KR20060026701A - 역률 보상 회로 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 입력 전류의 왜곡을 보상하는 역률 보상 회로에 관한 것이다. 본 발명에 따르면, 스위치가 턴온시에 인덕터의 2차측 권선에 유도되는 전압이 입력전압의 크기 정보를 가지고 있는 점을 이용하여 상기 2차측 권선에 유도되는 전압에 따라 스위치의 턴온기간을 조절한다. 여기서, 입력전압이 큰 경우에는 스위치의 턴온기간을 줄이고 입력전압이 작은 경우에는 스위치의 턴온기간을 늘린다. 즉, 입력전압을 감지하기 위해 별도의 회로를 추가하지 않은 상태에서 인덕터 2차측 권선에 유도되는 전압에 따라 스위치의 턴온기간을 조정함으로써 입력 전류의 왜곡을 보상할 수 있다.
PFC, THD, 역률

Description

역률 보상 회로{Power Factor Correction Circuit}
도 1은 일반적인 임계 전류 모드의 역률 보상 회로를 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 2는 도 1의 역률 보상 회로에서 인덕터를 통해 흐르는 전류, 인덕터 2차측 권선에 걸리는 전압, 스위치에 입력되는 게이트 신호 및 실제 전류를 나타내는 도면이다.
도 3은 도 1과 같은 일반적인 역률 보상 회로에서 입력 전류를 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명의 제1 실시예에 따른 역률 보상 회로를 나타내는 도면이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 램프 발생기의 내부 구성을 나타낸 도면이다.
도 6은 입력 전압에 따른 램프 파형과 및 스위치의 턴온 기간을 나타내는 도면이다.
도 7은 본 발명의 제2 실시예에 따른 역률 보상 회로를 나타내는 도면이다.
도 8은 본 발명의 제3 실시예에 따른 역률 보상 회로를 나타내는 도면이다.
도 9는 본 발명의 제3 실시예에 따른 역률 보상 회로에서 인덕터에 흐르는 전류가 지연회로에 의해 증가됨을 나타내는 도면이다.
도 10은 본 발명의 제1 실시예에 따른 역률 보상 회로의 응용예를 나타내는 도면이다.
본 발명은 역률 보상 회로에 관한 것으로서, 특히 입력 전류의 왜곡을 보상하는 역률 보상 회로에 관한 것이다.
최근 EN61000-3-2와 같은 전류 하모닉(harmonic) 규제에 의해 대부분의 스위칭 모드 파워 서플라이(Switching Mode Power Supply, 'SMPS')에 역률 보상 회로를 사용하고 있다. SMPS는 입력되는 공급 전압을 하나의 이상의 직류 출력 전압으로 변환하는 장치로서, 이동 전화, 랩탑 컴퓨터 등과 같은 파워 공급 장치들에 주로 사용된다. 이러한 SMPS에서, 입력 전류가 입력 전압을 추종하도록 하여 역률을 보상하는 역률 보상 회로가 사용된다. 즉, 역률 보상 회로는 외부에 인가되는 입력 전압에 입력 전류가 추종되도록 함과 동시에 입력되는 교류(AC) 전압을 일정한 직류(DC) 전압으로 출력하는 회로이다.
이러한 역률 보상 회로는 인덕터를 포함하고 있는데, 인덕터를 통해 흐르는 전류의 상태에 따라 여러 가지 모드가 존재한다. 연속 전도 모드(Continuous Conduction Mode)는 인덕터를 통해 흐르는 연속적인 상태를 말하며, 불연속 전도 모드(Discontinuous Conduction Mode)는 인덕터를 통해 흐르는 전류가 0A가 되는 지점이 존재하여 전류가 불연속적인 상태를 말한다. 한편, 임계 전류 모드 (Critical Conduction Mode)는 연속 전도 모드와 불연속 전도 모드의 경계 지점에서 동작하는 모드로서, 인덕터를 통해 흐르는 전류가 0A가 된 후 바로 인덕터를 통해 흐르는 전류가 증가하는 모드이다. ST L6561이 가장 잘 알려져 있는 임계 전류 모드의 역률 보상 회로의 IC이며, 그밖에 FAN7527B, TDA4862, TDA4863, MC33260, MC33262, UC3852, SG6561 등도 임계 전류 모드의 역률 보상 회로의 IC들이다.
도 1은 일반적인 임계 전류 모드의 역률 보상 회로를 개략적으로 나타내는 도면이며, 도 2는 도 1의 역률 보상 회로에서 인덕터(L1)를 통해 흐르는 전류(IL1), 2차측 권선(L2)에 걸리는 전압(VZCD), 스위치(Qsw)에 입력되는 게이트 신호 및 실제 전류를 나타내는 도면이다. 한편, 도 3은 도 1과 같은 일반적인 역률 보상 회로에서 입력 전류를 나타내는 도면이다. 이하에서는 도 1 내지 도 3을 참조하여 일반적인 임계 전류 모드의 역률 보상 회로의 동작과 이때 발생되는 전체 하모닉 왜곡(Total Harmonic Distortion, 이하 'THD'라 함)에 대해서 알아본다.
