KR100555859B1 - 공진형 스위칭 전원 - Google Patents

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Abstract

스위칭 전원은 MOS 트랜지스터가 교대로 온(on)이 됨에 따라, 트랜스포머의 1차 권선(卷線)에 스위칭 전류가 흘러, 2차측으로 교체 전력이 전송(轉送)된다. 그리고, 2차 권선에 발생한 교체 전압은 제1 및 제2 다이오드에 의해 전파(全波) 정류(整流)된다.
절연 트랜스포머에 결합되어 있는 3차 권선에 공진 소자(컨덴서 및 코일)을 접속함으로써, 1차측을 공진 상태로 할 수 있어, 전류 공진형의 스위칭 전원으로 할 수 있다.
트랜스포머의 누설 인덕턴스(leakage inductance)를 공진 소자로 하고 있지 않으므로, 절연 트랜스포머의 권선 간을 밀접하게 결합할 수 있다. 공진 전류를 직접 단속(斷續)하고 있지 않으므로, 1차 전류의 피크(peak)치가 저하되어 스위칭 로스(loss), 및 온 저항에 의한 손실을 저감할 수 있다. 따라서, 전류 공진형 전원의 효율이 향상된다.
스위칭 전원, MOS 트랜지스터, 트랜스포머, 권선, 공진 소자.

Description

공진형 스위칭 전원{RESONANCE TYPE SWITCHING POWER SOURCE}
도 1은 본 발명의 스위칭 전원 회로의 실시형태를 나타낸 회로도.
도 2는 도 1에 있어서, 스위칭 동작 시의 각 부의 신호를 나타낸 파형도.
도 3은 3차 권선(卷線)에 배설한 공진 임피던스(impedance)의 등가적인 회로도.
도 4는 전류 공진형(共振型) 스위칭 전원의 개요를 나타낸 회로도.
도 5는 스위칭 전압과 공진 전류의 파형도.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
Q1, Q2: 스위칭 소자, T: 절연 트랜스포머, Cr: 공진 콘덴서, Lr: 공진 코일, L1: 1차 권선, L2: 2차 권선, L3: 3차 권선.
본 발명은 스위칭 전원 회로에 관한 것이며, 특히 전류 공진형(共振型) 스위칭 전원에 있어서 전력 손실을 경감할 때에 유용한 스위칭 전원에 관한 것이다.
도 4는 하프브리지(half-bridge) 회로에 의해 구성되어 있는 스위칭 전원 회로의 원리도를 나타낸 것으로, 도면 부호 Q1, Q2는 직렬 접속되어 있는 MOSFET로 이루어지는 스위칭 소자, 도면 부호 T는 1차측의 스위칭 전력을 2차측으로 전송(轉送)하는 절연 트랜스포머이다.
IC는 상기 스위칭 소자 Q1, Q1을 교대로 개폐하기 위한 전원 콘트롤 회로를 나타내고, 통상은 도시되어 있지 않은 전압 검출 수단에 의해 출력 전압 V0와 기준 전압을 비교하면서, 스위칭 소자 Q1, Q2의 스위칭 주파수를 가변할 수 있도록 구성하고, 출력 전압 V0을 일정한 전압으로 설정할 수 있도록 제어하는 것이다.
스위칭 소자 Q1, Q2의 출력은 절연 트랜스포머 T의 1차 권선(wiring) L1과 공진 콘덴서 C1에 공급되고 있다. 그리고, 스위칭 소자 Q1, Q2가 교대로 개폐되면, 트랜스포머 T의 누설 인덕턴스(leakage inductance)와 공진하는 공진 콘덴서 C1을 충방전(充放電)하는 전류에 의해, 트랜스포머의 1차 권선 L1이 드라이브된다.
그리고, 이 공진 전류에 의해 스위칭 소자로 흐르는 전류가 0으로 되는 타이밍에서 스위칭 소자의 전환이 행해지도록 하면, 스위칭 소자의 손실 전력을 적게 할 수 있다.
그리고, 절연 트랜스포머 T의 2차 권선 L2에 전파(全波) 정류(整流)의 다이오드 D1, D2와, 평활(平滑) 콘덴서 C0이 접속되어, 직류 출력 전압 V0이 얻어진다.
