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KR101496819B1 - 싱글 스테이지 포워드-플라이백 컨버터, 전원 공급 장치 및 발광 다이오드 전원 공급 장치 - Google Patents

싱글 스테이지 포워드-플라이백 컨버터, 전원 공급 장치 및 발광 다이오드 전원 공급 장치 Download PDF

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KR101496819B1
KR101496819B1 KR1020130089659A KR20130089659A KR101496819B1 KR 101496819 B1 KR101496819 B1 KR 101496819B1 KR 1020130089659 A KR1020130089659 A KR 1020130089659A KR 20130089659 A KR20130089659 A KR 20130089659A KR 101496819 B1 KR101496819 B1 KR 101496819B1
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박홍선
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Abstract

본 발명은 역률 보정 기능과 정전류 제어를 하나의 회로단에서 수행하면서도 역률 보정 및 전력 변환 효율을 증가시킬 수 있는 싱글 스테이지 포워드-플라이백 컨버터, 전원 공급 장치 및 발광 다이오드 전원 공급 장치에 관한 것으로, 입력 전원을 전달받는 일차 권선 및 상기 일차 권선과 자기 결합되어 전원을 유기받는 제1 이차 권선을 갖는 트랜스포머를 가지며, 포워드(Forward) 방식으로 전력을 변환하는 포워드 컨버터부; 상기 트랜스포머를 공유하며, 상기 트랜스포머에 구비되어 상기 일차 권선과 자기 결합된 제2 이차 권선을 가지며, 플라이 백(Fly Back) 방식으로 전력을 변환하는 플라이 백 컨버터부를 포함하여, 상기 입력 전원의 전압 레벨에 따라 상기 포워드 컨버터부가 선택적으로 동작하는 싱글 스테이지 포워드-플라이 백 컨버터, 전원 공급 장치 및 발광 다이오드 전원 공급 장치 제안하는 것이다.

Description

싱글 스테이지 포워드-플라이백 컨버터, 전원 공급 장치 및 발광 다이오드 전원 공급 장치{SINGLE STAGE FORWARD-FLYBACK CONVERTER, POWER SUPPLYING APPARATUS AND POWER SUPPYING APPARATUS FOR LIGHT EMITTING DIODE}
본 발명은 싱글 스테이지로 구성된 포워드-플라이백 컨버터, 전원 공급 장치 및 발광 다이오드 전원 공급 장치에 관한 것이다.
일반적으로, 가정 및 사무실 등의 전자 기기를 구동하기 위해서는 상용 전원을 전자 기기에 적합한 구동 전원으로 변환하여 공급하는 전원 공급 장치가 전자 기기 내부 또는 외부에 채용된다.
이러한 전원 공급 장치는 발광 다이오드를 구동하기 위해서도 채용될 수 있다.
최근 들어, 발광 다이오드(Light Emitting Diode; LED)에 관한 관심과 수요가 증가하고 있다.
이러한 발광 다이오드를 사용한 기기는 컴팩트한 제작이 가능해 기존 전자 제품으로는 설치가 어려운 장소에도 사용할 수 있고, 조명으로 사용되는 경우 다양한 색상 구현 및 조도 조절이 용이하여 영화 감상, 독서, 회의 등 상황에 적합한 시스템 조명으로써 사용이 가능하다.
또한, 전력소모가 백열등의 1/8 수준으로 수명은 5~10배인 5~10만시간이고, 무수은 광원으로 친환경적이며 다양한 디자인이 가능하다.
이러한 특징으로 인해, 한국을 비롯하여 미국, 일본, 호주 등 많은 국가에서 발광 다이오드 조명 사업을 국책 사업으로 추진하고 있다.
상술한 바와 같이, 그 사용이 증가 추세에 있는 발광 다이오드는 발광 다이오드를 구동시키기 위한 구동 장치를 필요로 하는데, 하기의 선행기술문헌에 기재된 바와 같이, 역률 보정을 수행하는 역률 보정 회로단과 출력 부하의 정전류 제어를 위한 직류/직류 컨버터 회로단의 2 스테이지 구성은 전력 변환 효율이 저하되며, 다수의 발광 다이오드 어레이를 구동하는 경우 필요한 발광 다이오드 구동 전압이 상승하면 고전압 소자 사용에 의한 제조 비용이 상승하는 문제점이 있다.
