KR102291764B1 - GaN FET이 채용된 저전력 PFC 전원부 및 앰프출력부 통합모듈 및 그 통합모듈이 구비된 전관방송 시스템용 장비 - Google Patents

Abstract

본 발명은 앰프의 앰프부와 전원부에 GaN FET을 이용하여 효율적이며 에너지 손실을 최소화하는 PFC 회로를 접목한 GaN FET이 채용된 저전력 PFC 전원부 및 앰프출력부 통합모듈에 관한 것이다.
본 발명은 내부에 GaN FET이 구비되고, 상기 GaN FET의 역회복 전력 손실의 제로화가 이루어지며, 열손실 방지 및 스위칭 손실에 의한 출력 처리 속도가 향상되는 전력 증폭형 GaN FET 앰프부와; 상기 전력 증폭형 GaN FET 앰프부로 입력되는 신호를 제어 및 처리하는 DSP부와; 상기 DSP부와 상기 전력 증폭형 GaN FET 앰프부가 양방향 네트워크 통신이 되도록 하여 출력 라인의 단선 또는 단락시에도 중단 없이 출력이 이루어지도록 하는 단테 네트워크부와; 소정의 노드 및 링크에서 전체 네트워크로 데이터 전송을 가능하게 하는 블루투스 메시부와; 상기 전력 증폭형 GaN FET 앰프부에서 출력장치로 출력되는 회로의 이상 유무를 검출하는 결함 검출부;를 포함하는 GaN FET이 채용된 저전력 PFC 전원부 및 앰프출력부 통합모듈을 제공한다.

Description

GaN FET이 채용된 저전력 PFC 전원부 및 앰프출력부 통합모듈 및 그 통합모듈이 구비된 전관방송 시스템용 장비{INTERGRATED MODULE OF LOW ELECTRIC POWER PART OF PFC AND OUTPUT PART OF AMPLIFIER HAVING Gan FET AND APPARATUS EQUIPPED WITH THE SAME FOR PUBLIC ADDRESS SYSTEM}

본 발명은 GaN FET이 채용된 저전력 PFC 전원부 및 앰프출력부 통합모듈 및 그 통합모듈이 구비된 전관방송 시스템용 장비에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 앰프의 앰프부와 전원부에 GaN FET을 이용하여 효율적이며 에너지 손실을 최소화하는 PFC 회로를 접목함으로써 환경폐기물과 전력소모를 줄이고 그린 에너지 활용이 가능하도록 개선된 GaN FET이 채용된 저전력 PFC 전원부 및 앰프출력부 통합모듈 및 그 통합모듈이 구비된 전관방송 시스템용 장비에 관한 것이다.

도 1에는 종래의 전관방송 시스템의 구성도가 도시되어 있고, 도 2에는 도 1의 출력 시스템의 구성도가 도시되어 있다.

도 1 및 도 2를 참조하면, 일반적인 전관방송 시스템은, 메인 컨트롤러(11), 파워앰프(12), 매트릭스(Matrix)(13), 릴레이 그룹(Relay Group)(14), 스피커 셀렉터(Speaker Selector)(15), 스피커 라인체커(Line Checker, 미도시) 및 스피커 셀렉터(15)와 연결되어 사운드 신호를 출력하는 다수의 스피커(16) 등으로 구성된다.

그리고 상기 매트릭스(13)는 입력되는 음성 또는/및 영상을 선택하여 해당 출력으로 절체시키고 음성 또는/및 영상을 분배 및 교환하여 출력한다.

또한, 상기 릴레이 그룹(14)은 매트릭스(13)와 연결되어 매트릭스(13)의 구동신호에 의하여 릴레이를 동작시켜 스피커 선로를 제어한다.

그리고 상기 스피커 셀렉터(15)는 방송 출력 구역을 사용자가 임의대로 조정하여 시험 방송이나 안내 방송 등 적소에 원하는 방송을 송출한다.

또한, 상기 스피커 라인체커는 앰프에 연결된 스피커 선로의 단락이나 단선을 체크하고 상기 스피커 선로의 임피던스 값을 측정하여 이상 유무를 탐지한다.

그런데, 상기와 같이 구성된 종래의 전관방송 시스템은, 케이블의 수량 및 제품 수량 증가로 설치 공간의 확보가 어렵고, 이들 폐기시 다량의 환경폐기물이 발생하고, 설치 시간이 증가하는 등의 문제점이 있다.

이러한 문제점을 해결하기 위하여, 현재에는 디지털 전관방송 시스템의 도입으로 설치 공간의 확보나 케이블 수의 감소는 어느 정도 이루었다고 할 수 있다.

그리고 도 3 및 도 4에는 도 1의 전관방송 시스템에 적용된 액티브 출력장치의 구성과 연결 방법이 도시되어 있다.

