KR20000008304A - 역률제어기능을 갖는 소프트 스위치 단상 능동정류기 - Google Patents

역률제어기능을 갖는 소프트 스위치 단상 능동정류기 Download PDF

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Abstract

본 발명은 스위치 및 다이오드의 스위칭 손실을 최소로 할 수 있는 역률제어기능을 갖는 소프트 스위치 단상 능동정류기에 관한 것으로, 종래의 기술에 있어서 다이오드(D)는 반대방향으로 전류(ID)가 흐르는 역회복 특성을 갖게 되는데, 이 역회복 전류는 D - S1 - C의 경로(path)로 흐르고, 이는 스위칭 소자(S1) 및 다이오드(D)의 손실을 상당히 크게하여 효율이 상당히 낮아지고, 이러한 손실을 방열시켜 주기 위해서는 큰 방열판의 사용 및 큰 풍량의 팬을 사용해야 하는 문제점이 있었다. 따라서, 본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여 창안한 것으로, 입력되는 상용 전원에서 특정 주파수 이상의 고주파 전류를 억제하는 인덕터와; 상기 인덕터를 통해 입력되는 상용 전원을 스위칭 동작에 의해 역률을 개선하여 정류하는 단상 능동 정류부와; 상기 단상 능동 정류부의 역률을 개선하기 위하여 소프트 스위칭동작을 행하여 손실을 줄이도록 한 소프트 스위칭부와; 상기 소프트 스위칭부에서 출력하는 전압을 필터링하여 부하로 공급하기 위한 필터용 커패시터와; 전류 검출소자에 의해 입력되는 상용 전원의 전류를 검출하는 입력전류 검출부와; 입력되는 상용 전원의 전압을 검출하는 입력전압 검출부와; 상기 부하 동작시 발생하는 출력전압을 검출하는 출력전압 검출부와; 상기 전류 및 입력,출력 전압 검출부를 통해 검출한 전류 및 전압값을 이용하여 역률 제어를 위한 스위칭신호를 상기 단상 능동 정류부와 소프트 스위칭부의 스위치를 각각 제어하는 역률 제어부로 구성한 장치를 제공함으로써, 스위치 및 다이오드의 스위칭 손실을 최소로 하기 위하여 영전압 또는 영전류의 조건에서 스위칭할 수 있도록 하는 스위칭 제어신호를 승압형 컨버터로 공급하여 스위칭시 다이오드의 역회복 특성으로 인한 손실을 거의 영으로 줄이고, 이 스위칭 손실을 방열시켜 주기 위한 큰 방열판의 사용 및 큰 풍량의 팬을 제거할 수 있도록 하여 전체 시스템을 콤팩트하게 구성할 수 있도록 한 효과가 있다.

Description

역률제어기능을 갖는 소프트 스위치 단상 능동정류기
본 발명은 스위치 및 다이오드의 스위칭 손실을 최소로 할 수 있는 역률제어기능을 갖는 소프트 스위치 단상 능동정류기에 관한 것으로, 특히 인버터 에어컨에 있어서, 스위칭 시 다이오드의 역회복 특성으로 인한 손실을 거의 영으로 줄임으로써, 스위칭 손실을 방열시켜 주기 위한 큰 방열판의 사용 및 큰 풍량의 팬을 제거할 수 있어서 전체 시스템을 콤팩트하게 구성할 수 있도록 한 소프트 스위칭 역률제어기능을 갖는 소프트 스위치 단상 능동정류기에 관한 것이다.
종래 역률 제어 기능이 없는 전원공급 회로는, 도 1에 도시된 바와 같이, 입력되는 상용 전원을 정류하고, 그 정류된 직류전압을 출력하는 정류부(10)와, 상기 정류부(10)에서 출력되는 직류전압을 필터링하여 부하(12)로 공급하는 필터용 커패시터(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 커패시터(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.
이와 같이 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 (b)에서와 같은 상용 전류( IAC )가 정류부(10)로 공급된다.
그러면 정류부(10)는 입력되는 상용전원을 브리지 다이오드를 이용하여 정류하여 직류전압으로 만들고, 이 정류된 직류전압을 필터용 커패시터(C)로 출력한다.