국내공개특허공보 제2012-0031215호
본 발명의 과제는 상기한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명은 역률 보정 기능과 정전류 제어를 하나의 회로단에서 수행하면서도 역률 보정 및 전력 변환 효율을 증가시킬 수 있는 싱글 스테이지 포워드-플라이백 컨버터, 전원 공급 장치 및 발광 다이오드 전원 공급 장치를 제안한다.
상술한 본 발명의 과제를 해결하기 위해, 본 발명의 하나의 기술적인 측면으로는 입력 전원을 전달받는 일차 권선 및 상기 일차 권선과 자기 결합되어 전원을 유기받는 제1 이차 권선을 갖는 트랜스포머를 가지며, 포워드(Forward) 방식으로 전력을 변환하는 포워드 컨버터부; 상기 트랜스포머를 공유하며, 상기 트랜스포머에 구비되어 상기 일차 권선과 자기 결합된 제2 이차 권선을 가지며, 플라이 백(Fly Back) 방식으로 전력을 변환하는 플라이 백 컨버터부를 포함하여, 상기 포워드 컨버터부는 상기 입력 전원의 전압 레벨이 컨버터의 출력 전원의 전압 레벨보다 높을 경우, 전력 변환 동작을 수행하는 싱글 스테이지 포워드-플라이 백 컨버터를 제안하는 것이다.
본 발명의 하나의 기술적인 측면에 따르면, 상기 포워드 컨버터부는 상기 입력 전원의 전압 레벨이 컨버터의 출력 전원의 전압 레벨보다 높을 경우, 전력 변환 동작을 수행할 수 있다.
본 발명의 하나의 기술적인 측면에 따르면, 상기 플라이백 컨버터부는 상기 입력 전원의 전압 레벨에 무관하게 상시 전력 변환 동작을 수행할 수 있다.
본 발명의 하나의 기술적인 측면에 따르면, 상기 포워드 컨버터부와 상기 플라이 백 컨버터부는 상기 트랜스포머의 상기 일차 권선에 입력되는 전원을 스위칭하는 전원 스위치를 공유할 수 있다.
본 발명의 하나의 기술적인 측면에 따르면, 상기 전원 스위치는 턴 온 듀티를 일정하게 유지하여 상기 입력 전원의 역률을 개선할 수 있다.
본 발명의 하나의 기술적인 측면에 따르면, 상기 입력 전원은 정류되어 상기 일차 권선에 전달될 수 있다.
본 발명의 하나의 기술적인 측면에 따르면, 상기 일차 권선과 상기 제1 이차 권선의 권선 시작 포인트는 서로 동일 위치에 형성될 수 있다.
본 발명의 하나의 기술적인 측면에 따르면, 상기 일차 권선과 상기 제2 이차 권선의 권선 시작 포인트는 서로 반대 위치에 형성되는 싱글 스테이지 포워드-플라이 백 컨버터.
본 발명의 하나의 기술적인 측면에 따르면, 상기 포워드 컨버터부와 상기 플라이백 컨버터부의 출력은 적어도 하나의 발광 다이오드에 공급될 수 있다.
상술한 본 발명의 과제를 해결하기 위해, 본 발명의 다른 하나의 기술적인 측면으로는 교류 전원을 정류하는 정류부; 상기 정류부로부터의 정류된 전원을 전달받는 일차 권선 및 상기 일차 권선과 자기 결합되어 전원을 유기받는 제1 이차 권선을 갖는 트랜스포머를 가지며, 포워드(Forward) 방식으로 전력을 변환하는 포워드 컨버터부; 상기 트랜스포머를 공유하며, 상기 트랜스포머에 구비되어 상기 일차 권선과 자기 결합된 제2 이차 권선을 가지며, 플라이 백(Fly Back) 방식으로 전력을 변환하는 플라이 백 컨버터부를 포함하여, 상기 포워드 컨버터부는 상기 입력 전원의 전압 레벨이 컨버터의 출력 전원의 전압 레벨보다 높을 경우, 전력 변환 동작을 수행하는 전원 공급 장치를 제안하는 것이다.
본 발명의 다른 하나의 기술적인 측면에 따르면, 상기 포워드 컨버터부는 상기 정류된 전원의 전압 레벨이 전원 공급 장치의 출력 전원의 전압 레벨보다 높을 경우, 전력 변환 동작을 수행할 수 있다.
