KR20050012138A - 전원회로 및 전자기기 - Google Patents

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KR20050012138A
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Abstract

역률을 개선하도록 하는 동시에 고효율로 하는 것을 목적으로 한다. 맥류가 얻어지는 직류 전원(12)의 일단을 초크 코일(13) 및 제 1다이오드(14)의 직렬 회로를 통하여 동상으로 감은 컨버터 트랜스(15)의 1차 권선(15a)의 일단 및 보조 권선(15c)의 타단의 접속중점에 접속하고, 이 컨버터 트랜스(15)의 보조권선(15c)의 일단을 제 1콘덴서(16)를 통하여 이 직류 전원(12)의 타단에 접속하는 동시에, 이 1차 권선(15a)의 타단을 스위칭 소자(17)를 통하여 이 직류 전원(12)의 타단에 접속하고, 이 컨버터 트랜스(15)의 1차 권선(15a)과 역상으로 감은 2차 권선(15b)을 정류회로(18)를 통하여 직류 전압 출력 단자(19a, 19b)에 접속하고, 이 직류 전압 출력단자(19a)를 펄스폭변조 제어회로(20)의 입력 측에 접속하고, 이 펄스폭변조 제어회로(20)의 출력 단자를 이 스위칭 소자(17)의 제어 전극에 접속하도록 한 것이다.

Description

전원회로 및 전자기기{Power supply circuit and electronic apparatus}
본 발명은 비교적 대전력을 공급할 수 있도록 한 전원 회로 및 비교적 대전력을 사용하는 전자 기기에 관한다.
종래, 비교적 대전력 예를 들면 100 W를 공급할 수 있도록 한 스위칭 방식의 전원회로로서 도 9에 나타내는 것과 같은 것이 제안되고 있다(특허 문헌 1 참조). 이 도 9의 전원 회로는 고조파 규제에 대응해 역률 개선 회로(PFC 회로)가 부가된 것이다.
도 9에 있어서, 1은 예를 들면 100 V, 50 Hz의 상용 전원을 나타내고, 이 상용 전원(1)의 일단 및 타단을 다이오드의 브릿지 구성의 정류회로(3)의 입력측의 일단 및 타단에 접속한다
이 정류회로(3)의 출력측의 정극단 및 음극단에는, 상용 전원(1)의 주파수에 따른 정방향의 맥류가 얻어진다. 이 정류회로(3)의 출력측의 정극단을 역률 개선 회로(4)를 구성하는 초크권선(4a) 및 다이오드(4b)의 직렬 회로를 통하여 컨버터 트랜스(5)의 1차 권선(5a)의 일단에 접속하고, 이 1차 권선(5a)의 타단을 스위칭 소자를 구성하는 전계 효과 트랜지스터(6)의 드레인에 접속하고, 이 전계 효과 트랜지스터(6)의 소스를 정류회로(3)의 출력측의 음극단에 접속한다.
이 초크 권선(4a) 및 다이오드(4b)의 접속중점을 역률 개선 회로(4)를 구성하는 전계 효과 트랜지스터(4c)의 드레인에 접속하고, 이 전계 효과 트랜지스터(4c)의 소스를 정류회로(3)의 음극단에 접속하고, 이 전계 효과 트랜지스터(4c)의 게이트에 컨트롤회로(4d)에서의 스위칭 신호를 공급하도록 한다. 또 다이오드(4b) 및 1차 권선(5a)의 일단의 접속중점을 역률 개선 회로(4)를 구성하는 콘덴서(4e)를 통하여 정류회로(3)의 부극단에 접속한다.
이 역률 개선 회로(4)는 정류회로(3)의 출력 측에 얻어지는 맥류를 싸인 파형상으로서 이 컨버터 트랜스(5)의 1차 권선(5a)에 공급하도록 한 것이다.
