KR20200103694A

KR20200103694A - 스위칭 전원의 역률 개선용 pwm 제어 장치

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Publication number: KR20200103694A
Application number: KR1020207018788A
Authority: KR
Inventors: 마사지 하네다
Original assignee: 엔티엔 가부시키가이샤
Priority date: 2018-01-04
Filing date: 2018-12-27
Publication date: 2020-09-02
Also published as: JP2019122134A; KR102642655B1; WO2019135391A1

Abstract

대출력이며 또한 역률이 양호한 스위칭 전원을 위한 PWM 제어 장치를 제공한다. 스위칭 소자의 온 기간 및 오프 기간의 쌍방에 있어서 전류를 출력 가능하게 구성된 스위칭 전원에 있어서의 상기 스위칭 소자의 온 오프 제어를 행하도록 PWM 신호를 출력하는 PWM 제어 장치에 있어서, 상기 스위칭 전원의 입력 전압을 검출하는 입력 전압 검출부와, 상기 스위칭 전원의 입력 전류를 검출하는 입력 전류 검출부와, 검출된 상기 입력 전압 및 상기 입력 전류의 각각에 비례하는 수치의 사이의 차분에 대응하는 제어 전압을 출력하는 차분 출력부와, 상기 제어 전압을 입력 받고, 상기 제어 전압의 크기에 비례한 온 기간을 갖는 PWM 신호를 출력하는 PWMIC 를 갖는다.

Description

스위칭 전원의 역률 개선용 PWM 제어 장치

본 발명은 스위칭 전원의 역률 개선을 위한 PWM (Pulse Width Modulation) 제어 장치에 관한 것이다.

교류를 직류로 전력 변환하는 스위칭 전원에 있어서, 입력 전압과 상사형이고 위상이 일치한 입력 전류를 입력시키도록 구성된 역률 개선 회로 (특허문헌 1 ∼ 3 등) 가 공지되어 있다. 역률 개선 회로는, 일반적으로 비절연형의 승압 컨버터로서 구성되고, 교류를 정류한 입력 전압을 일정한 듀티비로 스위칭함으로써, 입력 전압 순시값에 비례한 입력 전류를 리액터에 흘림으로써 역률을 개선하고 있다.

한편, 역률 개선 기능을 구비한 원 컨버터 방식의 절연형 스위칭 전원도 공지되어 있다 (특허문헌 4, 5 등). 원 컨버터 방식의 절연형 스위칭 전원은, 통상적으로 승압 컨버터와 실질적으로 동일한 동작을 하는 플라이 백 방식으로 구성되어 있다. 원 컨버터 방식의 절연형 스위칭 전원에서는, 교류를 정류한 입력 전압을 일정한 듀티비로 스위칭함으로써, 입력 전압 순시값에 비례한 입력 전류를 트랜스의 일차 코일에 흘림으로써 역률을 개선하고 있다.

승압 컨버터나 플라이 백 방식의 스위칭 전원은, 통상적으로 스위칭의 온 기간에 자기 에너지를 축적하고, 오프 기간에 플라이 백 전류를 출력한다.

전원의 대출력화를 도모하기 위해서, 예를 들어 절연형 스위칭 전원에 있어서, 온 기간에 포워드 전류를 출력할 수 있는 포워드 방식의 요소를 플라이 백 방식에 끼워 넣는 것을 생각할 수 있다. 이와 같은 포워드/플라이 백 복합 방식에서는, 스위칭의 온 기간에 포워드 전류가 출력됨과 함께 오프 기간에 플라이 백 전류가 출력된다.

또한, 통상적으로「포워드 전류」및「플라이 백 전류」라는 용어는 절연형의 스위칭 전원에 사용하지만, 본 명세서에서는 비절연형 컨버터의 온 기간 및 오프 기간의 출력 전류에 대해서도, 편의상「포워드 전류」및「플라이 백 전류」로 칭하는 것으로 한다.

일본 공개특허공보 2007-37297호 일본 공개특허공보 2008-526975호 일본 공개특허공보 2015-23722호 일본 공개특허공보 평5-236749호 일본 공개특허공보 2002-300780호

포워드/플라이 백 복합 방식의 절연형 스위칭 전원은, 대출력화를 도모하는 한편, 역률의 관점에서 아래와 같은 문제점이 있다. 예를 들어, 정현파 교류의 전파 (全波) 정류 전압이 입력되는 경우, 플라이 백 전류는, 온 기간에 일차 코일에 흐르는 여자 전류에 의해서 트랜스에 축적된 자기 에너지에 따라서 오프시에 이차 코일에 발생된 기전력에 의해서 출력된다. 플라이 백 전류는, 입력 전압이 작은 범위여도 출력 가능하다. 이는 플라이 백 방식의 절연형 스위칭 전원의 역률이 좋은 것을 의미한다

그에 비해서, 포워드 전류는, 온 기간에 입력 전압이 인가되는 일차 코일과의 상호 유도에 의해서 이차 코일에 발생된 기전력에 의해서 출력되지만, 이차 코일에 발생된 기전력이 출력단의 평활 콘덴서의 전압을 초과하지 않으면 출력되지 않는다. 따라서, 포워드 전류는, 입력 전압이 작은 범위에서는 출력되지 않고, 따라서 포워드 전류와 쌍이 되는 일차측의 부하 전류도 입력 전류로서 흐르지 않는다. 이는 포워드 방식의 절연형 스위칭 전원의 역률이 좋지 않은 것을 의미한다.

이와 같이, 포워드/플라이 백 복합 방식의 절연형 스위칭 전원에서는, 입력 전압이 작은 범위에 있어서 플라이 백 전류만이 출력되어 포워드 전류가 출력되지 않는 점에서 입력 전류의 파형이 변형되고, 입력 전압의 정현파와 동일한 정현파로 되지 않아, 역률을 악화시킨다.

