KR0164098B1 - 스위치 결합형 능동 포워드 컨버터 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 스위치 결합형 능동 포워드 컨버터에 관한 것으로서, 교류 전원을 공급하는 교류 전원 공급 수단(10); 상기 교류 전원 공급 수단(10)에 연결되어 입력된 전류 파형을 필터링하여 출력하는 필터링 수단(20); 상기 필터링 수단(20)에 연결되어 스위치가 온되면 그 첨두값이 입력전압을 따라가는 톱니형의 파형을 생성하여 출력하는 승압형 컨버터 수단(30); 상기 승압형 컨버터 수단(30)과 상기 교류 전원 공급 수단(10) 및 필터링수단(20)에 연결되어 상기 승압형 컨버터 수단(30)의 스위치 양단에 인가되는 전압이 클램프 콘덴서 양단 전압보다 커지는 순간 콘덴서의 전압으로 클램핑하는 클램핑 수단(40); 상기 승압형 컨버터 수단(30)에 연결되어 출력된 전압과 전류를 변환시켜 2차측 컨버터 회로로 유기시키는 트랜스(50); 및 상기 트랜스(50)의 출력을 입력받아 출력하는 컨버터 출력 수단(60);을 구비하여 좋은 역률과 높은 효율을 가지며, 입력전류의 고조파 성분이 낮으므로 고조파의 왜곡이 적고, 정확한 출력 전압 제어를 단일 전력단으로 할 수 있으며, 국제전기회의기준(IEC555-2)을 훌륭히 만족하여 저용량으로 쓰이는 전원 공급 장치(컴퓨터 파워서플라이 등)에 유용하고, 교류(AC) 전원 소스에서 양질의 직류를 얻을 수 있는 매우 우수한 효과가 있다.

Description

스위치 결합형 능동 포워드 컨버터
제1도는 본 발명의 따른 스위치 결합형 능동 포워드 컨버터의 일실시예 구성도.
제2도는 본 발명에 따른 스위치 결합형 능동 포워드 컨버터의 주요 파형도.
제3도는 본 발명에 따른 스위치 결합형 능동 포워드 컨버터의 역률개선의 실험 파형도.
제4도는 본 발명에 따른 스위치 결합형 능동 포워드 컨버터의 역률동작 고조파 스펙트럼과 국제전기회의 기준(IEC555-2)) 파형도와의 효율 실험 파형도.
제5도는 본 발명에 따른 스위치 결합형 능동 포워드 컨버터의 입력전압과 입력 전류의 고조파 왜곡 해석 파형도.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
10 : 고류 전원 공급부 20 : 필터링부
30 : 승압형 컨버터부 40 : 클램프부
50 : 트랜스 60 : 출력부
본 발명은 스위치 결합형 능동 포워드 컨버터에 관한 것으로서, 특히 단일 전력단의 높은 역률을 얻고 정확한 출력 직류(DC) 전압 제어를 가능하게 하며, 효율도 높은 포워드 컨버터와 승압형 컨버터를 결합한 저용량급에 적당한 스위치 결합형 능동 포워드 컨버터에 관한 것이다.
일반적으로, 국제전기표준회의(IEC555-2)와 같은 기준을 적용함에 있어서, 종래의 2단 방식의 컨버터는 대용량급으로 고조파 정류 및 정확한 출력 전압 제어가 어렵고, 작은 전력이 필요한 곳인데도 불구하고 큰 전력을 공급하는 많은 소자의 불필요한 추가에 의한 경제적 손실이 있는 문제점이 있었다.
