KR101183493B1

KR101183493B1 - 직류전원장치

Info

Publication number: KR101183493B1
Application number: KR1020110030077A
Authority: KR
Inventors: 미즈키 우쓰노; 사치요 아라이; 유지 사야마; 히로아키 기우치
Original assignee: 산켄덴키 가부시키가이샤
Priority date: 2010-06-30
Filing date: 2011-04-01
Publication date: 2012-09-20
Also published as: JP5545075B2; KR20120002408A; JP2012016136A

Abstract

(과제)
종래의 직류전원장치에서는 LED 부하를 저압에서 구동하기 위하여 승압형 PFC 회로의 후단에 강압형 DC-DC 컨버터를 설치하고 있었지만, LED를 부하로 하는 조명용의 직류전원장치에서는 PFC 회로를 승압형으로 할 필요성이 없다.
(해결수단)
정류기(DB)의 출력에 스위칭 소자(Q1)와 리액터(L1)가 직렬로 접속된 강압형 컨버터와, 입력교류전압(AC1)의 전압주기보다 긴 시정수에 의하여 리액터의 전류를 검출하는 전류검출수단(R1)과, 리액터에 흐르는 회생전류가 0이 된 타이밍을 검출하는 임계전류 검출수단(CP2)과, 회생전류가 0이 되었을 때에 소정의 경사로 상승시키고, 리액터에 흐르는 회생전류가 0이 되었을 때에 리셋하는 삼각파 발생수단(CC1, Ct, 3)과, 회생전류가 0이 되었을 때에 스위칭 소자를 ON 시키고, 삼각파 발생수단에 의하여 생성된 전압신호(Vct)가 전류검출신호(Vcfb)를 넘었을 때에 스위칭 소자를 OFF 한다.

Description

직류전원장치{DC POWER SUPPLY APPARATUS}

본 발명은 직류전원장치(直流電源裝置)에 관한 것으로서, 특히 역률개선회로(力率改善回路)(이하, PFC 회로라고 한다)를 강압형(降壓型)으로 한 직류전원장치에 관한 것이다.

상용교류전원(商用交流電源)의 교류전압을 정류평활회로(整流平滑回路)에 의하여 정류하여 직류전압으로 변환하고 또한 이 직류전압을 DC/DC 컨버터에 의하여 원하는 직류전압으로 변환하여 출력하는 직류전원장치가 종래부터 사용되고 있다. 상용교류전원으로부터 정류평활회로에 의하여 정류된 직류전원을 얻을 때에, 정현파 교류전압의 피크(peak) 부근에 있어서만 평활용 콘덴서(平滑用 condensor)에 전류가 흐르기 때문에, 역률이 악화되거나 고조파(高調波)를 발생시켜서 주변에 악영향을 끼친다. 이것을 해결하기 위하여 PFC(Power Factor Correction : 역률개선) 회로를 설치하는 경우가 있다.

이 PFC 회로는, 일반적으로 강압형(降壓型) PFC 회로보다 승압형(昇壓型) PFC 회로가 많이 사용된다. 그리고 승압형 PFC 회로의 후단에 강압형의 DC-DC 컨버터를 접속하여 원하는 저압의 직류출력전압을 얻고 있다.

PFC 회로를 사용한 종래기술로서, 예를 들면 일본국 공개특허 특개2002-262563호 공보(특허문헌1), 일본국 공개특허 특개2010-40878호 공보(특허문헌2) 등을 들 수 있다. 특허문헌1에 개시된 역률개선 컨버터에는 PFC 회로로서 승압형의 역률개선 컨버터가 사용되고 있다. 또한 특허문헌2에 개시된 발광다이오드 점등장치에는 승압동작과 역률개선동작을 하는 승압 초퍼(昇壓 chopper)(BUC)가 사용되고 있다.

일본국 공개특허 특개2002-262563호 공보 일본국 공개특허 특개2010-40878호 공보

상기 종래기술에서는, 입력된 교류전압으로부터 원하는 저압의 직류전압을 출력하기 위하여 전단에 승압형의 PFC 회로를 설치하고, 후단에 강압형의 DC-DC 컨버터를 설치하고 있었다. 이와 같이 상기 종래기술의 직류전원장치가, 전단에 PFC 회로로서 승압형의 역률개선 컨버터나 승압형의 초퍼를 사용하고, 후단에 강압형의 DC-DC 컨버터를 접속하여 사용한 것은 다음과 같은 이유에 의한다.

(1)전단의 PFC 회로를 승압형 PFC 회로로 하면 효율을 향상시킬 수 있다. 전단의 PFC 회로에는 교류전원의 교류전압을 전파정류(全波整流)한 직류전압이 입력되기 때문에, PFC 회로를 승압형으로 하더라도 강압형으로 하더라도 스위칭 소자(switching 素子)로서 동일한 내압(耐壓)이 요구되고, 바꾸어 말하면 스위칭 소자의 사양으로서 온 저항(on 抵抗)이 작은 것으로 치환할 수 없다. 이 때문에 스위칭 소자의 온 저항의 사양은 승압형에서도 강압형에서도 동일하게 된다. 취급하는 전력이 동일하면, PFC 회로를 강압형으로 하여 전압을 내리면 그 대신에 전류가 증가한다. 따라서 강압형 PFC 회로에서는 승압형 PFC 회로에 대하여 큰 전류가 흐르기 때문에, 스위칭 소자의 온 저항에 의한 손실이 증가하여 효율이 저하된다. 이 때문에 승압형 PFC 회로 쪽이 일반적으로 효율이 좋다.

(2)또한 전단을 강압형 PFC 회로로 하면, 승압형 PFC 회로로 하였을 때보다 큰 전류가 후단의 DC-DC 컨버터에 입력되고, 이에 따라 DC-DC 컨버터의 스위칭 전류도 커지게 된다. 따라서 DC-DC 컨버터의 효율도 저하되어 전원 시스템 전체의 효율이 저하된다. 이 때문에 승압형 PFC 회로를 사용한 쪽이 전원 시스템 전체의 효율을 향상시키기 위하여 유리하다.

(3)승압형 PFC 회로로 승압전압을 얻음으로써 순시정전(瞬時停電) 등의 장해가 있더라도 1～2사이클분의 전력을 유지하는 것이 용이하게 되어, 전원의 부하인 장치가 정지하는 것을 회피하여 시스템으로서의 신뢰성을 얻을 수 있다.

