KR20030070273A - 역률보상 단일단 컨버터 - Google Patents

Abstract

본 발명은 역률을 개선한 단일단 컨버터에 관한 것이다. 본 발명에 따른 단일단 컨버터는, 브리지 다이오드부(bridge diodes), 전압평활 콘덴서, 변압기 회로부, 메인스위치 및 역률 개선부를 포함하여 구성되는데, 브리지 다이오드부는 역률 개선부에 전류 통로를 제공하고 전기 에너지를 전압평활 콘덴서로 전달하며, 전압평활 콘덴서는 브리지 다이오드부에서 전달되는 전기 에너지를 저장한다. 메인스위치는 변압기 회로부와 함께 플라이백형, 포워드형 또는 하프브리지형 컨버터로 응용 가능하게 구성된다. 역률 개선부는 LC필터를 포함하며 입력전원에 연결된 두 개의 다이오드를 포함하며 이 다이오드들의 공통연결점이 궤환인덕터와 다이오드를 통해 변압기 회로부의 변압기 일차권선의 소정 위치에 연결되어 입력전류를 입력전압의 변화에 따라 증감시킨다.

이로써, 본 발명에 따른 단일단 컨버터는 입력단의 역률을 개선시킬 수 있다.

Description

역률보상 단일단 컨버터{Single-stage converter compensating power factor}

본 발명은 역률보상 단일단 컨버터에 관한 것으로서, 더 상세하게는 입력전압을 다이오드와 궤환인덕터를 거쳐서 변압기 일차권선의 소정 위치에 연결하여 역률을 향상시킨 단일단 컨버터에 관한 것이다.

일반적으로 정류기는 교류를 입력받아 직류를 출력한다. 또한, DC-DC 컨버터는 직류를 교류로 변환하여 승압 또는 강압시킨 후 정류한다. 이와 같은 컨버터는 펄스폭 변조(PWM; Pulse-Width Modulation) 방식을 이용한다. 컨버터 종류로는 플라이백 컨버터(flyback converter), 포워드 컨버터(forward converter), 하프브리지 컨버터(half-bridge converter), 풀브리지 컨버터(full-bridge converter) 등이 있다.

최근의 전자장치는 직류전압의 리플(ripple)에 특성이 매우 민감하게 변화되므로, 출력 직류전압의 리플을 줄이기 위한 연구가 계속되고 있다. 출력 직류전압의 리플을 줄이기 위한 종래기술의 일실시예는 교류전원을 직류전원으로 변환할 때 콘덴서 입력형 정류방식을 사용한다. 콘덴서 입력형 정류방식은 입력단에 4개의 다이오드로 구성된 풀브리지 정류기 및 큰 정전용량(capacitance)을 가지는 콘덴서를 포함한다. 그런데, 정전용량이 큰 콘덴서를 이용하면 펄스형 충전전류 때문에 교류 입력단의 역률이 0.5~0.6 정도로 저하된다. 역률은 점차 더욱 규제에 들어가고 있는 실정이므로 역률의 저하는 바람직하지 않다.

종래기술에 의한 컨버터의 일실시예의 구성을 도 1a에 나타내 보였고, 종래기술에 의한 컨버터의 동작을 설명하기 위한 파형도를 도 1b에 나타내 보였다.

도 1a를 참조하면, 반사이클 동안에는 다이오드(,)가 도통되고, 대응되는 반사이클 동안에는 다이오드(,)가 도통되기 때문에 출력파형은 도 1b에 도시된 바와 같이 된다.

도 1b에 있어서, 출력전압이 상승되는 구간[0,]에서는 콘덴서()에 충전되는 전압()보다 공급되는 전압이 높기 때문에 충전전류가 흐른다. 반면에 출력전압이 하강되는 구간[,]에서는 콘덴서()는 방전되고, 전압 강하되는 구간의 시정수(time constant)는 부하() 및 콘덴서의 정전용량()의 곱에 해당된다.

상기와 같이 충전전류를 얻기 위한 구간[0,]은 방전구간[,] 보다 훨씬 짧다. 따라서, 도 1a에 도시된 컨버터는 출력전압의 리플을 줄이기 위하여 사용된 콘덴서의 충전전류 때문에 역률이 저하된다. 또한, 입력전압()이 콘덴서 양단의 전압보다 클 경우에만 입력전류가 흐르기 때문에 입력전류는 입력전압의 최대값 부근에서 펄스형으로 흐르게 되어 정현파 전류에 비해 많은 고조파 성분을 포함한다. 이러한 문제점을 해결하기 위하여 입력부분에 역률 개선부를 도입한다.

