KR102049965B1 - 대기 전력 절감 기능을 구비하는 정류 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 대기 전력 절감 기능을 구비하는 정류 장치를 공개한다. 본 발명은 교류 전원을 정류하는 정류부로부터 출력된 평활화되지 않은 직류 전원의 전압이, 교류 전원의 제로 크로싱 포인트에 근접한 시점에서 방전 기준 전압 이하로 떨어지면, 평활화되지 않은 직류 전원에 의해서 충전되었던 커패시터를 순간적으로 방전시켜, 평활화되지 않은 직류 전원과 합성되도록 함으로써 전해 커패시터를 이용하지 않고서도 안정적인 직류 전원을 부하로 공급할 수 있다. 특히, 본 발명은 커패시터와 직렬로 연결된 서지 방지 스위치의 저항값을 조절하여 커패시터에 흐르는 전류량을 제어함으로써 커패시터의 충방전시 서지 전압이 발생하는 것을 방지할 수 있다. 또한, 본 발명은 고주파 발진 오실레이터와, 커패시터 및 다이오드로 구성되는 배전압 회로를 포함하는 데이터 수신부 및 데이터 송신부를 이용함으로써 저전력으로 데이터의 수신 및 송신이 가능할 뿐만 아니라, 데이터를 송신하고 수신하는 외부 장치와 전기적 절연 상태를 유지할 수 있다. 또한, 본 발명의 데이터 수신부 및 데이터 송신부는 고주파 발진 오실레이터에 의해서 구동되므로 대기 전력을 절감할 수 있다.

Description

대기 전력 절감 기능을 구비하는 정류 장치{Rectifying apparatus having stand-by power saving function}
본 발명은 정류 장치 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 대기 전력 절감 기능을 구비하면서도 교류 전원을 직류 전원으로 변환하는 정류 장치에 관한 것이다.
상용 전원들로부터 공급되는 교류 전원은 전압값이 일정하지 않고, 교류 전원을 직류 전원으로 변환하여 이용하는 과정에서, 고전압 커패시터 등을 이용하여 교류를 직류로 평활화해야 직류 전원을 안정적으로 이용할 수 있다.
또한, 직류를 평활화하는데 사용되는 고전압 커패시터는, 교류 전원으로부터 야기되는 스트레스로 인해 그 수명이 저하되고, 평활의 방법도 교류 전압이 정류기를 통해서 정류된 후, 정류된 전압이 커패시터에 의해서 충전되는 단순한 방법으로 평활화 되므로 역률이 좋지 않다.
특히, 고압 직류의 평활에 통상적으로 사용되는 알루미늄 전해 커패시터는 그 크기가 크고, 내부저항이 크며, 내부가 전해질로 되어있어 온도 변화에 민감하여 고온 및 저온에서 그 수명이 현저하게 감소하는 문제점이 있다.
최근에는, 일정한 직류 전압을 항시 부하측으로 제공할 수 있는 기능 뿐만 아니라, 대기 전력의 절감 및 직접 통신에 의해 전력을 제어할 수 있는 기능을 제공할 수 있는 직류 변환 장치에 대한 요구가 증가하고 있다. 또한, IoT용 직류 변환 장치의 소형화 및 고효율성과 함께 내구성이 향상된 직류 변환 장치에 대한 기대도 커지고 있다.
종래에는, 전자제품에 필요한 직류 전력을 안정적으로 공급하기 위해서 SMPS(Switching Mode Power Supply)가 사용되고 있다. 그러나, SMPS를 이용하여 교류 전원을 직류 전원으로 변환하는 경우에, 교류 50Hz 혹은 60Hz의 리플을 저감하기 위해서 일반적으로 알루미늄 전해커패시터를 사용하여 평활하고, 역률을 개선하기 위해서 부스터를 사용하여 직류 전압을 승압한 후 평활하는 등의 방법을 사용하므로 회로 부품에 고압 전력 스트레스가 가중되어 SMPS가 지속적으로 안정적인 직류 전원을 공급하지 못하는 문제점이 발생한다.
또한, SMPS는 내부 회로에 대용량의 전해 커패시터를 사용하기 때문에, 직류 변환 장치의 크기가 커지는 문제점 또한 발생하였다.
그리고 IoT 제품이 급격히 보급됨에 따라서, 다른 전자 단말 기기와의 전기적 안전성을 확보하기 위하여, 서로 절연된 상태에서 통신을 수행하고, 통신을 통해서 전원을 ON/OFF할 수 있는 기능의 필요성이 높아지고 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 잦은 고장의 원인이 되는 전해 커패시터를 이용하지 않고, 정류기에서 정류된 직류 전원을, 서지 전압이 발생하는 것을 방지하면서 평활화시켜, 안정적인 직류 전원을 공급할 수 있는 정류 장치를 제공하는 것이다.
또한, 본 발명이 해결하고자 하는 다른 과제는, 필요한 직류 전원이 부하측으로 공급되도록 벅/부스트하는 동시에, 절연된 통신기능 및 대기 전력 제어 기능이 구비된 정류 장치를 제공하는 것이다.
