KR100481065B1 - 동기 정류에 대한 향상된 리셋팅을 제공하는 싱글엔드 순방향 직류-직류 변환기 - Google Patents

동기 정류에 대한 향상된 리셋팅을 제공하는 싱글엔드 순방향 직류-직류 변환기 Download PDF

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Abstract

싱글-엔드 순방향 직류-직류변환기는 1차 스위치와 전기적으로 연결된 1차 권선과 2차 스위치와 전기적으로 연결된 2차 권선과 클램핑 커패시터를 갖는 변압기를 포함한다. 1차 스위치가 꺼질 때 클램핑 커패시터는 2차 권선으로부터 자화에너지를 저장하여, 1차 스위치가 오프인 기간동안 변압기코어를 리셋되게 한다. 변환기는 1차 스위치와 2차 스위치로 모스펫을 사용할 수 있어서, 1차 스위치의 꺼짐 때문에 변압기의 2차 권선에서 전압의 변화는 2차 스위치를 자동적으로 켜지게 한다. 클램핑 커패시터와 모스펫 스위치의 조합은 직류-직류 변환기의 단순성을 증가시키고, 데드타임과 스위치에 전압 스트레스와 같은 원치 않는 성질을 제거한다. 본 발명의 직류-직류 변환기는 동기 정류와 제로 전압 스위칭을 수행하는데 사용될 수 있다.

Description

동기 정류에 대한 향상된 리셋팅을 제공하는 싱글엔드 순방향 직류-직류 변환기{single ended forward DC-TO-DC converter providing enhanced resetting for synchronous rectification}
본 발명은 직류-직류(DC-DC)변환기에 관한 것으로, 더 상세하게는 변압기 코어를 리셋(reset)하는 회로를 갖는 싱글-엔드 순방향 직류-직류(DC-DC)변환기에 관한 것이다.
직류-직류 변환기는 입력직류전압을 부하(load)를 운반하기 위하여 다른 출력전압으로 변환하는데 사용된다. 그런 변환기는 전형적으로 전원과 부하사이에 스위치회로를 통해서 전기적으로 연결된 변압기를 포함한다. 싱글-엔드 순방향 변환기로 알려진 변환기들은 스위치가 켜져 있고, 전기가 통하고 있을 때 변압기의 2차 권선에 순방향 전력변환을 공급하는 변압기의 1차권선과 전(압)원 사이에 연결된 싱글스위치에 의지하는 변환기의 한 종류이다.
변압기에서 누설(leakage)인덕턴스를 방전(discharge)하기 위해서는 변압기코어는 스위치의 오프(off)기간 동안에는 리셋(reset)이다. 리셋팅은 전형적으로 1차 변압기 권선과 병렬인 3차 변압기 권선 또는 2차 권선과 전기적으로 연결된 LC공진회로(LC resonant circuit)같은 부가적인 회로의 사용을 수반한다. 그러나 그런 회로의 구동(driving)파형은 데드타임(dead time)을 나타내고, 스위치가 열려있는 동안의 기간에 스위치를 통과하는 전압은 소스전압과 같고, 전류는 소실된다. 데드타임은 변환기의 총 효율성을 감소시키고, 스위치에 전압스트레스를 준다.
삭제
본 발명의 목적은 변압기코어를 효율적으로 리셋하면서도 사실상 데드타임을 나타내지 않고, 콤포넌트에 전압스트레스를 최소화하는 싱글-엔드 순방향 직류-직류(DC- DC)변환기를 제공하는데 있다.
본 발명은 첨부된 청구항에서 상세하게 설명된다. 전술과 본 발명의 다른 이점은 첨부된 도면과 함께 수반되는 설명에 의해 더 잘 이해될 수 있다:
도 1은 본 발명의 한 실시예에 따른 싱글-엔드 순방향 직류-직류 변환기이다.
도 2a는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 싱글-엔드 순방향 직류-직류 변환기이다.
도 2b는 1차 스위치가 켜있을 때 전기를 통하고 있는 도 2a의 싱글-엔드 순방향 직류-직류 변환기의 부분이다.
도 2c는 1차 스위치가 꺼졌을 때 전기를 통하고 있는 도 2a의 싱글-엔드 순방향 직류-직류 변환기의 부분이다.
도 3a는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 싱글-엔드 순방향 직류-직류 변환기이다.
도 3b는 1차 스위치가 켜져있을 때 전기를 통하고 있는 도 3a의 싱글-엔드순방향 직류-직류 변환기의 일부이다.
도 3c는 1차 스위치가 꺼져있을 때 전기를 통하고 있는 도 3a의 싱글-엔드 순방향 직류-직류 변환기의 일부이다.
도 4a는 싱글-엔드 순방향 직류-직류 변환기의 1차 스위치가 온과 오프되는 기간동안 보여지는 파형이다.
