KR101023316B1 - 전원 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명에 따른 전원 장치는, 입력 전원에 연결되어 고조파 규제를 만족시키는 PFC부; 상기 PFC부를 구동시키는 PFC 제어부; 상기 PFC부에 연결된 DC/DC부; 상기 PFC부와 DC/DC부 사이에 위치하는 링크 커패시터의 출력 전류를 검출하여 부하 정보를 획득한 후 부하에 따라 링크 커패시터 전압을 조절하는 제어 신호를 상기 PFC 제어부에 제공하는 링크 전압 가변 회로부; 를 포함할 수 있다.
링크 커패시터, PFC, 고조파 규제, 저대역 통과 필터, 시비율

Description

전원 장치{Power supply}
본원은 전원 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 부하에 따라 링크 커패시터의 전압을 제어하는 전원 장치에 관한 것이다.
일반적으로 전원 장치는 고조파 규제를 만족시키기 위한 PFC부(Power Factor Correction)와 DC/DC부로 이루어져 있다.
이러한 전원 장치는 교류 입력 전압이 불시에 차단 되더라도 시스템의 안정성을 위해 일정 시간 동안 출력 전압을 유지시켜 주어야 하는데, 이 시간을 통상 홀드 업 타임(hold up time)이라고 한다. 보통 홀드 업 타임으로 통상 입력 라인 주파수(50Hz~60Hz)의 한 주기인 16.67~20 ms가 요구된다.
홀드 업 타임 구간에는 입력 전원이 존재하지 않기 때문에 PFC부의 출력 전압을 저장하는 링크 커패시터가 DC/DC부의 입력 전원 역할을 대신하게 되며, 출력 전류를 공급하기 위해서 DC/DC부가 링크 커패시터에서 계속 전류를 가져가기 때문에 링크 커패시터의 전압이 급격히 감소하게 된다.
그러므로, 큰 입력 전압 변화에도 출력 전압을 일정하게 유지시킬 수 있도록 DC/DC부가 설계되어야 하며, 이는 고효율이 요구되는 DC/DC부의 효율을 떨어뜨리는 주요 요인이 된다.
즉, 최대 부하 조건에서 홀드 업 타임을 만족하도록 설계를 하기 때문에 부하가 작아질 경우 링크 커패시터에 과도한 에너지가 존재하게 되어 홀드 업 타임이 과도하게 커지게 된다. 이는 경부하 조건에서 과도한 도통손실을 유발하여 전체 시스템이 낮은 효율을 갖도록 하는 문제점이 있다.
본원은 링크 커패시터의 출력 전류를 검출하여 부하 정보를 획득한 후 이 부하 정보에 따라 링크 커패시터의 전압을 조절하는 전원 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명에 따른 전원 장치는, 입력 전원에 연결되어 고조파 규제를 만족시키는 PFC부; 상기 PFC부를 구동시키는 PFC 제어부; 상기 PFC부에 연결된 DC/DC부; 상기 PFC부와 DC/DC부 사이에 위치하는 링크 커패시터의 출력 전류를 검출하여 부하 정보를 획득한 후 부하에 따라 링크 커패시터 전압을 조절하는 제어 신호를 상기 PFC 제어부에 제공하는 링크 전압 가변 회로부; 를 포함할 수 있다.
본 발명에 따르면, 상기 입력 전원과 PFC부 사이에, 고주파 노이즈를 제거하는 입력 필터; 를 더 포함할 수 있다.
본 발명에 따르면, 상기 입력 전원과 PFC부 사이에, 상기 입력 전원을 정류하여 상기 PFC부에 제공하는 정류부; 를 더 포함할 수 있다.
본 발명에 따르면, 상기 PFC부는 부스트 컨버터를 포함하여 이루어질 수 있다.
본 발명에 따르면, 상기 DC/DC부는 위상 천이 풀 브리지 컨버터를 포함하여 이루어질 수 있다.
본 발명에 따르면, 상기 링크 전압 가변 회로부는, 상기 검출된 링크 커패시 터 출력 전류의 노이즈를 제거하는 저대역 통과 필터; 상기 저대역 통과 필터를 통과한 신호를 증폭하여 이 증폭 신호로부터 부하 정보를 획득 한 후 부하에 따라 링크 커패시터 전압을 조절하는 제어신호를 발생하는 가변 제어기; 를 포함할 수 있다.
