KR20060023221A - Bridgeless pfc circuit - Google Patents
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Abstract
본 발명은 역률개선회로 전단에 위치하여 교류입력을 정류하는 브릿지 정류기를 제거하고 교류입력이 가능한 역률개선회로를 구현함으로써 브릿지 정류기에서 발생하는 전력손실을 줄여 고효율 역률 개선이 가능하도록 설계한 브릿지리스 역률개선회로에 관련한 것으로 스위칭 소자 및 다이오드와 인덕터 및 콘덴서로 구성된다.The present invention is a bridgeless power factor designed to reduce the power loss generated in the bridge rectifier by improving the power factor by removing the bridge rectifier rectifying the AC input located in the front of the power factor improving circuit and implementing the power factor improving circuit capable of AC input. Related to the improvement circuit, it consists of a switching element, a diode, an inductor, and a capacitor.
브릿지 정류기는 60Hz 교류입력의 반주기 동안 두 배의 다이오드 순방향 전압강하와 입력전류의 곱으로 전력손실이 발생한다. 본 발명이 제시한 회로에서는 각각 교류입력 반주기씩을 담당하는 두개의 부스트 컨버터를 집적하여 브릿지 정류기 없이 교류입력이 가능하도록 구성되며, 기존의 부스트 컨버터에 스위칭 소자 한 개와 다이오드 한 개만을 추가함으로써 전력손실과 추가적인 부품비용을 최소화할 수 있도록 고안되었다.The bridge rectifier generates a power loss as a product of twice the diode forward voltage drop and the input current during the half cycle of a 60Hz AC input. In the circuit proposed by the present invention, two boost converters, each of which has an AC input half cycle, are integrated to enable AC input without a bridge rectifier, and by adding only one switching element and one diode to the existing boost converter, power loss and It is designed to minimize additional component costs.
브릿지리스, bridge-less, 역률개선, 역률보상, 부스트 컨버터, 고효율, SMPS, 전원공급장치, PFCBridgeless, bridge-less, power factor correction, power factor correction, boost converter, high efficiency, SMPS, power supply, PFC
Description
도 1은 승압형 컨버터을 이용한 일반적인 역률개선회로이다.1 is a general power factor improvement circuit using a boost converter.
도 2는 도 1의 일반적인 동작을 설명하기 위해 경계전류(BCM) 모드와 연속전류(CCM) 모드시의 인덕터 전류를 각각 나타내는 파형도이다.FIG. 2 is a waveform diagram illustrating inductor currents in the boundary current (BCM) mode and the continuous current (CCM) mode, respectively, to explain the general operation of FIG. 1.
도 3는 도 1의 부스트 컨버터를 이용하여 입력 반주기씩을 당담하는 두개의 컨버터를 집적하는 과정을 설명하기 위한 회로 구성도이다.FIG. 3 is a circuit diagram illustrating a process of integrating two converters corresponding to input half cycles using the boost converter of FIG. 1.
도 4은 본 발명에 의한 브릿지 정류기가 없이 교류입력이 가능한 역률개선회로이다.4 is a power factor improvement circuit capable of ac input without a bridge rectifier according to the present invention.
도 5는 도 4의 본 발명에 의한 브릿지리스 역률개선회로에서 두개의 인덕터를 하나의 인덕터로 집적한 역률개선회로이다. 5 is a power factor improvement circuit in which two inductors are integrated into one inductor in the bridgeless power factor improvement circuit according to the present invention of FIG. 4.
도 6는 도 4의 본 발명에 의한 회로의 동작을 설명하기 위해 정(+)의 반주기동안 게이트 신호에 따른 전류의 경로를 회로와 함께 도시하였다.FIG. 6 illustrates the path of the current according to the gate signal with the circuit for a positive half cycle to explain the operation of the circuit according to the present invention of FIG.
도 7는 도 4의 본 발명에 의한 회로의 동작을 설명하기 위해 부(-)의 반주기동안 게이트 신호에 따른 전류의 경로를 회로와 함께 도시하였다.FIG. 7 illustrates the path of the current according to the gate signal along with the circuit during the negative half period to explain the operation of the circuit according to the present invention of FIG. 4.