또 컨버터 트랜스(5)의 1차 권선(5a)와는 역상으로 감겨진 2차 권선(5b)의 일단을 정류회로(7)을 구성하는 다이오드(7a)를 통하여 한편의 직류 전압 출력 단자(8a)에 접속하고, 이 다이오드(7a) 및 한편의 직류 전압 출력 단자(8a)의 접속중점을 이 정류회로(7)를 구성하는 평활용 콘덴서(7b)를 통하여 이 2차 권선(5b)의 타단에 접속하고, 이 2차 권선(5b)의 타단을 타편의 직류 전압 출력 단자(8b)에 접속한다.
이 한편의 직류 전압 출력 단자(8a)를 반도체 집적회로에 의해 구성된 펄스폭변조 제어회로(9)의 입력 측에 접속하고, 이 펄스폭변조 제어 회로(9)의 출력 측에 얻어지는 펄스폭변조신호의 스위칭 신호를 전계 효과 트랜지스터(6)의 게이트에 공급하고, 이 펄스폭변조신호의 스위칭 신호로 이 전계 효과 트랜지스터(6)를 스위칭하고, 이 한편 및 타편의 직류 전압 출력 단자(8a 및 8b)에 일정한 직류 전압 V0 를 얻도록 한다.
이러한 도 9에 나타내는 것같이 전원 회로에 있어서는, 역률 개선 회로(4)에의해 정류회로(3)에서의 입력맥류 전류를 싸인 파형상으로 하는 제어를 하여 역률을 개선하고 있다.
이 경우의 역률이란, 입력 전력을｜W｜로 하고, 입력 전류를｜A｜로 하고, 입력 전압을｜V｜로 했을 때 역률(cosφ)는
cosφ=｜W｜／(｜A｜×｜V｜)
이다.
도 9에 나타내는 것같이 역률 개선 회로(4)를 설치한 때에는 역률(cosφ)은 0.8∼0.99까지 개선할 수 있어, 입력 전류 파형은 입력 전압 파형에 근사 한다.
[특허 문헌 1]특개평 11－164555호 공보
그렇지만, 종래의 스위칭 방식의 전원 회로에 이 역률 개선 회로(4)를 설치한 때에, 이 역률 개선 회로(4)의 효율이 이 전원 회로의 효율에 적산하게 되어, 이 효율이 저하한다. 예를 들면 종래의 스위칭 방식의 전원 회로의 효율이 90％이고, 이 역률개선회로(4)의 변환 효율이 90％이었다고 하여도 전체의 효율은 81％가 된다.
또, 이 역률 개선 회로(4)는 전계 효과 트랜지스터(4c)에 의해 대전류를 스위칭하고 있기 때문에, 노이즈의 발생원이 되는 부적당이 있다.
또한, 이 역률 개선 회로(4)를 설치하므로, 이 역률 개선 회로(4) 만큼, 회로가 복잡화 하는 동시에, 이 역률 개선 회로(4)를 배치할 스페이스가 필요하게 되고, 그 만큼 고가가 되는 부적당이 있었다.
본 발명은 이러한 점을 감안하여 특별히 역률 개선 회로를 설치하지 않고, 간단한 구성으로 역률을 개선 하도록 하는 동시에 고효율로 할 수 있도록 하는 것을 목적으로 한다.
도 1은 본 발명 전원 회로의 실시의 형태의 예를 나타내는 구성도이다.
도 2는 도 1의 설명에 제공하는 선도이다.
도 3은 도 1의 설명에 제공하는 선도이다.
도 4는 본 발명의 실시의 형태의 다른 예를 나타내는 구성도이다.
도 5는 도 4의 설명에 제공하는 선도이다.
도 6은 도 4의 설명에 제공하는 선도이다.
도 7은 본 발명의 설명에 제공하는 선도이다.
도 8은 본 발명의 설명에 제공하는 선도이다.
도 9는 종래의 전원 회로의 예를 나타내는 구성도이다.
