KR20210136576A - 전자장치 및 그 제어방법 - Google Patents

전자장치 및 그 제어방법 Download PDF

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최용호
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Abstract

전자장치는, 정류된 입력전원을 교류전원으로 변환하는 제1스위칭부와, 교류전원을 변압시켜 전달하는 변압부와, 변압부의 출력에 기초하여 직류의 출력전압을 출력하는 출력부와, 변압부에 연결된 충전소자 및 제2스위칭부를 포함하는 역률보정부와, 출력부에 의해 출력되는 출력전압을 조정하도록 제1스위칭부를 제어하고, 변압부를 통해 전달되는 에너지가 충전소자에 충전되도록 하고, 충전소자에 충전된 에너지를 방전시켜 변압부를 통해 출력부로 전달되는 에너지가 상승하도록 제2스위칭부를 제어하는 제어부를 포함한다.

Description

전자장치 및 그 제어방법 {ELECTRONIC APPARATUS AND CONTROL METHOD THEREOF}
본 발명은 외부로부터 전달되는 교류 전원에 기반한 동작 에너지를 공급하는 전원공급부를 가진 전자장치 및 그 제어방법에 관한 것으로서, 상세하게는 전원공급부 내 교류 전원을 직류 전원으로 변환하는 변환회로에 역률보정 기능이 구현된 전자장치 및 그 제어방법에 관한 것이다.
소정의 정보를 특정 프로세스에 따라서 연산 및 처리하기 위해, 연산을 위한 CPU, 칩셋, 메모리 등의 전자부품들을 기본적으로 포함하는 전자장치는, 처리 대상이 되는 정보 또는 사용 용도가 무엇인지에 따라서 다양한 종류로 구분될 수 있다. 예를 들면, 전자장치에는 범용의 정보를 처리하는 PC나 서버 등의 정보처리장치, 영상데이터를 처리하는 영상처리장치, 처리된 영상데이터를 화면 상에 영상으로 표시하는 디스플레이장치, 오디오를 처리하는 오디오장치, 가정 내 잡무를 수행하는 생활가전 등이 있다. 어떠한 종류의 장치라고 하더라도, 전자장치는 외부로부터의 교류 전원에 기반하여 동작을 위한 전기에너지를 제공하는 전원공급부를 가진다. 전원공급부는 전자장치에 내장되거나 또는 아답터 형태로 전자장치에 접속되도록 제공될 수 있다.
전원공급부의 회로 설계에서 고려되어야 할 여러 가지 사항 중의 한 가지로는 역률이 있다. 역률은 전원공급부로부터 부하에 실제로 전달됨으로써 부하에서 사용되는 유효전력에 비해, 전원공급부에 공급은 되었으나 부하에 전달되지 못하고 소모된 무효전력이 얼마나 적게 차지하는가의 비율을 나타낸다. 역률이 좋지 않은 전원공급부는 외부로부터 공급되는 전기에너지에 비해 부하에 전달되는 전기에너지가 상대적으로 적다는 것을 의미한다. 따라서, 전원공급부에는 무효전력을 줄여서 역률을 개선하기 위한 역률보정기능의 설계가 적용될 수 있다.
전원공급부에서 역률보정기능을 구현하기 위하여 여러 가지의 구조가 제안되고 있다. 그런데, 종래의 역률보정기능 구조는 상대적으로 코일 등의 많은 회로 부품들이 사용되므로, 전원공급부의 부피가 커지고, 발열이 증가하며, 재료비가 상승하는 문제가 있다.
따라서, 전원공급부에 역률보정기능을 구현하되, 상대적으로 전원공급부의 부피를 줄이고, 발열이 감소하며, 재료비를 절감할 수 있는 구조가 필요할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 전자장치는, 정류된 입력전원을 교류전원으로 변환하는 제1스위칭부와, 상기 교류전원을 변압시켜 전달하는 변압부와, 상기 변압부의 출력에 기초하여 직류의 출력전압을 출력하는 출력부와, 상기 변압부에 연결된 충전소자 및 제2스위칭부를 포함하는 역률보정부와, 상기 출력부에 의해 출력되는 출력전압을 조정하도록 상기 제1스위칭부를 제어하고, 상기 변압부를 통해 전달되는 에너지가 상기 충전소자에 충전되도록 하고, 상기 충전소자에 충전된 에너지를 방전시켜 상기 변압부를 통해 상기 출력부로 전달되는 에너지가 상승하도록 상기 제2스위칭부를 제어하는 제어부를 포함할 수 있다.
또한, 상기 제어부는, 상기 변압부를 통해 전달되는 전류를 제어함으로써 상기 충전소자가 충전되도록 하고, 상기 변압부를 통해 전달되는 전압이 상승하도록 상기 충전소자에 충전된 에너지를 방전시킬 수 있다.
또한, 상기 제2스위칭부는, 상기 충전소자 및 상기 변압부 사이에 개폐 가능하게 마련된 스위칭소자를 포함하며, 상기 제어부는, 상기 변압부를 통해 전달되는 에너지에 상기 충전소자에 충전된 에너지가 부가되도록 상기 스위칭소자를 제어할 수 있다.
또한, 상기 제어부는, 상기 변압부에 흐르는 전류의 방향이 전환되도록 상기 제1스위칭부가 동작하는 시점에 대응하여 상기 스위칭소자를 턴온시킬 수 있다.
또한, 상기 제어부는, 상기 제1스위칭소자의 스위칭 동작을 제어하기 위한 신호의 시비율(duty ratio)을, 입력 교류전압의 크기가 작은 구간에서는 증가시키고 입력 교류전압의 크기가 큰 구간에서는 감소시킬 수 있다.
또한, 상기 역률보정부는, 상기 변압부 및 상기 출력부 사이에 배치된 다이오드를 더 포함하며, 상기 제어부는, 상기 변압부를 통해 상기 출력부로 전달되는 에너지가 상기 다이오드를 거쳐서 흐를 수 있도록 상승시킬 수 있다.
또한, 상기 역률보정부는, 상기 변압부를 통해 상기 출력부로 전달되는 에너지에 기초하여 충전되고, 상기 충전된 전기에너지가 상기 출력부로 전달되도록 마련되는 커패시터를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 변압부를 통해 전달되는 에너지 및 상기 충전소자에 충전된 에너지에 기초하여 충전되고, 상기 충전된 전기에너지가 상기 다이오드를 통해 전달되도록 마련된 공진코일부를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 충전소자는 커패시터를 포함할 수 있다.
또한, 상기 제1스위칭부는 복수의 스위치를 포함하며, 상기 제어부는, 상기 복수의 스위치를 개별적으로 개폐함으로써 상기 변압부에 전달되는 전류의 방향이 변화하도록 제어할 수 있다.
또한, 상기 변압부를 통해 전달되는 에너지는, 상기 변압부의 입력측 코일로부터 출력측 코일로 전달되는 전기에너지일 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 전자장치의 제어방법은, 제1스위칭부에 의해, 정류된 입력전원을 교류전원으로 변환하는 단계와, 충전소자 및 제2스위칭부를 포함하는 역률보정부에 의해, 변압부를 통해 전달되는 에너지에 기초하여 상기 충전소자를 충전시키는 단계와, 상기 충전소자에 충전된 에너지를 방전시켜 상기 변압부를 통해 출력부로 전달되는 에너지를 상승시키도록 상기 제2스위칭부를 제어하는 단계를 포함한다.
도 1은 전자장치의 예시도이다.
도 2는 전자장치의 영상처리 디바이스의 구성 블록도이다.
도 3은 전원공급부의 교류-직류 컨버터의 구성 블록도이다.
도 4는 도 3의 교류-직류 컨버터의 회로 구조를 나타내는 예시도이다.
도 5는 교류-직류 컨버터의 각 부분에서의 신호 파형을 나타내는 그래프이다.
도 6은 도 5의 시구간 중 T0 내지 T1의 시구간에서 교류-직류 컨버터의 동작을 나타내는 요부 회로도이다.
