KR102386748B1 - Power factor correction converter - Google Patents

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Abstract

역률개선 컨버터가 제공된다. 역률개선 컨버터는 전원과 연결된 입력 인덕터와, 상기 입력 인덕터의 일단에 연결되어 상기 전원으로부터 생성된 전류의 흐름을 스위칭하는 제1 스위치 및 제2 스위치를 포함하는 입력부, 상기 입력부의 제1 노드와 제2 노드에 연결되며 공진 커패시터, 공진 인덕터, 제3 다이오드 및 출력단을 포함하는 출력부, 및 상기 입력부로부터 발생된 전류의 흐름을 조절하며, 상기 입력부의 제3 노드에 연결된 제1 다이오드와 상기 제2 노드에 연결된 제2 다이오드를 포함하는 전류 조절부를 포함한다.A power factor correcting converter is provided. The power factor correction converter includes an input unit including an input inductor connected to a power source, first and second switches connected to one end of the input inductor to switch the flow of current generated from the power source, and a first node and a second switch of the input unit. An output unit connected to the second node and including a resonant capacitor, a resonant inductor, a third diode and an output terminal, and a first diode connected to the third node of the input unit and the second and a current controller including a second diode connected to the node.

Description

역률개선 컨버터{POWER FACTOR CORRECTION CONVERTER}Power Factor Correction Converter {POWER FACTOR CORRECTION CONVERTER}

이하의 설명은 역률개선 컨버터에 관한 것이다. 보다 구체적으로 브리지 다이오드를 생략하여 전력변환 효율이 우수하고, 동작모드의 구동이 용이하여 오동작 가능성이 적은 역률개선 컨버터에 관한 것이다.The following description relates to a power factor correction converter. More specifically, the present invention relates to a power factor improving converter that has excellent power conversion efficiency by omitting a bridge diode, and is easy to operate in an operation mode, thereby reducing the possibility of malfunction.

EC, IEEE 등의 국제기구에서는 고조파 전류의 규격을 제정하여 고조파 전류를 규제하고 있다. 이러한 고조파 규제를 만족하기 위해서 역률개선(Power factor correction, PFC)용 부스트 컨버터(Boost Converter)가 이용되고 있다. 역률개선 컨버터를 이용한 역률개선 방식은 신뢰성과 효율이 높기 때문에 현재까지도 상용화하고 있다.International organizations such as EC and IEEE regulate harmonic currents by establishing standards for harmonic currents. In order to satisfy such harmonic regulation, a boost converter for power factor correction (PFC) is being used. The power factor improvement method using the power factor improvement converter has been commercialized to this day because of its high reliability and efficiency.

역률개선 컨버터에서 발생하는 EMC(ElectroMagnetic Compatibility) 노이즈를 감소시키기 위해 Y 캐패시터가 연결된다. 일반적인 역률개선 컨버터는 전원이 발생시키는 교류 전압을 직류 전압으로 변경하기 위해 브리지 다이오드(bridge diode)를 포함한다. 하지만, 브리지 다이오드는 회로 내에서 손실이 많아서 역률개선 컨버터의 효율을 떨어뜨리는 주요 요인이 된다.The Y capacitor is connected to reduce EMC (ElectroMagnetic Compatibility) noise generated by the power factor correction converter. A typical power factor correction converter includes a bridge diode to change an AC voltage generated by a power supply to a DC voltage. However, the bridge diode has a lot of loss in the circuit, so it is a major factor in reducing the efficiency of the power factor correction converter.

따라서 브리지 다이오드를 생략한 브리지리스(bridgeless) 역률개선 컨버터가 연구되고 있다. 하지만, 현존하는 브리지리스 역률개선 컨버터는 Y-커패시터에 고주파 펄스의 높은 스위칭 전압이 인가되어 노이즈가 많이 발생하거나 입력 전압의 극성에 따라 스위칭 소자들의 구동 방식을 변경해야 하기 때문에 AC 입력 전압의 극성이 변하는 제로 크로스(zero cross) 시점에서 오동작 가능성이 있고, 제어의 복잡함 때문에 범용 PFC IC에 적용이 어려운 문제가 있다.Therefore, a bridgeless power factor correction converter in which a bridge diode is omitted is being studied. However, in the existing bridgeless power factor correction converter, a high switching voltage of a high-frequency pulse is applied to the Y-capacitor, which causes a lot of noise, or the polarity of the AC input voltage is changed because the driving method of the switching elements must be changed according to the polarity of the input voltage. There is a possibility of malfunction at the time of a changing zero cross, and it is difficult to apply to a general-purpose PFC IC due to the complexity of the control.

미국 등록특허 제8,363,434호(2013.01.29)US Registered Patent No. 8,363,434 (2013.01.29)

브리지 다이오드를 생략하여 전력변환 효율이 우수하고, 동작모드의 구동이 용이하여 오동작 가능성이 적은 역률개선 컨버가 제공된다.There is provided a power factor improving converter that has excellent power conversion efficiency by omitting a bridge diode and has a low possibility of malfunction due to easy operation in an operation mode.

일 측면에 따르면 전원과 연결된 입력 인덕터와, 상기 입력 인덕터의 일단에 연결되어 상기 전원으로부터 생성된 전류의 흐름을 스위칭하는 제1 스위치 및 제2 스위치를 포함하는 입력부; 상기 입력부의 제1 노드와 제2 노드에 연결되며 공진 커패시터, 공진 인덕터, 제3 다이오드 및 출력단을 포함하는 출력부; 및 상기 입력부로부터 발생된 전류의 흐름을 조절하며, 상기 입력부의 제3 노드에 연결된 제1 다이오드와 상기 제2 노드에 연결된 제2 다이오드를 포함하는 전류 조절부를 포함하는 역률개선 컨버터가 개시된다.According to one aspect, there is provided an input inductor connected to a power source, and an input unit including a first switch and a second switch connected to one end of the input inductor to switch the flow of current generated from the power source; an output unit connected to the first node and the second node of the input unit and including a resonant capacitor, a resonant inductor, a third diode, and an output terminal; and a current controller that controls the flow of current generated from the input part, and includes a first diode connected to a third node of the input part and a second diode connected to the second node.

상기 제1 노드는 상기 전원과 상기 제2 스위치 사이에 위치하고, 상기 제2 노드는 상기 제1 스위치와 상기 제2 스위치 사이에 위치하고, 상기 제3 노드는 상기 입력 인덕터와 상기 제1 스위치 사이에 위치할 수 있다.The first node is located between the power source and the second switch, the second node is located between the first switch and the second switch, and the third node is located between the input inductor and the first switch. can do.

상기 제1 다이오드의 일단은 상기 제3 노드에 연결되고, 상기 제1 다이오드의 타단은 상기 공진 커패시터 및 상기 공진 인덕터 사이에 위치한 제4 노드에 연결되며, 상기 제2 다이오드의 일단은 상기 제4 노드에 연결되고 상기 제2 다이오드의 타단은 상기 제1 노드에 연결될 수 있다.One end of the first diode is connected to the third node, the other end of the first diode is connected to a fourth node located between the resonance capacitor and the resonance inductor, and one end of the second diode is connected to the fourth node may be connected to and the other end of the second diode may be connected to the first node.

상기 제1 다이오드의 일단은 상기 제3 노드에 연결되고, 상기 제1 다이오드의 타단은 상기 출력단에 연결되며, 상기 제2 다이오드의 일단은 상기 공진 커패시터 및 상기 공진 인덕터 사이에 위치한 제4 노드에 연결되고, 상기 제2 다이오드의 타단은 상기 제1 노드에 연결될 수 있다.One end of the first diode is connected to the third node, the other end of the first diode is connected to the output terminal, and one end of the second diode is connected to a fourth node located between the resonance capacitor and the resonance inductor. and the other end of the second diode may be connected to the first node.

상기 제1 다이오드는 상기 제3 노드로부터 상기 제4 노드 및 상기 출력단 중 어느 하나로 향하는 방향으로 전류의 흐름을 허용하며, 상기 제2 다이오드는 상기 제1 노드로부터 상기 제4 노드 방향으로 전류의 흐름을 허용할 수 있다.The first diode allows a current to flow from the third node to one of the fourth node and the output terminal, and the second diode controls the flow of current from the first node to the fourth node. can allow

상기 전원은 교류 전압을 생성하고, 상기 제1 스위치 및 상기 제2 스위치는 함께 주기적으로 온/오프 동작을 반복할 수 있다.The power source may generate an AC voltage, and the first switch and the second switch may periodically repeat an on/off operation together.

상기 제1 스위치 및 상기 제2 스위치가 온 상태인 경우, 입력부에서 발생된 전류는 상기 제1 다이오드 및 상기 제2 다이오드를 통해 흐르지 않으며, 상기 공진 커패시터에 충전된 전하가 상기 공진 인덕터와의 공진에 의해 출력단으로 전달될 수 있다.When the first switch and the second switch are in an on state, the current generated from the input unit does not flow through the first diode and the second diode, and the charge charged in the resonance capacitor is in resonance with the resonance inductor. may be transmitted to the output terminal.

