KR101858059B1 - 스위치 제어 회로, 및 이를 포함하는 역률 보상기 및 그 구동 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 스위치 제어 회로, 이를 포함하는 역률 보상기 및 그 구동 방법에 관한 것이다.
본 발명의 실시 예에 따르면, 전력 스위치의 양단 전압을 감지하기 위한 영교차전압에 따라 전력 스위치의 턴 온 시점이 제어되고, 출력 전압에 대응하는 피드백 전압에 따란 전력 스위치의 턴 오프 시점이 제어된다. 이 때, 영교차전압에 의해 전력 스위치의 스위칭 주파수가 감지되고, 스위칭 주파수가 소정의 임계 주파수로 제한된다.

Description

스위치 제어 회로, 및 이를 포함하는 역률 보상기 및 그 구동 방법{SWITCH CONTROL CIRCUIT, POWER FACTOR CORRECTOR COMPRISING THE SAME, AND DRIVING MEHTOD OF THE POWER FACTOR CORRECTOR}

본 발명은 스위치 제어 회로, 역률 보상기 및 그 구동 방법에 관한 것이다.

역률 보상기에 고전압이 입력될 때 전류 전고조파 왜곡(ampere total harmony distortion, 이하, ATHD라 함.)이 발생할 수 있다.

예를 들어, 종래 단상 역률 보상기(single stage power factor corrector)는 플라이백 컨버터(flyback converter)로 구현되고, 임계 전도 모드(critical conduction mode)로 동작한다. 단상 역률 보상기에서, 1차측 반사 전압에 의해 입력전류가 왜곡되는 현상이 발생한다.

임계 전도 모드에 따른 입력 전류의 파형은 플라이백 컨버터의 듀티에 영향을 받고, 듀티는 입력 전압(VIN)과 1차측 반사(refected) 전압(VR) 간의 입력 전압비(VIN/VR)에 따라 결정된다. 1차측 반사 전압(VR)이란 플라이백 컨버터의 출력 전압과 2차측의 정류 다이오드의 양단 전압의 합에 권선비(n)가 곱해진 전압이다. 구체적으로 수학식 1은 임계 전도 모드에서 듀티(d)를 나타내고 있다.

여기서 입력 전압(VIN)은 교류 입력이 전파 정류된 전압이므로, 정현파에 따르고, 입력전압(VIN)은 입력 전압의 피크(

)에 사인함수

를 곱한 값(

)에 따른다. 수학식 1에서

는 입력 전압 비를 나타낸다.

그리고 입력 전류는 수학식 2와 같이 나타난다.

는 플라이백 컨버터의 전력 스위치에 흐르는 피크 전류를 의미한다.

이와 같이, 입력 전류는 입력 전압 비의 영향을 받아 왜곡될 수 있고, 정현파에 따르지 않을 수 있다.

도 1은 입력 전압 비에 따른 종래 단상 역률 보상기의 입력 전류를 나타낸 파형도이다.

도 1에 도시된 바와 같이 입력 전압 비가 증가할수록, 입력 전류의 파형은 정현파를 따르지 않는다. 구체적으로 입력 전압 비가 증가할수록 영 전류 부근에서 증가하다가 피크 영역에서 평편해지는 변형 정도가 증가한다. 그러면, 입력 전압의 파형과의 차이가 증가한다.

도 2는 입력 전압이 265Vac일 때, 입력 전류의 파형을 입력 전압과 함께 나타낸 파형도이다.

도 2에 도시된 바와 같이, 입력 전류는 입력 전압의 파형 즉, 정현파(sine wave)와 비교하여, 영 전류 부근(A1, A2)에서 급격한 기울기를 가지고, 피크 전류 부근(B)에서 평편한 기울기를 가진다.

이와 같은 입력 전류의 파형과 정현파간의 차이는 전류 전고조파 왜곡의 원인이 된다. 역률 보상기의 전류 전고조파 왜곡이 적을수록 바람직하다.

본 발명은 역률 보상기에서 입력 전압의 변화에 따른 전류 전고주파 왜곡을 감소시키는 것이 목적이다.

본 발명의 실시 예에 따른 역률 보상기는 전력 스위치 및 스위치 제어 회로를 포함한다. 상기 스위치 제어 회로는 상기 전력 스위치의 양단 전압을 감지하기 위한 영교차전압과 출력 전압에 대응하는 피드백 전압을 입력 받고, 상기 영교차전압을 이용하여 상기 전력 스위치의 턴 온 시점을 제어하고, 상기 피드백 전압을 이용하여 상기 전력 스위치의 턴 오프 시점을 제어한다. 상기 스위치 제어 회로는, 상기 영교차전압을 이용하여 상기 전력 스위치의 스위칭 주파수를 감지하고, 상기 스위칭 주파수를 소정의 임계 주파수로 제한한다.

상기 스위치 제어 회로는, 상기 전력 스위치가 턴 오프 된 시점으로부터 상기 임계 주파수에 대응하는 소정의 스크린 기간 후, 상기 영교차전압을 이용하여 상기 전력 스위치의 턴 온 시점을 제어한다.

상기 스위치 제어 회로는, 상기 턴 온 시점을 제어하기 위한 영교차 기준 전압과 상기 영교차전압을 비교하고, 비교 결과에 따라 영교차검출신호를 생성하는 영교차검출비교기, 및 상기 스크린 기간이 경과한 후에 발생하는 인에이블 레벨의 영교차검출신호에 동기되어 상기 전력 스위치를 턴 온 시키기 위한 온제어신호를 생성하는 주파수 제한부를 포함한다.

