KR100326301B1 - 벅조절기회로 - Google Patents

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Abstract

벅 조절기 회로(buck regulator circuit)는 250V 에서 대략 450V 로 가변하는 가변 고전압 dc 버스 전압으로부터 직접 대략 15V 의 저전압 전원을 제공한다. 모놀리식 게이트 드라이버 회로는 제어되는 시간주기 동안 충전 인턱터를 경유하여 부하 출력노드에 높은 dc 전압을 인도하는 스위칭소자 예를들면, 모스(MOS)게이트 트랜지스터를 구동하는데 사용된다. 트랜지스터의 온/오프 시간을 제어하는 제어원리는 게이트 드라이버 회로의 고유지연과 동일한 고정된 시간주기동안 트랜지스터를 터닝하는데 의존한다. 반대로, 스위칭소자의 오프주기는 입력 dc 버스전압 또는 출력전류와 무관한, 일정한 값으로 출력전압을 조절하고 유지하기위해 가변된다.

Description

벅 조절기 회로{BUCK REGULATOR CIRCUIT}
본 출원은 U.S.C.§120 의 가출원제도하에 1996 년 1 월 18 일 출원된 미국 가출원 제 60/010,218 호(발명의 명칭: 벅 조절기 회로)를 우선권으로 하는 관련 출원이다.
본 발명은 전력 조절기 회로 특히, 저전압 전원에 고전압 서플라이를 변환하는 벅 조절기 컨버터 회로에 관한 것이다.
드라이버 및 모터제어용 펄스폭 모듈레이터(pulse width modulator : PWM) 인버터에 필요한 관련 제어회로와 다른 응용기기는 네거티브 dc 레일로 기준화된 15V 전원을 필요로 한다.
따라서, 본 발명의 일목적은 신뢰적이면서 효과적인 전력 조절기 회로를 제공하는데 있다.
본 발명의 다른 목적은 가변 고전압 dc 버스 입력을 조절된 저전압 dc 출력으로 변환할 수 있는 벅 조절기 회로를 제공하는데 있다.
본 발명의 상기 및 다른 목적은 dc 버스전압으로부터 직접 벅 조절기를 경유하여 전력을 유도함으로써 필요한 15V 전원을 인도하는 벅 조절기에 의해 구현된다.
본 발명은 IR 2152, IRFU120 HEXFET?및 관련된 회로망과 같은 현존 전자 부품을 사용함으로써 실현된다. IR 2152 와 IRFU120 HEXFET?는 본 출원의 양수인인 미국 캘리포니아 엘 세군도의 인터내쇼널 렉티파이어 코포레이션에서 제조된 전력 반도체제품이다.
IR 2152 드라이버는 논리레벨 즉, 그라운드 기준입력으로부터 저측(low side) 및 고측(high side) 전력 MOSFET 및/또는 IGBT 트랜지스터쌍(또는 어떤 다른 형태의 모스게이트 소자)을 모두 구동가능하게 하는 모놀리식 모스게이트 드라이버이다. 앞서 언급된 IR 2152 와 유사한 모놀리식 모스게이트 드라이버는 1996 년 8 월 13 일 공고된 본 양수인의 미국특허 제 5,545,955 호에 개시되어 있으며, 그 내용은 이하 본 출원의 참고로서 인용된다.
본 발명의 벅 조절기 회로는 가변 250V 에서 450 dc 버스까지 조절된 15V 100mA dc 출력을 인도한다.
본 발명의 다른 특징 및 장점은 첨부된 도면을 참고하여 본 출원의 후속하는 설명으로부터 명백해질 것이다.
본 발명의 제 1 실시예에 대한 회로도는 도 1 에 도시되어 있다. IR 2152 칩 즉, 집적회로(1)는 듀얼 인-라인 팩키지 또는 표면장착 팩키지에 장착될 수 있는 형태의 칩이며 다음의 핀아웃을 포함할 수 있다.
HO- 고측 MOSFET 의 게이트를 구동하는 출력 핀
VS- 토템-폴 또는 하프 브리지(half bridge) 접속 MOSFET 의 중심 탭(center tap)에 연결되는 핀
LO- 저측 MOSFET(도시하지 않음)의 게이트를 구동하는 출력 핀
COM - 네거티브 단자 즉, 네거티브 dc 레일에 연결되는 핀
CT- 출력(HO와 LO)을 모두 제어하는 단일 입력 제어 핀
RT- 타이밍 저항의 한 노드에 연결되는 핀(도 12 참조)
VCC- 도 1 의 회로에서, dc 버스 전압으로부터 강하(dropping) 저항(R5)과전체 벅 조절기 회로(10)의 부하 출력(VO)에서 유도되는 출력전압인 칩의 동작전압을 수신하는 핀
VB- 다이오드(D6)와 캐패시터(12)에 연결되는 핀
제어원리는 출력전압을 dc 버스전압 또는 출력전류와 무관한 일정한 값으로 조절하기 위하여 IR 2152 의 고유지연과 동일한 고정시간동안 Q1 을 턴온하고, 오프주기를 가변하는데 있다. IR 2152 의 고유지연에 대하여 Q1 의 ON 주기를 최소화는 스무딩 인덕터(smoothing inductor)의 크기를 최소화하는 것이다.
