KR20040018489A - 발진 회로, 상기 발진 회로를 구비한 변환기 및 상기변환기를 구비한 프리콘디셔너 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 정류기(1), 입력 전압(U_in)을 수신하고 출력 전압(U_out)을 공급하는 변환기(2), 피크 전류 모드 제어를 행하는 제어 유닛(3)을 포함하는 프리콘디셔녀에 사용하기 위한 발진기와 관련된다. 상기 발진기는, 공식(I)의 상관 관계에 따라 상기 입력 전압(U_in)과 상기 출력 전압(U_out)에 따른 주기(T_per)의 스위칭 주파수를 갖는다. 상기 진보적인 스위칭 주파수 제어 기술은 블록형 입력 전류가 인입되는 불연속적 모드에서도 변환기를 작동할 수 있게 한다.

Description

발진 회로, 상기 발진 회로를 구비한 변환기 및 상기 변환기를 구비한 프리콘디셔너{Oscillating circuit, converter with such oscillating circuit, and preconditioner with such converter}

AC 공급을 DC 출력으로 정류하는 간단한 방법은 다이오드 브리지 정류기 및 커패시터를 사용하는 것이다. 그러나, 입력 전력이 75W 이상이면, IEC1000-3-2의 필요성에 따라 불가능해진다.

또한, 주요부(mains)로부터 인입되는 전류를 제어하기 위해, 예를 들어, 다이오드 브리지 정류기 및 부스트 변환기(boost converter)를 포함하는, 스위치 모드 파워 서플라이(Switch Mode Power Supply:SMPS)를 사용할 수 있다. 비록 상기 주요부로부터의 사인파형 전류를 인입하는 것이 가능할 지라도(예를 들어, 전력 계수 제어(PFC)를 사용), 블록형(block-shaped) 전류 또는 사다리꼴형 전류도 역시 적어도 일정 전력 레벨 하에서는 사용이 가능하다. 블록형 입력 전류를 사용하는 것의 장점은 동일 출력 전력에 대한 사인파형 전류에 비해 피크값이 1.27 낮다는 것이다. 보다 낮은 피크 레벨은, 비용 및 공간의 요구량이 적은, 보다 적은 유도성 소자(코일)를 사용할 수 있음을 의미한다.

사다리꼴 입력 전류를 인입하는 부스트 변환기를 구비하여 조합된 정류기의 예가 미국특허 제 5,615,098 호에 개시되어 있고, 여기서 그 주요부는 보다 간편한 제어 전자 장치를 갖는다. 그러나, 상기 변환기는 연속 모드(continuous mode)에서 작동한다. 불연속 모드(discontinuous mode)에서 작동하는 부스트 변환기들도 당업계에 공지되어 있다. 상기 변환기들은 매 스위칭 주기동안, 부스트 코일의 전류가 일정 최대값에 이르고 다시 0으로 돌아가는 것을 반복한다(삼각형 꼴). 상기 변환기들은 연속 모드 변환기들에 비해, 보다 작은 코일들을 갖고, 스위칭 시 0 전류에 기인한 턴온 손실(turn-on losses) 및 방출 레벨(emission levels)이 더 낮고, 출력 조절이 더 간편하다.

본 발명은, 정류기(1)와, 입력 전압(U_in)을 수신하고 출력 전압(U_out)을 공급하는 변환기(2)와, 피크 전류 모드를 일정 출력 전압으로 유지하기 위해 제어하는 제어 유닛(3)을 포함하는 프리콘디셔너(preconditioner)에서 사용하기 위한 발진기와 관련된다. 본 발명은 또한, 상기 발진기를 구비한 전압 변환기 및 상기 발진기를 구비한 프리콘디셔너와 관련된다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 프리콘디셔너의 개략도.

도 2는 도 1의 회로의 코일을 통해 흐르는 전류를 도시한 도면.

도 3은 도 1의 발진기의 개략도.

도 4는 도 3의 커패시터의 충전 및 방전 시간을 도시한 도면.

도 5는 도 1의 발진기의 회로 레이아웃을 도시한 예시도.

도 6은 도 1의 발진기의 개략적인 회로 레이아웃을 도시한 도면.

도 7은 도 6의 커패시터이 방전 시간을 도시한 도면.

도 8은 도 1의 프리콘디셔너에 적합한 과전압 보호기의 예시도.

본 발명의 목적은 피크 전류 모드를 제어하면서 불연속 모드에서 작동하는 전력 변환기용의 개선된 주파수 제어를 제공하는 것이다.

