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KR101449120B1 - 전원 공급 장치 - Google Patents

전원 공급 장치 Download PDF

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KR101449120B1
KR101449120B1 KR1020120098787A KR20120098787A KR101449120B1 KR 101449120 B1 KR101449120 B1 KR 101449120B1 KR 1020120098787 A KR1020120098787 A KR 1020120098787A KR 20120098787 A KR20120098787 A KR 20120098787A KR 101449120 B1 KR101449120 B1 KR 101449120B1
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KR
South Korea
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node
switch
switches
winding
power supply
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김춘봉
박성준
최우석
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엘지이노텍 주식회사
전남대학교산학협력단
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Abstract

본 발명은 실시예는 제1 권선 및 제2 권선을 가지는 트랜스, 제1 노드와 제2 노드 및 상기 제1 권선의 양 단과 연결되어 있는 하프 브릿지 회로, 그리고 제3 노드와 제4 노드 및 상기 제2 권선의 양 단과 연결되어 있는 풀 브릿지 회로를 포함하며, 상기 하프 브릿지 회로는 상기 제1 노드와 제2 노드 사이에 직렬 연결되어 있는 제1 스위치 및 제2 스위치, 상기 제1 노드와 상기 제2 노드 사이에 직렬 연결되어 있는 제1 커패시터 및 제2 커패시터를 포함하는 전원 공급 장치를 제공한다. 따라서, 트랜스의 누설 인덕턴스와 하프 브릿지 회로의 브릿지 커패시터가 직류 공진 탱크를 형성하여 스위치의 온오프 동작 시에 스위칭 손실을 줄인다.

Description

전원 공급 장치{The power supply device}
본 발명은 전원 공급 장치에 관한 것이다.
전원 공급 장치는 컨버터를 포함하며, 컨버터는 AC-DC 컨버터 또는 DC-DC 컨버터일 수 있다.
DC-DC 컨버터는 직류 입력에 대하여 직류 출력으로 변환하는 것으로, 입력과 출력의 비에 따라 부하 모드와 발전 모드로 동작한다.
이러한 DC-DC 컨버터는 한 개의 트랜스를 포함하고, 정류를 위한 정류기로 풀 브릿지 회로를 포함할 수 있다.
이때, 상기 풀 브릿지 회로의 스위치 동작 시에 영전압 스위칭에도 불구하고 노이즈가 발생하고, 소자간 도통 지연 편차로 인하여 노이즈의 크기와 주기가 일정하지 않게 된다. 이를 억제하기 위하여 구동 스위치에 스누버 콘덴서를 추가할 수 있으나, 추가적인 비용과 유효 도통 시간과 효율이 감소되는 문제가 있을 수 있다.
실시예는 스위치의 온오프 동작 시에 스위칭 손실이 저감될 수 있는 전원 공급 장치를 제공한다.
실시예는 제1 권선 및 제2 권선을 가지는 트랜스, 제1 노드와 제2 노드 및 상기 제1 권선의 양 단과 연결되어 있는 하프 브릿지 회로, 그리고 제3 노드와 제4 노드 및 상기 제2 권선의 양 단과 연결되어 있는 풀 브릿지 회로를 포함하며,
상기 하프 브릿지 회로는 상기 제1 노드와 제2 노드 사이에 직렬 연결되어 있는 제1 스위치 및 제2 스위치, 상기 제1 노드와 상기 제2 노드 사이에 직렬 연결되어 있는 제1 커패시터 및 제2 커패시터를 포함하는 전원 공급 장치를 제공한다.
상기 풀 브릿지 회로는 상기 제3 노드와 제4 노드 사이에 직렬 연결되어 있는 제3 스위치 및 제4 스위치, 상기 제3 노드와 상기 제4 노드 사이에 직렬 연결되어 있는 제5 커패시터 및 제6 커패시터를 포함할 수 있다.
상기 제1 권선의 양 단은 상기 제1 스위치와 제2 스위치 사이 및 상기 제5 및 제2 커패시터 사이에 연결될 수 있다.
상기 제2 권선의 양 단은 상기 제3 스위치와 제4 스위치 사이 및 상기 제5 및 제6 스위치 사이에 연결될 수 있다.
