KR101756104B1

KR101756104B1 - Pfc 컨버터

Info

Publication number: KR101756104B1
Application number: KR1020160057042A
Authority: KR
Inventors: 홍명보; 배상규
Original assignee: 아이에프텍(주)
Priority date: 2016-05-10
Filing date: 2016-05-10
Publication date: 2017-07-11

Abstract

PFC 컨버터가 개시된다. 본 발명의 일 실시예에 따른 PFC 컨버터는 입력 전원에서 발생한 순방향의 전류를 통전시키도록 구성된 순방향 통전 선로부, 상기 순방향 통전 선로부와 병렬로 연결되는 스위칭부, 상기 스위칭 부와 병렬로 연결되고, 상기 입력 전원에서 발생한 역방향의 전류를 통전시키도록 구성된 역방향 통전 선로부 및 상기 순방향 통전 선로부, 상기 스위칭부 및 상기 역방향 통전 선로부가 연결된 노드와 상기 입력 전원 사이에 연결되는 리액터를 포함한다.

Description

PFC 컨버터{PFC CONVERTER}

본 발명은 PFC 컨버터에 관한 것으로, 보다 상세하게는 기존의 PFC 컨버터와 동일한 기능을 수행하면서도 소자의 수를 줄일 수 있는 PFC 컨버터에 관한 것이다.

최근에 전원계통의 교란에 대비하여 부하에 안정적인 전원 공급을 위해 UPS(Uninterruptible Power Supply)가 널리 쓰이고 있다. 통상적인 이중변환(Double-Conversion)방식 UPS는 AC-DC-AC 변환 구조를 채택하고 있는바, 전원 계통의 교란에 대해 안정적으로 대처할 수 있다는 효과를 달성할 수 있다.

반면, 자체적인 구조로 인해 효율이 낮아진다는 문제점이 있다. 특히, AC-DC 컨버터에 다이오드 정류기를 사용할 경우 입력 역률이 감소하고, 입력전류의 THD(Total Harmonic Distortion)이 증가하여 역률을 저하시키고 장비의 오작동 및 수명저하를 야기할 수 있다는 문제점이 있었다. 이러한 문제점을 극복하기 위해 최근에는 PFC(Power Factor Corrector) 컨버터가 장착되어 사용되고 있는 추세이다.

도 1 내지 4는 통상적인 PFC 컨버터의 동작 특성을 설명하기 위한 도면이다. 도 1 내지 도 4에 도시된 바와 같이 통상적인 PFC 컨버터는 2개의 스위치 소자와 5개의 다이오드를 포함한다.

도 1은 입력 전원의 정의 반주기 동안 상단의 제1 스위치(31)가 턴-온된 경우 전류의 흐름을 설명하기 위한 도면이다.

정의 반주기 동안 상단의 제1 스위치(31)가 턴-온 되면 전류는 인덕터(10)-제1 다이오드(21)-제1 스위치(31) 경로를 통해 흐르게 된다. 이때, 인덕터(10)에 에너지가 저장된다.

도 2는 입력 전원의 정의 반주기 동안 제1 스위치(31)가 턴-오프된 경우 전류의 흐름을 설명하기 위한 도면이다. 제1 스위치(31)가 턴-오프된 경우에는 전류가 인덕터(10)-제1 다이오드(21)-제3 다이오드(23)-제1 캐패시터(41) 경로를 통해 흐르게 된다. 이때, 도 1에 도시된 과정에서 인덕터(10)에 저장된 에너지가 제1 캐패시터(41)에 전달된다.

도 3은 입력 전원의 부의 반주기 동안 하단의 제2 스위치(32)가 턴-온된 경우 전류의 흐름을 설명하기 위한 도면이다.

부의 반주기 동안 하단의 제2 스위치(32)가 턴-온 되면 전류는 제2 스위치(32)-제2 다이오드(22)-인덕터(10) 경로를 통해 흐르게 된다. 이때, 인덕터(10)에 에너지가 저장된다.

도 4는 입력 전원의 부의 반주기 동안 하단의 제2 스위치(32)가 턴-오프된 경우 전류의 흐름을 설명하기 위한 도면이다.

