KR19980055021A - 역률 보상회로 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 초기 과전압 상태를 방지한 역률 보상회로에 관한 것으로서, 특히 스위칭 트랜지스터의 턴온 상태에서 인덕터에 전압을 축적하고, 턴오프 상태에서 인덕터에 축적된 전압을 입력전압과 중첩시켜 출력하는 부스트 컨버터의 역률을 보상하는 역률 보상회로에 있어서, 상기 부스트 컨버터의 출력전압을 감지하여 출력전압에 반비례하는 반전신호를 출력하는 출력전압 감지부; 상기 부스트 컨버터의 스위칭 트랜지스터가 턴온 상태일 경우 인덕터에 흐르는 입력전류를 감지하기 위한 입력전류 감지부; 상기 출력전압 감지부를 통해 출력되는 반전신호가 소정 이득을 가지는 역톱니파 신호로 전환된 후, 상기 입력전압 감지부의 출력전압과 비교하여 상기 스위칭 트랜지스터의 턴오프 시간을 제어하는 펄스폭 제어부; 상기 부스트 컨버터의 출력전압의 기울기를 제어하기 위하여 상기 펄스폭 제어부로 공급되는 전류를 2 단계로 증가시켜 출력하는 소프트 스타트 전류 제어부를 구비하는 것을 특징으로 한다.
따라서, 본 발명은 초기 입력전압이 공급될 경우 초기 출력전압은 서서히 동상을 이루며 출력되도록 입력전류를 제어시켜 고역률을 달성할 수 있다.
Description
본 발명은 역률 보상회로에 관한 것으로서, 특히 초기 과전압 상태를 방지하여 고역률을 달성할 수 있는 역률 보상회로에 관한 것이다.
일반적으로 회로의 고역률을 달성하기 위해서는 넓은 폭의 입력전압이나 출력부하의 큰 변동에 대해 라인 전류왜곡을 줄이고, 경제적이며 회로 구성이 쉬워야만 한다.
평균 전류모드(Average Current Mode) 제어방식은 입력 전압 및 출력부하의 변동에 대해서 입력전류가 연속 전류모드 및 불연속적 전류모드가 합쳐진 형태로 자동 제어되며, 입력전압에 비례하는 전류파형을 얻을 수 있기 때문에 라인 전류왜곡을 매우 낮게 된다.
그러나, 상기 평균 전류모드(Average Current Mode) 제어방식은 기술적으로 복잡한 제어구조를 갖기 때문에 이해가 어렵고, 또한 회로 구성시 외부 부품수가 증가되므로 제조 가격이 올라가는 단점이 있다.
이와 반대로 제조가격이 낮은 피드 포워드(Feedforward) 기능을 추가 설계한 전류 클램프 제어방식(Current Clamped Control)은 회로 구성이 간단하고, 경제적인 장점을 갖는다.
그러나, 상기 전류 클램프 제어방식(Current Clamped Control)은 기능적으로 입력전압의 변동이 있거나 출력부하의 변동이 50% 이하인 경우에는 라인 전류의 왜곡이 급격히 증가하여 전체 조화 왜곡(Total Harmonic distortion)이 높아지는 단점이 있으므로 입력전압의 가변 범위와 출력부하의 변동 범위가 제한을 받게 된다.
그러므로, 역률 보상회로를 사용하여 기타 응용회로를 구성하는데 있어서, 초기 입력전압이 공급될 경우 초기 출력전압은 과도 응답상태로 된다.
이러한 초기 출력전압의 과도 응답상태는 과전압을 일으키는 원인이 되므로 출력 부품은 순간 강한 스트레스를 받게 되어 심각한 회로의 파손을 유발시킬 수 있는 문제점이 있었다.
본 발명의 목적은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 초기 입력전압이 공급될 경우 초기 출력전압이 서서히 동상을 이루며 출력되도록 입력전류를 제어시키므로 고역률을 달성할 수 있는 역률 보상회로를 제공하는데 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 장치는 스위칭 트랜지스터의 턴온 상태에서 인덕터에 전압을 축적하고, 턴오프 상태에서 인덕터에 축적된 전압을 입력전압과 중첩시켜 출력하는 부스트 컨버터의 역률을 보상하는 역률 보상회로에 있어서, 상기 부스트 컨버터의 출력전압을 감지하여 출력전압에 반비례하는 반전신호를 출력하는 출력전압 감지부; 상기 부스트 컨버터의 스위칭 트랜지스터가 턴온 상태일 경우 인덕터에 흐르는 입력전류를 감지하기 위한 입력전류 감지부; 상기 출력전압 감지부를 통해 출력되는 반전신호가 소정 이득을 가지는 역톱니파 신호로 전환된 후, 상기 입력전압 감지부의 출력전압과 비교하여 상기 스위칭 트랜지스터의 턴오프 시간을 제어하는 펄스폭 제어부; 상기 부스트 컨버터의 출력전압의 기울기를 제어하기 위하여 상기 펄스폭 제어부로 공급되는 전류를 2 단계로 증가시켜 출력하는 소프트 스타트 전류 제어부를 구비하는 것을 특징으로 한다.
