KR100215631B1 - 스위칭 모드 전원 공급장치(smps)에서의 스위칭턴-온시 초기손실 방지회로 - Google Patents

Abstract

본 발명은 SMPS에서의 스위칭 턴-온시 초기손실 방지회로에 관한 것으로서, SMPS 회로의 스위칭 발진시 스위칭 트랜지스터가 오프 때 역방향으로 인가되는 서지 전압을 제압하기 위해 사용하는 스너버 회로에 있어서, 스너버 회로의 스피드업 소자에 의해 스위칭 턴-온시 스위칭 트랜지스터의 초기 손실을 줄이기 위한 것이다.

이를 위하여 본 발명은 스위칭 트랜스포머 발진시 그 발진 제어소자인 스위칭 트랜지스터가 오프 때 트랜스포머의 1차측에 역방향으로 인가되는 서지 전압을 제압하기 위해 스너버 회로를 사용하고, 상기 스너버 회로의 응답속도를 가속시키기 위하여 스피드-업 소자를 사용하는 SMPS 회로에 있어서, 상기 스위칭 트랜지스터 컷-오프 동작시 상기 스너버 회로의 평활용 캐패시터에 충전된 전압이 스위칭트렌지스터 턴-온 동작시 스피드-업 소자를 통헤 방전되는 속도를 줄이기 위한 방전 지연수단을 상기 스너버 회로에 구비하는 것을 특징으로 한다.

Description

스위칭 모드 전원 공급장치(SMPS)에서의 스위칭 턴-온시 초기손실 방지회로

본 발명은 스위칭 모드 전원 공급장치(Switching Mode Power Supply: 이하는 SMPS라 칭함)에 관한 것으로서, 특히 SMPS 회로의 스위칭 발진시 스위칭 트랜스포머가 오프될 때 역방향으로 인가되는 서지 전압을 제압하기 위해 사용하는 스너버 회로에 있어서, 스너버 회로의 스피드업 소자에 의해 스위칭 턴-온시 스위칭 트랜지스터의 초기 손실이 발생하는 것을 줄임으로써, SMPS 회로의 신뢰성을 높일 수 있는 스위칭 모드 전원 공급장치(SMPS)에서의 스위칭 턴-온시 초기손실 방지회로에 관한 것이다.

일반적으로 종래의 SMPS 회로는 도 1에서와 같이 전원 플러그를 통해 교류전원(AC)에 혼합되어 들어오는 잡음을 제거하는 라인 필터부(1)와, 상기 라인 필터부(1)에서 잡음 제거되어 들어오는 교류 전원을 브리지 정류회로 등을 이용하여 1차적으로 정류하는 1차측 정류부(2)와, 상기 1차측 정류부(2)에서 정류되어 들어오는 전압으로부터 교류 성분을 제거하는 저항(R1)과 캐페시터(C1)로 이루어진 RC 필터회로(3)와, 스위칭 제어동작에 의해 발진하여 상기 1차측 정류부(2)에서 RC 필터회로(3)를 거쳐 들어오는 전압으로 1차 권선(Np)측에 에너지를 저장하고, 그 저장된 에너지를 이용하여 2차권선(Ns)측으로 전압을 유기시키는 스위칭 트랜스포머(T1)와, 상기 스위칭 트랜스포머(T1)의 1차 권선 제어단에 연결되어져서 그 발진동작을 제어하는 스위칭 소자인 스위칭 트렌지스터(Q1)와, 기동 저항(R3)에 의해 동작 개시되어 상기 스위칭 트랜스포머(T1)의 온/오프 주기를 조절하여 펄스폭 변조된 구형파신호(PWM 신호)를 출력하는 스위칭 제어부(6)와, 상기 스위칭 트랜스포머(T1)의 2차측 직류 츨력전압을 정류하여 평활한 후 부하측에서 필요로 하는 정전압으로 공급하는 2차측 정류부(5)와, 상기 2차측 정류부(5)의 출력을 검출하여 포토 커플러(PC1)의 동작을 제어하고 그 포토 커플러(PC1)의 동작에 따라 상기 스위칭 제어부(6)의 동작을 제어하는 전압변동 검출부(7)와, 상기 스위칭 트렌스포머(T1) 오프시 역방향으로 인가되는 과도한 서지전압을 제압하기 위해 SMPS의 스위칭 트랜지스터(Q1)의 출력측과 스위칭 트랜스포머(T1)의 1차측 코일 양단에 공통되게 접속된 스너버 회로(4)등으로 구성되어 있다.