상기 종래기술은, PFC 회로를 승압형으로 함으로써 효율을 향상시켜서 순시정전에 대한 시스템의 신뢰성을 향상시킬 수 있는 등의 이점은 있지만, 발광다이오드(이하, LED라고 한다)를 부하로 하는 조명용(照明用)의 직류전원장치에서는, LED 부하를 저압에서 구동하기 위하여 저압의 직류출력전압을 얻을 필요가 있어, 승압형 PFC 회로의 후단에 강압형 DC-DC 컨버터를 설치하여야만 한다. 이 때문에 직류전원장치를 구성하는 부품수가 증가하여, 장치의 소형화를 도모함에 있어서 장해가 되고 또한 신뢰성(MTBF)도 저하되는 등 문제가 있다. 또한 비용상승을 초래하는 원인으로 되어 있었다. 또한 LED를 부하로 하는 조명용의 직류전원장치에서는, 순시정전에 대한 시스템의 신뢰성은 요구되어 있지 않다. 따라서 LED를 부하로 하는 조명용의 직류전원장치에서는, PFC 회로를 승압형으로 할 필요성이 없다.

본 발명의 목적은, 상기 문제점을 고려하여 종래기술의 상기 문제를 해결한 직류전원장치를 제공하는 것에 있다.

본 발명의 직류전원장치는, 교류전원(交流電源)으로부터 얻은 에너지를 직류의 에너지로 변환하여 출력하는 직류전원장치(直流電源裝置)에 있어서, 상기 교류전원의 교류전압을 전파정류(全波整流)하여 직류전압으로 변환하는 정류기(整流器)와, 상기 정류기의 출력에 스위칭 소자(switching 素子)와 리액터(reactor)가 직렬로 접속되고, 상기 스위칭 소자를 ON/OFF 제어함으로써 강압(降壓)된 직류전압을 부하에 공급하는 강압형 컨버터(降壓型 converter)와, 상기 리액터에 흐르는 전류를 검출하는 전류검출수단(電流檢出手段)과, 상기 리액터에 흐르는 회생전류(回生電流)가 0이 된 타이밍을 검출하는 임계전류 검출수단(臨界電流檢出手段)과, 상기 임계전류 검출수단이 상기 리액터에 흐르는 회생전류가 0이 된 것을 검출한 타이밍을 기점으로 하여 소정의 경사(傾斜)로 상승하는 전압신호를 생성하고, 상기 임계전류 검출수단이 상기 리액터에 흐르는 회생전류가 0이 된 타이밍에서 상기 전압신호를 0으로 리셋(reset)하는 삼각파 발생수단(三角波發生手段)과, 상기 임계전류 검출수단이 상기 리액터에 흐르는 회생전류가 0이 된 타이밍을 검출하였을 때에 상기 스위칭 소자를 ON 시키는 게이트 신호를 출력하고, 상기 삼각파 발생수단에서 생성된 전압신호가 상기 전류검출수단에서 검출된 전류검출신호를 넘었을 때에 상기 게이트 신호를 OFF 하는 게이트 신호 출력수단(gate 信號出力手段)을 구비하는 것을 특징으로 한다.

또한 본 발명의 직류전원장치는, 상기 전류검출수단은, 상기 리액터에 흐르는 전류검출신호를 상기 교류전원의 교류전압의 반주기(半周期)보다 긴 시정수(時定數)를 구비하는 필터(filter)를 통하여 출력하여도 좋다.

또한 상기 전류검출수단의 신호를 일정한 신호가 되도록 제어함으로써 정전류 제어(定電流制御)하여도 좋다.

또한 본 발명의 직류전원장치가, 상기 임계전류 검출수단이, 상기 리액터에 흐르는 회생전류가 0이 되어 자유진동(自由振動)이 시작되었을 때에 발생하는 전압이 미리 정해진 제1소정전압을 넘은 것을 검출하여도 좋다.

또한 본 발명의 직류전원장치는, 상기 전류검출수단, 삼각파 발생수단 및 게이트 신호 출력수단의 제2기준전위는, 상기 정류기의 정류출력 정극단자(整流出力正極端子)측의 제1기준전위에 대하여 플로팅(floating)이더라도 좋다.

또한 본 발명의 직류전원장치는, 상기 전류검출수단은, 직렬로 접속된 상기 스위칭 소자와 상기 리액터의 사이에 설치된 전류검출저항에 의하여 상기 리액터에 흐르는 전류를 검출하여도 좋다.

또한 본 발명의 직류전원장치는, 상기 임계전류 검출수단을, 상기 리액터와 출력단자 사이의 전압을 다이오드를 통하여 비교기(comparator)의 반전입력단자에 입력하고, 상기 비교기의 비반전입력단자에 상기 소정전압을 입력하고, 상기 비교기에 의하여 상기 리액터와 출력단자 사이의 전압을 상기 제1소정전압과 비교함으로써 검출하는 수단으로 하여도 좋다.

또한 본 발명의 직류전원장치는, 상기 부하가 LED 부하이더라도 좋다.

본 발명에 의하면, LED 조명장치 등을 부하로 하는 전원장치를, 정전류 제어방식의 DC-DC 컨버터 단체(單體)에 의하여 역률개선 기능을 구비한 강압형 전원장치로서 제공할 수 있다. 따라서 종래기술과 같이 역률개선회로와 DC-DC 컨버터를 조합시키지 않고 또는 역률개선회로의 제어부에 승산기를 사용하지 않고 DC-DC 컨버터 단체에 의하여 역률개선이 가능하게 되기 때문에, 부품수를 대폭적으로 삭감, 소형?저렴하게 종합효율을 향상시켜서 신뢰성이 높은 전원장치를 제공할 수 있다. 또한 강압형 DC-DC 컨버터로 구성하기 때문에, 평활콘덴서로의 돌입전류 방지회로(突入電流防止回路) 등이 불필요하게 되어 소형?저렴한 전원장치를 제공할 수 있다.

