭 동작 때문에 주요 소자의 사이즈를 줄일 수 있고, 내부 손실이 저감됨에 따라 전력변환 효율을 높일 수 있는 정류방식으로 널리 알려져 있다.

부스트 컨버터를 사용하는 역률개선회로 또는 스위칭 정류기는 제어방식에 따라 크게 전류연속모드와 전류경계모드로 나눌 수 있는데, 먼저 전류연속모드 방식은 인덕터 전류가 항상 연속으로 흐르기 때문에 비교적 출력용량이 큰 정류기 회로에 사용된다.

한편, 전류경계모드는 인덕터의 전류가 영전류 경계면에서 제어되는 방식으로 일반적으로 작은 용량의 스위칭 정류기에 적합한 회로방식으로 알려져 있다. 또한, 전류경계모드 제어방식은 제어방식이 간단하고 높은 역률개선 효과와 효율특성이 좋기 때문에 산업계에서 널리 사용되고 있으며 최근 여러 반도체 제조사로부터 복수개의 제어용 반도체들이 상용화 되어 있다. 예를 들어, 페어차일드사의 FAN7930, 텍사스인스트루먼트사의 UCC38050, 온세미컨덕터사의 NCP1607 등이 있다.

이러한 전류경계모드 제어방식은 일반적으로 부스트 컨버터의 주스위치의 하단 또는 인덕터 전류방향과 같은 방향에 전류검출용 저항을 사용하여 회로의 전류를 측정하고 측정된 전류를 제어회로에 적용하여 스위칭 주파수와 시비율을 제어하여 전압을 정류해주는 기능과 역률개선 효과를 얻게 된다.

그러나 이러한 전류검출용 저항은 비교적 많은 전류가 지나가는 회로에 위치하기 때문에 전력손실이 발생하고 컨버터의 효율을 낮추게 되며, 전류파형의 고주파 노이즈로 인한 제어회로의 오동작과 인쇄회로기판의 패턴 최적 설계에 방해가 되어 실제 회로 설계에 걸림돌이 되고 있다.

도 1은 종래기술에 따른 역률개선회로에 사용된 부스트 컨버터와 전류검출용 저항을 사용한 스위칭 정류기 제어회로를 나타낸 개념도이고, 도 2는 종래기술에 따른 역률개선회로에 사용된 부스트 컨버터와 전류검출용 저항을 사용한 스위칭 정류기의 제어용 반도체를 적용한 회로도를 나타낸 것이다.

도 1 및 도 2를 참조하면, 종래기술에 따른 역률개선회로에서는 입력의 브릿지 다이오드와 부스트 컨버터를 결합하고, 부스트 컨버터의 주스위치(MOSFET)를 제어하기 위해서 스위치와 직렬로 저항(Rshunt)을 삽입하여 전류를 검출하고, 입력전압(Vin)을 직렬저항(Rac1, Rac2)로 전압분배하여 입력전압을 검출하여, 인덕터 전류(i_L(t))가 적정한 기준값에 이르렀을 때 주스위치가 턴오프 되도록 제어회로를 구성하며, 부스트 인덕터에 권선을 추가하여 인덕터 전류가 0을 지날 때 주스위치가 턴온 되도록 영전류 검출기(Zero Current)를 추가하여 제어회로를 완성하게 된다.

그 결과, 인덕터 전류(i_L(t))는 항상 0에서 턴온 되어 직선으로 증가하다가 최대값에서 턴오프 되고 이후 다시 0이 될 때까지 직선으로 감소한다. 인덕터 전류(i_L(t))가 삼각형 형태가 되고 삼각형 전류의 평균값은 인덕터 전류(i_L(t))의 피크값에 비례하게 되어 결국 입력전류(i_S(t))는 정현파 형태로 변환되고, 입력전류 역률이 높아지면서 고조파전류가 저감되어 당초 제어회로의 목적을 달성하게 된다.

도 1 및 도 2에서 살펴본 바와 같이, 부스트형 정류기를 제어하기 위해서 인덕터 또는 스위치의 전류를 검출해야 하기 때문에 전류검출용 저항을 회로에 사용하고, 이 저항에 전류가 흐르면서 전력손실이 발생하는 문제가 있다.

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따라서 상술한 문제를 해결하기 위한 본 발명의 목적은 부스트 컨버터를 기본회로로 사용하여 교류전압을 직류전압으로 변환시키는 고주파 스위칭 정류기에서, 높은 역률과 일정한 출력전압을 유지할 수 있도록 부스트형 정류회로를 사용하고, 그 부스트형 정류기를 전류경계모드에서 제어하는 제어회로를 제공함으로써, 부스트 컨버터의 주스위치의 구동전압을 높은 스위칭 주파수로 조정하여 입력 역률과 전력변환 효율을 높이고 고신뢰성의 스위칭 정류기를 제공할 수 있는 제어회로를 제공하는데 있다.