이때 상기 필터용 커패시터(C)에 공급되는 입력전류(IIN)는 도 2의 (c)에 도시한 바와 같다.
상기에서와 같은 입력전류(IIN)와 직류전압을 공급받은 필터용 커패시터(C)는 필터링하고, 그 필터링한 전압, 즉 도 2의 (a)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 가정 내에서 사용할 수 있는 전력이 감소하는 문제점이 있다.
따라서 역률제어용 회로를 삽입하여 역률 및 고조파를 줄이고 있다.
이와 같은 회로는 도 3에 도시하였으면, 도 3에 의거하여 살펴보면 다음과 같다.
상용전원을 정류부(10)로 공급하면, 상기 정류부(10)는 입력전압을 정류하고 이 정류된 전압(VIN)을 승압형 컨버터(11)로 출력하는데, 상기 정류된 전압(VIN)은 입력전원 주파수(50/60Hz)의 두배 주파수를 갖는 전압이 나온다.
이 전압(VIN)을 입력으로 해서 승압형 컨버터부(11)로 출력하면, 인덕터(L)에는 입력전압(VIN)과 동상인 전류가 흐르고, 상용전원에서 보면 50/60Hz의 입력전압에 동상인 싸인파 전류가 흘러서 역률이 거의 1.0에 가깝게 된다.
이때 다이오드(D)와 필터용 커패시터(C)를 거쳐 필터링되어 부하(12)에 공급되는 출력전압(Vo)은 입력전압(VIN)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(VIN)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 20KHz 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(VIN)이 걸리고, 인덕터 전류(IL)는 선형적으로 상승한다.
다이오드(D)에는 역전압이 걸려 있어서 오프되어 있고, 필터용 캐피시터(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-VIN)전압이 걸리고, 인덕터 전류(IL)는 선형적으로 감소한다.
이 경우 입력에서 출력으로 파워를 공급하여 필터용 커패시터(C)를 충전하고 부하에도 에너지를 공급한다.
이상에서와 같은 동작을 반복하여 인덕터전류(IL)가 입력전압의 모양을 추종하도록 역률을 개선한다.
상기에서와 같이 종래의 기술에 있어서는 도 4에서와 같이 스위칭 소자(S1)와 다이오드(D)의 파형에서 처음의 전압/전류 변동은 상기 스위칭 소자(S1)가 오프(OFF)되어 발생하는 것이고, 다음의 변동은 상기 스위칭 소자(S1)가 온(ON)되어 발생하는 것으로, 여기서 각 소자의 전압과 전류의 곱이 각 소자에서 발생하는 손실이기 때문에 각 소자의 전압과 전류파형이 겹치는 부분이 많아지면 손실이 커지며, 특히 상기 다이오드(D)에는 반대방향으로 전류(ID)가 흐르는 역회복 특성을 갖게 되는데, 이 역회복 전류는 D - S1 - C의 경로(path)로 흐르고, 이는 스위칭 소자(S1) 및 다이오드(D)의 손실을 상당히 크게 하여 효율이 상당히 낮아지고, 이러한 손실을 방열시켜 주기 위해서는 큰 방열판의 사용 및 큰 풍량의 팬을 사용해야 하는 문제점이 있었다.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여 창안한 것으로, 각 스위칭 시 항상 소프트 스위칭을 해서 손실을 최소화하도록 하는 장치를 제공함에 그 목적이 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 발명 역률제어기능을 갖는 소프트 스위치 단상 능동정류기의 일실시예 구성을 보인 블록도.
도 6은 본 발명을 적용한 스위칭 한 주기 동안의 스위칭 상태 및 전류 전압 파형을 보인 예시도.