도 3에 도시된 바와 같이, 액티브 출력장치(20)는, 앰프와 전원부가 일체로 구비된 앰프/전원부(21)와, 이 앰프/전원부(21)로부터 출력 신호인 오디오 신호를 받아 출력하는 출력부(또는 스피커, 22)로 이루어져 있다.

그리고 도 4에 도시된 바와 같이, 각 액티브 출력장치(20)는, 앰프/전원부(21) 각각에 AC 전원 케이블(AC IN LINE)이 연결되고, 인접한 액티브 출력장치(20)끼리는 오디오 케이블(AUDIO LINE)을 통해 서로 연속하여 연결하였다.

또한, 액티브 출력장치(20)는, 앰프/전원부(21)의 출력 신호를 링크(link)하여 전달하며, 각 AC 전원 케이블을 통해 전원을 공급한다.

그리고 상기와 같은 전관방송 시스템용 출력장치 및 전원부 SMPS(Switching Mode Power Supply)에 적용된 PFC(Power Factor Correction) 회로에는 전기적인 신호를 증폭하거나 스위칭을 하기 위해 MOSFET(Metal Oxide Semiconductor-Field Effect Transistor)이 사용되며, 보통 Si(Silicon) MOSFET이 사용된다.

도 5의 (a)에는 기존의 상기 SMPS 전원부의 구성도가 도시되어 있고, 도 5의 (b)에는 기존의 Si MOSFET PFC 회로의 구성도가 도시되어 있다.

그리고 도 5의 (b)에 도시된 기존의 Si MOSFET PFC 회로는, 브리지 다이오드, 인덕터, 스위치(Si MOSFET), 스위칭 다이오드 및 콘덴서로 구성되어 있다.

그런데, 상기와 같이 구성된 종래의 Si MOSFET PFC 회로는, Si MOSFET 및 스위칭 다이오드가 적용됨으로써 순간적인 역전류가 흘러 전력소모가 많아 에너지 손실이 발생하였다.

또한, Si MOSFET이 적용된 Si MOSFET PFC 회로는, 저전압 애플리케이션 달성 효율이 떨어지고, 동작 온도 범위에 있어서 안정적이지 못하며, 후술하는 GaN(질화갈륨) FET에 비해 크기가 커 회로설계에 한계를 가지며, 높은 전력밀도 달성이 어려워 높은 효율과 전력특성을 구현하는데 한계가 있었다.

한편, 후술하는 본 발명과 관련된 제1선행문헌으로 공개특허 제10-2015-0038940호(2015년 04월 09일, 공개)에는 오디오 앰프용 전력공급장치가 개시되어 있다.

그리고 제2선행문헌으로 등록특허 제10-1880544호(2018년 07월 16일, 등록)에는 맥동 전압 보상을 위한 파워앰프용 전원 공급 장치 및 그 제어 방법이 개시되어 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 창출된 것으로서, 앰프부와 전원부에 GaN(질화갈륨) FET을 적용하여 효율적이며 에너지 손실을 최소화하는 PFC 회로를 접목함으로써 환경폐기물과 전력소모를 줄이고 그린 에너지 활용이 가능하도록 한 GaN FET이 채용된 저전력 PFC 전원부 및 앰프출력부 통합모듈 및 그 통합모듈이 구비된 전관방송 시스템용 장비를 제공하는데 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 GaN FET이 채용된 저전력 PFC 전원부 및 앰프출력부 통합모듈은,

내부에 GaN FET이 구비되고, 아날로그 또는 디지털 신호가 외부에서 입력이 되면, 상기 입력된 신호는 앰프 드라이브의 FET에 의한 차동 증폭회로 및 연산 증폭기(OP AMP)에 의한 전압 증폭된 신호를 거쳐 +전압부의 GaN FET과 -전압부의 GaN FET의 전류 증폭에 의한 대출력 전송이 이루어지며, 상기 GaN FET의 역회복 전력 손실의 제로화가 이루어지며, 열손실 방지 및 스위칭 손실에 의한 출력 처리 속도가 향상되는 전력 증폭형 GaN FET 앰프부와;

상기 전력 증폭형 GaN FET 앰프부로 입력되는 신호를 제어 및 처리하는 DSP부와;

상기 DSP부와 상기 전력 증폭형 GaN FET 앰프부가 양방향 네트워크 통신이 되도록 하여 출력 라인의 단선 또는 단락시에도 중단 없이 출력이 이루어지도록 하는 단테 네트워크부와;

소정의 노드 및 링크에서 전체 네트워크로 데이터 전송을 가능하게 하는 블루투스 메시부와;

상기 전력 증폭형 GaN FET 앰프부에서 출력장치로 출력되는 회로의 이상 유무를 검출하는 결함 검출부;를 포함하는 것을 그 특징으로 한다.

