KR20080004704A - Single stage power factor correction circuit by boundary conduction mode - Google Patents
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Abstract
Description
도1은 종래의 2-스테이지 방식의 역률개선회로의 블록도1 is a block diagram of a conventional two-stage power factor correction circuit;
도2는 본 발명에 의한 BCM 모드로 동작하는 1-스테이지 방식으로 된 역률개선회로의 전반적인 구성도이다.2 is a general configuration diagram of a power factor improvement circuit in a one-stage manner operating in the BCM mode according to the present invention.
도3은 본 발명에 의한 DC-DC 컨버터의 동작모드3 is a mode of operation of a DC-DC converter according to the present invention.
도4는 입력전압, 스위치 전류, 그리고 입력전류 파형4 shows input voltage, switch current, and input current waveforms.
도5는 스위치 전류와 gate 신호, 다이오드 전류와 Vzero 신호의 측정파형5 shows measurement waveforms of switch current and gate signal, diode current and V zero signal.
도6은 스위치 전류와 gate 신호, 다이오드 전류와 Vzero 신호의 측정파형6 shows measurement waveforms of switch current and gate signal, diode current and V zero signal.
도7은 출력전압과 부하변동에 따른 regulation 특성7 is regulation characteristics according to output voltage and load variation
* 도면의 주요부분에 대한 설명* Description of the main parts of the drawings
101 : 전원부101: power supply
102 : DC-DC 컨버터102: DC-DC converter
103 : BCM 제어부103: BCM control unit
104 : 출력전압 검출부104: output voltage detector
BD : 브릿지다이오드BD: Bridge Diode
F : 필터부F: Filter part
FRD : 환류 다이오드FRD: Freewheeling Diode
L1 : 1차측권선L1: Primary winding
L2 : 2차측권선L2: secondary winding
L3 : 3차측권선L3: tertiary winding
Q : NMOSQ: NMOS
R1, R2 : 저항R1, R2: resistance
T : 고주파변압기T: high frequency transformer
VAC : 입력신호검출단자V AC : Input signal detection terminal
VIN : 교류전원V IN : AC power
Vzero : 영전류 검출단자V zero : Zero current detection terminal
본 발명은 BCM 모드로 동작하는 단일전력단 역률개선회로에 관한 것으로, 특히 범용적으로 전원 시스템에 적용할 수 있는 역률개선을 위한 BCM 모드로 동작하는 단일전력단 역률개선회로에 관한 것이다. The present invention relates to a single power stage power factor improvement circuit operating in a BCM mode, and more particularly, to a single power stage power factor improvement circuit operating in a BCM mode for power factor improvement that can be applied to a power supply system in general.
일반적으로, 전자기기용 전원으로 이용되는 오프 라인 방식의 스위칭 전원은 그 대부분 케패시터 입력형의 정류회로를 사용함으로써 상용 전원의 피크치 부근의 짧은 기간 동안만 정류기가 도통하여 폭이 좁은 펄스성 전류파형을 발생하게 한다. 이러한 펄스성 전류는 각각의 전자기기의 입력에서 동시에 발생하기 때문에 공통적으로 연결된 배전선에서 동위상으로 더해지게 되므로 배전선의 라인 임피던스에 의해 전압강하를 발생시키고 단자전압에 왜곡을 일으키는 것에 대하여, 국제 전기 표준 회의(IEC ; International Electrotechnical Commission)에서는 600W이하의 소형 전자기기를 대상으로 하여 상기에서 언급한 펄스성 전류에 대한 제약을 규정하고 있다. 이러한 펄스성 전류는 크게 왜곡된 파형으로 인하여 전자기기의 입력 역률에도 영향을 미쳐 역률 저하를 유발시키므로 이러한 문제점을 해결하는 방법으로 최근 DC-DC 컨버터를 이용한 역률개선회로(PFC ; Power Factor Correction Circuit)가 개발되었으며, 스위칭 전원장치로서 폭넓게 이용되기 시작하였다. 이러한 역률 개선 회로를 이용한 스위칭 전원장치를 도1로 보였다. 이에서 볼 수 있는 바와 같이 교류전원(Vin)에 접지된 전파정류회로(BD)에 의한 전원부(1)와, 역률개선을 위한 PFC부(Power Factor Correction Circuit)(2)와, PFC부(2)를 제어하기 위한 PFC제어부(3)와, DC-DC변환부(4)와, DC-DC변환부(4)를 제어하기 위한 DC-DC제어부(5)를 구성하고 있다. 더욱 상세히 설명하면, PFC부(2)는 코일(L)과, N채널형 스위칭 소자 MOSFET로 된 NMOS(Q1)와, 다이오드(D1)와, 콘덴서(C2)로 되어 있으며, 이와같이 구성된 PFC부(2)는 PFC제어부(3)의 PFC 제어회로(10)에서 발생하는 제어신호에 의하여 NMOS(Q1)가 온, 오프 되며, NMOS(Q1)가 온 되었을 때에 코일(L)에 스위칭 전류가 흘러 에너지가 축적되며, NMOS(Q1)가 OFF된 기간에 그 에너지가 다이오드(D1)를 통하여 콘덴서(C2)에 높은 전압(E0)으로 충전된다. 또한 DC-DC제어회로(7)가 NMOS(Q2)의 게이트에 인가하는 제어신호에 의해 NMOS(Q2)가 온, 오프 되며 NMOS(Q2)가 온 되었을 때에 콘덴서(C2)로부터 고주파변압기(T1)의 1차측권선(T1)에 스위칭전류가 흘러 입력전압이 유기되며, 2차측권선(T2)에는 코일권선의 시작점인 흑점의 방향에 의해 1차측권선(T1)과 반대 극성의 전압이 유기되므로 다이오드(D2)는 역바이어스 되어 차단된다. 