부의 반주기 동안 하단의 제2 스위치(32)가 턴-오프되면 전류는 제2 캐패시터(42)-제4 다이오드(24)-제2 다이오드(22)-인덕터(10)를 거쳐 흐르게 된다. 이때, 도 3에 도시된 과정에서 인덕터(10)에 저장된 에너지가 제2 캐패시터(42)에 전달된다.

상술한 PFC 컨버터에 따르면, 입력전류의 THD를 감소시킴으로써 역률을 향상시킬 수 있었다. 그러나, 다수의 스위칭 소자 및 다이오드를 구비해야 하는바, 컨버터의 비용이 증가 및 효율이 저하된다는 문제점이 있었다.

이에, 종래 PFC 컨버터에 비해 소자의 수를 줄여 효율을 증대시킬 수 있는 새로운 형태의 PFC 컨버터에 대한 필요성이 대두되었다.

본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 PFC 컨버터로서의 기능은 발휘하되 이를 구성하는 소자의 개수는 최소화할 수 있는 새로운 형태의 PFC 컨버터를 제공하는데 있다.

본 발명의 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속한 기술분야의 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 PFC 컨버터는, 입력 전원에서 발생한 순방향의 전류를 통전시키도록 구성된 순방향 통전 선로부, 상기 순방향 통전 선로부와 병렬로 연결되는 스위칭부, 상기 스위칭 부와 병렬로 연결되고, 상기 입력 전원에서 발생한 역방향의 전류를 통전시키도록 구성된 역방향 통전 선로부 및 상기 순방향 통전 선로부, 상기 스위칭부 및 상기 역방향 통전 선로부가 연결된 노드와 상기 입력 전원 사이에 연결되는 리액터 포함한다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 순방향 통전 선로부는, 순방향 다이오드 및 상기 순방향 다이오드와 직렬로 연결된 제1 캐패시터를 포함할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 스위칭부는, 도통시 역방향의 전류를 통전시키는 제1 스위치 및 상기 제1 스위치와 병렬로 연결되어 도통시 순방향의 전류를 통전시킬 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 제1 스위치는, 상기 입력 전원에서 부의 반주기의 전원이 입력될 때, 상기 리액터의 전압이 기 설정된 전압 이상이면 개방될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 제2 스위치는, 상기 입력 전원에서 정의 반주기의 전원이 입력될 때, 상기 리액터의 전압이 기 설정된 전압 이상이면 개방될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 제1 스위치는, 역방향의 전류를 통전시키는 역방향 다이오드를 포함하는 RB-IGBT(Reverse Blocking-IGBT)이고, 상기 제2 스위치는, 순방향의 전류를 통전시키는 순방향 다이오드를 포함하는 RB-IGBT(Reverse Blocking-IGBT)일 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 역방향 통전 선로부는, 역방향 다이오드 및 상기 역방향 다이오드와 직렬로 연결된 제2 캐패시터를 포함할 수 있다.

상술한 본 발명의 일 실시예에 따른 PFC 컨버터에 따르면, 기존의 PFC 컨버터와 동일한 동작하면서도 소자의 수를 절감할 수 있게 된다는 효과를 달성할 수 있다.

도한, PFC 컨버터의 제작 비용을 절감할 수 있고 컨버터 효율을 증대시킬 수 있다는 효과를 달성할 수 있다.

도 1 내지 4는 통상적인 PFC 컨버터의 동작 특성을 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 PFC 컨버터의 토폴로지를 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따라 입력 전원의 정의 반주기 동안 리액터를 충전하는 과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따라 입력 전원의 정의 반주기 동안 캐패시터에 에너지를 전달하는 과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따라 입력 전원의 부의 반주기의 전원을 공급하는 동안 리액터를 충전하는 과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따라 입력 전원의 반주기 동안 캐패시터에 에너지를 전달하는 과정을 설명하기 위한 도면이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다. 본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 게시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 게시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.