상기 제1 내지 제6 스위치는 트랜지스터일 수 있다.
각각의 상기 제1 내지 제6 스위치의 양 단에 다이오드를 포함할 수 있다.
상기 제1 및 제2 스위치는 교대로 동작할 수 있다.
상기 제1 및 제2 스위치는 1/2의 듀티비로 동작할 수 있다.
상기 제1 및 제2 스위치의 스위칭 주파수는 상기 트랜스의 누설 인덕턴스와 상기 제1 및 제2 커패시터의 공진 주파수와 동일할 수 있다.
상기 제1 및 제2 커패시터는 동일한 커패시턴스를 가질 수 있다.
상기 전원 공급 장치는 제1 내지 제6 스위치를 구동하는 제어부를 더 포함할 수 있다.
상기 제1 및 제2 스위치가 교대로 동작할 때, 상기 제3 내지 제6 스위치는 턴오프될 수 있다.
상기 제3 내지 제6 스위치가 교대로 동작할 때, 상기 제1 및 제2 스위치가 턴오프될 수 있다.
상기 다이오드는 서로 역방향으로 연결될 수 있다.
상기 전원 공급 장치는 제1 및 제2 노드 사이에 제1 출력 커패시터를 포함하고, 제3 및 제4 노드 사이에 제2 출력 커패시터를 포함할 수 있다.
본 발명에 따르면, 트랜스의 누설 인덕턴스와 하프 브릿지 회로의 브릿지 커패시터가 직류 공진 탱크를 형성하여 스위치의 온오프 동작 시에 스위칭 손실을 줄인다.
따라서, 전력 변환 효율이 향상되고 노이즈를 줄일 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 전원 공급 장치의 회로도이다.
도 2는 도 1의 전원 공급 장치의 부하 모드에서의 동작을 설명하는 파형도이다.
도 3은 도 1의 전원 공급 장치의 발전 모드에서의 동작을 설명하는 파형도이다.
아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 전원 공급 장치(100)의 회로도이다.
도 1을 참고하면, 본 발명의 실시예에 따른 전원 공급 장치(100)는 DC-DC 컨버터(110) 및 제어부(120)를 포함한다.
DC-DC 컨버터(110)는 트랜스(T)를 기준으로 좌측에 위치하는 제1 회로부 및 상기 트랜스(T)의 우측에 위치하는 제2 회로부를 포함한다.
상기 제1 회로부는 제1 노드(n1) 및 제2 노드(n2) 사이에 형성되어 있는 제1 커패시터(C1)를 포함하며, 제1 노드(n1) 및 제2 노드(n2) 사이에 제1 스위치(Q1) 및 제2 스위치(Q2)가 직렬로 연결되어 있다.
한편, 상기 제1 및 제2 노드(n1, n2) 사이에 제2 및 제3 커패시터(C2, C3)가 직렬로 연결되어 있다.
상기 제1 및 제2 스위치(Q1, Q2) 사이의 제3 노드(n3) 및 제2 및 제3 커패시터(C2, C3) 사이의 제4 노드(n4) 사이에 연결되어 있는 제1 권선이 트랜스(T)에 포함된다.
따라서, 제1 내지 제4 노드(n1-n4) 사이를 제1 및 제2 스위치(Q1, Q2)와 제2 및 제3 커패시터(C2, C3)가 하프 브릿지(half bridge)를 형성한다.
이때, 제1 및 제2 스위치(Q2)는 트랜지스터일 수 있으며, 각각의 트랜지스터의 소스와 드레인 사이에 제1 및 제2 다이오드(D1, D2)가 형성되어 있다.
즉, 제1 다이오드(D1)는 제1 및 제3 노드(n1, n3) 사이에 역방향으로 형성되며, 제3 노드(n3)와 제2 노드(n2) 사이에 제2 다이오드(D2)가 역방향으로 형성되어 있다.
한편, 제2 회로부는 제5 노드(n5) 및 제6 노드(n6) 사이에 형성되어 있는 제4 커패시터(C4)를 포함한다.
상기 제5 노드(n5) 및 제6 노드(n6) 사이에는 제3 내지 제6 스위치(Q3-Q6)가 풀 브릿지(full bridge)를 이루며 형성되어 있다.
