KR100819629B1 - 스위칭 전원 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 간단한 회로 구성이며 또한 트랜스의 1차 측으로부터 2차 측으로 에너지를 공급하고 있는 기간을 정확하게 검출할 수 있는 스위칭 전원 장치를 제공한다. 교류 전원(1)의 교류 전압을 정류하는 전파(全波) 정류 회로(2)의 출력 양단에 제1 스위칭 소자(Q1)와 제2 스위칭 소자(Q2)가 직렬로 접속되고, 제1 스위칭 소자(Q1)의 양단에 전류 공진 콘덴서(Cri)와 공진 리액터(Lr)와 공진 트랜스(T)의 1차 권선(P1)이 직렬로 접속되고, 또한, 2차 권선(S)의 전압을 정류 평활하는 정류 평활 회로(D014)와, 정류 평활 회로의 출력 전압에 근거하여 제1 스위칭 소자와 제2 스위칭 소자를 교대로 온/오프시키는 제어 회로(11)와, 2차 권선(S)에 밀결합한 보조 권선(P2)의 전압에 근거하여 1차 측으로부터 2차 측으로 에너지를 송출하고 있는 기간을 검출하여 공진 기간 검출 신호를 출력하는 공진 기간 검출 회로(12)를 갖는다.
Figure R1020067024564
스위칭 전원 장치, 공진, 트랜스, 콘덴서, 리액터, 자속, 여자, 권선

Description

스위칭 전원 장치{SWITCHING POWER SUPPLY APPARATUS}
본 발명은, 고효율의 스위칭 전원 장치에 관한 것으로, 특히, 최적의 공진 상태를 유지하기 위해, 공진 트랜스의 1차 측으로부터 2차 측으로 에너지를 송출하고 있는 기간을 검출하는 전류 공진형 스위칭 전원 장치에 관한 것이다.
종래의 전류 공진형 스위칭 전원 장치를 도 1에 도시한다. 도 1에서, 전파(全波) 정류 회로(2)(입력 정류 회로에 대응)는, 교류 전원(1)의 교류 전압을 정류하여 전파 전류 전압을 평활 콘덴서(3)에 출력한다. 평활 콘덴서(3)는, 전파 정류 회로(2)의 전파 전류 전압을 평활한다.
평활 콘덴서(3)의 양단에는, MOSFET 등으로 이루어진 제1 스위칭 소자(Q1)와 MOSFET 등으로 이루어진 제2 스위칭 소자(Q2)의 직렬 회로가 접속되어 있다. 제1 스위칭 소자(Q1)에는 병렬로 정류기(다이오드)(6)가 접속되고, 제2 스위칭 소자(Q2)에는 병렬로 정류기(7)가 접속되어 있다. 제1 스위칭 소자(Q1)에는 병렬로 전압 공진 콘덴서(Crv)가 접속되어 있다.
또, 제1 스위칭 소자(Q1)에는 병렬로, 전류 공진 콘덴서(Cri)와 리액터(Lr)와 공진 트랜스(T)의 1차 권선(P1)의 직렬 회로가 접속되어 있다. 전압 공진 콘덴서(Crv)와 전류 공진 콘덴서(Cri)와 공진 리액터(Lr)와 공진 트랜스(T)의 1차 권 선(P1)으로 공진 회로를 구성하고 있다.
공진 트랜스(T)의 1차 권선(P1)과 2차 권선(S)은 서로 동상(同相) 전압이 발생하도록 감겨져 있으며, 공진 트랜스(T)의 2차 권선(S)에는, 정류기(D0)와 평활 콘덴서(14)로 이루어진 정류 평활 회로가 접속되어 있다. 이 정류 평활 회로는, 공진 트랜스(T)의 2차 권선(S)에 유기(誘起)된 전압(온/오프 제어된 펄스 전압)을 정류 평활하여 직류 출력을 부하(16)에 출력한다.
