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KR20140096948A - 단일 전력단 역률개선회로 - Google Patents

단일 전력단 역률개선회로 Download PDF

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KR20140096948A
KR20140096948A KR1020130058813A KR20130058813A KR20140096948A KR 20140096948 A KR20140096948 A KR 20140096948A KR 1020130058813 A KR1020130058813 A KR 1020130058813A KR 20130058813 A KR20130058813 A KR 20130058813A KR 20140096948 A KR20140096948 A KR 20140096948A
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KR
South Korea
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output
unit
power factor
voltage
factor improving
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Application number
KR1020130058813A
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Inventor
강정원
이준영
Original Assignee
단국대학교 산학협력단
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Publication date
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Abstract

본 발명에 의한 단일 전력단 역률개선회로는, 교류전원을 전파 정류하여 입력전압을 제공하는 전원부, 상기 전원부의 출력에 연결되고, 상기 입력전압을 제공받아 분배전압을 생성하는 전압 분배부, 상기 전원부의 출력에 연결되고, 상기 입력전압을 제공받아 온/오프 동작에 따라 에너지를 축적하거나 상기 축적된 에너지의 전달을 통하여 충전전류를 제공하는 역률개선 컨버터부, 상기 역률개선 컨버터부의 출력에 연결되고, 상기 충전전류를 제공받아 리플 성분을 제거하여 출력전압을 제공하는 출력 필터부, 상기 출력전압에 상응하는 출력전류를 제공받아 발광 동작을 수행하는 발광부, 및 상기 전압 분배부, 상기 역률개선 컨버터부 및 상기 발광부에 연결되고, 상기 역률개선 컨버터부의 온/오프 동작을 제어하는 제어신호를 생성하여 상기 역률개선 컨버터부를 제어하는 제어부를 포함한다.

Description

단일 전력단 역률개선회로{Single Power Stage Power Factor Correction Circuit}
본 발명은 역률개선회로에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 발광 다이오드를 이용한 조명용 전원장치에 적용되는 단일 전력단 역률개선회로에 관한 것이다.
발광 다이오드(Light Emitting Diode; LED)는 PN 접합에 순방향으로 전류를 흐르게 하여 빛을 발생시키는 반도체 소자이다. 발광 다이오드는 전기에너지를 빛에너지로 변환하는 효율이 높고, 긴 수명을 가지며, 소비 전력이 적고, 유지 및 보수 비용을 크게 절감할 수 있어 차세대 조명용 소자로 주목받고 있다.
이러한 발광 다이오드는 일반적으로 직류로 구동되기 때문에, 종래의 조명과는 달리 발광 다이오드를 이용한 조명용 전원장치에는 교류를 직류로 변환해주는 컨버터가 필요하다. 상기 컨버터는 상용전원에 연결되기 때문에 상용전원과 부하 간의 전기적인 절연회로와 에너지 효율의 극대화를 위한 역률개선회로가 필수적으로 요구된다.
특히, 플라이백 컨버터는 변압기를 사용함에 따라 출력전압의 가변이 용이하고, 상용전원과 부하를 전기적으로 절연시킬 수 있어 발광 다이오드를 이용한 조명용 전원장치에 많이 사용된다. 또한, 발광 다이오드를 이용한 조명용 전원장치에는 역률개선을 위하여 단일 전력단 역률개선 방법이 많이 사용된다.
종래의 단일 전력단 역률개선 플라이백 컨버터는 출력전압에 포함되어 있는 리플 성분을 제거하기 위하여 출력단에 커패시터가 사용되는데 이러한 출력단 커패시터에는 대용량 전해 커패시터를 많이 사용한다. 하지만, 상기 전해 커패시터는 발광 다이오드보다 수명이 매우 짧아 발광 다이오드를 이용한 조명의 큰 장점인 긴 수명을 방해한다는 문제점이 있다.
또한, 단일 전력단 역률개선 플라이백 컨버터는 출력단 커패시터에 소용량의 커패시터를 사용하게 되면 커패시터의 용량이 충분하지 못하여 출력전압에 리플 성분, 특히 상용전원 주파수의 2배에 해당하는 주파수가 포함되어 발광 다이오드에 제공된다. 이러한 리플 성분은 출력전류에 포함되어 발광 다이오드에 플리커 현상을 야기 시킨다는 문제점이 있다.
