KR0152358B1 - 액티브 클램프 방식을 이용한 밧데리 초고속 충전기용 포워드 컨버터 - Google Patents

액티브 클램프 방식을 이용한 밧데리 초고속 충전기용 포워드 컨버터 Download PDF

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Abstract

본 발명은 펄스폭 변조방식에 의한 DC-DC 컨버터중에서 중·소용량으로 널리 쓰이고 있는 포워드 컨버터를 이용하여 스위칭 주파수를 고주파화 함에 따라 발생되는 여러가지문제점중에서 변압기의 자속을 리셋(Reset)시키는 것과 다른 보조스위칭 소자와 클램프 캐패시터를 이용하여 주 스위칭 소자의 전압스트레스를 저감시킴과 동시에 클램프된 에너지를 입력전원(Source)으로 되돌려 주므로써 장치의 효율을 향상시킬 수 있는 액티브 글램프방식을 사용한 배터리 초고속 충전기용 포워드 컨버터(A Forward Converter with Active Clamp Reset Scheme for Ultra-Fast Battery Charger)에 관한 것으로, 부가적인 리셋권선을 사용하지 않고 손실도 발생하지 않는 새로운 방식의 리셋회로와 주 스위칭 소자의 전압 및 전류스트레스를 저감시킴과 동시에 장치의 효율향상을 시킬 수 있다.

Description

액티브 클램프 방식을 사용한 배터리 초고속 충전기용 포워드 컨버터
제1도는 본 발명의 액티브 클램프 방식을 이용한 배터리 초고속 충전기용 포워드 컨버터 전체회로도.
제2도는 (a)(b)는 제1도의 액티브 클램프 방식을 이용한 배터리 초고속 충전기용 포워드 컨버터의 주회로 및 동작설명도.
제3도는 제1도의 제어용 I.C의 초기 구동회로도.
제4도는 제1도의 제어용 I.C의 보조 전원회로도.
제5도는 제1도의 제어용 I.C의 전류 제한회로도.
제6도는 제1도의 주 스위치 Q1의 스피드-업 구동회로도.
제7도는 제1도의 보조 스위치 Q2의 펄스트랜스를 이용한 구동회로도.
제8도는 제1도의 정전압모드 및 정전류모드 기준전압 구성회로도.
제9도는 제1도의 일반 배터리용 고속충전 제어회로도.
제10도는 제1도의 급속 배터리용 초고속 충전 제어회로도.
제11도는 제1도의 기준전압 자동설정 회로도.
제12도는 제1도의 정전압 검출회로도.
제13도는 제1도의 정전류 검출회로도.
제14도는 제1도의 마이콤(μ-COM)제어 기능도.
제15도는 제1도의 배터리 장착 감지 및 충전회로도.
제16도는 제1도의 배터리 리프레쉬 제어기능 회로도.
제17도는 제1도의 배터리, 어답터, 표시램프 및 스위치 관려 외부단자핀 배치도.
제18도는 제1도의 배터리 충전용 단자회로도.
제19도는 제1도의 배터리 종류 및 유무 확인용 스위칭 제어회로도.
제20도는 제1도의 동작기능 표시램프 및 어답터 단자 배치 회로도.
제21도는 제1도의 배터리 리프레쉬용 스위칭 회로도.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
1 : 휴즈 2 : 서지 흡수(sruge absorber)회로
3 : 전도잡읍제거용 회로(Common Mode Noise Filter)
4 : 다이오드 전파정류회로 5. : 돌입전류 제거용 저항(RF)
6. : 방사잡음 제거용 인덕터(LF) 7. : 직류 정류용 필터 캐패시터(CF)
8. : 클램프 캐패시터(C2) 9. : 보조 스위치(Q2)
10. : 주 스위치(Q1) 11. : 주 변압기
12. : 제어용 IC 구동용 보조전원회로
13. : 절연형 전류 제한회로
14,15. : 구동회로 16. : 스타트회로
17. : 제어용 IC 18 : 광 아이숄에이터
19,24. : 정전압 검출회로 20,20a. : 정전류 검출회로
21. : 일반 배터리용 고속 충전제어회로
22. : 급속 배터리용 초고속 충전 제어회로
23. : 기준전압 자동설정회로 25. : 고주파 정류부
26. : 배터리 충전회로 27. : 출력전류 감지저항(Rs)
28. : 리프레시(Refresh)회로 29. : 마이콤(μ-COM)
30. : 어답터회로 32. : 배터리
33. : 배터리 종류 및 유무 확인용 스위칭 제어회로
35. : 리프레시(Refresh)버튼
본 발명은 펄스폭 변조방식에 의한 DC-DC 컨버터중에서 중·소용량으로 널리 쓰이고 있는 포워드 컨버터를 이용하여 스위칭 주파수를 고주파화 함에 따라 발생되는 여러가지 문제점중에서 변압기의 자속을 리셋(Reset)시키는 것과 다른 보조스위칭 소자와 클램프 캐패시터를 이용하여 주 스위칭 소자의 전압스트레스를 저감시킴과 동시에 클램프된 에너지를 입력전원(Source)으로 되돌려 주므로써 장치의 효율을 향상시킬 수 있는 액티브 클램프방식을 사용한 배터리 초고속 충전기용 포워드 컨버터(A Forward Converter with Active Clamp Reset Scheme for Ultra-Fast Battery Charger)에 관한 것이다.
일반적으로 충전기용 전원장치는 DC-DC 컨버터가 그 주류를 이루고 있으며 이 DC-DC 컨버터는 전력용 반도체 소자를 스위치로 하여 직류 입력전압을 변환한 후 필터를 통하여 제어된 직류 출력전압을 얻는 장치이다.
따라서 이를 소형, 경량화로 이룩하기 위하여 흔히 스위칭 주파수를 증대시켜 변압기와 필터의 크기를 줄임으로써 가능하게 된다.
그러나 스위칭 주파수가 증가됨에 따라 부수적인 문제가 뒤따르게 된다. 즉, 스위칭 소자의 스위칭 손실이 증가하고, 전압 혹은 전류스트레스가 증가하여 이에 따르는 시스템의 서지(surge) 또는 노이즈문제가 생기는 것이다.
따라서 전원공급장치를 소형화하기 위하여 스위칭 주파수를 증가시킴에 따라 나타나는 여러가지 부수적인 문제를 해결하기 위하여 크게 두가지로 진행되어 왔다.
