KR0166763B1 - 부분공진방식의 전압강압형 전원회로 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 전압강압형 전원회로에서 전력손실을 최소화할 수 있도록 한 부분공진방식의 전압강압형 전원회로에 관한 것이다. 본 발명의 전원회로는 AC 또는 DC전압을 입력받아 DC전압을 발생하는 DC전압발생부와, 일정한 출력전압을 피드백받아 그에 대응하는 듀티의 PWM펄스를 출력하는 제어부, PWM펄스의 듀티에 따라 입력되는 DC전압을 강압하여 일정한 전압으로 출력하는 전압강압부로 구성되며, 제어부는 PWM펄스를 시간지연하는 시간지연기와 PWM펄스의 상승에지에서 일정시간의 트리거펄스를 발생하는 트리거펄스기를 구비하고, 시간지연된 PWM펄스와 트리거펄스로 전압강압부를 제어한다. 전압강압부는 시간지연된 PWM펄스에 따라 스위칭되는 주스위칭소자와 트리거펄스에 의해 주스위칭소자가 온(ON)되기 직전에 일시 온(ON)되는 부스위칭소자를 구비하여 주스위칭소자의 온(ON)상태에서 전류를 0으로 만든다. 따라서, 본 발명은 전압강압형 전원회로의 전력손실을 최소화하며, 발열로 인한 냉각시스템을 해소하여 회로의 규모를 최소화할 수 있는 효과를 제공한다.

Description

부분공진방식의 전압강압형 전원회로
제1도는 종래의 전압강압형 전원회로를 나타낸 회로도.
제2도는 본 발명에 따른 부분공진방식의 전압강압형 전원회로를 나타내는 회로도.
제3도는 제2도 회로의 동작을 설명하기 위한 타이밍도.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
21 : DC전압발생부 22 : 전압강압부
23 : 제어부 24 : PWM제어기
25 : 시간제어기 26, 28 : FET구동기
27 : 트리거펄스발생기 FET1, FET2: 전계효과트랜지스터
D1, D2, D3: 다이오드 C1, C2: 콘덴서
T1: 트랜스 L1, L2: 코일
본 발명은 전압강압형 전원회로에 관한 것으로서, 특히 부분공진방식을 통해 스위칭소자의 온/오프시 발생되는 전력손실을 개선할 수 있도록 한 부분공진방식의 전압강압형 전원회로에 관한 것이다.
일반적으로 텔레비젼이나 컴퓨터, 모니터등과 같은 전자기기에서는 전압강압형 전원회로를 사용하여 시스템의 각 부분에 필요한 레벨의 직류전원을 제공한다. 이 전압강압형 전원회로는 안정화되어 있지 않은 교류(AC) 또는 직류(DC)전압의 전원을 일정한 DC전압으로 변환하여 출력하며, 그 일예가 제1도에 보여졌다.
제1도는 종래의 전압강압형 전원회로를 나타낸 회로도이다. 도시된 바와 같이, 종래의 전원회로는 AC 또는 DC전압의 전원(Vin)을 입력받아 DC전압(V1)을 발생하는 정류기능을 구비한 DC전압발생부(10)와, 발생되는 DC전압(V1)으로부터 원하는 출력전압(Vout)을 얻기 위한 전압강압부(12), 및 출력전압(Vout)을 피드백받아 전압강압부(12)를 제어하는 제어부(13)로 구성된다. 여기서, 전압강압부(12)는 제어부(13)에서 출력되는 펄스신호에 의해 온(ON)/오프(OFF) 구동되는 스위칭소자인 전계효과트랜지스터(FET)와, 전계효과트랜지스터(FET)가 온(ON)상태에서 DC전압발생부(10)에서 발생되는 DC전압(V1)의 전원을 축적하는 전력축적용 코일(L1)과, 전계효과트랜지스터(FET)가 오프(OFF)상태에서 코일(L1)의 역기전력에 따라 도통되는 플라이휠(flywheel) 다이오드(D1), 및 축적된 전력을 방전하여 원하는 전압(Vout)을 출력하는 콘덴서(C1)로 이루어진다. 제어부(13)는 전계효과트랜지스터(FET)를 구동하기 위해 펄스신호를 출력하는 FET구동기(15)와, 출력전압(Vout)을 피드백받아 펄스신호의 폭을 가변시키는 PWM제어기(14)로 이루어진다.
