KR20030008855A - 능동 역률 개선을 위한 전원 공급 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 일반적인 교류-직류(AC-DC) 변환 전원 공급 장치에 있어 간단한 회로 구성과 단일 스위칭 소자의 동작으로 단일 전력단에서 역률 개선 기능과 아울러 안정적인 전원 공급을 위한 전력 변환 기능을 동시에 수행할 수 있도록 하는, 능동 역률 개선을 위한 전원 공급 장치에 관한 것으로서, 교류 입력 전원(Vac)로부터 제공되는 교류 입력 전압을 정류하여 출력하는 풀 브리지 정류부(31); 상기 정류부(31)의 출력을 입력하여 입력 인덕터(L)에 축전되는 에너지를 반도체 스위치(Q1)의 단속(斷續)을 통해 충방전하므로써 입력 전압과 전류를 동상으로 만드는 역률개선부(32); 상기 역률 개선부(32)의 출력을 입력하여 1차측에 충전되는 에너지를 상기 반도체 스위칭 소자(Q1)의 상기 개폐를 통해 2차측으로 전달하여 전력변환하는 전력변환부(33); 및 상기 전력변환부(33)의 출력을 정류/평활하여 부하(Ro)의 전원으로 제공하는 정류/평활부(34)로 구성되어, 단일 스위칭 소자를 이용하여 단일 전력단에서 역률 개선 및 절연된 전력 변환 기능을 모두 수행한다.

Description

능동 역률 개선을 위한 전원 공급 장치{Power Supplying Apparatus for correcting power factor}
본 발명은 능동 역률 개선을 위한 전원 공급 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 일반적인 교류-직류(AC-DC) 변환 전원 공급 장치에 있어 간단한 회로 구성과 단일 스위칭 소자의 동작으로 단일 전력단에서 역률 개선 기능과 아울러 안정적인 전원 공급을 위한 전력 변환 기능을 동시에 수행할 수 있도록 하는, 능동 역률 개선을 위한 전원 공급 장치에 관한 것이다.
최근, 공장 자동화 기기, 사무 자동화 기기, 정보기기, 통신기기 및 전력 시스템 등에 있어서 안정되고 소형 및 경량화 할 수 있는 전원 장치의 응용이 더욱 활성화 되고 있다. 이와 함께 고조파 오염에 대한 관심 증대와 EN61000-3-2(IEC 555-2)와 같은 고조파 제한 규격의 채택으로 전원공급장치의 입력 전류의 고조파 저감과 역률 개선이 중요한 문제로 대두되고 있다.
일반적으로, 스위칭 전원 장치는 교류 입력을 직류로 변환(AC-DC)하는 정류부와 그 직류입력을 부하변동 및 입력 전압의 변화에 대해 안정화시키기 위한 직류-직류(DC-DC) 변환부로 나눌 수 있다. 각종 전자 기기용 직류전원으로 많이 이용되고 있는 커패시터 입력형 정류회로는 순시정전에 대한 대응이나, DC-DC 변환부의 입력전압 변동을 억제시켜 소자의 부담을 줄이기 위해서 큰 용량의 커패시터가 필요하다. 그러나, 커패시터 용량이 커질수록 짧은 시간에 많은 양의 에너지를 저장하기 위한 펄스형의 큰 전류가 흐르게 되며 이때, 피크치는 실효치의 5∼10배 정도가 된다. 이 펄스형의 대 전류로 인해 정류기의 입력전류 형태는 불연속이므로, 입력전압의 왜곡과 입력전류의 고조파 성분으로 인해 주변기기에 영향을 미치게 된다. 이러한 문제들을 해결하기 위해 스위칭 전원의 DC-DC컨버터에 역률개선회로(Power Factor Correction Circuit : PFC)를 추가하는 방법에 대해 많은 노력이 이루어지고 있다. 기존의 전원장치에서 역률을 개선시키는 회로를 살펴보면 크게 수동 역률개선회로(Passive PFC)와 능동 역률개선회로(Active PFC)로 구분할 수 있는 바, 이에 대해 설명하면 다음과 같다.
