KR20040021630A - 역률 정정 회로를 갖는 스위칭-모드 전원 및 이러한용도의 정정 회로용 코일 - Google Patents

역률 정정 회로를 갖는 스위칭-모드 전원 및 이러한용도의 정정 회로용 코일 Download PDF

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KR20040021630A
KR20040021630A KR10-2004-7000538A KR20047000538A KR20040021630A KR 20040021630 A KR20040021630 A KR 20040021630A KR 20047000538 A KR20047000538 A KR 20047000538A KR 20040021630 A KR20040021630 A KR 20040021630A
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KR10-2004-7000538A
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아힘 엘게르트
미셸 티볼
쟝-폴 루벨
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톰슨 라이센싱 소시에떼 아노님
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Abstract

본 발명에 따른 스위칭-모드 전원은 전류 펌프 원리로 동작하는 역률 정정 회로를 구비하며, 이 정정 회로는 전압 스파이크(spike)를 댐핑하기 위한 제 1 코일(L15) 및 역률 정정용 제 2 코일(L19)을 구비한다. 두 개의 인덕턴스(L15, L19)는 이 경우 직렬로 연결되며, 권형(coil former)(SK) 및 공통 코어(CR) 상에 배치된다. 하나의 바람직한 예시적인 실시예에서, E/E 페라이트 코어가 코어(CR)로서 사용되며, 챔버를 갖는 권형이 권형(SK)으로서 사용되며, 이때, 두 인덕턴스(L15, L19)의 권선(W15, W19)이 서로 다른 챔버(K1, K3, K4)에 배치된다. 코어(CR)의 에어 갭(AG) 구역에 위치한, 비어 있는 챔버(K2)가 두 개의 인덕턴스 사이에 유리하게는 배치된다. 이것은 에어 갭에 의해 두 개의 인덕턴스를 부분적으로 분리하여, 제 1 인덕턴스(L15)의 댐핑 응답이 양호하게 된다.

Description

역률 정정 회로를 갖는 스위칭-모드 전원 및 이러한 용도의 정정 회로용 코일{SWITCHED-MODE POWER SUPPLY WITH A POWER FACTOR CORRECTION CIRCUIT AS WELL AS A COIL FOR A CORRECTION CIRCUIT FOR THIS PURPOSE}
스위칭-모드 전원은 라인 네트워크 상에 높은 펄스의 부하를 생성하며, 이것은 라인 네트워크에 고조파 전류를 야기한다. 이러한 부하는 특히 정현파 네트워크 전압의 전압 최대치 구역에서 발생하며, 이러한 영역에서, 스위칭-모드 전원의 에너지 축적 커패시터가 재충전된다. 라인 네트워크 상의 고조파 부하는 소위 역률 값으로 표시될 수 있고, 이것의 값은 단위값보다 더 작거나 같으며, 예컨대 적절한 측정 신호에 의해 결정될 수 있다. 하부 역률 제한치에 대한 규정은 이미 여러 나라에서 도입되었다.
라인 네트워크 상에 감소된 고조파 부하를 생성하는 스위칭-모드 전원은 예컨대 EP-A-0 700 145로부터 알려져 있다. 스위칭-모드 전원에서의 에너지 축적 커패시터를 충전시키는 제 1 전류 경로와는 별도로, 이러한 전원은 제 2 전류 경로를 포함하며, 이 제 2 전류 경로는 인덕턴스를 가지며, 네트워크-정류기로부터의 다운스트림 상에 있는 필터 커패시터와 변압기의 1차 권선 상의 탭 사이의 연결부를 생성한다. 이 경우, 인덕턴스는 에너지 축적부로서 동작하며, 이러한 축적부는 스위칭 트랜지스터가 스위칭 온되는 상태에서 충전되며, 그런 다음 스위칭 트랜지스터가 스위칭 오프되는 상태에서 이러한 에너지를 에너지 축적 커패시터로 방출한다.