본 발명에 있어서, 상기 출력장치의 선단부에 설치되어, 전관방송 시스템 또는 AV 시스템을 제어하고, 출력 끊김 여부를 체크하는 스피커 라인체커부를 더 포함하여 되고, 상기 스피커 라인체커부는, 상기 전력 증폭형 GaN FET 앰프부의 출력 라인의 전류 및 전압을 감지하여 상기 출력 끊김 여부를 체크한다.

본 발명에 있어서, 상기 결함 검출부와 상기 전력 증폭형 GaN FET 앰프부에는, 오디오 출력 변화에 따른 인덕턴스 변화 성분을 보상하여 주파수에 따른 임피던스 변화가 없도록 하는 필터 회로부가 연결되어, 주파수 변동에 따른 상기 전력 증폭형 GaN FET 앰프부의 출력 임피던스를 일정하게 유지한다.

본 발명에 있어서, 상기 전력 증폭형 GaN FET 앰프부에 연결되어 외부에서 입력된 전원을 제어하여 공급되도록 하고, 출력 전압의 위상을 일치시키기 위해 컨트롤 IC를 제어하는 FET의 게이트에 지정된 레벨의 신호가 입력되면, 위상의 변화에 대한 비교기를 거쳐 컨트롤 IC의 입력단에 신호를 전달하는 컨트롤 IC칩과 GaN FET PFC 회로가 구비된 SMPS 전원부를 더 포함하여 된다.

그리고 상기 SMPS 전원부에는, 전류와 전압의 위상을 일치시키기 위한 전압 조절용 콘덴서와 전류 조절용 코일이 구비되어 역률이 0.75~0.8이 된다.

또한, 상기 GaN FET PFC 회로는, 상기 컨트롤 IC칩과 상기 SMPS 전원부에 구비된 GaN FET에 의해 전압과 전류의 위상이 일치하고 회로의 온/오프(ON/OFF)를 유도할 때에 역률이 최대치가 되게 하는 승합형 PFC 회로이다.

상기 SMPS 전원부와 상기 전력 증폭형 GaN FET 앰프부에는 DC/DC 컨버터가 연결된다.

본 발명에 있어서, 상기 블루투스 메시부는, 상기 통합모듈이 구비된 각 장비와 스마트기기의 애플리케이션을 연동되게 하여, 네트워크 상 노드 및 링크 중 상기 장비 중에 문제가 발생하여도 전체 네트워크가 정상적인 통신을 유지할 수 있도록 한다.

본 발명에 있어서, 상기 DSP부는, 통합모듈의 전체적인 기능을 제어한다.

그리고 전관방송 시스템용 장비에는 상기 통합모듈이 구비된다.

본 발명의 실시예에 따르면, GaN FET을 사용하여 더 높은 전력밀도, 감소 된 손실, 보다 효율적인 성능을 구현하여 전체 시스템의 비용을 절감하였다.

또한, 기존의 실리콘 기반의 MOSFET을 대체하여 소형화, 고전압, 고속 스위칭에 의한 저손실 및 고효율을 실현하였다.

이에 따라 차세대 전력소자로 산업용, 전력망, 정보통신 분야에 사용할 수 있게 되었다.

또한, GaN FET을 사용하여 전원부 및 앰프 출력부의 효율 극대화가 가능한 앰프회로를 구성할 수 있으며, 앰프회로의 열손실이 최소화가 되어 방열효과가 증대된다.

이에 따라 방열판 크기의 최소화 및 경량화가 가능하고, 응답속도의 향상, 에너지 손실의 최소화 및 회로 구성이 단순해진다.

도 1은 일반적인 전관방송 시스템의 구성도.
도 2는 일반적인 전관방송의 출력 시스템의 구성도.
도 3은 종래의 액티브 출력장치의 구성도.
도 4는 종래의 액티브 출력장치 시스템의 연결 방법을 나타내 보인 도면.
도 5의 (a)는 기존의 상기 SMPS 전원부의 구성도이고, 도 5의 (b)는 기존의 Si MOSFET PFC 회로의 구성도.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 GaN FET이 채용된 저전력 PFC 전원부 및 앰프출력부 통합모듈의 블록 구성도.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 GaN FET이 채용된 저전력 PFC 전원부 및 앰프출력부 통합모듈의 블록 구성도.
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 GaN FET이 채용된 저전력 PFC 전원부 및 앰프출력부 통합모듈에 적용된 GaN FET PFC 회로 구성도.
도 9는 본 발명에 따른 GaN FET이 채용된 저전력 PFC 전원부 및 앰프출력부 통합모듈이 적용된 다채널 앰프의 블록 구성도.
도 10은 본 발명에 따른 GaN FET이 채용된 저전력 PFC 전원부 및 앰프출력부 통합모듈과 스마트기기와의 통신방식을 설명하기 위해 나타내 보인 블록 구성도.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.

도 6에는 본 발명의 일 실시예에 따른 GaN FET이 채용된 저전력 PFC 전원부 및 앰프출력부 통합모듈의 블록 구성도가 도시되어 있다.