이러한 구성의 종래 SMPS 회로에서 교류 전원(AC)이 인가되면 전원코드를 타고 외부에서 유입되는 잡음을 라인 필터부(1)에서 제거한 후 1차측 정류부(2)에서 상기 교류전원을 직류전원으로 변환한다. 이 직류전원은 다시 저항(R1)과 캐패시더(C1)로 이루어지는 RC 필터회로(3)를 거쳐 교류성분이 제거된 후 스위칭 트랜스포머(T1)의 1차 권선(Np)측에 인가되고, 동시에 기동 저항(R3)을 거쳐 발진 제어소자인 트랜지스터(Ql)의 베이스단자와 스위칭 제어부(6)에 인가된다.

이때 스위칭 제어부(6)에서는 전원이 공급되는 동작 초기에 기동 저항(R3)에의해 동작이 개시되어 임의 주기를 갖는 구형파의 펄스폭 변조신호를 출력하여 스위칭 트랜지스터(Q1)를 온/오프시키므로 상기 스위칭 트랜지스터(Q1)가 온되는 경우 스위칭 트렌스포머(T1)의 1차 권선(Np)측에 전류가 흘러 에너지가 저장되며, 따라서 스위칭 트렌스포머(T1)의 2차 권선(Ns)측에 전압을 유기시켜 상기 스위칭 트렌지스터(Ql)가 오프시 스위칭 트랜스포머(T1)의 2차 권선(Ns)측에 유기된 전압으로부터 2차측 정류부(5)를 통해 부하의 각 부분으로 공급할 수 있게 함과 동시에 전압번동 검출부(7)에서는 상기 2차측 정류부(5)의 출력단 전압을 검출하여 과부하 또는 과전압 인가상태를 판단하고 그 결과에 따라 스위칭 제어부(6)에서 출력되는 PWM 신호를 조절하며, 반대로 상기 스위칭 트랜지스터(Q1)가 오프상태를 유지하는 경우 스위칭 트랜스포머(T1)의 1차 권선(Np) 코일을 통해 흐르던 전류가 차단되면서 스위칭 트랜스포머(T1)의 발진 동작을 멈추게 한다.

이때 상기 스위칭 트랜스포머(T1)가 스위칭 트랜지스터(Q1)의 온/오프 동작에 따라 연동하여 고속 스위칭 동작을 실시하게 될 때 트랜스포머(T1)는 유도부하이기 때문에 오프시 그 1차 권선(Np)에 과도한 서지(Surge)전압이 역방향으로 발생하게 되며, 이러한 전압은 스위칭 트랜지스터(Q1)의 콜렉터와 에미터 단자에 걸리는 것으로서, 도 2에서와 같이 라인 정류전압(Vindc)과 스위칭 트랜스포머(T1)의 2차 권선(Ns)측에서 1차 권선(Np)측으로 유기되는 전압(NpVo/Ns)과 스위칭 트레스포머(T1)의 결합도 불량(누설 인덕턴스)에 의한 누설 전압(Vleak)의 3부분으로 중첩되어 나타나게 된다.

그런데, 만약 이 전압이 트랜지스터(Q1)의 콜렉터와 애미터간 정격 전압(Vce)을 초과하는 경우 스위칭 트랜지스터(Q1)가 파괴되는 문제가 발생될 뿐만 아니라 기기의 정상적인 동작에 영향을 미치게 됨과 아울러 청각적인 잡음이나 외부전자기기의 동작에 영향을 주는 등의 불리한 문제로 작용하였다.