전압 검출 회로(15)는, 평활 콘덴서(14)의 양단에 접속되고, 평활 콘덴서(14)의 출력 전압을 검출하여, 검출 전압을 제어 회로(11a)에 출력한다. 제어 회로(11a)는, 전압 검출 회로(15)로부터의 검출 전압에 근거하여, PWM 제어에 의해 제1 스위칭 소자(Q1)와 제2 스위칭 소자(Q2)를 교대로 온/오프시킴으로써 부하(16)의 전압을 일정 전압으로 제어하도록 되어 있다. 이 경우, 제1 스위칭 소자(Q1)와 제2 스위칭 소자(Q2)의 각 게이트에 전압을 인가함으로써 제1 스위칭 소자(Q1)와 제2 스위칭 소자(Q2)를 교대로 온/오프시킨다.
다음에 구성된 종래의 공진형 스위칭 전원 장치의 동작을 도 2 내지 도 4의 타이밍 차트를 참조하면서 설명한다. 도 2는 스위칭 전원 장치의 각 부에 있어서의 신호의 타이밍 차트이다. 도 3은 스위칭 전원 장치에 있어서 공진 트랜스의 1차 측으로부터 2차 측으로 에너지를 송출하고 있는 기간을 상세하게 도시한 각 신호의 타이밍 차트이다. 도 4는 스위칭 전원 장치의 각 부에 있어서의 신호의 기간 T1∼T10에 있어서의 상세한 타이밍 차트이다.
또한 도 2 내지 도 4에서, IP1은 1차 권선(P1)에 흐르는 전류, VQ1은 제1 스위칭 소자(Q1)의 양단 전압, IQ1은 제1 스위칭 소자(Q1)에 흐르는 전류, VQ2는 제2 스위칭 소자(Q2)의 양단 전압, IQ2는 제2 스위칭 소자(Q2)에 흐르는 전류, VD0는 정류기(D0)의 전압, ID0는 정류기(D0)에 흐르는 전류, VP1은 1차 권선(P1)의 양단 전압, VS는 2차 권선(S)의 양단 전압을 나타내고 있다. 또, 공진 리액터(Lr)는 1차 권선(P1)의 여자(勵磁) 인덕턴스(Lp)보다 충분히 작고, 전압 공진 콘덴서(Crv)는, 전류 공진 콘덴서(Cri)보다 충분히 작은 것으로 한다.
우선, 기간 T1에서는, 제1 스위칭 소자(Q1)는 오프이고, 제2 스위칭 소자(Q2)는 온에서 오프로 변화한 기간이다. 공진 리액터(Lr)와 공진 트랜스(T)의 여자 인덕턴스에 축적된 에너지에 의해, 전류(IP1)는 공진 리액터(Lr)→1차 권선(P1)→전압 공진 콘덴서(Crv)→전류 공진 콘덴서(Cri)→공진 리액터(Lr)의 경로로 공진 전류가 흐른다. 또, 공진 트랜스(T)의 여자 인덕턴스(Lp)와 공진 리액터(Lr)와 전압 공진 콘덴서(Crv)의 공진에 의해 전압 공진 콘덴서(Crv)가 방전되어, 전압(VQ1)은 하강하고, 전압(VQ2)은 상승한다.
기간 T2에서는, 제1 스위칭 소자(Q1) 및 제2 스위칭 소자(Q2)는 모두 오프이다. 전압 공진 콘덴서(Crv)는 방전을 완료하고, 전압(VQ1)은 제로, 전압(VQ2)은 평활 콘덴서(3)의 양단 전압과 동일하다. 전류(IP1)는, 공진 리액터(Lr)→1차 권 선(P1)→정류기(6)→전류 공진 콘덴서(Cri)→공진 리액터(Lr)의 경로로, 공진 전류가 계속해서 흐른다. 이때, 제1 스위칭 소자(Q1)를 온하고, 기간 T3으로 이행한다. 기간 T3에서는, 제1 스위칭 소자(Q1)는 온되고, 제2 스위칭 소자(Q2)는 오프이다.
전류(IP1)는, 공진 리액터(Lr)→1차 권선(P1)→제1 스위칭 소자(Q1)→전류 공진 콘덴서(Cri)→공진 리액터(Lr)의 경로로, 감소하면서 계속해서 흐르고, 전류가 제로가 되면, 기간 T4로 이행한다.
