KR100402530B1 - 소프트 스위칭모드의 전원공급장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 스위칭모드 파워 서플라이(Switching Mode Power Supply)에 관한 것으로서, 소프트 스위칭 피더블유엠(soft-switching PWM) 방식에서의 스위칭 로스(Switching loss)를 줄임으로서 고효율의 고전압을 발생하기 위한 소프트 스위칭 피더블유엠 방식의 스위칭모드 파워 서플라이 드라이브회로에 관한 것이다.

본 발명은 1차측 제1 및 제2 코일 및 2차측 1단코일이 구비되는 트랜스포머, 상기 1차측 제2코일의 출력측에 접속되어 펄스폭변조신호에 따라 온/오프상태로 스위칭하는 제1트랜지스터와, 1차측 제2코일의 입력측에 접속되어 공진파형을 형성시키는 공진부와, 제1트랜지스터의 게이트측에 상기 펄스폭변조신호를 발생하는 제어부로 이루어져, 제1트랜지스터의 스위칭절환시 트랜스포머의 1차측 메인코일에서 1차측 보조코일로 유기되는 전압에 의해 공진펄스를 발생시키고, 상기 공진펄스에 의해 메인코일에 공급되는 전류변화를 격감시킴으로서 스위칭로스를 저하시켜 전원공급의 효율을 극대화시킬 수 있는 효과를 얻는다.

Description

소프트 스위칭모드의 전원공급장치{SOFT SWITCHING MODE POWER SUPPLY APPARATUS}

본 발명은 소프트 스위칭모드 전원공급장치의 보조 공진회로에 관한 것으로, 보다 상세하게는 소프트 스위칭모드 전원공급장치에서 발생되는 스위칭로스를 줄임으로서 고효율의 전원공급장치를 공급하기 위한 소프트 스위칭모드 전원공급장치의 보조 공진회로에 관한 것이다.

일반적으로 전원공급장치의 PWM(pulse width modulation) 방식에서는 트랜스포머의 1차측에서 직류전원을 인가받아 펄스폭변조로 스위칭시켜 상기 트랜스포머의 2차측에서 소정 전력의전원을 형성하게 된다.

여기서, 상기 PWM 방식의 전원공급장치는 도 1에 도시된 바와 같이, 1차측 1단코일과 2차측 1단 코일을 포함하고, 직류전압(Vin)을 인가 받아 소정치의 교류전압을 유기시키는 트랜스포머(71)와, 트랜스포머(71)의 2차측 1단 코일의 출력측에 구비되어 상기 트랜스포머(71)의 출력전압을 반파정류시키고, 평활시키는 평활부(74)와, 평활부(74)의 평활전압(Vout)에 따라 펄스폭변조신호를 발생하는 제어부(76)와, 상기 트랜스포머(71)의 1차측에 연결되어 상기 제어부(76)의 펄스폭변조신호에 따라 스위칭하여 상기 트랜스포머(71)의 1차측 전류량을 제어하는 트랜지스터(77)로 구비된다.

상기와 같이 구비된 종래의 스위칭모드 전원공급장치에 있어서, 제어부(76)에서 출력되는 일정주기의 구형파신호는 트랜지스터(77)의 게이트측에 공급되고, 그로 인해 트랜지스터(77)는 온/오프상태로 스위칭한다.

따라서, 트랜스포머(71)의 1차측에 공급되는 직류전압(Vin)은 트랜지스터(77)의 스위칭동작에 따라 트랜스포머(71)의 1차측 코일에 전류가 흐르게된다.

한편, 상기 트랜스포머(71)의 2차측에서는 1차측 코일의 전류의 변화에 따라 전압이 유기되고, 이러한 유기전압은 평활부(74)에 공급되고 평활부(74)는 유기전압을 반파정류시킨 후 평활시켜 평활전압(Vout)을 출력한다. 이 평활전압(Vout)은 디스플레이장치의 그리드단자로 공급된다.

즉, 제어부(76)에서 도 2의 (A)에 도시된 바와 같은 펄스폭변조신호가 출력되고, 이러한 펄스폭변조신호에 따라 온/오프상태로 스위칭하는 트랜지스터(77)의 드레인 및 소스간 전압(VDS)은 도 2의(B)에 도시된 바와 같다.

트랜지스터(77)가 턴오프상태로 유지될 때 드레인과 소스사이의 전압(VDS)은 입력전압(Vin) + (출력전압 x (N1/N2))이고, 트랜지스터(77)가 턴온상태로 트리거될 때 드레인-소스전압(VDS)은 트랜지스터(77)의 내부저항치에 따라 드레인과 소스전압(VDS)은 저하된다.