도1은 본 발명에 의한 실시형태의 직류전원장치(1)의 회로구성을 나타내는 도면이다.
도2는 본 발명에 의한 실시형태의 직류전원장치(1)의, 교류입력전압이 피크값의 1/2 시점에 있어서의 회로동작파형을 나타내는 도면이다.
도3은 본 발명에 의한 실시형태의 직류전원장치(1)의, 교류입력전압이 피크값 시점에 있어서의 회로동작파형을 나타내는 도면이다.
도4는 본 발명에 의한 실시형태의 직류전원장치(1)의 역률개선동작을 모식적으로 나타내는 도면이다.
도5는 본 발명에 의한 실시형태의 직류전원장치(1)에 있어서의 입력전압파형과 입력전류파형을 시뮬레이션에 의하여 나타내는 도면이다.
도6은 본 발명에 의한 실시형태의 직류전원장치(1)에 있어서의 입력전압과 입력전류의 실측파형도이다.
도7은 본 발명에 의한 실시형태의 직류전원장치(1)에 있어서의 입력전압에 대한 역률을 실측한 특성도이다.
도8은 종래기술에 의한 직류전원장치에 있어서의 입력전압과 입력전류의 실측파형도이다.

특허문헌1에 기재된 종래기술에서는, 역률개선(力率改善)을 하기 위하여 슬로프 신호생성부(slope 信號生成部(승산회로(乘算回路))가 필요하다. 이에 대하여 본 발명에서는, 리액터(L1)의 전류 검출만으로 역률개선을 하도록 하여 슬로프 신호를 사용하지 않도록 되어 있다. 이에 따라 슬로프 신호생성부가 필요 없게 되어, 회로구성을 간단하게 할 수 있으므로 간이하게 역률개선을 하는 것이 가능하다. 또한 리액터(L1)의 전류를 평균화한 신호를 피드백(feedback) 하고 있기 때문에, 특허문헌1에 기재된 종래기술과 같이 교류입력전압의 저전압으로부터 피크전압에 이르는 변화에 대응한 드레인 전류의 검출은 필요로 하지 않는다. 이 특허문헌1에 기재된 종래기술과 같은 신호의 검출폭에서도 스위칭의 ON 펄스 변화폭을 크게 잡는 것이 가능하기 때문에, 승산기를 사용한 역률개선회로와 비교하더라도 동등한 역률값을 얻는 것이 가능하다.

(실시형태)

도1에 본 발명에 의한 실시형태의 직류전원장치(直流電源裝置)(1)의 회로구성을 나타내었다.

도1에 나타나 있는 바와 같이 직류전원장치(1)는, 상용교류전원(商用交流電源)(AC1)의 교류전압을 정류회로(整流回路)(DB)에 의하여 전파정류(全波整流)한 맥류전압(脈流電壓)을 스위칭 소자(Q1)로 스위칭하여, 강압(降壓)함으로써 출력전압을 얻고 있다.

출력의 제어는, 리액터(L1)에 흐르는 전류(IL1)의 신호를 검출하여 평균화하고, 이 검출신호에 의거하여 정전류 제어(定電流制御)가 되도록 한다. 리액터(L1)에 흐르는 전류(IL1)는, 리액터(L1)에 직렬로 접속된 전류검출저항(R1)에 발생하는 전압강하에 의하여 검출하고, 이 신호를 리액터(L1)에 흐르는 전류(IL1)의 신호로서 제어회로(制御回路)(2)의 피드백 단자에 입력한다. 여기에서 리액터(L1)에 흐르는 전류(IL1)의 신호는 저항(R2)과 콘덴서(C2) 및 저항(R3)과 콘덴서(C3)의 시정수(時定數)에 의하여 평균화되어 있다. 이 평균화된 리액터(L1)에 흐르는 전류(IL1)의 신호는, 정전류 제어 신호전압이 된다.

한편 다이오드(D2)를 통하여 입력된 전압으로부터 리액터(L1)에 흐르는 전류(IL1)의 임계전류(臨界電流)의 타이밍(회생전류(回生電流)가 0A가 되는 타이밍)을 검출하여, 스위칭 소자(Q1)의 게이트 신호의 ON 신호시작점을 정하는 펄스를 생성한다. 이 펄스를 기점으로 하여 정전류원(定電流源)(CC1)의 일정전류에 의하여 콘덴서(Ct)를 충전하여 삼각파를 생성하고, 이 삼각파의 전압이 상기 정전류 제어 신호전압에 도달하는 기간까지 스위칭 소자(Q1)를 ON 하고, 삼각파의 전압이 상기 정전류 제어 신호전압에 도달한 시점에서 스위칭 소자(Q1)를 OFF 하고, 다음의 임계전류의 펄스 발생 타이밍에서 삼각파를 리셋한다.

이와 같이 스위칭 소자(Q1)를 ON/OFF 하여 출력전류를 제어하면, 스위칭 소자(Q1)를 ON 하는 펄스폭은 정전류 제어 신호전압에 따른 일정한 펄스폭이 되고 또한 임계동작에 의하여 스위칭시킬 수 있다. 이에 따라 입력전류파형이 정현파 모양에 근사되어, 후술하는 도4와 같이 역률개선을 하는 것이 가능하게 된다.

다음에 직류전원장치(1)의 회로구성 및 그 회로동작에 대하여 더 상세하게 설명한다.

도1을 참조하여 직류전원장치(1)의 회로구성을 설명한다.

직류전원장치(1)의 입력단자인 ACin1과 ACin2에는 상용교류전원(AC1)이 접속된다. 이 입력단자(ACin1과 ACin2)는, 다이오드가 브리지 구성된 정류회로(DB)의 교류입력단자에 접속되어 있어, 상용교류전원(AC1)으로부터 입력된 교류전압이 전파정류되어 출력된다. 정류회로(DB)의 정류출력 정극단자(整流出力正極端子)(전압(Vin))에는 스위칭 소자(Q1)의 드레인 단자가 접속되어 있고, 스위칭 소자(Q1)의 소스 단자에는 전류검출저항(R1)의 일방(一方)의 단자가 접속되어 있다. 또한 전류검출저항(R1)의 타방(他方)의 단자는 리액터(L1)의 일방의 단자에 접속되어 있고, 리액터(L1)의 타방의 단자는 직류전원장치(1)의 정측 출력단자(正側出力端子)(Pout1)에 접속되어 있다. 한편 정류회로(DB)의 정류출력 부극단자(整流出力負極端子)는 직류전원장치(1)의 부측 출력단자(負側出力端子)(Pout2(GND1))에 접속되어 있다. 스위칭 소자(Q1)의 소스 단자와 전류검출저항(R1)의 일방의 단자가 접속된 접속점에는 다이오드(D1)의 캐소드 단자가 접속되어 있고, 다이오드(D1)의 애노드 단자는 정류회로(DB)의 정류출력 부극단자와 부측 출력단자(Pout2)가 접속된 GND1 라인에 접속되어 있다. 또한 정측 출력단자(Pout1)와 부측 출력단자(Pout2)의 사이에는 평활콘덴서(C1)가 접속되어 있다.

