KR20020045442A - 역률 보상 회로 - Google Patents

Abstract

본 발명은 펄스폭변조 기능을 갖는 역률보상 회로에 관한 것으로 특히, 입력 교류전원을 전파 정류하는 브리지 다이오드로 이루어진 정류부와, 정류부를 통해 정류되어진 교류전원을 평활하는 평활부와, 입력 제어신호에 의해 온/오프 동작하며 온동작시 에너지를 인덕터에 저장시키고 오프동작시 후단에 구비되어 있는 DC-DC 컨버터측으로 전달하는 스위칭부와, 스위칭부의 출력전압에 의해 충전되며 이를 통해 상기 DC-DC 컨버터측으로 전달되는 전압을 평활하는 콘덴서와, 정류부에 인가되는 교류전원을 반파 정류하는 반파 정류부와, 반파 정류부에서 정류되어진 전압과 콘덴서에 충전되는 전압을 입력받아 비교하여 스위칭부의 온/오프 동작을 제어하는 펄스폭 변조 신호 발생수단, 및 평활부에 걸리는 정류부에서 출력전압을 소스전압으로 하여 펄스폭 변조 신호 발생수단의 구동전압을 공급하는 보조전원 공급부를 포함하는 것을 특징으로 한다. 본 발명에 의하면, 교류전원이 차단되면 매우 빠른 시간 이내에 보조전원의 공급이 차단되어 PWM IC에서 주전원의 스위칭 동작을 제어하는 스위칭 소자에 풀 듀티의 신호가 인가되지 않음으로써 상기 교류전원의 원상복귀에 따른 스위칭 소자의 파손을 방지할 수 있다.

Description

역률 보상 회로 { Power factor compensation circuit }

본 발명은 부스트(Boost) 방식에 따른 스위칭 모드 전원 공급장치에서의 역률 보상회로에 관한 것으로 특히, 상용 교류전원의 입력이 오프된 이후 일정시간 이내에 온동작되면 해당 순간에 주 전원 스위칭 동작을 위한 스위칭 소자의 손상을방지하기 위한 역률 보상 회로에 관한 것이다.

일반적으로, 전자 통신 기기 혹은 컴퓨터시스템 및 대용량 전자기기의 경우에는 사용교류전원을 입력받아 직류전원으로 변환한 후 이를 스위칭 수단을 사용하여 동일전력의 직류전원으로 재 변환하는 스위칭 모드 전원 공급장치가 만이 사용되고 있다.

이때, 스위칭 모드 전원 공급장치는 필연적으로 스위칭 노이즈가 발생되므로 근래 들어 주시되고 있는 전자파 환경 공해의 주범으로 인식되고 있지만, 저전력 소모형 전자 기기에서는 발생되는 전자파 즉, 스위칭 노이즈가 큰 문제로 부각되지 않지만 고출력의 경우 전자파 환경 공해가 심각하다고 할 수 있다.

따라서, 근래 들어 유럽 및 일본 등지에서는 현재 전원 공급장치에서 발생되는 고조파 노이즈를 제거하기 위해서 IEC 1000-3-2 규격을 제정하여 의무적으로 입력소비전력 75와트(WATT) 이상 급의 스위칭 모드 전원 공급장치는 전력계수 집적 방식을 적용 받도록 하고 있다.

이와 같이 규제를 강화하는 이유는 근래 들어 주시되고 있는 전자파 환경 공해를 억제하여 자국민의 건강을 돌보기 위한 행정처분으로써 전자파 공해 관련 규제는 점차 확대되어질 전망이다.

그러나, 첨부한 도 1에 도시되어 있는 바와 같이 PWM 부스트 업 IC를 사용하여 스위칭 모드 전원 공급장치를 전력계수 집적 방식으로 설계하는 경우가 대부분인데, 첨부한 도 1에 도시되어 있는 종래 기술에 의한 역률보상 회로의 구성을 살펴보면 다음과 같다.

