KR100251726B1 - 영전압 스위칭 전원장치 - Google Patents

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Abstract

스위칭 동작에 의해 전원을 변환하는 전원장치가, 전원입력단으로부터 입력되는 전압을 변환하여 2차측으로 변환하여 출력하기 위한 공진트랜스포머와, 공진트랜스포머와 접지사이에 연결되어 스위칭 동작을 수행하는 주 스위치와, 주 스위치와 병렬로 연결되어 공진 트랜스포머와 공진을 발생하는 공진 캐패시터와, 전원입력단에 공진 트랜스포머와 반대의 기전력을 발생하도록 연결된 클램프 트랜스포머와, 클램프 트랜스포머와 직렬로 연결되는 클램프 캐패시터와, 클램프 캐패시터와 접지사이에 연결되는 보조 스위치와, 주 스위치와 보조 스위치를 제어하기 위한 제어펄스를 발생하는 제어부와, 제어부의 출력을 소정의 시간동안 지연하여 주 스위치를 제어하는 제1지연부와, 제어부의 출력을 반전시키는 반전부와, 반전부의 출력을 소정의 시간동안 지연하여 보조 스위치를 제어하는 제2지연부로 구성된다.

Description

영전압 스위칭 전원장치
본 발명은 직류변환등의 스위치 구동을 위한 전원장치에 관한 것으로, 특히 고정된 휴지시간동안 부분공진을 하며 스위칭 동작을 수행하는 스위치가 공통된 접지전위를 갖는 전원장치에 관한 것이다.
일반적으로 영전압을 스위칭하는 전원장치(Zero Crossing Power Supply)는 영전압을 지날 때 스위칭 소자가 턴온 및 턴오프 동작을 반복 수행한다. 이때 상기 스위칭 소자에서는 필연적으로 스위칭 동작에 따른 손실이 발생한다. 뿐만 아니라 두 개의 스위칭 소자를 제어하는 경우 상기 두 개의 스위칭 소자를 각각 제어하기 위해서는 두 개의 출력을 갖는 하나의 스위치 제어소자를 사용하거나 또는 하나의 출력을 갖는 두 개의 제어소자를 사용하여야 한다. 상기 두 개의 출력을 갖는 스위치 제어소자를 사용하는 경우 회로에 적용되는 범위가 극히 제한적이며, 두 개의 스위치 제어소자를 사용하는 경우 회로가 매우 복잡해지며, 두 개의 스위치 소자가 공통의 접지점을 갖지 못하므로 절연을 위한 회로가 첨가되어야만 했다.
따라서 본 발명의 목적은 트랜시포머의 스위칭 동작시 스위칭 동작에 따른 손실을 저감시키는 부분공진회로를 제공함에 있다.
본 발명의 다른 목적은 두 개의 스위칭 소자가 동전위의 접지전위를 가짐으로써 간단한 회로를 제공함에 있다.
