KR100361840B1

KR100361840B1 - 영전압 스위칭 컨버터 회로

Info

Publication number: KR100361840B1
Application number: KR1020000042874A
Authority: KR
Inventors: 이상윤
Original assignee: 삼성전기주식회사
Priority date: 2000-07-25
Filing date: 2000-07-25
Publication date: 2002-11-23
Also published as: KR20020009289A

Abstract

본 발명은 교류형 어댑터의 고효율를 위해 소프트 스위칭인 영전압 스위칭으로 동작하여 스위칭 손실을 최소화하도록 하는 영전압 스위칭 컨버터 회로에 관한 것으로서,

고전압측과 저전압측 게이트-소스 전압을 공급하는 2개의 모스펫에 기생 다이오드를 설치하고, 게다가 피크 전류를 감소시키면서 모스펫의 드레인-소스 전압을 감소시키기 위해 커패시터에 걸리는 전압을 양으로 유지시키는 저항을 설치함으로써 전입력 전압 범위의 입력 전압에서 정전압 출력 규제와 영전압 스위칭 동작을 통해 입력전압 더블러(Doubler) 회로가 필요없어지고 모스펫의 드레인-소스 전압을 감소시킬 수 있는 동시에 고효율화, 부품 감소, 코스트 절감, 신뢰성 확보를 도모할 수 있는 효과를 제공하게 된다.

Description

영전압 스위칭 컨버터 회로{Converter circuit for zero voltage switching}

본 발명은 교류형 어댑터의 고효율를 위해 소프트 스위칭인 영전압 스위칭으로 동작하여 스위칭 손실을 최소화하도록 하는 영전압 스위칭 컨버터 회로에 관한것으로서, 특히 전입력 전압 범위에서 영전압 스위칭으로 동작함으로 입력전압 더블러(Doubler) 회로가 필요없어지고 모스펫의 드레인-소스 전압을 감소시킬 수 있는 영전압 스위칭 컨버터 회로에 관한 것이다.

종래 기술에 의한 컨버터 회로를 도 1에 도시된 회로도를 참고하여 살펴보면 다음과 같다.

먼저, 본 발명은 크게 입력전압(Vin)이 전달되는 입력부와, 상기 입력부를 통해 입력전압이 1차측으로 공급되어 적정 비율로 변환된 후에 2차측으로 출력되는 트랜스(T)와, 상기 트랜스(T)의 2차측을 통해 전달되는 변환 전압을 외부로 출력시키는 출력부로 구성된다,

상기 입력부는 입력전압을 통해 고전압측과 저전압측 드레인-소스 전압을 각각 제공하도록 직렬로 연결된 2개의 모스펫(M1, M2)과, 상기 2개의 모스펫(M1, M2) 사이에 설치되어 충방전 동작을 수행하는 제1 커패시터(C1)로 이루어진다.

그리고, 상기 출력부는 트랜스(T)에 의해 변화된 전압이 유입되는 다이오드(D1)와, 상기 다이오드(D1)와 병렬 연결되면서 충방전 동작을 수행하는 제2 커패시터(C2)와, 상기 제2 커패시터(C2)와 병렬 연결된 출력저항(Ro)으로 이루어진다.

상기와 같이 구성된 종래 기술에 의한 동작은 주 스위치의 영전압 스위칭을 위해 누설 에너지를 이용하게 되고,로 높은 전압이 클램프 된다.

여기서, Vc는 다음 수학식 1과 같고, D는 듀티(Duty), n은 권수비이다.

그리고, 영전압 스위칭 동작은 도 2에 도시된 바와 같이 모스펫(M1, M2)의 기생 다이오드를 통하여 흐르는 구간 Is는 t4~T6, Ic는 t1~t3이다.

일반적으로 영전압 스위칭을 위한 토폴로지(Topology) 중에는 액티브 클램프 플라이백 컨버터(Active clamp fly-back converter)와 비대칭 플라이백 컨버터(Asymmetrical fly-back converter)가 있다.

여기서, 상기 액티브 클램프 플라이백 컨버터 회로는 2개의 모스펫(M1, M2)에 걸리는 전압,으로 매우 높은 전압이 걸리며, 수학식 1을 참고하여 Vc는 다음 수학식 2와 같고, Vo는 출력전압이고, V_F는 2차측 다이오드(D1)의 순방향 드롭(drop) 전압을 나타낸다.

이를 통해 모스펫의 드레인-소스 전압이 입력전압과 클램프 커패시터 전압을 합하여 상당히 높은 전압이 걸리게 되는 문제점이 있다.

또한, 비대칭 플라이백 컨버터 회로에서는으로 입력전압을 더블시켜야 하므로 더블러 회로가 추가되어야 한다는 문제점이 있다.

