KR100638477B1 - 전원회로 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 입력전압을 일정 전압으로 승압 시 스너버(snubber) 회로에 의하여 스위칭 손실을 감소시키는 역률 개선부와, 고정 주파수 동작 하에서 비대칭 펄스폭 변조방식에 의한 소프트 스위칭 동작으로 모든 스위칭 소자들의 스위칭 손실을 줄이는 출력전압 제어부를 통해 전원회로 장치의 효율을 상승시킬 수 있도록 한 고효율 전원회로 장치에 관한 것이다.
이를 위한 본 발명은, 고효율의 전원회로 장치에 있어서, 입력전압을 일정 출력전압으로 승압 시 스너버(snubber) 회로에 의해 스위칭 손실을 감소시키는 역률 개선부; 및 고정 주파수 동작 하에서 비대칭 펄스폭 변조방식에 의한 소프트 스위칭 동작으로 스위칭 손실을 감소시키는 출력전압 제어부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

전원회로 장치{Power circuit apparatus}
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 고효율 전원회로 장치의 회로 구성도.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 고효율 전원회로 장치의 회로 구성도.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
100, 100' : 역률 개선부
110 : 부스트 컨버터
120, 120' : 스너버(snubber) 회로
200 : 출력전압 제어부(하프-브리지 플라이백 컨버터 회로)
300 : 부하
Lm1 : 부스트 인덕터
Lm2 : 결합 인덕터
Llk : 결합 인덕터간의 누설 인덕턴스
S1 : 부스트 스위치 소자
삭제
Da, Cd : 부스트 컨버터 출력 다이오드, 콘덴서
S2, S3 : 하프-브리지 플라이백 컨버터 스위치 소자
Cr : 공진 콘덴서
T1 : 트랜스포머
Do, Co : 하프-브리지 플라이백 컨버터 출력 다이오드, 콘덴서
본 발명은 고효율 전원회로 장치에 관한 것으로서, 더 상세하게는 입력전압을 일정 전압으로 승압 시 스너버(snubber) 회로에 의하여 스위칭 손실을 감소시키는 역률 개선부와, 고정 주파수 동작 하에서 비대칭 펄스폭 변조방식에 의한 소프트 스위칭 동작으로 모든 스위칭 소자들의 스위칭 손실을 줄이는 출력전압 제어부를 통해 전원회로 장치의 효율을 상승시킬 수 있도록 한 고효율 전원회로 장치에 관한 것이다.
당업자에게 잘 알려져 있는 바와 같이, 전원 공급 장치는 일반적으로 고조파 저감을 위한 역률 개선부와 출력전압 제어를 위한 출력전압 제어부로 구성된다. 고조파 저감을 위한 역률 개선부에서는 역률 개선 및 일정한 출력전압을 만들게 되고, 출력전압 제어부는 상기 역률 개선부의 출력전압을 입력으로 하여 원하는 출력전압을 출력하여 제공한다.
상기 역률 개선부를 위한 역률 개선 회로로는 주로 부스트(boost) 컨버터가 이용되고 있고, 종래기술에 의한 회로에서는 원하는 출력전압을 제공하기 위한 컨 버터부로 플라이백(flyback) 컨버터, 포워드(forward) 컨버터, 직렬공진 컨버터(series-resonant converter: SRC) 등을 사용하고 있다.
그러나 종래의 플라이백 컨버터 혹은 포워드 컨버터는 상대적으로 회로가 간단하다는 특징을 지니지만, 높은 전압 스트레스와 하드 스위칭(hard switching)에 의하여 전원 장치의 효율을 감소시키는 문제점을 가지고 있다. 또한 종래의 주파수 제어 직렬공진 컨버터는, 소프트 스위칭으로 인하여 효율은 좋으나 가변 주파수 제어 특성으로 과도 응답특성이나 과전류 보호 특성이 좋지 못하여 신뢰성이 떨어지는 문제점을 가지고 있다.