따라서 1차측권선(T1)의 자화인덕턴스에만 에너지가 축적되게 되는 것이며, 다음 NMOS(Q2)가 오프 되면 고주파변압기(T) 2차측권선(T2)에는 전 상태와 반대 극성의 전압이 유기되어 다이오드(D2)를 도통 시킴으로서 고주파변압기(T)의 자화인덕턴스에 축적된 에너지를 출력으로 방출시키게 되어 그 에너지가 다이오드(D2)를 통하여 콘덴서(C2)에 충전된다. 아울러, 콘덴서(C2)에는 부하(11)에 공급하기 위한 직류전압(V0)이 충전이 되도록 구성된 것이다. In general, most of the off-line switching power supplies used as power supplies for electronic devices use a rectifier circuit of a capacitor input type, so that the rectifier conducts only for a short period near the peak value of the commercial power supply so that a narrow pulsed current waveform is generated. Cause it to occur. Since these pulsed currents are simultaneously generated at the input of each electronic device, they are added in in-phase to a common connected distribution line. Therefore, the electrical impedance of the distribution line causes a voltage drop and a distortion in the terminal voltage. The International Electrotechnical Commission (IEC) sets out the restrictions on the pulsed currents mentioned above for small electronic devices up to 600W. These pulsed currents also affect the input power factor of electronic devices due to the largely distorted waveforms, causing a power factor drop. Therefore, a power factor correction circuit (PFC) using a DC-DC converter has recently been solved. Has been developed and is widely used as a switching power supply. 1 shows a switching power supply using the power factor improving circuit. As can be seen, the power supply unit 1 by the full-wave rectification circuit BD grounded to the AC power source Vin, the PFC unit (2) for improving the power factor, and the PFC unit (2) ), A PFC control section 3 for controlling), a DC-
또한 출력을 피드백하기 위한 출력전압검출회로(6)는 직류전압(V0) 레벨을 검출하 고, 직류전압(V0)의 레벨을 나타내는 전압신호를 DC-DC제어회로(7)에 인가하게 되어 DC-DC제어회로(7)는 출력전압검출회로(6)로부터 인가된 전압신호에 의하여 NMOS(Q2)를 온, 오프 하는 타이밍을 설정하기 위한 제어신호를 발생하며, 이 제어신호에 의해 NMOS(Q2)는 온 또는 오프 하게 된다. 또한 부하상태검출회로(8)는 이 제어신호의 듀티비에 의해서 부하(11)의 부하상태가 경부하인지, 비경부하인지를 나타내는 검출결과를 출력하게 되는 것이다.The output
따라서 검출결과가 비경부하인 것을 나타낼 때에는 PFC 온, 오프 전환회로(9)는 PFC 제어회로(10)로부터 제어신호를 하이레벨로 발생시켜 스위칭동작을 계속시키고, 그 결과에서 얻어지는 에너지를 콘덴서(C2)에 충전시키는 것이다.Therefore, when the detection result indicates the parent load, the PFC on / off
반대로, 검출결과가 경부하인 것을 나타낼 때에는 PFC 온, 오프 전환회로(9)는 PFC 제어회로(10)로부터의 제어신호를 로우레벨로 고정시켜 스위칭동작을 정지시킨다. 이에 따라, 스위칭전류가 소실되므로 콘덴서(C2)로의 충전이 정지되므로, 이와 같이 PFC부(2)의 동작이 정지하고 그만큼 소비전력은 저하하며 이러한 상태에서는 DC-DC변환부(4)만 동작을 하게 되는 방식으로 된 것이다.On the contrary, when the detection result indicates light load, the PFC on / off
이와 같이 종래의 스위칭 전원장치에서는 부하(11)가 가벼운 경우에는 역률개선회로의 동작이 정지하는 역률개선부(2)를 입력단에 적용하는 2-스테이지 방식의 전원장치가 개발되고 보편화 되어 변동률 특성이 우수하고 안정된 동작을 보이는 반면 2단 구성으로 인해 비용부담이 크고 많은 부품을 사용하여야 하므로 소형화를 할 수 없다는 문제점이 있는 것이다.As described above, in the conventional switching power supply, when the
본 발명의 목적은 상기한 바와 같은 문제점을 해소하기 위하여, The object of the present invention is to solve the above problems,
1,2차 권선비에 의해 출력전압의 크기를 조절할 수 있는 고주파변압기를 사용하여 플라이백 컨버터를 설계함으로서, 입력의 역률개선과 특정 출력전압의 생성을 동시에 달성할 수 있는 1-스테이지 방식의 경계전류모드(BCM ; Boundary Conduction Mode)로 동작하는 단일전력단 역률개선회로를 제공하기 위한 것이다.By designing a flyback converter using a high frequency transformer that can adjust the magnitude of the output voltage by the 1st and 2nd turns ratio, the 1-stage boundary current that can achieve the improvement of the input power factor and the generation of the specific output voltage at the same time It is to provide a single power stage power factor improvement circuit operating in a boundary mode (BCM).