상기한 것은 비절연형 스위칭 전원에 있어서도 동일하다. 포워드/플라이 백 복합 방식으로서 구성된 비절연형 스위칭 전원에 있어서 온 기간에 출력되는 포워드 전류는, 입력 전압에 의해서 리액터에 발생된 기전력의 크기가 출력단의 평활 콘덴서의 전압을 초과하지 않으면 출력되지 않는다. 그 결과, 상기 서술한 절연형 스위칭 전원의 경우와 마찬가지로 역률 악화의 문제를 발생시킨다.

또한, 일반적인 DC/DC 컨버터에서는, 스위칭 제어를 위해서 범용적이고 저비용의 PWMIC (Pulse Width Modulation Integrated Circuit) 가 널리 사용되고 있다. 그러나, 이 PWMIC 를, 역률 개선용 스위칭 전원의 스위칭 제어에 그대로 채용했을 경우, 충분한 역률 개선 효과를 얻기가 어렵다.

이상의 현 상황으로부터, 본 발명은, 역률 개선용 스위칭 전원에 있어서, 대출력화를 도모할 수 있는 포워드 방식을 조합한 포워드/플라이 백 복합 방식을 채용하며 또한 양호한 역률을 실현하기 위한 PWM 제어 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다. 또한, 이와 같은 PWM 제어 장치를 범용적인 PWMIC 를 사용하여 간이한 구성에 의해서 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기한 목적을 달성하도록, 본 발명은 아래의 구성을 제공한다.

ㆍ 본 발명의 양태는, 스위칭 소자의 온 기간 및 오프 기간의 쌍방에 있어서 전류를 출력 가능하게 구성된 스위칭 전원에 있어서의 상기 스위칭 소자의 온 오프 제어를 행하도록 PWM 신호를 출력하는 PWM 제어 장치에 있어서,

상기 스위칭 전원의 입력 전압을 검출하는 입력 전압 검출부와,

상기 스위칭 전원의 입력 전류를 검출하는 입력 전류 검출부와,

검출된 상기 입력 전압 및 상기 입력 전류의 각각에 비례하는 수치의 사이의 차분에 대응하는 제어 전압을 출력하는 차분 출력부와,

상기 제어 전압을 입력 받고, 상기 제어 전압의 크기에 비례한 온 기간을 갖는 PWM 신호를 출력하는 PWMIC 를 갖는 것을 특징으로 한다.

ㆍ 상기 양태에 있어서, 상기 입력 전압 검출부가, 상기 입력 전압을 분압한 제 1 전압을 취득하고,

상기 입력 전류 검출부가, 상기 입력 전류에 의한 저항의 전압 강하를 반전 증폭한 제 2 전압을 취득하고,

상기 차분 출력부가, 상기 제 1 전압과 상기 제 2 전압을 입력 받고, 그것들의 차분에 대응하는 전압을 출력하는 차동 증폭 회로를 갖는 것이 매우 적합하다.

ㆍ 상기 양태에 있어서, 상기 차분 출력부가, 상기 입력 전압의 분압인 전압 및 상기 입력 전류에 의한 저항의 전압 강하의 각각을 각각 AD 변환하는 AD 변환부와, AD 변환된 그것들의 값에 기초하여 디지털 연산에 의해서 상기 입력 전압 및 상기 입력 전류의 각각에 비례하는 수치의 사이의 차분을 연산하는 연산부와, 얻어진 차분을 DA 변환함으로써 상기 차분에 대응하는 전압을 출력하는 DA 변환부를 갖는 것이 바람직하다.

ㆍ 상기 양태에 있어서, 상기 PWM 제어 장치가, 온 기간에 적어도 포워드 전류를 출력하고, 오프 기간에 적어도 플라이 백 전류를 출력 가능하게 구성된 절연형 또는 비절연형의 스위칭 전원에 적용되는 것이 바람직하다.

본 발명에 의한 스위칭 전원의 역률 개선용 PWM 제어 장치는, 입력 전압과, 입력 전류의 각각에 비례하는 수치의 사이의 차분에 대응하는 제어 전압에 기초하여, PWM 신호의 온 기간의 길이를 조정함으로써, 입력 전류의 파형을 입력 전압의 파형과 위상이 일치한 상사형으로 하여 역률을 개선할 수 있다.

도 1 은, 본 발명의 제 1 실시형태의 PWM 제어 장치를, 절연형 스위칭 전원에 적용한 예이다.
도 2 는, 도 1 의 회로예에 있어서의 스위칭 전원의 동작을 설명하는 도면으로서, (a) 는 온 기간의 전류를, (b) 는 오프 기간의 전류를 나타낸다.
도 3 은, 도 1 의 회로에 정현파 교류를 입력했을 경우의 교류 반 주기의 동작 파형의 일례를 모식적으로 나타낸다.
도 4 는, 본 발명의 제 1 실시형태의 PWM 제어 장치를, 비절연형 스위칭 전원에 적용한 예이다.
도 5 는, 본 발명의 제 1 실시형태의 PWM 제어 장치를, 비절연형 스위칭 전원에 적용한 다른 예이다.
도 6 은, 본 발명의 제 2 실시형태의 PWM 제어 장치를, 절연형 스위칭 전원에 적용한 예이다.