도 1을 참조하면, 먼저 입력 교류 전압(AC)은 브리지 다이오드(BD)에 의해 전파 정류되며, 이러한 전파 정류 전압은 저항 (R1, R2)에 의해 감지되어 곱셈기(20)에 입력된다. 곱셈기(20)에 입력되는 감지된 전파 정류 전압은 비교기(Amp1)의 출력과 곱해져서 비교기(Amp2)의 반전단자(-)에 입력된다. 한편, 스위치(Qsw)를 통해 흐르는 전류는 저항(Rsense)에 의해 감지되어 감지된 전압(Vsense)은 비교기(Amp2)의 비반전단자(+)에 입력되며, 비교기(Amp2)는 곱셈기(20)의 출력과 감지된 전압(Vsense)을 비교하여 스위치(Qsw)를 통해 흐르는 전류가 곱셈기(20)에서 출 력되는 기준 전류가 되는 지점에서 스위치(Qsw)를 턴오프시키는 신호를 플립플롭(10)의 리셋 단자(R)에 출력한다. 이에 따라 플립플롭(FF)은 출력단자(Q)에 로우신호(Low)를 출력하여 스위치(Qsw)를 턴오프시킨다. 여기서, 인덕터(L1)의 2차측 권선(L2)을 통해 인덕터(L1)에 흐르는 전류가 0(zero)이 되는 지점을 감지한다. 2차측 권선(L2)를 통해 인덕터(L1)에 흐르는 전류가 0(zero)이 되는 지점이 감지된 경우 플립플롭(10)의 셋단자(S)가 하이신호(High)가 되어 출력단자(Q)에 하이신호(High)가 출력되며, 이에 따라 스위치(Qsw)가 턴온된다. 이와 같이 인덕터(L1)에 흐르는 전류가 0이 되는 지점에서 스위치(Qsw)가 턴온되며 인덕터(L1)에 흐르는 전류가 비교기(Amp2)에 반전단자(-)에 입력되는 기준전류가 되는 지점에서 스위치(Qsw)가 턴오프되어, 입력전류가 입력 전압을 추종하게 되며 임계 전도 모드(Critical Conduction Mode)로 동작하게 된다.
그러나, 이상적으로는 역률 보상 회로에 의해 입력 전류가 입력 전압과 같은 형태인 정현파(Sine) 형태로 되어야 하나 인덕터(L1)를 통해 흐르는 전류가 0이 되는 지점을 감지하는데 걸리는 지연시간(이하, '영전류 감지 지연시간'이라 함)이 존재하여 정확하게 정현파 형태로 되지 않는다. 대부분의 임계 전류 모드의 역률 보상 회로는 도 1과 같이 인덕터의 2차측 권선(L2)을 통해 인덕터(L1)에 흐르는 전류가 0이 되는 지점을 감지한다. 그러나 이러한 경우 도 2에 나타낸 바와 같이 인덕터(L1)의 전류(IL1)가 0(Zero)이 된 후 스위치(Qsw)가 턴온되기 전까지 지연 시간 즉, 영전류 감지 지연시간이 존재하게 된다. 도 2 참조하면, 스위치(Qsw)가 턴온되는 경우 도 2의 (a)와 같이 전류(IL1)가 직선 기울기로 상승하며 이때 인덕터 (L2)에 걸리는 전압(VZCD)은 -n*Vin(여기서 n은 트랜스포머의 권선비를 의미함)이 된다. 한편, 스위치(Qsw)가 턴오프되는 경우 전류(IL1)가 음의 기울기로 하강하며 전압(VZCD)은 n*(Vout-Vin)이 된다. 이때, 전류(IL1)가 0이 되는 지점에서 스위치(Qsw)가 턴온되어야 하나 영 전류 감지 지연시간 동안에, 스위치(Qsw)로 사용되는 MOSFET의 접합 커패시터(Coss)와 인덕터(L1)사이에 공진 전류가 형성되므로 전류(IL1)가 음(negative) 값으로 내려간다. 왜냐하면, 스위치(Qsw)가 턴오프인 경우 커패시터(Coss) 전압이 Vout이 되며 일반적으로 Vout이 Vin보다 높게 설정되므로, 전류(IL1)가 음의 값으로 내려간다. 여기서, 스위치(Qsw)에 병렬로 연결되어 있는 커패시터(Coss)는 MOSFET의 접합 커패시턴스를 나타내며, 다이오드(Db)는 바디 다이오드를 나타낸다. 공진 전류가 전류(IL1)가 계속하여 음의 전류로 내려가 전압(VZCD)이 기준 전압(Vth) 보다 낮게 되는 지점에서 플립 플롭(10)의 셋단자(S)로 하이신호(High)가 입력되어 스위치(Qsw)가 턴온된다.
이러한 음의 전류로 인해 도 2의 (d)에 나타낸 바와 같이, 실제 인덕터(IL1)에 흐르는 전류(c)는 원하고자 하는 전류(a)에서 음의 전류(b)를 뺀 전류가 되어 감소하게 된다. 한편, 음의 전류의 피크 값(INEG)은 아래의 수학식 1의 관계가 성립한다.
Figure 112004042885184-PAT00001
수학식 1에서, Vout은 출력전압을 나타내며 Vin은 전파 정류된 입력전압을 나타낸다. 수학식1에서 알 수 있듯이 음의 전류의 피크 값(INEG)은 출력 전압(Vout)과 입력 전압(Vin)의 차이에 비례함을 할 수 있다. 인덕터(L1) 및 커패시터(Coss)가 고정된 값이고 Vout이 고정된 값이므로, 음의 출력 전류(INEG)는 입력 전압(Vin)에 반비례한다. 따라서, 입력 전압(Vin)이 낮은 전압일수록 전류(IL1)는 더욱더 음의 값으로 낮아진다. 즉, 입력 전압(Vin)이 영의 전압을 지나는 지점에서 음의 전류의 피크 값(INEG)은 더욱 커진다. 이로 인해 도 3에 나타낸 바와 같이 입력 전류는 0(zero)부근에서 왜곡(zero crossing distortion)이 발생한다. 한편, 도 3에 나타낸 입력 전류는 정류하기 전의 전류로서 교류 입력전압(AC)에 대응하는 전류를 나타낸다.