* 부호의 설명*
10. 상용 전원 12, 18. 정류회로
13. 초크 코일 13a. 결합권선
14, 22, 23. 다이오드 15. 컨버터 트랜스
15a. 1차 권선 15b. 2차 권선
15c. 보조 권선 16, 21. 콘덴서
17. 전계 효과 트랜지스터 19a, 19b. 직류 출력 단자
20. 펄스폭변조 회로
본 발명 전원 회로는 맥류가 얻어지는 직류 전원의 일단을 초크 권선 및 다이오드의 직렬회로를 통하여 동상으로 감은 컨버터 트랜스의 1차 권선의 일단 및 보조 권선의 타단의 접속중점에 접속하고, 이 컨버터 트랜스의 보조 권선의 일단을 콘덴서를 통하여 이 직류 전원의 타단에 접속하는 동시에 이 1차 권선의 타단을 스위칭 소자를 통하여 이 직류 전원의 타단에 접속하고, 이 컨버터 트랜스의 이 1차 권선과 역상으로 감은 2차 권선을 정류회로를 통하여 직류 전압 출력 단자에 접속하고, 이 직류 전압 출력 단자를 펄스폭변조 제어회로의 입력 측에 접속하고, 이 펄스폭 변조 회로의 출력 단자를 이 스위칭 소자의 제어 전극에 접속하도록 한 것이다.
본 발명에 의하면 입력 전압의 맥류 변동에 따라서, 입력 전류도 흐르게 되어, 입력 전류파형이 입력 전압에 근사하게 되고, 고주파로 스위칭된 전류의 포락선은 입력 전압의 맥류 전압에 상사인 파형으로 되어 역률이 향상한다.
또 본 발명에 의하면 효율을 다운하는 구성이 없으므로 고효율의 스위칭 방식의 전원회로를 얻을 수 있다.
이하 도면을 참조하여 본 발명 전원 회로를 실시하기 위한 최선의 형태의 예에 대해 설명한다.
도 1은 본 예에 의한 전원 회로를 나타낸다. 이 도 1에 있어서, 10은 예를 들면 100 V, 50 Hz의 상용 전원을 나타내고, 이 상용 전원(10)의 일단 및 타단을 다이오드의 브릿지 구성의 정류회로(12)의 입력측의 일단 및 타단에 접속한다.
이 정류회로(12)의 출력측의 정극단 및 음극단 간에는, 상용 전원(10)의 주파수에 따른 정방향의 싸인 파형상의 맥류가 얻어진다. 이 정류회로(12)의 출력측의 정극단을 고주파 저지용의 초크 코일(13)을 통하여 다이오드(14)의 애노드에 접속하고, 이 다이오드(14)의 캐소드를 동상으로 권장한 컨버터 트랜스(15)의 1차 권선(15a)의 일단 및 보조권선(15c)의 타단의 접속중점에 접속한다.
이 보조 권선(15c)의 일단을 콘덴서(16)을 통하여 정류회로(12)의 음극단에 접속한다. 또 1차 권선(15a)의 타단을 스위칭 소자를 구성하는 전계 효과 트랜지스터(17)의 드레인에 접속하고, 이 전계 효과 트랜지스터(17)의 소스를 정류회로(12)의 음극단에 접속 한다.
또 컨버터 트랜스(15)의 1차 권선(15a)과는 역상으로 권장된 2차 권선(15b)의 일단을 정류회로(18)를 구성하는 다이오드(18a)의 애노드에 접속하고, 이 다이오드(18a)의 캐소드를 한편의 직류 전압 출력 단자(19a)에 접속하고, 이 다이오드(18a) 및 한편의 직류 전압 출력 단자(19a)의 접속중점을 이 정류회로(18)를 구성하는 평활용 콘덴서(18b)를 통하여 이 2차 권선(15b)의 타단에 접속하고, 이 2차 권선(15b)의 타단을 한편의 직류 전압 출력 단자(19b)에 접속한다.