본 발명의 또다른 목적은 스위칭 동작에 의해 2차측으로 전압을 유기시키는 트랜스포머와 공진을 발생하는 캐패시터가 상기 스위칭 소자의 내부 정전용량을 이용하여 구성되는 회로를 제공함에 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은 스위칭 동작에 의해 전원을 변환하는 전원장치가, 전원입력단으로부터 입력되는 전압을 변환하여 2차측으로 변환하여 출력하기 위한 공진트랜스포머와, 상기 공진트랜스포머와 접지사이에 연결되어 스위칭 동작을 수행하는 주 스위치와, 상기 주 스위치와 병렬로 연결되어 상기 공진 트랜스포머와 공진을 발생하는 공진 캐패시터와, 상기 전원입력단에 상기 공진 트랜스포머와 반대의 기전력을 발생하도록 연결된 클램프 트랜스포머와, 상기 클램프 트랜스포머와 직렬로 연결되는 클램프 캐패시터와, 상기 클램프 캐패시터와 접지사이에 연결되는 보조 스위치와, 상기 주 스위치와 상기 보조 스위치를 제어하기 위한 제어펄스를 발생하는 제어부와, 상기 제어부의 출력을 소정의 시간동안 지연하여 상기 주 스위치를 제어하는 제1지연부와, 상기 제어부의 출력을 반전시키는 반전부와, 상기 반전부의 출력을 소정의 시간동안 지연하여 상기 보조 스위치를 제어하는 제2지연부로 구성되어 상기 보조 스위치와 상기 주 스위치가 동시에 오프될 때 상기 공진 캐패시터와 상기 공진 트랜스포머가 공진하며,
상기 주 스위치와 상기 보조 스위치가, 전계 트랜지스터로 구성되고, 상기 주 스위치와 상기 보조 스위치의 제어단이 게이트단에 연결되고, 상기 주 스위치와 상기 보조 스위치의 소오스단이 접지에 공통으로 연결되며, 상기 주 스위치의 드레인단이 공진 트랜스포머의 1차측 권선에 연결되며, 상기 보조 스위치의 드레인단이 상기 클램프 캐패시터와 연결되는 영전압 스위칭 전원장치로 구성됨을 특징으로 한다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 블록 구성도.
도 2는 본 발명에 따라 각 부에 나타나는 출력 파형도.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 블록 구성도이다.
제어부 11은 입력전압 Vin을 트랜스포머를 통해 2차측에 유기되는 전력을 제어하기 위한 제어펄스를 발생하여 출력한다. 반전부 12는 상기 제어부 11로부터 출력되는 제어펄스의 위상을 반전하며, 보조 스위치로 동작하는 전계 트랜지스터 TR2를 제어하기 위해 제2지연부 14로 출력한다. 상기 제2지연부 14는 상기 반전부 12로부터 출력되는 반전된 위상을 소정의 시간동안 지연시켜 상기 보조 스위치로 동작하는 전계 트랜지스터 TR2의 게이트단에 연결한다. 또한 상기 제어부 11의 출력은 제1지연부 13으로 입력되어 상기 제1지연부 13에 의해 소정의 시간동안 지연시키며, 주 스위치로 동작하는 제1트랜지스터 TR1의 게이트단에 연결된다.
상기 주 스위치 TR1의 소오스단은 접지되며, 드레인단은 공진 트랜스포머의 1차측 권선인 Nr을 통해 입력전압단 Vin에 연결되고, 공진을 위한 캐패시터 Cr은 상기 주 스위치의 드레인단과 접지단 사이에 연결된다. 또한 상기 보조 스위치로 동작하는 제2트랜지스터 TR2의 소오스단은 접지되며, 드레인단은 클램프 캐패시터 Cc에 연결되며, 상기 클램프 캐패시터 Cc는 클램프 권선인 Nc를 통해 입력전압단 Vin에 연결된다.
도 2는 본 발명에 따라 각 부에 나타나는 출력 파형도이다.
먼저 상기 도 1의 블록과 상기 도 2의 출력 파형을 연결하여 본 발명을 상세히 설명한다.
파형도 ①은 상기 제어부 11의 내부에서 제어펄스를 발생하기 위한 발진펄스를 도시하였다. 따라서 소정의 주기를 가지며 일정한 삼각파를 발생한다. 또한 파형도 ②는 2차측으로부터 궤환되는 궤환전압을 도시하였다. 따라서 상기 2차측으로부터 궤환되는 전압에 따라 상기 ②의 파형은 상하로 이동되며, 상기 파형도 ①과 상기 파형도 ②에 의해 제어부 11에서 출력되는 제어펄스가 변화한다. 파형도 ③은 상기 파형도 ①과 상기 파형도 ②에 의해 상기 제어부 11이 출력하는 제어펄스의 파형도이다. 상기 출력되는 파형을 기초로하여 상기 공진 트랜스포머 Nr과 상기 클램프 트랜스포머 Nc에 연결된 각 스위치가 온/오프 동작을 수행한다. 또한 상기 파형도 ③은 상기 궤환전압에 따라 제어펄스의 폭, 즉 듀티가 변화하게 된다. 또한 ④파형은 상기 제1지연부 13에 의해 소정의 시간동안 지연되어 발생된 펄스파형도이다. 따라서 상기 파형도 ④에 의해 상기 주 스위치로 동작하는 제1트랜지스터 TR1의 온/오프 동작을 제어한다. 파형도 ⑤는 상기 반전부 12를 통해 출력된 파형을 상기 제2지연부 14에서 소정의 시간동안 지연시켜 출력하며, 상기 보조 스위치로 동작하는 제2트랜지스터 TR2의 제어펄스가 된다.