또한, 본 발명의 다른 목적은 전류를 검출하는 전류 검출용 저항을 제어회로에서 제거하여 저항으로 인한 전력손실을 원천적으로 차단하고, 이에 따라 전력변환 손실을 줄이고 전력변환 효율을 높일 수 있는 고역률 스위칭 정류기의 제어회로를 제공하는데 있다.

또한, 본 발명의 또 다른 목적은 에 따른 고역률 스위칭 정류기 회로의 전류를 측정하거나 검출하지 않고도 입력 전류를 입력전압 파형과 같은 형태로 유지하도록 제어함으로써 입력 역률을 높여 무효전력을 저감시키고, 고조파 성분을 현저히 감소시켜 고조파 규제를 극복 할 수 있으며, 간단한 회로방식으로 제품의 가격을 낮출 수 있는 고역률 스위칭 정류기의 제어회로를 제공하는데 있다.

상기와 같은 목적들을 달성하기 위한 본 발명에 따른 고역률 스위칭 정류기 의 제어회로는, 기준전압과 출력전압의 오차를 증폭하는 오차증폭기, 입력전압을 검출하는 입력전압 분배기, 두 개의 전압을 곱하는 곱셈기, 입력전압에 비례하는 삼각파 전압 발생기, 곱셈기 출력과 삼각파전압을 비교하는 비교기, 부스트 인덕터의 전압에서 영전압 검출기, 필터 및 펄스 래치 회로를 거쳐서 부스트 컨버터의 주스위치를 높은 스위칭 주파수로 제어하는데 특징이 있다.

또한, 본 발명에 따른 고역률 스위칭 정류기의 제어회로는, 전류를 검출하는 전류 검출용 저항을 제어회로에 이용하지 않기 때문에 저항으로 인한 전력손실이 원천적으로 없으며 따라서 전력변환 손실을 줄이고 전력변환 효율을 높일 수 있다는 특징이 있다.

또한, 본 발명에 따른 고역률 스위칭 정류기 의 제어회로는, 회로의 전류를 측정하거나 검출하지 않고도 입력 전류를 입력전압 파형과 같은 형태로 유지하도록 제어하기 때문에 입력 역률을 높일 수 있어서 무효전력이 저감되고 따라서 전력을 효율적으로 사용하기 때문에 효율적인 전력 수급에 기여하게 될 뿐만 아니라, 입력 전류가 정현파의 전압 파형과 같아지기 때문에 고조파 성분이 획기적으로 줄어서 정류기 또는 전원장치의 제품으로서 IEC 61000-3-2와 같은 고조파 규제를 간단하게 극복 할 수 있고, 또한 회로방식이 간단하여 제품의 가격을 낮출 수 있다는 특징이 있다.

또한, 상기와 같은 목적들을 달성하기 위한 본 발명에 따른 고역률 스위칭 정류기 의 제어회로는, 교류입력전압이 입력되는 전파정류단자와 직렬연결된 한 개의 부스트 컨버터; 상기 전파정류단자와 직렬연결되어 입력전압을 분배하는 입력전압분배기; 상기 부스트 컨버터의 출력전압을 분배하는 출력전압분배기; 상기 출력전압분배기의 전압과 직류전압으로 구성된 기준전압을 입력받아 출력전압에 반비례하는 오차전압을 발생하는 오차증폭기; 상기 분배된 입력전압과 상기 오차전압을 입력으로 두 전압을 곱셈 연산하는 곱셈기; 상기 전파정류단자와 직렬로 연결된 삼각파발생기; 상기 삼각파발생기의 출력전압과 상기 곱셈기의 출력을 비교하는 비교기; 상기 부스트 컨버터의 인덕터로부터 영전압을 검출하는 영전압검출기; 상기 영전압검출기의 출력을 입력받아 필터링하는 필터; 및 상기 필터의 영전압신호를 S단자의 입력으로 하고, 상기 비교기의 출력전압을 R단자의 입력으로 하는 래치회로;를 포함하며, 상기 래치회로의 주출력은 상기 부스트 컨버터의 주스위치의 제어신호로 연결되고, 보조출력은 상기 삼각파발생기의 발진용 스위치의 제어신호로 연결되도록 구성된 것을 특징으로 한다.

이때, 본 발명에 따른 고역률 스위칭 정류기 의 제어회로는, 상기 오차증폭기의 입력과 출력단자 사이에 저항과 커패시터로 구성된 주파수보상 회로;를 더 포함하는 것이 바람직하다.