상기 제1 스위치 및 상기 제2 스위치가 오프 상태인 경우, 상기 입력부에서 발생된 전류는 상기 제1 다이오드 및 상기 제2 다이오드 중 어느 하나를 통과하며 상기 제1 다이오드 및 상기 제2 다이오드 중 어느 하나를 통과한 전류에 의해 상기 공진 커패시터가 충전될 수 있다.When the first switch and the second switch are in an off state, the current generated from the input unit passes through any one of the first diode and the second diode and passes through any one of the first diode and the second diode. The resonant capacitor may be charged by the passing current.

상기 제1 스위치 및 상기 제2 스위치가 오프 상태이고 상기 전원의 교류 전압의 극성이 양의 극성인 경우, 상기 전원에서 발생된 전류는 상기 입력 인덕턴스와 상기 제1 다이오드와, 상기 공진 커패시터 및 상기 제2 스위치의 바디 다이오드를 통과하고, 상기 입력 인덕터에서 발생된 전류는 상기 제1 다이오드, 상기 공진 인덕터 및 상기 제3 다이오드를 통과하여 상기 출력단에 전달될 수 있다.When the first switch and the second switch are in an off state and the polarity of the AC voltage of the power source is positive, the current generated from the power source is the input inductance, the first diode, the resonance capacitor, and the second The current generated in the input inductor passing through the body diode of the two switches may pass through the first diode, the resonant inductor, and the third diode to be transmitted to the output terminal.

상기 제1 스위치 및 상기 제2 스위치가 오프 상태이고 상기 전원의 교류 전압의 극성이 음의 극성인 경우, 상기 전원에서 발생된 전류는 상기 제2 다이오드와 상기 제1 스위치의 바디 다이오드를 통과하고, 상기 입력 인덕터에서 발생된 전류는 상기 공진 커패시터를 충전할 수 있다.When the first switch and the second switch are in an off state and the polarity of the AC voltage of the power source is negative, the current generated from the power source passes through the second diode and the body diode of the first switch, The current generated in the input inductor may charge the resonance capacitor.

일단은 제5 노드와 연결되고 타단은 상기 제1 노드와 연결되며, 상기 제1 노드로부터 상기 제5 노드 방향으로의 전류를 허용하는 제4 다이오드를 더 포함하며, 상기 제5 노드는 상기 공진 인덕터와 상기 제3 다이오드 사이에 위치할 수 있다.and a fourth diode having one end connected to the fifth node and the other end connected to the first node, and allowing a current in a direction from the first node to the fifth node, wherein the fifth node is the resonance inductor and the third diode.

상기 출력단은 출력 커패시터를 포함할 수 있다.The output terminal may include an output capacitor.

상기 출력 커패시터의 충전 용량은 상기 공진 커패시터의 충전 용량보다 클 수 있다.A charging capacity of the output capacitor may be greater than a charging capacity of the resonance capacitor.

상기 출력단은 상기 출력 커패시터와 병렬로 연결된 출력 저항을 더 포함할 수 있다.The output terminal may further include an output resistor connected in parallel with the output capacitor.

적어도 하나의 실시예에 따르면 역률개선 컨버터의 브리지 다이오드를 생략하여 발열 현상을 줄이고 효율을 개선할 수 있다. 적어도 하나의 실시예에 따르면 역률개선 컨버터에 연결된 Y-커패시터에 저주파 전압 또는 낮은 시간 변화율(dV/dt)을 가지는 전압이 인가되게 하여 노이즈 특성을 개선할 수 있다. 적어도 하나의 실시예에 따르면 AC 입력 전압의 극성에 관계없이 스위치들의 구동이 간단해짐으로써 오작동 가능성을 줄이고 마이크로 프로세서 대신 저가의 범용 PFC IC의 사용을 가능하게 하여 역률개선 컨버터의 제조 단가를 절감할 수 있다.According to at least one embodiment, it is possible to reduce heat generation and improve efficiency by omitting the bridge diode of the power factor improving converter. According to at least one embodiment, a low frequency voltage or a voltage having a low time change rate (dV/dt) may be applied to the Y-capacitor connected to the power factor improving converter to improve noise characteristics. According to at least one embodiment, it is possible to reduce the manufacturing cost of the power factor improving converter by simplifying the operation of the switches regardless of the polarity of the AC input voltage, thereby reducing the possibility of malfunction and enabling the use of a low-cost general-purpose PFC IC instead of a microprocessor. there is.

본 발명의 실시 예의 설명에 이용되기 위하여 첨부된 아래 도면들은 본 발명의 실시 예들 중 단지 일부일 뿐이며, 본 발명의 기술분야에서 통상의 지식을 가진 사람(이하 "통상의 기술자"라 함)에게 있어서는 발명에 이르는 추가 노력 없이 이 도면들에 기초하여 다른 도면들이 얻어질 수 있다.
도 1은 비교예에 따른 역률개선 컨버터를 나타낸 회로도이다.
도 2는 다른 비교예에 따른 역률개선 컨버터를 나타낸 회로도이다.
도 3은 또 다른 비교예에 따른 역률개선 컨버터를 나타낸 회로도이다.
도 4는 예시적인 실시예에 따른 역률개선 컨버터를 나타낸 회로도이다.
도 5는 도 4에서 나타낸 역률개선 컨버터의 변형예를 나타낸 회로도이다.
도 6은 AC 입력전압이 양의 극성을 가질 때 제1 스위치 및 제2 스위치가 온 상태인 경우, 역률개선 컨버터의 동작 방식을 나타낸 개념도이다.
도 7은 AC 입력전압이 양의 극성을 가질 때 제1 스위치 및 제2 스위치가 오프 상태인 경우, 역률개선 컨버터의 동작 방식을 나타낸 개념도이다.
도 8은 AC 입력전압이 양의 극성을 가질 때 제1 스위치 및 제2 스위치의 동작에 따른 각부 주요 동작파형을 나타낸 그래프이다.
도 9는 AC 입력전압이 음의 극성을 가질 때 제1 스위치 및 제2 스위치가 온 상태인 경우, 역률개선 컨버터의 동작 방식을 나타낸 개념도이다.
도 10은 AC 입력전압이 음의 극성을 가질 때 제1 스위치 및 제2 스위치가 오프 상태인 경우, 역률개선 컨버터의 동작 방식을 나타낸 개념도이다.
도 11은 AC 입력전압이 음의 극성을 가질 때 제1 스위치 및 제2 스위치의 동작에 따른 각부 주요 동작파형을 나타낸 그래프이다.
도 12는 도 4에서 나타낸 역률개선 컨버터에 공통모드 노이즈 제거를 위한 Y-커패시터가 연결된 것을 예시적으로 나타낸 회로도이다.
도 13은 도 4에서 나타낸 역률개선 컨버터의 다른 변형예를 나타낸 회로도이다.The accompanying drawings for use in the description of the embodiments of the present invention are only a part of the embodiments of the present invention, and for those of ordinary skill in the art (hereinafter referred to as "those skilled in the art"), the invention Other drawings may be obtained based on these drawings without additional effort to
1 is a circuit diagram illustrating a power factor improving converter according to a comparative example.
2 is a circuit diagram illustrating a power factor improving converter according to another comparative example.
3 is a circuit diagram illustrating a power factor improving converter according to another comparative example.
4 is a circuit diagram illustrating a power factor improving converter according to an exemplary embodiment.
5 is a circuit diagram illustrating a modified example of the power factor improving converter shown in FIG. 4 .
6 is a conceptual diagram illustrating an operation method of the power factor improving converter when the first switch and the second switch are in an on state when the AC input voltage has a positive polarity.
7 is a conceptual diagram illustrating an operation method of the power factor improving converter when the first switch and the second switch are in an off state when the AC input voltage has a positive polarity.
8 is a graph showing main operation waveforms of each part according to the operation of the first switch and the second switch when the AC input voltage has a positive polarity.
9 is a conceptual diagram illustrating an operation method of the power factor improving converter when the first switch and the second switch are in an on state when the AC input voltage has a negative polarity.
10 is a conceptual diagram illustrating an operation method of the power factor improving converter when the first switch and the second switch are in an off state when the AC input voltage has a negative polarity.
11 is a graph showing main operation waveforms of each part according to the operation of the first switch and the second switch when the AC input voltage has a negative polarity.
12 is a circuit diagram exemplarily illustrating that a Y-capacitor for removing common mode noise is connected to the power factor correction converter shown in FIG. 4 .
13 is a circuit diagram illustrating another modified example of the power factor improving converter shown in FIG. 4 .

후술하는 본 발명에 대한 상세한 설명은, 본 발명의 목적들, 기술적 해법들 및 장점들을 분명하게 하기 위하여 본 발명이 실시될 수 있는 특정 실시 예를 예시로서 도시하는 첨부 도면을 참조한다. 이들 실시 예는 통상의 기술자가 본 발명을 실시할 수 있도록 상세히 설명된다.DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS The following detailed description of the present invention refers to the accompanying drawings, which show by way of illustration a specific embodiment in which the present invention may be practiced, in order to clarify the objects, technical solutions and advantages of the present invention. These embodiments are described in detail to enable those skilled in the art to practice the present invention.

