KR0170215B1 - 다이오드의 역회복 특성을 이용한 공진형 콘버터장치 - Google Patents

다이오드의 역회복 특성을 이용한 공진형 콘버터장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 다이오드의 역회복 특성을 이용한 공진형 콘버터 장치에 관한 것으로서, 특히 외부전원전압과 제1노드 사이에 연결되고 상기 외부전원전압에 캐소드단이 연결되어 있고 상기 제1노드에 애노드단이 연결되어 있는 역방향 다이오드; 스위칭 전압을 발생하고 출력하는 게이트구동수단; 상기 제1노드와 접지전압 사이에 전류통로가 연결되고 상기 게이트구동회로의 출력전압에 응답하는 스위칭수단; 및 상기 제1노드와 접지전압 사이에 연결되는 공진회로단을 구비하는 것을 특징으로 한다.
따라서, 본 발명에서는 공진형 콘버터 장치에서 게이트구동수단과 레벨쉬프터를 없앰으로서 레이아웃의 면적을 대폭 감소하였고 스위칭 특성이 좋은 다이오드를 사용함으로서 전류소모도 줄일 수 있는 효과가 있다.

Description

다이오드의 역회복 특성을 이용한 공진형 콘버터장치
제1도는 종래의 공진형 콘버터 장치를 나타낸 도면.
제2도는 제1도의 동작을 나타낸 파형도.
제3도는 본 발명에 의한 다이오드의 역회복 특성을 이용한 공진형 콘버터 장치를 나타낸 도면.
제4도는 제3도의 동작을 나타낸 파형도.
본 발명은 다이오드의 역회복 특성을 이용한 공진형 콘버터 장치에 관한 것으로서, 특히 다이오드의 역회복 특성을 이용하여 레이아웃의 면적을 감소시킨 공진형 콘버터 장치에 관한 것이다.
일반적으로 공진형 콘버터는 스위칭 손실이 거의 없어서 고주파 스위칭에 유리한 회로방식이다. 반면에 일반적인 PWM(Pulse Width Modulation) 콘버터에는 필요없는 공진회로가 부가되어야 하고 제어회로가 복잡한 단점이 있다. 이와 같은 공진형 콘버터의 장단점을 충분히 이용할 수 있는 응용예가 전자식 안정기나 유도가열전원장치이다.
상기 콘버터의 구동을 위해서는 공진회로에 공진주파수에 근접하는 교류전원을 인가해 주어야 하는데 여러가지 유리한 점이 있어 공진주파수보다 높은 주파수의 고주파 전원을 인가해주는 것이 보통이다. 하지만, 상기 상용전원은 50Hz 또는 60Hz의 저주파 교류전원이므로, 상용전원을 정류하여 직류전원으로 만들고 이 직류전원을 고주파 인버터를 이용하여 고주파 구형파로 변환하는 방법이 일반적으로 이용되고 있으나 공진형 콘버터의 레이아웃의 면적은 여전히 컸다.
제1도를 참조하면, 종래의 공진형 콘버터는 외부전원전압과 제1노드(N1) 사이에 연결된 제1엔-모스 트랜지스터(M1)와, 상기 제1트랜지스터를 구동하기 위하여 소정의 전압레벨을 발생하는 제1게이트구동수단(10)과, 상기 제1노드와 접지전압 사이에 연결된 제2엔-모스 트랜지스터(M2)와, 상기 제2트랜지스터를 구동하기 위하여 소정의 전압레벨을 발생하는 제2게이트구동수단(20)과, 상기 제1게이트구동수단(10)과 동상전압이 흔들리는 제2게이트구동수단(20)에 게이트구동신호를 전달하는 레벨쉬프터수단(15) 및 상기 제1노드와 접지전압 사이에 연결되고 인덕터(L)와 레지스터(R)와 커패시터(C)가 직렬로 연결된 공진회로단(30)으로 구성된다.