이러한 왜곡을 향상시키기 위한 종래의 방법으로는 미국특허번호 US 6,128,205가 있다. 미국특허번호 US 6,128,205에서는 입력 전압이 영(zero)이 되는 지점에서 인덕터(L1)에 흐르는 전류(IL1)를 더욱 증가시키기 위해 스위치를 턴오프하는데 기준이 되는 정류된 입력 전압 정보를 수정하는 방법을 사용한다. 즉, 도 1에서 저항(R2)에 걸리는 전압을 별도의 회로를 통해 클램핑하여 곱셈기(10)에 입력한다. 이러한 수정된 정류된 입력 전압으로 인해 입력 전류가 0(zero)되는 부근에서의 왜곡을 보상한다. 그러나, 이러한 종래의 방법은 정류된 입력 전압을 수정하기 위해 별도의 회로(다수의 저항 등을 포함함)가 필요하며 이는 비용이 많이 소요될 뿐만 아니라 다수의 저항으로 인해 전력이 소모되는 문제점이 있다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 상기한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로 다수의 저항과 같은 별도의 회로 없이 입력 전류의 왜곡을 줄이는 역률 보상 회로를 제공하기 위한 것이다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징에 따른 역률 보상 회로는
입력단에 제1 단이 전기적으로 연결되는 제1 인덕터 및 상기 제1 인덕터의 제2 단에 전기적으로 연결되는 스위치를 포함하며, 상기 제1 인덕터에 흐르는 전류가 양에서 영이 된 후에 상기 스위치가 턴온되는 역률 보상 회로에 있어서,
상기 제1 인덕터와 커플링되어 상기 제1 인덕터에 의해 유도되는 전압이 형성되는 제2 권선; 및
상기 제2 권선에서 유도되는 전압 및 상기 역률 보상 회로의 출력단의 출력전압에 대응하는 제1 전압을 각각 입력받으며, 상기 스위치가 턴온된 경우에 상기 제2 권선에 유도되는 제2 전압에 대응하여, 상기 스위치의 턴온기간을 조절하도록 제어하는 스위칭 제어부를 포함한다. 여기서, 상기 스위치의 턴온기간은 상기 제2 전압이 음으로 큰 경우보다 작은 경우에 더욱 길도록 조절된다.
본 발명의 다른 특징에 따른 역률 보상 회로는
입력단에 제1 단이 전기적으로 연결되는 제1 인덕터 및 상기 제1 인덕터의 제2 단에 전기적으로 연결되는 스위치를 포함하며, 상기 제1 인덕터에 흐르는 전류가 양에서 영(zero)이 된 후에 상기 스위치가 턴온되는 역률 보상 회로에 있어서,
상기 제1 인덕터와 커플링되어 상기 제1 인덕터에 의해 유도되는 전압이 형성되는 제2 권선; 및
상기 입력단의 입력전압에 대응하는 제1 전압, 상기 제2 권선에서 유도되는 전압 및 상기 역률 보상 회로의 출력단의 출력전압에 대응하는 제2 전압을 입력받고, 상기 스위치가 턴온되는 경우에 상기 제1 전압에 대응하여 기울기가 변동되는 램프 파형 전압을 발생시켜 상기 스위치의 턴온기간을 조절하도록 제어하는 스위칭 제어부를 포함한다. 여기서, 상기 턴온기간은 상기 제1 전압이 큰 경우보다 작은 경우에 더욱 길도록 조절된다.
본 발명의 또 다른 특징에 따른 역률 보상 회로는
입력단에 제1 단이 전기적으로 연결되는 제1 인덕터 및 상기 제1 인덕터의 제2 단에 전기적으로 연결되는 스위치를 포함하며, 상기 제1 인덕터에 흐르는 전류가 양에서 영(zero)이 된 후에 상기 스위치가 턴온되는 역률 보상 회로에 있어서,
상기 제1 인덕터와 커플링되어 상기 제1 인덕터에 의해 유도되는 전압이 형성되는 제2 권선; 및
상기 입력단의 입력전압에 대응하는 제1 전압, 상기 제2 권선에서 유도되는 전압 및 상기 역률 보상 회로의 출력단의 출력전압에 대응하는 제2 전압을 입력받고, 상기 제1 전압에 따라 상기 스위치를 턴온시키도록 하는 제1 신호를 지연시켜 상기 스위치의 턴온기간을 조절하도록 제어하는 스위칭 제어부를 포함한다. 여기서, 상기 제1 신호의 지연시간은 상기 제1 전압이 높은 경우보다 낮은 경우에 더욱 길도록 조절된다.
아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였다. 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 붙였다.
이제 본 발명의 실시예에 따른 역률 보상 회로 및 그 입력 전류 왜곡 보상 방법에 대하여 도면을 참고로 하여 상세하게 설명한다.
도 4는 본 발명의 제1 실시예에 따른 역률 보상 회로를 나타내는 도면이다.
도 4에 나타낸 바와 같이 본 발명의 제1 실시예에 따른 역률 보상 회로는 브리지 다이오드(BD)와, 인덕터(L1), 스위치(Qsw), 다이오드(D1) 및 커패시터(C1)로 구성된 부스트 회로와, 스위칭 제어부(100)를 포함한다. 이하에서는 편의상 인덕터(L1), 스위치(Qsw), 다이오드(D1) 및 커패시터(C1)를 포함하여 '부스트 회로'라 칭한다.
