KR20180093316A - Self-powered Power Converter - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 2개의 부하를 갖는 직렬 회로망의 전력 분배에 관한 기술로 주 부하의 선로의 전류로 부터 추가로 전력을 추출하여 안정된 직류 전원을 확보하기 위한 레굴레이션 기술에 관한 것이다.The present invention relates to a power distribution technique of a serial network having two loads, and relates to a technique of extracting additional power from a current of a main load line to secure a stable DC power source.
종래기술은 턴-오프시 전력을 얻기 위해 부하와 직렬로 트랜스를 결선하여 2차 측에서 소정의 전압을 얻거나 스위칭 레귤레이터를 기술을 이용한다. 턴-온시는 1차측 전류에 비례한 전압이 2차 측에서 얻어지므로 전압 변동폭이 넓어 소정의 전력을 얻는데 정교한 설계가 필요하고 물리적으로 소형화하기에 어려움이 있다.The prior art uses a switching regulator technique to obtain a predetermined voltage at the secondary side by connecting the transformer in series with the load to obtain power at turn-off. Since the voltage proportional to the primary side current is obtained at the secondary side in the turn-on state, a wide range of voltage fluctuation is required, which requires a sophisticated design for obtaining a predetermined power, and it is difficult to physically reduce the voltage.
또한 부하전력 변화에 따른 충분한 부하 전력을 얻기에는 문제가 있다. 부하용량이 설계에 따라 턴-온시 전류 변동이 매우 크므로 다양한 용량의 트랜스가 필요하고, 트랜스의 직렬연결에 의한 방법은 트랜스 1차 권선을 통해 부하에 전류가 공급되므로 부하 용량에 제한적인 문제로 대용량 부하의 제어에 적용이 어렵다. 만일 대용량 부하의 제어에 적용하기 위해서는 트랜스 1차측 권선을 대전류가 흐를 수 있도록 굵은 권선을 설계하여야하고 이러한 경우 트랜스의 물리적 크기가 커지는 문제 등이 있다.Further, there is a problem in obtaining a sufficient load power according to a change in load power. Since the load capacity is very large at the turn-on time due to the design of the load capacity, transformers of various capacities are required. The method of series connection of the transformer is limited to the load capacity because current is supplied to the load through the transformer primary winding It is difficult to apply it to the control of a large capacity load. In order to apply it to the control of a large-capacity load, a coarse winding should be designed so that a large current flows through the transformer primary winding. In this case, the physical size of the transformer increases.
한편, 종래의 디스크리트 션트 Regulation 부하 활성화시 부하전류을 극단적인 스위칭 방법으로 큰 진폭으로 가변하여 고효율로 작동하나 EMI, Flicker 등 문제가 있다.On the other hand, when the conventional discrete shunt regulator load is activated, the load current is changed to a large amplitude by an extreme switching method, so that it operates with high efficiency, but there are problems such as EMI and flicker.
본 발명은 부하의 전류로 부터 추가 보조전원을 얻는 전원장치 및 부하의 활성화/비활성화 상태와 무관하게 안정된 전원을 얻는 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a power supply device for obtaining an additional auxiliary power supply from a load current and a method for obtaining a stable power supply irrespective of the activation / deactivation state of the load.
본 발명은 한정된 선로를 갖는 직렬 회로망 부하를 무선통신 등 전자적인 방법으로 부하에 공급되는 전력을 제어하고자, 제어에 필요한 전원을 추가 선로 없이 제어단에서 부하의 자체 전류로 부터 제어에 필요한 안정된 보조 전원을 추출하는 기술에 관한 것으로, 기존의 조명시스템 등 전기 장치에서 제어 장치가 상용전원을 직접 공급 받을 수 없는 상황에서 제어 장치를 추가하고자 할 경우, 추가 배선이 필요하거나 복잡하여 실제적으로 제어 장치의 추가/확장이 어려웠다. 이 문제를 해결하기위해 제1 부하 직렬 선로의 일부에서 기존의 제어 스위치를 변용하여 부하의 종류나 부하의 변동에 따라 영향을 최소화한 안정된 전원 장치를 구현한다.In order to control the power supplied to the load by an electronic method such as wireless communication, the present invention uses a stabilized auxiliary power source In the case of adding a control device in a situation where a control device can not directly receive commercial power from an electric device such as a conventional lighting system, additional wiring is necessary or complicated, It was difficult to expand. In order to solve this problem, a stable power supply unit in which the influence of the type of the load or the load is minimized by changing the existing control switch in a part of the first load series line is implemented.
한편, 종래의 디스크리트 션트 레귤레이션 방식은 부하 활성화시 부하전류 진폭이 극단적인 풀스윙(full swing) 스위칭 방법으로 가변하므로 제1 부하의 전력이 크게 변동하므로 다음 바람직하지 못한 제1 부하가 전자식 레귤레이터인 경우 동작 불안정을 초래할 수 있고 전등부하인 경우 깜박거림(flicker)이 요인이 될 수 있다. 또한 급격한 전류 변동은 제1 부하(4) on/off 전환시 변조 펄스의 진폭이 변화폭이 커 과도현상에 따른 많은 고조파(harmonics)를 발생시킨 요인을 저감하고 추출전력의 가변을 통한 동작점 변경 등을 개선하여 실용성이 높은 전원 장치를 구현한다. 또한 제1 부하의 종류에 상관없이 다양한 부하에 적용 가능한 solid state 전원 장치를 구현한다.Meanwhile, in the conventional discrete shunt regulation method, when the load is activated, the load current amplitude is changed by a full swing switching method. Therefore, the power of the first load fluctuates greatly. Therefore, when the first undesirable load is an electronic regulator This can result in instability and flicker in light loads. In addition, the abrupt current fluctuation is caused by the fact that the amplitude of the modulation pulse is large when the first load (4) is switched on / off, thereby reducing the factors causing many harmonics due to the transient phenomenon, And realizes a practical power supply device. In addition, a solid state power supply applicable to various loads regardless of the type of the first load is implemented.
도면 1]은 제1 부하선로의 전류에서 제2 부하의 전원을 추출하기 위해, 제1 부하선로에 전력 추출수단을 직렬로 삽입하여 제2 부하의 전원을 추출한다. 이는 제1 부하의 활성화/비활성화 상태에 무관하게 제1 부하 전류로 부터 제2 부하에 필요한 전력을 추출해야 하고 상기 전력 추출로 인한 제1 부하에 악영향을 최소화하며 제2 부하에서는 안정된 전압을 얻는 것이 목표이다.1] extracts the power of the second load by inserting the power extracting means in series with the first load line in order to extract the power of the second load from the current of the first load line. This is because it is necessary to extract the power required for the second load from the first load current irrespective of the activation / deactivation state of the first load, to minimize the adverse effect on the first load due to the power extraction and to obtain the stable voltage in the second load It is a goal.
제1 부하의 활성화/비활성화 상태 따라 추출 전압차가 크므로 추출수단을 2 부문으로 나누어 비활성시 제1 부하의 누설전류(101)에서 보조전력을 추출하는 제1 전력 추출부(비활성전류 추출부)과 제1 부하의 활성전류(103)에서 보조전력을 추출하는 제2 전력 추출부( 활성전류 추출부)으로 나누어 구성한다. 상기 2개의 전력을 추출하는 수단은 제1 부하의 활성화/비활성화 상태에 따라 교대로 전력 추출 동작하게 된다(alternative operation). 이를 구현하기 위해 다음과 같은 수단이 결합하여 연동으로 동작하게 된다.A first power extracting unit (inactive current extracting unit) for extracting the auxiliary power from the
제1 전력 추출부(10)는 제1 부하 비활성시 전력을 추출하기 위한 회로로 구성은 제1 부하와 직렬로 연결하여 제1 부하의 누설 전류로부터 전원을 추출하는 구조를 갖는다. 제어스위치(8)가 턴-오프시에 제1 부하를 경유하여 흐르는 누설전류(101)를 정류하여 제1 커패시터(16)에 전하를 축적한다. 이때 충전된 직류전압은 최대 라인 전압의 피크치 까지 상승한다. 본 발명의 구조상 여러 요소가 결합하므로 추출된 직류 에너지가 제어 상태에 따라 역류가 발생하지 않도록 다이오드(24)로 방향성 결합을 하여 전압 버스트레이(49, VBUS)에 출력한다. 이하 본 수단은 비활성 전력 추출부로 명명한다.The first
비활성 전력 변환부(30)는 상기 비활성 전력 추출수단의 커패시터(16)에 충전된 전압이 최대 라인 전압의 피크치 까지 상승하므로 전자회로를 구동하기위해 스텝-다운 컨버터로 강압한다. 이 변환 수단은 공지의 효율이 높고 간단한 buck converter기술을 사용하였으나 다른 converter 기술을 사용할 수도 있다. 또한 레귤레이션 부(50)이 광범위한 입력에서 동작(wide dynamic range)하게 구현되면 대치할 수도 있다. 평활한 후 강압하여 방향성 결합소자 다이오드(18)를 경유하여 전압 버스트레이(49, VBUS)에 공급한다.The
제2 전력 추출부(20, 활성 전류 추출부)는 제1 부하의 활성화시 부하의 전류로부터 에너지를 추출하는 수단으로써, 그 구성은 정류기, 에너지 축적 커패시터(26), 오차비교기(42), 드라이버(44) 및 전류를 바이패스하는 레귤레이션 디바이스(28)로 구성된다. 제어스위치(8)를 턴-온하면 부하가 활성화되어 부하를 경유한 활성화전류(103)는 정류 다이오드를 대용량 커패시터(26)에 추출된 전하가 축적된다. 상기 커패시터의 전압과 기준 설정치(21)를 비교하는 오차비교기(42)의 출력에 따라 커패시터의 전압이 기준 설정치(21)를 초과하면 충전전류를 레귤레이터션 디바이스(28)로 바이패스(105)하는 방법으로 충전을 차단하여 상기 커패시터의 충전전압이 기준 설정치 이상으로 상승을 막는다. 상기 전압이 기준 설정치에 미달하면 충전을 개시한다. 즉 커패시터전압이 목표치(controlled variable)로 션트 레굴레이터가 제어기(controller)로 구성된 피드백시스템이다. 최대 추출전력은 제1 부하의 전류를 전부 사용할 수 있어 상기 제1 에너지 추출부의 전력 보다 최대 추출전력 현저히 크다.The second power extracting unit 20 (active current extracting unit) is a means for extracting energy from the load current at the time of activating the first load. The configuration includes a rectifier, an
드라이버 제어부(40)는 전압 커패시터(26)에 충전된 전압(25, VBUS-2)과 기준 설정치(21)를 비교하여 일정한 커패시터 전압이 얻어지도록 레귤레이터션 디바이스(28)를 드라이브한다.The driver control unit 40 compares the voltage 25 (VBUS-2) charged in the
레귤레이션 부(50)는 상기 두 에너지 추출부(10, 20)에 저장된 충전에너지를 받아서 정전압을 발생시키는 DC/DC Converter 기술을 사용한다. 통상 전압 트레이(VBUS)의 전압을 마이크로 칩에서 필요한 1.2V~ 12V 정도로 변환한다. 스텝다운 컨버터는 널리 알려진 buck/ flyback/ forward Converter 기술을 사용할 수 있다. 여기서 광범위한 전압에서 동작하는 스텝다운 컨버터를 이용할 경우(wide dynamic range), 비활성 전력 변환부(30)를 제거가 가능하여 하나의 레귤레이터로 본 발명의 사상을 효과적으로 구현할 수 있다. 공지의 Flayback converter(절연형 SMPS) 기술을 결합한 실시 예로 DC-DC 컨버터로제2 부하의 전류는 증가하면서 전압을 스텝다운하는 절연형 레귤레이터이다. Flyback 컨버터는 필요로 낮은 전압에 이르기까지 출력전압 변환에 절연형으로 설계가 가능하고, 고효율로 변환이 가능하여 전원라인과 전기적으로 완전 절연이 가능하다.The regulator 50 uses a DC / DC converter technique that receives the charge energy stored in the two
제2 전력 추출부(활성 전류 추출부)는 제1 부하와 직렬로 결선되어 제1 부하의 활성전류로 부터 전원을 추출할 수 있도록 구성한다. 제1 부하를 경유한 활성화 부하전류를 다이오드에 경유시켜 커패시터의 전하를 축적하고 충전된 전압이 일정전압을 유지하도록 조절한다. 상기 커패시터의 충전전압은 방향성 결합소자 다이오드를 경유하여 상기 전압 버스트레이(49, VBUS)에 공급하여 합성한다.The second power extracting unit (active current extracting unit) is connected in series with the first load so as to extract power from the active current of the first load. An active load current via the first load is passed through the diode to accumulate the charge of the capacitor and regulate the charged voltage to maintain a constant voltage. The charging voltage of the capacitor is supplied to the voltage bus tray (49, VBUS) via the directional coupler diode and synthesized.