도 6을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 GaN FET이 채용된 저전력 PFC 전원부 및 앰프출력부 통합모듈(100)은, 내부에 GaN FET이 구비되고, 아날로그 또는 디지털 신호가 외부에서 입력이 되면, 입력된 신호는 앰프 드라이브(140)의 FET에 의한 차동 증폭회로 및 연산 증폭기(OP AMP, Operational Amplifier)에 의한 전압 증폭된 신호를 거쳐 +전압부의 GaN FET와 -전압부의 GaN FET의 전류 증폭에 의한 대출력 전송이 이루어지며, 상기 GaN FET의 역회복 전력 손실의 제로화가 이루어지며, 열손실 방지 및 스위칭 손실에 의한 출력 처리 속도가 향상되는 전력 증폭형 GaN FET 앰프부(150)를 포함하여 구성된다.

본 발명의 일 실시예에 따른 GaN FET이 채용된 저전력 PFC 전원부 및 앰프출력부 통합모듈(100)은, 상기 전력 증폭형 GaN FET 앰프부(150)로 입력되는 신호를 제어 및 처리하는 DSP(Digital Signal Processor)부(110)와, 이 DSP부(110)와 전력 증폭형 GaN FET 앰프부(150)가 양방향 네트워크 통신이 되도록 하여 출력 라인의 단선 또는 단락시에도 중단 없이 출력이 이루어지도록 하는 단테(dante) 네트워크부(120)와, 어떤 또는 소정의 노드(Node) 및 링크(Link)에서도 전체 네트워크로 데이터 전송을 가능하게 하는 블루투스 메시부(175)와, 상기 전력 증폭형 GaN FET 앰프부(150)에서 출력장치(200)로 출력되는 회로의 이상 유무를 검출하는 결함(fault) 검출(detection)부(130)를 포함하여 구성된다.

그리고 상기 DSP부(110)는 DSP 기능을 내장한 것으로, 이퀄라이저(EQUALIZER), 리미터(LIMITER) 및 각종 스위칭 기능과, 볼륨(VOLUME) 조절 기능 등 다양한 기능을 선택하여 앰프 전면의 LCD 패널에서 조정이 가능하다.

또한, 상기 단테 네트워크부(120)는, 양방향 네트워크에 의한 단테 통신 방식을 적용한 것으로, 화재 및 비상 재난 방송에 대비하여 출력 라인의 단선 및 단락 사항에서도 방송의 끊김이 없이 지속적인 방송이 가능하다.

또한, 상기 단테 네트워크부(120)의 적용으로 기존의 아날로그 신호 체계의 모든 제품이나 디지털 제품뿐만 아니라, 혼합된 제품의 신호 및 네트워크 기능을 전송받아 수신부(Rx)와 송신부(Tx) 회로를 구성하여 GaN FET 앰프 모듈과 연계가 가능하며, PC나 기타 제어가 가능하여 GUI 소프트웨어를 포함한 제품 제작이 가능하다.

그리고 상기 블루투스 메시부(175)는, 블루투스 클래식(Classic)에 비해 1/10 정도의 블루투스 저전력(BLE, Bluetooth Low Energy)의 기술 기반으로 네트워크에 연결되는 링크(Link) 및 노드(Node) 등을 연결하는 토폴로지(topology) 통신 구조로, 각 기기 간 노드 및 링크가 1:1로 연결된 망사형(Mesh topology)과 인접 노드 및 링크를 원형으로 연결한 링형(ring topology) 등을 포함한다.

또한, 도 10에 도시된 바와 같이, 상기 블루투스 메시부(175)는 스마트폰, 테블릿 PC, 또는 스마트 패드(예컨대, 갤럭시 패드(상표명)) 등을 포함하는 스마트기기의 애플리케이션(APP, Application)(300)과 연동을 가능하게 하여, 네트워크 상 노드 및 링크 중 어느 장비에서 문제가 발생하여도 전체 네트워크가 정상적인 통신을 유지할 수 있다.

한편, 본 발명에 따른 GaN FET이 채용된 저전력 PFC 전원부 및 앰프출력부 통합모듈(100,100a)은, 전관방송 시스템에 구성된 각 장비들 내에 구비되는데, 상기 전관방송 시스템에 구성된 장비들 중 예컨대, 파워앰프 내에 구비되고, 이와 함께 상기 블루투스 메시부(175)가 구비된다.

따라서 도 10에서와 같이, 스마트기기의 애플리케이션(300)으로 전관방송 시스템의 상기 파워앰프는 물론이고 다른 장비들을 무선통신을 통해 제어할 수 있다.

예를 들어, 제1 전관방송 시스템의 제1 통합모듈(100-1)에 문제가 생겨 스마트기기의 애플리케이션(300)과 무선통신이 불가한 경우에도, 제2 전관방송 시스템의 제2 통합모듈(100-2)의 제2 블루투스 메시부(175-2)와 상기 제1 통합모듈(100-1)의 제1 블루투스 메시부(175-1)와 무선 통신하여, 제1 통합모듈(100-1)에 접근하여 제1 통합모듈(100-1)의 제1 전관방송 시스템의 파워앰프를 포함하는 장비들을 제어할 수 있다.