상기와 같이 구성된 공진형 콘버터의 동작을 살펴보면, 외부전원전압이 투입되면 제2게이트구동수단(10)의 출력고전압에 의해 제1트랜지스터(M1)가 턴-온되고 제2트랜지스터(M2)는 오프되어, 상기 제1트랜지스터(M1)를 통한 전류는 제1노드(N1)를 통해 공진회로단(30)으로 전달되어 커패시터(C)에 축적된다.
또한, 상기 레벨쉬프터수단(15)에 의해 제1게이트구동수단(10)의 출력전압은 저전압이되어 제1트랜지스터(M1)를 오프시키고, 상기 제2게이트구동수단(20)의 고전압 출력에 의해 제2트랜지스터(M2)는 턴-온되며 상기 공진회로단(30)의 커패시터(C)에 축적된 전류를 제2트랜지스터(M2)의 전류통로를 통하여 접지전압으로 풀-다운시킨다. 따라서, 상기 공진회로단(30)을 통하는 전류의 방향은 제1 및 제2트랜지스터(M1, M2)의 온/오프에 의해 결정된다.
제2도는 제1도의 공진형 콘버터의 동작 파형을 나타낸 것으로서, 상기 제1트랜지스터(M1)의 게이트단과 소오스단의 전압변화 파형(i)과, 상기 제2트랜지스터(M2)의 게이트단과 소오스단의 전압변화 파형(ii)과, 제1노드(N1)의 스위칭 전압의 파형(iii) 및 공진회로단(30)을 통하는 전류변화 파형(iv)을 포함한다.
상기 (i), (ii), (iii)의 파형도를 참조하여 공진회로단(30)의 전류파형도(iv)를 설명하면, 상기 제1트랜지스터(M1)의 게이트단과 소오스단에 고전압이 인가되어 턴-온될 시점(t0)의 직전에는 공진회로단(30)의 전류방향(It)은 제2트랜지스터(M2)를 통하여 접지전압으로 흐르고 있었고, 상기 t0시점에서 제2트랜지스터(M2)를 턴-오프하고 제1트랜지스터(M1)를 턴-온하면 공진회로단(30)의 전류(IL)는 제1트랜지스터(M1)의 소오스단에서 드레인단 방향(MOSFET의 바디 다이오드를 통해)으로 t1시간까지 흐르게 된다.
상기 t1까지 흐른 전류는 t1을 지나면서 전류방향을 바꾸고 t1에서 t2사이에는 제1트랜지스터(M1)가 턴-온되어 상기 트랜지스터(M1)의 드레인단에서 소오스단으로 전류가 흘러 공진회로단(30)의 커패시터(C)에 외부전원전압이 축적된다.
또한, 제2트랜지스터(M2)가 턴-온되는 시점인 t2에서는 제1트랜지스터(M1)는 오프되어 공진회로단(30)의 전류는 제2트랜지스터(M2)의 바디 다이오드(Body Diode)를 통해 흐르다가 t3되는 시점에서 방향을 바꾸고, t3에서 t4사이에서는 공진회로단(30)의 커패시터(C)의 전압에 의해 전류는 제2트랜지스터(M2)의 드레인단에서 소오스단의 방향으로 흘러 커패시터(C)의 축적전압을 접지전압으로 방전한다.
상기 t0∼t4까지가 스위칭의 한 주기(T)이고, t4부터는 다음 한주기가 되며, 상기 공진형 콘버터가 트랜지스터(M1, M2)의 인가전압에 대하여 전류전달지연 구간(t0∼t1, t2∼t3)이 생기는 것은 인덕터(L)의 성질에 기인하는 것이다.
상기와 같은 동작을 위해서는 제1 및 제2트랜지스터(M1, M2)의 게이트단과 소오스단간의 전압을 잘 제어해주어야 하는데, 상기 제1트랜지스터(M1)를 온/오프함에 따라 트랜지스터(M1)의 소오스전압은 0V에서 외부입력전압(Vin) 사이를 오가게 되어 제1트랜지스터(M1)의 게이트 구동에는 항상 레벨시프터수단(15)이 꼭 필요하다. 따라서, 상기 트랜지스터(M1)는 저항을 가진 스위칭 소자이므로 도통시에 도통손실이 크고 레이아웃의 면적이 큰 문제점이 있었다.