또한, 본 발명에 따른 고역률 스위칭 정류기 의 제어회로의 상기 오차증폭기는, 상기 출력전압분배기의 전압이 마이너스 입력단에 연결되고, 직류전압으로 구성된 기준전압이 플러스 입력단자에 연결되는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 따른 고역률 스위칭 정류기 의 제어회로의 상기 삼각파발생기는, 상기 전파정류단자와 직렬로 연결된 시정수용 소자와 발진용 스위치로 구성된 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 따른 고역률 스위칭 정류기 의 제어회로의 상기 비교기는, 상기 삼각파발생기의 출력전압을 플러스 입력으로 하고, 상기 곱셈기의 출력을 마이너스 입력으로 하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 따른 고역률 스위칭 정류기 의 제어회로의 상기 영전압검출기는, 상기 부스트 컨버터의 인덕터의 권선에 보조권선을 추가하고 커패시터와 저항으로 구성된 미분회로인 것을 특징으로 한다.

또한, 상기와 같은 목적들을 달성하기 위한 본 발명에 따른 고역률 스위칭 정류기 의 제어회로는, 교류입력전압이 입력되는 전파정류단자와 직렬로 연결되고 서로 병렬로 연결된 제1 및 제2부스트 컨버터; 영전압검출기, 필터, 래치, 삼각파발생기, 비교기로 구성된 제1구동회로모듈; 영전압검출기, 필터, 래치, 삼각파발생기, 비교기로 구성된 제2구동회로모듈; 상기 제1구동회로모듈과 제2구동회로모듈의 래치 보조출력 두 개를 입력으로 하고 두 개의 삼각파발생기 발진스위치 제어신호를 출력으로 하는 위상지연회로; 상기 전파정류단자와 직렬연결되어 입력전압을 분배하는 입력전압분배기; 상기 제1 및 제2부스트 컨버터의 출력전압을 분배하는 출력전압분배기; 상기 출력전압분배기의 전압과 직류전압으로 구성된 기준전압을 입력받아 출력전압에 반비례하는 오차전압을 발생하는 오차증폭기; 및 상기 분배된 입력전압과 상기 오차전압을 입력으로 두 전압을 곱셈 연산하는 곱셈기;를 포함하며, 상기 제1구동회로모듈의 래치회로의 주출력이 상기 제1부스트 컨버터의 주스위치에 연결되고, 상기 제2구동회로모듈의 래치회로의 주출력이 상기 제2부스트 컨버터의 주스위치에 연결되도록 구성된 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 따른 고역률 스위칭 정류기의 제어회로의 상기 제1 및 제2구동회로모듈은, 상기 입력전압을 입력받는 삼각파발생기; 상기 삼각파발생기의 출력전압과 상기 곱셈기의 출력을 비교하는 비교기; 상기 제1 및 제2부스트 컨버터의 인덕터로부터 각각 영전압을 검출하는 영전압검출기; 상기 영전압검출기의 출력을 입력받아 필터링하는 필터; 및 상기 필터의 영전압신호를 S단자의 입력으로 하고, 상기 비교기의 출력전압을 R단자의 입력으로 하며, 상기 위상지연회로에 보조출력이 연결된 래치;를 포함하여 각각 구성되는 것을 특징으로 한다.

상술한 바와 같이, 본 발명은 고역률 스위칭 정류기에서 부스트 컨버터 내부에전류 검출용 저항을 사용하지 않고 입력전류의 역률을 높은 값으로 유지할 수 있는 효과가 있다.

이에 따라, 본 발명은 내부 전류검출용 저항을 사용하지 않고도 입력 전류의 고조파를 저감 시킬 수 있으며, 인덕터 전류가 전류경계 모드에서 동작하기 때문에 높은 고주파 스위칭 동작에서도 스위치의 전류가 항상 영전류 스위칭 동작이 가능함에 따라서 스위칭 손실이 원리적으로 없기 때문에 스위칭 정류기의 전력변환 효율을 높이는 효과가 있다.

또한, 본 발명은 전류검출용 저항이 생략되었기 때문에 저항으로 인한 전력손실이 원천적으로 없으므로 내부전력손실을 최소화할 수 있고, 결과적으로는 전력변환 효율을 개선시킬 수 있으며, 스위칭 전원장치의 내부 발열을 낮춤으로써 수명이 늘어나 높은 신뢰성을 갖는 고효율 전원장치를 제공할 수 있는 장점이 있다.

