KR100988564B1 - 고정듀티 컨버터와 가변듀티 컨버터를 이용한 전력변환장치 - Google Patents

고정듀티 컨버터와 가변듀티 컨버터를 이용한 전력변환장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 고정 듀티 3(Three) 레벨 컨버터와 역률개선 컨버터를 이용하여 직류-직류 컨버터를 구현하여 선형 전원 공급 장치의 무게 및 부피를 감소시킬 수 있는 고정듀티 컨버터와 가변듀티 컨버터를 이용한 전력변환장치에 관한 것으로서,
부하가 입력되는 출력전압을 피드백 받아서 듀티(Duty)가 제어되는 가변듀티(Duty) 제어의 역률개선 컨버터(210)와, 상기 역률개선 컨버터(210)의 출력전압을 받아서 다른 전압레벨로 변환하는 고정듀티 제어의 직류-직류 컨버터(220)와, 상기 직류-직류 컨버터(220)의 후단에 연결되어 상기 직류-직류 컨버터(220)를 통하여 출력되는 직류전원이 미리 설정되어 있는 출력전압 레벨만큼 다운시켜 직류전압을 공급하는 선형레귤레이터(230), 상기 선형 레귤레이터(230)의 출력을 피드백 받을 수 있도록 그 입력단은 상기 선형 레귤레이터(230)의 출력단에 연결되어 있으며, 상기 출력단은 상기 역률개선 컨버터(210)로 제어신호를 출력할 수 있도록 연결되어 있으며, 상기 선형 레귤레이터(230)의 출력을 피드백 받아 미리 설정된 기준전압과 비교하고, 그 비교결과 값에 의해 발생된 드롭다운 보정전압 및 듀티비를 이용하여 입력단 역률개선을 수행하는 가변 듀티 제어의 콘트롤러(240)를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다.

Description

고정듀티 컨버터와 가변듀티 컨버터를 이용한 전력변환장치{Power converter using fixed duty converter and variable duty converter}
본 발명은 고정듀티 컨버터와 가변듀티 컨버터를 이용한 전력변환장치에 관한 것이다.
보다 상세하게는, 고정 듀티 3(Three) 레벨 컨버터와 역률개선 컨버터(PFC)를 이용하여 직류-직류 컨버터를 구현함으로써 선형 전원 공급 시스템의 무게 및 부피를 감소시킬 수 있는 고정듀티 컨버터와 가변듀티 컨버터를 이용한 전력변환장치에 관한 것이다.
오늘날 사용되는 각종 전자 기기의 내부를 구성하는 각 부품들은 대부분 직류 전압을 요구하기는 하나 그 요구 값이 각각 차이가 나기 때문에, 이들 부품에 공급되는 전압의 레벨을 적절히 변환하는 것은 매우 중요하다. 이에 따라 입력된 일정 전압을 승압 또는 강압시켜 원하는 전압으로 출력시키기 위한 컨버터가 널리 사용되고 있다.
특히, 입력된 직류 전원을 다른 레벨의 직류 전원으로 변환하는 직류-직류 컨버터에는 최근 전력용 반도체 소자의 스위칭 동작을 이용하여 전력의 흐름을 제어하는 방식이 널리 사용됨으로써, 고효율 및 고전력 밀도를 갖는 전원 장치의 구현을 가능하게 하였다.
이러한 전원장치는 선형 전원 공급장치와 스위칭 전원장치로 나눌 수 있다.
상기 선형 전원 공급장치의 일반적인 구성은 도면으로는 도시하지 않았으나 상용전원이 220V의 교류전원을 입력받는 입력전원부, 상기 입력전원부에 연결되는 변압기, 브릿지 다이오드로 이루어진 교류-직류변환부 및 커패시턴으로 이루어진 직류 평활부로 이루어지며, 그 작용에 대해서 살펴보면, 입력전원부를 통해 교류전원을 인가받으면 1차 코일 및 2차 코일로 이루어진 변압기에서 교류 전원을 전압으로 변압시키고 브릿지 다이오드로 이루어진 직류 평활부를 통해 직류 전원이 평활되고 평활된 직류 전원은 선형 공급장치와 연결되어 있는 전자기기로 공급되어, 전자기기가 동작 되도록 한다.
