Boost-Converter를 이용한 PFC (Power Factor Correction)설계 및 제작

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1 Boost-Converter를 이용한 PFC (Power Factor Correction)설계 및 제작
담당실험실 :제어 및 전력전자 담당교수님 :안호균교수님 담당조교 :서 정 욱 논문작성자 :허성현,박병규

2 목차 1.PFC의 개념 및 목적,특징 2.PFC회로의 분류, 동작방식 3.기본 회로 구성 4.NCP1601A 5.완성형 회로도
6.실험결과

3 PFC란 무엇인가 PFC (Power Factor correction)
-일반적인 전기기기나 공중통신기기에 사용되는 직류전원장치의 고역률및 고효율화를 목적으로 전력손실을 저감하여 에너지 절약을 하기 위한 말 그대로 풀이하면 “역률 보정”이고 의미적으로는 “전력효율 개선”으로 볼 수 있다. 이 기기들의 전원장치를 세분화하여 보면 AC-DC부와 DC-DC 부로 나눌 수 있는데 AC-DC부에서는 역률 문제 가 무엇보다도 중요한 과제라 볼 수 있 고, DC-DC부에서는 전력변환 효율의 극대화가 전력제어기술의 요점이라 할 수 있다. 에너지 수입의존도가 높은 우리나라에서는 꼭 필요한 기술이고, 에너지 활용적인 측면에 있어서도 고 효율화 하여 사용함으로써 비용과 낭 비를 줄일 수 있는 방법이라 생각된다.

4 PFC의 특징 이점 1. 각 부품에 보다 더 안정된 전류를 공급할 수 있다. 2. 불필요하게 낭비되는 전력소비량을 줄일 수 있다. 3. 불필요하게 낭비되는 전류가 열로 전환되어 온도가 상승되는 것을 막을 수 있다. 4. 온도를 낮추면 그에 따라서 팬의 속 도를 낮출 수 있어 소음도 낮출 수 있 다. 5. 전자파도 줄일 수 있다. 단점 1.전체적인 회로가 복잡해지므로 가 격이 높아진다. 2.추가된 회로로 인하여 보다 많은 전력을 소비하고 이는 전원 장치의 효율을 감소시킨다. 3.추가된 회로로 인하여 보다 많은 공간을 필요하므로 전체적인 부피가 커질 수 있다. 4.고속, 대전류의 스위칭 동작에 의 하여 발생하는 높은 주파수의 잡음에 대한 대책이 요구된다. 그러나 역률 개선은 고성능의 전원장치에 대한 수요의 증가와 에너지 절약 차원에서 반드시 달성해야 할 과제이며, 이런 단점을 극복하기 위한 연구가 점점 활발히 진행되고 있다.

5 Power Factor Correction
Without PFC (PF < 0.7) With active PFC (PF > 0.99)

6 PFC Classification Passive PFC Active PFC 2-Stage scheme
Boost Buck Buck-Boost Resonance Continuous current mode Discontinuous current mode ZCS ZVS Soft switching Hard switching

7 동작 상태에 따른 분류-불연속 모드와 연속 모드
1.불연속 모드 2.연속 모드

8 동작 상태에 따른 분류-불연속 모드와 연속 모드
1.불연속 모드 입력 전류를 불연속 전류 모드로 제어하는 방식으로 입력전류나 전압을 검출할 필요 없이 일정한 시비율로 스위칭을 하게 되면 입력전류의 피크 값이 입력 전압을 추종하게 되어 입력 전류의 평균값이 그대로 정현파가 되기 때문에 제어가 매우 편리하나, 전류 리플이 크고 필터링을 하더라도 그림(b)의 점선부분과 같이 전류 파형에 왜곡이 생겨 완전한 정현파가 되지 못한다.보통 100[w]급 이하의 소 용량에 주로 응용되고 있다. 2.연속모드 입력 전류를 연속 전류 모드로 제어하는 방식으로 입력전류가 정현파가 되도록 스위치의 시비율을 시간에 따라 가변 제어하는 방식이다. 입력전류 및 전압을 검출하여 입력전류가 입력전압을 따라가게 하는 제어 루프를 따로 두어야 하며, 출력전압 Regulation을 위한 전압 제어 루프를 두어야 하므로 제어가 다소 복잡하다.그러나 UC3854와 같은 전용제어 칩이 개발되어 제어회로를 구성하는데 큰 어려움은 없으며,주로 100[w]급 이상의 용량에 응용된다.

9 zero-current detector
기본 회로 구성도(불연속 모드) L R Rc C Vs I S Q start stop Rs R1 R2 C2 EA 5V Vramp Vc COM zero-current detector Vi

10 PFC Controller NCP1601A PFC IC NCP1601 1 2 3 4 8 7 6 5 FB Vcon Ramp CS
제조사: ON Semiconductor ( 용도: PFC Controller IC 특징: 불연속 모드 동작(DCM) 사용 과전압,저전압,과전류,열 보호회로 영전위 검출기 내장 사용전압:9V~18V 그 외 데이터 시트 참조 Vcc Drv GND Osc FB: Feedback/Shutdown Vcon: Control CS: Current Sense OSC: Oscillator/Synchronization Drv: Drive Output

11 PFC Controller NCP1601A

12 최종 완성형 회로도

13 소자선정방법 및 실험 결과 입력전압 : AC 90~260 (60Hz) 출력전압 : 390V (±5%) 출력전력 : 100W
스위칭 주파수 : 소자의 동작속도, 스위칭 손실을 감안하여 100[KHz]정도 로 선정하고 스위칭 소자는 MOSFET SPP11N60S5로 결정. 또한 스위칭 다이오드는 역 회복 특성이 좋은 1N4934로 결정. 정격 계산 Threshold limited current = 225uA The maximum overvoltage = 225uA X 1.95MΩ + 5V = V (C결정) Vout = 200uA X 1.95MΩ = 390V Bios supply design P = V^2 / R = 265^2 /150 X 10^3 = 0.47W

14 소자선정방법 및 실험 결과 Vcc = Vout / n = 390 / 25 = 15.6V
최저 전압일 경우 커패시터가 충전되는 시간 = tstart = CdV / I = 470 X 10^-6 · / (85/15 X 10^-3) = 11.4S 효율을 90%라 가정하면 입력전력은 Pin = Pout / η = 100/90% = 111W 입력전류 Iac = Pin / Vac = 111/85 = 1.31Aac NCP1601의 데이터 시트를 보면 100㎊을 달았을 경우 107KHz 임. T = 1/f = 9.35uS L={(Vin-Vout) /Vout} X (Vin/Ipk) X (1/f) = 210uH ∴ L = 230uH 로 결정 Cramp > Pin/Vac^2 · 2LIch = 706㎊ ∴ Cramp = 680㎊

15 소자선정방법 및 실험 결과 실험 결과 Current sense resistor
I(OCP) = (Rs · 200uA – 3.2mV)/Rcs = 3.936A I(ZCD) = (Rs ·14uA – 7.5mV)/Rcs = 143uA Rcs = (Rs ·200uA-3.2mV)/I(OCP) = 0.028Ω 중략 이와 같은 계산을 통해 소자의 정격을 산정함 실험 결과 부품 선정 문제와 소자 수급 지연으로 인해 현재 실험 진행 중