KR100211520B1 - 부분 공진형 전원 스위치장치 - Google Patents
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Abstract
전원제어펄스를 발생하는 전원제어부와, 전원제어펄스에 의해 스위칭 전원을 발생하는 주스위치 및 보조스위치를 구비하는 공진형 전원 스위치장치가, 전원제어펄스를 설정 시간 지연하여 주스위치에 전달하는 제1구동부와, 전원제어부 및 보조스위치가 서로 다른 제로 전위차를 갖도록 전원제어펄스를 절연하여 보조스위치에 전달하는 제2구동부를 구비하며, 제1 및 제2구동부가 주스위치 및 보조스위치가 중복되어 온되지 않도록 휴지시간을 갖는 구동신호를 발생하고, 휴지시간 동안 부분 공진하도록 제어한다.
Description
본 발명은 전원 스위치장치에 있어서, 특히 부분 공진형 전원 스위치장치에 관한 것이다.
일반적으로 특정 기능을 수행하는 시스템에서는 자체의 동작 전원을 공급하기 위한 장치들을 사용하며, 일반적으로 스위칭모드 전원공급장치(Switching Mode Power Supply: SMPS)를 사용하고 있다. 상기 SMPS는 DC-DC 변환기로서 스위치소자 및 스위치소자의 스위칭을 제어하는 스위칭제어부를 구비한다. 상기와 같은 SMPS는 상기 스위칭제어부가 스위치소자의 단속 주기(1주기 내의 온/오프 시간)를 변화시키므로서, 부하에 공급하는 평균 전류를 조정하는 직류전원장치이다. 그러나 상기와 같은 SMPS는 스위칭 주파수를 빠르게 할 수 없어 전원공급장치를 작게 설계하는데 한계가 있었다. 즉, 상기와 같은 SMPS는 스위칭 주파수의 한계에 의해 고효율의 전원공급장치를 구현할 수 없었으며, 따라서 원하는 레벨의 공급전원을 발생하기 위해서는 전원공급장치가 커지게되는 문제점이 있었다.
상기 SMPS에서 상기 스위칭주파수를 고주파수로 발생할 수 있으면 고효율의 전원공급장치를 구현할 수 있으며, 이런 경우 상기 전원공급장치를 작게 설계할 수 있다. 이와같은 문제점을 해소하기 위하여, 상기와 같은 스위칭주파수를 고주파수로 발생하는 공진형 전원스위치장치(resonant converter)가 제기되었다. 상기 공진형 전원 스위치장치는 전체 전원공급장치에 부분 공진 방식을 채택하며, 이런 부분공진회로가 정상적으로 동작하기 위해서는 필요한 2개의 스위칭소자를 시간적인 차이를 두고 구동하여야 한다.
따라서 본 발명의 목적은 스위칭주파수를 높여 전원 효율을 향상시킬 수 있는 부분 공진형 전원 스위치장치를 제공함에 있다.
