KR20030050545A - 역률 개선 회로 - Google Patents

Abstract

본 발명은 역률 개선 회로에 관한 것으로, 교류전원(V_in)에 직렬로 부스트 인덕터(L_b)를 접속하고, 이 교류전원(V_in)과 부스트 인덕터(L_b)에는 병렬로 복수개의 다이오드(D₁)(D₂)를 접속하고, 상기 다이오드(D₁)(D₂)와 부스트 인덕터(L_b)의 사이에는 각각 스위칭 소자(SW₁)(SW₂)와 역병렬 다이오드쌍을 직렬연결한 것을 특징으로 하는 역률 개선 회로를 제공함으로써, 정류용 브리지 다이오드를 제거하고 부스트 컨버터회로와 직렬 공진 인버터회로에서 각각 독립적으로 사용되는 스위칭 소자를 단일 스위칭 소자로 대체할 수 있도록 하여 역률이 개선되도록 한 것이다.

Description

역률 개선 회로{Circuit of power factor correction}

본 발명은 역률 개선 회로에 관한 것으로, 보다 상세하게는 정류용 브리지 다이오드를 제거하고 부스트 컨버터회로와 직렬 공진 인버터회로에서 각각 독립적으로 사용되는 스위칭 소자를 단일 스위칭 소자로 대체할 수 있도록 함으로써, 회로구성이 간단하고 제어가 용이하도록 하는 역률 개선 회로에 관한 것이다.

일반적으로 전자안정기(Electronic ballast)나 전력공급기(Switching Mode Power Supply, Uninterrupt Power Supply)등은 교류전원을 정류기를 이용하여 직류 전원으로 변환하여 사용하고 있으며, 이러한 정류기를 사용하는 기기들은 일반적으로 역률을 개선하기 위한 부스트 컨버터와 인버터를 구비하고 있으며, 그 예를 하기에서 전자안정기를 통해서 살펴본다.

도 1은 종래의 전자 안정기의 회로도로써, 종래의 전자 안정기는 입력되는 교류전원을 직류 전원으로 변환하는 브리지 다이오드(BD)와, 이 브리지 다이오드(BD)로부터 출력되는 직류 전류의 역률을 개선하기 위한 부스트 컨버터회로와 전원 분할용 커패시터를 갖는 LCC형 직렬공진 고주파공진 인버터회로로 구성된다.

한편, 상기한 구성에서 부스트 컨버터 회로는 브리지 다이오드(BD)에 직렬 연결된 부스트 인덕터(L_b)와, 이 부스트 인덕터(L_b)와 브리지 다이오드(BD)에 병렬 접속된 부스트 스위칭 소자(SW_b)와, 상기 부스트 스위칭 소자(SW_b)에 병렬 접속된 다이오드(D_b)와 콘덴서(C₁)(C₂)로 구성된다.

그리고, LCC형 직렬공진 고주파공진 인버터회로는 서로 직렬 연결되어 상기 부스트 컨버터 회로를 구성하는 다이오드(D_b)와 부스트 스위칭 소자(SW_b)에 병렬로 접속된 복수개의 스위칭 소자(SW₁)(SW₂)와 역병렬 다이오드쌍으로 구성되는 하프브리지 인버터와, 쵸크코일(L_r)과 램프(Lamp) 및 콘덴서(C₁)(C₂)로 이루어진 직렬 공진회로로 구성된다.

이와 같이 구성된 종래의 형광 램프용 전자 안정기는 브리지 다이오드(BD)를 통과한 전원이 부스트 컨버터 회로를 거쳐 승압된 후, 하프브리지 인버터에서 고주파수의 교류전압으로 변환된 후 직렬 공진회로로 공급되며, 이때 램프(Lamp)의 양단에 설치된 콘덴서(C_r)에 의해 발생된 높은 시동전압으로 램프(Lamp)가 방전하게 되는 것이다.

그러나, 상기한 바와 같은 종래의 전자 안정기는 브리지 다이오드(BD)를 사용하기 때문에 항상 4개의 반도체 소자를 통해서 전류가 흐르게 되어 상시 도통손실 및 전압강하가 큰 문제점이 있었고, 부스트 컨버터 회로가 동작할 때는 항상 스위칭소자 SW_b에 의해서 동작하기 때문에 스위칭소자에서의 발열에 의한 손실이 발생되는 문제점이 있었다.

상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 정류용 브리지 다이오드를 제거하고 부스트 컨버터회로와 직렬 공진 인버터회로에서 각각 독립적으로 사용되는 부스트 스위칭 소자를 단일 스위칭소자로 대체할 수 있도록 하기 위하여, 교류전원에 직렬로 부스트 인덕터를 접속하고, 이 교류전원과 부스트 인덕터에는 복수개의 다이오드를 각각 병렬로 접속하고, 상기 다이오드와 부스트 인덕터의 사이에는 각각 스위칭 소자와 역병렬 다이오드쌍을 직렬연결함으로써, 회로구성이 간단하고 제어가 용이하도록 하는 역률 개선 회로를 제공하는 데 있다.