HO가 높다고 가정하면, Q1 은 ON 으로 구동된다. Q1 이 ON 일때, dc 전압과 동일한 프리휠링(freewheeling) 다이오드(D5)를 지나는 전압은 R1 과 D3 를 경유하여, IR 2152 의 CT단자로 되돌아 이송된다. D1 은 CT와 VCC에 인가된 전압을 클램프한다.
IR 2152 의 고유 지연시간후, HO는 로우로 가고, Q1 을 턴오프하고, 프리휠링 다이오드로부터 버스 전압을 제거한다. CT에서의 전압은 CT단자의 내부 캐패시턴스에 의해 결정되는 초기비율로 감쇠한다. 그러나, 이 전압은 (VO/R3)/(R2+R3) 이하로 떨어지지 않는다. HO는 CT에 대한 피드백 전압이 VCC/3 으로 떨어질 때까지 로우상태로 있다. IR 2152 의 고유지연 이후에, HO는 하이로 가고, 사이클은 반복된다.
따라서, Q1 을 위한 새로운 ON 주기는 매시간 출력전압이 설정치 이하로 떨어지도록 시도되고, 이러한 메커니즘에 의해, 출력전압은 입력전압과 출력전류에서의 변화에 대하여 근본적으로 일정하게 유지된다.
4.7 mH 스무딩 인덕터(14)에서의 지속적인 전도를 유지하기 위하여 대략 35 mA 의 최소 출력부하가 필요하고, 이러한 최소 출력부하는 브트스트랩(bootstrap) 캐패시터가 재충전되는 것을 보장한다.
본 발명의 제 1 실시예에 필요한 부하 전류와 dc 버스 전압을 대비한 출력 전압 변동률이 도 2 에 도시되어있다.
출력전압은 400V dc 입력 및 37 mA 출력에서의 14.93V 에서 250V dc 입력 및 100mA 출력에서의 14.13V 까지 변화한다. 이러한 800 mV 변동률이 허용된다고 간주한다. 이러한 변화는 R2 를 조정함으로써, 높은 중간지점 예를들면, 최대 15.4V/최소 14.6V 주위에서 집중적으로 일어난다는 것에 주목해야 한다.
다양한 동작조건을 위한 오실로그램은 도 3 - 도 11 에 도시되어 있다. 동작 주파수는 최소 부하, 최대 dc 버스전압(도 5)에서의 49kHz 로부터 최대 부하, 최소 dc 버스전압(도 4)에서의 100kHz 까지 변화한다.
도 9 의 오실로그램은 IR 2152 의 고유저항에 의해 설정된 Q1 의 ON 시간은 25℃ 의 대략 500nS 로부터 100℃ 의 650nS 까지 변화한다는 것을 도시한다. dc 버스전압의 스위치-온에서 15V 출력까지의, 총 개시(start up)시간은 VDC= 250V(도 10)에서 대략 5ms 이고, VDC= 400V(도 11)에서 대략 3ms 이다.
도 1 의 회로는 R4/D4 를 경유하여 조절기의 15V 출력전압을 IR 2152 의 Ic 서플라이를 보충하기 위하여 역이송한다. 제너(Z1)는 한정된 전류를 역으로 이송하도록 VCC를 11V 로 설정한다. R4/D4 와 Z1 은 R5 에서 낮은 레지스턴스와 높은 전력손실로 인해 제거될 수 있다. 이와는 달리, IR 2152 가 11V 제너(현행 15.6V 제너가 아닌)를 포함하도록 변형된다면, R4/D4 가 여전히 보유되더라도, Z1 은 제거될 수 있다.
도 1 의 회로는 낮은 전류(예컨대 40mA 미만)에서 잘 동작하지 않는다. 왜냐하면, 벅 컨버터에서 제어기능이 상실되기 때문이다. 도 12 에 도시된 본 발명의 제 2 실시예는 제너(Z1), 다이오드(D1, D3, D4) 및 저항(R1, R4)을 제거하고, 어떠한 부하조건이 없더라도 크게 안정적이다.
본 발명을 그 특정 실시예에 관련하여 설명하였으나, 많은 다른 변형, 수정 및 다른 용도가 본 기술분야에서 숙련된 자에 의해 명백해질 것이다. 따라서, 본 발명은 이하 특정 공지내용에 의해 한정되지 않으며, 첨부된 특허청구범위에 의해서만 한정된다.
도 1 은 본 발명의 제 1 실시예를 도시한 회로도.
도 2 는 본 발명의 제 1 실시예에 사용하는 부하전류와 dc 버스전압을 대비한 출력 전압 변동율(output voltage regulation)을 도시한 회로도.
도 3-도 11 은 여러 동작조건에 필요한 오실로그램(oscillograms)을 도시한 도면.
도 12 는 본 발명의 제 2 실시예를 도시한 회로도.
** 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 **
10 : 벅 조절기 회로 14 : 스무딩 인덕터
R1-R5 : 저항 D1-D5 : 다이오드
Z1 : 제너 다이오드