그런데, 이와 같은 스위칭 전원 회로는 스위칭 소자 Q1, Q2에 의한 개폐에 의해 도 5에 나타낸 바와 같은 전압 V1과 전류 I가 흐르고, 스위칭 소자 Q1의 턴온(turn on) 시에는, 트랜지스터로 흐르는 전류는 마이너스 방향으로부터 공진 조건에 의해 결정되는 기울기로 흐르기 시작하여, 제로-크로스(zero-cross)를 실현 하지만, 흐르는 전류 I에는 도 5에 나타낸 바와 같이, 전력 전송만큰의 전류 I1에 대하여 공진 회로분의 공진 전류 IR이 중첩되어 있으므로, 그 피크 전류치가 증가한다.
이 때문에, 스위칭 소자 Q1, Q2에서의 포화(飽和) 전압과 전류의 적(積)의 전력 손실이 증가한다고 하는 문제가 있었다.
또, 특히 종래의 전류 공진형 스위칭 전원은 공진 전류를 형성하기 위해 절연 트랜스포머 T의 누설 인덕턴스를 이용하여, 이 누설 인덕턴스와 공진 콘덴서 C1에 의해 공진 주파수가 설정되도록 하고 있으므로, 절연 트랜스포머 T의 설계가 어렵다고 하는 문제가 생기는 동시에, 절연 트랜스포머 T에 일부러 누설 자속(磁束)이 생기도록, 예를 들면 1차 권선 L1과 2차 권선 L2를 소결합(疎結合)(loose coupling)이 되도록 설계하기 때문에, 전력의 변환 효율이 저하되어, 누설 자계(磁界)의 발생이 문제가 된다.
본 발명은 이러한 문제점을 해소하기 위해, 전원 전압을 소정의 스위칭 주파수로 스위칭하는 동시에, 이 스위칭 동작에 의해 생기는 교체 전력을 트랜스포머를 통해 출력하는 스위칭 전원 회로에 있어서, 상기 트랜스포머의 권선에 소정의 주파수로 공진하는 공진 소자로 이루어지는 제3 권선을 배설하고, 이 공진 소자에 의해 스위칭 전원의 공진 주파수를 정하도록 한 것이다.
트랜스포머는 하프브리지 타입의 스위칭 전원의 경우, 통상 1차 권선과 2차 권선에 의해 구성되고, 제3 권선이 3차 권선으로 된다. 그리고 이 3차 권선에 공진 소자를 접속함으로써, 전류 공진형의 스위칭 전원을 구성하도록 하고 있다.
전류 공진 회로를 트랜스포머의 제3 권선에 부가하여 스위칭 전원의 공진 주파수를 정하도록 했으므로, 스위칭 소자에 의해 직접 공진 전류를 단속(斷續)하는 일이 없어져, 그만큼 스위칭 손실을 저감할 수 있다.
또, 절연 트랜스포머의 경우에는 1차 권선과 2차 권선을 밀접하게 결합할 수 있으므로, 전송하는 전력의 변환 효율을 종래의 전류 공진형 스위칭 전원과 비교하여 향상시킬 수 있다.
또한 권수비(卷數比)에 따라 임의로 공진 회로의 인가 전압을 설정할 수 있어, 공진 회로의 최적 설계(저(低)손실화)를 행할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예를 나타낸 하프브리지 타입의 전류 공진형 스위칭 전원 회로로서, 상기한 도 4에 나타낸 바와 같이, 도면 부호 E는 공급 전원, Q1, Q2는 하프브리지 접속의 스위칭 회로를 형성하는 스위칭 소자이고, 이것들은 MOS 트랜지스터에 의해 구성되어 있다.
그리고, 그 출력은 절연 트랜스포머 T의 1차 권선 L1을 통해 하프브리지 구성으로 하기 위한 2개의 전류용(轉流用) 콘덴서 C1, C2의 중점(中點)에 접속되어 있다.
또, 절연 트랜스포머 T의 2차 권선 L2에 유기(誘起)되는 유기 전압이 다이오드 D1, D2를 통해 평활(平滑) 콘덴서 C0을 충전하도록 전파 정류 회로(全波整流回路)를 구성하고 있다.