상술한 과제를 해결하기 위한 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 정류 장치는, 교류 전원을 정류하여 평활화되지 않은 직류 전원을 출력하는 정류부; 메인 제어부로부터 입력되는 제어 신호에 따라서, 상기 정류부의 출력단으로부터 직류 전원을 입력받아 승압 또는 강압하여 부하측으로 제공하는 벅/부스트 회로부; 상기 평활화되지 않은 직류 전원에 의해서 충전되고, 상기 평활화되지 않은 직류 전원의 전압이 방전 기준 전압 이하가 되면, 메인 제어부로부터 입력되는 방전 제어 신호에 따라서 충전된 전력을 상기 정류부의 출력단으로 방전하여 상기 평활화되지 않은 직류 전원과 중첩되도록 함으로써 평활화된 직류 전원을 생성하는 충방전부; 외부 장치로부터 데이터를 수신하여 쉬프트 레지스터로 출력하는 데이터 수신부; 상기 데이터 수신부로부터 입력된 데이터가 동작 개시 코드와 일치하면, 동작 개시 신호를 출력하는 상기 쉬프트 레지스터; 상기 동작 개시 신호가 입력되면 상기 충방전부 및 상기 메인 제어부를 구동시키는 동작 스위칭부; 및 상기 벅/부스트 회로부로 입력된 직류 전원을 승압 또는 강압하여 부하측으로 제공하도록 상기 벅/부스트 회로부를 제어하고, 상기 정류부로부터 상기 교류 전원의 제로 크로싱 포인트를 입력받고, 상기 제로 크로싱 포인트 근처에서 상기 평활화되지 않는 직류 전압이 방전 기준 전압 이하가 되면 상기 방전 제어 신호를 상기 충방전부로 출력하여 상기 충방전부를 방전시키는 상기 메인 제어부를 포함한다.
또한, 상기 충방전부는, 상기 정류부의 출력단에 연결되고 상기 방전 제어 신호에 따라서 온 또는 오프되는 하나 이상의 방전 스위치를 포함하는 방전 스위칭부; 및 상기 방전 스위치에 직렬로 연결되고, 상기 평활화되지 않은 직류 전원에 의해서 충전되고 상기 방전 스위치가 온되면 방전되는 하나 이상의 커패시터, 및 상기 커패시터에 각각 직렬로 연결되어 상기 메인 제어부로부터 입력되는 서지 방지 제어 신호에 따라서 저항이 제어되는 서지 방지 스위치를 포함하는 충전부를 포함할 수 있다.
또한, 상기 메인 제어부는, 상기 커패시터에 걸리는 전압이 서지 방지 기준 전압 이상인 동안에는 상기 서지 방지 스위치를 OFF 시켜 서지 전압의 발생을 방지할 수 있다.
또한, 상기 메인 제어부는, 상기 커패시터에 걸리는 전압이 서지 방지 기준 전압 이상인 동안에는, 상기 커패시터에 걸리는 전압이 상기 서지 방지 기준 전압을 초과하는 양에 비례하여 상기 서지 방지 스위치의 저항값을 증가시켜 서지 전압의 발생을 방지할 수 있다.
또한, 상기 서지 방지 스위치는 트라이악 스위치로 구현되고, 상기 메인 제어부는 상기 커패시터에 걸리는 전압이 상기 서지 방지 기준 전압을 초과하는 양에 반비례하는 전압을 상기 트라이악 스위치의 게이트로 출력함으로써 상기 서지 방지 스위치의 저항값을 증가시켜 서지 전압의 발생을 방지할 수 있다.
또한, 상기 동작 스위칭부는, 상기 쉬프트 레지스터로부터 상기 동작 개시 신호가 입력되면 접지 그라운드와 아날로그 그라운드를 연결하여 상기 충방전부 및 상기 메인 제어부를 구동시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 바람직한 실시예는, 상기 정류부에서 출력된 직류 전원을 이용하여 구동 전압(VDD)을 생성하고, 상기 구동 전압(VDD)을 상기 쉬프트 레지스터, 상기 데이터 수신부 및 상기 메인 제어부로 출력하여 구동하는 전력 관리부를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 데이터 수신부는, 외부 장치로부터 수신된 데이터에 따라서 구동되어 상기 수신된 데이터에 대응되는 신호를 생성하는 오실레이터; 및 상기 오실레이터에 출력된 신호를 증폭하여 상기 쉬프트 레지스터 및 상기 메인 제어부로 출력하는 배전압 회로를 포함할 수 있다.
또한, 상기 메인 제어부는, 상기 방전 제어 신호를 상기 충방전부로 출력하여 상기 충방전부에 충전된 전력을 상기 정류부의 출력단으로 모두 방전한 직후, 상기 정류부의 출력단의 전압이 상기 방전 기준 전압 미만으로 떨어지면, 상기 방전 기준 전압값과 상기 방전 기준 전압 미만의 상기 출력단의 최저 전압값의 평균값을 방전 기준 전압값으로 재설정하고, 상기 재설정된 방전 기준 전압값에서 충방전부의 방전이 이루어지도록 방전 타이밍을 조절할 수 있다.
또한, 상기 메인 제어부는, 상기 부하에 직렬로 연결된 저항에 걸리는 전압으로부터 상기 부하에 흐르는 전류를 감지하고, 상기 부하에 과전류가 흐르면 상기 벅/부스트 회로부의 동작을 정지시킬 수 있다.
본 발명은 교류 전원을 정류하는 정류부로부터 출력된 평활화되지 않은 직류 전원의 전압이, 교류 전원의 제로 크로싱 포인트에 근접한 시점에서 방전 기준 전압 이하로 떨어지면, 평활화되지 않은 직류 전원에 의해서 충전되었던 커패시터를 순간적으로 방전시켜, 평활화되지 않은 직류 전원과 합성되도록 함으로써 전해 커패시터를 이용하지 않고서도 안정적인 직류 전원을 부하로 공급할 수 있다.
특히, 본 발명은 커패시터와 직렬로 연결된 서지 방지 스위치의 저항값을 조절하여 커패시터에 흐르는 전류량을 제어함으로써 커패시터의 충방전시 서지 전압이 발생하는 것을 방지할 수 있다.
또한, 본 발명은 고주파 발진 오실레이터와, 커패시터 및 다이오드로 구성되는 배전압 회로를 포함하는 데이터 수신부 및 데이터 송신부를 이용함으로써 저전력으로 데이터의 수신 및 송신이 가능할 뿐만 아니라, 데이터를 송신하고 수신하는 외부 장치와 전기적 절연 상태를 유지할 수 있다.