도 8는 도 4의 본 발명에 의한 경계전류 모드와 연속전류 모드의 인덕터 전류 파형을 도시하였다.FIG. 8 illustrates the inductor current waveforms of the boundary current mode and the continuous current mode according to the present invention of FIG. 4.
도 9는 도 4의 본 발명에 의한 브릿지리스 역률개선회로의 실시예를 나타내는 구성도이다.9 is a configuration diagram illustrating an embodiment of a bridgeless power factor improvement circuit according to the present invention of FIG. 4.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *Explanation of symbols on the main parts of the drawings
10 : 부스트 컨버터부20 : 출력전압 검출부10: boost converter unit 20: output voltage detection unit
30 : 입력전압 검출부40 : 인덕터전류 검출부30: input voltage detector 40: inductor current detector
50 : 비교 연산부100 : 브릿지리스 컨버터부50: comparison operation unit 100: bridgeless converter unit
S,S1,S2 : 스위칭 소자(MOSFET, 트랜지스터)D,D1,D2 : 다이오드S, S1, S2: Switching element (MOSFET, transistor) D, D1, D2: Diode
L,L1,L2 : 인덕터C,C1,C2 : 출력 콘덴서L, L1, L2: Inductor C, C1, C2: Output Capacitor
본 발명은 역률개선회로에 관한 것으로, 보다 상세하게는 브릿지 정류기와 부스트 컨버터로 구성되는 일반적인 역률개선회로에서 브릿지 정류기를 제거하여 손실을 최소화함으로써 고효율 전력 변환이 가능하게 하는 브릿지리스 역률개선회로에 관한 것이다.The present invention relates to a power factor improvement circuit, and more particularly, to a bridgeless power factor improvement circuit that enables high efficiency power conversion by minimizing losses by eliminating the bridge rectifier in a general power factor improvement circuit including a bridge rectifier and a boost converter. will be.
직류회로의 전력계산에서는 전압과 전류를 곱하기만 하면 되지만 교류회로의 전력계산에서는 전류, 전압이 동상인 경우를 제외하고는 반드시 전압과 전류의 실효치에 cosθ라는 계수를 곱해야 한다. 이 계수를 역률(power factor)이라고 하며 보통 p.f라 칭한다.In the power calculation of a DC circuit, you only need to multiply the voltage with the current. In the power calculation of the AC circuit, except for the case where the current and the voltage are in phase, the effective value of the voltage and the current must be multiplied by the coefficient cosθ. This coefficient is called the power factor and is commonly referred to as p.f.
전원에 연결된 부하는 순저항 성분으로 구성되는 경우는 희박하고, 용량성 부하나 유도성 부하를 가지게 되는데, 이로 인해 무효전력 손실이 발생한다. 특히 교류전원을 직류로 변환하여 사용하는 경우는 교류성분을 줄이기 위하여 평활용 콘덴서를 사용하게 되고, 이는 역률을 감소시키는 원인이 된다. 무효전력 손실을 줄이기 위해서 입력전압과 전류가 동위상에 가깝게 만드는 많은 종류의 역률개선회로가 사용되고 있으며, 특히 교류전원을 직류전압으로 변환하여 사용하는 장치에서는 승압형 컨버터, 즉 부스트 컨버터를 이용한 역률개선 방식을 많이 사용된다.The load connected to the power supply is rare in the case of the pure resistance component, and has a capacitive load or an inductive load, which causes reactive power loss. In particular, when converting an AC power source into a direct current, a smoothing capacitor is used to reduce an AC component, which causes a reduction in power factor. In order to reduce the reactive power loss, many kinds of power factor correction circuits are used, which make the input voltage and current close to the same phase. Especially, the power factor improvement using boost type converter, that is, boost converter, is used in the device that converts AC power into DC voltage. The method is used a lot.
