KR102372846B1 - 임계 도통 모드에서 동작하는 역률 개선용 컨버터의 제어 회로 및 이를 포함하는 역률 개선용 컨버터 모듈 - Google Patents

임계 도통 모드에서 동작하는 역률 개선용 컨버터의 제어 회로 및 이를 포함하는 역률 개선용 컨버터 모듈 Download PDF

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Abstract

역률 개선용 컨버터의 제어 회로는, 역률 개선용 컨버터의 인덕터를 통해 흐르는 전류에 상응하는 전압을 검출하는 전류 검출 저항과, 검출된 전압에 기초하여 전류 검출 저항의 단락을 감지하고, 전류 검출 저항의 단락이 감지되면 미리 설정된 주기마다 일정한 턴온 시간을 가지도록 역률 개선용 컨버터의 메인 스위치를 제어하는 제어부를 포함함으로써, 전류 검출 저항의 단락시 메인 스위치 및 기타 소자들의 손상을 방지할 수 있다.

Description

임계 도통 모드에서 동작하는 역률 개선용 컨버터의 제어 회로 및 이를 포함하는 역률 개선용 컨버터 모듈{CONTROL CIRCUIT OF POWER FACTOR CORRECTION CONVERTER OPERATING IN CRITICAL CONDUCTION MODE AND POWER FACTOR CORRECTION CONVERTER COMPRISING THTEREOF}
본 출원은, 임계 도통 모드에서 동작하는 역률 개선용 컨버터의 제어에 관한 것이다.
역률(Power Factor)는 피상 전력에 대한 유효 전력의 비로 정의되며, 교류 입력 전류와 입력 전압의 위상차가 작고 정현파에 가까울수록 역률은 1에 가까운 값이 된다. 역률이 낮은 경우 전력 손실이 증가하게 되며, 전원선에 과도한 고조파(harmonic)를 유발하여 전원선에 연결된 다른 전자 기기에 영향을 미치게 된다. 따라서, 입력 전류가 입력 전압과 동상이 되도록 하기 위해 역률 개선용 컨버터가 많이 사용되고 있다.
역률 개선용 컨버터의 동작 모드는 인덕터에 흐르는 전류의 파형에 따라 불연속 도통 모드(Discontinous Conduction Mode, DCM), 연속 도통 모드(Continuous Conduction Mode, CCM), 임계 도통 모드(CRitical conduction Mode, CRM)로 구분될 수 있다.
일례로, 도 1a에는 임계 도통 모드에서 동작하는 역률 개선용 컨버터의 인덕터에 흐르는 인덕터 전류의 파형이 도시되어 있다. 도 1a에 도시된 바와 같이, 메인 스위치의 턴온 구간(Ton)에서 인덕터 전류(IL)는 증가하며, 턴오프 구간(Toff)에서는 인덕터 전류(IL)는 감소한다. 특히 메인 스위치의 턴온 시점을 알기 위해서는 인덕터 전류(IL)의 영전류 시점을 검출(Zero Current Detect, ZCD)해야 하며, 이를 위해 일반적으로 인덕터 전류를 전압의 형태로 감지할 수 있는 전류 검출 저항이 사용될 수 있다.
하지만, 전류 검출 저항이 단락되는 경우에는, 도 1b에 도시된 바와 같이, 인덕터 전류(IL)가 지속적으로 증가하게 되며, 이러한 인덕터 전류(IL)의 증가와 같은 비정상 상태에서는 역률 개선 컨버터 모듈의 메인 스위치 및 기타 소자들을 손상시키는 문제점이 있다.
전류 검출 저항과 관련된 문헌으로는 예를 들면 미국등록특허 제6,718,352호(등록일: 2004년 8월 24일)이 있다.
미국등록특허 제6,718,352호(등록일: 2004년 8월 24일)
본 발명의 일 실시 형태에 의하면, 전류 검출 저항의 단락시 메인 스위치 및 기타 소자들의 손상을 방지할 수 있는 역률 개선용 컨버터의 제어 회로 및 이를 포함하는 역률 개선용 컨버터 모듈을 제공한다.
본 발명의 일 실시 형태에 의하면, 임계 도통 모드로 동작하는 역률 개선용 컨버터의 인덕터를 통해 흐르는 전류에 상응하는 전압을 검출하는 전류 검출 저항; 및 상기 검출된 전압에 기초하여 상기 전류 검출 저항의 단락을 감지하고, 상기 전류 검출 저항의 단락이 감지되면 미리 설정된 주기마다 일정한 턴온 시간을 가지도록 상기 역률 개선용 컨버터의 메인 스위치를 제어하는 제어부를 포함하는 역률 개선용 컨버터의 제어 회로를 제공한다.
본 발명의 다른 실시 형태에 의하면, 인덕터에 흐르는 전류가 제로가 되는 시점을 감지하여 메인 스위치를 턴온시키는 임계 도통 모드에서 동작하는 역률 개선용 컨버터; 및 상기 인덕터를 통해 흐르는 전류에 상응하는 전압을 검출하는 전류 검출 저항을 포함하며, 상기 검출된 전압에 기초하여 상기 전류 검출 저항의 단락을 감지하고, 상기 전류 검출 저항의 단락이 감지되면 미리 설정된 주기마다 일정한 턴온 시간을 가지도록 상기 역률 개선용 컨버터의 메인 스위치를 제어하는 제어 회로를 포함하는 역률 개선용 컨버터 모듈을 제공한다.
본 발명의 일 실시 형태에 의하면, 전류 검출 저항의 단락을 감지하고, 전류 검출 저항의 단락이 감지되면 미리 설정된 주기마다 일정한 턴온 시간을 가지도록 역률 개선용 컨버터의 메인 스위치를 제어함으로써, 메인 스위치 및 기타 소자들의 손상을 방지할 수 있다.
도 1a에는 임계 도통 모드에서 동작하는 역률 개선용 컨버터의 인덕터에 흐르는 인덕터 전류의 파형이다.
