Transcript PFC(Power_Factor_Correction)회로의_설계_및_제작

Power Factor Correction
Boost-Converter를 이용한 PFC (Power
Factor Correction)설계 및 제작
담당실험실 :제어 및 전력전자
담당교수님 :안호균교수님
담당조교 :서 정 욱
논문작성자 :허성현,박병규
Changwon National University
Power Factor Correction
목차

1.PFC의 개념 및 목적,특징

2.PFC회로의 분류, 동작방식

3.기본 회로 구성

4.NCP1601A

5.완성형 회로도

6.실험결과
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Power Factor Correction
PFC란 무엇인가
PFC (Power Factor correction)
-일반적인 전기기기나 공중통신기기에 사용되는 직류전원장치의 고역률및 고
효율화를 목적으로 전력손실을 저감하여 에너지 절약을 하기 위한 말 그대
로 풀이하면 “역률 보정”이고 의미적으로는 “전력효율 개선”으로 볼 수 있
다.
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.
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Power Factor Correction
PFC의 특징
이점
단점
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.
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 에
너지 절약 차원에서 반드시 달성해야 할 과제이며, 이런 단점을 극복하
기 위한 연구가 점점 활발히 진행되고 있다.
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Power Factor Correction
Power Factor Correction
Without PFC (PF < 0.7)
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With active PFC (PF > 0.99)
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PFC Classification
Passive PFC
Active PFC
2-Stage scheme
Boost
Continuous
current mode
Soft switching
Buck
Discontinuous
current mode
Hard switching
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1-Stage scheme
Buck-Boost
Resonance
ZCS
ZVS
Power Factor Correction
동작 상태에 따른 분류-불연속 모드와 연속 모드
1.불연속 모드
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2.연속 모드
Power Factor Correction
동작 상태에 따른 분류-불연속 모드와 연속 모드
1.불연속 모드
2.연속모드
입력 전류를 불연속 전류 모드로 제어
하는 방식으로 입력전류나 전압을 검
출할 필요 없이 일정한 시비율로 스위
칭을 하게 되면 입력전류의 피크 값이
입력 전압을 추종하게 되어 입력 전류
의 평균값이 그대로 정현파가 되기 때
문에 제어가 매우 편리하나, 전류 리플
이 크고 필터링을 하더라도 그림(b)의
점선부분과 같이 전류 파형에 왜곡이
생겨 완전한 정현파가 되지 못한다.보
통 100[w]급 이하의 소 용량에 주로
응용되고 있다.
입력 전류를 연속 전류 모드로 제어하
는 방식으로 입력전류가 정현파가 되도
록 스위치의 시비율을 시간에 따라 가
변 제어하는 방식이다. 입력전류 및 전
압을 검출하여 입력전류가 입력전압을
따라가게 하는 제어 루프를 따로 두어
야 하며, 출력전압 Regulation을 위한
전압 제어 루프를 두어야 하므로 제어
가 다소 복잡하다.그러나 UC3854와 같
은 전용제어 칩이 개발되어 제어회로를
구성하는데 큰 어려움은 없으며,주로
100[w]급 이상의 용량에 응용된다.
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Power Factor Correction
기본 회로 구성도(불연속 모드)
L
Vs
I
Rc
Vi
R
C
S Q
start
R
stop
zero-current
detector
Vramp
C2
R2
R1
Rs
Vc
COM
EA
5V
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Power Factor Correction
PFC Controller NCP1601A
FB
1
8
Vcc
Vcon 2
7
Drv
6
GND
5
Osc
Ramp 3
CS
PFC IC
NCP1601
4
제조사: ON Semiconductor
(Http://onsemi.com)
용도: PFC Controller IC
특징: 불연속 모드 동작(DCM) 사용
과전압,저전압,과전류,열 보호회로
FB: Feedback/Shutdown
Vcon: Control
영전위 검출기 내장
사용전압:9V~18V
CS: Current Sense
OSC: Oscillator/Synchronization
Drv: Drive Output
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그 외 데이터 시트 참조
Power Factor Correction
PFC Controller NCP1601A
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최종 완성형 회로도
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소자선정방법 및 실험 결과
 입력전압 : AC 90~260 (60Hz)
 출력전압 : 390V (±5%)
 출력전력 : 100W
 스위칭 주파수 : 소자의 동작속도, 스위칭 손실을 감안하여 100[KHz]정
도 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 = 443.75V (C결정)
 Vout
= 200uA X 1.95MΩ = 390V
 Bios supply design
 P = V^2 / R = 265^2 /150 X 10^3 = 0.47W
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소자선정방법 및 실험 결과
 Vcc = Vout / n = 390 / 25 = 15.6V
 최저 전압일 경우 커패시터가 충전되는 시간
= tstart = CdV / I = 470 X 10^-6 · 13.75 / (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㎊
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소자선정방법 및 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
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