도 1은 기존의 수동 역률 개선 회로 방식이 적용된 전원 장치의 회로도로서, 동 도면에 도시된 바와 같이, 정류기(10)와 평활 커패시터(C)의 사이에 초크 코일(choke coil)(L)을 접속하여, 그 초크 코일(L)의 임피던스양으로 커패시터(C)의 충전전류가 제한되어 도통각이 넓어지고 역률이 개선되도록 한 것이다. 주로 간단한 설계, 낮은 주파수 대역, 낮은 전자기파간섭(EMI), 고전력을 다루는데 사용된다.
도 2는 기존의 능동 역률 개선 회로 방식이 적용된 전원 장치의 회로도이다.
도 2를 보면, 교류전원(Vac)으로부터 공급되어 정류기(21)에 의해 정류된 입력전류를 반도체 스위치(Q2)를 이용하여 정현적으로 만들어 줌으로써 입력전압과 위상을 일치시켜 주는 방식으로, 상기 반도체 스위치(Q2)의 스위칭 주파수를 높임으로써 추가되는 회로의 크기를 줄일 수 있으며 가격도 감소시킬 수 있다. 능동 역률개선회로써 많이 이용되는 방법은 이단 역률개선회로이다. 이 방식은 기존의 스위칭 전원의 정류부분 대신 역률개선용 프리-레귤레이터(Pre-regulator)로서의 역률개선부(22)로 대치하는 방법으로, 넓은 입력전압 범위내에서 높은 역률을 유지하며, 다출력이고, 절연이 요구되며 높은 정밀도가 필요한 경우에 적합하다. 도 2의 동작특성은 다음과 같다.
상기 역률개선부(22)는 승압형 컨버터를 기본회로로 하고, 전력변환부(23)는 소용량에 적합한 플라이백 컨버터를 기본회로로 하고 있다. 먼저 상기 반도체 스위치(Q2)의 온/오프 동작에 의해 역률을 개선하면서 입력커패시터(C)에 에너지를 저장한다. 그 다음 반도체 스위치(Q1)의 온/오프 동작에 의해 전력변환기능을 수행한다. 이와 같이 전력변환을 두번에 걸쳐 하게 되므로 효율이 저하되고, 각각의 스위칭 소자(Q1,Q2)를 제어해야 하므로 회로가 복잡해지고 그만큼 비용이 상승하게 된다.
결론적으로, 도 1과 같은 기존의 수동 역률개선회로는 입력 주파수의 변화에 민감하고, 초크 코일의 인덕턴스는 입력전압의 주파수(50~60Hz)에 영향을 받으므로 상당히 큰 값의 것이 필요하고 형상과 중량이 크게 되어 소형의 전원장치에는 사용되지 못하는 문제점이 있다. 또한, 도 2와 같은 2단 능동 역률개선회로는 넓은 입력전압 범위내에서 높은 역률을 유지할 수 있는 반면 컨버터 회로가 두개 직렬 연결된 형태의 회로방식이기 때문에 회로가 복잡하고 전력변환 과정이 두번 일어나므로, 효율이 저하되며 회로구성에 필요한 소자의 수가 많아져 비용이 많이 소요되므로 저 가격 및 소형의 전원회로 방식에는 적합하지 않은 문제점이 있었다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 창작된 것으로서, 그 목적은 단일 스위칭 소자를 이용하여 단일 전력단에서 역률 개선 및 절연된 전력 변환 기능을 모두 수행토록 된, 능동 역률 개선을 위한 전원 공급 장치를 제공하고자 하는 것이다.
도 1은 기존의 수동 역률 개선 회로 방식이 적용된 전원 장치의 회로도이고,
도 2는 기존의 능동 역률 개선 회로 방식이 적용된 전원 장치의 회로도이고,
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 능동 역률 개선을 위한 전원 공급 장치의 회로도이다.
※ 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
31 : 정류부 32 : 역률개선부
33 : 전력변환부 34 : 정류/평할부
L : 입력 인덕터 D1,D2,Do : 다이오드
C,Co : 커패시터 Q1 : 반도체 스위치
T1 : 트랜스포머 Ro : 부하
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 능동 역률 개선을 위한 전원 공급 장치는, 교류-직류 전력 변환 장치에 있어서, 교류 입력 전압을 정류하는 정류 수단; 상기 정류 수단의 출력을 입력하여 유도성 소자에 축전되는 에너지를 단일 스위칭 소자의 단속(斷續)을 통해 충방전하므로써 입력 전압과 전류를 동상으로 만드는 역률 개선 수단; 상기 역률 개선 수단의 출력을 입력하여 1차측에 충전되는 에너지를 상기 단일 스위칭 소자의 상기 개폐를 통해 2차측으로 전달하여 전력변환하는 전력 변환 수단; 및 상기 전력 변환 수단의 출력을 정류하여 부하의 전원으로 제공하는 정류수단을 포함하여 구성된다.