도 1b는 임계 도통 모드에서 동작하는 역률 개선용 컨버터의 전류 검출 저항의 단락에 의한 인덕터 전류를 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 형태에 따른 역률 개선용 컨버터 모듈을 도시한 도면이다.
도 3a는 본 발명의 제1 실시 형태에 따른 역률 개선용 컨버터의 제어부의 블록도이다.
도 3b는 전류 검출 저항이 단락되지 않은 경우 본 발명의 제1 실시 형태에 따른 역률 개선용 컨버터 모듈의 각부 파형도이다.
도 3c는 전류 검출 저항이 단락된 경우 본 발명의 제1 실시 형태에 따른 역률 개선용 컨버터 모듈의 각부 파형도이다.
도 4a는 본 발명의 제2 실시 형태에 따른 역률 개선용 컨버터의 제어부의 블록도이다.
도 4b, 도 4c 및 도 4d는 전류 검출 저항이 단락되지 않은 경우 본 발명의 제2 실시 형태에 따른 역률 개선용 컨버터 모듈의 각부 파형도이다.
도 4e는 전류 검출 저항이 단락된 경우 본 발명의 제2 실시 형태에 따른 역률 개선용 컨버터 모듈의 각부 파형도이다.
도 5a는 본 발명의 제3 실시 형태에 따른 역률 개선용 컨버터의 제어부의 블록도이다.
도 5b는 전류 검출 저항이 단락되지 않은 경우 본 발명의 제3 실시 형태에 따른 역률 개선용 컨버터 모듈의 각부 파형도이다.
도 5c는 전류 검출 저항이 단락된 경우 본 발명의 제3 실시 형태에 따른 역률 개선용 컨버터 모듈의 각부 파형도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시형태를 설명한다. 그러나 본 발명의 실시형태는 여러 가지의 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시형태로만 한정되는 것은 아니다. 도면에서의 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있으며, 도면상의 동일한 부호로 표시되는 요소는 동일한 요소이다.
도 2는 본 발명의 일 형태에 따른 역률 개선용 컨버터 모듈을 도시한 도면이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 역률 개선용 컨버터 모듈은 교류 전압(Vac)을 정류하는 정류부(10), 정류된 교류 전압(Vac)을 평활하여 저장하는 입력 커패시터(Cin), 입력 커패시터(Cin)에 저장된 전압을 승압하는 부스트 컨버터(20), 인덕터(L)를 통해 흐르는 전류(IL)에 상응하는 전압(Vcs)을 검출하는 전류 검출 저항(Rs), 부스트 컨버터(20)의 메인 스위치(SW)를 제어하는 제어부(300)를 포함할 수 있다. 부스트 컨버터(20)의 출력 전압(Vout)은 부하(40)에 공급될 수 있다. 또한, 오차 증폭기(40)는 부스트 컨버터(20)의 출력 전압(Vout)과 기준 전압(Vref)을 입력받아 생성된 오차 전압(Vea)을 제어부(300)로 전달할 수 있다. 상술한 오차 전압(Vea)은 턴온 시간(Ton)을 구하는데 사용될 수 있다(후술함).
본 발명의 일 실시 형태에서, 역률 개선용 컨버터는 부스트 컨버터(20)를 사용하고 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니며 벅 컨버터, 벅-부스트 컨버터 등 다양한 역률 개선용 컨버터가 사용될 수 있다.
한편, 본 발명의 일 실시형태에 따른 제어 회로(Rs, 300)는 역률 개선용 컨버터(20)의 인덕터(L)를 통해 흐르는 전류(IL)에 상응하는 전압(Vcs)을 검출하는 전류 검출 저항(Rs)과, 전류 검출 저항(Rs)을 통해 검출된 전압(Vcs)에 기초해서 전류 검출 저항(Rs)의 단락을 감지하고, 전류 검출 저항(Rs)의 단락이 감지되면 미리 설정된 주기마다 일정한 턴온 시간을 가지도록 역률 개선용 컨버터(20)의 메인 스위치(SW)를 제어하는 제어부(300)를 포함할 수 있으며, 제어부(300)는 임계 도통 모드(CRitical conduction Mode, CRM)로 동작하며, 일정한 턴온 시간을 가지도록 부스트 컨버터(20)의 메인 스위치(SW)를 제어할 수 있다.
상술한 제어부(300)는 다양한 방식, 예를 들면 프로세서, 프로세서에 의해 수행되는 프로그램 명령들, 소프트웨어 모듈, 마이크로 코드, 컴퓨터 프로그램 생성물, 로직 회로, 어플리케이션 전용 집적 회로, 펌웨어 등에 의해 구현될 수 있다.
그리고, 출력 전압(Vout)은 2개의 저항(Rfb1, Rfb2)으로 구성된 출력 전압 센싱부(30)에 의해 분압되고, 분압된 전압(Vfb) 및 전류 검출 저항(Rs)에서 검출된 전압(Vcs)은 제어부(300)로 궤환되며, 제어부(300)는 이들을 기초로 메인 스위치(SW)를 제어하게 된다.
한편, 도 3a는 본 발명의 제1 실시 형태에 따른 역률 개선용 컨버터의 제어부의 블록도이다. 도 3a에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제1 실시 형태에 따른 제어부(300)는 턴오프 제어 회로(307, 308, 304, 305), 턴온 제어 회로(301 내지 306), 제1 보호회로(350)를 포함할 수 있다.
한편, 도 3b는 전류 검출 저항이 단락되지 않은 경우 본 발명의 제1 실시 형태에 따른 역률 개선용 컨버터 모듈의 정상 동작시 각부 파형도이다.
이하, 도 2 내지 도 3b를 참조하여 정상 동작시의 제어부(300)의 동작 원리 및 각부 파형에 대해 상세하게 설명한다.
우선, 턴온 구간(322)에서의 동작을 설명하면, 턴오프 제어 회로(307, 308, 304, 305)의 온타임 생성부(307)는 오차 전압(Vea)으로부터 하기의 수학식 1에 따라 턴온 시간(Ton)을 연산할 수 있다. 턴온 시간(Ton)은 오차 전압(Vea)에 비례하는 값일 수 있다.