이하, 예로써 나타낸 도면을 참조하여 본 발명의 실시형태를 설명한다. 본 발명의 PWM 제어 장치의 적용 대상은, 전형적으로는, 비절연형 스위칭 전원 (승압 컨버터) 또는 원 컨버터 방식의 절연형 스위칭 전원이다. 본 발명의 PWM 제어 장치는, 이들 스위칭 전원에 있어서 양호한 역률이 얻어지도록 스위칭 제어를 행한다. 이들 스위칭 전원의 전형적인 입력 전압은, 정현파 교류의 전파 정류 전압이다. 또한, 입력 전압은, 정현파 이외에 방형파, 삼각파 또는 그 밖의 파형의 전압이어도 된다.

(1) 제 1 실시형태

(1-1) 절연형 스위칭 전원에 대한 적용예

도 1 은, 본 발명의 제 1 실시형태의 PWM 제어 장치 (10) 를, 원 컨버터 방식의 절연형 스위칭 전원 (20) 에 적용한 예이다. 절연형 스위칭 전원 (20) 은, 온 기간에 적어도 포워드 전류를, 오프 기간에 적어도 플라이 백 전류를 출력할 수 있는 포워드/플라이 백 복합 방식의 스위칭 전원으로서 구성되어 있다.

＜스위칭 전원 (20) 의 구성＞

먼저, 절연형 스위칭 전원 (20) 의 구성에 대해서 설명한다. 또한, 본 발명의 PWM 제어 장치 (10) 의 적용 대상인 포워드/플라이 백 복합 방식의 스위칭 전원은, 도 1 의 구성에 한정되지 않는다.

절연형 스위칭 전원 (20) 의 입력단 (1, 2) 에는, 교류 전압을 정류 회로에 의해서 전파 정류한 입력 전압 Vin 이 입력된다. 교류 전압은, 예를 들어, 계통 전원의 50 ㎐ 혹은 60 ㎐ 또는 각종 발전 장치에서 생성되는 수 ㎐ ∼ 수 ㎑ 정도의 주파수를 갖는 정현파이다.

트랜스 (T) 는, 일차 코일 (N1) 과 이차 코일 (N2) 이 동 극성으로 권취된 포워드 트랜스이다 (코일의 권시단 (卷始端) 을 흑색 동그라미로 나타낸다). 트랜스 (T) 의 일차측에는, 입력 전압 Vin 에 의해서 일차 코일 (N1) 에 흐르는 전류를 도통 또는 차단하도록 온 오프 제어되는 스위칭 소자 (Q) 가 형성되어 있다. 여기에서는 스위칭 소자 (Q) 는, n 채널 MOSFET 이다. 그 게이트에 인가되는 PWM 신호 Vg 의 전압에 의해서 온 오프 제어된다. PWM 신호 Vg 의 주파수는, 입력 교류의 주파수보다 높은 수십 kHz ∼ 수백 kHz 이다.

전파 정류 회로의 정출력단인 입력단 (1) 이, 일차 코일 (N1) 의 권시단에 접속되어 있다. 전파 정류 회로의 부출력단인 입력단 (2) 은, 입력 전류 Iin 의 검출용의 저항 (R3) 을 개재하여 스위칭 소자 (Q) 인 FET 의 소스에 접속되어 있다. FET 의 소스는 일차측의 접지단이다.

트랜스 (T) 의 이차 코일 (N2) 의 일단과 출력단 (3) 사이에는 리액터 (L) 가 접속되어 있다. 이차 코일 (N2) 의 타단과 출력단 (4) 사이에는, 애노드가 출력단 (4) 에, 캐소드가 이차 코일 (N2) 의 타단에 접속된 다이오드 (D1) 가 형성되어 있다.

또한, 이차 코일 (N2) 의 일단과 출력단 (4) 사이에는, 애노드가 출력단 (4) 에, 캐소드가 이차 코일 (N2) 의 일단에 접속된 다이오드 (D2) 가 형성되어 있다.

또한, 이차 코일 (N2) 의 타단과 출력단 (3) 사이에는, 애노드가 이차 코일 (N2) 의 타단에, 캐소드가 출력단 (3) 에 접속된 다이오드 (D3) 가 형성되어 있다.

출력단 (3) 과 출력단 (4) 사이에는 평활 콘덴서 (C) 가 접속되어 있다. 도시하지 않지만, 이들 출력단 (3) 과 출력단 (4) 사이에는 부하가 접속되어 있다.

＜스위칭 전원 (20) 의 기본적 동작＞

도 2 를 참조하여, 도 1 에 예시한 절연형 스위칭 전원 (20) 의 기본적 동작에 대해서 설명한다. 도 2(a)(b) 는, 도 1 의 절연형 스위칭 전원 (20) 을 개략적으로 나타내고, 각각 온 기간과 오프 기간의 전류의 흐름을 나타낸 도면이다.

ㆍ 온 기간의 동작

도 2(a) 의 온 기간에 있어서는, 스위칭 소자 (Q) 가 온이 되면, 입력 전압 Vin 이 일차 코일 (N1) 에 인가되고, 이로써, 입력단 (1) → 일차 코일 (N1) → 스위칭 소자 (Q) → 입력단 (2) 의 경로로 입력 전류 Iin 이 흐른다.

일차 코일 (N1) 에 입력 전류 Iin 이 흐르면 상호 유도에 의한 기전력 V2 가 이차 코일 (N2) 에 발생된다. 기전력 V2 는, 입력 전압 Vin 의 순시값과 트랜스 (T) 의 권취수비로 정해지고, 입력 전압 Vin 의 순시값에 비례한다.

기전력 V2 는, 이차 코일 (N2) 의 일단이 정전위, 타단이 부전위가 된다. 이로써 다이오드 (D1) 가 순바이어스가 되어 도통하고, 이차 코일 (N2) → 리액터 (L) → 출력단 (3) → 부하 → 출력단 (4) → 다이오드 (D1) 의 경로로 포워드 전류 i1 이 흐른다.