즉, 제3 스위치(Q3)는 제5 노드(n5)와 제7 노드(n7) 사이에 연결되어 있고, 제4 스위치(Q4)는 제7 노드(n7)와 제6 노드(n6) 사이에 연결되어 있고, 제5 스위치(Q5)는 제5 노드(n5)와 제8 노드(n8) 사이에 연결되어 있으며, 제6 스위치(Q6)는 제8 노드(n8)와 제6 노드(n6) 사이에 연결되어 있다.
상기 스위치(Q3-Q6) 사이의 제7 노드(n7)와 제8 노드(n8)를 연결하며 트랜스(T)를 이루는 제2 권선이 형성되어 있다.
또한, 각각의 스위치(Q3-Q6)는 트랜지스터일 수 있으며, 각각의 트랜지스터의 소스와 드레인을 연결하는 다이오드(D3-D6)가 형성되어 있다.
즉, 제3 다이오드(D3)는 제5 및 제7 노드(n5, n7) 사이에 역방향으로 형성되고, 제4 다이오드(D4)는 제7 및 제6 노드(n7, n6) 사이에 역방향으로 형성되며, 제5 노드(n5)와 제8 노드(n8) 사이에 제5 다이오드(D5)가 역방향으로 형성되어 있고, 제8 노드(n8)와 제6 노드(n6) 사이에 제6 다이오드(D6)가 역방향으로 형성되어 있다.
트랜스(T)의 제1 및 제2 권선은 소정의 권선비(n:m)를 이루며 형성될 수 있다.
이때, 트랜스(T)에서 발생하는 누설 인덕턴스와 제1 회로부의 브릿지 커패시터인 제2 및 제3 커패시터(C2,C3)가 이루는 공진 주파수에 맞추어 상기 제1 및 제2 스위치(Q1, Q2)를 온오프하여 회로의 공진을 유도하면 스위치(Q1, Q2)의 온오프에 따른 전류 로스를 줄일 수 있다.
이때, 상기 제2 및 제3 커패시터(C2, C3)는 동일한 커패시턴스를 가질 수 있다.
상기 전력 공급 장치(100)는 상기 DC-DC 컨버터(110)의 제1 내지 제6 스위치(Q1-Q6)를 제어하는 제어 신호를 출력하는 제어부(120)를 포함한다.
상기 제어부(120)는 전력 공급 장치(100)의 모드에 따라, 제1 회로부 또는 제2 회로부의 출력을 제어하여 부하모드 또는 발전 모드로 동작할 수 있다.
이하에서는 도 2 및 도 3을 참고하여 본 발명에 따른 전력 공급 장치(100)의 동작을 설명한다.
도 2는 도 1의 DC-DC 컨버터(110)의 부하 모드에서의 동작을 설명하는 파형도이다.
상기 트랜스(T)의 권선비(n:m)는 고정되어 있으며, 상기 제2 권선이 제1 권선보다 작은 값을 가질 수 있다.
제1 회로부의 제1 노드(n1)와 제2 노드(n2) 사이에 입력 DC 전압이 걸리는 경우, 제2 회로부는 트랜스(T)의 권선비(n:m)에 의해 입력 DC 전압보다 작은 전압을 출력하여 상기 DC-DC 컨버터(110)가 부하 모드로 동작한다.
상세하게는, 제어부(120)는 제1 스위치(Q1)와 제2 스위치(Q2)를 교대로 온오프한다.
즉, 제1 구간(d1) 동안은 제1 스위치(Q1)를 턴온하고, 제2 스위치(Q2)를 턴오프하고, 제2 구간(d2) 동안은 제2 스위치(Q2)를 턴온하고, 제1 스위치(Q1)를 턴오프한다.
상기 제1 및 제2 구간(d1, d2)은 동일한 듀티비를 가질 수 있으며, 상기 듀티비는 1/2를 충족할 수 있다.
상기 스위칭 주파수는 공진 주파수와 동일할 수 있다.
이때, 상기 제어부(120)는 상기 제2 회로부의 브릿지 회로를 이루는 제3 내지 제6 스위치(Q3-Q6)를 턴오프시킨다.