또한, 본 발명의 데이터 수신부 및 데이터 송신부는 고주파 발진 오실레이터에 의해서 구동되므로 대기 전력을 절감할 수 있다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 대기 전력 절감 기능을 구비하는 정류 장치의 전체 구성을 도시하는 회로도이다.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 직류 평활화 방식을 설명하는 도면이다.
도 3a는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 데이터 수신부의 구성을 상세하게 도시하는 도면이다.
도 3b는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 데이터 송신부의 구성을 상세하게 도시하는 도면이다.
도 3c 는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 데이터 수신부 및 데이터 전송부에 포함되는 배전압 회로의 일 예를 도시하는 도면이다.
도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따라서 서지 전압을 방지하는 개념을 설명하는 도면이다.
도 5는 본 발명의 바람직한 다른 실시예에 따라서 서지 전압을 방지하는 개념을 설명하는 도면이다.
도 6은 본 발명의 바람직한 다른 실시예에 따른 직류 평활화 방식을 설명하는 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명한다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 대기 전력 절감 기능을 구비하는 정류 장치의 전체 구성을 도시하는 회로도이고, 도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 직류 평활화 방식을 설명하는 도면이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 대기 전력 절감 기능을 구비하는 정류 장치는 정류부(Rectify)(110), 전력 관리부(PM)(120), 충방전부(130), 메인 제어부(MAIN CONTROL)(150), 벅/부스트 회로부(Buck/Boost)(140), 데이터 수신부(160), 데이터 송신부(180), 쉬프트 레지스터(170), 및 동작 스위칭부(190)를 포함하여 구성된다.
정류부(110)는 상용 전원으로부터 교류 전원을 입력받아 직류로 정류한 후, 평활화되지 않은 직류 전원을 출력한다(도 1의 111 및 도 2의 (a) 참조). 또한, 정류부(110)는 입력된 교류 전원의 제로 크로싱 포인트를 검출하여 제로 크로싱 포인트 시점을 나타내는 제로 크로싱 신호(ZCD)를 메인 제어부(150)로 출력한다.
전력 관리부(120)는 정류부(110)의 출력 노드에 연결되어, 정류부(110)에서 출력한 평활화되지 않은 직류 전원을 이용하여 각 구성 요소들을 구동하는 구동 전압(VDD)을 생성하여, 각 구성요소들로 제공한다.
충방전부(130)는 방전 스위칭부(131) 및 충전부(133)를 포함하여 구성된다.
충전부(133)는 도 1에 도시된 바와 같이, 하나 이상의 커패시터(C1~Cn)가 서로 병렬로 연결된 구조로 형성되고, 각각의 커패시터에는 흐르는 전류의 양을 조절할 수 있는 서지 방지 스위치(예컨대, 트라이악 스위치)(T5~T6)가 직렬로 연결된다.
충전부(133)는 다이오드들(D2~Dn)을 통해서 정류부(110)에서 출력한 평활화되지 않은 직류 전원을 이용하여 내부의 커패시터들(C1~Cn)을 충전시킨다. 이 때, 서지 방지 스위치(T5~T6)는 평상시에는 온 상태로 저항이 매우 낮은 상태로 유지되고, 서지 전압이 발생할 가능성이 있다고 판단되면 메인 제어부(150)로부터 입력되는 서지 방지 스위칭 신호(SGV1~SGVn)에 따라서 턴 오프되거나 유통각 조절에 의해서 저항 값이 변화됨으로써 커패시터에 흐르는 전류를 제어함으로써 서지 전압 발생을 방지한다.
방전 스위칭부(131)는 충전부(133)의 각 커패시터와 직렬로 연결된 하나 이상의 반도체 스위치로 구성된다. 방전 스위칭부(131)의 각 반도체 스위치는 메인 제어부(150)로부터 입력되는 제어 신호에 따라서 턴 온되어 정류부(110)로부터 출력된 평활화되지 않은 직류 전원을 평활화한다.
구체적으로, 방전 스위칭부(131)는 정류부(110)가 출력하는 직류 전원으로 커패시터(C1~Cn)가 충전되는 동안에는 턴 오프 상태를 유지하고 있다가, 정류부(110)로부터 출력된 평활화되지 않은 직류 전원의 전압이, 정류부(110)로 입력된 교류 전원의 제로 크로싱 포인트 근처에서 방전 기준 전압 이하가 되면, 턴 온되어 커패시터(C1~Cn)에 충전된 전원을 순간적으로 정류부(110)의 출력 노드로 방전한다.
그러면, 커패시터(C1~Cn)에서 방전된 전원은 정류부(110)에서 출력된 직류 전원과 중첩되고, 벅/부스트 회로부(140)로 입력되는 직류 전원은 정류부(110)에서 출력된 평활화되지 않은 직류 전원의 전압 파형에서 방전기준 전압 이하의 전압이 커패시터들(C1~Cn)에서 방전된 전압에 의해서 채워진 파형이 된다(도 1의 113 참조 및 도 2의 (b) 참조).
비록, 도 1에서는 2개의 커패시터가 도시되어 있으나, 본 발명의 바람직한 실시예에서는 필요에 따라서 3개 이상의 커패시터들이 병렬로 연결되어 충전부(133)를 구성할 수도 있고, 이들 커패시터들은 도 2에 도시된 바와 같이, 순차적으로 하나씩 방전될 수도 있음을 당업자는 알 수 있을 것이다.
방전이 수행된 후, 방전 스위칭부(131)에 포함된 반도체 소자는 메인 제어부(150)의 제어에 의해서 다시 턴 오프되고, 충전부(133)의 커패시터(C1~Cn)는 정류부(110)로부터 출력되는 직류 전원에 의해서 다시 충전된다.
도 2에 도시된 예에서, 충전부(133)에 3개의 커패시터가 포함되고, 커패시터들이 순차적으로 방전하는 경우에 나타나는 전압 파형을 예시적으로 도시하였다. 도 2를 참조하여 구체적으로 설명하면, 후술하는 메인 제어부(150)는 저항 R7에 걸리는 전압을 Vcomp1 단자를 통해서 입력받음으로써 정류부(110)의 출력단, 즉, 벅/부스트 회뢰부(140)의 입력단에 걸리는 전압을 확인할 수 있다.