그리고 본 발명의 일 실시예에 따른 GaN FET이 채용된 저전력 PFC 전원부 및 앰프출력부 통합모듈(100)에는, 출력장치(200)의 선단부에 설치되어 전관방송 시스템 또는 AV 시스템을 제어하고, 출력 끊김 여부를 체크하는 스피커 라인체커부(170)가 구비된다.

이러한 스피커 라인체커부(170)는 전력 증폭형 GaN FET 앰프부(150)의 출력 라인의 전류 및 전압을 감지하여 상기 출력 끊김 여부를 체크한다.

이와 같이, 전력 증폭형 GaN FET 앰프부(150)의 출력 라인에 전류 및 전압 감지가 가능한 스피커 라인체커부(170)를 적용함으로써 전력 증폭형 GaN FET 앰프부(150)의 이상 유무를 실시간으로 확인할 수 있다.

또한, 상기 결함 검출부(130)와 전력 증폭형 GaN FET 앰프부(150)에는, 인덕턴스, 콘덴서, 저항으로 연결된 다양한 회로의 구축이 가능한 오디오 출력 변화에 따른 인덕턴스 변화 성분을 보상하여 주파수에 따른 임피던스 변화가 없도록 하는 필터 회로부(160)가 연결되어 있어 주파수 변동에 따른 상기 전력 증폭형 GaN FET 앰프부(150)의 출력 임피던스를 일정하게 유지할 수 있다.

이와 같이, 오디오 출력 변화에 따른 인덕턴스 변화 성분을 보상하여 주파수에 따른 임피던스 변화가 없도록 하는 필터 회로부(160)가 적용됨으로써 주파수 변동에 따른 앰프 출력 임피던스를 일정하게 유지하여 앰프의 성능을 향상시킬 수 있다.

즉, 상기 오디오 출력 변화에 따른 인덕턴스 변화 성분을 보상하여 주파수에 따른 임피던스 변화가 없도록 하는 필터 회로부(160)는, 앰프의 오디오 출력 변화에 따른 인덕턴스 변화 성분을 보상하여 주파수에 따른 임피던스 변화가 없도록 하는 필터 회로의 인덕터(inductor)를 이용한 기존의 앰프 기술에 회로를 추가해서 앰프 출력 회로의 이상 유무를 확인할 수 있도록 하였다.

또한, 앰프 출력 라인에 전류 및 전압 감지가 가능한 스피커 라인체커부(170)를 추가하여 출력 라인의 이상 유무 및 비상방송 시스템을 구축하여 자체적으로 A/V 및 전관방송 시스템을 제어하여 방송의 전달 및 끊김을 사전에 인지하여 대처할 수 있게 하였다.

그리고 도 7에는 본 발명의 다른 실시예에 따른 GaN FET이 채용된 저전력 PFC 전원부 및 앰프출력부 통합모듈의 블록 구성도가 도시되어 있다.

설명에 앞서, 도 7의 본 발명의 다른 실시예에 따른 GaN FET이 채용된 저전력 PFC 전원부 및 앰프출력부 통합모듈(100a)에서, 도 6의 통합모듈(100)과 동일한 도면번호는 동일한 부재를 나타내 보인 것으로, 도 7에서 동일한 부재의 구성에 대해서는 상세 설명은 하지 않기로 한다.

도 7을 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 GaN FET이 채용된 저전력 PFC 전원부 및 앰프출력부 통합모듈(100a)은, 도 6의 본 발명의 다른 실시예에 따른 GaN FET이 채용된 저전력 PFC 전원부 및 앰프출력부 통합모듈(100)에 SMPS 전원부(180)를 더 구성한 것이다.

구체적으로는, 상기 SMPS 전원부(180)는, 상기 전력 증폭형 GaN FET 앰프부(150)에 연결되어 외부에서 입력된 전원을 제어하여 공급되도록 하고, 출력 전압의 위상을 일치시키기 위해 컨트롤 IC를 제어하는 FET 게이트에 지정된 레벨의 신호가 입력되면 위상의 변화에 대한 비교기를 거쳐 컨트롤 IC의 입력단에 신호를 전달하는 컨트롤 IC칩과 GaN FET PFC 회로가 구비된다.

그리고 상기 FET는 TR, 타이머(Timer) IC, 트랜스(Trans) 등의 소자가 포함된다.

이러한 SMPS 전원부(180)에는 기존 방식의 전류와 전압의 위상을 일치시키기 위한 전압 조절용 콘덴서와 전류 조절용 코일이 구비되어 역률이 기존의 전력 효율 0.6에서 0.75~0.8로 향상된다.