점선 프레임의 2로 나타나 있는 부분은, 직류전원장치(1)를 제어하는 제어회로(制御回路)를 나타내고 있다. 제어회로(2)에는, 정류회로(DB)의 정류출력 정극단자의 전압(Vin)이 입력되고 또한 다이오드(D2)를 통하여 정측 출력단자(Pout1)의 전압이 입력되고 또한 전류검출저항(R1)의 양단전압이 저항(R2, R3), 콘덴서(C2, C3)에 의하여 평활되어 입력되고 있다. 또한 제어회로(2)로부터 스위칭 소자(Q1)의 게이트 단자에 ON/OFF 신호가 출력되고 있다.

제어회로(2)는, 원숏(ONE SHOT)회로(3), 기동회로(起動回路)(4), 비교기(comparator)(CP1, CP2), 연산증폭기(OP1), 트랜스컨덕턴스 앰프(Operational Transconductance Amplifier)(OTA1), 전류원 회로(電流源回路)(CC1), 버퍼회로(buffer 回路)(BF), 콘덴서(Ct, Cfb), 저항(R4, R5), 기준전압(基準電壓)(Vref1, Vref2, Vref3) 등으로 되어 있다.

정류회로(DB)의 정류출력 정극단자(전압(Vin))는 제어회로(2)의 기동회로(4)에 접속되어 있고, 기동회로(4)는 직류전원장치(1)에 상용교류전원(AC1)이 접속된 초기에 제어회로(2)를 기동하도록 되어 있다.

비교기(CP2)의 반전입력단자는 다이오드(D2)의 캐소드 단자에 접속되어 있고, 다이오드(D2)의 애노드 단자는 정측 출력단자(Pout1)에 접속되어 있다. 또한 비교기(CP2)의 비반전입력단자는 기준전압(Vref3)의 정극단자에 접속되어 있다.

또한 비교기(CP2)의 출력단자는 원숏회로(3)의 입력단자에 접속되어 있다. 원숏회로(3)의 출력단자는, 비교기(CP1)의 반전입력단자, 콘덴서(Ct)의 일방의 단자 및 전류원 회로(CC1)의 일방의 단자인 전류출력단자가 접속된 접속점에 접속되어 있다. 전류원 회로(CC1)의 타방의 단자는 제어회로(2)의 제어전원회로인 내부 레귤레이터(Reg)(도면에 나타내지 않는다)의 출력단자에 접속되어 있다.

전류검출저항(R1)의 타방의 단자와 리액터(L1)의 일방의 단자가 접속된 접속점에는 저항(R2)의 일방의 단자가 접속되어 있고, 저항(R2)의 타방의 단자에는 저항(R3)의 일방의 단자가 접속되어 있다. 전류검출저항(R1)의 일방의 단자와 스위칭 소자(Q1)의 소스 단자와 다이오드(D1)의 캐소드 단자가 접속된 접속점에는, 콘덴서(C2)의 일방의 단자와 콘덴서(C3)의 일방의 단자가 접속되어 있고, 콘덴서(C2)의 타방의 단자는 저항(R2)의 타방의 단자와 저항(R3)의 일방의 단자가 접속된 접속점에 접속되어 있고, 콘덴서(C3)의 타방의 단자는 저항(R3)의 타방의 단자에 접속되어 있다. 저항(R2, R3), 콘덴서(C2, C3)는, 전류검출저항(R1)의 양단에 발생한 전압을 평활하여 제어회로(2)에 출력하는 필터회로(filter回路)를 구성하고 있다.

전류검출저항(R1)의 일방의 단자, 콘덴서(C2)의 일방의 단자 및 콘덴서(C3)의 일방의 단자가 접속된 접속점은, 기준전압(Vref1, Vref2, Vref3)의 부극단자와 접속되어 제어회로(2)의 기준전위(GND2)로 되어 있다. 이 기준전위(GND2)의 전위는 스위칭 소자(Q1)의 소스 단자와 전류검출저항(R1)의 일방의 단자가 접속된 접속점의 전위이며, 정류회로(DB)의 정류출력 부극단자와 부측 출력단자(Pout2)가 접속된 GND1 라인에 대하여 전위가 플로팅(floating)으로 되어 있다. 기준전위(GND2)에는 저항(R5)의 타방의 단자, 콘덴서(Ct)의 타방의 단자, 콘덴서(Cfb)의 타방의 단자도 접속되어 있다.

또한 내부 레귤레이터(Reg)의 출력단자에는 저항(R4)의 일방의 단자가 접속되어 있고, 저항(R4)의 타방의 단자는 저항(R5)의 일방의 단자에 접속되어 있고, 저항(R5)의 타방의 단자는 기준전위(GND2)에 접속되어 있다. 저항(R4)의 타방의 단자와 저항(R5)의 일방의 단자가 접속된 접속점에는, 저항(R3)의 타방의 단자와 콘덴서(C3)의 타방의 단자가 접속된 접속점 및 연산증폭기(OP1)의 반전입력단자가 접속되어 있다.

연산증폭기(OP1)의 비반전입력단자는 기준전압(Vref2)의 정극단자에 접속되어 있고, 기준전압(Vref2)의 부극단자는 기준전위(GND2)에 접속되어 있다. 연산증폭기(OP1)의 출력단자는 트랜스컨덕턴스 앰프(OTA1)의 반전입력단자에 접속되어 있고, 트랜스컨덕턴스 앰프(OTA1)의 비반전입력단자는 기준전압(Vref1)의 정극단자에 접속되어 있고, 기준전압(Vref1)의 부극단자는 기준전위(GND2)에 접속되어 있다.