본 발명의 상세한 설명 및 청구항들에 걸쳐, '포함하다'라는 단어 및 그 변형은 다른 기술적 특징들, 부가물들, 구성요소들 또는 단계들을 제외하는 것으로 의도된 것이 아니다. 또한, '하나' 또는 '한'은 하나 이상의 의미로 쓰인 것이며, '또 다른'은 적어도 두 번째 이상으로 한정된다.Throughout this description and claims, the word 'comprise' and variations thereof are not intended to exclude other technical features, additions, components or steps. In addition, 'one' or 'an' is used to mean more than one, and 'another' is limited to at least a second or more.

또한, 본 발명의 '제1', '제2' 등의 용어는 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하기 위한 것으로서, 순서를 나타내는 것으로 이해되지 않는 한 이들 용어들에 의하여 권리범위가 한정되어서는 아니 된다. 예를 들어, 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 이와 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다.In addition, terms such as 'first' and 'second' of the present invention are for distinguishing one component from other components, and unless it is understood to indicate an order, the scope of rights is limited by these terms. is not For example, a first component may be referred to as a second component, and similarly, the second component may also be referred to as a first component.

어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다고 언급된 때에는 그 다른 구성요소에 직접 연결될 수도 있지만 중간에 다른 구성요소가 개재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다고 언급된 때에는 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 한편, 구성요소들 간의 관계를 설명하는 다른 표현들, 즉, "~사이에"와 "바로 ~사이에" 또는 "~에 이웃하는"과 "~에 직접 이웃하는" 등도 마찬가지로 해석되어야 한다.When a component is referred to as being “connected” to another component, it may be directly connected to the other component, but it should be understood that another component may intervene. On the other hand, when it is mentioned that a certain element is "directly connected" to another element, it should be understood that the other element does not exist in the middle. Meanwhile, other expressions describing the relationship between elements, that is, “between” and “between” or “neighboring to” and “directly adjacent to”, etc., should be interpreted similarly.

각 단계들에 있어서 식별부호(예를 들어, a, b, c 등)는 설명의 편의를 위하여 사용된 것으로 식별부호는 논리상 필연적으로 귀결되지 않는 한 각 단계들의 순서를 설명하는 것이 아니며, 각 단계들은 명기된 순서와 다르게 일어날 수 있다. 즉, 각 단계들은 명기된 순서와 동일하게 일어날 수도 있고 실질적으로 동시에 수행될 수도 있으며, 반대의 순서로 수행될 수도 있다.In each step, identification symbols (eg, a, b, c, etc.) are used for convenience of explanation, and identification codes do not describe the order of each step unless it necessarily results in logic, and each The steps may occur out of the order specified. That is, each step may occur in the same order as specified, may be performed substantially simultaneously, or may be performed in the reverse order.

통상의 기술자에게 본 발명의 다른 목적들, 장점들 및 특성들이 일부는 본 설명서로부터, 그리고 일부는 본 발명의 실시로부터 드러날 것이다. 아래의 예시 및 도면은 실례로서 제공되며, 본 발명을 한정하는 것으로 의도된 것이 아니다. 따라서, 특정 구조나 기능에 관하여 본 명세서에 개시된 상세 사항들은 한정하는 의미로 해석되어서는 아니되고, 단지 통상의 기술자가 실질적으로 적합한 임의의 상세 구조들로써 본 발명을 다양하게 실시하도록 지침을 제공하는 대표적인 기초 자료로 해석되어야 할 것이다.Other objects, advantages and characteristics of the present invention will become apparent to a person skilled in the art in part from this description and in part from practice of the present invention. The following illustrations and drawings are provided by way of illustration and are not intended to limit the invention. Accordingly, the details disclosed herein with respect to a specific structure or function are not to be construed in a limiting sense, but merely representative It should be interpreted as basic data.

더욱이 본 발명은 본 명세서에 표시된 실시 예들의 모든 가능한 조합들을 망라한다. 본 발명의 다양한 실시 예는 서로 다르지만 상호 배타적일 필요는 없음이 이해되어야 한다. 예를 들어, 여기에 기재되어 있는 특정 형상, 구조 및 특성은 일 실시 예에 관련하여 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않으면서 다른 실시 예로 구현될 수 있다. 또한, 각각의 개시된 실시 예 내의 개별 구성요소의 위치 또는 배치는 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않으면서 변경될 수 있음이 이해되어야 한다. 따라서, 후술하는 상세한 설명은 한정적인 의미로서 취하려는 것이 아니며, 본 발명의 범위는, 적절하게 설명된다면, 그 청구항들이 주장하는 것과 균등한 모든 범위와 더불어 첨부된 청구항에 의해서만 한정된다. 도면에서 유사한 참조부호는 여러 측면에 걸쳐서 동일하거나 유사한 기능을 지칭한다. Moreover, the invention encompasses all possible combinations of the embodiments indicated herein. It should be understood that various embodiments of the present invention are different but need not be mutually exclusive. For example, specific shapes, structures, and characteristics described herein may be implemented in other embodiments without departing from the spirit and scope of the present invention in relation to one embodiment. In addition, it should be understood that the position or arrangement of individual components in each disclosed embodiment may be changed without departing from the spirit and scope of the present invention. Accordingly, the following detailed description is not intended to be taken in a limiting sense, and the scope of the present invention, if properly described, is limited only by the appended claims, along with all scope equivalents to those claimed. Like reference numerals in the drawings refer to the same or similar functions throughout the various aspects.

본 명세서에서 달리 표시되거나 분명히 문맥에 모순되지 않는 한, 단수로 지칭된 항목은, 그 문맥에서 달리 요구되지 않는 한, 복수의 것을 아우른다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.In this specification, unless indicated otherwise or clearly contradicted by context, items referred to in the singular encompass the plural unless the context requires otherwise. In addition, in describing the present invention, if it is determined that a detailed description of a related known configuration or function may obscure the gist of the present invention, the detailed description thereof will be omitted.

이하, 통상의 기술자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있도록 하기 위하여, 본 발명의 바람직한 실시 예들에 관하여 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.Hereinafter, in order to enable those skilled in the art to easily practice the present invention, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

도 1은 비교예에 따른 역률개선 컨버터를 나타낸 회로도이다.1 is a circuit diagram illustrating a power factor improving converter according to a comparative example.

도 1을 참조하면, 역률개선 컨버터(12)와 Y-커패시터(14)가 연결되어 있을 수 있다. 역률개선 컨버터(12)는 교류 전압을 직류 전압으로 변경하기 위한 브리지 다이오드를 포함할 수 있다. 도 1에서 나타낸 회로에서는 Y-커패시터에 인가되는 전압이 입력 전압인 저주파 전압(예를 들어, 대략 60Hz의 교류 전압)이 인가되므로 노이즈 특성이 우수할 수 있다. 하지만, 브리지 다이오드에서 발열 손실이 많이 일어날 수 있다. 또한, 브리지 다이오드로 인해서 역률개선 컨버터(12)의 효율이 저하될 수 있다. 이러한 역률개선 컨버터(12)의 효율 저하는 입력 전압의 크기가 작은 경우, 특히 더 심각해질 수 있다.Referring to FIG. 1 , the power factor improving converter 12 and the Y-capacitor 14 may be connected. The power factor correction converter 12 may include a bridge diode for converting an AC voltage into a DC voltage. In the circuit shown in FIG. 1 , a low-frequency voltage (eg, an AC voltage of approximately 60 Hz) as an input voltage is applied to the voltage applied to the Y-capacitor, so that the noise characteristic may be excellent. However, a large amount of heat loss may occur in the bridge diode. In addition, the efficiency of the power factor improving converter 12 may be reduced due to the bridge diode. The decrease in the efficiency of the power factor correction converter 12 may be particularly serious when the magnitude of the input voltage is small.

도 2는 다른 비교예에 따른 역률개선 컨버터를 나타낸 회로도이다.2 is a circuit diagram illustrating a power factor improving converter according to another comparative example.

도 2를 참조하면, 역률개선 컨버터(22)는 브리지 다이오드를 포함하지 않을 수 있다. 역률개선 컨버터(22)는 입력 인덕터(Lin)와 스위치들(M1, M2)들 및 다이오드들(Do1,Do2)을 포함할 수 있다. 역률개선 컨버터(22)는 브리지 다이오드 없이도 교류 전압을 직류 전압으로 변환할 수 있다. 하지만, Y-커패시터(24)에 시간에 대한 전압변화율(dv/dt)이 큰 고주파 펄스의 높은 스위칭 전압이 인가되어 노이즈 문제가 심각하여 상용화가 어려운 단점이 있다.Referring to FIG. 2 , the power factor correction converter 22 may not include a bridge diode. The power factor correction converter 22 may include an input inductor L in , switches M1 and M2 , and diodes D o1 , D o2 . The power factor correction converter 22 may convert an AC voltage into a DC voltage without a bridge diode. However, since a high switching voltage of a high frequency pulse having a large voltage change rate (dv/dt) with time is applied to the Y-capacitor 24 , the noise problem is serious, and thus commercialization is difficult.

도 3은 또 다른 비교예에 따른 역률개선 컨버터를 나타낸 회로도이다. 3 is a circuit diagram illustrating a power factor improving converter according to another comparative example.