상기 영교차검출비교기는, 상기 영교차전압이 입력되는 반전단자, 및 상기 영교차 기준 전압이 입력되는 비반전 단자를 포함하고, 상기 영교차전압이 상기 영교차 기준 전압보다 낮아지는 시점에 상기 인에이블 레벨의 영교차검출신호를 생성한다.

상기 영교차검출비교기는 히스테리시스 비교기로 구현되며, 상기 영교차 기준 전압은 히스테리시스 특성에 따라 제1 기준 전압 레벨 및 상기 제1 기준 전압 레벨보다 높은 제2 기준 전압 레벨을 포함하고, 상기 영교차검출비교기는, 상기 영교차전압이 상기 제1 기준 전압보다 작아지는 시점에 상기 인에이블 레벨의 영교차검출신호를 생성한다.

상기 스위치 제어 회로는, 상기 전력 스위치의 턴 온 기간 동안 일정한 기울기로 상승하는 톱니파와 상기 피드백 전압을 비교하고, 비교 결과에 따라 오프제어신호를 생성하는 듀티비교기, 및 상기 온제어신호에 따라 상기 전력 스위치를 턴 온 시키고, 상기 오프제어신호에 따라 상기 전력 스위치를 턴 오프 시키는 게이트 제어 신호를 생성하는 SR 플립플롭을 더 포함한다.

상기 듀티 비교기는, 상기 피드백 전압이 입력되는 반전 단자 및 상기 톱니파가 입력되는 비반전 단자를 포함하고, 상기 SR 플립플롭은 상기 온제어신호의 상승 에지에 동기되어 상기 전력 스위치를 턴 온 시키고, 상기 오프제어신호의 상승 에지에 동기되어 상기 전력 스위치를 턴 오프 시키는 상기 게이트 제어 신호를 생성한다.

상기 역률 보상기는, 입력 전압이 전달되는 1차측의 제1 권선, 출력 전압이 생성되는 2차측의 제2 권선, 및 상기 제1 권선에 소정의 권선비를 가지는 보조 권선을 더 포함하고, 상기 영교차전압은 상기 보조권선에 발생하는 발생하는 보조 전압에 따른다.

상기 스위치 제어 회로는, 상기 전력 스위치의 턴 온 시점을 제어하기 위한 소정의 영교차 기준 전압과 상기 영교차전압을 비교하는 영교차검출비교기를 포함하고, 상기 영교차검출비교기에 연결되어 있는 일단 및 상기 보조 권선에 연결되어 있는 타단을 포함하는 저항, 및 상기 저항의 일단에 연결되어 있는 커패시터를 더 포함한다.

본 발명의 실시 예에 따른 역률 보상기의 구동 방법은, 입력 전압을 전달받고, 전력 스위치의 스위칭 동작에 따라 출력 전압을 생성한다. 상기 구동 방법은 상기 전력 스위치의 양단 전압을 감지하기 위한 영교차전압을 이용하여 상기전력 스위치의 스위칭 주파수가 소정의 임계 주파수를 넘지 않도록 상기 전력 스위치의 턴 온 시점을 제어하는 단계, 및 상기 출력 전압에 대응하는 피드백 전압을 이용하여 상기 전력 스위치의 턴 오프 시점을 제어하는 단계를 포함한다.

상기 턴 온 시점을 제어하는 단계는, 상기 전력 스위치가 턴 오프 된 시점으로부터 상기 임계 주파수에 대응하는 소정의 스크린 기간 후, 상기 영교차전압을 이용하여 상기 전력 스위치의 턴 온 시점을 제어하는 단계를 포함한다.

상기 턴 온 시점을 제어하는 단계는, 상기 턴 온 시점을 제어하기 위한 영교차 기준 전압과 상기 영교차전압을 비교하고, 비교 결과에 따라 영교차검출신호를 생성하는 단계, 및 상기 스크린 기간이 경과한 후에 발생하는 인에이블 레벨의 영교차검출신호에 동기되어 상기 전력 스위치를 턴 온 시키기 위한 온제어신호를 생성하는 단계를 포함한다.

상기 영교차검출신호를 생성하는 단계는, 상기 영교차전압이 상기 영교차 기준 전압보다 낮아지는 시점에 상기 인에이블 레벨의 영교차검출신호를 생성하는 단계를 포함한다.

상기 영교차검출비교기는 히스테리시스 비교기로 구현되며, 상기 영교차 기준 전압은 히스테리시스 특성에 따라 제1 기준 전압 레벨 및 상기 제1 기준 전압 레벨보다 높은 제2 기준 전압 레벨을 포함하고, 상기 인에이블 레벨의 영교차검출신호를 생성하는 단계는, 상기 영교차전압이 상기 제1 기준 전압보다 작아지는 시점에 상기 인에이블 레벨의 영교차검출신호를 생성하는 단계이다.

상기 턴 오프 시점을 제어하는 단계는, 상기 전력 스위치의 턴 온 기간 동안 일정한 기울기로 상승하는 톱니파와 상기 피드백 전압을 비교하고, 비교 결과에 따라 턴 오프 시점을 제어하는 단계를 포함한다.

상기 역률 보상기는, 입력 전압이 전달되는 1차측의 제1 권선, 출력 전압이 생성되는 2차측의 제2 권선, 및 상기 제1 권선에 소정의 권선비를 가지는 보조 권선을 더 포함하고, 상기 영교차전압은 상기 보조권선에 발생하는 발생하는 보조 전압에 따른다.

본 발명의 실시 예에 따른 역률 보상기는 입력 전압을 전달받고, 전력 스위치의 스위칭 동작에 따라 출력 전압을 생성하고, 상기 역률 보상기의 스위치 제어 회로는, 상기 전력 스위치의 양단 전압을 감지하기 위한 영교차전압과 상기 턴 온 시점을 제어하기 위한 영교차 기준 전압을 비교하고, 비교 결과에 따라 영교차검출신호를 생성하는 영교차검출 비교기, 및 스크린 기간이 경과한 후에 발생하는 인에이블 레벨의 영교차검출신호에 동기되어 상기 전력 스위치를 턴 온 시키기 위한 온제어신호를 생성하는 주파수 제한부를 포함한다.