[수학식 1]
Ton = K ×(Vea - Vb)
여기서, Ton은 턴온 시간, K는 상수, Vea는 오차 전압, Vb는 오프셋 전압으로 선택 사항이다. 한편, 오차 전압(Vea)은 부스트 컨버터(20)의 출력 전압(Vout)과 기준 전압(Vref)간의 오차에 따라 생성된 전압일 수 있다.
상승 에지 지연부(303)로부터 지연된 턴온 신호(C)가 출력되면, 온타임 생성부(307)는 메인 스위치(SW)의 턴온 시점으로부터 턴온 시간(Ton)이 경과한 이후에 메인 스위치(SW)의 턴오프 신호(D)를 출력할 수 있다. 메인 스위치(SW)의 턴오프 신호(D)는 OR 게이트(308)를 통해 RS 래치(304)의 리셋 단자(R)로 입력되며, 이때 RS 래치(304)의 출력 단자(Q)로부터 출력되는 로우 신호(L)에 의해 메인 스위치(SW)는 턴오프될 수 있다. 도면부호 305는 메인 스위치(SW)의 드라이버이다.
한편, 턴오프 구간(321)에서의 동작을 설명하면, 턴온 제어 회로(301 내지 306)의 인버터(305)는 메인 스위치(SW)의 턴오프 구간(321)을 감지하기 위해 메인 스위치(SW)의 게이트 신호(GATE)를 반전시킬 수 있다. 턴오프 구간(321)에서는 인덕터 전류(IL)가 서서히 하강하며, 반대로 전류 검출 저항(Rs)을 통해 검출된 전압(Vcs)은 서서히 상승할 수 있다.
검출된 전압(Vcs)과 제1 임계값(Vcsth1)은 비교기(301)에 의해 비교되며, 전압(Vcs)이 제1 임계값(Vcsth1) 이상인 동안 비교기(301)의 출력 신호(A)는 하이(H)를 유지할 수 있다. AND 연산기(302)는 인버터(306)의 출력 신호와 비교기(301)의 출력 신호(A)를 AND 연산함으로써, 메인 스위치(SW)의 턴오프 구간(321)임과 동시에 검출된 전압(Vcs)이 제1 임계값(Vcsth1)에 도달한 경우 메인 스위치(SW)의 턴온 신호(B)를 출력할 수 있다. 상승 에지 지연부(303)는 AND 연산기(302)로부터 출력되는 턴온 신호(B)를 소정 시간(Tzcd) 지연시키며, 지연된 출력 신호(C)는 RS 래치(304)의 셋 단자(S)로 입력되어 메인 스위치(SW)를 턴온시킬 수 있다.
상술한 정상 동작시, 즉 전류 검출 저항(Rs)이 단락되지 않은 경우에는 제1 보호 회로(350)는 동작하지 않는다.
구체적으로, 메인 스위치(SW)의 턴오프 시점(360), 즉 게이트 신호(GATE)가 하이에서 로우로 되는 시점(360)에서 클럭 신호가 D-플립플롭(351)의 클록 단자(CK)로 입력되며, 이 시점에서는 검출된 전압(Vcs)이 제1 임계값(Vcsth1)보다 작기 때문이다.
한편, 도 3c는 전류 검출 저항이 단락된 경우 본 발명의 제1 실시 형태에 따른 역률 개선용 컨버터 모듈의 각부 파형도이다.
이하, 도 2, 도 3a 및 도 3c를 참조하여 전류 검출 저항이 단락된 경우 본 발명의 제1 실시 형태에 따른 역률 개선용 컨버터의 제어부(300)의 동작 원리 및 각부 파형에 대해 상세하게 설명한다.
도 2, 도 3a 및 도 3c에 도시된 바와 같이, 제1 보호 회로(350) 중 D-플립플롭(351)은 메인 스위치(SW)의 턴오프 시점(360)에서 검출한 전압(Vcs)과 제1 임계값(Vcsth1)에 기초하여 전류 검출 저항(Rs)의 단락을 감지하고, 전류 검출 저항(Rs)의 단락이 감지될 때 메인 스위치(SW)의 턴오프 신호를 출력할 수 있다.
구체적으로, 전류 검출 저항(Rs)이 단락되면 전압(Vcs)은 제1 임계값(Vcsth1)보다 크다. 따라서, 메인 스위치(SW)의 턴오프 시점(360)에서 비교기(301)로부터 출력되는 출력 신호(A)는 하이(H)이다. 메인 스위치(SW)의 턴오프 시점(360)에서 클럭 신호가 D-플립플롭(351)의 클록 단자(CK)로 입력되면, D-플립플롭(351)의 출력 단자(Q)의 출력 신호(E)는 하이 신호(H)이다. 하이 신호(H)에 의해 RS 래치(304)의 출력 단자(Q)는 로우 신호(L)가 유지될 수 있으며, 이에 의해 메인 스위치(SW)는 턴오프 상태를 유지하게 된다.
이러한 턴오프 상태가 계속 유지되는 것을 방지하기 위해, 본 발명의 일 실시 형태에 의하면, 리셋 타이머(352)를 더 포함할 수 있다.
구체적으로, 리셋 타이머(352)는 RS 래치(304)로부터 메인 스위치(S)의 턴온 시점, 즉 게이트 신호(GATE)가 로우(L)에서 하이(H)로 되는 시점(360)부터 미리 설정된 주기(Trst) 후에 리셋 신호(G)를 D-플립플롭(351)으로 출력할 수 있다. 이 리셋 신호(G)에 의해 D-플립플롭(351)의 출력 신호(E)는 하이(H)에서 로우(L)로 되며, 메인 스위치(SW)는 다시 턴온될 수 있다. 여기서, 미리 설정된 주기(Trst)는, 인덕터 전류(IL)가 0이 될 수 있도록 충분히 긴 시간일 수 있으며, 예를 들면 메인 스위치(SW)의 스위칭 주기보다 적어도 2배 이상인 값일 수 있다.