이와 같이 구성된 종래의 전압강압형 전원회로에 AC전원이 입력되면, DC전압발생부(10)는 이 전원을 정류하여 DC전압(V1)을 발생하고, DC전압이 입력되면 그대로 출력한다. DC전압발생부(10)에서 발생되는 DC전압(V1)은 전압강압부(12)로 입력된다. 전압강압부(12)의 스위칭소자인 전계효과트랜지스터(FET)는 제어부(13)에서 출력되는 펄스신호에 따라 반복적으로 온(ON)/오프(OFF)되어 입력되는 DC전압을 스위칭한다. 여기서, 제어부(13)는 전압강압부(12)의 출력전압(Vout)를 입력받아 원하는 전압이 출력되는 지를 감시한다. 즉, PWM제어기(14)는 출력전압(Vout)을 피드백받아 FET구동기(15)로 출력하는 펄스신호의 폭을 변화시켜 시스템에서 필요로 하는 DC전압이 변동없이 안정된 상태로 출력되도록 한다. FET구동기(15)는 입력되는 PWM 펄스에 따라 전압강압부(12)의 스위칭소자인 전계효과트랜지스터(FET)를 구동하여 온(ON)/오프(OFF)시킨다.
한편, 전계효과트랜지스터(FET)가 온(ON)인 경우 입력되는 DC전압(V1)이 전력축적용 코일(L1)에 축적된다. 전계효과트랜지스터(FET)가 오프(OFF)인 경우 입력되는 DC전압(V1)이 차단되고, 전력축적용 코일(L1)의 역기전력에 의해 플라이휠 다이오드(D1)가 도통된다. 그리고, 코일(L1)에 축적된 전력이 콘덴서(C1)에서 방전되어 원하는 출력전압(Vout)을 얻게 된다. 이때, 출력전압(Vout)은 DC전압발생부(11)에서 발생되는 DC전압(V1)과 제어부(13)의 FET구동기(15)에서 출력되는 PWM 펄스신호의 듀티(Duty)에 따라 결정된다.
하지만, 위와 같은 종래 전압강압형 전원회로에서 스위칭소자인 전계효과트랜지스터가 온(ON)/오프(OFF) 스위칭될 때 전력손실이 크게 발생하여 전원회로의 효율이 저하되고, 스위칭소자에서 열이 많이 발생된다. 그러므로 열을 방출하기 위해 스위칭소자에 부착되는 냉각시스템의 크기가 커지게 되어 전체적인 전원회로의 규모가 커지게 되는 문제점이 있다.
따라서, 본 발명의 목적은 전술한 문제점을 해결할 수 있도록 부분공진방식의 전압강압형 전원회로를 제공함에 있다.