그리고, 상기 드레인-소스전압(VDS)은 트랜지스터(77)의 내부저항으로 설정된 전압만큼 하강할 때 트랜지스터(77)의 드레인 소스사이의 캐패시턴스 및 기생 용량에 의해 소정시간동안 지연되며, 이러한 지연은 소정시간동안 유지된다.

한편, 제어부(76)의 펄스폭변조신호가 로우레벨에서 하이레벨로 트리거되면, 소정시간 지연된 트랜지스터(77)의 드레인 소스전압(VDS)은 다시 상승하게 된다. 이때 드레인 소스전압(VDS)은 오버슈트현상이 발생되고, 이러한 오버슈트현상은 트랜지스터(77)의 내부 인덕턴스 및 캐패시터에 의해 발생된다.

또한, 트랜지스터(77)가 턴온될 때 트랜지스터(77)의 턴오프구간에서 드레인소스간의 캐패시턴스에 충전된 에너지가 방출되어 전류량(IDS)은 과다하게 된다. 따라서 고주파의 노이즈 파형이 형성된 후 완만하게 증가하는 곡선을 형성한다. 이러한 곡선은 트랜지스터(77)가 턴온상태를 유지하는 동안 증가하며 트랜지스터(77)가 턴오프상태로 트리거될 때에는 감소한다.

상기 트랜지스터(77)의 전류량은 오프시 드레인 소스의 캐패시턴스에 의해 소정시간 지연되고, 이러한 전류량(IDS)의 변화는 도 2의 (C)에 도시된 바와 같다.

상기와 같은 종래의 소프트 스위칭모드 전원공급장치에 있어, 트랜지스터(77)의 턴온상태에서 턴오프상태로 트리거될 때 드레인-소스전압(VDS)의 변화에서 발생되는 오버슈트현상으로 인한 스위칭 손실이 발생되고, 이러한 스위칭손실을 노이즈로 작용하고, 이러한 스위칭 노이즈로 인해 전원공급장치의 효율을 저하시키는 문제점이 있었다.

이에 본 발명의 목적은 이와같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 스위치가 턴온 및 턴오프시 트리거되는 구간을 공진시켜 제로 전압 및 제로 전류시점에서 스위칭되므로, 스위칭손실을 최소로 줄임으로서 전원공급장치의 효율을 최대화시킬 수 있는 소프트 스위칭모드 전원공급장치의 보조 공진회로를 제공하고자 함에 있다.

한편, 이와같은 목적을 이루기 위한 본 발명은 1차측 제1 및 제2코일을 구비하고 2차측 제1코일로 구비된 트랜스포머와, 트랜스포머의 2차측 코일의 유기전압을 평활시켜 평활전압을 출력하는 평활부와, 상기 트랜스포머의 1차측 제1코일에접속되어 펄스폭변조신호에 따라 스위칭하는 트랜지스터와, 상기 펄스폭변조신호를 출력하는 제어부를 포함하는 소프트 스위칭모드 전원공급회로에 있어서, 상기 1차측 제2코일의 제1접점에 접속되고, 보조스위칭신호에 따라 스위칭하는 보조트랜지스터와, 상기 1차측 제2코일의 제2접점에 접속되어 상기 보조트랜지스터의 스위칭상태에 따라 공진하는 보조공진부와, 상기 보조트랜지스터의 게이트측에 공급되는 상기 보조스위칭신호를 발생하는 보조제어부로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

도 1은 종래의 스위칭모드의 전원공급장치의 구성을 보인 도.

도 2는 도 1의 각부의 출력신호를 보인 파형도.

도 3은 본 발명에 따른 소프트 스위칭모드의 전원공급장치의 구성을 보인 도.

도 4는 도 3의 각부의 출력신호를 보인 파형도.

도 5A 내지 도 5I는 도 3의 소프트 스위칭모드 전원공급장치의 작동과정을 보인 도.

〈도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 〉

11 : 트랜스포머 12 : 평활부

13 : 트랜지스터 14 : 제어부

21 : 보조트랜지스터 22 : 보조공진부

23 : 보조제어부

이하, 본 발명을 첨부된 예시 도면에 의거 상세히 설명한다.

