KR19990054580A

KR19990054580A - 소프트 스위칭 역률제어용 승압형 컨버터

Info

Publication number: KR19990054580A
Application number: KR1019970074409A
Authority: KR
Inventors: 정용채; 박병욱
Original assignee: 구자홍; 엘지전자 주식회사
Priority date: 1997-12-26
Filing date: 1997-12-26
Publication date: 1999-07-15

Abstract

본 발명은 소프트 스위칭 역률제어용 승압형 컨버터에 관한 것으로, 종래에는 스위칭소자 온/오프시 발생하는 전압과 전류의 곱이 각 소자에서 발생하는 스위칭손실인데, 각 소자의 전압 및 전류의 파형이 겹치는 부분이 많아 손실이 커지고, 특히 다이오드에는 반대방향으로 전류가 흐르는 역회복 특성에 의해 손실을 상당히 크게 하여 스위칭을 하는 회로의 효율을 상당히 떨어뜨리고, 이러한 손실을 방열시켜 주기 위해서는 큰 방열판의 사용 및 큰 풍량의 팬을 사용해야 하는 문제점이 있다. 상용전원을 정류하고 이 정류한 직류전압을 공급하는 정류부(10)와, 상기 정류부(10)의 출력과 스위칭소자의 스위칭동작에 의해 역률제어기능을 수행하는 승압형 컨버터부(11)와, 상기 승압형 컨버터부(11)의 스위칭소자의 손실을 줄이기 위한 스위칭 제어신호에 스위칭동작을 행하는 소프트 스위칭 셀부(17)와, 상기 정류부(10)에서 부하측으로 공급되는 입력전압을 검출하는 입력전압 검출부(14)와, 상기 정류부(10)에서 부하측으로 흐르는 전류를 검출하는 전류 검출부(13)와, 부하(12)에 공급되는 출력전압을 검출하는 출력전압 검출부(15)와, 상기 검출부(13~15)의 검출 전류 및 검출 전압을 이용하여 역률 개선을 위해 상기 승압형 컨버터부(11)의 스위칭소자(S1)와 소프트 스위칭 셀부(17)의 보조스위치(Sa1,Sa2)의 동작을 제어하는 역률 제어부(16)로 구성하여, 손실을 줄이고, 그 손실을 줄이기 위한 방열판과 큰 풍량의 팬을 제거하여 전체 시스템을 콤팩트(compact)하게 구성할 수 있고, 소프트 스위칭에 의해 EMI문제도 상당히 저감할 수 있도록 한 것이다.

Description

소프트 스위칭 역률제어용 승압형 컨버터

본 발명은 스위칭을 하는 회로에서 역률로 인한 손실을 줄이기 위한 것으로, 특히 스위치 및 다이오드의 스위칭 손실을 최소로 할 수 있는 소프트 스위칭 역률제어용 승압형 컨버터에 관한 것이다.

종래 역률 제어 기능이 없는 전원공급 회로는, 도 1에 도시된 바와같이, 입력되는 상용 전원을 정류하고 그 정류된 직류전압을 출력하는 정류부(10)와, 상기 정류부(10)에서 출력되는 직류전압을 필터링하여 부하(12)로 공급하는 필터용 캐패시터(C)로 구성된다.

그리고, 종래 역률제어용 승압형 컨버터에 대한 회로구성은, 도 3에 도시된 바와같이, 입력되는 상용 전원을 정류하고 그 정류된 직류전압을 출력하는 정류부(10)와, 상기 정류부(10)에서 출력되는 전압에 대해 역률을 개선하기 위한 동작을 수행하는 승압형 컨버터부(11)와, 상기 승압형 컨버터부(11)에서 출력하는 전압을 필터링하여 부하(12)로 공급하기 위한 필터용 캐패시터(C)와, 입력되는 전류를 검출하는 전류 검출부(13)와, 입력되는 전압을 검출하는 입력전압 검출부(14)와, 상기 부하(12) 동작시 발생하는 출력전압을 검출하는 출력전압 검출부(15)와, 상기 검출부(13~15)를 통해 검출한 전류 및 전압값을 이용하여 역률 제어를 위한 스위칭신호를 상기 승압형 컨버터부(11)로 출력하는 역률 제어부(16)로 구성된다.