따라서 종래의 SMPS 회로에서는 스위칭 트랜지스터(Q1)의 콜렉더 출력측과스위칭 트렌스포머(T1)의 1차측 권선 양단에 스너버 회로(4)를 연결함으로써, 스위칭 트랜스포머(T1)의 고속 동작시 마다 역방향으로 발생될 수 있는 과전압을 제압할 수 있게 하였으며, 이러한 스너버 회로(4)는 대체적으로 스위칭 트렌스포머(T1)가 오프될 때 역류하는 과도한 서지 전압을 강하시키기 위한 댐퍼 저항(R2)과 상기 스위칭 트랜지스터(Q1)로 역류하는 전류를 바이패스시키기 위한 역전류 바이페스용 다이오드(D1)를 직렬로 연결히-고, 그와 동시에 상기 댐퍼 저항(R2)의 양단과 상기 역전류 바이패스용 다이오드(D1)의 양단에 과도한 서지전압을 빠른 속도로 흡수하기 위한 평활용 캐페시터(C2) 및 스피드-업용 캐패시터(C3)를 각각 연결하여 구성하였다.

상기 스너버 회로(4)의 동작을 보면 스위칭 트랜지스터(Q1)가 오프인 경우 그 클렉터-에미터 단자간에 걸리는 전압을 다이오드(D1)를 통해 정류하고 캐페시터(C2)로 평활해서 저항(R2)을 통해 열로 소비하여 스위칭 트랜지스터(Q1)의 콜렉터 에미터간 전압(Vce)을 낮추는 전형적인 회로로서, 여기서 다이오드(D1)가 반도체 소자인 이유로 도통하는데 기울기를 갖게 되므로 따라서 이를 보상하기 위하여 상기 다이오드(D1)의 양단에 스피드-업(speed-up)용으로 캐페시터(C3)를 연결하여 사용하고 있다.

그런데, 이러한 스피드-업용 캐패시터(C3)는 스위칭 트랜지스터(Q1)가 컷-오프시에는 원레의 목적인 스피드-업용으로 사용되나, 도 2의 A부분에 나타낸 바와같이 스위칭 트렌지스터(Q1)가 턴-온시에는 캐페시터(C2)의 층전전압이 스위칭 트랜지스터(Q1)의 클렉터 단자쪽으로 흘러서 스위칭 트랜지스터(Q1) 턴-은 초기 손실로 작왕-헤 트랜지스터(Q1)의 열로 되어 스위칭 소자의 신뢰성을 저하시키는 원인이되었다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 창출한 것으로서, 본 발명은 SMPS 회로의 스위칭 발신시 스위칭 트렌스포머가 오프될 때 역방향으로 인가되는 서지 전압을 제압하기 위헤 스너버 회로를 사용하게 될 때 스위칭 트렌지스터 컷-오프 동작시 스너버 회로의 평활용 캐패시터에 충전된 전압이 스위칭 트랜지스터 턴-온 동작시 스너버 회로의 스피드-업 소자에 의해 스위칭 트랜지스터 턴-온 동작 초기 손실로 작용하는 것을 방지할 수 있는 스위칭 모드 전원 공급장치(SMPS)에서의 스위칭 턴-온시 초기손실 방지회로를 제공함에 그 목적이 있다.