도면부호 310의 경우에는 전압값이 방전 기준값인 100V에 해당되지만, 제로 크로싱 포인트로부터 판단컨대, 벅/부스트 회로부(140)로 입력되는 전원의 전압이 상승추세에 있으므로 방전 스위칭부(131)를 턴온시켜 커패시터를 방전시키지 않는다.
그러나, 도면부호 320의 경우에는 제로 크로싱 포인트로부터 판단컨대, 벅/부스트 회로부(140)로 입력되는 전원의 전압 레벨이 하락추세에 있고, 전압값도 방전 기준값인 100V 이하로 떨어지므로, 메인 제어부(150)는 첫 번째 커패시터를 방전시키고, 첫 번째 커패시터에 충전된 전력이 출력단으로 방전되면, 벅/부스트 회로부(140)에 입력되는 전압의 파형은 도면부호 201에 도시된 바와 같이 급격히 상승한다.
한편, 메인 제어부(150)는 벅/부스트 회로부(140)의 출력 전압을 조사하여, 첫 번째 커패시터가 방전되어 벅/부스트 회로부(140)의 입력 전압이 급격히 상승한 후, 다시 방전 기준 전압까지 떨어지면, 두 번째 커패시터와 연결된 방전 스위치로 방전 제어신호를 출력하여 스위치 온시킴으로써 두 번째 커패시터의 충전 전력을 방전시키고, 두 번째 커패시터가 방전되면 출력 전압은 다시 급상승한다(도면부호 202 참조).
동일한 방식으로, 메인 제어부(150)는 벅/부스트 회로부(140)의 입력 전압이 급격히 상승한 후, 다시 방전 기준 전압까지 떨어지면, 세 번째 커패시터와 연결된 방전 스위치를 온시킴으로써 세 번째 커패시터의 충전 전력을 방전시키고, 세 번째 커패시터가 방전되면 벅/부스트 회로부(140)의 입력 전압은 다시 급상승한다(도면부호 203 참조).
세 번째 커패시터가 방전된 후, 정류부(110)에서 출력되어 벅/부스트 회로부(140)로 입력되는 전압은 방전 기준 전압 이상으로 상승하여 충전부(133)의 커패시터들은 다시 충전되기 시작한다. 그 후, 상술한 과정이 반복되어, 정류부(110)의 출력단(벅/부스트 회로의 입력단)의 전압이 방전 기준 전압 미만으로 떨어지는 시점에서, 첫 번째 내지 세 번째 커패시터가 순차적으로 방전되어 도면부호 211, 212, 213 및 221, 222, 223에 도시된 바와 같이, 방전 기준 전압 이상의 전압이 벅/부스트 회로부(140)로 입력된다.
벅/부스트 회로부(140)는 메인 제어부(150)로부터 입력되는 제어 신호에 따라서, 방전 스위칭 과정에 의해서 평활화된 직류 전원을 입력받아 강압하거나 승압하여 부하측으로 제공한다.
데이터 수신부(160)는 외부 장치(본 발명의 정류 장치에 연동되는 외부 센서, 리모콘, 제어 장치, 제어 서버 등)로부터 본 발명의 정류 장치 또는 본 발명의 정류 장치가 포함된 전체 전자 장치의 동작 개시를 지시하는 데이터 또는 특정 기능을 지시하는 데이터를 수신하여 쉬프트 레지스터(170) 및 메인 제어부(150)로 출력한다. 데이터 수신부(160)는 외부 장치와 절연되어 외부 장치로부터의 전기적 영향을 받지 않도록 설계된다.
쉬프트 레지스터(170)는 내부에 동작 개시 코드 및 동작 종료 코드를 저장하고, 데이터 수신부(160)로부터 입력된 데이터가 동작 개시 코드와 일치하는지 또는 동작 종류 코드와 일치하는지 여부를 확인하고, 입력된 데이터가 동작 개시 코드와 일치하면 동작 스위칭부(190)에 포함된 대기 전력 스위치(T4)를 턴 온시킴으로써 정류 장치 전체를 동작시키고, 입력된 데이터가 동작 종료 코드와 일치하면 동작 스위칭부(190)에 포함된 대기 전력 스위치(T4)를 턴 오프시킴으로써 정류 장치 전체의 동작을 종료시킨다.
데이터 송신부(180)는 메인 제어부(150)로부터 수신된 데이터를 본 발명의 정류 장치와 연동되는 외부 장치로 전송한다. 데이터 송신부(180) 역시 데이터 수신부(160)와 같이 외부 장치와 절연되어 외부 장치로부터의 전기적 영향을 받지 않도록 설계된다.
동작 스위칭부(190)는 쉬프트 레지스터(170)의 제어에 따라서 접지 그라운드(GND)와 아날로그 그라운드(AGND)를 연결시키거나, 연결을 끊음으로써, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 정류 장치의 전체 구성 요소들을 동작시키거나 동작을 종료시킨다.
구체적으로, 도 1을 참조하면, 쉬프트 레지스터(170)로부터 동작 개시 제어 신호가 입력되면 대기 전력 스위치(T4)가 턴 온되고, VDD로부터 저항 R9을 통해서 메인 제어부(150)의 SHUT 단자로 흐르던 전류는 대기 전력 스위치(T4)를 통해서 접지 그라운드(GND)로 흐르게 된다. 이에 따라서, PNP 바이폴라 트랜지스터로 구현된 턴 온 스위치(T3)가 턴 온되어 저항 R15 에 걸리는 전압이 접지 그라운드(GND) 및 아날로그 그라운드(AGND) 사이에 설치된 스위치(T7)를 온시켜 접지 그라운드(GND) 및 아날로그 그라운드(AGND)를 연결함으로써, 아날로그 그라운드(AGND)에 연결된 소자들을 동작시킨다.