이와 같은 목적은 달성하기 위한 본 발명에 따른 부분공진방식의 전압강압형 전원회로는 교류(AC) 또는 직류(DC)전압을 입력받아 직류(DC)전압을 발생하는 DC전압발생부와, 일정한 출력전압을 피드백받아 그에 대응하는 듀티의 펄스폭변조(PWM)된 펄스신호를 출력하는 제어부, 및 펄스신호의 듀티에 따라 발생되는 직류(DC)전압을 강압하여 원하는 출력전압을 얻는 전압강압부로 구성되는 전압강압형 전원회로에 있어서, 상기 펄스신호를 시간 지연하고, 시간지연된 펄스신호로 전압강압부의 주스위칭소자를 온(ON)/오프(OFF)시키는 제1제어부와, 상기 펄스신호의 소정에지에서 일정시간의 트리거펄스신호를 발생하여 주스위칭소자가 온(ON)되는 시점에서 부분공진회로의 부스위칭소자를 온(ON)시키는 제2제어부와, 상기 제1제어부의 시간지연된 펄스신호에 따라 온(ON)/오프(OFF)되는 주스위칭소자를 구비하며, 주스위칭소자가 온(ON)상태에서 상기 발생된 직류(DC)전압을 축적하고, 오프(OFF)상태에서 축적된 직류(DC)전압을 출력하는 전압강압부, 및 상기 제2제어부의 트리거펄스신호에 따라 온(ON)/오프(OFF)되는 부스위칭소자를 구비하며, 상기 주스위칭소자가 온(ON)/오프(OFF)로 스위칭될 때 상기 주스위칭소자에 흐르는 전류가 0이 되도록 상기 부스위칭소자가 온(ON)/오프(OFF)되어 공진전류를 발생하는 부분공진회로를 포함한다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 기술하기로 한다.
제2도는 본 발명에 따른 부분공진방식의 전압강압형 전원회로를 나타내는 회로도이다. 도시된 바와 같이, 본 발명의 회로는 종래 제1도 전원회로와 동일하게 구성되며, 종래 전압강압부(12)에 전류방향 설정용 다이오드(D2, D3)와, 공진용 콘덴서(C2)와, 다른 스위칭소자인 전계효과트랜지스터(FET2), 및 공진용 코일(L2)을 추가하여 부분공진방식의 전압강압부(22)를 구성한다. 또한, 종래 제어부(13)에 PWM제어기(24)의 PWM펄스를 일정시간 지연하여 출력하는 시간지연기(25)와, 시간지연된 PWM펄스에 따라 전압강압부(22)의 주스위칭소자인 제1전계효과트랜지스터(FET1)를 구동하는 제1FET구동기(26)와, 제1전계효과트랜지스터(FET1)가 온(ON)되는 순간에 트리거펄스를 발생하는 트리거펄스발생기(27), 및 트리거펄스에 따라 부스위칭소자인 제2전계효과트랜지스터(FET2)를 구동하는 제2FET구동기(28)를 추가하여 제어부(23)를 구성한다.
이와 같이 구성된 본 발명에 따른 부분공진방식의 전압강압형 전원회로에 대한 동작을 제3도를 참조하여 좀더 구체적으로 설명한다.
제3도는 제2도 회로의 동작을 설명하기 위한 타이밍도이다.
먼저, DC전압발생부(21)는 입력전원(Vin)이 AC전원이면 이를 정류하여 DC전압(V1)을 출력하고, 입력전원(Vin)이 DC전원이면 그대로 출력한다. DC전압발생부(21)에서 발생되는 DC전압(V1)은 부분공진방식의 전압강압부(22)로 입력된다. 부분공진방식의 전압강압부(22)는 제어부(23)의 제어에 따라 입력되는 DC전압을 일정한 전압으로 출력한다. 제어부(23)에서 PWM제어기(24)는 전압강압부(22)의 출력전압(Vout)을 피드백받아 그에 대응하는 듀티의 PWM펄스를 발생한다(제3(a)도 참조). 시간지연기(25)는 제3(a)도의 PWM펄스를 입력받고 이를 일정시간(t0~t1) 지연하여 제1FET구동기(26)로 출력한다(제3(b)도 참조). 제1FET구동기(26)는 제3(b)도의 시간지연된 PWM펄스의 고전위구간에서 주스위칭소자인 제1전계효과트랜지스터(FET1)를 온(ON)시키고, 저전위구간에서 오프(OFF)시킨다. 또한, 트리거펄스발생기(27)는 입력되는 제3(a)도의 PWM펄스에 의해 주스위칭소자인 제1전계효과트랜지스터(FET1)가 온(ON)되는 시점 즉, PWM펄스의 상승에지에서 트리거펄스를 발생한다(제3(c)도 참조). 제2FET구동기(28)는 제3(c)도의 트리거펄스의 고전위구간에서 부스위칭소자인 제2전계효과트랜지스터(FET2)를 온(ON)시키고, 저전위구간에서 오프(OFF)시킨다.