도 3을 참조하면, 역률개선 컨버터(32)는 입력 인덕터(Lin)와 스위치들(M1, M2) 및 다이오드들(Do1,Do2)을 포함할 수 있다. 역률개선 컨버터(32)는 브리지 다이오드 없이도 교류 전압을 직류 전압으로 변환할 수 있다. 도 3에서 나타낸 역률개선 컨버터(32)를 이용하면 Y-커패시터(34)에 입력 전압인 저주파 전압(예를 들어, 60Hz 정도의 교류 전압)이 인가되므로 낮은 공통모드 노이즈 특성을 가질 수 있다. 하지만, 정상적인 동작을 위해서 입력 전압의 극성에 따라 제1 스위치(M1) 및 제2 스위치(M2)의 구동 방식이 상이해지기 때문에 입력 전압의 극성이 변경되는 시점과 제1 스위치(M1) 및 제2 스위치(M2)의 스위칭 타이밍이 일치하지 않을 경우 오동작 가능성 및 역률 저하 가능성이 있다. 따라서, 상술한 스위칭 타이밍을 정밀하게 맞추는 동시에 AC 입력전압의 극성에 따라 적절한 동작을 보장하기 위해 마이크로프로세서 및 AC 입력전압의 극성을 검출하기 위한 전압센서가 요구될 수 있다. 이로 인해 복잡한 알고리즘의 적용이 요구되며 회로 단가가 높아질 수 있다. Referring to FIG. 3 , the power factor improving converter 32 may include an input inductor L in , switches M1 and M2 , and diodes D o1 , D o2 . The power factor correction converter 32 may convert an AC voltage into a DC voltage without a bridge diode. When the power factor correction converter 32 shown in FIG. 3 is used, a low frequency voltage (eg, an AC voltage of about 60 Hz), which is an input voltage, is applied to the Y-capacitor 34 , so that it can have low common mode noise characteristics. However, for a normal operation, since the driving methods of the first switch M1 and the second switch M2 are different depending on the polarity of the input voltage, the timing at which the polarity of the input voltage is changed and the first switch M1 and the second switch M2 If the switching timings of the two switches M2 do not match, there is a possibility of malfunction and a decrease in power factor. Accordingly, a microprocessor and a voltage sensor for detecting the polarity of the AC input voltage may be required to precisely match the above-described switching timing and at the same time ensure proper operation according to the polarity of the AC input voltage. This requires the application of a complex algorithm and may increase the circuit cost.

도 4는 예시적인 실시예에 따른 역률개선 컨버터를 나타낸 회로도이다.4 is a circuit diagram illustrating a power factor improving converter according to an exemplary embodiment.

도 4를 참조하면, 역률개선 컨버터는 입력부(110)와, 입력부(110)로부터 발생된 전류의 흐름을 조절하는 전류 흐름 조절부(130) 및 출력부(120)를 포함할 수 있다.Referring to FIG. 4 , the power factor improving converter may include an input unit 110 , a current flow control unit 130 for controlling the flow of current generated from the input unit 110 , and an output unit 120 .

입력부(110)는 전원(VAC)과 입력 인덕터(Lin), 제1 스위치(M1) 및 제2 스위치(M2)를 포함할 수 있다. 제1 스위치(M1)의 바디 다이오드(body diode)(Db1)는 제2 노드(n2)로부터 제3 노드(n3) 방향으로 향할 수 있고, 제2 스위치(M2)의 바디 다이오드(Db2)는 제2 노드(n2)로부터 제1 노드(n1) 방향으로 향할 수 있다. 즉, 제1 스위치(M1)의 바디 다이오드(Db1)와 제2 스위치(M2)의 바디 다이오드(Db2)는 서로 반대 방향으로 향할 수 있다. 입력 인덕터(Lin)는 제1 스위치(M1) 및 제2 스위치(M2)가 온(on) 상태가 되면 전원(VAC)으로부터 공급된 전기 에너지를 저장하고, 제1 스위치(M1) 및 제2 스위치(M2)가 오프(off) 상태가 되면 저장된 전기 에너지는 전류 흐름 조절부(130)를 통해 출력부(120)로 전달된다.The input unit 110 may include a power source V AC , an input inductor L in , a first switch M1 , and a second switch M2 . The body diode D b1 of the first switch M1 may be directed from the second node n2 to the third node n3 , and the body diode D b2 of the second switch M2 is may be directed from the second node n2 to the first node n1. That is, the body diode D b1 of the first switch M1 and the body diode D b2 of the second switch M2 may face in opposite directions. The input inductor (L in ) stores electrical energy supplied from the power source ( VAC ) when the first switch (M1) and the second switch (M2) are in an on state, and the first switch (M1) and the second switch (M2) 2 When the switch M2 is turned off, the stored electrical energy is transferred to the output unit 120 through the current flow control unit 130 .

출력부(120)는 제2 노드(n2) 및 제1 노드(n1)에 연결될 수 있다. 출력부(120)는 제2 노드(n2)에 연결된 공진 커패시터(Cp)와 공진 인덕터(Lr), 제3 다이오드(DA) 및 출력단(Co, Ro)을 포함할 수 있다. 출력단은 출력 커패시터(Co) 및 출력 저항(Ro)를 포함할 수 있으며, 출력 저항(Ro)는 부하를 등가적으로 표현한 것일 수 있다. 출력 저항(Ro)과 출력 커패시터(Co)는 병렬로 연결될 수 있다. 공진 커패시터(Cp) 및 공진 인덕터(Lr)는 상호 공진하여 출력단에 에너지를 전달할 수 있다.The output unit 120 may be connected to the second node n2 and the first node n1 . The output unit 120 may include a resonant capacitor C p connected to the second node n2 , a resonant inductor L r , a third diode D A , and output terminals C o and R o . The output terminal may include an output capacitor (C o ) and an output resistance (R o ), and the output resistance (R o ) may be an equivalent expression of a load. The output resistor (R o ) and the output capacitor (C o ) may be connected in parallel. The resonant capacitor C p and the resonant inductor L r may resonate with each other to transfer energy to the output terminal.

전류 흐름 조절부(130)는 제1 다이오드(Do1) 및 제2 다이오드(Do2)를 포함할 수 있다. 제1 다이오드(Do1)의 일단은 입력 인덕터(Lin)와 제1 스위치(M1) 사이에 위치한 제3 노드(n3)에 연결되고 제1 다이오드(Do1)의 타단은 공진 커패시터(Cp)와 공진 인덕터(Lr) 사이의 제4 노드(n4)에 연결될 수 있다. 제2 다이오드(Do2)의 일단은 제2 스위치(M2)와 전원(VAC)사이에 위치한 제1 노드(n1)에 연결되고 제2 다이오드(Do2)의 타단은 제4 노드(n4)에 연결될 수 있다.The current flow controller 130 may include a first diode D o1 and a second diode D o2 . One end of the first diode D o1 is connected to the third node n3 located between the input inductor L in and the first switch M1, and the other end of the first diode D o1 is the resonance capacitor C p ) and the resonant inductor (L r ) may be connected to the fourth node (n4). One end of the second diode D o2 is connected to the first node n1 located between the second switch M2 and the power source VAC , and the other end of the second diode Do2 is connected to the fourth node n4. can be connected to

제1 다이오드(Do1)는 제3 노드(n3)로부터 제4 노드(n4) 방향으로 전류의 흐름을 허용할 수 있다. 제2 다이오드(Do2)는 제1 노드(n1)로부터 제4 노드(n4) 방향으로 전류의 흐름을 허용할 수 있다. 제1 다이오드(Do1) 및 제2 다이오드(Do2)에 의해서 후술하는 각 동작 모드 별로 입력부(110)에서 발생된 전류의 흐름이 소정 방향으로 제어될 수 있다.The first diode D o1 may allow a current to flow in a direction from the third node n3 to the fourth node n4 . The second diode D o2 may allow a current to flow in a direction from the first node n1 to the fourth node n4 . The flow of the current generated in the input unit 110 for each operation mode to be described later in a predetermined direction may be controlled by the first diode D o1 and the second diode D o2 .

도 4에서 나타낸 역률개선 컨버터의 출력 커패시터(Co)는 정상 상태에서 일정한 출력 전압을 발생시킬 수 있다. 즉, 출력 커패시터(Co)의 양단 전압차와 출력 저항(Ro)의 양단 전압차는 일정하게 유지될 수 있다. 또한, 도 4에서 나타낸 역률개선 컨버터에 따르면 출력단의 위쪽 전위가 아래쪽 전위보다 더 높을 수 있다.. 이와 같이 출력단의 전위차 방향이 설정됨으로써 역률개선 컨버터와 연결되는 타 장치의 그라운드 처리가 용이해질 수 있다. 역률개선 컨버터는 승압 컨버터로 동작할 수 있다. 승압 비율은 제1 스위치(M1) 및 제2 스위치(M2)가 한 주기 내에서 온 상태에 머무는 비율, 즉 듀티 사이클(duty cycle)에 의존할 수 있다. The output capacitor C o of the power factor correction converter shown in FIG. 4 may generate a constant output voltage in a steady state. That is, the voltage difference between the ends of the output capacitor C o and the voltage difference between the ends of the output resistor R o may be constantly maintained. In addition, according to the power factor improving converter shown in FIG. 4 , the upper potential of the output stage may be higher than the lower potential. . The power factor correction converter may operate as a step-up converter. The step-up ratio may depend on a ratio of the first switch M1 and the second switch M2 staying in the on state within one cycle, that is, a duty cycle.