여기서 합성된 전압은 제1 부하의 제어스위치 상태와 무관하게 전압을 얻을 수 있다. 더욱 안정된 전압을 얻고자하면 전압 버스트레이-1(15, VBUS-1)의 전압은 레귤레이터를 통해 안정화한 후 제2 부하에 필요한 전력을 공급한다.The voltage synthesized here can obtain a voltage regardless of the state of the control switch of the first load. To obtain a more stable voltage, the voltage of the voltage bus tray-1 (15, VBUS-1) stabilizes through the regulator and supplies the necessary power to the second load.
도면 1]의 본 발명은 상용전원이 직접 공급되지 않는 부하선로의 전류로 부터 보조전원을 추출하기 위해, 제1 부하(4), 제1 전력 추출부(10), 제어스위치(8) 및 제2 전력 추출부(20)이 제1 부하의 전류가 흐르도록 직렬회로망으로 구성하여,The
(a) 제1 부하를 제어스위치(8)의 온/오프하여 활성화/비활성화 상태제어 단계; (a) activating / deactivating the first load by turning on / off the
(b) 상기 제어스위치를 턴-오프시 제1 부하의 비활성 누설전류(101)를 정류한 후 제1 커패시터(16)에 전하를 축적하는 제1 전력 추출단계(10, 비활성 전력 추출단계);(b) a first power extracting step (10, an inactive power extracting step) for accumulating charge in the first capacitor (16) after rectifying the inactive leakage current (101) of the first load when the control switch is turned off;
(c) 상기 제1 전력 추출부 충전된 전압을 스텝다운 컨버터나 레귤레이터로 강압시키는 비활성 전력 변환단계(30);(c) an inactive power conversion step (30) for stepping down the voltage charged in the first power extractor to a step-down converter or a regulator;
(c) 상기 제어 스위치(8)의 턴-온시 활성 부하전류(103)를 정류한 후 제2 커패시터(26)에 전하를 축적하는 제2 전력 추출단계(20, 활성전력 추출단계);(c) a second power extracting step (20, active power extracting step) for accumulating electric charge in the second capacitor (26) after rectifying the active load current (103) when the control switch (8) is turned on;
(d) 상기 제2 전력 추출단계(20)에 충전된 전압과 설정 기준 설정치(21)를 비교하여 일정한 커패시터 전압이 얻어지도록 션트 레귤레이션 디바이스(28)를 제어하는 드라이버 제어단계(40); (d) a driver control step (40) for controlling the shunt regulation device (28) so as to obtain a constant capacitor voltage by comparing the voltage charged in the second power extraction step (20) with a setting reference setting value (21);
(e) 상기 두 전력 추출단계(10, 20)에 저장된 충전에너지를 받아서 정전압을 발생시키는 레귤레이션 단계(50)를 포함하여 상기 제어스위치의 턴-온/턴-오프 상태와 무관하게 제1 부하 구동 선로의 전류로부터 제1 부하의 활성화/비활성화 상태와 무관하게 제2 부하에 필요한 전력을 추출하여 제2 부하에 공급한다. (e) a regulation step (50) for receiving a charge energy stored in said two power extraction steps (10, 20) and generating a constant voltage, whereby a first load drive The power required for the second load is extracted from the line current regardless of the activation / deactivation state of the first load and supplied to the second load.
이 레귤레이션 방법은 제1 부하의 전류를 일정하게 유지하면서 제2 부하의 전압을 일정하게 유지하는 전원장치의 구현한다.This regulation method implements a power supply device that keeps the voltage of the second load constant while keeping the current of the first load constant.
제1 전력 추출부(10, 비활성 전류 추출부)는 제1 부하의 미소 누설전류(비활성화 전류)를 커패시터(16)에 충전한다. 이때 만 충전전압은 임피던스비로 결정되나 제2 부하가 경부하이면 전원라인 전압(2)에 근접하게 상승하게 되므로 스텝다운 컨버터(30)나 레귤레이터로 전압은 강압시키고 전류는 증가시킨다. 이 때 최대 추출전류는 부하에 따라 결정된다. 제2 부하의 추출 전류가 과도하게 증가하면 제1 부하를 활성화 시킬 수 있어 필요에 따라 추출전력을 제한하기위해 전류제한소자(32)를 사용하여 최대 추출전류를 제한함으로써 제1 부하에 악영향을 최소화하여 안정하게 에너지를 추출할 수 있다.The first power extraction unit (10, the inactive current extraction unit) charges the capacitor (16) with a minute leakage current (deactivation current) of the first load. At this time, the charging voltage is determined by the impedance ratio but the second load rises close to the power supply line voltage (2) at the neck portion, so that the voltage is stepped down by the step-
제2 전력 추출부(20, 활성 전류 추출부)는 정류기 에너지 축적부 커패시터(26) 및 전류를 바이패스 하는 션트 레귤레이션 디바이스(28)를 구비하여, 상기 커패시터의 전압과 기준 설정치(21)를 비교하는 오차비교부(42)의 출력에 따라 상기 커패시터의 충전전류를 바이패스 (105)하여 상기 커패시터의 충전전압이 기준 설정치 이상으로 상승을 막는다.The second power extracting unit 20 (active current extracting unit) includes a rectifier energy
즉, 제1 부하 활성시 보조전원을 추출하기 위해 제1 부하 활성화 전류의 전부 또는 일부를 충전 커패시터(26)에 직접 통과시키는 방법으로 부하 전류로 부터 전원을 추출한다. 이때 기준 설정치(21)을 전원 라인 전압 보다 상대적으로 낮게 설정헐 수록 제1 부하의 전류의 변동은 거의 없이 일정하게 유지할 수 있어 제2 부하(90)의 변동에 따른 악영향을 최소화 할 수 있다.That is, power is extracted from the load current in such a manner that all or a part of the first load activating current is directly passed to the
도면 1]에서 상기 커패시터가 완전 방전상태에서 전원스위치(6)를 턴-온하면 제1 부하, 상기 전원스위치, 다이오드(24) 및 상기 커패시터가 직렬회로가 구성(경로 103)되어 부하는 활성화 되고, 이 활성화 전류(103)를 커패시터(26)에 통과시켜 전하를 저장 수단인 상기 커패시터에 전하를 축적한다.In FIG. 1, when the power supply switch 6 is turned on in the fully discharged state of the capacitor, the first load, the power supply switch, the
상기 커패시터 전압은 시간이 경과함에 따라 상승하여 전압이 미리 설정된 기준 설정치(21)을 초과하면 비교기(42)와 드라이버(44)가 션트 레귤레이션 디바이스(28)의 전도도를 증가시켜 초과분 전류를 분기(105)하는 방법으로 상기 제1 부하 활성화 전류를 일정하게 유지하면서 충전전류를 차단하여 전압을 일정하게 유지하는 션트 레귤레이션 한다. 제1 부하가 활성화(제어모드 턴-온)상태이면 션트 레귤레이션 디바이스(28)를 단속하는 방법으로 병렬 레귤레이션(discrete shunt regulation)한다.The capacitor voltage rises over time and the
상기 추출된 전압은 다이오드(44)를 통해 추출한 전압을 전압 버스트레이(49, VBUS)에 공급하면 제1 부하 턴-온/턴-오프 상태와 무관하게 일정한 전압을 얻을 수 있다. 스텝다운 컨버터는 널리 알려진 buck/ flyback/ forward Converter 기술을 사용할 수 있다. 여기서 광범위한 전압에서 동작하는 스텝다운 컨버터를 이용할 경우(wide dynamic range), 하나의 레귤레이터로 본 발명의 사상을 효과적으로 구현할 수 있다.When the voltage extracted through the
1. 추출 전력1. Extracted power
1.1 제1 부하 활성화시(Turn-on) 최대 추출전력1.1 Maximum extraction power at first load turn-on
제1 부하와 이를 제어하기 위한 제어수단 및 보조 전원 추출 모듈을 직렬회로로 구성하여, 상기 제어수단을 턴-온하여 제1 부하의 활성화 전류를 정류 후 충전전압이 기준 설정치를 유지하도록 하는 충전전류를 단속하는 션트 레귤레이션에서 최대 추출전력은 다음과 같이 근사화 할 수 있다.A first load, a control means for controlling the first load, and an auxiliary power extraction module are connected in series to turn on the control means to rectify the activation current of the first load, The maximum extraction power can be approximated as follows.
제1 부하의 전류로 충전한 커패시터(26)의 충전되는 충전전압(25, VBUS-2)은;The charging voltage 25 (VBUS-2) charged in the
여기서here
전파 정류한 전류를 커패시터에 충전하면 충전전압은 다음과 같다.When the current is rectified and the capacitor is charged, the charging voltage is as follows.
제1 부하와 충전 수단이 직렬로 삽입되므로 제1 부하의 활성화전류로 커패시터(26)에 충전한다. 평활하지 않는 맥류를 사용하면 Thyristor를 스위칭 소자로 사용할 수 있다.Since the first load and the charging means are inserted in series, the
최대 추출전력, 최대전력전달조건 :Maximum extraction power, maximum power delivery conditions:
상기 식은 추출전력은 제1 부하의 정격전력과 기준 설정치에 비례함을 보인다. 를 조절하면 추출전력을 조절할 수 있다. 그러나 가 과도하게 크면 제1 부하 최대공급 전력이 감소하거나 변동률이 크게 되므로 불안정해 질 수 있다. 여기서 본 발명의 특징은 충전수단 제1 부하의 전류를 통과시키는 커패시터(26)는 전하를 많이 축전할 수 있는 대용량일수록 유리하다. 또한 2차 전지도 직접충전이 가능한 구조를 갖는다. 그러나 용량이 너무 크면 오랜 충전시간이 필요해 초기 충전시 응답성이 떨어진다.The above equation shows that the extraction power is proportional to the rated power of the first load and the reference set point. To adjust the extraction power. However, if it is excessively large, the first load maximum supply power may decrease or the fluctuation rate may become large, which may become unstable. A feature of the present invention is that the
1.1.1 제1 부하가 Power 레귤레이터를 내장한 경우 - Dynamic Load1.1.1 When the first load has a built-in power regulator - Dynamic Load
최근 LED 전구는 레귤레이터를 내장한 전원장치가 널리 사용되고 있다. 이때 제1 부하에 흐르는 전류에서 추출 가능한 최대 추출 전력은 :Recently, a power source device incorporating a regulator is widely used as an LED bulb. At this time, the maximum extraction power that can be extracted from the current flowing in the first load is:
(1) 제1 부하의 최대전류(Dynamic 부하)은(1) The maximum current (dynamic load) of the first load is
(2) 최대 제2 부하 전압은(2) The maximum second load voltage is
최대 추출 전력은The maximum extraction power is
여기서here
즉 내부에 레귤레이터를 갖는 동적 부하의 최소 유지전압(
1.1.2 제1 부하가 저항성 부하(Resistive Load)인 경우1.1.2 When the first load is a resistive load
(1) 제1 부하의 최대전류(Dynamic 부하)의 등가 임피던스:(1) Equivalent impedance of maximum current (dynamic load) of first load:
ㆍ 본 레귤레이터가 삽입할 경우 제1 부하에 흐르는 전류: ㆍ When this regulator is inserted, the current flowing in the first load:
여기서, 
ㆍ 제2 부하가 추출 가능한 최대전력 :Maximum power that the second load can extract:
1.2 제1 부하 비활성화시(Turn-off) 최대 추출전력1.2 Maximum extraction power at first load deactivation (turn-off)
제1 부하 비활성화시 최대 추출전력은 제1 부하의 종류에 따라 다르다. 제1 부하 비활성화시(turn-off) 전압은 높으나 허용 전류는 매우 작아 추출전력이 매우 제한된다. 특히 내장 레귤레이터를 갖는 제1 부하의 허용 전류가 매우 적어 고 임피던스 고효율로 설계할 필요가 있다. 통상 추출하고자 하는 DC전원은(1~12V) 저압이므로 스텝다운 컨버터로 이용하는 것이 효과적이다.The maximum extraction power when the first load is inactivated depends on the type of the first load. The voltage at the first load turn-off is high, but the allowable current is very small and the extraction power is very limited. Especially, the allowable current of the first load with the built-in regulator is very small, and it is necessary to design with high impedance and high efficiency. Since the DC power to be extracted is usually (1 to 12V) low voltage, it is effective to use it as a step-down converter.
