KR100590086B1 - 하프브릿지 컨버터 - Google Patents

하프브릿지 컨버터 Download PDF

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Abstract

본 발명은 스위치를 비대칭으로 사용하는 하프브릿지 컨버터에 관한 것이다.
본 발명의 따르면 하프브릿지 컨버터의 주 스위치와 보조 스위치의 특성이 서로 다른 것을 사용한다. 즉, 주 스위치의 전류 용량이 보조 스위치의 전류용량보다 더 크며 주 스위치의 기생 커패시턴스가 보조 스위치의 기생 커패시턴스보다 더 작도록, 주 스위치와 보조 스위치를 설정한다. 이를 통해, 가격 절감을 이룰 수 있다.
하브브릿지 컨버터, SMPS, 전류 용량, 기생 커패시턴스

Description

하프브릿지 컨버터{HALF BRIDGE CONVERTER}
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 비대칭 하프브릿지 컨버터를 개략적으로 나타내는 회로도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 하프브릿지 컨버터에서 주 스위치 및 보조 스위치의 동작에 따른 주 스위치(Q1)와 보조 스위치(Q2)를 통해 흐르는 전류 파형을 나타내는 도면이다.
도 3은 도 2의 각 모드에서 전류 경로를 나타내는 도면이다.
본 발명은 비대칭 하프브릿지 컨버터(half-bridge converter), 특히 스위치를 비대칭으로 사용하는 하프브릿지 컨버터에 관한 것이다.
입력 전압으로부터 소망의 출력 전압을 얻기 위하여 다양한 형태의 컨버터(converter)가 개발되어 왔다. 특히, 최근에는 스위칭 방식에 의한 컨버터인 스위칭 모드 파워 서플라이(switching mode power supply, SMPS)가 많이 사용되고 있다. 일반적으로, SMPS는 하나의 직류 공급 전압을 하나 이상의 직류 출력 전압으로 변환시키는 장치를 의미한다. 이때, 직류 출력 전압은 공급 전압보다 크거 나 또는 더 작은 크기를 갖는다. 이와 같은 SMPS는 파워 전자 장치들, 특히 이동 전화, 랩탑 컴퓨터 등과 같은 밧데리 파워 공급 장치들에 주로 사용된다.
한편, 최근에는 평면 표시 장치 중에서 플라즈마 표시 장치(plasma display device)는 다른 평면 표시 장치(예를 들면, 액정 표시 장치(LCD), 전계 방출 표시 장치(FED))에 비해 휘도 및 발광효율이 높으며 시야각이 넓은 장점으로 인해 각광을 받고 있다. 플라즈마 표시 장치는 기체 방전에 의해 생성된 플라즈마를 이용하여 문자 또는 영상을 표시하는 평면 표시 장치로서, 그 크기에 따라 수십에서 수백 만개 이상의 화소가 매트릭스 형태로 배열되어 있다. 플라즈마 표시 장치를 구동하는 방법으로는 플라즈마 표시 장치의 전극들에 다수의 전압을 공급하여 구동한다. 이때, 상기 다수의 전압을 공급하는 컨버터의 형태로는 하프브릿지 컨버터를 많이 사용하고 있다. 하프브릿지 컨버터는 주 스위치와 보조 스위치를 사용하여 주스위치가 오프되는 동안 보조 스위치를 이용하여 변화기의 누설 및 자화 인덕턴스 전류를 환류시키도록 한다.
일반적으로 하프브릿지 컨버터에서 주 스위치와 보조 스위치는 동일한 특성을 갖는 스위치로 구현되어 있으나 이는 하프브릿지 컨버터의 부하 특성이 정부하라는 동작 조건에서 설계되었기 때문이다. 그러나, 플라즈마 표시 장치에서는 부하의 특성이 많이 변하는 변동부하이기 때문에 주 스위치와 보조 스위치를 동일한 스위치로 사용하면 하프브릿지 컨버터의 성능을 최적화 할 수 없다. 즉, 하프브릿지 컨버터에서 주 스위치와 보조 스위치의 영전압 스위칭(zero voltage switching) 동작을 일으키는 에너지의 크기가 달라 동일한 스위치를 설계하는 것은 적합하지 않다. 또한, 동일한 스위치를 사용하는 경우에는 비용적인 측면에서도 많은 비용이 더는 문제가 있다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 상기한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로 주 스위치와 보조 스위치를 최적으로 설계하는 하프브릿지 컨버터를 제공하기 위한 것이다.
상기한 목적을 달성하기 본 발명의 특징에 따른 하프브릿지 컨버터는
입력 전압과 트랜스 포머의 1차 코일 사이에 전기적으로 연결되어 상기 트랜스 포머의 2차측에 전력을 공급하는 제1 스위치, 상기 제1 스위치와 접지 사이에 전기적으로 연결되는 제2 스위치를 포함하는 전력 공급부; 및
상기 전력 공급부에서 공급되는 전력에 대응하는 출력 전압을 출력하는 출력부를 포함하며,