한편, 메인 제어부(150)는 상술한 구성요소들의 기능을 전체적으로 제어한다. 구체적으로, 메인 제어부(150)는 SHUT 단자로 입력되는 전압값으로부터 턴 온 스위치(T4)가 턴온되어 전체 정류 장치의 동작이 개시되었는지 여부를 확인하고, 전체 정류 장치의 동작이 개시되면, 벅/부스트 회로부(140)를 동작시켜 부하측으로 전원을 공급한다. 이 때, 메인 제어부(150)는 저항 R4에 걸린 전압을 Vcomp2 단자를 통해서 입력받아 벅/부스트 회로부(140)의 출력 전압을 측정하고, 저항 Rcs 에 걸린 전압을 CS 단자로 입력받아 부하측에 흐르는 전류를 측정하여, 벅/부스트 회로부(140)의 동작(승압 또는 강압)을 제어할 수 있다.
또한, 메인 제어부(150)는 CS 단자를 통해서 부하에 직렬로 연결된 저항 Rcs에 걸리는 전압을 입력받음으로써 부하(LOAD)에 흐르는 전류를 감지할 수 있다. 부하에 과도한 전류가 흐르면, 메인 제어부(150)는 벅/부스트 회로부(140)의 동작을 정지시켜 부하로 흐르는 전류를 차단함으로써 부하 회로 및 주변 회로를 보호하고 데이터 송신부(180)를 통해서 이러한 사실을 외부 장치로 전송할 수 있다.
또한, 메인 제어부(150)는 CG1~CGn 단자를 통해서 입력되는 전압으로부터, 충전부(133)의 커패시터들(C1~Cn)에 충전되는 전압값을 측정하여 서지 전압 발생 여부를 조사하면서, 정류부(110)로부터 교류 전원의 제로 크로싱 포인트 정보(ZCD)를 입력받는다.
메인 제어부(150)는 Vcomp2 단자를 통해서 입력되는 전압값을 이용하여 현재 벅/부스트 회로부(140)로 입력되는 입력 전압을 확인하고, 제로 크로싱 포인트 근처에서 입력 전압이 방전 기준 전압 이하가 되면, DS1~DSn 단자를 통해서 방전 제어 신호를 방전 스위치부(131)로 출력하여, 방전 스위치부(131)에 포함된 하나 이상의 방전 스위치를 온시켜 커패시터에 충전된 전원이 순간적으로 방전되어, 정류부(110)에서 출력되는 직류 전원과 중첩되어 평활화되도록 한다.
메인 제어부(150)는 충방전부(130)이 충전 및 방전 과정을 반복하던 중, CG1~CGn 단자를 통해서 입력되는 전압값이 기준 전압값 이상으로 상승하면, 서지 전압이 발생할 가능성이 높다고 판단하고, SGV1~SGVn 단자를 통해서 서지 방지 제어 신호를 출력하여 서지 방지 스위치(T5~T6)를 오프시키거나, 서지 방지 스위치(T5~T6)의 저항을 SGV1~SGVn 단자를 통해서 조절한다. 즉, CG1~CGn 단자를 통해서 입력되는 전압값에 대응되도록, SGV1~SGVn 단자를 통해서 서지 방지 스위치(T5~T6)로 출력되는 전압을 조절함으로써 서지 방지 스위치(T5~T6)의 저항을 조절하여 커패시터의 충전 전압 또는 방전 전압을 조절한다. 이러한 서지 방지 기능에 대해서는 도 4 및 도 5를 참조하여 보다 구체적으로 후술한다.
메인 제어부(150)는 외부 장치로부터 데이터 수신부(160)를 통해서 RX단자로 데이터를 입력받아, 해당 데이터가 나타내는 명령을 수행할 수 있다. 또한, 메인 제어부(150)는 데이터 송신부(180)를 통해서 외부 장치로 데이터를 전송할 수 있다.
도 3a는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 데이터 수신부(160)의 구성을 상세하게 도시하는 도면이고, 도 3b는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 데이터 송신부(180)의 구성을 상세하게 도시하는 도면이며, 도 3c 는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 데이터 수신부(160) 및 데이터 송신부(180)에 포함되는 배전압 회로(163,183)의 일 예를 도시하는 도면이다.
도 3a를 먼저 참조하면, 본 발명의 데이터 수신부(160)는 외부 장치로부터 데이터(DATA IN)가 수신되면, 수신되는 데이터에 따라서 오실레이터를 구동하여 배전압 회로(163)로 데이터를 입력하고, 배전압 회로(163)는 오실레이터를 통해서 입력된 신호에 대해서 voltage doubling을 수행하여 대응되는 신호를 쉬프트 레지스터(170) 및 메인 제어부(150)로 출력한다. 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 배전압 회로(163)는 도 3c에 도시된 바와 같은 공지의 Cockcroft Walton 회로로 구현될 수 있다.
아울러, 도 3b에 도시된 데이터 송신부(180)는 메인 제어부(150)에서 출력된 데이터를 입력받아 내부의 오실레이터를 구동하고, 오실레이터는 메인 제어부(150)에서 입력된 데이터에 따라서 주파수 신호를 발진하며, 발진된 주파수 신호는 데이터 수신부(160)와 마찬가지로 배전압 회로(163)를 통해서 전압이 상승되어 외부 장치로 전송된다. 데이터 송신부(180)에서 이용되는 배전압 회로(183) 역시 도 3c에 도시된 바와 같은 공지의 Cockcroft Walton 회로로 구현될 수 있다.
도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따라서 서지 전압을 방지하는 개념을 설명하는 도면이다.
