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KR101499055B1 - 고전압 스위칭 전원장치 - Google Patents

고전압 스위칭 전원장치 Download PDF

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KR101499055B1
KR101499055B1 KR1020130065907A KR20130065907A KR101499055B1 KR 101499055 B1 KR101499055 B1 KR 101499055B1 KR 1020130065907 A KR1020130065907 A KR 1020130065907A KR 20130065907 A KR20130065907 A KR 20130065907A KR 101499055 B1 KR101499055 B1 KR 101499055B1
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Abstract

본 발명은 공진형 스위칭 전원장치에서 병렬형 변압기를 사용할 수 있도록 두 개의 변압기와 두 개의 공진용 인덕터 및 두 개의 공진용 커패시터로 이중 공진회로를 구성하고, 변압기의 2차측을 센터탭으로 결합시켜, 병렬변압기와 커플링 된 2차측에 상하 대칭형 배전압 정류기를 적용하기 때문에 한 개의 변압기를 사용하는 효과를 얻을 수 있는 고효율의 고전압용 스위칭 전원장치를 제공한다.

Description

고전압 스위칭 전원장치{HIGH VOLTAGE SWITCHING POWER SUPPLY}
본 발명은 스위칭 전원장치에 관한 것으로, 특히 두 개의 병렬 변압기를 사용하여 스위칭 전원장치의 변압기 사이즈를 분할시킴으로써 스위칭 전원장치의 소형화 및 박형화 설계를 용이하게 수행할 수 있도록 하며, 각각의 병렬 변압기와 커플링 된 2차측에 상하 대칭형 배전압 정류기를 적용시킨 고전압 스위칭 전원장치에 관한 것이다.
일반적으로 스위칭 전원장치는 안정된 전압을 공급하면서 많은 전력을 변환시키기 때문에 전력손실이 반드시 발생하게 된다. 내부에서 발생된 손실은 대부분 열로서 발산되기 때문에 발생 열에 비례하여 전력변환 효율이 낮아지게 되고, 경우에 따라서는 제품의 수명을 단축시키는 요인이 된다. 또한 서버나 고속연산, 대규모 정보처리를 수행하는 중대형 컴퓨터용 대용량 전원장치의 경우에는 전력변환 효율뿐만 아니라 전원장치의 사이즈가 제한받게 되어, 제품 개발 단계에서 체적과 부피, 무게를 줄일 수 있는 설계와 제조방법이 절실히 요구되고 있다.
전력용량을 전원장치 제품의 체적으로 나눈 것을 일반적으로 전력밀도라고 한다. 전력밀도가 높다는 것은 제품의 외형 사이즈에 비해 좀 더 많은 전력용량을 갖고 있다는 뜻이며, 시스템 사이즈를 소형화시킬 수 있는 가능성이 더욱 높아진다. 일반적으로 전력밀도를 높일 수 있는 방법은 크게 세 가지가 존재한다.
먼저 스위칭 주파수를 높이게 되면 주파수에 민감한 소자들의 사이즈가 변하게 된다. 변압기나 커패시터와 같은 전력저장 소자들은 주파수가 높아지면 에너지 저장에 대한 부담이 줄어들게 되기 때문에 사이즈를 줄일 수 있고, 따라서 제품의 사이즈를 좀 더 소형화시킬 수 있다.
다음으로는 전력변환 효율을 높이는 것이다. 전력변환 효율이 높아지면 발열량이 줄어들고, 발열량이 줄면 히트싱크나 전도체의 사이즈가 줄어들기 때문에 전원장치의 사이즈를 소형화시킬 수 있다.
마지막으로는 제품의 구성방법과 최적 배치 기술을 이용하는 것이다. 전원장치에서 사용되고 있는 수백 개의 소자들을 최적의 상태로 배치 배열하는 것은 제품의 소형화와 신뢰성에 매우 밀접한 관계가 있으며, 특히 변압기나 인덕터와 같은 자성체 코어를 사용하는 소자의 배치와 배열은 매우 중요한 결과를 갖는다.
최근 공진형 하프브릿지 컨버터는 공진형 스위칭 기술을 이용하기 때문에 스위칭 손실을 저감시켜서 고효율 전력변환이 가능하다는 장점이 있으나, 출력전력이 증가함에 따라 대전력의 변압기를 사용하는 경우에는, 변압기를 구성하는 마그네틱 코어의 사이즈가 증가하여 전원장치의 소형화에 걸림돌이 되고 있다. 이러한 문제를 해결하기 위해서 두 개의 코어를 사용하여 변압기의 높이를 낮추고 출력전력을 높일 수 있는 병렬형 변압기 구성이 주목받고 있다.