브리지 다이오드(BD)는 외부에서 입력되는 교류 전압(AC)을 정류하여 전파 정류 전압(Vin)을 출력한다. 스위칭 제어부(100)는 센싱된 출력 전압(Vout') 및 인덕터(L1)의 2차측 권선(L2)을 통해 유도되는 전압(VZCD)을 입력받아 스위치(Qsw)의 턴온/턴오프를 제어하는 제어신호를 생성하며, 스위칭 제어부(100)의 제어신호에 의해 스위치(Qsw)가 턴온/턴오프되어 부스트 회로의 커패시터(C1)에 일정한 직류 전압(Vout)이 출력된다. 여기서, 본 발명의 제1 실시예에 따른 역률 보상 회로는, 스위치(Qsw)의 턴온시 전압(VZCD)이 도 2의 (b)와 같이 -n*Vin이 됨을 이용하여 스위치(Qsw)의 턴온 기간을 입력 전압(Vin)에 따라 달리 설정함으로써 입력 전류의 왜곡을 보상한다. 이에 대한 구체적 방법은 아래에서 설명한다. 전파 정류 전압(Vin)은 입력되는 교류 전압(AC)을 전파 정류한 값이므로 교류 입력 전압(AC)은 전파 정류 전압(Vin)과 동일한 크기를 가지므로 이하에서는 '입력 전압'이라는 용어는 전파 정류 전압(Vin)의 의미로 사용한다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 역률 보상 회로는 출력 전압(Vout)을 피드백 시키기 위해 출력 전압(Vout)을 센싱하는 저항(R3, R4)을 더 포함한다. 저항(R3, R4)은 서로 직렬로 연결되어 커패시터(C1)의 일단과 접지 사이에 연결되며, 저항(R4)에 걸리는 센싱된 출력 전압(Vout')이 스위칭 제어부(100)에 입력된다.
부스트 회로에서 인덕터(L1)의 일단은 브리지 다이오드(BD)의 출력에 연결되며 타단은 다이오드(D1)의 애노드에 연결된다. 다이오드(D1)의 캐소드는 커패시터(C1)의 일단에 연결되며, 커패시터(C1)의 타단은 접지에 연결된다. 스위치(Qsw)의 드레인 단자는 인덕터(L1)와 다이오드(D1)의 접점에 연결되고 소스 단자는 접지에 연결되며 게이트 단자는 스위칭 제어부(100)의 출력단자에 연결된다. 그리고, 2차측 권선(L2)는 인덕터(L1)와 트랜스포머를 형성하며, 이러한 트랜스포머의 연결을 통해 권선(L2)은 인덕터(L1)를 통해 흐르는 전류(IL1)가 0(zero)이 되는 지점을 감지하는데 사용되며, 전압(VZCD)이 스위칭 제어부(100)에 입력된다. 여기서, 본 발명의 제1 실시예에서는 스위치(Qsw)가 턴온시에 인덕터(L1)에 걸리는 전압이 Vin이 되고 이에 따라 2차측 권선(L2)에 유도되는 전압(VZCD)이 -n*Vin(여기서, n은 트랜스포머의 권선비를 의미함)이 되는 점을 이용하여, 전압(VZCD)을 스위치(Qsw)의 턴온을 수행하는데 사용할 뿐 만 아니라 스위치(Qsw)의 턴온 기간을 조절하는데 사용한다. 한편, 전압(VZCD)과 플립플롭(FF)의 셋단자(R)사이에는 전압(VZCD)이 기준전압(Vth)보다 낮아지게 되는 지점을 결정하는 별도의 비교기(도시하지 않았음)가 연결되나 도 4에서는 편의상 생략하였으며, 이에 대해서는 당업자라면 알 수 있는바 구체적 설명은 생략한다.
한편, 스위치(Qsw)의 소스 단자와 접지 사이에 스위치(Qsw)를 통해 흐르는 전류를 감지하는 감지 저항(Rsense)이 연결된다. 도 4에서 스위치(Qsw)를 MOSFET으로 나타내었지만 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니며 바이폴라 트랜지스터 등 다른 스위칭 소자를 사용할 수 있다. 그리고, 도 4에서 스위치(Qsw)의 드레인단자와 소스단자에 병렬로 연결되어 있는 커패시터(Coss) 및 다이오드(Db)는 각각 MOSFET의 접합 커패시턴스 및 바디 다이오드를 나타낸다.
본 발명의 제1 실시예에 따른 역률 보상 회로의 스위칭 제어부(100)는 플립 플롭(120), 비교기(Amp1), 비교기(Amp3) 및 램프 발생기(140)를 포함한다.
비교기(Amp1)의 비반전단자(+)에는 기준전압(Vref)이 입력되고 반전단자(-)에는 센싱된 출력 전압(Vout')이 입력되며, 비교기(Amp1)는 양 전압을 비교하여 대응하는 출력전압(Vaeo)을 출력한다. 역률 보상 회로는 일반적으로 일정한 출력전압(Vout)을 출력하므로 비교기(Amp1)의 출력(Vaeo)은 일정한 값이 된다. 비교기(Amp3)의 반전단자(-)에는 비교기(Amp1)의 출력전압(Vaeo)이 입력되고 비반전단자(+)에는 램프 발생기(140)에서 발생되는 램프 파형이 입력되며, 비교기(Amp3)는 두 입력을 비교하여 램프 파형 전압이 전압(Vaeo)이 되는 지점에서 하이 신호를 플립플롭(120)의 리셋단자(R)에 출력한다. 플립플롭(120)의 리셋 단자(R)에 하이신호(High)가 입력되면 플립플롭(120)의 출력단자(Q)에 로우신호(Low)가 출력되어 스위치(Qsw)가 턴오프된다. 여기서, 상기에서 설명한 바와 같이 인덕터(L1)의 2차측 권선(L2)를 통해 인덕터(L1)에 흐르는 전류가 0(zero)이 되는 지점을 감지한다. 2차측 권선(L2)을 통해 인덕터(L1)에 흐르는 전류가 0(zero)이 되는 지점이 감지된 경우 플립플롭(10)의 셋단자(S)가 하이신호(High)가 되어 출력단자(Q)에 하이신호(High)가 출력되며, 이에 따라 스위치(Qsw)가 턴온된다. 이와 같이 인덕터(L1)에 흐르는 전류가 0이 되는 지점에서 스위치(Qsw)가 턴온되며, 전압(Vaeo)이 램프 파형 전압(Vramp)이 되는 지점에서 비교기(Amp3)에서 하이신호가 출력되어 스위치(Qsw)가 턴오프된다.