본 발명의 다른 하나의 기술적인 측면에 따르면, 상기 플라이백 컨버터부는 상기 교류 전원의 전압 레벨에 무관하게 상시 전력 변환 동작을 수행할 수 있다.
본 발명의 다른 하나의 기술적인 측면에 따르면, 상기 교류 전원의 전자기 간섭을 제거하는 EMI 필터를 더 포함할 수 있다.
상술한 본 발명의 과제를 해결하기 위해, 본 발명의 또 다른 하나의 기술적인 측면으로는 교류 전원을 정류하는 정류부; 상기 정류부로부터의 정류된 전원을 전달받는 일차 권선 및 상기 일차 권선과 자기 결합되어 전원을 유기받는 제1 이차 권선을 갖는 트랜스포머를 가지며, 상기 정류된 전원의 전압 레벨이 적어도 하나의 발광 다이오드에 공급되는 출력 전원의 전압 레벨보다 높을 경우, 포워드(Forward) 방식으로 전력을 변환하여 상기 적어도 하나의 발광 다이오드에 전원을 공급하는 포워드 컨버터부; 상기 트랜스포머를 공유하며, 상기 트랜스포머에 구비되어 상기 일차 권선과 자기 결합된 제2 이차 권선을 가지며, 플라이 백(Fly Back) 방식으로 전력을 변환하여 상기 적어도 하나의 발광 다이오드에 전원을 공급하는 플라이 백 컨버터부를 포함하는 발광 다이오드 전원 공급 장치를 제안하는 것이다.
본 발명의 또 다른 하나의 기술적인 측면에 따르면, 상기 포워드 컨버터부는 상기 정류된 전원의 전압 레벨이 상기 적어도 하나의 발광 다이오드에 공급되는 출력 전원의 전압 레벨보다 높을 경우, 전력 변환 동작을 수행할 수 있다.
본 발명에 따르면, 역률 보정 기능과 정전류 제어를 하나의 회로단에서 수행하여 전력 변환 효율이 증가되고, 입력 전원의 데드존이 제거되어 역률을 증가시킬 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 전원 공급 장치의 개략적인 회로도.
도 2는 본 발명의 전원 공급 장치의 전원 변환 동작을 기준을 나타내는 그래프.
도 3 및 도 5는 본 발명의 전원 공급 장치의 동작 파형을 나타내는 그래프.
도 4a 내지 도 4c는 도 3에 도시된 경우의 전류 흐름을 나타내는 도면.
도 6a 및 도 6b는 도 5에 도시된 경우의 전류 흐름을 나타내는 도면.
도 7a 및 도 7b는 입력 전원의 전압 레벨에 따른 동작 파형을 나타내는 그래프.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있도록 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.
다만, 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명함에 있어, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다라고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다.
또한, 유사한 기능 및 작용을 하는 부분에 대해서는 도면 전체에 걸쳐 동일한 또는 유사한 부호를 사용한다.
덧붙여, 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 '연결'되어 있다고 할 때는 이는 '직접적으로 연결'되어 있는 경우뿐만 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 '간접적으로 연결'되어 있는 경우도 포함한다.
또한, 어떤 구성요소를 포함'한다는 것은, 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있다는 것을 의미한다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하도록 한다.
도 1은 본 발명의 전원 공급 장치의 개략적인 회로도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 전원 공급 장치(100)는 포워드 컨버터부(110) 및 플라이 백 컨버터부(120)를 포함할 수 있으며, 제어부(130), EMI 필터(140) 및 정류부(150)를 더 포함할 수 있다.
포워드 컨버터부(110)와 플라이백 컨버터부(120)는 트랜스포머의 일차 권선(p) 및 전원 스위치(Q)를 공유할 수 있다.
포워드 컨버터부(110)는 일차 권선(p) 및 제1 이차 권선(s)을 갖는 트랜스포머를 구비할 수 있으며, 일차 권선(p)에 입력된 전원을 스위칭하는 전원 스위치(Q)를 구비할 수 있다. 일차 권선(p)과 제1 이차 권선(s)는 사전에 설정된 권선비를 갖도록 자기 결합되어 있을 수 있으며, 일차 권선(p)에 입력된 전원은 전원 스위치(Q)의 스위칭에 따라 제1 이차 권선(s)에 전원을 유기할 수 있으며, 제1 이차 권선(s)에 유기된 전원의 전압 레벨은 상기 권선비에 의해 결정될 수 있다.
