KR101954636B1 - 간단한 고역률 스위칭 정류기의 제어회로 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 교류전압을 직류전압으로 변환시키는 부스트 컨버터 회로를 포함하는 고주파 스위칭 정류기에서 높은 역률과 일정한 출력전압을 유지할 수 있도록 부스트형 정류회로를 사용하고, 부스트형 정류기를 전류경계모드에서 제어하기 위해서 기준전압과 출력전압의 오차를 증폭하는 오차증폭기, 부스트형 정류기의 인덕터와 공유 결합된 2차 권선 전압을 측정하는 입력전압 분배기와 2차측 전압에 비례하는 삼각파전압발생기, 두 개의 전압을 곱하는 곱셈기, 곱셈기 출력과 삼각파 전압을 비교하는 비교기, 부스트 인덕터의 전압에서 영전압검출기, 필터 및 펄스 렛치 회로를 거쳐서 부스트 컨버터의 주스위치의 구동전압을 높은 스위칭 주파수로 조정하여 입력 역률과 전력변환 효율을 높이고 고신뢰성의 스위칭 정류기를 구현할 수 있는 간단한 고역률 스위칭 정류기의 제어회로를 제공한다.

Description

간단한 고역률 스위칭 정류기의 제어회로{SIMPLE CONTROL CIRCUIT OF SWITCHING RECTIFIER WITH HIGH POWER FACTOR}
본 발명은 고역률 스위칭 전원장치의 제어회로에 관한 것으로, 특히 교류를 직류전압으로 변환시켜주는 부스트형 스위칭 정류기의 제어회로에서 필수적으로 사용하였던 전류검출 회로와 고압의 입력전압 검출회로를 사용하지 않고 정류기를 효과적으로 제어할 수 있는 정류기 제어회로를 구성하여 스위칭 정류기 전원장치의 소형화와 고효율 설계를 용이하게 수행할 수 있도록 하는 간단한 스위칭 정류기의 제어회로에 관한 것이다.
일반적으로 스위칭 전원장치는 안정된 출력전압을 목적으로 하는 전력변환 장치이다. 특히, 교류를 입력으로 하는 스위칭 전원장치의 경우, 교류전압을 직류전압으로 변환시키는 정류회로가 필수적으로 이용되는데 이 때 주로 사용되는 회로방식이 부스트 컨버터이다. 부스트 컨버터는 입력전압보다 높은 출력전압으로 변환하는 경우 사용되는 회로방식이지만 입력단에 인덕터가 있어서 입력전류가 연속적으로 흐르기 때문에 입력단 필터의 부담이 작고 간단한 전류필터의 구성이 가능하다는 장점이 있다.
부스트 컨버터 회로를 포함하는 정류회로(이하, '스위칭 정류기')는 기본적으로 교류전압을 직류전압으로 변환시키는 기능 외에도 입력전류의 파형을 입력전압 파형과 같아지도록 제어하여 입력 역률을 높이고 고조파를 저감시키는 역률개선회로로서의 부가적인 기능을 수행하게 된다. 또한, 고주파 스위칭 동작 때문에 주요 소자의 사이즈를 줄일 수 있고 내부 손실이 저감되므로 전력변환 효율을 높일 수 있는 정류방식으로 널리 알려져 있다.
부스트 컨버터를 사용하는 역률개선회로 또는 스위칭 정류기는 제어방식에 따라 크게 전류연속모드와 전류경계모드로 나눌 수 있으며, 전류연속모드 방식은 인덕터 전류가 항상 연속으로 흐르기 때문에 비교적 출력용량이 큰 정류기 회로에 사용되며, 전류경계모드는 인덕터의 전류가 영전류 경계영역에서 제어되는 방식으로 일반적으로 작은 용량의 스위칭 정류기에 적합한 회로방식으로 알려져 있다. 전류경계모드 제어방식은 제어방식이 간단하고 높은 역률 개선효과와 효율 특성이 좋기 때문에 산업계에서 널리 사용되고 있으며, 최근 여러 반도체 제조사로부터 복수개의 제어용 반도체들이 상용화되어 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 시비율(Duty-Ratio)을 제어하여 전압을 정류해주는 기능과 역률 개선효과를 얻게 된다. 이러한 전류검출용 저항은 비교적 많은 전류가 지나가는 회로에 위치하기 때문에 전력손실이 발생하고 컨버터의 효율을 낮추게 되며, 전류 파형의 고주파 노이즈로 인한 제어회로의 오동작과 인쇄회로기판의 패턴 최적 설계에 방해가 되어 실제 회로설계에 걸림돌이 되고 있다.