따라서, 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 본 발명은, 적은 소자만으로도 좋은 역률 특성을 가지고, 고조파 왜곡이 작으면서 정확한 출력 전압 제어를 수행하고, 거의 단위 역률을 가지는 국제전기표준회의기준(IEC555-2)을 만족하는 저용량급에 적합한 스위치 결합형 능동 포워드 컨버터를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 교류 전원을 공급하는 교류 전원 공급 수단, 상기 교류 전원 공급 수단에 연결되어 입력된 전류 파형을 필터링하여 출력하는 필터링 수단, 상기 필터링 수단에 연결되어 스위치가 온되면 그 첨두값이 입력 전압을 따라가는 톱니형의 파형을 생성하여 출력하는 승압형 컨버텅 수단, 상기 승압형 컨버터 수단과 상기 교류 전원 공급 수단 및 필터링 수단에 연결되어 상기 승압형 컨버터 수단의 스위치 양단에 인가되는 전압이 클램프 콘덴서 양단 전압보다 커지는 순간 콘덴서의 전압으로 클램핑하는 클램핑 수단, 상기 승압형 컨버터 수단에 연결되어 출력된 전압과 전류를 변환시켜 2차측 컨버터 회로로 유기시키는 트랜스, 및 상기 트랜스의 출력을 입력받아 출력하는 컨버터 출력 수단을 구비한 것을 특징으로 한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 일실시예를 상세히 설명한다.
제1도는 본 발명에 따른 스위치 결합형 능동 포워드 컨버터의 일 실시예 구성도로서, 도면에서 10은 교류 전원 공급부, 20은 필터링부, 30은 승압형 컨버터부, 40은 클램프부, 50은 트랜스, 60은 출력부를 각각 나타낸다.
본 발명은 종래의 포워드 교류-직류(AC-DC) 컨버터를 기초로 하여, 기존의 포워드 컨버터의 스위치와 입력측의 인덕터를 연결하여 승압형 컨버터부(30)를 추가적으로 형성한 것으로, 컨버터 1차측의 구성을 살펴보면, 교류 전원 공급부(10)는 종래와 같이 교류 인가 전원(100)과 브릿지 회로(101)로 구성된다.
필터링부(20)는 종래와 같이 인덕터(102)와 콘덴서(103)로 구성되고, 승압형 컨버터부(30)는 상기 필터링부(20)와 연결된 인덕터(104), 상기 인덕터(104)와 트랜스(50)의 일측에 연결되어 상기 인덕터(104)로 흐르는 역전류를 방지하는 제1 다이오드(105), 상기 인덕터(104)와 상기 제1 다이오드(105) 사이의 접점에 일측이 연결되고, 타측은 상기 트랜스(50)의 타측에 연결되어 상기 인덕터(104)로 흐르는 역전류를 방지하는 제2 다이오드(106), 상기 제1 다이오드(105)와 트랜스 (50) 사이의 접점에 일측(+)이 연결되고, 타측(-)은 교류 전원 공급부(10)에 연결되어 스위칭시의 리플 에너지를 흡수하는 콘덴서(107), 및 상기 제2 다이오드(106)와 상기 트랜스(50)가 연결된 접점에 연결되어 인가 전압에 따라 스위칭을 수행하는 스위치(Q1)(108)로 구성된다.
클램프부(40)은 상기 트랜스(50)와 스위치(108) 사이의 접점에 연결된 콘덴서(109)와 상기 콘덴서(109)에 일측이 직렬로 연결되고, 타측은 교류 전원 공급부(10)에 연결된 스위치(Q2)(110)로 구성된다.
출력부(60)는 트랜스(50)에 연결된 종래의 컨버터의 컨버터의 2차측 회로로서 컨버터 1차측의 전류 변환에 의해 트랜스(50)로부터 기전력이 유기되어 변환된 전압과 전류를 출력하는 기능을 수행한다.
이제, 본 발명의 동작을 상기 제1도 및 제2도에 도시된 본 발명에 따른 컨버터의 주요 파형도를 참조하여 살펴보면 다음과 같다.