뿐만 아니라, 본 발명은 정류기 회로의 전류를 측정하거나 검출하지 않고도 입력 전류를 입력전압 파형과 같은 형태로 유지하도록 제어하기 때문에 입력 역률을 높일 수 있어서 무효전력이 저감되고, 이에 따라 전력을 효율적으로 사용하기 때문에 효율적인 전력 수급에 기여하는 효과가 있다.

또한, 본 발명은 입력 전류가 정현파의 전압 파형과 같아지기 때문에 고조파 성분을 획기적으로 감소시킴으로써 정류기 또는 전원장치의 제품으로서 IEC 61000-3-2와 같은 고조파 규제를 극복할 수 있고, 또한 회로방식이 간단하여 제품의 가격을 낮출 수 있는 이점이 있다.

도 1은 종래기술에 따른 역률개선회로에 사용된 부스트 컨버터와 전류검출용 저항을 사용한 스위칭 정류기 제어회로를 나타낸 개념도,
도 2는 종래기술에 따른 역률개선회로에 사용된 부스트 컨버터와 전류검출용 저항을 사용한 스위칭 정류기의 제어용 반도체 회로도,
도 3은 전류경계모드에서 동작하는 고역률 개선회로용 부스트 컨버터에 본 발명에 따른 제어회로를 적용한 회로도,
도 4는 도 3의 고역률 스위칭 정류기 제어회로를 구현한 회로도의 일 실시 예를 보인 도면,
도 5는 도 4의 고역률 스위칭 정류기의 제어회로를 도 3의 부스트 컨버터에 적용한 회로도,
도 6은 도 5의 고역률 스위칭 정류기 제어회로의 각 부분의 파형도,
도 7은 본 발명에 따른 고역률 스위칭 정류기 제어회로가 적용된 부스트 컨버터의 각 부분의 파형도,
도 8은 본 발명에 따른 고역률 스위칭 정류기 제어회로가 적용된 부스트 컨버터의 입력전류 및 전압과 제어회로의 스위칭 구동전압 파형도,
도 9는 본 발명에 따른 고역률 스위칭 정류기 제어회로가 적용된 입력전압과 입력전류 및 브릿지 다이오드 전파정류전압 파형도,
도 10은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 고역률 스위칭 정류기를 구현하기 위해 두 개의 부스트 컨버터를 병렬로 구동시키기 위한 제어회로의 개념도,
도 11은 도 10의 두 개의 부스트 컨버터를 병렬로 구동시키기 위한 제어회로도,
도 12는 도 11의 두 개의 부스트 컨버터를 병렬로 구동시켰을 때 부스트 컨버터 주요 부분의 파형도.

이하 본 발명의 바람직한 실시 예들의 상세한 설명이 첨부된 도면들을 참조하여 설명될 것이다. 도면들 중 동일한 구성들은 가능한 한 어느 곳에서든지 동일한 부호들을 나타내고 있음을 유의하여야 한다. 하기 설명에서 구체적인 특정 사항들이 나타나고 있는데, 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해 제공된 것일뿐, 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 그리고 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 본 명세서의 전반에 걸쳐 사용되는 용어들은 본 발명 실시예에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서, 사용자 또는 운용자의 의도, 관례 등에 따라 충분히 변형될 수 있는 사항이므로 이 용어들의 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 한다.

이하, 도 3 및 도 4를 참조하여 본 발명에 따른 고역률 스위칭 전원장치의 제어회로의 구성 및 동작에 대하여 상세히 설명한다. 도 3은 전류경계모드에서 동작하는 고역률 개선회로용 부스트 컨버터에 본 발명에 따른 고역률 스위칭 정류기 제어회로를 적용한 회로도이며, 도 4는 도 3의 고역률 스위칭 정류기 제어회로를 구현한 회로도의 일 실시 예를 보인 도면이다.

도 3 및 도 4를 참조하면, 정현파 교류전압을 입력으로 하고, 브릿지 다이오드를 거쳐서 부스트 컨버터를 직렬로 연결하면, 교류전압을 직류전압으로 변환시켜주는 스위칭 정류기가 구성되며, 부스트 컨버터의 주스위치(MOS1)의 온-오프를 제어하는 제어회로를 하기와 같이 구성한다. 이때, 상기 브릿지 다이오드는 TR, FET, IGBT 등 전파정류단자를 구성할 수 있는 다양한 소자로 구현될 수 있다.

교류입력전압(VIN)에서 브릿지 다이오드(D2, D3, D4, D5)를 지난 전파정류된 입력전압(V14)은 직렬로 연결된 저항(R15, R16)으로 구성된 입력전압분배기(102)를 통해 전압이 분배되고 입력전압에 비례하는 입력분배전압(V4)을 얻게 된다.