그러나 이러한 종래의 방법은 단순한 병렬구조를 갖는 변압기 구성방법이기 때문에 공진 스위칭 조건에 맞추기가 어렵고 스위칭 주파수 범위에 최적화된 동작이 어렵기 때문에 스위칭 전원장치의 신뢰성을 높일 수가 없어서 결과적으로는 변압기를 비롯한 시스템을 소형화시키기 어려운 문제점이 있다.
Reza Beiranvand, Bizhan Rashidian, Mohammad Reza Zolghadri, and Seyed Mohammad Hossein Alavi, "A Design Procedure for Optimizing the LLC Resonant Converter as a Wide Output Range Voltage Source", IEEE TRANSACTIONS ON POWER ELECTRONICS, VOL. 27, NO. 8, AUGUST 2012, pp. 3749-3763. Shih-Yu Chen, Zhu Rong Li, and Chern-Lin Chen, "Analysis and Design of Single-Stage AC/DC LLC Resonant Converter", IEEE TRANSACTIONS ON INDUSTRIAL ELECTRONICS, VOL. 59, NO. 3, MARCH 2012, pp. 1538-1544. Sihun Yang, Seiya Abe, and Masahito Shoyama, "Design Consideration of Two Flat Transformers in a Low-Profile LLC Resonant Converter", 8th International Conference on Power Electronics - ECCE Asia May 30-June 3, 2011, pp. 854-859. S. De Simone, C. Adragna, C. Spini, "Design guideline for magnetic integration in LLC resonant converters", SPEEDAM 2008 International Symposium on Power Electronics, Electrical Drives, Automation and Motion, pp. 950-957. A. Hillers, D. Christen and J. Biela, "Design of a Highly Efficient Bidirectional Isolated LLC Resonant Converter", 15th International Power Electronics and Motion Control Conference, EPE-PEMC 2012 ECCE, pp. DS2b.13-1-8.
따라서 본 발명의 목적은 스위칭 전원장치에서 병렬형 변압기를 사용할 수 있도록 두 개의 변압기와 공진 소자의 배치를 최적화하여 스위칭 전원장치의 높이를 낮추고 박형화시킬 수 있는 고전압 스위칭 전원장치를 제공하는데 있다.
또한, 본 발명의 다른 목적은 두 개의 변압기를 병렬로 사용하여 한 개의 변압기를 사용하는 스위칭 전원장치에 비해 내부전력손실을 저감 시킴으로써 결과적으로는 전력변환 효율을 개선하여 스위칭 전원장치의 내부 발열을 낮추고 높은 신뢰성을 갖는 고효율의 고전압 스위칭 전원장치를 제공하는데 있다.
또한, 본 발명의 또 다른 목적은 각각의 변압기 2차측에 상하 대칭형 고배전압 정류기를 적용하여 일반 고배전압 정류기에서 얻을 수 없는 대칭형 전류에 의해 안정된 고전압을 얻을 수 있는 스위칭 전원장치를 제공하는데 있다.
상기와 같은 목적들을 달성하기 위한 본 발명에 따른 고전압 스위칭 전원장치는, 두 개의 변압기를 사용하여 전원장치의 출력에서 요구하는 전력을 분배하여 구성함으로써 전원장치의 높이와 체적을 줄일 수 있어서 고효율의 스위칭 전원장치를 구성하는데 특징이 있다.
또한, 본 발명에 따른 고전압 스위칭 전원장치는, 두 개의 변압기를 병렬로 사용하여 한 개의 변압기를 사용하는 스위칭 전원장치에 비해 전류의 경로를 나누어 흐르도록 함으로써 내부 전력손실을 저감시키고 결과적으로는 전력변환 효율을 개선하여 스위칭 전원장치의 내부 발열을 낮추고 높은 신뢰성을 갖는 고효율의 스위칭 전원장치를 제공하는데 특징이 있다.