포워드 컨버터부(110)는 포워드(forward) 방식으로 전원 변환 동작을 수행하므로, 일차 권선(p)과 제1 이차 권선(s)의 권선 시작 포인트는 서로 동일한 위치에 있을 수 있다.
플라이백 컨버터부(120)는 포워드 컨버터부(110)와 상기 트랜스포머 및 전원 스위치(Q)를 공유할 수 있으며, 상기 트랜스포머는 제2 이차 권선(c)을 구비할 수 있다. 제2 이차 권선(c)은 일차 권선(p)과 자기 결합되어 사전에 설정된 권선비를 형성할 수 있으며, 일차 권선(p)에 입력된 전원은 전원 스위치(Q)의 스위칭에 따라 제2 이차 권선(c)에 전원을 유기할 수 있으며, 제2 이차 권선(c)에 유기된 전원의 전압 레벨은 상기 권선비에 의해 결정될 수 있다.
플라이백 컨버터부(120)는 플라이 백(fly back) 방식으로 전원 변환 동작을 수행하므로, 일차 권선(p)과 제2 이차 권선(c)의 권선 시작 포인트는 서로 반대 위치에 있을 수 있다.
포워드 컨버터부(110)와 플라이백 컨버터부(120)의 출력 전원은 부하(Ro)에 전달될 수 있으며, 특히 적어도 하나의 발광 다이오드(LED)에 전달되어 발광 다이오드(LED)가 발광 동작을 수행할 수 있도록 할 수 있다. 발광 다이오드(LED)는 복수개가 직렬 연결되어 하나의 발광 다이오드 어레이(array)를 구성할 수 있으며, 도시되지 않았지만 복수 개의 발광 다이오드 어레이가 병렬로 연결되어 상기 출력 전원을 공급받아 발광 동작을 수행할 수도 있다.
EMI 필터(140)는 입력된 교류 전원의 전자기 간섭(elctro-magnetic interference;EMI)을 필터링할 수 있으며, 정류부(150)는 필터링된 전원을 정류하여 상기 트랜스포머의 일차 권선(p)에 전달할 수 있다.
포워드 컨버터부(110)는 입력 전원의 전압 레벨이, 출력 전원의 전압 레벨보다 높을 경우, 전력 변환 동작을 수행할 수 있다.
한편, 플라이백 컨버터부는 입력 전원의 전압 레벨에 무관하게 상시 전력 변환 동작을 수행할 수 있다.
더하여, 포워드 컨버터부(110)와 플라이백 컨버터부(120)는 전원 스위치(Q)를 공유할 수 있는데, 전원 스위치(Q)는 턴 온 듀티를 일정하게 유지하여 입력 전원의 역률을 개선할 수 있다.
즉, 포워드 컨버터부(110)와 플라이백 컨버터부(120)는 하나의 전원 변환 회로내에서, 역률 개선 및 전원 변환 동작을 수행할 수 있다.
이하, 입력 전원과 출력 전원간의 전압 레벨 비교에 따라 포워드 컨버터부(110)와 플라이백 컨버터부(120)의 전원 변환 동작에 관하여 상세히 설명하도록 한다.
도 2는 본 발명의 전원 공급 장치의 전원 변환 동작을 기준을 나타내는 그래프이고, 도 3 및 도 5는 입력 전원과 트랜스포머 1차측에 유기되는 전원간의 관계에 따른 동작 파형을 나타내는 그래프이며, 도 4a 내지 도 4c는 도 3에 도시된 경우의 전류 흐름을 나타내는 도면, 도 6a 및 도 6b는 도 5에 도시된 경우의 전류 흐름을 나타내는 도면이다.
도 2를 참조하면, 상술한 바와 같이, 포워드 컨버터부(110)는 입력 전원(Vin)과 출력 전원(Vo) 간의 전압 레벨 비교 결과에 따라 입력 전원의 전압 레벨이, 출력 전원의 전압 레벨보다 높을 경우, 포워드 컨버터부(110)가 전원 변환 동작을 수행하고, 반대로 입력 전원의 전압 레벨이, 출력 전원의 전압 레벨보다 낮을 경우, 포워드 컨버터부(110)가 전원 변환 동작을 중단할 수 있다.
