KR20050084361A - 집적된 전력 스위치 및 부스트 컨버터를 구비하는 원사이클 제어 연속 전도 모드 ｐｆｃ 부스트 컨버터 집적회로 - Google Patents

집적된 전력 스위치 및 부스트 컨버터를 구비하는 원사이클 제어 연속 전도 모드 ｐｆｃ 부스트 컨버터 집적회로 Download PDF

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Abstract

연속 전도 모드(CCM) 역률 보정 부스트 컨버터 회로용 집적 회로로서, 상기 부스트 컨버터 회로는, ac 입력에 연결 가능하고, 정류된 dc 출력을 dc 버스에 인가하는 정류기; dc 버스의 일단에 연결되는 제 1 및 제 2 단자를 구비하고, 상기 제 1 단자는 상기 정류기의 출력에 연결되는 인덕터; 상기 인덕터 제 2 단자에 연결된 제 1 단자 및 제 2 단자를 구비하는 부스트 정류기 다이오드; 및 상기 다이오드의 제 2 단자에 연결된 저장 커패시터를 포함하고, 상기 집적 회로는, 제어 회로, 상기 제어 회로에 의해서 제어되는 스위치, 및 상기 제어 회로 및 상기 스위치를 둘러싸는 하우징을 포함하고, 전력 단자, 그라운드 단자, 상기 컨버터 회로의 출력에 연결되는 제 1 제어 입력 단자, 및 상기 dc 버스의 전류를 감지하는 센서에 연결되는 제 2 제어 입력 단자를 구비하고, 상기 스위치에 연결되고, 상기 인덕터의 제 2 단자에 연결된 출력 단자를 더 포함하고, 상기 제어 회로는 클록 신호의 각 사이클에 상기 클록 신호에 의해서 리셋되고, 상기 제 1 제어 입력 단자에 제공된 신호를 입력으로서 수신하는 적분기를 구비하는 원 사이클 제어 회로를 포함하는 집적 회로.

Description

집적된 전력 스위치 및 부스트 컨버터를 구비하는 원 사이클 제어 연속 전도 모드 ＰＦＣ 부스트 컨버터 집적 회로{ONE CYCLE CONTROL CONTINUOUS CONDUCTION MODE ＰＦＣ BOOST CONVERTER INTEGRATED CIRCUIT WITH INTEGRATED POWER SWITCH AND BOOST CONVERTER}
스위칭 회로를 제어하는 원 사이클 제어(One Cycle Control;OCC) 기술이 공지되었다. 일반적인 기술이 미국 특허 제 5,278,490 호에 기재되어 있다. 이 기술은 미국 특허 제 5,886,586 호에서 PFC(Power Factor Correction:역률보정) 부스트 컨버터(boost converter)에 적용된다. PFC 부스트 컨버터 회로에 적용된 바와 같이, OCC 기술에서, 컨버터의 출력 전압은 감지되고, 기준 전압과 비교되며, 적분기 단으로 제공되고, 이는 시스템 클록에 의해서 설정되는 각각의 제어 사이클에 대해서 리셋된다. 적분기의 출력은 컨버터에서 감지된 입력 전류와 비교기에서 비교되고, 비교기의 출력은 펄스 폭 변조기를 제어하기 위해서 제공되며, 펄스 폭 변조기의 출력은 부스트 컨버터 스위치를 제어한다. 스위치는 부하에 제공되는 전류를 제어하여, 입력 ac 라인 전류가 입력 ac 라인 전압과 동상이 되도록, 즉, 첨부된 로드를 갖는 컨버터가 실질적으로 1 의 역률을 갖도록 함으로써 순수 저항성으로 보여지고, 이로 인해 고조파를 감소시킬뿐만 아니라 최적의 전력 효율을 나타낸다.