본 발명은 이러한 목적을 달성하기 위하여 교류전원에서 고주파 노이즈를 제거하기 위한 필터부와, 교류전원에 접지된 브릿지다이오드로 된 전파정류회로에 의한 전원부와, 입력측과 출력측사이에 전기적인 절연을 함과 아울러 1차와 2차 권선비에 의해 출력전압 크기의 조절이 가능한 고주파변압기와, 고주파변압기의 1차측 권선에 전류가 흐를 수 있도록 스위칭을 하기 위한 N채널형 MOSFET로 된 NMOS와, 순방향 전도 손실을 최소화 하고 우수한 특성을 만족시키기 위하여 환류다이오드로 구성된 플라이백 회로와, 역률개선 및 DC-DC 컨버터의 동작을 제어하기 위한 BCM 제어부와, DC-DC 컨버터 출력전압을 검출하기 위한 출력전압 검출부로 구성되어 있으며, 상기의 BCM 제어부에는 출력전압 검출부의 Shunt regulator의 의해서 출력전압을 조정하기 위한 피드백 전압 입력단자와, 입력전류의 왜곡을 조정하기 위한 신호입력단자와, 환류다이오드 전류의 ZCS(Zero Current Turn Off Switching) 동작하게 하며 스위칭 소자인 NMOS의 온 상태를 유지시켜 스위칭 전류가 흐르도록 하기 위하여 고주파변압기의 3차측권선의 전압을 감지하기 위한 영전압 검출단자와. 스위칭소자 NMOS에 흐르는 전류, 즉 고주파변압기의 1차측권선의 피크 전류를 제어하기 위하여 입.출력 전류의 상태를 검출하는 전류검출단자와, NMOS의 온, 오프 상태를 결정해 주기 위하여 제어신호를 출력하기 위한 제어신호출력단자를 구비하여서, BCM제어부에서 플라이백 회로를 경계전류모드(BCM ; Boundary conduction mode)로 동작을 시켜 모든 입력조건과 부하조건에 대해 입출력 전류가 불연속 전류모드(DCM ; Discontinuous conduction mode)로 동작시킬 수 있게 되어 입력전류는 line 전압의 모양을 그대로 추종할 수 있게 됨에 따라 넓은 입력전압과 부하조건에서의 역률 개선이 가능하며, 입력 전력은 고주파변압기를 통하여 전력 변환이 되므로 소정의 출력전압을 얻을 수 있게 되는 BCM 모드로 동작하는 단일전력단 역률개선회로를 제안한다. In order to achieve the above object, the present invention provides a filter unit for removing high frequency noise from an AC power source, a power supply unit by a full-wave rectifier circuit of bridge diodes grounded to the AC power source, and electrical insulation between the input side and the output side. In addition, a high frequency transformer with adjustable output voltage by the primary and secondary winding ratios, an NMOS type NMOS MOSFET for switching current to flow in the primary winding of the high frequency transformer, and a minimum forward conduction loss are minimized. And a flyback circuit composed of a reflux diode, a BCM controller for controlling the power factor improvement and the operation of the DC-DC converter, and an output voltage detector for detecting the output voltage of the DC-DC converter. In the BCM control unit, the feedback before adjusting the output voltage by the shunt regulator of the output voltage detection unit Voltage input terminal, signal input terminal for adjusting distortion of input current, Zero Current Turn Off Switching (ZCS) operation of the reflux diode current, and to keep switching state of NMOS as a switching element to allow switching current to flow. Zero voltage detection terminal for sensing the voltage of the tertiary winding of the high frequency transformer. A current detection terminal that detects the state of input and output currents to control the current flowing through the switching element NMOS, that is, the peak current of the primary winding of the high frequency transformer, and outputs a control signal to determine the on / off states of the NMOS. A control signal output terminal is provided to operate the flyback circuit in the boundary current mode (BCM) in the BCM control unit so that the input and output currents are discontinuous current mode (DCM) for all input and load conditions. mode), so that the input current can follow the shape of the line voltage as it is, and the power factor can be improved under a wide range of input voltages and load conditions. We propose a single power stage power factor improvement circuit that operates in BCM mode to obtain an output voltage.