또한, 본 발명에 따른 고전압 스위칭 전원장치는, 입력전원과 직렬로 연결된 두 개의 스위치(Q1, Q2); 상기 두 개의 스위치(Q1, Q2) 사이의 노드에 병렬로 연결된 두 개의 공진용 인덕터(LR1, LR2); 1차측이 상기 두 개의 공진용 인덕터(LR1, LR2)와 각각 직렬로 연결되고, 공통으로 접지에 연결되며, 2차측이 센터탭 구조로 연결된 두 개의 변압기(T1, T2); 상기 두 개의 변압기(T1, T2)의 1차측과 접지 사이에 각각 직렬 연결된 두 개의 공진용 커패시터(CR1, CR2); 및 상기 2차측의 센터탭 출력에 직렬로 연결된 하나의 평활용 커패시터(C2)와 상기 평활용 커패시터(C2)와 병렬로 연결된 두 개의 다이오드(D2, D8)로 구성되는 배전압 전파정류기;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 고전압 스위칭 전원장치는, 상기 두 개의 변압기(T1, T2)의 2차측에 각각 직렬 연결된 두 개의 평활용 커패시터(C1, C7)와 상기 2차측의 센터탭 출력에 병렬로 연결된 두 개의 다이오드(D1, D7) 로 구성되는 반파정류기;를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 고전압 스위칭 전원장치는, 상기 센터탭의 출력전압을 분배하여 일정하게 제어하고, 기준전압과 비교하여 적정한 제어전압을 발생하는 제어회로; 상기 제어회로의 제어전압을 주파수로 변환하는 전압-주파수 변환회로; 및 상기 두 개의 스위치를 적정한 주파수에서 동작하도록 제어하는 스위치 구동회로;를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 병렬 변압기를 이용한 스위칭 전원장치는, 상기 공진용 커패시터를 두 개의 공진용 인덕터와 각각 직렬로 구성할 수 있도록 두 개로 구성하는 이중 공진회로를 구성하는 것을 특징으로 한다.
상술한 바와 같이 본 발명은 스위칭 전원장치에서 병렬형 변압기를 사용할 수 있도록 두 개의 변압기와 공진 소자의 최적 배치를 제공하여 스위칭 전원장치의 높이를 낮추고 박형화시킬 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 두 개의 변압기를 병렬로 사용하여 한 개의 변압기를 사용하는 공진형 스위칭 전원장치에 비해 내부전력손실 저감시키고 결과적으로는 전력변환 효율을 개선하여 스위칭 전원장치의 내부 발열을 낮추고 높은 신뢰성을 갖는 고효율의 공진형 스위칭 전원장치를 제공할 수 있는 장점이 있다.
또한, 두 개의 변압기 2차측에 상하 대칭형 고배압 정류기를 적용하면 사용자가 원하는 고전압을 안정되게 얻을 수 있는 장점이 있다.
도 1은 본 발명에 따른 이중 공진회로와 대칭형 6배압 정류기를 이용한 고전압 스위칭 전원장치의 회로도,
도 2는 본 발명에 따른 이중 공진회로와 대칭형 2배압 정류기를 이용한 고전압 스위칭 전원장치의 회로도,
도 3은 도 2의 고전압 스위칭 전원장치의 등가 회로도,
도 4a 내지 도 4c는 도 2의 고전압 스위칭 전원장치의 주요 파형도.
이하 본 발명의 바람직한 실시 예들의 상세한 설명이 첨부된 도면들을 참조하여 설명될 것이다. 도면들 중 동일한 구성들은 가능한 한 어느 곳에서든지 동일한 부호들을 나타내고 있음을 유의하여야 한다. 하기 설명에서 구체적인 특정 사항들이 나타나고 있는데, 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해 제공된 것이다. 그리고 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 본 명세서의 전반에 걸쳐 사용되는 용어들은 본 발명 실시 예에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서, 사용자 또는 운용자의 의도, 관례 등에 따라 충분히 변형될 수 있는 사항이므로 이 용어들의 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 한다.
도 1은 본 발명에 따른 이중 공진회로와 대칭형 6배압 정류기를 이용한 고전압 스위칭 전원장치의 회로도이고, 도 2는 본 발명에 따른 이중 공진회로와 대칭형 2배압 정류기를 이용한 고전압 스위칭 전원장치의 회로도이다. 또한, 도 3은 도 2의 고전압 스위칭 전원장치의 등가 회로도이고, 도 4a 내지 도 4c는 도 2의 고전압 스위칭 전원장치의 주요 파형도이다.
이하, 도 1 내지 도 4c를 참조하여 본 발명에 따른 이중 공진회로와 대칭형 배전압 정류기를 이용한 고전압 스위칭 전원장치의 구성 및 동작에 대하여 상세히 설명한다.
먼저, 도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 고전압 스위칭 전원장치는 두 개의 공진용 커패시터(CR1, CR2)와 두 개의 공진용 인덕터(LR1, LR2)를 갖는 이중 공진회로와 병렬 변압기(T1, T2)로 구성된다.