상기 제1 스위치의 전류 용량이 상기 제2 스위치의 전류 용량보다 큰 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 제1 스위치의 기생 커패시턴스가 상기 제2 스위치의 기생 커패시턴스보다 작은 것을 특징으로 한다.
아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여 기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였다. 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 붙였다.
이제 본 발명의 실시예에 따른 비대칭 하프브릿지 컨버터에 대하여 도면을 참고로 하여 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 비대칭 하프브릿지 컨버터를 개략적으로 나타내는 회로도이다.
도 1에 나타낸 바와 같이 본 발명의 실시예에 따른 비대칭 하프브릿지 컨버터는 전력 공급부(100) 및 출력부(200)를 포함한다.
본 발명의 실시예에 따른 전력 공급부(100)는 정류된 입력 전압(Vin)과 접지 사이에 직렬로 연결되는 주 스위치(Q1) 및 보조 스위치(Q2), 상기 주 스위치(Q1)와 보조 스위치(Q2)의 접점에 제1 단자가 연결되는 커패시터(C1), 커패시터(C1)의 제2 단자와 접지 사이에 연결되는 트랜스 포머(T1)의 1차 코일(La)을 포함한다. 전력 공급부(100)는 입력 전압(Vin)을 입력받아 주 스위치(Q1)의 듀티(duty)에 따라 트랜스 포머의 2차측 즉, 출력부(200)쪽에 전력을 공급한다. 여기서, 보조 스위치(Q2)는 주 스위치(Q1)가 오프(OFF)될 시에 온(ON)되어, 트랜스 포머(T1)의 누설 및 자화 인덕턴스 전류를 환류시킨다.
본 발명의 실시예에 따른 주 스위치(Q1)와 보조 스위치(Q2)는 동일한 특성을 가지는 스위치가 아니라 서로 다른 특성을 가지는 스위치이다. 여기서, 주 스위치(Q1)와 보조 스위치(Q2)는 전력 스위치에 주로 사용하는 모스 트랜지스터(MOSFET)로 나타내었으며 각각의 모스 트랜지스터(Q1, Q2)는 바디 다이오드와 기생 커패시터를 가진다. 도 1에서는 주 스위치(Q1)와 보조 스위치(Q2)를 모스 트랜지스터(MOSFET)로 나타내었지만 그 외의 스위칭 소자로 대체도리 수 있음은 자명하며, 다른 스위칭 소자인 경우에도 주 스위치와 보조 스위치(Q2)는 아래에서 설명하는 바와 같이 서로 다른 특성을 가지는 스위칭 소자를 사용한다.
출력부(400)는 트랜스 포머(T1)의 2차 코일(L2), 트랜스 포머(T1)의 2차코일(Lb)에 제1 단자가 연결되는 커패시터(C2), 커패시터(C2)의 제2 단자에 제1 단자가 연결되는 인덕터(L2), 인덕터(L2)의 제2 단자에 제1 단자가 연결되는 커패시터(C3), 커패시터(C2)와 인덕터(L2)의 접점과 커패시터(C3)의 제2 단자 사이에 연결되는 프리휠링 다이오드(D1)를 포함한다. 여기서, 커패시터(C2)는 트랜스 포머(T1)의 2차코일에 의해 유기된 전압을 정류하는 역할을 하고, 다이오드(D1)는 주 스위치(Q1)가 오프인 경우에 전류를 프리휠링시키는 역할을 하며, 주 스위치(Q1)가 온(ON)인 경우에는 커패시터(C3)는 출력전압(Vout)의 리플을 제거하는 역할을 하고 주 스위치(Q1)가 오프(OFF)인 경우에는 출력전압(Vout)을 공급하는 역할을 한다. 이와 같은 구성을 가지는 출력부(200)는 전력 공급부(100)로부터 전달되는 에너지를 이용하여 로드(load)에 일정한 출력 전압(Vout)을 출력한다.
이하에서는 도 2 및 도 3을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 하프브릿지 컨버터의 동작에 대해서 알아본다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 하프브릿지 컨버터에서 주 스위치(Q1) 및 보조 스위치(Q2)의 동작에 따른 주 스위치(Q1)와 보조 스위치(Q2)를 통해 흐르는 전류 파형을 나타내며, 도 3은 도 2의 각 모드에서 전류 경로를 나타내는 도면이다.
먼저, 모드 1(M1)에서는 주 스위치(Q1)는 오프(OFF)되며 보조 스위치(Q2)는 온(ON)된다. 도 3a를 참조하면, 주 스위치(Q1)가 오프이고 보조 스위치(Q2)가 오프이면, 전류 경로는 커패시터(C1), 보조 스위치(Q2), 트랜스 포머의 1차 코일(La) 및 커패시터(C1)로 형성된다. 이때, 커패시터(C1)의 용량이 아주 작은 경우에는 보조 스위치(Q2)를 통해 흐르는 전류는 도 2에 나타낸 바와 같이 작은 기울기를 가지면 상승한다. 즉, 보조 스위치(Q2)가 온(ON)인 경우에는 트랜스 포머(T1)의 누설 및 자화 인덕턴스 전류가 도 3a와 같이 흐른다. 여기서, 보조 스위치(Q2)는 전력을 공급하는 스위치가 아니라 주 스위치(Q1)가 오프(OFF)인 경우 보조하는 스위치이므로 도 2에 나타낸 바와 같이 보조 스위치(Q2)를 통해 흐르는 전류는 주 스위치(Q1)인 온(ON)인 경우 주 스위치(Q1)를 통해 흐르는 전류보다 작은 값이다.