도 1 은 본 발명에 따른 역률 보상회로를 나타낸 회로도이다.
도 2 는 본 발명에 따른 역률 보상회로를 설명하기 위한 파형도이다.
도 3 은 종래와 본 발명의 출력파형을 비교한 파형도이다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세하게 설명하고자 한다.
도 1 은 본 발명에 따른 역률 보상회로를 나타낸 회로도의 일 실시예로서, 스위칭 트랜지스터(Tr)의 턴온 상태에서 인덕터(L)에 전압을 축적하고, 턴오프 상태에서 인덕터(L)에 축적된 전압을 입력전압(Vin)과 중첩시켜 출력하는 부스트 컨버터(100)와, 상기 부스트 컨버터(100)의 출력전압 및 입력전류를 제어하여 입력전압(Vin)과 입력전류(iL)가 동상을 이루도록 역률을 보상하는 역률 보상회로(200)로 구성된다.
상기 부스트 컨버터(100)는 교류전원을 직류전원으로 정류시키는 입력 필터(101) 및 정류기(102), 상기 정류기(102)에 병렬로 접속된 인덕터(L) 및 제 1 트랜지스터(C1), 상기 인덕터(L)에 흐르는 입력전류의 공급을 제어하기 위해 스위칭 동작을 하는 스위칭 트랜지스터(Tr), 상기 스위칭 트랜지스터(Tr)의 턴오프 상태에 의해 상기 인덕터(L)를 통과한 신호가 역류되지 않도록 제어하는 다이오드(D), 상기 도통된 다이오드(D)의 출력신호를 충전하는 충전 커패시턴스(C3) 및 출력부하(Load)로 구성된다.
상기 역률 보상회로(200)는 상기 부스터 컨버터(100)의 출력신호(Vo)를 저항들(R1,R2,R3,R4), 커패시터(Cp) 및 제너 다이노드(Zd)를 통해 감지한 후, 포토 커플러(211) 및 커패시터(Cc)를 통해 감지된 신호와 반비례하는 전류 및 전압을 발생하는 출력전압 감지부(210)와, 상기 부스트 컨버터(100)의 스위칭 트랜지스터(Tr)가 턴온 상태일 경우 감지저항(Rs), 저항(Rf) 및 커패시턴스(Cf)를 통해 상기 인덕터(L)에 흐르는 입력전류를 감지하여 출력하는 입력전류 감지부(220)와, 발진기(231)의 클럭신호와 동기되는 전류원(Iss), 전류원(Iss)을 통해 흐르는 전류를 충전하는 커패시터(Cs) 및 상기 커패시터(Cs)에 충전된 충전전압(Vss)과 기준전압(Vs)을 비교하는 비교기(Com1)로 구비되는 소프트 스타트 전류 제어부(240)와, 상기 부스트 컨버터(100)의 스위칭 시간을 제어하기 위하여 상기 소프트 스타트 전류 제어부(240)의 전류에 의해 제어되는 기준전압과 상기 출력전압 감지부(210)를 통해 출력되는 전압을 승산하여 소정 이득을 가지는 역톱니파 신호로 출력하는 승산기(232), 상기 승산기(232)의 출력전압과 상기 입력전류 감지부(220)의 입력전압을 비교기(Com2)를 통해 비교한 후, 플립플롭(233) 및 논리 게이트(234)를 통해 출력되는 데이터 명령에 따라 동작하는 구동기(235)를 구비하는 펄스폭 제어부(230)로 구성된다.
도 2 는 본 발명에 따른 역률 보상회로를 설명하기 위한 파형도로서, 상기 소프트 스타트 전류 제어부(240)의 전류원(Iss), 비교전압(Vss) 및 제어전류(Ie)를 나타낸 것이다.
도 1 내지 도 3 을 참조하여 보면, 본 발명은 상기 부스트 컨버터(100)를 통해 입력전압(Vi)은 스위칭 트랜지스터(Tr)의 턴온 상태에서 인덕터(L)에 인가되어 전류가 축적된 후, 상기 스위칭 트랜지스터(Tr)의 턴오프 상태에서 상기 축적된 전류는 다이오드를 통해 부하(Ro)로 공급된다.
상기 부하(Ro)에 공급되는 출력전압(Vo)을 입력전압(Vin)과 동상을 이루어 고역률을 달성하기 위하여 상기 출력전압 감지부(210)는 상기 부스트 컨버터(100)의 출력전압(Vo)에 반비례하는 전류(Iop)를 발생하여 출력전압(Vo) 변동에 따라 전압 레벨이 달라지는 감지전압(Ve)을 출력한다.
그리고, 상기 입력전류 감지부(220)는 상기 부스트 컨버터(100)의 스위칭 트랜지스터(Tr)가 턴온 상태에서 인덕터(L)로 흐르는 입력전류(iL)를 감지하여 입력전압(Vcs)을 출력한다.
