KR100721432B1 - 전파출력 직렬공진회로를 이용한 능동 클램프회로 - Google Patents

전파출력 직렬공진회로를 이용한 능동 클램프회로 Download PDF

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Abstract

본 발명은 전파출력 직렬공진회로를 이용한 능동 클램프회로에 관한 것으로서, 더 상세하게는 스위치 도통(ON) 시 및/또는 스위치 소거(OFF) 시 항상 전파출력 직렬공진회로의 콘덴서들과 공진전류를 생성하여 이차측으로 에너지를 전달함으로써 스위치의 영전압 스위칭(zero-voltage switching)과 다이오드 영전류 스위칭(zero-current switching)이 가능한 장점을 갖는 변압기(transformer)의 누설인덕턴스를 이용하고, 전파출력 직렬공진회로에 의해서 변압기의 이차측에 흐르는 전류보다 작은 크기로 전파 정류된 전류파형이 출력콘덴서에 적용되어 출력전압 리플 및 용량에 있어서 좋은 특성을 가지는 직렬공진 전류파형을 이용하는 클램프회로에 관한 것이다. 이를 위한 본 발명은 변압기의 일차측에 연결되어 사용되는 능동 클램프회로에 있어서, 상기 변압기의 일차측에 연결되어 상기 변압기의 누설인덕턴스에 저장된 에너지가 전달되고 재활용될 수 있는 경로를 제공하는 스위칭 회로부; 및 상기 변압기의 이차측에 연결되며, 직렬로 연결된 두개의 다이오드와 직렬로 연결된 두개의 직렬공진 콘덴서를 포함하여 구성되는 전파출력 직렬공진회로부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

전파출력 직렬공진회로를 이용한 능동 클램프회로{Active clamp circuit using series resonant circuit with full-wave output}
도 1은 본 발명에 따른 전파출력 직렬공진회로를 이용한 능동 클램프회로의 구성도.
도 2는 도 1의 능동 클램프회로에 포함된 스위칭 전원회로의 스위치 도통시 및/또는 스위치 소거시의 등가회로도로서,
도 2a는 제1 직렬공진 등가회로도,
도 2b는 제2 직렬공진 등가회로도.
도 3은 도 1의 능동 클램프회로에 포함된 스위칭 전원회로의 주요부 동작을 나타낸 파형도로서,
도 3a는 각 스위치의 구동 전압파형,
도 3b는 변압기의 일차측 직렬공진 전류파형,
도 3c는 변압기의 이차측 직렬공진 전류파형,
도 3d는 변압기의 이차측 다이오드들의 전류파형,
도 3e는 직렬공진 콘덴서들의 전류파형,
도 3f는 전파출력 직렬공진 전류파형.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
100...스위칭 회로부 110...클램프 회로부
200...전파출력 직렬공진회로부 300...출력전압 제어회로부
410...제1 직렬공진회로 420...제2 직렬공진회로
본 발명은 전파출력 직렬공진회로를 이용한 능동 클램프회로에 관한 것으로서, 더 상세하게는 스위치 도통(ON) 시 및/또는 스위치 소거(OFF) 시 항상 전파출력 직렬공진회로의 콘덴서들과 공진전류를 생성하여 이차측으로 에너지를 전달함으로써 스위치의 영전압 스위칭(zero-voltage switching)과 다이오드 영전류 스위칭(zero-current switching)이 가능한 장점을 갖는 변압기(transformer)의 누설인덕턴스를 이용하고, 전파출력 직렬공진회로에 의해서 변압기의 이차측에 흐르는 전류보다 작은 크기로 전파 정류된 전류파형이 출력콘덴서에 적용되어 출력전압리플 및 용량에 있어서 좋은 특성을 가지는 직렬공진 전류파형을 이용하는 클램프회로에 관한 것이다.
당업자에게 잘 알려진 바와 같이, 종래의 스위칭 컨버터들로서 플라이백 컨버터(flyback converter)나 포워드 컨버터(forward converter)는 스위칭 동작시 누설인덕턴스(leakage inductance) 또는 자화인덕턴스(magnetizing inductance)에 저장된 에너지의 방전 경로를 형성해 주기 위해 능동 클램프(active clamp) 회로를 사용하게 된다. 예를 들어, 도 1에 도시한 바와 같은 하나의 스위치(S2)와 하나의 콘덴서(CC)로 구성된 능동 클램프회로(110)는 주스위치(S1)의 소거(OFF) 시 동작하여 누설인덕턴스 또는 자화인덕턴스에 저장된 에너지로 인한 스위칭 소자의 망실을 방지하고 에너지를 재활용 함으로써 전력변환효율의 향상을 꾀할 수 있다.