본 발명은 상술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것이다. 즉, 출력단에 수명이 짧은 대용량의 전해 커패시터를 수명이 매우 긴 소용량의 필름 커패시터로 구현할 수 있는 단일 전력단 역률개선회로를 제공하는 것이 본 발명의 목적 중 하나이다. 또한, 본 발명의 목적 중 하나는 소용량의 커패시터를 사용함에 따라 발생되는 리플 성분을 제거할 수 있는 단일 전력단 역률개선회로를 제공하는 것이다.
본 발명에 의한 단일 전력단 역률개선회로는, 교류전원을 전파 정류하여 입력전압을 제공하는 전원부, 상기 전원부의 출력에 연결되고, 상기 입력전압을 제공받아 분배전압을 생성하는 전압 분배부, 상기 전원부의 출력에 연결되고, 상기 입력전압을 제공받아 온/오프 동작에 따라 에너지를 축적하거나 상기 축적된 에너지의 전달을 통하여 충전전류를 제공하는 역률개선 컨버터부, 상기 역률개선 컨버터부의 출력에 연결되고, 상기 충전전류를 제공받아 리플 성분을 제거하여 출력전압을 제공하는 출력 필터부, 상기 출력전압에 상응하는 출력전류를 제공받아 발광 동작을 수행하는 발광부, 및 상기 전압 분배부, 상기 역률개선 컨버터부 및 상기 발광부에 연결되고, 상기 역률개선 컨버터부의 온/오프 동작을 제어하는 제어신호를 생성하여 상기 역률개선 컨버터부를 제어하는 제어부를 포함한다.
일 실시예에서, 상기 출력 필터부는 출력 평활 커패시터, 및 상기 출력 평활 커패시터와 병렬 연결되고, 출력 필터 인덕터와 출력 필터 커패시터가 직렬 연결된 LC필터를 포함한다.
일 실시예에서, 상기 출력 필터 인덕터와 상기 출력 필터 커패시터의 용량은 상기 충전전류에 대한 상기 출력전압의 전달함수에 기초한 공진 주파가가 제거할 리플 성분의 주파수가 되도록 하여 산출된다.
일 실시예에서, 상기 리플 성분의 주파수는 상기 교류전원의 2배 주파수이다.
일 실시예에서, 상기 역률개선 컨버터부는 상기 제어신호에 따라 온/오프 동작을 수행하는 스위칭부, 상기 스위칭부의 온/오프 동작에 따라 에너지를 축적하거나 상기 축적된 에너지를 제공하고, 상기 제1 노드와 스위칭부 사이에 연결되는 1차 권선 및 상기 1차 권선과 커플링되는 2차 권선을 포함하는 변압기, 상기 변압기의 2차 권선에 연결되고, 상기 축적된 에너지의 경로를 제어하여 충전전류를 제공하는 제어 다이오드, 및 상기 스위칭부와 제1 접지 사이에 연결되는 센싱저항을 포함한다.
일 실시예에서, 상기 제어부는 상기 역률개선 컨버터부를 전류 경계모드(BCM; Boundary Conduction Mode), 전류 연속모드(CCM; Ccontinuous Conduction Mode) 및 전류 불연속모드(DCM; Discontinuous Conduction Mode) 중에서 어느 하나의 모드로 동작을 수행시킨다.
본 발명의 일 실시예에 의한다면, 출력단 커패시터에 수명이 매우 긴 필름 커패시터로 구현함으로써 발광 다이오드를 이용한 조명은 수명이 더욱더 연장된다는 효과가 제공된다. 또한, 본 발명의 일 실시예에 의한다면, 출력단에 출력 필터 인덕터와 출력 필터 커패시터가 직렬로 연결된 LC필터를 이용하여 출력전압에 포함되는 리플 성분, 특히 상용전원 주파수의 2배에 해당하는 주파수를 제거함으로써 발광 다이오드에 발생되는 플리커 현상을 현저히 줄일 수 있다는 효과가 제공된다. 또한, 상기 LC필터는 경계모드(BCM; Boundary Conduction Mode), 전류 연속모드(CCM; Ccontinuous Conduction Mode) 또는 전류 불연속모드(DCM; Discontinuous Conduction Mode)로 동작하는 단일 전력단 역률개선 컨버터에 사용될 뿐만 아니라 리플 성분의 제거가 필요한 어떠한 회로에도 적용 가능하다는 효과가 제공된다.