또한, 본 발명의 실시예에서는 절연 트랜지스터 T에 제3 권선으로서 3차 권 선 L3을 배설하고, 이 3차 권선 L3에 대하여 공진용 콘덴서 Cr과 공진용 코일 Lr이 접속되어, 공진 회로를 부가하도록 하고 있다.
즉, 이 3차 권선 L3에 결합되어 있는 공진 소자(Cr, Lr)는 도 3에 나타낸 바와 같이 등가적으로는 절연 트랜스포머 T를 통해 1차측의 스위칭 회로에 권선비(卷線比) N1/N3=a를 통해 접속된 것으로 된다.
이 경우, R1과 (1-k) L1은 각각 1차 권선의 저항 성분과, 누설 인덕턴스분을 나타내고, K는 1차 권선과 3차 권선의 결합계수를 나타내고 있다.
밀접 결합에 의해 K=1로 간주할 수 있을 때는, 공진 소자 Cr, Lr의 임피던스는 권선비를 "a"로 할 때, 잘 알려져 있는 바와 같이 a2배된 것으로 된다.
그리고 이 등가적인 공진 소자의 임피던스에 의해 설정된 공진 주파수가, 스위칭 소자 Q1, Q2를 개폐했을 때에 공진 파형으로 되는 전류 IR을 3차 권선에 유기한다.
그리고, IC는 스위칭 소자 Q1, Q2를 드라이브하기 위한 제어용 IC 회로이며, 이 IC 회로는 통상은 출력 전압 V0을 일정한 전압으로 유지하도록 스위칭 주파수를 제어하는 동시에, 스위칭 전원의 이상한 온도 상승 등을 검지하여 스위칭 동작을 정지시키는 보호 기능을 가질 수 있도록 하고 있다.
다음에, 본 발명의 스위칭 전원의 동작을 설명한다.
예를 들면, MOS 트랜지스터 Q1이 온, MOS 트랜지스터 Q2가 오프로 되도록 구동되면, 전압 V1이 전원 E로부터 MOS 트랜지스터 Q1, 및 트랜지스터의 1차 권선 L1 을 통해 전류(轉流) 콘덴서 C1로 전류가 흘러, 전류 콘덴서 C1이 충전되는 동시에 트랜스포머의 1차 권선 L1에 도 2에 나타낸 바와 같은 전류 I1이 흐른다.
다음에, 공진 주기에 대응하여 MOS 트랜지스터 Q1이 오프, MOS 트랜지스터 Q2가 온으로 되도록 구동됨으로써, 전압 V1이 트랜지스터의 포화 전압으로 되어, 전류 콘덴서 C2, 트랜스포머의 1차 권선 L1을 통해 역(逆) 방향의 전류 I1이 절연 트랜스포머 T의 1차 권선 L1에 공급되고, 2차 권선 L2에 교체 전압(alternate voltage)이 유기된다.
스위칭 주기의 듀티(duty)가 50%이면, 전류 콘덴서 C1, C2에는 전원 전압의 1/2이 정상(定常) 상태로 각각 충전된다.
그런데, 이 절연 트랜스포머 T에 인가된 교체 전압은, 3차 권선 L3에도 유기되지만, 3차 권선은 공진 소자(Lr, Cr)에 의해 직렬 공진을 일으키도록 형성되어 있으므로, 도 2의 전류 파형 IR에 나타낸 바와 같이, 이 공진 소자의 영향을 받아 1차측의 전류 I도 공진 파형으로 된다.
즉, 도 3에 나타낸 절연 트랜스포머 T의 1차, 3차 간의 등가적인 회로로부터, 공진 소자의 임피던스 ωL1/ωC의 공진 임피던스를 권선비 a2배한 것이 1차측 회로에 삽입되어 있는 것과 등가로 되고, 종래의 전류 공진형 회로와 마찬가지로 스위칭 주기를 적당히 정함으로써 턴 온 및 턴 오프 시의 스위칭 손실을 저감할 수 있다.
그리고, 본 발명의 경우에는 MOS 트랜지스터가 온인 때에도, 이 공진 전류 성분이 스위칭 소자에 의해 직접 단속되는 일이 없으므로, FET의 온 저항에 의한 손실을 적게 할 수 있다.