본 발명의 제 2 목적은 부스트 변환기의 부스트 코일의 필요한 크기를 감소시키는 것이다.

본 발명의 제 3 목적은 블록형 또는 사다리꼴형 입력 전류를 인입하는 변환기를 제공하는 것이다.

본 발명의 제 1 관점에 따르면, 상기 및 기타 목적들은, 독립항인 청구항 1에 기재된 특징들을 갖는, 도입부에서 기술된 유형의 발진기에 의해 실행될 수 있다.

상기 진보적인 스위칭 주파수 제어 기술은, 블록형 입력 전류가 인입하는 불연속적 모드에서 변환기가 작동할 수 있도록 한다. 본 발명의 상기 측면에서 중요한 점은 입력 전압 및 출력 전압 모두가 스위칭 주파수에 영향을 미친다는 것이다. 본 발명에 따른 스위칭 주기(T_per)의 기능은 상기 변환기에 공급되는 입력 전류를 보다 양호하게 제어하게 하고, 특히, 본질적으로 일정한 평균 입력 전류가 제공되게 한다.

본 발명의 다른 일면에 따르면, 상기 스위칭 주기는, 도입부에서 언급한 유형의, 타이밍 커패시터에 걸린 전압에 따른 출력 신호를 갖고, 상기 출력 신호가 로우일 때 상기 커패시터를 접지에 접속시키는 스위칭 소자를 포함하고, 방전 시간동안 상기 커패시터를 방전시키는 발진기에 의해 실질적으로 실현된다. 상기 발진기는, 상기 입력 전압이 제너 다이오드의 제너 전압을 초과하면, 전류가 트랜지스터를 흐르고, 따라서 방전 전류를 감소시키고 방전 시간을 증가시키도록, 입력 전압에 접속된 제너 다이오드 및 트랜지스터를 더 포함한다.

상기 발진기에서, 방전 전류는 입력 전압이 상기 제너 전압보다 낮은지 높은지에 따라 두 영역으로 분류된다.

상기 회로는, 트랜지스터의 에미터를 저항을 통해 입력 전압에 접속하고, 트랜지스터의 콜렉터를, 캐소드가 커패시터에 접속된 다이오드의 애노드에 접속하고, 트랜지스터의 베이스를, 애노드가 접지에 접속된 다이오드의 캐소드에 접속하여 실현할 수 있다.

양호한 실시예에 따르면, 제 1 제너 다이오드의 제너 전압과 상기 제 2 제너 다이오드의 제너 전압의 함수의 합과 동일한 입력 전압이 한계 전압을 초과할 때, 트랜지스터를 흐르는 전류가 증가하여, 방전 전류가 감소하고 방전 시간이 증가하도록, 제 2 제너 다이오드가 접속된다.

상기 방전 전류를 이제 세 영역으로 분할하는데, (1) 제 1 제너 전압 이하 영역, (2) 제너 전압과 한계 전압 사이 영역, (3) 한계 전압 이상 영역이다.

상기 회로는 제 2 제너 다이오드의 캐소드를 저항을 통해 입력 전압에 접속시키고, 제 2 제너 다이오드의 애노드를 제 1 제너 다이오드의 캐소드 및 트랜지스터의 베이스에 접속시킨다.

발진기는 양호하게는 상기 출력 신호가 하이(high)일 때, 트랜지스터의 콜렉터에서 접지로 접속시키는 제 2 스위칭 소자를 포함한다.

본 발명의 다른 측면은 상기 발진기를 포함하는 변환기 및 프리콘디셔너를 포함한다.

본 발명의 상기 및 기타 측면들은 첨부된 도면들을 참고로 양호한 실시예에서 보다 명확히 기술될 것이다.

도 1은 전파 정류기(1), 부스트 변환기(2) 및 제어 유닛(3)을 포함하는 프리콘디셔너의 개략도이다. 정류기(1)는 부스트 변환기(2)에 입력 전압(U_in)을 공급하고, 부스트 변환기로부터의 출력 전압(Uout)은 평활 커패시터(smoothing capacitor:5)와 병렬로 배치된 부하(4)에 공급된다. 부스트 변환기(2)는 부스트 코일(6), 스위칭 소자(7) 및 다이오드(8)를 포함한다. 제어 유닛(3)은, 부스트 변환기 입력 전류의 피크 전류 모드를 제어하는 펄스 폭 변조기(PWM)와, 상기 PWM(9)에 스위칭 주파수를 제공하는 발진기 회로를 포함한다. 상기 발진기 회로에는 부스트 변환기의 입력 전압(U_in) 및 출력 전압(U_out) 각각에 제공된다.