그리고 스위치 모드 파워 서플라이(SMPS)는, 스위칭 전원공급장치로서, 이와 관련된 기술의 발달로 인하여 선형 전원보다 소형화, 경량화 되어가고 있다.
도 1은 일반적인 스위칭 모드 전원공급장치의 구성을 도시한 회로도로, 입력전원을 인가 받아 각 기기에 소정의 직류전원을 공급하는 스위칭 모드 전원회로는, 변압기(10)와, 정류평활부(20)와, 스위칭부(30)와 피드백부(40)를 포함하여 구성된다.
그리고, 상기 변압기(10)는, 1차측 권선의 입력전원(Vin)에 따라 2차측으로 권선비에 비례하는 출력전압(Vout)을 유기시키며, 상기 정류평활부(20)는, 상기 변압기의 2차측의 출력단과 연결되어, 상기 변압기의 2차측에 유기되는 출력전압을 정류 및 평활화하여 일정 레벨의 유기 전압을 출력하게 한다.
또한, 상기 스위칭부(30)는, 상기 변압기의 2차측 출력단과 직렬 연결되어 있으며, 상기 정류평활부(20)에 의해 정류 및 평활화된 출력전압의 오차를 검출하여 이를 피드백부(40)로 피드백시킴과 아울러, 출력전압을 레귤레이터(도면상에 미도시)에 인가시킨다,
이에, 상기 피드백부(40)는, 상기 검출 신호의 전압레벨에 따라 트랜스의 1차측 온-오프의 듀티비를 변환시키는 PWM IC(도면상에 미도시)를 포함하여 구성하고 있으며, 도 1에 도시되지 아니한 트랜스의 1차측에 접속한 내부 스위칭 소자에 PWM IC의 펄스폭 발진에 따라 발생된 제어신호를 출력하고, 상기 스위칭소자는 상기 제어신호에 의해 온-오프 동작을 반복적으로 수행하게 되며, 상기 트랜스의 2차측 유기전압은 레귤레이터를 통해 일정하게 유지된다.
그러나 기존의 일반적인 선형전원장치는 노이즈가 적고 구조가 간단하다는 장점은 있으나, 무게가 무겁고 부피가 크며, 효율이 낮다는 단점을 가지고 있다.
그리고 스위칭 전원장치는 부피가 적고 무게가 가벼우며 효율이 높은 반면 출력에 노이즈 성분이 많이 생긴다는 단점을 가지고 있다.
본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 고정 듀티 3(Three) 레벨 컨버터와 역률개선 컨버터(PFC)를 이용하여 직류-직류 컨버터를 구현하여 선형 전원 공급 시스템의 무게 및 부피를 감소시킬 수 있는 고정듀티 컨버터와 가변듀티 컨버터를 이용한 전력변환장치를 제공하는 데 있다.
또한, 본 발명은 고정드롭 다운 전압 선형 레귤레이터를 사용하여 선형 전원 공급 장치의 무게 및 부피를 감소시킬 수 있는 고정듀티 컨버터와 가변듀티 컨버터를 이용한 전력변환장치를 제공하는 데 있다.
상기와 같은 기술적 과제를 해결하기 위하여 제안된 본 발명의 일 실시예는, 고정듀티 컨버터와 가변듀티 컨버터를 이용한 전력변환장치에 있어서, 부하가 입력되는 출력전압을 피드백 받아서 듀티(Duty)가 제어되는 가변듀티 제어의 역률개선 컨버터(210)와, 상기 역률개선 컨버터(210)의 출력전압을 받아서 다른 전압레벨로 변환하는 고정듀티 제어의 직류-직류 컨버터(220)와, 상기 직류-직류 컨버터(220)의 후단에 연결되어 상기 직류-직류 컨버터(220)를 통하여 출력되는 직류전원이 미리 설정되어 있는 출력전압 레벨만큼 다운시켜 직류전압을 공급하는 선형레귤레이터(230)와, 상기 선형 레귤레이터(230)의 출력을 피드백 받을 수 있도록 그 입력단은 상기 선형 레귤레이터(230)의 출력단에 연결되어 있으며, 상기 출력단은 상기 역률개선 컨버터(210)로 제어신호를 출력할 수 있도록 연결되어 있으며, 상기 선형 레귤레이터(230)의 출력을 피드백 받아 미리 설정된 기준전압과 비교하고, 그 비교결과 값에 의해 발생된 드롭다운 보정전압 및 듀티비를 이용하여 입력단 역률개선을 수행하는 가변듀티 제어의 콘트롤러(240)로 이루어진 것을 특징으로 한다.