상기 역률 개선 수단은, 상기 정류수단의 출력단에 일단이 연결된 상기 유도성 소자로서의 입력 인덕터; 상기 입력 인덕터의 타단에 전류 유입단이 연결되고 전류 유출단은 상기 전력 변환 수단의 1차측 권선의 일단에 연결된 제 1 정류 소자; 상기 입력 인덕터와 상기 제 1 정류 소자와의 공통 연결점에 전류 유입단이 연결되고 전류 유출단은 상기 1차측 권선의 타단에 연결된 제 2 정류 소자; 및 상기제 2 정류 소자와 상기 1차측 권선의 공통 연결점에 전류 유입단이 연결되고 전류 유출단은 상기 정류 수단의 입력단에 연결되며 가동단은 상기 단속 제어를 위한 제어수단에 연결된 상기 스위칭 소자를 포함하여 구성된다.
이와 같이 구성된 본 발명의 전원 공급 장치는, 단일 스위칭 소자를 이용하여 역률개선 및 절연된 전력변환기능을 단일전력단에서 수행함으로써 전력변환장치의 역률개선을 위하여 추가되는 부품수를 최소화 하고, 역률개선을 위하여 추가되는 부품수를 최소화 함으로써 전원장치의 소형 경량화 및 가격 상승 요인을 개선 시킨다.
이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 능동 역률 개선을 위한 전원 공급 장치에 대하여 상세히 설명하기로 한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 능동 역률 개선을 위한 전원 공급 장치의 회로도로서, 동 도면에 도시된 바와 같이. 교류 입력 전원(Vac)로부터 제공되는 교류 입력 전압을 정류하여 출력하는 정류 풀 브리지 정류부(31); 상기 정류부(31)의 출력을 입력하여 입력 인덕터(L)에 축전되는 에너지를 반도체 스위치(Q1)의 단속(斷續)을 통해 충방전하므로써 입력 전압과 전류를 동상으로 만드는 역률개선부(32); 상기 역률 개선부(32)의 출력을 입력하여 1차측에 충전되는 에너지를 상기 반도체 스위칭 소자(Q1)의 상기 개폐를 통해 2차측으로 전달하여 전력변환하는 전력변환부(33); 및 상기 전력변환부(33)의 출력을 정류/평활하여 부하(Ro)의 전원으로 제공하는 정류/평활부(34)로 구성되어 있다.
상기 역률개선부(32)는 상기 정류부(31)의 출력단에 일단이 연결된 입력 인덕터(L); 상기 입력 인덕터(L)의 타단에 양극이 연결되고 음극은 상기 전력변환부(33)의 1차측 권선의 일단에 연결된 제 1 다이오드(D1); 상기 입력 인덕터(L)와 상기 제 1 다이오드(D1)의 공통 연결점에 양극이 연결되고 음극은 상기 1차측 권선의 타단에 연결된 제 2 다이오드(D2); 및 상기 제 2 다이오드(D2)와 상기 1차측 권선의 공통 연결점에 전류 유입단이 연결되고 전류 유출단은 상기 정류부(31)의 입력단에 연결되며 가동단은 상기 단속 제어를 위한 제어부(미도시)에 연결된 상기 반도체 스위치(Q1)로 구성되어 있다. 또한, 상기 제 1 다이오드으 음극과 상기 반도체 스위칭 소자의 전류 유출단 사이에는 커패시터(C)가 연결되어 있다.
상기 전력변환부(33)는 상기 1차측 권선과 2차측 권선을 구비하여 그 권선비에 따라 1차측의 충전 에너지를 2차측으로 변환 전달하는 고주파 트랜스포머(T1)로 구성되어 있다. 상기 정류/평활부(34)는 상기 2차측으로 전달된 에너지의 정류를 위한 출력 다이오드(Do) 및 평활을 위한 출력 콘덴서(Co)로 구성되어 있다.