도 4를 더 참조하면, 본 발명은 충전부(133)를 구성하는 커패시터(C1~Cn)에 걸리는 전압을 측정함으로써 커패시터에 서지 전압이 발생할 우려가 있는지 여부를 확인하고, 이에 따라서 서지 방지 스위치(T5~T6)의 저항을 조절함으로써 커패시터에 흐르는 전류를 제어하여 실제 서지 전압이 발생하는 것을 방지하고, 특히, 돌입 전류에 의한 서지 전압이 발생하는 것을 방지한다.
도 1에 도시된 바와 같이, 메인 제어부(150)는 커패시터(C1~Cn)에 각각 병렬로 연결된 전압 분배기의 저항(R19,R17)에 걸리는 전압을 측정함으로써 커패시터에 걸리는 전압을 알 수 있다.
도 4에 도시된 방식에서는, 커패시터에 걸리는 전압(Vc1, Vcn)이 사전에 정의된 서지 방지 기준 전압 이상이 되는 구간(401,402)에서, 커패시터(C1~Cn) 및 서지 방지 스위치(T5~T6)를 OFF시켜 서지 방지 스위치(T5~T6)를 통해서 전류가 흐르지 않도록 제어함으로써 커패시터의 충전 및 방전시 고압의 서지 전압이 발생하는 것을 방지한다. 특히, 커패시터 방전시 돌입 전류에 의한 고압의 서지 전압이 발생하는 것을 차단한다.
도 5는 본 발명의 바람직한 다른 실시예에 따라서 서지 전압을 방지하는 개념을 설명하는 도면이다.
도 4에 도시된 예에서는 커패시터에 걸리는 전압이 서지 방지 기준 전압 이상인 동안에는 서지 방지 스위치(T5~T6)를 OFF 시켰으나, 도 5에 도시된 실시예에서는 커패시터에 걸리는 전압이 서지 방지 기준 전압을 초과하는 양에 비례하여 서지 방지 스위치의 저항값을 증가시킴으로써 서지 전압의 발생을 방지한다.
예컨대, 서지 방지 스위치(T5~T6)가 트라이악 스위치로 구현된 경우에, 메인 제어부(150)는 트라이악 스위치의 게이트로 출력되는 전압을, 커패시터(c1~cn)에 걸리는 전압이 기준 전압을 초과하는 양에 반비례하여 출력함으로써, 트라이악 스위치를 통해서 흐르는 전류의 양을 감소시킴으로써 서지 전압의 발생을 방지한다.
도 5에 도시된 예에서, 커패시터에 걸리는 전압이 기준 전압 이하인 동안에는, 메인 제어부(150)에서 SGV1~SGVn 단자를 통해서 서지 방지 스위치(T5~T6)의 게이트로 출력되는 전압은 서지 방전 스위치를 완전히 ON시키는 전압이 출력된다. '
커패시터에 걸리는 전압이 기준 전압 이상인 구간 501 및 502의 경우, 기준 전압 이상의 전압에 반비례하는 전압이 메인 제어부(150)에서 SGV1~SGVn 단자를 통해서 서지 방지 스위치(T5~T6)의 게이트로 출력되어, 서지 방지 스위치의 저항값을 조절하여 서지 방지 스위치를 통해서 흐르는 전류량을 조절함으로써 서지 전압이 발생하는 것을 방지할 수 있다.
도 6은 본 발명의 바람직한 다른 실시예에 따른 직류 평활화 방식을 설명하는 도면이다.
도 6을 참조하면, 본 발명의 부하가 일반적인 부하의 경우, 메인 제어부(150)는 정류부(110)에서 출력되는 전압이 방전 기준 전압(ref)에 도달하면 방전 스위치들(131)을 턴 온시켜 평활화를 수행한다. 그러면, 도 6에 도시된 바와 같이, 평활화된 전압의 최소값은 도면부호 601 및 602와 같이 방전 기준 전압값(Ref) 이상이 되므로 정류부(110) 출력단의 전압은 방전 기준 전압(Ref) 이상으로 평활화된다.
그러나, 전원을 공급받는 부하가 과부하인 경우에, 정류부(110)에서 출력되는 전압이 방전 기준 전압(ref)에 도달하였을 때(도면부호 611 참조) 방전 스위치들(131)을 턴 온시켜 평활화하더라도 커패시터의 전류가 너무 빨리 방전되어, 도면부호 612가 나타내는 바와 같이, 커패시터가 모두 방전된 직후에 정류부(110) 출력단의 전압이 0V 가까이 떨어지게 되어, 불완전한 전압 평활화가 수행된다.
따라서, 본 발명의 바람직한 다른 실시예에서, 메인 제어부(150)는 방전 제어 신호를 방전 스위치부(131)로 출력하여 충전부(133)에 충전된 전력을 정류부(110)의 출력단으로 모두 방전한 후, Vcomp1 단자를 통해서 입력된 정류부(110)의 출력단의 전압이 도면부호 612와 같이 방전 기준 전압(Ref)보다 떨어지면 방전 타이밍을 조절하여 균일한 전압 평활화가 이루어지도록 한다.
이를 위해서, 메인 제어부(150)는 충전부(133)에 충전된 전력이 모두 방전된 후 정류부(110) 출력단의 전압이 방전 기준 전압값(Ref) 미만으로 떨어지면 과부하라고 판단하고, 기준 전압값(Ref)과 충전부(133)의 방전이 모두 완료된 후 정류부(110) 출력단의 최소 전압값(612)의 평균을 계산하여, 방전 기준 전압값(Ref_fix)을 재설정하고, 재설정된 방전 기준 전압값(Ref_fix)에서 충전부(133)에 포함된 커패시터의 방전이 이루어지도록 방전 스위치들(131)의 방전 타이밍을 조절한다.
이하에서는, 상기한 도 1 내지 도 6을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 정류 장치의 동작 과정을 순차적으로 설명한다.