부하모드에서, 제1 스위치(Q1)가 턴온되고 제2 스위치(Q2)가 턴오프되면, 제1 노드(n1) 및 제2 노드(n2) 사이에 인가되는 입력 DC 전압이 제1 스위치(Q1)를 따라 제3 노드(n3)에 인가된다. 따라서, 입력 DC 전압에 대한 전하가 제4 커패시터(C4)에 충전되어 제3 노드(n3)의 전압 및 전류는 도 2와 같이 형성된다.
따라서, 트랜스(T)에서 유도되는 유도 전류는 도 2와 같이 형성된다.
이때, 상기 트랜스(T)의 권선비에 따라 상기 유도 전류에 의해 제7 노드(n7)와 제8 노드(n8) 사이에 전압이 걸리며, 상기 전류은 제3 다이오드(D3)를 따라 제5 노드(n5)에 전달된다.
따라서, 제4 스위치(Q4)에 흐르는 전류는 0의 값을 가지나 전압은 제7 노드(n7)의 전압을 가진다.
다음으로, 제2 구간(d2)에서 제1 스위치(Q1)가 턴오프되고 제2 스위치(Q2)가 턴온되면, 제3 노드(n3)가 접지되며, 입력 DC 전압에 대한 전하가 제3 커패시터(C3)에 충전되어 제3 노드(n3)의 전압은 0을 가지나 제4 노드(n4)의 전압이 제3 노드(n3)의 제1 구간과 같은 값을 가진다.
따라서, 트랜스(T)의 제1 권선에 흐르는 공진 전류는 사인파를 가지며, 공진 전압은 반주기마다 양의 값과 음의 값을 가진다.
이때, 제2 회로부의 제3 내지 제6 스위치(Q3-Q6)는 오프되어 있으며, 전류의 방향이 반대로 흐르므로 제4 및 제5 다이오드(D4, D5)가 턴온되어 출력 전압은 동일하게 유지된다.
따라서, 제2 회로부는 제1 및 제2 구간(d1, d2) 모두에서 동일한 값을 갖는 출력 전압을 가지는 정류부로 기능한다.
이와 같이, 제2 및 제3 커패시터(C2, C3)에 의해 제1 및 제2 구간(d1, d2)에 모두 전류를 발생하므로 인터리브(interleave)와 같이 기능하여 전류 효율이 높아진다.
또한, LC 공진을 위한 별도의 인덕터 없이 누설 인덕턴스와 공진을 이루는 커패시터를 형성함으로써 효율이 향상된다.
도 3은 도 1의 DC-DC 컨버터(110)의 발전 모드에서의 동작을 설명하는 파형도이다.
제2 회로부의 제5 노드(n5)와 제6 노드(n6) 사이에 입력 DC 전압이 걸리는 경우, 제1 회로부는 입력 DC 전압보다 큰 전압을 출력하여 상기 DC-DC 컨버터(110)가 발전 모드로 동작한다.
상세하게는, 제어부(120)는 제1 스위치(Q1)와 제2 스위치(Q2)를 턴오프한다.
상기 제어부(120)는 제2 회로부의 풀 브릿지 회로를 교대로 턴온한다.
즉, 제1 구간(d1) 동안은 제3 및 제6 스위치(Q3, Q6)를 턴온하고, 제2 구간 (d2) 동안은 제4 및 제5 스위치(Q4, Q5)를 턴온한다.
상기 제1 및 제2 구간(d1, d2)은 동일한 듀티비를 가질 수 있으며, 상기 듀티비는 1/2를 충족할 수 있다.
상기 스위칭 주파수는 공진 주파수와 동일할 수 있다.
발전 모드에서, 제3 및 제6 스위치(Q3, Q6)가 턴온되면, 상기 입력 DC 전압은 제3, 제6 스위치(Q3, Q6) 및 제2 권선에 의해 전압 분배되며, 상기 제2 권선에 분배된 전압 및 상기 제2 권선에 흐르는 전류에 의해 유도된 전류가 제1 권선에 흐른다.
상기 유도 전류에 의해 제3 노드(n3)에 양의 전압이 걸리며, 상기 제1 다이오드(D1)가 턴온되어 제1 및 제2 노드(n1, n2) 사이에 출력 DC 전압이 걸린다.