이차측의 포워드 전류 i1 은, 리액터 (L) 의 여자 전류이기도 하고, 이로써 리액터 (L) 에 자기 에너지가 축적된다.

다이오드 (D2) 는, 이차 코일 (N2) 의 일단이 정전위가 되어 역바이어스가 되기 때문에 전류는 흐르지 않는다. 다이오드 (D3) 도, 이차 코일 (N2) 의 타단이 부전위가 되어 역바이어스가 되기 때문에 전류는 흐르지 않는다.

또한, 일차 코일 (N1) 에 흐르는 입력 전류 Iin 은, 상호 유도에 의한 부하 전류와 트랜스 (T) 를 여자하는 여자 전류를 포함한다. 온 기간에는, 여자 전류에 의해서 트랜스 (T) 의 자속이 증가하여 자기 에너지가 축적된다.

ㆍ 오프 기간의 동작

도 2(b) 는, 오프 기간의 전류의 흐름을 나타낸다. PWM 신호 Vg 가 오프가 되면, 스위칭 소자 (Q) 의 전류로가 차단되어, 일차 코일 (N1) 을 흐르는 전류 Iin 은 소실된다. 이로써, 일차 코일 (N1) 및 이차 코일 (N2) 에 역기전력이 발생된다.

역기전력에 의해서 이차 코일 (N2) 의 타단이 정전위가 되어, 다이오드 (D1) 는 역바이어스가 되기 때문에, 온 기간에 있어서의 포워드 전류 i1 은 오프 기간에는 흐르지 않는다.

한편, 리액터 (L) 에 축적된 자기 에너지를 방출하도록 리액터 전류 i2 가 흐른다. 리액터 전류 i2 의 경로는, 리액터 (L) → 출력단 (3) → 부하 → 출력단 (4) → 다이오드 (D2) 이다. 리액터 전류 i2 는, 포워드 방식에 있어서의 오프 기간의 출력 전류에 상당하고, 다이오드 (D2) 는 전류 (轉流) 다이오드로서 기능한다.

또한, 역기전력에 의해서 이차 코일 (N2) 의 일단이 부전위, 타단이 정전위가 되어, 다이오드 (D2) 및 다이오드 (D3) 가 모두 순바이어스가 되어 도통하고, 이차 코일 (N2) → 다이오드 (D3) → 출력단 (3) → 부하 → 출력단 (4) → 다이오드 (D2) 의 경로로 제 3 전류 ifb 가 흐른다. 제 3 전류 ifb 가 흐름으로써, 온 기간에 트랜스 (T) 에 축적된 자기 에너지가 방출된다. 제 3 전류 ifb 는, 플라이 백 방식에 있어서의 플라이 백 전류라고 말할 수 있다.

이와 같이 도 1 에 나타낸 절연형 스위칭 전원 (20) 은, 온 기간에 포워드 전류 i1 을, 오프 기간에는 리액터 전류 i2 와 플라이 백 전류 ifb 를 출력할 수 있는 포워드/플라이 백 복합 방식의 전원이다. 이와 같은 방식은, 도 1 의 예에 한정되지 않고 다양한 회로가 공지되어 있다.

＜PWM 제어 장치 (10) 의 구성 및 역률 개선 동작＞

PWM 제어 장치 (10) 는, 범용적인 PWMIC (5) 를 갖는다. PWMIC (5) 는, 전원 (Vcc) 이 공급되는 단자와, 제어 전압이 입력되는 제어 단자 (cs) 와, 스위칭 전원 (20) 의 출력 전압 (평활 콘덴서의 전압 Vc) 이 저항 (R10) 과 포토커플러 (PC) 를 개재하여 입력되는 피드백 단자 (fb) 와, 스위칭 소자 (Q) 를 온 오프 제어하는 PWM 신호 Vg 를 출력하는 출력 단자 (out) 와 접지 단자 (G) 를 적어도 갖는다. 범용적인 PWMIC (5) 는, 일정한 주파수를 갖는 PWM 신호 Vg 의 1 주기에 있어서의 온 기간의 길이가, 제어 단자 (cs) 에 입력되는 제어 전압 Vcs 에 비례하여 변화하도록 구성되어 있다. 따라서, 제어 전압 Vcs 가 커지면 온 기간이 길어지고, 작아지면 온 기간이 짧아진다.

상기 서술한 바와 같이 입력 전류 Iin 이 흐르는 라인 상에, 입력 전류 Iin 을 검출하기 위한 검출용의 저항 (R3) 이 삽입되어 있다. 저항 (R3) 은, 일단이 정류 회로의 부출력단에, 타단이 일차측의 접지단에 접속되어 있다. 입력 전류 Iin 에 의한 저항 (R3) 의 전압 강하 (-R3·Iin) 는, 입력 전류 Iin 의 크기에 비례하는 입력 전류 검출치이다. 이 입력 전류 검출치는, 저항 (R4) 을 개재하여 제 1 연산 증폭기 (A1) 의 반전 입력단 (-) 에 입력되어 반전 증폭된다. 제 1 연산 증폭기 (A1) 의 출력 전압을 Vα 로 하면,

Vα= (R4/R5)·R3·Iin ··· 식 1

한편, 입력 전압 Vin 의 입력 전압 검출치도, 입력단 (1) 에서 취득된다. 입력 전압 Vin 은, 직렬 접속된 저항 (R1) 및 저항 (R2) 에 의해서 분압된다. 그 접속점에 있어서의 분압 Vβ가, 제 2 연산 증폭기 (A2) 의 비반전 입력단 ( ＋ ) 에 입력된다. 이 분압 Vβ는, 입력 전압 Vin 에 비례하는 입력 전압 검출치이다.