도 1은 종래기술에 따른 역률개선회로에 사용된 부스트 컨버터와 전류검출용 저항을 사용한 스위칭 정류기 제어회로의 개념도이고, 도 2는 도 1에 나타낸 회로의 입력전압에 따른 주요 파형을 나타낸 것으로서, 전술한 종래기술에 따른 스위칭 정류기 제어회로를 도 1 및 도 2를 참조하여 상세히 설명한다.
도 1을 참조하면, 종래기술에 따른 스위칭 정류기 제어회로는, 입력측의 브릿지 다이오드(D2, D3, D4, D5)와 부스트 컨버터(T1-MOS1-D1)가 결합된 회로에서, 부스트 컨버터의 주 스위치(MOS1)를 제어하기 위해서 스위치(MOS1)와 직렬로 저항(RS)을 삽입하여 전류를 검출하고, 입력전압(Vin)을 직렬저항(R15, R16)로 전압분배하여 입력전압을 검출하여, 인덕터 전류(iL)가 적정한 기준값에 이르렀을 때 주 스위치(MOS1)가 턴오프 되도록 제어회로를 구성하였으며, 부스트 인덕터(T1)에 권선을 추가(SRFF에 연결된 T1)하여 인덕터 전류(iL)가 0을 지날 때 주 스위치(MOS1)가 턴온 되도록 영전류 검출기(SRFF)를 추가하여 제어회로를 완성하게 된다. 그 결과, 인덕터 전류(iL)는 항상 0에서 턴온 되어 직선으로 증가하다가 최대값에서 턴오프 되고 이후 다시 0이 될 때까지 직선으로 감소한다. 인덕터 전류(iL)가 삼각형 형태가 되고 삼각형 전류의 평균값은 인덕터 전류(iL)의 피크값에 비례하게 되어 결국 입력전류는 정현파 형태로 변환되므로, 입력전류의 역률이 높아지면서 고조파전류가 저감되어 당초 제어회로의 목적을 달성하게 된다.
도 1 및 도 2에 나타낸 바와 같이, 종래기술에 따른 스위칭 정류기 제어회로는, 부스트형 정류기를 제어하기 위해서 인덕터 또는 스위치의 전류를 검출해야 하기 때문에 전류검출용 저항을 회로에 사용하고, 이 저항에 전류가 흐르면서 전력손실이 발생하는 문제가 있었다.
한편, 전술한 종래기술에 따른 스위칭 정류기 제어회로의 문제점을 해결하기 위하여, 대한민국 등록특허공보 제10-1609726호에는 전류검출용 저항을 제어회로에서 제거하여 저항으로 인한 전력손실을 원천적으로 차단하고, 이에 따라 전력변환 손실을 줄이고 전력변환 효율을 높일 수 있는 고역률 스위칭 정류기의 제어회로가 개시되어 있다. 이를 도 3 내지 도 5에 나타내었다.
도 3은 종래기술에 따른 역률개선회로에 사용된 부스트 컨버터와 전류검출용 저항을 사용하지 않는 스위칭 정류기의 회로도이고, 도 4는 도 3에 나타낸 스위칭 정류기 회로의 주요 파형도이며, 도 5는 도 3에 나타낸 스위칭 정류기의 입력전압 반주기 정상상태에 대한 주요 파형도이다.
도 3 내지 도 5를 참조하면, 종래기술에 따른 전류검출용 저항을 사용하지 않는 스위칭 정류기 제어회로는, 정현파 교류전압(vIN)을 입력으로 하고, 브릿지 다이오드(D2, D3, D4, D5)를 거쳐서 부스트 컨버터(T3-MOS1-D1)를 직렬로 연결하면 교류전압(vIN)을 직류전압(Vo)으로 변환시켜주는 스위칭 정류기가 구성이 되며, 부스트 컨버터의 주 스위치(MOS1)를 제어하는 온-오프 제어회로를 아래와 같이 구성한다.
교류입력전압(vIN)에서 브릿지 다이오드(D2, D3, D4, D5)를 통과하여 전파정류된 입력전압(V14)은 직렬로 연결된 저항(R15, R16)으로 구성된 입력전압분배기를 통해 전압이 분배되고 입력전압에 비례하는 입력분배전압(V4)을 얻게 되며, 정류기 출력전압(V15)을 직렬 연결된 저항(R12, R13)으로 분배하는 출력전압분배기를 통해 출력전압과 비례하는 출력분배전압(V1)을 만들어서 연산증폭기(OP_AMP1)로 구성된 오차증폭기의 마이너스 입력단에 연결되고, 일정한 직류전압(VREF)으로 구성된 기준전압(V2)를 준비하여 오차증폭기의 플러스 입력단자에 연결하여 출력전압에 반비례하는 오차전압(V3)을 발생하며, 이때 주파수 응답을 개선하기 위한 주파수보상 소자(R17, R14, C12, C13)를 적용한다.