한편, 부분공진방식의 전압강압부(22)는 제1전계효과트랜지스터(FET1)가 온(ON)상태인 구간에서 종래 제1도 전압강압부(12)와 동일하게 동작한다. 즉, DC전압발생부(21)에서 발생되는 DC전압(V1)이 트랜스(T1)의 제1코일(L1)에 축적된다. 반면에, 제1전계효과트랜지스터(FET1)가 오프(OFF)상태인 구간에서는 제1전계효과트랜지스터(FET1)에 흐르는 전류(I1)가 차단되고(제3(d)도 참조), 제1코일(L1)에 역기전력이 발생되어 축적된 전압이 출력된다. 여기서, 제1전계효과트랜지스터(FET1)가 오프(OFF)상태가 되는 일정구간(t1~t2)에서 제1전계효과트랜지스터(FET1)의 소스측 전압이 급격히 낮아지게 된다. 그래서, 공진용 콘덴서(C2) 양단에 전위차가 급격히 발생하여 전류방향 설정용 다이오드(D2)를 통해 콘덴서(C2)에 3(e)도와 같이 공진전류(I3)가 흘러 DC전압(V1)이 콘덴서(C2)에 충전되며 이때 주스위칭소자인 제1전계효과트랜지스터(FET1)의 제1전류(I1)가 0상태가 된다(제3(d)도 참조). 다시 주스위칭소자인 제1전계효과트랜지스터(FET1)가 온(ON)이 되는 직전에 제3(c)도의 트리거펄스에 의해 부스위칭소자인 제2전계효과트랜지스터(FET2)가 일정시간(t3~t5)동안 온(ON)상태가 된다. 이때, 전류방향 설정용 다이오드(D3)를 통해 트랜스(T1)의 제2코일(L2)과 제2전계효과트랜지스터(FET2)에 제3(f)도와 같이 공진전류(I4)가 흘러 공진용 콘덴서(C2)의 충전전압을 방전시킨다. 이로 인하여 트랜스(T1)의 제1코일(L1)에 역기전력이 발생되어 플라이휠 다이오드(D1)에 흐르는 제2전류(I2)를 억제시키고(제3(g)도 참조), 주스위칭소자인 제1전계효과트랜지스터(FET1)의 제1전류(I1)를 억제시킨다(제3(d)도 참조). 그래서, 주스위칭소자인 제1전계효과트랜지스터(FET1)가 온(ON)/오프(OFF)되는 시점에서 전류(I1)가 0상태가 되어(제3(d)도 참조), 스위칭소자의 온/오프될 때 발생되는 전력손실을 최소화한다. 이때, 출력측으로 흐르는 전류(I5)는 제3(h)도와 같다.
본 발명은 전압강압형 전원회로에 적용가능하며, 특히 DC/DC 컨버터의 벅(Buck)방식과 램프(Lamp)의 구동용 전자안정기 등에 확대 사용할 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명은 부분공진방식의 전압강압형 전원회로에 관한 것으로 종래 전압강압형 전원회로에 부분공진방식을 적용하여 스위칭소자의 스위칭시 전원손실의 원인을 제거하므로써 전력손실을 최소화하고, 발열문제 및 이로 인한 규모 확대 등의 문제를 해결하는 효과를 갖는다.