입력 전원의 전압 레벨이 출력 전원의 전압 레벨보다 높을 경우, 포워드 컨버터부(110)가 전원 변환 동작을 수행할 수 있으며, 도 3 및 도 4a 내지 도 4c를 참조하면, 입력전압(Vin)이 전원 스위치(Q)의 턴-오프 시 상기 트랜스포머의 1차측에 유기되는 전압(VOR)보다 클 경우이다. 그리고, 전원 스위치(Q)의 턴-오프 구간에서는 제2 이차 권선(c)를 통해 상기 트랜스포머의 1차측 전류를 출력전압 쪽으로 리셋 시켜준다.
또한 입력 전압이 커질수록 이 구간이 동작하게 되는 범위가 많아지므로, 자화 인덕터(Lm) 전류(iLm)의 전류 피크 값이 감소하게 되면서 전체 코어 로스(Core loss)가 감소하는 효과가 있다. 전원 스위치(Q)의 턴-오프 시에는 포워드 컨버터부의 출력단의 인덕터-캐패시터(L-C)(Lo,Co)구조를 출력 필터로도 사용할 수 있어, 전원 스위치(Q)의 턴-오프 구간에서의 출력 전압 리플을 저감하는 효과를 얻을 수 있다.
도 3의 그래프에 기재된 시간별로 설정된 모드 1 내지 모드 3에 관하여 상세히 설명하도록 한다.
모드 1 (t0~t1) : 전원 스위치(Q)가 턴-온 하는 구간이며, 그림 4a에 도시된 실선과 같은 도통 경로를 형성한다. 이 구간에서 포워드 컨버터부(110)가 전원 변환 동작을 수행한다. 따라서 이 구간에서는 출력 다이오드(Do1)이 도통하며, 회로의 저장된 에너지는 트랜스포머와 출력 인덕터(Lo)를 통해 출력 부하로 전달된다. 또한, 에너지의 일부는 자화 인덕터(Lm)에 저장된다. 이때, 자화 인덕터(Lm)에 흐르는 전류는 Vin/Lm 의 기울기로 증가한다. 출력 다이오드(Do1)에 흐르는 전류는 출력 인덕(Lo)터에 흐르는 전류와 동일하며, 이 전 구간에서 출력 인덕터(Lo)에 흐르는 전류가 없었으므로 초기의 출력 인덕터(Lo) 전류값은 '0'이다. 출력 인덕터(Lo)에 흐르는 전류는 하기와 같은 (수식1)로 표현할 수 있다.
(수식1)
Figure 112013068661128-pat00001
출력 다이오드(Do2, Do3)는 도통하지 않아 '0'전류가 흐르고, 이때 다이오드에 걸리는 전압은 각각 Ns*Vin/Np 와 Nc*Vin/Np+Vo 가 된다.
모드 2 (t1~t2) : 전원 스위치(Q)의 턴-오프가 시작되는 구간이며, 도 4b에 도시된 실선과 같은 도통 경로를 형성한다. 이 전 모드에서 흐르던 1차측 자화 인덕터 전류(iLm)는 리셋을 위해 제2 이차권선(c)으로 흐르게 되며, 출력 다이오드(Do3)가 도통한다. 출력 다이오드(Do3)에 흐르는 전류는 하기의 (수식2)와 같으며, 1차측 자화 인덕터의 전류(iLm)가 '0'이 되는 모드 3 구간까지 흐른다.
(수식2)
Figure 112013068661128-pat00002
또한 이 구간에서 포워드 컨버터부(110)의 출력은 출력 다이오드(Do2)가 도통하여 출력 인덕터(Lo)와 같은 경로로 전류가 흐르며, -Vo/Lo 의 기울기를 갖는다. 출력 인덕터(Lo)의 양단 전압은 출력 전압만큼 걸리며, 전류가 '0'이 되면 모드 2는 끝난다.
모드 3 (t2~t3) : 전원 스위치(Q)의 턴-오프 이후, 포워드 컨버터부(110)의 출력 다이오드(Do2)와 출력 인덕터(Lo)에 흐르던 전류는 '0'이 되고, 도 4c에 도시된 실선과 같은 도통 경로를 형성한다. 이 전 구간부터 리셋되던 전류는 출력 다이오드(Do3)를 통해 흐르고 있으며, 1차측 자화 인덕터의 전류(iLm)가 '0'이 되면 추출력 다이오드(Do3)의 전류 또한 '0'이 되어 모드 3 구간이 끝나며, 이때 전원 스위치(Q)가 턴-온 된다.