상기 출력전압 감지부(210)의 감지전압(Ve)은 상기 펄스폭 제어부(230)로 입력되어 상기 발진기(231)의 역톱니파신호(Vsw)와 상기 승산기(232)를 통해 소정 이득을 가지는 전압(Vmo)으로 승산되어 출력된다.
상기 펄스폭 제어부(230)는 상기 승산기(232)의 출력전압과 상기 입력전압 감지부(220)의 입력전압(Vcs)를 비교기(Com2)로 비교한 후, 두 신호가 동일하게 될 경우 상기 스위칭 트랜지스터(Tr)의 턴오프 시간을 제어하는 제어신호를 출력하고, 주파수가 일정하게 제어되고 있다면 상기 플립플롭(233)의 일정 주기를 가지는 세트신호로 상기 스위칭 트랜지스터(Tr)의 턴온 시간을 제어한다.
그리고, 상기 소프트 스타트 전류 제어부(240)는 상기 발진기(231)의 클럭신호(clock)에 의해 전류원(Iss)이 클럭 한 주기마다 소정 전류를 발생하여 커패시터(Cs)에 스텝 단위로 전류를 충전시킨다.
상기 커패시터(Cs)에 충전된 충전전압(Vss)이 충전시간을 결정하는 기준전압 (Vs)에 도달하면 과전압 제어전류(Ie)는 정상 전류(Ie2)로 바뀌어 상기 펄스폭 제어부(230)로 공급된다.
즉, 상기 비교기(Com1)를 통해 Vs〉Vss인 경우는 출력전압(Vo)의 소프트 스타트 구간이 되고, Vs〈Vss인 경우는 출력전압(Vo)의 정상구간이 된다.
그러므로, 상기 부스트 컨버터(100)의 스위칭 트랜지스터(Tr)가 턴오프 되는 순간 인덕터에 흐르는 전류는 상기 스위칭 트랜지스터(Tr)의 턴온 상태와 턴오프 상태가 동일하다면
단, Vin은 입력전압, Vo은 출력전압을 나타낸다.
상기 수학식 1에서 Vin은 피크전압을 가지는 sine 함수 즉, Vin=Vp sin(ω)로 나타낼 수 있다.
상기 스위칭 트랜지스터(Tr)가 턴오프 되는 순간은 상기 펄스폭 제어부(230)를 통해 비교기(Com2)로 입력되는 상기 승산기(232)의 출력신호(Vmo)와 상기 입력전류 감지부(220)의 입력전압(Vcs)가 동일하게 되는 순간이다.
상기 수학식 2에서 전압 Vcs에 포함된 입력전류(iL)를 시간의 함수로 나타내면 다음과 같다.
단, Rs는 입력전류 감지부(220)의 감지저항을 나타낸다.
그러므로, 입력전류(iL)는 일정한 이득()에 의해 그 크기가 결정되고, 입력전압(Vin)과 동상을 이루므로 고역률이 달성된다.
도 4 는 종래와 본 발명의 출력전압(Vo)을 비교한 파형으로서, 종래(A)는 초기 구동시 과전압을 일으키는 출력전압(Vo)이 발생되는 반면, 본 발명(B)은 초기 구동시 소프트 스타트 기울기를 가지는 출력전압(Vo)이 발생된다.
그러므로, 본 발명은 역률 보상회로를 사용하여 기타 응용회로를 구성하는데 있어서, 초기 입력전압이 공급될 경우 초기 출력전압은 서서히 증가되어 동상을 이루기 때문에 종래와 같이 초기 출력전압의 과전압으로 인한 회로 파손없이 안전하게 고역률을 달성할 수 있다.
본 발명은 초기 입력전압이 공급될 경우 초기 출력전압은 서서히 동상을 이루며 출력되도록 입력전류를 제어시킬 수 있으므로 초기 출력전압의 과전압 발생을 방지하여 고역률을 달성할 수 있는 효과가 있다.
Claims (1)
- 스위칭 트랜지스터의 턴온 상태에서 인덕터에 전압을 축적하고, 턴오프 상태에서 인덕터에 축적된 전압을 입력전압과 중첩시켜 출력하는 부스트 컨버터의 역률을 보상하는 역률 보상회로에 있어서, 상기 부스트 컨버터의 출력전압을 감지하여 출력전압에 반비례하는 반전신호를 출력하는 출력전압 감지부; 상기 부스트 컨버터의 스위칭 트랜지스터가 턴온 상태일 경우 인덕터에 흐르는 입력전류를 감지하기 위한 입력전류 감지부; 상기 출력전압 감지부를 통해 출력되는 반전신호가 소정 이득을 가지는 역톱니파 신호로 전환된 후, 상기 입력전압 감지부의 출력전압과 비교하여 상기 스위칭 트랜지스터의 턴오프 시간을 제어하는 펄스폭 제어부; 상기 부스트 컨버터의 출력전압의 기울기를 제어하기 위하여 상기 펄스폭 제어부로 공급되는 전류를 2 단계로 증가시켜 출력하는 소프트 스타트 전류 제어부를 구비하는 것을 특징으로 하는 역률 보상회로.
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