본 발명의 실시예에서는 입력 전류 왜곡을 보상하기 위해 램프 파형 전압(Vramp)의 기울기가 입력 전압(Vin)에 따라 변하는바 이하 도 5 및 도 6을 참조하여 알아본다. 즉, 램프 발생기(140)는 스위치(Qsw)가 온인 경우 권선(L2)에 유도되는 전압(VZCD)이 입력 전압(Vin)의 정보를 가지고 있으므로 전압(VZCD)을 입력받으며, 램프 발생기(140)는 입력 전압(Vin)에 따라 다른 램프 기울기를 가지도록 설정하는바 이하 이에 대해 알아본다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 램프 발생기(140)의 내부 구성을 나타낸 도면이며, 도 6은 입력 전압(Vin)에 따른 램프 파형과 및 스위치(Qsw)의 턴온 기간을 나타내는 도면이다. 도 6의 (a), (b), (c) 및 (d)는 각각 입력 전압(Vin), 비교기(Amp1)의 출력전압(Vaeo), 램프 파형 및 스위치(Qsw)의 턴온 기간을 나타낸다.
도 5에 나타낸 바와 같이 본 발명의 실시예에 따른 램프 발생기(140)는 전압(VZCD)에 따라 전류량이 변하는 전류원(Iramp), 전류원(Iramp)과 접지 사이에 연결되는 커패시터(Cramp), 스위치(Qsw)의 게이트 신호를 입력받는 인버터(142), 커패시터의 양단자에 각각 컬렉터단자와 에미터 단자가 연결되며 인버터(142)의 출력단자에 베이스단자가 연결되는 트랜지스터(Qramp)를 포함한다. 여기서, 커패시터(Cramp)와 트랜지스터(Qramp)의 컬렉터 단자의 점점이 램프 발생기(140)의 출력단자가 되며 이 출력단자는 비교기(Amp3)의 비반전단자(+)에 입력된다.
먼저, 스위치(Qsw)가 턴온되는 경우 인버터(220)에 의해 트랜지스터(Qramp)가 턴오프되며, 이에 따라 전류원(Iramp)의 전류가 커패시터(Cramp)에 충전되어 기 울기를 가지는 램프 파형이 만들어진다. 이때, 스위치(Qsw)가 턴온되는 경우 전압(VZCD)는 입력전압(Vin)의 정보를 가지고 있으므로, 전류원(Iramp)의 전류는 입력전압(Vin)이 낮은 경우 낮은 전류를 생성하며 입력전압(Vin)이 높은 경우에는 더욱 높은 전류를 생성한다. 전류원(Iramp)의 전류의 크기에 따라 커패시터(Cramp)에 충전되는 전압의 기울기가 변하므로, 도 6의 (a)와 (c)에 나타낸 것처럼 입력전압(Vin)에 따라 램프 파형의 기울기가 변동한다. 즉, 입력전압(Vin)이 낮은 경우보다 높은 경우에 램프 파형의 기울기가 더욱 급격해진다.
다음으로, 스위치(Qsw)가 턴오프되는 경우 인버터(220)의 출력단자로 하이신호(High)가 출력되어 트랜지스터(Qramp)가 턴온되며, 이에 따라 커패시터(Cramp)에 충전되어 있는 전압이 방전된다. 이와 같은 동작을 통해 도 6의 (c)와 같은 램프 파형(Vramp)이 만들어진다.
한편, 출력전압(Vout)은 일반적으로 일정한 전압을 가지므로 비교기(Amp1)의 출력 전압(Vaeo)은 도 6의 (b)와 같이 일정한 전압이 되며, 비교기(Amp3)는 램프 파형 전압과 전압(Vaeo)을 비교하여 램프 파형 전압이 전압(Vaeo)이 되는 지점에서 하이신호(High)를 출력한다. 이러한 하이신호(High)에 의해 스위치(Qsw)가 턴오프되어, 스위치(Qsw)는 도 6의 (d)와 같은 턴온/턴오프 기간을 가진다. 도 6의 (d)에 나타낸 바와 같이 스위치(Qsw)의 턴온 기간은 입력전압(Vin)의 크기에 따라 변함을 알 수 있다. 즉, 입력 전압(Vin)이 낮은 경우에는 스위치(Qsw)의 턴온 기간이 길고 입력 전압(Vin)이 높은 경우에는 스위치(Qsw)의 턴온 기간이 짧다. 따라 서, 입력 전압(Vin)이 낮은 경우에는 스위치(Qsw)의 턴온 기간이 늘어나게 되어, 인덕터(L1)에 흐르는 전류가 더욱더 증가하게 된다.
상기에서 수학식 1에서 설명한 바와 같이 입력전압(Vin)이 작은 경우에 음의 전류(INEG)의 피크가 더욱 증가하므로, 본 발명의 제1 실시예에와 같이 입력전압(Vin)이 작은 경우에는 스위치(Qsw)의 턴온기간을 더욱 늘려 턴온시에 흐르는 전류(도 2(a)에서 'a'에 해당하는 전류)를 더욱 증가시킨다. 이에 따라 입력전압(Vin)이 작은 경우 스위치(Qsw)의 턴온시의 전류(IL1)가 증가하여, 영전류 감지 지연시간으로 인해 발생되는 음의 전류(도 2의 (a)의 'b'에 해당하는 전류)를 보상하게된다. 즉, 입력전압(Vin)에 따라 스위치(Qsw)의 턴온기간을 변동시켜 음의 전류(INEG)를 보상함으로써, 입력전류의 왜곡현상을 보상한다.