이는 스위칭 주파수를 높여서 전력축전 소자의 소형화를 이루기 위한 새로운 형태의 회로개발과 종래의 회로에 있어서 스위칭 주파수의 고주파화에 의한 손실발생의 단점을 극복하는 회로의 개발이다.
한편 펄스폭 변조방식에 의한 DC-DC 컨버터중에서 중·소용량으로 널리 쓰이고 있는 포워드 컨버터는 절연변압기를 사용하여 입력 직류전압을 적절한 크기의 구형파로 변환하고 전력축적용 인덕터를 필터로 설치하여 직류 출력전압을 얻는다. 이때 변압기의 자화 인덕턴스에 의하여 스위치의 도통시간에 축적된 자화에너지는 스위치가 차단될 때 방출될 경로가 없어서 변압기가 포화되게 되며, 따라서 에너지를 출력으로 보낼 수 있게 된다.
이러한 현상을 막기 위해서 종래에는 리셋권선 또는 R-C-D 클램프 회로방식 등을 이용하여 변압기의 자속을 스위칭마다 리셋을 시켜주어서 에너지를 출력쪽으로 전달하게 끔한다.
그러나 리셋 권선방식(3차 권선방식)같은 경우는 변압기의 무게 및 체적의 증가 등의 문제점이 있을 뿐만 아니라 설계 및 제작이 용이하지 못하다는 단점이 있으며, R-C-D 클램프 방식에서는 설계 및 제작은 용이하나 자화전류를 저항에 의하여 소비시키므로 그만큼 손실이 발생하여 장치의 효율 저하시키는 단점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 제반문제점을 해소하기 위하여 발명된 것으로, 부가적인 리셋권선을 사용하지 않고 손실로 발생하지 않는 새로운 방식의 리셋회로와 주 스위칭 소자의 전압 및 전류스트레스를 저감시킴과 동시에 장치의 효율향상을 시킬 수 있는 액티브 클램프 방식을 사용한 배터리 초고속 충전기용 포워드 컨버터(A Forward Converter with Active Clamp Reset Scheme for Ultra-Fast Battery Charger)를 제공하는데 그 목적이 있다.
이하 첨부도면에 의하여 설명하면 다음과 같다.
제1도는 본 발명의 액티브 클램프방식을 사용한 배터리 초고속 충전기용 포워드 컨버터의 전체회로를 나타내고 있다.
그 구성을 살펴보면 상용전원(50/60Hz AC 220V)을 입력으로 하여 과부하가 걸렸을 경우 회로차단을 위해 휴즈(1)를 직렬연결하고, 회로의 과전압 인입방지를 위해서 서지흡수(surge absorber)회로(2)를 회로에 병렬로 연결하며, 전도잡읍제거용 회로(Common Mode Noise Filter)(3)를 거쳐 다이오드 전파정류회로(4)에 교류전원이 입력된다.
다이오드 전파정류회로(4)를 거쳐 정류된 직류전원은 돌입전류 제거용 저항(RF)(5), 방사잡음 제거용 인덕터(LF)(6) 및 직류 정류용 필터 캐패시터(CF)(7)을 거쳐 주회로인 액티브 클램프 포워드 컨버터에 입력된다.
입력된 직류전원은 제일 먼저 제어용 IC(17)의 초기 스타트회로(16)를 거쳐 제어용 IC(17)을 구동시켜 제어용 IC(17)에서 구동펄스(OUTPUT A, OUTPUT B)를 내보내게 되며, 여기서 나온 신호는 주 스위치(Q1)(10)을 구동시키기 위해 직접 구동회로(14)와, 보조 스위치(Q2)(9)를 주회로와 절연시켜 구동시키기 위한 펄스 트랜스를 이용한 구동회로(15)에 입력된다.
이들 구동회로(14)(15)는 주 스위치(Q1)(10)와 보조 스위치(Q2)(9)를 교번적으로 구동시킨다.
한편 앞서 언급한 바와 같이 기존 포워드 컨버터는 주 변압기의 자화에너지를 방출 경로를 만들어 주기 위해서 3차 권선 기법이나 RCD 클램프 기법을 사용하여 왔으나 본 발명에서는 이러한 주 변압기(11)의 자화에너지의 방출경로 및 주 스위치(Q1)(10)의 전압 및 전류 스트레스를 줄이기 위해서 보조 스위치(Q2)(9)와 배터리 캐패시터(C2)(8)를 사용하므로써 클램프된 에너지가 RCD 클램프 기법과 같이 저항에서 소비되지 않고 입력전원으로 되돌아 갈 수 있도록 구성하므로 장치의 효율을 상승시킬 수가 있다.
또한 주 변압기(11)의 1 차측을 통하여 전달된 2차측 고주파 교류전원은 고주파 정류부(25)를 통하여 부하에 전원을 전달하게 된다.
여기서 부하로서 배터리(32)를 충전할 때에는 배터리 충전회로(26)인 액티브 클램프 포워드 컨버터 및 마이콤제어 주변회로를 이용하여 충전할 수 있으며, 만약 배터리를 초기 충전시 이에 필요한 리스레시(Refresh)회로(28)를 연결한다.
또한 배터리를 사용하지 않고 직접 어답터(Adapter)로서 사용할 수 있는 어답터회로(30)도 연결되어 있다.
한편 출력제어회로는 사용하는 배터리 종류에 따라 다른데 1시간 사용 배터리를 충전하는데 1/4~1의 충전시간이 필요로 하는 일반 배터리용 고속 충전제어회로(21), 1시간 사용 배터리를 충전시간이 1/4이하로 충전될 수 있는 급속 배터리용 초고속 충전 제어회로(22) 및 기준전압 자동설정회로(23)등 배터리 종류에 따라 출력의 정전압 검출회로(19)(24) 및 정전류 검출회로(20)(20a)가 필요하다.
또한 출력전류 감지저항(Rs)(27) 및 출력 양단에서 감지해 온 출력전압은 주회로의 1차측과 2차측을 절연시켜 신호를 전달하는 광 아이숄에이터(18)를 거쳐 출력전압 신호를 제어용 IC(17)에 공급하여 제어되게 되며, 이 제어용 IC(17)을 구동하기 위해서는 전원이 필요한데 이는 주 변압그것이(11)에 보조 변압기를 취합하여 구성되는 제어용 IC 구동용 보조전원회로(12)에서 공급되도록 구성한다.