일반적으로 사용되는 불연속 전류 모드 승압형(boost) 컨버터의 경우에는 전원전류가 전원전압의 정현파 모양을 자연히 따르게 된다. 하지만, 역률 개선부의 출력전압이 입력전압의 최대치보다 훨씬 커야 역률이 개선된다. 그런데, 역률 개선부의 출력전압이 커지면 반도체 소자들에 인가되는 전압들도 커지므로 이러한 전압 스트레스(stress)를 견디기 위하여 정격 전압이 큰 반도체 스위치를 사용해야 한다. 반면에, 정격전압이 큰 반도체 스위치는 도통저항 역시 커지므로 도통손실이커지며 이에 따라 전체 시스템의 효율이 저하되는 단점을 가진다. 따라서, 반도체 소자의 도통손실을 줄이면서 입력단의 역률을 개선하여 시스템 전체의 효율을 개선할 수 있는 컨버터의 개발이 절실히 요구되고 있다.

따라서, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 입력전압을 다이오드와 궤환인덕터를 거쳐서 변압기 일차권선의 소정 위치에 연결하여, 역률을 개선할 수 있도록 한 역률보상 컨버터를 제공하는데 그 목적이 있다.

도 1a는 종래기술에 의한 컨버터의 일실시예의 개략적인 구성도이다.

도 1b는 도 1a의 컨버터의 동작을 설명하기 위한 파형도이다.

도 2는 본 발명에 의한 역률보상 단일단 컨버터의 블록 구성도이다.

도 3은 본 발명에 의한 역률보상 단일단 컨버터의 회로 구성도이다.

도 4는 도 3에 도시된 단일단 컨버터의 각 부분의 동작을 설명하기 위한 파형도이다.

도 5는 도 3에 도시된 단일단 컨버터의 실험 파형도이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

200...단일단 컨버터

210...역률 개선부

220...브리지 다이오드부

230...변압기 회로부

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 역률보상 단일단 컨버터는, 소정의 입력전원에 연결되는 역률개선부와; 상기 역률개선부의 후단에 배치되어 상기 역률개선부의 전류통로를 제공하는 브리지 다이오드부와; 상기 브리지 다이오드부를 경유한 전기 에너지를 저장하는 전압평활 콘덴서와; 상기 브리지 다이오드부와 전압평활 콘덴서 사이에 개재되는 변압기 회로부; 및 상기 브리지 다이오드부와 전압평활 콘덴서 및 변압기 회로부 각각에 연결되어 상기 변압기 회로부에의 전압 인가를 제어하는 메인스위치를 포함하고,

상기 역률개선부는 상기 입력전원에 연결된 두개의 다이오드와, 그 일단은 상기 두 다이오드의 공통접점에 연결되고 그 타단은 소정의 궤환 다이오드를 통해 상기 변압기 회로부의 변압기 일차권선의 소정 부위에 연결되는 궤환인덕터를 구비하여 이루어지는 점에 그 특징이 있다.

본 발명의 바람직한 실시예에 있어서, 상기 역률개선부는 LC필터를 포함한다.

본 발명의 바람직한 실시예에 있어서, 상기 브리지 다이오드부는 풀브리지 형태로 연결된 네 개의 다이오드를 구비한다.

본 발명의 바람직한 실시예에 있어서, 상기 메인스위치와 변압기 회로부는 플라이백 컨버터 또는 포워드 컨버터 또는 하프브리지형 컨버터로 이용가능하도록 구성된다.

이하, 첨부한 도면을 참조하면서 본 발명에 따른 역률보상 단일단 컨버터의 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지기술 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략할 것이다. 그리고, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.

도 2는 본 발명에 의한 역률보상 단일단 컨버터의 블록 구성도이고, 도 3은 본 발명에 의한 역률보상 단일단 컨버터의 상세 회로 구성도이다. 도 4는 도 3에 도시된 단일단 컨버터의 각 부분의 동작을 설명하기 위한 파형도이고, 도 5는 도 3에 도시된 단일단 컨버터의 실험 파형도이다.

도 2 및 도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 역률보상 단일단 컨버터(200)는 입력전압(전원)(), 역률 개선부(210), 브리지 다이오드부(220), 변압기 회로부(230), 메인스위치() 및 전압평활 콘덴서()를 포함한다.

브리지 다이오드부(220)는 역률 개선부(210) 후단에 배치되어 역률 개선부(210)에 전류 통로를 제공하며, 통과되는 전기 에너지를 전압평활 콘덴서()로 전달한다. 전압평활 콘덴서()는 브리지 다이오드부(220)에서 전달되는 전기 에너지를 저장한다.

메인스위치()는 변압기 회로부(230)와 함께 플라이백형, 포워드형 및 하프브리지형 컨버터로 응용이 가능하도록 구성된다. 즉, 메인스위치()와 변압기 회로부(230)는 플라이백형, 포워드형 및 하프브리지형 컨버터로 이용될 수 있다.