본 발명에 따르면, 상기 저대역 통과 필터는, 양의 입력단, 음의 입력단 및 출력단을 갖는 제 1 OP-AMP; 상기 양의 입력단에 연결된 제 1 저항; 상기 제 1 저항에 연결된 제 2 저항; 일단이 상기 양의 입력단과 제 1 저항 사이의 노드에 연결되고, 타단이 접지에 연결된 제 1 커패시터; 일단이 상기 제 1 저항과 제 2 저항 사이의 노드에 연결되고, 타단이 상기 출력단에 연결된 제 2 커패시터;를 포함하며, 상기 음의 입력단은 상기 제 2 커패시터의 타단에 연결될 수 있다.
본 발명에 따르면, 상기 가변 제어기는, 양의 입력단, 음의 입력단 및 출력단을 갖는 제 2 OP-AMP; 일단이 상기 저대역 통과 필터에 연결되고, 타단이 상기 음의 입력단에 연결된 제 3 저항; 일단이 상기 제 2 OP-AMP 구동 전원과 연결되고, 타단이 상기 양의 입력단에 연결된 제 4 저항; 일단이 상기 양의 입력단과 제 4 저항의 타단 사이의 노드에 연결되고, 타단이 접지에 연결된 제 5 저항; 일단이 상기 음의 입력단과 제 3 저항의 타단 사이의 노드에 연결되고, 타단이 상기 출력단에 연결된 제 6 저항; 일단이 상기 제 6 저항의 타단과 연결되고, 타단이 접지에 연결된 제 7 저항; 상기 제 6 저항에 병렬 연결된 제 3 커패시터; 를 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 전원 장치는, 입력 전원에 연결되어 고주파 노이즈를 제거하는 입력 필터; 상기 입력 필터에 연결된 정류부; 상기 정류부에 연결되어 고조파 규제를 만족시키는 PFC부; 상기 PFC부를 구동시키는 PFC 제어부; 상기 PFC부에 연결된 DC/DC부; 상기 PFC부와 DC/DC부 사이에 위치하는 링크 커패시터의 출력 전류를 검출하는 전류 검출부; 상기 전류 검출부에서 검출한 전류의 노이즈 성분을 제거하는 저대역 통과 필터; 상기 저대역 통과 필터를 통과한 신호를 증폭하여 이 증폭 신호로부터 부하 정보를 획득 한 후 부하에 따라 링크 커패시터 전압을 조절하는 제어신호를 발생하는 가변 제어기; 를 포함할 수 있다.
본 발명에 따르면, 부하에 따라 링크 커패시터의 전압을 제어함으로써 경부하시 링크 커패시터의 전압을 낮추고 유효 시비율을 크게하여 고효율의 전원 장치를 제공하는 효과가 있다.
본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 구성요소들은 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
이하, 본 발명에 따른 전원 장치의 실시예를 첨부도면을 참조하여 상세히 설명하기로 하며, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 도면번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
도 1은 본 발명에 따른 전원 장치를 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명에 따른 저대역 통과 필터의 회로도이다.
도 3은 본 발명에 따른 가변 제어기의 회로도이다.
이하, 도 1 내지 도 3을 참고하여 설명한다.
본 발명에 따른 전원 장치는 PFC부(11), PFC 제어부(12), DC/DC부(13), 링크 전압 가변 회로부(14)를 포함할 수 있다.
PFC부(11)는 입력 전원에 연결되어 고조파 규제를 만족시키는 역할을 수행할 수 있다.
PFC 제어부(12)는 PFC부(11)에 연결되어 PFC부(11)를 구동시키고 제어하는 역할을 수행할 수 있다.
또한, PFC부(11)는 항상 출력 전압이 입력 전압보다 높은 부스트 컨버터가 주로 사용될 수 있다.
DC/DC부(13)는 PFC부(11)에 연결될 수 있다. 또한, DC/DC부(13)는 위상 천이 풀 브리지 컨버터(Phase Shift Full Bridge Converter;PSFB)를 포함하여 이루어질 수 있다.
링크 전압 가변 회로부(14)는 PFC부(11)와 DC/DC부(13) 사이에 위치하는 링크 커패시터의 출력 전류를 검출하여 부하 정보를 획득한 후 부하에 따라 링크 커패시터의 전압을 조절하는 제어 신호를 PFC 제어부(12)에 제공하는 역할을 수행할 수 있다.
또한, 링크 전압 가변 회로부(14)는 저대역 통과 필터(Low Pass Filter;LPF;141)와 가변 제어기(142)를 포함할 수 있다.