도 7은 도 5의 시구간 중 T1 내지 T2의 시구간에서 교류-직류 컨버터의 동작을 나타내는 요부 회로도이다.
도 8은 도 5의 시구간 중 T2 내지 T3의 시구간에서 교류-직류 컨버터의 동작을 나타내는 요부 회로도이다.
도 9는 역률제어부가 스위칭소자 M5에 전달하는 신호와 출력단 부하에 따른 시비율의 한 예시를 나타내는 그래프이다.
도 10은 본 실시예의 스위칭소자 M5를 적용하지 않은 관련기술에 따른 교류-직류 컨버터에서 입력전류 및 입력전압의 위상의 시뮬레이션 결과를 나타내는 그래프이다.
도 11은 본 실시에 따른 스위칭소자 M5의 역률보정 동작으로 인한 입력전류 및 입력전압의 위상의 시뮬레이션 결과를 나타내는 그래프이다.
도 12는 스위칭부의 설계가 변경된 교류-직류 컨버터의 회로의 예시도이다.
도 13은 변압부의 설계가 변경된 교류-직류 컨버터의 회로의 예시도이다.
도 14는 제어부가 교류-직류 컨버터를 제어하는 동작에 관한 플로우차트이다.
이하에서는 첨부도면을 참조하여 본 발명에 따른 실시예들에 관해 상세히 설명한다. 각 도면을 참조하여 설명하는 실시예들은 특별한 언급이 없는 한 상호 배타적인 구성이 아니며, 하나의 장치 내에서 복수 개의 실시예가 선택적으로 조합되어 구현될 수 있다. 이러한 복수의 실시예의 조합은 본 발명의 기술분야에서 숙련된 기술자가 본 발명의 사상을 구현함에 있어서 임의로 선택되어 적용될 수 있다.
만일, 실시예에서 제1구성요소, 제2구성요소 등과 같이 서수를 포함하는 용어가 있다면, 이러한 용어는 다양한 구성요소들을 설명하기 위해 사용되는 것이며, 용어는 하나의 구성요소를 다른 구성요소와 구별하기 위하여 사용되는 바, 이들 구성요소는 용어에 의해 그 의미가 한정되지 않는다. 실시예에서 사용하는 용어는 해당 실시예를 설명하기 위해 적용되는 것으로서, 본 발명의 사상을 한정하지 않는다.
또한, 본 명세서에서의 복수의 구성요소 중 "적어도 하나(at least one)"라는 표현이 나오는 경우에, 본 표현은 복수의 구성요소 전체 뿐만 아니라, 복수의 구성요소 중 나머지를 배제한 각 하나 혹은 이들의 조합 모두를 지칭한다.
도 1은 전자장치의 예시도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 따른 전자장치(1)는 디스플레이장치(1)로 구현된다. 다만, 디스플레이장치(1)는 구현 가능한 전자장치(1) 중 한 가지 예시일 뿐으로서, 전자장치는 외부 전원에 의해 동작하는 정보처리장치, 생활가전, 영상처리장치 등 다양한 종류의 장치로 구현될 수 있다. 또한, 전자장치(1)는 영상신호를 처리하여 영상을 표시하기 위한 화면(201)을 가지며, 예를 들면 TV로 구현된다. 다만, 전자장치(1)는 TV 이외에도 다양한 종류의 장치로 구현될 수 있는 바, 예를 들면 TV, 모니터, 디지털 사이니지(signage), 전자칠판, 전자액자 등을 포함하는 고정형 디스플레이장치이거나; 셋탑박스, 광학미디어 재생기기 등을 포함하는 영상처리장치이거나; 컴퓨터본체 등을 포함하는 정보처리장치이거나; 스마트폰, 태블릿기기 등을 포함하는 모바일기기이거나; 웨어러블 디바이스 등의 다양한 종류의 장치로 구현될 수 있다.
전자장치(1)는 외부로부터 수신되거나 또는 자체 저장된 영상컨텐트에 기반한 영상신호를 처리하는 영상처리 디바이스(100)와, 영상처리 디바이스(100)로부터 출력되는 영상신호에 기초하여 영상을 표시하는 디스플레이부(200)를 포함한다. 본 실시예에서는 영상처리 디바이스(100)가 디스플레이부(200)와 분리된 미디어박스 형태인 경우의 전자장치(1)에 관해 설명하지만, 영상처리 디바이스(100) 및 디스플레이부(200)가 하나의 프레임에 결합되거나 또는 하나의 하우징 내에 수용되는 형태의 전자장치(1)도 가능하다.
영상처리 디바이스(100)는 PC, 셋탑박스 등과 같은 외부장치와 근거리 통신을 통하거나, 서버와 광역 네트워크 통신을 통하거나, RF 형태의 방송신호를 수신하는 등의 다양한 전송방식에 따라서 영상신호를 수신한다. 또는, 영상처리 디바이스(100)는 내부의 스토리지에 저장되어 있는 영상컨텐트 데이터를 읽음으로써 영상신호를 획득할 수 있다. 영상처리 디바이스(100)는 획득한 영상신호에 디코딩, 스케일링 등과 같은 영상 관련 처리를 수행하여 디스플레이부(200)에 출력한다. 영상처리 디바이스(100) 및 디스플레이부(200) 사이의 신호 전송 방식은 유선 및 무선이 모두 가능하다.
디스플레이부(200)는 영상처리 디바이스(100)로부터의 영상신호를 영상으로 표시하기 위한 화면(201)을 형성한다. 디스플레이부(200)는 디스플레이 패널을 포함하는데, 디스플레이 패널의 구조에는 여러 가지 설계방식이 적용될 수 있다. 본 실시예에 따른 디스플레이부(200)는 micro LED 또는 OLED 등과 같은 자발광 구조를 가지는 복수의 디스플레이 패널 또는 복수의 디스플레이 모듈에 의해 하나의 큰 화면(201)을 형성하는 구조로 마련된다. 또는, 디스플레이부(200)는 액정 방식과 같은 수광 구조 또는 OLED 방식과 같은 자발광 구조로 마련된 단일 디스플레이 패널의 구조로 마련될 수도 있다.
이하, 전자장치(1)의 구성에 관해 설명한다.
도 2는 전자장치의 영상처리 디바이스의 구성 블록도이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 전자장치의 영상처리 디바이스(100)는 인터페이스부(110)를 포함할 수 있다. 인터페이스부(110)는 영상처리 디바이스(100)가 다양한 종류의 외부장치 또는 서버와 통신을 수행하고, 또한 데이터를 송수신하기 위한 인터페이스 회로를 포함한다. 인터페이스부(110)는 접속 방식에 따라서, 유선 통신연결을 위한 하나 이상의 유선인터페이스부(111)와, 무선 통신연결을 위한 하나 이상의 무선인터페이스부(112)를 포함한다.
유선인터페이스부(111)는 기 정의된 전송규격의 케이블이 접속되는 커넥터 또는 포트를 포함한다. 예를 들면, 유선인터페이스부(111)는 방송신호를 수신하도록 지상파 또는 위성방송 안테나에 접속되거나 케이블방송의 케이블이 접속되는 포트를 포함한다. 또는, 유선인터페이스부(111)는 다양한 영상처리장치와 접속하도록 HDMI, DP, DVI, 컴포넌트, 컴포지트, S-Video, 썬더볼트 등 다양한 유선전송규격의 케이블이 접속되는 포트를 포함한다. 또는, 유선인터페이스부(111)는 USB 기기와 접속하기 위한 USB 규격의 포트를 포함한다. 또는, 유선인터페이스부(111)는 광케이블이 접속되는 광포트를 포함한다. 또는, 유선인터페이스부(111)는 외부 마이크로폰이 접속되는 오디오 입력 포트와, 헤드셋, 이어폰, 외부 스피커 등이 접속되는 오디오 출력 포트를 포함한다. 또는, 유선인터페이스부(111)는 광역 네트워크에 접속하기 위해 게이트웨이, 라우터, 허브 등에 접속하는 이더넷 포트를 포함한다.