파형도 ⑥은 주 스위치로 동작하는 전계 트랜지스터 TR1의 드레인단 전압을 도시하였다. 상기 주 스위치 TR1은 상기 파형도 ④에 의해 온/오프 동작을 수행하며, 상기 파형도 ④가 하이(High)로 출력될 경우 상기 주 스위치 TR1은 턴온되고, 로우(Low)로 출력될 경우 상기 주 스위치TR1은 턴오프된다. 따라서 상기 주 스위치가 턴온되면 상기 트랜지스터의 드레인과 소오스 사이에 전압이 0V에 근접하므로 드레인단 전압은 접지로 간략히 도시하였다. 또한 상기 주 스위치가 턴오프되고 상기 공진 캐패시터 Cr과 상기 공진 트랜스포머 Nr에 의해 공진한다. 따라서 상기 전압이 싸인(SINE)파형을 그리며 상승한다. 상기 전압이 상승중에 상기 보조 스위치로 동작하는 제2트랜지스터 TR2의 턴온동작에 의해 공진이 중단된다. 또한 상기 보조 스위치인 TR2가 다시 턴오프되고 상기 주 스위치의 TR1이 턴온되기 전에 다시 상기 공진 트랜스포머의 1차측 권선인 Nr과 상기 공진 캐패시터 Cr에 의해 공진하게 된다. 이때 전압은 상기 보조 스위치 TR2가 턴온되기까지의 전압과 반대로 형성된다. 따라서 상기 공진기긴동안 드레인단의 전압파형도는 싸인(Sine)곡선을 그린다.
파형도 ⑦은 주 스위치의 드레인단의 전류 파형도를 도시하였다. 상기 파형도 ⑦은 주 스위치 TR1의 온(ON)동작에 의해 여자전류가 흐르게 되며 상기 여자전류는 직선적으로 증가하게 된다. 또한 상기 주 스위치 TR1이 턴 오프되면 상기 주 스위치로 전류가 흐를수 없게된다. 파형도 ⑧은 상기 공진형 캐패시터인 C에 흐르는 전류파형을 도시하였다. 상기 공진 캐패시터는 공진이 발생할 경우에만 전류가 흐르게 된다. 또한 파형도 ⑨는 클램프 콘덴서 Cc에 흐르는 전류의 파형이다. 상기 클램프 캐패시터 Cc는 상기 보조 스위치 TR2와 상기 클램프 트랜스포머 Nc의 사이에 연결되어 있다. 따라서 상기 클램프 캐패시터 Cc에 흐르는 전류는 상기 보조 스위치가 턴온된 시간동안 흐르게 되므로 파형도 ⑨와 같이 도시된다.
상기 도 1을 상기 도 2에 도시한 T1부터 T6을 전류의 흐름도와 함께 설명한다. T1부터 T2의 시간은 상기 주 스위치인 TR1이 온상태이며, 상기 보조 스위치인 TR2는 오프상태이다. 따라서 상기 공진 트랜스포머의 1차측 권선인 Nr에는 여자전류가 흐르게 된다. 상기 주 스위치인 TR1에 흐르는 전류를 식으로 표시하면 하기와 같이 나타나며, 이를 그림으로 도시한 것이 상기 도 2의 파형도 ⑦에 나타난 T1부터 T2의 시간으로 도시하였다.