상기 직류-직류 컨버터(220)는, 고정 듀티 3(Three)레벨 컨버터인 것을 특징으로 한다.
상기 직류-직류 컨버터(220)는, 풀-브리지(Full-Bridge) 컨버터인 것을 특징으로 한다.
상기 직류-직류 컨버터(220)는 포워드(Forward) 컨버터인 것을 특징으로 한다.
상기 직류-직류 컨버터(220)는 플라이백(Flyback)) 컨버터인 것을 특징으로 한다.
상기 콘트롤러(240)는 상기 선형 레귤레이터(230)의 출력전압을 입력받고, 입력된 출력전압에 드롭다운 보정된 전압을 가산하는 가산기(241)와, 상기 가산기(241)의 출력에 듀티(Duty)정보를 승산시키고, 승산된 결과값을 역률보상 제어신호로 생성시켜 상기 역률개선 컨버터(210)로 출력하는 승산기(242)로 이루어진 것을 특징으로 한다.
상기 선형 레귤레이터(230)의 출력전압은 상기 선형 레귤레이터(230)의 출력 전압 × (프리 레귤레이터의 듀티 × 변압기의 턴수비) - 선형 레귤레이터의 전압드롭의 계산 결과 값이 상기 선형 레귤레이터(230)에서 부하로 출력되는 최종 출력전압인 것을 특징으로 한다.
상기와 같은 구성 및 작용 그리고 바람직한 실시예를 가지는 본 발명은 스위칭 전원에 비해 리플 과 노이즈가 적으며, 선형전원에 비하여 무게 및 부피가 줄어들 뿐만 아니라 효율이 높아진다는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 피드백 민감도를 적게 가져갈 수 있으며, 즉응성이 향상된다는 효과가 있다.
또한 본 발명은 기존의 이중 피드백 루프를 단일 피드백 루프로 구성함으로써 제어부의 구성이 간단해짐으로 인해 구성이 용이하고, 회로의 간소화로 인해 비용이 절감되며, 레귤레이터 스위치에서 전압 스트레스를 최저로 사용함으로써 효율을 향상시킬 수 있도록 하는 효과가 있다.
도 1은 종래 기술에 따른 스위칭 전원 공급장치의 구성을 설명하기 위한 블록도이다.
도 2는 본 발명에 따른 선형 전원 공급 시스템의 구성을 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 도 2의 콘트롤러를 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 도 2에 적용된 선형 레귤레이터의 구체적인 실시예시도이다.
도 5는 도 2에 도시된 프리 레귤레이터의 구체적인 실시예시도이다.
이하, 본 발명에 따른 고정듀티 컨버터와 가변듀티 컨버터를 이용한 전력변환장치에 대해 설명하면 다음과 같다.
본 발명의 고정듀티 컨버터와 가변듀티 컨버터를 이용한 전력변환장치는, 부하가 입력되는 출력전압을 피드백 받아서 듀티(Duty)가 제어되는 가변듀티 제어의 역률개선 컨버터(210)와, 상기 역률개선 컨버터(210)의 출력전압을 받아서 다른 전압레벨로 변환하는 고정듀티 제어의 직류-직류 컨버터(220)와, 상기 직류-직류 컨버터(220)의 후단에 연결되어 상기 직류-직류 컨버터(220)를 통하여 출력되는 직류전원이 미리 설정되어 있는 출력전압 레벨만큼 다운시켜 직류전압을 공급하는 선형레귤레이터(230)와 상기 선형 레귤레이터(230)의 출력을 피드백 받을 수 있도록 그 입력단은 상기 선형 레귤레이터(230)의 출력단에 연결되어 있으며, 상기 출력단은 상기 역률개선 컨버터(210)로 제어신호를 출력할 수 있도록 연결되어 있으며, 상기 선형 레귤레이터(230)의 출력을 피드백 받아 미리 설정된 기준전압과 비교하고, 그 비교결과 값에 의해 발생된 드롭다운 보정전압 및 듀티비를 이용하여 입력단 역률개선을 수행하는 가변듀티 제어의 콘트롤러(240)로 이루어진다.