도 4b는 1차 스위치가 온과 오프인 기간동안 싱글-엔드 순방향 직류-직류 변환기의 변압기의 1차 권선을 통과하는 전압을 나타내는 파형이다.
도 4c는 1차 스위치가 온과 오프인 기간동안에 싱글-엔드 순방향 직류-직류 변환기의 1차 스위치를 통과하는 전압을 나타내는 파형이다.
도 4d는 1차 스위치가 온과 오프인 기간동안에 싱글-엔드 순방향 직류-직류 변환기의 변압기의 2차 권선를 통과하는 전압을 나타내는 파형이다.
삭제
본 발명은 변압기코어를 효율적으로 리셋하여, 자기구동(self-driven) 동기정류(Synchronous rectification)를 수행하는 능력을 향상시키는 싱글-엔드 순방향 직류-직류 변환기에 관한 것이다.일 실시예에서 변환기는 1차 스위치와 전기적으로 연결된 1차 권선과 2차 스위치와 2차 스위치와 전기적으로 연결된 2차 권선, 그리고 클램핑(clamping)커패시터(capacitor)를 포함한다. 2차 권선은 한 쌍의 정류기와 부하에 도달하는 파워 시그널의 정류와 평활화(smoothing)을 제공하는 LC(LC)필터회로와 전기적으로 연결되어 있다. 1차 스위치가 켜졌을 때, 1차 권선은 전기를 통하고 입력전압은 2차 권선을 통과하여 존재한다. 1차 스위치가 꺼졌을 때 2차 스위치가 켜지고, 2차 권선에 존재하는 자화(magnetizing)전류는 클램핑 커패시터에 전달되고, 클램핑 커패시터는 실질적으로 입력 전압에 충전된다. 1차 스위치가 꺼져있는 주기동안 2차 권선을 통과하는 전압은 일정하게 유지되고, 변압기코어는 리셋된다.
본 발명의 다른 실시예에서는 1차와 2차 스위치들은 모스펫(MOSFET)스위치들을 포함한다. 그런 실시예에서 1차 모스펫 스위치가 열릴 때, 2차 권선에 나타나는 전압은 2차 모스펫 스위치에 전기를 통하게 한다. 다른 실시예에서 1차 스위치는 n-채널 모스펫(n-channel mosfet)을 포함하고, 2차 스위치는 p-채널 모스펫을 포함한다. 또 다른 실시예에서 2차 스위치는 n-채널 모스펫을 포함하고, 2차 권선은 3차 권선과 전기적으로 연결되어 있다. 3차 권선은 엔-채널 모스펫을 활성화하는데 필요한 포지티브전압을 공급한다.
본 발명의 다른 실시예는 변압기의 1차 권선에 연결된 1차 모스펫을 활성화및 불활성화함으로써 그런 불활성화동안 2차 모스펫이 활성화되고, 클램핑 커패시터가 충전되고, 2차 권선이 클램핑 커패시터의 전압에 클램프되는 변압기의 코어를 리셋하는 방법과 관련이 있다.
본 발명은 동기 정류와 제로 전압 스위치, 더 낮은 출력 전압과 부하에서 더높은 전력 밀도(power density)를 공급하는 데 유용한 기술을 제공한다. 게다가 클램핑 커패시터의 사용은 직류-직류 변환기의 단순성을 증대시키고, 데드 타임과 스위치에서 전압스트레스와 같은 바람직하지 못한 성질을 제거한다.
본 발명의 이러한 특징은 아래의 설명과 청구항으로부터 명백해질 것이다.
도 1에는 싱글-엔드 순방향 직류-직류 변환기의 한 실시예가 도시된다. 이 도면에 도시된 바와 같이, 변압기(10)는 어떤 입력전압 V를 갖는 DC전원(20)과 부하(load:50) 사이에 전기적으로 연결된다. 변압기(10)는 1차 권선(12)와 2차 권선(14)를 포함한다. 일반적으로, 권선의 턴(turn)수는 부하(50)에서 원하는 출력 전압에 의존한다. 예를 들어, 전기통신 산업(telecommunication industry)에서, 입력 전압은 일반적으로 48V이고 원하는 출력 전압은 전형적으로 4V이므로, 약 12:1의 권수비(turns ratio)를 필요로 한다.
그러나, 단지 설명을 위해, 변압기(10)는 1:1의 권수비를 갖는 것으로 간주될 것이다. Q1으로 명명된 1차 스위치(16)는 1차 권선(12)과 전원(20)사이에 직렬로 전기적으로 연결되어 있다. 스위치(16)가 온(on)일 때, 즉 스위치(16)이 닫힌 상태일 때 폐회로(closed circuit)가 형성되고, 전류는 전원(20)으로부터 흘러나와 1차 권선(12)를 통과하여 전원(20)으로 되돌아 흘러서, 2차 권선(14)에 전압을 유도한다.