본 발명은 상기한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서,그 목적은 고전압측과 저전압측 게이트-소스 전압을 공급하는 2개의 모스펫에 기생 다이오드를 설치하고, 게다가 피크 전류를 감소시키면서 모스펫의 드레인-소스 전압을 감소시키기 위해 커패시터에 걸리는 전압을 양으로 유지시키는 저항을 설치함으로써 전입력 전압 범위의 입력 전압에서 정전압 출력 규제와 영전압 스위칭 동작을 통해 입력전압 더블러(Doubler) 회로가 필요없어지고 모스펫의 드레인-소스 전압을 감소시킬 수 있는 동시에 고효율화, 부품 감소, 코스트 절감, 신뢰성 확보를 도모할 수 있는 영전압 스위칭 컨버터 회로를 제공하는데 있다.

도 1은 종래 기술에 따른 컨버터 회로의 구성이 도시된 회로도이고,

도 2는 도 1의 주요 구성요소에 걸리는 전류 및 전압 파형이 도시된 신호 파형도이며,

도 3은 본 발명에 따른 스위칭 컨버터 회로의 구성이 도시된 회로도이고,

도 4는 도 3의 주요 구성요소에 걸리는 전류 및 전압 파형이 도시된 신호 파형도이며,

도 5 내지 도 10은 도 4의 각 구간별 동작 상태가 도시된 회로도이다.

<도면의 주요부분에 관한 부호의 설명>

M1, M2 : 모스펫 C1, C2, C3 : 제1 내지 제3 커패시터

D1, D2 : 제1 및 제2 다이오드 R : 저항

Ro : 출력저항 T : 트랜스

상기한 과제를 해결하기 위한 본 발명에 의한 영전압 스위칭 컨버터 회로의 특징에 따르면, 입력전압을 통해 영전압 스위칭 동작을 위한 고전압측과 저전압측 게이트-소스 전압을 각각 제공하는 2개의 모스펫(MOSFET)과, 상기 2개의 모스펫 사이에서 충방전 동작을 수행하는 제1 및 제2 커패시터와, 상기 제1 커패시터와 병렬 연결되어 온/오프 동작되는 다이오드와, 상기 제1 커패시터와 병렬 연결되면서 다이오드와 직렬 연결되어 제1 커패시터 사이의 전압을 양전압으로 유지시키고 상기 다이오드로 유입되는 전류의 피크 전류를 감소시키는 저항으로 이루어진 입력부와; 상기 입력부를 통해 1차측에 전달되는 입력전압을 변환하여 그 변환된 전압을 2차측으로 출력시키는 트랜스와; 상기 트랜스의 2차측을 통해 전달되는 변환 전압을 외부로 출력시키는 출력부를 포함하여 구성된다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도 3 및 도 4를 참고하면 본 발명은, 먼저 크게 입력전압(Vin)이 전달되는 입력부와, 상기 입력부를 통해 입력전압이 1차측으로 공급되어 적정 비율로 변환된 후에 2차측으로 출력되는 트랜스(T)와, 상기 트랜스(T)의 2차측을 통해 전달되는 변환 전압을 외부로 출력시키는 출력부로 구성된다,

여기서, 상기 입력부는 입력전압을 통해 영전압 스위칭 동작을 위한 고전압측과 저전압측 게이트-소스 전압을 각각 제공하는 2개의 모스펫(M1, M2)과, 상기 2개의 모스펫(M1, M2) 사이에서 충방전 동작을 수행하는 제1 및 제2 커패시터(C2)와, 상기 제1 커패시터(C1)와 병렬 연결되면서 상기 모스펫(M1, M2)에 기생되어 온/오프 동작되는 제1 다이오드(D1)와, 상기 제1 커패시터(C1)와 병렬 연결되면서 제1 다이오드(D1)와 직렬 연결되어 제1 커패시터(C1) 사이의 전압을 양으로 유지시키고 상기 제1 다이오드(D1)로 유입되는 전류의 피크 전류를 감소시키는 저항()으로 구성된다.

그리고, 상기 출력부는 트랜스(T)에 의해 변화된 전압이 유입되는 제2 다이오드(D2)와, 상기 제2 다이오드(D2)와 병렬 연결되면서 충방전 동작을 수행하는 제3 커패시터(C3)와, 상기 제3 커패시터(C3)와 병렬 연결된 출력저항(Ro)으로 이루어진다.

상기와 같이 구성된 본 발명의 동작을 도 5 내지 도 10을 참고하여 살펴보면 다음과 같다.

먼저, 도 4에 도시된 구간 중에서 t0~t1, t6~t7에서는 도 5에 도시된 바와 같이는 온 동작되고,는 오프 동작되어 누설전류(I_lk)는 양이고, Is도 양,제2 커패시터(C2)는 충전, 제1 커패시터(C1)는 방전, I_D1은 감소되어 t8에서 I_lk와 Im이 동일하게 된다. 여기서, Im은 마그네티징(magnetizing) 전류이다.