입력분배전압(V4)와 오차전압(V3)의 전압을 입력으로 곱셈 연산하는 곱셈연산기(MULT1)를 거치면 입력전압과 출력전압에 비례하는 전류기준전압(V6)을 얻게 되며, 입력전압(V14)로 바이어스 되는 삼각파발생기는 시정수용 소자(R10, C7)에 의해 발진용 스위치(MOS2)가 턴오프 될 때 삼각파전압(V5)의 피크값은 입력전압(V14)에 비례하게 된다. 삼각파전압(V5)를 플러스 입력으로 하고, 전류기준전압(V6)을 마이너스 압력으로 하는 연산증폭기(COMP1)로 구성된 비교기는 삼각파전압(V5)이 전류기준전압(V6)보다 클 때 주 스위치(MOS1)의 턴오프 신호를 발생해주기 위한 턴오프전압(V7)을 SR래치(SRFF2)로 구성된 래치의 R단자에 입력되며, 부스트용 인덕터의 보조권선(N2)에 인덕터 전압(V13)을 영전압검출기를 통해 영전압(V8)을 발생하고, 인버터로직(NOT2, NOT3)으로 구성된 필터에 의해 영전압(V8)신호는 주 스위치(MOS1)의 턴온신호전압(V10)을 SR래치(SRFF2)로 구성된 래치의 S단자에 입력된다. 래치의 보조 출력은 발진용 스위치(MOS2)의 제어전압(V12)으로 인가되어 적정한 삼각파 발생신호를 보조하고, 래치의 주출력은 두 개의 입력전압(V7, V10)의 신호에 의해 주 스위치(MOS1)의 제어신호인 구동전압(V11)을 발생하여 부스트 컨버터를 높은 스위칭 주파수로 스위칭 하면서 입력 전류를 정현파로 만들고 출력전압을 안정화시키는 정류기 제어회로를 구성하게 된다. 전술한 제어동작에 의해서 입력교류전압이 인가되면 입력전압의 형상에 따른 삼각파형의 피크값이 결정되고 삼각파와 비례하는 인덕터 전류가 생성되어, 결국은 입력전압과 입력전류가 같은 정현파 형태가 된다.
전술한 도 3의 종래기술에 따른 스위칭 정류기 제어회로는 전류검출용 저항을 사용하지 않기 때문에, 저항으로 인한 전력손실을 원천적으로 차단하고, 이에 따라 전력변환 손실을 줄이고 전력변환 효율을 높일 수 있는 장점이 있다. 그러나 여전히 입력분배전압(V4)을 얻기 위하여, 고전압(약 400V)의 입력전압과 제어회로가 직접 연결되어야 하므로, 낙뢰나 서지의 발생 시 또는 주변에서 전열장치 등을 사용함에 따라 발생하는 사소한 노이즈에 의하여도 제어회로에 이상이 발생할 수 있는 위험성이 잠재되어 있다.
따라서 스위칭 정류기 제어회로에 있어서, 많은 전력이 흐르는 파워부와, 파워부의 전력을 제어하는 제어부 간에 연결되는 부분을 최소화하여 더욱 안정적으로 파워부를 제어할 수 있는 방안이 지속적으로 요구되고 있다.
KR 10-1609726 B1 (2016.03.31) JP 2012-175828 A (2012.09.10)
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이에 본 발명자는 상술한 제반 사항을 종합적으로 고려하여 부스트 컨버터 회로를 포함하는 종래의 고주파 스위칭 정류기가 지닌 한계 및 문제점의 해결에 역점을 두어, 정격 전력의 변동에도 더욱 안정적으로 스위칭 정류기를 제어할 수 있는 새로운 스위칭 정류기의 제어회로를 개발하고자 각고의 노력을 기울여 부단히 연구하던 중 그 결과로써 본 발명을 창안하게 되었다.
따라서 본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제 및 목적은 부스트 컨버터 회로를 포함하는 고역률 스위칭 정류기에서, 부스트 컨버터 내부에 전류검출용 저항뿐만 아니라 고압의 입력전압을 직접 검출하는 분배저항 등의 입력전압 검출회로를 사용하지 않도록 하여, 분배저항으로 인한 전력손실을 원천적으로 제거함에 따라 전력변환 손실을 줄이고 전력변환 효율을 높일 수 있는 간단한 고역률 스위칭 정류기의 제어회로를 제공하는데 있다.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 간단한 고역률 스위칭 정류기의 제어회로는 부스트 컨버터를 구성하는 인덕터에 2차 권선을 구비하고, 상기 인덕터의 1차 권선과 상기 2차 권선의 권선비에 비례하는 입력비례전압을 정류용 다이오드로 정류하여, 입력전압을 간접적으로 측정하는 것을 특징으로 한다.