공진 커패시터(Cp)는 입력 인덕터(Lin)으로부터 전달되는 에너지를 저장하는 목적 외에 공진 인덕터(Lr)와의 공진을 목적으로 함으로 출력 커패시터(Co)의 충전 용량이 상기 공진 커패시터(Cp)의 충전 용량보다 크게 설정될 수 있다. 제1 스위치(M1) 및 제2 스위치(M2)는 동일한 시비율로 동작할 수 있다. 예를 들어, 제1 스위치(M1) 및 제2 스위치(M2)는 동일한 주기로 온/오프 동작을 반복할 수 있다. 예시적으로 제1 스위치(M1) 및 제2 스위치(M2)는 함께 온 상태가 되고 함께 오프 상태가 될 수 있다.Since the resonant capacitor C p serves the purpose of resonance with the resonant inductor L r in addition to the purpose of storing the energy transferred from the input inductor L in , the charging capacity of the output capacitor C o is determined by the resonant capacitor C p ) can be set to be larger than the charging capacity. The first switch M1 and the second switch M2 may operate at the same time ratio. For example, the first switch M1 and the second switch M2 may repeat an on/off operation in the same cycle. Exemplarily, the first switch M1 and the second switch M2 may be in an on state together and may be in an off state together.

도 5는 도 4에서 나타낸 역률개선 컨버터의 변형예를 나타낸 회로도이다. 도 5의 실시예를 설명함에 있어서 도 4와 중복되는 내용은 생략한다.5 is a circuit diagram illustrating a modified example of the power factor improving converter shown in FIG. 4 . In the description of the embodiment of FIG. 5 , the contents overlapping with those of FIG. 4 will be omitted.

도 5를 참조하면, 제1 다이오드(Do1)의 일단은 제3 노드(n3)와 연결되고 제1 다이오드(Do1)의 타단은 출력단(Co, Ro)에 연결될 수 있다. 도 4의 경우, 입력 전압이 양의 극성일 때 입력 인덕터(Lin)에 저장된 에너지가 제1 스위치(M1) 및 제2 스위치(M2)가 오프 상태일 때 공진 커패시터(Cp)에 저장된 후, 제1 스위치(M1) 및 제2 스위치(M2)가 온 상태가 되면 공진 커패시터(Cp) 및 공진 인덕터(Lr)의 공진에 의해 출력단(Co, Ro)으로 전달될 수 있다. 이 경우, 전류가 공진 커패시터(Cp)를 거쳐야 하므로 도통 손실(Conduction losses)이 상대적으로 클 수 있다. 하지만, 도 5에서 나타낸 바와 같이 제1 다이오드(Do1)의 타단이 출력단(Co, Ro)에 연결되면 입력 전압이 양의 극성일 때 제1 스위치(M1) 및 제2 스위치(M2)가 오프 상태인 경우, 입력 인덕터(Lin)에 저장된 에너지가 공진 커패시터(Cp)를 거치지 않고 곧바로 출력단(Co, Ro)으로 전달되기 때문에 도통손실이 상대적으로 줄어 들 수 있다. Referring to FIG. 5 , one end of the first diode D o1 may be connected to the third node n3 , and the other end of the first diode Dol may be connected to the output terminals C o and R o . In the case of FIG. 4 , when the input voltage has a positive polarity, the energy stored in the input inductor L in is stored in the resonance capacitor C p when the first switch M1 and the second switch M2 are off. , when the first switch M1 and the second switch M2 are turned on, the resonant capacitor C p and the resonant inductor L r may be transmitted to the output terminals C o , R o by resonance. In this case, since the current must pass through the resonant capacitor C p , conduction losses may be relatively large. However, as shown in FIG. 5 , when the other end of the first diode D o1 is connected to the output terminals C o , R o , when the input voltage has a positive polarity, the first switch M1 and the second switch M2 When is in the off state, the conduction loss can be relatively reduced because the energy stored in the input inductor L in is directly transferred to the output terminals C o and R o without going through the resonance capacitor C p .

이하에서는 실시예에 따른 역률개선 컨버터의 동작 모드에 관하여 설명한다. 이하의 설명에서는 도 4에서 나타낸 역률개선 컨버터를 중심으로 설명하지만 실시예가 이에 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 도 5에서 나타낸 역률개선 컨버터 또는 통상의 기술자가 쉽게 변경할 수 있는 다른 역률개선 컨버터에도 유사한 동작 모드가 적용될 수 있다.Hereinafter, an operation mode of the power factor improving converter according to the embodiment will be described. In the following description, the power factor improving converter shown in FIG. 4 will be mainly described, but the embodiment is not limited thereto. For example, a similar operation mode may be applied to the power factor correcting converter shown in FIG. 5 or other power factor correcting converter that can be easily changed by a person skilled in the art.

도 6은 AC 입력전압이 양의 극성을 가질 때 제1 스위치(M1) 및 제2 스위치(M2)가 온 상태인 경우, 역률개선 컨버터의 동작 방식을 나타낸 개념도이다. 도 7은 AC 입력전압이 양의 극성을 가질 때 제1 스위치(M1) 및 제2 스위치(M2)가 오프 상태인 경우, 역률개선 컨버터의 동작 방식을 나타낸 개념도이다. 도 8은 AC 입력전압이 양의 극성을 가질 때 제1 스위치(M1) 및 제2 스위치(M2)의 동작에 따른 각부의 주요 동작파형을 나타내고 있다. 제1 스위치(M1) 및 제2 스위치(M2)는 함께 온 상태와 오프 상태를 반복할 수 있다. 도 8에서는 한 주기 내에서 온 상태인 시간 구간과 오프 상태인 시간 구간의 크기를 같게 나타냈지만 이는 설명의 편의를 위한 것일 뿐 실시예가 이에 제한되는 것은 아니다. 한 주기 내에서 온 상태인 시간 구간과 오프 상태인 시간 구간의 크기는 서로 달라질 수 있다. 듀티 싸이클은 AC 입력전압의 크기와 목표 승압 비율에 따라 다르게 설정될 수 있다. 6 is a conceptual diagram illustrating an operation method of the power factor improving converter when the first switch M1 and the second switch M2 are turned on when the AC input voltage has a positive polarity. 7 is a conceptual diagram illustrating an operation method of the power factor improving converter when the first switch M1 and the second switch M2 are in an off state when the AC input voltage has a positive polarity. 8 shows the main operation waveforms of each part according to the operation of the first switch M1 and the second switch M2 when the AC input voltage has a positive polarity. The first switch M1 and the second switch M2 may repeat an on state and an off state together. In FIG. 8 , the size of the time period in the on state and the time period in the off state are the same within one period, but this is only for convenience of description, and the embodiment is not limited thereto. The size of the time period in the on state and the time period in the off state within one period may be different from each other. The duty cycle may be set differently according to the magnitude of the AC input voltage and the target step-up ratio.

도 6 및 도 8을 참조하면, t0~t1 구간에서 제1 스위치(M1) 및 제2 스위치(M2)가 함께 온 상태를 유지할 수 있다. 입력부(110)에서 발생한 전류는 전원(VAC), 입력 인덕터(Lin), 제1 스위치(M1) 및 제2 스위치(M2)를 통과할 수 있다. 입력 인덕터(Lin)를 통과하는 전류(iLin)은 t0~t1 구간 동안 증가할 수 있다. 제1 스위치(M1)가 온 상태이므로 제1 다이오드(Do1)를 통해 흐르는 전류(iDo1)은 0일 수 있다. 제1 스위치(M1)가 온 상태이므로 전압(Vds1)은 0V이다. 6 and 8 , both the first switch M1 and the second switch M2 may maintain an ON state in the period t0 to t1. The current generated in the input unit 110 may pass through the power source V AC , the input inductor L in , the first switch M1 , and the second switch M2 . The current i Lin passing through the input inductor L in may increase during the period t0 to t1. Since the first switch M1 is in an on state, the current i Do1 flowing through the first diode Do1 may be zero. Since the first switch M1 is in an on state, the voltage V ds1 is 0V.

제2 다이오드(Do2)로 흐르는 전류(iDo2)는 0일 수 있다. The current i Do2 flowing through the second diode Do2 may be zero.

제2 스위치(M2)가 온 상태이므로 전압(Vds2)는 0V이다. 제1 스위치(M1)를 통과하는 전류(ids1)는 입력 인덕터(Lin)을 통과하는 전류(iLin)과 동일할 수 있다. 공진 커패시터(Cp)의 전압(VCp)은 공진 커패시터(Cp)와 공진 인덕터(Lr)이 서로 공진하는 구간동안 감소하다가 상기 공진이 완료된 후 그 값이 일정해질 수 있다. 전 구간에서 전압(VCp)의 평균은 출력 전압(Vo)와 같을 수 있다. 출력 전압(Vo)는 정상 상태에서 그 값이 일정하게 유지될 수 있다. 따라서, 공진 인덕터(Lr)의 전류(iLr)은 공진 커패시터(Cp)와 공진 인덕터(Lr)이 서로 공진하는 구간동안 흐르다가 상기 공진이 완료된 후 그 값이 0이 될 수 있다. 제2 스위치(M2)를 통과하는 전류(ids2)는 공진 인덕터(Lr)의 전류(iLr)에서 제1 스위치(M1)를 통과하는 전류(ids1)을 뺀 결과일 수 있다. Since the second switch M2 is in an on state, the voltage V ds2 is 0V. A current i ds1 passing through the first switch M1 may be the same as a current i Lin passing through the input inductor L in . The voltage V Cp of the resonant capacitor C p may decrease during a period in which the resonant capacitor Cp and the resonant inductor Lr resonate with each other, and then become constant after the resonance is completed. The average of the voltage V Cp in the entire section may be the same as the output voltage V o . The output voltage Vo may have a constant value in a steady state. Accordingly, the current i Lr of the resonant inductor L r flows while the resonant capacitor C p and the resonant inductor L r resonate with each other, and after the resonance is completed, the value may become zero. The current i ds2 passing through the second switch M2 may be a result of subtracting the current i ds1 passing through the first switch M1 from the current i Lr of the resonant inductor L r .