Vβ= (R2/(R1 ＋ R2))·Vin ···식 2

제 2 연산 증폭기 (A2) 의 반전 입력단 (-) 에는, 제 1 연산 증폭기 (A1) 의 출력 전압 Vα 가 저항 (R6) 을 개재하여 입력된다. 제 2 연산 증폭기 (A2) 는, 차동 증폭기를 구성하고 있다. 제 2 연산 증폭기 (A2) 의 출력 전압 Vγ 는, 아래와 같다.

Vγ = (1 ＋ R7/R6)·Vβ- (R7/R6)·Vα ···식 3

식 1, 식 2, 식 3 으로부터

Vγ = k₁·Vin-k₂·Iin ···식 4

단, k1 = (1 ＋ R7/R6)·(R2/(R1 ＋ R2))

k₂ = (R7/R6)·(R4/R5)·R3

식 4 에서 나타내는 바와 같이, 제 2 연산 증폭기 (A2) 는, 입력 전압 Vin 에 비례하는 수치와, 입력 전류 Iin 에 비례하는 수치의 차분을 출력하는 차분 출력부를 구성한다.

제 2 연산 증폭기 (A2) 의 출력 전압 Vγ 는, 저항 (R8) 과 저항 (R9) 에 의해서 분압되어 PWMIC (5) 의 제어 단자 (cs) 에 입력된다. 따라서, 출력 전압 Vγ 에 비례하는 전압이, PWMIC (5) 의 제어 전압 Vcs 가 된다. 이것은, 제어 전압 Vcs 가, 입력 전압 Vin 에 비례하는 수치와, 입력 전류 Iin 에 비례하는 수치의 차분에 비례하는 것을 의미한다. 이 차분이 커지면, PWM 신호 Vg 의 온 기간이 길어져, 입력 전류 Iin 이 커진다. 반대로, 이 차분이 작아지면, PWM 신호 Vg 의 온 기간이 짧아져, 입력 전류 Iin 이 작아진다.

이와 같은 PWM 제어 장치 (10) 의 온 오프 제어에 의해서, 입력 전압 Vin 과 입력 전류 Iin 의 파형이, 위상이 일치한 상사형으로 유지된다. 이로써, 역률이 양호하게, 최적하게는 역률이 1 로 유지된다.

도 3 을 참조하여, PWM 제어 장치 (10) 에 의한 절연형 스위칭 전원 (20) 의 역률 개선 동작을 설명한다. 도 3 은, 도 1 의 회로에 정현파 교류가 입력되는 경우의 교류 반 주기의 동작 파형의 일례를 모식적으로 나타낸다.

도 3(a) 는, 교류 반 주기의 입력 전압 Vin 과, 트랜스 (T) 의 이차 코일 (N2) 에 발생되는 기전력 (전압) V2 를 나타낸다. 또, 출력단에 있어서의 평활 콘덴서의 전압 Vc 도 나타낸다.

도 3(b) 는 스위칭 소자 (Q) 를 온 오프 제어하는 PWM 신호 Vg 를 나타낸다.

도 3(c) 는, 스위칭 소자에 흐르는 입력 전류 Iin 과 그 피크치의 포락선을 나타낸다.

도 3(d) 는, 이차측으로 흐르는 포워드 전류 i1 과 리액터 전류 i2 를 가산한 전류와 그 피크치의 포락선 (실선) 을 나타낸다.

도 3(e) 는, 이차측으로 흐르는 플라이 백 전류 ifb 와 그 피크치의 포락선 (실선) 을 나타낸다.

도 3(f) 는, 이차측으로 출력되는 포워드 전류 i1, 리액터 전류 i2 및 플라이 백 전류 ifb 를 가산한 전류의 피크치의 포락선을 나타낸다.

또한, 도 3(c)(d)(e) 의 점선은, 도 1 의 스위칭 전원을, 온 기간 일정한 PWM 신호로 온 오프 제어했을 경우의 각 전류 피크치의 포락선을 나타낸다.

도 3(a) 에 나타내는 바와 같이, 스위칭의 온시에는, 입력 전압 Vin 의 순시값에 비례하는 기전력 (전압) V2 가 트랜스 (T) 의 이차 코일 (N2) 에 발생된다. 포워드 전류 i1 은, 이차 코일 (N2) 에 발생되는 기전력 V2 가 평활 콘덴서 (C) 의 전압 Vc 를 초과했을 때에만 흐를 수 있다.

도 3(c) 에 나타내는 바와 같이, 입력 전류 Iin 은 스위칭의 온 기간에만 흐른다. 입력 전류 Iin 에는, 부하 전류와 여자 전류가 포함된다. 입력 전류 Iin 에 포함되는 부하 전류는, 이차 코일 (N2) 에 상호 유도에 의한 포워드 전류 i1 이 흐를 때에만 흐를 수 있다. 도 3(d) 에 나타내는 바와 같이, 입력 전압 Vin 이 작은 범위에서는 이차 코일 (N2) 에 발생되는 기전력 V2 가 평활 콘덴서 (C) 의 전압 Vc 를 초과하지 못하고, 이차측으로 포워드 전류 i1 이 출력되지 않는다. 이 경우, 입력 전류 Iin 으로서 여자 전류만이 흐른다. 여자 전류는, 입력 전압 Vin 의 크기에 따라서 항상 흐를 수 있다.

도 3(c) 에 점선으로 나타내는 바와 같이, 만약에 PWM 신호가 온 기간 일정한 펄스 신호인 경우, 입력 전류 Iin 의 파형이 정현파로부터 변형되어, 역률을 악화시킨다. 도 3(d) 및 도 3(e) 의 점선은, 도 3(c) 의 점선에 대응하는 포워드 전류 i1 ＋ 리액터 전류 i2, 및, 플라이 백 전류 ifb 를 각각 나타낸 것이다.