다른 정의가 없다면, 본 명세서에서 사용되는 모든 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공통적으로 이해될 수 있는 의미로 사용될 수 있을 것이다. 또 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 명백하게 특별히 정의되어 있지 않는 한 이상적으로 또는 과도하게 해석되지 않는다.

또한, 본 명세서에서 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함될 수 있다. 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprises)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급된 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자는 하나 이상의 다른 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 PFC 컨버터의 토폴로지를 설명하기 위한 도면이다.

본 발명의 일 실시예에 따른 PFC 컨버터(100)는 순방향 통전 선로부(110), 스위칭부(120), 역방향 통전 선로부(130) 및 리액터(140)를 포함한다.

순방향 통전 선로부(110)는 입력 전원에서 발생한 순방향의 전류를 통전시키도록 구성된다. 여기에서, 순방향이란 입력 전원에서 부하쪽으로 흐르는 전류의 방향을 의미한다.

이를 위해, 본 발명의 일 실시예에 따른 순방향 통전 선로부(110)는 순방향 다이오드(111) 및 입력 전원에서 공급되는 에너지를 저장하여 입력 전원을 정류하는 제1 캐패시터(112)를 포함한다.

스위칭부(120)는 순방향 통전 선로부(110)와 병렬로 연결되며, 도통시 역방향의 전류를 통전시키는 제1 스위치(121) 및 도통시 순방향의 전류를 도통시키는 제2 스위치(122)를 포함한다. 이때, 제1 스위치(121) 및 제2 스위치(122)를 병렬로 연결된다.

스위칭부(120)에 포함된 제1 스위치(121) 및 제2 스위치(122)의 도통 상태에 따라 리액터(140)의 에너지 저장 및 방출을 제어하여 교류 전원을 정류시킬 수 있게 된다.

역방향 통전 선로부(130)는 스위칭부(120)와 병렬로 연결되고 입력 전원에서 발생한 역방향의 전류를 통전시키도록 구성된다. 여기에서 역방향이란, 부하에서 입력 전원쪽으로 흐르는 전류의 방향을 의미한다.

이를 위해, 본 발명의 일 실시예에 따른 역방향 통전 선로부(130)는 역방향 다이오드(131) 및 에너지를 저장하는 제2 캐패시터(132)를 포함한다.

리액터(140)는 순방향 통전 선로부(110), 스위칭부(120) 및 역방향 통전 선로부(130)과 연결된 노드(150)와 입력 전원 사이에 연결된다. 리액터(140)는 에너지 저장과 방출 작용을 통해 순방향 통전 선로부(110)에 포함된 제1 캐패시터(112) 또는 역방향 통전 선로부(130)에 포함된 제2 캐패시터(132)의 전압을 상승시키는 역할을 한다.

이하에서는, 스위칭부(120)에 포함된 제1 스위치(121) 및 제2 스위치(122)의 동작에 따라 리액터(140)가 충방전 되는 과정 및 리액터(140)에 저장된 에너지가 제1 캐패시터(112) 또는 제2 캐패시터(132)에 전달되는 과정에 대해 설명하도록 한다.

도 6은 본 발명의 일 실시예에 따라 입력 전원의 정의 반주기 동안 리액터를 충전하는 과정을 설명하기 위한 도면이다.

도 6에서는 리액터(140)가 충전되지 않은 상태이고 입력 전원이 정의 반주기의 전원을 공급하고 있는 상태임을 가정한다. 입력 전원이 정의 반주기의 전원을 공급하는 동안 스위칭부(120)의 제2 스위치(122)가 도통된다.

따라서, 입력 전원에서 공급되는 전류는 리액터(140)-제2 스위치(122) 경로로 통전된다. 역방향 통전 선로부(130)에는 역방향의 제2 다이오드(131)에 의해 순방향의 전류가 통전될 수 없고, 순방향 통전 선로부(110)에는 제1 캐패시터(112)가 포함되어 있으므로 임피던스가 작은 제2 스위치(122)를 통해 전류가 흐르게 되는 것이다.