제2도에 나타낸 바와 같이 동작 모드1(M1)에서 승압형 컨버터부의 스위치(Q1)(108)가 온이 되면 교류 전원 공급부(10)로 부터 출력된 전압이 필터링부(20)를 통해 승압형 컨버터부(30)의 인덕터(104)에 ｜Vin｜이 인가되어 상기 인덕터(104)에 흐르는 전류는 소정의 기울기(｜V1｜/Lin)로 증가한다.
그러면 제1 다이오드(105)를 통해 트랜스(50)의 인덕터에 양의 전압이 인가되어 에너지가 컨버터의 2차측인 출력부(60)로 전달된다.
동작 모드2(M2)는 스위치(Q1)(108)의 드레인-소스 전압이 입력 전압보다 낮을 때 인덕터(104)에 인가되는 전류는 소정의 양의 기울기 (｜Vin-Vds｜/Lin)를 가지고 여전히 증가하면서 흐르고, 제1다이오드(105)에는 역방향의 전압이 걸려 있으므로 차단되어 있다. 또한 상기 스위치(108) 양단 전압은 자화 전류와 출력 전류에 의한 충전으로 급격한 기울기를 가진다.
동작모드3(M3)은 인덕터(105)에 인가되는 전압이 승압형 컨버터부(30)의 콘덴서(107) 전압보다 낮고, 입력 전압보다 클 때로서 상기 인덕터(104)에 흐르던 전류는 소정의 기울기 (｜Vin-Vds｜/Lin)로 감소하기 시작하며, 다른 동작은 동작 모드2와 동일하다.
동작 모드4(M4)는 스위치(108)의 드레인-소스 전압이 승압형 컨버터부(30)의 콘덴서(107) 전압보다 높아질 때로서 컨버터의 2차측 회로인 출력부(60)가 분리되어 상기 스위치(108)의 드레인-소스 전압의 기울기는 작아진다.
동작모드5(M5)는 상기 스위치(108)의 드레인-소스 전압이 상기 콘덴서(107)의 전압보다 커지는 순간 클램프부(40)로 전류가 흘러 전압이 클램프부(40)의 콘덴서(109)의 양단 전압 이상은 상승하지 않으며, 승압형 컨버터부(30)의 인덕터(104)에 흐르는 전류는 '0'까지 선형적으로 감소한다.
동작모드6(M6)은 상기 클램프부(40)에 흐르는 전류의 방향이 바뀌어 이미 켜져있던 클램프부(40)의 스위치(110)을 통하여 출력되어 컨버터가 리셋이 된다.
마지막으로 동작 모드7(M7)은 컨버터에 흐르던 전류에 의하여 승압형 컨버터부(30)의 스위치(108) 양단의 전압이 떨어져 영전압 스위칭이 가능하다.
제3도는 본 발명에 따른 스위치 결합형 능동 포워드 컨버터의 역률개선의 실험 파형도를 나타낸 것이다.
역률을 보면 입력 전류는 완전한 사인파가 아니므로 왜곡이 존재하는데 그 왜곡은 입력 전압의 최대값과 직류 링크 전압(Vlink)의 비, M으로 다음 식과 같이 나타낼 수 있다.
여기서
상기 제1식에서 0.8 이상이 되면 역률이 0.95 이하가 되므로 설계시 M이 0.8 이 넘지 않도록 하였으며, 소정의 스위칭 주파수(100kHz)를 가지고 입력 교류(110Vrms), 추력은 직류(DC) 전압(5V)를 가지게 설계하였다.
제4도는 본 발명에 따른 스위치 결합형 능동 포워드 컨버터의 역률개선 동작의 고조파 스펙트럼과 국제전기회의 기준(IEC555-2)의 파형도와의 효율 실험 파형도를 나타낸 것이다.
본 발명은 국제전기회의 기준( IEC555-2)의 규정에 적합하며 소정의 역률(0.965)을 가지고 동작한다.
제5도는 본 발명에 따른 스위치 결합형 능동 포워드 컨버터의 입력전압과 입력 전류의 고조파 왜곡 해석 파형도를 나타낸 것이다.