또한, 정류기 출력전압(V15)을 직렬 연결된 저항(R12, R13)으로 분배하는 출력전압분배기(100)를 통해 출력전압과 비례하는 출력분배전압(V1)을 만들어서 연산증폭기(OP_AMP1)로 구성된 오차증폭기(101)의 마이너스 입력단에 인가하고, 일정한 직류전압(VREF)으로 구성된 기준전압(V2)를 준비하여 오차증폭기(101)의 플러스 입력단자에 인가하여 출력전압에 반비례하는 오차전압(V3)을 발생시킨다.

이때, 주파수 응답을 개선하기 위한 주파수보상 소자(R17, R14, C12, C13)를 적용하며, 입력분배전압(V4)와 오차전압(V3)의 전압을 입력으로 곱셈 연산하는 곱셈연산기(103)를 거치면 입력전압과 출력전압에 비례하는 전류기준전압(V6)을 얻게 된다.

한편, 입력전압(V14)으로 바이어스 되는 삼각파발생기(106)는 시정수용 소자(R10, C7)에 의해 발진용 스위치(MOS2)가 턴오프 될 때 삼각파전압(V5)의 피크값은 입력전압(V14)에 비례하게 되며, 이 삼각파전압(V5)을 플러스 입력으로 하고, 전류기준전압(V6)을 마이너스 압력으로 하는 연산증폭기(COMP1)로 구성된 비교기(104)는 삼각파전압(V5)이 전류기준전압(V6)보다 클 때 주스위치(MOS1)의 턴오프 신호를 발생해주기 위한 턴오프전압(V7)을 SR래치(SRFF2)로 구성된 래치(105)의 R단자에 입력하게 된다.

또한, 부스트용 인덕터(T1)의 보조권선(N2)에 걸리는 인덕터 전압(V13)을 영전압검출기(108)를 통해 영전압(V8)을 발생시켜 필터(107)에 인가하고, 인버터로직(NOT2, NOT3)으로 구성된 필터(107)에 의해 영전압(V8)신호는 주스위치(MOS1)의 턴온신호전압(V10)을 SR래치(SRFF2)로 구성된 래치(105)의 S단자에 입력된다.

래치(105)의 보조출력은 삼각파발생기 스위치(MOS2)의 제어전압(V12)으로 전달되어 적정한 삼각파 발생신호를 보조하고, 래치(105)의 주출력은 두 개의 입력전압(V7, V10)의 신호에 의해 주스위치(MOS1)의 제어신호인 구동전압(V11)을 발생하여, 부스트 컨버터를 높은 스위칭 주파수로 스위칭 하면서 입력전류를 정현파로 만들고 출력전압을 안정화 시키는 정류기 제어회로를 완성한다.

도 5는 도 4의 고역률 스위칭 정류기의 제어회로를 도 3의 부스트 컨버터에 적용한 회로도이며, 도 6은 도 5의 고역률 스위칭 정류기 제어회로의 각 부분의 파형도이다.

이하, 도 5 및 도 6을 참조하여 본 발명에 따른 고역률 스위칭 전원장치의 제어회로의 구성 및 동작에 대하여 상세히 설명한다.

먼저, 도 3을 참조하여 도 5를 설명하면, 교류입력전압(VIN)에서 브릿지 다이오드(D2, D3, D4, D5)를 지난 전파정류된 입력전압(V14)은 직렬로 연결된 저항(R15, R16)으로 구성된 입력전압분배기(102)를 통해 전압이 분배되고 입력전압에 비례하는 입력분배전압(V4)을 얻게 된다.

이때, 주파수 응답을 개선하기 위한 주파수보상 소자(R17, R14, C12, C13)를 적용하며, 입력분배전압(V4)와 오차전압(V3)의 전압을 입력으로 곱셈 연산하는 곱셈연산기(103)를 거치면 도 6의 직류전압으로 나타낸 입력전압과 출력전압에 비례하는 전류기준전압(V6)을 얻게 된다.

한편, 입력전압(V14)으로 바이어스 되는 삼각파발생기(106)는 시정수용 소자(R10, C7)에 의해 발진용 스위치(MOS2)가 턴오프 될 때, 도 6의 파형(V5)에 나타낸 바와 같이 삼각파전압(V5)의 피크값은 입력전압(V14)에 비례하게 되며, 이 삼각파전압(V5)을 플러스 입력으로 하고, 전류기준전압(V6)을 마이너스 압력으로 하는 연산증폭기(COMP1)로 구성된 비교기(104)는 삼각파전압(V5)이 전류기준전압(V6)보다 클 때 주스위치(MOS1)의 턴오프 신호를 도 6의 펄스전압(V7)으로 발생해주기 위한 턴오프전압(V7)을 SR래치(SRFF2)로 구성된 래치(105)의 R단자에 입력하게 된다.