Q2로 명명된 2차 스위치(22)는 2차 권선(14) 및 클램핑 커패시터(capacitor:24)와 직렬로 전기적으로 연결되어 있다. 보다 구체적으로 후술될 클램핑 커패시터(24)는 2차 스위치(22)가 온일 때 충전된다. D1으로 명명된 다이오드(26)는 변압기(10)의 2차 권선(14)과 직렬로 전기적으로 연결되어 있고, 2차 스위치(22)와 클램핑 커패시터(24)와 병렬로 전기적으로 연결되어 있다. 보다 구체적으로 후술될, 1차 스위치(16)가 온 일 때 다이오드(26)가 도전(導電)된다.
D2로 명명된 두 번째 다이오드(28)는 변압기(10)의 2차 권선(14)과 병렬로 전기적으로 연결되어 있다. LC회로(LC circuit:30)는 2차 권선(14)과 다이오드(28)와 직렬로 전기적으로 연결된 필터 인덕터(inductor:32)와 2차 권선(14)과 다이오드(28)와 병렬적으로 연결된 필터 커패시터(34)를 포함한다. 다이오드(26,28)와 LC회로(30)는 협력하여 그것이 부하(50)에 도달하기 전에 2차 권선(14)으로 부터 전압을 여과하는(filter) 정류(rectifying)와 평활(smoothing)회로를 제공한다.
제어장치(40)는 1차 스위치(16)와 2차 스위치(22)에 전기적으로 연결되어 있다. 제어장치(40)는 1차 스위치(16)와 2차 스위치(22)의 동작을 조절하고, 적절한 시간에 온 및 오프시킨다. 제어장치(40)는 위상(phase)에 따라 스위치(16,22)를 적절하게 활성화하고, 본 실시예에서 제어장치(40)는 작은 지연주기를 유도할 수 있는데, 이 지연주기동안 양 스위치(16,22)는 오프상태이다.이런 지연주기는 1차 스위치(16)가 오프된 후에 선정된 시간이 경과된 후에 2차 스위치(22)가 온되도록 구성될 수 있다. 1차 스위치(16)가 다시 켜지기 전에 1차 스위치(16)에서의 전압이 약 0볼트로 되돌아감에 따라, 이 지연은 제로 전압 스위칭이 달설되게 한다. 후술을 통해, 이 지연동안 1차 스위치(16)가 꺼진 후에 변압기(10)에 존재하는 자화 전류(magnetizing current)는 2차 권선을 통과하는 정전압(constant voltage)을 유지하기 위해 사용한다.
제어장치(40)가 1차 스위치(16)를 켜지게 할 때, 전류는 1차 권선(12)를 통해 흐르고, 2차 권선(14)내에 전류를 유도하고, 이는 다이오드(26)를 통해 LC회로(30)로 흐른다. LC회로(30)는 2차 권선(14)을 통과해서 나타나는 전압을 평활화하고, DC출력은 부하(50)에서 얻어진다. 제어장치(40)가 1차 스위치(16)를 꺼지게 할 때, 1차 권선(12)과 2차 권선(14)을 통한 전류의 순방향 이동(forward transfer)은 끝난다. 그다음, 다이오드(28)가 도전되고, 필터 인덕터(filter inductor :32)의 장(field)에 저장된 에너지가 필터 커패시터(34)와 부하(50)로 방출되도록 한다. 이와 함께, 변압기내의 자화 전류는 클램핑 커패시터(24)에 저장되고, 입력 전압의 크기에 따라 변압기(10)의 2차 권선(14)에서 전압을 교대로 클램핑한다(clamp). 따라서, 2차 변압기내의 자속의 방향이 전환(reverse)됨에 따라, 2차 권선(14)에서의 전압은 실질적으로 일정하게 유지되고, 변압기(10)는 리셋된다.
클램핑 커패시터(34)의 정전용량은 클램핑 커패시터(34)를 통과하는 전압의 시간 의존을 무시해도 좋을 만큼 충분히 크다. 정상상태(steady-state) 조건하에서, 1차 스위치(16)가 온(on)인 기간동안 변압기(10)의 2차 권선(14)에 걸리는(impressed) 전압-2차 곱은 1차 스위치(16)가 오프(off)일때 2차 권선(14)에 걸리는 전압-2차 곱과 같다. 이것은 1:1의 권수비를 갖는 변압기(10)에 대해 다음과 같이 수학적으로 표시할 수 있다:
(Vin)(ton) = (Vc)(toff) 또는 Vc = (Vin)(D/1-D),
삭제
여기서, D는 충격계수(duty)이고, ton은 1차 스위치(16)가 온인 기간, toff는 1차 스위치(16)가 오프인 기간을 말한다.