이러한 스위칭-모드 전원의 추가적인 진전이 US 5,986,898호의 역률 정정 회로에 의해 개시되어 있다. 이것은 제 2 전류 경로에 커패시터를 포함하며, 이러한 커패시터는 전류를 제한하며, 이러한 방식으로, 전류 경로의 인덕턴스 코어뿐만 아니라 1차 권선 또는 변압기 상의 코어가 포화되지 않음을 보장한다. 페라이트(ferrite) 코어를 갖는 역률 인덕턴스에 추가하여, 이러한 역률 정정 회로는 역률 인덕턴스에서 생성된 전류 펄스를 네트워크 연결 방향에서 억압하기 위해 또한 특히 댐핑 요소로서 동작하는 철 코어를 갖는 직렬 인덕턴스를 포함한다.
EP-A-0 171 690은 텔레비전을 위한 라인 편향 회로를 개시하며, 여기서 많은 코일 장치가 사용된다. 편향 회로를 위한 소위 브릿지 코일 및 동-서 구동 코일은 이 경우 하나의 코일 장치로 결합되며, 이때 많은 권선이 자기 핀 코어 상에서 서로 나란하게 대칭적으로 배치된다. 코일 중 하나인, 브릿지 코일은 이 경우 두 개의 외부 권선으로 세분되고, 중심의 권선이 동-서 구동 코일에 해당한다. 브릿지 코일의 두 권선은 이 경우 자기적으로 반대되는 극성(magnetically opposing plurality)으로 배치되며, 중심의 권선은 다른 주파수 대역에서 동작한다. 편향 회로에서의 두 코일은 병렬로 연결되며, 두 개의 서로 다른 전기 기능에 사용된다.
본 발명은 스위칭-모드 전원으로부터의 라인 네트워크 상의 고조파 부하(harmonic load)를 줄이기 위해 사용되는 소위 역률 정정 회로를 갖는 스위칭-모드 전원에 관한 것이며, 좀더 구체적으로는 인덕턴스를 갖는 전류 펌프를 구비한 역률 정정 회로에 관한 것이다.
도 1은 역률 정정 회로를 갖는 스위칭-모드 전원의 간략한 회로도.
도 2는 전압 스파이크를 댐핑하기 위한 제 1 인덕턴스와 역률 정정을 위한 제 2 인덕턴스를 갖는 코일을 도시한 도면.
본 발명의 목적은 신뢰도를 가지면서 동시에 그 가격이 감소하는, 이미 언급한 유형의 스위칭-모드 전원을 명시하는 것이다.
이러한 목적은 청구항 제 1항의 특성에 의해 달성된다. 본 발명의 유리한 진전이 종속항에 명시되어 있다. 더나아가, 역률 정정 회로 및 코일이 대응하는 스위칭-모드 전원에 대해 명시되어 있으며, 종속항은 이들에 관한 것이다.
본 발명에 따른 스위칭-모드 전원은 전류 펌프 원리로 동작하는 역률 정정 회로를 구비하며, 이 정정 회로는 전압 스파이크(spike)를 댐핑하기 위한 제 1 코일과 역률 정정을 위한 제 2 코일을 구비한다. 두 개의 코일은 이 경우 직렬로 연결되고, 공통 코어 상에 배치되며, 이들 코일의 권선은 공통 권형(coil former) 상에 배치된다.
비록 한 코일의 두 인덕턴스라는 배열이, 두 인덕턴스 사이에서 공통 코어를 통한 상호 작용이 있으므로 제 1 코일의 인덕턴스의 댐핑 효과를 철 코어를 갖는 분리된 코일의 댐핑 효과보다도 더 열악하게 하지만, 그럼에도 불구하고, 결합된 인덕턴스를 갖는 코일이 스위칭-모드 전원에 대한 매우 충분한 댐핑 효과를 갖는 것으로 알려져 있다.