이에 따라 본 발명은 종래의 2-스테이지 회로에 비해 매우 단순한 구조를 보이고 있어 부품수를 크게 줄일 수 있어서 부품값의 절감과 아울러 제조단가를 줄일 수 있음은 물론 회로의 소형화에 기여하며 특히 전원구조가 매우 복잡한 PDP와 같은 응용분야에서 매우 유용한 효과가 있는 것이다.Accordingly, the present invention shows a very simple structure compared to the conventional two-stage circuit, which can greatly reduce the number of parts, thereby reducing the cost of parts and reducing the manufacturing cost, and contributing to the miniaturization of the circuit. This is very useful in applications such as very complex PDPs.
이러한 본 발명을 첨부된 도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다.The present invention will be described with reference to the accompanying drawings.
도2는 본 발명에 의한 BCM 모드로 동작하는 단일전력단 역률개선회로의 전반적인 구성도이다.2 is a general configuration diagram of a single power stage power factor improvement circuit operating in the BCM mode according to the present invention.
이에서 볼 수 있는 바와 같이, 전원부(101)는 교류전원(Vin)이 고주파 필터부(F)를 통하여 브릿지다이오드(BD)에 의해서 전파 정류되어 입력전압()으로 콘덴서(C1)에 충전되도록 된 것이며, DC-DC컨버터(102)는 1차와 2차권선(L1,L2)비가 다른 고주파변압기(T)와 N채널 MOSFET로 된 스위칭 소자인 NMOS(Q)와 저항(R3)과 환류다이오드(FRD)와 콘덴서(C0)를 구비하여 역률개선 및 DC-DC 출력전류를 생성하도록 된 것이며, 출력전압검출부(104)를 구비하여 출력되는 피드백전압(VFB)을 이용하여 BCM제어부(103)에 의해 PWM제어하기 위한 신호를 생성하도록 된 것이며, BCM제어부(103)는 내부에 출력전압비교기(109), Multiplier(107), 전류센서비교기(106), 영전류검지부(105), PWM 래치(108), 출력버퍼(110)를 구비하여서, 입력전압()에 의한 입력신호(VAC)와, 고주파변압기(T)의 3차측권선(L3)에 의한 영전류 검출신호(Vzero)와, 스위칭 전류(IQ)에 의한 전류센싱신호(VQ)와, 출력전압검출부(104)의 출력에 의한 피드백전압(VFB)과, 전압비교기(109)의 출력신호(Vc)를 이용하여As can be seen from this, in the
제어신호(Vout)를 생성하여 NMOS(Q)의 게이트에 인가하여 제어하도록 된 것이다.The control signal Vout is generated and applied to the gate of the NMOS Q to control it.