IS1 (t) = (E/LP)*t (식 1)
두 번째로 상기 T2부터 T3의 시간을 설명하면 하기와 같다. 상기 주 스위치 TR1이 상기 파형도 ④에 의해 턴오프되고, 상기 보조 스위치인 TR2가 턴온되지 않은 상태이다. 따라서 상기 주 스위치인 TR1을 통해 흐르던 전류는 공진 캐패시터인 Cr을 통해 흐르게 되며 상기 공진 캐패시터 Cr은 상기 공진전류에 의해 충전된다. 따라서 상기 공진 캐패시터 Cr에 흐르는 전류를 도시한 파형도는 파형도 ⑧의 T2의 시간부터 T3의 시간이된다. 또한 이때 상기 공진 캐패시터 Cr과 상기 공진 트랜스포머의 1차측 권선인 Nr에 의해 공진이 발생하고, 이를 식으로 표시하면 하기와 같다.
ICr(t2) = (E/LP)*(t2-t1) (식 2)
셋째로 상기 T3의 시간부터 T4의 시간동안을 설명하면 하기와 같다. 상기 T3의 시간이 되면 상기 보조 스위치인 TR2가 상기 파형도 ⑤에 도시한 제어펄스에 의해 턴온된다. 따라서 상기 공진 캐패시터 Cr에 충전된 전류에 의해 전압을 형성하고, 상기 형성된 전압이 클램프 캐패시터 Cc의 전압에 도달하게되면 상기 보조 스위치인 TR2의 내부에 위치한 다이오드가 턴온된다. 이하 상기 보조 스위치 내부에 위치한 다이오드를 클램프 다이오드 D2라 칭한다. 상기 클램프 다이오드가 턴온되어 상기 클램프 캐패시터 Cc와 상기 클램프 트랜스포머의 1차측 권선인 Nc로 충전전류가 흐르게 된다. 상기 동작에 의해 상기 주 스위치의 양단전압은 일정한 값으로 클램드되게 된다. 따라서 클램프되는 전압을 식으로 표시하면 하기와 같으며, 이는 상기 파형도 ⑨의 T3시간부터 T4의 시간으로 나타내었다.
Figure 1019970065137_B1_M0001
상기 클램프를 위한 클램프 캐패시터 Cc는 전류에 의한 충전 및 방전시 전압변동(Ripple)을 적게하기 위해 상기 클램프 캐패시터의 용량을 충분히 크게 설정해야 한다. 따라서 상기 클램프 전압에서 적분되는 값을 무시할수 있다. 따라서 이를 무시하여 나타내면 하기와 같이 표시된다.
Figure 1019970065137_B1_M0002
(식 3)
넷째로 상기 주기 T4부터 T5의 주기를 살펴본다. 상기 보조 스위치의 내부에 존재하는 클램프 다이오드 D2를 통해 클램프 캐패시터 Cc를 충전하는 전류가 0가 되기전에 상기 보조 스위치인 TR2를 턴온시키므로써 상기 클램프 트랜스포머의 1차측 권선인 Nc의 전압에 의 의해 상기 클램프 캐패시터 Cc가 방전을 수행한다. 따라서 상기 T3부터 T4의 기간에 상기 클램프 캐패시터에 축적된 전하는 상기 클램프 권선인 Nc를 통해 입력측으로 되돌려진다. 따라서 전압의 유실을 최대한 줄일 수 있다.