한 바람직한 예시적인 실시예에서, E/E 페라이트 코어가 이 코어로서 사용되고, 챔버를 갖는 권형이 권형으로서 사용되며, 이때 두 개의 인덕턴스의 권선이 서로 다른 챔버에 배치된다. 비어 있는 챔버는 유리하게는 두 개의 인덕턴스 사이에서 권형에 배치되며, 코어의 에어 갭 구역에 위치하여, 하나의 인덕턴스는 코어의 하나의 내부 코어 림(limb) 절반부 위에 위치하며, 다른 한 인덕턴스는 다른 한 내부 코어 림 절반부 위에 위치한다. 그에 따라, 코어의 에어 갭은 특히 두 코어 인덕턴스가 적어도 부분적으로 에어 갭에 의해 분리되는 것과 같이 내부 코어 림에 대해 배치되어, 그에 따라 제 1 코일의 댐핑 응답을 개선한다.
권형 상에 배치된 두 개의 인덕턴스는 유리하게는 반대되는 권선 벡터방향을 가져서, 이들의 자화는 코어에서 서로 부분적으로 상쇄된다. 인덕턴스는 직렬로 연결되고, 그에 따라 동일한 주파수에서 부하가 걸리고 및, 부분적으로 동일한 전류에 의해 부하가 걸리므로, 코어에는 그리 높지 않게 부하가 걸리며, 그에 따라 상대적으로 높은 전류에서도 포화하지 않는다. 따라서, 개별적인 역률 정정 코일에 대해 이미 또한 사용되었던 동일한 페라이트 코일을 사용하는 것이 가능하여, 두 코일의 결합은 따라서 하나의 코일과 동일한 공간만을 차지하게 된다. 이것은 기판 상의 좀더 많은 공간에서 해결책을 제시할 뿐만 아니라 또한 하나의 상대적으로 무거운 철 코일을 충분히 절약한다.
본 발명은 도면에서 개략적으로 예시된 예시적인 실시예를 예컨대 사용하여 다음의 상세한 설명에서 좀더 상세하게 설명될 것이다.
도 1은 1차 권선(W1) 및 2차 권선(W2, W3 및 W4)을 구비하고, 1차 권선(W1)과 직렬로 연결되는 스위칭 트랜지스터(T60)를 구비하는 변압기(TR)를 갖는 스위칭-모드 전원을 간략한 형태로 도시한다. 스위칭 트랜지스터(T60)의 베이스는 알려진 방식으로 구동기 회로(미도시)에 의해 구동되어서, 동작하는 동안 에너지가 1차 권선(W1)으로부터 2차 측 상에 위치한 권선(W3 및 W4)으로 전송되고 및 1차 측상에 위치하고 특히 구동기 회로에 전력을 공급하기 위해 사용되는 권선(W2)으로 전송된다. 더나아가, 소위 스너버(snubber) 네트워크(SN)가 알려진 방식으로 1차 권선(W1)과 병렬로 배치된다. 이들과 같은 스위칭-모드 전원은 예컨대 텔레비전에서 사용되고, 이러한 전력 범위에서 일반적으로 플라이백 컨버터(flyback converter) 형태이다.
입력 측상에서, 라인 네트워크의 한 연결부(UN)에 대하여, 스위칭-모드 전원은, 정류기(BR) 즉, 이 예시적인 실시예에서는 네 개의 다이오드를 가지며 그 출력에서 필터 커패시터(C10)가 접지에 연결되는 브릿지 정류기를 구비한다. 이러한 커패시터(C10)는 작은 커패시턴스를 가지며, 본래 간섭 주파수 필터링에 사용되어서, 본래 간섭되지 않으며, 정류기 요소(BR)에 의해 생성되는 100Hz 신호가 스위칭-모드 전원의 정상 동작 동안에 이 커패시터(C10) 양단에서 생성된다.