이와 같이, 본 발명의 제1 실시예에서는 입력전압(Vin)의 정보를 별도의 회로(저항 분배기등)를 사용하지 않고 전압(VZCD)의 정보를 이용하여 감지함으로써, 비용을 줄일 수 있을 뿐만 아니라 전력손실을 줄일 수 있다.
이하에서는 입력 전압(Vin)에 따라 스위치(Qsw)의 턴온 시간을 변동시켜 입력전류의 왜곡을 보상하는 다른 방법에 대해서 알아본다.
도 7은 본 발명의 제2 실시예에 따른 역률 보상 회로를 나타내는 도면이다. 도 7에 나타낸 바와 같이 제2 실시예에 따른 역률 보상 회로는 입력전압에 따라 램프 파형의 기울기를 변동시키기 위해 별도의 입력전압을 감지하는 회로(저항(R5, R6))가 추가가 되며, 이 추가된 회로에 통해 입력전압의 크기를 감지하여 램프 파 형의 기울기를 변동시키는 것을 제외하고 본 발명의 제1 실시예와 동일한바 이하 중복되는 설명은 생략한다.
도 7에 나타낸 바와 같이 본 발명의 제2 실시예의 역률 보상 회로는 입력전압을 감지하기 위해 저항(R5, R6)이 서로 직렬로 연결되어 브리지 다이오드(BD)의 출력과 접시 사이에 연결된다. 여기서, 저항(R5)과 저항(R6)의 접점의 전압(Vin')이 스위칭 제어부(100')의 램프 발생기(140)에 입력된다. 그리고, 제1 실시예와 달리 권선(L2)에 걸리는 전압(VZCD)은 램프 발생기(140)에 출력되는 것이 아니라 플립플롭(FF)의 셋단자(S)에만 출력되어 스위치(Qsw)를 턴온시키는데 사용된다. 여기서, 램프 발생기(140)는 저항(R5, R6)에 의해 감지한 전압(Vbd')에 따라 램프 파형의 기울기를 변동시켜 스위치(Qsw)의 턴온기간을 변동시킨다. 전압(Vin')은 전파 정류된 전압(Vin)을 저항에 의해 분배된 전압이므로 입력전압의 정보를 가지고 있으므로, 본 발명의 제2 실시예에서는 이러한 전압(Vin')을 이용하여 램프 파형의 기울기를 변동시킨다. 즉, 본 발명의 제1 실시예와 달리 별도의 저항(R5, R6)을 통해 입력전압의 크기를 감지하고, 감지한 입력전압이 큰 경우에는 램프 파형의 기울기를 증가시켜 스위치(Qsw)의 턴온기간을 줄이며 입력전압이 작은 경우에는 램프 파형의 기울기를 완만하게 하여 스위치(Qsw)의 턴온기간을 늘린다. 이와 같이 스위치(Qsw)의 턴온기간을 입력전압(Vin)에 따라 변동시킴으로써, 영전류 감지 지연시간으로 인해 발생되는 음의 전류(INEG)가 입력전압(Vin)의 크기에 따라 변동되는 점을 보상하게 된다. 램프 발생기(140)는 도 6에 도시한 본 발명의 제1 실시예의 램프 발생기에서 전류원(Iramp)의 전류가 전압(VZCD)에 따라 변동되는 것이 아니라 저항(R5, R6)에 의해 감지된 전압(Vin')에 따라 변동되는 점을 제외하고는 제1 실시예의 램프 발생기와 동일한바 이하 구체적 설명은 생략한다.
도 8은 본 발명의 제3 실시예에 따른 역률 보상 회로를 나타내는 도면이며, 도 9는 본 발명의 제3 실시예에 따른 역률 보상 회로에서 인덕터(L1)에 흐르는 전류(IL1)가 지연회로에 의해 증가됨을 나타내는 도면이다. 도 8에 나타낸 바와 같이 본 발명의 제3 실시예에 따른 역률 보상 회로는 전압(Vin')을 입력받으며 이에 따라 비교기(Amp2)의 출력을 지연시키는 지연회로(180)를 더 포함하는 것을 제외하고 도 1에 나타낸 역률 보상 회로와 동일한바 이하 중복되는 설명은 생략한다.
도 8에 나타낸 바와 같이 본 발명의 제3 실시예에 따른 역률 보상 회로의 스위칭 제어부(100'')는 도 1의 구성요소에서 저항(R1, R2)에 의해 감지된 입력전압(Vin')을 입력받으며 비교기(Amp2)와 플립플롭의 리셋단자(R)사이에 연결되는 지연회로(160)를 더 포함한다. 한편, 도 8에서 플립플롭(120) 및 곱셈기(160)는 각각 도 1에서의 플립플롭(10) 및 곱셈기(20)와 동일한 기능을 하며, 나머지 동일한 기호의 구성요소도 도 1의 구성요소와 동일한 기능을 한다. 따라서, 본 발명의 제3 실시예에 따른 역률 보상 회로는 도 1의 역률 보상 회로와 같이 임계 전도 모드(Critical Conduction Mode)로 동작할 뿐만 아니라, 전압(VZCD)에 의해 인덕터(L1)에 흐르는 전류(IL1)가 0이 되는 지점에서 스위치(Qsw)가 턴온되며, 저항(Rsense)에 의해 감지된 전압(Vsense)이 곱셈기(160)에 출력되는 기준전압과 동일하게 되는 지 점에서 스위치(Qsw)가 턴오프된다.