***도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명***
100 : 단상 능동 정류부 200 : 소프트 스위칭부
300 : 입력전류 검출부 400 : 입력전압 검출부
500 : 출력전압 검출부 600 : 역률 제어부
S1,S2 : 스위치 DF1,DF2,Da: 역병렬 다이오드
CT : 전류 검출 소자 Sa : 보조 스위치
L : 인덕터 Lr : 공진 인덕터
Da1∼Da3 : 보조 다이오드 Cr : 공진 커패시터
이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명 역률제어기능을 갖는 소프트 스위치 단상 능동정류기의 구성은, 입력되는 상용 전원에서 특정 주파수 이상의 고주파 전류를 억제하는 인덕터와; 상기 인덕터를 통해 입력되는 상용 전원을 스위칭 동작에 의해 역률을 개선하여 정류하는 단상 능동 정류부와; 상기 단상 능동 정류부의 역률을 개선하기 위하여 소프트 스위칭동작을 행하여 손실을 줄이도록 한 소프트 스위칭부와; 상기 소프트 스위칭부에서 출력하는 전압을 필터링하여 부하로 공급하기 위한 필터용 커패시터와; 전류 검출소자에 의해 입력되는 상용 전원의 전류를 검출하는 입력전류 검출부와; 입력되는 상용 전원의 전압을 검출하는 입력전압 검출부와; 상기 부하 동작시 발생하는 출력전압을 검출하는 출력전압 검출부와; 상기 전류 및 입력,출력 전압 검출부를 통해 검출한 전류 및 전압값을 이용하여 역률 제어를 위한 스위칭신호를 상기 단상 능동 정류부와 소프트 스위칭부의 스위치를 각각 제어하는 역률 제어부로 구성함을 특징으로 한다.
상기 소프트 스위칭부는 애노드를 단상 능동 정류부에 연결한 제1,2 보조 다이오드의 캐소드를 공통으로 각각 공진 인덕터와 공진 커패시터의 일측에 연결하고, 상기 공진 인덕터의 타측을 캐소드를 필터용 커패시터에 연결한 제3 보조 다이오드의 애노드 및 역병렬 다이오드를 병렬로 연결한 스위치의 일측에 연결하며, 상기 공진 커패시터의 타측을 상기 스위치의 타측에 연결하여 구성한 것을 특징으로 한다.
이하, 본 발명에 따른 일실시예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 5는 본 발명 역률제어기능을 갖는 소프트 스위치 단상 능동정류기의 일실시예 구성을 보인 블록도로서, 이에 도시한 바와 같이 입력되는 상용 전원에서 특정 주파수 이상의 고주파 전류를 억제하는 인덕터(L)와; 상기 인덕터(L)를 통해 입력되는 상용 전원을 스위칭 동작에 의해 역률을 개선하여 정류하는 단상 능동 정류부(100)와; 상기 단상 능동 정류부(100)의 역률을 개선하기 위하여 소프트 스위칭동작을 행하여 손실을 줄이도록 한 소프트 스위칭부(200)와; 상기 소프트 스위칭부(200)에서 출력하는 전압을 필터링하여 부하로 공급하기 위한 필터용 커패시터(CO)와; 전류 검출소자(CT)에 의해 입력되는 상용 전원의 전류를 검출하는 입력전류 검출부(300)와; 입력되는 상용 전원의 전압을 검출하는 입력전압 검출부(400)와; 상기 부하 동작 시 발생하는 출력전압을 검출하는 출력전압 검출부(500)와; 상기 전류 및 입력,출력 전압 검출부(400)(500)를 통해 검출한 전류 및 전압값을 이용하여 역률 제어를 위한 스위칭신호를 상기 단상 능동 정류부(100)와 소프트 스위칭부(200)의 스위치를 각각 제어하는 역률 제어부(600)로 구성하며, 특히 상기 소프트 스위칭부(200)는 애노드를 상기 단상 능동 정류부(100)에 연결한 제1,2 보조 다이오드(Da1)(Da2)의 캐소드를 공통으로 각각 공진 인덕터(Lr)와 공진 커패시터(Cr)의 일측에 연결하고, 상기 공진 인덕터(Lr)의 타측을 캐소드를 상기 필터용 커패시터(CO)에 연결한 제3 보조 다이오드(Da3)의 애노드 및 역병렬 다이오드(Da)를 병렬로 연결한 보조 스위치(Sa)의 일측에 연결하며, 상기 공진 커패시터(Cr)의 타측을 상기 보조 스위치(Sa)의 타측에 연결하여 구성한다.
이와 같이 구성한 본 발명에 따른 일실시예의 동작 과정 및 작용 효과를 설명하면 다음과 같다.