커패시터(C10)는 저항(R10)에 연결되며, 이 저항(R10)에 제 1 전류 경로(I1)가 결합되고, 이 경로(I1)를 거쳐서 에너지 축적 커패시터(C20)가 다이오드(D16)를 통해 충전된다. 이 커패시터는 1차 권선(W1)과 스위칭 트랜지스터(T60)로부터 형성된 직렬 회로와 병렬로 연결되고, 전압을 1차 권선(W1)에 공급한다. 다이오드(D16)는 특히 스위칭-모드 전원을 시작하기 위해 커패시터(C20) 양단에 충분한 전압을 제공하기 위해 필요하다.
더나아가, 저항(R10)은 제 2 전류 경로(I2)에 결합되며, 이 전류 경로(I2)는 전류 펌프 원리로 동작하여 스위칭-모드 전원에 대한 역률 정정을 제공하고, 1차 권선(W1) 상의 탭(A)에 출력 측상에서 연결된다. 이 예시적인 실시예에서 탭(A)은 1차 권선(W1)을 두 개의 부분으로 세분하여, 권선수의 1/3이 권선(W1)의 연결부(1)와 탭(A) 사이에 위치되고, 권선수의 2/3가 탭(A)과 1차 권선(W1)의 연결부(2) 사이에 위치된다. 그러나, 이러한 권선수 비는 또한 다른 스위칭-모드 전원 요건에 적절하게 되도록 다양하게 구성될 수 있으며, 예컨대, 연결부(2)와의 탭(A)이 필요 없는 경우도 가능하다.
상세하게, 이 예시적인 실시예에서 전류 경로(I2)는 전압 스파이크를 댐핑하는데 사용되는 3mH의 인덕턴스를 갖는 제 1 코일(L15)과, 커패시터(C19)를 통해서 탭(A)에 연결되며, 다이오드(D18)를 통해서 에너지 축적 커패시터(C20)에 연결되는 1mH의 인덕턴스를 갖는 제 2 코일(L19)을 갖는다. 그에 따라, 코일(L19)은 스위칭 트랜지스터(T60)에 연결되어서, 전류가 각 경우에 스위칭 트랜지스터(T60)가 스위칭 온될 때 코일(L19)을 통해서 도입된다. 이 회로는 이 경우에, 정상 동작 동안에 에너지 축적 커패시터(C20)가 다이오드(D16)를 통해서가 아니라 본래 1차 권선(W1) 및 다이오드(D18)를 통해서만 전류 펌프에 의해 충전되도록 설계된다. 동작하는 동안, 필터 커패시터(C10) 양단의 100Hz의 주파수는 따라서 본래 불변하며, 이는 제2 전류 경로(I2)가 전하 펌프와 함께 이 커패시터로부터 연속 전류를 도입하기 때문이다.
커패시터(C19)는 또한 제 2 전류 경로 에 더해졌을 수 도 있고, 또는 코일(L19)의 극성이 역전되는 것을 방지할 수 있는 다이오드로 대체될 수 도 있다. 이 경우, 커패시터(C19)는 전류 제한용으로 사용되어, 과도하게 높은 전류가 변압기(TR)의 코어나, 역률 정정 회로에서 인덕턴스(L15, L19) 중 하나를 포화시키는 것을 방지한다.
커패시터(C18)를 통해 에너지 축적 커패시터(C20)에 연결되는 탭(B)은 두 개의 코일(L15 및 L19) 사이에 배치되는데, 커패시터(C20)가 높은 DC 전압 성분을 가지므로, 코일(L15)과 커패시터(C18)는 코일(L19)에 대해 LC 요소로서 동작한다. 스위칭 트랜지스터(T60)의 스위칭 주파수에 대응하는 코일(L19)의 전류 펄스는 이러한 방식으로 댐핑되고, 그에 따라 라인 네트워크 상에 고조파 부하를 감소시킨다. 더나아가, 커패시턴스(C11, C12)가 또한 정류기 요소(BR)의 다이오드와 병렬로 연결되며, 이들 다이오드의 스위칭 스파이크를 댐핑하는데 사용되며; 커패시턴스(C15)는 마찬가지로 다이오드(D16)와 병렬로 연결되고, 커패시턴스(C17)는 다이오드(D18)와 병렬로 연결된다.