또한 제어용 IC(17)의 전류를 제한하기 위하여 절연형 전류 제한회로(13)를 사용한다.
여기서, 내·외부핀 단자 및 표시램프 등을 다음과 같이 구성한다.
첵크(Check) 핀 단자(31), 사용배터리(32), 사용배터리(32)의 취부여부와 자존전위를 알리는 배터리 종류 및 유무 확인용 스위칭 제어회로(33), 충전중인 배터리 외부감지 램프 및 DC어답터 단자(34) 및 배터리 초기충전시 외부에서 리프레시(Refresh)를 할 수 있는 리프레시(Refresh)버튼(35)등으로 구성되어 있다.
제2도의 (a)(b)는 본 발명의 액티브 클램프방식을 사용한 초고속 충전기용 포워드 컨버터희 주회로 및 동작설명도를 나타내고 있다.
상술한 바와 같이 주 변압기(11)의 자화에너지 방출경로 및 액티브 캐패시터(C2)(8)을 이용하여 주 스위치(Q1)(10)의 전압 및 전류 스트레스를 줄이며, 클램프된 에너지를 자체니에서 소비되지 않고 주전원 소-스(Source)로 되돌려 주기 때문에 장치의 효율을 올릴 수 있다는 것이 본 발명의 주 목적이다.
이하 주회로를 제2도의 (a)(b)이 의해서 상세히 설명하면 다음과 같다.
구간 T0~T1에서는 주 스위치(Q1)(10)가 도통되고, 클램프 다이오드(D2)와 환류 다이오드(DF)는 이 기간에서 차단이 되고, 부하저항(R)(36)에 전류가 흐르게 된다.
구간 T1~T2에서는 주 스위치(Q1)(10)가 T1에서 차단되고, 주 스위치(Q1)(10)의 드레인-소오스간의 캐패시터(C1)은 반사된 필터 인덕터(L)의 전류(Io/N)에 의하여 선형적으로 충전된다. 이 구간은 주 스위치 (Q1)(10)의 드레인-소오스간의 전압(VDS)이 입력전압(Vi)으로 되는 지점과 순한 다이오드(DR)가 차단되는 지점인 T2까지 지속된다.
구간 T2~T3에서는 주 스위치 (Q1)(10)의 드레인-소오스간의 캐패시터(C1)은 주 스위치 (Q1)(10)의 드레인-소오스간의 전압(VDS)이 Vi+ VC가 되는 지점인 T3까지 자화전류에 의하여 충전된다.
한편 클램프 다이오드(D2)는 T3에서 도통하고, 구간 T3~T4에서는 주 스위치 (Q1)(10)의 드레인-소오드간의 전압(VDS)는 Vi+ VC로 유지된다. 또한 주 변압기(11)의 자화전류는 -VC/ LM의 비율로 선형적으로 감소하여 T4지점에서 영(Zero)이 되고 계속 부(-)의 방향으로 흐르게 된다. 이 때 보조스위치(Q2)(9)가 영 전압 스위칭이 되기 위하여 보조스위치(Q2)(9)이 구간(T3~T4)안에 도통이 되어야 한다.
이 자화전류는 T4지점에서 부터 부(-)로 되기 시작하고, 주 변압기(11)는 보조스위치(Q2)(9)가 도통되어 계속 리셋(Reset)이 되며, B-H 곡선상에서 제3상한에서 동작이 된다.
T5지점에서 보조스위치(Q2)(9)는 차단되고, 자화인덕턴스(LM)과 주 스위치 (Q1)(10)의 드레인-소오스간의 캐패시터(C1)간에 공정이 시작되며, 이 때 주 스위치 (Q1)(10)의 드레인-소오스간의 캐패시터(C1)는 부(-)의 방향 자화전류에 의하여 방전이 된다.
한편 용량성 도통손실을 줄이기 위하여 주 스위치 (Q1)(10)의 드레인-소오스간의 전압(VDS)이 입력전압(Vi)으로 될 때까지 주 스위치 (Q1)(10)은 도통되어서는 안되고, TO지점에서 주 스위치 (Q1)(10)가 도통되어 다음 주기를 시작하여야 한다.
상기에 서술한 것을 전압-시간 평형조건으로 클램프 캐패시터(C2)(8)의 양단에 걸리는 전압 VC의 관계식으로 표현할 수 있다.
전압식 VC는 식 VC= N·Vo / (1-D),
여기서 Vo는 출력전압이고, D는 주 스위치 (Q1)(10)의 턴-온 듀티(Turn-On Duty), N는 주 변압기(11)의 턴수비를 만족한다.
이 식에서 알수 있듯이 입력전압이 증가함에 따라 그리고 주 스위치 (Q1)(10)의 턴-온 듀티(D)가 감소함에 따라 이 클램프 전압은 감소한다.
또한 차단기간 동안 주 스위치 (Q1)(10)에 결리는 첨두전압은 입력전압(Vi)과 주 변압기(11)의 양단인 이 클램프 전압의 합과 같게 된다.
따라서 어느 한쪽이 증가하면 따라 한쪽이 감소하게 되므로 그 합은 입력전압 범위 전체에 걸쳐서 항상 거의 일정하게 유지된다.
그러므로 이 액티브 클램프 회로는 주 스위치 (Q1)(10)의 전압 및 전류 스트레스를 낮게 할 뿐만 아니라 기존 R-C-D 클램프 회로에서와 같이 클램프된 전력을 저항에서 소비시키지 아니하고 주 변압기(11)의 자속을 1 상한과 3상한 사이에 대칭적으로 동작이 되게끔하여 입력전압(Vi)으로 재순환시키므로 장치의 효율상승을 도모할 수 있다.
제3도는 제어용 I.C(17)의 초기 구동회로도(16)이다. 상기 제어용 I.C(17)의 초기 구동전류가 50mA 정도 필요하므로 일반적인 저항분압으로 구성하지 않고 순간 기동특성이 좋은 클램프 스타트회로를 구성한다.