이때, 본 발명에 따른 간단한 고역률 스위칭 정류기의 제어회로에 있어서, 상기 입력비례전압은 상기 제어회로를 구성하는 입력전압분배기 및 영전압검출기의 입력으로 인가되는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 간단한 고역률 스위칭 정류기의 제어회로는, 부스트 컨버터를 구성하는 인덕터의 2차 권선의 일단에 연결되는 정류용 다이오드로 구성되어, 상기 인덕터의 1차 권선과 상기 2차 권선의 권선비에 비례하는 입력비례전압을 정류하는 입력전압측정부; 상기 입력전압측정부와 연결되어 상기 입력비례전압을 분배하는 입력전압분배기; 상기 부스트 컨버터의 출력전압을 분배하는 출력전압분배기; 상기 출력전압분배기의 전압과 직류전압으로 구성된 기준전압을 입력으로 하여 출력전압에 반비례하는 오차전압을 발생하는 오차증폭기; 상기 입력전압분배기에서 분배된 전압과 상기 오차전압을 곱셈 연산하여 입력전압과 출력전압에 비례하는 전류기준전압을 출력하는 곱셈기; 상기 입력전압측정부와 연결되어 상기 입력비례전압과 비례하는 피크값을 갖는 삼각파전압을 발생하는 삼각파발생기; 상기 삼각파발생기가 출력하는 삼각파전압과 상기 곱셈기가 출력하는 상기 전류기준전압을 비교하여, 상기 삼각파전압이 상기 전류기준전압보다 크면 턴오프전압을 출력하는 비교기; 상기 인덕터의 2차측 전압으로부터 영전압을 검출하는 영전압검출기; 및 상기 비교기의 턴오프전압과 상기 영전압검출기의 영전압을 입력으로 하며, 상기 삼각파발생기의 발진용 스위치를 제어하는 제어전압 및 상기 부스트 컨버터의 스위치를 제어하는 구동전압을 출력하는 래치회로;로 구성되는 것을 특징으로 한다.
이때, 본 발명에 따른 간단한 고역률 스위칭 정류기의 제어회로에 있어서, 상기 오차증폭기는, 상기 출력전압분배기와 상기 곱셈기 사이에 하나 이상의 저항 및 커패시터를 포함하는 주파수보상회로를 더 구비하는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명에 따른 간단한 고역률 스위칭 정류기의 제어회로에 있어서, 상기 삼각파발생기는, 상기 입력전압측정부와 직렬로 연결된 시정수용 소자와 발진용 스위치로 구성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 간단한 고역률 스위칭 정류기의 제어회로에 있어서, 상기 영전압검출기는, 상기 인덕터의 2차 권선에 직렬 연결되는 캐패시터 및 저항을 포함하는 영전압검출용 소자로 구성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 간단한 고역률 스위칭 정류기의 제어회로는, 상기 영전압검출기와 상기 래치회로 사이에, 상기 영전압검출기에서 출력되는 영전압을 필터링하는 복수개의 인버터로직으로 구성되는 필터;를 더 구비하는 것이 바람직하다.
전술한 바와 같이, 본 발명은 고역률 스위칭 정류기에서 부스트 컨버터 내부에 전류검출용 저항을 사용하지 않고 입력전류의 역률을 높은 값으로 유지할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 고압의 입력전압을 직접 검출하는 분배저항 등의 입력전압 검출회로를 사용하지 않기 때문에 분배저항으로 인한 전력손실을 원천적으로 차단하여 전력변환 손실을 줄이고 전력변환 효율을 높일 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 내부의 전류검출용 저항을 사용하지 않고 입력전류의 고조파를 저감시킬 수 있으며, 인덕터 전류가 전류경계모드에서 동작하기 때문에 높은 고주파 스위칭 동작에서도 스위치의 전류가 항상 영전류 스위칭 동작이 가능할 뿐만 아니라, 이에 따라 스위칭 손실이 원리적으로는 없기 때문에 스위칭 정류기의 전력변환 효율을 높이는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 전류검출용 저항이 생략되었기 때문에 내부의 전력손실을 저감시키고 결과적으로는 전력변환 효율을 개선하여 스위칭 전원장치의 내부 발열을 낮출 수 있으며, 따라서 수명이 늘어나 높은 신뢰성을 갖는 고효율 전원장치를 제공할 수 있는 장점이 있다.