한편 역률 개선부에서는 일반적으로 스위치의 도통 시 정류용 다이오드의 스위칭 과정에서 상기 다이오드의 역회복 특성(reverse recovery characteristic)으로 인하여 스위칭 소자와 다이오드의 스위칭 손실이 발생되는 문제점이 있다. 일반적으로 반도체 소자들의 하드 스위칭 동작에 따른 스위칭 손실은 전원 회로의 효율 감소라는 문제점을 안고 있다.
따라서, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 상기한 종래기술의 여러가지 문제점을 해결하기 위하여 입력전압을 일정 전압으로 승압 시 스너버(snubber) 회로에 의하여 스위칭 손실을 감소시키는 역률 개선부와, 고정 주파수 동작 하에서 비대칭 펄스폭 변조방식에 의한 소프트 스위칭 동작으로 모든 스위칭 소자들의 스위칭 손실을 줄이는 출력전압 제어부를 통해 전원회로 장치의 효율을 상승시킬 수 있도록 한 고효율 전원회로 장치를 제공하는 데 있다.
본 발명은 상기한 기술적 과제를 달성하기 위하여, 고효율의 전원회로 장치에 있어서, 입력전압을 일정 출력전압으로 승압 시 스너버(snubber) 회로에 의해 스위칭 손실을 감소시키는 역률 개선부; 및 고정 주파수 동작 하에서 비대칭 펄스폭 변조방식에 의한 소프트 스위칭 동작으로 스위칭 손실을 감소시키는 출력전압 제어부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 전원회로 장치가 제공된다.
본 발명의 바람직한 실시 예에 있어서, 상기 역률 개선부는 부스트 인덕터와 스위치 소자, 부스트 컨버터의 출력 다이오드 및 출력 콘덴서를 포함하여 이루어지고, 상기 출력전압 제어부는 2개의 스위치 소자와 공진 콘덴서, 트랜스포머, 플라이백 컨버터의 출력 다이오드 및 출력 콘덴서를 포함하여 이루어지는 하프-브리지 플라이백(half-bridge flyback) 컨버터 회로를 포함하여 이루어진다.
본 발명의 바람직한 실시예에 있어서, 상기 스너버 회로는 상기 부스트 인덕터와 결합되는 결합 인덕터와, 이 결합 인덕터와 직렬 연결되어 인덕턴스를 제공하는 인덕터 소자, 이 인덕터 소자와 직렬로 연결되는 정류 다이오드를 포함하여 이루어진다.
본 발명의 바람직한 실시예에 있어서, 상기 스너버 회로는 상기 부스트 컨버터의 출력 다이오드와 병렬로 연결된다.
본 발명의 바람직한 실시예에 있어서, 상기 스너버 회로의 결합 인덕터는 상기 부스트 인덕터와 병렬 또는 직렬로 연결될 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에 있어서, 상기 스너버 회로는 상기 부스트 컨버 터의 출력 다이오드의 역회복 특성에 따른 스위칭 손실을 감소시키도록 상기 부스트 컨버터와 결합된다.