다만, 본 발명의 효과들은 이상에서 언급한 효과로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 단일 전력단 역률개선회로를 도시한 회로도이다.
도 2는 출력단에 출력 평활 커패시터(Co)와 LC필터(410)로 구성되는 본 발명의 일 실시예에 따른 단일 전력단 역률개선회로의 각 부분 전류와 전압 특성을 나타낸 그래프이다.
도 3은 출력단에 출력 평활 커패시터(Co)만으로 구성되는 종래의 단일 전력단 역률개선회로의 각 부분 전류와 전압 특성을 나타낸 그래프이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하에서는, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 단일 전력단 역률개선회로를 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 단일 전력단 역률개선회로를 도시한 회로도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 단일 전력단 역률회로는 전원부(100), 전압 분배부(200), 역률개선 컨버터부(300), 출력 필터부(400), 발광부(500) 및 제어부(600)를 포함한다.
전원부(100)는 교류전원(Vs)을 전파 정류하여 입력전압(Vin)을 제공한다. 또한, 전원부(100)는 교류전원(Vs), 입력 필터부(110), 전파 정류부(120) 및 입력 평활 커패시터(Cin)를 포함할 수 있다.
상기 교류전원(Vs)은 RMS 값이 220V이며, 60Hz의 주파수를 가진 일반 가정용 전원일 수 있으며, 일정한 주기를 가지고 다른 위상으로 맥류하는 전원일 수 있다.
상기 입력 필터부(110)는 상기 교류전원(Vs)의 출력에 연결될 수 있다. 구체적으로 입력 필터부(110)는 상기 교류전원(Vs)과 후술할 전파 정류부(120) 사이에 연결될 수 있다. 입력 필터부(110)는 교류전원(Vs)을 제공받고, 제공받은 교류전원(Vs)에 포함된 노이즈 성분을 제거한다. 도 1에 도시된바와 같이, 입력 필터부(110)는 입력 필터 인턱터(L1) 및 입력 필터 커패시터(C1)를 포함하는 LC 필터일 수 있다.
상기 전파 정류부(120)는 상기 입력 필터부(110)의 출력에 연결될 수 있다. 전파 정류부(120)는 상기 입력 필터부(110)를 통하여 제공되는 교류전원(Vs)을 제공받아 전파 정류하고, 전파 정류된 직류전원을 제공한다. 전파 정류부(120)는 교류전원(Vs)을 전파 정류할 수 있다면 어떠한 정류기 또는 정류회로를 사용하여도 무방하다. 일 예에서, 전파 정류부(120)는 다이오드 정류기를 사용할 수 있다. 상기 다이오드 정류기는 도면에 도시된바와 같이 브릿지 정류기일 수 있지만, 중간 탭 변압기(center tapped transformer)를 이용한 정류기일 수 있다. 다른 예에서, 전파 정류부(120)는 제어 정류기(controlled rectifier)를 사용할 수 있다. 상기 제어 정류기는 실리콘 제어 정류기(silicon controlled rectifier)와 같은 사이리스터(thyristor)일 수 있다.
상기 입력 평활 커패시터(Cin)는 상기 전파 정류부(120)의 출력에 연결될 수 있다. 입력 평활 커패시터(Cin)는 상기 전파 정류부(120)의 직류전원을 제공받아 평활 시키고, 평활된 직류전원인 입력전압(Vin)을 제공한다.
전압 분배부(200)는 상기 전원부(100)의 출력에 연결될 수 있다. 구체적으로, 전압 분배부(200)는 상기 전원부(100)와 후술할 역률개선 컨버터부(300) 사이에 연결될 수 있다. 전압 분배부(200)는 전원부(100)에서 제공되는 입력전압(Vin)을 제공받고, 제공받은 입력전압(Vin)을 분배하여 분배전압(Vr)을 생성한다. 생성된 분배전압(Vr)은 후술할 제어부(600)에 제공된다.
또한, 전압 분배부(200)는 제1 분배저항(R1) 및 제2 분배저항(R2)을 포함하고, 상기 제1 분배저항(R1)과 상기 제2 분배저항(R2)은 직렬로 연결될 수 있다. 또한, 제1 분배저항(R1)의 일단은 제1 노드에 연결되고, 제2 분배저항(R2)의 일단은 제1 접지(GND1)에 연결되며, 제1 분배저항(R1)과 제2 분배저항(R2)의 타단은 서로 연결된다. 이를 통해, 전압 분배부(200)는 제1 분배저항(R1)과 제2 분배저항(R2)의 중심점으로부터 분배전압(Vr)을 생성할 수 있다.