상기 직류-직류 컨버터(220)는, 고정 듀티 3(Three)레벨 컨버터로 이루어진다.
상기 직류-직류 컨버터(220)는, 풀-브리지(Full-Bridge) 컨버터와 포워드(Forward) 컨버터와 플라이백(Flyback)) 컨버터로 이루어진다.
상기 콘트롤러(240)는 상기 선형 레귤레이터(230)의 출력전압을 입력받고, 입력된 출력전압에 드롭다운 보정된 전압을 가산하는 가산기(241)와, 상기 가산기(241)의 출력에 듀티(Duty)정보를 승산시키고, 승산된 결과값을 역률보상 제어신호로 생성시켜 상기 역률개선 컨버터(210)로 출력하는 승산기(242)로 이루어진다.
상기 선형 레귤레이터(230)의 출력전압은 상기 선형 레귤레이터(230)의 출력 전압 × (프리 레귤레이터의 듀티 × 변압기의 턴수비) - 선형 레귤레이터의 전압드롭의 계산 결과 값이 상기 선형 레귤레이터(230)에서 부하로 출력되는 최종 출력전압으로 이루어진다.
도 2에 도시된 바와 같이 역률개선 컨버터(210)는 콘트롤러(240)에서 입력되는 역률개선 제어신호에 응하여 상용 전원인 교류 전압을 공급받아 미리 설정되어 있는 전압으로 변환시킨 후 직류-직류 컨버터(220)로 출력한다. 그러면 상기 직류-직류 컨버터(220)는 상기 역률개선 컨버터(210)의 출력을 입력받아 다른 전압레벨로 변환하여 출력한다. 다시 설명하면, 상기 직류-직류 컨버터(220)는 입력되는 전압을 고정 듀티비에 비례하는 전압으로 다시 변환시킨 후 선형 레귤레이터(230)로 출력하여 부하단에 출력전압으로 공급되도록 한다.
즉, 상기 직류-직류 컨버터(220)는 도 5에 도시된 바와 같은 3(Three)레벨 컨버터로 이루어져 있으며, 상기 3(Three)레벨 컨버터에 구비된 스위치 S1, S2 및 스위치 S3, S4는 상호간에 하나의 쌍으로 동일한 신호에 의해 온 또는 오프 된다. 따라서, 3(Three)레벨 컨버터의 출력전압은 상기 스위치의 듀티비 만큼 입력전압에 비례하여 가변된다.
한편 상기 직류-직류 컨버터(220)는 고정듀티 컨버터로 구현할 수 있는데, 상기 고정듀티 컨버터는 상기 듀티비를 미리 계산한 값으로 고정하여 입력 대비 출력의 비를 고정시킨다. 즉, 상기 고정듀티 컨버터는 입력에 대해 항상 일정한 출력값을 출력한다.
그리고 선형 레귤레이터(230)는 도 4에 도시된 바와 같이 인터리빙(Interleaving) 역률개선 부스트 컨버터이며, 상기 역률개선 부스트 컨버터는 스위치(S1)를 턴온 또는 턴오프하면 입력 전류를 쵸핑(chopping)하여 교류 60Hz의 전압 파형과 동향으로 만들어 역률을 1로 유지하게 된다.
선형 레귤레이터(230)의 출력은 통상 입력전압의 1~4 배이며, 본 발명에서는 역률개선 부스트 컨버터의 출력값을 조절하여 최종 출력전압을 제어할 수 있도록 한다.
이때 선형 레귤레이터(230)는 직류-직류 컨버터(220)로부터 입력되는 전압의 리플 및 노이즈를 제거한다.
본 발명에서 부하로 출력되는 최종 출력전압은 역률개선 부스트 컨버터 출력 전압 × (3 레벨 컨버터의 듀티 × 변압기의 턴수비) - 선형 레귤레이터의 전압드롭이다.
상기 3(Three)레벨 컨버터의 듀티 × 변압기의 턴수비의 결과 값은, 미리 설정된 고정값으로 대체 가능하며, 상기 선형 레귤레이터의 전압드롭 값 또한 고정값이다.