본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 다이오드의 역회복 특성을 이용하여 레이아웃의 면적을 감소시킨 다이오드의 역회복 특성을 이용한 공진형 콘버터 장치를 제공하는데 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 장치는 외부전원전압과 제1노드 사이에 연결되고 상기 외부전원전압에 캐소드단이 연결되어 있고 상기 제1노드에 애노드단이 연결되어 있는 역방향 다이오드; 스위칭 전압을 발생하고 출력하는 게이트구동수단; 상기 제1노드와 접지전압 사이에 전류통로가 연결되고 상기 게이트구동회로의 출력전압에 응답하는 스위칭수단; 및 상기 제1노드와 접지전압 사이에 연결되는 공진회로단을 구비하는 것을 특징으로 한다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세하게 설명하고자 한다.
제3도는 본 발명에 의한 공진형 콘버터 장치를 나타낸 것으로서, 다이오드(D)와, 엔-모스 트랜지스터(M)와, 상기 트랜지스터의 게이트 구동수단(120) 및 공진회로단(130)을 포함한다.
한편, 상기 다이오드(D)는 외부전원전압과 제1노드(Nd1) 사이에 연결되고 상기 외부전원전압에 캐소드단이 연결되어 있고 상기 제1노드(Nd1)에 애노드단이 연결되도록 구성되어 있고, 상기 엔-모스 트랜지스터(M)는 상기 제1노드(Nd1)와 접지전압 사이에 전류통로를 연결하고 상기 게이트구동수단(120)의 출력전압에 응답하도록 구성되어 있고, 상기 게이트구동수단(120)은 상기 엔-모스 트랜지스터(M)의 게이트단에 스위칭 전압을 인가하도록 구성되어 있다.
또한, 상기 공진회로단(130)은 상기 제1노드(Nd1)와 접지전압 사이에 연결되고 제1노드(Nd1)부터 인덕터(L)와 레지스터(R) 및 커패시터(C)가 직렬 연결되도록 구성되어 있다.
상기와 같이 구성되어 있는 본 발명은 다이오드의 역회복(Reverse Recovery) 특성을 이용하여 레이아웃의 면적을 대폭 감소시켰는데, 다이오드의 역회복 특성은 정방향으로 도통하고 있던 다이오드에 역전압을 인가하면, 즉시 턴-오프되어 역전압이 걸리는 것이 아니라 일정시간동안 도통하다가 역저지특성을 회복하게 되는 특성을 말하고 이 일정시간을 역회복시간(Reverse Recovery Time)이라고 한다.
제3도를 참조하여 본 발명의 동작을 살펴보면, 외부전원전압이 투입되면 다이오드(D)가 역회복 특성으로 턴-온되고 게이트구동수단(120)의 저전압 출력전압으로 엔-모스 트랜지스터(M)는 오프되어, 상기 다이오드(D)를 통하여 외부전원전압의 전류는 제1노드(Nd1)를 통해 공진회로단(130)으로 전달되어 커패시터(C)에 축적된다.
또한, 상기 게이트구동수단(120)의 고전압 출력에 대해 엔-모스 트랜지스터(M)는 턴-온되며 상기 공진회로단(130)의 커패시터(C)에 축적된 전류는 엔-모스 트랜지스터(M)의 전류통로를 통하여 접지전압으로 풀-다운된다. 따라서, 상기 공진회로단(130)을 통하는 전류의 방향은 엔-모스 트랜지스터(M)의 온/오프에 의해 결정된다.
제4도는 제3도의 공진형 콘버터의 동작 파형을 나타낸 것으로서, 상기 엔-모스 트랜지스터(M)의 게이트단과 소오스단의 전압변화 파형(i)과, 제1노드의 스위칭 전압의 파형(ii) 및 공진회로단을 통하는 전류변화 파형(iii)을 포함한다.