첨부한 도 1에 도시되어 있는 종래 기술에 의한 역률 보상 회로는, 입력되는 교류전원(AC)을 전파 정류하는 브리지 다이오드로 이루어진 정류부(BD)와, 상기 정류부(BD)를 통해 정류되어진 교류전원을 평활하는 필름형 커패시터(C1)와, 입력되는 제어신호에 의해 온/오프 동작하며 온동작시 인덕터(L1)에 에너지를 저장시키고 오프동작시 후단에 구비되어 있는 DC-DC 컨버터측으로 전달하는 NMOSFET(Q1)와, 상기 NMOSFET(Q1)의 출력전압에 의해 충전되며 이를 통해 상기 DC-DC 컨버터측으로 전달되는 전압을 평활하는 커패시터(C3)와, 캐소드 단자가 공통 연결되어 병렬 연결되어진 두 개의 다이오드로 이루어져 상기 정류부(BD)에 인가되는 교류전원을 반파 정류하는 반파 정류부(D1, D2), 및 상기 반파 정류부(D1, D2)에서 정류되어진 전압과 상기 커패시터(C3)에 충전되는 전압을 입력받아 비교하여 상기 NMOSFET(Q1)의 온/오프 동작을 제어하는 PWM IC(10)으로 구성되는 것이다.

또한, 상기 커패시터(C3)에 걸리는 전압을 보조전원 스위칭 및 제어부(20)에서 입력받아 전압변환을 통해 보조전원 출력부(21)를 통해 출력하고 이를 상기 PWM IC(10)에서는 구동전압으로 사용하고 있다.

상술한 도 1의 구성은 종래 기술의 동작을 설명하기 위한 대략적인 구성으로써, 그 세부적인 구성은 생략되었는데, 상기 PWM IC(10)는 입력되는 전압의 크기와 출력전압의 크기를 비교하여 그 크기의 변동분에 따라 상기 NMOSFET(Q1)의 게이트 단자에 걸어주는 펄스의 온/오프 주기를 변동시켜 출력전압의 크기를 유지시켜주는 기능을 수행하는 것이다.

이때, 상기 PWM IC(10)가 출력전압의 크기를 인식하기 위해 상기 참조번호C3으로 표현되어진 커패시터에 걸리는 전압을 입력받기 위한 회로가 필수적이지만, 이는 종래 기술의 문제점을 설명하는데 불필요한 부분이므로 도시하지 않았다.

상술한 바와 같이 구성되는 종래의 역률 보상 회로에서는 역률 보상 회로의 스위칭 주파수와 보조 전원의 스위칭 주파수에 의한 상호 간섭으로 발생되는 발진 현상을 방지하기 위해 보조 전원의 입력을 첨부한 도 1에서 참조번호 A로 표시되어 있는 출력전압 공급단에서 공급받도록 구성된 것이다.

이때, 정상 상태에서는 문제가 발생되지 않지만 전원 오프 동작시에는 보조전원 공급단인 포인트(A)에 걸리는 전압은 참조번호 C3으로 표시되는 커패시터의 잔류 전하에 크게 영향을 받게된다.

상기 커패시터(C3)는 그 용량이 상당히 큰 관계로 방전시간이 길고 그에 따라 입력 교류전원(AC)이 차단되어진 상황에서도 보조전원 공급단인 포인트(A)에 걸리는 전압은 보조전원의 동작 전압인 직류 7.5볼트(Voltage)이하로 방전될 때까지 보조전원이 동작하여 상기 PWM IC(10)에 필요한 전압을 공급하고 그에 따라 상기 PWM IC(10)이 지속적으로 동작하여 상기 NMOSFET(Q1)의 게이트 단자에 구동용 펄스를 걸어주게 된다.