도 5에서 입력전원이 양의 값을 가질 경우, 단상 능동 정류부(100)의 두 스위치(S1)(S2)를 동시에 온(ON)시켜 주면 전류의 경로는 입력전원 → 인덕터(L) → 스위치(S1) → 역병렬 다이오드(D) → 전류 검출소자(이하, "CT"라 함)이고, 이 경우에 입력전압이 상기 인덕터(L)에 걸려 이 인덕터(L)의 전류(IL)는 도 5에 도시한 화살표 방향으로 선형적으로 증가한다. 상기 두 스위치(S1)(S2)를 동시에 오프(OFF)시키면 전류의 경로는 입력전원 → 인덕터(L) - 다이오드(D1) → 필터용 커패시터(CO) → 역병렬 다이오드(D) → CT이고, 이 경우 상기 인덕터(L)의 양단에는 상기 두 스위치의 온(ON) 시와는 반대방향으로 출력전압(VO) - 입력전압이 걸리며, 상기 인덕터(L)의 전류(IL)는 화살표 방향으로 선형적으로 감소한다. 만약 스위칭주파수가 고정되어 있고 스위치의 온 시간을 제어하면 상기에서 설명한 동작들이 20KHz 이상의 높은 주파수로 동작을 하여 상기 인덕터(L)에 흐르는 전류(IL)가 입력전원과 동상으로 입력전원의 싸인파 모양을 추종하도록 역률 제어부(600)에서 각 스위치를 제어한다.
입력전원이 음의 값을 가지는 경우에는 전류(IL)의 경로만 바뀌고, 동작은 양의 값을 가지는 경우와 동일하다. 즉 스위치 온 시 경로는 입력전원 → CT → 스위치(S2) → 역병렬 다이오드(DF1) → 인덕터(L)이고, 스위치 오프 시 경로는 입력전원 → CT → 다이오드(D2) → 필터용 커패시터(CO) → 역병렬 다이오드(DF1) → 인덕터(L)이다.
상기 단상 능동 정류부(100)에서 출력한 전류는 소프트 스위칭부(200)로 입력되는데, 도 6을 참조하여 설명하면 다음과 같다.
도 6은 본 발명을 적용한 스위칭 한 주기 동안의 스위칭 상태 및 전류 전압 파형을 보인 예시도로서, 이에 도시한 바와 같이 먼저 각 소자가 이상적이라고 가정하면 초기 상태는 입력전원이 양의 값을 가질 경우 두 스위치(S1)(S2)가 오프되어 있고, 다이오드(D1)를 통해서 인덕터(L)의 전류(IL)를 필터용 커패시터(CO)와 부하(12)로 공급하는 상태가 된다. 역률 제어부(600)의 제어신호에 의해 상기 두 스위치(S1)(S2)를 온시키려면 이에 앞서서 보조 스위치(Sa)를 t0에서 먼저 온시킨다. 그러면 공진 인덕터(Lr)에는 출력전압(VO)이 걸리고, 전류(iLr)가 선형적으로 증가한다. 이 전류(iLr)가 인덕터(L)의 전류(IL)와 같아지면 다이오드(D1)의 전류(ID1)가 '0'이 되며, 공진 커패시터(Cr)와 공진 커패시터(Cr) → 공진 인덕터(Lr) → 보조 스위치(Sa)의 경로로 공진을 해서 스위치(S1)의 전압이 '0'으로 떨어진다. 이때 상기 다이오드(D1)의 전압은 '0'에서 출력전압(VO)까지 상승한다. t2부터는 공진 인덕터 전류(iLr)가 역병렬 다이오드(DF1) → 제1 보조 다이오드(Da1) → 공진 인덕터(Lr) → 보조 스위치(Sa)의 경로로 일정시간 환류(Free-wheeling)한다(t1∼t2). 상기 두 스위치(S1)(S2)의 전압이 모두 영전압이고, 영전류인 t3에서 보조 스위치(Sa)가 오프되며, 상기 두 스위치(S1)(S2)가 동시에 온되므로써, 영전압 및 영전류 스위칭이 되어 스위칭 손실이 거의 없다. 이때 공진 인덕터 전류(iLr)는 선형적으로 감소하는데, 이 전류(iLr)가 인덕터(L)의 전류(IL)와 같아지면 상기 스위치(S1)의 전류가 상승하기 시작한다(t2∼t3). 스위치(S1)의 전류가 인덕터(L)의 전류(IL)와 같아지면 공진 인덕터 전류(iLr)는 '0'이 되고, 상기 두 스위치(S1)(S2)의 온동작은 끝난다(t4∼t5). 