상기 전력 스위치의 스위칭 주파수를 소정의 임계 주파수로 제한할 때, 상기 스크린 기간은 상기 임계 주파수에 대응하는 기간이다.

상기 영교차검출비교기는 히스테리시스 비교기로 구현되며, 상기 영교차 기준 전압은 히스테리시스 특성에 따라 제1 기준 전압 레벨 및 상기 제1 기준 전압 레벨보다 높은 제2 기준 전압 레벨을 포함하고, 상기 영교차검출비교기는, 상기 영교차전압이 상기 제1 기준 전압보다 작아지는 시점에 상기 인에이블 레벨의 영교차검출신호를 생성한다.

상기 스위치 제어 회로는, 상기 전력 스위치의 턴 온 기간 동안 일정한 기울기로 상승하는 톱니파와 상기 출력 전압에 대응하는 피드백 전압을 비교하고, 비교 결과에 따라 오프제어신호를 생성하는 듀티비교기, 및 상기 온제어신호에 따라 상기 전력 스위치를 턴 온 시키고, 상기 오프제어신호에 따라 상기 전력 스위치를 턴 오프 시키는 게이트 제어 신호를 생성하는 SR 플립플롭을 더 포함한다.

상기 영교차전압은, 상기 역률 보상기의 입력 전압이 연결되어 있는 1차측 권선에 대해 소정의 권선비를 가지는 보조 권선의 전압에 따른다.

본 발명의 일 실시 예에 따르면, 입력 전압의 변화에 따른 전류 전고주파 왜곡을 감소시킬 수 있는 스위치 제어 회로, 역률 보상기 및 그 구동 방법이 제공된다.

도 1은 입력 전압 비에 따른 종래 단상 역률 보상기의 입력 전류를 나타낸 파형도이다.
도 2는 입력 전압이 265Vac일 때, 입력 전류의 파형을 입력 전압과 함께 나타낸 파형도이다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 역률 보상기의 구성을 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 스위치 제어 회로를 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 신호 파형을 나타낸 도면이다.

아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시 예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시 예에 한정되지 않는다. 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였다. 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.

명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 "전기적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.

이하, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있는 실시 예를 첨부된 도면을 참조로 하여 상세히 설명한다.

도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 역률 보상기의 구성을 나타낸 도면이다.

도 3에 도시된 바와 같이, 역률 보상기(1)는 브릿지 정류 다이오드(10), 커패시터(C1), 트랜스포머(20), 전력 스위치(Q), 스위치 제어 회로(30), 정류 다이오드(D1), 출력 커패시터(CO), 보조 권선(CO3), 및 피드백부(50)를 포함한다.

브릿지 정류 다이오드(10)는 4 개의 다이오드(11-14)로 구성되어 있고, 교류 전압(VAC)을 정류하여 입력 전압(VIN)을 생성한다. 브릿지 정류 다이오드(10)을 통과한 입력 전압(VIN)은 전파 정류 파형(full rectified wave)을 따른다.

커패시터(C1)은 입력전압(VIN)의 노이즈를 제거한다. 트랜스포머(20)는 1차측에 위치한 제1 권선(CO1), 및 2차측에 위치한 제2 권선(CO2)을 포함한다. 제1 권선(CO1)은 커패시터(C1)의 일단에 연결되고 입력 전압(VIN)이 전달되는 일단 및 전력 스위치(Q)에 연결되어 있는 타단을 포함한다.

제2 권선(CO2)은 출력 전압이 생성되는 2차측에 위치한다. 제1 권선(CO1)의 권선 수와 제2 권선(CO2)의 권선 수에 따라 소정의 권선 비(CO2의 권선 수 ns / CO1의 권선 수 np)가 결정되고, 트랜스포머(20)의 제1 권선(CO1)의 전압과 제2 권선(CO2)의 전압 간의 비는 권선 비(nps)에 따른다.

보조 권선(CO3)은 트랜스포머(20)의 제1 권선(CO1)에 대해 소정의 권선 비를 가지고 1차측에 위치한다. 제1 권선(CO1)의 전압이 권선 비(제1 권선과 보조 권선 간의 비)에 따라 변환되어 보조 권선(CO3)에 발생된다. 이하, 제1 권선(CO1)의 전압을 1차측 전압(V1), 제2 권선(CO2)의 전압을 2차측 전압(V2), 및 보조 권선(CO3)의 전압을 보조 전압(VAUX)이라 한다.

정류 다이오드(D1)는 제2 권선(CO2)에 연결되어 있는 애노드 전극 및 출력 커패시터(CO)의 일단에 연결되어 있는 캐소드 전극을 포함한다. 정류 다이오드(D1)는 전력 스위치(Q)의 턴 온 기간 중 도통되고, 2차측 권선(CO2)에 흐르는 전류를 정류하여 부하 또는 출력 커패시터(CO)로 흐르게 한다.

출력 커패시터(CO)는 정류 다이오드(D1)를 통과한 전류에 의해 충전되거나, 부하에 필요한 전류를 공급한다.

피드백부(50)는 출력 전압(VOUT)에 대응하는 피드백 전압(VFB)을 생성하여 스위치 제어 회로(30)로 전달한다. 피드백부(50)는 옵토-커플러(opto-coupler)를 이용하여, 2차측의 출력 전압VOUT)에 대응하는 피드백 전압(VFB)을 생성할 수 있다.