도 1은 종래의 전자 안정기 회로도

도 2는 본 발명에 따른 역률 개선 회로를 구비한 전자 안정기 회로도

도 3a및 도 3b에 나타내는 도 2의 복수개 등가회로

도 4는 각 동작모드에서의 스위칭소자의 전압, 부스트 전류 및 부하 전류의 신호 파형을 나타내는 도면

도 5a내지 도 5e는 각 동작모드에 따른 회로동작을 나타내는 회로도

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징은 교류전원에 직렬로 부스트 인덕터를 접속하고, 이 교류전원과 부스트 인덕터에는 복수개의 다이오드를 각각 병렬로 접속하고, 상기 다이오드와 부스트 인덕터의 사이에는 각각 스위칭 소자와 역병렬 다이오드쌍을 직렬 연결한 역률 개선 회로를 제공하는 것으로, 복수개의 다이오드를 통해서 전력이 공급되도록 함과 아울러, 하나의 스위칭 소자를 부스트 컨버터회로와 인버터회로에 동시에 사용할 수 있도록 한 것이다.

한편, 상기한 구성에서 스위칭소자는 파워트랜지스터, 모스펫(MOSFET), IGBT, GTO, MCT, IGCT, SIT, IPM, JFET, FCT, SIT, SITH 중에서 택일하여 사용할 수 있다.

그리고 상기 역병렬 다이오드와 스위칭소자는 복수개가 일체로 패키지화된것 즉, 스위칭소자에 역병렬 다이오드가 내장된 것을 사용할 수 있으며, 그 예로써는 IGBT, 모스펫(MOSFET)등이 있다.

이와 같이 구성된 본 발명의 실시 예를 하기에서 첨부한 도면을 참조하여 살펴보되, 하기에서는 전자식 안정기를 사용하며, 정상상태에서의 회로해석을 위하여 다음과 같은 몇 가지 가정을 한다.

우선, 모든 소자들은 이상적인 것으로 가정하며, 스위칭소자(SW₁, SW₂)는 듀티비 50%로 동작하며 고정된 주파수로 하고, 커패시터(C₁, C₂)는 전압원으로 고려할 정도로 충분히 큰 용량을 가진것으로 하며, 정상상태에서 램프는 저항부하로 한다.

도 2는 본 발명에 따른 역률 개선 회로를 구비한 단일처리단 전자식 안정기를 나타내는 회로도이다.

상기 전자식 안정기는 교류전원(V_in)에 직렬로 부스트 인덕터(L_b)를 접속하고, 이 교류전원(V_in)과 부스트 인덕터(L_b)에는 복수개의 다이오드(D₁)(D₂)를 각각 병렬로 접속하고, 상기 다이오드(D₁)(D₂)와 부스트 인덕터(L_b)의 사이에는 각각 스위칭 소자(SW₁)(SW₂)와 역병렬 다이오드쌍을 직렬연결하며, 상기 복수개의 스위칭 소자(SW₁)(SW₂)와 다이오드의 역병렬 접속쌍에는 콘덴서(C₁)(C₂)와 쵸크코일(L_r) 및 램프(Lamp)로 구성되는 공진회로를 접속한 것이다.

이와 같이 구성된 전자식 안정기는 도 3a및 도 3b에 나타내는 복수개의 등가로 주어지는 2개의 독립된 컨버터로 볼 수 있으며, 도 3a는 전원 전압의 정(+), 부(-) 파형에 따라 각각 2개의 모드로 동작하는 부스트 컨버터 회로이고, 도 3b는 4개의 모드로 동작하는 LCC형 고주파 공진 인버터로써, 본 발명에 따른 회로는 부스트 컨버터회로가 불연속 모드로 동작하게 되어 정(+), 부(-)의 전원 전압에 대하여 각각 5개의 동작모드를 이루게 되며, 도 4는 각 동작모드에서의 스위칭소자의 전압(SW₁)(SW₂), 부스트 전류(I_b) 및 부하 전류(I_L)의 신호 파형을 나타내고 있다.

또한, 표 1은 도 2의 전자식 안정기 주회로의 스위칭소자 온/오프에 따른 동작모드를 보여주고 있으며, 상기 동작모드에 따른 회로동작을 하기에서 도 5a내지 도 5e를 참조하여 살펴보되, 모드 6 ~ 모드 10의 동작은 모드 1 ~모드 5의 동작으로 해당업자라면 충분히 이해할 수 있는 부분이므로 그 상세한 설명은 생략한다.

우선, 모드 1에서는 도 5a의 굵은 실선으로 나타내는 바와 같이 스위칭소자 SW₁이 동작함에 따라 부스트 인덕터 L_b, 다이오드 D₁을 통해서 흐르는 전류가 영(zero)에서 선형적으로 증가하고, 부하전류는 쵸크코일 L_r에 축적된 에너지에 의해서 스위칭소자 SW₁의 역병렬 다이오드를 통해서 흘러 커패시터 C₁으로 회생하게 된다.