그러나, 종래의 능동 클램프를 갖는 플라이백 컨버터는 변압기(transformer)의 이차측에 하나의 다이오드와 하나의 출력콘덴서로 구성되는 반파정류회로를 갖고 있다. 따라서, 변압기(T)의 사용률이 떨어지고 다이오드의 높은 전류스트레스와 역회복(reverse recovery)특성으로 인한 손실, 그리고 반파정류로 인한 출력콘덴서의 좋지 않은 전압리플(ripple)특성과 큰 용량을 갖게 되는 문제점이 있었다.
따라서, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 종래의 문제점을 해결하기 위해 변압기의 출력측에 두개의 다이오드(D1, D2)와 두개의 공진콘덴서(C1, C2)를 포함하여 구성된 전파출력 직렬공진회로를 이용한 능동 클램프회로를 제공하는 데 있다.
즉, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 전파출력 직렬공진회로를 이용하여 주스위치(S1) 도통(ON) 시 및/또는 소거(OFF) 시 변압기의 누설인덕턴스와 항상 공진을 하여 정현파 전류파형으로 에너지를 변압기의 이차측으로 전달함으로써 변압기의 사용률을 높이고, 다이오드의 영전류 스위칭(zero-current switching)을 가능케 하여 역회복 특성으로 인한 손실을 줄일 수 있게 하는 전파출력 직렬공진회 로를 이용한 능동 클램프회로를 제공하는 데 있다.
본 발명이 이루고자 하는 다른 기술적 과제는, 전파출력 직렬공진회로의 콘덴서(C1, C2)에 의해 변압기의 이차측에 흐르는 피크전류(peak current) 보다 작은 크기로 정류된 전파정류 전류파형을 출력콘덴서(CO)에 전달함으로써 출력콘덴서의 전압리플특성 및 용량에 있어서 상당히 유리한 이점을 갖도록 한 전파출력 직렬공진회로를 이용한 능동 클램프회로를 제공하는 데 있다.
본 발명은 상기한 기술적 과제를 달성하기 위하여, 변압기의 일차측에 연결되어 사용되는 능동 클램프회로에 있어서, 상기 변압기의 일차측에 연결되어 상기 변압기의 누설인덕턴스에 저장된 에너지가 전달되고 재활용될 수 있는 경로를 제공하는 스위칭 회로부; 및 상기 변압기의 이차측에 연결되며, 직렬로 연결된 두개의 다이오드와 직렬로 연결된 두개의 직렬공진 콘덴서를 포함하여 구성되는 전파출력 직렬공진회로부를 포함하고, 상기 직렬로 연결된 두개의 다이오드 및 두개의 콘덴서는 출력측에서 볼 때 병렬로 연결된 것을 특징으로 하는 전파출력 직렬공진회로를 이용한 능동 클램프회로가 제공된다.
본 발명의 바람직한 실시예에 있어서, 상기 스위칭 회로부는 상기 변압기의 누설인덕턴스에 저장된 에너지가 전달되고 재활용될 수 있는 경로를 제공하는 부(副)스위치와 콘덴서를 구비하여 구성된 클램프회로부를 포함한다.
본 발명의 바람직한 실시예에 있어서, 상기 클램프회로부의 동작을 도통 또 는 소거시키기 위한 주(主)스위치와, 상기 전파출력 직렬공진회로의 출력전압을 궤환(feedback) 받아 상기 주스위치의 듀티비(duty ratio)을 조절하기 위한 출력전압제어회로부를 포함한다.
본 발명의 바람직한 실시예에 있어서, 상기 주스위치와 부스위치는 각각 MOSFET 소자로 구현된다.