이 한편의 직류 출력 단자(19a)를 반도체 집적회로에 의해 구성된 펄스폭변조 회로(20)의 입력 측에 접속하고, 이 펄스폭변조 회로(20)의 출력 측에 얻어지는출력 직류 전압(V0)에 따른 펄스폭변조 신호의 스위칭 신호를 전계 효과 트랜지스터(17)의 게이트에 공급하고, 이 전계 효과 트랜지스터(17)를 이 펄스폭변조 신호의 스위칭 신호로 스위칭하고, 이 한편 및 타편의 직류 전압 출력 단자(19a 및 19b)간에 일정한 직류 전압(V0)을 얻도록 한다.
이 경우, 이 스위칭 신호의 주파수는 상용 전원의 주파수에 비해 지극히 높은 것이다.
이 도 1에 나타내는 전원 회로에 있어서, 전계 효과 트랜지스터(17)가 온인 때의 초크 코일(13), 컨버터 트랜스(15)의 1차 권선(15a), 2차 권선(15b) 및 보조 권선(15c)의 각 기전력의 극성과 전류의 흐름을 도 2에 나타낸다.
이 도 2에 대해 설명하는데, 정류회로(12)의 출력의 입력 전압(VIN)는 상용 전원의 정현파를 전파 정류한 맥류 전압이다.
이 때문에, 전계 효과 트랜지스터(17)가 온인 때에 있어서는, 입력전압(VIN)＋보조 권선(15c) 기전력(VN2) ＞콘덴서(16)의 전위(VC1‥‥) (1)의 기간은, 정류회로(12)의 정극단 →초크 코일(13)→다이오드(14)→보조 권선(15c) →콘덴서(16)→정류회로(12)의 음극단과 전류(I3)가 흐른다.
또 이 (1)식과 역의 관계가 된다.
VIN＋ VN2＜ VC1
의 기간에서는, 콘덴서(16)에서의 방전 전류(I2)가 콘덴서(16)→보조권선(15c)→1차 권선(15a)→전계 효과 트랜지스터(17)→콘덴서(16)으로 흐른다.
또 전계 효과 트랜지스터(17)이 턴온하고 나서, 정류회로(12)의 정극단→초크 코일(13)→다이오드(14)→1차 권선(15a)→전계 효과 트랜지스터(17)→정류회로(12)의 음극단으로 전류(I1)이 흐른다.
이 전계 효과 트랜지스터(17)가 온인 때는, 컨버터 트랜스(15)의 2차측의 정류용의 다이오드(18a)는 오프 상태에 있고, 이 컨버터 트랜스(15)의 1차측의 전류 (I1＋I2)에 의해 컨버터 트랜스(15)에 에너지가 축적된다.
이 도 1의 전원 회로에 있어서, 전계 효과 트랜지스터(17)가 오프인 때의 초크 코일(13), 컨버터 트랜스(15)의 1차 권선(15a), 2차 권선(15b) 및 보조 권선(15c)의 각 기전력의 극성과 전류의 흐름을 도 3에 나타낸다.
이 도 3에 대해 설명하는데, 전계 효과 트랜지스터(17)가 오프인 때 냄새에 있어서는,
VIN＋ 초크 코일(13)의 역기전력(VL1) ＞ VC1‥‥(2)
의 기간에서는, 정류회로(12)의 정극단→초크 코일(13)→다이오드(14)→보조 권선(15c) →콘덴서(16)→정류회로(12)의 음극단과 콘덴서(16)에 에너지를 공급한다 전류(I4)가 흐른다.
이 경우, 전계 효과 트랜지스터(17)의 스위칭 주파수는 입력의 맥류 전압 (VIN)의 상용 전원의 주파수 예를 들면 50 Hz보다 훨씬 높은 주파수이며, 콘덴서(16)에 에너지를 공급하는 전류의 도통각은 초크 코일(13)의 함수 설정과 컨버터 트랜스(15)의 1차 권선(15a), 2차 권선(15b), 보조 권선(15c)의 권수 설정에 의해 넓게 할 수 있다.