상기 (i), (ii)의 파형도를 참조하여 공진회로단(130)의 전류파형도(iii)를 설명하면, 상기 엔-모스 트랜지스터(M)가 턴-오프될 시점(t0)의 직전에는 공진회로단(130)의 전류방향(IL)은 엔-모스 트랜지스터(M)를 통하여 접지전압으로 흐르고 있었고, 상기 t0시점에서 엔-모스 트랜지스터(M)는 턴-오프되고 공진회로단(130)의 전류(IL)는 다이오드(D)의 정방향으로 도통하여 t1시간까지 흐르게 된다.
상기 t1까지 흐른 전류는 t1을 지나면서 외부전원전압에 의해 전류방향을 바꾸고 t1에서 t2사이에는 다이오드(D)의 역방향으로 턴-온되어 상기 공진회로단(130)의 커패시터(C)에 전압이 축적된다.
또한, 엔-모스 트랜지스터(M)가 턴-온되는 시점(t2)에서는 다이오드(D)는 오프되어 공진회로단(130)의 전류(IL)는 엔-모스 트랜지스터(M)의 바디 다이오드(Body Diode)를 통해 흐르다가 t3되는 시점에서 방향을 바꾸고, t3에서 t4사이에서는 공진회로단(130)의 커패시터(C)의 전압에 의해 전류는 엔-모스 트랜지스터(M)의 드레인단에서 소오스단의 방향으로 흘러 커패시터(C)의 축적전압을 접지전압으로 방전한다.
상기 t0∼t4까지가 스위칭의 한 주기(T)이고, t4부터는 다음 한 주기가 되며, 상기 공진형 콘버터가 트랜지스터의 인가전압에 대하여 전류전달지연 구간(t0∼t1, t2∼t3)이 생기는 것은 인덕터의 성질에 기인하는 것이다.
상기와 같이 본 발명은 종래의 제1트랜지스터의 바디 다이오드가 도통하는 시간에 본 발명의 다이오드가 정방향으로 도통하고, 종래의 제1트랜지스터의 드레인에서 소오스 방향으로 도통하는 시간이 본 발명의 다이오드의 역회복 시간과 동일하게 구성하였고, 상기 본 발명의 다이오드는 역 회복시간이 공진주기와 잘 맞아야 하고 작은 스위칭 전류손실을 위하여 다이오드의 스위칭 속도의 특성이 좋아야 한다.
따라서, 상술한 바와 같이 본 발명에서는 공진형 콘버터 장치에서 게이트구동수단과 레벨쉬프터를 없앰으로서 레이아웃의 면적을 대폭 감소하였고 스위칭 특성이 좋은 다이오드를 사용함으로서 전류소모도 줄일 수 있는 효과가 있다.

Claims (4)

  1. 외부전원전압과 제1노드 사이에 연결되고 상기 외부전원전압에 캐소드단이 연결되어 있고 상기 제1노드에 애노드단이 연결되어 있는 역방향 다이오드; 스위칭 전압을 발생하고 출력하는 게이트구동수단; 상기 제1노드와 접지전압 사이에 전류통로가 연결되고 상기 게이트구동회로의 출력전압에 응답하는 스위칭수단; 및 상기 제1노드와 접지전압 사이에 연결되는 공진회로단을 구비하는 것을 특징으로 하는 다이오드의 역회복 특성을 이용한 공진형 콘버터 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 다이오드는 다이오드의 역회복 시간을 스위칭 소자의 정방향으로 도통되는 시간으로 이용하는 것을 특징으로 하는 다이오드의 역회복 특성을 이용하는 공진형 콘버터 장치.
  3. 제1항에 있어서, 상기 스위칭수단은 엔-모스 트랜지스터인 것을 특징으로 하는 다이오드의 역회복 특성을 이용한 공진형 콘버터 장치.
  4. 제1항에 있어서, 상기 공전회로단은 복수의 수동소자가 직렬로 연결되거나 또는 병렬로 연결되는 것을 특징으로 하는 다이오드의 역회복 특성을 이용한 공진형 콘버터 장치.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR100468884B1 (ko) * 2001-08-29 2005-02-02 도요타지도샤가부시키가이샤 Ｄｃ-ｄｃ 컨버터

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