이하, 첨부한 도면을 참조하면서 본 발명에 따른 전파출력 직렬공진회로를 이용한 능동 클램프회로의 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 발명에 따른 전파출력 직렬공진회로를 이용한 능동 클램프회로의 구성도이고, 도 2는 도 1의 능동 클램프회로에 포함된 스위칭 전원회로의 스위치 도통시 및 스위치 소거시의 등가회로도로서, 도 2a는 제1 직렬공진 등가회로도, 도 2b는 제2 직렬공진 등가회로도이다. 도 3은 도 1의 능동 클램프회로에 포함된 스위칭 전원회로의 주요부 동작을 나타낸 파형도로서, 도 3a는 각 스위치의 구동 전압파형, 도 3b는 변압기의 일차측 직렬공진 전류파형, 도 3c는 변압기의 이차측 직렬공진 전류파형, 도 3d는 변압기의 이차측 다이오드들의 전류파형, 도 3e는 직렬공진 콘덴서들의 전류파형, 도 3f는 전파출력 직렬공진 전류파형이다.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 전파출력 직렬공진회로를 이용한 능동 클램프회로에 있어서, 변압기(T)의 일차측(T1)은 누설인덕턴스에 저장된 에너지가 전달되고 재활용될 수 있는 경로를 제공하는 부스위치(S2)와 콘덴서(CC)로 구성된 능동 클램프회로부(110)를 포함하는 스위칭 회로부(100)에 연결되고, 변압기(T)의 이차측(T2)은 다이오드(D1, D2)와 직렬공진 콘덴서(C1, C2)를 포함하는 전파출력 직렬공진회로부(200)에 연결된다. 적절한 비율로 권선된 변압기(T)를 통해 일차측(T1)과 이차측(T2)은 전기적으로 절연되며, 출력전압을 궤환(feedback) 받아 주스위치(S1)의 듀티비(duty ratio)을 조절함으로써 출력전압이 조절된다. 주스위치(S1)에 입력되는 상기 출력전압의 듀티비 조절은 널리 공지된 기술을 통해 당업자에 의해 용이하게 구성될 수 있는 출력전압제어회로부(300)에 의해 달성된다.
MOSFET 소자들로 구현되는 주,부스위치(S1, S2)는 짧은 시간의 데드타임(dead time)을 갖고 주어진 스위칭 주파수(switching frequency) 하에서 상보적(asymmetrical)으로 구동된다. 주스위치(S1) 도통 시 변압기(T)의 누설인덕턴스와 전파출력 직렬공진회로부(200)의 콘덴서(C1, C2)가 직렬공진을 이루어 이차측(T2)으로 에너지를 전달하게 되며 주스위치(S1) 소거 시에도 부스위치(S2) 도통으로 인한 경로가 형성되어 주스위치(S1) 도통 시와 동일한 방법으로 콘덴서(C1, C2)와 직렬공진을 이루게 된다. 변압기(T)의 누설인덕턴스에 저장된 에너지에 의해서 변압기 일 차측(T1)의 두 스위치(S1, S2)는 영전압 스위칭(zero-voltage switching)을 하게 되어 고속 스위칭으로 인한 전력손실을 줄일 수 있다. 그리고, 스위치 도통 및/또는 소거 시 발생하는 직렬공진에 의해 변압기 이차측(T2)의 두 다이오드(D1, D2)는 영전류 스위칭을 하게 되어 다이오드의 역회복 특성으로 인한 전력손실을 제거한다. 두 직렬공진에 의해 발생하는 정현파 전류파형은 이차측 전파출력 직렬공진회로부(200)의 콘덴서(C1, C2)에 의해서 변압기 이차측(T2)에 흐르는 전류보다 낮은 피크전류를 갖는 전파전류파형을 생성하게 되어 출력콘덴서(CO)의 리플 특성 및 용량에 있어서 유리하다.
도 1에 도시된 전파출력 직렬공진회로부(200)에서 등가적으로 콘덴서(C1 또는 C2)를 제거할 수 있다. 전파출력 직렬공진회로부(200)와 달리 콘덴서 (C1 또는 C2)만으로 구성이 되면 반파출력 직렬공진회로가 된다. 따라서, 두 직렬공진에 의해 발생한 정현파 전류파형은 반파출력 직렬공진회로에 의해 이차측 다이오드에 흐르는 전류파형과 동일한 반파전류파형이 출력콘덴서(CO)에 전달되어 출력전압의 리플특성 및 용량에 있어서 상대적으로 불리하게 작용한다.
도 2와 도 3은 전파출력 직렬공진회로부(200)를 갖는 능동 클램프회로부(110)의 스위치 도통시 및/또는 소거 시 등가회로와 주요부분 파형을 나타낸 것이다.
도 2a는 주스위치(S1) 도통 시 누설인덕턴스(Llk)와 변압기(T)의 권선 비에 따른 콘덴서(C1, C2)에 의해 형성된 제1 직렬공진 등가회로(410)이고, 도 2b는 주스위치(S1) 소거 시 누설인덕턴스(Llk)와 클램프 콘덴서(CC), 권선 비에 따른 콘덴서(C1, C2)에 의해 형성된 제2 직렬공진 등가회로(420)를 나타낸 것이다.