입력전압(Vi)에서 들어온 전압은 트랜지스터(Tr1)(39)의 베이스 저항(RB)(38)을 통해 트랜지스터(Tr1)(39)을 구동시키고, 상기 트랜지스터(Tr1)(39)의 콜렉터-에미터간에 콜렉터 저항(RC)(37)를 통해 전류가 흐르게 되며, 제어용 I.C(17)에 전원을 공급하게 되며, 제너다이오드(ZD1)(40)은 일정전압이상 트랜지스터(Tr1)(39)의 베이스-에미터간에 역전압이 공급되지 않도록 하기 위하여 연결되어 있고, 본 발명에서는 12V 제너다이오드(ZD1)(40)을 사용한다.
제4도는 본 발명의 제어용 I.C(17)의 보조 전원회로(12)를 나타내고 있다.
이 보조 전환회로(12)는 주 변압기(11)의 2차측으로 넘어온 초기의 전원이 환류 다이오드(DF)가 차단되고 순방향 다이오드(DR) 및 필터를 거쳐서 부하저항(R)(36)에 전류가 흘러 다시 주 변압기(11)의 2차측으로 되돌아 왔을 때 유기되는 효과를 이용하여 구성한 제어용 I.C(17)의 보조 전원회로(12)이며, 이것은 지속적으로 전원을 제어용 I.C(17)에 공급할 수 있도록 되어 있다.
여기서 저항(RC)(41)은 전류 제한용 저항이고, 다이오드(DC)(42)는 반파 정류 다이오드이며, 캐패시터(CC)(43)은 필터용으로 사용하였으며 제너다이오드(ZD2)(44)는 일정 전압이상 제어용 I.C(17)에 전압이 가해지지 않도록 하기 위하여 연결하며, 본 발명에서는 18V 제너다이오드(ZD2)(44)를 사용한다.
제5도는 본 발명에서 제어용 I.C(17)의 전류 제한 회로(13)이다.
본 발명에서 사용한 제어용 I.C(17)의 전류 제한을 하기 위한 감지전압이 1V인 관계로 일반적으로 사용하여 감지저항을 이용한 방법이 정확하지 않으므로 스텝다운 변압기(45)를 이용하여 효과적으로 스텝다운시킬 수 있도록 구성한다.
여기서 순방향 다이오드(DL)(46)은 반파 정류용이고, 캐패시터(CL)(47)은 필터 캐패시터로 사용하였으며, 저항(RL)(48)은 캐패시터(CL)(47)의 방전용으로 사용한다.
제6도는 본 발명의 주 스위치 (Q1)(10)의 스피드-업(Speed-Up)을 이용한 구동회로도(14)이며 도면의 상세한 설명은 다음과 같다.
제어용 I.C(17)의 OUTPUT A 신호가 이곳에 인가되면 상승시간(Rise Time)을 단축하기 위한 목적으로 사용한 스피드-업 캐패시터(CQ1)(50)가 초기에 빠른 속도로 충전이 되고, 주 스위치 (Q1)(10)의 게이트에 흘러 들어가는 과도한 입력전류를 제한하기 위한 게이트 저항(R12)(52)를 통하여 주 스위치 (Q1)(10)의 게이트-소오스에 전압을 인가시키게 된다.
여기서 저항(R11)(49)은 스피드-업 캐패시터(CQ1)(50)의 방전 저항으로 사용하며, 다이오드(DQ1)(51)은 주 스위치 (Q1)(10)의 하강시간(Fall Time)을 단축시키기 위한 목적으로 연결하고, 제너다이오드(ZDQ1)(53)은 주 스위치 (Q1)(10)의 게이트-소오스 간의 전압을 일정전압으로 유지하기 위하여 구성한다.
제7도는 본 발명에서 보조 스위치 Q2(9)의 펄스트랜스를 이용한 구동회로도(15)이다.
이 구동회로(15)는 제어용 I.C(17)의 OUTPUT B 신호가 GND와 함께 인가되면 고주파 AC를 형성하게 하는 캐패시터(CQ2)(54), 신호전달에 있어서의 내 노이즈성과 절연성을 유지할 수 있도록 하는 펄스 변압기(TP)(55), 과도전류를 제한하면서 신호파형의 발진방지 및 병렬구동시 보조 스위칭 소자(9)의 턴 온/오프 (Turn On/Off) 특성을 조정하는 게이트 출력저항(R22)(58), 보조 스위칭 소자(9)의 게이트-소오스 간에 ±15[V]이상의 펄스 전압이 들어가지 않도록 하여 안정성을 추구하는 제너다이오드(ZDQ2)(60)로 구성된다.
또한 상승시간(Rise Time)을 단축하기 위한 목적으로 사용한 스피드업 캐패시터(CQ2)(56), 스피드업 캐패시터(CQ2)(56)의 방전저항(R21)(57)을 사용하고, 다이오드(DQ2)(59)는 보조 스위치(Q2)(9)의 하강시간(Fall Time)을 단축시키기 위한 목적으로 사용한다.
제8도는 본 발명에서 정전압 모드 기준전압 구성회로(24)및 정전류 모드 기준전압 구성회로(20a)를 나타내는 것으로, 출력쪽에서 나오는 전압을 저항(R45)(61)으로서 스텝 다운시켜 5.1V 제너다이오드(ZD41)(63)로서 기준 전압을 구성하고 있다. 콘덴서(C144)(62)는 노이즈(NOISE) 제거용 콘덴서이다.
제9도는 본 발명에서 일반 배터리용 고속충전 제어회로(21)를 나타낸 것이다.
일반배터리 변환용 (1A)으로 배터리가 들어오면 마이콤(μ-COM)(29)이 H(High)로 인식하여 트랜지스터(Q113)(71), (Q114)(72)가 턴-온(TURN-ON)하면 오피 앰프(OP AMP)(IC11/2)(69), 오피 앰프(OP AMP)(IC11/2)(70)가 위상이 역으로 반전되면서 다이오드(D112)(73), (D113)(74)의 전위를 끌어내려 피이드백된 다음 1차에 다시 전압을 인가시켜 준다.