입력 전원의 전압 레벨이 출력 전원의 전압 레벨보다 낮을 경우에는, 플라이백 컨버터(120)만 전원 변환 동작을 수행할 수 있으며, 도 5 및 도 6a 및 도 6b를 참조하면, 입력전압이 트랜스포머의 1차측에 유기되는 전압보다 작을 경우, 플라이백 컨버터부(120)만 동작하게 되며 포워드 컨버터부(110)는 동작하지 않게 된다.
플라이백 컨버터부(120)만 동작하는 경우를 보면, 도 5에 도시된 바와 같이 스위치 턴-온 구간과 스위치 턴-오프 시 두 구간인 모드 1 및 모드 2로 나뉘게 된다.
모드 1 (t0~t1) : 전원 스위치(Q)가 턴-온 하는 구간이며, 도 6a에 도시된 실선과 같은 도통 경로를 형성한다. 이 구간에는 도통하는 다이오드가 없으며, 출력 인덕터(Lo)에도 전류가 흐르지 않는다. 출력 다이오드(Do1,Do2,Do3)에 걸리는 전압은 각각 출력 다이오드(Do1)은 -Ns*Vin/Np, 출력 다이오드(Do2)는 Vout, 출력 다이오드(Do3)는 Nc*Vin/Np+Vout이 걸린다. 이때, 출력 다이오드(Do2)는 Vin < VOR 구간에서 항상 출력 전압인 Vout만큼의 전압 스트레스를 갖는다.
모드 2 (t1~t2) : 전원 스위치(Q)가 턴-오프 하는 구간이며, 도 6b에 도시된 실선과 같은 도통 경로를 형성한다. 전원 스위치(Q)가 턴 오프되면, 전원 스위치(Q)에는 Np*Vo/Nc+Vin 만큼의 전압 스트레스가 걸린다. 이때 1차측에는 -Np*Vo/Nc 만큼의 전압이 걸리고 자화 인덕터에 흐르던 전류(iLm)는 1차측 트랜스포머를 통해 2차측 Flyback 출력으로 넘어가게 된다. 따라서, 출력 다이오드(Do3)가 도통하게 되고, 상기한 (수식2)와 동일한 기울기를 갖는다.
출력 다이오드(Do2)는 전원 스위치(Q)의 턴-온 구간에서와 마찬가지로 Vout 만큼의 전압 스트레스를 가지며, 출력 다이오드(Do1)은 (1+Ns/Nc)Vout의 전압 스트레스를 갖는다. 제2 이차 권선(c)의 출력 다이오드(Do3) 전류가 0이 되면, 전원 스위치(Q)의 턴-온 구간이 시작된다.
도 7a 및 도 7b는 입력 전원의 전압 레벨에 따른 동작 파형을 나타내는 그래프이다.
우선, 입력 전원(Vin)의 전압 레벨이 100Vrms 인 경우의 주요 동작파형을 그림 6a에 나타내었다. 출력사양은 42V , 570mA에 맞게 제어되고 있으며, BCM 동작이 되는 것을 확인할 수 있다. 또한 일차 권선(p)과 제1 이차 권선(s) 간의 권선비가 3:1 이므로, 입력 전원(Vin)의 전압 레벨이 100Vrms인 경우에는 항상 Vin < VOR 조건이므로 플라이백 컨버터부(120)만이 동작하고 포워드 컨버터부(110)는 동작할 수 없으며 출력 인덕터(Lo)에 흐르는 전류는 '0'이 된다. 즉, 입력 전원(Vin)의 전압 레벨이 100Vrms인 경우에 본 발명의 전원 공급 장치는 일반적인 BCM모드의 플라이백 컨버터와 동일하게 동작한다. 반면, 입력 전원(Vin)의 전압 레벨이 260Vrms 인 경우는 도 7b에 도시된 바와 같이, Vin > VOR인 구간에서는 포워드 컨버터부(110)도 전원 변환 동작을 수행하며 출력 인덕터 전류(iLo)는 DCM(Discon-tinuous Conduction Mode)으로 동작함을 확인할 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 역률 보정 기능과 정전류 제어를 하나의 회로단에서 수행하여 전력 변환 효율이 증가되고, 입력 전원의 데드존이 제거되어 역률을 증가시킬 수 있다.