모드 2(M2)는 보조 스위치(Q2)가 오프된다. 이때 모드 2(M2)는 보조 스위치(Q2)가 오프되는 순간으로서, 주 스위치(Q1)도 오프(OFF)인 상태이다. 그러면 도 3b에 나타낸 바와 같이 트랜스 포머의 1차 코일(La)이 통해 흐르는 전류는 주 스위치(Q1)의 바디 다이오드를 통해 흐른다. 즉, 도 3b에 나타낸 바와 같이 전류 경로가 트랜스 포머의 1차 코일(La), 커패시터(C1) 및 주 스위치(Q1)의 바디 다이오드를 통해 흐른다. 여기서, 전류가 주 스위치(Q1)의 바디 다이오드를 통해 흐르므로 주 스위치(Q1)의 드레인-소스 전압이 거의 영(Zero)인 상태가 되며, 이때 주 스위치(Q1)가 온(ON)되어 영전압 스위칭(Zero Voltage Switching, ZVS)이 가능하다.
다음, 모드 3(M3)에서는 보조 스위치(Q2)가 오프(OFF)된 상태에서 주 스위치(Q1)가 온(ON)된다. 이때, 상기에서 설명한 바와 같이 주 스위치(Q1)는 영전압 스위칭(ZVS)이 가능하다. 주 스위치(Q1)가 온(ON)이고 보조 스위치(Q2)가 오프인 상태에서는 도 3c와 같이 전류 경로가 주 스위치(Q1), 커패시터(C1) 및 트랜스 포머의 1차코일(La)로 형성된다. 여기서, 상기에서 설명한 바와 같이 커패시터(C1)의 용량이 아주 작은 경우 주 스위치(Q2)를 통해 흐르는 전류는 도 2의 모드 3에 나타낸 바와 같이 기울기를 가지며 상승한다. 주 스위치(Q1)가 온(ON)된 경우 주 스위치(Q1)를 통해 흐르는 전류는 보조 스위치(Q1)가 온(ON)된 경우 보조 스위치(Q2)를 통해 흐르는 전류보다 큰 값을 가지는데, 이는 주 스위치(Q1)는 입력전압(Vin)을 입력받아 출력부(100)로 전력을 공급하는 역할을 하기 때문이다.
모드 4(M4)에서는 주 스위치(Q1)가 오프(OFF)된다. 이때 모드 4(M4)는 주 스위치(Q1)가 오프되는 순간으로서, 보조 스위치(Q2)도 오프(OFF)인 상태이다. 그러면 도 3d에 나타낸 바와 같이 트랜스 포머의 1차 코일(La)이 통해 흐르는 전류는 보조 스위치(Q2)의 바디 다이오드를 통해 흐른다. 즉, 도 3d에 나타낸 바와 같이 전류 경로가 트랜스 포머의 1차 코일(La), 보조 스위치(Q2)의 바디 다이오드 및 커패시터(C1)를 통해 형성된다. 여기서, 전류가 보조 스위치(Q2)의 바디 다이오드를 통해 흐르므로 보조 스위치(Q2)의 드레인-소스 전압이 거의 영(Zero)인 상태가 되며, 이때 보조 스위치(Q2)가 온(ON)되어 영전압 스위칭(Zero Voltage Switching, ZVS)이 가능하다.
이후의 동작은 모드 1 내지 모드 4의 동작이 반복되므로 이하에서 설명은 생략한다.
상기 도 2를 참조하면, 주 스위치(Q1)가 온(ON)인 경우 주 스위치(Q1)를 통해 흐르는 전류가 보조 스위치(Q2)가 온(ON)인 경우 보조 스위치(Q2)를 통해 흐르는 전류보다 큰 전류가 흐름을 알 수 있다. 따라서, 본 발명의 실시예에서는 주 스위치(Q1)와 보조 스위치(Q2)를 동일한 특성을 가지는 스위칭 소자를 사용하지 않고 다른 특성을 가지는 스위칭 소자를 사용한다. 즉, 주 스위치(Q1)는 전류 용량이 상대적으로 큰 스위칭 소자를 사용하며, 보조 스위치(Q2)는 전류 용량이 작은 스위칭 소자를 사용한다. 이에 따라, 종래에는 주 스위치(Q1)의 전류 용량을 기준으로 설정한 스위칭 소자를 보조 스위치(Q2)에도 동일하게 사용하였으나, 본 발명의 실시예에와 같이 보조 스위치(Q2)를 전류 용량이 작은 스위칭 소자를 사용함으로써 가격 절감을 이룰 수 있다. 또한, 주 스위치(Q1)는 출력부(200)에 전력을 공급하는 역할을 하고 보조 스위치(Q2)는 주 스위치(Q1)가 오프인 경우 트랜스 포머(T1)의 누설 및 자화 인덕턴스 전류를 환류시키는 보조적인 역할을 하므로, 본 발명의 실시예에서는 주 스위치(Q1)는 기생 커패시턴스(Cp1)가 보조 스위치(Q2)의 기생 커패시턴스(Cp2)보다 작은 것을 사용한다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.
이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명에 따르면 주 스위치의 전류 용량이 보조 스위치의 전류 용량보다 크도록 주 스위치(Q1) 및 보조 스위치(Q2)설정함으로써, 보다 가격 절감을 이룰 수 있다.

