KR20040103610A - Sychronous Rectifier Type High Efficiency Power Correction Circuit - Google Patents
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Abstract
본 발명은 동기식 정류기를 사용하는 영전압 스위칭 기법을 이용하고, 스위칭 주파수 변조를 통하여 경계 전류 모드로 동작시킴으로써 고효율 역률보상이 가능하게 하는 고효율 역률보상 회로에 관련한 것으로, 컨버터부, 출력전압 검출부, 입력전압 검출부, 영전압 검출부, 인덕터전류 검출부, 그리고, 비교연산부를 포함한다.The present invention relates to a high efficiency power factor correction circuit that uses a zero voltage switching technique using a synchronous rectifier and operates in a boundary current mode through switching frequency modulation, thereby enabling a high efficiency power factor correction circuit. And a voltage detector, a zero voltage detector, an inductor current detector, and a comparison operator.
상기 컨버터부는 브리지 정류기와 인덕터와, 스위칭 소자와 동기식 정류기 및 캐패시터를 구성되고, 상기 출력전압 검출부는 캐패시터 양단에 연결되며, 출력전압을 레벨 다운시켜 검출한다. 상기 입력전압 검출부는 브리지 정류기 출력에 연결되며, 입력전압을 레벨 다운시켜 검출하며, 상기 영전압 검출부는 스위칭 소자 양단에 연결되며, 전압을 레벨 다운시켜 검출한다. 상기 인덕터전류 검출부는 저항 또는 전류트랜스로 구성되어 인덕터 또는 스위칭 소자에 흐르는 전류를 검출한다. 상기 비교연산부는 상기 출력전압 검출부에서 출력전압 레벨을 제공받고, 상기 입력전압 검출부에서 입력전압 레벨을 그리고, 상기 영전압 검출부에서 스위칭 소자 양단전압을 제공받아 스위칭 소자의 온/오프 시간 및 스위칭 주파수 대역을 제어한다. 그 결과 기존의 역률보상 회로에 비해 전력변환 효율을 개선할 수 있다.The converter unit includes a bridge rectifier and an inductor, a switching element, a synchronous rectifier, and a capacitor, and the output voltage detector is connected across the capacitor and detects the output voltage by leveling down. The input voltage detector is connected to the output of the bridge rectifier and detects by leveling down the input voltage, and the zero voltage detector is connected across the switching element and detects by leveling down the voltage. The inductor current detector includes a resistor or a current transformer to detect a current flowing through the inductor or the switching device. The comparison operation unit receives an output voltage level from the output voltage detector, an input voltage level from the input voltage detector, and a voltage across the switching device from the zero voltage detector, so that an on / off time and a switching frequency band of the switching device are provided. To control. As a result, the power conversion efficiency can be improved compared to the conventional power factor correction circuit.
Description
본 발명은 고효율 역률보상 회로에 관한 것으로, 보다 상세히는 동기식 정류기를 사용하는 영전압 스위칭 기법을 이용하고, 스위칭 주파수 변조를 통하여 경계 전류 모드로 동작시킴으로써 고효율 역률보상이 가능하게 하는 고효율 역률보상 회로에 관한 것이다.The present invention relates to a high efficiency power factor correction circuit, and more particularly, to a high efficiency power factor correction circuit that uses a zero voltage switching technique using a synchronous rectifier and operates in a boundary current mode through switching frequency modulation. It is about.
직류회로의 전력계산에서는 전압과 전류를 곱하기만 하면 되지만 교류회로의 전력계산에서는 전류, 전압이 동상인 경우를 제외하고는 반드시 전압과 전류의 실효치에 cosθ라는 계수를 곱해야 한다. 이 계수를 역률(power factor)이라고 하며 보통 p.f라 칭한다.In the power calculation of a DC circuit, you only need to multiply the voltage with the current. In the power calculation of the AC circuit, except for the case where the current and the voltage are in phase, the effective value of the voltage and the current must be multiplied by the coefficient cosθ. This coefficient is called the power factor and is commonly referred to as p.f.
일반적으로, 부스트 컨버터(Booster converter)의 역률 보상을 위한 제어방식은 인덕터에 흐르는 전류의 모양에 따라 불연속 전류모드(DCM ; Discontinuous Conduction Mode), 경계 전류 모드(BCM ; Boundary Conduction Mode) 그리고 연속 전류 모드(CCM ; Continuous Conduction Mode)와 같이 크게 세 가지로 나눌 수 있다.In general, a control method for power factor correction of a boost converter includes a discontinuous conduction mode (DCM), a boundary current mode (BCM), and a continuous current mode depending on the shape of the current flowing through the inductor. Like (CCM; Continuous Conduction Mode), it can be classified into three types.