이와같이 구성된 종래 기술에 대하여 상세히 살펴보면 다음과 같다.

먼저, 역률 제어 기능이 없는 전원공급 회로에 대하여 도 1과 도 2에 의거하여 살펴보면, 전원공급단을 통해 상용전원과 그에 비례하는 도 2의 (나)에서와 같은 상용 전류(

I_AC

)가 정류부(10)로 공급된다.

그러면 정류부(10)는 입력되는 상용전원을 브리지 다이오드를 이용하여 정류하여 직류전압으로 만들고, 이 정류된 직류전압을 필터용 캐패시터(C)로 출력한다.

이때 상기 필터용 캐패시터(C)에 공급되는 입력전류(I_IN)는 도 2의 (다)에 도시한 바와같다.

상기에서와 같은 입력전류(I_IN)와 직류전압을 공급받은 필터용 캐패시터(C)는 필터링하고, 그 필터링한 전압, 즉 도 2의 (가)에서와 같은 출력전압(Vo)을 부하(13)로 공급하여 동작하도록 한다.

이상에서와 같이 동작하는 회로의 역률은 보통 0.4~0.7 사이의 수치를 갖는다.

게다가 고조파(Harmonics) 성분이 크기 때문에 국제규격인 IEC 1000-3을 만족할 수 없다.

역률이 낮으면 실효전력도 작아지기 때문에 가정내에서 사용할 수 있는 전력이 감소하는 문제점이 있다.

따라서 역률제어용 회로를 삽입하여 역률 및 고조파를 줄이고 있다.

이와같은 회로는 도 3에 도시하였으면, 도 3에 의거하여 살펴보면 다음과 같다.

상용전원을 정류부(10)로 공급하면, 상기 정류부(10)는 입력전압을 정류하고 이 정류된 전압(V_IN)을 승압형 컨버터(11)로 출력하는데, 상기 정류된 전압(V_IN)은 입력전원 주파수(50/60Hz)의 두배 주파수를 갖는 전압이 나온다.

이 전압(V_IN)을 입력으로 해서 승압형 컨버터부(11)로 출력하면, 인덕터(L)에는 입력전압(V_IN)과 동상인 전류가 흐르고, 상용전원에서 보면 50/60Hz의 입력전압에 동상인 싸인파 전류가 흘러서 역률이 거의 1.0에 가깝게 된다.

이때 다이오드(D)와 필터용 캐패시터(C)를 거쳐 필터링되어 부하(12)에 공급되는 출력전압(Vo)은 입력전압(V_IN)의 피크치보다 큰 전압이 된다.

상기 출력전압(Vo)은 출력전압 검출부(15)에서 검출하여 역률 제어부(16)로 출력하면, 상기 역률 제어부(16)는 출력전압이 설정치로 안정하게 동작하도록 제어해준다.

그리고, 인덕터(L)의 전류가 입력전압(V_IN)을 추종하도록 역률 제어부(16)에서 제어하는데, 이는 입력전압 검출부(14)에서 검출한 입력전압과 전류 검출부(13)에서 검출한 입력전류를 이용하여 제어한다.

상기 스위칭소자(S1)는 50KHz 이상의 높은 주파수로 동작하기 때문에 각 스위칭시에 인덕터(L)의 전류는 전류원과 같은 역할을 한다.

이상에서와 같은 동작에 의해 역률 제어부(16)에서 승압형 컨버터부(11)의 스위칭소자(S1)를 온시키면 인덕터(L)에는 정류부(10)를 통해 정류된 전압(V_IN)이 걸리고, 인덕터 전류(I_L)는 선형적으로 상승한다.