역률 개선부(210)는 도시한 바와 같이 LC필터()를 포함하며 입력전압에 연결된 두 개의 다이오드()()를 포함하며 이 다이오드()()들의 공통연결점이 궤환인덕터()와 다이오드()를 통해 변압기 회로부(230)의 변압기() 일차권선의 소정 부위에 연결되어 입력전원()에서 공급되는 입력전류를 입력전압의 변화에 따라 증감시킨다.

메인스위치()의 듀티(duty)에 의하여 도 2에 도시된 단일단 컨버터(200)의 출력전압이 조절된다. 뿐만 아니라, 메인스위치()는 출력전압을 제어하며 동시에 입력단의 역률을 향상시키는 단일단(single-stage) 전압제어 기능을 수행한다.

이하, 본 발명에 따른 단일단 컨버터(200)에 대해 보다 구체적으로 더 상세하게 설명하면 다음과 같다.

도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 단일단 컨버터(200)는 입력전압(), 역률 개선부(210), 브리지 다이오드부(220), 변압기회로부(230), 메인스위치() 및 전압평활 콘덴서()를 포함하여 구성됨은 전술한 바와 같다.

브리지 다이오드부(220)는 도시한 바와 같이 풀브리지 형태로 연결된 네 개의 다이오드들()을 포함하여 이루어진다. 메인스위치()는 도시한 바와 같이 전압평활 콘덴서()의 일단과 변압기 회로부(230)의 일단에 각각 연결된다.

역률 개선부(210)는 LC필터()를 포함하고, 입력전압에 연결된 두 개의 다이오드()를 포함하며, 이 다이오드들의 공통연결점은 궤환인덕터()와 다이오드()를 통해 변압기()의 일차권선의 소정부분(CTRL; 도 2)에 연결된다.

상기와 같은 본 발명에 따른 역률보상 단일단 컨버터(200)의 작용 및 동작을 도 3을 참조하면서 설명하면 다음과 같다. 설명의 편의를 위하여 변압기()의 자화 인덕턴스()를 고려한다. 그러나, 이러한 과정은 소자의 동작에 대한 설명의 편의를 위한 것이며, 본 발명의 기술적 사상을 한정하는 것은 아니다.

먼저, 메인스위치()가 온(ON)되었다고 가정한다. 궤환인덕터()에 흐르는 전류()는 입력전압의 크기가 변압기의 일차권선의 일부()에 걸리는 전압보다 클 때만 흐르게 되며 작을 때에는 0이 된다. 입력전압의 크기가 변압기()의일차권선의 일부()에 걸리는 전압보다 클 때를 가정하면, 궤환인덕터()에 일정한 전압이 인가되어 전류는 선형적으로 증가하게 되며 변압기()의 자화인덕턴스()에도 일정한 전압()이 인가되어 선형적으로 증가하게 된다. 이때, 변압기() 출력부의 다이오드()는 역방향 상태이므로 변압기()의 이차권선에는 전류가 흐르지 않는다. 스위치()가 오프(OFF)되면, 변압기() 출력부의 다이오드()는 순방향 상태가 되고 궤환인덕터()에 일정한 역전압이 인가되어 궤환인덕터()에 흐르는 전류는 선형적으로 감소하게 되며 자화인덕턴스에 흐르는 전류도 이와 같이 선형적으로 감소하게 된다. 이때, 궤환인덕터()와 자화인덕턴스에 저장되었던 에너지가 변압기()의 출력부로 전달된다. 궤환인덕터()에 흐르는 전류가 계속 감소하여 0이 되면 역률개선부(210)의 다이오드는 역방향 상태가 되어 궤환인덕터()에 흐르는 전류는 계속 0에 머물러 있게 된다. 이때부터는 자화인덕턴스()에 저장된 에너지만 계속해서 변압기() 출력부로 전달된다.

도 4는 도 3에 도시된 역률보상 단일단 컨버터(200)의 각 부분의 동작을 설명하기 위한 파형도이다.

도 4를 참조하면, 먼저시각 이전에는 스위치()는 오프되어 있다고 가정한다. 따라서,시각 이전에는 궤환인덕터()를 흐르는 전류()는 그 최소값인 0이었다가시각부터시각까지 선형적으로 증가되어 결국 최대값인의 값을 갖는다.시각 이후로는, 출력부 다이오드()가 도통되면서 궤환인덕터()에 저장되었던 에너지가 변압기() 출력부로 전달되고 궤환인덕터()에 일정한 전압이 인가되므로 전류는 선형적으로 감소하게 된다.시각에 이르러 궤환인덕터()에 저장되었던 에너지는 모두 변압기() 출력부로 전달되고 궤환인덕터()에 흐르는 전류는 다음에 스위치()가 도통되기 전까지 0에 머물러 있게 된다.