여기서, 본 발명의 제3 실시예에 따른 지연회로(180)는 입력되는 전압(Vin')에 따라 비교기(Amp2)로부터 출력되는 스위치(Qsw)를 턴오프시키는 신호를 지연시킨다. 도 9를 참조하면, 지연회로(180)가 없을 경우에는 비교기(Amp2)로부터 출력되는 신호에 의해 t1시점에 스위치(Qsw)가 턴오프되어 인덕터에 흐르는 전류가 I와 같이 되나, 지연회로(180)가 존재하는 경우에는 비교기(Amp2)로부터 출력되는 신호가 지연회로(180)에 의해 지연시간(Td)후에 플립플롭(130)의 리셋단자(R)에 입력되어 t2 시점에 스위치(Qsw)가 턴오프됨으로써, 인덕터(L1)에 흐르는 전류(IL1)가 Ⅱ와 같이 변동된다. 여기서, 본 발명의 제3 실시예에서는 입력전압의 정보를 가지고 있는 전압(Vin')의 크기에 따라 지연시간(Td)을 다르게 설정한다. 즉, 전압(Vin')가 작은 경우에는 지연시간(td)을 더욱 늘려 인덕터(L1)에 흐르는 전류(IL1)의 양을 늘리며, 전압(Vin')가 큰 경우에는 지연시간(Td)을 짧게 하여 인덕터(L1)에 흐른 전류(IL1)의 양을 상대적으로 줄인다. 다시 말하면, 지연회로(160)를 이용하여 입력전압(Vin')이 낮은 경우에는 지연시간(Td)을 더욱 늘려 스위치(Qsw)의 턴온기간을 늘리고 입력전압이 높은 경우에는 지연시간(Td)을 줄여 스위치(Qsw)의 턴온기간을 줄임으로써, 영전류 감지 지연시간으로 인해 발생되는 음의 전류(INEG)가 입력전압(Vin)의 크기에 따라 변동되는 점을 보상한다. 지연회로(180)의 구체적인 내부 구성은 당업자라면 알 수 있는바 구체적 설명은 생략한다.
도 10은 본 발명의 제1 실시예에 따른 역률 보상 회로의 응용예를 나타내는 도면이다. 즉, 도 10은 SG6561A IC를 사용하는 역률 보상 회로에서 본 발명의 제1 실시예에 따른 역률 보상 회로가 구현될 수 있도록 변형한 예를 나타내며, 도 10에 나타낸 여러 구성요소의 기호는 앞에서 설명한 제1 내지 제3 실시예에서 나타낸 기호와 대응되지는 않는다. 도 10의 나타나 있는 여러 구성 요소는 당업자라면 알 수 있는바 이하 구체적 설명은 생략한다.
본 발명의 제1 실시예와 같은 트랜스 포머의 2차측( 도 4의 L2에 대응됨)과 PFC IC의 제3단자(pin3 즉, MOT pin)사이에 저항(R2)이 연결된다. 여기서, 저항(R2)은 전자 소자의 조합으로 구현될 수 있다. SG6561A IC에서 제3단자(pin3 즉, MOT pin)는 내부 램프의 기울기를 결정하는데 사용되는데, 저항(R2)이 연결되지 않으면 램프파형의 기울기가 일정하며 기울기는 저항(R1)에 의해 결정된다. 또한, IC는 제3단자(pin3 즉, MOT pin)의 전압을 일정하게 유지하고 있고 제3단자(pin3 즉, MOT pin)로부터 외부로 흘러나가는 전류를 센싱하며, IC 내부의 전류미러(도시하지 않았음)가 램프 파형을 만들기 위해 커패시터(도시하지 않았음)를 충전시킨다. 여기서, 저항(R2)이 연결되는 경우에는 제3단자(pin3 즉, MOT pin)로부터 흘러나가는 전류가 저항(R1)에 의한 전류 및 전압(VAUX)에 따라 변동된다. 따라서, 본 발명의 제1 실시예와 같이 전압(VAUX)(도 4에서 VZCD에 대응됨)의 크기에 따라 램프 파형의 기울기가 변동이 되며, 스위치(Qsw)의 턴온기간이 입력전압(즉, 정류된 입력전압)에 따라 변동하게 된다. 이를 통해 본 발명의 제1 실시예와 같이 입력전류의 왜곡을 보상할 수 있다. 한편, 도 10에서 저항(R1)은 IC내부에 위치할 수 있 다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.
이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명에 따르면 인덕터의 2차측 권선에 유도되는 전압을 통해 입력전압을 감지하고 감지된 입력전압에 따라 스위치의 턴온기간을 조정함으로써 입력전류의 왜곡을 보상할 수 있다. 또한, 입력전압의 정보를 별도의 회로 사용하지 않음으로 인해 비용을 줄일 수 있을 뿐만 아니라 전력손실을 줄일 수 있다.