트랜스컨덕턴스 앰프(OTA1)의 출력단자는 콘덴서(Cfb)의 일방의 단자에 접속되어 있고, 콘덴서(Cfb)의 타방의 단자는 기준전위(GND2)에 접속되어 있다. 트랜스컨덕턴스 앰프(OTA1)는 비반전입력단자에 입력된 기준전압(Vref1)과 반전입력단자에 입력된 연산증폭기(OP1)의 출력단자로부터의 전압과의 차이전압을 전류로 변환하여 증폭하여 출력한다. 따라서 콘덴서(Cfb)는 트랜스컨덕턴스 앰프(OTA1)로부터의 출력전류에 의하여 충방전(充放電)된다.

트랜스컨덕턴스 앰프(OTA1)의 출력단자와 콘덴서(Cfb)의 일방의 단자가 접속된 접속점은, 비교기(CP1)의 비반전입력단자에 접속되어 있다. 비교기(CP1)의 출력단자는 버퍼회로(BF)의 입력단자에 접속되어 있고, 버퍼회로(BF)의 출력단자는 스위칭 소자(Q1)의 게이트 단자에 접속되어 있다.

다음에 직류전원장치(1)의 회로동작을 도2, 도3도 참조하여 설명한다. 도2는, 정류회로(DB)의 정류출력 정극단자로부터 출력되는 정현파 맥동전압(전압(Vin))의 피크값의 1/2 값의 점에 있어서의 동작파형을 나타내고 있다. 또한 도3은, 정류회로(DB)의 정류출력 정극단자로부터 출력되는 정현파 맥동전압(전압(Vin))의 피크값 점에 있어서의 동작파형을 나타내고 있다.

도2, 도3에 있어서의 각 파형은, 상측으로부터 리액터(L1)에 흐르는 전류파형(IL1), 전류검출저항(R1)에 발생하는 전압파형(VR1), 콘덴서(C2)의 전압파형(Vc2), 콘덴서(C3)의 전압파형(Vc3), 콘덴서(Ct)의 전압파형(Vct), 콘덴서(Cfb)의 전압파형(Vcfb), 원숏회로(3)의 출력파형, 버퍼회로(BF)의 출력파형을 나타내고 있다.

리액터(L1)에 흐르는 전류(IL1)는, 스위칭 소자(Q1)가 ON(버퍼회로(BF)의 출력이 H)일 때에 리액터(L1)에 정류회로(DB)의 정현파 맥동전압의 순시값과 출력전압의 차이전압이 인가되기 때문에, 그 전압에 대략 비례한 경사에 의하여 증가한다(ON 전류라고 한다). 또한 스위칭 소자가 OFF 되면 리액터(L1)에 축적된 에너지는, 리액터(L1)～평활콘덴서(C1)～다이오드(D1)～리액터(L1)의 폐회로에서 방전되기 때문에, 평활콘덴서(C1)는 충전되어 리액터(L1)에 흐르는 전류(IL1)를 감소시킨다(회생전류(回生電流)라고 한다). 따라서 리액터(L1)에 흐르는 전류(IL1)는, 도2, 도3에 나타나 있는 바와 같이 삼각파 모양의 전류가 흐른다. 시간(t1, t3, …… , t11, t21, t23, …… , t25)으로 나타나 있는 각 타이밍은, 회생전류가 0A가 되어 자유진동(自由振動)이 시작하는 타이밍이다(임계전류(臨界電流)라고 한다). 후술하는 바와 같이 시간(t1, t3, …… , t11, t21, t23, …… , t25)의 각 타이밍에서는 임계전류에 의하여 자유진동이 시작하고, 이 때의 자유진동에 의한 기준전압(Vref3)을 넘는 전압을 검출하여, 내부에서 생성되고 있는 삼각파(콘덴서(Ct)의 전압(VCt))를 리셋한다. 이 리셋 주기가 스위칭 소자(Q1)의 ON/OFF 주기가 된다.

리액터(L1)에 흐르는 전류(IL1)는 전류검출저항(R1)에 의하여 검출된다. 이 검출전압(VR1)은 전류가 저항(R1)으로부터 리액터(L1)의 방향으로 흐를 때에, 스위칭 소자(Q1)의 소스 단자측에서 리액터(L1)의 일방의 단자측쪽이 저전압이 되기 때문에 도2, 도3에 나타나 있는 바와 같이 부(負)의 전압으로서 검출된다.

전류검출저항(R1)에 의하여 검출된 전압(VR1)은, 저항(R2)과 콘덴서(C2) 및 저항(R3), 콘덴서(C3)에 의하여 적분된다. 여기에서 이 적분승수(積分乘數)의 시정수는, 상용교류전원(AC1)의 주파수의 반주기 이상의 시정수로 설정된다. 저항(R2)과 콘덴서(C2)로 구성되는 제1단 필터회로의 출력전압은, 도2, 도3의 Vc2로 나타나 있는 콘덴서(C2)의 전압이며, 약간 맥동성분이 포함되어 있다. 저항(R3)과 콘덴서(C3)로 구성되는 제2단 필터회로의 출력전압은, 도2, 도3의 Vc3으로 나타나 있는 콘덴서(C3)의 전압(VC3)이며, Vc2에 비하면 맥동성분이 적어져서 대략 일정한 전압으로 되어 있다.

저항(R3)과 콘덴서(C3)의 시정수 회로로 구성되는 제2단 필터회로의 출력전압은, 연산증폭기(OP1)의 반전입력단자에 접속된다. 여기에서 전류검출저항(R1)의 타방의 단자 전위가 전류검출저항(R1)의 일방의 단자 전위(기준전위(GND2))에 대하여 부전위(負電位)가 되기 때문에, 필터회로의 저항(R3)과 콘덴서(C3)의 접속점으로부터 입력되는 전압을, 내부 레귤레이터(Reg)의 출력전압을 저항(R4)과 저항(R5)으로 분압(分壓)한 점에 접속하여, 정전위(正電位)에 바이어스 하여 연산증폭기(OP1)의 반전입력단자에 입력되고 있다. 도2, 도3에 나타나 있는 Vc3은 정전위에 바이어스 되어 있는 상태를 나타내고 있다.

또한 연산증폭기(OP1)의 비반전입력단자에는, 기준전압(Vref2)이 접속되어 있다. 연산증폭기(OP1)의 반전입력단자에 입력된 상기 필터회로의 바이어스 된 전압과 비반전입력단자에 입력된 기준전압(Vref2)이 비교되고, 연산증폭기(OP1)는 이들의 차이를 증폭하여 트랜스컨덕턴스 앰프(OTA1)의 반전입력단자로 출력한다.