역률개선 컨버터부(300)는 상기 전원부(100)의 출력에 연결될 수 있다. 역률개선 컨버터부(300)는 전원부(100)에서 제공하는 입력전압(Vin)을 제공받고, 온/오프 동작에 따라 에너지를 축적하거나 상기 축적된 에너지의 전달을 통하여 충전전류(Ic)를 제공한다. 또한, 역률개선 컨버터부(300)는 스위칭부(320), 변압기(310), 제어 다이오드(D) 및 센싱저항(R3)을 포함할 수 있다.
상기 스위칭부(320)는 후술할 변압기(310)와 센싱저항(R3) 사이에 연결될 수 있다. 스위칭부(320)는 제어부(600)에서 제공하는 제어신호(Vcon)를 제공받고, 제어신호(Vcon)에 따라 온/오프 동작을 수행한다. 또한, 스위칭부(320)는 제어부(600)의 제어신호(Vcon)에 따라 온/오프 동작을 수행할 수 있다면 어떠한 소자를 사용하여도 무방하다. 일 예에서, 스위칭부(320)는 NMOS 트랜지스터(Q)를 사용할 수 있다. 다른 예에서, 스위칭부(320)는 다수의 NMOS 트랜지스터(Q)들이 직렬로 연결될 수 있다. 직렬로 연결된 NMOS 트랜지스터(Q)의 게이트 단자에 공통으로 제어신호(Vcon)가 인가될 수 있다.
상기 변압기(310)는 상기 스위칭부(320)와 연결되고, 스위칭부(320)의 온/오프 동작에 따라 에너지를 축적하거나 상기 축적된 에너지를 제공한다. 일 예에서, 변압기(310)는 고주파 변압기일 수 있다. 또한, 변압기(310)는 제1 노드와 스위칭부(320) 사이에 연결되는 1차 권선(312) 및 상기 1차 권선(312)과 커플링되는 2차 권선(314)을 포함할 수 있다.
상기 제어 다이오드(D)는 상기 변압기(310)의 출력에 연결될 수 있다. 구체적으로, 제어 다이오드(D)는 변압기의 2차 권선(314)에 연결되어 변압기(310)에서 제공하는 축적된 에너지의 경로를 제어하여 충전전류(Ic)를 제공한다.
상기 센싱저항(R3)은 상기 스위칭부(320)와 상기 제1 접지(GND1) 사이에 연결될 수 있다. 특히, 스위칭부(320)와 센싱저항(R3) 사이에서 감지된 센싱전압(Vq)은 제어부(600)에 제공된다.
계속해서 도 1을 참조하여 역률개선 컨버터부(300)의 동작 상태를 살펴보면, 변압기 1차 권선(312)의 일단은 흑점 방향이고 제1 노드에 연결되며, 변압기 1차 권선(312)의 타단은 NMOS 트랜지스터(Q)의 드레인에 연결된다. 또한, NMOS 트랜지스터(Q)의 게이트는 제어부(600)에 연결되고, 소스는 센스저항을 통하여 제1 접지(GND1)에 연결된다. 또한, 변압기 2차 권선(314)의 일단은 제어 다이오드(D)의 애노드에 연결되고, 변압기 2차 권선(314)의 타단은 흑점 방향이며 제2 접지(GND2)에 연결된다.
제어부(600)에서 제공되는 제어신호(Vcon)에 의해 NMOS 트랜지스터(Q)가 턴 온되면, 변압기 1차 권선(312)에는 입력전압(Vin)에 상응하는 입력전류(Iin)가 흐른다. 이때, 변압기 1차 권선(312)에는 입력전류(Iin)에 상응하여 전압이 유기되며, 변압기 2차 권선(314)에는 흑점 방향에 의해 제어 다이오드(D)에 역바이어스가 유도된다. 따라서, 변압기 1차 권선(312)에만 에너지가 축적된다. 이어서, 제어부(600)에서 제공되는 제어신호(Vcon)에 의해 NMOS 트랜지스터(Q)가 턴 오프되면, 변압기 2차 권선(314)에는 이전 상태와 반대 극성의 전압이 유기되어 제어 다이오드(D)를 턴 온시킨다. 따라서, 축적된 에너지는 제어 다이오드(D)들 통하여 충전전류(Ic)를 제공한다.