다이오드(D)에는 역전압이 걸려 있어서 오프되어 있고 필터용 캐패시터(C)의 충전된 에너지가 부하로 공급된다.

그리고 역률 제어부(16)에 의해서 승압형 컨버터부(11)의 스위칭소자(S1)가 오프되면 다이오드(D)가 도통하여 인덕터(L)에는 (Vo-V_IN)전압이 걸리고, 인덕터 전류(I_L)는 선형적으로 감소한다.

이 경우 입력에서 출력으로 파워를 공급하여 부하 및 필터용 캐패시터(C)를 충전하게 된다.

이상에서와 같은 동작을 반복하여 인덕터전류(I_L)가 입력전압의 모양을 추종하도록 역률을 개선한다.

그러나, 도 4에서와 같이, 종래기술에서 스위칭소자 온/오프시 발생하는 전압과 전류의 곱이 각 소자에서 발생하는 스위칭손실인데, 각 소자의 전압 및 전류의 파형이 겹치는 부분이 많아 손실이 커지고, 특히 다이오드(D)에는 전류가 다이오드(D)→스위칭소자(S1)→필터용 캐패시터(C)의 패스로 흐르는데 이는 스위칭소자(S1)와 다이오드(D)의 손실을 상당히 크게하는 역할을 한다. 따라서 효율이 상당히 낮아지고, 이러한 손실을 방열시켜 주기 위해서는 큰 방열판의 사용 및 큰 풍량의 팬을 사용해야 하는 문제점이 있다.

따라서 상기에서와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 각 스위칭시 항상 소프트 스위칭을 해서 손실을 최소화하도록 한 소프트 스위칭 역률제어용 승압형 컨버터를 제공함에 있다.

도 1은 종래 역률 제어 기능이 없는 전원공급 회로도.

도 2는 도 1에 대한 출력전압 및 입력전류에 대한 동작 파형도.

도 3은 종래의 역률 제어용 승압형 컨버터의 회로 구성도.

도 4는 도 3에서, 스위칭시의 전압 및 전류 파형도.

도 5는 본 발명의 소프트 스위칭 역률제어용 승압형 컨버터에 대한 회로 구성도.

도 6은 도 5에서, 스위칭 한주기 동안의 스위칭상태 및 전압과 전류 파형도.

*** 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 ***

10 : 정류부 11 : 승압형 컨버터부

12 : 부하 13 : 전류 검출부

14 : 입력전압 검출부 15 : 역률 제어부

16 : 출력전압 검출부 17 : 소프트 스위칭 셀

Cr : 보조공진 캐패시터 C : 필터 캐패시터

S1 : 스위치 Sa1,Sa2 : 보조 스위치

Da1,Da2 : 다이오드

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은 상용전원을 정류하는 정류부의 출력을 받아서 역률 제어를 위한 제어동작을 수행하는 승압형 컨버터부와, 상기 승압형 컨버터부의 스위칭 소자의 손실을 줄이기 위한 소프트 스위칭 셀부와, 제어를 위한 각종 정보를 검출하는 검출부와, 상기 검출부의 검출 정보를 이용하여 상기 승압형 컨버터부와 소프트 스위칭 셀부의 동작을 제어하는 역률 제어부로 구성된 것을 특징으로 한다.

이하, 첨부한 도면에 의거하여 상세히 살펴보면 다음과 같다.