본 발명의 PWM 제어 장치 (10) 의 제어에 의해서, 도 3(b) 에 나타내는 바와 같이, 입력 전압 Vin 과 입력 전류 Iin 의 각 검출치의 차분에 따라서 PWM 신호 Vg 의 온 기간의 길이가 조정된다. 예를 들어, 입력 전압 Vin 이 작은 범위에 있어서 입력 전류 Iin 으로서 여자 전류만이 흐를 경우, PWM 신호 Vg 의 온 기간을 길게 함으로써 입력 전류 Iin 의 피크치를 크게 한다. 또 예를 들어, 기전력 V2 가 콘덴서 전압 Vc 를 초과하고, 입력 전류 Iin 으로서 여자 전류와 부하 전류의 쌍방이 흐를 경우, PWM 신호 Vg 의 온 기간을 짧게 함으로써 입력 전류 Iin 의 피크치를 작게 한다.

이 결과, 도 3(c) 에 실선으로 나타내는 바와 같이, 입력 전류 Iin 의 피크치의 포락선은, 입력 전압 Vin 과 상사형으로 위상이 일치하는 정현파가 된다. 이 경우, 역률은 1 이 된다.

도 3(f) 에 나타내는 바와 같이, 포워드 전류 i1, 리액터 전류 i2 및 플라이 백 전류 ifb 를 가산한 출력 전류의 피크치의 포락선도 정현파가 된다.

(1-2) 비절연형 스위칭 전원에 대한 적용예

도 4 는, 도 1 에 나타낸 PWM 제어 장치 (10) 를 적용 가능한 비절연형 스위칭 전원의 예를 나타내고, (a) 는 온 기간의 전류의 흐름을, (b) 는 오프 기간의 흐름을 나타낸다. PWM 제어 장치 (10) 의 구성은, 도 1 과 동일하기 때문에 도시를 생략한다.

본 발명의 적용 대상인 비절연형 스위칭 전원도, 절연형의 경우와 마찬가지로, 온 기간에 적어도 포워드 전류를, 오프 기간에 적어도 플라이 백 전류를 출력할 수 있는 포워드/플라이 백 복합 방식의 스위칭 전원으로서 구성되어 있다. 기본적으로는, 승압 컨버터가 된다.

비절연형 스위칭 전원 (20A) 의 입력단 (1, 2) 에는, 교류 전압을 정류 회로에 의해서 전파 정류한 입력 전압 Vin 이 입력된다. 정 (正) 의 입력단 (1) 이, 트랜스 (T1) 의 일차 코일 (N11) 의 권시단에 접속되어 있다. 부 (不) 의 입력단 (2) 은, 부의 출력단 (4) 과 공통되는 접지단이다. 트랜스 (T1) 는, 일차 코일 (N11) 과 이차 코일 (N12) 이 역극성으로 권취된 플라이 백 트랜스이다. 트랜스 (T1) 의 일차 코일 (N11) 의 타단과 접지단 사이에, 입력 전압 Vin 에 의해서 일차 코일 (N11) 에 흐르는 전류를 도통 또는 차단하도록 온 오프 제어되는 스위칭 소자 (Q) 가 형성되어 있다. 여기에서는 스위칭 소자 (Q) 는, n 채널 MOSFET 이다. FET 의 드레인이 일차 코일 (N11) 의 타단에, 소스가 접지단에 접속되어 있다. 또한, 애노드가 일차 코일 (N11) 의 타단에, 캐소드가 정의 출력단 (3) 에 접속된 다이오드 (D11) 가 형성되어 있다.

이차 코일 (N12) 의 타단은 접지단에 접속되어 있다. 또한, 애노드가 이차 코일 (N12) 의 일단에, 캐소드가 출력단 (3) 에 접속된 다이오드 (D12) 가 형성되어 있다. 출력단 (3, 4) 사이에는 평활 콘덴서 (C) 가 접속되어 있다.

도 4(a) 에 나타내는 온 기간에는, 스위칭 소자 (Q) 가 도통하면, 입력단 (1) 으로부터 일차 코일 (N11) 에 입력 전압 Vin 이 인가되어, 일차 코일 (N11) 에 입력 전류 Iin 이 흐른다. 상기 서술한 바와 같이, 입력 전압 Vin 은 저항 (R1) 을 통과하고, 입력 전류 Iin 은 저항 (R3) 을 통과하여 검출된다. 입력 전류 Iin 이 흐름으로써 이차 코일 (N12) 에 상호 유도에 의한 기전력 V2 를 발생시킨다. 기전력 V2 는, 입력 전압 Vin 의 크기와 권취수비로 정해진다. 이로써, 다이오드 (D12) 가 순바이어스가 되어, 도시한 경로로 포워드 전류 i1 이 출력단 (3) 으로 흐른다. 다이오드 (D11) 는 역바이어스가 되어 차단된다.

단, 포워드 전류 i1 은, 이차 코일 (N12) 에 발생된 기전력 V2 가 평활 콘덴서 (C) 의 전압을 초과할 때에만 흐를 수 있다. 포워드 전류 i1 이 흐르지 않을 때에는, 입력 전류 Iin 에 포함되는 부하 전류는 흐르지 않는다. 부하 전류가 흐르지 않는 경우여도, 입력 전류 Iin 에 포함되는 여자 전류는 항상 흘러, 트랜스 (T1) 에 자기 에너지가 축적된다.