저대역 통과 필터(141)는 링크 커패시터의 출력단에서 검출한 출력 전류의 노이즈를 제거하는 역할을 수행할 수 있다.
도 2를 참고하여 저대역 통과 필터(141)를 보다 상세하게 살펴보면 다음과 같다.
본 발명의 일 실시예에 따른 저대역 통과 필터(141)는 제 1 OP-AMP(OP1), 제 1 저항(R1), 제 2 저항(R2), 제 1 커패시터(C1), 제 2 커패시터(C2)를 포함할 수 있다.
제 1 OP-AMP(OP1)는 양의 입력단, 음의 입력단 및 출력단을 가질 수 있다. 또한, 제 1 저항(R1)은 제 1 OP-AMP(OP1)의 양의 입력단에 연결될 수 있고, 제 2 저항(R2)은 제 1 저항(R1)에 연결될 수 있다.
제 1 커패시터(C1)는 일단이 제 1 OP-AMP(OP1)의 양의 입력단과 제 1 저항(R1) 사이의 노드에 연결될 수 있고, 타단이 접지에 연결될 수 있다.
제 2 커패시터(C2)는 일단이 제 1 저항(R1)과 제 2 저항(R2) 사이의 노드에 연결될 수 있고, 타단이 제 1 OP-AMP(OP1)의 출력단에 연결될 수 있다.
또한, OP-AMP(OP1)의 음의 입력단은 제 2 커패시터(C2)의 타단에 연결될 수 있다.
가변 제어기(142)는 저대역 통과 필터(141)를 통과한 신호를 증폭하고, 이 증폭 신호로부터 부하 정보를 획득한 후 부하에 따라 링크 커패시터의 전압을 조절하게 하는 제어 신호를 발생시킬 수 있다.
그리고 이 제어 신호는 PFC 제어부(12)에 인가되어 PFC부(11)의 게이트 듀티를 조절함으로써 PFC부(11)의 출력에 위치하는 링크 커패시터 전압을 조절하게 된다.
한편, 부하 정보는 링크 커패시터의 출력 전류로부터 획득할 수 있는데, 이는 링크 커패시터의 출력 전류를 검출하면 링크 커패시터에 연결된 일정한 권선비를 갖는 DC/DC부(13)를 통과한 부하 전류를 예측할 수 있기 때문이다.
도 3을 참고하여 가변 제어기(142)를 보다 상세하게 살펴보면 다음과 같다.
본 발명의 일 실시예에 따른 가변 제어기(142)는 제 2 OP-AMP(OP2), 제 3 저 항(R3), 제 4 저항(R4), 제 5 저항(R5), 제 6 저항(R6), 제 7 저항(R7), 제 3 커패시터(C3)를 포함할 수 있다.
제 2 OP-AMP(OP2)는 양의 입력단, 음의 입력단 및 출력단을 가질 수 있다.
제 3 저항(R3)은 일단이 저대역 통과 필터(141)에 연결될 수 있고, 타단이 제 2 OP-AMP(OP2)의 음의 입력단에 연결될 수 있다.
제 4 저항(R4)은 일단이 제 2 OP-AMP 구동 전원과 연결될 수 있고, 타단이 제 2 OP-AMP(OP2)의 양의 입력단에 연결될 수 있다.
제 5 저항(R5)은 일단이 제 2 OP-AMP(OP2)의 양의 입력단과 제 4 저항(R4)의 타단 사이의 노드에 연결될 수 있고, 타단이 접지에 연결될 수 있다.
제 6 저항(R6)은 일단이 제 2 OP-AMP(OP2)의 음의 입력단과 제 3 저항(R3) 사이의 노드에 연결될 수 있고, 타단이 제 2 OP-AMP(OP2)의 출력단에 연결될 수 있다.
제 7 저항(R7)은 일단이 제 6 저항(R6)의 타단과 연결될 수 있고, 타단이 접지에 연결될 수 있다.
제 3 커패시터(C3)는 제 6 저항(R6)에 병렬 연결 될 수 있다.
본 발명에 따른 전원 장치에 따르면, 링크 커패시터의 출력 전류를 통해 획득한 부하 정보에 따라, 부하가 경부하인 경우 가변 제어기(142)에서 제어신호를 PFC 제어부(12)에 인가하여 링크 커패시터 전압을 낮추게 된다.
결국, 경부하의 경우 링크 커패시터 전압을 낮춤으로써 유효 시비율을 크게 가져가 시스템의 효율을 높이게 되는 것이다.