일반적으로 부가적인 회로가 추가되지 않은 간단한 형태의 부스트 컨버터에서 불연속 전류 모드는 영전류 스위칭이 가능한 반면 큰 피크 전류가 발생하며, 영전압 스위칭이 불가능하다. 경계 전류 모드는 영전류 스위칭이 가능하고, 영전압 스위칭이 가능하며, 불연속 전류 모드에 비해 작은 피크 전류를 가지는 장점이 있으나, 영전압 스위칭이 매우 협소한 범위로 제한되고 연속 전류 모드에 비해서는 큰 전류 피크를 가진다. 연속 전류 모드는 가장 작은 전류 피크를 가지는 장점이 있으나, 영전압 및 영전류 스위칭이 불가능하며 이로 인한 스위칭 손실과 노이즈를 발생시키는 단점이 있다.In general, in a simple boost converter without additional circuitry, discontinuous current mode allows zero current switching, while large peak currents occur, and zero voltage switching is not possible. Boundary current mode has the advantage of zero current switching, zero voltage switching, and has a small peak current compared to discontinuous current mode, but zero voltage switching is limited to a very narrow range and is larger than continuous current mode. Has a current peak. Continuous current mode has the advantage of having the smallest current peak, but zero voltage and zero current switching is impossible and there is a disadvantage that generates switching losses and noise.
도 1은 영전류 검출을 통한 경계 전류 모드 역률 보상 회로의 구성도이다.1 is a block diagram of a boundary current mode power factor correction circuit through zero current detection.
도 1에서와 같이, 영전류 검출을 통한 경계 전류 모드 역률 보상 회로는 부스트 컨버터부(10), 출력전압 검출부(20), 입력전압 검출부(30), 인덕터전류 검출부(60), 그리고 비교연산부(50)로 구성된다. 인덕터의 전류가 영전류가 되면 스위칭 소자를 온 시키고, 인덕터 전류가 입력 전압에 비례하는 일정값에 도달하면 스위칭 소자를 오프 시킨다. 그리고, 출력전압의 레벨에 따라 인덕터 전류가 도달하는 기준값을 변화시킴으로써 출력전압을 안정화시킨다.As shown in FIG. 1, the boundary current mode power factor correction circuit using zero current detection includes a boost converter 10, an output voltage detector 20, an input voltage detector 30, an inductor current detector 60, and a comparison operator ( 50). When the inductor current reaches zero current, the switching element is turned on. When the inductor current reaches a constant value proportional to the input voltage, the switching element is turned off. The output voltage is stabilized by changing the reference value at which the inductor current reaches according to the level of the output voltage.
도 2는 상기한 도 1의 기본적인 동작 개념을 설명하기 위한 파형도이다.FIG. 2 is a waveform diagram illustrating a basic operation concept of FIG. 1.
도 2를 참조하면, 브리지 정류기 출력의 한주기(1/120Hz) 동안의 인덕터 전류 파형과 스위칭 소자 게이트 신호의 변화를 간략히 도시한다.Referring to FIG. 2, the change in the inductor current waveform and the switching element gate signal during one period (1/120 Hz) of the bridge rectifier output is briefly shown.
도 3은 도 1의 영전압 스위칭 조건에 따른 스위칭 소자 양단전압의 변화를 설명하기 위한 파형도이다.FIG. 3 is a waveform diagram illustrating a change in voltage across the switching element according to the zero voltage switching condition of FIG. 1.
도 3을 참조하면, 출력전압과 입력전압의 차가 입력전압보다 작을때, 영전압 스위칭이 불가능한 경우를 도시하고 있으며, 역률보상 회로의 일반적인 출력인 약 400볼트 직류전압과 일반적인 입력 220볼트 교류전압을 고려하면, 어떤 스위칭 지연을 삽입하여도 스위칭 소자의 양단전압은 영전압에 도달하지 않는다.Referring to FIG. 3, when the difference between the output voltage and the input voltage is smaller than the input voltage, the zero voltage switching is not possible. In consideration of this, even if any switching delay is inserted, the voltage across the switching element does not reach zero voltage.