무선인터페이스부(112)는 다양한 종류의 무선통신 프로토콜에 대응하는 통신모듈, 통신칩 등의 구성요소들 중 적어도 하나 이상을 포함하는 양방향 통신회로를 포함한다. 예를 들면, 무선인터페이스부(112)는 와이파이(Wi-Fi) 방식에 따라서 AP(Access Point)와 무선통신을 수행하는 와이파이 통신칩과, 블루투스, Zigbee, Z-Wave, WirelessHD, WiGig, NFC 등의 무선통신을 수행하는 통신칩, IR 통신을 위한 IR 모듈, 모바일기기와 이동통신을 수행하는 이동통신칩 등을 포함한다.
영상처리 디바이스(100)는 사용자입력부(120)를 포함할 수 있다. 사용자입력부(120)는 사용자의 입력을 수행하기 위해 사용자가 조작할 수 있도록 마련된 다양한 종류의 사용자 입력 인터페이스 관련 회로를 포함한다. 사용자입력부(120)는 영상처리 디바이스(100)의 종류에 따라서 여러 가지 형태의 구성이 가능하며, 예를 들면 영상처리 디바이스(100)의 기계적 또는 전자적 버튼부, 터치패드, 센서, 카메라, 터치스크린, 영상처리 디바이스(100)와 분리된 리모트 컨트롤러 등이 있다.
영상처리 디바이스(100)는 저장부(130)를 포함할 수 있다. 저장부(130)는 디지털화된 데이터를 저장한다. 저장부(130)는 전원의 제공 유무와 무관하게 데이터를 보존할 수 있는 비휘발성 속성의 스토리지(storage)와, 프로세서(150)에 의해 처리되기 위한 데이터가 로딩되며 전원이 제공되지 않으면 데이터를 보존할 수 없는 휘발성 속성의 메모리(memory)를 포함한다. 스토리지에는 플래시메모리(flash-memory), HDD(hard-disc drive), SSD(solid-state drive) ROM(Read Only Memory) 등이 있으며, 메모리에는 버퍼(buffer), 램(RAM; Random Access Memory) 등이 있다.
영상처리 디바이스(100)는 전원공급부(140)를 포함할 수 있다. 전원공급부(140)는 각 구성요소들에게 동작에 필요한 전원을 전달한다. 예를 들면, 전원공급부(140)는 외부 전원으로부터 입력되는 교류 전원을 직류로 변환하고, 영상처리 디바이스(100)의 각 구성요소에 맞는 전류 또는 전압으로 조정된 전기에너지를 출력한다. 전원공급부(140)는 이를 위한 회로 구성 중 하나로, 교류를 직류로 전환하는 교류-직류 컨버터(converter) 회로를 포함할 수 있는데, 이에 관한 설명은 후술한다.
영상처리 디바이스(100)는 프로세서(150)를 포함할 수 있다. 프로세서(150)는 인쇄회로기판 상에 장착되는 CPU, 칩셋, 버퍼, 회로 등으로 구현되는 하나 이상의 하드웨어 프로세서를 포함하며, 설계 방식에 따라서는 SOC(system on chip)로 구현될 수도 있다. 프로세서(150)는 전자장치가 디스플레이장치로 구현되는 경우에 디멀티플렉서, 디코더, 스케일러, 오디오 DSP(Digital Signal Processor), 앰프 등의 다양한 프로세스에 대응하는 모듈들을 포함한다. 여기서, 이러한 모듈들 중 일부 또는 전체가 SOC로 구현될 수 있다. 예를 들면, 디멀티플렉서, 디코더, 스케일러 등 영상처리와 관련된 모듈이 영상처리 SOC로 구현되고, 오디오 DSP는 SOC와 별도의 칩셋으로 구현되는 것이 가능하다.
이하, 전원공급부(140)의 교류-직류 컨버터 회로에 관해 설명한다.
도 3은 전원공급부의 교류-직류 컨버터의 구성 블록도이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 전원공급부의 교류-직류 컨버터(1000)는 교류 전원을 공급받아서 직류 전원을 출력한다. 교류-직류 컨버터(1000)는 설계 방식에 따라서 다양한 회로 구조를 가질 수 있는데, 본 실시예의 경우에는 CLL 회로 구조가 적용된다. CLL 회로에서 "C"는 전압을 충전 및 방전하는 커패시터(capacitor)를 지칭하며, "L"은 전류를 충전 및 방전하는 인덕터(inductor)를 지칭한다. 다만, 교류-직류 컨버터(1000)가 CLL 회로 구조로만 한정되는 것은 아니며, 설계 방식에 따라서는 LLC 회로 구조를 가질 수도 있다.
본 실시예에 따른 CLL 회로 구조를 가진 교류-직류 컨버터(1000)는 전기에너지가 전달되는 순서에 따라서, EMI필터(1100), 정류부(1200), 스위칭부(1300), 공진커패시터(1400), 변압부(1500), 공진코일부(1600), 역률보정부(1700), 출력부(1800)를 포함한다. 편의상 변압부(1500)를 기준으로 하여, 변압부(1500)의 전단을 입력측 또는 1차측이라고 지칭하며, 변압부(1500)의 후단을 출력측 또는 2차측이라고 지칭한다. 또한, 교류-직류 컨버터(1000)는 출력부(1800)로부터 입력되는 피드백 신호에 따라서 스위칭부(1300) 및/또는 역률보정부(1700)를 제어하는 제어부(1900)를 포함한다.
EMI필터(1100)는 입력되는 전기에너지의 주파수 상에 섞여있는 다양한 노이즈를 걸러내거나 차단한다. 통상적으로 외부로부터 공급되는 교류 전원은, 전력선 등과 같은 다양한 이유로 인해 전기적인 노이즈가 섞인다. EMI필터(1100)는 교류-직류 컨버터(1000)에서 전기에너지를 처리하는 초기 단계에서 이러한 노이즈를 제거한다.
정류부(1200)는 입력되는 교류 전원을 전파 혹은 반파의 정류된 전원으로 변환하며, 한 방향으로 전류가 흐르도록 동작한다. 커패시터(C1)는 그 용량이 클수록 역률이 저하되고, 그 용량이 작을수록 입력 주파수에 의한 전원 리플이 출력단에 크게 나타나므로, 전원공급부의 구조 및 회로 특성에 따른 적절한 용량 설정이 필요하다. 정류부(1200)는 교류-직류 컨버터(1000)의 역률보정 기능 수행을 위해 교류의 입력전원을 전파 혹은 반파된 전원으로 변환한다.
스위칭부(1300)는 정류부(1200)로부터 출력되는 정류된 전원을 다시 교류로 변환시킨다. 스위칭부(1300)는 복수의 스위치를 포함하며, 각 스위치의 개별적인 스위칭 동작을 통해, 스위칭부(1300)를 통해 전달되는 전류의 방향이 전환되도록 한다.
공진커패시터(1400)는 스위칭부(1300)를 통해 전달되는 전기에너지를 충전한다.
변압부(1500)는 입력되는 전기에너지를 변압시켜 출력한다. 변압부(1500)는 예를 들면 트랜스포머를 포함할 수 있다.
공진코일부(1600)는 변압부(1500)를 통해 교류-직류 컨버터(1000)의 입력측으로부터 출력측으로 전달되는 전기에너지를 충전한다.
역률보정부(1700)는 변압부(1500) 및 출력부(1800) 사이에 마련되며 교류-직류 컨버터(1000)의 역률을 개선하는 기능과 함께 정류 기능을 수행하여, 출력부(1800)에 직류 전원을 출력할 수 있다. 역률보정부(1700)는 배전압 구조를 가짐으로써, 변압부(1500)의 출력측 코일의 권선수 및 이에 따른 공진코일부(1600)의 권선수를 보다 작은 값으로 설계할 수 있도록 한다. 예를 들어 역률보정부(1700)를 배전압 구조로 하지 않는다면, 배전압을 달성하기 위해서는 변압부(1500)의 권선비를 1:2로 하고 공진코일부(1600)를 2의 제곱인 4배로 설계해야 한다. 반면, 역률보정부(1700)를 배전압 구조로 하면, 변압부(1500)의 권선비를 1:1로 하고 공진코일부(1600)를 1배로 설계할 수 있다.