기간 T4에서는, 제1 스위칭 소자(Q1)는 온되고, 제2 스위칭 소자(Q2)는 오프이다. 전류(IP1)는 흐르는 방향이 반전되어, 1차 권선(P1)→공진 리액터(Lr)→전류 공진 콘덴서(Cri)→제1 스위칭 소자(Q1)→1차 권선(P1)의 경로로 공진 전류가 흐르고, 트랜스(T)의 자속(磁束)을 리셋한다.
기간 T1∼T4에서는, 공진 트랜스(T)의 여자 인덕턴스(Lp)와 공진 리액터(Lr)와 전류 공진 콘덴서(Cri)의 공진에 의해 전류(IP1) 및 전류(IQ1)가 흐른다.
기간 T5에서, 제1 스위칭 소자(Q1)를 오프하고, 제2 스위칭 소자(Q2)는 오프이다. 전류(IP1)는, 1차 권선(P1)→공진 리액터(Lr)→전류 공진 콘덴서(Cri)→전압 공진 콘덴서(Crv)→1차 권선(P1)의 경로로 공진 전류가 흐른다. 또, 공진 트랜스(T)의 여자 인덕턴스(Lp), 공진 리액터(Lr) 및 전압 공진 콘덴서(Crv)의 공진에 의해 Crv가 충전되고, 전압(VQ1)이 상승하고, 전압(VQ2)은 하강한다.
기간 T6에서는, 제1 스위칭 소자(Q1) 및 제2 스위칭 소자(Q2)는 모두 오프이다. 전압 공진 콘덴서(Crv)는 평활 콘덴서(3)의 전압까지 충전되고, 전압(VQ1)은 평활 콘덴서(3)의 전압과 동일하게 되며, 전압(VQ2)은 제로이다. 전류(IP1)는, 1차 권선(P1)→공진 리액터(Lr)→전류 공진 콘덴서(Cri)→평활 콘덴서(3)→정류기(7)→1차 권선(P1)의 경로로 공진 전류가 계속해서 흐른다. 기간 T7에서는, 제2 스위칭 소자(Q2)는 온되고, 제1 스위칭 소자(Q1)는 오프이다. 1차 권선(P1)→공진 리액터(Lr)→전류 공진 콘덴서(Cri)→평활 콘덴서(3)→제2 스위칭 소자(Q2)→1차 권선(P1)의 경로에서 공진 전류가 계속해서 흐른다. 기간 T5∼T7에서는, 공진 트랜스(T)의 여자 인덕턴스(Lp), 공진 리액터(Lr) 및 전류 공진 콘덴서(Cri)의 공진에 의해 전류(IP1) 및 전류(IQ2)가 흐른다.
기간 T8에서는, 제2 스위칭 소자(Q2)는 온되고, 제1 스위칭 소자(Q1)는 오프이다. 제2 스위칭 소자(Q2)→1차 권선(P1)→공진 리액터(Lr)→전류 공진 콘덴서(Cri)의 경로에서 공진 전류(IP1) 및 전류(IQ2)가 흘러, 2차 측의 정류기(D0)에 전류 (ID0)가 흐르기 시작한다. 기간 T9에서는, 제2 스위칭 소자(Q2)는 온되고, 제1 스위칭 소자(Q1)는 오프이다. 전류 공진 콘덴서(Cri)→공진 리액터(Lr)→1차 권선(P1)→제2 스위칭 소자(Q2)의 경로로 전류(IP1) 및 전류(IQ2)가 흐른다.
기간 T8 및 T9에서는, 공진 리액터(Lr)와 전류 공진 콘덴서(Cri)의 공진에 의해 전류(IP1) 및 전류(IQ2)가 흐른다. 기간 T8 및 T9일 때, 공진 트랜스(T)의 1차 권선(P1)으로부터 2차 권선(S)으로 에너지가 전달된다. 이때, 1차 측으로부터 2차 측으로 보내어지는 전류(ID0)는, 호(弧)를 그리면서 상승하고, 어느 점을 경계로 하강을 시작하여, 공진 기간 t1(기간 T6∼T9에 대응)을 지나면, 제로가 된다. 2차 측으로 전달된 에너지는, 정류기(D0), 평활 콘덴서(14)에 의해 정류 평활되고, 부하(16)에 직류 전력이 공급된다.