일반적으로, 부스트 컨버터(Booster converter)의 역률개선을 위한 제어방식은 인덕터에 흐르는 전류의 모양에 따라 불연속전류 모드(DCM ; Discontinuous Conduction Mode), 경계전류 모드(BCM ; Boundary Conduction Mode) 그리고 연속전류 모드(CCM ; Continuous Conduction Mode)와 같이 크게 세 가지로 나눌 수 있다.In general, a control method for improving the power factor of a boost converter includes discontinuous conduction mode (DCM), boundary current mode (BCM), and continuous current mode depending on the shape of the current flowing through the inductor. Like (CCM; Continuous Conduction Mode), it can be classified into three types.
일반적으로 부가적인 회로가 추가되지 않은 간단한 형태의 부스트 컨버터에서 불연속전류 모드는 영전류 스위칭이 가능한 반면 큰 피크 전류가 발생하며, 영전압 스위칭이 불가능하다. 경계전류 모드는 영전류 스위칭이 가능하고, 영전압 스위칭이 가능하며, 불연속전류 모드에 비해 작은 피크 전류를 가지는 장점이 있으나, 영전압 스위칭이 매우 협소한 범위로 제한되고 연속 전류 모드에 비해서는 큰 전류 피크를 가진다. 연속 전류 모드는 가장 작은 전류 피크를 가지는 장점이 있으나, 영전압 및 영전류 스위칭이 불가능하며 이로 인한 스위칭 손실과 노이즈를 발생시키는 단점이 있다.In general, in simple boost converters with no additional circuitry, discontinuous current mode allows zero current switching, while large peak currents occur, and zero voltage switching is not possible. Boundary current mode is capable of zero current switching, zero voltage switching, and has the advantage of having a small peak current compared to discontinuous current mode, but zero voltage switching is limited to a very narrow range and is larger than continuous current mode. Has a current peak. Continuous current mode has the advantage of having the smallest current peak, but zero voltage and zero current switching is impossible and there is a disadvantage that generates switching losses and noise.
도 1은 부스트 컨버터을 이용한 일반적인 역률개선회로의 구성도이다.1 is a block diagram of a general power factor improvement circuit using a boost converter.
도 1에서와 같이, 역률개선회로는 브릿지 정류기(BD)와 부스트 컨버터부(10), 출력전압 검출부(20), 입력전압 검출부(30), 전류 검출부(40), 그리고 비교 연산부(50)로 구성된다.As shown in FIG. 1, the power factor improving circuit is connected to the bridge rectifier BD, the
도 2는 도 1의 일반적인 동작을 설명하기 위해 불연속전류 모드와 연속전류 모드시의 인덕터 전류를 각각 나타내는 파형도이다.FIG. 2 is a waveform diagram illustrating inductor currents in the discontinuous current mode and the continuous current mode, respectively, to explain the general operation of FIG. 1.
도 2를 참조하면, 브리지 정류기 출력의 한주기(1/120Hz) 동안의 스위칭 소자 게이트 신호의 변화에 따른 인덕터 전류 파형을 통해 각각의 모드시 역률개선회로의 동작을 이해할 수 있다. 인덕터 전류는 모두 브릿지 정류기를 통해 공급되고, 브릿지 정류기는 정(+) 또는 부(-)의 입력 반주기 동안 내부의 4개의 다이오드중 2개의 다이오드가 동시에 턴온 상태를 유지함으로 도 2의 인덕터 전류와 2배의 브릿지 정류기 순방향 전압강하의 곱으로 손실이 발생하게 된다. 이는 역률개선회로에서 발생하는 도전성 전력손실의 큰 부분을 차지함으로 고효율 역률개선 및 전력변환에 장애 요인이 되고 있다.Referring to FIG. 2, it is possible to understand the operation of the power factor correction circuit in each mode through the inductor current waveform according to the change of the switching element gate signal during one period (1/120 Hz) of the bridge rectifier output. All of the inductor current is supplied through the bridge rectifier, which is the same as the inductor current of FIG. 2 and 2 of the four internal diodes are simultaneously turned on during the positive or negative input half period. The loss occurs as a product of the double bridge rectifier forward voltage drop. This accounts for a large part of the conductive power loss generated in the power factor correction circuit, which is a barrier to high efficiency power factor improvement and power conversion.