즉, 기존의 역률개선 기능을 수행하는 플라이백 컨버터는 역률보정 회로와 직류/직류 컨버터로 구성된 LED 구동 회로에 비해 회로 구성이 간단하며, 다소 높은 효율로 최대효율이 약 88% 수준이다. 즉, 스너버의 전력 소모, 트랜스포머 코어의 전력 소모, 1차측 스위치에서의 전력 소모가 다소 크게 나타나는 경향이 있으며, 본 발명에서는 이러한 부분들을 개선하여 효율을 극대화하기 위해 트랜스포머의 자화 인덕터 전류를 출력측으로 리셋시킴으로써, 한 주기 전 구간(Ts)에서 파워링(powering)이 가능하므로, 1차측 전류의 RMS가 작아져 도통손실이 줄어드는 장점이 있다. 뿐만 아니라, 자화 인덕터 전류의 오프셋(offset)이 작아, 트랜스포머 코어 손실이 줄어들어 고효율 달성이 가능하다.
기존의 포워드 컨버터는 입력전압이 출력전압보다 낮은 경우, 출력측으로 파워링(powering)이 되지 않아, 입력 전류의 데드 존(Dead Zone)이 발생하며 이로 인하여 높은 역률개선 효과를 기대하기 어려웠지만, 본 발명에서는 제2 이차 권선측을 플라이백 형태로 구성하여 입력전압이 출력전압보다 낮을 경우에는 플라이백 컨버터로, 입력전압이 출력전압보다 높은 경우에는 플라이 백과 포워드 컨버터로 동작한다. 따라서, 입력 전류의 데드 존없이 높은 역률 특성을 가질 수 있으며 종래의 플라이백 컨버터에 비해 코어 로스가 저감되어 고효율 특성을 가질 수 있다.
이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고 후술하는 특허청구범위에 의해 한정되며, 본 발명의 구성은 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 그 구성을 다양하게 변경 및 개조할 수 있다는 것을 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 쉽게 알 수 있다.
100: 전원 공급 장치
110: 포워드 컨버터부
120: 플라이백 컨버터부
140: EMI 필터
150: 정류부

Claims (25)

  1. 입력 전원을 전달받는 일차 권선 및 상기 일차 권선과 자기 결합되어 전원을 유기받는 제1 이차 권선을 갖는 트랜스포머를 가지며, 포워드(Forward) 방식으로 전력을 변환하는 포워드 컨버터부;
    상기 트랜스포머를 공유하며, 상기 트랜스포머에 구비되어 상기 일차 권선과 자기 결합된 제2 이차 권선을 가지며, 플라이 백(Fly Back) 방식으로 전력을 변환하는 플라이 백 컨버터부를 포함하고,
    상기 포워드 컨버터부는 상기 입력 전원의 전압 레벨이 컨버터의 출력 전원의 전압 레벨보다 높을 경우, 전력 변환 동작을 수행하는 싱글 스테이지 포워드-플라이 백 컨버터.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 플라이백 컨버터부는 상기 입력 전원의 전압 레벨에 무관하게 상시 전력 변환 동작을 수행하는 싱글 스테이지 포워드-플라이 백 컨버터.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 포워드 컨버터부와 상기 플라이 백 컨버터부는 상기 트랜스포머의 상기 일차 권선에 입력되는 전원을 스위칭하는 전원 스위치를 공유하는 싱글 스테이지 포워드-플라이 백 컨버터.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 전원 스위치는 턴 온 듀티를 일정하게 유지하여 상기 입력 전원의 역률을 개선하는 싱글 스테이지 포워드-플라이 백 컨버터.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 입력 전원은 정류되어 상기 일차 권선에 전달되는 싱글 스테이지 포워드-플라이 백 컨버터.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 일차 권선과 상기 제1 이차 권선의 권선 시작 포인트는 서로 동일 위치에 형성되는 싱글 스테이지 포워드-플라이 백 컨버터.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 일차 권선과 상기 제2 이차 권선의 권선 시작 포인트는 서로 반대 위치에 형성되는 싱글 스테이지 포워드-플라이 백 컨버터.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 포워드 컨버터부와 상기 플라이백 컨버터부의 출력은 적어도 하나의 발광 다이오드에 공급되는 싱글 스테이지 포워드-플라이 백 컨버터.