제1 부하 비활성화시 추출전류를 과도하게 증가시키면 제1 부하가 활성화 모드로 천이될 수 있으므로, 과도한 전류 추출로 인한 제1 부하의 동작 천이를 방지하기 위해 전류제한 소자(32)를 사용할 필요가 있다.If the extraction current is excessively increased when the first load is inactivated, the first load may be shifted to the active mode, so that it is necessary to use the current limiting
2. 다단 충전(Multi-stage cascade charging)2. Multi-stage cascade charging
본 발명의 기술은 제1 부하가 활성화(턴-온)시에는 상당한 전력을 추출할 수 있으나, 비활성화(턴-오프)시는 추출할 수 있는 전력이 매우 제한적이여 활성화 상태에 따라 추출할 수 있는 전력량 차이(power unbalance)가 현저함으로, 제1 부하가 저전력 경량 부하이고 제2 부하에서는 보다 큰 전력이 필요한 부하일 때 비활성시 전류 공급능력이 떨어져 작동이 불안정해 질 수 있다. 이 문제를 해결하기 위해 다단 충전기술을 사용하여 제1 부하 활성화시 추출 가능한 잉여 전력을 추가 충전부(ultra capacitor, battery)에 최대한 비축하여 비활성화시 부족한 전력을 분배 한다.The technique of the present invention can extract a considerable amount of power when the first load is activated (turn-on), but can extract a large amount of power when the first load is turned on (turn-off) Since the power unbalance is significant, when the first load is a low-power light load and the second load requires a larger amount of power, the inductance may become unstable due to the lack of current supply capability. In order to solve this problem, the multi-stage charging technique is used to reserve the excess power that can be extracted when the first load is activated to the ultracharger (battery) as much as possible, thereby distributing the insufficient power when deactivating.
제1 부하의 활성화 전류를 직접 저장하는 저장수단 커패시터, 대용량 울트라 커패시터, 2차 전지에 차례로 충전한다. 즉 활성화시 추출전력이 여유가 있을 때 충분히 충전하고 부족할 때 충전된 전력을 이용하기 위하여 울트라 커패시터를 이용한다. 울트라 커패시터는 대용량으로 순간 고속충전이 가능하므로 고속 충전 후 2차 전지로 이동 시키는 배터리 관리기술을 사용한다.A storage capacitor for directly storing an activation current of the first load, a large capacity ultra capacitor, and a secondary battery. In other words, when the extraction power is sufficient for activation, it is charged sufficiently, and when it is insufficient, the ultracapacitor is used to utilize the charged electric power. Ultracapacitors use battery management technology to transfer high-speed charge to rechargeable battery because high-capacity instantaneous high-speed charging is possible.
에너지 저장장치인 울트라 커패시터는 대용량으로 고속 충전할 수 있고, 2차전지 보다 낮은 내부 임피던스를 갖고 고출력이며, 수명이 반영구적인 특징이 있다. 울트라 커패시터에 저장된 에너지는 배터리 관리기술을 이용하여 2차 전지(Lithium battery 등)에 천천히 이동함으로써 등가적 충전시간을 수분 이내로 단축 한다.The ultracapacitor, which is an energy storage device, is capable of high-speed charging at a large capacity, has a lower internal impedance than a secondary battery, has a high output, and has a semi-permanent lifetime. The energy stored in the ultracapacitor is slowly transferred to a secondary battery (such as a lithium battery) using battery management technology to shorten the equivalent charge time to within a few minutes.
초고용량 울트라 커패시터는 충방전시간, 에너지밀도, 출력밀도 및 충방전 싸이클 횟수에 따른 열화 특성은 전해 커패시터와 리튬배터리의 중간적 특성을 가진다. 이 성질을 이용하여 리튬배터리가 실현하지 못하는 고출력, 장수명 특성을 개선하기 위하여 울트라 커패시터와 리튬배터리를 병용하여 고속 충전기술을 구현한다.The ultrahigh capacity ultracapacitor has intermediate characteristics between the electrolytic capacitor and the lithium battery, depending on charge / discharge time, energy density, power density, and the number of charge / discharge cycles. By using this property, a high-speed charging technology is realized by using an ultra capacitor and a lithium battery in combination to improve the high output and long life characteristics that a lithium battery can not realize.
울트라 커패시터는 자가 방전율이 높아 수개월 방치하면 모든 에너지가 방전된다. 또한 울트라 커패시터의 충전 전압은 방전 현상과 함께 계속 감소하는 특성이 있으므로, 충전 에너지의 일부만을 이용하게 된다.Ultracapacitors have high self-discharge rate, and when left for several months, all energy is discharged. Also, since the charging voltage of the ultracapacitor continuously decreases with the discharge phenomenon, only a part of the charging energy is used.
배터리 관리 모듈(80, PCM battery management)는 본 발명에서는 울트라 커패시터 및 그 충전 회로에 의해 축적된 에너지를 재충전 2차 전지와 그 충전 기술을 이용하여 서서히 충전한다. 울트라 커패시터에 충전된 에너지가 감소할 경우도 일정한 전압을 공급하기 위하여 재충전 2차 전지용 충전 회로의 전압 승압기술(voltage boost)을 사용할 수 있다. 전원장치는 1차적으로 울트라 커패시터에 충분한 에너지를 저장 시킨 후 배터리 관리기술을 이용하여 서서히 배터리로 에너지를 이동시켜 제1 부하 비활성시 부족분의 에너지를 보충한다.In the present invention, the energy accumulated by the ultracapacitor and its charging circuit is gradually charged by using the rechargeable secondary battery and its charging technique. When the energy charged in the ultracapacitor is reduced, a voltage boost of the charging circuit for the rechargeable secondary battery can be used to supply a constant voltage. The power supply primarily stores enough energy in the ultracapacitor and then uses battery management technology to slowly transfer energy to the battery to compensate for the shortage of energy when the first load is inactive.
본 발명의 스위치는 조명시스템 등 제어시스템에서 상시전원을 확보하지 못한 제1 부하에서 추가 배선이나 변경 없이, 통신장치 나 마이크로프로세서 제어장치를 추가 할 경우, 이에 필요한 전원을 공급할 수 있는 수단을 제공한다. 또한 간단한 배선을 위해 별도의 전원선로 없이도 제어선로를 이용하여 전원을 공급할 수 있어, 본 발명은 기존 스위치와 교체 가능하므로 별도로 추가 선로 없이도 부하 구동선로에서 최소 2개의 선로만으로 보조전원을 추출하여 제어장치에 공급할 수 있다. 이는 전원을 확보할 수 없는 벽스위치(wall switch)를 사물인터넷 기술을 쉽게 적용할 수 있다. 또한 추가전원이 불필요하여 설치시간을 단축시킬 수 있고 단순한 구조를 가져 시공이 간단하여 실용상 유리하다. 또한 본 발명 전원장치의 핵심부는 솔리드스테이트(solid state)로 구성 가능하여 마이크로칩화가 용이한 구조를 갖는다.The switch of the present invention provides a means for supplying a necessary power when a communication apparatus or a microprocessor control apparatus is added without additional wiring or change in a first load in which a control system such as an illumination system can not always secure a power supply . In addition, since the present invention can be replaced with a conventional switch, it is possible to separately extract auxiliary power from at least two lines in the load driving line without additional line, . This makes it easy to apply the Internet technology to a wall switch that can not secure power. In addition, since additional power source is unnecessary, the installation time can be shortened and the structure is simple, so that it is advantageous for practical use. In addition, the core part of the power supply device of the present invention can be configured as a solid state and has a structure that is easy to microchip.