본 발명이 적용되는 소프트 스위칭모드 전원공급장치는 도 3에 도시된 바와 같이, 1차측 제1코일(Lp) 및 보조코일(La)을 구비하고, 2차측 코일(Ls)로 구비된 트랜스포머(11)와, 상기 트랜스포머(11)의 2차측 코일(Ls)의 유기전압을 평활시켜 평활전압을 출력하는 평활부(12)와, 상기 트랜스포머(11)의 1차측 제1코일(Lp)에 접속되어 펄스폭변조신호에 따라 스위칭하는 트랜지스터(13)와, 상기 펄스폭변조신호를 출력하는 제어부(14)와, 상기 1차측 보조코일(La)의 제1접점(a)에 접속되고, 보조스위칭신호에 따라 스위칭하는 보조트랜지스터(21)와, 상기 1차측 보조코일(La)의 제2접점(b)에 접속되어 상기 보조트랜지스터(21)의 스위칭상태에 따라 공진하는 보조공진부(22)와, 상기 보조트랜지스터(21)의 게이트측에 공급되는 상기 보조스위칭신호를 발생하는 보조제어부(23)로 구성된다.

여기서, 상기 보조공진부(22)는 인덕턴스(L) 및 캐패시터(C)가 직렬로 접속되며, 상기 보조트랜지스터(21)의 드레인측과 보조코일(La)의 제1접점(a)사이에는보조코일(La)에 흐르는 전류방향을 설정하는 제1다이오드(D1)가 연결되고, 보조코일(La)의 제1접점(a)과 보조트랜지스터(21)의 소오스측 사이에는 보조트랜지스터(21)에 흐르는 전류의 역전류를 방지하기 위한 제2다이오드(D2)가 접속된다. 여기서, 상기 보조트랜지스터(21)와 제2다이오드(D2)의 에노드측은 접지된다.

도 4의 (A)내지 (E)는 도 3의 각부의 출력신호를 보인 파형도이고, 이를 참조하여 본 발명이 적용되는 소프트 스위칭모드 전원공급장치의 작용을 설명한다.

우선, 상기 트랜스포머(11)의 1차측 제1코일(Lp)에 직류전압(Vin)이 공급되면, 상기 트랜지스터(13)의 게이트측으로 공급되는 펄스폭변조신호는 도 4의 (A)에 도시된 바와 같이, 소정의 주기(T1) 만큼 증가된 주기를 가진다.

그러므로, 상기 트랜지스터(13)는 상기 주기를 가지는 펄스폭변조신호에 따라 스위칭하게 되고, 직류전압(Vin)을 제1코일(Lp)로 유도시킨다.

한편, 상기 보조제어부(23)는 도 4의 (B)에 도시된 바와 같은 소정의 주기(T2)의 주기를 가지는 보조 스위칭신호를 발생하고, 발생된 보조 스위칭신호는 보조트랜지스터(21)에 공급되며, 이러한 보조트랜지스터(21)의 스위칭상태에 따라 도 5A에 도시된 바와 같이, 보조코일(La)에 전류(Ia)가 흐르게 된다.

즉, 주기(T1)를 가지는 펄스폭변조신호가 트리거될 때 상기 트랜지스터(13)는 턴온상태로 스위칭되고, 보조트랜지스터(21)는 보조스위칭신호에 따라 턴오프상태로 스위칭된다. 그러나, 상기 트랜지스터(13)의 턴온스위칭 상태에 따라 제1코일(Lp)이 유도될 때 보조코일(La)에도 소정전압이 유기된다. 그러므로, 상기제1코일(Lp)에 흐르는 전류는 다이오드(D11), 및 트랜지스터(13)로 흐르게 되고, 상기 보조코일(La)의 유기전압에 따라 보조공진부(22)의 인덕턴스(L) 및 캐패시터(C), 제2다이오드(D2)의 경로로 공진전류가 흐르게 된다.

그 후, 상기 보조코일(La)의 유기전압은 보조공진부(22)의 캐패시터(C)에 충전되므로, 도 4의 (D)에 도시된 바와 같이, 상기 공진전류(Ia)는 점점 감소하게 되고, 공진전류(Ia)가 제로가 되는 시점에서 트랜스포머(11)의 1차측 제1코일(Lp)이 인덕터로 작동되므로, 도 4의 (C)에 도시된 바와 같이, 상기 제1코일(Lp)에 흐르는 전류(Ip)는 증가하게 된다. 이때 제1코일에 흐르는 전류량은 선형적으로 증가한다. 이때 제1코일에 흐르는 전류(Ip)의 방향은 도 5B에 도시된 바와 같다.