한편, 도 4a는 본 발명의 제2 실시 형태에 따른 역률 개선용 컨버터의 제어부(300)의 블록도이다.
도 4a에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제2 실시 형태에 따른 제어부(300)는 턴오프 제어 회로(301, 304, 305, 307, 308, 411, 412, 413), 턴온 제어 회로(301 내지 306), 제2 보호회로(450)를 포함할 수 있다. 부하에 따라 인덕터 전류(IL)의 크기가 다른 경우로, 2개의 임계값(Vcsth1, Vcsth2)이 사용될 수 있다. 구체적으로 메인 스위치(SW)의 게이트 신호에 의해 턴오프 구간(421)에서는 제1 임계값(Vscth1)이, 메인 스위치(SW)의 턴온 구간(422)에서는 제2 임계값(Vcsth2)이 선택될 수 있다.
한편, 도 4b, 도 4c 및 도 4d는 전류 검출 저항이 단락되지 않은 경우 본 발명의 제2 실시 형태에 따른 역률 개선용 컨버터 모듈의 정상 동작시 각부 파형도이다.
이하, 도 4a 내지 도 4d를 참조하여 정상 동작시의 제어부(300)의 동작 원리 및 각부 파형에 대해 상세하게 설명한다.
우선, 턴온 구간(422)에서의 동작을 설명하면, 턴오프 제어 회로(301, 304, 305, 307, 308, 411, 412, 413)의 제1 온타임 생성부(307)는 오차 전압(Vea)으로부터 상술한 수학식 1에 따라 턴온 시간(Ton')을 연산할 수 있다.
이후, 상승 에지 지연부(303)로부터 지연된 턴온 신호(C)가 출력되면, 제1 온타임 생성부(307)는 메인 스위치(SW)의 턴온 시점으로부터 턴온 시간(Ton')이 경과한 이후에 메인 스위치(SW)의 턴오프 신호(D1)를 생성할 수 있다. 생성된 메인 스위치(SW)의 턴오프 신호(D1)는 AND 게이트(412)로 입력된다.
이때, 출력 신호 억제부(411, 412)는 검출 전압(Vcs)이 제2 임계값(Vcsth2)에 도달할 때까지 제1 온타임 생성부(307)에서 생성된 턴오프 신호(D1)가 출력되지 않도록 할 수 있다. 여기서, 제2 임계값(Vcsth2)의 절대값은 제1 임계값(Vcsth1)보다 큰 값일 수 있다.
그리고, 제2 온타임 생성부(413)는, 메인 스위치(SW)의 턴온 시점으로부터 일정 시간(Tonmax)이 경과되면 메인 스위치(SW)의 강제 턴오프 신호(D2)를 출력할 수 있다. 출력된 강제 턴 오프 신호(D2)는 OR 게이트(308)를 통해 RS 래치의 리셋 단자(R)로 입력되어 메인 스위치(SW)를 강제 턴오프 시킬 수 있다. 일정 시간(Tonmax)은 출력 신호 억제부(411, 412)에 의해 검출 전압(Vcs)이 제2 임계값(Vcsth2)에 도달하지 않는 경우 강제로 메인 스위치(SW)를 턴오프 시키기 위한 시간일 수 있다.
한편, 턴오프 구간(421)에서의 동작을 설명하면, 턴온 제어 회로(301 내지 306)의 인버터(305)는 메인 스위치(SW)의 턴오프 구간(421)을 감지하기 위해 메인 스위치(SW)의 게이트 신호(305)를 반전시킬 수 있다. 턴오프 구간(421)에서 인덕터 전류(IL)는 서서히 하강하며, 반대로 전류 검출 저항(Rs)을 통해 검출된 전압(Vcs)은 서서히 상승할 수 있다.
검출된 전압(Vcs)과 제1 임계값(Vcsth1)은 비교기(301)에 의해 비교되며, 전압(Vcs)이 제1 임계값(Vcsth1) 보다 커지는 순간 비교기(301)는 하이(H)로 된다. AND 연산기(302)는 인버터(306)의 출력 신호와 비교기(301)의 출력 신호(A)를 AND 연산함으로써, 검출된 전압(Vcs)이 제1 임계값(Vcsth1)에 도달한 경우 메인 스위치(SW)의 턴온 신호(B)를 출력할 수 있다. 상승 에지 지연부(303)는 AND 연산기(302)로부터 출력되는 턴온 신호(B)를 소정 시간(Tzcd) 지연시키며, 지연된 출력 신호(C)는 RS 래치(304)의 셋 단자(S)로 입력되어 메인 스위치(SW)를 턴온시킬 수 있다.
마찬가지로 상술한 정상 동작시에는 제2 보호 회로(450)는 동작하지 않는다.
구체적으로, 메인 스위치(SW)의 턴오프 시점, 즉 게이트 신호(GATE)가 하이에서 로우로 되는 시점(360)부터 미리 설정된 시간(Tdet)이 경과한 시점에서 클럭 신호(E1)가 D-플립플롭(351)의 클록 단자(CK)로 입력되며, 이 시점에서 D-플립플롭(351)의 출력 단자(Q)로부터 출력되는 신호(E)는 로우(L) 신호이기 때문이다. 여기서, 미리 설정된 시간(Tdet)은 메인 스위치(SW)의 턴오프 시점부터 검출된 전압(Vcs)이 제1 임계값(Vcsth1)에 도달하는 시점 사이의 값일 수 있다.
한편, 도 4e는 전류 검출 저항이 단락된 경우 본 발명의 제2 실시 형태에 따른 역률 개선용 컨버터 모듈의 각부 파형도이다.
이하, 도 2, 도 4a 및 도 4e를 참조하여 전류 검출 저항이 단락된 경우 본 발명의 제2 실시 형태에 따른 역률 개선용 컨버터의 제어부(300)의 동작 원리 및 각부 파형에 대해 상세하게 설명한다.