기간 T10에서는, 제2 스위칭 소자(Q2)는 온 상태를 유지하고, 전류 공진 콘덴서(Cri)→공진 리액터(Lr)→1차 권선(P1)→제2 스위칭 소자(Q2)의 경로에서 전류(IP1) 및 전류(IQ2)가 흐르지만, 전류(ID0)는, 흐르지 않게 된다. 기간 T10에서는, 공진 트랜스(T)의 여자 인덕턴스(Lp), 공진 리액터(Lr) 및 전류 공진 콘덴서(Cri)의 공진에 의해 전류(IP1) 및 전류(IQ2)가 흐른다. 그리고, 기간 T10(발진 주파수 또는 듀티비에 의해 정해진 기간 t2에 대응)을 지나면, 제2 스위칭 소자(Q2)는 오프되고, 제1 스위칭 소자(Q1)가 온되어, 리셋 기간(t3)(기간 T1∼T5에 대응)이 된다.
이상의 동작에 있어서, 2차 측으로 에너지를 공급하고 있는 기간 t1에 제2 스위칭 소자(Q2)가 오프되면, 제로 전류 스위칭이 행해지지 않고, 제2 스위칭 소자(Q2)의 스위칭 손실이 증대하여, 최악의 경우 파손에 이를 가능성도 있다. 도 1에 도시한 종래예에서는, 입력 전압 변동, 부하 변동 등을 고려하여, 모든 상태에 있어서, 기간 t1에서 제2 스위칭 소자(Q2)가 오프되고, 공진은 어긋남을 일으키지 않도록, 충분히 큰 온 기간(t1＋t2)을 두어 동작시키고 있었다. 또, 부품의 불균 형, 주위 환경에 의한 특성의 변화에서도 공진은 어긋남을 일으키지 않도록, 그만큼 기간 t2는 길게 할 필요가 있었다.
제2 스위칭 소자(Q2)가 온되어 있음에도 불구하고, 2차 측으로 에너지를 송출하고 있지 않은 기간 t2에서도, 전류 공진 콘덴서(Cri)를 통해 공진 트랜스(T)에 여자 전류를 흐르게 하기 때문에, 전력의 손실이 발생한다. 이 손실은, 본래의 목적인 2차 측으로 에너지를 공급하는 동작과는 직접 관계없는 곳에서 발생하는 것으로, 불필요하며, 전원 장치의 효율 저하를 초래한다.
이러한 문제를 해결하는 것으로서, 일본국 특공평7-63216호 공보에 기재된 직렬 공진 컨버터가 있으며, 이 컨버터의 구성도를 도 5에 도시한다. 이 컨버터는, 2개의 스위칭 소자(102, 103)의 직렬 회로와, 2개의 정류기(104, 105)의 직렬 회로와, 2개의 콘덴서(106, 107)의 직렬 회로가 직류 전원(101)에 접속되고, 정류기(104, 105)의 접속점과 콘덴서(106, 107)의 접속점이 접속되고, 정류기(104, 105)의 접속점과 스위칭 소자(102, 103)의 접속점의 사이에 트랜스(108)의 1차 권선과 리액터(109)의 직렬 회로가 접속되고, 트랜스(108)의 2차 권선에 정류 회로(110)와 출력 콘덴서(111)가 접속되어 있다. 컨버터는, 또한 트랜스(108)의 2차 권선의 전압을 검출하는 트랜스 전압 검출 회로(130)와, 트랜스 전압 검출 회로(130)의 출력과 스위칭 소자를 제어하는 구동 신호를 비교하여, 트랜스(108)에 전압이 발생해 있는 기간은 스위칭 소자(102, 103)를 온시키고, 트랜스(108)에 전압이 없어진 후 스위칭 소자(102, 103)를 오프하는 논리 회로(150)를 구비하고 있다.
이 직렬 공진 컨버터에서는, 2차 측으로 에너지를 공급해가는 기간이 종료하면, 트랜스에 인가되는 전압은 제로가 되고, 2차 권선에 유기하는 전압도 제로가 된다.