출력부(1800)는 커패시터 등의 부품을 포함하고, 부하에 연결됨으로써 역률보정부(1700)로부터 출력되는 전기에너지를 부하에 전달한다.
제어부(1900)는 교류-직류 컨버터(1000)의 전체적인 동작을 제어한다. 제어부(1900)는 프로세서(150, 도 2 참조)로 구현될 수도 있고, 교류-직류 컨버터(1000)에 마련된 별도의 구성일 수도 있다. 제어부(1900)는 마이크로프로세서, 마이크로컨트롤러 등으로 마련된 하드웨어 칩셋으로 구현된다. 제어부(1900)는 스위칭부(1300)를 제어하는 스위칭제어부(1910)와, 역률보정부(1700)를 제어하는 역률보정부(1700)를 포함한다. 다만, 제어부(1900)가 반드시 역할에 따라서 복수 개로 구분되어 있을 필요는 없으며, 설계 방식에 따라서는 단일 제어부(1900)가 복수의 구성요소를 함께 제어하도록 마련될 수도 있다.
제어부(1900)는 교류-직류 컨버터(1000)의 일부 구성요소로부터 피드백 신호를 수신하고, 또한, 수신되는 피드백 신호에 기초하여 각 구성요소에 제어신호를 전송한다. 예를 들면, 제어부(1900)는 정류부(1200)로부터 입력전원의 전압 및 전류에 관한 피드백 신호와, 출력부(1800)로부터 출력 전압에 관한 피드백 신호를 수신한다. 또한, 제어부(1900)는 이러한 피드백 신호에 기초하여 스위칭부(1300) 및 역률보정부(1700)의 동작을 제어하는 제어신호를 출력한다. 이러한 제어신호는 스위칭부(1300) 및 역률보정부(1700)에 각기 마련된 스위치의 스위칭 동작을 제어하도록 마련되는데, 구체적인 내용에 관해서는 교류-직류 컨버터(1000)의 회로 구조와 관련시켜 후술한다.
이하, 본 발명의 실시예에 따른 제어부(1900)의 동작에 관해 설명한다.
제어부(1900)는 부하에 대한 출력부(1800)의 출력전원이 목표값이 되도록 스위칭부(1300)를 제어한다. 제어부(1900)는 출력부(1800)로부터 피드백되는 출력 전압의 정보에 기초하여, 출력 전압이 기 설정된 목표값이 되도록 스위칭부(1300)의 스위칭 동작을 제어한다.
제어부(1900)는 변압부(1500)의 출력에 기초하여 변압부(1500)에 연결된 충전소자를 충전시킨다. 여기서, 충전소자는 역률보정부(1700)에 마련된 구성요소로서, 변압부(1500)로부터 출력되는 전기에너지를 충전 또는 방전시키도록 마련된다. 충전소자에 관한 자세한 설명은 후술한다.
제어부(1900)는 변압부(1500)의 출력에, 충전된 충전소자의 출력이 부가되어 출력부(1800)에 전달되도록 역률보정부(1700)를 제어한다.
이와 같은 동작을 반복하여 수행함으로써, 제어부(1900)는 교류-직류 컨버터(1000)에서 역률 개선 기능을 보다 간단한 구조에 의해 달성하고, 교류-직류 컨버터(1000)의 부피 및 발열을 줄일 수 있다.
한편, 제어부(1900)에 의해 제어되는 교류-직류 컨버터(1000)의 구성요소들은 다양한 회로 설계에 기반하여 구현될 수 있다. 이하, 본 실시예에 따른 교류-직류 컨버터(1000)의 회로 구조의 예시에 관해 설명한다.
도 4는 도 3의 교류-직류 컨버터의 회로 구조를 나타내는 예시도이다.
도 4에 도시된 바와 같이, 교류-직류 컨버터(1000)는 다양한 부품 및 배선을 사용한 회로로 구현된다. 본 도면에 나타난 회로 구조는 교류-직류 컨버터(1000)의 다양한 설계 방식 중 하나에 불과하다. 이하, 각 구성요소의 회로에 관해 설명한다.
정류부(1200)는 복수의 다이오드를 포함하며, 입력되는 교류전원에 대한 전파정류(Full Wave Rectification)를 수행한다. 또한, 정류부(1200)는 커패시터 C1을 가진다. 커패시터 C1은 전파정류된 전압의 형태를 유지하기 위해, 수 μF의 적은 용량을 가진다.
스위칭부(1300)는 복수의 스위칭소자를 포함한다. 본 실시예에서 스위칭부(1300)는 풀 브릿지 형태로 배치된 네 스위칭소자 M1, M2, M3, M4를 포함하는데, 스위칭부(1300)의 구성이 본 실시예의 예시만으로 한정되는 것은 아니다. 설계 방식에 따라서는, 스위칭부(1300)는 하프 브릿지 형태로 배치된 두 스위칭소자를 포함할 수도 있다.
스위칭부(1300)가 복수의 스위칭소자를 포함하는 이유는 후술할 변압부(1500)의 입력측 코일에 인가되는 전류의 방향을 전환시키기 위함이다. 즉, 스위칭부(1300)는 네 스위칭소자 M1, M2, M3, M4를 선택적으로 개폐시킴으로써, 변압부(1500)에 인가되는 전류의 방향을 바꿀 수 있다.
변압부(1500)는 상호 절연된 입력측 코일 및 출력측 코일을 포함한다. 공진커패시터 Cr은 변압부(1500)의 입력측 코일에 직렬로 연결되며, 자화 인덕터 Lm은 변압부(1500)의 입력측 코일에 병렬로 연결된다. 변압부(1500)는 입력측 코일 및 출력측 코일 사이에 높은 결합도를 가지도록 함으로써, 누설 인덕턴스를 최소화하는 것이 바람직하다.
공진코일부(1600)는 인덕터 Ls를 포함한다. 공진코일부(1600)는 자화 인덕터 Lm이 변압기 자체 인덕턴스를 활용하도록 설계되는 경우에, 본 실시예와 같이 출력측 코일에 직렬로 연결되도록 배치된다. 설계 방식에 따라서는, 공진코일부(1600)가 자화 인덕터 Lm 및 변압부(1500)의 입력측 코일 사이에 배치되는 것도 가능하다. 공진코일부(1600)를 입력측 또는 출력측 중 어디에 배치하는가에 따라서, 턴비를 고려하여 인덕턴스 설정이 필요하다. 예를 들어 공진코일부(1600)를 입력측에 배치하였을 때 200μH가 필요하다면, 공진코일부(1600)를 출력측에 배치하였을 때에는 (N2/N1)의 제곱에 비례하는 인덕턴스 설계가 필요하다. 여기서, NP는 변압부(1500)의 입력측 코일의 권선 수이며, NS는 변압부(1500)의 출력측 코일의 권선 수이다.
역률보정부(1700)는 다이오드 D1, 스위칭소자 M5, 커패시터 C2, C3를 포함한다. 노드 N1은 변압부(1500)의 출력측 코일의 일단이며, 노드 N2는 변압부(1500)의 출력측 코일의 타단이다. 노드 N1 및 변압부(1500) 사이에는 인덕터 Ls가 배치된다. 다이오드 D1의 전단은 노드 N1에서 인덕터 Ls의 일단과 연결된다. 다이오드 D1 및 스위칭소자 D5는 노드 N1에서 인덕터 Ls와 병렬 연결된다. 커패시터 C2, C3는 노드 N2에서 변압부(1600)의 출력측 코일과 병렬 연결된다.