이러한 충전전류(Ic)에는 발광부(500)의 수명단축 및 플리커 현상을 발생시키는 교류 성분의 리플 성분이 포함될 수 있다. 상기 리플 성분은 저주파 리플 성분일 수 있다. 상기 저주파 리플 성분은 교류전원(Vs) 주파수의 2배일 수 있다. 일 예에서, 교류전원(Vs) 주파수가 60Hz라면, 저주파 리플 성분은 120Hz일 수 있다. 따라서, 충전전류(Ic)에 포함되어 있는 리플 성분을 제거하기 위하여 출력 필터부(400)를 포함할 수 있다.
계속해서 도 1을 참조하면, 출력 필터부(400)는 역률개선 컨버터부(300)의 출력에 연결될 수 있다. 출력 필터부(400)는 역률개선 컨버터부(300)에서 제공하는 충전전류(Ic)를 제공받고, 상기 제공받은 충전전류(Ic)의 리플 성분을 제거하여 출력전압(Vo)을 생성하며, 생성된 출력전압(Vo)을 후술할 발광부(500)에 제공한다.
또한, 출력 필터부(400)는 출력 평활 커패시터(Co)와 LC필터(410)를 포함하고, 상기 출력 평활 커패시터(Co)와 상기 LC필터(410)는 병렬로 연결될 수 있다. 상기 LC필터(410)는 출력 필터 인덕터(L2)와 출력 필터 커패시터(C2)를 포함하고, 상기 출력 필터 인덕터(L2)와 상기 출력 필터 커패시터(C2)는 직렬로 연결될 수 있다.
상기 출력 필터 인덕터(L2)와 상기 출력 필터 커패시터(C2)의 용량은 충전전류(Ic)에 대한 출력전압(Vo)의 전달함수에 기초한 공진 주파수가 제거할 리플 성분의 주파수가 되도록 하여 산출될 수 있다.
즉, 상기 출력 필터부(400)에서 충전전류(Ic)에 대한 출력전압(Vo)의 전달함수는 하기의 수학식 1을 따른다. 특히, 상기 충전전류(Ic)와 상기 출력전압(Vo)은 평균값일 수 있다.
Figure pat00001
또한, 상기 수학식 1에 기초한 공진 주파수는 하기의 수학식 2를 따른다.
Figure pat00002
상기 수학식 2의 공진 주파수가 제거할 리플 성분의 주파수가 되도록 하여 출력 필터 인덕터(L2)와 출력 필터 커패시터(C2)의 용량을 산출할 수 있다. 즉, 교류전원(Vs)이 60Hz이고, 제거할 리플 성분이 상기 교류전원(Vs)의 2배 주파수인 120Hz라고 하면 하기의 수학식 3과 같이 나타낼 수 있다.
Figure pat00003
따라서, 수학식 3을 통하여 산출된 용량을 가지는 출력 필터 인덕터(L2)와 출력 필터 커패시터(C2)를 이용하여 LC필터(410)를 설계함으로써 출력 필터부(400)는 충전전류(Ic)에 포함되어 있는 120Hz의 리플 성분을 제거할 수 있다.
발광부(500)는 상기 출력 필터부(400)의 출력에 연결될 수 있다. 발광부(500)는 출력 필터부(400)로부터 출력전압(Vo)에 상응하는 출력전류(Io)를 제공받아 발광 동작을 수행한다. 또한, 발광부(500)는 적어도 하나의 발광 다이오드를 가진다.
제어부(600)는 상기 전압 분배부(200), 상기 역률개선 컨버터부(300) 및 상기 발광부(500)에 연결될 수 있다. 제어부(600)는 역률개선 컨버터부(300)의 온/오프 동작을 제어하는 제어신호(Vcon)를 생성하고, 생성된 제어신호(Vcon)를 상기 역률개선 컨버터부(300)에 제공하며, 제공된 제어신호(Vcon)에 따라 역률개선 컨버터부(300)를 제어한다.