도 2a에는 본 발명의 싱글 엔드 순방향 직류-직류 변환기의 또 다른 실시예가 도시된다. 이 도면에 도시된 바와 같이, 변압기(110)는 임의의 입력 전압(V)를 갖는 DC전원(120)과 부하(load:150)사이에 전기적으로 연결되어 있다. 변압기(110)는 1차 권선(112)과 2차 권선(114)을 포함한다. 1차 스위치(116)(Q3로 명명된 n-채널 모스펫)은 1차 권선(l12)과 직렬로 연결되어 있다. 1차 권선(112)은 모스펫(116)의 드레인(drain)단자(118)와 전기적으로 연결되어 있고, DC전원(120)은 모스펫(116)의 소스(source)단자(122)와 전기적으로 연결되어 있다. 본 실시예에서, 제어장치(140)는 모스펫(116)의 게이트 단자(124)와 전기적으로 연결되어, 게이트(124)에 전압을 가하고, 모스펫(116)을 선택적으로 켜지게 한다. 모스펫(116)이 온일 때, 그것은 1차 권선(112)과 전원(120)을 갖는 폐회로를 만든다. 전술한 회로에 대한 대안적인 구성으로, 모스펫(116)의 드레인 단자(118)에서 입력의 극성(polarity)이 게이트 단자 (124)에서 제어장치(140)로부터의 입력에 대응하여 순방향과 역방향으로 되는 모스펫을 생성한다면, 직류전원(120)은 드레인 단자(118)에 전기적으로 연결될 수 있고, 1차 권선(112)은 소스 단자(122)와 전기적으로 연결될 수 있다는 것을 주목한다.
정류기(D3로 명명된 n-채널 모스펫)(126)는 변압기(110)의 2차 권선(114)과 직렬 연결되어 있다. 구체적으로 후술되어질, 정류기(126)는 모스펫(116)이 온 일때 전기가 통하고, 2차 스위치(130)와 클램핑 커패시터(132)와 병렬 연결되어있다. 본 실시예에서 2차 스위치(130)는 Q4로 명명된 p-채널 모스펫이다. p-채널 모스펫(130)의 드레인 단자(136)와 게이트 단자(138)는 2차 권선을 통해서 연결되어 있어서, 모스펫(130)은 2차 권선(114)를 통과하는 전압의 변화에 대응하여 순방향(forward bias)으로 된다. 소스 단자(139)는 클램핑 커패시터(132)와 연결되어 있다. D4로 명명된 n-채널 모스펫인 2차 정류기(134)는 클램핑 커패시터(132)와는 직렬로, 변압기(110)의 2차 권선(114)과는 병렬로 연결되어 있다. LC회로(160)는 2차 권선(114)과 정류기(134)와 전기적으로 통한다. 전술과 마찬가지로, LC회로(160)는 2차 권선(114)과 정류기(134)와 직렬로 연결된 필터 인덕터(162)와 2차 권선(114)과 정류기(134)와 병렬로 연결된 필터 커패시터(164)를 포함한다. 정류기(126), (134)는 자기-구동 동기 정류를 제공하는 역할을 한다. 정류기(126, 134)가 입력전압을 낮추기때문에 LC회로를 통과하여 나타나는 전압을 더 낮춘다. 정류기(126, 134), LC회로(160)의 조합은 정류와 평활회로를 제공한다.
도 2b에는 제어장치(140)가 1차 스위치(n-채널 모스펫 Q3)(116)을 켜지게 할 때 도전하는 도 2a의 변환기의 회로 부분이 도시된다. 모스펫(116)이 도전(導電)중일 때, 폐회로가 형성되므로, 1차 권선(112)을 통과하는 입력 전압은 변압기(110)의 1차 권선(112)을 통해서 전원(120)으로부터 전류를 흐르게 하고, 2차 권선(114)에 전압을 유도하는 폐회로를 만든다. 2차 권선(114)을 통과하는 전압은 정류기(126)가 순방향으로 향하게하고, 전류는 LC회로(160)를 통해 흐른다. LC회로(160)는 2차 권선(114)을 통해서 나타나는 전압을 평활하고 직류출력은 부하(150)에서 얻어진다.
도 2c는 제어장치(140)가 n-채널 모스펫(116)을 턴오프시킬 때 도전(導電)하는 도 2a의 변환기의 회로부분을 보여준다. 직류전원(120)과 1차 권선(112)과 모스펫(116)사이에 도시되는 점선/(dash line) 연결은 모스펫(116)이나 1차 권선(112)을 통해 전류가 흐르지 않는다는 것을 나타낸다. n-채널 모스펫(116)이 역방향바이어스이면, 1차 권선(112)을 통한 2차 권선(114)으로의 전류의 순방향 흐름이끝난다. 2차 권선(114)을 통과하는 전압은 정류기(134)(n-채널 모스펫 D4)를 순방향 바이어스시키고, 필터 인덕터(162)에 저장된 에너지가 필터 커패시터(164)와 부하(150)으로 전류를 방출하게 한다. 이에 따라, 2차 권선(114)을 통과하는 전압은 2차 스위치(130)(p-채널 모스펫 Q4)를 도전(導電)시킨다. 따라서, 2차 권선(114) 내의 자화 전류는 드레인(136)에서 소스(139)로 흘러 클램핑 커패시터(132)를 충전시킨다. 따라서, n-채널 모스펫(116)이 오프인 기간동안 클램핑 커패시터(132)는 입력 전압(V)으로 변압기(110)의 2차 권선(114)에서 전압을 클램핑한다. 모스펫 Q4로 통용된 2차 스위치(130)의 자기-구동 특징은 그것을 끄고 켜기위해 모스펫(130)에 연결되어진 제어장치(140)의 필요성을 제거하는 것이라는 점에 주목할 수 있다.