OCC 기술에 대한 종래 기술로서, 부스터 컨버터 회로에서 역률 보정에 대한 멀티플라이어(multiplier) 기술이 공지되었다. 도 1 은 고정 주파수의 연속 전도 모드(CCM) 부스트 컨버터 토폴로지에서 동작하는 전형적인 종래의 능동 역률 보정 시스템(active power factor correction system)의 시스템 레벨 블록 다이어그램의 표현을 도시한다. 시스템은 멀티플라이어 접근(approach) 방식에 기초하여 개별 게이트 드라이브 회로(3)을 구비한, 연속 전도 모드 제어 집적 회로(1) 및 개별 전력 스위치(5)로 구성된다. 전류 모드 제어에 기초한 이 제어 방법은 입력 전류 감지, 입력 전압 감지, 출력 전압 감지, 및 멀티플라이어 회로의 이용을 채용한다. 아날로그 멀티플라이어는 정류된 라인 전압과 전압 오차(error) 증폭기의 출력을 승산함으로써, 전류 프로그래밍 신호가 입력 전압의 모양과 평균 크기를 갖도록 전류 프로그래밍 신호를 생성하고, 이는 종국적으로 부스트 컨버터의 출력 전압을 제어한다. 전류 루프는 컨버터의 입력은 저항성으로 보여지도록 정류된 라인 전압에 의해서 프로그램된다. 출력 전압은 전류 프로그래밍 신호의 평균 크기를 변화시킴으로써 제어된다. 결과는 입력 전압에 비례하며 동상인 정현파 입력 전류 및 조정된 출력 전압이다.
상술한 멀티플라이어 접근 방식을 이용하는 종래 기술은 고성능의 연속 전도 모드 역률 보정 컨버터를 구현하기 위해서 높은 개별 구성요소의 수 및 복잡한 설계 및 개발 노력이 요구된다. 또한, 스위치가 제어 회로와 패키징되는 "단일 패키지"를 구현하는 것은, 많은 소자의 수 및 한정된(numbered) 핀들로 인하여 매우 어렵다.
멀티플라이어 기술을 이용한 종래 기술의 PFC 부스트 컨버터의 예가 미국 특허 제 6,445,600 호에 보여진다. 집적된 스위치와 OCC 제어기를 구비하는 PFC, CCM 부스트 컨버터용 집적 회로를 제공하는 것이 바람직하고, 이는 멀티플라이어 기술을 채용하는 PFC 부스트 컨버터에 내제된 복잡성을 감소시킨다.
도 1 은 종래 기술의 CCM PFC 부스트 컨버터 회로의 블록도이다.
도 2 는 OCC 기술을 이용한 본 발명에 따라서, 스위치 및 제어기가 단일한 모듈내에 수용된, CCM PFC 부스트 컨버터 회로의 블록도이다.
도 3 은 본 발명에 따른 집적 회로의 일 실시예를 도시한다.
도 4 는 본 발명에 따른 집적 회로의 블록도이다.
도 4a 는 집적 회로에 이용되는 전력 및 기준 전압의 생성 방식을 도시한다.
OCC 기술은 종래 기술의 Unitrode/TI UC3854와 같은 전통적인 "멀티플라이어"기반의 CCM PFC 제어기와 비교할 때, 극적으로 연속 전도 모드(CCM) PFC 제어 기능을 단순화한다. OCC 기술은 라인 전압 감지를 요구하지 않고, 모든 연관된 외부 구성 요소를 구비하는 복잡한 멀티플라이어 회로 필요로 하지 않으므로, 패키지 핀들의 숫자는 극적으로 감소된다. 이 제어 방법의 단순함으로 인하여, 기존의 전력 패키징 방법을 이용하면서도 CCM 부스트 PFC 제어기를 전력 스위칭 소자와 모두 함께 하나의 패키지로 집적하는 높은 레벨의 집적이 가능하다. 채용될 수 있는 패키징 방법의 일 예가 2001년 5월 31일에 공개된 국제 공개 제 WO 01/39266 호에 기재되었다.