따라서 상기와 같이 구성되어 동작하는 본 발명의 스위치 결합형 능동 포워드 컨버터는 좋은 역률과 높은 효율을 가지며, 입력 전류의 고조파 성분이 낮으므로 고조파의 왜곡이 적고, 정확한 출력 전압 제어를 단일 전력단으로 할 수 있으며, 국제전기회의기준(IEC555-2)을 훌륭히 만족하여 저용량으로 쓰이는 전원 공급 장치(컴퓨터 파워서플라이 등)에 유용하고, 교류(AC) 전원 소스에서 양질의 직류를 얻을 수 있는 매우 우수한 효과가 있다.
이상에서 설명한 본 발명은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에게 있어 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하므로, 전술한 실시예 및 도면에 한정되는 것이 아니다.

Claims (4)

  1. 교류 전원을 공급하는 교류 전원 공급 수단(10); 상기 교류 전원 공급 수단(10)에 연결되어 입력된 전류 파형을 필터링하여 출력하는 필터링 수단(20); 상기 필터링 수단(20)에 연결되어 스위치가 온되면 그 첨두값이 입력전압을 따라가는 톱니형의 파형을 생성하여 출력하는 승압형 컨버터 수단(30); 상기 승압형 컨버터 수단(30)과 상기 교류 전원 공급 수단(10) 및 필터링수단(20)에 연결되어 상기 승압형 컨버터 수단(30)의 스위치 양단에 인가되는 전압이 클램프 콘덴서 양단 전압보다 커지는 순간 콘덴서의 전압으로 클램핑하는 클램핑 수단40); 상기 승압형 컨버터 수단(30)에 연결되어 출력된 전압과 전류를 변환시켜 2차측 컨버터 회로로 유기시키는 트랜스(50); 및 상기 트랜스(50)의 출력을 입력받아 출력하는 컨버터 출력 수단(60);을 구비한 것을 특징으로 하는 스위치 결합형 능동 포워드 컨버터.
  2. 제1항에 있어서, 상기 승압형 컨버터 수단(30)은, 상기 필터링 수단(20)과 연결된 인덕터(104), 상기 인덕터(104)와 상기 트랜스(50)의 일측에 연결되어 상기 인덕터(104)로 흐르는 역전류를 방지하는 제1 다이오드(105), 상기 인덕터(104)와 상기 제1 다이오드(105) 사이의 접점에 일측이 연결되고, 타측은 상기 트랜스(50)의 타측에 연결되어 상기 인덕터(104)로 흐르는 역전류를 방지하는 제2 다이오드(106), 상기 제1 다이오드(105)와 상기 트랜스(50) 사이의 접점에 일측(+)이 연결되고, 타측(-)은 교류 전원 공급 수단(10)에 연결되어 스위칭 주파수의 리플 에너지를 흡수하는 콘덴서(107), 및 상기 제2 다이오드(106)와 상기 트랜스(50)가 연결된 접점에 연결되어 인가 전압에 따라 스위칭 수행하는 스위치(Q1)(108); 를 구비한 것을 특징으로 하는 스위치 결합형 능동 포워드 컨버터.
  3. 제2항에 있어서, 상기 클램핑 수단(40)은, 상기 트랜스(50)와 상기 스위치(108) 사이의 접점에 연결된 콘덴서(109), 및 상기 콘덴서(109)에 일측이 직렬로 연결되고, 타측은 교류 전원 공급수단(10)에 연결된 스위치(Q2)(110); 를 구비한 것을 특징으로 하는 스위치 결합형 능동 포워드 컨버터.
  4. 제2항에 있어서, 상기 교류 전원 공급 수단(10)에 입력되는 입력 전압의 최대값을 상기 승압형 컨버터수단(30)의 콘덴서(107)의 직류 링크 전압(Vlink)으로 나눈값이 '0.8'이 넘지 않도록 구성한 것을 특징으로 하는 스위치 결합형 능동 포워드 컨버터.
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