본 발명의 기술과 과제는 이러한 종래의 단점을 해결하기 위한 것으로, 60Hz 교류입력의 정(+)의 반주기를 담당하는 부스트 컨버터와 부(-)의 반주기를 담당하는 부스트 컨버터를 집적시킴으로써, 역률개선회로에 브릿지 정류기를 사용하지 않고 교류입력 전원에 직접 연결되도록 구성하여, 불연속전류 모드 및 경계전류 모드 또는 연속전류 모드의 각 동작 모드에 관계없이, 기존의 역률개선회로가 가지는 도전성 전력손실을 개선하고자 하는 것이다.SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made to solve the above shortcomings, by integrating a boost converter for a positive half period of a 60 Hz AC input and a boost converter for a negative half period of a 60 Hz AC input, thereby improving the power factor. It is designed to be connected directly to AC input power without using bridge rectifier in the circuit, so as to improve the conductive power loss of existing power factor improving circuit regardless of each operation mode of discontinuous current mode, boundary current mode or continuous current mode. It is.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징인 브릿지리스 역률개선회로는, 자기 에너지를 저장하는 인덕터(L1,L2)와 전류의 도통구간을 제한하는 두개의 스위칭 소자(S1,S2), 환류전류를 순환시키는 두개의 다이오드(D1,D2), 그리고, 전하를 충전시키고 출력전압을 평활하는 출력 콘덴서(C)로 구성된다.Bridgeless power factor improvement circuit which is a feature of the present invention for achieving the above object, the inductor (L1, L2) for storing the magnetic energy, two switching elements (S1, S2) for limiting the conduction section of the current, the reflux current It consists of two diodes (D1, D2) for circulating and an output capacitor (C) for charging the charge and smoothing the output voltage.
도 4은 본 발명에 의한 브릿지 정류기가 없이 교류입력이 가능한 역률개선회로이다.4 is a power factor improvement circuit capable of ac input without a bridge rectifier according to the present invention.
도 5는 도 4의 본 발명에 의한 브릿지리스 역률개선회로에서 두개의 인덕터(L1,L2)를 하나의 인덕터(L)로 집적한 역률개선회로이다. 상기 인덕터(L1, L2)는 모든 동작 상태에 있어서 동일한 전류 경로상에 존재하므로 하나의 인덕터(L)로 집적시킬 수 있고, 교류입력의 어느쪽에 위치하여도 같은 기능을 수행한다.FIG. 5 is a power factor improvement circuit in which two inductors L1 and L2 are integrated into one inductor L in the bridgeless power factor improvement circuit of FIG. 4. Since the inductors L1 and L2 exist on the same current path in all operating states, the inductors L1 and L2 may be integrated into one inductor L and perform the same function in either side of the AC input.
상기 역률개선회로의 동작은 60Hz 교류입력의 정(+)의 반주기 동안 스위칭 소자(S1,S2)의 게이트 신호가 턴온 일때, 두개의 스위칭 소자는 도통 상태이므로 입력전압은 인덕터(L) 양단에 인가되어 인덕터 전류를 상승시키고, 이를 통해 인덕터에 저장된 에너지는 스위칭 소자의 게이트 신호가 턴오프 되는 동안 회로상단의 다이오드(D1)와 스위칭 소자(S2)의 바디 다이오드를 통해 출력 콘덴서(C)에 공급되면서 인덕터의 전류는 감소된다. 역률개선회로는 정의 반주기 동안 상기 동작을 반복하게 된다. 부(-)의 반주기 동안에는 스위칭 소자(S1,S2)의 게이트 신호가 턴온 일때, 두개의 스위칭 소자는 도통 상태가 되고, 정(+)의 반주기 동안과는 반대방향의 전압이 인덕터(L) 양단에 인가된다. 그러므로, 인덕터 전류는 부의 방향으로 상승하게 되고, 스위칭 소자가 턴오프 되는 동안 회로하단의 다이오드(D2)와 스위칭 소자(S1)의 바디 다이오드를 통해 출력 콘덴서(C)에 공급된다. 역률 보상회로는 정(+)과 부(-)의 반주기 동안 상기 동작을 반복하고, 그 결과 입력전압에 비례하는 인덕터 전류가 출력 콘덴서(C)를 충전함으로써 직류 전압을 얻는 방법으로 역률개선이 이루어진다.The operation of the power factor improvement circuit is that when the gate signals of the switching elements S1 and S2 are turned on during the positive half period of the 60 Hz AC input, since the two switching elements are in a conductive state, an input voltage is applied across the inductor L. To increase the inductor current, and the energy stored in the inductor is supplied to the output capacitor C through the diode D1 and the body diode of the switching element S2 at the top of the circuit while the gate signal of the switching element is turned off. The current in the inductor is reduced. The power factor improvement circuit repeats