다음, t1~t2에서는 도 6에 도시된 바와 같이는 오프 동작되고,도 오프 동작되면서 저전압측 모스펫(M2)의 기생 다이오드가 턴-온 동작되어 제2 커패시터(C2)는 충전, 제1 커패시터(C1)는 방전, I_D1은 감소, I_D2은 도통되어 2차즉으로 에너지가 전달되게 된다.

또한, t2~t3에서는 도 7에 도시된 바와 같이는 오프 동작되고,는 온 동작되면서 저전압측 모스펫(M2)이 도통되어 제2 커패시터(C2)는 충전, 제1 커패시터(C1)는 방전, I_D1은 감소되게 된다.

t3~t4에서는 도 8에 도시된 바와 같이는 오프 동작되고,도 온 동작되면서 Ic는 0에서부터 음으로, 제2 커패시터(C2)는 방전, 제1 커패시터(C1)는 충전, I_D1은 증가되게 된다.

t4~t5에서는 도 9에 도시된 바와 같이는 오프 동작되고,도 오프 동작되면서 고전압측 모스펫(M1)의 기생 다이오드가 턴-온 동작되어 제2 커패시터(C2)는 방전, 제1 커패시터(C1)도 방전, I_D1은 감소, Is는 음이 된다.

t5~t6에서는 도 10에 도시된 바와 같이는 온 동작되고,는 오프 동작되면서 고전압측 모스펫(M1)이 도통되어 제1 및 제2 커패시터(C1, C2)는 모두 방전, I_D1은 감소, Is는 음, t6에서 Is는 0이 된다.

따라서, 본 발명에서는 2개의 모스펫(M1, M2)의 기생 다이오드가 턴-온 구간이 발생되는데 Is는 t4~t6, Ic는 t1~t3으로 영전압 스위칭에 의한 고효율화를 이루게 된다. 또한, 상기 모스펫(M1, M2)의 드레인-소스 전압이 감소되어 신뢰성을 확보할 수가 있는데,로서 기존의 비대칭 플라이백 컨버터에서보다 낮은 전압이 모스펫(M1, M2)의 드레인-소스 전압에 걸리고, n(권선비)이 작을수록와가 더욱 낮아진다.

그리고, 제1 커패시터(C1)와 병렬로 연결되는 저항(R)이 삽입되어 I_D1의 피크 전류가 감소되고 Vc₁을 양으로 유지하여 모스펫(M1, M2)의 드레인-소스 전압을 감소시키게 된다. 또한, 전전압 범위 입력 전압에서 정전압 출력 규제와 영전압 스위칭 동작이 가능해져 더블러 회로가 필요 없어지게 된다.

상기와 같이 구성되는 본 발명의 영전압 스위칭 컨버터 회로는 수 있는 고전압측과 저전압측 게이트-소스 전압을 공급하는 2개의 모스펫에 기생 다이오드를 설치하고, 게다가 피크 전류를 감소시키면서 모스펫의 드레인-소스 전압을 감소시키기 위해 커패시터에 걸리는 전압을 양으로 유지시키는 저항을 설치함으로써 전입력 전압 범위의 입력 전압에서 정전압 출력 규제와 영전압 스위칭 동작을 통해 입력전압 더블러(Doubler) 회로가 필요없어지고 모스펫의 드레인-소스 전압을 감소시킬 수 있는 동시에 고효율화, 부품 감소, 코스트 절감, 신뢰성 확보를 도모할 수 있는 효과가 있다.

Claims

입력전압을 통해 영전압 스위칭 동작을 위한 고전압측과 저전압측 게이트-소스 전압을 각각 제공하는 2개의 모스펫(MOSFET)과, 상기 2개의 모스펫 사이에서 충방전 동작을 수행하는 제1 및 제2 커패시터와, 상기 제1 커패시터와 병렬 연결되어 온/오프 동작되는 다이오드와, 상기 제1 커패시터와 병렬 연결되면서 다이오드와 직렬 연결되어 제1 커패시터 사이의 전압을 양전압으로 유지시키고 상기 다이오드로 유입되는 전류의 피크 전류를 감소시키는 저항으로 이루어진 입력부와; 상기 입력부를 통해 1차측에 전달되는 입력전압을 변환하여 그 변환된 전압을 2차측으로 출력시키는 트랜스와; 상기 트랜스의 2차측을 통해 전달되는 변환 전압을 외부로 출력시키는 출력부를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 영전압 스위칭 컨버터 회로.
제 1 항에 있어서,

상기 출력부는 다이오드와 커패시터, 출력 저항이 서로 병렬 연결되는 것을 특징으로 하는 영전압 스위칭 컨버터 회로.