이하, 첨부한 도면을 참조하면서 본 발명에 따른 고효율 전원회로 장치의 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지기술 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략할 것이다. 그리고, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 고효율 전원회로 장치의 회로 구성도이고, 도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 고효율 전원회로 장치의 회로 구성도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 전원회로 장치는, 입력전압을 일정 출력전압으로 승압시 스너버(snubber) 회로(120')에 의해 스위칭 손실을 감소시키는 역률 개선부(100'); 및 고정 주파수 동작 하에서 비대칭 펄스폭 변조방식에 의한 소프트 스위칭 동작으로 스위칭 손실을 감소시키는 출력전압 제어부(200);를 포함하여 이루어진다. 역률 개선부(100')는 도시한 바와 같이, 상기 스너버 회로(120')의 부스트 인덕터(Lm1) 및 출력 다이오드(Da)와 병렬로 연결된다. 도 1의 역률 개선부(100')의 부스트 컨버터(110)의 부스트 인덕터(Lm1)와 출력 다이오드(Da)는 직렬로 연결된다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 전원회로 장치는, 도 1의 실시예와 마찬가지로 입력전압을 일정 출력전압으로 승압 시 각 스너버(snubber) 회로(120)들에 의해 스위칭 손실을 감소시키는 역률 개선부(100); 및 고정 주파수 동작 하에서 비대칭 펄스폭 변조방식에 의한 소프트 스위칭 동작으로 스위칭 손실을 감소시키는 출력전압 제어부(200);를 포함하여 이루어진다. 역률 개선부(100)는 도시한 바와 같이 상기한 다른 구조의 스너버 회로(120)들과 병렬로 연결되는 출력 다이오드(Da)를 포함하는 부스트 컨버터(110)를 포함한다.
도 1 및 도 2에서 부재번호 300은 부하(load)를 나타내고, Vi는 교류전압을 정류한 입력 맥류전압을 나타내고, Vo는 직류전압(Vd)으로부터 제어된 출력전압을 나타낸다.
삭제
역률 개선부(100)(100')는 부스트 인덕터(Lm1)와 스위치 소자(S1), 부스트 컨버터(110)의 출력 다이오드(Da) 및 출력 콘덴서(Cd)를 포함하여 이루지고; 출력전압 제어부(200)는 2개의 스위치 소자(S2)(S3)와 공진 콘덴서(Cr), 트랜스포머(T 1), 플라이백 컨버터의 출력 다이오드(Do) 및 출력 콘덴서(Co)를 포함하여 이루어지는 하프-브리지 플라이백(half-bridge flyback) 컨버터 회로를 포함하여 이루어진다.
본 발명에 따른 전원회로 장치의 주요한 직류-직류(dc-dc) 회로는 역률 개선 부(100)(100')로서 스너버 회로(120)(120') 및 부스트 컨버터(110)와, 일정한 출력전압을 제어하는 출력전압 제어부(200)로서 하프-브리지 플라이백(half- bridge flyback) 컨버터 회로로 이루어진다. 상기 부스트 컨버터(110)와 하프-브리지 플라이백 컨버터(200)는 고정 주파수로 운전된다.
역률 개선부(100)의 부스트 컨버터(Lm1, S1, Da, Ca)(110)는 각각 도 1의 스너버 회로(Lm2, Llk, DS)(120') 또는 도 2의 스너버 회로(Lm2, LS, DS)(120)를 통하여 입력 맥류 전압(Vi)을 일정 출력 전압(Va)으로 승압 시, 스위칭 손실을 줄이게 된다. 또한 출력전압 제어부(200)인 하프 브리지 플라이백 컨버터 회로(S2, S3, Cr, T1, Do, Co)에서는 스위치(S2)(S3)를 각각 고정 주파수하에서 서로 반대 신호로 제어하는 비대칭 펄스폭 변조방식에 의하여 소프트 스위칭으로 동작시킴으로써 영전압 스위칭으로 스위칭 손실을 줄이게 된다.
도 1 및 도 2에서 Lm1은 일차 결합 인덕터, Lm2는 이차 결합 인덕터, Da와 Cd는 부스트 컨버터(110)의 출력 다이오드 및 콘덴서를 나타내고, 도 1에서 Llk는 결합 인덕터 간의 누설 인덕턴스(leakage inductance)이고, 도 2의 LS와 DS는 각각 스너버 회로(120)(120')의 인덕터 및 다이오드를 나타내고, Cr은 공진 콘덴서, Do와 Co는 플라이백 컨버터(200)의 출력 다이오드 및 콘덴서를 나타낸다.
역률 개선부(100)(100')는 전술한 바와 같이 입력 맥류전압(Vi)를 입력받아 다이오드(Da)의 역회복 특성에 따른 스위칭 손실을 줄이는 스너버 회로(120)(120') 및 일정한 출력전압(Vd)를 제공하는 부스트 컨버터(110)로 이루어진다.