이러한 본 발명은 고주파변압기(T)의 1차측권선(L1)의 일단은 전원부(101)의 양극에 접속되고, 타단은 N채널 MOSFET로 된 스위칭 소자인 NMOS(Q)의 드레인과 접속되고 NMOS(Q)의 소스는 저항(R3)를 통해 전원부(101)의 음극에 접속되어 있으며, NMOS(Q)의 게이트는 BCM제어부(103)에서 NMOS(Q)의 온, 오프 상태를 결정해 주는 제어신호(VOUT)가 접속되어 NMOS(Q)는 제어신호(VOUT)의 레벨이 하이 레벨로 되면 온 되고, 로우 레벨로 되면 오프가 되는 것이다. 이에 따라 NMOS(Q)가 온 되었을 때에 고주파변압기(T)의 1차측권선(L1)에 스위칭전류(IQ)가 흘러 입력전압이 유기되며, 2차측권선(L2)에는 코일권선의 시작점인 흑점의 방향에 의해 1차측권선(L1)과 반대 극성의 전압이 유기되므로 환류 다이오드(FRD)는 역바이어스 되어 차단된다. 따라서 1차측권선(L1)의 자화인덕턴스에만 에너지가 축적되게 되는 것이며, 다음 NMOS(Q)가 오프 되면 고주파변압기(T)의 2차측권선(L2)에는 전 상태와 반대 극성의 전압이 유기되어 환류 다이오드(FRD)를 도통 시킴으로서 고주파변압기(T)의 자화인덕턴스에 축적된 에너지를 출력으로 방출시키게 되어 그 에너지가 환류 다이오드(FRD)를 통하여 정류된 전압으로 콘덴서(C0)에 충전된다. 이로서 콘덴서(C0)에는 부하(R0)에 공급하기 위한 소정의 출력전압(V0)이 충전되는 것이다.In the present invention, one end of the primary winding L1 of the high frequency transformer T is connected to the anode of the
이와 같이 1-스테이지로된 역률개선회로에서 역률개선을 위하여,In order to improve the power factor in the one-stage power factor improvement circuit,
직렬로 된 저항(R1) 및 저항(R2)에서 저항(R1)의 일단이 브릿지 다이오드(BD)의 +측과 접속되고, 저항(R2)과 콘덴서(C2)일단의 전극이 접지되어 있으며, 저항(R1)과 저항(R2)과 콘덴서(C2)의 타단이 연결된 접속점을 BCM제어부(103)의 Multiplier(107)와 연결하여서 된 것이다. 여기서 저항(R1)은 전치보상전류가 콘덴서(C2)에 의해 평활화 되어 왜곡되는 것을 제한해 주기 위함이며, BCM제어부(103)의 Multiplier(107) 출력은 전류센서비교기(106)의 (-)입력과 연결되어 그 출력이 PWM 래치(108)의 리셋단자(R)와 접속되며, 제어신호(Vout)는 PWM 래치(108)과 출력버퍼(110)를 통해서 NMOS(Q)의 게이트에 인가하도록 된 것이다.In series resistors R1 and R2, one end of the resistor R1 is connected to the + side of the bridge diode BD, and the electrodes of the resistor R2 and the capacitor C2 are grounded. The connection point (R1), the other end of the resistor (R2) and the capacitor (C2) is connected to the multiplier (107) of the
이러한 1-스테이지로된 역률개선회로의 BCM제어부(103)에서 입력신호(VAC)에 의해서 역률개선을 위한 과정을 살펴보면,Looking at the process for power factor improvement by the input signal (V AC ) in the
입력전압()의 정보를 갖는 입력신호(VAC)는 multiplier(107)의 입력으로 들어가게 되는데 출력신호(Vc)와 곱해져서 VACㅧ Vc의 입력전압 정보를 갖는 제어신호가 된다. 이의 신호가 전류센서비교기(106)의 (-)입력이 되고 전류센싱신호(VQ)와 비교하여 출력전압이 PWM 래치(108)의 리셋단자(R)에 입력된다. 전류센싱신호(VQ)와 입력전압 정보(VACㅧ Vc)의 신호가 같아 질 때 전류센서비교기(106)의 출력전압에 의해서 PWM 래치(108)는 리셋이 되어서 출력은 오프가 되며 출력버퍼(110)를 통해서 제어신호(Vout)는 스위치 소자 NMOS(Q)를 오프 하여 스위칭 전류(IQ)는 차단이 되는 것이다. 또한 전류센서비교기(106)의 기준신호가 되는 입력신호(VAC)x출력신호(Vc)가 사인커버의 형태이므로 스위칭 전류(IQ) 즉, 전류센싱신호(VQ) 또한 사인커버의 형태가 됨으로서 교류전원(VIN)에 비례한 전류를 생성케 하고 이를 통하여 NMOS(Q)의 시비율을 제어함으로써 역률개선을 이루게 한다.Input voltage The input signal (V AC ) having the information of) enters the input of the
또한 출력전압(V0)을 PWM조정을 하기 위하여,In addition, to adjust the output voltage (V0) to PWM,