[도면 1] 본 발명 레귤레이터의 원리 개념도
[도면 2] Voltage clipped 디스크리트 션트 레귤레이션 실시 예 동작 파형
[도면 3] 리니어 션트 레귤레이터 실시 예
[도면 4] 리니어 션트 레귤레이션 실시 예 동작 파형1
[도면 5] 리니어 션트 레귤레이션 실시 예 동작 파형2
[도면 6] 디스크리트 션트 레귤레이터 실시 예
[도면 7] Limited/Clamped 디스크리트 션트 레귤레이션 실시 예 동작 파형
[도면 8] 디스크리트 션트 레귤레이션 방식의 실시 예
[도면 9] Latch-up 스위칭 디바이스로 구현한 디스크리트 션트 레귤레이션 방식보조 전원 추출
[도면 10] 스위칭 디바이스로 구현한 디스크리트 션트 레귤레이터 실시 예의 파형
[도면 11] 하이브리드 션트 레귤레이션 원리도
[도면 12] 하이브리드 션트 레귤레이션 실시 예 동작 파형
[도면 13] 하이브리드 션트 레귤레이터 실시 예
[도면 14] Thyristor제어방식 하이브리드 레귤레이션 실시 예 동작 파형
[도면 15] Hybrid shunt regulation과 벅 컨버터 결합한 비절연 전원장치의 모델
[도면 16] 스텝다운 컨버터(buck Converter)를 사용한 2단 레귤레이터 실시 예
[도면 17] 벅 컨버터를 사용한 비절연형 레귤레이터의 실시 예
[도면 18] (a) 벅 컨버터를 사용한 비절연형 전원장치 실시 예
(b) Flyback 컨버터를 사용한 절연형 전원장치의 실시 예
(c) Flyback 컨버터를 사용한 절연형 전원장치의 실시 예(discrete component 사용)
[도면 19] (a) 절연형 Hybrid shunt regulation 전원장치의 실시 예
(b) 다단 충전기술이 구현된 절연형 자체 전원장치의 실시 예
[도면 20] (a) 절연형 Hybrid shunt regulation 전원장치의 실시 예
(b) 다단 충전기술이 구현된 절연형 자체 전원장치의 실시 예
[도면 21] 제1 부하 활성화시 잉여 전류를 울트라 커패시터에 직접 충전한 하이브리드 션트 레귤레이션 전원장치의 실시 예
[도면 22] 제1 부하 활성화시 잉여 전류를 울트라 커패시터에 직접 충전한 하이브리드 션트 레귤레이션 전원장치의 실시 예
[도면 23] 절연 외부 제어입력을 갖는 반파 정류형 전원장치의 실시 예
[도면 24] 점호각 가변을 통한 임계치 전압가변 기술 실시 예
[도면 25] 레귤레이션 기술을 적용한 위상제어 기술로 위상제어 실시 예
[도면 26] Hybrid shunt regulation 턴-온시 커패시터에 에너지 축적과정 파형
[도면 27] 2개의 제어 부하를 갖는 본 발명의 전원장치의 실시 예
[도면 28] Hybrid shunt regulation 턴-온시 커패시터에 에너지 축척과정 파형
[도면 29] 본 발명의 ALDSR 전원장치의 EMI noise FFT Plot
[도면 30] 종래의 기술-2
[도면 31] 종래의 기술-2[Drawing 1] Principle conceptual diagram of the regulator of the present invention
[Drawing 2] Voltage clipped Discrete Shunt Regulation Example Operation waveform
[Drawing 3] Linear Shunt Regulator Embodiment
[Drawing 4] Linear Shunt Regulation
[Figure 5] Linear shunt regulation
[Figure 6] Example of a discrete shunt regulator
[Figure 7] Limited / Clamped Discrete Shunt Regulation Example Operation Waveform
[Figure 8] Example of a discrete shunt regulation system
[Drawing 9] Discrete shunt regulation type auxiliary power extraction implemented with latch-up switching device
10 is a waveform diagram of a discrete shunt regulator embodiment implemented by a switching device
[Drawing 11] Hybrid Shunt Regulation Principle
[Figure 12] Hybrid shunt regulation example Operation waveform
[Figure 13] Hybrid shunt regulator embodiment
[Drawing 14] Thyristor Control Method Hybrid Regulation Example Operation Waveform
[Figure 15] Model of non-isolated power supply combined with hybrid shunt regulation and buck converter
[FIG. 16] Example of a two-stage regulator using a step-down converter (buck converter)
[Figure 17] Example of a non-isolated regulator using a buck converter
[Figure 18] (a) Example of non-isolated power supply apparatus using a buck converter
(b) An embodiment of an insulated power supply device using a flyback converter
(c) An embodiment of an insulated power supply using a flyback converter (using a discrete component)
[Figure 19] (a) Example of insulation type hybrid shunt regulation power supply device
(b) An embodiment of an insulated self-powered device implementing a multi-stage charging technique
[Fig. 20] (a) Example of insulation type hybrid shunt regulation power supply device
(b) An embodiment of an insulated self-powered device implementing a multi-stage charging technique
[Fig. 21] Example of a hybrid shunt regulation power supply device in which surplus current is directly charged to an ultracapacitor in the first load activation
[Figure 22] An embodiment of a hybrid shunt regulation power supply device in which surplus current is charged directly to an ultracapacitor in the first load activation
23 shows an embodiment of a half-wave rectification type power supply device having an external control input
[FIG. 24] Threshold voltage variable technology example through point tilt variable
[Fig. 25] Phase control with phase control technology using regulation technique Example
[Figure 26] Hybrid shunt regulation Energy accumulation process waveform in turn-on capacitor
[FIG. 27] An embodiment of the power supply device of the present invention having two control loads
[Figure 28] Hybrid shunt regulation Energy scaling process waveform on turn-on capacitor
[Figure 29] The EMI noise FFT Plot of the ALDSR power supply of the present invention
[Figure 30] Conventional Technology-2
[Figure 31] Conventional Technology-2
[실시 예][Example]
1. 레귤레이션 방법1. Regulation method
1.1 리니어 션트 레귤레이션(Linear Shunt Regulation)1.1 Linear Shunt Regulation
도면 3]에 보인 본 발명의 리니어 션트 레귤레이터(clipped linear shunt regulator)는 도면 1의 전원장치의 기본 모델에서 션트 스위칭 디바이스(28)를 전류량을 조절할 수 있는 TR, FET, IGBT 등 리니어 디바이스로 대치한 모델이다. 이는 커패시터(26)의 충전전압(VBUS-2) 레벨에 따라 제1 포트(0)와 제2 포트(23) 사이의 전도도(conductance)를 조절하여 상기 커패시터의 충전전압을 제어한다. 기준 설정치(21, VREF)의 가변으로 추출 전압의 프로그램(program)이 가능하다.The clipped linear shunt regulator of the present invention shown in FIG. 3 is a linear shunt regulator in which a
상기 커패시터 양단의 전압이 미리 설정된 기준 설정치(21, 임계치)를 초과할 때 드라이버 제어신호(45)를 어서트(assert)함으로써 트랜지스터(28-TR)로 제1 포트(0)와 제2 포트(23) 사이에서 컨덕턴스를 조절하여 충전전류를 감소시키고 바이패스 소자의 전류를 증가시켜 일정한 전압을 추출하는 션트 레귤레이션 방식을 사용한다. 이 레귤레이션 방법의 선형 클리핑 동작은 도면 4]에 보인바와 같이 정류된 반파의 기준 설정치(VREF) 전압 이상에서 클리핑되고 부하에 공급되는 전압의 순시치 파형은 라인전원 전압에서 VREF 만큼 떨어진다.TR to assert the
도면 3]에 보인 리니어 션트 레귤레이션 방식은 원리적으로 EMI 고조파 성분이 발생하지 않으나 전력손실에 따른 발열이 많아 대전력 장치에 적용은 부적합하다.In principle, the linear shunt regulation method shown in FIG. 3 does not generate EMI harmonic components in principle, but it generates heat due to power loss and is not suitable for use in large power devices.
도면 5]는 스위칭 레귤레이션 디바이스(28)를 트랜지스터(28-TR)로 대치하고, 오차 비교기 대신 제너다이오드(42)로 대치하여 단순화한 실시 예들을 보인다. 추출 전압의 변경하려면 제너다이오드를 교체해야 가능하다. 전원 스위치(8)의 제어를 통한 제1 부하(4)의 턴-온 모드에서 상기 추출한 전원을 정류/평활 한 후, 상기 제너다이오드 브레이크다운 전압(breakdown voltage)를 초과하면 트랜지스터를 구동하여 초과분에 비례하게 전도도를 증가시켜 충전전류를 감소시키고, 낮으면 전도도를 감소시켜 충전전류를 증가시키는 방법으로 일정한 DC전원을 얻는다.5 shows embodiments in which the
여기서 전압 제한 소자가 없거나 제너다이오드 브레이크다운 전압이 높으면 커패시터 충전 전압이 과도하게 높아질 수 있고 직렬 등가 임피던스가 증가하여 제1 부하(4)에 공급할 수 있는 전력이 감소하여 정상동작을 방해 할 수 있다.If there is no voltage-limiting element or a Zener diode breakdown voltage is high, the capacitor charging voltage may become excessively high and the series equivalent impedance may increase and the power that can be supplied to the
도면 5]의 리니어 션트 레귤레이션의 실시 예는 커패시터(26) 양단의 전압이 제너 다이오드(21) 전압을 초과 할 때 제어 신호(23)를 어서트함으로써 트랜지스터의 제1 포트(0)와 제2 포트(23) 사이에서 컨덕턴스를 조절 (최대 전도 상태로 강제)하여 충전전류를 감소시키고 바이패스 소자의 전류를 증가 시키는 리니어 션트 레귤레이션 방식을 사용한다. 이 방법은 전류의 급격한 변화가 없어 추출전압의 전력의 품질은 좋으나 변환효율은 낮아 열손실을 수반할 수 있어 대전력 제어에는 부적합하다.The embodiment of the linear shunt regulation of Figure 5 assists the
1.2 진폭제한 디스크리트 션트 레귤레이션(Amplitude-Limited Discrete Shunt Regulation)1.2 Amplitude-Limited Discrete Shunt Regulation
도면 1]의 전원장치의 기본 모델에서 레귤레이션 방법은 충전전압이 상승하여 상기 커패시터 양단의 전압이 미리 설정된 기준 설정치(21, 임계값)를 초과할 때 제어 신호를 어서트(assert)함으로써, 전기적으로 단락시켜 바이패스 소자로 제1 부하전류를 전부 흡수하여 충전전류를 차단시켜 전압을 커패시터에 충전하여 전력을 추출하는 병렬(션트) 레귤레이션 방식을 사용한다. 이 레귤레이션 방법은 스위칭 동작 도면 7]에 보인바와 같이 정류된 반파의 특정 전압이상에서 진폭이 제한된 클리핑(clipping) 펄스 스위칭 파형을 보인다. 커패시터(26) 양단의 전압은 스위칭 제어 디바이스(8) 턴-오프 시에도 펄스 전압은 기준 설정치(VREF)를 초과하지 않는다. 본 발명에서는 상기 레귤레이션 방법을 진폭제한 디스크리트 션트 레귤레이션(ALDSR : Amplitude-Limited Discrete Shunt Regulation)이라 명명한다.In the basic model of the power supply device of FIG. 1, the regulation method asserts the control signal when the charge voltage rises and the voltage across the capacitor exceeds a preset reference set point (21, threshold) A shunt regulating method is used in which a bypass element is short-circuited to completely absorb the first load current to cut off the charging current to charge the capacitor to the capacitor to extract power. This regulation method shows a clipping pulse switching waveform whose amplitude is limited above a certain voltage of the half-wave rectified as shown in the switching operation diagram [7]. The voltage across the
도면 6]의 디스크리트 션트 레귤레이션은 도면 1]의 전원장치의 기본 모델에서 스위칭 제어 디바이스(8)를 TRIAC, SCR 등 Switching 디바이스로 대치한 모델이다. 이는 커패시터(26)의 충전전압(VBUS-2) 레벨에 따라 제1 포트(0)와 제2 포트(23) 사이의 단속비(on/off) DF비율을 조절 또는 PWM 변조하여 충전전압을 제어한다. 또한 디스크리트 션트 레귤레이션 방법은 스위칭 컨트롤 방식으로 EMI 고조파를 발생할 수 있으나 펄스 스윙 진폭이 기준 설정치(VREF)로 제한되므로 고조파 성분이 과다하지 않다.The discrete shunt regulation in FIG. 6 is a model in which the
도면 7]은 션트 디바이스를 SCR, TRIAC으로 대치, 오차 비교기 대신 제너다이오드로 구현하여 구조가 간단하나 제너다이오드나 DIAC의 break voltage을 변경하여야 추출전압의 가변이 가능하다.7] shows a simple structure by replacing the shunt device with SCR and TRIAC and replacing the error comparator with a Zener diode. However, it is possible to change the extraction voltage by changing the break voltage of the Zener diode or DIAC.
도면 7]에서 커패시터(26)가 완전 방전상태에서 전원스위치(6)를 턴-온하면 라인전원(2) 제1 부하(4), 상기 전원스위치(6), 다이오드(24) 및 커패시터(26)가 직렬회로가 구성(경로 103)되어 활성화된 전류(103)를 커패시터(26)에 통과시켜 전하를 축적한다. 상기 커패시터 전압은 시간이 경과함에 따라 상승하여 전압이 미리 결정된 기준 설정값(21)을 초과하면 스위치(28)를 턴-온하여 경로-105로 전류 전부를 분기하는 방법으로 상기 제1 부하 활성화 전류를 일정하게 유지하면서 충전전압을 조절하는 션트 레귤레이션할 수 있다.The power supply switch 6, the
제1 부하가 활성화(제어모드 턴-온)상태이면 스위치(28)를 단속하는 방법으로 병렬 레귤레이션(discrete shunt regulation)한다. 이 스위칭 방법은 원리적으로 flicker 등을 수반할 수 있고 추출전압이 다량의 리플(ripple)과 EMI 고조파가 포함될 수 있으나 변환효율은 매우 높다.When the first load is active (control mode turn-on), discrete shunt regulation is performed by way of interrupting the
초기 설정치(VREF)를 설정하기 위해 Zener diode이외 DIAC, PUT, UJT, SIDAC 소자도 전압 설정에 사용할 수 있다. DIAC 등 AC 스위칭 소자는 breakover voltage에 도달하면 통과하는 전류가 급격히 증가한다.다이오드는 전류를 통과하는 전류가 소자의 특성 값 이하로 떨어질 때까지 전도 상태를 유지한다.이 값보다 떨어지면 비 도통 상태로 다시 전환된다.voltage을 추출전압 설정에 사용할 수 있고, Thyristor의 latch-up 특성을 갖는 AC 스위칭 디바이스(SCR, TRIAC)로 대치하면 본 발명의 기술을 간단하게 구현할 수 있다.DIAC, PUT, UJT, and SIDAC devices other than Zener diode can also be used for voltage setting to set the initial setting value (VREF). DIAC and other AC switching devices increase rapidly when the breakover voltage is reached. The diode maintains conduction until the current through the current drops below the device's characteristic value. The technique of the present invention can be implemented simply by replacing the voltage with the AC switching device (SCR, TRIAC) having the latch-up characteristic of the thyristor which can be used for setting the extraction voltage.
