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지도 교수 : 안호균 교수님

신욱희 나준우 백석종

PFC 창작 가전기기용 인버터 시스템 설계 및 제작

Contents

PFC 의 개념 및 특징1

PFC 회로의 분류 , 동작방식2

기본 회로 구성 3

설계과정4

결론5

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PFC 란 ?

PFC (Power Factor correction) - 일반적인 전기기기나 공중통신기기에 사용되는 직류전원장치의 고역률및 고효율화를 목적으로 전력손실을 저감하여 에너지 절약을 하기 위한 말 그대로 풀이하면 “역률 보정” 이고 의미적으 로는 “전력효율 개선”이다 .

이 기기들의 전원장치를 세분화하여보면 AC-

DC 부와 DC-AC 부로 나눌 수 있는데 AC-

DC 부에서는 역률 문제가 무엇보다도 중요한 과제라 볼 수 있고 , DC-AC 부에서는 전력변환 효율의 극대화가 전력제어기술의 요점이라 할 수 있다 . 에너지 수입의존도가 높은우리나라에서는 꼭 필요한 기술이고 ,

에너지 활용적인 측면에 있어서도 고효율화 하여 사용함으로써 비용과 낭비를 줄일 수 있는 방법이다 .

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특징< 이 점 >

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. 한전의 송전에서 손실 감소 , 에너지 효율 측면에서 유리하다 ..

< 단 점 >

1. PFC 회로 추가로 인한 추가 비용이 상승된다 .

2. 추가된 회로로 인하여 보다 많은 공간을 필요하므로 전체적인 부피가 커질 수 있다 . 3. 고속 스위칭 동작에 의하여 발생하는 높은 주파수의 잡음에 대한 대책이 요구된다 .

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대상 CLASS 분류

Balanced 3ΦEquipment ?

Tool ?

LightingEquipment ?

75W≤P≤600W?Motor

Driven ?CLASS D

CLASS C

CLASS B

CLASS AYES

YES

YES

YES

YES

NO

NO

NO

NO

NO

PortableTool ?

YES

NO

- 백열등용 조광기- 오디오 기기

전문기기가 아닌아크 용접기기 포함

- 컴퓨터- 모니터- TV

■ 적용 전원 : 50/60Hz 220/380V, 230/400V, 240/415V

< 국제 규격 IEC61000-3-2 에서 클래스 별 고조파 제한에 대한 규정 제정 >

PFC 의 분류

Passive PFC Active PFC

1-Stage scheme

2-Stage scheme

Boost

Buck Buck-Boost Resonance

Continuous conduction mode

Discontinuous conduction mode

ZCS ZVS

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PFC 의 분류

기존 회로 특성의 유지 가능 인덕터 삽입 방식이 대표적 Cost-effective solution

고역률화 곤란 ( 약 85% 가 한계 ) Bulky and Heavy

이상 역률치인 1 에 근접 고주파 스위칭을 사용하여 입력전류

파형을 보정 대전력에 적합

고주파 스위칭 EMI 대책 필요 가격이 상승

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그림 (a)

동작 상태에 따른 분류 - 불연속 모드와 연속 모드

Q1Vrec

Vo

RC

+

-

+

-

-+

1

2

3

4+

Vac

D1 • Boost Converter 는 인덕터가 입력단에 위치하고 있어서 입력전류의 파형이 연속적이고 낮은 리플을 제공하고 , 회로가 간단하기 때문에 역률개선회로로 가장 많이 사용

• 일정 스위칭 주파수• DCM 동작• 기울기 보상 • 노이즈에 영향을 많이 받음

• 가변 스위칭 주파수

• CCM 동작• 기울기 보상 없음 • 노이즈에 강함

Boost converter

그림 (b)

그림 (c)

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동작 상태에 따른 분류 - 불연속 모드와 연속 모드

1. 불연속 모드 ( Discontinuous Conduction Mode )

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 150[w] 급 이하의 소 용량에 주로 응용되고 있다 .