도 3a는 본 발명의 싱글 엔드 순방향 직류-직류 변환기의 또 다른 실시예를 도시한다. 이 도면에 도시된 바와 같이 변압기(210)는 어떤 입력 전압을 갖는 직류전원(220)과 부하(250)사이에 전기적으로 연결되어있다. 변압기(210)는 1차 권선(212)과 2차 권선(214)을 포함한다. Q5로 명명된 n-채널 모스펫인 1차 스위치(216)는 1차 권선(2l2)과 직렬로 연결되어있다. 1차권선(212)은 모스펫(216)의 드레인 단자(218)와 직류 전원(220) 사이에 전기적으로 연결되어 있고, 직류 전원(220)은 역시 모스펫(216)의 소스 단자(222)와 전기적으로 연결되어 있다. 전술한 바와 같이, 모스펫(216)의 동작이 또같이 유지한다면, 모스펫(216) 단자 연결은 1차 권선(212)과 전원(220)과 다르다. 제어장치(240)는 모스펫(216)의 게이트 단자(224)에 전기적으로 연결되어 있고, 게이트(224)에 전압을 가해서 모스펫(226)을 선택적으로 도전(導電)되게 한다. 모스펫(216)이 도전될 때, 그것은 1차 권선(212)과 전원(120)을 갖는 폐회로를 만든다.
2차 스위치(230)(Q6로 명명된 n-채널 모스펫)는 2차 권선(214)과 직렬로 연결되어있고, n-채널 모스펫 Q5인 1차 스위치(216)가 오프일 때 도전된다. n-채널 모스펫(230)의 게이트 단자(238)는 변압기의 3차 권선(237)과 전기적으로 연결되어있고, 이것은 드레인 단자(236)의 출력과 병렬로 연결되어있다. 3차 권선(237)은 2차 스위치(230)를 켜는데 필요한 양(positive)전압을 제공한다. 모스펫(230)의 소스 단자(239)는 클램핑 커패시터(232)와 전기적으로 연결되어있다. D3로 명명된 n-채널 모스펫인 정류기(226)는 또한 변압기(210)의 2차 권선(214)과 직렬 연결되어 있다. 모스펫(216)이 도전일 때, 정류기(226)는 도전이다. 또 정류기(226)는 2차 스위치(230)(모스펫 Q6)와 클램핑 커패시터(232)와 병렬 연결되어있다. 두번째 정류기(234)(D6로 명명된 n-채널 모스펫)는 클램핑 커패시터(232)와 직렬로, 변압기(210)의 2차 권선(214)과는 병렬로 연결되어있다. LC회로(260)는 2차 권선(214)과 정류기(234)와 전기적으로 연결되어있다. LC회로(260)는 2차 권선(214)과 정류기(234)와 직렬 연결된 필터 인덕터(262)와 2차 권선(214)과 정류기(234)와 병렬 연결된 필터 커패시터(264)를 포함한다. 전술한 바와 같이, 정류기(226,234)와 LC회로(260)는 정류와 평활회로를 제공한다.
도 3b에서는 도 3a의 변환기의 회로가 도시되고, 제어장치(240)가 1차 스위치(216)(n-채널 모스펫 Q5)를 도전(導電)시킬 때 도전한다. 모스펫 Q5가 도전일 때, 폐회로가 형성되므로, 드레인(218)과 소스(222)를 통해 존재하는 입력 전압은 변압기(210)의 1차 권선(212)을 통해 전원(220)으로부터 전류를 흐르게 하고, 2차 권선(214)에 전압을 유도한다. 2차 권선(214)을 통과하는 전압은 모스펫 D5인 정류기(226)를 순방향으로 바이어스 하고, LC회로(260)를 통해 전류가 흐르게 한다. LC회로(260)는 2차 권선(214)을 통해 나타나는 전압을 평활화하고, 직류 출력은 부하(250)에서 얻어진다.
도 3c에서는 제어장치(240)가 모스펫(216)을 턴오프(turn off)시킬때 도전(導電)하는 도 3a의 회로의 일부를 보여준다. 모스펫(216)이 오프일 때 1차 권선(212)과 2차 권선(214)을 통한 전류의 순방향 흐름이 끝난다. 직류전원(220)과 1차 권선(212), 모스펫(216)사이에 도시된 대쉬라인 연결은 모스펫(216)이나 1차 권선(212)을 통해 전류가 흐르지 않는다는 것을 나타낸다. 모스펫(216)이 오프일 때, n-채널 모스펫(230)이 도전을 일으키는 3차 권선(237)을 통하는 양(positive)전압이 나타난다. 또한, 모스펫 Q6인 2차 스위치(230)의 자기-구동 특징은 그것을 턴온 및 턴오프하기 위해 스위치(230)에 연결된 제어장치(240)의 필요성을 제거한다는 점에 주목할 수 있다.