또한, 부스트용 인덕터(T3)에 걸린 전압(VLP)을 검출하기 위해 주권선(N1)에 결합된 보조권선(N2)에서 도 6과 같이 펄스 형태의 인덕터 전압(V13)을 검출하여 미분회로 소자(C11, R11)로 구성된 영전압검출기(108)를 통해 미분파형(V8)과 같은 영전압(V8)을 발생한다. 영전압검출기(108)를 통해 발생된 영전압(V8)신호는 두 개의 인버터 로직(NOT2, NOT3)으로 구성된 필터(107)에 의해 도 6과 같이 주스위치(MOS1)의 턴온신호전압(V10)을 SR래치(SRFF2)로 구성된 래치(105)의 S단자에 입력하게 된다.

래치(105)의 보조출력은 삼각파발생기 스위치(MOS2)의 제어전압(V12)로 인가되어 적정한 삼각파 발생신호를 보조하고, 래치(105)의 주출력은 두 개의 입력전압(V7, V10)의 신호에 의해 주스위치(MOS1)의 제어신호인 구동전압(V11)을 발생하여 부스트 컨버터를 높은 스위칭 주파수로 스위칭 하면서 입력전류를 정현파로 만들고 출력전압을 안정화 시키는 정류기 제어회로를 완성한다.

도 7은 본 발명에 따른 고역률 스위칭 정류기 제어회로가 적용된 부스트 컨버터의 각 부분의 파형도로서, 도 5 및 도 6에서 설명한 부스트 컨버터의 주스위치 제어동작이 정상적으로 이뤄지면, 주스위치(MOS1)의 제어신호(V11)는 도 7에서와 같이 턴온과 턴오프 신호(t_ON, t_OFF)를 인가하게 된다. 만약, 제어신호(V11)가 턴온 신호(t_ON)를 인가하면 스위치의 드레인과 소스 간 전압(VMOS)은 0이되고, 부스트 인덕터에 걸리는 전압(VLP)은 브릿지 다이오드 전파정류전압(V14)과 같게 되므로, 인덕터 전류(IL)는 스위치 전류(ISW)와 같이 0에서 직선으로 증가한다. 만약, 제어신호(V11)가 턴오프 신호(t_OFF)를 인가하면 스위치의 드레인과 소스 간 전압(VMOS)은 전압이 부스트 컨버터의 출력전압(VO)이 되고, 부스트 인덕터에 걸리는 전압(VLP)은 출력전압(V15)에서 입력전압(V14)를 뺀 마이너스 전압이 걸리므로, 인덕터 전류(IL)는 다이오드(D1)의 전류(ID)와 같이 최대값에서 직선으로 감소하고 0에 이르게 되면 제어신호가 다시 턴온 신호를 만들어 앞서의 상태를 반복하게 된다.

도 8은 본 발명에 따른 고역률 스위칭 정류기 제어회로가 적용된 부스트 컨버터의 입력전류 및 전압과 제어회로의 스위칭 구동전압 파형도이며, 도 9는 입력전압과 입력전류 및 브릿지 다이오드 전파정류전압 파형도이다.

이하, 도 8 및 도 9를 참조하여 본 발명에 따른 고역률 스위칭 정류기 제어회로가 적용된 부스트 컨버터의 입력전류 및 전압과 제어회로의 스위칭 구동전압 파형도에 대하여 상세히 설명한다.

본 발명에 따른 고역률 스위칭 정류기의 제어회로를 부스트 컨버터에 적용하게 되면, 도 8에 도시된 바와 같이 오차증폭기(101)의 오차전압(V3)이 발생되고, 입력전압분배기(102)로부터 입력전압에 비례하는 입력분배전압(V4)이 발생된다.

이 두 전압(V3, V4)이 곱셈기(103)를 거치게 되면 전류기준전압(V6)이 되며, 입력전압에 피크값이 비례하는 삼각파전압(V5)과 전류기준전압(V6)이 비교기(104)에서 비교되어 턴오프전압(V7)이 발생하며, 래치회로(105)를 거치면서 주스위치(MOS1)의 제어신호(V11)가 완성된다.

이 제어신호(V11)는 입력전압에 반비례하는 턴온 시간을 갖도록 제어되므로, 입력전압에 비례하는 전류피크값은 도 9의 입력전류(IIN)와 같이 정현파가 되며, 입력전압(VIN)과 같은 위상에서 같은 형태의 파형이 완성됨으로써, 입력전류의 역률이 개선되고, 전류 고조파가 저감되어 스위칭 정류기가 얻고자 하는 기본적인 목적을 달성하게 된다.