또 콘덴서(16)에 충전하는 기간은, 전계 효과 트랜지스터(17)가 온인 때는, 입힘전압의 맥류 전압(VIN)에 보조 권선(15c)의 기전력(VN2)이 중첩한 때이고, 전계효과과트랜지스터(17)가 오프인 때는, 입력 전압의 맥류 전압(VIN)에 초크 권선(13)의 역기전력(VL1)이 중첩한 때이다.
그 때문에 입력 전압(VIN)의 맥류 변동에 따라 입력 전류도 흐르게 되고, 입력 전류파형이 입력 전압(VIN)의 파형에 근사하게 된다. 따라서 고주파수로 스위칭된 전류의 포락선은, 입력 전압의 맥류 전압(VIN)에 서로 유사한 파형이 되고, 역률(cosφ)이 향상한다. 본 예에서는 이 역률(cosφ)은 0.87∼0.95 정도이다.
이상 서술한 것같이, 본 예 전원회로에 의하면 일정의 출력 직류 전압(V0)을 얻도록 제어하므로, 역률의 향상도 자동적으로 실시할 수 있다.
또 본례에 의하면, 종래에 비교해 역률 개선 회로를 특별히 설치하지 않기 때문에, 효율이 다운하지 않고 고효율의 전원 회로를 얻을 수 있는 전력 절약화를 도모할 수 있다.
덧붙여서 본 예의 상용 전원(10)으로서 90 V ~ 264 V, 50 Hz의 입력 전압에 대한 효율 및 역률(PF)과의 관계의 실험 데이터의 예를 도 7 및 도 8에 나타낸다. 도 7은 전압 20V, 전류 5A(100 W) 출력시의 입력 전압에 대한 효율의 데이터이며,도 8은 전압 20V, 전류5A (100 W) 출력시의 입력 전압에 대한 역률(PF)의 데이터이다.
도 4는 본 발명의 실시의 형태의 다른 예를 나타낸다. 이 도 4예는 도 1예를 더욱 고효율화를 도모한 예를 나타낸다. 이 도4예에 대해 설명하는데, 이 도 4에 있어서, 도 1에 대응하는 부분에는 동일 부호를 붙여서 나타내고, 그 중복 설명은 생략한다.
이 도 4예에 있어서는, 컨버터 트랜스(15)의 1차 권선(15a) 및 전계 효과 트랜지스터(17)의 드레인의 접속중점을 콘덴서(21)를 통하여 다이오드(22)의 애노드에 접속하고, 이 다이오드(22)의 캐소드를 콘덴서(16)및 보조 권선(15c)의 접속중점에 접속한다.
또 정류회로(12)의 음극단을 다이오드(23)의 애노드에 접속하고, 이 다이오드(23)의 음극을 초크 코일(13)에 동상으로 권장된 결합 코일(13a)를 통하여 콘덴서(21)및 다이오드(22)의 접속중점에 접속한다. 그 외는 도 1과 같게 구성한다.
이 도(4)에 나타내는 전원 회로에 있어서, 전계 효과 트랜지스터(17)가 오프인 때의 도 1에 추가한 소자에 흐르는 전류(I5)를 도 5에 나타낸다. 이 도 5에 있어서는 전계 효과 트랜지스터(17)가 오프인 때의 컨버터 트랜스(15)에 발생하는 플라이 백 전압을 콘덴서(21)에 의해 흡수하고, 이 때 1차 권선(15a)→콘덴서(21)→다이오드(22)→콘데서(16)→정류회로(12)의 음극단으로 흐르는 전류(I5)에 의해 콘덴서(21)는 충전된다.
이 경우, 전계 효과 트랜지스터(17)의 오프 때의 전압의 상승의 경사가 완만하게 되고, 전류와 전압의 겹치는 부분의 스위칭 손실을 경감하는 동시에 컨버터 트랜스(15)의 플라이 백 전압의 에너지의 일부를 콘덴서(16)에 회생할 수 있다.