다섯째로 T5부터 T6까지의 기간은 상기 보조 스위치인 트랜지스터 TR2가 오프되고 상기 주 스위치인 TR1은 아직 턴온이 되지 않은 상태이다. 따라서 상기 보조 스위치인 TR2를 오프시키면 상기 클램프 캐패시터 Cc를 통해 흐르던 전류는 상기 공진 트랜스포머의 1차측 권선인 Nr을 통해 흐르게 된다. 따라서 상기 공진 트랜스포머의 1차측 권선인 Nr과 상기 공진 캐패시터 Cr을 흐르는 전류에 의해 공진이 발생하고, 이때 상기 파형도 ⑥의 T2부터 T3의 기간과는 반대로 동작한다. 따라서 상기 공진을 발생하는 공진 캐패시터 Cr의 파형은 정현파와 반대로 동작하게 된다.
마지막으로 T6부터 T1의 기간을 살펴본다. 상기 기간은 보조 스위치인 TR2가 오프되고, 상기 주 스위치인 TR1이 온된 상태이다. 따라서 상기 공진 캐패시터 Cr의 전하가 방전이 돤료되면 T6의 시점에서 상기 공진 트랜스포머의 1차측 권선인 Nr의 전류는 상기 제1트랜지스터의 내부에 존재하는 다이오드로 흐르게 된다. 상기 기간에 상기 주 스위치인 TR1의 내부에 존재하는 공진 캐패시터 Cr의 전압은 0가 되어 있으므로 상기 기간에 상기 스위치 TR1을 온시키게되면 영전압 스위칭이 실현된다.
상술한 바와같이 상기 전압을 변환하는 장치가 트랜스포머의 스위칭 동작시 스위칭 동작에 따른 손실을 저감시키는 효과가 있다. 또한 두 개의 트랜스포머를 동작시키는 스위칭 소자의 접지전위를 동전위로 구현함으로써 회로의 구성이 간단한 잇점이 있다. 뿐만 아니라 상기 스위칭 동작에 의해 2차측으로 전압을 유기시키는 트랜스포머와 공진을 발생하는 캐패시터가 상기 스위칭 소자의 내부 정전용량을 이용함으로써 간단한 회로를 구성할 수 있고 가격의 절감을 가질수 있는 잇점이 있다.

Claims (2)

  1. 스위칭 동작에 의해 전원을 변환하는 전원장치에 있어서,
    전원입력단으로부터 입력되는 전압을 변환하여 2차측으로 변환하여 출력하기 위한 공진트랜스포머와,
    상기 공진트랜스포머와 접지사이에 연결되어 스위칭 동작을 수행하는 주 스위치와,
    상기 주 스위치와 병렬로 연결되어 상기 공진 트랜스포머와 공진을 발생하는 공진 캐패시터와,
    상기 전원입력단에 상기 공진 트랜스포머와 반대의 기전력을 발생하도록 연결된 클램프 권선과,
    상기 클램프 권선과 직렬로 연결되는 클램프 캐패시터와,
    상기 클램프 캐패시터와 접지사이에 연결되는 보조 스위치와,
    상기 주 스위치와 상기 보조 스위치를 제어하기 위한 제어펄스를 발생하는 제어부와,
    상기 제어부의 출력을 소정의 시간동안 지연하여 상기 주 스위치를 제어하는 제1지연부와,
    상기 제어부의 출력을 반전시키는 반전부와,
    상기 반전부의 출력을 소정의 시간동안 지연하여 상기 보조 스위치를 제어하는 제2지연부로 구성되어 상기 보조 스위치와 상기 주 스위치가 동시에 오프될 때 상기 공진 캐패시터와 상기 공진 트랜스포머가 공진함을 특징으로 하는 영전압 스위칭 전원장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 주 스위치와 상기 보조 스위치가,
    전계 트랜지스터로 구성되고, 상기 주 스위치와 상기 보조 스위치의 제어단이 게이트단에 연결되고, 상기 주 스위치와 상기 보조 스위치의 소오스단이 접지에 공통으로 연결되며, 상기 주 스위치의 드레인단이 공진 트랜스포머의 1차측 권선에 연결되며, 상기 보조 스위치의 드레인단이 상기 클램프 캐패시터와 연결됨을 특징으로 하는 영전압 스위칭 장치.
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