두 개의 코일(L15 및 L19)은 공통 코어(CR)를 가지며, 도 2에 예시된 바와 같이 하나의 권형(SK) 상에 배치된다. 이 예시적인 실시예에서, 코어(CR)는 두 개의 동일한 코어 절반부를 갖는 E/E 코어이며, 코어의 내부 코어 림(limb) 위에 권형(SK)이 배치된다. 권형(SK)은 원통형이고, 챔버(K1 내지 K4)를 가지며, 여기에코일 권선이 배치된다.
이 예시적인 실시예에서, 코일(L15)의 권선(W15)이 최상위 챔버(K1)에 배치되고, 코일(L19)의 권선(W19)이 하위 챔버(K3 및 K4)에 배치된다. 결과적으로, 권선(W15)은 내부 코어 림의 상반부 위에 배치되고, 권선(W19)은 내부 코어 림의 하반부 위에 위치한다. 이들은 물리적으로 비어있는 챔버(K2)에 의해 서로 분리되어 있다. 코어(CR)는 내부 코어 림의 두 코어 림 절반부 사이에 에어 갭(AG)을 가지고 있으며, 비어있는 챔버(K2)는 특히 이 에어 갭 구역에 위치하여, 코일(SP)에서의 손실을 감소시키며, 적어도 부분적으로는 두 코일을 자기적으로 분리시킨다.
더나아가, 두 코일(L15 및 L19)의 권선은 반대되는 권선 벡터방향을 가져서, 이들의 자화는 코어에서 서로 부분적으로 상쇄하며, 이는 두 코일이 이들이 직렬로 연결되어 있어서 동일한 주파수에서 동작되기 때문이다. 그에 따라, 코어(CR)에는 코어의 크기가 동일하면서도 더 높은 전류가 부하로 걸릴 수 있어서, 먼저, 개별 코일(L19)에 이전에 필요했던 바와 같이 코일(SP)에 대한 동일한 코어 유형을 사용하는 것이 가능하며, 더나아가, 내부 코어 림 절반부 사이에 에어 갭이 반대되는 권선 벡터방향으로 인해 크기가 감소할 수 있어서, 표류 자계(stray field) 및 코일(SP)의 손실이 분리된 배열에 비해 감소된다. 더나아가, 코일(SP)은 네 개의 연결부(AS)를 가지며, 이 연결에 의해 코일(SP)은 예시되지는 않은 적절한 인쇄회로 기판 상에 탑재될 수 있다.
역률 연결 회로의 댐핑 응답은 두 개의 코일의 결합에 의해 다소 악화되지만 용인할 수 있게 이루어지지만, 이것은 스위칭-모드 전원의 가격이 상당히 감소되게하며, 더나아가, 좀더 간소하게 제작될 수 있다. 그러나, 역률에 대한 요건은 상당하게 침해되지 않으며, 따라서, 스위칭-모드 전원에 대한 임의의 추가적인 댐핑 수단이 필요하지 않다.
상술한 바와 같이, 본 발명은 스위칭-모드 전원으로부터의 라인 네트워크 상의 고조파 부하를 줄이기 위해 사용되는 소위 역률 정정 회로를 갖는 스위칭-모드 전원, 좀더 구체적으로는 인덕턴스를 갖는 전류 펌프를 구비한 역률 정정 회로에 이용된다.