직렬로 된 저항(R4)와 저항(R5)를 구비하고 저항(R4)의 일단을 부하(R0)의 +측에 연결하고 저항(R5)의 일단을 접지하였으며, 저항(R4)와 저항(R5)의 중심점으로부터 출력전압(VO)의 분압된 전압을 얻을 수 있도록 연결된 출력전압검출부(104)는 미도 시한 광학 커플러에 의하여 출력되는 피드백전압(VFB)을 BCM제어부(103)의 출력전압비교기(109)의 (+)입력단자에 입력하여 DC-DC 컨버터부(102)를 PWM제어하기 위한 신호를 생성하도록 하였다.A resistor R4 and a resistor R5 in series are connected, and one end of the resistor R4 is connected to the + side of the load R 0 , and one end of the resistor R5 is grounded, and the resistor R4 and the resistor ( The
이러한 DC-DC 컨버터부(102)를 PWM제어하기 위한 BCM제어부(103)의 동작상태를 살펴보면, 출력전압비교기(109)의 (+)입력단자에 입력된 피드백전압(VFB)과 (-)입력단자에 미리설정된 소정의 기준전압(Vref)에 의해 생성된 출력전압(VC)는 사인커버 형태의 입력신호(VAC)와 같이 multiplier로 입력되어 전류센싱신호(VQ)와 비교하여 전류센싱신호(VQ)가 입력신호(VAC)ㅧ 출력전압(VC)와 같아 질 때 전류센서비교기(106)의 출력전압에 의해서 PWM 래치(108)는 리셋이 되어서 PWM 래치(108)의 출력은 오프가 되며, 버퍼(110)를 통해서 출력하는 제어신호(Vout)는 스위치 소자 NMOS(Q)를 오프 하여 스위칭 전류(IQ)는 차단이 되는 것이다. Looking at the operation state of the
또한 BCM제어부(103)의 영전류 검출신호(Vzero)는, 고주파변압기(T)의 3차측권선(L3)의 시작점을 접지와 연결하고 타단을 PWM제어부(103)의 제로전류검지부(105)의 입력측에 연결하여, 스위치 소자 NMOS(Q)가 턴 온 될 때 시작점이 같은 방향인 2차측권선(L2)에 유기되는 전압과 같이 3차측권선(L3)의 출력전압도 제로가 되며, 제로전류검지부(105)에 의해 검지되어 그 출력이 RS 플립프롭으로 된 PWM 래치(108)의 S단자에 인가되며, PWM 래치(108)의 출력을 High 레벨로 만들고 이 신호는 출력버퍼(110)를 통해 스위치 소자인 NMOS(Q)에 인가되도록 된 것이다. In addition, the zero current detection signal V zero of the
이러한 1-스테이지로된 역률개선회로의 BCM제어부(103)에서 영전류검출신호(Vzero)에 의해서 스위치 소자 NMOS(Q)를 온 상태를 유지시켜 스위칭 전류(IQ)가 흐르게 되는 과정을 살펴보면,Looking at the process in which the switching current (IQ) flows by maintaining the on state of the switch element NMOS (Q) by the zero current detection signal (V zero ) in the
스위치 소자 NMOS(Q)는 게이트에 -Vgs의 전압이 인가되면 오프상태가 되며, 이때 고주파변압기(T)에서는 에너지가 2차측권선(L2)으로 넘어가게 되고 환류다이오드(FRD)의 전류(ID)는 -Vo/L2의 기울기로 감소를 하게 된다. 이때 환류다이오드(FRD)의 전류(ID)가 '0'이 되어 차단되면 에너지가 변환 되지 않으며, 이때 BCM제어부(103)의 영전류검출부(105)는 고주파변압기(T)의 3차권선(L3)이 영전압으로 되었음을 검출하여 그 출력을 PWM 래치(108)가 set 되도록 하여 출력이 온 되며 출력버퍼(110)를 통해서 제어신호(Vout)는 스위치 소자 NMOS(Q)를 온 하여 스위칭 전류(IQ)가 다시 흐를 수 있게 됨으로서 경계전류모드(Boundary conduction mode)로 동작하게 되는 것이다. The switch element NMOS Q is turned off when a voltage of -Vgs is applied to the gate. At this time, in the high frequency transformer T, the energy is transferred to the secondary side winding L2, and the current ID of the freewheeling diode FRD. Decreases with the slope of -Vo / L2. At this time, if the current ID of the refracting diode (FRD) becomes '0' and no energy is converted, the zero
또한 전류센싱신호(VQ)는, NMOS(Q)의 소스와 PWM제어부(103)의 영전류비교기(106)의 (+)단자와 연결하여, NMOS(Q)의 소스와 저항(R3) 사이에서 감지한 전압을 영전류비교기(106)의 (+)단자에 인가하여 NMOS(Q)의 스위칭 전류(IQ) 즉, 고주파변압기(T)의 1차측 권선(L1)에 흐르는 피크 전류를 제어하고 있다.In addition, the current sensing signal V Q is connected between the source of the NMOS Q and the positive terminal of the zero