제10도는 급속배터리용 초고속 중전제어회로(22)도를 나타낸 것이다. 급속 배터리를 제어하기 위한 회로구성으로 저항(R147)(64), 저항(R148)(64a)에 의하여 오피 앰프(OP AMP)(IC1)(67)의 부(-)가 기준전압을 인가한 상태에서 마이콤(29)에서 배터리가 들어오면 H(High)로 트랜지스터(Q112)(68)의 베이스를 턴-온하면 트랜지스터(Q111)(68a)가 턴-온하여 오피 앰프(IC1)(67)의 정(+)전위가 저항(R149)(64b)에 의하여 접지(GND)전위로 떨어지면서 출력에 다이오드(D11)(65)을 L(Low)로 만들어 1차이 피이드백하여 변환시켜 준다.
제11도는 기준전압 자동설정 회로도(23)를 나타낸 것이다. 전압(VCC)에 의하여 저항(R150)(75), (R151)(75a)에 의하여 기준전압이 오피 앰프(OP AMP)(IC11/2)(7
8)의 부(-) 일정하게 유지시켜주면서 저항(R152)(76), (R153)(76a)의 기준전압 값을 트랜지스터(Q115)(77)가 교반적으로 ON/OFF 되면서 일정전압을 유지시켜주는 역할을 한다.
제12도는 정전압 검출회로(19)도를 나타낸 것이다. -△V 검출용으로 전압(VCC)에 의해 저항(R156)(82)과 저항(R157)(83)에 기준전압을 설정한 후 배터리(B/T)(32)의 만충전(Full Charging)상태를 저항(R154)(80)과 저항(R155)(81)의 저항값 변환량으로 검출하여 오피 앰프(OP AMP)(IC2)(84)에 의하여 H(High)로 만들어 마이콤(29)에 인식시켜주는 역할을 한다.
제13도는 정전류 검출회로(20)도를 나타낸 것이다. 온도상승률 △T를 검출하는 회로로서 배터리 내부에 온도저항값(TH)이 있으므로 배터리가 온도상승을 하면 온도저항 값(TH)이 변하면서 저항(R160)(86)의 값이 일정전압으로 만들어 오피 앰프(OP AMP)(IC2)(88)의 정(+)에 인가되면서 마이콤(29)에 인식시켜 충전상태를 OFF하는 기능이다. 저항(R158)(85)과 저항(R159)(87)는 전압(VCC)에 의하여 오피 앰프(OP AMP)(IC2)(88)가 기준전압을 갖도록 하는 역할을 한다.
제14도는 마이콤(μ-COM) 제어기능도를 나타낸 것이다. 마이콤(29)의 내부기능을 나타내고 있다.
마이콤 제어의 기능을 나열하면 다음과 같다.
△T/△t(89)는 시간에 대한 온도변화량을 감지해주는 역할을 하며, -△V(90)은 배터리의 만충전상태를 검출하여 충전을 OFF하는 기능 한다. △i(91)는 배터리의 전류상태를 수시로 체크하는 기능을 하며, 타임(TIME)(92)는 15분과 60분 두가지로 나뉘어 있다. 기타 Vout/Iout(93)은 세트(set)의 기능을 In-Out할 수 있는 포트(Port)를 말한다.
제15도는 배터리 장착감지 및 충전회로도를 나타낸 것이다. 마이콤(μ-COM)(29)으로 부터 나오는 신호가 평소에 H(High)상태로 있다가 배터리가 들어오면 L(Low)로 변하는데, 이 신호가 트랜지스터(Q115)(100)에 들어오면 다이오드(D114)(94)에 의하여 대기상태로 있던 전압이 저항(R161)(95a)과 저항(R162)(95a)에 의하여 분압되면서 제너다이오드(Z142)(98), 콘덴서(C111)(99)의 기준값에 의하여 트랜지스터(Q116)(96)의 게이트를 턴-온하여 배터리를 충전시킨다.
제16도는 배터리 리프레시(refresh) 제어기능 회로도를 나타낸 것이다. 리프레시(REFRESH)(28) 기능으로 배터리의 잔류전압과 전류를 제거하여 충전상태를 정상충전할 수 있도록 만들어주는 회로로서 마이콤(μ-COM)(29)에 의하여 트랜지스터(Q117)(101)의 게이트가 턴-온하면 저항(R163)(102)에 의하여 배터리(B/T)(32)의 전압과 전류가 방전한다.
제17도는 배터리 및 어답터 관련 외부단자핀, 표시램프, 스위치배치도를 나타내고 있으며, 그 기능은 다음과 같다. 일반 배터리 및 급속배터리 충전용 단자핀, 배터리내부 온도상승 감지핀, 배터리 유무확인용 단자핀, 배터리 종류감지용 단자핀, 어답터 전용 단자핀, 일반 배터리 표시램프, 급속배터리 표시램프, 배터리 방전상태 표시램프, 배터리 리프레쉬 표시램프, 배터리 리프레쉬 스위치, 배터리 충전용 스위치등이다.
제18도는 배터리 충전용 단자회로도를 나타낸 것이다. 배터리 내부로서 (+)에서부터 (-)까지는 배터리의 충전용 단자이며, 휴즈(FUSE)(103)는 배터리의 단락(SHORT)서 끓어주는 역할이며, 저항(R164)(104)는 배터리의 내부온도 감지용이다.
제19도는 배터리 종류 및 유무확인용 구성회로도를 나타낸 것이다.
스위치(SW101)(106) OUT시에는 배터리가 없는 걸로 인식되고, IN시 마이콤 포트(Port)에 배터리가 있음을 알려주는 기능이다.
스위치(SW102)(107) VE는 일반배터리(1A)를 알려주며, VY는 급속배터리(7A)를 알려주는 기능이다.
제20도는 동작기능 표시램프 및 어답터단자 배치회로도를 나타내고 있다.
제21도는 배터리의 방전을 스타트(START)해주는 프레쉬 버튼 스위치(SW)(35)이다.