또 이 도 4에 나타내는 전원 회로에 있어서, 전계 효과 트랜지스터(17)가 온인 때의 도 1에 추가한 소자에 흐르는 전류(I6)을 도 6에 나타낸다. 이 도 6에 있어서, 전계 효과 트랜지스터(17)이 온하면 콘덴서(21)에 충전한 전하를, 콘덴서(21)→전계 효과 트랜지스터(17)→다이오드(23)→초크 코일(13)의 결합 권선(13a)→콘덴서(21)로 전류(I6)가 흐르고 이 콘덴서(21)를 역바이어스 한다. 그렇게 하므로, 다음의 전계 효과 트랜지스터(17)가 오프인 때의 초기와 같은 상태가 된다.
이 도 4예에 있어서는, 전계 효과 트랜지스터(17)가 오프인 때의 스위칭 손실을 경감할 수 있는 동시에 컨버터 트랜스(15)의 플라이 백 전압의 에너지를 콘덴서(16)에 회생할 수 있다.
이러한 도 4예에 있어서도 도 1예 같은 작용 효과가 얻어지는 것은 용이하게 이해할 수 있다.
또 본 예에 있어서는, 이 도 1및 도 4에 나타내는 것같이 전원 회로를 비교적 대전력 예를 들면 100 W정도 혹은 그 이상을 사용하는 전자기기에 사용한다. 이 경우 이 전원 회로는 효율이 좋기 때문에, 이 전자기기의 전력 절약화를 도모할 수 있다.　 또한, 본 발명은 상술 실시예에 한정하는 일 없이 본 발명의 요지를 일탈하는 일 없이, 그 외 여러 가지 구성을 채택할 수 있는 것은 물론이다.
본 발명에 의하면 역률이 향상하는 동시에 역률 개선 회로를 특별히 설치하지 않으므로, 효율이 다운하지 않고 고효율 또한 소형의 전원 회로를 얻을 수 있다.
또 본 발명에 의한 전원 회로를 이용한 전자기기에 있어서는, 이 전원 회로가 고효율 또한 소형이므로, 이 전자기기의 전력 절약화 또한 소형화를 도모할 수 있다.

Claims (3)

  1. 맥류가 얻어지는 직류 전원의 일단을 초크 코일 및 제 1다이오드의 직렬 회로를 통해 동상으로 권장한 컨버터 트랜스의 1차 권선의 일단 및 보조 권선의 타단의 접속중점에 접속하고,
    상기 컨버터 트랜스의 보조 권선의 일단을 제 1콘덴서를 통하여 전기 직류 전원의 타단에 접속하는 동시에 상기 1차 권선의 타단을 스위칭 소자를 통하여 전기 직류 전원의 타단에 접속하고, 상기 컨버터 트랜스의 상기 1차 권선과 역상으로 권장한 2차 권선을 정류회로를 통하여 직류 전압 출력 단자에 접속하고, 이 직류 전압 출력 단자를 펄스폭변조 제어 회로의 입력측에 접속하고, 이 펄스폭변조 회로의 출력 단자를 상기 스위칭 소자의 제어 전극에 접속하도록 한 것을 특징으로 하는 전원 회로.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 1차 권선 및 스위칭 소자의 접속중점을 제 2콘덴서 및 제 2다이오드의 직렬 회로를 통하여 상기 컨버터 트랜스의 보조 권선의 일단에 접속하는 동시에 상기 직류전원의 타단을 제 3다이오드 및 상기 초크 권선에 동상으로 권장된 결합 권선의 직렬 회로를 통하여 상기 제 2콘덴서 및 상기 제 2다이오드의 접속중점에 접속한 것을 특징으로 하는 전원 회로.
  3. 비교적 대전력을 사용하도록 한 전자기기에 있어서,
    청구항 1또는 2 기재의 전원 회로를 설치한 것을 특징으로 하는 전자기기.
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