도 1은 종래의 SMPS 회로의 블럭도

도 2는 종래 SMPS 회로의 문제점을 설명하기 위한 스위칭 트렌지스터의 콜렉터-에미터간 전압 파형도

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 SMPS 회로의 블럭도

도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1 : 라인 필터부 2 : 1차측 정류부

3 : RC 필터회로 4,40 : 스너버 회로

5 : 2차측 정류부 6 : 스위칭 제어부

7 : 진압변동 검출부 T1 : 스위칭 트랜스포머

Q1 : 스위칭 트랜지스터 PC1 : 포토 커플러

R1-R3 : 저항 C1-C4 : 캐패시터

L1 : 인덕터 D1,D2 : 다이오드

이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 펄스폭 변조된 펄스신호를 출력하는 스위칭 제어부의 펄스출력으로 스위칭 온/오프 제어되는 스위칭 트랜지스터와, 상기 스위칭 트랜지스터의 온/오프 동작에 따라 1차 권선으로부터 2차권선으로 전압이 유기되는 스위칭 트랜스포머와, 상기 스위칭 트랜지스터의 손상을 방지하고 이의 스위칭 특성을 개선하기 위해 상기 스위칭 트랜스포머와 스위칭 트랜지스터 사이에 구성된 스너버회로를 포함하는 SMPS에 있어서, 상기 스너버회로는 상기 스위칭 트랜스포머의 1차 권선 양단간에 과도한 서지전압을 흡수하기 위한 평활용 캐패시터와, 스너버 회로의 응답속도를 증가시키기 위한 스피드- 업용 캐패시터가 직렬로 접속되고, 상기 스위칭 트랜스포머의 입력전압단과 트랜지스터의 콜렉터단자 사이에는 댐퍼 저항과, 상기 저항의 일측단에 캐소드단이 접속된 역전류 바이패스용다이오드가 직렬로 접속되며, 상기 스위칭 트랜지스터의 턴-온시 초기 손실부분을 줄이기 위한 인덕터가 상기 트랜지스터의 클렉터단자 및 다이오드의 애노드단자에 일측단이 병렬로 접속되고, 상기 트랜스포머의 1차 권선 및 캐페시터에 타측단이 접속되어 구성됨을 특징으로 한다.

이하에서 본 발명의 일 실시예에 따른 스위칭 모드 전원 공급장치(SMPS)에서의 스위칭 턴-온시 초기손실 빙지회로를 첨부된 도면에 의거하여 상세히 설명한다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 스위칭 모드 전원 공급장치(SMPS)에서의 스위칭 턴-온시 초기손실 방지회로의 구성을 개략적으로 보인 블럭도이다.

이에 도시한 바와 같이 전원 플러그를 통해 교류 전원(AC)에 혼합되어 들어오는 잡음을 제거하는 라인 필더부(1)와, 상기 라인 필터부(1)에서 잡음 제거되어 들어오는 교류 전원을 브리지 정류회로 등을 이용하여 1차적으로 정류하는 1차측 정류부(2)와, 상기 1차측 정류부(2)에서 정류되어 들어오는 전압으로부터 교류 성분을 제거하는 저항(R1)과 캐패시터(C1)로 이루어진 RC 필터회로(3)가 종래의 SMPS 회로의 경우와 동일하게 구비되어 있다.

그리고 스위칭 제어동작에 의헤 발진히-여 상기 1차측 정류부(2)에서 RC 필터회로(3)를 거쳐 들어오는 전압으로 1차 권선(Np)측에 에너지를 저장하고, 그 저장된 에너지를 이용하여 2차 권선(Ns)측으로 전압을 유기시키는 스위칭 트랜스포머(T1)와, 상기 스위칭 트랜스포머(T1)의 1차 권선 제어단에 연결되어져서 그 발진동작을 제어하는 스위칭 소자인 스위칭 트랜지스터(Q1)와, 기동 저항(R3)에 의헤 동작 개시되어 상기 스위칭 트렌스포머(T1)의 온/오프 주기를 조절하여 펄스폭 변조된 구형파 신호를 출력하는 스위칭 제어부(6)와, 상기 스위칭 트랜스포머(T1)의 2차측 직류 출력전압을 정류하여 평활한 후 부하측에서 필요로 하는 정전압으로 공급하는 2차측 정류부(5)와, 상기 2차측 정류부(5)의 출력을 검출하여 포토 커플러(PC1)의 동작을 제어하고 그 포토 커플러(PC1)의 동작에 따라 상기 스위칭 제어부(6)의 동작을 제어하는 전압변동 검출부(7)가 종래의 경우와 동일하게 구성되어 있다.