도면 8~9]는 Thyristor의 래치-업(latch-up) 특성을 갖는 AC 스위칭 디바이스(SCR, TRIAC)로 구현한 디스크리트 션트 레귤레이터 실시 예를 보인 것으로 단순한 구성이 가능하다. 이 방식은 게이트가 트리거되어 일단 thyristor가 턴-온되어 애노드(Anode)전류가 흐르기 시작하면 내부적으로 정궤환 회로가 되므로 애노드 전압이 최소 유지전압(전력 공급이 중단)이하로 떨어질 될 때까지 충전을 차단한다. 반주기가 경과하면 래치-업이 해제되어 비 도통상태로 전환되고 충전을 재개하여 비교 결과에 따라 상기 레귤레이션 동작을 수행하게 된다. 도면 11] 참조8 to 9 show an embodiment of a discrete shunt regulator implemented by an AC switching device (SCR, TRIAC) having a latch-up characteristic of a thyristor, and a simple configuration is possible. In this method, the gate is triggered, and once the thyristor is turned on, anode current starts to flow internally. As the anode voltage drops below the minimum holding voltage (power supply interruption) . When the half-cycle period elapses, the latch-up is released to switch to the non-conducting state and the charging is resumed to perform the regulation operation according to the comparison result. 11]
1.3 하이브리드 션트 레귤레이션(Hybrid Shunt Regulation)1.3 Hybrid Shunt Regulation
본 발명의 하이브리드 레귤레이션 방식은 상기 리니어 레귤레이션방법과 상기 디스크리트 스위칭 레귤레이션 방식을 결합하여 제어 전력에 따라 동작 모드를 변환하는 방식이다. 리니어 션트 레귤레이션 방식은 작은 리플 작은 EMI 노이즈 등 장점을 갖고 있으나 낮은 변환효율로 인한 발열문제를 해결하기 위해, 디스크리트 레귤레이션 방법을 병용하면 실용성이 높은 전원장치의 구현이 가능하다. 즉, 저 전력 제어에서는 리니어 레귤레이션 모드로 동작하고(식-12) 제1 부하 전류가 임계치을 초과하면 디스크리트 션트 레귤레이션(식-13)으로 동작하여 광범위한 전력 제어에 사용할 수 있다. 본 발명은 상기 두 방법을 병용한 레귤레이션 방법을 하이브리드 션트 레귤레이션이라고 명명한다.The hybrid regulating method of the present invention is a method of converting the operation mode according to the control power by combining the linear regulating method and the discrete switching regulating method. The linear shunt regulation method has advantages such as small ripple and small EMI noise. However, in order to solve the problem of heat due to low conversion efficiency, it is possible to realize practical power supply by using discrete regulation method. That is, in the low power control, it operates in the linear regulation mode (Equation 12), and when the first load current exceeds the threshold, it operates as the discrete shunt regulation (Equation 13) and can be used for a wide range of power control. In the present invention, the regulation method using the above two methods together is referred to as hybrid shunt regulation.
도면 10]의 하이브리드 션트 레귤레이션은 부하전류에 따라 리니어 션트 레귤레이션과 디스크리트 션트 레귤레이션 모드로 동적 전환동작을 보인다.The hybrid shunt regulation of Fig. 10 shows dynamic switching behavior in linear shunt regulation and discrete shunt regulation modes according to load current.
여기서here
도면 12]의 하이브리드 레귤레이션 실시 예 동작 파형을 보인 것이다. 파형 제1 구간에서는 리니어 레귤레이션 동작, 제2 구간에서는 디스크리트 레귤레이션 모드로 동작을 보이고 있다.12 shows the operation waveform of the hybrid regulation embodiment. The linear regulating operation is performed in the first waveform section, and the discrete regulation mode is performed in the second section.
도면 13]은 스위칭 디바이스(28)을 트랜지스터(28-TR) Thyristor(28-SCR)로 대체하여 구성한 하이브리드 스위칭 디바이스 실시 예 이다.13] is an embodiment of a hybrid switching device constructed by replacing the
제1 부하 전류가 
따라서 입력전원(2) 파형의 반주기 보다 짧은 시간에 전압 레귤레이션이 불가능하므로 커패시터(26)을 고용량을 사용하여 방전 지속 시간을 연장하는 것이 효과적이다.Therefore, voltage regulation is not possible in a shorter time than the half cycle of the input power supply (2) waveform, so it is effective to extend the discharge duration by using a high capacity of the capacitor (26).
스위칭 디바이스를 Thyristor를 사용하면 고효율 스위칭이 가능하여 소형화에 유리하다. 또한 기준치 설정을 제너다이오드를 사용하면 도면 12]의 실시 예와 같이 간단하게 진폭제한 션트 레귤레이터(clipped shunt regulator)를 구현할 수 있다.The use of Thyristor as switching device enables high efficiency switching, which is advantageous for miniaturization. In addition, when the reference value is set by using a Zener diode, a clipped shunt regulator can be implemented simply as in the embodiment of FIG. 12.
도면 15]는 하이브리드 션트 레귤레이션와 비절연 벅 컨버터를 결합한 비절연 전원장치의 실시 예를 보인 것으로 간단하고 고효율로 동작하나 제1 부하와 제2 부하가 전기적으로 결합된 비절연형 실시 예이다.FIG. 15 illustrates an embodiment of a non-isolated power supply unit that combines hybrid shunt regulation and a non-isolated buck converter. The non-isolated power supply unit operates in a simple and highly efficient manner, but is a non-isolated embodiment in which the first load and the second load are electrically coupled.
본 발명의 목표를 달성하기 위해서 도면-1]과 같이 두 개의 부문으로 구성한다. 제1 부하 턴-온/턴-오프 전환시 전원 추출점(0, 13) 사이에 흐르는 전위차가 극단적으로 크다. 따라서 단일 추출수단으로는 안정된 전원장치를 구현하기는 매우 어렵다. 본 발명에서는 두 개의 부문으로 구성한다.In order to achieve the object of the present invention, it is composed of two sections as shown in the drawing-1. The potential difference flowing between the power extraction points (0, 13) during the first load turn-on / turn-off transition is extremely large. Therefore, it is very difficult to realize a stable power supply device as a single extraction means. In the present invention, there are two parts.
본 발명의 실시 예는 제1 부하 스위치(8)가 턴-오프일 경우 비활성화 전류로 부터 보조전력을 추출하는 제1 전력 추출부(10, 비활성전류 추출부)과 상기 스위치가 턴-온일 경우 비활성 누설전류에서 보조전력을 추출하는 제2 전력 추출부(20, 활성전류 추출부)으로 나누어 구성된다. 상기 2개의 수단은 전력을 추출한 후 전압 버스트레이(49, VBUS)에 보내 합성하여 상기 스위치의 턴-온/턴-오프 상태에 무관하게 전원을 얻는다.The embodiment of the present invention is characterized in that a first power extracting unit (10, an inactive current extracting unit) for extracting an auxiliary power from a deactivation current when the first load switch (8) is turned off and an inactive And a second power extracting unit (20, active current extracting unit) for extracting the auxiliary power from the leakage current. The two means extract the power and send it to the voltage bus tray (49, VBUS) to obtain the power regardless of the turn-on / turn-off state of the switch.
본 발명은 상용전원이 직접 공급되지 않는 스위치로 부터 DC전원을 추출하기 위해, 제어 스위치와 제1 부하가 구비된 장치에 있어서,The present invention relates to an apparatus having a control switch and a first load for extracting DC power from a switch to which a commercial power is not directly supplied,
(a) 외부 모드(상기 제1 부하(4)의 턴-온/턴-오프 상태를 제어하기 위한 외부신호) 신호를 받아 제어신호를 출력하는 제어부;(a) a control unit receiving an external mode signal (an external signal for controlling the turn-on / turn-off state of the first load 4) signal to output a control signal;
(b) 상기 제어부의 제어신호를 받아 상기 스위치를 개폐하여 상기 제1 부하의 온/오프를 제어하는 스위치부;(b) a switch unit for controlling on / off of the first load by opening and closing the switch according to a control signal of the control unit;
(c) 상기 제1 부하의 오프/온 상태와 상관없이, 제1 부하의 전류을 입력받아 DC로 변환하여 직류전압으로 평활한 정류부;(c) a rectifying part which receives the current of the first load and converts it into DC to smooth the DC voltage, irrespective of the off / on state of the first load;
(d) 상기 전류로 부터 턴-온시 제2 부하의 보조전원을 추출하기위해 울트라 커패시터에 전하를 축적하는 에너지추출부;(d) an energy extraction unit for accumulating charge in the ultracapacitor to extract an auxiliary power source of the second load when the current is turned on;
(e) 상기전압과 기준 설정치를 초과할 경우 병렬분기로의 전도도를 제어하는 변경하여 상기 에너지 추출부의 충전량을 조절하는 레귤레이션(shunt regulation)부;(e) a shunt regulation unit that controls the conductivity of the parallel branch when the voltage and the reference set value are exceeded to control the charge amount of the energy extraction unit;
(g) 상기 전원발생부()에서 출력신호를 받아서 정전압을 발생시키는 레귤레이션 부를 포함하여 제1 부하(4)의 턴-온/턴-오프와 무관하게 제1 부하 구동선로으로 부터 전원을 추출하고 DC전압으로 변환 후 안정화시키는 부를 구비한 장치를 특징으로 한다.(g) a regulator for receiving an output signal from the power generator to generate a constant voltage, so that power is extracted from the first load drive line regardless of the turn-on / turn-off of the first load (4) DC voltage, and stabilizes the DC voltage.
