KR101916828B1

KR101916828B1 - 정수기 열전소자용 전원공급장치

Info

Publication number: KR101916828B1
Application number: KR1020180040262A
Authority: KR
Inventors: 박형근
Original assignee: 기산전자 주식회사
Priority date: 2018-04-06
Filing date: 2018-04-06
Publication date: 2018-11-08

Abstract

본 발명은 정수기 열전소자용 전원공급장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 열전소자에 공급되는 전압을 PFM방식으로 스위칭되는 직렬공진형컨버터(40)와, 션트레귤레이터(61)와 포토커플러(62)가 구비된 정수기 열전소자용 전원공급장치에 관한 것이다.

Description

정수기 열전소자용 전원공급장치{Power supply for water purifier thermoelectric element}

본 발명은 정수기 열전소자용 전원공급장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 열전소자에 공급되는 전원을 PFM방식으로 스위칭하여 공급함으로써, 변환효율이 개선되며, 션트레귤레이터와 포토커플러를 직렬연결하여 귀환시 게인을 조정하여 에 열전소자에 공급되는 전압을 제어하는 정수기 열전소자용 전원공급장치에 관한 것이다.

일반적으로, 정수기는 이물질을 깨끗하게 걸러주는 정수 기능을 수행하게 되며, 이에 더해 온도기능이 추가된 냉온수기가 출시되어 물을 시원하게, 혹은 뜨겁게 따라 마실 수 있다.

최근에는 정수기 시장이 커지고, 경쟁 업체 수가 늘어남에 따라 다양한 기능을 추가한 제품들이 시장에 출시되고 있으며, 정수기에서 사용되는 냉온수조에서 이물질이 발견되는 등 위생상 문제점이 발견되어 직수형 정수기의 점유율이 약 40%에 육박하고 있다. 이와 같은, 직수형 정수기의 가파른 성장세에 따라 직수 방식이 저수조 방식을 압도할 것이란 전망도 나온다. 즉, 화려한 기능보다는 '안전한 물' 이란 기본기로 돌아가려는 움직임이 최근 추세이다.

한편, 상기 직수형 정수기에는 물의 온도를 순간적으로 높이거나 낮추기 위해 열전소자가 주로 사용되고 있다. 상기 열전소자는 에너지 절감하기 위해 최근에도 많은 발전이 이루어지고 있으며, 상기 열전소자를 안정적으로 구동하기 위한 전원공급수단으로 SMPS, DC-DC컨버터 등 다양한 전원공급 장치가 제안되고 있다.

이와 관련된 종래기술로 한국공개특허공보 제10-2012-0028694호(2012년03월23일)에는 '열전소자용 전원공급장치'가 개시되었다.

상기 종래기술은, 도 1에 도시된 바와 같이, 외부로부터 입력된 교류(AC) 전원을 직류(DC) 전원으로 변환하는 직류 전원 공급 수단(10); 상기 직류 전원 공급 수단(10)으로부터 제공된 직류 전원을 충전하는 충전 장치(20); 및 상기 충전 장치(20)의 충전 상태를 모니터링하여 상기 충전 상태에 따라 상기 충전 장치(20)를 제어하고 상기 직류 전원공급 수단(10)의 동작을 온/오프시키도록 제어하는 제어 수단(30);을 포함하여 이루어지고,

상기 직류 전원 공급 수단(10)은, 외부로부터 입력된 교류(AC) 전원을 전파 정류하여 전파 정류 파형을 갖는 직류(DC) 전원으로 변환하는 정류기(12); 상기 전파 정류 파형을 구형파로 변환하는 DC-DC 컨버터(15); 반도체 소자를 포함하며, 상기 반도체 소자의 스위칭 속도에 따라 상기 구형파의 펄스 폭을 조절하여 상기 직류(DC) 전원의 파형을 생성하는 펄스 폭 변조부(17); 상기 펄스 폭 변조부(17)의 제어에 의해 동작하며, 상기 반도체 소자의 스위칭 속도에 따라 상기 구형파의 주파수를 조절하여 상기 직류(DC) 전원의 파형을 생성하는 펄스 주파수 변조부(18); 및 상기 펄스 폭 변조되고 펄스 주파수 변조된 구형파를 갖는 상기 직류(DC) 전원을 승압하거나 감압하는 변압기(16);를 포함하여 이루어진다.