도 6에 도시된 바와 같이 리액터(140)-제2 스위치(122) 경로를 통해 순방향의 전류가 통전될 때, 리액터(140)에 에너지가 저장된다. 이후, 리액터(140)에 저장된 에너지는 제1 캐패시터(112)에 전달되어 제1 캐패시터(112)의 전압을 상승시킨다.

도 7은 본 발명의 일 실시예에 따라 입력 전원의 정의 반주기 동안 캐패시터에 에너지를 전달하는 과정을 설명하기 위한 도면이다.

도 6과 마찬가지로, 도 3에서도 입력 전원이 정의 반주기의 전원을 공급하고 있는 상태임을 가정한다. 정의 반주기동안 도 5에서 설명한 과정을 거쳐 리액터(140)에 에너지가 저장되어 리액터(140) 전압이 기 설정된 임계값 이상이 되면 제2 스위치(122)가 개방된다.

입력 전원이 정의 반주기의 전원을 공급하는 동안 스위칭부(120)의 제2 스위치(122)가 개방되면 스위칭부(120)를 통해 전류가 흐를 수 없게 된다. 가사, 제1 스위치(121)가 토통되어 있더라도 제1 스위치(121)에는 역방향 다이오드가 포함되어 있으므로(Reverse-Block IGBT) 순방향의 전류가 흐를 수 없게 된다.

마찬가지로, 역방향 통전 선로부(130)에도 역방향 다이오드(131)가 포함되어 있으므로 역방향 통전 선로부(130)를 통해서도 순방향의 전류가 흐를 수 없게 된다.

따라서, 입력 전원이 정의 반주기의 전원을 공급하는 동안 전류는 순방향 통전 선로부(110)를 통해 흐르게 된다. 이때, 도 6에 도시된 과정을 통해 리액터(140)에 저장된 에너지가 제1 캐패시터(112)에 전달되어 제1 캐패시터(112)의 전압을 상승시킨다.

상술한 도 6 및 도 7에 도시된 PFC 컨버터에 따르면, 도 1 및 도 2에 도시된 기존의 PFC 컨버터와 동일한 동작하면서도 소자의 수를 절감할 수 있게 된다. 따라서, PFC 컨버터의 비용을 절감할 수 있고 컨버터 효율을 증대시킬 수 있다는 효과를 달성할 수 있다.

이하에서는, 입력 전원이 부의 반주기의 전원을 공급하는 동안 리액터(140)가 충방전 되는 과정 및 리액터(140)에 저장된 에너지가 제1 캐패시터(112) 또는 제2 캐패시터(132)에 전달되는 과정에 대해 설명하도록 한다.

도 8은 본 발명의 일 실시예에 따라 입력 전원의 부의 반주기의 전원을 공급하는 동안 리액터를 충전하는 과정을 설명하기 위한 도면이다.

도 8에서는 리액터(140)가 충전되지 않은 상태이고 입력 전원이 부의 반주기의 전원을 공급하고 있는 상태임을 가정한다. 입력 전원이 부의 반주기의 전원을 공급하는 동안 스위칭부(120)의 제1 스위치(121)가 도통된다.

따라서, 부하에서 입력 전원쪽으로 흐르는 전류는 제1 스위치(121)-리액터(140)를 지나는 경로로 통전된다. 순방향 통전 선로부(110)에는 순방향의 제1 다이오드(111)가 있으므로 역방향의 전류가 통전될 수 없고, 역방향 통선 선로부(130)에는 제2 캐패시터(132)가 포함되어 있으므로 임피던스 차이에 의해 제1 스위치(121)-리액터(140) 경로로 전류가 흐르게 되는 것이다.

도 8에 도시된 바와 같이 제1 스위치(121)-리액터(140) 경로로 역방향의 전류가 흐를 때, 리액터(140)에 에너지가 저장된다. 리액터(140)에 저장된 에너지는 제2 캐패시터(132)에 전달되어 제2 캐패시터(132)의 전압을 상승시킨다.

도 9는 본 발명의 일 실시예에 따라 입력 전원의 반주기 동안 캐패시터에 에너지를 전달하는 과정을 설명하기 위한 도면이다.