Claims (6)

  1. 입력 전압과 트랜스 포머의 1차 코일 사이에 전기적으로 연결되어 상기 트랜스 포머의 2차측에 전력을 공급하는 제1 스위치, 상기 제1 스위치와 접지 사이에 전기적으로 연결되는 제2 스위치를 포함하는 전력 공급부; 및
    상기 전력 공급부에서 공급되는 전력에 대응하는 소정의 출력 전압을 출력하는 출력부를 포함하며,
    상기 제1 스위치의 전류 용량이 상기 제2 스위치의 전류 용량보다 큰 것을 특징으로 하는 하프브릿지 컨버터.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 스위치의 기생 커패시턴스가 상기 제2 스위치의 기생 커패시턴스보다 작은 것을 특징으로 하는 하프브릿지 컨버터.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 제1 스위치와 상기 제2 스위치는 교대로 온 또는 오프되는 것을 특징으로 하는 하프브릿지 컨버터.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 전력 공급부는 상기 제1 스위치와 상기 트랜스 포머의 1코일 사이에 전 기적으로 연결되는 커패시터를 더 포함하는 하프브릿지 컨버터.
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 스위치는 모스 트랜지스터(MOSFET)인 것을 특징으로 하는 하프브릿지 컨버터.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 스위치의 드레인과 소스 사이에 바디 다이오드가 연결되는 것을 특징으로 하는 하프브릿지 컨버터.
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