삭제
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도 1의 실시예의 역률 개선부(100')의 결합 인덕터(Lm2)의 턴수는 부스트 인덕터(Lm1)보다 많으며, 스너버 회로(120')의 인덕터(Llk)는 결합 인덕터간의 누설 인덕턴스로써, 스위치(S1)의 도통 시, 누설 인덕턴스(Llk)가 다이오드(DS)에 흐르는 역회복 전류(reverse recovery current)를 제한한다. 반면, 스위치(S1)의 소거 시, 이차 결합 인덕터(Lm2)의 동작으로 인하여 출력 다이오드(Da)는 영전류(zero-current)에서 소거됨으로써, 부스트 컨버터의 출력 다이오드의 역회복 특성을 해소한다. 즉, 역률 개선부에 사용되는 다이오드(Da)(DS)의 역회복 특성에 따른 스위칭 손실을 줄임으로서 효율 상승을 기할 수 있다.
도 2의 실시예의 역률 개선부(100)는 도 2의 실시예와 유사한 동작 원리에 의하여 동작되며, 결합 인덕터(Lm2)의 턴수는 부스트 인덕터(Lm1)보다 적다. 따라서, 도 2의 실시예는 도 1의 실시예에 비하여 상대적으로 결합 인덕터의 크기를 줄일 수 있는 장점을 지닌다. 도 2의 실시예에 따른 역률 개선부(100)는 부스트 컨버터(110)의 스위치(S1) 소거 후, 부스트 컨버터(110)의 출력 전류는 스너버 다이오드(DS)로 전환되어, 출력 다이오드(Da)는 영전류에서 소거됨으로써 역회복 특성을 해소한다. 스위치(S1)의 도통 시, 스너버 인덕터(LS)가 다이오드(DS)에 흐르는 역회복 전류를 제한함으로써 스위칭 손실을 줄인다. 상기한 도 2의 실시예에 따른 스너버 인덕터(LS)는 도 1의 실시예와 유사하게 결합 인덕터의 구조적 변화를 통하여 결합 인덕터간의 누설 인덕턴스로 사용될 수 있는 특징을 지닌다.
출력전압 제어부(200)는 역률 개선부(100)(100')의 일정 출력전압(Vd)를 입력으로 받아 원하는 출력전압(Vo)를 제어하기 위하여 비대칭 펄스폭 변조방식 (asymmetrical pulse- width modulation)을 이용한 하프 브리지 플라이백 컨버터로 구성된다. 비대칭 펄스폭 변조 방식을 이용하게 되면 공진 콘덴서(Cr), 트랜스포머(T1)의 자화 인덕턴스 및 누설 인덕턴스 간의 공진을 통하여 스위치(S2, S3 )에서 영 전압 스위칭과 출력 다이오드(Do)에서 영전류 스위칭을 이룰 수 있으며, 이를 통하여 전원장치의 효율을 상승시킨다.
이로써, 본 발명은 부스트 컨버터의 출력 다이오드(Da)의 역회복 특성에 따른 스위칭 손실을 줄이는 스너버 회로를 포함하는 역률 개선부와 함께 비대칭 펄스폭 변조방식을 이용한 하프 브리지 플라이백 컨버터를 포함하는 출력전압 제어부에 의해 고효율의 특성을 갖는 전원회로 장치를 달성케 한다.
이상에서 살펴본 바와 같은 본 발명에 따른 고효율 전원회로 장치는, 입력전압을 일정 전압으로 승압 시 스너버(snubber) 회로에 의하여 스위칭 손실을 감소시키는 역률 개선부와, 고정 주파수 동작 하에서 비대칭 펄스폭 변조방식에 의한 소프트 스위칭 동작으로 모든 스위칭 소자들의 스위칭 손실을 줄이는 출력전압 제어부를 통해 전원회로 장치의 효율을 상승시킬 수 있도록 하는 이점을 제공한다.