도 1은 종래기술에 따른 역률개선회로에 사용된 부스트 컨버터와 전류검출용 저항을 사용한 스위칭 정류기의 회로도,
도 2는 도 1에 나타낸 회로의 입력전압에 따른 주요 파형도,
도 3은 종래기술에 따른 역률개선회로에 사용된 부스트 컨버터와 전류검출용 저항을 사용하지 않는 스위칭 정류기의 회로도,
도 4는 도 3에 나타낸 스위칭 정류기 회로의 주요 파형도,
도 5는 도 3에 나타낸 스위칭 정류기의 입력전압 반주기 정상상태에 대한 주요 파형도,
도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 간단한 고역률 스위칭 정류기의 제어회로도,
도 7은 도 6의 제어회로를 적용한 고역률 스위칭 정류기의 회로도,
도 8은 본 발명에 따른 간단한 고역률 스위칭 정류기의 제어회로를 부스트 컨버터에 적용한 개념도,
도 9는 도 7에 나타낸 본 발명에 따른 간단한 고역률 스위칭 정류기 회로의 각 부분의 파형도,
도 10은 도 9에 나타낸 본 발명에 따른 간단한 고역률 스위칭 정류기 회로의 파형도 중 부스트 컨버터의 각 부분의 정상상태에서의 한 주기 파형도,
도 11은 본 발명에 따른 간단한 고역률 스위칭 정류기의 부스트 컨버터의 주요 소자의 시뮬레이션 및 실험 파형도,
도 12는 본 발명에 따른 간단한 고역률 스위칭 정류기의 입력전압과 입력전류에 대한 시뮬레이션 파형도,
도 13은 본 발명에 따른 간단한 고역률 스위칭 정류기의 입력전압과 입력전류에 대한 실험 파형도,
도 14는 본 발명에 따른 제어회로를 적용한 고역률 스위칭 정류기의 시제품에 대한 정상상태 특성 그래프.
이하에서는 본 발명에 따른 간단한 고역률 스위칭 정류기의 제어회로에 대한 실시 예를 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 이하에서 설명되는 실시 예는 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위하여 제공되는 것으로, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시 예에 한정되지 않고 다양한 형태로 구현될 수 있다.
도면들 중 동일한 구성들은 가능한 한 어느 곳에서든지 동일한 부호들을 나타낸다. 하기의 설명에서 구체적인 특정 사항들이 나타나고 있는데, 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해 제공된 것일 뿐, 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.
여기서, 첨부된 도면들은 기술의 구성 및 작용에 대한 설명과 이해의 편의 및 명확성을 위해 일부분을 과장하거나 간략화하여 도시한 것으로, 각 구성요소가 실제의 크기와 정확하게 일치하는 것은 아님을 밝힌다.
제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 한다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
아울러 어떤 부분이 어떤 구성요소를 포함한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미하며, "부"의 용어에 대한 의미는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위 또는 모듈 형태를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 혹은 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수도 있다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 것으로서, 이는 본 발명의 기술적 사상에 부합되는 개념과 당해 기술분야에서 통용 또는 통상적으로 인식되는 의미로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
먼저, 도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 간단한 고역률 스위칭 정류기의 제어회로도이고, 도 7은 도 6의 제어회로를 적용한 고역률 스위칭 정류기의 회로도이며, 도 8은 본 발명에 따른 간단한 고역률 스위칭 정류기의 제어회로를 부스트 컨버터에 적용한 개념도이다. 이하, 도 6 내지 도 8을 참조하여 본 발명에 따른, 전류검출용 저항 및 입력전압 검출회로를 사용하지 않는 스위칭 정류기 제어 회로의 구성 및 동작에 대하여 상세히 설명한다.
도 6 내지 도 8을 참조하면, 본 발명에 따른 간단한 고역률 스위칭 정류기의 제어회로는, 도 7에 도시된 바와 같이 정현파 교류전압(vIN)을 입력으로 하고, 브릿지 다이오드(D2< D3, D4, D5)를 거쳐서 부스트 컨버터(T3-MOS1-D1)를 직렬로 연결하여 구성되는 교류전압(vIN)을 직류전압(Vo)으로 변환시켜주는 스위칭 정류기에서, 부스트 컨버터의 주 스위치(MOS1)를 제어하는 온-오프 제어회로를 도 6과 같이 구성한다.
교류입력전압(vIN)에서 브릿지 다이오드(D2, D3, D4, D5)를 통해 전파정류된 입력전압(VBD)은 스위치(MOS1)가 온/오프 될 때마다 극성이 달라지는 인덕터 1차측 전압(VLP)이 유기되고, 인덕터(T3)에 2차 권선을 준비하여 권선비(N1:N2)에 비례하는 입력비례전압(V13)을 생성한다. 이때 스위치(MOS1)가 턴온 되었을 때 인덕터 1차측 전압(VLp)과 인덕터 2차측 전압(VLs)은 하기의 수학식1과 같다.