전술한 바와 같이, 2차 스위치(230)가 온일 때 2차 권선(214)내의 자화 전류는 드레인(236)에서 소스(239)로 흘러서 클램핑 커패시터(232)를 충전시킨다. 따라서, 클램핑 커패시터(232)는 변압기(210)의 2차 권선(214)에서의 전압을 사실상 입력 전압의 크기로 클램핑한다. 이외에도 2차 권선(214)을 통과하는 전압은 정류기(234)(모스펫 D6)를 순방향 바이어스하고, 필터 인덕터(262)내에 저장된 에너지를 필터커패시터(264)와 부하(250)로 방출시킨다.
상기 각각의 실시예에서, 클램핑 커패시터와 변압기의 2차 권선은 공진회로를 형성하고, 클램핑 커패시터가 변압기내의 자화에너지를 재순환시키므로 변압기에서의 전압이 클램핑 커패시터의 전압 이하로 가지 않을 것으므로, 결과적으로 변압기는 효율적으로 리셋되고, 1차 스위치를 통과하는 스트레스(stress)는 최소화한다.
본 발명의 이 특징은 도 4a-4d에서 더 잘 나타낸다. 도 4a는 1차 스위치(16,116,216)의 타이밍 도표(timing diagram)를 보여준다. 도면에 도시된 바와 같이 파형은 주기적이고, t1과 t2 사이에서 스위치(16,116,216)는 온(on)이고, t2와 t4사이에서 스위치(16,116,216)는 오프(off)이다. t4와 t5사이에서 스위치(16,116,216)는 다시 온(on)이다. 도 4b에는 1차 스위치(16,116,216)의 온과 오프 주기 동안 변압기(10,110,210)의 1차 권선(12,112,212)를 통해 존재하는 전압이 도시된다. 도면에 도시된 바와 같이, 1차 스위치(16,116,216)가 온일 때, 즉, 시간 t1과 t2, t4와 t5사이에서 1차 권선(12,112,212)을 통과하는 전압은 높다. 1차 스위치(16,116,216)가 오프일 때, 즉, 시간 t2와 t4사이의 주기시간 동안 1차 권선(12,112,212)을 통과하는 전압은 낮다.
도 4c에는 도 2a와 3a에서 도시된 1차 스위치(16,116,216)를 통과하여 존재하는 전압이 도시된다. 파형에 도시된 바와 같이, 스위치가 오픈(open)일때, 시간 t2와 t4사이에서 전압은 입력전압에서 일정하게 유지하고, 시간 t4에서 스위치가 다시 켜질 때 제로볼트로 돌아간다. 도 4d에는 1차 스위치(16,116,216)의 온과 오프 기간동안 변압기(10,110,210)의 2차 권선(14,114,214)을 통과하여 나타나는 전압이 도시된다. 도시된 바와 같이, 1차 스위치(16,116,216)가 온일 때, 시간 t1과 t2, t4와 t5사이에서, 2차 권선(14,114,214)을 통과하는 전압은 높다. 1차 스위치(116,216)가 오프인 시간 t2와 t4인 때 2차 권선(1l4,214)을 통과하는 전압은 음(negative) 전압이다.
2차 권선(14,114,214)으로부터 발산하는 저장된 자화 에너지를 갖는 클램핑 커패시터(24,132,232)의 효과 때문에, 상기 전압은 1차 스위치(16,1l6,216)가 오프인 전기간(entire period)동안 일정하다. 이 음전압은 변압기의 흐름방향을 변화시키고, 결과적으로 변압기코어를 리셋되게 한다.
전술한 도 4a-4d에서 도시된 바와 같이, 전술한 실시예에서 설명한 직류-직류 변환기는 전형적인 변환기에서 바람직하지 않은 공통 데드타임을 제거한다. 게다가, 1차 스위치의 오프기간 동안 2차 권선을 통과하는 일정한 전압은 변압기코어를 리셋한다. 그런 향상된 리셋팅 기술은 그 자체에 자기구동(self-driven)동기 정류(synchronous rectification)를 주고, 더 낮은 출력전압과 부하(load)에서 더 높은 파워 밀도를 필요로 하는 경우에 유용하다.