다만, 상기한 종래기술은 직류 전원 공급 수단(10)에서 공급되는 직류 전원을 충전하는 별도의 충전 장치(20)가 구비되어야 함으로써, 열전소자용 전원공급장치의 부피가 커져 직수기형 정수기에 사용할 수 없는 문제점이 있었다.

또한, 상기한 종래기술은 상기 펄스 폭 변조부(17)의 필요에 따라 펄스 주파수 변조부(18)가 구동됨으로써, 직류전원 공급수단의 제어수단인 펄스 폭 변조부(17)의 컨버팅 효율이 저감되는 문제점이 있었다.

본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해 창작된 것으로 본 발명의 목적은 외부의 PWM신호에 따라 전압이 승하강되는 포토커플러와, 상기 포토커플러의 전압신호에 따라 주파수를 변경하는 PFM발진부가 구비됨으로써, PFM방식으로 전압을 조절하여 공진형컨버터의 효율이 우수하고, 직류전압을 안정적으로 공급하여 상기 공진형컨버터의 입출력 전달이득 특성을 향상시키는 역률보상부가 구비된 정수기 열전소자용 전원공급장치를 제공함에 있다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의한 정수기 열전소자용 전원공급장치는 정수기에 장착된 열전소자에 전원을 공급하는 정수기 열전소자용 전원공급장치로서, 외부의 교류전원이 입력되고 노이즈가 제거되는 EMI필터와; 상기 교류전원을 전파 정류하는 정류다이오드가 구비된 정류부와; 상기 정류부에서 전파 정류 시 상기 교류전원의 위상 손실이 최소화되록 역률을 보정하는 역률보상부와; 상기 역률보상부에서 공급된 전원을 제어신호에 따라 스위칭하여 공급하는 직렬공진형컨버터와; 상기 직렬공진형컨버터에서 출력되는 전원의 고주파 노이즈를 제거하고 평활하는 다수개의 평활캐패시터가 구비된 출력필터와; 상기 정수기의 제어부에서 입력되는 PWM신호에 따라 전압을 조절하는 션트레귤레이터와, 상기 션트레귤레이터의 전압에 따라 출력전압이 조절되는 포토커플러가 구비된 피드백제어부와; 상기 피드백제어부에서 출력되는 포토커플러의 출력전압에 따라 상기 제어신호의 주파수가 변동되도록 발진하는 발진기가 구비된 PFM발진부;로 이루어진 것을 특징으로 한다.

상기 직렬공진형컨버터는 상기 제어신호에 따라 스위칭되는 한 쌍의 스위칭소자와, 상기 스위칭소자의 출력전압을 변압하는 변압기와, 상기 변압기의 1차코일에 발생되는 누설인덕턴스를 공진인덕터로 활용되도록 직렬연결된 공진캐패시터와, 상기 변압기의 2차코일에 결합되어 정류하는 한 쌍의 제2정류다이오드로 이루어진 것을 특징으로 한다.

상기 역률보상부에는 AC입력 전압이 90Vac 내지 264Vac 구간에서 가변시 직류 정전압을 출력하고, 역률을 보상하는 능동스위칭컨트롤러가 구비된 것을 특징으로 한다.

상기 포토커플러는 상기 션트레귤레이터와 직렬연결되어, 상기 PWM신호에 따른 입력전압이 상기 션트레귤레이터의 기준전압보다 높은 경우 상기 포토커플러의 출력전압은 반비례하여 낮아지고, 상기 PWM신호에 따른 입력전압이 상기 션트레귤레이터의 기준전압보다 낮은 경우에는 상기 포토커플러의 출력전압이 일정하게 유지되는 것을 특징으로 한다.

이와 같이 본 발명에 따른 정수기 열전소자용 전원공급장치는 다음과 같은 효과가 있다.