본 발명에 따른 고전압 스위칭 전원장치는 먼저 입력전압(Vs)이 공급되면 제어회로에 의해서 두 개의 스위치(Q1, Q2)는 50%의 시비율(Duty Ratio)로 번갈아 고속 스위칭 되며, 그 결과 두 스위치(Q1, Q2) 중앙의 노드에는 입력전압(Vs)의 크기에 해당되는 펄스전압이 인가된다.
두 스위치(Q1, Q2) 중앙의 노드에 인가된 펄스전압은 두 개의 공진 커패시터(CR1, CR2), 두 개의 공진 인덕터(LR1, LR2) 및 두 개의 변압기(T1, T2)의 1차측에 존재하는 자화인덕턴스에 의해 전류와 전압이 공진함으로써 정현파 형태로 변환되며, 두 개의 변압기(T1, T2)의 2차측에서는 공진 전류가 변압기 권선비(NP1 : NP2, NS1 : NS2)에 의해 크기가 변환된다.
크기가 변환된 정현파는 변압기 2차측의 센터탭 권선구조와 두 개의 평활용 커패시터(C1, C7) 및 다이오드(D1, D7)에 의해서 반파 정류되고, 반파 정류된 전류파형이 평활용 커패시터(C1, C7)에 충전되어, 평활용 커패시터(C2)와 다이오드(D2, D8)에 의해서 평활용 커패시터(C2)에는 평활용 커패시터(C1, C7)에 충전되는 전압(Vc1) 대비 두 배의 전압(Vc2)이 걸리게 된다.
평활용 커패시터(C2)에 걸린 두 배의 전압(VC2)은 출력단에 공급되는 전압으로서, 평활용 커패시터(C2)는 일정전압(Vo)을 유지하면서 일정한 직류전압으로 변환되고 최종적으로 부하저항(RL)에 전력을 공급함으로써 직류-직류 변환시키는 스위칭 전원장치로서 동작하게 된다.
이를 위하여, 도시하지는 않았으나, 본 발명에 따른 고전압 스위칭 전원장치는 변압기 2차측의 센터탭의 출력전압을 분배하여 일정하게 제어하고, 기준전압과 비교하여 적정한 제어전압을 발생하는 제어회로가 추가로 구성될 수 있다. 또한, 제어회로의 제어전압을 주파수로 변환하는 전압-주파수 변환회로 및 두 개의 스위치(Q1, Q2)를 적정한 주파수에서 동작하도록 제어하는 스위치 구동회로를 더 포함하는 것이 바람직하다.
한편, 도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명은 이중 공진회로와 대칭형 6배압 정류기를 이용하여 더 높은 고전압 스위칭 전원장치를 구성할 수 있다.
도 3은 도 2의 고전압 스위칭 전원장치의 등가 회로도로서, 이하, 도 3을 참조하여 본 발명에 따른 고전압 스위칭 전원장치를 더욱 상세히 설명한다. 도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 이중 공진회로와 대칭형 2배압 정류기를 이용한 고전압 스위칭 전원장치는, 먼저 입력전압(Vs)이 공급되면 제어회로에 의해서 두 개의 스위치(Q1, Q2)가 50%의 시비율로 번갈아 고속 스위칭 되어, 그 결과로 두 스위치(Q1, Q2) 중앙의 노드에서는 입력전압(Vs)의 크기에 해당되는 펄스전압이 인가된다.
두 스위치(Q1, Q2) 중앙의 노드에 인가된 펄스전압은 두 개의 공진 커패시터(CR1, CR2), 두 개의 공진 인덕터(LR1, LR2) 및 두 개의 변압기(T1, T2)의 1차측에 존재하는 자화인덕턴스에 의해 전류와 전압이 공진함으로써 정현파 형태로 변환되며, 변압기 2차측에서는 공진 전류가 변압기 권선비(NP1 : NP2, NS1 : NS2)에 의해 크기가 변환된다.
크기가 변환된 정현파는 변압기 2차측 센터탭 권선구조와 두 개의 평활용 커패시터(C1, C7) 및 다이오드(D1, D7)에 의해서 반파 정류되고, 반파 정류된 전류파형이 평활용 커패시터(C1, C7)에 전압(Vm)이 충전된다. 이때, 평활용 커패시터(C2)와 다이오드(D2, D8)에 의해서 평활용 커패시터(C2)에는 평활용 커패시터(C1, C7)에 충전된 전압(Vm) 대비 두 배의 전압(2Vm)이 걸리게 되어 출력단에 공급된다.
상기 평활용 커패시터(C2)는 일정전압(Vo)을 유지하면서 일정한 직류전압으로 변환되고, 부하저항(RL)에 전력이 공급됨으로써, 최종적으로 직류-직류 변환시키는 고전압 스위칭 전원장치로서 동작한다.