링크 커패시터의 전압을 낮추어 시비율을 늘리게 되면 효율 측면에서는 유리하게 작용한다. 하지만, 링크 커패시터의 전압이 너무 낮을 경우, 링크 커패시터에 저장된 에너지가 작아져 홀드 업 타임을 만족하지 못하게 될 수 있으므로 부하에 따라 링크 커패시터 전압을 제어하기 위해서는 우선 사용가능한 커패시터의 전압 범위를 정하고, 그 후 홀드 업 타임과 효율을 모두 고려하여 설계하여야 한다.
이때, 최소 링크 커패시터 전압을 살펴보면, 링크 커패시터의 경우 PFC부(11)의 출력으로 사용되는데 PFC부(11)는 그 특성상 출력 전압이 입력 전압보다 높은 부스트 컨버터가 주로 사용된다. 따라서, 90Vac~265Vac의 상용라인이 PFC부(11)의 입력으로 사용될 경우, PFC부(11)가 제대로 동작하기 위해서는 최소 380Vac 이상의 전압이 링크 커패시터에 인가되어야 한다.
또한, 본 발명에 따른 전원장치에 있어서, 입력 전원과 PFC부(11) 사이에는 고주파 노이즈를 제거하는 입력 필터(15)를 더 포함할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 전원장치에 있어서, 입력 전원과 PFC부(11) 사이에는 입력 전원을 정류하여 PFC부(11)에 제공하는 정류부(16)를 더 포함할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 전원장치에 있어서, 입력 전원과 PFC부(11) 사이에는 고주파 노이즈를 제거하는 입력 필터(15)와 이 입력 필터(15)에 연결된 정류부(16)를 더 포함할 수 있다.
도 4(a)는 본 발명에 따른 전원 장치와 기존의 전원 장치의 효율을 나타낸 그래프이고, 도 4(b)는 본 발명에 따른 전원 장치의 부하별 홀드 업 타임을 나타낸 표이다.
도 4(a) 및 4(b)를 참고하면, 본 발명에 따른 전원 장치는 부하에 따라 링크 커패시터 전압을 낮게 해줌으로써 도통 손실과 코어 손실을 줄여 기존 전원 장치에 비해 경부하에서 높은 효율을 보임을 알 수 있다.
또한, 모든 부하에서 20ms 이상의 홀드 업 타임을 확보할 수 있음을 알 수 있다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
전술한 실시예 외의 많은 실시예들이 본 발명의 특허청구범위 내에 존재한다.
도 1은 본 발명에 따른 전원 장치를 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명에 따른 저대역 통과 필터의 회로도이다.
도 3은 본 발명에 따른 가변 제어기의 회로도이다.
도 4(a)는 본 발명에 따른 전원 장치와 기존의 전원 장치의 효율을 나타낸 그래프이고, 도 4(b)는 본 발명에 따른 전원 장치의 부하별 홀드 업 타임을 나타낸 표이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
11: PFC부
12: PFC 제어부
13: DC/DC부
14: 링크 전압 가변 회로부
15: 입력 필터
16: 정류부
141: 저대역 통과 필터
142: 가변 제어기

Claims (11)

  1. 입력 전원에 연결되어 고조파 규제를 만족시키는 PFC부;
    상기 PFC부를 구동시키는 PFC 제어부;
    상기 PFC부에 연결된 DC/DC부;
    상기 PFC부와 DC/DC부 사이에 위치하는 링크 커패시터의 출력 전류를 검출하여 부하 정보를 획득한 후 부하에 따라 링크 커패시터 전압을 조절하는 제어 신호를 상기 PFC 제어부에 제공하는 링크 전압 가변 회로부;
    를 포함하는 전원 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 입력 전원과 PFC부 사이에,
    고주파 노이즈를 제거하는 입력 필터;
    를 더 포함하는 전원 장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 입력 전원과 PFC부 사이에,
    상기 입력 전원을 정류하여 상기 PFC부에 제공하는 정류부;
    를 더 포함하는 전원 장치.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 PFC부는 부스트 컨버터를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 전원 장치.
  5. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 DC/DC부는 위상 천이 풀 브리지 컨버터를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 전원 장치.