시간 t0~t1 구간에서 제1 스위치(M1) 및 제2 스위치(M2)가 온 상태가 되어 입력 인덕터(Lin)에 에너지가 저장되고 공진 커패시터(Cp)에 충전된 전하는 공진 인덕터(Lr)과의 공진에 의해 출력단(Co, Vo)으로 에너지를 전달할 수 있다.In the period t0 to t1, the first switch M1 and the second switch M2 are turned on, energy is stored in the input inductor L in , and the charge charged in the resonance capacitor C p is transferred to the resonance inductor L r ) and energy can be transferred to the output terminals (C o , V o ) by resonance.

도 7 및 도 8을 참조하면, t1~t2 구간에서 제1 스위치(M1) 및 제2 스위치(M2)가 함께 오프 상태를 유지할 수 있다. 입력부(110)에서 발생한 전류는 전원(VAC), 입력 인덕터(Lin), 제1 다이오드(Do1) 및 제2 스위치(M2)의 바디 다이오드(Db2)를 통과할 수 있다. 입력 인덕터(Lin)를 통과하는 전류(iLin)은 t1~t2 구간 동안 감소할 수 있다. 제1 스위치(M1)가 오프 상태이므로 제1 스위치(M1)의 전류(ids1-)는 0일 수 있다. 따라서, 제1 다이오드의 전류(iDo1)은 입력 인덕터(Lin)의 전류(iLin)와 동일할 수 있다. 제1 스위치(M1)의 전압(Vds1)은 Referring to FIGS. 7 and 8 , both the first switch M1 and the second switch M2 may maintain an off state in the period t1 to t2 . The current generated in the input unit 110 may pass through the power source V AC , the input inductor L in , the first diode D o1 , and the body diode D b2 of the second switch M2 . The current i Lin passing through the input inductor L in may decrease during the period t1 to t2. Since the first switch M1 is in an off state, the current i ds1- of the first switch M1 may be zero. Accordingly, the current i Do1 of the first diode may be equal to the current i Lin of the input inductor L in . The voltage V ds1 of the first switch M1 is

공진 커패시터(Cp)의 전압과 동일할 수 있다. 제2 스위치(M2)의 바디 다이오드 방향과 제2 스위치(M2)를 통과하는 전류(ids2)의 방향이 동일하기 때문에 제2 스위치(M2)의 전압(Vds2)는 0일 수 있다. It may be the same as the voltage of the resonance capacitor (C p ). Since the direction of the body diode of the second switch M2 and the direction of the current i ds2 passing through the second switch M2 are the same, the voltage V ds2 of the second switch M2 may be zero.

공진 커패시터(Cp)의 전압(VCp)은 t1 이후 The voltage (V Cp ) of the resonant capacitor (C p ) is after t1

공진 인덕터(Lr) 전류와 입력 인덕터(Lin)의 전류가 서로 동일해질 때까지 상승하다가 일정하게 안정될 수 있다. 공진 커패시터(Cp)와 공진하는 공진 인덕터(Lr)의 전류(iLr)는 전압(VCp)가 변하는 시간 구간 동안 상승할 수 있다. 전압(VCp)가 변하는 시간 구간 이후 공진 인덕터(Lr)의 전류는 제1 다이오드(Do1)의 전류(iDo1)와 동일해질 수 있다. 제2 스위치(M2)를 통과하는 전류(ids2)는 공진 인덕터(Lr)의 전류(iLr)에서 제1 스위치(M1)를 통과하는 전류(ids1)을 뺀 결과일 수 있다.The resonant inductor (Lr) current and the input inductor (Lin) current rise until they become equal to each other, and then may be stably stabilized. The current i Lr of the resonant inductor L r resonating with the resonant capacitor C p may increase during a time period during which the voltage V Cp changes. After the time period in which the voltage V Cp changes, the current of the resonance inductor L r may be equal to the current i Do1 of the first diode Do1 . The current i ds2 passing through the second switch M2 may be a result of subtracting the current i ds1 passing through the first switch M1 from the current i Lr of the resonant inductor L r .

시간 t1 ~ t2 구간에서 제1 스위치(M1) 및 제2 스위치(M2)가 오프되어 입력 인덕터(Lin)의 전류(iLin)는 제1 다이오드(Do1)와 제2 스위치의 바디 다이오드(D--b2)를 통해 공진 커패시터(Cp)를 충전할 수 있다. 또한, 입력 인덕터(Lin)의 전류(iLin)는 공진 인덕터(Lr) 및 공진 커패시터(Cp)의 공진을 통해 제1 다이오드(Do1), 공진 인덕터(Lr)및 제3 다이오드(DA)를 통해 출력단(Co, Ro)에 전달될 수 있다.In the period of time t1 to t2, the first switch M1 and the second switch M2 are turned off, and the current i Lin of the input inductor L in is the first diode D o1 and the body diode of the second switch ( D-- b2 ) through the resonant capacitor (C p ) can be charged. In addition, the current i Lin of the input inductor L in passes through the resonance of the resonant inductor L r and the resonant capacitor C p , the first diode D o1 , the resonant inductor L r , and the third diode. It can be transmitted to the output terminals (C o , R o ) through (D A ).

도 9는 AC 입력전압이 음의 극성을 가질 때 제1 스위치(M1) 및 제2 스위치(M2)가 온 상태인 경우, 역률개선 컨버터의 동작 방식을 나타낸 개념도이다. 도 10은 AC 입력전압이 음의 극성을 가질 때 제1 스위치(M1) 및 제2 스위치(M2)가 오프 상태인 경우, 역률개선 컨버터의 동작 방식을 나타낸 개념도이다. 도 11은 AC 입력전압이 음의 극성을 가질 때 제1 스위치(M1) 및 제2 스위치(M2)의 동작에 따른 각부 주요 동작파형을 나타내고 있다. 9 is a conceptual diagram illustrating an operation method of the power factor improving converter when the first switch M1 and the second switch M2 are in an on state when the AC input voltage has a negative polarity. 10 is a conceptual diagram illustrating an operation method of the power factor improving converter when the first switch M1 and the second switch M2 are in an off state when the AC input voltage has a negative polarity. 11 shows main operation waveforms of each part according to the operation of the first switch M1 and the second switch M2 when the AC input voltage has a negative polarity.

도 9 및 도 11을 참조하면, t0~t1 구간에서 제1 스위치(M1) 및 제2 스위치(M2)가 함께 온 상태를 유지할 수 있다. 입력부(110)에서 발생한 전류는 전원(VAC), 입력 인덕터(Lin), 제1 스위치(M1) 및 제2 스위치(M2)를 통과할 수 있다. 입력 인덕터(Lin)를 통과하는 전류(iLin)은 t0~t1 구간 동안 음의 값을 가지고 증가할 수 있다. 제1 스위치(M1)가 온 상태이므로 제1 다이오드(Do1)를 통해 흐르는 전류(iDo1)은 0일 수 있다. 제2 스위치(M2)가 온 상태이므로 제2 스위치(M2)의 전압(Vds2)는 0V일 수 있다. 9 and 11 , both the first switch M1 and the second switch M2 may maintain an ON state in the period t0 to t1. The current generated in the input unit 110 may pass through the power source V AC , the input inductor L in , the first switch M1 , and the second switch M2 . The current i Lin passing through the input inductor L in may have a negative value and increase during the period t0 to t1. Since the first switch M1 is in an on state, the current i Do1 flowing through the first diode Do1 may be zero. Since the second switch M2 is in an on state, the voltage V ds2 of the second switch M2 may be 0V.

제2 다이오드(Do2)로 흐르는 전류(iDo2)는 0일 수 있다. The current i Do2 flowing through the second diode Do2 may be zero.