이때, 상기 PWM IC(10)에서 상기 NMOSFET(Q1)의 게이트 단자에 걸어주는 펄스의 폭이 변화하여 어느 순간부터 일정시간동안 풀(Full) 듀티(duty)인 시간이 존재하게 되는데, 만약 이 순간에 차단되었던 교류전원(AC)이 다시 들어오는 경우 상기 NMOSFET(Q1)의 게이트 단자에 걸리는 전압이 풀(Full) 듀티(duty)상태인 관계로 상기 NMOSFET(Q1)의 드레인 단자와 소오스 단자간에 순간적인 쇼트(Short) 상태가발생되며 이로 인해 순간적인 쇼트 충격에 의한 상기 NMOSFET(Q1)의 손상이 발생되게 되는 문제점이 발생되었다.

상기와 같은 문제점을 해소하기 위한 본 발명의 목적은 부스트(Boost) 방식에 따른 스위칭 모드 전원 공급장치에서의 역률 보상회로에 관한 것으로 특히, 상용 교류전원의 입력이 오프된 이후 일정시간 이내에 온동작되면 해당 순간에 주 전원 스위칭 동작을 위한 스위칭 소자의 손상을 방지하기 위한 역률 보상 회로를 제공하는 데 있다.

도 1은 종래 기술에 따른 역률 보상 회로의 간략 구성 예시도

도 2는 본 발명에 따른 역률 보상 회로의 간략 구성 예시도

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

AC : 입력 교류전압 BD : 정류부

C1, C2, C3, C4 : 커패시터 Q1 : NMOSFET

10 : PWM IC R1, R2, R3 : 저항

D1, D2, D3 : 다이오드 20 : 보조전원 스위칭 및 제어부

21 : 보조전원 출력부

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징은, 펄스폭변조 기능을 갖는 역률보상 회로에 있어서, 입력되는 교류전원을 전파 정류하는 브리지 다이오드로 이루어진 정류부와, 상기 정류부를 통해 정류되어진 교류전원을 평활하는 평활부와, 입력되는 제어신호에 의해 온/오프 동작하며 온동작시 에너지를 인덕터에 저장시키고 오프동작시 후단에 구비되어 있는 DC-DC 컨버터측으로 전달하는 스위칭부와, 상기 스위칭부의 출력전압에 의해 충전되며 이를 통해 상기 DC-DC 컨버터측으로 전달되는 전압을 평활하는 콘덴서와, 상기 정류부에 인가되는 교류전원을 반파 정류하는 반파 정류부와, 상기 반파 정류부에서 정류되어진 전압과 상기 콘덴서에 충전되는 전압을 입력받아 비교하여 상기 스위칭부의 온/오프 동작을 제어하는 펄스폭 변조신호 발생수단, 및 상기 평활부에 걸리는 상기 정류부에서 출력전압을 소스전압으로 하여 상기 펄스폭 변조 신호 발생수단의 구동전압을 공급하는 보조전원 공급부를 포함하는데 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 부가적인 특징은, 상기 평활부에 걸리는 상기 정류부에서 출력전압을 애노드 단자에 입력받고 캐소드 단자로 출력하며 상기 캐소드 단자에 걸리는 전압이 상기 정류부에 역기전력이 걸리지 않도록 방지하는 다이오드와, 상기 다이오드의 캐소드 단자와 접지단 사이에 연결되어 상기 다이오드의 출력전압을 충전 평활하여 상기 보조전원 공급부로 공급하는 보조전원 공급용 캐패시터가 더 구비되는 데 있다.

본 발명의 상술한 목적과 여러 가지 장점은 이 기술 분야에 숙련된 사람들에 의해 첨부된 도면을 참조하여 후술되는 발명의 바람직한 실시 예로부터 더욱 명확하게 될 것이다.

우선, 본 발명에 적용된 기술적 사상을 간략히 살펴보기로 한다.