이어, 본 발명의 동작을 설명한다.
상기 반도체 스위치(Q1)가 도통되면 상기 입력인덕터(L)에 에너지가 축적되면서 전류는 선형적으로 증가한다. 동시에 상기 고주파 트랜스포머(T1)의 1차측에 에너지가 축적된다. 이때에는 상기 트랜스포머(T1)의 2차측은 상기 출력 다이오드(Do)를 역바이어스하여 1차측에서 2차측으로의 에너지 전달은 일어나지 않는다. 이어서, 상기 반도체 스위치(Q1)가 차단되면 1차측에 저장되었던 에너지가 2차측으로 전달되면서 전력변환이 이루어 지게 된다. 상기 다이오드(D2)는 상기반도체 스위치(Q1)의 차단시 상기 1차측에 유기되는 역전압이 입력측으로 흐르는 경로를 차단하는 역할을 한다.
여기서, 상기 역률개선부(32)는 입력전류를 입력전압과 크기는 비례하고 위상은 일치하도록 하여 역률개선기능을 하게 된다. 상기 입력 인덕터(L)는 스위칭 주파수에 영향을 받으므로 도 1과 같은 수동 역률개선회로에 사용되는 초크 코일보다는 크기나 중량면에서 훨씬 소형이 된다. 또한 상기 전력변환부(33)는 상기 고주파 트랜스포머(T1)로 1차측과 2차측을 전기적으로 절연하면서 안정적으로 원하는 출력을 얻을 수 있도록 한다.
즉, 본 발명의 회로에 의하면 단일 스위칭 소자(Q1)의 온/오프 제어만을 통하여 단일전력단에서 역률개선 기능과 전력변환 기능을 동시에 수행할 수 있다.
이상 상세히 설명한 바와 같이 본 발명에 따른 능동 역률 개선을 위한 전원 공급 장치에 의하면, 일반적으로 사용되는 스위칭 방식 전원공급장치(SMPS)에 본 발명의 역률개선부와 같은 회로를 적용하여 입력전류의 고조파 성분을 저감시킴으로써 국제규격에 대응할 수 있으며, 기존의 2단 역률개선회로보다 부품수를 줄임으로써 소형, 경량화 및 적은 비용상승으로 역률개선을 실현할 수 있는 장점이 있다. 또한, 1,2차간이 전기적으로 완전히 절연되어 안정적인 전원을 공급하므로 소용량의 전원장치에 적용가능한 효과를 창출한다.

Claims (2)

  1. 교류-직류 전력 변환 장치에 있어서,
    교류 입력 전압을 정류하는 정류 수단;
    상기 정류 수단의 출력을 입력하여 유도성 소자에 축전되는 에너지를 단일 스위칭 소자의 단속(斷續)을 통해 충방전하므로써 입력 전압과 전류를 동상으로 만드는 역률 개선 수단;
    상기 역률 개선 수단의 출력을 입력하여 1차측에 충전되는 에너지를 상기 단일 스위칭 소자의 상기 개폐를 통해 2차측으로 전달하여 전력변환하는 전력 변환 수단; 및
    상기 전력 변환 수단의 출력을 정류하여 부하의 전원으로 제공하는 정류수단을 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 능동 역률 개선을 위한 전원 공급 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 역률 개선 수단은,
    상기 정류수단의 출력단에 일단이 연결된 상기 유도성 소자로서의 입력 인덕터;
    상기 입력 인덕터의 타단에 전류 유입단이 연결되고 전류 유출단은 상기 전력 변환 수단의 1차측 권선의 일단에 연결된 제 1 정류 소자;
    상기 입력 인덕터와 상기 제 1 정류 소자와의 공통 연결점에 전류 유입단이연결되고 전류 유출단은 상기 1차측 권선의 타단에 연결된 제 2 정류 소자; 및
    상기 제 2 정류 소자와 상기 1차측 권선의 공통 연결점에 전류 유입단이 연결되고 전류 유출단은 상기 정류 수단의 입력단에 연결되며 가동단은 상기 단속 제어를 위한 제어수단에 연결된 상기 스위칭 소자를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 능동 역률 개선을 위한 전원 공급 장치.
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