도 2, 도 4a 및 도 4e에 도시된 바와 같이, 제2 보호 회로(450) 중 상승 에지 지연부(451)는 메인 스위치(SW)의 턴오프 시점을 미리 설정된 시간(Tdet)만큼 지연시켜 출력할 수 있다. 상승 에지 지연부(451)의 출력 신호(E1)는 D-플립플롭(351)의 클럭 단자(CK)로 입력될 수 있다.
제2 보호 회로(450) 중 D-플립플롭(351)은 메인 스위치(SW)의 턴오프 시점(360)으로부터 미리 설정된 시간(Tdet)만큼 지연된 시점(460)에서 전압(Vcs)과 제1 임계값(Vcsth1)에 기초하여 전류 검출 저항(Rs)의 단락을 감지하고, 전류 검출 저항(Rs)의 단락이 감지될 때 메인 스위치(SW)의 턴오프 신호를 출력할 수 있다.
구체적으로, 전류 검출 저항(Rs)이 단락되면 전압(Vcs)은 제1 임계값(Vcsth1)보다 크며, 메인 스위치(SW)의 턴오프 시점으로부터 미리 설정된 시간(Tdet)만큼 지연된 시점(460)에서 비교기(301)로부터 출력되는 출력 신호(A)는 하이(H)이다. 지연된 시점(460)에서 클럭 신호(E1)가 D-플립플롭(351)의 클록 단자(CK)로 입력되면, D-플립플롭(351)의 출력 단자(Q)의 출력 신호(E)는 하이 신호(H)이다. 하이 신호(H)에 의해 RS 래치(304)의 출력 단자(Q)로부터 로우 신호(L)가 유지될 수 있으며, 이에 의해 메인 스위치(SW)는 턴오프 상태를 유지하게 된다.
도 3a와 마찬가지로, 턴오프 상태가 유지되는 것을 방지하기 위해, 본 발명의 일 실시 형태에 의하면, 리셋 타이머(352)를 더 포함할 수 있다.
구체적으로, 리셋 타이머(352)는 RS 래치(304)로부터 메인 스위치(S)의 턴온 시점, 즉 게이트 신호(GATE)가 로우(L)에서 하이(H)로 되는 시점(360)부터 미리 설정된 주기(Trst) 후에 리셋 신호(G)를 D-플립플롭(351)으로 출력할 수 있다. 이 리셋 신호(G)에 의해 D-플립플롭(351)의 출력 신호(E)는 하이(H)에서 로우(L)로 되며, 메인 스위치(SW)가 다시 턴온될 수 있다. 여기서, 미리 설정된 주기(Trst)는, 인덕터 전류(IL)가 0이 될 수 있도록 충분히 긴 시간일 수 있으며, 예를 들면 메인 스위치(SW)의 스위칭 주기보다 적어도 2배 이상인 값일 수 있다.
한편, 도 5a는 본 발명의 제3 실시 형태에 따른 역률 개선용 컨버터의 제어부의 블록도이다. 도 5a에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제3 실시 형태에 따른 제어부(300)는 턴오프 제어 회로(307, 304, 305), 턴온 제어 회로(301, 351, 303, 412, 304, 305), 제3 보호회로(550)를 포함할 수 있다.
한편, 도 5b는 전류 검출 저항이 단락되지 않은 경우 본 발명의 제3 실시 형태에 따른 역률 개선용 컨버터 모듈의 각부 파형도이다.
이하, 도 2, 도 5a 내지 도 5b를 참조하여 전류 검출 저항이 단락되지 않은 경우 본 발명의 제3 실시 형태에 따른 역률 개선용 컨버터 모듈의 제어부(300)의 동작 원리 및 각부 파형에 대해 상세하게 설명한다.
우선, 턴온 구간(522)에서의 동작을 설명하면, 턴오프 제어 회로(307, 304, 305)는 온타임 생성부(307)를 포함하며, 온타임 생성부(307)는 오차 전압(Vea)으로부터 상술한 수학식 1에 따라 턴온 시간(Ton)을 연산할 수 있다.
이후, 상승 에지 지연부(303)로부터 지연된 턴온 신호(C)가 출력되면, 온타임 생성부(307)는 메인 스위치(SW)의 턴온 시점으로부터 턴온 시간(Ton)이 경과한 이후에 메인 스위치(SW)의 턴오프 신호(F)를 출력할 수 있다. 메인 스위치(SW)의 턴오프 신호(F)는 RS 래치(304)의 리셋 단자(R)로 입력되며, 이때 RS 래치(304)의 출력 단자(Q)로부터 출력되는 로우 신호(L)에 의해 메인 스위치(SW)는 턴오프될 수 있다. 도면부호 305는 메인 스위치(SW)의 드라이버이다.
한편, 턴오프 구간(521)에서의 동작을 설명하면, 비교기(301)는 메인 스위치(SW)의 턴오프 구간(521)에서 검출된 전압(Vcs)과 제1 임계값(Vcsth1)의 비교 결과(A)를 출력할 수 있다. 비교 결과(A)는 D-플립플롭(351)의 클럭 단자(CK)로 입력될 수 있다.
D-플립플롭(351)은 비교기(301)의 비교 결과(A)에 기초하여, 메인 스위치(SW)의 턴오프 구간(521) 동안 검출된 전압(Vcs)이 제1 임계값(Vcsth1)에 도달하는 시점에서 메인 스위치(SW)의 턴온 신호(B)를 출력할 수 있다.
상승 에지 지연부(303)는 D-플립플롭(351)으로부터 출력되는 턴온 신호(B)를 소정 시간(Tzcd) 지연시키며, 지연된 출력 신호(C)는 OR 게이트(412)를 통해 RS 래치(304)의 셋단자(S)로 입력되어 메인 스위치(SW)를 턴온시킬 수 있다.
한편, 도 5c는 전류 검출 저항이 단락된 경우 본 발명의 제3 실시 형태에 따른 역률 개선용 컨버터 모듈의 각부 파형도이다.