한편, 보조스위칭신호에 따라 보조트랜지스터(21)가 턴온상태로 스위칭하게 되면, 보조공진부(22)의 캐패시터(C)에 충전전압은 방전되므로, 공진전류(Ia)는 인덕터(L), 보조코일(Lp), 제1다이오드(D1), 및 보조트랜지스터(21)의 경로로 흐르게 되며, 이때 공진전류(Ia)는 계속 증가하게 된다. 여기서, 상기 공진전류(Ia)의 흐르는 방향은 도 5C에 도시된 바와 같다.

이러한 공진전류(Ia)에 따라 제1코일(Lp)에 유도전압이 발생하고, 이러한 제1코일(Lp)의 유도전압 및 흐르는 전류는 도 5D에 도시된 바와 같이, 트랜지스터(13)의 스위칭에 의해 직류전압(Vin)과 반대방향이므로, 제1코일(Lp)에 흐르는 전류(Ip)는 감소하게 된다.

상기 제1코일(Lp)에 흐르는 전류(Ip)의 감소는 트랜지스터(13)의 드레인-소스에 흐르는 전류(Ids)가 제로로 되는 시점에서 변환시킨다.

소정 시간이 경과된 후, 펄스폭변조신호가 포지티브에서 네거티브로 트리거되면 트랜지스터(13)는 턴오프상태로 스위칭되므로, 도 5E에 도시된 바와 같이, 제1코일(Lp)에 흐르는 전류(Ip)의 방향은 다이오드(D12), 제1코일(Lp)의 경로로 흐르게 된다. 이 제1코일(Lp)이 흐르는 전류의 방향은 트랜지스터(13)의 턴온시에 흐르는 방향과 반대방향이다.

그리고, 상기 트랜지스터(13)의 드레인-소스간이 전압(Vds)이 제로가 되면, 다이오드(D12)는 턴오프상태로 스위칭하고, 도 5F에 도시된 바와 같이, 상기 제1코일(Lp)은 에너지를 축적한다.

상기 제1코일(Lp)의 축적된 에너지로 인해 보조코일(La)에 소정전압이 유기되고, 보조코일(Lp)의 유기전압으로 인덕턴스(L) 캐패시터(C)는 공진하고, 도 5G에 도시된 바와 같이, 상기 공진전류(Ia)는 인덕턴스(L), 캐패시터(C) 및 제2다이오드(D2)의 경로로 흐르게 된다. 이때 도 5H에 도시된 바와 같이, 보조트랜지스터(21)의 드레인-소스간이 전압(Vds)이 제로되는 시점에서 스위칭된다.

한편, 제1코일(Lp)의 축적된 에너지로 인해 도 4의 (E)에 도시된 바와 같이, 2차측 코일(Ls)에도 소정전압이 유기되고, 유기된 소정전압은 도 5I에 도시된 바와 같이, 상기 평활부(12)에 공급되고, 평활부(12)는 유기된 소정전압을 평활한 후 평활전압(Vout)을 출력한다. 이때 보조트랜지스터(21)의 드레인-소스전압은 제로로 된다.

이상에서 설명에서와 같이 본 발명은, 펄스폭변조신호가 온상태에서 오프상태로 트리거될 때 공진하고, 제로 전압 및 제로 전류에서 트랜지스터 및 보조트랜지스터가 스위칭되므로 트랜지스터의 트리거시 발생되는 오버슈트를 제거할 수 있으며, 그로 인해 전원공급장치의 효율을 극대화 시킬 수 있는 효과가 있다.

Claims (2)

1차측 제1 및 제2코일을 구비하고 2차측 제1코일로 구비된 트랜스포머와, 트랜스포머의 2차측 코일의 유기전압을 평활시켜 평활전압을 출력하는 평활부와, 상기 트랜스포머의 1차측 제1코일에 접속되어 펄스폭변조신호에 따라 스위칭하는 트랜지스터와, 상기 펄스폭변조신호를 출력하는 제어부를 포함하는 소프트 스위칭모드 전원공급회로에 있어서,

상기 1차측 제2코일의 제1접점(a)에 접속되고, 보조스위칭신호에 따라 스위칭하는 보조트랜지스터와,

상기 1차측 제2코일의 제2접점(b)에 접속되어 상기 보조트랜지스터의 스위칭상태에 따라 공진하는 보조공진부와,

상기 보조트랜지스터의 게이트측에 공급되는 상기 보조스위칭신호를 발생하는 보조제어부로 이루어지는 것을 특징으로 하는 소프트 스위칭모드의 전원공급장치.

제1항에 있어서, 상기 보조공진부는

상기 1차측 제2코일의 제2접점(b)에 직렬로 연결되어 공진하는 코일 및 캐패시터로 이루어지는 것을 특징으로 하는 소프트 스위칭모드의 전원공급장치.