다이오드 D1은 역률보정부(1700)에서 정류 역할을 수행한다. 다이오드의 특성 상 노드 N1에 걸리는 전압이 출력부(1800)에 걸리는 전압보다 높은 경우에 다이오드 D1의 전단으로부터 후단으로 전기에너지가 흐를 수 있다. 다이오드 D1의 후단으로부터 전단으로는 전기에너지가 흐르지 않는다. 또한, 노드 N1에 걸리는 전압이 출력부(1800)에 걸리는 전압보다 낮은 경우에는 다이오드 D1의 전단으로부터 후단으로 전기에너지가 흐르지 않는다. 설계 방식에 따라서는 다이오드 D1을 스위칭소자로 대체할 수 있으며, 이 경우에는 제어부(1900)가 이 대체된 스위칭소자를 제어하도록 마련된다.
커패시터 C3는 역률보정부(1700)에서 충전소자 역할을 수행한다. 변압부(1500)의 출력측 코일에 흐르는 전류의 방향 및 스위칭소자 M5의 턴온/턴오프 상태의 조건에 따라서, 커패시터 C3는 전기에너지를 충전하거나 또는 방출한다.
커패시터 C2는 변압부(1500)의 출력측 코일로부터의 전기에너지를 충전하여 출력부(1800)로 전달하고, 충전 시 전류가 변압부(1500)의 출력측 코일로 흐르도록 하는 경로를 형성한다. 이로써, 커패시터 C2는 이 시기 동안에 커패시터 C3가 방전되는 것을 억제한다. 설계 방식에 따라서는 커패시터 C2가 생략되는 구조도 가능하지만, 이 경우에는 커패시터 C3의 전류 실효치인 RMS(Root Mean Square)가 크게 증가한다.
제어부(1900)는 정류부(1200)로부터 입력전압 V_in, 입력전류 I_in의 피드백을 받으며, 출력부(1800)로부터 출력전압 Vdc_out의 피드백을 받는다. 이러한 피드백에 기초하여, 제어부(1900)는 스위칭부(1300)의 스위칭소자 M1, M2, M3, M4와, 역률보정부(1700)의 역률보정 스위칭소자(이후, 간단히 스위칭소자로 지칭함) M5의 스위칭 동작을 각각 제어한다. 제어부(1900)의 구체적인 제어 동작에 관해서는 후술한다.
이하, 변압부(1500)의 입력측 코일에 흐르는 전류의 방향 및 스위칭소자 M5의 턴온/턴오프 상태의 조건에 따른 교류-직류 컨버터(1000)의 동작에 관해 설명한다.
도 5는 교류-직류 컨버터의 각 부분에서의 신호 파형을 나타내는 그래프이다.
도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이, 제어부(1900)는 시간 경과에 따라서 스위칭소자 M1 및 M4의 조합과, 스위칭소자 M2 및 M3의 조합을 교대로 스위칭한다. 스위칭소자 M1 및 M4가 턴온되는 시점 T0부터 T3까지의 시구간에는 스위칭소자 M2 및 M3이 턴오프되고, 스위칭소자 M1 및 M4가 턴오프되는 시점 T3부터 T0까지의 시구간에는 스위칭소자 M2 및 M3가 턴온된다.
이러한 스위칭소자들의 제어에 의하여 변압부(1500)의 입력측 코일에 흐르는 전류의 방향이 바뀌게 된다. 그러나, 스위칭소자 M1 및 M4가 턴온되고 M2 및 M3이 턴오프되는 시점, 또는 스위칭소자 M1 및 M4가 턴오프되고 M2 및 M3가 턴온되는 시점에 바로 전류의 방향이 바뀌지는 않는다. 인덕터 Lm, Ls 등의 존재 때문에, 스위칭소자가 턴온/턴오프되는 시점이 아니라 소정 시간의 경과 이후에 전류의 방향이 바뀌게 된다. 인덕터는 전류를 충전 및 방출하는 부품이다. 따라서, 회로에서 전류가 제1방향에서 제2방향으로 바뀌도록 제어되더라도, 인덕터는 소정 시간 동안에는 전류가 제1방향으로 계속 흐르는 관성이 작용하도록 하는 역할을 수행한다.
ICr은 커패시터 Cr의 전류를, VCr은 커패시터 Cr의 전압을, ILm은 인덕터 Lm의 전류를 각각 나타낸다. 특히 전류의 파형은 전류의 방향을 나타내는데, 예를 들어 전류가 (+)인 영역 및 (-)인 영역에서는 전류의 방향이 서로 반대이다.
스위칭소자의 제어와 전류의 파형을 함께 보면, 전류의 방향이 어떻게 바뀌는지 알 수 있다. 예를 들어 시점 T0에서 스위칭소자 M1 및 M4가 턴온되고 M2 및 M3가 턴오프되면, 시점 T0에서 ICr이 (-) 영역에서 바로 (+) 영역으로 바뀌는 것이 아니라, ICr의 커브는 (-) 영역에서 (+) 영역을 향해 상승한다. 전류가 0을 지나는 T1 시점부터 ICr의 방향이 완전히 바뀌게 된다. 반대로 시점 T3에서 스위칭소자 M1 및 M4가 턴오프되고 M2 및 M3가 턴온되면, ICr의 커브는 (+) 영역에서 (-) 영역을 향해 하강하며, ICr이 0을 지나는 T4 시점부터 ICr의 방향이 완전히 바뀌게 된다.
제어부(1900)는 스위칭소자 M5를 시점 T0부터 T2까지 턴온시키고 나머지 시구간에서는 턴오프시킨다. 설계 방식에 따라서는, 제어부(1900)는 스위칭소자 M5를 시점 T0보다 앞선 시점, 구체적으로는 시점 T4 및 T0 사이의 일 시점에 턴온시킬 수도 있다. 즉, 스위칭소자 M5의 턴온 시점은, 인덕터 Ls에 전류가 다이오드 D1을 향하는 방향으로 흐르는 구간에서 스위칭 소자 M5의 드레인 소스 전압이 0이 된 이후부터 인덕터 Ls의 전류의 방향이 변압부(1500)의 출력측 코일을 향하는 방향으로 변경되기 이전에 수행되면 된다. 스위칭 소자 M5의 영전압 스위칭 동작(ZVS, Zero Voltage Switching)이 가능해지기 때문에, 스위칭 소자 M5의 동작 시 부하를 줄일 수 있다.
이하, 각 시구간 별 회로의 동작에 관해 설명한다.
도 6은 도 5의 시구간 중 T0 내지 T1의 시구간에서 교류-직류 컨버터의 동작을 나타내는 요부 회로도이다.
도 4 및 6에 도시된 바와 같이, 시점 T0 내지 T1의 시구간(도 5 참조) 동안에 교류-직류 컨버터(1000)는 커패시터 C3에 전기에너지를 충전시키도록 동작한다.
시점 T0에서 스위칭소자들 중 M1 및 M4가 턴온되고, M2 및 M3가 턴오프되며, M5가 턴온된다. 스위칭소자 M1 및 M4가 턴온되어 있더라도, 인덕터 Ls로 인해 T0 이전 시구간(T4 내지 T0)에서의 전류가 흐르는 관성이 계속 작용한다. 따라서, 변압부의 출력측 코일 Lsm에는 제1방향(도면 상에서는 시계반대방향)의 전류가 흐르며, 이에 대응하여 변압부의 입력측 코일에도 전류가 제1방향으로 흐른다.
이 때 스위칭소자 M5가 턴온되어 있으므로, 변압부의 출력측 코일 Lsm에 흐르는 전기에너지는 커패시터 C3에 충전된다. 설계 방식에 따라서는 스위칭소자 M5가 기생 다이오드 D2를 가질 수 있는데, 이 경우에는 스위칭소자 M5의 턴온/턴오프 여부와 무관하게 기생 다이오드 D2를 통해 전류가 흐르도록 마련된다. 다만, 기생 다이오드 D2의 부하를 줄이기 위해, T0 시점에 스위칭소자 M5가 턴온되어 전류가 흐르도록 한다.
한편, 정류 기능을 수행하는 다이오드 D1의 전단인 노드 N1에서의 전압은 다이오드 D1의 후단보다 낮으므로, 다이오드 D1 전단으로부터 후단으로는 전류가 흐르지 않는다.
도 7은 도 5의 시구간 중 T1 내지 T2의 시구간에서 교류-직류 컨버터의 동작을 나타내는 요부 회로도이다.