그리고 상기 GaN FET PFC 회로의 일예가 도 8에 도시되어 있다.

도 8을 참조하면, GaN FET PFC 회로는 GaN FET을 PFC 회로에 적용한 것으로, 상기 컨트롤 IC칩과 SMPS 전원부(180)에 구비된 GaN FET에 의해 전압과 전류의 위상이 일치하고 회로의 온/오프(ON/OFF)를 유도할 때에 역률이 최대치(최대값=1)가 되게 하는 승합형 PFC 회로이다.

도 5의 (b)의 Si MOSFET PFC 회로의 Si MOSFET와 스위칭 다이오드를 두 개의 GaN FET으로 대체하여 구성하였다.

따라서 GaN FET을 적용한 PFC 회로는 Si MOSFET PFC 회로와 비교할 때 내부 다이오드가 없으며 역 도통이 가능하다.

반면, 도 5의 (b)의 Si MOSFET PFC 회로의 경우에도 역 도통이 가능하지만, 내부에 다이오드가 구성되며 내압이 낮다는 단점이 있다.

또한, GaN FET는 다이오드와 Si MOSFET에 비하여 스위칭 속도가 빠르고, 도통 저항이 작고, 역도통이 가능하고 내부 다이오드가 없으므로 역 회복전류가 없는 장점이 있다.

따라서 GaN FET이 적용된 PFC 회로는 Si MOSFET PFC 회로에 비하여 스위치와 다이오드에 의한 스위치 손실을 줄일 수 있어 효율을 높일 수 있다.

그리고 도 7에 도시된 바와 같이, 상기 SMPS 전원부(180)와 전력 증폭형 GaN FET 앰프부(150)에는 전압을 변경(다운(down)/업(up))하는 DC/DC 컨버터(190)가 연결되어 있다.

또한, 도 6 및 도 7의 통합모듈(100,100a)에 적용된 DSP부(110)는 통합모듈(100,100a)의 전체적인 기능을 제어한다.

이와 같이, 통합모듈(100,100a)의 전체적인 기능을 DSP부(110)를 통하여 조절 가능하며, 이에 따라 PCB(회로기판) 및 부품의 수가 감소되고 에너지 손실의 감소로 비용의 절감이 이루어질 수 있다.

따라서 본 발명에 따른 GaN FET이 채용된 저전력 PFC 전원부 및 앰프출력부 통합모듈(100,100a)은, 환경 폐기물을 줄일 수 있어 친환경적인 시스템의 구현이 가능하다.

도 9에는 본 발명의 일 실시예에 따른 GaN FET이 채용된 저전력 PFC 전원부 및 앰프출력부 통합모듈(100-1~100-n)이 적용된 다채널 앰프의 블록 구성도가 도시되어 있다.

즉, 상기 다수 개의 통합모듈(100-1~100-n)을 구성하면 도 9와 같은 다채널 파워 앰프가 가능하다.

한편, Si MOSFET는 실리콘의 물리적 특성 때문에 반도체 소자의 성능의 한계에 다다랐고, 이를 사용하는 전력변환장치는 원하는 수준의 전력 밀도와 효율을 달성하기 어려워졌다.

이러한 문제점을 해결하기 위해 실리콘에 비하여 GaN은 더 작은 유전상수와 더 높은 임계전계와 밴드 갭과 더 빠른 전기 이동도와 포화 속도를 가진다.

이렇게 우수한 물리적 특성들로 인하여 GaN FET은 Si MOSFET에 비하여 상대적으로 더 낮은 도통 저항과 빠른 스위칭 속도를 가질 수 있으므로 상기 전력변환장치의 고효율화와 고전력 밀도를 달성할 수 있다.

또한, GaN의 역 도통 특성과 역 회복 전류가 없다는 장점은 토템 폴 역률보상회로(PFC) 등 이전에 사용이 제한적이었던 여러 가지 회로 토폴로지(topology)를 사용할 수 있게 하였다.

상기 PFC 회로와 DC/DC 컨버터(190)는 가장 많이 사용되는 승압형 전력변환장치를 위한 회로 토폴로지다.

이와 같은 GaN FET을 본 발명에 따른 GaN FET이 채용된 저전력 PFC 전원부 및 앰프출력부 통합모듈(100,100a)에 전력 증폭형 GaN FET 앰프부(150)를 구성하여 보다 효율적이며 친환경적으로 주변 회로를 구성하였다.

이에 따라 본 발명에 따른 GaN FET이 채용된 저전력 PFC 전원부 및 앰프출력부 통합모듈(100,100a)은, 부품 수를 감소시킬 수 있으며, SMPS 전원부(180)에도 GaN FET을 적용하여 에너지 손실을 최소화하는 PFC 역률 보상 회로를 접목하여 환경폐기물을 줄이고, 전기세 감소 등 경제적인 효과 및 그린 에너지를 활용할 수 있게 하였다.