변전(power conversion)산업의 추세는 더 낮은 출력전압과 더 높은 파워 밀도를 요구한다. 동기 정류와 제로 전압 스위칭은 이 요구를 충족하는데 사용된 기술 가운데 하나이다. 이상(異相, out of phase)을 일으키는 정류기는 LC(LC)필터회로에 감소된 입력전압을 주기 때문에 동기 정류는 본 발명의 직류-직류 변환기를 사용하여 이루어질 수 있다. 변압기의 2차 권선을 통과하는 전압은 정류기를 가동시키기 때문에 본 발명은 자기-구동 동기 정류를 더 제공한다. 게다가 자기-구동 동기 정류기의 수행은 변압기코어의 리셋팅에 의존하기 때문에 본 발명의 리셋팅 기술은 동기 정류를 향상시킨다.
제로 전압 스위칭은 본 발명에 의해서 더 잘 수행될 수 있다. 본 발명은 스위치가 다시 켜지기 전에 제로 볼트근처의 값으로 1차 권선을 통과하는 전압을 감소시키기 위해서 변압기내의 자화 전류를 사용한다. 따라서 스위치에서 전력손실이 크게 감소하게 된다.
여기서 설명된 변화, 수정과 다른 방법은 청구된 발명의 범위와 참뜻을 벗어남없이 당해 분야에 속하는 통상의 기술을 가진자에게 생각이 날 것이다. 따라서 본 발명은 앞에서 설명한 것에 의해 한정되는 것이 아니라 다음의 청구항의 범위와 참뜻에 의해 규정되어진다.

Claims (20)

  1. 자기-구동 싱글 엔드 직류 변환기에 있어서,
    1차 권선 및 제1단자(terminal)와 제2단자(terminal)를 구비한 2차 권선을 갖는 변압기와,
    상기 1차 권선과 전기적으로 연결되며 입력이 인가되면 활성화되는 1차 스위치와,
    제1단자(terminal)와 제2단자(terminal) 및 상기 2차 권선의 상기 제2단자와 전기적으로 연결되는 제어단자를 구비한 2차 스위치와,
    상기 2차 스위치의 제2단자와 전기적으로 연결되는 제1단자와 제2단자를 구비한 커패시터 -상기 커패시터의 제2단자와 상기 2차 스위치의 제1단자 중 하나가 상기 2차 권선과 전기적으로 연결됨-,
    를 포함하며, 제1전압이 상기 2차 권선에 나타날 때는 상기 2차 스위치에 전기가 통하지 않으며, 상기 2차 권선에 상기 제1전압과 반대 극성의 제2전압이 나타날 때는 상기 2차 스위치에 전기가 통하며, 상기 커패시터는 일정 전압에서 상기 2차 권선을 클램프하여 상기 변압기의 리세팅을 일으키는 자기-구동 싱글 엔드 직류 변환기.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 2차 권선의 상기 제1단자와 전기적으로 연결되는 제1단자와, 상기 커패시터의 제2단자와 상기 2차 스위치의 제1단자 중 다른 하나와 전기적으로 연결되는 제2단자를 갖는 다이오드 디바이스를 더 포함하며,
    상기 2차 스위치는 상기 1차 스위치에 전기가 통하지 않게 된 후 활성화되는 자기-구동 싱글 엔드 직류 변환기.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 제2 스위치는 모스펫(MOSFET)인 자기-구동 싱글 엔드 직류 변환기.
  4. 자기-구동 싱글-엔드 직류 변환기에 있어서,
    1차 권선과 2차 권선을 구비한 변압기와,
    상기 1차 권선과 직렬 연결되는 1차 스위치와,
    상기 2차 권선과 전기적으로 연결된 제어단자를 갖는 2차 스위치와,
    상기 2차 스위치와 전기적으로 연결되는 클램핑 커패시터와,
    상기 1차 권선과 전기적으로 연결되며, 상기 1차 스위치에 전기가 통할 때 상기 변압기의 상기 1차 권선을 통해 전류가 흐르게 하도록 입력 전압을 공급하는 전압소스
    를 포함하며, 상기 2차 스위치는 상기 1차 스위치에 전기가 통하지 않을 때 상기 2차 권선에 의해 생성되는 전압에 의해 직접 활성화되는 자기-구동 싱글 엔드 직류 변환기.
  5. 싱글-엔드 직류 변환기에 있어서,
    1차 권선 및 제1단자와 제2단자를 갖는 2차 권선을 구비하는 변압기와,
    상기 1차 권선과 직렬 연결된 1차 스위치와,
    제1단자와 제2단자를 갖는 다이오드 디바이스 -상기 다이오드의 상기 제1단자는 상기 2차 권선의 상기 제1단자와 전기적으로 연결됨-와,
    상기 2차 권선과 전기적으로 연결된 제1단자와 제2단자 및 활성 단자를 구비한 2차 스위치와,
    제1단자와 제2단자를 갖는 커패시터
    를 포함하며, 상기 커패시터의 상기 제1단자는 상기 2차 스위치의 상기 제2단자와 전기적으로 연결되고, 상기 2차 스위치의 상기 제1단자와 상기 커패시터의 상기 제2단자 중 하나는 상기 2차 권선의 상기 제1단자와 전기적으로 연결되며 상기 2차 스위치의 상기 제1단자와 상기 커패시터의 상기 제2단자 중 다른 하나는 상기 다이오드 디바이스의 상기 제2단자와 연결되며, 상기 커패시터는 상기 2차 스위치에 전기가 통할 때 전압에서 상기 2차 권선을 클램프하는 싱글-엔드 직류 변환기.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 2차 권선과 병렬 연결되어 상기 1차 스위치가 비활성화될 때 활성화되는 제2 다이오드 디바이스를 더 포함하는 싱글-엔드 직류 변환기.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 1차 스위치와 상기 2차 스위치로 신호를 공급하여 상기 스위치들이 각각에 대해 다른 위상으로 동작되도록 하는 제어회로를 더 포함하는 싱글-엔드 직류 변환기.