이하, 도 2, 도 5a 및 도 5c를 참조하여 전류 검출 저항이 단락된 경우 본 발명의 제3 실시 형태에 따른 역률 개선용 컨버터의 제어부(300)의 동작 원리 및 각부 파형에 대해 상세하게 설명한다.
구체적으로, 전류 검출 저항(Rs)이 단락되면 전압(Vcs)은 제1 임계값(Vcsth1)보다 크다. 따라서, 메인 스위치(SW)는 턴오프 상태를 유지하게 된다.
상술한 턴오프 상태가 계속 유지되는 것을 방지하기 위해, 본 발명의 일 실시 형태에 의하면, 제3 보호 회로(550)를 더 포함할 수 있다.
구체적으로, 제3 보호 회로(550)는, 리셋 타이머일 수 있으며, RS 래치(304)로부터 메인 스위치(S)의 턴온 시점, 즉 게이트 신호(GATE)가 로우(L)에서 하이(H)로 되는 시점부터 미리 설정된 주기(Trst) 후에 리셋 신호(D)를 OR 게이트(412)를 통해 RS 래치(304)의 셋 단자(S)로 출력할 수 있다. 이 리셋 신호(D)에 의해 RS 래치(304)의 출력 신호는 로우(L)에서 하이(H)로 되며, 메인 스위치(SW)는 다시 턴온될 수 있다. 여기서, 미리 설정된 주기(Trst)는, 인덕터 전류(IL)가 0이 될 수 있도록 충분히 긴 시간일 수 있으며, 예를 들면 메인 스위치(SW)의 스위칭 주기보다 적어도 2배 이상인 값일 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 일 실시 형태에 의하면, 전류 검출 저항의 단락을 감지하고, 전류 검출 저항의 단락이 감지되면 미리 설정된 주기마다 일정한 턴온 시간을 가지도록 역률 개선용 컨버터의 메인 스위치를 제어함으로써, 메인 스위치 및 기타 소자들의 손상을 방지할 수 있다.
본 발명은 상술한 실시형태 및 첨부된 도면에 의해 한정되지 아니한다. 첨부된 청구범위에 의해 권리범위를 한정하고자 하며, 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 형태의 치환, 변형 및 변경할 수 있다는 것은 당 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에게 자명할 것이다.
10: 정류부 20: 역률 개선용 컨버터
30: 출력 센싱부 40: 부하
300: 제어부 303: 상승 에지 지연부
307: 온타임 생성부 352: 리셋 타이머
350, 450, 550: 제1 내지 제3 보호 회로 Rs: 전류 검출 저항

Claims (24)

  1. 임계 도통 모드로 동작하는 역률 개선용 컨버터의 인덕터를 통해 흐르는 전류에 상응하는 전압을 검출하는 전류 검출 저항; 및
    상기 검출된 전압에 기초하여 상기 전류 검출 저항의 단락을 감지하고, 상기 전류 검출 저항의 단락이 감지되면 미리 설정된 주기마다 일정한 턴온 시간을 가지도록 상기 역률 개선용 컨버터의 메인 스위치를 제어하는 제어부를 포함하는 역률 개선용 컨버터의 제어 회로.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 메인 스위치의 턴오프 시점에서 검출한 전압과 미리 설정된 제1 임계값에 기초하여 상기 전류 검출 저항의 단락을 감지하는 제1 보호 회로를 포함하는 역률 개선용 컨버터의 제어 회로.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제1 보호 회로는,
    상기 메인 스위치의 턴오프 시점에서 검출한 전압과 상기 제1 임계값에 기초하여 상기 전류 검출 저항의 단락을 감지하고, 상기 전류 검출 저항의 단락이 감지될 때 상기 메인 스위치의 턴오프 신호를 출력하는 D-플립플롭; 및
    상기 메인 스위치의 턴온 신호가 입력된 시점부터 상기 미리 설정된 주기 후에 리셋 신호를 상기 D-플립플롭으로 출력하는 리셋 타이머를 포함하며,
    상기 미리 설정된 주기는, 상기 메인 스위치의 스위칭 주기보다 적어도 2배 이상인 역률 개선용 컨버터의 제어 회로.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 역률 개선 컨버터의 출력 전압으로부터 상기 턴온 시간을 연산하고, 상기 메인 스위치의 턴온 시점으로부터 상기 턴온 시간이 경과하면 상기 메인 스위치의 턴오프 신호를 출력하는 턴오프 제어 회로를 더 포함하며,
    상기 턴온 시간은, 상기 역률 개선 컨버터의 출력 전압과 미리 설정된 기준 전압의 오차에 따라 생성된 전압에 비례하는 값인 역률 개선용 컨버터의 제어 회로.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 메인 스위치의 턴오프 구간을 감지하기 위해 상기 메인 스위치의 게이트 신호를 반전시키는 인버터;
    상기 검출된 전압과 상기 제1 임계값의 비교 결과를 출력하는 비교기;
    상기 인버터의 출력 신호와 상기 비교기의 출력 신호를 AND 연산함으로써, 상기 검출된 전압이 상기 제1 임계값에 도달한 경우 상기 메인 스위치의 턴온 신호를 출력하는 AND 연산기; 및
    상기 AND 연산기로부터 출력되는 턴온 신호를 지연시키는 상승에지지연부를 포함하는 턴온 제어 회로를 더 포함하는 역률 개선용 컨버터의 제어 회로.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 메인 스위치의 턴오프 시점부터 미리 설정된 시간이 경과한 시점에서 검출된 전압과 미리 설정된 제1 임계값에 기초하여 상기 전류 검출 저항의 단락을 감지하는 제2 보호 회로를 포함하며,
    상기 미리 설정된 시간은, 상기 메인 스위치의 턴오프 시점부터 상기 검출된 전압이 상기 제1 임계값에 도달하는 시점 사이의 값인 역률 개선용 컨버터의 제어 회로.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 제2 보호 회로는,