따라서, 본 발명은 연속 전도 모드(CCM)에서 동작하는 단일 위상, 능동 역률 보정 부스트 컨버터에 관한 것이다. 본 발명은 연속 전도 모드에 대해서 구현되는 것이 바람직한데, 이는 전형적으로 제어기를 위한 복수의 외부 구성 요소 및 패키지 핀들을 요구하는 가장 복잡한 PFC 회로이기 때문이다. 본 발명은, 바람직하게는 멀티 핀 파워 TO-220 또는 TO-247 패키지에 포함된, OCC 기술에 기반한 능동 역률 제어기, 집적된 게이트 드라이브 회로, 및 집적된 전력 스위칭 장치를 포함하는 IC를 포함한다. IC는 바람직하게는 상기 국제 공개 제 WO 01/39266 호에 기재된 패키징 방법을 이용하여 MOSFET 또는 IGBT Die 로 패키지된다.
본 발명에 따르면, 연속 전도 모드(CCM) 역률 보정 부스트 컨버터 회로로서, ac 입력에 연결 가능하고, 정류된 dc 출력을 dc 버스에 인가하는 정류기; dc 버스의 일단에 연결되는 제 1 및 제 2 단자를 구비하고, 상기 제 1 단자는 상기 정류기의 출력에 연결되는 인덕터; 제어 회로, 상기 제어 회로에 의해서 제어되는 스위치, 및 상기 제어 회로 및 상기 스위치를 둘러싸는 하우징을 포함하고, 전력 단자, 그라운드 단자, 상기 컨버터 회로의 출력에 연결된 제 1 제어 입력 단자, 및 상기 dc 버스의 전류를 감지하는 센서에 연결된 제 2 제어 입력 단자를 구비하고, 상기 스위치에 연결되고, 상기 인덕터의 제 2 단자에 연결된 출력 단자를 더 포함하는 집적 회로; 상기 집적 회로의 출력 단자와 연결된 제 1 단자 및 제 2 단자를 구비하는 부스트 정류기 다이오드; 및 상기 다이오드의 제 2 단자에 연결된 저장 커패시터를 포함하고, 상기 제어 회로는 클록 신호의 각 사이클에 상기 클록 신호에 의해서 리셋되고, 상기 제 1 제어 입력 단자에 제공된 신호를 입력으로서 수신하는 적분기를 구비하는 원 사이클 제어 회로를 포함하는 컨버터 회로가 제공된다.
또한, 본 발명은 CCM PFC 부스트 컨버터용 집적 회로 제어기에 관한 것이다.
본 발명의 다른 특징 및 장점들은 첨부된 도면을 참조하는 아래의 설명에 의해서 보다 명확해 질것이다.
도 2 는 고정 주파수의 연속 전도 모드 부스트 컨버터 토폴로지에서 동작하는 OCC 능동 역률 보정 기술에 기반한 본 발명의 시스템 레벨 블록도 표현을 도시한다. 연속 전도 모드(CCM)에서, 인덕터(L)의 전류는 0 이 되지 않는다. 본 발명에 따르면, 내장 전력 스위치 드라이버(30)를 구비하는 OCC 기반 PFC 제어 회로(20) 및 전력 스위치(10)가, 장치로부터 히트 싱크로 적당한 열을 방산할 수 있는 단일 패키지(40)에 집적된다. OCC 기술을 이용하면 전체 CCM PFC 부스트 컨버터를 구현하기 위해 요구되는 핀의 수가 감소되므로, 이 기술을 이용하는데 다양한 전력 패키지들이 채용될 수 있다.