그렇지만, 일본국 특공평7-63216호 공보에 기재된 직렬 공진 컨버터에서는, 트랜스 전압 검출 회로(130)의 출력과 스위칭 소자를 제어하는 구동 신호를 비교하여, 트랜스(108)에 전압이 발생하고 있는 기간은 스위칭 소자(102, 103)를 온시키고, 트랜스(108)에 전압이 없어진 후 스위칭 소자(102, 103)를 오프하는 논리 회로(150)를 설치해야 하므로, 회로 구성이 복잡화되어 있었다.
한편, 도 1에 도시한 전원 장치에서는, 도 3의 공진 트랜스(T)의 1차 권선(P1)의 전압(VP1)은, 기간 t1의 최후 시각에 제로가 되지 않고, 단순히 보조 권선을 설치하여 전압을 검출하는 것만으로는, 1차 측으로부터 2차 측으로 에너지를 공급하고 있는 기간을 정확하게 검출할 수 없다는 과제를 갖고 있었다.
또, 2차 권선의 전압으로 검출하고자 하면, 1차 측에 있는 제어 회로에 절연(絶緣)하여 신호를 전달할 필요가 있어, 회로 구성이 복잡해진다.
본 발명에 의하면, 간단한 회로 구성이며 또한 트랜스의 1차 측으로부터 2차 측으로 에너지를 공급하고 있는 기간을 정확하게 검출할 수 있고, 공진은 어긋남을 일으키지 않고, 최적의 온 기간을 가진 스위칭 제어를 행할 수 있는 공진형 스위칭 전원 장치를 제공할 수 있다.
본 발명의 제1의 기술적 측면에 의하면, 스위칭 전원 장치는, 1차 권선과 2차 권선과 이 2차 권선에 밀결합(密結合)한 보조 권선을 갖는 공진 트랜스와, 비(非)교류 전원의 출력에 병렬로 접속되는 제1 스위칭 소자와 제2 스위칭 소자가 직렬로 접속된 제1 직렬 회로와, 상기 제1 스위칭 소자 또는 상기 제2 스위칭 소자의 양단에 접속되는 공진 콘덴서와, 공진 리액터와 상기 공진 트랜스의 1차 권선이 직렬로 접속된 제2 직렬 회로와, 상기 공진 트랜스의 2차 권선의 전압을 정류 평활하는 정류 평활 회로와, 이 정류 평활 회로의 출력 전압에 근거하여 상기 제1 스위칭 소자와 상기 제2 스위칭 소자를 교대로 온/오프시키는 제어 회로와, 상기 공진 트랜스의 보조 권선의 전압에 근거하여 상기 공진 트랜스의 1차 측으로부터 2차 측으로 에너지를 송출하고 있는 기간을 검출하여 공진 기간 검출 신호를 출력하는 공진 기간 검출기를 구비하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 제2의 기술적 측면에 의하면, 상기 제1의 기술적 측면에 의한 스위칭 장치에 있어서, 상기 공진 기간 검출기는, 상기 보조 권선에 직렬로 접속된 정류기와, 상기 보조 권선과 상기 정류기의 직렬 회로에 병렬로 접속된 제1 저항과, 이 제1 저항에 커플링 콘덴서를 개재하여 병렬로 접속된 제2 저항을 구비하고, 상기 제2 저항의 양단 전압을 출력하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 제3의 기술적 측면에 의하면, 상기 제1의 기술적 측면에 의한 스위칭 장치에 있어서, 상기 공진 기간 검출기는, 상기 보조 권선에 커플링 콘덴서를 개재하여 병렬로 접속된 정류기와, 이 정류기에 병렬로 접속된 저항을 구비하고, 상기 저항의 양단 전압을 출력하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 제4의 기술적 측면에 의하면, 상기 제1의 기술적 측면에 의한 스위칭 장치에 있어서, 상기 공진 기간 검출기는, 상기 공진 기간 검출 신호를 상기 제어 회로에 송출하고, 상기 제어 회로는, 상기 공진 기간 검출기로부터의 공진 기간 검출 신호에 근거하여 상기 공진 트랜스의 1차 측으로부터 