  10. 교류 전원을 정류하는 정류부;
    상기 정류부로부터의 정류된 전원을 전달받는 일차 권선 및 상기 일차 권선과 자기 결합되어 전원을 유기받는 제1 이차 권선을 갖는 트랜스포머를 가지며, 포워드(Forward) 방식으로 전력을 변환하는 포워드 컨버터부;
    상기 트랜스포머를 공유하며, 상기 트랜스포머에 구비되어 상기 일차 권선과 자기 결합된 제2 이차 권선을 가지며, 플라이 백(Fly Back) 방식으로 전력을 변환하는 플라이 백 컨버터부를 포함하여,
    상기 포워드 컨버터부는 상기 정류된 전원의 전압 레벨이 전원 공급 장치의 출력 전원의 전압 레벨보다 높을 경우, 전력 변환 동작을 수행하는 전원 공급 장치.
  11. 삭제
  12. 제10항에 있어서,
    상기 플라이백 컨버터부는 상기 정류된 전원의 전압 레벨에 무관하게 상시 전력 변환 동작을 수행하는 전원 공급 장치.
  13. 제10항에 있어서,
    상기 포워드 컨버터부와 상기 플라이 백 컨버터부는 상기 트랜스포머의 상기 일차 권선에 입력되는 전원을 스위칭하는 전원 스위치를 공유하는 전원 공급 장치.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 전원 스위치는 턴 온 듀티를 일정하게 유지하여 상기 교류 전원의 역률을 개선하는 전원 공급 장치.
  15. 제10항에 있어서,
    상기 일차 권선과 상기 제1 이차 권선의 권선 시작 포인트는 서로 동일 위치에 형성되는 전원 공급 장치.
  16. 제10항에 있어서,
    상기 일차 권선과 상기 제2 이차 권선의 권선 시작 포인트는 서로 반대 위치에 형성되는 전원 공급 장치.
  17. 제10항에 있어서,
    상기 교류 전원의 전자기 간섭을 제거하는 EMI 필터를 더 포함하는 전원 공급 장치.
  18. 교류 전원을 정류하는 정류부;
    상기 정류부로부터의 정류된 전원을 전달받는 일차 권선 및 상기 일차 권선과 자기 결합되어 전원을 유기받는 제1 이차 권선을 갖는 트랜스포머를 가지며, 상기 정류된 전원의 전압 레벨이 적어도 하나의 발광 다이오드에 공급되는 출력 전원의 전압 레벨보다 높을 경우, 포워드(Forward) 방식으로 전력을 변환하여 상기 적어도 하나의 발광 다이오드에 전원을 공급하는 포워드 컨버터부;
    상기 트랜스포머를 공유하며, 상기 트랜스포머에 구비되어 상기 일차 권선과 자기 결합된 제2 이차 권선을 가지며, 플라이 백(Fly Back) 방식으로 전력을 변환하여 상기 적어도 하나의 발광 다이오드에 전원을 공급하는 플라이 백 컨버터부를 포함하는 발광 다이오드 전원 공급 장치.
  19. 삭제
  20. 제18항에 있어서,
    상기 플라이백 컨버터부는 상기 정류된 전원의 전압 레벨에 무관하게 상시 전력 변환 동작을 수행하는 발광 다이오드 전원 공급 장치.
  21. 제18항에 있어서,
    상기 포워드 컨버터부와 상기 플라이 백 컨버터부는 상기 트랜스포머의 상기 일차 권선에 입력되는 전원을 스위칭하는 전원 스위치를 공유하는 발광 다이오드 전원 공급 장치.
  22. 제21항에 있어서,
    상기 전원 스위치는 턴 온 듀티를 일정하게 유지하여 상기 교류 전원의 역률을 개선하는 발광 다이오드 전원 공급 장치.
  23. 제18항에 있어서,
    상기 일차 권선과 상기 제1 이차 권선의 권선 시작 포인트는 서로 동일 위치에 형성되는 발광 다이오드 전원 공급 장치.
  24. 제18항에 있어서,
    상기 일차 권선과 상기 제2 이차 권선의 권선 시작 포인트는 서로 반대 위치에 형성되는 발광 다이오드 전원 공급 장치.
  25. 제18항에 있어서,
    상기 교류 전원의 전자기 간섭을 제거하는 EMI 필터를 더 포함하는 발광 다이오드 전원 공급 장치.
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IEEE 논문(제목: Single-Stage Soft-Switching AC-DC Converter With Input-Current Shaping for Universal Line Applications), 논문발표 2009년 1월 *
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