또, 공진 주파수의 설정은 트랜스포머의 누설 인덕턴스를 사용하고 있지 않으므로, 절연 트랜스포머의 1차 권선과 2차 권선, 및 3차 권선의 결합을 될 수 있는 한 밀접 결합이 되도록 권선을 배설할 수 있어, 절연 트랜스포머의 설계를 용이하게 하는 동시에, 특히 2차 권선에 대한 전력의 전송 효율을 높게 할 수 있다.
그리고, 1차 권선 L1에 대하여 3차 권선 L3을 약간 소결합이 되도록 설계하면, 1차 권선과 3차 권선 사이에서만 누설 플럭스(flux)가 생기고, 이 누설 플럭스를 누설 인덕턴스로서 이용함으로써, 도 1의 공진 코일 Lr을 생략하고, 콘덴서 Cr로 공진 주파수를 설정하도록 해도 된다.
상기 실시예는 하프브리지 타입의 전류 공진형 컨버터(converter)를 예로서 설명했지만, 본 발명은 트랜스포머의 권선을 통과하는 전류를 단속하고, 그 스위칭 동작에 의해 교체 전압을 발생하는 동시에, 스위칭 전류를 공진 파형을 이용하여 단속하는 공진형 전력 변환 장치에 있어서, 공진 회로만을 접속하는 권선을 구비함으로써 공진형 스위칭 전원을 형성하는 다른 방식의 공진형 전력 변환 장치에도 응용할 수 있음은 물론이다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명은 트랜스포머의 누설 인덕턴스를 사용하여 공진형의 컨버터를 형성하는 전력 변환 장치에 있어서, 소정의 공진 주파수로 공진하는 공진 회로만을 형성하는 제3 권선을 트랜스포머에 배설하고 있으므로, 공진 전류를 스위칭했을 때의 스위칭 로스를 없앨 수 있어, 변환 장치의 효율을 높게 할 수 있다고 하는 효과가 있다.
또, 특히 절연형 전력 변환 장치의 경우에는, 1차 권선과, 2차 권선의 결합을 밀접하게 할 수 있으므로, 트랜스포머의 설계가 용이하게 되는 동시에, 전력의 전송 효율을 향상할 수 있다고 하는 효과가 있다.

Claims (6)

  1. 전원 전압을 소정의 스위칭 주파수로 스위칭 소자에 의해 단속(斷續)하는 스위칭 동작을 행하는 동시에, 이 스위칭 동작에 의해 생기는 교체 전력을 트랜스포머를 통해 출력하는 스위칭 전원에 있어서,
    상기 트랜스포머의 권선(卷線)에 소정의 주파수로 공진(共振)하는 공진 소자가 접속되어 있는 제3 권선을 배설하여, 상기 공진 소자에 의해 상기 트랜스포머의 권선 및 스위칭 전원의 공진 주파수를 정하도록 한 것을 특징으로 하는 공진형 스위칭 전원.
  2. 제1항에 있어서, 상기 트랜스포머는 1차 권선과 2차 권선에 의해 구성되고, 상기 제3 권선이 3차 권선으로서 결합되어 있는 것을 특징으로 하는 공진형 스위칭 전원.
  3. 제1항에 있어서, 상기 스위칭 소자는 하프브리지(half-bridge) 접속된 2개의 MOS 트랜지스터로 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 공진형 스위칭 전원.
  4. 제2항에 있어서, 상기 1차 권선과 2차 권선은 밀접하게 결합되어 있는 것을 특징으로 하는 공진형 스위칭 전원.
  5. 제2항에 있어서, 상기 제3 권선에 형성되어 있는 공진 회로는, 공진 코일과 공진 콘덴서의 직렬 접속 회로에 의해 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 공진형 스위칭 전원.
  6. 제2항에 있어서, 상기 제3 권선과 제1 권선을 소결합(疎結合)(loose coupling)으로 하고, 제3 권선에 접속되어 있는 콘덴서와 제1 권선 및 제3 권선 간의 누설 인덕턴스(leakage inductance)에 의해 공진 주파수를 정하는 것을 특징으로 하는 공진형 스위칭 전원.
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