Figure 112017079732257-pat00001
상기 수학식1에서 나타낸 바와 같이, 공유인덕터(T3)의 2차측 전압(VLs)은 부스트 컨버터의 입력전압(VBD)과 비례 관계에 있으며, 정류용 다이오드(D6)에 의해 공유인덕터(T3)의 2차측 전압(VLs)이 플러스 될 때만 전압이 통과되어 기존의 삼각파발생기에 입력되는 입력전압의 측정전압을 대체하게 된다. 인덕터(T3)의 2차 권선에 연결되는 정류용 다이오드(D6)는 입력전압측정부(109)를 구성한다.
특히, 공유인덕터(T3)의 2차측에서 정류된 전압(V14)은 직렬로 연결된 저항(R15, R16)으로 구성된 입력전압분배기(102)를 통해 전압이 분배되고, 최종적으로는 입력전압(vIN)에 비례하는 입력분배전압(V4)을 얻게 되며, 정류기의 측정된 출력전압(V15)을 직렬 연결된 저항(R12, R13)으로 분배하는 출력전압분배기(100)를 통해 측정된 출력전압(V15)과 비례하는 출력분배전압(V1)을 만들어서 연산증폭기(OP_AMP1)로 구성된 오차증폭기(101)의 마이너스 입력단에 연결되고, 일정한 직류전압(VREF)으로 구성된 기준전압(V2)를 준비하여 오차증폭기(101)의 플러스 입력단자에 연결하여 측정된 출력전압(V15)에 반비례하는 오차전압(V3)을 발생토록 한다.
이때, 오차증폭기(101)는 주파수 응답을 개선하기 위한 주파수보상 소자(R17, R14, C12, C13)를 적용하는 것이 바람직하며, 입력분배전압(V4)과 오차전압(V3)의 전압을 입력으로 곱셈 연산하는 곱셈연산기(103)를 거치면 입력전압과 출력전압에 비례하는 전류기준전압(V6)을 얻게 된다.
측정된 입력전압(V14)으로 바이어스 되는 삼각파발생기(106)는 시정수용 소자(R10, C7)에 의해 발진용 스위치(MOS2)가 턴오프 될 때 삼각파전압(V5)의 피크값이 입력비례전압(V14)에 비례하게 되며, 삼각파전압(V5)를 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 발생하기 위한 턴오프전압(V7)을 SR래치(SRFF2)로 구성된 래치(105)의 R단자에 인가한다.
영전압검출용 소자(C11, R11)로 구성된 영전압검출기(108)는 인덕터(T3)의 2차측 전압(V13)으로부터 영전압(V8)을 검출하고, 검출된 영전압(V8)은 인버터로직(NOT2, NOT3)으로 구성된 필터(107)에 의해 SR래치(SRFF2)로 구성된 래치(105)의 S단자에 주 스위치(MOS1)의 턴온 신호전압(V10)으로 입력된다.
래치(105)의 보조출력은 삼각파발생기 스위치(MOS2)의 제어전압(V12)으로 전달되어 적정한 삼각파 발생신호를 보조하도록 하고, 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 구성한다.
도 9는 도 7에 나타낸 본 발명에 따른 간단한 고역률 스위칭 정류기 회로의 각 부분의 파형도로서, 좌우 세 개로 분리된 파형들은 입력전압(vIN)이 각각 100V, 150V, 200V 인 경우의 회로 시뮬레이션 프로그램인 PSIM으로 구현된 이론 파형이며, 위에서 첫 번째 파형부터 인덕터전류(iL), 인덕터전압(VLp), 삼각파발생전압(V5), 영전압검출전압(V10), 주 스위치(MOS1)의 구동전압(V11=VGS) 순으로 나타내었다. 도 9에 의하면, 입력전압(vIN)이 100V인 경우 삼각파발생전압(V5)의 최대값이 높아져서 구동전압(V11=VGS)의 턴온 시간이 길어지므로 인덕터전류(iL)의 피크값이 증가한다. 반면, 입력전압(vIN)이 200V 및 300V로 증가하면 삼각파발생전압(V5)의 최대값이 낮아져서 구동전압(V11=VGS)의 턴온 시간이 짧아지고 따라서 인덕터전류(iL)의 피크값이 감소한다. 이러한 특성은 부스트 컨버터로 스위칭 정류기를 구현했을 때 나타나는 일반적인 현상이며, 정상적인 정류기 동작을 수행하고 있다는 것을 알 수 있다.