먼저, 정류부(110)는 외부 교류 전력을 입력받고, 이를 정류하여 평활화되지 않은 직류 전력을 출력하는 한편, 외부 교류 전원이 0 이 되는 제로 크로싱 포인트를 검출하여 메인 제어부(150)로 출력한다. 평활화되지 않은 직류 전원은 도 1의 도면부호 111로 나타내어 지는 파형(도 2의 (a) 참조)을 갖는다.
전력 관리부(120)는 정류부(110)에서 출력된 직류 전원을 이용하여 VDD 전압을 생성하고, VDD 전압을 쉬프트 레지스터(170), 데이터 수신부(160), 데이터 송신부(180), 및 메인 제어부(150)로 출력하여, 해당 구성 요소들을 구동한다.
정류부(110)를 통해서 출력된 평활화되지 않은 전원은 벅/부스트 회로부(140)의 입력단까지 전달된 상태에 있고, 외부 장치(본 발명의 정류 장치에 연동되는 외부 센서, 리모콘, 제어 장치, 제어 서버 등)로부터 데이터가 데이터 수신부(160)에 수신되면, 데이터 수신부(160)는 수신된 데이터를 메인 제어부(150) 및 쉬프트 레지스터(170)로 출력한다.
데이터 수신부(160)는 외부 장치를 대기 전력 장치와 서로 절연시키면서, 작은 크기의 신호만으로도 본 발명의 대기 전력 장치를 구동할 수 있도록, Cockcroft Walton 같은 배전압 회로(163)를 이용하여 구현될 수 있음은 상술한 바와 같다.
쉬프트 레지스터(170)는 데이터 수신부(160)로부터 입력된 데이터를 사전에 저장된 데이터(즉, 정류 장치를 동작시키도록 지시하는 동작 개시 코드)와 비교하여, 데이터 수신부(160)로부터 입력된 데이터가 일치하면 정류 장치를 동작시키기 위해서 턴 온 신호를 대기 전력 스위치(T4)로 출력한다.
대기 전력 스위치(T4)가 턴 온되면, VDD로부터 저항 R9을 통해서 메인 제어부(150)의 SHUT 단자로 입력되던 전류는 대기 전력 스위치(T4)를 통해서 접지 그라운드(GND)로 흐르게 되고, 이에 따라서 PNP 바이폴라 트랜지스터로 구현된 턴 온 스위치(T3)가 턴 온되어 저항 R15에 걸리는 전압이 접지 그라운드 및 아날로그 그라운드 사이에 설치된 스위치(T7)를 온시켜 접지 그라운드(GND) 및 아날로그 그라운드(AGND)를 연결함으로써, 아날로그 그라운드에 연결된 소자들을 동작시킨다.
그러면, 정류부(110)에서 출력된 평활화되지 않은 전원은 다이오드 D2 내지 Dn을 통해서 충전부(133)의 커패시터(C1~Cn)들을 충전시킨다.
그 후, 메인 제어부(150)는 정류부(110)에서 출력되는 제로 크로싱 포인트 정보를 이용하여, 제로 크로싱 포인트 근처에서 직류 전원(111)이 방전 기준 전압 이하가 되는 구간에서, 방전 스위치들(131)을 턴 온시켜 충전부(133)에 저장된 전압들을 방전시킴으로써, 정류부(110)에서 출력되는 직류 전원(111)을 평활화한다.
이를 위해서, 메인 제어부(150)는 제로 크로싱 포인트 근처에서 충전부(133)에 포함된 복수의 방전 스위치들(131)을 차례로 턴 온시킴으로써, 각 스위치에 직렬로 연결된 커패시터(C1~Cn)에 충전된 전압들을 방전시키고, 방전된 전압들은 정류부(110)에서 출력되는 전압과 중첩되어 저전압 구간을 채우게 되고, 따라서, 전해 커패시터를 이용하지 않고서도 실질적으로 정류된 전압을 평활화하는 효과를 나타낸다.
또한, 충전부(133)의 방전 전압에 의해서 평활화된 직류 전원(113)은 벅/부스트 회로부(140)를 통해서 강압 또는 승압되어 부하측으로 제공된다. 메인 제어부(150)는 전압 디바이더에 걸리는 전압을 통해서 벅/부스트 회로부(140)의 출력 전압값을 입력 받고, 부하에 직렬로 연결된 전류 센싱 저항(Rcs)에 걸리는 전압을 통해서 부하에 흐르는 전류값을 입력받아 벅/부스트 회로부(140)를 제어함으로써, 부하측에 입력되는 전압 및 전류를 제어한다.
이 때, 이러한 일반적인 상태는 서지 전압이 발생하지 않은 상태이고, 이에 따라서 서지 방지 스위치들(T5~T6)은 턴 온 상태이다.
한편, 상기와 같은 동작이 반복되는 과정에서 메인 제어부(150)는 서지 감지 저항(R17~R19)에 걸리는 전압을 입력받아 지속적으로 충전 및 방전 과정에서 서지 전압이 발생하는지 여부를 조사하고, 서지 감지 저항에 걸리는 전압이 서지 방지 기준 전압 이상으로 갑자기 증가하면, 서지 전압이 발생할 것으로 판단하여, 충전부(133)의 커패시터들(C1~Cn)에 직렬로 연결된 서지 방지 스위치(T5~T6)를 오프시키거나 유통각 제어를 통해서 서지 방지 스위치의 저항을 조절하여 충전 및 방전 과정에서 서지 전압이 발생하는 것을 방지한다. 서지 전압 발생을 방지하기 위해서 서지 방지 스위치(T5~T6)를 제어하는 방식에 대해서는 도 1 내지 도 5를 참조하여 상세히 설명하였으므로, 구체적인 설명은 생략한다.
이제까지 본 발명에 대하여 그 바람직한 실시예들을 중심으로 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.