도 4(b) 에 나타내는 오프 기간에는, 스위칭 소자 (Q) 가 차단되어, 일차 코일 (N11) 및 이차 코일 (N12) 에 역기전력이 발생된다. 다이오드 (D12) 는 역바이어스가 되어 차단된다. 한편, 다이오드 (D11) 가 순바이어스가 되어, 도시한 경로로 플라이 백 전류 ifb 가 출력단 (3) 으로 흐른다. 이로써 트랜스 (T1) 에 축적된 자기 에너지가 방출된다.

도 4 의 비절연형 스위칭 전원에 있어서의 동작 파형은, 도 3 에 나타낸 절연형의 경우와 실질적으로 동일하다. 단, 비절연형의 경우, 도 3(d) 의 리액터 전류 i2 가 없다. 비절연형 스위칭 전원의 경우에도, 본 발명의 PWM 제어 장치에 의해서 PWM 신호의 온 기간의 길이가 조정됨으로써, 입력 전류 Iin 의 파형이, 입력 전압 Vin 과 위상이 일치하는 상사형이 되어, 역률이 양호해진다.

도 5 는, 본 발명의 적용 대상인 비절연형 스위칭 전원의 다른 예를 나타내고, (a) 는 온 기간의 전류의 흐름을, (b) 는 오프 기간의 흐름을 나타낸다. PWM 제어 장치 (10) 의 구성은, 도 1 과 동일하기 때문에 도시를 생략한다.

비절연형 스위칭 전원 (20B) 의 입력단 (1, 2) 에는, 교류 전압을 정류 회로에 의해서 전파 정류한 입력 전압 Vin 이 입력된다. 정의 입력단 (1) 이, 트랜스 (T2) 의 일차 코일 (N21) 의 권시단에 접속되어 있다. 부의 입력단 (2) 은, 부의 출력단 (4) 과 공통되는 접지단이다. 트랜스 (T2) 는, 일차 코일 (N21) 과 이차 코일 (N22) 이 역극성으로 권취된 플라이 백 트랜스이다. 일차 코일 (N21) 의 타단과 이차 코일 (N22) 의 일단은 접속되어 있다. 트랜스 (T22) 의 일차 코일 (N21) 의 타단과 접지단 사이에, 입력 전압 Vin 에 의해서 일차 코일 (N21) 에 흐르는 전류를 도통 또는 차단할 수 있도록 온 오프 제어되는 스위칭 소자 (Q) 가 형성되어 있다. 여기에서는 스위칭 소자 (Q) 는 n 채널 MOSFET 이다. FET 의 드레인이 일차 코일 (N21) 의 타단에, 소스가 접지단에 접속되어 있다. 또한, 애노드가 이차 코일 (N22) 의 타단에, 캐소드가 정의 출력단 (3) 에 접속된 다이오드 (D21) 가 형성되어 있다.

또한, 일차 코일 (N21) 과 이차 코일 (N22) 의 접속점에 애노드가, 출력단 (3) 에 캐소드가 접속된 다이오드 (D22) 가 형성되어 있다. 출력단 (3, 4) 사이에는 평활 콘덴서 (C) 가 접속되어 있다.

도 5(a) 에 나타내는 온 기간에는, 스위칭 소자 (Q) 가 도통하면, 입력단 (1) 으로부터 일차 코일 (N21) 에 입력 전압 Vin 이 인가되어, 일차 코일 (N21) 에 입력 전류 Iin 이 흐른다. 상기 서술한 바와 같이, 입력 전압 Vin 은 저항 (R1) 을 통과하고, 입력 전류 Iin 은 저항 (R3) 을 통과하여 검출된다. 입력 전류 Iin 이 흐름으로써 이차 코일 (N22) 에 상호 유도에 의한 기전력 V2 를 발생시킨다. 기전력 V2 는, 입력 전압 Vin 의 크기와 권취수비로 정해진다. 이로써, 다이오드 (D21) 가 순바이어스가 되어, 도시한 경로로 포워드 전류 i1 이 출력단 (3) 으로 흐른다. 다이오드 (D22) 는 역바이어스가 되어 차단된다.

단, 포워드 전류 i1 은, 이차 코일 (N22) 에 발생된 기전력 V2 가 평활 콘덴서 (C) 의 전압을 초과할 때에만 흐를 수 있다. 포워드 전류 i1 이 흐르지 않을 때에는, 입력 전류 Iin 에 포함되는 부하 전류는 흐르지 않는다. 부하 전류가 흐르지 않는 경우여도, 입력 전류 Iin 에 포함되는 여자 전류는 항상 흘러, 트랜스 (T2) 에 자기 에너지가 축적된다.

도 5(b) 에 나타내는 오프 기간에는, 스위칭 소자 (Q) 가 차단되어, 일차 코일 (N21) 및 이차 코일 (N22) 에 역기전력이 발생된다. 다이오드 (D21) 는 역바이어스가 되어 차단된다. 한편, 다이오드 (D22) 가 순바이어스가 되어, 도시한 경로로 플라이 백 전류 ifb 가 출력단 (3) 으로 흐른다. 이로써 트랜스 (T2) 에 축적된 자기 에너지가 방출된다.

도 5 의 비절연형 스위칭 전원 (20B) 에 있어서의 동작 파형도, 리액터 전류 i2 가 없는 점을 제외하고, 도 3 에 나타낸 절연형의 경우와 실질적으로 동일하다.

(1-3) 스위칭 전원의 그 밖의 구성예

상기 서술한 절연형 스위칭 전원 또는 비절연형 스위칭 전원이, 복수의 스위칭 소자로 이루어지는 스위칭부를 갖는 경우도 포함된다. 예를 들어, 풀 브릿지 회로, 푸시풀 회로 또는 하프 브릿지 회로에 의해서 구성되는 스위칭부이다. 이와 같은 스위칭부에 포함되는 복수의 스위칭 소자의 각각이, 본 발명의 PWM 제어 장치에 의해서 생성되는 PWM 신호 Vg 에 의해서 온 오프 제어된다.