도 4 및 도 7에 도시된 바와 같이, 시점 T1 내지 T2의 시구간(도 5 참조) 동안에 교류-직류 컨버터(1000)는 변압부의 입력측으로부터 출력측 코일 Lsm에 전달되는 전기에너지 및 커패시터 C3에 충전된 전기에너지를 인덕터 Ls에 충전시키도록 동작한다.
시점 T0에 스위칭 소자 M1 및 M4이 턴온된 이후 시점 T1이 지나면서, 제2방향(도면 상에서 시계방향)으로 흐르는 전류에 의해, 제1방향(도면 상에서 시계반대방향)의 전류 흐름의 관성이 극복된다. 따라서, 시점 T1 이후에는 변압부의 입력측 코일에는 제2방향의 전류가 흐르며, 이에 대응하여 변압부의 출력측 코일 Lsm에도 제2방향의 전류가 흐른다.
이 때, 커패시터 C3에 충전된 전기에너지가 커패시터 C3로부터 방출된다. 변압부의 입력측으로부터 출력측 코일 Lsm에 전달되는 전기에너지에 커패시터 C3로부터의 전기에너지가 부가된 전기에너지의 합은 인덕터 Ls에 충전된다.
한편, 다이오드 D1의 전단인 노드 N1에서의 전압은 다이오드 D1의 후단보다 여전히 낮으므로, 다이오드 D1 전단으로부터 후단으로는 전류가 흐르지 않는다.
도 8은 도 5의 시구간 중 T2 내지 T3의 시구간에서 교류-직류 컨버터의 동작을 나타내는 요부 회로도이다.
도 8에 도시된 바와 같이, 시점 T2 내지 T3의 시구간(도 5 참조) 동안에 교류-직류 컨버터(1000)는 변압부의 입력측으로부터 출력측 코일 Lsm에 전달되는 전기에너지 및 인덕터 Ls에 충전된 전기에너지의 합을 출력부로 전달한다.
변압부의 입력측 코일에는 제2방향(도면 상에서 시계방향)으로 전류가 흐르며, 이에 대응하여 변압부의 출력측 코일 Lsm에도 제2방향으로 전류가 흐른다. 여기서, 시점 T2에 스위칭소자 M5가 턴오프되면, 인덕터 Ls에 충전되어 있던 전기에너지가 방출되면서, 노드 N1에서의 전압이 다이오드 D1의 후단에 비해 상대적으로 크게 상승한다. 이 때문에 다이오드 D1의 전단으로부터 후단으로 전기에너지가 전달될 수 있는 조건을 만족하게 되므로, 변압부의 입력측으로부터 출력측 코일 Lsm에 전달되는 전기에너지 및 인덕터 Ls에 충전되어 있던 전기에너지의 합은 다이오드 D1을 지나서 출력부로 전달된다.
한편, 다이오드 C2는 출력부로 흐르는 전기에너지를 변압부의 출력측 코일 Lsm으로 향하도록 하는 경로를 제공한다. 설계 방식에 따라서는 다이오드 C2가 없이 배선만 연결되는 구성도 가능하다. 다만, 다이오드 C2가 없으면 현 시구간에서 다이오드 C3로부터 전기에너지가 방출되므로 효율성이 떨어질 수 있다.
한편, 도 5의 시구간 중에서 시점 T3 내지 T4 사이의 구간에서는, 스위칭소자 M2 및 M3의 턴온과 M1 및 M4의 턴오프에 의해 입력 전류의 방향이 바뀌게 된다. 그러나, 인덕터에 의한 전류의 관성 작용으로 인해, 이 시구간에서의 회로의 동작은 도 8의 형태를 유지한다.
전류의 관성이 극복되는 시점 T4 내지 T0 사이의 구간에서는, 회로의 동작은 도 6의 형태를 나타낸다.
교류-직류 컨버터는 출력측에서 정류 기능 및 역률보정 기능을 결합시킨 회로를 가지고, 이와 같은 동작의 사이클을 반복함으로써, 간단한 구조로 역률을 개선시킬 수 있다. 본 발명의 실시예는, 입력전압이 출력전압 대비 낮은 구간에서도 출력측으로 전달되는 전류의 흐름이 발생되어 회로 내 역률을 개선하는 효과를 가져온다.
이상 실시예에서 설명한 바와 같이, 제어부(1900, 도 3 참조)는 각 스위칭소자에 전달하는 제어신호에 의해 일정한 전압 출력 및 역률 개선을 수행한다. 스위칭제어부(1910, 도 3 참조)는 출력부(1800, 도 3 참조)로부터 출력전압을 피드백 받아, 스위칭부(1300, 도 3 참조)에 전달하는 제어신호의 시비율(Duty Ratio) 및 동작 주파수를 조절한다. 역률제어부(1920, 도 3 참조)는 출력전압(Vdc_out), 입력전압(V_in), 입력측의 커패시터 C1과 스위칭부 사이에 흐르는 전류(I_in)의 값에 기초하여 스위칭소자 M5에 공급되는 제어신호의 시비율을 조절한다.
스위칭소자 M5에 전달되는 제어신호의 동작 주파수는 스위칭부의 동작 주파수와 동기화된다. 스위칭소자 M5의 턴오프 시점은, 시점 T1 내지 T2의 구간(도 4 참조) 동안에, 인덕터 Ls에 축적된 에너지가 커패시터 C2에 전달될 충분한 시간을 확보하되, 스위칭소자 M1 및 M4가 턴오프되기 전에 수행된다. 스위칭소자 M5에 의한 스위칭 동작은, 축적된 에너지를 입력측으로부터 전달되는 에너지와 함께 출력측으로 전달하는 동작을 하기 때문에, 단순히 역률개선 기능 뿐만 아니라 회로의 전압이득에 영향을 준다. 이로써, 스위칭소자 M5에 의한 스위칭 동작은, 예를 들면 90 내지 264 Vrms 입력에서 공진형 회로 설계 시, 부족한 전압 이득을 보상할 수 있다.
이하, 역률제어부가 제어신호를 제어하는 예시에 관해 설명한다.
도 9는 역률제어부가 스위칭소자 M5에 전달하는 신호와 출력단 부하에 따른 시비율의 한 예시를 나타내는 그래프이다.
도 9에 도시된 바와 같이, 입력전압 및 입력전류의 파형 변화를 나타내는 그래프와, 역률제어부(1920, 도 3 참조)의 스위칭소자 M5에 대한 제어신호의 시비율을 나타내는 그래프가 시간에 따라서 매칭되어 있다.
I_in은 부하에서 전력소모가 상대적으로 많을 때 흐르는 입력전류, I_in'는 부하에서 전력소모가 상대적으로 적을 때 흐르는 입력전류를 의미한다. 본 실시예에서 역률개선을 가능하게 하는 스위칭소자 M5의 시비율은, 입력 교류전압의 크기가 작은 구간에서는 증가하고 입력 교류전압의 크기가 큰 구간에서는 감소함으로써, 아래방향으로 오목한 포물선 형태의 곡선을 가진다. 또한, 해당 포물선의 오목한 정도는 부하와 출력전압의 상태에 따라 변한다.
본 그래프에서 시비율을 나타내는 두 개의 커브 중에서, 실선은 I_in에 대응하는 케이스이며, 점선은 I_in'에 대응하는 케이스이다. 통상적으로 입력전압이 높고 부하가 작을수록 출력전압이 상승하고, 입력전압이 낮고 부하가 클수록 출력전압이 낮아진다. 이 때문에 포물선의 오목한 정도는 부하조건에 따라 달라지게 된다. 또한 출력전압에 대해서도, 출력전압이 낮을 경우에는 시비율의 전체 비율이 증가하는 방향으로 변경되며, 출력전압이 높을 경우에는 시비율의 전체 비율이 낮아지는 방향으로 변경된다. 본 그래프에서 시비율 25%는 하나의 예시이며, 설계 방식에 따라서 역률제어부는 다양한 시비율 값에 기반하여 스위칭소자 M5의 스위칭 동작을 제어할 수 있다.