도 10은 도 9에 나타낸 본 발명에 따른 간단한 고역률 스위칭 정류기 회로의 파형도 중 부스트 컨버터의 각 부분의 정상상태에서의 한 주기 파형도를 상세하게 나타낸 도면으로서, 먼저 스위치(MOS1)가 턴온 되었을 때, 인덕터전류(iL)가 0에서 출발하여 일정하게 증가하고 동시에 인덕터 2차측 전압(VLs)이 유도되어 삼각파발생전압(V5)의 목표값이 제어회로에 의해 만들어지고, 제어동작에 의해 삼각파발생전압(V5)의 피크값이 결정되면 스위치(MOS1)가 턴오프 된다. 이때, 스위치전류(iSW)가 0이 되고, 다이오드전류(iD)가 스위치전류(iSW)를 받아 정류기의 출력으로 에너지를 전달하게 된다.
도 11은 본 발명에 따른 간단한 고역률 스위칭 정류기의 부스트 컨버터의 주요 소자의 시뮬레이션 및 실험 파형도를 대비하여 나타낸 도면으로서, 좌측의 파형은 실제 시제품의 실험파형이고, 우측은 회로 시뮬레이션 프로그램으로 수행된 이론파형을 나타낸 것이다. 또한, 도 11에서는 인덕터 1차측 전류(iL)와 주 스위치의 전압(VMOS)을 나타내었으며, 스위치 전압(VMOS)이 턴온 되기 전에 인덕터 전류(iL)가 0이하로 흐르면서 스위치(VMOS) 턴온 시 전류가 흐르지 않는 소위 영전류 구간이 존재함으로써 영전류 스위칭이 가능하다는 것을 알 수 있고, 이러한 특성 때문에 스위칭 손실이 저감되고 따라서 효율 특성이 개선될 수 있음을 확인할 수 있다.
도 12는 본 발명에 따른 간단한 고역률 스위칭 정류기의 입력전압과 입력전류에 대한 시뮬레이션 파형도로서, 입력전압(vIN)이 위쪽 파형은 240V이고, 아랫쪽 파형은 200V이다. 본 발명에 따른 간단한 고역률 스위칭 정류기를 적용하는 경우 입력전압(vIN)으로 정현파의 교류전압이 인가되면 스위칭 정류기의 입력전류(iIN)는 입력전압의 형태와 같은 정현파가 된다는 것을 알 수 있으며, 따라서 입력전류(iIN)의 고조파가 작아지고, 전류왜율이 낮아지면서 입력역률이 증가하여 전력을 효율적으로 사용할 수 있다는 것을 증명해준다.
도 13은 본 발명에 따른 간단한 고역률 스위칭 정류기의 입력전압과 입력전류에 대한 실험 파형도로서, 도 12의 이론 파형에서도 확인했듯이 도 13의 실험파형에서도 입력전압의 변화에 의해서도 입력전압(vIN)과 입력전류(iIN)가 같은 형상으로 정현파가 생성되며, 따라서 입력전류(iIN)의 고조파가 작아지고, 전류왜율이 낮아지면서 입력역률이 증가하여 전력을 효율적으로 사용할 수 있다는 것을 확인할 수 있다.
도 14는 본 발명에 따른 제어회로를 적용한 고역률 스위칭 정류기의 시제품에 대한 정상상태 특성 그래프를 나타낸 도면으로서, 위쪽 좌측의 출력전압 특성 그래프에서 스위칭 정류기의 출력전압은 입력전압, 부하전류의 변화에 대해 일정한 출력전압을 유지하고 있다. 위쪽 우측의 전력손실 특성 그래프에서는 낮은 입력전압인 경우 높은 입력전압보다 전력손실이 증가한다. 한편, 전력변환 효율 특성 그래프에서는 높은 입력전압에서 최대 97.5% 이상의 고효율을 보이고 있으며, 역률 특성 그래프에서도 전범위 내에서 90% 이상의 고역율 특성을 나타내는 것을 확인할 수 있다.