이와 같이 된 1-스테이지로된 역률개선회로의 BCM제어부(103)에서 전류센싱신호(VQ)에 의해서 출력전류(ID)를 조정하기 위한 과정을 살펴보면, 스위치소자 NMOS(Q)가 온 상태일 때 Vin/L1의 기울기로 증가하는 스위칭 전류(IQ)에 의한 전류센싱신호(VQ)는 스위칭 전류(IQ)의 피크전류가 사인파 형태의 입력신호(VAC)ㅧ 출력전압(VC)와 비교하여 증가를 하다가 입력신호(VAC)ㅧ 출력전압(VC)과 같아질 때 전류센서비교기(106)의 출력이 Hight 레벨이 되어 PWM 래치(108)를 리셋하게 되어서 출력은 오프가 되며 출력버퍼(110)를 통해서 제어신호(Vout)는 스위치 소자 NMOS(Q)를 오프하여 스위칭 전류(IQ)는 차단이 되는 것이다. Looking at the process for adjusting the output current (ID) by the current sensing signal (V Q ) in the
이와 같이 된 역률개선회로에서, 도면 3은 본 발명에 의한 DC-DC 컨버터의 동작모드를 보인 것이다. In this power factor improvement circuit, Figure 3 shows the operation mode of the DC-DC converter according to the present invention.
이에서 보는바와 같이 본 발명의 DC-DC 컨버터(102)는 고주파변압기(T)의 1차측권선(L1)에 흐르는 전류(IQ)를 제어하는 제1모드와, 환류 다이오드(FRD)에 흐르는 전류(ID)를 제어하는 제2모드로 구분되며 각각의 모드에 대한 설명은 다음과 같다.As shown therein, the DC-
제1모드는 (t0≤t<t1)가 되어 스위칭 소자 NMOS(Q)의 게이트에 +VGS가 인가되면 NMOS(Q)는 온상태가 되며 이때 NMOS(Q)의 드레인에 흐르는 스위칭 전류(IQ)는 Vg/L1의 기울기로 증가를 하여 고주파변압기(T)가 자화되어 에너지를 저장하게 되며 전류센싱신호(VQ)의 레벨은 High가 된다. 이와 같은 제1모드에서의 입력 전류를 구하는 식은 다음과 같이 쓸 수 있다.When the first mode is (t0 ≦ t <t1) and + VGS is applied to the gate of the switching device NMOS (Q), the NMOS Q is turned on and the switching current IQ flowing in the drain of the NMOS Q is at this time. Is increased by the slope of Vg / L1, the high frequency transformer T is magnetized to store energy, and the level of the current sensing signal VQ becomes High. The equation for obtaining the input current in the first mode can be written as follows.
* L1 은 고주파변압기(T)의 1차측권선(L1)의 인덕턴스* L1 is the inductance of the primary winding (L1) of the high frequency transformer (T)
제2모드는 (t1≤t<t2)가 되어 전류센싱신호(VQ)가 입력신호(VAC)■피드백전압(VFB)의 전류 커멘드와 같아질 때 NMOS(Q)는 오프가 된다. 이때 고주파변압기(T)의 1차측권선(L1)에 저장된 에너지가 2차측권선(L2) 측으로 전달되기 시작하고 환류 다이오드(FRD)의 전류는 zero가 될 때 까지 -Vo/L2의 기울기로 흐르게 되며 그 전류는 다음과 같이 표현된다. The second mode becomes (t1 ≦ t <t2) so that the NMOS Q is turned off when the current sensing signal VQ becomes equal to the current command of the input signal V AC feedback voltage VFB. At this time, the energy stored in the primary winding L1 of the high frequency transformer T starts to be transferred to the secondary winding L2 and the current of the reflux diode FRD flows at a slope of -Vo / L2 until it becomes zero. The current is expressed as follows.
* V0 는 DC-DC 컨버터 출력전압* V0 is DC-DC converter output voltage
* L2 은 고주파변압기(T)의 2차측권선(L2)의 인덕턴스* L2 is the inductance of the secondary winding (L2) of the high frequency transformer (T)
이때 환류 다이오드(FRD)는 ZCS(Zero Current Turn Off Switching) 동작을 하게 되며. 고주파변압기(T)의 에너지가 완벽하게 출력 측으로 넘어가게 되면 영전류 검출신호(Vzero)가 Low 레벨이 되어 NMOS(Q)는 다시 턴 온 된다. At this time, the reflux diode (FRD) operates ZCS (Zero Current Turn Off Switching). When the energy of the high frequency transformer (T) is completely passed to the output side, the zero current detection signal (V zero ) is low level, the NMOS (Q) is turned on again.