마찬가지로,시각에 스위치()가 온되면 자화인덕턴스()에 인가되는 전압()은로 일정하게 되어 자화인덕턴스()에 흐르는 전류는 초기값()에서부터시각까지 선형적으로 증가하게 되어 최대값인에 이르게 된다.시각에 스위치()가 오프된 후에는, 출력부 다이오드()가 역방향 상태가 되면서 자화인덕터에 저장되었던 에너지가 변압기() 출력부로 전달되고 자화인덕턴스()에 일정한 역전압이 인가되므로 전류는 선형적으로 감소하게 된다. 이 과정은 다음에 스위치()가 온되기 전까지 계속된다.

[,]에서의 변압기() 1차측 권선에 흐르는 전류들(,)은 각각 궤환인덕터()에 흐르는 전류를 나누어 가지며 스위치()에 흐르는 전류는 자화인덕턴스()에 흐르는 전류와 전류의 합이 흐르게 된다. 이때 변압기() 이차권선에는 전류가 흐르지 않는다.

[,]에서, 변압기 일차권선에 흐르는 전류은 자화인덕턴스에 흐르는전류가 그대로 흐르고, 전류는 궤환인덕터에 흐르는 전류와 자화인덕턴스에 흐르는 전류의 합이 흐르게 된다. 이때 변압기의 이차권선에는 자화인덕턴스에 흐르는 전류와 궤환인덕터에 흐르는 전류가 변압기의 권선비에 의해 흐르게 된다.

[,]에서, 변압기 일차권선에 흐르는 전류들과는 자화인덕턴스에 흐르는 전류가 그대로 흐르고 변압기의 이차권선에 흐르는 전류는 자화인덕턴스에 흐르는 전류가 변압기의 권선비에 의해 흐르게 된다. 여기서, 궤환인덕터()에 흐르는 전류가 입력전류가 되는데, 이 평균 입력전류의 크기가 입력전압의 크기에 비례하므로 역률이 향상된다. 이와 같이 역률의 향상 정도는 궤환인덕터()의 인덕턴스()의 크기와 변압기() 일차권선의 일부()에 따라 결정된다.

도 5는 도 3에 도시된 역률보상 단일단 컨버터의 실험 파형도이다. 도 5에 도시된 바와 같이 입력전류가 입력전압의 파형을 충실히 따르므로, 실험에 의하여 측정된 역률은 0.88로서 역률이 향상됨을 보인다.

본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다.

이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 따른 역률보상 단일단 컨버터는, 입력전원에 연결된 두 개의 다이오드의 공통연결점을 궤환인덕터와 다이오드를 통해 변압기의 일차권선의 소정 부분에 연결하여 입력단의 역률을 개선시키는 이점을 제공한다.

이상 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 상세히 기술하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에 있어서 통상의 지식을 가진 사람이라면, 첨부된 청구 범위에 정의된 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 본 발명을 여러 가지로 변형 또는 변경하여 실시할 수 있음을 알 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 앞으로의 실시예들의 변경은 본 발명의 기술을 벗어날 수 없을 것이다.

Claims (4)

1. 소정의 입력전원에 연결되는 역률개선부;

   상기 역률개선부의 후단에 배치되어 이 역률개선부의 전류통로를 제공하는 브리지 다이오드부;

   상기 브리지 다이오드부를 경유한 전기 에너지를 저장하는 전압평활 콘덴서;

   상기 브리지 다이오드부와 전압평활 콘덴서 사이에 개재되는 변압기 회로부; 및

   상기 브리지 다이오드부와 전압평활 콘덴서 및 변압기 회로부 각각에 연결되어 상기 변압기 회로부에의 전압 인가를 제어하는 메인스위치를 포함하고,

   상기 역률개선부는 상기 입력전원에 연결된 두개의 다이오드와, 그 일단은 상기 두 다이오드의 공통접점에 연결되고 그 타단은 소정의 다이오드를 통해 상기 변압기 회로부의 변압기 일차권선의 소정 부위에 연결되는 궤환인덕터를 구비하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 역률보상 단일단 컨버터.
2. 제1항에 있어서, 상기 역률개선부는 LC필터를 포함하여 된 것을 특징으로 하는 역률보상 단일단 컨버터.
3. 제1항에 있어서, 상기 브리지 다이오드부는 풀브리지 형태로 연결된 네 개의 다이오드를 구비하여 된 것을 특징으로 하는 역률보상 단일단 컨버터.
4. 제1항에 있어서, 상기 메인스위치와 변압기 회로부는 플라이백 컨버터 또는 포워드 컨버터 또는 하프브리지형 컨버터로 이용가능하도록 구성된 것을 특징으로 하는 역률보상 단일단 컨버터.