도 4a 내지 도 4c는 도 2의 고전압 스위칭 전원장치의 주요 파형도들을 나타낸 것으로서, 도 2의 회로도에서 얻어진 이상적인 동작파형들을 도시한 것이다.
도 1 내지 도 3을 참조하여 도 4a 내지 도 4c를 설명하면, 먼저 도 4a의 적색 그래프(ILRT)는 공진용 인덕터(LR1)에 흐르는 전류(i LR )를 나타낸 것이고, 청색 그래프(IP1)는 공진 커패시터(CR1)에 흐르는 전류(i CR1 )를 나타낸 것이다. 도 4b의 적색 그래프(VP1)는 변압기(T1)의 1차측 전압(Vp1)을 나타낸 것이고 청색 그래프(VST)는 변압기(T1)의 2차측 전압(Vs1)을 나타낸 것이다. 도 4c의 적색 그래프(VC1)는 변압기(T1)의 2차측 평활용 커패시터(C1) 전압(VC1)을 나타낸 것이고, 청색 그래프(VC3)는 평활용 커패시터(C2)의 전압(VC2)을 나타낸 것이다.
도 4a 내지 도 4c에 도시한 이론적인 파형으로부터, 도 1 내지 도 3을 참조하여 설명한, 이중 공진회로와 대칭형 2배압 정류기를 이용한 본 발명에 따른 고전압 스위칭 전원장치가 정상적인 동작을 수행한다는 것을 알 수 있다.
전술한 바와 같이, 본 발명에 따른 고전압 스위칭 전원장치는 두 개의 변압기와 공진 소자의 최적 배치를 제공하여, 스위칭 전원장치에서 병렬형 변압기를 사용할 수 있도록 함으로써, 스위칭 전원장치의 높이를 낮추고 박형화할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 고전압 스위칭 장치는 두 개의 변압기를 병렬로 사용함으로써, 한 개의 변압기를 사용하는 공진형 스위칭 전원장치에 비해 내부전력손실을 저감시키고 결과적으로는 전력변환 효율을 개선하여 스위칭 전원장치의 내부 발열을 낮추고 높은 신뢰성을 갖는 고효율의 공진형 스위칭 전원장치를 제공한다.
또한, 본 발명에 따른 고전압 스위칭 장치는 두 개의 변압기 2차측에 상하 대칭형 고배압 정류기를 적용하면 사용자가 원하는 고전압을 안정되게 얻을 수 있다
본 발명은 첨부된 도면에 의해 참조되는 바람직한 실시예를 중심으로 기술되었지만, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다. 그러므로 본 발명의 범위는 설명된 실시 예에 국한되어 정해져서는 안되며 후술하는 특허청구의 범위뿐 아니라 이 특허청구의 범위와 균등한 것들에 의해서 정해져야 한다.

Claims (3)

  1. 입력전원과 직렬로 연결된 두 개의 스위치(Q1, Q2);
    상기 두 개의 스위치(Q1, Q2) 사이의 노드에 병렬로 연결된 두 개의 공진용 인덕터(LR1, LR2);
    1차측이 상기 두 개의 공진용 인덕터(LR1, LR2)와 각각 직렬로 연결되고, 공통으로 접지에 연결되며, 2차측이 센터탭 구조로 연결된 두 개의 변압기(T1, T2);
    상기 두 개의 변압기(T1, T2)의 1차측과 접지 사이에 각각 직렬 연결된 두 개의 공진용 커패시터(CR1, CR2); 및
    상기 2차측의 센터탭 출력에 직렬로 연결된 하나의 평활용 커패시터(C2)와 상기 평활용 커패시터(C2)와 병렬로 연결된 두 개의 다이오드(D2, D8)로 구성되는 배전압 전파정류기;를 포함하는 고전압 스위칭 전원장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 두 개의 변압기(T1, T2)의 2차측에 각각 직렬 연결된 두 개의 평활용 커패시터(C1, C7)와 상기 2차측의 센터탭 출력에 병렬로 연결된 두 개의 다이오드(D1, D7) 로 구성되는 반파정류기;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 고전압 스위칭 전원장치.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 센터탭의 출력전압을 분배하여 일정하게 제어하고, 기준전압과 비교하여 제어전압을 발생하는 제어회로;
    상기 제어회로의 제어전압을 주파수로 변환하는 전압-주파수 변환회로; 및
    상기 두 개의 스위치를 상기 전압-주파수 변환회로에서 변환된 주파수에서 동작하도록 제어하는 스위치 구동회로;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 고전압 스위칭 전원장치.
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