Claims (18)

  1. 상용전원(50/60Hz AC 220V)을 입력으로 하여 과부하 보호용 휴즈(1), 과전압 인입방지용 서지흡수회로(2), 전도잡읍제거용 회로(3), 전파정류회로(4), 돌입전류 제거용 저항(RF)(5), 방사잡음제거용 인덕터(LF)(6) 및 직류정류용 필터 캐패시터(CF)(7)을 거쳐 입력된 직류전원은 제어용 IC(17)의 초기 스타트 회로(16)를 거쳐 제어용 IC(17)을 구동시켜 제어용 IC(17)에서 구동펄스(OUTPUT A, OUTPUT B)를 내보내게 되며, 이 신호는 주 스위치 (Q1)(10)을 구동시키기 위한 직접구동회로(14)와 보조스위치(Q2)(9)를 주회로와 절연시켜 구동시키기 위한 펄스 트랜스를 이용한 구동회로(15)에 입력되고, 상기 구동회로(14),(15)를 사용하여 주 스위치 (Q1)(10)와 보조 스위치(Q2)(9)를 교번적으로 구동시키며, 주 변압기(11)의 자화에너지 방출경로 및 주 스위치 (Q1)(10)의 전압·전류 스트레스를 줄이기 위해서 보조스위치(Q2)(9)와 클램프 캐패시터(C2)(8)를 사용하여 클램프된 에너지가 입력전원으로 되돌아 갈 수 있도록 구성하고, 주 변압기(11)의 1차측을 통하여 전달된 2차측 고주파 교류전원은 고주파 정류부(25)를 통하여 부하에 전원을 전달하며, 상기 부하로서 배터리(32)를 충전할 때에는 배터리 충전회로인 액티브 클램프 포워드 컨버터 및 마이콤(29) 제어 주변회로를 이용하여 충전할 수 있다. 배터리를 초기충전시에는 리프레시(Refresh)회로(28)를 연결시키고, 배터리를 사용하지 않고 직접 어답터(Adapter)로서 사용할 수 있는 어답터회로(30)를 연결하며, 출력제어회로는 사용하는 배터리 종류에 따라 1시간 사용배터리를 충전하는데 1/4~1의 충전시간이 필요로 하는 일반배터리용 고속충전 제어회로(21), 1시간 사용배터리를 충전시간이 1/4이하로 충전될 수 있는 급속배터리용 초고속 충전제어회로(22) 및 기준전압 자동설정회로(23), 배터리 종류에 따라 출력의 정전압 검출회로(19)(24) 및 정전류 검출회로(20)(20a)가 필요하며, 출력전류 감지 저항(RS)(27) 및 출력 양단에서 감지해 온 출력전압은 주회로의 1차측과 2차측을 절연시켜 신호를 전달하는 광 아이숄레이터(18)를 거쳐 출력전압 신호를 제어용 IC(17)에 공급하여 제어되게 되며, 제어용 IC(17)을 구동하기 위해서는 상기 주변압기(11)에 보조변압기를 취합하여 구성되는 제어용 IC구동용 보조전원회로(12)에서 전원을 공급되도록 구성하고, 제어용 IC(17)의 전류를 제한하기 위하여 절연형 전류제한회로(13)를, 내·외부 판단자 및 표시램프등은 체크(Check)핀 단자(31), 사용배터리(32), 사용배터리(32)의 취부여부와 자존전위를 알리는 단자(33), 충전중인 배터리 외부감지램프 및 DC 어답터단자(34) 및 배터리 초기 충전시 외부에서 리프레시(Refresh)를 할 수 있는 리프레시(Refresh)버튼(35)으로 각각 구성된 것을 특징으로 하는 액티브 클램프 방식을 사용한 배터리 초고속 충전기용 포워드 컨버터.
  2. 제1항에 있어서, 액티브 클램프 방식을 사용한 초고속 충전기용 포워드 컨버터의 주회로는 주 변압기(11)의 자화에너지 방출경로 및 클램프 캐패시터(C2)(8)로 주 스위치 (Q1)(10)의 전압 및 전류 스트레스를 줄이며, 클램프된 에너지를 자체내에서 소비하지 않고 주전원 소스(Source)로 되돌려 주도록, 구간 T0~T1에서는 주 스위치 (Q1)(10)가 도통되고, 클램프 다이오드(D2)와 환류다이오드(DF)는 이 기간에서 차단이 되고, 부하저항(R)(36)에 전류가 흐르게 되고, 구간 T1~T2에서는 주 스위치 (Q1)(10)가 T1에서 차단되고, 주 스위치 (Q1)(10)의 드레인-소오스간의 캐패시터(C1)은 반사된 필터 인덕터(L)의 전류(IO/N)에 의하여 선형적으로 충전되기 때문에 이 구간은 주 스위치 (Q1)(10)의 드레인-소오스간의 전압(VDS)이 입력전압(Vi)로 되는 지점과 순방향 다이오드(DR)가 차단되는 지점인 T2까지 지속되고, 구간 T2~T3에서는 주 스위치 (Q1)(10)의 드레인-소오스간의 캐패시터(C1)은 주 스위치 (Q1)(10)의 드레인-소오스간의 전압(VDS)이 Vi+ VC가 되는 지점인 T3까지 자화전류에 의하여 충전되어 클램프 다이오드(D2)는 T3에서 도통하고, 구간 T3~T4에서는 주 스위치 (Q1)(10)의 드레인-소오스간의 전압(VDS)는 Vi+ VC로 유지되고, 주 변압기(11)의 자화전류는 -VC/ LM의 비율로 선형적으로 감소하여 T4지점에서 영(Zero)이 되고 계속 부(-)의 방향으로 흐르게 되고, 보조스위치(Q2)(9)가 영 전압 스위칭이 되기 위하여 보조스위치(Q2)(9)는 이 구간(T3~T4)안에 도통이 되어야 하므로 이 자화전류는 T4지점에서부터 부(-)로 되기 시작하여 주 변압기(11)는 보조스위치(Q2)(9)가 도통되어 계속 리셋(Reset)이 되며, B-H곡선상에는 제3상한에서 동작이 되고, T5지점에서 보조스위치(Q2)(9)는 차단하고 차화인덕턴스(LM)와 주 스위치 (Q1)(10)의 드레인-소오스간의 캐패시터(C1)간에 공진이 시작되며, 이 때 주 스위치 (Q1)(10)의 드레인-소오스간의 캐패시터(C1)은 부(-)의 방향 자화전류에 의하여 방전이 되고, 용량성 도통손실을 줄이기 위하여 주 스위치 (Q1)(10)의 드레인-소오스간의 전압(VDS)은 입력전압(Vi)으로 될 때까지 주 스위치 (Q1)(10)은 도통되어서는 안되고 T0지점에서 주 스위치 (Q1)(10)가 도통되어 다음주기를 시작하여야 하며, 상기에 서술한 것을 전압-시간 평형조건으로 클램프 캐패시터(C2)(8) 양단에 걸리는 전압(VC)는 식 VC= N·Vo / (1-D), 여기서 Vo는 출력전압이고, D는 주 스위치 (Q1)(10)의 턴-온 듀티(Turn-On Duty), N는 주 변압기(11)의 턴수비, 위 식에 의하여 입력전압이 증가함에 따라 그리고 주 스위치 (Q1)(10)의 턴-온 듀티(D)가 감소함에 따라 이 클램프 전압은 감소하고, 차단기간동안 주 스위치 (Q1)(10)에 걸리는 첨두전압은 입력전압(Vi)과 주 변압기(11)의 양단인 이 클램프 전압의 합과 같게 되고, 어느 한쪽이 증가하면 다른 한쪽이 감소하게 되므로 그 합은 입력전압 범위 전체에 걸쳐서 항상 거의 일정하게 유지되므로 주 스위치 (Q1)(10)의 전압 및 전류 스트레스를 낮게 할 뿐만 아니라 주 변압기(11)의 자속을 1 상한과 3상한 사이에 대칭적으로 동작이 되게끔하여 입력전압(Vi)으로 재순환시키는 것을 특징으로 하는 액티브 클램프 방식을 사용한 배터리 초고속 충전기용 포워드 컨버터.