제1 부하의 비활성 누설전류로 부터 미소 누설전류를 커패시터(16)에 충전한다. 이때 만 충전전압이 전원(2) 전압 가까이 상승하게 되므로 스텝다운 컨버터나 레귤레이터로 강압시키고 전류를 증가시킨다. 이 때 제2 부하 전류가 과도하게 증가하면 제1 부하를 활성화 시킬 수 있으므로 동작점을 이 범위 내에서 설정하여야 한다.The
도면 16]는 2개의 전압 추출부 갖는 기본 전원장치로써, 제1 부하가 비활성화시(off)는 제1 부하의 누설전류로 부터 제2 부하의 전력을 추출한다. 여기서 스텝다운 레귤레이터(30)의 임피던스를 제1 부하(4)의 임피던스 보다 충분히 크게 하면 제1 부하의 영향을 그 만큼 줄일 수 있다. 통상 레귤레이터의 입력 임피던스가 제1 부하(4)의 임피던스 보다 충분히 높게 설계하여 제1 부하의 영향을 최소화하는 것이 바람직하다. 또한 과도한 비활성화 전류를 요구하게 되면 활성화로 천이하게 되므로 전류제한소자(32)로 최대추출전류를 제한한다.16] is a basic power supply device having two voltage extracting units. When the first load is inactivated (off), the power of the second load is extracted from the leakage current of the first load. Here, if the impedance of the step-
제1 부하 비활성화시(off시) 전압 추출부(10)는 정류 및 평활 강압 부(30, step down Converter)으로 DC 전압을 추출하여 VBUS에 출력하고, 제1 부하 활성화시(on시) 전압 추출부(20)는 정류, 축전 및 레귤레이터로 전압 제2 추출부(20)으로 DC 전압을 추출하여 전압 버스트레이-1(15, VBUS-1)에 출력한 후 레귤레이터로 안정화한다.When the first load is inactivated (off), the
본 발명의 기술은 제1 부하가 턴-온시 에는 상당한 전력을 추출할 수 있으나, 턴-오프시 추출할 수 있는 전력이 매우 적어 턴-온/턴-오프시 추출할 수 있는 전력량 차이(Power unbalance)가 현저함으로, 제1 부하가 저전력 경량 부하이고 제2 부하에서는 많은 전력이 필요한 부하일 때 비활성시 전류 공급능력이 떨어져 작동이 불안정해질 수 있다. 이를 해결하기 위해 비활성화시는 제1 부하에서 추출 전력을 제한할 필요가 있다. 상기 비활성화 상태에서 전류제한(32) 기능이 없으면 추출 전력에 따라 제1 부하의 상태천이가 발생 할 수 있어 불안정한 동작을 할 수 있다.The technique of the present invention can extract a considerable amount of power at the time of turning on the first load, but the power unbalance that can be extracted at turn-on / turn-off is very low because the power that can be extracted at the turn- ) Is remarkable, and when the first load is a low-power light load and the second load requires a large amount of electric power, the operation becomes unstable due to the current supply capability when it is inactive. To solve this problem, it is necessary to limit the extraction power at the first load when deactivated. If there is no current limiting function in the deactivation state, the state transition of the first load may occur according to the extracted power, thereby making it possible to perform an unstable operation.
커패시터 전압이 기준 설정치에 도달하면 잉여 전력을 초대용량 울트라 커패시터와 2차전지로 전량 충전하는 방법으로 에너지를 축적하고 부족시 분배하면 안정된 전원장치를 구현할 수 있다. 정류 및 전압제한 병렬 레귤레이터 여기서 커패시터는 대용량을 사용할 수 있다. 여기서 전압 제한 회로가 없으면 턴-온시 전압 버스트레이(49, VBUS)전압이 과도하게 높아져 제1 부하의 전압이 떨어져 제1 부하 공급전력이 제한된다.When the capacitor voltage reaches the reference value, the surplus power is charged to the super capacitor and the secondary battery. By accumulating energy and distributing it when in shortage, it is possible to realize stable power supply device. Rectification and Voltage Limitations Parallel Regulators Here capacitors can use large capacitors. If there is no voltage limiting circuit, the voltage of the turn-on voltage bus tray 49 (VBUS) becomes excessively high, so that the voltage of the first load falls and the first load supply power is limited.
스위치(8)이 턴-온 상태이면 전원라인전압(2)은 제1 부하(4) 정류다이오드(9)를 거처 상기 스위치(8) 다이오드(24)를 거처 커패시터(26)에 충전을 개시한다. 상기 충전전압은 다이오드(44)를 거쳐 전압 버스트레이(49, VBUS)에 공급하고 레귤레이터를 거처 안정화된다. 이때 전압 버스트레이(49, VBUS)와 VDC의 전압차가 클수록 스위칭 레귤레이션 방식이 유리하다.When the
충전전압이 점차 상승하여 VREF(21)에 도달하면 먼저 션트 레귤레이션 디바이스(28)가 전도도를 증가시켜 충전하고 남은 전류 잉여분을 분로(bypass)시킨다. 제1 부하의 전류가 증가함에 따라 Rs(46) 전압강하가 상승하여 스위칭 디바이스(28-SCR)의 trigger 전압에 도달하게 되면 스위칭 디바이스(28-SCR)를 턴-온하여 제1 부하의 전류 전부를 스위칭 디바이스(28-SCR)로 바이패스하는 스위칭 모드로 동작하게 된다. 제2 부하의 전류가 증가 등 요인으로 전압강하가 하강하여 스위칭 디바이스(28-SCR)의 trigger 전압 이하로 떨어지면 스위칭 디바이스(28-SCR)를 턴-오프하여 제1 부하의 전류 전부를 커패시터(26)로 바이패스하여 다시 충전되도록 한다. 여기서 스위칭 디바이스 구동방법은 기존의 PWM 등 다양한 변조방법을 사용할 수 있다.When the charging voltage gradually increases to reach the
도면 17] 도면 18(a)]은 본 발명의 Hybrid regulation 방식과 공지의 Buck converter(스텝 다운 컨버터) 기술을 결합한 실시 예로 DC-DC 컨버터로제2 부하의 전류는 증가하면서 전압을 스텝다운하는 비절연형 레귤레이터이다. 도면 17] 도면 17(a)]실시 예의 스위칭 컨버터는 DC-DC 컨버터로 훨씬 높은 변환 효율을 제공하고리니어 레귤레이터 보다열 등의 전력을 방출하여 낮은 전압, 출력 전류를 증가시킨다.18A is an embodiment combining the hybrid regulation method of the present invention and a known Buck converter (step-down converter) technique, in which the current of the DC-
벅 컨버터는 필요로 낮은 전압에 이르기까지 공급 전압 변환 등의 작업에 유용을 만들고, 90% 이상의 고효율로 변환이 가능하나 전원라인과 비절연 문제가 있다.The buck converter is useful for operations such as supply voltage conversion, from low voltage to need, and can be converted to high efficiency over 90%, but there is a problem with the power line and non-insulation.
도면 18(b)] 도면 18(c)]는 본 발명의 Hybrid regulation 방식과 공지의 Flayback converter(절연형 SMPS) 기술을 결합한 실시 예로 DC-DC 컨버터로제2 부하의 전류는 증가하면서 전압을 스텝다운하는 절연형 레귤레이터이다. Flyback 컨버터는 필요로 낮은 전압에 이르기까지 공급 전압 변환 등의 작업에 유용을 만들고, 고효율로 변환이 가능하고 전원라인과 완전 절연이 가능하다.FIG. 18 (b) is an embodiment combining the hybrid regulation method of the present invention and a known Flayback converter (isolated SMPS) technique, in which the current of the DC- Is an isolated regulator. The Flyback converter makes it useful for tasks such as supply voltage conversion, ranging from low voltage to high, can be converted to high efficiency and fully isolated from the power line.
[도면 18] 실시 예에 보인바와 같이 레귤레이터의 제1 부하(4)에 공급되는 전력이 부족하여 출력전압(25, VBUS-2)이 미리 설정된 기준 설정치 보다 낮을 경우, 스위칭 소자(8)를 턴-오프 하여 제1 부하(4)에 전력이 공급 되도록 함으로써 커패시터(26)에 축전하여 커패시터의 전압(25)이 기준 설정치(21)가 될 때 까지 턴-오프하여 제1 부하의 전류 전부를 상기 충전수단에 충전하고 이를 Flyback converter로 보내 제2 부하의 전압을 낮추고 전류는 증가시켜 피드백 레귤레이터로 안정화한 후 제2 부하(90)에 필요한 전력을 공급한다.18, when the power supplied to the
공지의 플라이백 컨버터에 있어서는 출력 전압을 비교하여 제어 신호를 만드는 오차 검출기와 Zener diode는 출력 측에 있게 되고 이 제어 신호는 포토 커플러를 통하여 피드백된다. 그리고 일차측의 제어 회로에도 동작 전원이 필요한데 정상 동작할 때에는 변압기에 제어 전원용 권선을 감아 전원을 공급할 수 있지만 기동 초기에는 그것이 불가능하다. 이것을 해결하기 위해 가장 많이 쓰이는 방법은 다음과 같은 bootstrap기술을 사용하는 방법이 있다.In known flyback converters, the error detector and the Zener diode, which compares the output voltage to produce a control signal, is on the output side, and this control signal is fed back through the photocoupler. Also, the control circuit on the primary side needs operating power, but when it operates normally, it can supply the power by winding the control power supply winding to the transformer, but it is impossible in the beginning of the startup. The most common way to solve this is to use the following bootstrap technology.
1) 제어용 컨트롤러 칩과 전체 일차 회로의 소비 전류를 최소화한다.(대기 상태 누설 전류, standby leak current, 기동 전류)1) Minimize the current consumption of the controller chip and all primary circuits (standby leakage current, standby current, starting current).
2) 큰 저항(보통 수 MΩ 이상)을 통하여 초기 바이어스로 기동한다.2) Start with an initial bias through a large resistor (usually a few MΩ or more).
3) 기동펄스의 EMF에 의해 정궤환회로에 의해 발진을 하게 된다.3) The oscillation is caused by the constant feedback circuit by the EMF of the start pulse.
4) 제어 전원의 전압이 동작 개시를 위한 임계 전압(Under Voltage Lock Out, UVLO 전압)보다 커지면 전해 콘덴서에 저장된 에너지로 동작을 시작한다.4) If the voltage of the control power source is larger than the threshold voltage (Under Voltage Lock Out, UVLO voltage) for starting operation, the operation starts with the energy stored in the electrolytic capacitor.
5) 전해 콘덴서의 전압이 동작을 멈추는 임계 전압보다 작아지기 전에 출력 전압을 상승시켜 transformer(96)를 통해서 자체적인 전원 공급이 이루어지면 연속 동작이 가능해 진다.5) Continuous operation is possible if the output voltage is raised before the voltage of the electrolytic capacitor becomes less than the threshold voltage at which the operation stops, and the power is supplied through the transformer 96 itself.
본 레귤레이터(10)는 제1 부하가 비활성화시(off)는 제1 부하의 누설전류로 부터 제2 부하의 전력을 추출한다.여기서 스텝다운 레귤레이터(30)의 임피던스를 제1 부하(4)임피던스 보다 충분히 크게 하면 제1 부하영향을 그 만큼 줄일 수 있다. 통상 레귤레이터의 입력 임피던스가 제1 부하(4)의 임피던스 보다 충분히 높게 설계하여 제1 부하의 영향을 최소화하는 것이 바람직하다.The
본 발명의 스위칭 레귤레이터는 입력전압의 변동 폭이 광범위하여 리플특성이 양호하지 못할 수 있다. 보다 정교한 전압이 필요한 경우, DC/DC 컨버터/ 레귤레이터(50)를 추가하면 양질의 DC 전력을 얻을 수 있다. 상기 컨버터/ 레귤레이터(50)는 Buck, Boost, Flyback Converter는 리니어 레귤레이터가 사용될 수 있다. 정류기(6)는 리플을 줄이기 위해 전파정류가 유리하고 실시 예의 파형에서는 전파 정류된 파형을 보였다The switching regulator of the present invention may not have a good ripple characteristic due to a wide fluctuation range of the input voltage. If a more sophisticated voltage is required, a DC / DC converter / regulator 50 can be added to obtain good DC power. The converter / regulator 50 may be a Buck, Boost, and a flyback converter may be a linear regulator. The rectifier 6 has advantages of full-wave rectification in order to reduce the ripple, and full-wave rectified waveform in the waveform of the embodiment
스위칭소자(8)는 부가 기능을 수행하는 반도체 스위치로써 본 발명의 기본 모델에서는 원리적으로 생략되어도 기본 기능을 수행할 수 있다([도면 1] 참조). 이는 정류된 전압이 필요 이상 불필요하게 상승을 방지하거나 대기전력 차단을 위해 사용될 수 있다. 또한 구현에서 커패시터 등의 레귤레이터 제어회로의 내압을 낮출 수 있어 경제적인 설계가 가능케 한다.The
전압차를 해결하기위해 멀티탭 트랜스포머를 사용하거나 입력전원 허용 동작 범위가 넓은 SMPS 기술을 이용한다. 낮은 전압에서는 권선비 높은 권선비로 2개의 강압비를 1차 권선으로 드라이브하게 한다.To solve the voltage difference, a multi-tap transformer is used or a SMPS technology with a wide range of input power allowable operation is used. At low voltage, the two step-down ratios are driven by the primary winding at a high turn ratio.