본 발명의 다른 목적은 부분 공진형 전원 스위치장치에서 부분 공진 동작을 수행하는 스위치 소자들의 스위칭 손실을 억압하며 구동할 수 있는 장치를 제공함에 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 부분 공진형 전원 스위치장치가 전원제어펄스를 발생하는 전원제어부와, 상기 전원제어펄스에 의해 스위칭 동작을 하는 주스위치 및 보조스위치와, 전원제어펄스를 설정 시간 지연하여 상기 주스위치에 전달하는 제1구동부와, 상기 전원제어부 및 보조스위치가 서로 다른 제로 전위차를 갖도록 상기 전원제어펄스를 절연하여 상기 보조스위치에 전달하는 제2구동부를 구비하며, 상기 제1 및 제2구동부가 상기 주스위치 및 보조스위치가 중복되어 온되지 않도록 휴지시간을 갖는 구동신호를 발생하고, 상기 휴지시간 동안 부분 공진하는 것을 특징으로 한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 부분 공지형 전원 스위치장치의 구성을 도시하는 도면
도 2는 도 1의 각부 동작 특성을 도시하는 파형도
도 3은 도 1에서 제1구동부의 구성을 도시하는 도면
도 4는 도 1에서 제2구동부의 구성을 도시하는 도면
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 부분 공진형 전원 스위치장치의 구성을 도시하는 도면이다. 기동회로(start up)11은 초기 구동시 PWM제어부(Pulse Width Modulation controller)12의 트리거신호(trigger)를 발생한다. 상기 PWM제어부12는 초기 기동시 상기 기동회로11에서 발생되는 트리거신호에 의해 전원 발생을 위한 PWM신호를 발생하며, 기동 후 포토커플러(photo coupler)의 포토트랜지스터QPT의 궤환 전압(feedback voltage) PWM신호를 발생한다. 상기 PWM제어부12는 일본국 후지사에 제작 및 판매하는 FA5310을 사용할 수 있다. 상기 PWM신호는 스위칭 전원을 발생하기 위한 전원제어신호가 된다. 제1구동부(time delay)13은 상기 PWM신호를 지연하여 출력한다. 트랜지스터Q1은 주스위치로서, 1차트랜스NR과 접지단 사이에 연결되고 게이트전극이 상기 제1구동부13의 출력단에 연결된다. 상기 트랜지스터Q1은 상기 지연된 PWM신호에 의해 스위칭되어 스위칭전원을 발생한다. 캐패시터C1은 상기 트랜지스터Q1과 병렬로 1차트랜스NR과 접지단 사이에 연결된다.
도 3은 상기 제1구동부13에 대한 구성을 도시하는 도면으로서, 주스위치인 트랜지스터Q1를 구동하기 위하여 시간차를 가지며 신호를 전달하는 시간 쉬프트 회로(time shift circuit)이다. 상기 도 3을 참조하면, 다이오드D11-D12, 저항R11-R14, 캐패시터C11 및 트랜지스터Q11로 구성된 부분은 상기 PWM제어부12에서 출력되는 PWM신호를 지연하는 기능을 수행하는 지연기이다. 캐패시터C12, 저항R15-R16 및 트랜지스터Q12는 상기 지연기에서 출력되는 지연된 PWM신호를 증폭하는 기능을 수행하는 증폭기이다. 저항R17 및 트랜지스터Q13-Q14는 상기 증폭된 PWM신호를 주 스위치인 트랜지스터Q11에 인가하여 구동하는 기능을 수행하는 구동부이다.
상기 트랜스포머NR는 입력단에 연결되며, 타단이 다이오드D1 및 캐패시터C2를 통해 접지단과 연결된다. 또한 상기 다이오드D1의 캐소드 전극은 보조 트랜스(clamp transformer)NC1에 연결된다. 제2구동부(isolated drive transformer)14는 상기 PWM신호를 입력하며, 상기 PWM신호를 제2보조스위치인 트랜지스터Q3에 PWM신호를 공급하는 동시에 트랜지스터Q2 및 Q3를 절연시키는 기능을 수행한다. 트랜지스터Q3은 직렬 연결되는 1차측 트랜스NC2, 저항R2, 캐패시터C3과 입력단 사이에 연결되며, 게이트전극이 제2구동부14의 출력단에 연결된다. 보조 스위치인 트랜지스터Q2는 트랜스포머NC1과 입력단 사이에 연결되며 게이트 전극이 상기 트랜지스터Q3의 출력단에 연결된다. 상기 트랜지스터Q2는 상기 트랜지스터Q3의 출력에 따라 스위칭되어 주스위치 오프시 발생하는 플라이백 전압을 제한한다(clamp).
도 4는 상기 제2구동부14의 구성을 도시하는 도면으로서, 상기 주스위치인 트랜지스터Q1이 온되어 있는 시간 동안 보조스위치인 트랜지스터Q2를 오프하도록 하는 보조스위치회로이며, 구동신호원 및 보조스위치의 전위차에 의한 오동작을 방지하기 위한 절연 트랜스포머를 구비한다. 상기 도 4를 참조하면, 캐패시터C21, 저항R21-R22, 트랜지스터Q21, 다이오드D21 및 트랜스포머T21로 구성된다. 여기서 상기 트랜스포머t21은 상기 트랜지스터Q2 및 트랜지스터Q3의 전위차에 의해 발생될 수 있는 오동작을 방지하기 위한 절연 기능을 수행한다.