제1 스위치(M1)가 온 상태이므로 제1 스위치(M1)의 전압(Vds1)은 0V일 수 있다. 제1 스위치(M1)를 통과하는 전류(ids1)는 입력 인덕터(Lin)을 통과하는 전류(iLin)과 동일할 수 있다. 공진 커패시터(Cp)의 전압(VCp)은 공진 커패시터(Cp)와 공진 인덕터(Lr)이 서로 공진하는 구간동안 감소하다가 상기 공진이 완료된 후 그 값이 일정해 질 수 있다.전 구간에서 전압(VCp)의 평균은 출력 전압(Vo)와 같을 수 있다. 출력 전압(Vo)는 정상 상태에서 그 값이 일정하게 유지될 수 있다. 공진 인덕터(Lr)는 공진 커패시터(Cp)와 공진할 수 있다. 따라서, 공진 인덕터(Lr)의 전류(iLr)은 공진 커패시터(Cp)와 공진 인덕터(Lr)이 서로 공진하는 구간동안 흐르다가 상기 공진이 완료된 후 그 값이 0이 될 수 있다. 제2 스위치(M2)를 통과하는 전류(ids2)는 공진 인덕터(Lr)의 전류(iLr)에서 제1 스위치(M1)를 통과하는 전류(ids1)을 뺀 결과일 수 있다. Since the first switch M1 is in an on state, the voltage V ds1 of the first switch M1 may be 0V. A current i ds1 passing through the first switch M1 may be the same as a current i Lin passing through the input inductor L in . The voltage V Cp of the resonant capacitor C p may decrease during a period in which the resonant capacitor C p and the resonant inductor L r resonate with each other, and then become constant after the resonance is completed. The average of the voltage V Cp may be equal to the output voltage V o . The output voltage Vo may have a constant value in a steady state. The resonant inductor L r may resonate with the resonant capacitor C p . Accordingly, the current i Lr of the resonant inductor L r flows while the resonant capacitor C p and the resonant inductor L r resonate with each other, and after the resonance is completed, the value may become zero. The current i ds2 passing through the second switch M2 may be a result of subtracting the current i ds1 passing through the first switch M1 from the current i Lr of the resonant inductor L r .

시간 t0~t1 구간에서 제1 스위치(M1) 및 제2 스위치(M2)가 온 상태가 되어 입력 인덕터(Lin)에 에너지가 저장되고 공진 커패시터(Cp)에 충전된 전하는 공진 인덕터(Lr)과의 공진에 의해 출력단(Co, Vo)으로 에너지를 전달할 수 있다.In the period t0 to t1, the first switch M1 and the second switch M2 are turned on, energy is stored in the input inductor L in , and the charge charged in the resonance capacitor C p is transferred to the resonance inductor L r ) and energy can be transferred to the output terminals (C o , V o ) by resonance.

도 7 및 도 8을 참조하면, t1~t2 구간에서 제1 스위치(M1) 및 제2 스위치(M2)가 함께 오프 상태를 유지할 수 있다. 입력부(110)에서 발생한 전류는 전원(VAC), 제2 다이오드(Do2), 공진 커패시터(Cp), 제1 스위치(M1)의 바디 다이오드(Db1)를 통과할 수 있다. 입력 인덕터(Lin)를 통과하는 전류(iLin)은 t1~t2 구간 동안 음의 값을 가지고 감소할 수 있다. 제2 스위치(M2)가 오프 상태이므로 제1 스위치(M2)의 전류(ids2-)는 0일 수 있다. 따라서, 제2 다이오드의 전류(iDo2)은 입력 인덕터(Lin)의 전류(iLin)와 크기가 동일하고 그 부호가 반대일 수 있다. 제1 스위치(M1)의 바디 다이오드 방향과 제1 스위치(M1)를 통과하는 전류(ids1)의 방향이 동일하기 때문에 제1 스위치(M1)의 전압(Vds1)은 0일 수 있다. 제2 스위치(M2)는 오프 되어 있으므로 제2 스위치(M2)의 전압(Vds2)은 공진 커패시터(Cp)의 전압(Vcp)으로 유지될 수 있다.Referring to FIGS. 7 and 8 , both the first switch M1 and the second switch M2 may maintain an off state in the period t1 to t2 . The current generated in the input unit 110 may pass through the power source V AC , the second diode Do2 , the resonance capacitor Cp, and the body diode Db1 of the first switch M1 . The current i Lin passing through the input inductor L in may have a negative value and decrease during the period t1 to t2. Since the second switch M2 is in an off state, the current i ds2- of the first switch M2 may be zero. Accordingly, the current i Do2 of the second diode may have the same magnitude as the current i Lin of the input inductor L in and the sign may be opposite to that of the current i Lin . Since the direction of the body diode of the first switch M1 and the direction of the current i ds1 passing through the first switch M1 are the same, the voltage V ds1 of the first switch M1 may be zero. Since the second switch M2 is turned off, the voltage V ds2 of the second switch M2 may be maintained as the voltage Vcp of the resonance capacitor Cp.

공진 커패시터(Cp)의 전압(VCp)은 t1 이후 입력 인덕터(Lin)의 전류(iLin)에 의해 상승한다. 제2 다이오드(Do2)가 온 되어 있으므로 출력전압(Vo)에 의해 제3 다이오드(DA)가 오프 되며 이로 인해 공진 인덕터(Lr) 전류(iLr)는 0일 수 있다. 제2 스위치(M2)를 통과하는 전류(ids2)는 공진 인덕터(Lr)의 전류(iLr)에서 제1 스위치(M1)를 통과하는 전류(ids1)을 뺀 결과일 수 있다.The voltage (V Cp ) of the resonant capacitor (C p ) rises by the current (i Lin ) of the input inductor (L in ) after t1. Since the second diode Do2 is turned on, the third diode DA is turned off by the output voltage Vo, so that the resonance inductor L r current i Lr may be zero. The current i ds2 passing through the second switch M2 may be a result of subtracting the current i ds1 passing through the first switch M1 from the current i Lr of the resonant inductor L r .

시간 t1 ~ t2 구간에서 제1 스위치(M1) 및 제2 스위치(M2)가 오프되어 입력 인덕터(Lin)의 전류(iLin)는 In the period of time t1 to t2, the first switch M1 and the second switch M2 are turned off, and the current i Lin of the input inductor L in is

제1 스위치(M1)의 바디 다이오드(Db1)와 제2 다이오드(Do2)를 통해 공진 커패시터(Cp)를 충전할 수 있다. The resonance capacitor C p may be charged through the body diode Db1 and the second diode D o2 of the first switch M1 .

상술한 설명에 따르면, 입력부(110)에서 발생한 전기 에너지는 공진 커패시터(Cp) 공진 인덕터(Lr)의 공진을 통해 출력단(Co, Ro)에 전달될 수 있다. 이 과정에서 브리지 없이도 출력단(Co, Ro)의 전압(Vo)이 일정하게 유지될 수 있다. 또한, 입력 전압의 극성에 구분없이 제1 스위치(M1) 및 제2 스위치(M2)가 동시에 온/오프 동작을 반복하여 역률개선 컨버터가 동작하기 때문에 입력전압 극성에 따른 오동작 가능성이 줄어들 수 있다. According to the above description, the electrical energy generated in the input unit 110 may be transferred to the output terminals C o and R o through the resonance of the resonance capacitor C p , the resonance inductor L r . In this process, the voltage (V o ) of the output terminals (C o , R o ) may be constantly maintained without a bridge. In addition, since the power factor improving converter operates as the first switch M1 and the second switch M2 repeat on/off operations at the same time regardless of the polarity of the input voltage, the possibility of a malfunction according to the polarity of the input voltage may be reduced.

도 12는 도 4에서 나타낸 역률개선 컨버터에 공통모드 노이즈 제거를 위한 Y-커패시터(140)가 연결된 것을 예시적으로 나타낸 회로도이다.12 is a circuit diagram exemplarily showing that the Y-capacitor 140 for removing common mode noise is connected to the power factor correction converter shown in FIG. 4 .

도 12를 참조하면, Y-커패시터(140)에 인가되는 전압이 0V 또는 입력 전압에 해당하는 저주파 교류 전압(예를 들어, 대략 60Hz의 교류 전압)에 해당하므로 노이즈 특성이 개선되고 누설 전류가 작아질 수 있다.Referring to FIG. 12 , since the voltage applied to the Y-capacitor 140 corresponds to 0 V or a low-frequency AC voltage corresponding to the input voltage (eg, an AC voltage of approximately 60 Hz), the noise characteristic is improved and the leakage current is small. can get

도 13은 도 4에서 나타낸 역률개선 컨버터의 다른 변형예를 나타낸 회로도이다.13 is a circuit diagram illustrating another modified example of the power factor improving converter shown in FIG. 4 .

도 13을 참조하면, 역률개선 컨버터는 제4 다이오드(Dcl)를 더 포함할 수 있다. 제5 다이오드(Dcl)의 일단은 제5 노드(n5)와 연결되고 타단은 제1 노드(n1)와 연결될 수 있다. 제5 노드(n5)는 공진 인덕터(Lr)와 제3 다이오드(DA) 사이에 위치할 수 있다. 제4 다이오드(Dcl)는 제1 노드(n1)로부터 제5 노드(n5) 방향으로의 전류를 허용할 수 있다. 제4 다이오드(Dcl)는 제3 다이오드(DA)의 기생 커패시터와 공진 인덕터(Lr)의 공진에 의한 제3 다이오드(DA)의 전압 링잉(ringing)을 방지할 수 있다.Referring to FIG. 13 , the power factor improving converter may further include a fourth diode D cl . One end of the fifth diode D cl may be connected to the fifth node n5 and the other end may be connected to the first node n1 . The fifth node n5 may be positioned between the resonance inductor L r and the third diode D A . The fourth diode D cl may allow a current in a direction from the first node n1 to the fifth node n5 . The fourth diode D cl may prevent voltage ringing of the third diode D A due to the resonance of the parasitic capacitor and the resonance inductor L r of the third diode D A .

