개선된 Variable On-time 제어를 이용한 임계 도통 모드 부스트 역률 보상 회로

Abstract

전력전자 기술의 발전에 따라 비선형 부하의 비중이 늘어나게 되었고, 그로부터 발생하는 고조파에 의한 피해도 증가하게 되었다. 이에 따라 고조파에 의한 피해를 방지하기 위한 규제가 강화되었으며, AC-DC 변환 회로에 능동 역률 보상 회로가 필수적으로 포함되고 있다. 능동 역률 보상 회로 중 저전력 응용 분야에서 가장 널리 쓰이는 기술은 CRM(Critical Conduction Mode

임계 도통 모드)으로 동작하는 부스트(boost) 역률 보상 회로이다. CRM 부스트 역률 보상 회로는 CCM(Continuous Conduction Mode

연속 도통 모드) 방식의 문제점인 다이오드 역 회복(Reverse recovery) 현상에 의한 손실이 없다는 장점이 있고, 부스트 인덕터의 크기를 CCM 방식에 비해 작게 설계할 수 있다는 장점이 있지만 인덕터 전류의 첨두치가 입력 전류의 두 배가 되기 때문에 대전력보다는 300 W 이하 전력대에 적합하다. CRM 부스트 역률 보상 회로를 제어하는 방법으로 Constant On-time 제어 방법이 있으나, 입력 전압이 0 V를 지나는 구간에서 입력 전류에 심한 왜곡이 발생하게 된다. 이를 개선하기 위해 Variable On-time 제어 방법이 제시되었지만, 제어를 구현하기 위하여 실험적으로 변수 값을 찾아야 하는 어려움이 있었다. 본 논문에서는 디지털 제어를 활용하여 CRM모드에서 스위치 도통 시간이 입력 전압에 따라 최적으로 변하도록 함으로써 입력 전압이 0 V에 가까운 구간에서 입력 전류의 왜곡을 개선하고 입력 전류의 THD(Total Harmonic Distortion)를 최소화할 수 있는 알고리즘을 제안한다. 제안하는 제어 방법은 기존 아날로그 제어에서 실험적으로 제어 변수를 얻어야 했던 방식을 개선하기 위해, DSP(Digital Signal Processor)를 활용하여 파형 분석을 통한 수식적인 접근을 제시한다. 제안된 제어 알고리즘의 성능을 검증하기 위해 모의실험으로 동작을 확인하였고, 100 W AC-DC 컨버터를 제작하여 디지털 제어를 통해 제어를 구현하였다.

As the technology of power electronics develops, the portion of non-linear loads grows, which generates more harmonic current than the past. The harmonic components of line current are not involved in power transfer, but just circulating, enlarging the RMS value of the line current, which increases the conduction losses of the transmission line and generates heat. To protect devices from the effect of the harmonic current, international regulations on harmonic currents such as IEC61000-3-2 have been established. To satisfy the regulations, AC-DC converters should contain power factor correction (PFC) circuit as a pre-regulator. CRM boost PFC rectifier is widely used for its advantages, especially in the power range under 300W. Conventional method to control CRM boost PFC rectifier is Constant On-time control. Its simple and intuitive, but there is the zero-crossing distortion near the ac line voltage zero crossing point. To solve this problem, the Variable On-time control was proposed. However, to implement this control method, the control value should be obtained by empirical method. In this paper, an enhanced Variable On-time control method is proposed. Unlike the conventional Variable On-time control, the proposed method calculates the switch on-time by analyzing key waveforms of the boost PFC converter to find proper switch on-time for input current shaping. By the help of digital control, the calculated on-time can be converted to the gate signal. The performance is verified with a 400V, 100W boost PFC rectifier controlled by DSP.