도 5는 본 발명의 소프트 스위칭 역률제어용 승압형 컨버터에 대한 회로 구성도로서, 이에 도시한 바와같이, 상용전원을 정류하고 이 정류한 직류전압을 공급하는 정류부(10)와, 상기 정류부(10)의 출력과 스위칭소자의 스위칭동작에 의해 역률제어기능을 수행하는 승압형 컨버터부(11)와, 상기 승압형 컨버터부(11)의 스위칭소자의 손실을 줄이기 위한 스위칭 제어신호에 스위칭동작을 행하는 소프트 스위칭 셀부(17)와, 상기 정류부(10)에서 부하측으로 공급되는 입력전압을 검출하는 입력전압 검출부(14)와, 상기 정류부(10)에서 부하측으로 흐르는 전류를 검출하는 전류 검출부(13)와, 부하(12)에 공급되는 출력전압을 검출하는 출력전압 검출부(15)와, 상기 검출부(13~15)의 검출 전류 및 검출 전압을 이용하여 역률 개선을 위해 상기 승압형 컨버터부(11)의 스위칭소자(S1)와 소프트 스위칭 셀부(17)의 보조스위치(Sa1,Sa2)의 동작을 제어하는 역률 제어부(16)로 구성한다.

상기 소프트 스위칭 셀부(17)는, 직렬 연결된 보조 스위치(Sa1)와 공진 인덕터(Lr) 및 보조 스위치(Sa2)가 보조공진 캐패시터(Cr)와 병렬로 연결되어 있고, 상기 보조 스위치(Sa1)와 공진 인덕터(Lr)의 접점과 접지 사이에 다이오드(Da2)가 연결되고, 상기 공진 인덕터(Lr)와 보조 스위치(Sa2)의 접점과 정류부의 (+)단 사이에 다이오드(Da1)을 연결하여 구성한다.

이와같이 구성된 본 발명의 동작 및 작용 효과에 대하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

정류부(10)에서는 입력되는 상용전원을 정류하고, 그 정류된 전압(V_IN)을 승압형 컨버터부(11)의 인덕터(L)로 공급한다.

초기상태에서는 승압형 컨버터부(11)의 스위칭소자(S1)가 오프되어 있어서, 인덕터(L)의 전류(I_L)는 다이오드(D)를 통해서 필터용 캐패시터(C)와 부하(12)로 각각 공급한다.

이때 다이오드(D)에 흐르는 전류는(I_D)는 도 6의 (h)에서와 같이 인덕터(L)의 전류(I_L)와 같고, 부하(12)에 공급되는 전압은 도 6의 (e)에서와 같이 승압형 컨버터부(11)의 스위칭소자(S1)에 걸리는 전압(Vo)이 공급된다.

역률 제어부(16)의 스위칭 제어신호에 의해서 스위칭소자(S1)를 온시키려면 이에 앞서서 도 6의 (b)(c)에서와 같이 하이상태의 스위칭신호를 소프트 스위칭 셀부(17)의 보조 스위치(Sa1,Sa2)로 각각 출력하여 온시킨다(to구간).

그러면 공진 인덕터(Lr)에는 출력전압(Vo)이 걸리고, 공진 인덕터(Lr)의 전류(

i_Lr

)는 도 6의 (d)에서와 같이 선형적으로 증가한다.

이 전류(

i_Lr

)가 승압형 컨버터부(11)의 인덕터(Lr)의 전류(I_L)와 같아지면, 다이오드(D)의 전류(I_D)가 영이되고 보조공진 캐패시터(Cr)와 보조 스위치(Sa1,Sa2) 및 공진 인덕터(Lr)가 공진을 해서 스위칭소자(S1)의 전압이 도 6의 (e)에서와 같이 영으로 떨어진다.

이때 다이오드(D)의 전압은 도 6의 (g)에서와 같이 영에서 출력전압(Vo)까지 상승한다.(t1~t2구간)

인덕터(L)의 전류(I_L)가 보조스위치(Sa1)→공진인덕터(Lr)→보조 다이오드(Da1)의 패스와 보조 다이오드(Da2)→공진 인덕터(Lr)→보조 스위치(Sa2)의 패스로 일정시간 환류(Freewheeling)한다.(t2~t3구간)

도 6의 (a)~(c)에서와 같이, 각 스위치의 전압이 모두 영이 되어있는 t3구간에서 2개의 보조 스위치(Sa1,Sa2)가 오프되고, 스위칭 소자(S1)가 온되므로써 영전압 스위칭이 실시되어 손실이 거의 없다.