이후 다시 상기 역률 제어부(600)에 의해서 상기 두 스위치(S1)(S2)를 오프시키면, 인덕터(L) → 제1 보조 다이오드(Da1) → 공진 커패시터(Cr)→ 역병렬 다이오드(DF2) → CT의 경로로 공진 커패시터(Cr)의 전압인 스위치(S1)의 전압이 출력전압(VO)까지 상승하고, 다이오드(D1)의 전압은 '0'으로 떨어진다. 이때도 상기 스위치(S1)는 영전압에서 오프되어 손실이 거의 없어진다(t6). 상기 스위치(S1)의 전압이 출력전압(VO)과 같아지면 상기 다이오드(D1)가 도통하여 인덕터(L)의 전류(IL)를 부하(12)로 전해준다. 이후 상기 역률 제어부(600)에서 다시 두 스위치(S1)(S2)를 온시키라는 신호가 나오기 전까지는 이 상태가 유지되어 한 주기가 끝난다(t6∼t7). 이와 같이 본 발명은 각 스위칭 시 항상 소프트 스위칭을 하여 손실을 최소화한다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명 역률제어기능을 갖는 소프트 스위치 단상 능동정류기는 스위치 및 다이오드의 스위칭 손실을 최소로 하기 위하여 영전압 또는 영전류의 조건에서 스위칭할 수 있도록 하는 스위칭 제어신호를 승압형 컨버터로 공급하여 스위칭시 다이오드의 역회복 특성으로 인한 손실을 거의 영으로 줄이고, 이 스위칭 손실을 방열시켜 주기 위한 큰 방열판의 사용 및 큰 풍량의 팬을 제거할 수 있도록 하여 전체 시스템을 콤팩트하게 구성할 수 있도록 한 효과가 있다.

Claims (2)

  1. 입력되는 상용 전원에서 특정 주파수 이상의 고주파 전류를 억제하는 인덕터와; 상기 인덕터를 통해 입력되는 상용 전원을 스위칭 동작에 의해 역률을 개선하여 정류하는 단상 능동 정류부와; 상기 단상 능동 정류부의 역률을 개선하기 위하여 소프트 스위칭동작을 행하여 손실을 줄이도록 한 소프트 스위칭부와; 상기 소프트 스위칭부에서 출력하는 전압을 필터링하여 부하로 공급하기 위한 필터용 커패시터와; 전류 검출소자에 의해 입력되는 상용 전원의 전류를 검출하는 입력전류 검출부와; 입력되는 상용 전원의 전압을 검출하는 입력전압 검출부와; 상기 부하 동작시 발생하는 출력전압을 검출하는 출력전압 검출부와; 상기 전류 및 입력,출력 전압 검출부를 통해 검출한 전류 및 전압값을 이용하여 역률 제어를 위한 스위칭신호를 상기 단상 능동 정류부와 소프트 스위칭부의 스위치를 각각 제어하는 역률 제어부로 구성함을 특징으로 하는 역률제어기능을 갖는 소프트 스위치 단상 능동정류기.
  2. 제1항에 있어서, 상기 소프트 스위칭부는 애노드를 단상 능동 정류부에 연결한 제1,2 보조 다이오드의 캐소드를 공통으로 각각 공진 인덕터와 공진 커패시터의 일측에 연결하고, 상기 공진 인덕터의 타측을 캐소드를 필터용 커패시터에 연결한 제3 보조 다이오드의 애노드 및 역병렬 다이오드를 병렬로 연결한 스위치의 일측에 연결하며, 상기 공진 커패시터의 타측을 상기 스위치의 타측에 연결하여 구성한 것을 특징으로 하는 역률제어기능을 갖는 소프트 스위치 단상 능동정류기.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR20150066379A (ko) * 2013-12-06 2015-06-16 국민대학교산학협력단 3상 강압 공진형 능동정류기
US10547249B2 (en) 2016-10-28 2020-01-28 Samsung Electro-Mechanics Co., Ltd. Bridge circuit and rectifier including the same

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