도 10은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 고역률 스위칭 정류기를 구현하기 위해 두 개의 부스트 컨버터를 병렬로 구동시키기 위한 제어회로의 개념도이고, 도 11은 도 10의 부스트 컨버터를 병렬로 구동시키기 위한 제어회로도이며, 도 12는 도 11의 두 개의 부스트 컨버터를 병렬로 구동시켰을 때 부스트 컨버터 주요 부분의 파형도이다.

이하, 도 10 및 도 12를 참조하여 본 발명의 다른 실시 예에 따른 고역률 스위칭 정류기를 구현하기 위해 두 개의 부스트 컨버터를 병렬로 구동시키기 위한 제어회로의 구성 및 동작에 대하여 상세히 설명한다. 하기에서 설명하는 다수개의 부스트 컨버터를 병렬로 구동시키기 위한 제어회로는 500W급 이상의 고용량 전력변환장치에서 안정된 출력전압이 요구되는 경우에 더욱 유용하며, 설명의 편의를 위하여 두 개의 부스트 컨버터에 적용된 실시 예를 들어 설명하였을 뿐 부스트 컨버터의 개수에 한정되지 않는다.

먼저, 도 10을 참조하면, 본 발명에 따른 고역률 스위칭 정류기를 구현하기 위해 두 개의 부스트 컨버터를 병렬로 구동시키기 위한 제어회로는 도 3에서 설명된 제어회로의 기능에서 영전압검출기(108)과 삼각파발생기(106), 비교기(104), 필터(107), 래치(105)를 제1구동회로 모듈로 구성하고, 영전압검출기(208)과 삼각파발생기(206), 비교기(204), 필터(207), 래치(205)를 제2구동회로 모듈로 구성하며, 제1 및 제2구동회로 모듈의 두 개의 삼각파전압(V5)이 각각 180도 위상차이가 발생하도록 위상지연회로(200)를 거치게 한다.

이에 따라, 도 11에 도시된 바와 같이 두 개의 부스트 컨버터의 주스위치(MOS1, MOS2)를 제어신호(V11, V21)로 각각 적정하게 제어할 수 있도록 구현한다.

도 12를 참조하면, 제1부스트 컨버터의 제어신호(V11)가 주스위치(MOS1)을 스위칭시켜서 인덕터전압(VL1)과 인덕터전류(IL1)를 발생시키고, 제2부스트 컨버터의 제어신호(V21)가 주스위치(MOS2)을 스위칭시켜서 인덕터전압(VL2)과 인덕터전류(IL2)를 발생시켜, 두 개의 부스트 컨버터가 180도 위상차이로 동작하게 되므로, 두 개의 인덕터 전류(IL1, IL2)가 한 개의 입력전류(IL)로 합쳐져서 입력과 출력의 전류 리플을 저감시키게 되고, 이에 따라 입출력 필터의 사이즈를 소형화할 수 있다.

전술한 바와 같이, 본 발명에 따른 고역률 스위칭 정류기의 제어회로는 부스트 컨버터를 기본회로로 사용하여 교류전압을 직류전압으로 변환시키는 고주파 스위칭 정류기에서, 높은 역률과 일정한 출력전압을 유지할 수 있도록 부스트형 정류회로를 사용하고, 그 부스트형 정류기를 전류경계모드에서 제어하는 제어회로를 제공함으로써, 부스트 컨버터의 주스위치의 구동전압을 높은 스위칭 주파수로 조정하여 입력 역률과 전력변환 효율을 높이고 고신뢰성의 스위칭 정류기를 제공한다.

본 발명은 첨부된 도면에 의해 참조되는 바람직한 실시 예를 중심으로 구체적으로 기술되었으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다. 그러므로 본 발명의 범위는 설명된 실시 예에 국한되어 정해져서는 안되며 후술하는 특허청구의 범위뿐 아니라 이 특허청구의 범위와 균등한 것들에 의해서 정해져야 한다.