트랜스컨덕턴스 앰프(OTA1)의 비반전입력단자에는, 기준전압(Vref1)이 접속되고, 비반전입력단자의 입력전압과 기준전압(Vref1)을 비교하여 그 전압의 차이를 증폭하고 또한 전압신호로부터 전류신호로 변환하여 출력한다. 여기에서 트랜스컨덕턴스 앰프(OTA1)의 출력단자에는 콘덴서(Cfb)와 비교기(CP1)의 비반전입력단자가 접속되고, 트랜스컨덕턴스 앰프(OTA1)의 출력전류는 콘덴서(Cfb)의 전하를 충방전한다. 이에 따라 트랜스컨덕턴스 앰프(OTA1)의 출력으로부터 비교기(CP1)의 비반전입력단자로 입력되는 신호는 전압신호로 치환할 수 있다.

비교기(CP1)의 반전입력단자는, 정전류회로(CC1)의 출력단자와 콘덴서(Ct)의 일방의 단자와 원숏회로(3)의 출력단자가 접속된 접속점에 접속되어 있다. 여기에서 정전류회로(CC1)와 콘덴서(Ct)와 원숏회로(3)는 삼각파 발진기(三角波發振器)를 구성하고 있다. 즉 정전류회로(CC1)에 의하여 콘덴서(Ct)를 일정전류로 충전함으로써 삼각파 파형의 경사를 결정하고, 원숏회로(3)는 삼각파 발진의 리셋 타이밍을 결정하는 펄스신호를 출력한다. 정전류회로(CC1)와 콘덴서(Ct)와 원숏회로(3)로 구성되는 삼각파 발진의 출력파형은, 도2, 도3에 콘덴서(Ct)의 전압(Vct)으로서 나타나 있다.

리액터(L1)와 평활콘덴서(C1)가 접속된 접속점의 전압이 다이오드(D2)를 통하여 비교기(CP2)의 반전입력단자에 입력되고 있고, 기준전위(Vref3)의 전압이 비교기(CP2)의 비반전입력단자에 입력되고 있다. 스위칭 소자(Q1)가 OFF 된 후의 리액터(L1)의 전류(IL1)의 회생이 종료한 임계전류 시점에서 자유진동이 시작되고, 이 자유진동에 의한 제어회로(2)의 기준전위(GND2)에 대하여 기준전압(Vref3)을 넘는 정극성(正極性)의 전압이 발생한다. 이 자유진동의 전압이 기준전위(Vref3)를 넘으면, 비교기(CP2)의 출력은 H 레벨신호를 원숏회로(3)로 출력한다. 원숏회로(3)는, 비교기(CP2)로부터 이 H 레벨신호가 입력되었을 때에 펄스신호를 출력한다(도2, 도3의 원숏회로(3)의 출력신호 참조). 이 펄스신호에 의하여 콘덴서(Ct)의 전하는 급속하게 방전된다. 즉 원숏회로(3)는, 리액터(L1)에 흐르는 전류(IL1)의 임계전류의 타이밍(t1, t3, …… , t11, t21, t23, t25)의 각 타이밍에서 펄스신호를 출력한다. 이 펄스신호는 스위칭 소자(Q1)의 ON/OFF 주기에 있어서의 주기시작 타이밍을 결정한다.

버퍼회로(BF)의 출력, 바꾸어 말하면 스위칭 소자(Q1)의 ON 펄스신호는 비교기(CP1)에 의하여 결정된다. 도2, 도3에 나타나 있는 바와 같이 비교기(CP1)는 반전입력단자의 삼각파 신호(Vct)와 비반전입력단자의 Vcfb 단자전압을 비교하고, Vcfb 단자전압보다 삼각파 신호(Vct)가 낮은 기간(예를 들면 도2, 도3에 나타나 있는 t1～t2, t21～t22 등의 Ton 기간)에 ON 펄스신호를 버퍼(BF)로부터 출력한다. 또한 OFF 기간은, 상기한 바와 같이 리액터(L1)의 전류(IL1)의 회생이 종료한 시점까지가 되고, 도2, 도3에 나타나 있는 바와 같이 콘덴서(Ct)의 삼각파 신호의 피크전압은 고정되지 않고, 다음의 원숏회로(3)로부터의 펄스신호까지 상승하게 된다. 도2, 도3을 비교하면, 버퍼회로(BF)의 Toff 기간이 도2에 대하여 도3에서 길게 되어 있다. 이와 같이 삼각파 발진의 주파수는 고정되지 않고, 상용교류전원(AC1)으로부터 입력된 교류전압을 전파정류한 맥동전압에 의하여 변화된다.

다만 버퍼회로(BF)의 Ton 기간은, 상기의 맥동전압에 좌우되지 않고 대략 동일한 펄스폭으로 되어 있다. 이것은, 리액터(L1)에 흐르는 전류(IL1)의 전류검출저항(R1)의 신호(VR1)가 저항(R2)과 콘덴서(C2) 및 저항(R3)과 콘덴서(C3)에 의하여 적분되고, 이 적분승수의 시정수는 상용교류전원(AC1)의 반주기 이상의 시정수로 설정되기 때문에 연산증폭기(OP1)의 비반전입력단자의 입력전압의 변화가 적은 것에 의한다. 입력전압의 순시값이 맥동전압 피크값의 1/2인 경우를 나타내는 도2의 Vc3과, 입력전압의 순시값이 맥동전압 피크값인 경우를 나타내는 도3의 Vc3의 전압은, 대략 동일한 전압이다. 이에 따라 도2, 도3에 나타나 있는 바와 같이 상용교류전원(AC1)의 주파수의 반주기의 기간에 있어서의 ON 펄스폭은 위상이 다른 점이더라도 대략 일정하게 되어, 입력전압파형에 근사한 입력전류가 흐르게 된다.