Claims (11)

  1. 정류기 요소(BR)와, 다운스트림 에너지 축적 커패시터(C20)와, 변압기(TR)로서, 그 1차 권선(W1)이 상기 에너지 축적 커패시터(C20)에 결합되고, 스위칭 트랜지스터(T60)와 직렬로 연결되는 변압기(TR)와, 상기 정류기 요소(BR)와 상기 1차 권선(W1)의 한 연결부(A) 사이에 전류 경로(I2)를 형성하되, 전압 스파이크(spike)를 댐핑(damping)하기 위한 제 1 코일(L15)과, 역률 정정을 위한 제 2 코일(L19)을 갖는 역률 정정 회로(L15, L19, C19)를 구비하는 스위칭-모드 전원에 있어서,
    공통 코어(CR)를 갖는 상기 두 코일(L15, L19) 및 상기 두 코일의 권선(W15, W19)이 공통 권형(SK) 상에 배치되는,
    것을 특징으로 하는, 스위칭-모드 전원.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 두 코일(L15, L19)의 권선(W15, W19)은 반대되는 권선 벡터방향(sense)을 가져서, 이들의 자화(magnetizations)는 상기 코어(CR)에서 서로 부분적으로 상쇄되는 것을 특징으로 하는, 스위칭-모드 전원.
  3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 상기 권형(SK)은 챔버(K1 내지 K4)를 가지며, 상기 두 코일(L15, L19)의 상기 권선(W15, W19)은 서로 다른 챔버에 배치되는 것을 특징으로 하는, 스위칭-모드 전원.
  4. 제 3항에 있어서, 비어 있는 챔버(K2)는 상기 두 권선(W15, W19) 사이에 위치되는 것을 특징으로 하는, 스위칭-모드 전원.
  5. 제 1항 내지 제 4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 코어(CR)는 E/E 페라이트(ferrite) 코어이며, 상기 권형(SK)은 내부 코어 림(limb) 위에 배치되는 것을 특징으로 하는, 스위칭-모드 전원.
  6. 제 5항에 있어서, E/E 페라이트 코어(CR)의 상기 내부 코어 림이 에어 갭을 가지는 것과, 상기 비어 있는 챔버(K2)가 이 에어 갭 구역에 배치되는 것을 특징으로 하는, 스위칭-모드 전원.
  7. 제 1항 내지 제 6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 두 코일(L15, L19)은 직렬로 연결되며, 이들 사이에 위치하며 커패시터(C18)를 통해 상기 에너지 축적 커패시터(C20)에 연결되는 탭(B)을 갖는 것을 특징으로 하는, 스위칭-모드 전원.
  8. 역률 정정 회로를 갖는 스위칭-모드 전원용 코일에 있어서,
    상기 코일(SP)은 권형(SK)을 가지며, 상기 권형(SK) 상에는, 전압 스파이크를 댐핑하기 위한 제 1 코일(L15)의 권선(W15)이 감기고, 상기 제 1 권선(W15)과 직렬로 연결되는, 역률 정정용 제 2 코일(L19)의 권선(W19)이 감기는 것을 특징으로 하는, 스위칭-모드 전원용 코일.
  9. 제 8항에 있어서, 상기 코일(SP)은 E/E 페라이트 코어를 가지며, 상기 코어의 내부 코어 림 위에 상기 권형(SK)이 배치되는 것과, 상기 두 개의 코일(L15, L19)이 각 경우에 하나의 내부 코어 림 절반부에 감겨서 이들이 물리적으로 분리되는 것을 특징으로 하는, 스위칭-모드 전원용 코일.
  10. 제 8항 또는 제 9항에 있어서, 상기 두 코일(L15, L19)의 권선(W15, W19)은 반대되는 권선 벡터방향을 갖는 것을 특징으로 하는, 스위칭-모드 전원용 코일.
  11. 전압 스파이크를 댐핑하기 위한 제 1 코일(L15)과, 상기 제 1 코일과 직렬로 연결되는 역률 정정용 제 2 코일(L19)을 구비하는, 스위칭-모드 전원용 역률 정정 회로(L15, L19, C19)에 있어서,
    상기 두 개의 코일(L15, L19)은 공통 코어(CR)를 가지며, 상기 두 개의 코일의 권선(W15, W19)은 공통 권형(SK) 상에 배치되는,
    것을 특징으로 하는, 역률 정정 회로.
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