첨부한 도 1에 도시되어 있는 바와 같은 종래의 역률 보상 회로에서 상용 교류전원의 입력이 오프된 이후 일정시간 이내에 온동작되면 해당 순간에 주 전원 스위칭 동작을 위한 스위칭 소자의 손상되는 원인이 주전원의 출력단에서 보조전원의 소스를 입력받기 때문에 주전원의 출력단에 구비되어 있는 평활용 캐패시터의 용량성에 의한 전원 차폐가 정확하게 이루어지지 않기 때문이므로, 보조 전원의 소스 입력단자를 용량성 소자와 관계없는 부분에서 인가받도록 한다면 종래 기술에서의 문제점을 해소 할 수 있다는 점에 착안한 것이다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시 예를 설명한다.

첨부한 도 2는 본 발명에 따른 역률 보상 회로의 구성 예시도로서, 기본적인 구성은 종래 기술과 동일하다.

즉, 입력되는 교류전원(AC)을 전파 정류하는 브리지 다이오드로 이루어진 정류부(BD)와, 상기 정류부(BD)를 통해 정류되어진 교류전원을 평활하는 필름형 커패시터(C1)와, 입력되는 제어신호에 의해 온/오프 동작하며 온동작시 인덕터(L1)에 에너지를 저장시키고 오프동작시 후단에 구비되어 있는 DC-DC 컨버터측으로 전달하는 NMOSFET(Q1)와, 상기 NMOSFET(Q1)의 출력전압에 의해 충전되며 이를 통해 상기 DC-DC 컨버터측으로 전달되는 전압을 평활하는 커패시터(C3)와, 캐소드 단자가 공통 연결되어 병렬 연결되어진 두 개의 다이오드로 이루어져 상기 정류부(BD)에 인가되는 교류전원을 반파 정류하는 반파 정류부(D1, D2), 및 상기 반파 정류부(D1, D2)에서 정류되어진 전압과 상기 커패시터(C3)에 충전되는 전압을 입력받아 비교하여 상기 NMOSFET(Q1)의 온/오프 동작을 제어하는 PWM IC(10)으로 구성되는 것이다.

상기 구성은 종래의 구성과 동일한 구성이며, 본 발명의 필수 구성인 PWM IC(10) 구동전압 공급을 위한 보조 전원 공급부의 구성은 다음과 같다.

본 발명에서는 보조전원 공급을 위한 보조전원 스위칭 및 제어부(20)의 소스 전원으로 용량성이 적은 필름형 커패시터(C1)의 전압 충전단(참조번호 C)에 걸리는 전압을 애노드 단자에 입력받고 캐소드 단자로 출력하며 상기 캐소드 단자에 걸리는 전압이 상기 정류부에 역기전력이 걸리지 않도록 방지하는 제 3다이오드(D3)와,상기 제 3다이오드(D3)의 캐소드 단자와 접지단 사이에 연결되어 상기 제 3다이오드(D3)의 출력전압을 충전 평활하여 보조전원 스위칭 및 제어부(20)에 공급하는 제 4캐패시터(C4)가 구비되어 있으며, 상기 보조전원 스위칭 및 제어부(20)에서는 입력되는 상기 제 4캐패시터(C4)의 충전전압을 전압변환을 통해 보조전원 출력부(21)를 통해 출력하고 이를 상기 PWM IC(10)에서는 구동전압으로 사용하고 있다.

상기와 같이 구성되는 본 발명에 따른 역률 보상 회로에서는 참조번호 C로 지칭되는 포인트에서 보조 전원의 입력전압 소스를 사용하기 때문에, 입력 교류전원(AC)이 오프되면 곧바로 PWM IC(10)의 구동전원 공급단(B)의 전압이 접지전압으로 떨어지게 되어 상기 PWM IC(10)가 동작하지 않게 된다.

그 이유는 필름형 커패시터(C1)의 용량은 매우 적기 때문에 입력 교류전원(AC)이 오프되면 상기 필름형 커패시터(C1)에 충전되어 있던 전하는 빠르게 방출되어지고, 그에 따라 상기 제 3다이오드(D3)의 캐소드 단자와 접지단 사이에 연결되어 있는 저 용량성의 제 4캐패시터(C4)에 충전되어있던 전하들 역시 매우 빠르게 방전되게 됨으로써 상기 보조전원 스위칭 및 제어부(20)가 동작을 중지하게 된다.