또한, 제어부(600)는 상기 역률개선 컨버터부(300)를 전류 경계모드(BCM; Boundary Conduction Mode), 전류 연속모드(CCM; Ccontinuous Conduction Mode) 및 전류 불연속모드(DCM; Discontinuous Conduction Mode) 중에서 어느 하나의 모드로 동작을 수행시킬 수 있다. 즉, 상기 전류 경계모드는 충전전류(Ic)가 0이 되는 순간 상기 역률개선 컨버터부(300)의 스위칭부(320)가 ON 또는 OFF 동작을 수행하는 것을 의미한다. 또한, 상기 전류 연속모드는 충전전류(Ic)가 0이 되기 전에 상기 역률개선 컨버터부(300)의 스위칭부(320)를 ON 또는 OFF 동작을 수행하는 것을 의미한다. 또한, 상기 전류 불연속모드는 충전전류(Ic)가 0이 된 후에 상기 역률개선 컨버터부(300)의 스위칭부(320)가 ON 또는 OFF 동작을 수행하는 것을 의미한다.
또한, 제어부(600)는 역률제어기(610), 옵토커플러(620) 및 전류제어기(630)를 포함할 수 있다. 상기 역률제어기(610)는 역률개선 컨버터부(300)를 전류 경계모드로 동작 시키는 BCM제어기, 전류 연속모드로 동작 시키는 CCM제어기 및 전류 불연속모드로 동작시키는 DCM제어기 중에서 어느 하나를 포함할 수 있다.
상기 역률제어기(610)는 전압 분배부(200)에서 생성되는 분배전압(Vr)과, 스위칭부(320)와 센싱저항(R3) 사이에서 감지된 센싱전압(Vq)과, 발광부(500)를 통과한 전류를 제공받아 전류제어기(630)와 옵토커플러(620)를 통하여 생성되는 피드백전압(Vfb)을 입력받는다. 역률제어기(610)는 제공받은 전압들을 이용하여 역률개선 컨버터부(300)의 스위칭부(320)에 제공되는 제어신호(Vcon)를 생성한다.
도 2는 출력단에 출력 평활 커패시터(Co)와 LC필터(410)로 구성되는 본 발명의 일 실시예에 따른 단일 전력단 역률개선회로의 각 부분 전류와 전압 특성을 나타낸 그래프이다.
도 3은 출력단에 출력 평활 커패시터(Co)만으로 구성되는 종래의 단일 전력단 역률개선회로의 각 부분 전류와 전압 특성을 나타낸 그래프이다.
도 2 및 도 3을 참조하면, Vs는 입력되는 교류전원이고, Is는 상기 교류전원(Vs)에 상응하는 전류이다. 특히, 교류전원(Vs)은 상용전원으로서 220V, 60Hz를 가진다. 또한, Vo는 발광부(500)에 제공되는 출력전압이고, Io는 발광부(500)에 제공되는 출력전류(Io)이다.
도 3에 도시된바와 같이 종래의 단일 전력단 역률개선회로는 출력 평활 커패시터(Co)로 1000을 사용하여야만 출력전압(Vo)이 안정되는 것을 알 수 있다. 또한, 종래의 구조는 출력전압(Vo)이 안정됨에도 불구하고 출력전류(Io)에 리플 성분, 특히 120Hz의 리플 성분이 나타나고 있음을 알 수 있다. 이에 반해, 도 2에 도시된바와 같이 본 발명의 일 실시예에 따른 단일 전력단 역률개선회로는 출력 평활 커패시터(Co)로 100을 사용하여도 종래의 구조보다 출력전압(Vo)이 더욱더 안정되는 것을 알 수 있다. 또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 구조는 LC필터(410)(L2=8mH, C2=100)를 사용함에 따라 출력전류(Io)에 리플 성분, 특히 120Hz의 리플 성분이 제거됨을 알 수 있다. 상술한 특성은 전류 경계모드로 동작되는 단일 전력단 역률개선회로를 이용하여 측정한 결과이지만, 본 발명의 일 실시예에 따른 단일 전력단 역률개선회로는 전류 연속모드 또는 전류 불연속 모드에서도 사용가능하다.