    상기 메인 스위치의 턴오프 시점을 상기 미리 설정된 시간만큼 지연시켜 출력하는 상승에지지연부;
    상기 메인 스위치의 턴오프 시점이 지연된 시점에서 검출한 전압과 상기 제1 임계값에 기초하여 상기 전류 검출 저항의 단락을 감지하고, 상기 전류 검출 저항의 단락이 감지될 때 상기 메인 스위치의 턴오프 신호를 출력하는 D-플립플롭; 및
    상기 메인 스위치의 턴온 신호가 입력된 시점부터 상기 미리 설정된 주기후에 리셋 신호를 상기 D-플립플롭으로 출력하는 리셋 타이머를 포함하며,
    상기 미리 설정된 주기는, 상기 메인 스위치의 스위칭 주기보다 적어도 2배 이상인 역률 개선용 컨버터의 제어 회로.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 역률 개선 컨버터의 출력 전압으로부터 상기 턴온 시간을 연산하고, 상기 메인 스위치의 턴온 시점으로부터 상기 턴온 시간이 경과하면 상기 메인 스위치의 턴오프 신호를 생성하는 제1 온타임 생성부;
    상기 검출 전압이 상기 제1 임계값보다 작은 크기를 가지는 제2 임계값에 도달할 때까지 상기 제1 온타임 생성부에서 생성된 턴오프 신호가 출력되지 않도록 하는 출력 신호 억제부; 및
    상기 메인 스위치의 턴온 시점으로부터 일정 시간이 경과되면 상기 메인 스위치의 강제 턴오프 신호를 출력하는 제2 온타임 생성부를 포함하는 턴오프 제어 회로를 더 포함하며,
    상기 턴온 시간은, 상기 역률 개선 컨버터의 출력 전압과 미리 설정된 기준 전압의 오차에 따라 생성된 전압에 비례하는 값인 역률 개선용 컨버터의 제어 회로.
  9. 제6항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 메인 스위치의 턴오프 구간을 감지하기 위해 상기 메인 스위치의 게이트 신호를 반전시키는 인버터;
    상기 메인 스위치의 턴오프 구간에서 검출된 전압과 상기 제1 임계값의 비교 결과를 출력하는 비교기;
    상기 인버터의 출력 신호와 상기 비교기의 출력 신호를 AND 연산함으로써, 상기 메인 스위치의 턴오프 구간 동안 상기 검출된 전압이 상기 제1 임계값에 도달한 경우 상기 메인 스위치의 턴온 신호를 출력하는 AND 연산기; 및
    상기 AND 연산기로부터 출력되는 턴온 신호를 지연시키는 상승에지지연부를 포함하는 턴온 제어 회로를 더 포함하는 역률 개선용 컨버터의 제어 회로.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 메인 스위치의 턴온 신호가 입력된 시점부터 상기 미리 설정된 주기 후에 상기 메인 스위치의 턴온 신호를 출력하는 제3 보호 회로를 포함하며,
    상기 미리 설정된 주기는, 상기 메인 스위치의 스위칭 주기보다 적어도 2배 이상인 역률 개선용 컨버터의 제어 회로.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 역률 개선 컨버터의 출력 전압으로부터 상기 턴온 시간을 연산하고, 상기 메인 스위치의 턴온 시점으로부터 상기 턴온 시간이 경과하면 상기 메인 스위치의 턴오프 신호를 출력하는 턴오프 제어 회로를 더 포함하며,
    상기 턴온 시간은, 상기 역률 개선 컨버터의 출력 전압과 미리 설정된 기준 전압의 오차에 따라 생성된 전압에 비례하는 값인 역률 개선용 컨버터의 제어 회로.
  12. 제10항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 메인 스위치의 턴오프 구간에서 검출된 전압과 제1 임계값의 비교 결과를 출력하는 비교기;
    상기 비교 결과에 기초하여, 상기 메인 스위치의 턴오프 구간 동안 검출된 전압이 상기 제1 임계값에 도달하는 시점에 상기 메인 스위치의 턴온 신호를 출력하는 D-플립플롭; 및
    상기 D-플립플롭으로부터 출력되는 턴온 신호를 지연시키는 상승에지지연부를 포함하는 턴온 제어 회로를 더 포함하는 역률 개선용 컨버터의 제어 회로.
  13. 인덕터에 흐르는 전류가 제로가 되는 시점을 감지하여 메인 스위치를 턴온시키는 임계 도통 모드에서 동작하는 역률 개선용 컨버터; 및
    상기 인덕터를 통해 흐르는 전류에 상응하는 전압을 검출하는 전류 검출 저항을 포함하며, 상기 검출된 전압에 기초하여 상기 전류 검출 저항의 단락을 감지하고, 상기 전류 검출 저항의 단락이 감지되면 미리 설정된 주기마다 일정한 턴온 시간을 가지도록 상기 역률 개선용 컨버터의 메인 스위치를 제어하는 제어부를 포함하는 역률 개선용 컨버터 모듈.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 메인 스위치의 턴오프 시점에서 검출한 전압과 미리 설정된 제1 임계값에 기초하여 상기 전류 검출 저항의 단락을 감지하는 제1 보호 회로를 포함하는 역률 개선용 컨버터 모듈.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 제1 보호 회로는,
    상기 메인 스위치의 턴오프 시점에서 검출한 전압과 상기 제1 임계값에 기초하여 상기 전류 검출 저항의 단락을 감지하고, 상기 전류 검출 저항의 단락이 감지될 때 상기 메인 스위치의 턴오프 신호를 출력하는 D-플립플롭; 및
    상기 메인 스위치의 턴온 신호가 입력된 시점부터 상기 미리 설정된 주기 후에 리셋 신호를 상기 D-플립플롭으로 출력하는 리셋 타이머를 포함하며,
    상기 미리 설정된 주기는, 상기 메인 스위치의 스위칭 주기보다 적어도 2배 이상인 역률 개선용 컨버터 모듈.