상기 프리콘디셔너의 작동 원리에 따라, 제어 유닛(3)은 상기 부스트 변환기의 스위칭 소자(7)를 제어하고, 따라서 코일의 피크 전류(I_peak)를 제어하기 위해, 부스트 코일(6)에 걸린 포지티브 또는 네가티브 전압을 일으킨다. 상기 펄스 폭 변조기(9)는 발진기 회로(10)로부터 스위칭 주파수를 제공받고, 본 발명은 최상의 방법으로 상기 발진 주파수를 결정하는 것과 관련된다.

도 2는 상기 부스트 코일(6)에 걸린 전류의 변화를 도시한다.

I_paak가 피크 전류이면, 코일에 걸린 포지티브 전압 및 전류 증가의 시간은 다음의 수학식으로 주어질 수 있다.

여기서, U_in은 정류기(1)로부터의 입력 전압이고, L₁은 부스트 코일의 인덕턴스이다.

상기 동일 코일에 걸린 네가티브 전압 및 전류 감소의 시간은 다음 수학식으로 나타낼 수 있다.

여기서, U_out는 부스트 변환기의 출력 전압이다.

T_positive및 T_negative후, 상기 부스트 코일(6)을 통한 전류는 0가 되고, 일정 시간 주기에 대해 0, T_zero를 유지하고, 포지티브 전압이 다시 상기 코일에 인가되기 전에 전류는 다시 오르기 시작한다. 따라서, 1 사이클의 총 주기는,

T_per= T_positive+ T_negative+ T_zero

이다.

한 주기동안 평균 전류는 다음 식으로 나타낼 수 있다.

상기 총 주기 T_per를 U_in및 U_out에 따라 나타내면 다음 수학식 3과 같다.

I_ave,in에 대한 상기 수학식을 간략히 하면 다음과 같다.

다시 말해, 발진기(10)의 스위칭 주파수를 제어하고 상기 수학식 3과 동일한 스위칭 주기를 얻으면, 피크 전류 I_peak가 일정하게 유지되는 한 상기 평균 전류도 일정하다. 이것이 본 발명의 기본 개념이다. 이하 본원에서, 상기 주기 T_per를 발진기 회로 내에서 어떻게 실현하는 가를 기술할 것이다.

주기 T_per는 발진기(10)의 타이밍 커패시터의 충전 및 방전 시간에 의해 정규적으로 고정된다. 상기 커패시터의 T_charge를 1/(k₀*U_in)와 동일하고, 동일 커패시터의 T_dischage를 1/(k₀*(U_out-U_in)와 동일하도록 선택하면, 시간의 총 주기 T_per가 상기 수학식과 같아질 수 있다.

상기 충전 및 방전 시간을 제어하는 한 방법은 상기 커패시터를 통해 유도되는 전류의 제어로 구성된다. 상기 원리의 개략도가 도 3에 도시된다. 입력 전압에 종속된 전류원 I_charge을 선택하여, 충전 시간의 수학식을 다음과 같이 얻을 수 있다.

여기서, R_T1은 충전 저항이고, C_T는 타이밍 커패시터의 커패시턴스이고, ΔU_C는 커패시터에 걸린 전압이다(U_threshold- U_trigger).

U_out과 U_in사이의 차에 종속된 전류원 I_discharge를 선택하여, 다음과 같은 방전 시간을 구하는 수학식을 얻을 수 있다.

여기서, R_T2는 방전 저항이다.

T_charge와 T_dischage를 조합하면 다음과 같은 수학식을 얻을 수 있다.

상기 수학식은, 1/k₀=U_CC_TR_T과, 상기 수학식 3에 따른 소망의 함수 관계에 대응하는 것이다.

도 4는 입력 전압 U_in에 대해 그린 T_per, T_charge, T_discharge의 그래프를 도시한다. 상기 그래프들은 다음과 같은 패러미터들을 이용하여 계산한다.

C_T= 150pF, R_T= 1M8, ΔU_C= 2.5V, U_out= 400V

도 3의 개략적인 해법은 도 5에 도시된 회로에서 실행될 수 있다.