이후 스위칭소자(S1)가 온되어 있는 동안 공진 인덕터(Lr)의 전류(

i_Lr

)는 스위칭소자(S1)→보조 다이오드(Da2)→공진 인덕터(Lr)→보조 다이오드(Da1)의 패스로 환류를 계속한다.

이때 스위칭소자(S1)로 흐르는 전류(I_S)는 도 6의 (f)에서와 같고, 상기 스위칭소자(S1)에 걸리는 전압(V_S1)은 도 6의 (e)에서와 같이 영으로 떨어지고, 다이오드(D)에 흐르는 전류(I_D)는 도 6의 (h)에서와 같이 영으로 거의 흐르지 않는다.(t3~t4 구간)

그러다가 도 6의 (a)에서와 같이, 다시 역률 제어부(16)에 의해 스위칭소자(S1)를 오프시키면, 스위칭소자(S1)의 전압이 출력전압(Vo)까지 상승하고, 다이오드(D)의 전압은 도 6의 (g)에서와 같이 영으로 떨어진다.

이때도 스위칭소자(S1)는 영전압에서 오프되어 손실이 거의 없어진다.(t4~t5 구간)

이와같은 동작에 의해 계속 동작하다가 스위칭소자(S1)의 전압(V_S1)이 출력전압(Vo)과 같아지면, 다이오드(D)를 도통하여 인덕터(L)의 전류(I_L)를 부하(12)로 전해주고, 이때 공진 인덕터(Lr)에는 출력전압(Vo)이 가해져서 공진 인덕터(Lr)의 전류(

i_Lr

)가 선형적으로 감소하여 영으로 된다.(t5~t6 구간)

이후 역률 제어부(16)에서 다시 스위칭소자(S1)를 온시키라는 신호가 나오기 전까지는 이 상태가 유지되어 한주기가 끝난다.

이와같이 각 스위칭시는 항상 소프트 스위칭을 해서 손실을 최소화한다.

따라서, 본 발명은 스위칭소자 온/오프시 영점전압에서 스위칭하도록 하여 손실을 줄여 효율을 높이고, 손실을 줄이기 위한 방열판과 큰 풍량의 팬을 제거하여 전체 시스템을 콤팩트(compact)하게 구성할 수 있고, 소프트 스위칭에 의해 EMI문제도 상당히 저감할 수 있도록 한 효과가 있다.

Claims

상용전원을 정류하는 정류부의 출력을 받아서 역률 제어를 위한 제어동작을 수행하는 승압형 컨버터부와, 상기 승압형 컨버터부의 스위칭 소자의 손실을 줄이기 위해 스위칭 제어신호에 의해 스위칭동작을 행하는 소프트 스위칭 셀부와, 역률 제어를 위한 각종 정보를 검출하는 검출부와, 상기 검출부의 검출 정보를 이용하여 상기 승압형 컨버터부의 스위칭소자와 소프트 스위칭 셀부의 보조 스위치의 스위칭동작을 제어하여 역률을 제어하는 역률 제어부로 구성된 것을 특징으로 하는 소프트 스위칭 역률제어용 승압형 컨버터.
제1항에 있어서, 소프트 스위칭 셀부는, 직렬 연결된 제1보조 스위치와 공진 인덕터 및 제2보조 스위치가 보조공진 캐패시터와 병렬로 연결되어 있고, 상기 제1보조 스위치와 공진 인덕터의 접점과 접지 사이에 제2다이오드가 연결되고, 상기 공진 인덕터와 제2보조 스위치의 접점과 정류부의 (+)단 사이에 제1다이오드을 연결하여 구성된 것을 특징으로 하는 소프트 스위칭 역률제어용 승압형 컨버터.