스위치 제어 회로(30)는 피드백 전압(VFB)과 영교차전압(VZCD)을 이용하여 전력 스위치(Q)의 스위칭 동작을 제어한다. 스위치 제어 회로(30)는 전력 스위치(Q)의 온 타임 기간 동안 일정한 기울기로 증가하는 톱니파와 피드백 전압(VFB)을 비교하여 전력 스위치(Q)의 오프 시점을 결정한다. 스위치 제어 회로(30)는 영교차전압(VZCD)을 이용하여 전력 스위치(Q) 드레인-소스 전압(VDS)을 감지하며, 드레인-소스 전압(VDS)의 영 교차 시점에 전력 스위치(Q)를 턴 온 시킨다.

보조 전압(VAUX)은 전력 스위치(Q)의 드레인-소스 전압(VDS)에 따르는 전압이다. 보조전압(VAUX)은 저항(R1)의 일단에 연결되어 있고, 저항(R1)을 통해 스위치 제어 회로(30)에 연결되어 있다. 저항(R1)의 타단에는 커패시터(C2)가 연결되어 있다. 보조 전압(VAUX)에 따르고, 저항(R1) 및 커패시터(C2)의 연결 접점에 발생하는 전압을 영교차전압(VZCD)이라 한다. 커패시터(C2)은 영교차전압(VZCD)의 노이즈를 제거한다.

영교차전압(VZCD)는 보조전압(VAUX)에 따르는 전압이므로, 드레인-소스 전압(VDS)에 따르는 전압이다. 스위치 제어 회로(30)는 영교차전압(VZCD)을 이용하여 전력 스위치(Q)의 턴 온 시점을 결정한다. 이 때, 스위치 제어 회로(30)는 임계 스위칭 주파수를 넘지 않도록 스위칭 주파수를 제어한다.

스위치 제어 회로(30)는 영교차전압(VZCD)을 이용하여 전력 스위치(Q)의 스위칭 주파수가 임계 주파수를 넘어섰는지를 판단할 수 있다. 이에 대한 상세한 설명은 도 4 및 도 5를 참조하여 후술한다. 스위치 제어 회로(30)는 스위치 제어 회로(30)는 전력 스위치(Q)의 스위칭 동작을 제어하는 게이트 전압(VG)을 생성하여 전력 스위치(Q)의 게이트 전극에 전달한다.

역률 보상기(1)의 높은 역률을 위해서, 입력 전압(VIN)에 따라 스위칭 주파수가 제어된다. 입력 전압(VIN)이 높을수록 전력 스위치(Q)의 스위칭 주파수가 높아진다. 한 주기의 입력 전압(VIN) 내에서는 입력 전압(VIN)이 낮을수록 스위칭 주파수가 높다. 한 주기의 입력 전압(VIN)이란, 전파 정류 파형 한 주기를 의미한다.

스위치 제어 회로(30)는 스위칭 주파수를 제어하여, 도 2에 도시된 영역 A1 및A2를 제거한다. 영역 A1 및 A2는 고전압인 한 주기 입력 전압(VIN)의 저전압 영역이다. 구체적으로, 종래 역률 보상기에서는, 높은 레벨의 한 주기 입력 전압 내에서 저전압 영역의 스위칭 주파수가 매우 높다. 해당 영역의 높은 스위칭 주파수에 의해 입력 전류의 파형이 정현파를 벗어난다.

역률 보상기의 스위칭 주파수에 따라 입력 전류의 파형이 제어된다. 스위치 제어 회로(30)는 스위칭 주파수에 제한을 둔다. 예를 들어 스위치 제어 회로(30)는 영역 A1 및 A2에서의 스위칭 주파수를 임계 주파수로 제한한다. 그러면, 입력 전류의 기울기가 감소하여 정현파와의 매칭 정도가 증가한다. 이는 전류 전고주파 왜곡을 감소시킬 수 있다. 입력 전류는 1차측에 흐르는 전류(IP)의 평균을 의미한다.

스위칭 주파수를 임계 주파수로 제한하는 방법은 온 타임 및 오프 타임 중 적어도 하나를 증가시키면 된다. 본 발명의 실시 예에서는 오프 타임을 증가시켜 스위칭 주파수를 임계 주파수로 제한한다. 그러나 본 발명이 이 방식에 한정되는 것은 아니고 스위칭 주파수를 임계 주파수로 제한할 수 있는 다른 방식을 이용할 수 있다.

본 발명의 실시 예에 따른 온 타임은 영교차전압(VZCD)이 온 기준 전압까지 감소한 시점부터, 톱니파가 피드백 전압(VFB)에 도달한 시점까지의 기간이다. 본 발명의 실시 예에 따른 오프 타임은 일정한 기울기로 상승하는 톱니파가 피드백 전압(VFB)에 도달한 시점부터 영교차전압(VZCD)이 소정의 온 기준 전압(드레인-소스 전압이 최소가 될 때의 영교차전압에 대응하는 전압)까지 감소한 시점까지의 기간이다.

역률 보상기(1)의 출력 전압은 일정하게 제어되므로, 피드백 전압(VFB)도 일정하게 제어된다. 출력 전압(VOUT)의 변화에 따라 피드백 전압(VFB)이 변할 때, 스위칭 동작 주파수가 제어되어 출력 전압(VOUT)이 일정하게 제어된다. 즉, 출력 전압(VOUT) 및 피드백 전압(VFB)은 소정 범위의 리플을 포함하고 있으나, 각각 대응하는 소정 레벨로 일정하게 유지된다. 즉, 일정한 피드백 전압(VFB)에 일정한 기울기의 톱니파가 도달하는 기간은 일정하다.

도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 스위치 제어 회로(30)를 나타낸 도면이다.