도4에 있어서 상측의 도면은, 상용교류전원(AC1)의 주파수의 반주기 기간에 있어서의 동작을, 실제의 스위칭 회수(예를 들면 20kHz)보다 극단적으로 적게 하여(도4에서는 Vin의 반주기에서 9회의 스위칭 회수), 모식적으로 알기 쉽게 나타낸 것이다. 상용교류전원(AC1)으로부터 입력된 교류전압을 전파정류한 맥동전압이 Vin으로서 나타나 있다. 또한 맥동전압(Vin)의 내측에 삼각파가 나타나 있는 것은 리액터(L1)의 전류를 나타내고 있다. 삼각파의 Ton으로서 검은색으로 빈틈없이 칠한 부분은 ON 전류이고, 이 후에 계속되는 Toff로서 나타나 있는 부분은 회생전류를 나타내고 있다. 도4에 있어서 하측의 도면은, 상측의 도면의 일부를 확대하여 나타내는 도면이다. 회생전류로 나타나 있는 리액터(L1)의 전류(IL1)가 0A에 도달한 임계전류 직후에는 자유진동 전류가 발생한다.

임계전류를 기점으로 하여 스위칭 소자(Q1)가 ON 되어 리액터(L1)에 맥동전압(Vin)과 평활콘덴서(C1)의 전압(출력전압(Vo))의 차이전압이 인가되면, 리액터(L1)의 전류는 (Vin-Vo) / L의 경사이고 (Vin-Vo)?Ton / L의 값까지 증가한다(L은 리액터(L1)의 인덕턴스 값). 이 때에 리액터(L1)의 인덕턴스 값(L)은 일정한 값이고 또 기간(Ton)이 일정하기 때문에, ON 전류에 있어서의 전류의 피크값은 그 시점의 맥동전압(Vin)의 순시값과 출력전압(Vo)과의 차이전압에 비례하게 된다. 또한 회생전류에서는, 스위칭 소자(Q1)가 OFF 되는 대신에 다이오드(D1)가 ON 되어 리액터(L1)에 유도기전력에 의한 전류가 흐른다. 이 때에 리액터(L1)에는 평활콘덴서(C1)의 전압(출력전압(Vo))이 인가된다. 따라서 리액터(L1)의 전류는 Vo/L의 경사이고 0A(임계전류)까지 감소한다(Toff의 기간). 이 때에 임계전류를 검출하고, 이 시점을 기점으로 다시 스위칭 소자(Q1)를 ON 하는 것을 반복하면, 리액터(L1)에 흐르는 전류의 피크값이 맥동전압(Vin)의 순시값에 추종하여 변화시킬 수 있게 되어, 역률개선을 할 수 있다.

도5는, 본 실시형태의 직류전원장치(1)의 입력전압과 입력전류의 파형을 시뮬레이션에 의하여 얻은 파형을 나타내고 있다. 시뮬레이션 조건은, 스위칭 소자(Q1)의 ON 시간(Ton)을 일정하게 하고, 임계전류를 기점으로 스위칭 소자(Q1)의 ON/OFF를 반복하는 것으로 하고 있다. 따라서 온?오프 전류에는 다음의 관계식이 성립한다.

(Vin-Vo)?Ton / L = Vo?Toff / L

이 시뮬레이션 결과를 보면, 직류전원장치의 입력측의 전압과 전류는 정현파 모양으로 되어 있다. 즉 정측 출력단자(Pout1)와 부측 출력단자(Pout2)의 사이에 접속된 평활콘덴서(C1)를 충방전하는 전류는 정현파가 된다. 그리고 직류전원장치의 출력전류는 일정한 정전류 파형이 된다. 즉 전류검출저항(R1)에 의하여 검출된 리액터(L1)의 전류(IL1)의 신호를 저항(R2, R3), 콘덴서(C2, C3)의 RC 회로에서 시정수를 가지고 정전류 제어하는 것은, 일정한 부하 저항에 있어서의 출력측의 평활콘덴서(C1)의 전압을 검출하고 있는 것과 등가(等價)로 되어 있는 것을 의미하고 있다.

도6은 직류전원장치(1)에 접속된 교류전원(AC1)의 교류전압과 교류전류의 실측파형이다. 또한 도7은 입력전압을 80V부터 240V까지 변화시켰을 때의 역률의 실측값을 나타내고 있다. 실측된 역률은 0.98에 도달하고 있다. 이것은 JISC61000-3-2의 조명기구(照明器具)에 관한 규격인 클래스C를 만족하고 있다.

도8은 콘덴서 인풋형의 종래기술에 의한 직류전원장치의 입력전압과 입력전류의 파형을 참고로 나타낸 것으로서, 역률은 약 0.6이다. 종래기술에서는 정현파 교류전압의 피크 부근에서만 평활용 콘덴서에 전류가 흐르기 때문에, 고조파(高調波)가 많이 포함되어 역률이 악화되거나 또는 고조파에 의하여 주변에 악영향을 끼친다. 이에 대하여 본 발명에 의한 실시형태의 직류전원장치(1)에 의하면, 도6에 나타나 있는 바와 같이 입력전류가 위상이 넓은 범위에서 흘러서, 역률이 개선되어 있는 것을 알 수 있다.

본 발명의 상기 실시형태에서는, 직류전원장치(1)를 1개의 컨버터만으로 구성함으로써 상용교류전원(AC1)으로부터 정류회로(DB), 스위칭 소자(Q1), 리액터(L1)를 통하여 평활콘덴서(C1)에 접속하고 있다. 이 때문에 스위칭 소자(Q1)가 평활콘덴서(C1)에 직렬로 접속됨으로써 평활콘덴서(C1)로의 전원 투입 시의 ON/OFF 스위치가 되어, 평활콘덴서(C1)로의 돌입전류(突入電流)가 흐르지 않는다는 이점이 생긴다. 즉 스위칭 소자(Q1)의 스위칭 ON/OFF 동작에 의하여 평활콘덴서(C1)의 접속이 시작되기 때문에, 돌입전류 방지회로가 불필요가 되어, 종래의 방식에 비하여 부품을 줄일 수 있다는 이점이 있다.

또한 본 실시형태에 의한 직류전원장치(1)에서는, 강압 초퍼(降壓 chopper)의 전류검출회로의 시정수(저항(R2)과 콘덴서(C2) 및 저항(R3)과 콘덴서(C3)에 의하여 결정되는 시정수)가 상용교류전원(AC1)의 반주기 이상의 큰 시정수로 설정되고, 전류 검출값은 그 시정수 정도의 시간 이상이고 대략 일정한 전류값이 되도록 제어된다. 따라서 상용교류전원(AC1)의 주기보다 짧은 시간에 포착하면 정현파 모양의 전류가 되어, 일정한 전류로는 되지 않지만, 상용교류전원(AC1)의 주기보다 긴 시간에 포착하면, 강압 초퍼 출력전류의 평균값은 설정한 정전류값을 출력하게 된다. 여기에서 평활콘덴서(C1)의 정전용량을 적절하게 선정함으로써 상용주파수의 리플 성분이 적은 정전류를 얻을 수 있다.