통상적으로, 보조전원 소스 공급단(C)에 걸리는 전압은 입력 교류전원(AC)이 온 상태인 경우 입력 교류전원(AC)의 √2배에 해당하지만 전원이 차단되는 경우, 필름형 커패시터(C1)의 용량은 1μ정도이며, 제 4캐패시터(C4)의 용량은 10μ정도이기 때문에 충전되어 있는 전하는 매우 작은 양이기 때문에 전술한 바와 같이 빠르게 방전되는 것이다.

도시하지는 않았지만 첨부한 도 2에는 참조번호 C1으로 표시되는 필름형 커패시터와 참조번호 C3으로 표시되는 주전원 평활용 커패시터(C3)사이에 역기전력을 방지하는 차폐수단이 구비되어 있으므로 보조전원의 소스 공급단인 포인트(C)에 상기 고용량성 주전원 평활용 커패시터(C3)의 충전전압이 영향을 미치지 않는다.

이상의 설명에서 본 발명은 특정의 실시 예와 관련하여 도시 및 설명하였지만, 특허청구범위에 의해 나타난 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 개조 및 변화가 가능하다는 것을 당 업계에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구나 쉽게 알 수 있을 것이다.

상술한 바와 같이 동작하는 본 발명에 따른 역률 보상 회로를 제공하면 교류전원의 입력상태에 연동하여 보조전원의 공급이 이루어지기 때문에 즉, 교류전원이 차단되면 매우 빠른 시간 이내에 보조전원의 공급이 차단되므로 PWM IC에서 주전원의 스위칭 동작을 제어하는 스위칭 소자에 풀 듀티의 신호가 인가되지 않도록 함으로써 상기 교류전원의 원상복귀에 따른 스위칭 소자의 파손을 방지할 수 있다.

Claims (2)

1. 펄스폭변조 기능을 갖는 역률보상 회로에 있어서,

   입력되는 교류전원을 전파 정류하는 브리지 다이오드로 이루어진 정류부와;

   상기 정류부를 통해 정류되어진 교류전원을 평활하는 평활부와;

   입력되는 제어신호에 의해 온/오프 동작하며 온동작시 에너지를 인덕터에 저장시키고 오프동작시 후단에 구비되어 있는 DC-DC 컨버터측으로 전달하는 스위칭부와;

   상기 스위칭부의 출력전압에 의해 충전되며 이를 통해 상기 DC-DC 컨버터측으로 전달되는 전압을 평활하는 콘덴서와;

   상기 정류부에 인가되는 교류전원을 반파 정류하는 반파 정류부와;

   상기 반파 정류부에서 정류되어진 전압과 상기 콘덴서에 충전되는 전압을 입력받아 비교하여 상기 스위칭부의 온/오프 동작을 제어하는 펄스폭 변조 신호 발생수단; 및

   상기 평활부에 걸리는 상기 정류부에서 출력전압을 소스전압으로 하여 상기 펄스폭 변조 신호 발생수단의 구동전압을 공급하는 보조전원 공급부를 포함하는 것을 특징으로 하는 역률 보상 회로.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 평활부에 걸리는 상기 정류부에서 출력전압을 애노드 단자에 입력받고 캐소드 단자로 출력하며 상기 캐소드 단자에 걸리는 전압이 상기 정류부에 역기전력이 걸리지 않도록 방지하는 다이오드와,

   상기 다이오드의 캐소드 단자와 접지단 사이에 연결되어 상기 다이오드의 출력전압을 충전 평활하여 상기 보조전원 공급부로 공급하는 보조전원 공급용 캐패시터가 더 구비되는 것을 특징으로 하는 역률 보상 회로.