이상에서 도 1 내지 도 13을 참조하여 예시적인 실시예들에 따른 역률 개선 컨버터에 관하여 설명하였다. 적어도 하나의 실시예에 따르면 역률개선 컨버터의 브리지 다이오드를 생략하여 발열 현상을 줄이고 효율을 개선할 수 있다. 적어도 하나의 실시예에 따르면 역률개선 컨버터에 연결된 Y-커패시터에 저주파 전압 또는 낮은 시간 변화율(dV/dt)을 가지는 전압이 인가되게 하여 노이즈 특성을 개선할 수 있다. 적어도 하나의 실시예에 따르면 AC 입력 전압의 극성에 관계없이 스위치들의 구동이 간단해 짐으로써 오작동 가능성을 줄이고 마이크로 프로세서 대신 저가의 범용 PFC IC의 사용을 가능하게 하여 역률개선 컨버터의 제조 단가를 절감할 수 있다. A power factor improving converter according to exemplary embodiments has been described above with reference to FIGS. 1 to 13 . According to at least one embodiment, it is possible to reduce heat generation and improve efficiency by omitting the bridge diode of the power factor improving converter. According to at least one embodiment, a low frequency voltage or a voltage having a low time change rate (dV/dt) may be applied to the Y-capacitor connected to the power factor improving converter to improve noise characteristics. According to at least one embodiment, it is possible to reduce the manufacturing cost of the power factor improving converter by simplifying the operation of switches regardless of the polarity of the AC input voltage, thereby reducing the possibility of malfunction and enabling the use of a low-cost general-purpose PFC IC instead of a microprocessor. can

이상, 본 발명의 기술적 사상을 바람직한 실시예를 들어 상세하게 설명하였으나, 본 발명의 기술적 사상은 상기 실시 예들에 한정되지 않고, 본 발명의 기술적 사상은 상기 실시 예들에 한정되지 않고, 본 발명의 기술적 사상의 범위 내에서 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러 가지 변혼 및 변경이 가능하다. As mentioned above, although the technical idea of the present invention has been described in detail with reference to preferred embodiments, the technical idea of the present invention is not limited to the above embodiments, and the technical idea of the present invention is not limited to the above embodiments. Various transformations and changes are possible by a person having ordinary knowledge in the technical field within the scope of the idea.

Claims (11)

전원과 연결된 입력 인덕터와, 상기 입력 인덕터의 일단에 연결되어 상기 전원으로부터 생성된 전류의 흐름을 스위칭하는 제1 스위치 및 제2 스위치를 포함하는 입력부;
상기 입력부로부터 발생된 전류의 흐름을 조절하며, 직렬로 연결된 제1 다이오드 및 제2 다이오드를 포함하는 전류 조절부; 및
상기 전류 조절부와 연결되며 공진 커패시터, 공진 인덕터, 제3 다이오드 및 출력단을 포함하는 출력부를 포함하며,
상기 전원 및 상기 제2 스위치 사이에는 제1 노드가 형성되고, 상기 제1 스위치 및 상기 제2 스위치 사이에는 제2 노드가 형성되고, 상기 제1 스위치 및 상기 입력 인덕터 사이에는 제3 노드가 형성되고, 상기 제1 다이오드 및 상기 제2 다이오드 사이에는 제4 노드가 형성되며,
상기 제1 다이오드의 일단은 제3 노드와 연결되고, 상기 제1 다이오드의 타단은 상기 제4 노드에 연결되며,
상기 제2 다이오드의 일단은 상기 제1 노드에 연결되고, 상기 제2 다이오드의 타단은 상기 제4 노드에 연결되며,
상기 공진 인덕터 및 상기 제3 다이오드는 상기 제4 노드로부터 직렬로 연결되는 역률 개선 컨버터.an input unit including an input inductor connected to a power source, and first and second switches connected to one end of the input inductor to switch a flow of current generated from the power source;
a current control unit for controlling the flow of current generated from the input unit, the current control unit including a first diode and a second diode connected in series; and
and an output unit connected to the current controller and including a resonance capacitor, a resonance inductor, a third diode, and an output terminal,
A first node is formed between the power source and the second switch, a second node is formed between the first switch and the second switch, and a third node is formed between the first switch and the input inductor, , a fourth node is formed between the first diode and the second diode,
One end of the first diode is connected to a third node, and the other end of the first diode is connected to the fourth node,
One end of the second diode is connected to the first node, and the other end of the second diode is connected to the fourth node,
The resonant inductor and the third diode are connected in series from the fourth node. 제 1 항에 있어서,
상기 제3 다이오드는 상기 제4 노드로부터 상기 출력단 방향으로 전류의 흐름을 허용하는 역률 개선 컨버터.The method of claim 1,
The third diode is a power factor improving converter that allows a current to flow from the fourth node toward the output terminal. 제 2 항에 있어서,
상기 제1 다이오드는 상기 제3 노드로부터 상기 제4 노드로 향하는 방향으로 전류의 흐름을 허용하며,
상기 제2 다이오드는 상기 제1 노드로부터 상기 제4 노드 방향으로 전류의 흐름을 허용하는 역률 개선 컨버터.3. The method of claim 2,
The first diode allows a current to flow in a direction from the third node to the fourth node,
The second diode is a power factor improving converter that allows a current to flow from the first node to the fourth node. 제 3 항에 있어서,
일단은 상기 제2 노드와 연결되고, 타단은 상기 제4 노드와 연결되는 공진 커패시터를 더 포함하는 역률 개선 컨버터.4. The method of claim 3,
The power factor improving converter further comprising a resonance capacitor having one end connected to the second node and the other end connected to the fourth node. 제 4 항에 있어서,
상기 제1 스위치 및 상기 제2 스위치가 온 상태인 경우, 입력부에서 발생된 전류는 상기 제1 다이오드 및 상기 제2 다이오드를 통해 흐르지 않으며,
상기 공진 커패시터에 충전된 전하가 상기 공진 인덕터와의 공진에 의해 출력단으로 전달되는 역률개선 컨버터.5. The method of claim 4,
When the first switch and the second switch are in an on state, the current generated from the input unit does not flow through the first diode and the second diode,
A power factor improving converter in which charges charged in the resonance capacitor are transferred to an output terminal by resonance with the resonance inductor. 제 5 항에 있어서,
상기 제1 스위치 및 상기 제2 스위치가 오프 상태인 경우, 상기 입력부에서 발생된 전류는 상기 제1 다이오드 및 상기 제2 다이오드 중 어느 하나를 통과하며 상기 제1 다이오드 및 상기 제2 다이오드 중 어느 하나를 통과한 전류에 의해 상기 공진 커패시터가 충전되는 역률개선 컨버터.6. The method of claim 5,
When the first switch and the second switch are in an off state, the current generated from the input unit passes through any one of the first diode and the second diode and passes through any one of the first diode and the second diode. A power factor improving converter in which the resonant capacitor is charged by the passing current. 제 5 항에 있어서,
상기 제1 스위치 및 상기 제2 스위치가 오프 상태이고 상기 전원의 교류 전압의 극성이 양의 극성인 경우,
상기 전원에서 발생된 전류는 상기 입력 인덕터와 상기 제1 다이오드와, 상기 공진 커패시터 및 상기 제2 스위치의 바디 다이오드를 통과하고, 상기 입력 인덕터에서 발생된 전류는 상기 제1 다이오드, 상기 공진 인덕터 및 상기 제3 다이오드를 통과하여 상기 출력단에 전달되는 역률개선 컨버터.6. The method of claim 5,
When the first switch and the second switch are in an off state and the polarity of the AC voltage of the power source is positive,
The current generated from the power source passes through the input inductor, the first diode, the resonance capacitor, and a body diode of the second switch, and the current generated from the input inductor is the first diode, the resonance inductor and the body diode of the second switch. A power factor improving converter that is transmitted to the output terminal through a third diode. 제 6 항에 있어서,
상기 제1 스위치 및 상기 제2 스위치가 오프 상태이고 상기 전원의 교류 전압의 극성이 음의 극성인 경우,
상기 전원에서 발생된 전류는 상기 제2 다이오드와 상기 제1 스위치의 바디 다이오드를 통과하고, 상기 입력 인덕터에서 발생된 전류는 상기 공진 커패시터를 충전하는 역률개선 컨버터.7. The method of claim 6,
When the first switch and the second switch are in an off state and the polarity of the AC voltage of the power source is negative,
The current generated from the power passes through the second diode and the body diode of the first switch, and the current generated from the input inductor charges the resonance capacitor. 제 4 항에 있어서,
상기 출력단은 출력 커패시터를 포함하는 역률개선 컨버터.5. The method of claim 4,
The output stage is a power factor correction converter including an output capacitor. 제 9 항에 있어서,
상기 출력 커패시터의 충전 용량은 상기 공진 커패시터의 충전 용량보다 큰 역률개선 컨버터.10. The method of claim 9,
A charging capacity of the output capacitor is greater than a charging capacity of the resonance capacitor. 삭제delete
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Markus Scherbaum, A Bridgeless, Quasi-Resonant ZVS-Switching, Buck-Boost P PFC, PCIM Europe 2016; International Exhibition and Conference for Power Electronics, pp.120-127.(2016.5.12)*

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