제 2 의 보다 실용적인 실시예에 따라, 도 5의 회로는 제조 단가 및 공정을 줄여 간단히 하였다. 상기 회로를 도 6에 도시한다.

도 6의 회로에서, 출력 전압 U_out은 일정하게 유지되고, 이는 상기 회로를 현저하게 간단하게 한다.

시스템 블록 A₃은 두 개의 비교기와 하나의 래치를 포함하는데 다음과 같은 상관 관계를 만족시킨다.

조건	현재 출력 A3	새로운 출력 A3
Uct> Uthreshold	하이	로우
Uct< Utrigger	로우	하이
Utrigger< Uct< Uthreshold	로우	로우
Utrigger< Uct< Uthreshold	하이	하이

A₃의 출력이 하이(즉, 방전 시간동안)이면, 스위치 X₃는 인버터 A₁에 의해 오픈되고 커패시터 C_t는 저항기 R₄및 R₅를 통해 입력 전압에 접속된다. 동시에, 스위치 X₂가 닫히고, 따라서 Q₁의 콜렉터에 의해 공급되는 전류는 접지로 단락되고 방전 시간에 영향을 미치지 않게 된다.

방전 전류는 입력 전압 U_in와 타이밍 커패시터 C_t에 걸린 전압 U_Ct사이의 차 및 저항기 R₄과 R₅에 의해 결정된다.

상기 방전 전류는 방전 시간으로 귀착되며, 다음과 같다.

통상적으로 U_ct는 U_in보다 매우 작고, 상기 수학식 8은 수학식 4의 이상적인 경우와 거의 동일하다.

A₃의 출력이 로우(즉, 방전 시간동안)이면, 스위치 X₃는 인버터 A₁에 기인해 닫히고, 이어서 커패시터 C_t는 저항기 R₅를 통해 접지에 접속되어, 커패시터를 방전시킨다. 동시에 스위치 X₂는 오픈된다.

만약 Q₁가 상기 회로에 존재하지 않는다면, 방전 시간 T_discharge은 전체 입력 전압 범위동안 일정하다.

트랜지스터 Q₁를 상기 회로에 도입함으로써, 더 이상 일정치 않도록 하고, 방전 전류 I_discharge는 수학식 5에서 주어진 방전 전류 함수에 이르는 세 영역들로 나누어진다.

1. 입력 전압 U_in이 다이오드 D₃의 제너 전압 U_z1이상인 경우, 트랜지스터 Q₁는 도전하지 않고 방전 시간은 상기 수학식 10에 따라 일정하다.

2. 입력 전압 U_in이 제너 전압 이상이나

u_limit= (R₁+R₂)U_z2/R₂+U_z1

(여기서, U_z2는 다이오드 D₄의 제너 전압) 미만인 경우, 상기 방전 전류는,

로 감소되고, 방전 시간은 이하와 같이 귀착된다.

입력 전압이,

u = (R₁+R₂)U_z2/R₂+U_z1

이상이면, 상기 방전 전류는 더 감소되고 다음과 같다.

또한, 방전 시간은 다음과 같다.

도 7은 도 6의 회로에 따른 입력 전압 U_in의 함수로서 방전 시간(곡선 A)을 도시한다. 도 7은 또한 도 4에 도시한 바와 같이, 상기 수학식 5에 따른 이론적인 함수(곡선 B)를 도시한다.

상기 방법에서, 방전 시간을 증가시킨 제 3 의 방전 전류를 주입함으로써 과전압 방지(overvoltage protection:OVP)를 쉽게 실행할 수 있다. 그 실시예가 도 8에 도시되며, 여기서 U_out는 보호된 전압이다.

상기 기술된 실시예들은 단지 본 발명의 예시적인 실시예일 뿐이며, 일반적으로 전압 변환기의 피크 전류 모드 제어 시 사용하기 위한 발진기의 스위칭 작동을 개선하는 것을 목적으로 하고 있음에 유의해야 한다. 당업자라면 청구범위의 관점을 벗어나지 않는 수정이 가능함을 알 것이다.

피크 전류 모드를 제어하면서 불연속 모드에서 작동하는 전력 변환기용의 개선된 주파수 제어를 가능하게 한다.