따라서, 종래에 출력전압(Vo)의 리플 성분을 제거하기 위하여 출력단 커패시터(Co)에 대용량의 전해 커패시터가 배치되는 구조보다 출력단 커패시터(Co)에 수명이 매우 긴 필름 커패시터로 구현함으로써 본 발명의 일 실시예에 따른 조명은 수명이 더욱더 연장된다는 효과가 제공된다. 또한, 출력단에 출력 필터 인덕터(L2)와 출력 필터 커패시터(C2)가 직렬로 연결된 LC필터(410)를 이용하여 출력전압(Vo)에 포함되는 리플 성분, 특히 교류전원(Vs) 주파수의 2배에 해당하는 주파수를 제거함으로써 발광 다이오드에 발생되는 플리커 현상을 현저히 줄일 수 있다는 효과가 제공된다. 또한, 상기 LC필터(410)는 경계모드(BCM; Boundary Conduction Mode), 전류 연속모드(CCM; Ccontinuous Conduction Mode) 또는 전류 불연속모드(DCM; Discontinuous Conduction Mode)로 동작하는 단일 전력단 역률개선 컨버터에 사용될 뿐만 아니라 리플 성분의 제거가 필요한 어떠한 회로에도 적용 가능하다는 효과가 제공된다.
100 : 전원부 110 : 입력 필터부
120 : 전파 정류부 200 : 전압 분배부
300 : 역률개선 컨버터부 310 : 변압기
312 : 변압기 1차 권선 314 : 변압기 2차 권선
320 : 스위칭부 400 : 출력 필터부
410 : LC필터 500 : 발광부
600 : 제어부 610 : 역률제어기
620 : 옵토커플러 630 : 전류제어기

Claims (6)

  1. 교류전원을 전파 정류하여 입력전압을 제공하는 전원부;
    상기 전원부의 출력에 연결되고, 상기 입력전압을 제공받아 분배전압을 생성하는 전압 분배부;
    상기 전원부의 출력에 연결되고, 상기 입력전압을 제공받아 온/오프 동작에 따라 에너지를 축적하거나 상기 축적된 에너지의 전달을 통하여 충전전류를 제공하는 역률개선 컨버터부;
    상기 역률개선 컨버터부의 출력에 연결되고, 상기 충전전류를 제공받아 리플 성분을 제거하여 출력전압을 제공하는 출력 필터부;
    상기 출력전압에 상응하는 출력전류를 제공받아 발광 동작을 수행하는 발광부; 및
    상기 전압 분배부, 상기 역률개선 컨버터부 및 상기 발광부에 연결되고, 상기 역률개선 컨버터부의 온/오프 동작을 제어하는 제어신호를 생성하여 상기 역률개선 컨버터부를 제어하는 제어부를 포함하는 단일 전력단 역률개선회로.
  2. 제1항에 있어서, 상기 출력 필터부는,
    출력 평활 커패시터; 및
    상기 출력 평활 커패시터와 병렬 연결되고, 출력 필터 인덕터와 출력 필터 커패시터가 직렬 연결된 LC필터를 포함하는 단일 전력단 역률개선회로.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 출력 필터 인덕터와 상기 출력 필터 커패시터의 용량은 상기 충전전류에 대한 상기 출력전압의 전달함수에 기초한 공진 주파가가 제거할 리플 성분의 주파수가 되도록 하여 산출되는 단일 전력단 역률개선회로.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 리플 성분의 주파수는 상기 교류전원의 2배 주파수인 단일 전력단 역률개선회로.
  5. 제1항에 있어서, 상기 역률개선 컨버터부는,
    상기 제어신호에 따라 온/오프 동작을 수행하는 스위칭부;
    상기 스위칭부의 온/오프 동작에 따라 에너지를 축적하거나 상기 축적된 에너지를 제공하고, 상기 제1 노드와 스위칭부 사이에 연결되는 1차 권선 및 상기 1차 권선과 커플링되는 2차 권선을 포함하는 변압기;
    상기 변압기의 2차 권선에 연결되고, 상기 축적된 에너지의 경로를 제어하여 충전전류를 제공하는 제어 다이오드; 및
    상기 스위칭부와 제1 접지 사이에 연결되는 센싱저항을 포함하는 단일 전력단 역률개선회로.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 역률개선 컨버터부를 전류 경계모드(BCM; Boundary Conduction Mode), 전류 연속모드(CCM; Ccontinuous Conduction Mode) 및 전류 불연속모드(DCM; Discontinuous Conduction Mode) 중에서 어느 하나의 모드로 동작을 수행시키는 단일 전력단 역률개선회로.
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