제어 회로(20)는 종래 기술에서 언급된 멀티플라이어와 입력 전압 감지가 불필요한 OCC 방법에 기초한다. 이는 IC(40)의 외부 구성요소와 패키지 핀들을 감소시킨다. OCC 개념은 적분-리셋(integration-reset) 제어를 병합하는 단순 선형 회로로서 실현되고, 여기서 스위치(10)의 듀티 사이클은, 각각의 사이클에서 스위칭된 변수의 평균값이 제어 기준과 동일하거나 비례하도록 실시간으로 제어된다. 특히, 컨버터의 출력 전압은 오차 증폭기(error amplifier)에 의해서 제어 기준과 비교된다. 이 오차 신호는 적분된다. 오차의 크기는 적분기 출력의 기울기를 조절하고, 감지된 입력 전류와 비교되어 스위치의 듀티 사이클을 제어한다. 이 제어 방법은 컨버터의 입력을 저항성으로 보이도록 하며, 따라서, 정현파 입력 전류를 입력 전압과 동상이면서 비례하도록 하며, 조정된 DC 출력 전압을 제공한다. 제어기를 전력 스위치와 함께 하나의 패키지로 집적하는 것은, 전통적인 개별 멀티플라이어 기반의 CCM PFC 제어기와 비교하여 복잡한 연속 전도 모드 PFC 회로의 설계 업무를 단순화한다.
도 2 를 다시 참조하면, 정류기 블록(R)은 정류된 dc 전압을 dc 버스로 제공한다. 입력 커패시터(Cin)은 고주파수 성분을 필터링한다. 스위치(10)이 온일때, 전자기 에너지는 인덕터(L)에 저장된다. 스위치(10)이 오프일 때, 인덕터(L)에 저장된 에너지는 부하에 전력을 공급하면서 고주파 정류 다이오드(D)를 통해서 저장 커패시터(Cout)로 전달된다. 스위치(10)이 다시 온되면, 다이오드(D)는 역방향 바이어스되고 저장 커패시터(Cout)는 부하에 전력을 공급한다. 스위치(10)의 듀티 사이클은 ac 입력 전류가 ac 라인 전압과 동상이 되도록 OCC 회로(20)에 의해서 제어된다. 따라서, 컨버터 및 부하는 거의 1에 가까운 역률을 갖게되고 순수하게 저항성으로 보여짐으로써 최대 전력 효율을 나타낸다. 감지 저항(RS)는 입력 전류를 감지하기 위해서 제공된다.
도 3 은 PFC CCM 부스트 컨버터에 적용된 집적회로(40)의 일 구현예를 상세하게 도시하고, 도 4 는 IC(40) 의 블록도를 도시한다. IC(40) 은 DC 버스로부터 전력을 공급받는 전력 공급원(PS)으로부터 전력을 공급받는 것이 바람직하다. 내부적으로, IC(40) 에서, 저항 RX 및 제너 다이오드 DZ1 을 포함하는 전압 조정기 회로가 내부 전력(VCC 5V)을 제공하기 위해서 채용될 수 있다. 도 4a 참조. 오차 증폭기의 기준 전압 Vref 는 도 4a에 도시된 바와 같이 저항 RY 및 제너 다이오드 DZ2 를 포함하는 유사한 회로에 의해서 제공될 수 있다.