  3. 제1항에 있어서, 제어용 I.C(17)의 초기 구동전원은 입력전원(Vi)에서 들어온 전압으로 트랜지스터(Tr1)(39)의 베이스 저항(RB)(38)을 통해 트랜지스터(Tr1)(39)을 구동시키고, 상기 트랜지스터(Tr1)(39)의 콜렉터-에미터간에 콜렉터 저항(RC)(37)를 통해 전류가 흘러 제어용 I.C(17)에 전원을 공급하게 되고, 트랜지스터(Tr1)(39)의 베이스-에미터간에 역전압이 공급되지 않도록 제너다이오드(ZD1)(40)을 설치하여 순간 기동특성이 좋은 액티브 스타트 회로를 사용한 것을 특징으로 하는 액티브 클램프 방식을 사용한 배터리 초고속 충전기용 포워드 컨버터.
  4. 제1항에 있어서, 제어용 I.C(17)의 보조 전원회로(12)는 주 변압기(11)의 2차측으로 넘어온 초기의 전원이 환류 다이오드(DF)가 차단되고 순방향 다이오드(DR) 및 필터를 거쳐서 부하저항(R)(36)에 전류가 흘러 다시 주 변압기(11)의 2차측으로 되돌아 왔을 때 유기되는 것을 이용하여 전류제한용 저항(RC)(41), 반파정류용 다이오드(DC)(42)는 필터용 캐패시터(CC)(43) 및 일정 전압이상 제어용 I.C(17)에 전압이 가해지지 않도록 연결되는 (ZD2)(44)를 사용하여 지속적으로 제어용 I.C(17)에 전원을 공급할 수 있도록 하는 것을 특징으로 하는 액티브 클램프방식을 사용한 배터리 초고속 충전기용 포워드 컨버터.
  5. 제1항에 있어서, 제어용 I.C(17)의 전류 제한 회로(13)는 감지전압이 1V이므로 방파정류용 순방향 다이오드(DL)(46) 필터 캐패시터(CL)(47)의 방전용 저항(RL)(48) 및 스텁다운 변압기(45)를 구성하여 스텝다운시킬 수 있도록 하는 것을 특징으로 하는 액티브 클램프 방식을 사용한 액티브 초고속 충전기용 포워드 컨버터.
  6. 제1항에 있어서, 주 스위치 (Q1)(10)의 스피드-업(Speed-Up)을 이용한 구동회로(14)는 빠른 상승시간(Rise Time)을 위하여 사용한 스피드-업 캐패시터(CQ1)(50), 주 스위치 (Q1)(10)의 게이트에 흘러 들어가는 과도한 입력전류를 입력전류를 제한하기 위한 게이트 저항(R12)(52), 주 스위치 (Q1)(10)의 하강시간(Fall Time)을 단축시키기 위한 다이오드(DQ1)(51)은 주 스위치 (Q1)(10)의 게이트-소오스간의 전압을 일정전압으로 유지하기 위한 제너다이오드(ZDQ1)(53)로서 구성되는 것을 특징으로 하는 액티브 클램프 방식을 사용한 배터리 초고속 충전기용 포워드 컨버터.
  7. 제1항에 있어서, 보조 스위치 Q1(9)의 펄스트랜스를 이용한 구동회로도(15)는 고주파 AC를 형성하게 하는 캐패시터(CQ2)(54), 신호전달에 있어서의 내 노이즈성분과 절연성을 유지할 수 있도록 하는 펄스 변압기(TP)(55), 과도전류를 제한하면서 신호파형의 발진방지 및 병렬구동시 보조 스위칭 소자(9)의 턴 온/오프 (Turn On/Off) 특성을 조정하는 게이트 출력저항(R22)(58), 보조 스위칭 소자(9)의 게이트-소오스 간에 ±15[V]이상의 펄스 전압이 들어가지 않도록 하여 안정성을 추구하는 제너다이오드(ZDQ2)(60), 상승시간(Rise Time)을 단축하기 위한 스피드업 캐패시터(CQ2)(60), 스피드업 캐패시터(CQ2)(60)의 방전저항(R21)(57)보조 스위칭 소자(Q2)(9)의 하강시간(Fall Time)을 단축시키기 위한 다이오드(DQ2)(59)로서 구성하여 주회로와의 절연구동시키는 것을 특징으로 하는 액티브 클램프 방식을 사용한 배터리 초고속 충전기용 포워드 컨버터.
  8. 제1항에 있어서, 정전압 모드 기준전압 구성회로(24)및 정전류 모드 기준전압 구성회로(20a)는 컨버터 출력쪽에서 나오는 전압을 저항(R145)(61)으로서 스텝 다운시켜 제너다이오드(Z141)(63)로 기준 전압을 구성하는 것을 특징으로 하는 액티브 클램프 방식을 사용한 배터리 초고속 충전기용 포워드 컨버터.