본 발명의 기술과 과제는 이러한 종래의 단점을 해결하기 위한 것으로, 동기식 정류기를 사용하여 다이오드를 사용하는 방식보다 소자의 손실을 줄이며, 동기식 정류기의 도통 구간을 제어함으로써 영전압 스위칭이 가능하도록 하며, 이를 통해 스위칭 손실을 최소화한다. 또한, 스위칭 주파수 변조방식과의 결합을 통해 확장된 경계 전류모드 역률 개선회로에 적합할뿐 아니라, 주파수 변조방식의 단점인 경부하 조건시 과도한 주파수 상승을 개선하며, 진폭 변조방식에서 발생하는 경부하시 큰 내부 순환전류에 의한 손실 또한 개선하여 고효율 역률 보상회로를 제공하는 것이다.The present invention has been made to solve the above-mentioned drawbacks, and by using a synchronous rectifier to reduce the loss of the device than the method using a diode, by controlling the conduction section of the synchronous rectifier to enable zero voltage switching, This minimizes switching losses. In addition, it is not only suitable for the extended boundary current mode power factor improvement circuit by combining with the switching frequency modulation method, but also improves excessive frequency rise under light load conditions, which is a disadvantage of the frequency modulation method. The loss caused by the large internal circulating current is also improved to provide a high efficiency power factor correction circuit.
도 1은 영전류 검출을 통한 경계 전류 모드 역률 보상 회로의 구성도이다.1 is a block diagram of a boundary current mode power factor correction circuit through zero current detection.
도 2는 도 1의 기본적인 동작 개념을 설명하기 위한 파형도이다.2 is a waveform diagram illustrating a basic operation concept of FIG. 1.
도 3은 도 1의 영전압 스위칭 조건에 따른 스위칭 소자 양단전압의 변화를 설명하기 위한 파형도이다.FIG. 3 is a waveform diagram illustrating a change in voltage across the switching element according to the zero voltage switching condition of FIG. 1.
도 4은 본 발명에 의한 동기식 정류기를 이용한 영전압 스위칭 특성을 가진 경계 전류 모드 역률 보상 회로의 구성도이다.4 is a block diagram of a boundary current mode power factor correction circuit having a zero voltage switching characteristic using a synchronous rectifier according to the present invention.
도 5는 도 4의 본 발명에 의한 인덕터에 흐르는 전류 파형도 및 스위칭 소자 게이트 전압 파형도이다.5 is a waveform diagram of current flowing through an inductor and a switching device gate voltage waveform of the present invention of FIG. 4.
도 6는 도 4의 본 발명에 의한 영전압 스위칭이 발생하는 부분을 자세히 나타낸 전류 및 전압 파형도이다.FIG. 6 is a diagram showing current and voltage waveforms in detail showing a portion in which zero voltage switching according to the present invention of FIG. 4 occurs.
도 7은 부하변동에 따른 주파수 변조회로와 진폭 변조회로의 특성을 비교하기 위한 파형도이다.7 is a waveform diagram for comparing the characteristics of a frequency modulation circuit and an amplitude modulation circuit according to load variation.
도 8은 도 4의 영전압 검출부를 전류 검출에 이은 지연회로로 대치한 구성도이다.8 is a configuration diagram in which the zero voltage detector of FIG. 4 is replaced with a delay circuit following current detection.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *Explanation of symbols on the main parts of the drawings
10, 100 : 부스트 컨버터부20, 200 : 출력전압 검출부10, 100: boost converter section 20, 200: output voltage detector
30, 300 : 입력전압 검출부40, 400 : 영전압 검출부30, 300: input voltage detector 40, 400: zero voltage detector
50, 500 : 비교 연산부60, 600 : 인덕터전류 검출부50, 500: comparison operation unit 60, 600: inductor current detection unit
70, 700 : 지연 회로70, 700: delay circuit
S1 : 스위칭 모스 트랜지스터S2 : 동기식 정류기S1: switching MOS transistor S2: synchronous rectifier
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징인 고효율 역률 보상회로는, 상용교류전원을 브리지 정류기로 정류하고, 정류된 전압을 스위칭 소자가 온되는 동안 인덕터에 유기하여 인덕터 전류를 상승시키고, 이를 통해 인덕터에 저장된 에너지를 스위칭 소자가 오프되는동안 동기식 정류기를 통해 캐패시터에 공급한다. 인덕터 전류가 설정된 음의 값에 도달하면 동기식 정류기을 턴오프하고, 스위칭 소자 양단의 전압이 영전압이 되면, 스위칭 소자 게이트에 온신호를 인가하여 영전압 스위칭이 가능하도록 구성한다. 그리고 입력전압 검출부에서 제공받는 입력전압 레벨에 비례하여 스위칭 소자에 온신호를 공급한 다음, 오프시킨다. 스위칭 소자가 오프되면 동기식 정류기에 온신호를 공급하여 출력측에 전력을 전달한다. 이는 입력전압 파형과 동일한 파형의 인덕터 전류를 생성하게 되어 역률을 보상한다. 그리고, 출력 전압 레벨에 비례하여 스위칭 주파수 대역을 변조함으로써 정전압 제어가 가능하다.The high efficiency power factor correction circuit, which is a feature of the present invention for achieving the above object, rectifies a commercial AC power supply into a bridge rectifier, induces a rectified voltage in an inductor while the switching element is turned on, thereby increasing the inductor current. Energy stored in the inductor is supplied to the capacitor through the synchronous rectifier while the switching device is off. When the inductor current reaches a set negative value, the synchronous rectifier is turned off, and when the voltage across the switching element reaches zero voltage, the on-signal is applied to the switching element gate to configure zero voltage switching. The on signal is supplied to the switching element in proportion to the input voltage level provided by the input voltage detector, and then turned off. When the switching device is off, the synchronous rectifier supplies an on-signal to deliver power to the output. This produces an inductor current with the same waveform as the input voltage waveform, compensating for the power factor. In addition, constant voltage control is possible by modulating the switching frequency band in proportion to the output voltage level.