  6. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 링크 전압 가변 회로부는,
    상기 검출된 링크 커패시터 출력 전류의 노이즈를 제거하는 저대역 통과 필터;
    상기 저대역 통과 필터를 통과한 신호를 증폭하여 이 증폭 신호로부터 부하 정보를 획득 한 후 부하에 따라 링크 커패시터 전압을 조절하는 제어신호를 발생하는 가변 제어기;
    를 포함하는 전원 장치.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 저대역 통과 필터는,
    양의 입력단, 음의 입력단 및 출력단을 갖는 제 1 OP-AMP;
    상기 양의 입력단에 연결된 제 1 저항;
    상기 제 1 저항에 연결된 제 2 저항;
    일단이 상기 양의 입력단과 제 1 저항 사이의 노드에 연결되고, 타단이 접지에 연결된 제 1 커패시터;
    일단이 상기 제 1 저항과 제 2 저항 사이의 노드에 연결되고, 타단이 상기 출력단에 연결된 제 2 커패시터;를 포함하며,
    상기 음의 입력단은 상기 제 2 커패시터의 타단에 연결되는 전원 장치.
  8. 제 6 항에 있어서,
    상기 가변 제어기는,
    양의 입력단, 음의 입력단 및 출력단을 갖는 제 2 OP-AMP;
    일단이 상기 저대역 통과 필터에 연결되고, 타단이 상기 음의 입력단에 연결된 제 3 저항;
    일단이 상기 제 2 OP-AMP 구동 전원과 연결되고, 타단이 상기 양의 입력단에 연결된 제 4 저항;
    일단이 상기 양의 입력단과 제 4 저항의 타단 사이의 노드에 연결되고, 타단이 접지에 연결된 제 5 저항;
    일단이 상기 음의 입력단과 제 3 저항의 타단 사이의 노드에 연결되고, 타단이 상기 출력단에 연결된 제 6 저항;
    일단이 상기 제 6 저항의 타단과 연결되고, 타단이 접지에 연결된 제 7 저항;
    상기 제 6 저항에 병렬 연결된 제 3 커패시터;
    를 포함하는 전원 장치.
  9. 입력 전원에 연결되어 고주파 노이즈를 제거하는 입력 필터;
    상기 입력 필터에 연결된 정류부;
    상기 정류부에 연결되어 고조파 규제를 만족시키는 PFC부;
    상기 PFC부를 구동시키는 PFC 제어부;
    상기 PFC부에 연결된 DC/DC부;
    상기 PFC부와 DC/DC부 사이에 위치하는 링크 커패시터의 출력 전류를 검출하는 전류 검출부;
    상기 전류 검출부에서 검출한 전류의 노이즈 성분을 제거하는 저대역 통과 필터;
    상기 저대역 통과 필터를 통과한 신호를 증폭하여 이 증폭 신호로부터 부하 정보를 획득 한 후 부하에 따라 링크 커패시터 전압을 조절하는 제어신호를 발생하는 가변 제어기;
    를 포함하는 전원 장치.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 저대역 통과 필터는,
    양의 입력단, 음의 입력단 및 출력단을 갖는 제 1 OP-AMP;
    상기 양의 입력단에 연결된 제 1 저항;
    상기 제 1 저항에 연결된 제 2 저항;
    일단이 상기 양의 입력단과 제 1 저항 사이의 노드에 연결되고, 타단이 접지에 연결된 제 1 커패시터;
    일단이 상기 제 1 저항과 제 2 저항 사이의 노드에 연결되고, 타단이 상기 출력단에 연결된 제 2 커패시터;를 포함하며,
    상기 음의 입력단은 상기 제 2 커패시터의 타단에 연결되는 전원 장치.
  11. 제 9 항 또는 제 10항에 있어서,
    상기 가변 제어기는,
    양의 입력단, 음의 입력단 및 출력단을 갖는 제 2 OP-AMP;
    일단이 상기 저대역 통과 필터에 연결되고, 타단이 상기 음의 입력단에 연결된 제 3 저항;
    일단이 상기 제 2 OP-AMP 구동 전원과 연결되고, 타단이 상기 양의 입력단에 연결된 제 4 저항;
    일단이 상기 양의 입력단과 제 4 저항의 타단 사이의 노드에 연결되고, 타단이 접지에 연결된 제 5 저항;
    일단이 상기 음의 입력단과 제 3 저항의 타단 사이의 노드에 연결되고, 타단이 상기 출력단에 연결된 제 6 저항;
    일단이 상기 제 6 저항의 타단과 연결되고, 타단이 접지에 연결된 제 7 저항;
    상기 제 6 저항에 병렬 연결된 제 3 커패시터;
    를 포함하는 전원 장치.
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