전술한 바와 같이, 본 발명에 따른 간단한 고역률 스위칭 정류기의 제어회로는 부스트 컨버터 내부에 전류검출용 저항을 사용하지 않고 입력전류의 역률을 높은 값으로 유지할 수 있고, 고압의 입력전압을 직접 검출하는 분배저항 등의 입력전압 검출회로를 사용하지 않기 때문에 분배저항으로 인한 전력손실을 원천적으로 차단하여 전력변환 손실을 줄이고 전력변환 효율을 높일 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 간단한 고역률 스위칭 정류기의 제어회로는 전류검출용 저항이 생략되었기 때문에 내부의 전력손실을 저감시키고 결과적으로는 전력변환 효율을 개선하여 스위칭 전원장치의 내부 발열을 낮출 수 있으므로 수명이 늘어나 높은 신뢰성을 갖는 고효율 전원장치를 제공할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 간단한 고역률 스위칭 정류기의 제어회로는 스위치 전압이 턴온 되기 전에 인덕터 전류가 0이하로 흐르면서 스위치 턴온 시 전류가 흐르지 않는 소위 영전류 구간이 존재함으로써 높은 고주파 스위칭 동작에서도 영전류 스위칭이 가능함에 따라 스위칭 손실이 저감되고, 스위칭 정류기의 전력변환 효율 특성이 개선된다.
한편, 본 발명의 상세한 설명에서는 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 (7)

  1. 교류의 입력전압을 직류의 출력전압으로 변환시키는 부스트 컨버터 회로를 포함하는 고주파 스위칭 정류기의 제어회로에 있어서,
    상기 부스트 컨버터 회로를 구성하는 인덕터에 2차 권선을 구비하고, 상기 인덕터의 1차 권선과 상기 2차 권선의 권선비에 비례하는 입력비례전압을 정류용 다이오드로 반파정류하여, 입력전압을 간접적으로 측정하는 것을 특징으로 하는 간단한 고역률 스위칭 정류기의 제어회로.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 입력비례전압은,
    상기 제어회로를 구성하는 입력전압분배기 및 영전압검출기의 입력으로 인가되는 것을 특징으로 하는 간단한 고역률 스위칭 정류기의 제어회로.
  3. 교류의 입력전압을 직류의 출력전압으로 변환시키는 부스트 컨버터 회로를 포함하는 고주파 스위칭 정류기의 제어회로에 있어서,
    상기 부스트 컨버터 회로를 구성하는 인덕터의 2차 권선의 일단에 연결되는 정류용 다이오드로 구성되어, 상기 인덕터의 1차 권선과 상기 2차 권선의 권선비에 비례하는 입력비례전압을 반파정류하는 입력전압측정부;
    상기 입력전압측정부와 연결되어 상기 입력비례전압을 분배하는 입력전압분배기;
    상기 부스트 컨버터의 출력전압을 분배하는 출력전압분배기;
    상기 출력전압분배기의 전압과 직류전압으로 구성된 기준전압을 입력으로 하여 출력전압에 반비례하는 오차전압을 발생하는 오차증폭기;
    상기 입력전압분배기에서 분배된 전압과 상기 오차전압을 곱셈 연산하여 입력전압과 출력전압에 비례하는 전류기준전압을 출력하는 곱셈기;
    상기 입력전압측정부와 연결되어 상기 입력비례전압과 비례하는 피크값을 갖는 삼각파전압을 발생하는 삼각파발생기;
    상기 삼각파발생기가 출력하는 삼각파전압과 상기 곱셈기가 출력하는 상기 전류기준전압을 비교하여, 상기 삼각파전압이 상기 전류기준전압보다 크면 턴오프전압을 출력하는 비교기;
    상기 인덕터의 2차측 전압으로부터 영전압을 검출하는 영전압검출기; 및
    상기 비교기의 턴오프전압과 상기 영전압검출기의 영전압을 입력으로 하며, 상기 삼각파발생기의 발진용 스위치를 제어하는 제어전압 및 상기 부스트 컨버터의 스위치를 제어하는 구동전압을 출력하는 래치회로;로 구성되는 것을 특징으로 하는 간단한 고역률 스위칭 정류기의 제어회로.
  4. 제 3항에 있어서, 상기 오차증폭기는,
    상기 출력전압분배기와 상기 곱셈기 사이에 하나 이상의 저항 및 커패시터를 포함하는 주파수보상회로를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 간단한 고역률 스위칭 정류기의 제어회로.
  5. 제 3항에 있어서, 상기 삼각파발생기는,
    상기 입력전압측정부와 직렬로 연결된 시정수용 소자와 발진용 스위치로 구성된 것을 특징으로 하는 간단한 고역률 스위칭 정류기의 제어회로.
  6. 제 3항에 있어서, 상기 영전압검출기는,
    상기 인덕터의 2차 권선에 직렬 연결되는 캐패시터 및 저항을 포함하는 영전압검출용 소자로 구성되는 것을 특징으로 하는 간단한 고역률 스위칭 정류기의 제어회로.
  7. 제 3항에 있어서,
    상기 영전압검출기와 상기 래치회로 사이에, 상기 영전압검출기에서 출력되는 영전압을 필터링하는 복수개의 인버터로직으로 구성되는 필터;를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 간단한 고역률 스위칭 정류기의 제어회로.
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