2. 연속모드 ( Continuous Conduction Mode )

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 Regulation 을 위한 전압 제어 루프를 두어야 하므로 제어가 다소 복잡하다 . 그러나 UC3854 와 같은 전용제어 칩이 개발되어 제어회로를 구성하는데 큰 어려움은 없으며 , 주로 150[w] 급 이상의 용량에 응용된다 .

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기본 회로 구성

( 수동필터 적용 時 ) (PFC 적용 時 )

C1 Inverter

+

-

vinv+

-

+

-

vrec

L

S

D

is

낮은 리플 제공입력전류의 파형 연속적

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PFC 를 장착한 인버터 제작

EMI 필터부 : 교류 입력에 대한 유입 노이즈와 과전류 및 서지 전압으로부터 회로를 보호하고 고주파 스위칭 시 발생되는 전도성 노이즈를 공통 모드 이중필터를 사용하여 차단하며 시스템의 오동작을 방지한다 .

전파 정류부 : 교류 입력을 브릿지 전파정류기로 정류하여 직류로 변화시킨다 .

역률 보상부 (PFC) : 1 차 직류 전압의 위상을 감지하여 전압전류의 위상차를 0 으로 제어하여 역률 개선 및 1차 직류 전압을 승압하여 입력 전압의 변동에도 일정한 2 차 직류 전압을 출력한다 . 

인버터부 : DC 전력을 AC 전력으로 변환하는 전력변환장치이다 .

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파형 분석 PFC 미장착 PFC 장착

그림 1. PFC 미장착시 전압 , 전류 파형 그림 2. PFC 장착시 전압 , 전류 파형

그림 3. PFC 미장착시 전류 및 고조파 파형 그림 4. PFC 장착시 전류 및 고조파 파형그림 5. PFC 미장착시 고조파 국제 기준 미달

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결론 1.

본 논문에서는 역률 개선 회로를 적용한 가정용 인버터 모듈의 개발에 관한 연구에 대하여 논의 하였다 .

역률 개선에 대한 국제적 기술 동향을 분석하고 제어회로와 제어 방식을 검토하여 PFC 회로를 제작하여 정격전압 . 전류 및 효율과 역률 등을 평가 하였다 .

PFC 의 단점은 전류 제어를 위해 검출 , 제어 회로가 추가 됨으로써 발생하는 가격상승 문제가 있다 .

최적 설계를 통해 PFC 장착 커패시터 및 전류정격 감소로 인해 SMPS 와 인버터 소자의 정격을 낮출 수 있어 재료비 절감을 할 수 있다 .

300W, 역률 90% 이상의 PFC 회로를 목표로 하여 PFC 회로를 제작

결과 전부하시 역률 0.979 이고 , 그림 2 와 그림 4 를 비교할 시에 고조파가 감소한 것을 확인 할 수 있었다 .

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결론 2.

평가 결과 PFC 를 적용하지 않는 경우의 전력 효율이 PFC 를 적용한 전력 효율 보다 높은데 이는 PFC 를 적용하지 않는 회로의 경우 인덕터 , 다이오드 , 스위칭 소자에서의 손실이 없기 때문인 것 같다 .

공급자 측면에서 본다면 PFC 적용한 경우는 PFC 를 적용하지 않은 경우보다 2 배 가까운 전력을 발전 해야 하므로 PFC 적용한 회로가 국가에너지 절약차원에서 큰 이점일 것이다 .

향후 85V-265V 의 유니버설 입력 범위에서 동작 수행을 평가한 후 많은 분석과 검증을 통하여 가정용 기기소프트 의 인버터 회로를 위한 PFC 회로 설계에 대하여 연구를 계속 하여야 한다 .

또한 높은 스위칭 주파수 동작을 실현하기 위해 스위칭 손실을 최소화 시킬 수 있는 L, C 공진을 이용한 소프트 스위칭 컨버터에 대해서 연구를 진행해 나갈 예정이다 .

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