이를 보다 구체적으로 설명하면, 우선, GaN FET 부품을 적용하고 출력 회로를 구성하여 출력 처리 속도를 기존보다 대략 6배의 차이를 나타내며(기존 6ns GaN FET 1ns), Si MOSFET 기반의 벅 컨버터(buck converter)에 비하여 통합모듈(100,100a)에서 스위칭 손실이 크게 감소된다.

또한, 상기 SMPS 전원부(180)에 PFC 회로를 적용하여 SMPS 전원부(180)의 각 부품에 대하여 안정된 전류를 공급하게 되고, 불필요하게 낭비되는 전력 소비량을 줄여 낭비되는 전류가 열로 전환되어 온도가 상승 되는 것을 막아 준다.

따라서 장비에 구비되어 장비에서 발생된 열을 외부로 방출시키는 히트싱크(heat sink)의 크기를 줄일 수 있고, 방열팬의 크기나 속도를 줄일 수 있으며, 안정된 전원을 공급하여 앰프의 출력 효율을 98% 이상으로 끌어올릴 수 있고, 에너지 절감이 가능하다.

그리고 GaN FET을 사용하여 유도 스위칭 회로에 의한 역 회복 손실의 제로(zero)화를 이룰 수 있으며, 스위칭에 의한 손실을 최소화하여 효율을 향상시키고, 기존의 Si MOSFET에서 구현 불가능한 높은 속도, 효율, 전력밀도에 의한 앰프 회로의 구성으로 모듈 개발이 가능해 진다.

그리고 상기 SMPS 전원부(180)에 일반적인 전기기기나 공중통신기기에 사용되는 직류전원장치의 고역률 및 고효율화를 목적으로 전력손실을 저감하여 에너지 절약을 위한 역률 보정 및 전력효율 개선을 위하여 불필요하게 낭비되는 전력소비량을 줄이며, 전류가 열로 전환되어 온도가 상승되는 것을 막을 수 있는 PFC 역률 보상 회로를 적용하였다.

한편, 도 5와 같은 기존의 PFC 회로에는 Si MOSFET 및 스위칭 다이오드를 사용하여 순간적인 역 전류가 흘러 에너지 손실이 발생하였다.

그러나, 본 발명에서는 상기 Si MOSFET 및 스위칭 다이오드를 사용하는 대신에 GaN FET을 사용하여 역전류에 의한 에너지 손실을 최소화하였으며, 앰프 출력 140% 정격의 2500W급 모듈화가 가능한 SMPS 전원회로를 구성할 수 있으며, EMI(Electro Magnetic Interference) 전자파 장해 특성의 향상, 효율의 개선 및 비용의 절감이 가능하고, 회로를 간단하게 구성할 수 있게 되었다.

또한, 본 발명에 따른 통합모듈(100,100a)은, 전력 증폭형 GaN FET 앰프부(150)와 SMPS 전원부(180)를 개별적 구성하고, 상기 전력 증폭형 GaN FET 앰프부(150)와 SMPS 전원부(180)의 두 기능을 합쳐 단일화하여 하나의 부품으로 모듈화함으로써, 다양한 임피던스 대비 1500Watt 이상급의 대출력 용량을 가진 출력장치 제작이 가능하게 되었다.

또한, 채널당 1500와트(Watt) 급의 다채널의 출력장치를 구성하여 복합 건물 및 관공서 등 다양한 건축 구조물에 적합하게 설치가 가능하며, 동급의 타 제품군에 비하여 작은 공간 내에서 고출력 및 저비용으로 제작이 가능해 진다.

그리고 스마트폰의 WiFi, 5G 등의 스마트 무선시스템을 활용하여 스마트폰의 구동앱을 개발하고, 개발된 구동앱을 활용하여 예컨대, 전관방송 시스템의 메인 컨트롤러와 출력장치를 구동하여 화재 또는 지진 등의 비상시 TTS 문자 전송, 스마트폰의 음성 신호를 전달할 뿐만 아니라, 출력장치 간의 데이터를 송신 및 수신하여 각 장비의 작동상태 및 이상 유무를 스마트폰으로 전송이 가능하게 된다.

상술한 바와 같이 본 발명은 도면에 도시된 일 실시예를 참고로 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다.

따라서 본 발명의 진정한 보호 범위는 첨부된 청구범위에 의해서만 정해져야 할 것이다.