Claims

교류입력전압이 입력되는 전파정류단자와 직렬연결된 한 개의 부스트 컨버터;
상기 전파정류단자와 직렬연결되어 입력전압을 분배하는 입력전압분배기;
상기 부스트 컨버터의 출력전압을 분배하는 출력전압분배기;
상기 출력전압분배기의 전압과 직류전압으로 구성된 기준전압을 입력받아 출력전압에 반비례하는 오차전압을 발생하는 오차증폭기;
상기 분배된 입력전압과 상기 오차전압을 입력으로 두 전압을 곱셈 연산하는 곱셈기;
상기 전파정류단자와 직렬로 연결된 삼각파발생기;
상기 삼각파발생기의 출력전압과 상기 곱셈기의 출력을 비교하는 비교기;
상기 부스트 컨버터의 인덕터로부터 영전압을 검출하는 영전압검출기;
상기 영전압검출기의 출력을 입력받아 필터링하는 필터; 및
상기 필터의 영전압신호를 S단자의 입력으로 하고, 상기 비교기의 출력전압을 R단자의 입력으로 하는 래치회로;를 포함하며,
상기 래치회로의 주출력은 상기 부스트 컨버터의 주스위치의 제어신호로 연결되고, 보조출력은 상기 삼각파발생기의 발진용 스위치의 제어신호로 연결되도록 구성된 고역률 스위칭 정류기의 제어회로.
제 1항에 있어서,
상기 오차증폭기의 입력과 출력단자 사이에 저항과 커패시터로 구성된 주파수보상 회로;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 고역률 스위칭 정류기의 제어회로.
제 1항 또는 제 2항에 있어서, 상기 오차증폭기는,
상기 출력전압분배기의 전압이 마이너스 입력단에 연결되고, 직류전압으로 구성된 기준전압이 플러스 입력단자에 연결되는 것을 특징으로 하는 고역률 스위칭 정류기의 제어회로.
제 1항 또는 제 2항에 있어서, 상기 삼각파발생기는,
상기 전파정류단자와 직렬로 연결된 시정수용 소자와 발진용 스위치로 구성된 것을 특징으로 하는 고역률 스위칭 정류기의 제어회로.
제 1항 또는 제 2항에 있어서, 상기 비교기는,
상기 삼각파발생기의 출력전압을 플러스 입력으로 하고, 상기 곱셈기의 출력을 마이너스 입력으로 하는 것을 특징으로 하는 고역률 스위칭 정류기의 제어회로.
제 1항 또는 제 2항에 있어서, 상기 영전압검출기는,
상기 부스트 컨버터의 인덕터의 권선에 보조권선을 추가하고 커패시터와 저항으로 구성된 미분회로인 것을 특징으로 하는 고역률 스위칭 정류기의 제어회로.
교류입력전압이 입력되는 전파정류단자와 직렬로 연결되고 서로 병렬로 연결된 제1 및 제2부스트 컨버터;
영전압검출기, 필터, 래치, 삼각파발생기, 비교기로 구성된 제1구동회로모듈;
영전압검출기, 필터, 래치, 삼각파발생기, 비교기로 구성된 제2구동회로모듈;
상기 제1구동회로모듈과 제2구동회로모듈의 래치 보조출력 두 개를 입력으로 하고 두 개의 삼각파발생기 발진스위치 제어신호를 출력으로 하는 위상지연회로;
상기 전파정류단자와 직렬연결되어 입력전압을 분배하는 입력전압분배기;
상기 제1 및 제2부스트 컨버터의 출력전압을 분배하는 출력전압분배기;
상기 출력전압분배기의 전압과 직류전압으로 구성된 기준전압을 입력받아 출력전압에 반비례하는 오차전압을 발생하는 오차증폭기; 및
상기 분배된 입력전압과 상기 오차전압을 입력으로 두 전압을 곱셈 연산하는 곱셈기;를 포함하며,
상기 제1구동회로모듈의 래치회로의 주출력이 상기 제1부스트 컨버터의 주스위치에 연결되고, 상기 제2구동회로모듈의 래치회로의 주출력이 상기 제2부스트 컨버터의 주스위치에 연결되도록 구성된 고역률 스위칭 정류기 제어회로.
제 7항에 있어서,
상기 오차증폭기의 입력과 출력단자 사이에 저항과 커패시터로 구성된 주파수보상 회로;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 고역률 스위칭 정류기의 제어회로.
제 7항 또는 제 8항에 있어서, 상기 제1 및 제2구동회로모듈은,
상기 입력전압을 입력받는 삼각파발생기와,
상기 삼각파발생기의 출력전압과 상기 곱셈기의 출력을 비교하는 비교기와,
상기 제1 및 제2부스트 컨버터의 인덕터로부터 각각 영전압을 검출하는 영전압검출기와,
상기 영전압검출기의 출력을 입력받아 필터링하는 필터 및
상기 필터의 영전압신호를 S단자의 입력으로 하고, 상기 비교기의 출력전압을 R단자의 입력으로 하며, 상기 위상지연회로에 보조출력이 연결된 래치를 포함하여 각각 구성되는 것을 특징으로 하는 고역률 스위칭 정류기 제어회로.