(2) PWM 제어 장치의 제 2 실시형태

도 6 은, 본 발명의 제 2 실시형태의 PWM 제어 장치 (10A) 를, 도 1 과 동일한 절연형 스위칭 전원에 적용한 예이다.

PWM 제어 장치 (10A) 는, 범용적인 PWMIC (5) 를 갖는다. PWMIC (5) 에 대해서는, 도 1 의 것과 동일하기 때문에 설명을 생략한다.

제 2 실시형태에 있어서도, 검출용의 저항 (R3) 의 양단 전압에 의해서, 입력 전류 Iin 의 크기에 비례하는 입력 전류 검출치가 얻어진다. 마찬가지로, 한편, 입력 전압 Vin 의 입력 전압 검출치도 입력단 (1) 에서 취득되고, 저항 (R1) 및 저항 (R2) 에 의해서 분압된다. 또한, 입력 전류 검출치 및 입력 전압 검출치를 취득하는 수단은, 이것들에 한정되지 않는다.

제 2 실시형태에 있어서의 차분 출력부는, 입력 전압 Vin 및 입력 전류 Iin 의 각각에 비례하는 수치 사이의 차분을 디지털적으로 연산한다. 차분 출력부는, 입력 전압 검출치와 입력 전류 검출치를 각각 AD 변환하는 AD 변환부 (11) 와, 디지털 변환된 입력 전류 검출치와 입력 전압 검출치를 사용하여, 디지털 연산에 의해서 그것들의 차분을 연산하는 디지털 시그널 프로세서 (DSP) 등의 디지털 연산부 (12) 와, 얻어진 차분을 DA 변환함으로써, PWMIC (5) 의 cs 단자의 제어 전압을 생성하는 DA 변환부 (13) 를 갖는다.

이상에서 설명한 본 발명의 스위칭 전원의 PWM 제어 장치는, 스위칭 전원의 입력 전압과 입력 전류를 각각 검지하고, 그것들의 차분에 기초하여 PWM 신호의 온 기간을 조정하는 제어를 행한다. 따라서, 포워드/플라이 백 복합 방식의 스위칭 전원에 있어서의 복잡한 입력 전류 파형도, 입력 전압의 정현파와 동일한 정현파로 용이하게 보정할 수 있다.

또한, 동일한 PWM 제어 장치를, 절연형 및 비절연형의 어느 스위칭 전원에도 공통적으로 사용할 수 있다. 또, 동일 PWM 제어 장치를, 단일한 스위칭 소자에도 풀 브릿지 등의 복수의 스위칭 소자에도 공통적으로 사용할 수 있다. 이로써, 본 발명의 PWM 제어 장치는 범용성이 높다고 말할 수 있다. 도시한 구성예에 한정하지 않고, 본 발명의 주지를 따르는 범위에서 다양한 변형이 가능하다.

1, 2 : 입력단
3, 4 : 출력단
T, T1 : 트랜스
N1, N11, N21 : 일차 코일
N2, N12, N22 : 이차 코일
Q : 스위칭 소자
D1, D2, D3, D11, D12, D21, D22 : 다이오드
L : 리액터
C : 평활 콘덴서
R1 ∼ R9 : 저항
A1, A2 : 연산 증폭기

Claims

스위칭 소자의 온 기간 및 오프 기간의 쌍방에 있어서 전류를 출력 가능하게 구성된 스위칭 전원에 있어서의 상기 스위칭 소자의 온 오프 제어를 행하도록 PWM 신호를 출력하는 PWM 제어 장치에 있어서,
상기 스위칭 전원의 입력 전압을 검출하는 입력 전압 검출부와,
상기 스위칭 전원의 입력 전류를 검출하는 입력 전류 검출부와,
검출된 상기 입력 전압 및 상기 입력 전류의 각각에 비례하는 수치의 사이의 차분에 대응하는 제어 전압을 출력하는 차분 출력부와,
상기 제어 전압을 입력 받고, 상기 제어 전압의 크기에 비례한 온 기간을 갖는 PWM 신호를 출력하는 PWMIC 를 갖는 것을 특징으로 하는 스위칭 전원의 PWM 제어 장치.
제 1 항에 있어서,
상기 입력 전압 검출부가, 상기 입력 전압을 분압한 제 1 전압을 취득하고,
상기 입력 전류 검출부가, 상기 입력 전류에 의한 저항의 전압 강하를 반전 증폭한 제 2 전압을 취득하고,
상기 차분 출력부가, 상기 제 1 전압과 상기 제 2 전압을 입력 받고, 그것들의 차분에 대응하는 전압을 출력하는 차동 증폭 회로를 갖는 것을 특징으로 하는 스위칭 전원의 PWM 제어 장치.
제 1 항에 있어서,
상기 차분 출력부가, 상기 입력 전압의 분압인 전압 및 상기 입력 전류에 의한 저항의 전압 강하의 각각을 각각 AD 변환하는 AD 변환부와, AD 변환된 그것들의 값에 기초하여 디지털 연산에 의해서 상기 입력 전압 및 상기 입력 전류의 각각에 비례하는 수치의 사이의 차분을 연산하는 연산부와, 얻어진 차분을 DA 변환함으로써 상기 차분에 대응하는 전압을 출력하는 DA 변환부를 갖는 것을 특징으로 하는 스위칭 전원의 PWM 제어 장치.
제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
온 기간에 적어도 포워드 전류를 출력하고, 오프 기간에 적어도 플라이 백 전류를 출력 가능하게 구성된 절연형 또는 비절연형의 스위칭 전원에 적용되는 것을 특징으로 하는 스위칭 전원의 PWM 제어 장치.