또한 상기 스위칭 트랜스포머(T1) 오프시 역방향으로 인가되는 과도한 서지전압을 제압하기 위해 SMPS의 스위칭 트렌지스터(Q1)의 출력측과 스위칭 트랜스포머(T1)의 1차측 권선 양단에 공통되게 접속한 스너버 회로(40)가 구비되어 있다.

상기 스너버 회로(40)는 상기 스위칭 트랜스포머(T1)의 1차 권선(Np) 양단간에 과도한 서지전압을 흡수하기 위한 평활용 캐패시터(C2)와 스너버 회로의 응답속도를 증가시키기 위한 스피드- 업용 캐패시터(C3)가 직렬로 접속되고, 상기 스위칭 트랜스포머(T1)의 입력전압단과 트랜지스터(Q1)의 콜렉터단자 사이에는 댐퍼 저항(R2)과 상기 저항(R2)의 일측단에 캐소드단이 접속된 역전류 바이패스용 다이오드(D1)가 직렬로 접속되며, 상기 저항(R2) 및 캐패시터(C2), 다이오드(D1) 및 캐패시터(C3)는 서로 병렬로 접속된다.

또한, 상기 스너버 회로(40)의 평활용 캐패시터(C2)에 충전된 전압이 상기스위칭 트렌지스터(Q1) 턴-온 동작시 방전되는 시간을 지연시켜 스위칭 트랜지스터(Q1)의 초기 손실부분을 줄이기 위한 방전 지연수단으로써, 인덕터(Ll)를 사용하며, 상기 인덕터(L1)는 상기 트랜지스터(Q1)의 콜렉터단 및 다이오드(D1)의 애노드단에 일측단이 병렬로 접속되고, 트랜스포머(T1)의 1차 권선(Np) 및 캐패시터(C3)에 타측단이 접속되어 구성된다.

이와 같이 구성되는 본 발명에 따른 스위칭 모드 전원 공급장치(SMPS)에서의 스위칭 턴-온시 초기손실 방지회로를 설명하면 다음과 같다.

먼저, 종래 SMPS 회로에서는 스위칭 트랜지스터(Q1)가 턴-온시 콜렉터와 에미터 단자에 걸리는 전압(Vce)은 라인 정류전압(Vindc)과 스위칭 트랜스포머(T1)의 2차 귄선(Ns)측에서 1차 권선(Np)측으로 유기되는 전압(NpVo/Ns)과 스위칭 트랜스포머(T1)의 결합도 불량(누설 인덕턴스)에 의한 전압(Vleak)의 3부분으로 도 2와 같이 중첩되는데 이 전압이 스위칭 트랜지스터(Q1)의 콜렉더와 애미터간 정격 전압(Vce)을 초과하는 경우 스위칭 트랜지스터(Q1)가 파괴되므로 이를 방지하기 위하여 SMPS 회로의 스위칭 트랜지스터(Q1)의 출력측과 스위칭 트랜스포머(T1)의 1차 권선(Np)측 코일 양단에 스너버 회로(40)를 추가하게 된다.

이러한 스너버 회로(40)의 동작은 스위칭 트랜지스터(Q1)가 컷-오프인 경우,역방향으로 인가되는 전압을 역전류 바이패스용 다이오드(D1)를 통해 정류하고 캐패시터(C2)로 평활해서 저항(R2)을 통해 열로 소비하여 스위칭 트렌지스터(Q1)의 콜렉터 에미터간 전압(Vce)을 낮추게 된다.

그런데 이때 상기 역전류 바이패스용 다이오드(D1)는 반도체 소자이므로 도통하는데 기울기를 갖게 되므로 상기 다이오드(D1) 양단에 병렬로 스피드-업용 캐패시더(C3)를 연결하여 이를 보상함으로씨, 서지 전압 제압동작에 대한 스너버 회로의 응답속도를 증가시키게 된다.