이하, 관련기술 및 본 발명의 실시예 사이의 시뮬레이션 결과의 비교에 관해 설명한다.
도 10은 본 실시예의 스위칭소자 M5를 적용하지 않은 관련기술에 따른 교류-직류 컨버터에서 입력전류 및 입력전압의 위상의 시뮬레이션 결과를 나타내는 그래프이다.
도 10에 도시된 바와 같이, 관련기술에 따른 교류-직류 컨버터에서, 시뮬레이션을 통해 여러 피드백 신호를 획득할 수 있으며, 이들 피드백 신호의 그래프를 도시할 수 있다. 여기서, 관련기술에 따른 교류-직류 컨버터는 본 실시예와 같은 스위칭소자 M5를 적용하지 않고, 출력측에 다이오드만을 포함하는 정류회로를 적용하는 경우에 해당한다.
첫 번째 그래프는 출력전압(V_out)에 관한 것이며, 두 번째 그래프는 입력전류(I_in) 및 입력전압(V_in)에 관한 것이다. 두 번째 그래프에서는 스케일을 맞추기 위해 입력전압을 10으로 나눈 결과를 나타내었다. 세 번째 그래프는 변압부의 입력측에 걸리는 전압(V_Lm) 및 변압부의 출력측에 걸리는 전압(V_Sm)에 관한 것이다. 네 번째 그래프는 출력측의 인덕터 Ls에 흐르는 전류(I(Ls))에 관한 것이다.
부하에 전기에너지가 전달되는 구간은 V_Lm이 V_Sm보다 높은 구간이다. 본 그래프에서는 전체적으로 I_in이 0보다 큰 구간이 상대적으로 적으므로, 실질적으로 부하에 전기에너지가 전달되는 구간은 상대적으로 적다. 또한, 역률이 개선되기 위해서는 I_in 및 V_in의 차이가 상대적으로 적어야 하는데, 양자간의 위상 차이가 크게 나타난다. V_Lm의 진폭을 크게 해서 어느 정도의 역률 개선의 효과는 볼 수 있겠지만, 관련 기술에서는 전류 및 전압의 위상 차이로 인해 오히려 역률 개선의 효과가 떨어지게 될 것으로 예상된다.
이러한 관련 기술에 비해, 본 발명의 실시예의 경우는 다음과 같다.
도 11은 본 실시에 따른 스위칭소자 M5의 역률보정 동작으로 인한 입력전류 및 입력전압의 위상의 시뮬레이션 결과를 나타내는 그래프이다.
도 11에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 따른 교류-직류 컨버터에서, 시뮬레이션을 통해 스위칭소자 M5의 스위칭 동작에 따른 각 피드백 신호를 획득할 수 있으며, 이들 피드백 신호의 그래프를 도시할 수 있다. 각 그래프의 의미는 앞선 도 10의 경우에 준용한다.
본 실시예에서는 정류부(1200, 도 3 참조) 및 스위칭부(1300, 도 3 참조)에 의한 전파정류를 통해, 두 번째 그래프와 같이 I_in의 커브가 도출될 수 있다. 여기서, 커패시터 C1(도 4 참조)의 용량을 낮게 설계하면, 본 그래프의 V_in의 커브가 구간 별로 고르게 분포된 형태를 유지한다.
본 실시예에서는 앞선 관련기술의 경우와 달리 I_In이 0보다 큰 구간이 상대적으로 늘어나며, 이에 따라서 V_Lm이 V_Sm보다 큰 구간 또한 늘어난다. 즉, 본 실시예에서는 관련기술의 경우에 비해 부하에 전기에너지가 전달되는 구간이 늘어나므로, 전기에너지의 전달 효율이 높아진다. 또한, 본 실시예에서는 스위칭소자 M5의 제어에 의해 전압의 강화를 통해 전류 및 전압의 위상차이를 상대적으로 줄인다. 결과적으로, 본 실시예는 관련기술의 경우에 비해 역률을 개선시킬 수 있다.
이하, 앞선 실시예의 경우와 상이하게 설계된 교류-직류 컨버터의 회로의 예시에 관해 설명한다.
도 12는 스위칭부의 설계가 변경된 교류-직류 컨버터의 회로의 예시도이다.
도 12에 도시된 바와 같이, 교류-직류 컨버터(2000)는 EMI필터(2100), 정류부(2200), 스위칭부(2300), 공진커패시터(2400), 변압부(2500), 공진코일부(2600), 역률보정부(2700), 출력부(2800)를 포함한다. 본 실시예에 따른 교류-직류 컨버터(2000)에서, 스위칭부(2300)를 제외한 나머지 구성요소들은 앞선 실시예(도 4 참조)에서의 동일 명칭의 구성요소들과 동일한 회로 구조를 가지므로, 이들에 관해서는 설명을 생략한다.
본 실시예에 따른 스위칭부(2300)는 두 개의 스위칭소자 M1 및 M2가 하프 브릿지 형태로 마련된다. 스위칭소자 M1 및 M2는 정류부(2200)에 병렬로 연결되며, 공진커패시터(2400)는 스위칭소자 M1의 일단부 및 M2의 일단부를 연결하는 노드에 연결되며, 스위칭소자 M2 각각의 타단부는 변압부(2500)의 입력측 코일의 타단부에 연결된다.
스위칭소자 M1을 턴온하고 M2를 턴오프하는 동작과, 스위칭소자 M1을 턴오프하고 M2를 턴온하는 동작 사이가 전환됨으로써, 변압부(2500)의 입력측 코일에 흐르는 전류의 방향이 바뀌도록 마련된다.
도 13은 변압부의 설계가 변경된 교류-직류 컨버터의 회로의 예시도이다.
도 13에 도시된 바와 같이, 교류-직류 컨버터(3000)는 EMI필터(3100), 정류부(3200), 스위칭부(3300), 공진커패시터(3400), 변압부(3500), 공진코일부(3600), 역률보정부(3700), 출력부(3800)를 포함한다. 본 실시예에 따른 교류-직류 컨버터(3000)에서, 변압부(3500) 및 공진코일부(3600)를 제외한 나머지 구성요소들은 앞선 실시예(도 4 참조)에서의 동일 명칭의 구성요소들과 동일한 회로 구조를 가지므로, 이들에 관해서는 설명을 생략한다.
본 실시예에 따른 변압부(3500)는 공진코일부(3600)인 인덕터 Ls가 변압부(3500)의 입력측 코일 및 인덕터 Lm 사이에 배치되는 구조를 가진다. 인덕터 Ls가 입력측에 배치되므로, 변압부(3500)의 출력측 코일은 변압부(3500)의 입력측 코일로부터 전달되는 전기에너지를 방출하는 역할과 함께, 입력측 코일로부터 전달되는 전기에너지에 커패시터 C3로부터 방출되는 전기에너지를 부가하여 다이오드 D1에 전달하는 역할도 수행한다. 즉, 커패시터 C3에 충전된 전기에너지는, 방출된 이후에 변압부(3500)에 의해 1차측으로 전달되어 인덕터 Ls에 충전된다.
변압부(3500) 및 공진코일부(3600)의 배치는 교류-직류 컨버터(3000)의 요구 조건에 따라서 도 4와 같이 공진코일부(1600)가 변압부(1500)의 후단에 위치하는 구조, 또는 도 13과 같이 변압부(3500) 내에 공진코일부(3600)가 위치하는 구조로도 구현될 수 있는데, 어느 쪽이라도 역률 개선 기능을 수행할 수 있다.
이하, 본 발명의 실시예에 따른 전자장치에서, 전원공급부의 제어부가 교류-직류 컨버터를 제어하는 동작에 관해 설명한다.
도 14는 제어부가 교류-직류 컨버터를 제어하는 동작에 관한 플로우차트이다.
도 14에 도시된 바와 같이, 하기 동작은 전원공급부 또는 교류-직류 컨버터의 제어부에 의해 수행된다.