Claims (14)

  1. 입력단에 제1 단이 전기적으로 연결되는 제1 인덕터 및 상기 제1 인덕터의 제2 단에 전기적으로 연결되는 스위치를 포함하며, 상기 제1 인덕터에 흐르는 전류가 양에서 영(zero)이 된 후에 상기 스위치가 턴온되는 역률 보상 회로에 있어서,
    상기 제1 인덕터와 커플링되어 상기 제1 인덕터에 의해 유도되는 전압이 형성되는 제2 권선; 및
    상기 제2 권선에서 유도되는 전압 및 상기 역률 보상 회로의 출력단의 출력전압에 대응하는 제1 전압을 각각 입력받으며, 상기 스위치가 턴온된 경우에 상기 제2 권선에 유도되는 제2 전압에 대응하여, 상기 스위치의 턴온기간을 조절하도록 제어하는 스위칭 제어부를 포함하는 역률 보상 회로.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 스위치의 턴온기간은 상기 제2 전압이 음(-)으로 큰 경우보다 작은 경우에 더욱 길도록 조절되는 역률 보상 회로.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 스위칭 제어부는,
    상기 제1 전압과 기준전압을 비교하는 제1 비교기; 및
    상기 제2 전압에 대응하여 기울기가 변동되는 램프 파형 전압을 발생시키는 램프 발생기; 및
    상기 램프 발생기에서 발생되는 램프 파형 전압과 상기 제1 비교기의 출력 전압을 비교하는 제2 비교기를 포함하며,
    상기 램프 파형 전압이 상기 제1 비교기의 출력전압이 되는 지점에서 상기 스위치를 턴오프하도록 제어하는 역률 보상 회로.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 램프 발생기는 상기 제2 전압이 음(-)으로 작은 경우보다 큰 경우에 더욱 큰 기울기를 가지는 램프 파형 전압을 발생시키는 역률 보상 회로.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 램프 발생기는,
    상기 제2 전압에 따라 발생되는 전류량이 변동되는 전류원;
    상기 스위치에 입력되는 온/오프 신호를 반전하는 인버터;
    상기 전류원에 제1 단이 전기적으로 연결되는 커패시터; 및
    상기 커패시터의 제1 단, 상기 커패시터의 제2 단 및 상기 인버터의 출력단자에 각각 제1, 제2, 제3 단자가 연결되는 트랜지스터를 포함하는 역률 보상 회로.
  6. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    서로 직렬로 연결되어 상기 출력단과 접지사이에 전기적으로 연결되는 제1 및 제2 저항을 더 포함하며, 상기 제1 전압은 상기 제1 저항과 제2 저항의 접점의 전압인 역률 보상 회로.
  7. 입력단에 제1 단이 전기적으로 연결되는 제1 인덕터 및 상기 제1 인덕터의 제2 단에 전기적으로 연결되는 스위치를 포함하며, 상기 제1 인덕터에 흐르는 전류가 양에서 영(zero)이 된 후에 상기 스위치가 턴온되는 역률 보상 회로에 있어서,
    상기 제1 인덕터와 커플링되어 상기 제1 인덕터에 의해 유도되는 전압이 형성되는 제2 권선; 및
    상기 입력단의 입력전압에 대응하는 제1 전압, 상기 제2 권선에서 유도되는 전압 및 상기 역률 보상 회로의 출력단의 출력전압에 대응하는 제2 전압을 입력받고, 상기 스위치가 턴온되는 경우에 상기 제1 전압에 대응하여 기울기가 변동되는 램프 파형 전압을 발생시켜 상기 스위치의 턴온기간을 조절하도록 제어하는 스위칭 제어부를 포함하는 역률 보상 회로.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 턴온기간은 상기 제1 전압이 큰 경우보다 작은 경우에 더욱 길도록 조절되는 역률 보상 회로.
  9. 제7항 또는 제8항에 있어서,
    상기 스위칭 제어부는,
    상기 제2 전압과 기준전압을 비교하는 제1 비교기;
    상기 제1 전압에 대응하여 기울기가 변동되는 램프 파형 전압을 발생시키는 램프 발생기; 및
    상기 램프 발생기에서 발생되는 램프 파형 전압과 상기 제1 비교기의 출력 전압을 비교하는 제2 비교기를 포함하며,
    상기 램프 파형 전압이 상기 제1 비교기의 출력전압이 되는 지점에서 상기 스위치를 턴오프하도록 제어하는 역률 보상 회로.
  10. 제9항에 있어서,
    서로 직렬로 연결되어 상기 입력단과 접지사이에 전기적으로 연결되는 제1 및 제2 저항을 더 포함하며, 상기 제1 전압은 상기 제1 저항과 제2 저항의 접점의 전압인 역률 보상 회로.
  11. 입력단에 제1 단이 전기적으로 연결되는 제1 인덕터 및 상기 제1 인덕터의 제2 단에 전기적으로 연결되는 스위치를 포함하며, 상기 제1 인덕터에 흐르는 전류가 양에서 영(zero)이 된 후에 상기 스위치가 턴온되는 역률 보상 회로에 있어서,
    상기 제1 인덕터와 커플링되어 상기 제1 인덕터에 의해 유도되는 전압이 형성되는 제2 권선; 및
    상기 입력단의 입력전압에 대응하는 제1 전압, 상기 제2 권선에서 유도되는 전압 및 상기 역률 보상 회로의 출력단의 출력전압에 대응하는 제2 전압을 입력받 고, 상기 제1 전압에 따라 상기 스위치를 턴온시키도록 하는 제1 신호를 지연시켜 상기 스위치의 턴온기간을 조절하도록 제어하는 스위칭 제어부를 포함하는 역률 보상 회로.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 제1 신호의 지연시간은 상기 제1 전압이 높은 경우보다 낮은 경우에 더욱 길도록 조절되는 역률 보상 회로.
  13. 제11항 또는 제12항에 있어서,
    상기 스위칭 제어부는,
    상기 제2 전압과 기준전압을 비교하는 제1 비교기;
    상기 제1 전압과 상기 제1 비교기의 출력을 곱하는 곱셈기; 및
    상기 스위치를 통해 흐르는 전류에 대응하는 제3 전압과 상기 곱셈기의 출력전압을 비교하여 상기 제3 전압이 상기 곱셈기의 출력 전압이 되는 지점에서 상기 제1 신호를 출력하는 제2 비교기;
    상기 제1 전압에 따라 상기 제1 신호를 지연시키는 지연회로를 포함하는 역률 보상 회로.
  14. 제13항에 있어서,
    서로 직렬로 연결되어 상기 입력단과 접지사이에 전기적으로 연결되는 제1 및 제2 저항을 더 포함하며, 상기 제1 전압은 상기 제1 저항과 제2 저항의 접점의 전압인 역률 보상 회로.
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