그리고, 모드 2에서는 도 5b의 굵은 실선으로 나타내는 바와 같이 부스트 인덕터 L_b의 전류는 계속 선형적으로 증가하고, 부하전류는 커패시터 C₁에 의해서 스위칭소자 SW₁을 통해서 흐르게 된다.

모드 3에서는 도 5c의 굵은 실선으로 나타내는 바와 같이 스위칭소자 SW₁이 턴-오프되고, 스위칭소자 SW₂가 턴-온됨에 따라 부스트 인덕터 L_b에 흐르는 전류는 부스트 인덕터 L_b에 축적된 에너지에 의해서 스위칭소자 SW₂의 역병렬 다이오드를 통해서 직선적으로 감소되면서 커패시터 C₁, C₂로 에너지를 축적하며, 부하전류는 스위칭소자 SW₂의 역병렬 다이오드를 통해서 흘러 쵸크코일(L_r)에 축적된 에너지를 커패시터 C₁, C₂로 회생하게 된다.

모드 4에서는 도 5d의 굵은 실선으로 나타내는 바와 같이 부스트 인덕터 L_b에 흐르는 전류는 커패시터 C₁, C₂및 스위칭소자 SW₂의 역병렬 다이오드를 통해서 직선적으로 감소하여 완전히 영(zero)이 된다. 한편, 부하전류는 커패시터 C₂에 의해서 스위칭소자 SW₂를 통해서 흐르게 된다.

모드 5에서는 도 5e의 굵은 실선으로 나타내는 바와 같이 부스트 인덕터 L_b의 전류가 완전히 영(zero)이 됨으로 불연속 모드를 형성하게 되고, 부하전류는 스위칭소자 SW₂를 통해서 계속 흐르게 된다.

이상에서 알 수 있는 바와 같이 본 발명에 따른 역률 개선 회로를 적용하면, 정/부의 반주기 동안 각각 하나의 스위칭소자 SW₁(또는 SW₂)를 동작시킴으로 단일 전력처리단으로 구성이 가능하게 됨과 아울러 스위칭소자 SW₁(또는 SW₂)에서의 발열에 의한 손실을 줄일 수 있게 되고, 불연속 모드로 동작하는 부스트 컨버터에 의해서 역률을 개선할 수 있으며, 2개의 다이오드(D₁, D₂)를 통해서 전류가 흐름으로 상시 도통손실 및 전압강하를 줄일 수 있다.

또한, 상기 스위칭소자 SW₁(또는 SW₂)는 턴-온시 영전류 스위칭(ZCS : Zero Current Switching)을 하기 때문에 스위칭 손실을 줄일 수 있으며, 다이오드의 역회복 특성에 따른 손실도 저감됨으로 값싼 저주파 다이오드의 사용이 가능게 되는 것이다.

그리고, 상기한 바와 같이 구성된 역률 개선 회로는 상기한 전자안정기 외에도 전력공급기 등의 부스트 컨버터와 인버터를 구비한 어떠한 전자부품에도 사용할 수 있다.

따라서, 본 발명에 의하면 종래의 2단계 전력처리단을 갖는 안정기의 각 단에서 각각 동작하던 스위칭 소자쌍을 하나의 스위칭 소자로 합병하여 동작시키는 구조를 가짐으로 단일 전력처리단으로 구성이 가능하게 되며, 불연속 모드로 동작하는 부스트 컨버터에 의해서 역률을 개선할 수 있다.

또한, 정류용 브리지 다이오드를 제거함으로 기존의 안정기에서는 항상 4개의 반도체 소자를 통해서 전류가 흐르게 되지만, 본 발명에 따른 회로에서는 2개의 소자를 통해서 흐름으로 상시 도통손실 및 전압강하를 줄일 수 있다.

그리고, 본 발명에 의하면 복수개의 스위칭 소자가 정(+)/부(-)의 전원전압반주기동안 각각 동작함으로 스위칭 소자에서의 발열에 의한 손실을 줄일 수 있다.

또한, 본 발명의 역률 개선 회로에서는 영전류 스위칭이 가능하기 때문에 스위칭 손실을 줄일 수 있으며, 다이오드의 역회복 특성에 따른 손실도 저감됨으로 값싼 저주파 다이오드의 사용이 가능하게 되는 효과가 있다.

Claims (2)

1. 역률 개선 회로에 있어서,

   교류전원(V_in)에 직렬로 부스트 인덕터(L_b)를 접속하고, 이 교류전원(V_in)과 부스트 인덕터(L_b)에는 병렬로 복수개의 다이오드(D₁)(D₂)를 접속하고, 상기 다이오드(D₁)(D₂)와 부스트 인덕터(L_b)의 사이에는 각각 스위칭소자(SW₁)(SW₂)와 역병렬 다이오드쌍을 직렬연결한 것을 특징으로 하는 역률 개선 회로.
2. 제 1항에 있어서, 상기한 스위칭소자(SW₁)(SW₂)는 파워트랜지스터, MOSFET, IGBT, GTO, MCT, IGCT, SIT, IPM, JFET, FCT, SIT, SITH 중에서 택일하여 사용하는 것을 특징으로 하는 역률 개선 회로.