the operation for a positive half cycle. During the negative half period, when the gate signals of the switching elements S1 and S2 are turned on, the two switching elements are in a conductive state, and a voltage opposite to the positive half period is opposite the inductor L. Is applied to. Therefore, the inductor current rises in the negative direction and is supplied to the output capacitor C through the diode D2 at the bottom of the circuit and the body diode of the switching element S1 while the switching element is turned off. The power factor correction circuit repeats the above operation during the positive and negative half periods, and as a result, the power factor improvement is performed in such a manner that an inductor current proportional to the input voltage obtains a DC voltage by charging the output capacitor C. .
도 8는 도 4의 본 발명에 의한 경계전류 모드와 연속전류 모드의 인덕터 전류파형을 도시하였다. 도 2에서의 일반적인 역률개선회로의 전류파형은 브릿지 정류기를 거치기 때문에 같은 모양의 반주기 전류가 반복되지만, 브릿지리스 역률개선회로의 인덕터 전류는 정(+)과 부(-)의 반주기 동안 대칭되는 전류파형을 가진다.FIG. 8 illustrates the inductor current waveforms of the boundary current mode and the continuous current mode according to the present invention of FIG. 4. Since the current waveform of the general power factor improvement circuit in FIG. 2 passes through the bridge rectifier, the half cycle current of the same shape is repeated, but the inductor current of the bridgeless power factor improvement circuit is symmetrical for the positive and negative half periods. Has a waveform.
그러면, 본 발명의 실시예에 관해 도면을 참조하여 설명하기로 한다.An embodiment of the present invention will now be described with reference to the drawings.
도 9는 본 발명에 의한 브릿지리스 역률개선회로의 실시예를 나타내는 구성도이다. 상기 보상회로는 컨버터부(100), 출력전압 검출부(20), 입력전압 검출부(30), 전류 검출부(40), 그리고, 비교 연산부(50)를 포함한다.9 is a configuration diagram showing an embodiment of a bridgeless power factor improvement circuit according to the present invention. The compensation circuit includes a
우선, 정(+)의 교류전원이 인가되고 스위칭 소자(S1, S2)가 턴온되면 인턱터 양단에는 입력전압이 인가되어 인덕터 전류를 선형적으로 증가시킨다. 스위칭 소자(S1, S2)의 턴온기간은 전류 검출부(40)에서 검출된 전류값이 비교 연산부(50)가 가지는 전류명령과 같아지는 시간동안이 되며, 상기 전류명령은 현재의 입력전압과 현재의 출력전압의 함수로 결정된다.First, when a positive AC power is applied and the switching elements S1 and S2 are turned on, an input voltage is applied across the inductor to linearly increase the inductor current. The turn-on period of the switching elements S1 and S2 is for a time when the current value detected by the
전류 검출부(40)의 인덕터 전류값이 비교 연산부(50)의 전류명령과 같아지는 순간 스위칭 소자(S1, S2)가 턴오프 되고, 인덕터에 흐르던 전류는 다이오드(D1)과 스위칭 소자(S2)의 바디 다이오드를 통해 출력 콘덴서로 흐르게 되어 전력을 공급하게 된다. 도 6에서 상기 동작에 따른 전류의 흐름을 도시하였다.As soon as the inductor current value of the
부(-)의 교류전원이 인가되는 60Hz의 반주기 동안에도 상기 동작은 동일하게 일어난다. 다만 인덕터(L)에 인가되는 전압이 정(+)의 전압인가 시와는 반대이므로, 선형적인 인덕터 전류의 증가는 반대방향이 되고, 스위칭 소자(S1,S2)가 턴오프 될때 인덕터에 흐르던 전류는 다이오드(D2)와 스위칭 소자(S1)의 바디 다이오드를 통해 출력 콘덴서(C)로 흐르게 된다. 도 7는 부(-)의 입력전압이 인가될 때의 전류 흐름을 나타낸다.The same operation takes place even during a half cycle of 60 Hz when a negative AC power is applied. However, since the voltage applied to the inductor L is opposite to that of applying the positive voltage, the linear inductor current increases in the opposite direction, and the current flowing in the inductor when the switching elements S1 and S2 is turned off. Flows to the output capacitor C through the body diode of the diode D2 and the switching element S1. 7 shows the current flow when a negative input voltage is applied.