도 4에 도시된 바와 같이 스위치 제어 회로(30)는 영교차검출비교기(100), 주파수 제한부(200), 듀티비교기(300), 톱니파발생부(400), SR 플립플롭(500), 및 게이트 구동부(600)를 포함한다.

영교차검출비교기(100)는 영교차전압(VZCD)과 소정의 영교차 기준 전압을 비교하고, 비교 결과에 따라 전력 스위치(Q)를 턴 온 시키기 위한 영교차검출신호(ZCD)를 생성한다. 영교차검출비교기(100)는 히스테리시스 비교기로 구현되고, 기준 전압은 히스테리시스 특성에 따라 제1 기준 전압 레벨(VR1) 및 제2 기준 전압 레벨(VR2)을 가지며, 제1 기준 전압 레벨(VR1)은 전력 스위치(Q)의 턴 온 시점을 결정하기 위한 레벨로 설정된다.

영교차전압(VZCD)이 감소할 때, 영교차검출비교기(100)는 영교차전압(VZCD)이 제1 기준 전압 레벨(VR1)보다 낮아질 때 하이 레벨의 영교차검출신호(ZCD)를 생성한다. 영교차전압(VZCD)이 제1 기준 전압 레벨(VR1)보다 낮아진 후, 제2 기준 전압 레벨(VR2) 보다 낮은 기간 동안 영교차검출신호(ZCD)는 하이 레벨로 유지된다.

영교차전압(VZCD)이 증가하는 구간에서, 영교차검출비교기(100)는 영교차전압(VZCD)이 제2 기준 전압 레벨(VR1)보다 높아질 때, 로우 레벨의 영교차검출신호(ZCD)를 생성한다. 영교차전압(VZCD)이 제2 기준 전압 레벨(VR1)보다 높아진 후, 제1 기준 전압 레벨(VR2) 보다 높은 기간 동안 영교차검출신호(ZCD)는 로우 레벨로 유지된다.

이하, 전력 스위치(Q)를 턴 온 시키는 영교차검출신호(ZCD)의 레벨을 인에이블 레벨이라고 한다. 본 발명의 실시 예에 따른 인에이블 레벨은 하이 레벨이다.

주파수 제한부(200)는 스위칭 주파수를 제한하기 위한 소정의 스크린 기간 동안 전력 스위치(Q)를 턴 온 시키지 않는다. 주파수 제한부(200)는 영교차검출신호(ZCD)를 입력받고, 스크린 기간이 경과한 후에 발생하는 인에이블 레벨의 영교차검출신호(ZCD)에 동기되어 온제어신호(VON)를 생성한다. 스크린 기간은 앞서 언급한 임계 주파수를 스위칭 주파수가 넘지 않도록 설정되는 기간이다.

주파수 제한부(200)는 전력 스위치(Q)의 턴 오프 시점부터 스크린 기간 내에 발생하는 인에이블 레벨의 영교차검출신호(ZCD)에 반응하지 않고, 스크린 기간이 경과한 후에 발생하는 인에이블 레벨의 영교차검출신호(ZCD)에 동기되어 온제어신호(VON)를 생성한다.

구체적으로, 주파수 제한부(200)는 영교차검출신호(ZCD)의 상승 에지에 동기되어 온제어신호(VON)를 생성한다. 주파수 제한부(200)는 영교차검출신호(ZCD)의 상승 에지 발생 시점이 스크린 기간이 지난 후에 발생한지 여부를 판단하고, 스크린 기간 후에 발생하는 영교차검출신호(ZCD)의 상승 에지에 동기되어 온제어신호(ON)를 생성한다. 본 발명의 실시 예에 따른 온제어신호(VON)는 하이 레벨의 펄스 신호이다.

주파수 제한부(200)는 전력 스위치(Q)의 턴 오프 시점을 감지하기 위해 오프제어신호(VOFF)를 이용할 수 있다.

톱니파발생부(300)는 전력 스위치(Q)의 턴 온 기간 동안 일정한 기울기로 증가하는 톱니파(VSAW)를 생성한다.

듀티비교기(400)는 피드백 전압(VFB)과 톱니파(VSAW)를 비교하여 일정한 턴 온 기간을 제어한다. 피드백 전압(VFB)은 출력전압(VOUT)에 대응하는 전압이고, 출력 전압(VOUT)은 일정한 레벨로 제어되므로, 피드백 전압(VFB) 역시 일정한 레벨이다. 따라서 턴 온 기간 동안 톱니파(VSAW)가 피드백 전압(VFB)에 도달하는 기간은 일정하게 유지되고, 턴 온 기간은 일정하게 유지된다.

듀티비교기(400)는 톱니파(VSAW)가 입력되는 비반전단자(+) 및 피드백 전압(VFB)이 입력되는 반전 단자(-)를 포함하고, 톱니파(VSAW)가 피드백 전압(VFB)에 도달하는 시점에 전력 스위치(Q)를 턴 오프 시키는 오프제어신호(VOFF)를 생성한다. 본 발명의 실시 예에 따른 오프제어신호(VOFF)는 하이 레벨 펄스이다.

SR플립플롭(500)은 온제어신호(VON)에 동기되어 전력 스위치(Q)의 턴 온을 제어하고, 오프제어신호(VOFF)에 동기되어 전력 스위치(Q)의 턴 오프를 제어한다. SR 플립플롭(500)은 셋단(S), 리셋단(R), 및 출력단(Q)을 포함한다. SR 플립플롭(500)은 셋단(S)에 입력되는 신호의 상승 에지에 동기되어 출력 신호의 레벨을 상승시키고, 리셋단(R)에 입력되는 신호의 상승 에지에 동기되어 출력 신호의 레벨을 하강시킨다.