110 : 정류부 120 : 전력 관리부
130 : 충방전부 131 : 방전 스위칭부
133 : 충전부 140 : 벅/부스트 회로부
150 : 메인 제어부 160 : 데이터 수신부
170 : 쉬프트 레지스터 180 : 데이터 송신부
190 : 동작 스위칭부

Claims (10)

  1. 삭제
  2. 교류 전원을 정류하여 평활화되지 않은 직류 전원을 출력하는 정류부;
    메인 제어부로부터 입력되는 제어 신호에 따라서, 상기 정류부의 출력단으로부터 직류 전원을 입력받아 승압 또는 강압하여 부하측으로 제공하는 벅/부스트 회로부;
    상기 평활화되지 않은 직류 전원에 의해서 충전되고, 상기 평활화되지 않은 직류 전원의 전압이 방전 기준 전압 이하가 되면, 메인 제어부로부터 입력되는 방전 제어 신호에 따라서 충전된 전력을 상기 정류부의 출력단으로 방전하여 상기 평활화되지 않은 직류 전원과 중첩되도록 함으로써 평활화된 직류 전원을 생성하는 충방전부;
    외부 장치로부터 데이터를 수신하여 쉬프트 레지스터로 출력하는 데이터 수신부;
    상기 데이터 수신부로부터 입력된 데이터가 동작 개시 코드와 일치하면, 동작 개시 신호를 출력하는 상기 쉬프트 레지스터;
    상기 동작 개시 신호가 입력되면 상기 충방전부 및 상기 메인 제어부를 구동시키는 동작 스위칭부; 및
    상기 벅/부스트 회로부로 입력된 직류 전원을 승압 또는 강압하여 부하측으로 제공하도록 상기 벅/부스트 회로부를 제어하고, 상기 정류부로부터 상기 교류 전원의 제로 크로싱 포인트를 입력받고, 상기 제로 크로싱 포인트 근처에서 상기 평활화되지 않는 직류 전압이 방전 기준 전압 이하가 되면 상기 방전 제어 신호를 상기 충방전부로 출력하여 상기 충방전부를 방전시키는 상기 메인 제어부를 포함하고,
    상기 충방전부는
    상기 정류부의 출력단에 연결되고 상기 방전 제어 신호에 따라서 온 또는 오프되는 하나 이상의 방전 스위치를 포함하는 방전 스위칭부; 및
    상기 방전 스위치에 직렬로 연결되고, 상기 평활화되지 않은 직류 전원에 의해서 충전되고 상기 방전 스위치가 온되면 방전되는 하나 이상의 커패시터, 및
    상기 커패시터에 각각 직렬로 연결되어 상기 메인 제어부로부터 입력되는 서지 방지 제어 신호에 따라서 저항이 제어되는 서지 방지 스위치를 포함하는 충전부를 포함하는 것을 특징으로 하는 정류 장치.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 메인 제어부는
    상기 커패시터에 걸리는 전압이 서지 방지 기준 전압 이상인 동안에는 상기 서지 방지 스위치를 OFF 시켜 서지 전압의 발생을 방지하는 것을 특징으로 하는 정류 장치.
  4. 제 2 항에 있어서, 상기 메인 제어부는
    상기 커패시터에 걸리는 전압이 서지 방지 기준 전압 이상인 동안에는, 상기 커패시터에 걸리는 전압이 상기 서지 방지 기준 전압을 초과하는 양에 비례하여 상기 서지 방지 스위치의 저항값을 증가시켜 서지 전압의 발생을 방지하는 것을 특징으로 하는 정류 장치.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 서지 방지 스위치는 트라이악 스위치로 구현되고,
    상기 메인 제어부는 상기 커패시터에 걸리는 전압이 상기 서지 방지 기준 전압을 초과하는 양에 반비례하는 전압을 상기 트라이악 스위치의 게이트로 출력함으로써 상기 서지 방지 스위치의 저항값을 증가시켜 서지 전압의 발생을 방지하는 것을 특징으로 하는 정류 장치.
  6. 제 2 항에 있어서, 상기 동작 스위칭부는
    상기 쉬프트 레지스터로부터 상기 동작 개시 신호가 입력되면 접지 그라운드와 아날로그 그라운드를 연결하여 상기 충방전부 및 상기 메인 제어부를 구동시키는 것을 특징으로 하는 정류 장치.
  7. 제 2 항에 있어서,
    상기 정류부에서 출력된 직류 전원을 이용하여 구동 전압(VDD)을 생성하고, 상기 구동 전압(VDD)을 상기 쉬프트 레지스터, 상기 데이터 수신부 및 상기 메인 제어부로 출력하여 구동하는 전력 관리부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 정류 장치.
  8. 제 2 항에 있어서, 상기 데이터 수신부는
    외부 장치로부터 수신된 데이터에 따라서 구동되어 상기 수신된 데이터에 대응되는 신호를 생성하는 오실레이터; 및
    상기 오실레이터에 출력된 신호를 증폭하여 상기 쉬프트 레지스터 및 상기 메인 제어부로 출력하는 배전압 회로를 포함하는 것을 특징으로 하는 정류 장치.
  9. 제 2 항에 있어서, 상기 메인 제어부는
    상기 방전 제어 신호를 상기 충방전부로 출력하여 상기 충방전부에 충전된 전력을 상기 정류부의 출력단으로 모두 방전한 직후, 상기 정류부의 출력단의 전압이 상기 방전 기준 전압 미만으로 떨어지면, 상기 방전 기준 전압값과 상기 방전 기준 전압 미만의 상기 출력단의 최저 전압값의 평균값을 방전 기준 전압값으로 재설정하고, 상기 재설정된 방전 기준 전압값에서 충방전부의 방전이 이루어지도록 방전 타이밍을 조절하는 것을 특징으로 하는 정류 장치.
  10. 제 2 항에 있어서, 상기 메인 제어부는
    상기 부하에 직렬로 연결된 저항에 걸리는 전압으로부터 상기 부하에 흐르는 전류를 감지하고, 상기 부하에 과전류가 흐르면 상기 벅/부스트 회로부의 동작을 정지시키는 것을 특징으로 하는 정류 장치.
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