첫째, 교류(AC) 전원의 위상 손실을 최소화하는 역률보상부에 AC입력 전압을 일정한 직류전압으로 출력하는 능동스위치컨트롤러가 구비됨으로써, 직렬공진형컨버터의 전달이득 개선되어 컨버팅시 변환효율이 상승되고,

둘째, 정수기의 메인 CPU에서 출력되는 PWM신호에 따라 제어되는 션트레귤레이터의 출력전압에 따라 게인이 조절되는 포토커플러가 구비됨으로써, 직류출력 전압을 9 내지 24V의 폭에서 연속적으로 가변할 수 있어 정수기 열전소자의 제어가 용이하며,

셋째, 직렬공진형컨버터에 구비된 변압기의 1차측 코일의 누설인덕턴스를 공진인덕터로 활용함으로써, 전원공급장치의 부품수가 줄어들어 소형화된 정수기에 장착이 용이하고,

넷째, 직렬공진형컨버터가 하프 브릿지 방식으로 구비됨으로써, 변압기의 2차코일에 결합되어 정류하는 한 쌍의 제2정류다이오드의 수명이 향상되고 내구성이 개선되며,

다섯째, 상기 직렬공진형컨버터의 컨버팅시 제어방식으로 종래의 PWM방식 대신 PFM방식을 이용함으로써, 컨버팅 효율이 4% 내지8% 정도 전력효율이 개선되게 된다.

도 1은 종래기술에 따른 열전소자용 전원공급장치의 블럭도이고,
도 2는 본 발명에 따른 정수기 열전소자용 전원공급장치의 블럭도이며,
도 3은 본 발명에 따른 직렬공진형컨버터와 피드백제어부를 나타낸 회로도이고,
도 4는 본 발명에 따른 피드백제어부의 작용을 설명하는 도면이다.

이하에서는, 첨부도면을 참고하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명하기로 한다.

본 발명에 따른 정수기 열전소자용 전원공급장치는, 도 2 내지 도 3에 도시된 바와 같이, 정수기에 장착된 열전소자에 전원을 공급하는 정수기 열전소자용 전원공급장치로서, 외부의 교류전원(AC)이 입력되고 노이즈가 제거되는 EMI필터(10)와; 상기 교류전원(AC)을 전파 정류하는 정류다이오드(21)가 구비된 정류부(20)와; 상기 정류부(20)에서 전파 정류 시 상기 교류전원(AC)의 위상 손실이 최소화되록 역률을 보정하는 역률보상부(30)와; 상기 역률보상부(30)에서 공급된 전원을 제어신호에 따라 스위칭하여 공급하는 직렬공진형컨버터(40)와; 상기 직렬공진형컨버터(40)에서 출력되는 전원의 고주파 노이즈를 제거하고 평활하는 다수개의 평활캐패시터(51)가 구비된 출력필터(50)와; 상기 정수기의 제어부에서 입력되는 PWM신호에 따라 전압을 조절하는 션트레귤레이터(61)와, 상기 션트레귤레이터(61)의 전압에 따라 출력전압이 조절되는 포토커플러(62)가 구비된 피드백제어부(60)와; 상기 피드백제어부(60)에서 출력되는 포토커플러(62)의 출력전압에 따라 상기 제어신호의 주파수가 변동되도록 발진하는 발진기(71)가 구비된 PFM발진부(70);로 이루어진다.

여기서, 상기 평활캐패시터(51)는 다수개가 서로 병렬연결되어 고주파성 노이즈를 제거하고 DC전원을 평활하여 공급하게 된다.

한편, 상기 직렬공진형컨버터(40)는 상기 제어신호에 따라 스위칭되는 한 쌍의 스위칭소자(41)와, 상기 스위칭소자(41)의 출력전압을 변압하는 변압기(42)와, 상기 변압기(42)의 1차코일에 발생되는 누설인덕턴스를 공진인덕터로 활용되도록 직렬연결된 공진캐패시터(43)와, 상기 변압기(42)의 2차코일에 결합되어 정류하는 한 쌍의 제2정류다이오드(44)로 이루어진다. 여기서, 상기 스위칭소자(41)는 Zero Voltage 및 Zero Current일 때 스위칭하는 방식의 Soft Switching 방식으로 구동된다.