SR 플립플롭(500)의 셋단(S)에는 온제어신호(VON)가 입력되고, 리셋단(R)에는 오프제어신호(VOFF)가 입력되며, 출력단(Q)을 통해 출력 신호가 출력된다. SR 플립플롭(500)의 출력 신호가 게이트 제어신호(VC)이다.

게이트 구동부(600)는 게이트 제어신호(VC)에 따라 전력 스위치(Q)를 스위칭 동작시키는 게이트신호(VG)를 생성한다.

스위치 제어 회로(30)는 영교차전압(VZCD)이 제1 기준 전압 레벨(VR1)보다 작아지는 시점을 감지하여 스위칭 주파수가 임계 주파수를 넘어섰는지를 판단할 수 있다. 즉, 스위치 제어 회로(30)는 영교차전압(VZCD)이 제1 기준 전압 레벨(VR1)보다 작아지는 시점이 스크린 기간 내에 발생하면, 임계 주파수를 넘어선 것으로 판단할 수 있다.

스위치 제어 회로(30)는 스크린 기간 후에 영교차전압(VZCD)을 이용해 전력 스위치(Q)를 턴 온 시점을 제어함으로써, 스위칭 주파수를 임계 주파수 보다 높지 않도록 제한한다.

이하, 도 5를 참조하여 본 발명의 실시 예에 따른 역률 보상기의 동작을 설명한다.

도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 신호 파형을 나타낸 도면이다.

도 5에 도시된 바와 같이, 시점 T1에 톱니파(VSAW)가 피드백 전압(VFB)에 도달하면 오프제어신호(VOFF)가 발생한다. 오프제어신호(VOFF)에 상승 에지에 의해 SR 플립플롭(500)은 로우 레벨의 게이트제어신호(VC)를 생성한다. 그러면 게이트 구동부(600)는 로우 레벨의 게이트제어신호(VC)에 따라 로우 레벨의 게이트신호(VG)를 생성한다. 시점 T1에, 전력 스위치(Q)가 턴 오프된다.

전력 스위치(Q)가 턴 오프 된 후, 시점 T2부터 영교차전압(VZCD)이 급격히 감소한다. 1차측에 저장된 에너지가 모두 2차측으로 전달된 후, 트랜스포머의 자화 컨던턴스(도시하지 않음), 누설 컨덕턴스(도시하지 않음), 및 전력 스위치(Q)의 기생 커패시턴스(도시하지 않음) 간의 공진이 발생한다. 그러면 시점 T2부터 드레인-소스 전압(VDS)이 감소하기 시작하고, 전력 스위치(Q)가 턴 온 되기 전까지 드레인-소스 전압(VDS)은 댐핑(damping)한다.

영교차전압(VZCD)은 드레인-소스 전압(VDS)에 따르므로 시점 T2부터 감소하기 시작한다. 시점 T3에 감소하던 영교차전압(VZCD)이 제1 기준 전압 레벨(VR1)보다 작아진다.

시점 T3에 영교차검출신호(ZCD)는 상승하여 인에이블 레벨이 되고, 영교차검출신호(ZCD)의 상승 에지 발생 시점이 스크린 기간(SC1)이 지난 후에 발생하였으므로, 주파수 제한부(200)는 시점 T3에 온제어신호(ON)를 생성한다.

시점 T3의 온제어신호(ON)에 의해 게이트 제어 신호(VC)는 하이 레벨이 되고, 게이트 신호(VG) 역시 하이 레벨이 된다.

시점 T4에 톱니파(VSAW)가 피드백 전압(VFB)에 도달하고, 전력 스위치(Q)가 턴 오프된다.

전력 스위치(Q)가 턴 오프 된 후, 시점 T5부터 감소하기 시작한다. 시점 T6에 감소하던 영교차전압(VZCD)이 제1 기준 전압 레벨(VR1)보다 작아진다. 시점 T6에 영교차검출신호(ZCD)는 상승하여 인에이블 레벨이 된다.

그런데, 영교차검출신호(ZCD)의 상승 에지 발생 시점이 스크린 기간(SC2) 이내에서 발생하였으므로, 주파수 제한부(200)는 영교차검출신호(ZCD)의 상승 에지에 반응하지 않는다.

드레인-소스 전압(VDS)의 댐핑에 따라 영교차전압(VZCD)이 시점 T7에 제2 기준 전압 레벨(VR2) 보다 높아지면, 영교차검출신호(ZCD)는 로우 레벨이 된다. 시점 T8에 영교차전압(VZCD)이 다시 제1 기준 전압 레벨(VR1)보다 낮아진다. 시점 T8은 스크린 기간(SC2) 후에 발생하였으므로, 주파수 제한부(200)는 시점 T8에 온제어신호(ON)를 생성한다.

따라서 시점 T8에 전력 스위치(Q)가 턴 온 된다.

주파수 제한부(200)가 없다면, 전력 스위치(Q)는 시점 T6에 턴 온 될 수 있다. 그러나 본 발명의 실시 예에 따르면 전력 스위치(Q)는 시점 T8에 턴 온 된다. 즉, 스위칭 주기가 지연 기간(DP1)만큼 연장되어 스위칭 주파수가 감소한다.

시점 T9에 전력 스위치(Q)가 턴 오프 된 후, 영교차전압(VZCD)이 제1 기준 전압 레벨(VR1) 보다 낮아지는 시점 T10이 스크린 기간(SC3) 이내이다. 따라서 시점 T10에 온제어신호(VON)는 발생되지 않는다. 스크린 기간(SC3)이 경과한 후, 시점 T11에 발생하는 영교차검출신호(ZCD)의 상승 에지에 동기되어 온제어신호(VON)가 발생된다. 따라서 스위칭 주기는 지연 기간(DP2)만큼 연장되고, 스위칭 주파수가 감소한다.