일반적인 역률개선 제어기의 경우 브릿지 정류기를 사용하기 때문에 역방향의 입력전압 신호나 전류신호를 비교 처리할 수 없다. 그러므로, 브릿지리스 역률개선회로에 적합한 전용 제어기를 설계하는 것이 바람직하다.In general, the power factor correction controller uses a bridge rectifier, so it is not possible to compare and reverse input voltage signals or current signals. Therefore, it is desirable to design a dedicated controller suitable for a bridgeless power factor improvement circuit.
기존의 역률개선회로용 제어기를 사용할 경우에는 출력 콘덴서(c)의 음극을 영전압의 기준으로 사용하면, 출력전압 신호는 쉽게 검출할 수 있고, 스위칭 소자(S1)의 소스와 영전위 사이 그리고 스위칭 소자(S2)의 소스와 영전위 사이에 전류측정용 저항을 각각 삽입하여 두 저항의 전압을 각각의 다이오드를 통해서 입력 받으면 기존 제어기에서 사용하는 전류 신호를 생성할 수 있다. 그리고, 입력전압 신호의 경우도 소형 브릿지 정류기를 사용하여 생성하거나, 절연타입의 트라이악과 다이오드를 조합하면 기존의 제어기에 적합한 입력전압 신호를 생성할 수 있다. 그러므로, 본 발명에 의한 브릿지리스 역률개선회로를 기존의 역률개선 제어기를 사용하여 구성하는 것도 가능하다.In the case of using the conventional power factor improving circuit controller, if the negative electrode of the output capacitor (c) is used as a reference of zero voltage, the output voltage signal can be easily detected, between the source and the zero potential of the switching element S1 and switching. When a current measuring resistor is inserted between the source and the zero potential of the device S2 and the voltages of the two resistors are input through the respective diodes, current signals used in the existing controller can be generated. In the case of the input voltage signal, a small bridge rectifier may be used, or an insulated triac and a diode may be combined to generate an input voltage signal suitable for an existing controller. Therefore, it is also possible to configure the bridgeless power factor improvement circuit according to the present invention using an existing power factor improvement controller.
본 발명은 교류 입력전압을 정류하는 브릿지 정류기를 사용하지 않고 교류 입력전원에 직접 연결되는 역률개선회로를 제공한다. 이러한 방식의 역률개선회로는 브릿지 정류기에서 발생하는 전력손실을 제거할 수 있기 때문에 전력변환 효율을 크게 향상시킬 수 있고, 또한 전력손실이 야기하는 발열현상이 개선되므로 방열대책이 용이하며, 높은 집적도가 요구되는 제품의 전원설계를 용이하게 하는 이점이 있다.
The present invention provides a power factor improvement circuit directly connected to an AC input power source without using a bridge rectifier for rectifying an AC input voltage. The power factor correction circuit of this type can eliminate the power loss generated in the bridge rectifier, thereby greatly improving the power conversion efficiency, and also improving heat generation caused by the power loss. There is an advantage in facilitating the power design of the required product.
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