다단 충전(Multi-stage cascade charging)Multi-stage cascade charging
본 발명의 레귤레이터는 제1 부하의 활성화시와 비활성화시 최대 추출전력 차이가 대단히 크다(power unbalance). 제1 부하 활성화시는 충분한 전력을 얻을 수 있는 반면 비활성화시는 부하에 따라 다르나 특히 레귤레이터 내장형 고효율 LED bulb의 경우 비활성화시 추출할 수 있는 전력이 매우 제한된다. 이 문제를 해결하기 위하여 활성화 전류를 2차 전지에 충전한다. 그러나 2차 전지는 고속 충전이 어렵다. 2차 전지는 고용량을 확보할 수 있으나 고속충전에 문제가 있어 고속 충전이 가능한 울트라 커패시터를 병용한 다단 충전(cascade multi-stage charge system)을 사용하면 효과적이다. 이 문제를 해결하기 위해 활성화시 잉여 전력을 1차 울트라 커패시터에 고속 충전 후 천천히 2차 전지로 이동시킨다. 2차 전지에 에너지를 축적하는 방법이 충전용량이 커 실용성이 있다. 본 발명의 다단 충전기술은 제1 부하 활성화 경우에만 동작시킬 필요가 있다.In the regulator of the present invention, the maximum extraction power difference between activation and deactivation of the first load is very large (power unbalance). While the first load activates enough power, deactivation depends on the load, especially for regulator embedded high efficiency LED bulbs, the power available for extraction is very limited. To solve this problem, the secondary battery is charged with the activation current. However, it is difficult to charge the secondary battery at high speed. The secondary battery can secure a high capacity, but it is effective to use a cascade multi-stage charge system using an ultracapacitor capable of high-speed charging because of a problem of fast charging. In order to solve this problem, the surplus power at the time of activation is quickly charged to the primary ultracapacitor and then slowly transferred to the secondary battery. The method of accumulating energy in the secondary battery is practical because it has a large charging capacity. The multi-stage charging technique of the present invention needs to be operated only in the case of the first load activation.
1단계, 제1 부하의 활성전류를 정류한 후 커패시터에 충전하여 전압 버스트레이(49, VBUS)에 출력한다.In
2단계, 상기 커패시터 충전 전압이 기준 설정치를 초과하면 상기 전압 버스트레이-2(25, VBUS-2)에서 울트라 커패시터에 병행 충전한다. 이때 기준 설정치는 충전 중에도 제2 부하에 전원을 공급할 수 있는 전압이다.In
3단계, 상기 울트라 커패시터 충전 전압이 기준 설정치2를 도달하면 울트라 커패시터의 에너지를 2차전지에 충전한다.In
상기 3가지 회로에서 전압을 추출하여 전압 버스트레이(49, VBUS) 제 2부하에 공급한다. 상기 두 레귤레이션 방법을 연동하면 제어모드 상태에 상관없이 스위치 양단에서 제2 부하에 일정한 전력을 공급할 수 있다.The voltage is extracted from the three circuits and supplied to the second load of the voltage bus tray (49, VBUS). When the two regulation methods are interlocked, a constant power can be supplied to the second load from both ends of the switch regardless of the control mode state.
도면 21]은 제1 부하 활성화시 잉여 전류를 울트라 커패시터에 직접 충전한 하이브리드 션트 레귤레이션 전원장치의 실시 예이다.21] is an embodiment of a hybrid shunt regulation power supply device in which surplus current is charged directly to an ultracapacitor when the first load is activated.
2개의 전압 제한소자를 사용한다. 커패시터(26)가 완전 방전된 초기상태에서 스위치(8)이 턴-온되면 모든 제1 부하전류는 상기 커패시터에 충전된다. 제너다이오드(42)로 결정된 임계전압 이상으로 상승하면 트랜지스터(28-TR)와 SCR(28-SCR)를 턴-온시켜 울트라 커패시터(26-5)에 충전을 개시한다. 충전된 전압(25)은 다이오드(54-UC)를 통해 전압 버스트레이(49, VBUS)에 출력한다.Two voltage limiting elements are used. When the
zener diode(42)로 결정된 임계전압 이상으로 상승하면 트랜지스터(28-TR)와 SCR(28-SCR)를 턴-온시켜 울트라 커패시터(26-5)에 충전을 개시한다. 트랜지스터(28-TR5)와 SCR(28-SCR)를 턴-온시켜 울트라 커패시터(26-5)에 충전을 개시한다.the transistor 28-TR and the SCR 28-SCR are turned on to start charging the ultracapacitor 26-5 when the voltage of the transistor 28-TR rises above the threshold voltage determined by the
제너다이오드(42-5)로 결정된 임계전압 이상으로 상승하면 울트라 커패시터(26-5)가 일정한 정압을 유지하도록 리니어 레귤레이션 동작을 하고 SCR트리거 전압이 상승하면 제1 부하 전류 전부를 SCR로 바이패스하여 고속 충전한다.When the voltage rises above the threshold voltage determined by the zener diode 42-5, the ultracapacitor 26-5 performs a linear regulation operation so as to maintain a constant positive voltage. When the SCR trigger voltage rises, all of the first load current is bypassed to the SCR Fast charging.
1차 충전한 후 일정전압 부하-2에 정상전압을 공급할 수 있는 전압이 확보되면 수퍼 커패시터로 충전을 개시한다. 수퍼 커패시터의 에너지는 배터리 관리 장치(80)를 통해 2차 전지로 이동시킨다. 여기서 2차 전지 충전관리 장치(80)는 기존의 PCM이 결합된 배터리 관리장치 기술을 이용한다.When the voltage capable of supplying the steady voltage to the constant voltage load-2 is secured after the first charging, the charging is started with the supercapacitor. The energy of the supercapacitor is transferred to the secondary battery through the
도면 23] 절연 외부 제어입력을 갖는 반파 정류형 전원장치의 실시 예로써 단순하여 간단한 구성이 가능하나, 전원의 정(포지티브) 반주기에서만 전력을 추출하므로 제1 부하가 저항 부하에서 추출전력이 반으로 떨어지나 전파정류를 내장한 정전력 제어 기능이 있는 동적 부하에서는 양파정류 방식과 거의 동일한 전력 추출이 가능하다. 여기서 스위칭소자(28-SCR)는 반파 만 제어하므로 부(네거티브) 반파는 다이오드(28-N)로 바이패스시켜 제1 부하에 공급전력 감소를 막는다.23] An embodiment of a half-wave rectification type power supply device having an insulation external control input is simple and can be configured in a simple manner. However, since the power is extracted only in the positive half period of the power supply, In a dynamic load with static power control function with built-in full-wave rectification, it is possible to extract power almost the same as the on-wave rectification method. Here, the switching element 28-SCR controls only the half wave, so that the negative half wave is bypassed to the diode 28-N to prevent the supply power reduction to the first load.
도면 24]는 추출전압을 가변하기 위하여 저항(72)으로 Thyristor의 점호각을 가변하여 위상제어 기술로 기준 임계치를 조절할 수 있다. 전기적으로 전력단과 제어단을 절연하기 위해 photo conductive transducer 등 절연 기술을 사용하면 유용하다.In FIG. 24, the reference threshold value can be adjusted by the phase control technique by varying the threshold angle of the thyristor with the
도면 25]는 본 발명의 레귤레이션 기술을 위상제어기에 적용하고자 제1 부하제어 스위치 대신에 부하전력을 가변하는 위상제어기 구조에서도 적용이 가능하여 부하전력을 가변하는 조광기 위상제어 분야에도 바로 적용이 가능하다. 최소 부품으로 구현한 반파 정류기로 단순화 모델을 보인다.25] can be applied to a phase controller having a variable load power instead of a first load control switch in order to apply the regulation technique of the present invention to a phase controller, . We present a simplified model with a half-wave rectifier implemented as a minimum component.
도면 26]는 본 발명의 ALDSR의 간단한 실시 예로써 최소의 부품으로 구현한 실시 예를 보인다. 그림(a)는 단일 전원을 추출하기 위한 반파정류방식 Discrete shunt regulator 실시 예이고, 그림(b)는 정부 양전원을 추출할 수 있는 Discrete shunt regulator 실시 예를 보인다.26 shows an embodiment realized with a minimum number of parts as a simple embodiment of the ALDSR of the present invention. Figure (a) shows an example of a half-wave rectification discrete shunt regulator for extracting a single power source, and Figure (b) shows an example of a discrete shunt regulator capable of extracting a positive power source.
도면 27]은 보다 큰 전력을 추출하기 위해 2개의 제어 부하에서 전원을 추출하고 상기 부하를 제어하는 전원장치의 실시 예이다. 복수의 제어 대상의 부하에 하나의 전원장치로 전력 추출이 가능하다. 각 부하가 병렬접속 형태를 가지므로 임피던스가 낮아지므로 부하가 많을수록 큰 누설전류나 부하 활성화 전류를 얻을 수 있으므로 추출 전력을 증대할 수 있다. 특히 제1 부하의 비활성화시 추출전력이 적어 이 방법을 이용하면 보다 큰 전력을 얻을 수 있어 효과적이다. n개의 부하인 경우 n배의 전력 추출이 가능하다.FIG. 27 is an embodiment of a power supply device for extracting power from two control loads and controlling the load to extract a larger power. Power can be extracted by one power supply device to a plurality of loads to be controlled. Since each load has a parallel connection type, the impedance is lowered. Therefore, the larger the load, the larger the leakage current or the load activating current can be obtained, so that the extracted power can be increased. Particularly, when the first load is inactivated, the extracted power is small. n-times power extraction is possible for n loads.
본 발명의 스위치로부터 전압을 추출하는 개념에서 스위칭소자를 바꾸거나 오차검출, 변조도, 제어량, 변조방법, 승압/강압 등 변환 방법 등을 바꾸어 실시하거나 표현하여 많은 변형 예를 도출할 수 있으나 이러한 것은 본 발명의 개념과 동일한 것으로 본다. 그 예로 다양한 스위칭소자로 구현이 가능하다. 또 물리적 기능은 같고 구현 수단이나 소자만 다른 경우 그 예로 스위칭소자를 Transistor, FET, IGBT 나 SCR, TRIAC, GTO, MCT, TCR, SCS 등 Thyristor 등으로 바꾸어 실현가능 하다는 것은 널리 알려진 공지의 사실이므로 별도의 설명은 생략한다. 또한 본 발명은 AC전원에서 적용되었으나 펄스제어 방식은 직류 전원에도 적용 할 수 있다.In the concept of extracting the voltage from the switch of the present invention, many variations can be derived by changing or switching the switching elements, changing the error detection, modulation degree, control amount, modulation method, Is considered to be the same as the concept of the present invention. For example, various switching devices can be implemented. It is widely known that it can be realized by changing the switching device to Thyristor such as Transistor, FET, IGBT, SCR, TRIAC, GTO, MCT, TCR, SCS etc. . Also, the present invention is applied to an AC power source, but the pulse control method can also be applied to a DC power source.