100,100a. 통합모듈
110. DSP부
120. 단테 네트워크부
130. 결함 검출부
140. 전압 증폭형 앰프 드라이브
150. 전력 증폭형 GaN FET 앰프부
160. 필터 회로부
170. 스피커 라인체커부
180. SMPS 전원부
190. DC/DC 컨버터
200. 출력장치
300. 블루투스 메시부

Claims (11)

1. 내부에 GaN FET이 구비되고, 아날로그 또는 디지털 신호가 외부에서 입력이 되면, 상기 입력된 신호는 앰프 드라이브의 FET에 의한 차동 증폭회로 및 연산 증폭기(OP AMP)에 의한 전압 증폭된 신호를 거쳐 +전압부의 GaN FET와 -전압부의 GaN FET의 전류 증폭에 의한 대출력 전송이 이루어지며, 상기 GaN FET의 역회복 전력 손실의 제로화가 이루어지며, 열손실 방지 및 스위칭 손실에 의한 출력 처리 속도가 향상되는 전력 증폭형 GaN FET 앰프부와;
   상기 전력 증폭형 GaN FET 앰프부로 입력되는 신호를 제어 및 처리하는 DSP부와;
   상기 DSP부와 상기 전력 증폭형 GaN FET 앰프부가 양방향 네트워크 통신이 되도록 하여 출력 라인의 단선 또는 단락시에도 중단 없이 출력이 이루어지도록 하는 단테 네트워크부와;
   소정의 노드 및 링크에서 전체 네트워크로 데이터 전송을 가능하게 하는 블루투스 메시부와;
   상기 전력 증폭형 GaN FET 앰프부에서 출력장치로 출력되는 회로의 이상 유무를 검출하는 결함 검출부;를 포함하되,
   상기 전력 증폭형 GaN FET 앰프부에 연결되어 외부에서 입력된 전원을 제어하여 공급되도록 하고, 출력 전압의 위상을 일치시키기 위해 컨트롤 IC를 제어하는 FET의 게이트에 지정된 레벨의 신호가 입력되면, 위상의 변화에 대한 비교기를 거쳐 컨트롤 IC의 입력단에 신호를 전달하는 컨트롤 IC칩과 GaN FET PFC 회로가 구비된 SMPS 전원부를 더 포함하여 된 것을 특징으로 하는 GaN FET이 채용된 저전력 PFC 전원부 및 앰프출력부 통합모듈.
2. 제1항에 있어서,
   상기 출력장치의 선단부에 설치되어, 전관방송 시스템 또는 AV 시스템을 제어하고, 출력 끊김 여부를 체크하는 스피커 라인체커부를 더 포함하여 된 것을 특징으로 하는 GaN FET이 채용된 저전력 PFC 전원부 및 앰프출력부 통합모듈.
3. 제2항에 있어서,
   상기 스피커 라인체커부는, 상기 전력 증폭형 GaN FET 앰프부의 출력 라인의 전류 및 전압을 감지하여 상기 출력 끊김 여부를 체크하는 것을 특징으로 하는 GaN FET이 채용된 저전력 PFC 전원부 및 앰프출력부 통합모듈.
4. 제1항에 있어서,
   상기 결함 검출부와 상기 전력 증폭형 GaN FET 앰프부에는,
   오디오 출력 변화에 따른 인덕턴스 변화 성분을 보상하여 주파수에 따른 임피던스 변화가 없도록 하는 필터 회로부가 연결되어, 주파수 변동에 따른 상기 전력 증폭형 GaN FET 앰프부의 출력 임피던스를 일정하게 유지하는 것을 특징으로 하는 GaN FET이 채용된 저전력 PFC 전원부 및 앰프출력부 통합모듈.
5. 삭제
6. 제1항에 있어서,
   상기 SMPS 전원부에는, 전류와 전압의 위상을 일치시키기 위한 전압 조절용 콘덴서와 전류 조절용 코일이 구비되어 역률이 0.75~0.8이 되는 것을 특징으로 하는 GaN FET이 채용된 저전력 PFC 전원부 및 앰프출력부 통합모듈.
7. 제1항에 있어서,
   상기 GaN FET PFC 회로는,
   상기 컨트롤 IC칩과 상기 SMPS 전원부에 구비된 GaN FET에 의해 전압과 전류의 위상이 일치하고 회로의 온/오프(ON/OFF)를 유도할 때에 역률이 최대치가 되게 하는 승합형 PFC 회로인 것을 특징으로 하는 GaN FET이 채용된 저전력 PFC 전원부 및 앰프출력부 통합모듈.
8. 제1항에 있어서,
   상기 SMPS 전원부와 상기 전력 증폭형 GaN FET 앰프부에는 DC/DC 컨버터가 연결된 것을 특징으로 하는 GaN FET이 채용된 저전력 PFC 전원부 및 앰프출력부 통합모듈.
9. 제1항에 있어서,
   상기 블루투스 메시부는,
   상기 통합모듈이 구비된 각 장비와 스마트기기의 애플리케이션을 연동되게 하여, 네트워크 상 노드 및 링크 중 상기 장비 중에 문제가 발생하여도 전체 네트워크가 정상적인 통신을 유지할 수 있도록 하는 것을 특징으로 하는 GaN FET이 채용된 저전력 PFC 전원부 및 앰프출력부 통합모듈.
10. 삭제
11. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항의 통합모듈이 구비된 전관방송 시스템용 장비.

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