그러나 이러한 스피드-업용 캐패시더(C3)는 스위칭 트랜지스터(Q1)가 컷-오프시에는 원래의 목적인 스피드-업용으로 사용되나, 스위칭 트렌지스터(Q1)가 턴-온시에는 평활용 캐패시터(C2)에 층전된 전압이 스위칭 트랜지스터(Q1)쪽으로 흘러서 스위칭 트랜지스터(Q1) 턴-온시 초기 손실로 작용하게 된다.

따라서 트랜지스더(Q1)의 콜렉터단과 스너버회로(40)의 스피드-업용 캐패시터(C3) 그리고 다-이오드(D1)의 애노드단 사이에 인덕터(L1)를 연결시켜 상기 스너버회로(40)의 캐패시터(C3)가 스위칭 트랜지스터(Q1)의 오프시에는 스피드-업용으로, 또한 스위칭 트랜지스터(Q1) 턴-온시에는 상기 스너버 회로(40)의 캐패시터(C2)의 방전시간을 지연시키는 용도로 사용될 수 있게 함으로써, 스위칭 트랜지스터(Q1)의 턴-온 동작시 초기 손실을 줄일 수 있게 된다.

이상에서와 같은 본 발명에 따른 스위칭 모드 전원 공급장치(SMPS)에서의 스위칭 턴-온시 초기손실 방지회로에 의하면 스위칭 트랜지스터 턴-온시 캐패시터의 방전시간을 지연시킬 수 있는 인덕터를 추가하여 스너버 회로의 캐패시터를 트랜지스터 오프시 스피드-업용으로 사용하고 스위칭 트랜지스터 온시에는 방전시간 지연용도로 사용하게 하여 스위칭 트랜지스터 스위칭 온 동작시 초기손실을 줄일 수 있는 유용함이 있다.

Claims (1)

1. 펄스폭 변조된 펄스신호를 출력하는 스위칭 제어부(6)의 펄스출력으로 스위칭 온/오프 제어되는 스위칭 트랜지스터(Q1)와, 상기 스위칭 트랜지스터(Q1)의 온/오프 동작에 따라 1차 권선(Np)으로부터 2차 권선(Ns)으로 전압이 유기되는 스위칭트랜스포머(T1)와, 상기 스위칭 트랜지스터(Q1)의 손상을 방지하고 이의 스위칭 특성을 개선하기 위헤 상기 스위칭 트랜스포머(Tl)와 스위칭 트랜지스터(Q1) 사이에 구성된 스너버회로(4)를 포함하는 SMPS에 있어서, 상기 스너버회로(4)는 상기 스위칭 트랜스포머(T1)의 1차 권선(Np) 양단간에 상기 트랜스포머(T1)가 오프될 때 역류하는 과도한 서지전압을 흡수하기 위한 평활용 캐패시터(C2)와, 스너버 회로(40)의 응답속도를 증가시키기 위한 스피드- 업용캐패시터(C3)를 직렬로 접속하고, 상기 캐패시터(C2)의 양단에 댐퍼 저항(R2)을 접속하며, 상기 저항(R2) 및 캐패시터(C2),(C3)에 역전류 바이패스용 다이오드(D1)의 캐소드단을 접속하고, 상기 트랜지스터(Q1)의 콜렉터단에 상기 다-이오드(D1)의 애노드단을 접속하며, 상기 스위칭 트랜지스터(Q1)의 턴-온시 초기 손실부분을 줄이기 위한 인덕터(L1)를 상기 트랜지스더(Q1)의 콜렉터단 및 다이오드(D1)의 애노드단에 일측단을 병렬로 접속하고 상기 트랜스포머(T1)의 1차 권선(Np) 및 캐패시터(C3)에 타측단을 병렬로 접속하여 구성함을 특징으로 하는 스위칭 모드 전원 공급장치(SMPS)에서의 스위칭 턴-온시 초기손실 방지회로.