도 8에서와 마찬가지로, 도 9에서도 입력 전원이 부의 반주기의 전원을 공급하고 있는 상태임을 가정한다. 부의 반주기동안 도 8에서 설명한 과정을 거쳐 리액터(140)에 에너지가 저장되어 리액터(140)의 전압이 기 설정된 임계값 이상이 되면 제1 스위치(121)가 개방된다.

입력 전원이 부의 반주기의 전원을 공급하는 동안 스위칭부(120)의 제1 스위치(121)가 개방되면 스위칭부(120)를 통해 전류가 흐를 수 없게 된다. 이때, 제2 스위치(122)가 도통되어 있더라도 제2 스위치(122)에는 역방향 전류를 차단하는 순방향 다이오드가 포함되어 있으므로(Reverse-Block IGBT) 역방향의 전류가 스위칭부(120)를 통해 흐를 수 없게 된다.

마찬가지로, 순방향 통전 선로부(110)에도 순방향 다이오드(111)가 포함되어 있으므로 순방향 통전 선로부(110)를 통해서도 역방향의 전류가 흐를 수 없게된다.

따라서, 입력 전원이 부의 반주기의 전원을 공급하는 동안 제1 스위칭부(121)가 개방되면 전류는 역방향 통전 선로부(130)를 통해 흐르게 된다. 이때, 도 8에 도시된 과정을 통해 리액터(140)에 저장된 에너지가 제2 캐패시터(132)에 전달되어 제2 캐패시터(132)의 전압을 상승시킨다.

상술한 도 8 및 도 9에 도시된 PFC 컨버터에 따르면, 도 3 및 도 4에 도시된 기존의 PFC 컨버터와 동일한 동작하면서도 소자의 수를 절감할 수 있다는 효과를 달성할 수 있다. 따라서, PFC 컨버터의 비용을 절감할 수 있고 컨버터 효율을 증대시킬 수 있다는 효과를 달성할 수 있다.

본 실시예와 관련된 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 상기된 기재의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 방법들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims

입력 전원에서 발생한 순방향의 전류를 통전시키도록 구성된 순방향 통전 선로부;
상기 순방향 통전 선로부와 병렬로 연결되는 스위칭부;
상기 스위칭 부와 병렬로 연결되고, 상기 입력 전원에서 발생한 역방향의 전류를 통전시키도록 구성된 역방향 통전 선로부 및;
상기 순방향 통전 선로부, 상기 스위칭부 및 상기 역방향 통전 선로부가 연결된 노드와 상기 입력 전원 사이에 연결되는 리액터를 포함하고,
상기 스위칭부는,
도통시 역방향의 전류를 통전시키는 제1 스위치; 및
상기 제1 스위치와 병렬로 연결되어 도통시 순방향의 전류를 통전시키는 제2 스위치를 포함하는 PFC 컨버터.
제1항에 있어서,
상기 순방향 통전 선로부는,
순방향 다이오드 및 상기 순방향 다이오드와 직렬로 연결된 제1 캐패시터를 포함하는 PFC 컨버터.
삭제
제1항에 있어서,
상기 제1 스위치는,
상기 입력 전원에서 부의 반주기의 전원이 입력될 때, 상기 리액터의 전압이 기 설정된 전압 이상이면 개방되는 PFC 컨버터.
제1항에 있어서,
상기 제2 스위치는,
상기 입력 전원에서 정의 반주기의 전원이 입력될 때, 상기 리액터의 전압이 기 설정된 전압 이상이면 개방되는 PFC 컨버터.
제1항에 있어서,
상기 제1 스위치는,
역방향의 전류를 통전시키는 역방향 다이오드를 포함하는 RB-IGBT(Reverse Blocking-IGBT)이고,
상기 제2 스위치는,
순방향의 전류를 통전시키는 순방향 다이오드를 포함하는 RB-IGBT(Reverse Blocking-IGBT)인 PFC 컨버터.
제1항에 있어서,
상기 역방향 통전 선로부는,
역방향 다이오드 및 상기 역방향 다이오드와 직렬로 연결된 제2 캐패시터를 포함하는 PFC 컨버터.