Claims (9)

1. 정류기(1), 입력 전압(U_in)을 수신하고 출력 전압(U_out)을 공급하는 변환기(2) 및 피크 전류 모드를 제어하는 제어 유닛(3)을 포함하는 프리콘디셔너 (preconditioner)에서 사용하기 위한 발진기에 있어서,

   의 관계에 따라, 상기 입력 전압(U_in) 및 상기 출력 전압(U_out)에 종속된 주기(T_per)를 갖는 스위칭 주파수를 갖는 것을 특징으로 하는 발진기.
2. 정류기(1), 입력 전압(U_in)을 수신하고 출력 전압(U_out)을 공급하는 변환기(2) 및 피크 전류 모드를 제어하는 제어 유닛(3)을 포함하는 프리콘디셔너(preconditioner)에서 사용하기 위한 발진기로서, 타이밍 커패시터(C_t)에 걸린 전압에 종속된 출력 신호를 갖고, 상기 출력 신호가 로우(low)이면, 상기 커패시터(C_t)를 접지에 접속시켜, 방전 시간(T_discharge)동안 상기 커패시터를 방전시키는 스위칭 소자(X₃)를 포함하는 상기 발진기에 있어서,

   상기 입력 전압(U_in)이 제너 다이오드(D₃)의 제너 전압(u_z1)을 초과하면, 전류가 트랜지스터(Q₁)를 통해 흘러, 방전 전류를 감소시키고 상기 방전 시간(T_discharge)을 증가시키는 방법으로, 상기 입력 전압(U_in)에 접속된 상기 제너 다이오드(D₃) 및 상기 트랜지스터(Q₁)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 발진기.
3. 제 2 항에 있어서,

   상기 트랜지스터(Q₁)는, 저항(R₁, R₂)을 통해 상기 입력 전압(U_in)에 접속된 에미터와, 캐소드가 상기 커패시터(C_t)에 접속된 다이오드(D₂)의 애노드에 접속된 콜렉터와, 애노드가 접지에 접속된 상기 제너 다이오드(D₃)의 캐소드에 접속된 베이스를 갖는, 발진기.
4. 제 3 항에 있어서,

   상기 입력 전압(U_in)이 상기 제너 전압(u_z1)보다 작을 때, 상기 방전 전류는,

   이고, 여기서 R₅는 상기 커패시터(C_t)를 접지에 접속시키는 저항이고, U_Ct는 커패시터의 전압이고,

   상기 입력 전압(U_in)이 상기 제너 전압(u_z1)보다 작을 때, 상기 방전 전류는,

   이고, 여기서, R₁+R₂는 상기 트랜지스터(Q₁)의 에미터를 상기 입력 전압(U_in)에 접속시키는 저항인, 발진기.
5. 제 2 항 또는 제 3 항에 있어서,

   상기 입력 전압이, 상기 제너 다이오드(D₃)의 상기 제너 전압(u_z1)과 제 2 제너 다이오드(D₄)의 제너 전압(u_z2)의 함수값의 합과 동일한, 한계 전압(u_limit)을 초과할 때, 상기 트랜지스터(Q₁)를 통한 전류는 증가하고, 그에 의해 상기 방전 전류는 감소하고 상기 방전 시간(T_discharge)은 증가하는 방법으로 상기 입력 전압에 접속된, 상기 제 2 제너 다이오드(D₄)를 더 포함하는, 발진기.
6. 제 5 항에 있어서,

   상기 제 2 제너 다이오드(D₄)의 캐소드는 저항(R₁, R₃)을 통해 상기 입력 전압(U_in)에 접속되고, 상기 제 2 제너 다이오드(D₄)의 애노드는 상기 제 2 제너 다이오드(D₃)의 캐소드 및 상기 트랜지스터(Q₁)의 베이스에 접속된, 발진기.
7. 제 2 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 출력 신호가 하이(high)일 때, 상기 트랜지스터(Q₁)의 콜렉터를 접지에 접속시키도록 배치된 제 2 스위칭 소자(X₂)를 더 포함하는 발진기.
8. 코일(6)과 스위칭 소자(7)를 포함하는 전압 변환기(2)로서,

   상기 변환기는 정류기(1)로부터 입력 전압(U_in)이 제공되고 부하(4)로 출력 전압(U_out)을 공급하고, 상기 스위칭 소자(7)는 상기 피크 전류 모드(6)에서 작동하는 제어 유닛(3)에 의해 제어되는, 상기 전압 변환기(2)에 있어서,

   상기 제어 유닛(3)은 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 따른 발진 회로(10)를 포함하는 것을 특징으로 하는 전압 변환기.
9. 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 따른 발진기를 포함하는 프리콘디셔너.