상기 트랜지스터Q1, 캐패시터C1 및 트랜스포머NR과은 전원 스위치장치의 부분 공진회로가 되며, 트랜지스터Q2, 캐패시터C2 및 트랜스포머NC1은 플라이백 전압을 제한하는 회로가 된다.
2차측 트랜스포머에 연결되는 다이오드D1-D2, 코일L1 및 캐패시터C4는 2차측 트랜스포머로 유기되는 스위칭 전원을 정류 및 평활하는 기능을 수행한다. 저항R3-R5, 다이오드D4(programmable reference diode)는 상기 출력되는 전원과 기준전압을 비교하며, 포토커플러의 LD는 상기 다이오드D4에 의해 스위칭 펄스를 발생한다.
상기 도 1과 같은 구성을 갖는 전원 스위치장치는 부분 공진 동작을 수행하기 위하여 주 스위치인 트랜지스터Q1과 클램프(clamp) 용 보조 스위치인 트랜지스터Q2를 구비하며, 상기 두 트랜지스터Q1-Q2를 구동할 때에는 2개가 동시에 턴온(turn-on)되지 않도록 휴지시간(dead time)을 필요로한다. 이를 위하여 본 발명의 실시예에서는 상기 공진형 전원 스위치장치에 주스위치와 보조스위치가 동시에 온되지 않도록 상기 주스위치 및 보조스위치에 각각 구동신호를 발생하는 기능을 수행하며, 부분 공진 동작에서 상기 2개의 스위치 구동부13 및 14는 매우 중요한 기능을 수행하게 된다.
상기 도 1, 도 3 및 도 4와 같은 구성을 갖는 부분 공진형 전원 스위치장치의 동작을 도 2의 동작 파형도를 참조하여 살펴보면, 상기 PWM제어부12는 PWM신호를 발생하며, 이 PWM신호는 제1구동부13 및 제2구동부14에 분배되어 입력된다. 그러면 상기 제1구동부13의 지연기는 상기 PWM신호를 지연하여 도 2의 2a와 같은 지연된 PWM신호를 발생한다. 이때 상기 지연 주기는 수백 μsec 정도가 되도록 설정한다. 그러면 제1구동부13의 증폭기는 상기 지연 PWM신호를 증폭하며, 구동부는 상기 증폭된 PWM신호를 상기 트랜지스터Q1의 게이트 전극에 인가한다.
그러면 트랜지스터Q1은 상기 도 2의 2a와 같은 지연된 PWM신호에 의해 도 2의 2c와 같이 온/오프 스위칭된다. 또한 보조스위치를 구동하는 상기 제2구동부14는 상기 PWM신호를 상기 트랜지스터Q3에 그대로 전달한다. 그리고 상기 PWM제어부12 및 트랜지스터Q2-Q3의 전위차가 서로 상이하므로, 이들을 절연시키기 위하여 절연 트랜스포머T21을 통해 PWM신호를 전달한다. 이때 상기 트랜지스터Q2에는 상기 트랜스포머NC1 및 주 트랜스포머NR의 신호가 서로 복합되어 전달되며, 이렇게 복합된 신호는 도 2의 2b와 같이 발생된다. 따라서 상기 도 2의 t2-t3 및 t4-t5에 도시된 바와 같이 상기 트랜지스터Q1 및 트랜지스터Q2는 동시에 턴온되지 않도록 휴지시간(dead time)을 갖게된다.