4100 단계에서 제어부는 부하에 대한 출력전압이 목표값이 되도록, 스위칭부에 의해 정류된 입력전원을 교류전원으로 변환한다.
4200 단계에서 제어부는 변압부에 의해 변압되는 교류전원에 기초하여, 역률보정부에 의해 충전소자를 충전시킨다.
4300 단계에서 제어부는 변압부에 의해 변압되는 교류전원에, 충전된 충전소자의 전원을 부가하여 부하에 전달되도록 제어한다.
본 발명의 예시적 실시예에 따른 방법들은 다양한 컴퓨터 수단을 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록될 수 있다. 이러한 컴퓨터 판독 가능 매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. 예를 들어, 컴퓨터 판독 가능 매체는 삭제 가능 또는 재기록 가능 여부와 상관없이, USB 메모리장치와 같은 비휘발성 저장 장치, 또는 예를 들어 RAM, ROM, 플래시메모리, 메모리 칩, 집적 회로와 같은 메모리, 또는 예를 들어 CD, DVD, 자기 디스크 또는 자기 테이프 등과 같은 광학 또는 자기적으로 기록 가능함과 동시에 기계(예를 들어, 컴퓨터)로 읽을 수 있는 저장 매체에 저장될 수 있다. 이동 단말 내에 포함될 수 있는 메모리는 본 발명의 실시 예들을 구현하는 지시들을 포함하는 프로그램 또는 프로그램들을 저장하기에 적합한 기계로 읽을 수 있는 저장 매체의 한 예임을 알 수 있을 것이다. 본 저장 매체에 기록되는 프로그램 명령은 본 발명을 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어의 기술 분야에서 숙련된 기술자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다. 또는, 본 컴퓨터 프로그램 명령은 컴퓨터 프로그램 프로덕트에 의해 구현될 수도 있다.
1 : 전자장치
140 : 전원공급부
1000 : 교류-직류 컨버터
1200 : 정류부
1300 : 스위칭부
1400 : 공진커패시터
1500 : 변압부
1600 : 공진코일부
1700 : 역률보정부
1800 : 출력부
1900 : 제어부

Claims (20)

  1. 전자장치에 있어서,
    정류된 입력전원을 교류전원으로 변환하는 제1스위칭부와,
    상기 교류전원을 변압시켜 전달하는 변압부와,
    상기 변압부의 출력에 기초하여 직류의 출력전압을 출력하는 출력부와,
    상기 변압부에 연결된 충전소자 및 제2스위칭부를 포함하는 역률보정부와,
    상기 출력부에 의해 출력되는 출력전압을 조정하도록 상기 제1스위칭부를 제어하고,
    상기 변압부를 통해 전달되는 에너지가 상기 충전소자에 충전되도록 하고, 상기 충전소자에 충전된 에너지를 방전시켜 상기 변압부를 통해 상기 출력부로 전달되는 에너지가 상승하도록 상기 제2스위칭부를 제어하는 제어부를 포함하는 전자장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는, 상기 변압부를 통해 전달되는 전류를 제어함으로써 상기 충전소자가 충전되도록 하고, 상기 변압부를 통해 전달되는 전압이 상승하도록 상기 충전소자에 충전된 에너지를 방전시키는 전자장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제2스위칭부는, 상기 충전소자 및 상기 변압부 사이에 개폐 가능하게 마련된 스위칭소자를 포함하며,
    상기 제어부는, 상기 변압부를 통해 전달되는 에너지에 상기 충전소자에 충전된 에너지가 부가되도록 상기 스위칭소자를 제어하는 전자장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제어부는, 상기 변압부에 흐르는 전류의 방향이 전환되도록 상기 제1스위칭부가 동작하는 시점에 대응하여 상기 스위칭소자를 턴온시키는 전자장치.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 제어부는, 상기 제1스위칭소자의 스위칭 동작을 제어하기 위한 신호의 시비율(duty ratio)을, 입력 교류전압의 크기가 작은 구간에서는 증가시키고 입력 교류전압의 크기가 큰 구간에서는 감소시키는 전자장치.
  6. 제3항에 있어서,
    상기 역률보정부는, 상기 변압부 및 상기 출력부 사이에 배치된 다이오드를 더 포함하며,
    상기 제어부는, 상기 변압부를 통해 상기 출력부로 전달되는 에너지가 상기 다이오드를 거쳐서 흐를 수 있도록 상승시키는 전자장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 역률보정부는, 상기 변압부를 통해 상기 출력부로 전달되는 에너지에 기초하여 충전되고, 상기 충전된 전기에너지가 상기 출력부로 전달되도록 마련되는 커패시터를 더 포함하는 전자장치.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 변압부를 통해 전달되는 에너지 및 상기 충전소자에 충전된 에너지에 기초하여 충전되고, 상기 충전된 전기에너지가 상기 다이오드를 통해 전달되도록 마련된 공진코일부를 더 포함하는 전자장치.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 충전소자는 커패시터를 포함하는 전자장치.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 제1스위칭부는 복수의 스위치를 포함하며,
    상기 제어부는, 상기 복수의 스위치를 개별적으로 개폐함으로써 상기 변압부에 전달되는 전류의 방향이 변화하도록 제어하는 전자장치.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 변압부를 통해 전달되는 에너지는, 상기 변압부의 입력측 코일로부터 출력측 코일로 전달되는 전기에너지인 전자장치.
  12. 전자장치의 제어방법에 있어서,
    제1스위칭부에 의해, 정류된 입력전원을 교류전원으로 변환하는 단계와,
    충전소자 및 제2스위칭부를 포함하는 역률보정부에 의해, 변압부를 통해 전달되는 에너지에 기초하여 상기 충전소자를 충전시키는 단계와,
    상기 충전소자에 충전된 에너지를 방전시켜 상기 변압부를 통해 출력부로 전달되는 에너지를 상승시키도록 상기 제2스위칭부를 제어하는 단계를 포함하는 전자장치의 제어방법.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 변압부를 통해 전달되는 전류를 제어함으로써 상기 충전소자가 충전되도록 하고, 상기 변압부를 통해 전달되는 전압이 상승하도록 상기 충전소자에 충전된 에너지를 방전시키는 전자장치의 제어방법.
  14. 제12항에 있어서,
    상기 제2스위칭부는, 상기 충전소자 및 상기 변압부 사이에 개폐 가능하게 마련된 스위칭소자를 포함하며,
    상기 변압부를 통해 전달되는 에너지에 상기 충전소자에 충전된 에너지가 부가되도록 상기 스위칭소자를 제어하는 전자장치의 제어방법.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 변압부에 흐르는 전류의 방향이 전환되도록 상기 제1스위칭부가 동작하는 시점에 대응하여 상기 스위칭소자를 턴온시키는 전자장치의 제어방법.
  16. 제14항에 있어서,
    상기 제1스위칭소자의 스위칭 동작을 제어하기 위한 신호의 시비율을, 입력 교류전압의 크기가 작은 구간에서는 증가시키고 입력 교류전압의 크기가 큰 구간에서는 감소시키는 전자장치의 제어방법.
  17. 제14항에 있어서,
    상기 역률보정부는, 상기 변압부 및 상기 출력부 사이에 배치된 다이오드를 더 포함하며,
    상기 변압부를 통해 상기 출력부로 전달되는 에너지가 상기 다이오드를 거쳐서 흐를 수 있도록 상승시키는 전자장치의 제어방법.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 역률보정부는, 상기 변압부를 통해 상기 출력부로 전달되는 에너지에 기초하여 충전되고, 상기 충전된 전기에너지가 상기 출력부로 전달되도록 마련되는 커패시터를 더 포함하는 전자장치의 제어방법.
  19. 제17항에 있어서,
    상기 변압부를 통해 전달되는 에너지 및 상기 충전소자에 충전된 에너지에 기초하여 충전되고, 상기 충전된 전기에너지가 상기 다이오드를 통해 전달되도록 마련된 공진코일부를 더 포함하는 전자장치의 제어방법.
  20. 제12항에 있어서,
    상기 충전소자는 커패시터를 포함하는 전자장치의 제어방법.
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