그리고, 상기 역률보상부(30)에는 AC입력 전압이 90Vac 내지 264Vac 구간에서 가변시 직류 정전압(+400Vdc)을 출력하고, 역률을 보상하는 능동스위칭컨트롤러(31)가 구비됨으로써, 상기 직렬공진형컨버터(40)가 입력 전압의 변위에 따라 발생되는 전달이득의 감소를 방지하게 되고, 스위칭컨버팅시 효율이 증대되게 된다.

한편, 상기 포토커플러(62)는 상기 션트레귤레이터(61)와 직렬연결된다. 그리고, 도 4에 도시된 바와 같이, 상기 PWM신호에 따른 입력전압이 상기 션트레귤레이터(61)의 기준전압보다 높은 경우 상기 포토커플러(62)의 출력전압은 반비례하여 낮아지고, 상기 PWM신호에 따른 입력전압이 상기 션트레귤레이터(61)의 기준전압보다 낮은 경우에는 상기 포토커플러(62)의 출력전압이 일정하게 유지된다.

즉, 상기 션트레귤레이터(61)의 분기전압이 높아지면, 상기 포토커플러(62)의 게인은 낮아지고(S2), 상기 션트레귤레이터(61)의 분기전압이 기준전압이하로 낮아 지면 상기 포토커플러(62)의 게인은 일정하게 유지되게 됨으로써(S1), 상기 스위칭소자(41)의 스위칭 주파수가 변화되어 출력전압이 가변되게 된다.

상기와 같은 구성으로 이루어진 본 발명에 따른 정수기 열전소자용 전원공급장치의 작용을 살펴보면 아래와 같다.

본 발명에 따른 정수기 열전소자용 전원공급장치는, 도 2 내지 도 4에 도시된 바와 같이, 정수기 내부에 설치된 열전소자를 가열 또는 냉각하기 위해 9V 내지 24V의 직류전압을 안정적으로 공급하게 된다.

여기서, 상기 정수기에는 온수 온도,냉수 온도를 감지하는 제어부가 구비되며, 상기 제어부는 사용자가 설정한 물의 온도와 출수되는 물의 온도를 감지하고, 설정온도와 감지온도의 차이를 PWM신호로 변환하여 션트레귤레이터(61)에 입력하게 된다.

그리고, 상기 션트레귤레이터(61)는 상기 PWM신호에 따라 전압이 승하강되어, 앞서 설명한 바와 같이, 포토커플러(62)의 게인을 조정하게 된다.

이때, 상기 포토커플러(62)의 게인 조정에 따른 출력전압은 PFM발진부(70)의 발진기(71)의 발진주파수를 변경하게 되며, 상기 발진기(71)의 발진주파수에 따라 상기 PFM발진부(70)가 직렬공진형컨버터(40)에 구비된 스위칭소자(41)를 스위칭하는 제어신호를 공급하게 된다. 여기서, 상기 제어신호는 펄스 주파수 변조 방식(PFM)으로 상기 스위칭소자(41)를 스위칭하여 출력전압을 조정하게 된다.

한편, 표 1은 종래 기술의 PWM 방식과 본원 발명에 따른 PFM방식의 컨버팅에 따른 전체 입력전력과 출력전력을 실측하여 비교한 것으로, 본 발명의 PFM방식의 전원공급장치가 약 4% 정도 개선되게 된다.

구분	입력전력(220V)	출력전력		효율(%)
구분	입력전력(220V)	@열전소자(3A)	@제어(1.2A)	효율(%)
본원발명(PFM방식)	114.28W	72W(24V)	28.83W(24.03V)	88.23%
종래기술(PWM방식)	116.46W	69.33W(23.11V)	28.71W(23.93V)	84.18%

한편, 상기 스위칭소자(41)의 출력단에는 변압기(42)의 1차코일에 발생되는 누설인덕턴스를 공진인덕터로 활용되도록 직렬연결된 공진캐패시터(43)와 연결되어, LLC공진탱크를 형성하며, 상기 변압기(42)에 1차측 입력전압을 공급하게 된다.

그리고, 상기 변압기(42)의 2차코일에는 한 쌍의 제2정류다이오드(44)가 하프 브릿지 방식으로 연결되어 전파정류하게 되며, 상기 제2정류다이오드(44)에서 전파정류된 공급전원은 출력필터(50)의 평활캐패시터(51)에서 고주파 노이즈가 제거되고, 평활되어 상기 열전소자에 직류전압을 안정적으로 공급되게 된다.