이와 같이 주파수 제한부(200)는 스크린 기간 동안 전력 스위치(Q)의 턴 온을 막아서, 스위칭 주기를 지연기간(DP1, DP2)만큼 연장시켜 스위칭 주파수를 제한한다.

앞서 언급한 바와 같이, 종래 역률 보상기의 스위칭 주파수가 높은 구간은 도 2에서 영역 A1 및 A2이고, 해당 영역에서 입력 전류의 전고조파 왜곡이 높다. 본 발명의 실시 예에 따른 역률 보상기는 해당 영역의 스위칭 주파수를 제한하여 입력 전류 전고조파 왜곡을 감소시킬 수 있다.

이상에서 본 발명의 실시 예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.

역률 보상기(1), 브릿지 정류 다이오드(10), 평활 커패시터(C1)
트랜스포머(20), 전력 스위치(Q), 스위치 제어 회로(30), 정류 다이오드(D1)
다이오드(11-14), 출력 커패시터(CO), 보조 권선(CO3), 피드백부(50)
영교차검출비교기(100), 주파수 제한부(200), 톱니파발생부(400)
듀티비교기(300), SR 플립플롭(500), 게이트 구동부(600), 저항(R1)
커패시터(C2)

Claims (20)

1. 전력 스위치, 및
   상기 전력 스위치의 양단 전압을 감지하기 위한 영교차전압과 출력 전압에 대응하는 피드백 전압을 입력 받고, 상기 영교차전압을 이용하여 상기 전력 스위치의 턴 온 시점을 제어하고, 상기 피드백 전압을 이용하여 상기 전력 스위치의 턴 오프 시점을 제어하는 스위치 제어 회로를 포함하고,
   상기 스위치 제어 회로는,
   상기 영교차전압을 이용하여 상기 전력 스위치의 스위칭 주파수를 감지하고, 상기 스위칭 주파수를 소정의 임계 주파수로 제한하는 역률 보상기.
2. 제1항에 있어서,
   상기 스위치 제어 회로는,
   상기 전력 스위치가 턴 오프 된 시점으로부터 상기 임계 주파수에 대응하는 소정의 스크린 기간 후, 상기 영교차전압을 이용하여 상기 전력 스위치의 턴 온 시점을 제어하는 역률 보상기.
3. 제2항에 있어서,
   상기 스위치 제어 회로는,
   상기 턴 온 시점을 제어하기 위한 영교차 기준 전압과 상기 영교차전압을 비교하고, 비교 결과에 따라 영교차검출신호를 생성하는 영교차검출비교기, 및
   상기 스크린 기간이 경과한 후에 발생하는 인에이블 레벨의 영교차검출신호에 동기되어 상기 전력 스위치를 턴 온 시키기 위한 온제어신호를 생성하는 주파수 제한부를 포함하는 역률 보상기.
4. 제3항에 있어서,
   상기 영교차검출비교기는,
   상기 영교차전압이 입력되는 반전단자, 및
   상기 영교차 기준 전압이 입력되는 비반전 단자를 포함하고,
   상기 영교차전압이 상기 영교차 기준 전압보다 낮아지는 시점에 상기 인에이블 레벨의 영교차검출신호를 생성하는 역률 보상기.
5. 제4항에 있어서,
   상기 영교차검출비교기는 히스테리시스 비교기로 구현되며,
   상기 영교차 기준 전압은 히스테리시스 특성에 따라 제1 기준 전압 레벨 및 상기 제1 기준 전압 레벨보다 높은 제2 기준 전압 레벨을 포함하고,
   상기 영교차검출비교기는,
   상기 영교차전압이 상기 제1 기준 전압보다 작아지는 시점에 상기 인에이블 레벨의 영교차검출신호를 생성하는 역률 보상기.
6. 제3항에 있어서,
   상기 스위치 제어 회로는,
   상기 전력 스위치의 턴 온 기간 동안 일정한 기울기로 상승하는 톱니파와 상기 피드백 전압을 비교하고, 비교 결과에 따라 오프제어신호를 생성하는 듀티비교기, 및
   상기 온제어신호에 따라 상기 전력 스위치를 턴 온 시키고, 상기 오프제어신호에 따라 상기 전력 스위치를 턴 오프 시키는 게이트 제어 신호를 생성하는 SR 플립플롭을 더 포함하는 역률 보상기.
7. 제6항에 있어서,
   상기 듀티 비교기는,
   상기 피드백 전압이 입력되는 반전 단자, 및
   상기 톱니파가 입력되는 비반전 단자를 포함하고,
   상기 SR 플립플롭은,
   상기 온제어신호의 상승 에지에 동기되어 상기 전력 스위치를 턴 온 시키고, 상기 오프제어신호의 상승 에지에 동기되어 상기 전력 스위치를 턴 오프 시키는 상기 게이트 제어 신호를 생성하는 역률 보상기.
8. 제1항에 있어서,
   상기 역률 보상기는,
   입력 전압이 전달되는 1차측의 제1 권선, 출력 전압이 생성되는 2차측의 제2 권선, 및 상기 제1 권선에 소정의 권선비를 가지는 보조 권선을 더 포함하고,
   상기 영교차전압은 상기 보조권선에 발생하는 발생하는 보조 전압에 따르는 역률 보상기.
9. 제8항에 있어서,
   상기 스위치 제어 회로는,
   상기 전력 스위치의 턴 온 시점을 제어하기 위한 소정의 영교차 기준 전압과 상기 영교차전압을 비교하는 영교차검출비교기를 포함하고,
   상기 영교차검출비교기에 연결되어 있는 일단 및 상기 보조 권선에 연결되어 있는 타단을 포함하는 저항, 및