  8. 제 5 항에 있어서,
    상기 1차 스위치가 활성상태에서 비활성상태로 전환될 때 상기 변압기로부터 자화전류가 상기 커패시터로 전달되는 싱글-엔드 직류 변환기.
  9. 제 5 항에 있어서,
    상기 제어장치는 상기 스위치 중 하나를 비활성으로 만든 후, 상기 스위치 중 다른 하나가 활성화되기 전에, 선정된 시간에 상기 1차 스위치와 상기 2차 스위치를 오프위치에 유지시키는 싱글-엔드 직류 변환기.
  10. 싱글-엔드 직류 변환기에 있어서,
    1차 권선과 2차 권선 및 3차 권선을 포함하는 변압기와,
    상기 1차 권선과 직렬 연결된 1차 스위치와,
    상기 2차 권선과 직렬 연결되고, 상기 3차 권선을 통과하는 전압으로 인해 전기가 통하는 2차 스위치와,
    상기 2차 스위치와 직렬 연결되고, 상기 1차 스위치에 전기가 통하지 않을 때 전압을 충전하는 커패시터와,
    상기 2차 스위치와 병렬로 연결되고 상기 커패시터가 직렬로 연결되는 다이오드 디바이스
    를 포함하는 싱글-엔드 직류 변환기.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 1차 모스펫은 상기 1차 권선과 연결된 드레인 단자와 상기 제어회로와 연결된 게이트 단자를 갖는 싱글-엔드 직류 변환기.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 1차 모스펫이 비활성상태에 도달할 때 상기 2차 모스펫이 스스로 활성화되는 싱글-엔드 직류 변환기.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 1차 모스펫이 선정된 기간에 비활성화한 후에 상기 2차 모스펫이 스스로 활성화되는 싱글-엔드 직류 변환기.
  14. 제 10 항에 있어서,
    상기 1차 모스펫은 제어회로에 의하여 구동되고, 상기 2차 모스펫은 자가 구동하는 싱글-엔드 직류 변환기.
  15. 제 10 항에 있어서,
    상기 1차 모스펫은 n-채널(n-channel) 모스펫이고, 상기 2차 모스펫이 p-채널(p-channel) 모스펫인 싱글-엔드 직류 변환기.
  16. 제 10 항에 있어서,
    상기 1차 모스펫과 상기 2차 모스펫이 n-채널 모스펫인 싱글-엔드 직류 변환기.
  17. 제 10 항에 있어서,
    상기 2차 권선과 직렬 연결된 3차 권선을 더 포함하는 싱글-엔드 직류변환기.
  18. 제 17 항에 있어서,
    상기 2차 모스펫은 게이트와 상기 3차 권선과 연결된 드레인을 구비하는 것인 싱글-엔드 직류변환기.
  19. 제 10 항에 있어서,
    상기 2차 권선과 전기적으로 연결되는 LC회로(LC circuit)를 더 포함하는 싱글-엔드 직류변환기.
  20. 싱글-엔드 전류 변환기에서 변압기 코어를 리세팅하는 방법에 있어서,
    변압기의 1차 권선에서부터 2차 권선까지 에너지를 전달시키는 단계와,
    상기 2차 권선에 전달된 에너지에 응답하여 상기 2차 권선에 전기적으로 연결된 2차 스위치를 스스로 활성화시키는 단계와,
    상기 2차 스위치와 전기적으로 연결된 클램핑 커패시터를 상기 2차 권선으로부터의 자화 전류로 충전하는 단계와,
    상기 변압기의 상기 1차 권선을 통해 전류가 흐르지 않는 동안 상기 커패시터에 저장된 상기 전하와 같은 전압으로 상기 2차 권선을 클램핑하여 상기 변압기의 리세팅을 야기하는 단계
    를 포함하는 싱글-엔드 변환기내의 변압기코어를 리셋팅하는 방법.
KR10-1999-7000377A 1996-07-18 1997-07-18 동기 정류에 대한 향상된 리셋팅을 제공하는 싱글엔드 순방향 직류-직류 변환기 KR100481065B1 (ko)

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