본 발명의 스위치 제어회로는 출력 전압과 오차비교부를 제외하고 두 종류의 디지털 논리치 만을 다루는 고효율 펄스 변조방식이므로 별도 변조방식으로 설명하지 않아도 동일한 원리로 다양한 변형이 가능하다. 상술한 본 발명의 실시 예들은 특정 단일 제1 부하를 갖는 스위치의 경우에 대해서 설명하였으나, 구현과 관련된 공지 된 방법은 본 발명을 불명확하게 하는 것을 피하기 위해 상세하게 설명되지 않는다. 본 발명은 이에 한정되지 않으며, 변조 및 구성 방식에 따른 다양한 변형 예가 있을 수 있음은 명백하다.Since the switch control circuit of the present invention is a high-efficiency pulse modulation method that deals only with two types of digital logic values except for the output voltage and error comparison section, various modifications can be made on the same principle without explaining a separate modulation method. Although the embodiments of the present invention described above are described for the case of a switch having a specific single first load, known methods associated with implementation are not described in detail in order to avoid obscuring the present invention. It is apparent that the present invention is not limited thereto and that various modifications may be made in accordance with the modulation and the configuration method.
상용전원을 확보하기 어려운 상황에서 기존의 스위치 회로에서 DC전원을 얻을 수 있어 복잡한 배선 문제 단순화가 가능하며, 기존 시스템을 네트워크 등 쉽게 바로 적용할 수 있는 수단을 제공한다. 그 예로서 센서 등 자동화와 설치가 간단하고 배선이 단순하여 실용상 유리하다.DC power can be obtained from existing switch circuits in the situation where it is difficult to secure commercial power, which can simplify complicated wiring problems and provide a means of easily applying an existing system to a network easily. For example, sensors and other automation and installation are simple and wiring is simple, which is advantageous for practical use.
기 결선된 전기회로 망에서 별도의 제어시스템의 전원을 획득하는 방법으로 홈 네트워크 시스템 등 IoT 구현에서 선로의 변경 없이 제어에 기존의 제어단에서 필요한 DC 전원을 획득할 수 있어 분산된 다양한 네트워크 토폴로지를 갖는 IoT분야 널이 적용할 수 있다.In the IoT implementation such as the home network system, it is possible to acquire the DC power required from the existing control stage to control without changing the line in the pre-wired electric circuit network by acquiring the power of the separate control system. The IoT field board having the IoT field can be applied.
2 : 상용 라인 전원(AC Power Line)
4 : 제1 부하
8 : 스위치 - 제1 부하 제어 전원 스위치
10 : 비활성 전력 추출부(제1 부하 비활성 누설전류 추출 레귤레이터)
16 : 제1 부하 비활성 누설전류 충전용 커패시터
20 : 제1 부하 활성전류 추출 레귤레이터
21 : 활성화 추출전압 기준 설정치(VREF)
28 : 션트 레귤레이션 디바이스
26 : 제1 부하 활성전류 충전용 커패시터 - 대용량
26-UC : 잉여 활성전류 충전용 대용량 수퍼 커패시터
30 : 비활성 전력 변환부(Step-down converter)
40 : 활성전력 추출부(제1 부하 활성전류 추출 션트 레귤레이션 모듈)
48 : 레귤레이터 제어기/드라이버
90 : 출력 레귤레이터/ DC-DC 컨버터
80 : 2차 전기 배터리 충전 PCM 관리 디바이스
101 : 비활성모드시 누설전류 충전전류 경로
103 : 활성모드시 부하전류 충전전류 경로
105 : 활성모드시 션트 레귤레션 전류 바이패스 경로
Error : 오차비교기의 출력
Load-1 : 제1 부하
Load-2 : 제2 부하(레귤레이터의 보조 부하)
Ton : 제어 모드 - 제1 부하(4)를 턴-온/턴-오프하기 위한 외부 제어신호
VAC : 상용 라인 전원
VBUS : 비안정 전압 버스 트레이(49)
VBUS-1 : 제1 에너지 추출부 출력/ 비안정 전압 버스 트레이(15)
VBUS-2 : 제2 에너지 추출부 출력/ 비안정 전압 버스 트레이(25)
Vcomp : 비교기의 출력 전압
VDC : 레귤레이터의 출력 DC전압
Vdrive : 레귤레이터 제어 구동 신호
Vin : 주전원 스위치의 양단 교류전압 - 본 발명 레귤레이터 입력전압
VLoad : 제1 부하의 양단 전압
Vrect : 정류기 출력 맥류 전압
VREF : 설정 기준 전압
Vsw : 주전원 스위치의 양단 교류전압
ALDSR : 진폭제한 디스크리트 션트 레귤레이션
(Amplitude-Limited Discrete Shunt Regulation)
4: First load
8: Switch - 1st load control power switch
10: Inactive power extraction unit (first load inactive leakage current extraction regulator)
16: first load inactive leakage current charging capacitor
20: First load active current extraction regulator
21: Activated extraction voltage reference setting value (VREF)
28: Shunt regulation device
26: First load active current charging capacitor - large capacity
26-UC: Large Capacity Super Capacitor for Charging Surplus Active Current
30: an inactive power converter (step-down converter)
40: Active power extraction unit (first load active current extraction shunt regulation module)
48: Regulator controller / driver
90: Output regulator / DC-DC converter
80: Secondary battery charge PCM management device
101: Leakage current in inactive mode Charge current path
103: Load current in active mode Charge current path
105: Shunt Regulation Current Bypass Path in Active Mode
Error: Output of error comparator
Load-1: First load
Load-2: Second load (auxiliary load of the regulator)
Ton: Control mode - External control signal for turning on / off the first load (4)
VAC: Commercial line power
VBUS: Unstable Voltage Bus Tray (49)
VBUS-1: first energy extractor output / unstable voltage bus tray (15)
VBUS-2: Second energy extractor output / unstable
Vcomp: Output voltage of the comparator
VDC: Output DC voltage of the regulator
Vdrive: regulator control drive signal
Vin: AC voltage across the main power switch - Invention Regulator input voltage
VLoad: Voltage across the first load
Vrect: Rectifier output ripple voltage
VREF: Setting reference voltage
Vsw: AC voltage across the mains switch
ALDSR: Amplitude Limited Discrete Shunt Regulation
(Amplitude-Limited Discrete Shunt Regulation)
Self Power, Shunt Regulation, Discrete Shunt Regulation, Linear ShuntSelf Power, Shunt Regulation, Discrete Shunt Regulation, Linear Shunt
Regulation, Hybrid Shunt Regulation, Switching Regulator. PWM, Self PoweringRegulation, Hybrid Shunt Regulation, Switching Regulator. PWM, Self Powering
Claims (6)
(1) 제1 부하의 비활성 누설전류를 정류/평활하여 출력하는 비활성 전력 추출수단;
(2) 상기 비활성 전력 추출수단의 직류출력을 강압하고 전류를 증강시키는 변환하여 출력하는 비활성 전력 변환수단;
(3) 제1 부하의 활성화 전류를 정류한 후 충전하여 전압이 기준 설정치를 초과하면, 충전전류의 초과한 여분을 다른 경로로 바이패스(분기)하는 방법으로 제1 부하의 활성전류를 일정하게 유지하면서 상기 충전전압을 일정하게 조절하는 션트 레귤레이션하는 활성전력 추출수단; 및
(4) 제1 전력 추출수단의 출력과 제2 전력 추출수단의 출력을 병합하여 제2 부하에 공급하는 출력 레귤레이션 수단을 구비하여 제1 부하의 상태와 무관하게 안정한 전력을 추출하는 전원장치.In order to extract the power of the second load from the current of the first load in a network having two loads in series,
(1) inactive power extraction means for rectifying / smoothing the inactive leakage current of the first load for output;
(2) an inactive power converting means for converting the direct current output of the inactive power extracting means and converting the direct current output so as to increase the current;
(3) If the activation current of the first load is rectified and then the voltage exceeds the reference value, the excess current of the charge current is bypassed (branched) to the other path, Active power extracting means for shunt-regulating the charge voltage while maintaining the charge voltage constant; And
(4) The power supply device according to any one of (1) to (4), further comprising an output regulation means for combining the output of the first power extraction means and the output of the second power extraction means and supplying the combined output to the second load, thereby extracting stable power irrespective of the state of the first load.
(1) 제1 부하가 활성화상태이고 충전전압이 ①설정전압 보다 낮을 경우 상기 스위치를 개방함으로써 충전수단이 상기 제1 부하와 직렬회로망이 구성되도록 하여 상기 제1 부하의 전류를 상기 충전수단에 공급하여 충전하고, ②설정전압 보다 높을 경우에 상기 충전수단의 입력 병렬 제어수단의 전도도를 증가시켜 상기 제1 부하의 전류를 병렬 제어수단으로 바이패스하여 상기 제2 부하의 전류를 차단하는 병렬 레귤레이션(discrete shunt regulation) 방법으로 제2 부하에 필요한 전력을 추출하는 활성전력추출 단계;
(2) 제1 부하가 비활성화 상태일 경우 상기 부하의 비활성 누설전류를 정류 후 제1 커패시터에 통과시켜 상기 커패시터에 전하를 축적하여 보조전력을 추출하는 비활성전류 추출단계;
상기 2단계의 출력을 통합한 후, 레귤레이션 단계를 거처 제1 부하의 활성화/비활성화 상태와 무관하게 제2 부하에 필요한 전력 추출방법In order to extract the power of the second load regardless of the activation / deactivation state of the first load in a serial network in which a first load and a switch for controlling the first load are connected,
(1) when the first load is in the activated state and the charging voltage is lower than the set voltage, the charging means opens the switch so that the first load and the serial network are configured so that the current of the first load is supplied to the charging means (2) a parallel regulation that increases the conductivity of the input parallel control means of the charging means and bypasses the current of the first load to the parallel control means to interrupt the current of the second load when the voltage is higher than the set voltage an active power extraction step of extracting power required for the second load by a discrete shunt regulation method;
(2) an inactive current extraction step of rectifying the inactive leakage current of the load when the first load is in an inactive state, passing the current through the first capacitor, and accumulating charges in the capacitor to extract auxiliary power;
After integrating the outputs of the two stages, the power extraction method necessary for the second load regardless of the activation / deactivation state of the first load through the regulation step
상기 스위치와 병렬로 연결된 충전수단 및 레귤레이션 수단을 구비하고;
(1) 제1 부하가 활성화 상태이면 상기 스위치를 단속하는 병렬 레귤레이션(discrete shunt regulation)방법으로 변조도에 따라 제2 부하에 전력의 분배량을 조절하여 상기 충전수단에 충전하는 단계;
(2) 제1 부하가 비활성화 상태일 경우 직류출력을 step-down converter로 변환하는 직렬 레귤레이션(series regulation) 방법으로 제2 부하에 필요한 전력을 추출하는 단계;
상기 두 직병렬 레귤레이션 방법을 연동하여 상기 제어모드 상태에 상관없이 스위치 양단에서 상기 제2 부하에 필요한 전력을 추출하는 방법.For extracting the first load and the power of the second load in series connection to control it, regardless of the activation / deactivation state;
A charging means and a regulation means connected in parallel with the switch;
(1) adjusting the distribution amount of electric power to the second load according to the degree of modulation by a discrete shunt regulation method in which the switch is interrupted when the first load is in an active state, thereby charging the charging means;
(2) extracting electric power required for the second load by a series regulation method of converting a direct current output to a step-down converter when the first load is in an inactive state;
And the two serial-parallel regulation methods are interlocked to extract the power required for the second load at both ends of the switch regardless of the control mode state.
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| KR1020170019222A KR20180093316A (en) | 2017-02-13 | 2017-02-13 | Self-powered Power Converter |
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| KR20180093316A true KR20180093316A (en) | 2018-08-22 |
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| KR102121193B1 (en) * | 2019-08-19 | 2020-06-10 | 주식회사 다원디엔에스 | Internet of things lighting switch module for preventing flicker |
| KR102121194B1 (en) * | 2019-08-21 | 2020-06-26 | 주식회사 다원디엔에스 | Internet of things lighting switch module with overheat protection |
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