이상 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 상세히 기술하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에 있어서 통상의 지식을 가진 사람이라면, 첨부된 청구 범위에 정의된 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 본 발명을 여러 가지로 변형 또는 변경하여 실시할 수 있음을 알 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 앞으로의 실시예들의 변경은 본 발명의 기술을 벗어날 수 없을 것이다.

Claims (7)

  1. 고효율의 전원회로 장치에 있어서,
    입력전압을 일정 출력전압으로 승압시 스너버(snubber) 회로에 의해 스위칭 손실을 감소시키는 역률 개선부; 및
    고정 주파수 동작 하에서 비대칭 펄스폭 변조방식에 의한 소프트 스위칭 동작으로 스위칭 손실을 감소시키는 출력전압 제어부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 전원회로 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 역률 개선부는 부스트 인덕터(Lm1)와 스위치 소자(S1), 부스트 컨버터의 출력 다이오드(Da), 출력 콘덴서(Cd) 및 스너버 회로를 포함하여 이루지고, 상기 출력전압 제어부는 2개의 스위치 소자와 공진 콘덴서(Cr), 트랜스포머(T1), 플라이백 컨버터의 출력 다이오드(Do) 및 출력 콘덴서(Co)를 포함하여 이루어지는 하프-브리지 플라이백 (half-bridge flyback) 컨버터 회로를 포함하는 것을 특징으로 하는 전원회로 장치.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 스너버 회로는 상기 부스트 인덕터(Lm1)와 결합되는 결합 인덕터(Lm2)와, 결합 인덕터간의 누설 인덕턴스(Llk), 이 누설 인덕턴스와 직렬로 연결되는 정류 다이오드(Ds)를 포함하여 이루어지거나, 혹은 상기 부스트 인덕터와 결합되는 결합 인덕터(Lm2)와, 이 결합 인덕터와 직렬로 연결되는 인덕터 소자(Ls), 이 인덕터 소자와 직렬로 연결되는 정류 다이오드(Ds)를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 전원회로 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 스너버 회로의 결합 인덕터(Lm2)는 상기 부스트 인덕터(Lm1)와 병렬 또는 직렬로 연결되는 특성을 지니고, 병렬로 연결 시 부스트 인덕터(Lm1)의 턴수가 결합 인덕터(Lm2)의 턴수보다 크고, 직렬로 연결 시 결합 인덕터(Lm2)의 턴수가 부스트 인덕터(Lm1)의 턴수보다 큰 것을 특징으로 하는 전원회로 장치.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 스너버 회로는 상기 부스트 컨버터의 출력 다이오드(Do)와 병렬로 연결되는 것을 특징으로 하는 전원회로 장치.
  6. 제3항에 있어서,
    상기 스너버 회로는 상기 부스트 컨버터의 출력 다이오드(Da)의 영전류 스위칭을 통하여 출력 다이오드의 역회복 특성을 해소하고, 스너버 다이오드(Ds)의 역회복 전류를 제한하여 스위칭 손실을 줄이는 것을 특징으로 하는 전원회로 장치.
  7. 제2항에 있어서, 상기 하프-브리지 플라이백 컨버터 회로는,
    2개의 스위치 소자와 공진 콘덴서(Cr), 트랜스포머(T1), 플라이백 컨버터의 출력 다이오드(Do) 및 출력 콘덴서(Co)를 포함하여 이루어지고,
    상기 2개의 스위치 소자를 고정 주파수 하에서 서로 반대 신호로 제어하는 비대칭 펄스폭 변조방식에 의하여 소프트 스위칭으로 동작시킴으로써 스위치 소자(S2, S3)의 영전압 스위칭과 출력 다이오드(Do)의 영전류 스위칭으로 스위칭 손실을 줄이게 하는 것을 특징으로 하는 전원회로 장치.
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