도 4 를 더 참조하면, 출력 전압은 저항 분배기 R1, R2 에 의해서 감지되고, 오차 증폭기(50)의 한 입력인, IC(40)의 입력 VFB 로 제공된다. 오차 증폭기(50)의 다른 입력은 기준 전압 Vref 이다. 오차 증폭기(50)은 오차 신호 Ve 를 생성한다. 증폭된 오차 신호 Ve 는 적분기(70)단의 입력으로 제공된다. 적분기의 출력은 비교기(75)의 한 입력으로 제공되고, 전류 감지 증폭기(79)로부터 입력받은 전류 버퍼(78)의 출력에 의해서 제공된 감지된 입력 전류와 비교기에서 비교된다. 입력 전류는 저항 Rs 에 의해서 전압으로 변환되고, 입력 ISNS로 제공된다. 피크 전류 제한기(81)는 감지된 전류를 소정의 피크 전류로 제한한다. 피크 전류 제한기(81)의 출력은 비교기(75)의 출력으로 제공된다. 비교기(75)의 출력은 드라이버 단, 즉, 클록된 SR 플립 플롭(80)으로 제공되고, 이의 출력은 스위치(10)의 전도 시간을 제어하기 위해서 제공된다. 시스템 클록(85)은 시스템 주파수를 제어한다. 따라서, 플립 플롭(80)의 출력은 그 펄스의 폭이 스위치(10)의 온 시간을 결정하는 펄스 폭 변조된 신호이다. 바람직한 기준 전압 Vref 으로부터의 출력 전압의 변화량의 평균값에 반응하는 적분기(70)의 출력은 비교기(75)에 의해서 (Rs사이의 전압 강하에 의해서 결정되는)입력 전류 파형과 비교되어, 적분기의 출력이 감지된 입력 전류를 초과할 때 플립 플롭(80)을 리셋한다. 이는 스위치(10)의 온 시간을 변조하여, 입력 전류가 입력 전압을 동상으로 추종하도록 하며, 출력 전압이 오차 신호 Ve 를 최소화하도록 조정한다. 클록은 시스템 주파수를 설정하고, 각각의 클록 주기동안 적분기가 리셋(reset)되도록 보장한다. 적분기의 리셋은, 플립 플롭(80)의 출력이 리셋되면, 리셋 제어기(72)를 통해서 달성된다.
본 발명의 장점은 (a) 적은 구성 요소의 수; (b) 적은 부품의 수로 인한 높은 신뢰성; (c) 간단한 PCB 구현; (d) 주요 제어 소자들 및 전력 스위칭 소자들을 고집적함으로 인해 최소화된 배치(layout) 문제; 및 (e) 보다 복잡한 멀티플라이어 기반의 PFC 저에기에 대비되는 단순화된 OCC 방법에 기반하여 단순화된 설계 및 개발 노력 들이다.
또한, IC(40) 은 언더 전압/로우 전압(UVLO) 검출 회로(101), 소프트 스타트(soft start) 회로(102), 필요 바이어스 및 기준 전압 생성기(103), 열 보호(104), 및 (과전류 보호 및 출력 과전압 보호(107)와 같은) 자동 리스타트(restart) 기능을 갖는 회로 보호 로직(105)과 같은 다른 표준 기능을 포함한다. 더욱이, 집적된 드라이브 제어(30), 레벨 쉬프팅 회로(35), 및 피크 전류 제한 게이트 드라이브 회로(37)가 역시 제공된다.
비록, 본 발명이 특정 실시예와 연관하여 설명되었으나, 본 발명의 다양한 변경 및 수정과 다른 이용이 가능함을 당업자는 알 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명은 특정 실시예에 한정되어서는 안되며, 첨부하는 특허청구범위에 의해서만 한정되어야 한다.

Claims (12)

  1. 연속 전도 모드(CCM) 역률 보정 부스트 컨버터 회로로서,
    ac 입력에 연결 가능하고, 정류된 dc 출력을 dc 버스에 인가하는 정류기;
    dc 버스의 일단에 연결되는 제 1 및 제 2 단자를 구비하고, 상기 제 1 단자는 상기 정류기의 출력에 연결되는 인덕터;
    제어 회로, 상기 제어 회로에 의해서 제어되는 스위치, 및 상기 제어 회로 및 상기 스위치를 둘러싸는 하우징을 포함하고, 전력 단자, 그라운드 단자, 상기 컨버터 회로의 출력에 연결된 제 1 제어 입력 단자, 및 상기 dc 버스의 전류를 감지하는 센서에 연결된 제 2 제어 입력 단자를 구비하고, 상기 스위치에 연결되고, 상기 인덕터의 제 2 단자에 연결된 출력 단자를 더 포함하는 집적 회로;
    상기 집적 회로의 출력 단자와 연결된 제 1 단자 및 제 2 단자를 구비하는 부스트 정류기 다이오드; 및
    상기 다이오드의 제 2 단자에 연결된 저장 커패시터를 포함하고,
    상기 제어 회로는 클록 신호의 각 사이클에 상기 클록 신호에 의해서 리셋되고, 상기 제 1 제어 입력 단자에 제공된 신호를 입력으로서 수신하는 적분기를 구비하는 원 사이클 제어 회로를 포함하는 컨버터 회로.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 집적 회로는 상기 제어 회로의 출력을 수신하는 상기 스위치를 구동하는 게이트 드라이버를 포함하는 컨버터 회로.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 스위치는 MOSFET 또는 IGBT 를 포함하는 것을 특징으로 하는 컨버터 회로.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 제어 입력 단자로 출력 전압 감지 신호를 제공하기 위한 상기 컨버터의 출력간 전압 분배 회로를 더 포함하는 컨버터 회로.