이상, 종래의 콘덴서 인풋형의 강압 초퍼가 역률이 0.5～0.6인 것에 대하여, 본 실시형태의 직류전원장치(1)에 의하면, 승산기가 없는 간단한 회로구성에 의하여 0.9 이상의 역률을 달성할 수 있다.

또한 리액터(L1)에 흐르는 전류를 검출하고, 이 검출전류에 의거하여 제어하기 때문에, 직류전원장치(1)의 출력은 정전류 제어가 된다. 이 정전류 제어에 의하여 부하전류를 일정하게 제어할 수 있기 때문에, LED 부하에도 대응할 수 있다.

또한 본 실시형태의 직류전원장치(1)에서는, 제어회로(2)의 기준전위(GND2)는 스위칭 소자(Q1)의 소스 단자측에 설정되어 있다. 제어회로(2)의 기준전위(GND2)를 플로팅으로 함으로써, 상용전원으로부터의 강압형 역률개선회로를 구성하는 것에 있어서 스위칭 소자(Q1)를 강압측에 접속하더라도, 스위칭 소자(Q1)의 제어단자를 구동하기 위한 게이트 드라이브 회로를 레벨 시프트(level shift) 하지 않고 구동할 수 있어, 일반적인 제어회로를 저압측에 접속한 구동회로에 비하여 레벨 시프트 회로를 설치하지 않고 간단하게 구성할 수 있다.

또한 상용전원으로부터의 강압형 역률개선회로를 1개의 컨버터로 구성함으로써 부품수를 대폭적으로 삭감하여 가격을 억제할 수 있다.

또한 상용전원으로부터의 강압형 역률개선회로를 1개의 컨버터로 구성함으로써 돌입전류를 방지할 수 있다.

이상, 본 발명을 구체적인 실시형태에 의하여 설명하였지만, 상기 실시형태는 일례이며, 본 발명의 취지를 일탈하지 않는 범위에서 변경하여 실시할 수 있다는 것은 말할 필요도 없다.

1 : 직류전원장치
2 : 제어회로
3 : 원숏회로
4 : 기동회로
Q1 : 스위칭 소자
R1 : 전류검출저항
R2～R5 : 저항
C1 : 평활콘덴서
C2～C3, Ct, Cfb : 콘덴서
D1, D2 : 다이오드
L1 : 리액터
DB : 정류회로
Vin : RC1의 정극측 출력전압
AC1 : 상용교류전원
Vo : 직류전원장치(1)의 출력전압
ACin1, ACin2 : 입력단자
Vin : 정류회로(DB)의 정류회로 정극단자의 전압
Pout1 : 정측 출력단자
Pout2 : 부측 출력단자
OP1, OP2 : 연산증폭기
CP1, CP2 : 비교기
OTA1 : 트랜스컨덕턴스 앰프
CC1 : 전류원 회로

Claims

교류전원(交流電源)으로부터 얻은 에너지를 직류의 에너지로 변환하여 출력하는 직류전원장치(直流電源裝置)에 있어서,
상기 교류전원의 교류전압을 전파정류(全波整流)하여 직류전압으로 변환하는 정류기(整流器)와,
상기 정류기의 출력에 스위칭 소자(switching 素子)와 리액터(reactor)가 직렬로 접속되고, 상기 스위칭 소자를 ON/OFF 제어함으로써 강압(降壓)된 직류전압을 부하에 공급하는 강압형 컨버터(降壓型 converter)와,
상기 리액터에 흐르는 전류를 검출하는 전류검출수단(電流檢出手段)과,
상기 리액터에 흐르는 회생전류(回生電流)가 0이 된 타이밍을 검출하는 임계전류 검출수단(臨界電流檢出手段)과,
상기 임계전류 검출수단이 상기 리액터에 흐르는 회생전류가 0이 된 것을 검출한 타이밍을 기점으로 하여 소정의 경사(傾斜)로 상승하는 전압신호를 생성하고, 상기 임계전류 검출수단이 상기 리액터에 흐르는 회생전류가 0이 된 타이밍에서 상기 전압신호를 0으로 리셋(reset)하는 삼각파 발생수단(三角波發生手段)과,
상기 임계전류 검출수단이 상기 리액터에 흐르는 회생전류가 0이 된 타이밍을 검출하였을 때에 상기 스위칭 소자를 ON 시키는 게이트 신호를 출력하고, 상기 삼각파 발생수단에서 생성된 전압신호가 상기 전류검출수단에서 검출된 전류검출신호를 넘었을 때에 상기 게이트 신호를 OFF 하는 게이트 신호 출력수단(gate 信號出力手段)을
구비하고,
상기 전류검출수단은, 상기 리액터에 흐르는 전류검출신호를 상기 교류전원의 교류전압의 반주기(半周期)보다 긴 시정수(時定數)를 구비하는 필터(filter)를 통하여 출력하는 것을 특징으로 하는 직류전원장치.
삭제
제1항에 있어서,
상기 전류검출수단의 신호를 일정한 신호가 되도록 제어함으로써 정전류 제어(定電流制御)하는 것을 특징으로 하는 직류전원장치.
제1항에 있어서,
상기 임계전류 검출수단은, 상기 리액터에 흐르는 회생전류가 0이 되어 자유진동(自由振動)이 시작되었을 때에 발생하는 전압이 미리 정해진 제1소정전압을 넘은 것을 검출하는 것을 특징으로 하는 직류전원장치.
제1항에 있어서,
상기 전류검출수단, 삼각파 발생수단 및 게이트 신호 출력수단의 제2기준전위는, 상기 정류기의 정류출력 정극단자(整流出力正極端子)측의 제1기준전위에 대하여 플로팅(floating)인 것을 특징으로 하는 직류전원장치.
제1항에 있어서,
상기 전류검출수단은, 직렬로 접속된 상기 스위칭 소자와 상기 리액터의 사이에 설치된 전류검출저항에 의하여 상기 리액터에 흐르는 전류를 검출하는 것을 특징으로 하는 직류전원장치.