상기 트랜지스터Q1 및 Q2의 휴지시간에서는 도 2에 도시된 바와 같이 공진현상이 발생된다. 상기 도 2를 참조하면, 먼저 최초 단계에서 상기 트랜지스터Q1은 온상태이므로 트랜스포머NR에는 여자 전류가 흐르게 되며, 그 값은 직선적으로 증가한다. (상태 1)
두 번째로 상기 트랜지스터Q2는 오프되고 이때까지 상기 트랜지스터Q1을 흐르던 전류는 캐패시터C1에 흐르게 된다. 이때 흐르는 전류 값과 캐패시터의 값으로 캐패시터의 전압 즉, 트랜지스터Q1의 전압이 결정된다. (상태 2)
세 번째로 상기 트랜스포머NR로부터 공진 전류에 의하여 충전된 캐피시터의 전압(트랜지스터Q1의 전압)이 클램프용캐패시터의 충전전압에 도달하면 클램프 다이오드D1이 온되어 상기 트랜지스터Q1의 전압은 일정한 값으로 클램핑된다. 또한 상기 트랜스포머NR과 동일한 권수를 가진 클램프용 트랜스포머NC에서 상기 클램프 캐패시터에 전류가 흐르게된다. (상태 3)
네 번째로 상기 캐패시터에 충전된 전류가 제로가 되기 전에 상기 트랜지스터Q2를 온시키므로서 클램프 트랜스포머NC의 전압에 의해서 방전이 일어나게되고, 상기 상태 3 동안에 캐패시터에 축적된 전하는 트랜스포머NC를 통해 입력측으로 되돌려지게 된다. (상태 4)
다섯 번째로 상기 트랜지스터Q2를 오프시키면 이제까지 캐패시터에 흐르던 전류는 트랜스포머NR에 흘러서 트랜스포머와 캐패시터에 의한 공진을 일으키게 한다. 이 공진은 상태 2와는 반대로 동작하여 캐패시터 전압은 정현파 형태로 하강하게 된다. (상태 5)
여섯번째로 캐패시터의 전하가 방전이 완료되면, 캐패시터의 전하가 방전이 완료되면, 트랜스포머NR의 전류는 다이오드D1을 흐르게된다. 이간에 상기 트랜지스터Q1의 전압은 제로 상태이므로, 이 구간에서 상기 트랜지스터Q1을 온시키게되면 제로 크로크로스가 실현된다. (상태 6)
상기한 바와 같이 본 발명의 실시예에 따른 전원 스위치장치는 도 2의 t1-t6으로 도시된 바와 같이 6단계의 동작 구간으로 설정할 수 있으며, 각 부의 동작은 구동부13 및 14에 의해 2개의 스위치인 트랜지스터Q1 및 Q2가 각각 턴온 및 턴오프를 반복한다. 이때 상기 온/오프 상태를 천이하는 과정에서 상기 트랜지스터Q1 및 Q2가 모두 오프 상태를 유지하는 휴지시간을 발생시키며, 이런 구간에서 공진을 일으기킨다. 즉, 상기 트랜지스터Q1 및 Q2의 휴지시간에서는 트랜스포머NR의 인던턴스 값과 캐패시터C1에 의해 공진 현상이 발생된다.
상기와 같이 부분 공진형 전원 스위치장치를 구성하면, 주스위치 및 보조 스위치가 중복되어 턴온되는 구간이 없게되며, 상기 주스위치가 턴온될 시 제로크로스 턴온되어 스위칭 손실이 없게된다. 또한 상기와 같은 스위칭에 의해 스파이크(spike) 성분의 잡음도 감소하게 되고, 이로인해 스위칭 주파수를 고주파수로 발생할 수 있어 고효율 및 전원장치의 크기를 작게할 수 있는 이점이 있다.
Claims (1)
- 전원제어펄스를 발생하는 전원제어부와, 상기 전원제어펄스에 의해 스위칭 전원을 발생하는 주스위치 및 보조스위치를 구비하는 공진형 전원 스위치장치에 있어서,전원제어펄스를 설정 시간 지연하여 상기 주스위치에 전달하는 제1구동부와, 상기 전원제어부 및 보조스위치가 서로 다른 제로 전위차를 갖도록 상기 전원제어펄스를 절연하여 상기 보조스위치에 전달하는 제2구동부를 구비하며, 상기 제1 및 제2구동부가 상기 주스위치 및 보조스위치가 중복되어 온되지 않도록 휴지시간을 갖는 구동신호를 발생하고, 상기 휴지시간 동안 부분 발진하는 것을 특징으로 하는 부분 공진형 전원 스위치장치.
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