Claims (9)

  1. 제 1 의 고전압 dc에서 제 2 의 고전압 dc로 변화하고, 저측 공통 버스로 기준화된 고전압 dc를 공급하는 포지티브 입력 dc 버스와,
    상기 공통 버스로 기준화된 저전압 전원에 의해 전력을 공급받는 모놀리식 게이트 드라이버 회로와,
    인덕터 및 상기 입력 dc 버스와 상기 인덕터 사이에서 연결되어, 부하 구동 출력단자로 전류를 인도하며, 게이트 단자를 포함하는 스위칭소자와,
    상기 스위칭소자의 게이트 단자를 구동하는 게이트 구동출력을 포함하고, 그 트리거링 전극에 인가되는 트리거링 신호에 의해 트리거될 때, 그 게이트 구동출력이 액티브인동안 그에 따른 예정된 고유 지연시간을 가지는 모놀리식 게이트 드라이버 회로와,
    상기 게이트 드라이버 회로의 상기 트리거링 전극에 연결되어, 게이트 구동 출력이 상기 고유 지연시간의 지속주기동안 턴온되고 제어되는 가변 시간주기 동안 턴오프되도록 하기 위하여 상기 게이트 드라이버 회로를 제어하고, 상기 부하 구동 출력단자의 전압이 사실상 일정한, 예정된 값으로 유지되도록 하기 위하여 가변되는 전력 조절회로를 포함하는 것을 특징으로 하는 전력 조절기 회로.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 게이트 드라이버 회로는 상기 저전압 전원을 수신하고 상기 입력 dc 버스와 상기 VCC 단자사이에 연결된 제 1 저항을 포함하는 VCC 단자를 포함하는 것을 특징으로 하는 전력 조절기 회로.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 VCC 단자에 부가 전류를 공급하기 위하여, 상기 VCC 단자와 상기 부하 구동출력사이에 연결되는 다이오드와 제 2 저항을 포함하는 제 1 직렬접속 회로를 포함하는 것을 특징으로 하는 전력 조절기 회로.
  4. 제 2 항에 있어서, 상기 VCC 단자를 예정된 클램핑 전압으로 유지하기 위하여 상기 공통 버스와 상기 VCC 단자사이에 접속되는 전압 클램핑 회로를 포함하는 것을 특징으로 하는 전력 조절기 회로.
  5. 제 4 항에 있어서, 상기 전압 클램핑 회로는 제너 다이오드를 포함하는 것을 특징으로 하는 전력 조절기 회로.
  6. 제 2 항에 있어서, 상기 모놀리식 게이트 드라이버 회로의 상기 트리거링 전극은 각각의 저항과 각각의 다이오드로 이루어진 제 2 직렬접속 회로를 경유하여 상기 부하 구동출력 단자에 연결되는 것을 특징으로 하는 전력 조절기 회로.
  7. 제 2 항에 있어서, 한편으로는 상기 스위칭소자와 상기 인덕터 사이에 연결된 프리휠링 다이오드를 포함하고, 다른 한편으로는 공통 버스를 포함하는 것을 특징으로 하는 전력 조절기 회로.
  8. 제 7 항에 있어서, 상기 프리휠링 다이오드의 캐소드와 상기 모놀리식 게이트 드라이버 회로의 상기 트리거링 전극 사이에 연결된 각각의 저항과 각각의 다이오드를 포함하는 제 3 직렬접속 회로를 포함하는 것을 특징으로 하는 전력 조절기 회로.
  9. 제 8 항에 있어서, 상기 모놀리식 게이트 드라이버 회로의 상기 트리거링 전극의 전압이 상기 예정된 클램핑 전압 이상 상승하지 않도록 보장하기 위하여 상기 제 3 직렬접속 회로와 상기 전압 클램핑회로 사이에서 접속된 다른 다이오드를 포함하는 것을 특징으로 하는 전력 조절기 회로.
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