Claims (6)

  1. 교류(AC) 또는 직류(DC)전압을 입력받아 직류(DC)전압을 발생하는 DC전압발생부와, 일정한 출력전압을 피드백받아 그에 대응하는 듀티의 펄스폭변조(PWM)된 펄스신호를 출력하는 제어부, 및 펄스신호의 듀티에 따라 발생되는 직류(DC)전압을 강압하여 원하는 출력전압을 얻는 전압강압부로 구성되는 전압강압형 전원회로에 있어서, 상기 펄스신호를 시간지연하고, 시간지연된 펄스신호로 전압강압부의 주스위칭소자를 온(ON)/오프(OFF)시키는 제1제어부; 상기 펄스신호의 소정에지에서 일정시간의 트리거펄스신호를 발생하여 주스위칭소자가 온(ON)되는 시점에서 부분공진회로의 부스위칭소자를 온(ON)시키는 제2제어부; 상기 제1제어부의 시간지연된 펄스신호에 따라 온(ON)/오프(OFF)되는 주스위칭소자를 구비하며, 주스위칭소자가 온(ON)상태에서 상기 발생된 직류(DC)전압을 축적하고, 오프(OFF)상태에서 축적된 직류(DC)전압을 출력하는 전압강압부; 및 상기 제2제어부의 트리거펄스신호에 따라 온(ON)/오프(OFF)되는 부스위칭소자를 구비하며, 상기 주스위칭소자가 온(ON)/오프(OFF)로 스위칭될 때 상기 주스위칭소자에 흐르는 전류가 0이 되도록 상기 부스위칭소자가 온(ON)/오프(OFF)되어 공진전류를 발생하는 부분공진회로를 포함하는 부분공진방식의 전압강압형 전원회로.
  2. 제1항에 있어서, 상기 주스위칭소자와 부스위칭소자는 전계효과트랜지스터(FET)인 것을 특징으로 하는 부분공진방식의 전압강압형 전원회로.
  3. 제2항에 있어서, 상기 제1제어부는 상기 펄스폭변조된 펄스신호를 일정시간 지연하여 출력하는 시간지연기; 및 상기 시간지연된 펄스신호에 따라 상기 주스위칭소자를 구동하는 제1FET구동기를 구비함을 특징으로 하는 부분공진방식의 전압강압형 전원회로.
  4. 제2항에 있어서, 상기 제2제어부는 상기 펄스폭변조된 펄스신호의 상승에지에서 일정시간의 트리거펄스신호를 발생하는 트리거펄스발생기; 및 상기 트리거펄스신호에 따라 상기 부스위칭소자를 구동하는 제2FET구동기를 구비함을 특징으로 하는 부분공진방식의 전압강압형 전원회로.
  5. 제1항에 있어서, 상기 부분공진회로는 전류방향 설정을 위한 복수개의 다이오드; 상기 주스위칭소자가 오프(OFF)되는 시점에 상기 다이오드를 통해 공진전류가 흘러 주스위칭소자에 흐르는 전류가 0상태가 되도록 하며, 상기 직류(DC)전압을 충전하는 공진용 콘덴서; 및 상기 주스위칭소자가 온(ON)되는 시점에 상기 부스위칭소자가 온(ON)되고 상기 다이오드를 통해 공진전류가 흘러 주스위칭소자에 흐르는 전류가 0상태가 되도록 하며, 상기 공진용 콘덴서의 충전전압을 방전시키는 제2코일을 갖는 트랜스를 구비함을 특징으로 하는 부분공진방식의 전압강압형 전원회로.
  6. 제5항에 있어서, 상기 전압강압부는 상기 주스위칭소자의 온(ON)/오프(OFF)상태에 따라 상기 발생된 직류(DC)전압을 축적 또는 출력하고, 상기 주스위칭소자가 온(ON)되는 시점에서 상기 트랜스의 제2코일에 의해 충전전압이 방전되 면 역기전력을 발생시켜 플라이휠 다이오드에 흐르는 전류를 억제시키는 트랜스의 제1코일; 상기 주스위칭소자가 오프(OFF)상태에서 도통되는 플라이휠 다이오드; 및 상기 플라이휠 다이오드가 도통됨에 따라 상기 제1코일의 축적전압을 방전시키는 콘덴서를 구비함을 특징으로 하는 부분공진방식의 전압강압형 전원회로.
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