그러면, 본 발명의 실시예에 관해 도면을 참조하여 설명하기로 한다.An embodiment of the present invention will now be described with reference to the drawings.
도 4은 본 발명에 의한 동기식 정류기를 이용한 영전압 스위칭 특성을 가진 경계 전류 모드 역률 보상 회로의 구성도이다4 is a block diagram of a boundary current mode power factor correction circuit having a zero voltage switching characteristic using a synchronous rectifier according to the present invention.
도 4에서와 같이, 역률 보상회로는 컨버터부(10), 출력전압 검출부(20), 입력전압 검출부(30), 영전압 검출부(40), 인덕터전류 검출부(60), 그리고, 비교연산부(50)를 포함한다.As shown in FIG. 4, the power factor correction circuit includes a converter unit 10, an output voltage detector 20, an input voltage detector 30, a zero voltage detector 40, an inductor current detector 60, and a comparison operator 50. ).
우선, 교류전원이 인가되면 브리지 정류기에 의해서 120Hz의 전파정류전원으로 변환되고, 스위칭 모스트랜지스터(S1)가 턴온되면 인턱터 양단에는 입력전압이 인가되어 인덕터 전류를 선형적으로 증가시킨다.First, when AC power is applied, the bridge rectifier is converted into a full-wave rectifier of 120 Hz. When the switching MOS transistor S1 is turned on, an input voltage is applied across the inductor to linearly increase the inductor current.
스위칭 모스트랜지스터(S1)의 턴온기간은 전류 검출부(60)에서 검출된 전류값이 비교연산기(50)가 가지는 전류명령과 같아지는 시간동안이 되며, 상기 전류명령은 현재의 입력전압과 현재의 출력전압의 함수로 결정된다.The turn-on period of the switching MOS transistor S1 is for a time when the current value detected by the current detector 60 is equal to the current command of the comparison operator 50, and the current command is a current input voltage and a current output. Determined as a function of voltage
전류 검출부(60)의 인덕터 전류값이 비교연산기(50)의 전류명령과 같아지는 순간 스위칭 모스트랜지스터(S1)가 턴오프되고, 인덕터에 흐르던 전류는 동기식 정류기(S2)를 통해 출력 콘덴서로 흐르게 되어 전력을 공급하게 된다. 이때 기존의 부스트 방식의 역률보상회로에서는 다이오드를 통해 전류가 흐르게 되는 반면, 본 발명의 실시예에서는 동기식 정류기(S2)를 통해 전류를 공급하므로 도전성 전력손실을 줄일수 있다.As soon as the inductor current value of the current detector 60 is equal to the current command of the comparison operator 50, the switching MOS transistor S1 is turned off, and the current flowing in the inductor flows to the output capacitor through the synchronous rectifier S2. It will supply power. In this case, in the conventional boost type power factor correction circuit, current flows through the diode, whereas in the embodiment of the present invention, current is supplied through the synchronous rectifier S2, thereby reducing the electric power loss.
동기식 정류기(S2)가 턴온되는 동안 인덕터 양단에는 입력전압과 출력전압의 차이만큼의 전압이 스위칭 모스트랜지스터(S1)의 턴온기간과는 반대방향으로 인가되고, 그로인해 인덕터 전류는 선형적으로 감소하게 된다.While the synchronous rectifier S2 is turned on, a voltage equal to the difference between the input voltage and the output voltage is applied across the inductor in the opposite direction to the turn-on period of the switching MOS transistor S1, thereby causing the inductor current to decrease linearly. do.