  16. 제14항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 역률 개선 컨버터의 출력 전압으로부터 상기 턴온 시간을 연산하고, 상기 메인 스위치의 턴온 시점으로부터 상기 턴온 시간이 경과하면 상기 메인 스위치의 턴오프 신호를 출력하는 턴오프 제어 회로를 더 포함하며,
    상기 턴온 시간은, 상기 역률 개선 컨버터의 출력 전압과 미리 설정된 기준 전압의 오차에 따라 생성된 전압에 비례하는 값인 역률 개선용 컨버터 모듈.
  17. 제14항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 메인 스위치의 턴오프 구간을 감지하기 위해 상기 메인 스위치의 게이트 신호를 반전시키는 인버터;
    상기 검출된 전압과 상기 제1 임계값의 비교 결과를 출력하는 비교기;
    상기 인버터의 출력 신호와 상기 비교기의 출력 신호를 AND 연산함으로써, 상기 검출된 전압이 상기 제1 임계값에 도달한 경우 상기 메인 스위치의 턴온 신호를 출력하는 AND 연산기; 및
    상기 AND 연산기로부터 출력되는 턴온 신호를 지연시키는 상승에지지연부를 포함하는 턴온 제어 회로를 더 포함하는 역률 개선용 컨버터 모듈.
  18. 제13항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 메인 스위치의 턴오프 시점부터 미리 설정된 시간이 경과한 시점에서 검출된 전압과 미리 설정된 제1 임계값에 기초하여 상기 전류 검출 저항의 단락을 감지하는 제2 보호 회로를 포함하며,
    상기 미리 설정된 시간은, 상기 메인 스위치의 턴오프 시점부터 상기 검출된 전압이 상기 제1 임계값에 도달하는 시점 사이의 값인 역률 개선용 컨버터 모듈.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 제2 보호 회로는,
    상기 메인 스위치의 턴오프 시점을 상기 미리 설정된 시간만큼 지연시켜 출력하는 상승에지지연부;
    상기 메인 스위치의 턴오프 시점이 지연된 시점에서 검출한 전압과 상기 제1 임계값에 기초하여 상기 전류 검출 저항의 단락을 감지하고, 상기 전류 검출 저항의 단락이 감지될 때 상기 메인 스위치의 턴오프 신호를 출력하는 D-플립플롭; 및
    상기 메인 스위치의 턴온 신호가 입력된 시점부터 상기 미리 설정된 주기후에 리셋 신호를 상기 D-플립플롭으로 출력하는 리셋 타이머를 포함하며,
    상기 미리 설정된 주기는, 상기 메인 스위치의 스위칭 주기보다 적어도 2배 이상인 역률 개선용 컨버터 모듈.
  20. 제18항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 역률 개선 컨버터의 출력 전압으로부터 상기 턴온 시간을 연산하고, 상기 메인 스위치의 턴온 시점으로부터 상기 턴온 시간이 경과하면 상기 메인 스위치의 턴오프 신호를 생성하는 제1 온타임 생성부;
    상기 검출 전압이 상기 제1 임계값보다 작은 크기를 가지는 제2 임계값에 도달할 때까지 상기 제1 온타임 생성부에서 생성된 턴오프 신호가 출력되지 않도록 하는 출력 신호 억제부; 및
    상기 메인 스위치의 턴온 시점으로부터 일정 시간이 경과되면 상기 메인 스위치의 강제 턴오프 신호를 출력하는 제2 온타임 생성부를 포함하는 턴오프 제어 회로를 더 포함하며,
    상기 턴온 시간은, 상기 역률 개선 컨버터의 출력 전압과 미리 설정된 기준 전압의 오차에 따라 생성된 전압에 비례하는 값인 역률 개선용 컨버터 모듈.
  21. 제18항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 메인 스위치의 턴오프 구간을 감지하기 위해 상기 메인 스위치의 게이트 신호를 반전시키는 인버터;
    상기 메인 스위치의 턴오프 구간에서 검출된 전압과 상기 제1 임계값의 비교 결과를 출력하는 비교기;
    상기 인버터의 출력 신호와 상기 비교기의 출력 신호를 AND 연산함으로써, 상기 메인 스위치의 턴오프 구간 동안 상기 검출된 전압이 상기 제1 임계값에 도달한 경우 상기 메인 스위치의 턴온 신호를 출력하는 AND 연산기; 및
    상기 AND 연산기로부터 출력되는 턴온 신호를 지연시키는 상승에지지연부를 포함하는 턴온 제어 회로를 더 포함하는 역률 개선용 컨버터 모듈.
  22. 제13항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 메인 스위치의 턴온 신호가 입력된 시점부터 상기 미리 설정된 주기 후에 상기 메인 스위치의 턴온 신호를 출력하는 제3 보호 회로를 포함하며,
    상기 미리 설정된 주기는, 상기 메인 스위치의 스위칭 주기보다 적어도 2배 이상인 역률 개선용 컨버터 모듈.
  23. 제22항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 역률 개선 컨버터의 출력 전압으로부터 상기 턴온 시간을 연산하고, 상기 메인 스위치의 턴온 시점으로부터 상기 턴온 시간이 경과하면 상기 메인 스위치의 턴오프 신호를 출력하는 턴오프 제어 회로를 더 포함하며,
    상기 턴온 시간은, 상기 역률 개선 컨버터의 출력 전압과 미리 설정된 기준 전압의 오차에 따라 생성된 전압에 비례하는 값인 역률 개선용 컨버터 모듈.
  24. 제22항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 메인 스위치의 턴오프 구간에서 검출된 전압과 제1 임계값의 비교 결과를 출력하는 비교기;
    상기 비교 결과에 기초하여, 상기 메인 스위치의 턴오프 구간 동안 검출된 전압이 상기 제1 임계값에 도달하는 시점에 상기 메인 스위치의 턴온 신호를 출력하는 D-플립플롭; 및
    상기 D-플립플롭으로부터 출력되는 턴온 신호를 지연시키는 상승에지지연부를 포함하는 턴온 제어 회로를 더 포함하는 역률 개선용 컨버터 모듈.
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