   상기 저항의 일단에 연결되어 있는 커패시터를 더 포함하는 역률 보상기.
10. 입력 전압을 전달받고, 전력 스위치의 스위칭 동작에 따라 출력 전압을 생성하는 역률 보상기의 구동 방법에 있어서,
    상기 전력 스위치의 양단 전압을 감지하기 위한 영교차전압을 이용하여 상기전력 스위치의 스위칭 주파수가 소정의 임계 주파수를 넘지 않도록 상기 전력 스위치의 턴 온 시점을 제어하는 단계, 및
    상기 출력 전압에 대응하는 피드백 전압을 이용하여 상기 전력 스위치의 턴 오프 시점을 제어하는 단계를 포함하는 역률 보상기의 구동 방법.
11. 제10항에 있어서,
    상기 턴 온 시점을 제어하는 단계는,
    상기 전력 스위치가 턴 오프 된 시점으로부터 상기 임계 주파수에 대응하는 소정의 스크린 기간 후, 상기 영교차전압을 이용하여 상기 전력 스위치의 턴 온 시점을 제어하는 단계를 포함하는 역률 보상기의 구동 방법.
12. 제11항에 있어서,
    상기 턴 온 시점을 제어하는 단계는,
    상기 턴 온 시점을 제어하기 위한 영교차 기준 전압과 상기 영교차전압을 비교하고, 비교 결과에 따라 영교차검출신호를 생성하는 단계, 및
    상기 스크린 기간이 경과한 후에 발생하는 인에이블 레벨의 영교차검출신호에 동기되어 상기 전력 스위치를 턴 온 시키기 위한 온제어신호를 생성하는 단계를 포함하는 역률 보상기의 구동 방법.
13. 제12항에 있어서,
    상기 영교차검출신호를 생성하는 단계는,
    상기 영교차전압이 상기 영교차 기준 전압보다 낮아지는 시점에 상기 인에이블 레벨의 영교차검출신호를 생성하는 단계를 포함하는 역률 보상기의 구동 방법.
14. 제13항에 있어서,
    상기 영교차검출신호를 생성하는 단계는 히스테리시스 비교기로 구현되고,
    상기 영교차 기준 전압은 상기 히스테리시스 비교기의 히스테리시스 특성에 따라 제1 기준 전압 레벨 및 상기 제1 기준 전압 레벨보다 높은 제2 기준 전압 레벨을 포함하고,
    상기 인에이블 레벨의 영교차검출신호를 생성하는 단계는,
    상기 영교차전압이 상기 제1 기준 전압보다 작아지는 시점에 상기 인에이블 레벨의 영교차검출신호를 생성하는 단계인 역률 보상기의 구동 방법.
15. 제10항에 있어서,
    상기 턴 오프 시점을 제어하는 단계는,
    상기 전력 스위치의 턴 온 기간 동안 일정한 기울기로 상승하는 톱니파와 상기 피드백 전압을 비교하고, 비교 결과에 따라 턴 오프 시점을 제어하는 단계를 포함하는 역률 보상기의 구동 방법.
16. 제10항에 있어서,
    상기 역률 보상기는, 입력 전압이 전달되는 1차측의 제1 권선, 출력 전압이 생성되는 2차측의 제2 권선, 및 상기 제1 권선에 소정의 권선비를 가지는 보조 권선을 더 포함하고,
    상기 영교차전압은 상기 보조권선에 발생하는 발생하는 보조 전압에 따르는 역률 보상기의 구동 방법.
17. 입력 전압을 전달받고, 전력 스위치의 스위칭 동작에 따라 출력 전압을 생성하는 역률 보상기의 스위치 제어 회로에 있어서,
    상기 전력 스위치의 양단 전압을 감지하기 위한 영교차전압과 상기 전력 스위치의 턴 온 시점을 제어하기 위한 영교차 기준 전압을 비교하고, 비교 결과에 따라 영교차검출신호를 생성하는 영교차검출 비교기, 및
    스크린 기간이 경과한 후에 발생하는 인에이블 레벨의 영교차검출신호에 동기되어 상기 전력 스위치를 턴 온 시키기 위한 온제어신호를 생성하는 주파수 제한부를 포함하고,
    상기 전력 스위치의 스위칭 주파수를 소정의 임계 주파수로 제한할 때, 상기 스크린 기간은 상기 임계 주파수에 대응하는 기간인 스위치 제어 회로.
18. 제17항에 있어서,
    상기 영교차검출비교기는 히스테리시스 비교기로 구현되며,
    상기 영교차 기준 전압은 히스테리시스 특성에 따라 제1 기준 전압 레벨 및 상기 제1 기준 전압 레벨보다 높은 제2 기준 전압 레벨을 포함하고,
    상기 영교차검출비교기는,
    상기 영교차전압이 상기 제1 기준 전압보다 작아지는 시점에 상기 인에이블 레벨의 영교차검출신호를 생성하는 스위치 제어 회로.
19. 제17항에 있어서,
    상기 스위치 제어 회로는,
    상기 전력 스위치의 턴 온 기간 동안 일정한 기울기로 상승하는 톱니파와 상기 출력 전압에 대응하는 피드백 전압을 비교하고, 비교 결과에 따라 오프제어신호를 생성하는 듀티비교기, 및
    상기 온제어신호에 따라 상기 전력 스위치를 턴 온 시키고, 상기 오프제어신호에 따라 상기 전력 스위치를 턴 오프 시키는 게이트 제어 신호를 생성하는 SR 플립플롭을 더 포함하는 스위치 제어 회로.
20. 제17항에 있어서,
    상기 영교차전압은,
    상기 역률 보상기의 입력 전압이 연결되어 있는 1차측 권선에 대해 소정의 권선비를 가지는 보조 권선의 전압에 따르는 스위치 제어 회로.
    

Images