도 3a는 두 스위치(S1, S2)의 구동파형으로 고정주파수에서 짧은 데드타임을 가지고 서로 상보적으로 동작하게 되는 것을 도시한다. 도 3b와 도 3c는 직렬공진회로에 의해서 만들어진 변압기 일차측(T1)과 이차측(T2)의 전류파형이다. 주스위치 (S1) 도통 시 제1 직렬공진 등가회로(410)에 의해서 제1 공진주파수(f1)를 갖는 공진전류파형을 생성한다. 반면에, 주스위치(S1) 소거 시에는 부스위치(S2)가 도통되면서 제2 직렬공진 등가회로(420)에 의해 제2 공진주파수(f2)를 갖는 또 다른 공진전류파형을 생성한다. 두 공진주파수(f1, f2)에 의해 만들어진 일차측의 전류파형은 두 스위치(S1, S2)가 영전압 스위칭을 가능케 한다. 또한 변압기 이차측의 공진주파수(f1, f2)에 의해서 만들어진 정현파 전류파형은 전파출력 직렬공진회로부(200)의 다이오드(D1, D2)가 영전류 스위칭을 하도록 하여 다이오드의 역회복 문제로 인한 효율손실을 줄일 수 있다.
도 3d와 도 3e는 본 발명에 따른 전파출력 직렬공진회로부(200)에 포함되는 다이오드(D1, D2)와 직렬공진 콘덴서(C1, C2)에 흐르는 각각의 전류파형이다. 다이오드와 공진 콘덴서에 흐르는 전류로 인해 도 3f에서와 같이 전파로 정류된 전류파형을 얻어 낼 수 있다.
다른 실시예로서, 등가적으로 콘덴서(C1 또는 C2)만을 포함하는 회로를 구성하였을 경우, 도 3d의 다이오드(D1 또는 D2)의 전류가 그대로 출력콘덴서(CO)에 전달되어 상대적으로 전파출력보다 피크전류가 큰 반파로 정류된 전류파형을 얻어 낼 수 있다. 이를 반파출력 직렬공진회로라고 할 수 있으며 전파출력 직렬공진회로에 비해서 출력콘덴서의 전압리플 및 용량에 있어서 불리한 특성을 갖는다.
이로써, 본 발명은 변압기의 출력측에 두개의 다이오드(D1, D2)와 두개의 공진콘덴서(C1, C2)를 포함하여 구성된 전파출력 직렬공진회로를 이용한 능동 클램프회로를 제공함으로써 종래기술의 문제점을 해결한다.
이상에서 살펴본 바와 같은 본 발명에 따른 직렬공진 전류파형을 이용하는 클램프회로는, 스위치 도통시 및/또는 스위치 소거시 항상 전파출력 직렬공진회로의 콘덴서들과 공진전류를 생성하여 이차측으로 에너지를 전달함으로써 스위치의 영전압 스위칭(zero-voltage switching)과 다이오드 영전류 스위칭(zero-current switching)이 가능한 장점을 갖는 변압기(transformer)의 누설인덕턴스를 이용하고, 전파출력 직렬공진회로에 의해서 변압기의 이차측에 흐르는 전류보다 작은 크 기로 전파 정류된 전류파형이 출력콘덴서에 적용되어 출력전압리플 및 용량에 있어서 좋은 특성을 가지는 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 (5)

  1. 변압기의 일차측에 연결되어 사용되는 능동 클램프회로에 있어서,
    상기 변압기의 일차측에 연결되어 상기 변압기의 누설인덕턴스에 저장된 에너지가 전달되고 재활용될 수 있는 경로를 제공하는 스위칭 회로부; 및
    상기 변압기의 이차측에 연결되며, 직렬로 연결된 두개의 다이오드와 직렬로 연결된 두개의 직렬공진 콘덴서를 포함하여 구성되는 전파출력 직렬공진회로부를 포함하고,
    상기 직렬로 연결된 두개의 다이오드와 콘덴서는 출력측에서 볼 때 병렬로 연결되고,
    상기 스위칭 회로부는 상기 변압기의 누설인덕턴스에 저장된 에너지가 전달되고 재활용될 수 있는 경로를 제공하는 스위치와 콘덴서를 구비하여 구성된 클램프회로부를 포함하고,
    상기 클램프회로부의 동작을 도통 또는 소거시키기 위한 주스위치와, 상기 전파출력 직렬공진회로의 출력전압을 궤환(feedback) 받아 상기 주스위치의 듀티비(duty ratio)을 조절하기 위한 출력전압제어회로부를 포함하는 것을 특징으로 하는 전파출력 직렬공진회로를 이용한 능동 클램프회로.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 주스위치는 MOSFET 소자로 구현되는 것을 특징으로 하는 전파출력 직렬공진회로를 이용한 능동 클램프회로.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 스위치는 MOSFET 소자로 구현되는 것을 특징으로 하는 전파출력 직렬공진회로를 이용한 능동 클램프회로.
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