다음으로 제2 구간(d2)에서 제4 및 제5 스위치(Q4, Q5)를 턴온되면, 제2 권선에 반대 방향의 전류 및 전압이 걸리고, 이에 따라 트랜스(T)의 제1 권선에 흐르는 공진 전류는 사인파를 가지며, 공진 전압은 반주기마다 양의 값과 음의 값을 가진다.
이와 같이 상기 공진 전류에 대한 에너지가 제1 구간(d1)에서 제3 커패시터(C3)에 저장되었다가, 제2 구간(d2)에서 제4 커패시터(C4)에 저장됨으로 제1 및 제2 구간(d1, d2)에서의 스위칭에 의한 리플이 방지된다.
이와 같이, 제3 및 제4 커패시터(C3, C4)에 의해 제1 및 제2 구간(d1, d2)에 모두 전류를 발생하므로 인터리브와 같이 기능하여 전류 효율이 높아진다.
또한, LC 공진을 위한 별도의 인덕터 없이 누설 인덕턴스와 공진을 이루는 커패시터를 형성함으로써 효율이 향상된다.
이상에서 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.
전원 공급 장치 100
제어부 120
DC-DC 컨버터 110

Claims (15)

  1. 제1 권선 및 제2 권선을 가지는 트랜스,
    제1 노드와 제2 노드 및 상기 제1 권선의 양 단과 연결되어 있는 하프 브릿지 회로, 그리고
    제3 노드와 제4 노드 및 상기 제2 권선의 양 단과 연결되어 있는 풀 브릿지 회로
    를 포함하며,
    상기 하프 브릿지 회로는
    상기 제1 노드와 제2 노드 사이에 직렬 연결되어 있는 제1 스위치 및 제2 스위치, 상기 제1 노드와 상기 제2 노드 사이에 직렬 연결되어 있는 제1 커패시터 및 제2 커패시터를 포함하고,
    상기 제1 스위치 및 상기 제2 스위치가 교대로 동작할 때 상기 제1 스위치 또는 상기 제2 스위치 양단의 전압이 영(0)인
    전원 공급 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 풀 브릿지 회로는
    상기 제3 노드와 제4 노드 사이에 직렬 연결되어 있는 제3 스위치 및 제4 스위치, 상기 제3 노드와 상기 제4 노드 사이에 직렬 연결되어 있는 제5 스위치 및 제6 스위치를 포함하는 전원 공급 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제1 권선의 양 단은 상기 제1 스위치와 제2 스위치 사이 및 상기 제1 및 제2 커패시터 사이에 연결되어 있는
    전원 공급 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제2 권선의 양 단은 상기 제3 스위치와 제4 스위치 사이 및 상기 제5 및 제6 스위치 사이에 연결되어 있는 전원 공급 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제1 내지 제6 스위치는 트랜지스터인 전원 공급 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    각각의 상기 제1 내지 제6 스위치의 양 단에 다이오드를 포함하는 전원 공급 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 스위치는 교대로 동작하는 전원 공급 장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 스위치는 1/2의 듀티비로 동작하는 전원 공급 장치.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 스위치의 스위칭 주파수는 상기 트랜스의 누설 인덕턴스와 상기 제1 및 제2 커패시터의 공진 주파수와 동일한 전원 공급 장치.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 커패시터는 동일한 커패시턴스를 가지는 전원 공급 장치.
  11. 제3항에 있어서,
    상기 전원 공급 장치는 제1 내지 제6 스위치를 구동하는 제어부를 더 포함하는 전원 공급 장치.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 스위치가 교대로 동작할 때, 상기 제3 내지 제6 스위치는 턴오프되는 전원 공급 장치.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 제3 내지 제6 스위치가 교대로 동작할 때, 상기 제1 및 제2 스위치가 턴오프되는 전원 공급 장치.
  14. 제6항에 있어서,
    상기 다이오드는 서로 역방향으로 연결되어 있는 전원 공급 장치.
  15. 제12항에 있어서,
    상기 전원 공급 장치는 제1 및 제2 노드 사이에 제1 출력 커패시터를 포함하고, 제3 및 제4 노드 사이에 제2 출력 커패시터를 포함하는 전원 공급 장치.
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