이러한 동작을 반복하면서 스위칭 전류(IQ)는 도면 4에 보인 것처럼 정류된 입력전압()의 외형을 따르게 되어 이 전류를 필터링하게 되면 입력전류는 위상변화 없이 라인 전압의 모양을 추종하여 역률을 개선하게 되며 DC-DC 컨버터의 출력전압(VO)을 출력전압 검출부(104)와 피드백 입력단자(VC)를 통해 소정의 출력전압(VO)의 조정을 동시에 달성할 수 있게 되는 것이다.By repeating this operation, the switching current IQ becomes a rectified input voltage as shown in FIG. When the current is filtered, the input current follows the shape of the line voltage without phase change to improve the power factor, and the output voltage VO of the DC-DC converter is output to the
이와 같이 본 발명에 의한 역률개선회로를 실험을 통해 확인하고자 다음과 같은 사양을 갖는 PDP전원용 회로를 제작하여 측정한 파형을 도시하였다.As described above, in order to confirm the power factor improvement circuit according to the present invention through an experiment, a waveform measured by fabricating and measuring a PDP power circuit having the following specifications is illustrated.
도4는 교류전원(VIN)과, 스위치소자인 NMOS(Q)의 드레인에 흐르는 스위칭 전류(IQ)와, 교류 입력전류(IIN)의 파형을 보인 그래프이며,4 is a graph showing waveforms of the AC power supply V IN , the switching current IQ flowing through the drain of the NMOS Q which is a switch element, and the AC input current I IN .
도5는 스위치소자인 NMOS(Q)의 드레인에 흐르는 스위칭 전류(IQ)와, 게이트 신호(Vgs)와, 다이오드 전류(ID)와, 변압기(T)의 3차측권선(L3) 전압(Vzero)의 신호를 측정한 파형이며, 도6은 교류전원(VIN)과, 스위치소자인 NMOS(Q)의 드레인에 흐르는 스위칭 전류(IQ)를 측정한 파형이며, 도7은 출력전압과 부하변동에 따른 조절 특성을 측정한 파형을 보인 것이다.Fig. 5 shows the switching current IQ flowing through the drain of the NMOS Q, which is a switch element, the gate signal Vgs, the diode current ID, and the voltage Vzero of the tertiary side winding L3 of the transformer T. 6 is a waveform measuring the AC current V IN and the switching current IQ flowing through the drain of the NMOS Q, which is a switch element, and FIG. It shows the waveform that measured the adjustment characteristic according to.
이에서 보는바와 같이 도5는 다이오드전류(ID)가 제로가 되는 점을 감지하여 NMOS(Q)를 구동시키게 되어 BCM모드가 동작되고 있음을 알 수 있으며 이로 인해 도6과 같이 스위칭 전류(IQ)는 입력전압() 모양을 잘 추종하여 역률개선을 달성하고 있음을 알 수 있으며 도7은 출력전압과 부하변동에 따른 조정 특성을 측정한 파형으로써 안정된 출력을 얻고 있음을 보이고 있는 것이다.As shown in FIG. 5, the BCM mode is operated by sensing the point where the diode current ID becomes zero to drive the NMOS Q. As a result, the switching current IQ is as shown in FIG. 6. Is the input voltage ( It can be seen that the power factor improvement is achieved by following the shape well. FIG. 7 shows a stable waveform obtained by measuring the adjustment characteristics according to the output voltage and the load variation.
이에 따라 본 발명에 의한 1-스테이지로 된 역률 개선회로는 기존의 2 -스테이지 회로에 비해 매우 단순한 구조를 보이고 있으며, 회로의 구성에 필요로 하는 부품의 수를 크게 줄이고도 역률개선은 물론 DC-DC컨버터의 기능에 의한 소정의 출력을 충분히 확보할 수 있는 것이어서 부품수의 절감에 의해 코스트 절감과 아울러 회로를 단순화함으로서 제품의 전체적인 크기를 소형화 하는데 기여하며 특히 전원 구조가 매우 복잡한 PDP와 같은 응용분야에 매우 유용한 효과가 있는 것이다. Accordingly, the one-stage power factor correction circuit according to the present invention shows a very simple structure compared to the conventional two-stage circuit, and even though the number of components required for the circuit configuration is greatly reduced, the power factor improvement as well as DC- It is possible to secure a predetermined output by the function of DC converter, so it is possible to reduce the number of parts and to reduce the overall size of the product by simplifying the circuit, especially in applications such as PDP, where the power structure is very complicated. This is a very useful effect.
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