본 발명에서는 입력에 비례하여 출력전압이 발생되므로 역률개선 부스트 컨버터를 정밀하게 조정하면 출력전압을 정밀하게 조절하여 원하는 출력전압을 공급받을 수 있도록 한다
본 발명에 적용된 직류-직류 컨버터(220)는 상술한 고정 듀티 3(Three) 레벨 컨버터 이외에 풀-브리지(Full-Bridge) 컨버터, 포워드(Forward) 컨버터, 플라이백(Flyback) 컨버터로도 구현 가능하다.
이상, 본 발명의 바람직한 실시 예에 대하여 상세히 기술하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에 있어서 통상의 지식을 가진 사람이라면, 첨부된 청구 범위에 정의된 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 본 발명을 여러 가지로 변형 또는, 변경하여 실시할 수 있을 것이지만, 이는 첨부된 청구항에서 포함되는 본 발명의 취지와 범위에 포함된다.
210 : 역률개선 컨버터
220 : 직류-직류 컨버터
230 : 선형 레귤레이터
240 : 콘트롤러
241 : 가산기
242 : 승산기
S₁~ S₄: 스위치

Claims (7)

  1. 고정듀티 컨버터와 가변듀티 컨버터를 이용한 전력변환장치에 있어서,
    부하가 입력되는 출력전압을 피드백 받아서 듀티(Duty)가 제어되는 가변듀티 제어의 역률개선 컨버터(210);
    상기 역률개선 컨버터(210)의 출력전압을 받아서 다른 전압레벨로 변환하는 고정듀티 제어의 직류-직류 컨버터(220);
    상기 직류-직류 컨버터(220)의 후단에 연결되어 상기 직류-직류 컨버터(220)를 통하여 출력되는 직류전원이 미리 설정되어 있는 출력전압 레벨만큼 다운시켜 직류전압을 공급하는 선형레귤레이터(230);
    상기 선형 레귤레이터(230)의 출력을 피드백 받을 수 있도록 그 입력단은 상기 선형 레귤레이터(230)의 출력단에 연결되어 있으며, 상기 출력단은 상기 역률개선 컨버터(210)로 제어신호를 출력할 수 있도록 연결되어 있으며, 상기 선형 레귤레이터(230)의 출력을 피드백 받아 미리 설정된 기준전압과 비교하고, 그 비교결과 값에 의해 발생된 드롭다운 보정전압과 듀티비를 이용하여 입력단 역률개선을 수행하는 가변듀티 제어의 콘트롤러(240);
    로 이루어진 것을 특징으로 하는 고정듀티 컨버터와 가변듀티 컨버터를 이용한 전력변환장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 직류-직류 컨버터(220)는, 고정 듀티 3(Three)레벨 컨버터인 것을 특징으로 하는 고정듀티 컨버터와 가변듀티 컨버터를 이용한 전력변환장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 직류-직류 컨버터(220)는, 풀-브리지(Full-Bridge) 컨버터인 것을 특징으로 하는 고정듀티 컨버터와 가변듀티 컨버터를 이용한 전력변환장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 직류-직류 컨버터(220)는 포워드(Forward) 컨버터인 것을 특징으로 하는 고정듀티 컨버터와 가변듀티 컨버터를 이용한 전력변환장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 직류-직류 컨버터(220)는 플라이백(Flyback)) 컨버터인 것을 특징으로 하는 고정듀티 컨버터와 가변듀티 컨버터를 이용한 전력변환장치.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 콘트롤러(240)는 상기 선형 레귤레이터(230)의 출력전압을 입력받고, 입력된 출력전압에 드롭다운 보정된 전압을 가산하는 가산기(241)와, 상기 가산기(241)의 출력에 듀티(Duty)정보를 승산시키고, 승산된 결과값을 역률보상 제어신호로 생성시켜 상기 역률개선 컨버터(210)로 출력하는 승산기(242)로 이루어진 것을 특징으로 하는 고정듀티 컨버터와 가변듀티 컨버터를 이용한 전력변환장치.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 선형 레귤레이터(230)의 출력전압은 상기 선형 레귤레이터(230)의 출력 전압 × (프리 레귤레이터의 듀티 × 변압기의 턴수비) - 선형 레귤레이터의 전압드롭의 계산 결과 값이 상기 선형 레귤레이터(230)에서 부하로 출력되는 최종 출력전압인 것을 특징으로 하는 고정듀티 컨버터와 가변듀티 컨버터를 이용한 전력변환장치.
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