  5. 제 1 항에 있어서,
    한 단자가 상기 제 2 입력 단자에 연결되는 감지 저항을 상기 dc 버스의 한 단에 더 포함하는 컨버터 회로.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 하우징은 TO-220 또는 TO-247 패키지를 포함하는 컨버터 회로.
  7. 연속 전도 모드(CCM) 역률 보정 부스트 컨버터 회로용 집적 회로로서,
    상기 부스트 컨버터 회로는,
    ac 입력에 연결 가능하고, 정류된 dc 출력을 dc 버스에 인가하는 정류기;
    dc 버스의 일단에 연결되는 제 1 및 제 2 단자를 구비하고, 상기 제 1 단자는 상기 정류기의 출력에 연결되는 인덕터;
    상기 인덕터 제 2 단자에 연결된 제 1 단자 및 제 2 단자를 구비하는 부스트 정류기 다이오드; 및
    상기 다이오드의 제 2 단자에 연결된 저장 커패시터를 포함하고,
    상기 집적 회로는,
    제어 회로, 상기 제어 회로에 의해서 제어되는 스위치, 및 상기 제어 회로 및 상기 스위치를 둘러싸는 하우징을 포함하고, 전력 단자, 그라운드 단자, 상기 컨버터 회로의 출력에 연결되는 제 1 제어 입력 단자, 및 상기 dc 버스의 전류를 감지하는 센서에 연결되는 제 2 제어 입력 단자를 구비하고, 상기 스위치에 연결되고, 상기 인덕터의 제 2 단자에 연결된 출력 단자를 더 포함하고,
    상기 제어 회로는 클록 신호의 각 사이클에 상기 클록 신호에 의해서 리셋되고, 상기 제 1 제어 입력 단자에 제공된 신호를 입력으로서 수신하는 적분기를 구비하는 원 사이클 제어 회로를 포함하는 집적 회로.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 제어 회로의 출력을 수신하는 상기 스위치를 구동하는 게이트 드라이버를 더 포함하는 집적 회로.
  9. 제 7 항에 있어서,
    상기 스위치는 MOSFET 또는 IGBT 를 포함하는 것을 특징으로 하는 집적 회로.
  10. 제 7 항에 있어서,
    상기 부스트 컨버터 회로는 상기 제 1 제어 입력 단자로 출력 전압 감지 신호를 제공하기 위한 상기 컨버터의 출력간 전압 분배 회로를 포함하는 집적 회로.
  11. 제 7 항에 있어서,
    상기 부스트 컨버터 회로는 한 단자가 상기 제 2 입력 단자에 연결되는 감지 저항을 상기 dc 버스의 한 단에 포함하는 집적 회로.
  12. 제 7 항에 있어서,
    상기 하우징은 TO-220 또는 TO-247 패키지를 포함하는 집적 회로.
KR1020057011132A 2002-12-16 2003-12-15 집적된 전력 스위치 및 부스트 컨버터를 구비하는 원사이클 제어 연속 전도 모드 ｐｆｃ 부스트 컨버터 집적회로 KR100629159B1 (ko)

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