  9. 제1항에 있어서, 일반 배터리용 고속충전 제어회로(21)는 일반배터리 변환용(1A)으로 배터리가 들어오면 마이콤(29)이 H(High)로 인식하여 트랜지스터(Q113)(71), (Q114)(72)가 턴-온(TURN-ON)하면 오피 앰프(OP AMP)(IC11/2)(69), (IC11/2)(70)의 위상이 역으로 반전되면서 다이오드(D112)(73), (D113)(74)의 전위를 끌어내려 피이드백된 다음 1차에 다시 전압을 인가시켜 주는 것을 특징으로 하는 액티브 클램프 방식을 사용한 배터리 초고속 충전기용 포워드 컨버터.
  10. 제1항에 있어서, 급속배터리용 초고속 중전제어회로(22)는 저항(R147)(64), 저항(R148)(64a)에 의하여 오피 앰프(OP AMP)(IC1)(67)의 부(-)에 기준전압을 인가한 상태에서 마이콤(29)에서 배터리가 들어오면 H(High)로 트랜지스터(Q112)(69)의 베이스를 턴-온하면 트랜지스터(Q111)(68)이 턴-온 하여 오피 앰프(IC1)(67)의 정(+)전위가 저항(R149)(64b)에 의하여 접지(GND)전위로 떨어지면서 출력에 다이오드(D111)(63)을 L(Low)로 만들어 1차이 피이드백하여 변환시켜 주는 것을 특징으로 하는 액티브 클램프 방식을 사용한 배터리 초고속 충전기용 포워드 컨버터.
  11. 제1항에 있어서, 기준전압 자동설정 회로(23)는 전압(VCC)에 의하여 저항(R150)(75),(R151)(75a)에 의하여 기준전압이 오피 앰프(OP AMP)(IC11/2)(78)의 부(-) 에 일정하게 유지시켜주면서 저항(R152)(76), (R153)(76a)의 기준전압 값을 트랜지스터(Q115)(77)가 교번적으로 ON/OFF 되면서 일정전압을 유지시켜주는 것을 특징으로 하는 액티브 클램프 방식을 사용한 배터리 초고속 충전기용 포워드 컨버터.
  12. 제1항에 있어서, 정전압 검출회로(19)는 -△V 검출용으로 전압(VCC)에 의해 저항(R156)(82)과 저항(R155)(83)에 기준전압을 설정한 후 배터리(B/T)(32)의 만충전(Full Charging)상태를 저항(R154)(80)과 저항(R155)(81)의 저항값 변환량으로 검출하여 오피 앰프(OP AMP)(IC2)(84)에 의하여 H(High)로 만들어 마이콤(29)에 인식시켜주는 것을 특징으로 하는 액티브 클램프 방식을 사용한 배터리 초고속 충전기용 포워드 컨버터.
  13. 제1항에 있어서, 정전류 검출회로(20)도는 온도상승률 (△T)를 검출하는 회로로서 배터리 내부에 온도저항값(TH)이 있으므로 배터리가 온도상승을 하면 온도저항 값(TH)이 변하면서 저항(R160)(86)의 값이 일정전압으로 만들어 오피 앰프(OP AMP)(IC2)(88)의 정(+)에 인가되면서 마이콤(29)에 인식시켜 충전상태를 OFF하는 기능을 갖으며, 저항(R158)(85)과 저항(R159)(87)는 전압(VCC)에 의하여 오피 앰프(OP AMP)(IC2)(88)가 기준전압을 갖도록 하는 것을 특징으로 하는 액티브 클램프 방식을 사용한 배터리 초고속 충전기용 포워드 컨버터.
  14. 제1항에 있어서, 마이콤(μ-COM)(29)은 시간에 대한 온도변화량 △T/△t(89)을 감지, -△V(90)은 배터리의 만충전 상태를 검출하여 충전을 (OFF)하는 기능, △i(90)는 배터리의 전류상태를 수시로 체크하는 기능, TIME(92)는 15분과 60분 두가지로 나뉘어 있고, Vout/Iout(93)은 세트(set)의 기능을 In-Out할 수 있는 포트(Port)를 갖는 것을 특징으로 하는 액티브 클램프 방식을 사용한 배터리 초고속 충전기용 포워드 컨버터.
  15. 제1항에 있어서, 배터리 장착감지 및 충전회로(26)은 마이콤(μ-COM)(29)으로부터 나오는 신호가 평소에 H(High)상태로 있다가 배터리가 들어오면 L(Low)로 변하며, 이 신호가 트랜지스터(Q115)(100)에 들어오면 다이오드(D114)(94)에 의하여 대기상태로 있던 전압이 저항(R161)(95)과 저항(R162)(95a)에 의하여 분압이 되면서 제너다이오드(Z141)(98), 콘덴서(C111)(99)의 기준값에 의하여 트랜지스터(Q116)(96)의 게이트를 턴-온하여 배터리를 충전시키는 것을 특징으로 하는 액티브 클램프 방식을 사용한 배터리 초고속 충전기용 포워드 컨버터.
  16. 제1항에 있어서, 배터리 리프레시 제어기능(28)은 배터리의 잔류전압과 전류를 제거하여 충전상태를 정상충전할 수 있도록 만들어주는 회로로, 마이콤(μ-COM)(29)에 의하여 트랜지스터(Q117)(101)의 게이트가 턴-온하면 저항(R163)(102)에 의하여 배터리(B/T)(32)의 전압과 전류가 방전하여 초기상태로 만들어 주는 것을 특징으로 하는 액티브 클램프 방식을 사용한 배터리 초고속 충전기용 포워드 컨버터.
  17. 제1항에 있어서, 배터리 충전용 단자회로는 배터리 내부로서 (+)에서부터 (-)까지는 배터리의 충전용 단자이며, 휴즈(103)는 배터리의 단락(SHORT)시 끓어주는 역할을 하며, 저항(R164)(104)는 배터리의 내부온도 감지용으로 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 액티브 클램프 방식을 사용한 배터리 초고속 충전기용 포워드 컨버터.
  18. 제1항에 있어서, 배터리 종류 및 유무확인용 스위칭 제어회로(33)는 스위치(SW101)(106) OUT시에는 배터리가 없는 걸로 인식되고, IN시 마이콤(μ-COM)Port에 배터리가 있음을 알려주는 기능이고, 스위치(SW102)(107) VE는 일반배터리(1A)를 알려주며, VY는 급속배터리(7A)를 알려주는 기능을 갖는 것을 특징으로 하는 액티브 클램프 방식을 사용한 배터리 초고속 충전기용 포워드 컨버터.
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