한편, 외부에서 입력되는 교류전원(AC)은 EMI필터(10)에서 디퍼렌셜 노이즈와 커먼모드노이즈가 제거되고, 정류부(20)에서 전파정류된다. 상기 정류부(20)에서 공급되는 전파정류된 입력전원이 90Vac 내지 264Vac 구간에서 가변시에도 역률보상부(30)에 구비된 능동스위칭컨트롤러(31)가 대략 400V의 DC전원을 직렬공진형컨버터(40) V_i로 공급하게 된다.

상기 능동스위칭컨트롤러(31)의 안정적인 직류전원공급은 상기 직렬공진형컨버터(40)의 전달이득을 안정적으로 유지시켜 스위칭컨버팅시 효율이 증대되게 된다.

본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 범위 내에 있게 된다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
10 : EMI필터 20 : 정류부
21 : 정류다이오드 30 : 역률보상부
31 : 능동스위칭컨트롤러 40 : 직렬공진형컨버터
41 : 스위칭소자 42 : 변압기
43 : 공진캐패시터 44 : 제2정류다이오드
50 : 출력필터 51 : 평활캐패시터
60 : 피드백제어부 61 : 션트레귤레이터
62 : 포토커플러 70 : PFM발진부
71 : 발진기
AC : 교류전원
S1 : 포토커플러의 게인이 일정하게 유지되는 영역
S2 : 포토커플러의 게인이 가변되는 영역

Claims

정수기에 장착된 열전소자에 전원을 공급하는 정수기 열전소자용 전원공급장치에 있어서,
외부의 교류전원(AC)이 입력되고 노이즈가 제거되는 EMI필터(10)와; 상기 교류전원(AC)을 전파 정류하는 정류다이오드(21)가 구비된 정류부(20)와; 상기 정류부(20)에서 전파 정류시 상기 교류전원(AC)의 위상 손실이 최소화되록 역률을 보정하는 역률보상부(30)와; 상기 역률보상부(30)에서 공급된 전원을 제어신호에 따라 스위칭하여 공급하는 직렬공진형컨버터(40)와; 상기 직렬공진형컨버터(40)에서 출력되는 전원의 고주파 노이즈를 제거하고 평활하는 다수개의 평활캐패시터(51)가 구비된 출력필터(50)와; 상기 정수기의 제어부에서 입력되는 PWM신호에 따라 전압을 조절하는 션트레귤레이터(61)와, 상기 션트레귤레이터(61)의 전압에 따라 출력전압이 조절되는 포토커플러(62)가 구비된 피드백제어부(60)와; 상기 피드백제어부(60)에서 출력되는 포토커플러(62)의 출력전압에 따라 상기 제어신호의 주파수가 변동되도록 발진하는 발진기(71)가 구비된 PFM발진부(70);로 이루어지고,
상기 직렬공진형컨버터(40)는 상기 제어신호에 따라 스위칭되는 한 쌍의 스위칭소자(41)와, 상기 스위칭소자(41)의 출력전압을 변압하는 변압기(42)와, 상기 변압기(42)의 1차코일에 발생되는 누설인덕턴스를 공진인덕터로 활용되도록 직렬연결된 공진캐패시터(43)와, 상기 변압기(42)의 2차코일에 결합되어 정류하는 한 쌍의 제2정류다이오드(44)로 이루어지며,
상기 역률보상부(30)에는 AC입력 전압이 90Vac 내지 264Vac 구간에서 가변시 직류 정전압을 출력하고, 역률을 보상하는 능동스위칭컨트롤러(31)가 구비되고,
상기 포토커플러(62)는 상기 션트레귤레이터(61)와 직렬연결되어, 상기 PWM신호에 따른 입력전압이 상기 션트레귤레이터(61)의 기준전압보다 높은 경우 상기 포토커플러(62)의 출력전압은 반비례하여 낮아지고, 상기 PWM신호에 따른 입력전압이 상기 션트레귤레이터(61)의 기준전압보다 낮은 경우에는 상기 포토커플러(62)의 출력전압이 일정하게 유지되는 것을 특징으로 하는 정수기 열전소자용 전원공급장치.
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