동기식 정류기(S2)는 인덕터 전류가 선형적으로 감소하여 역방향이 되면 도 6에서 나타낸 것처럼 지연시간(A) 경과후 턴오프될 수 있도록 구동신호를 인가하여야 한다. 이는 본 발명이 도전성 전력손실뿐아니라 스위칭 모스트랜지스터(S1)의 스위칭 전력손실 또한 감소시킬 수 있게 한다. 지연시간동안의 역방향 전류로 인해 인덕터에 여기된 자기 에너지는 도 3에서 나타낸 것처럼 두배의 입력전압이 출력보다 크게되는 조건에서도 스위칭 모스트랜지스터(S1)의 기생 출력콘덴서에 축적된 여분의 전하를 방전시켜 영전압에 도달할 수 있게 한다.When the inductor current decreases linearly and becomes the reverse direction, the synchronous rectifier S2 needs to apply a driving signal so that the synchronous rectifier S2 can be turned off after the delay time A has elapsed as shown in FIG. 6. This allows the present invention to reduce not only the conductive power loss but also the switching power loss of the switching MOS transistor S1. The magnetic energy excited by the inductor due to the reverse current during the delay time discharges the extra charge accumulated in the parasitic output capacitor of the switching MOS transistor S1 even under the condition that the double input voltage is larger than the output as shown in FIG. Allow zero voltage to be reached.
도 6에서 (B)구간은 영전압 스위칭이 가능한 구간으로 스위칭 모스트랜지스터(S1)은 이 구간동안 턴온될 수 있도록 구동신호를 인가하여야 한다.In FIG. 6, section (B) is a section in which zero voltage switching is possible, and the switching MOS transistor S1 must apply a driving signal to be turned on during this section.
도 8은 본 발명에 따른 또 다른 실시예를 설명하기 위한 그림으로 도 4의 영전압 검출부를 전류검출에 이은 지연회로로 대치한 구성도이다. 부스트 컨버터부(10)의 인덕터전류가 동기식 정류기(S2)를 통해 선형적으로 감소하여 역방향이 되면 도 6에서 나타낸 것처럼 지연시간(A) 경과후 턴오프될 수 있도록 구동신호를 인가하고, 스위칭 모스트랜지스터(S1)의 양단전압이 영전압에 이르는 것을 검출하는대신 영전압에 도달할 수 있는 시간을 지연하여 S1을 턴온시킴으로써 영전압 검출부(40)를 사용하지 않고도 영전압 스위칭이 가능하도록 구성할 수 있다.FIG. 8 is a diagram illustrating another embodiment according to the present invention, in which the zero voltage detector of FIG. 4 is replaced by a delay circuit following current detection. When the inductor current of the boost converter unit 10 decreases linearly through the synchronous rectifier S2 and is reversed, a driving signal is applied to turn off after a delay time A as shown in FIG. Instead of detecting that the voltage across the transistor S1 reaches zero voltage, by delaying the time at which the zero voltage can be reached and turning on S1, zero voltage switching can be performed without using the zero voltage detector 40. have.
본 발명은 동기식 정류기와 스위칭 주파수 변조방식을 이용하여 확장된 경계 전류모드로 동작하는 역률 개선회로를 제공한다. 이러한 방식의 역률 개선회로는 기존의 부스트 컨버터를 이용한 역률 개선회로에 비해 전력변환 효율을 향상시킬수 있고, 따라서 전력손실로 발생하는 열이 감소하므로 방열 대책이 용의하며, 스위칭 노이즈 또한 적게 발생시키므로 역률 개선회로의 입.출력측 필터 설계가 용의하며, 소형화 가능한 이점이 있다.The present invention provides a power factor correction circuit operating in an extended boundary current mode using a synchronous rectifier and a switching frequency modulation scheme. The power factor correction circuit of this type can improve the power conversion efficiency compared to the conventional power factor correction circuit using a boost converter. Therefore, since heat generated by power loss is reduced, heat dissipation measures are easy, and switching noise is also generated. The input and output filter design of the improved circuit is easy and has the advantage of miniaturization.
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Patent event date: 20051020 Comment text: Decision to Refuse Application Patent event code: PE06012S01D Patent event date: 20050712 Comment text: Notification of reason for refusal Patent event code: PE06011S01I |