2차 측으로 에너지를 송출하고 있는 기간에는 상기 각 스위칭 소자의 온 상태 또는 오프 상태를 계속해서 유지하도록 제어하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 제5의 기술적 측면에 의하면, 상기 제1의 기술적 측면에 의한 스위칭 장치에 있어서, 상기 정류 평활 회로는, 상기 공진 트랜스의 2차 권선의 전압을 정류하는 제3 스위칭 소자를 갖고, 상기 공진 기간 검출기는, 상기 공진 기간 검출 신호에 의해 상기 제3 스위칭 소자를 온/오프시키는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 제6의 기술적 측면에 의하면, 스위칭 장치는, 1차 권선과 2차 권선과 이 2차 권선에 밀결합한 제1 보조 권선 및 제2 보조 권선을 갖는 공진 트랜스와, 비교류 전원의 출력에 병렬로 접속되는 제1 스위칭 소자와 제2 스위칭 소자가 직렬로 접속된 제1 직렬 회로와, 상기 제1 스위칭 소자 또는 상기 제2 스위칭 소자의 양단에, 공진 콘덴서와 공진 리액터와 상기 공진 트랜스의 1차 권선이 직렬로 접속된 제2 직렬 회로와, 상기 공진 트랜스의 2차 권선의 전압을 정류 평활하는 정류 평활 회로와, 이 정류 평활 회로의 출력 전압에 근거하여 상기 제1 스위칭 소자와 상기 제2 스위칭 소자를 교대로 온/오프시키는 제어 회로와, 상기 공진 트랜스의 제1 보조 권선의 전압에 근거하여 상기 공진 트랜스의 1차 측으로부터 2차 측으로 에너지를 송출하고 있는 기간을 검출하여 공진 기간 검출 신호를 출력하는 제1 공진 기간 검출기와, 상기 공진 트랜스의 제2 보조 권선의 전압에 근거하여 상기 공진 트랜스의 1차 측으로부터 2차 측으로 에너지를 송출하고 있는 기간을 검출하여 공진 기간 검출 신호를 출력하는 제2 공진 기간 검출기를 구비하고, 상기 정류 평활 회로는, 상기 공진 트랜스의 2차 권선의 전압을 정류하는 제3 스위칭 소자를 갖고, 상기 제2 공진 기간 검출기는, 상기 공진 기간 검출 신호에 의해 상기 제3 스위칭 소자를 온/오프시키는 것을 특징으로 한다.
도 1은 종래의 스위칭 전원 장치의 종래예 1을 도시한 회로 구성도이다.
도 2는 종래예 1의 스위칭 전원 장치의 각 부에 있어서의 신호의 타이밍 차트이다.
도 3은 종래예 1의 스위칭 전원 장치에 있어서 공진 트랜스의 1차 측으로부터 2차 측으로 에너지를 송출하고 있는 기간을 상세하게 도시한 각 신호의 타이밍 차트이다.
도 4는 종래예 1의 스위칭 전원 장치의 각 부에 있어서의 신호의 기간 T1∼T10에 있어서의 상세한 타이밍 차트이다.
도 5는 관련된 스위칭 전원 장치의 회로 구성도이다.
도 6은 실시예 1의 스위칭 전원 장치를 도시한 회로 구성도이다.
도 7은 실시예 1의 스위칭 전원 장치에 설치된 공진 기간 검지 회로의 구성예 1을 도시한 도면이다.
도 8은 실시예 1의 스위칭 전원 장치에 설치된 공진 기간 검지 회로의 구성 예 2를 도시한 도면이다.
도 9는 실시예 1의 스위칭 전원 장치의 각 부에 있어서의 신호의 타이밍 차트이다.
도 10은 실시예 1의 스위칭 전원 장치에 설치된 공진 트랜스의 2차 권선과 보조 권선을 밀결합시킨 구성예를 도시한 도면이다.
도 11은 실시예 2의 스위칭 전원 장치를 도시한 회로 구성도이다.
도 12는 실시예 3의 스위칭 전원 장치를 도시한 회로 구성도이다.
이하, 본 발명에 따른 스위칭 전원 장치의 실시 형태를 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
(실시예 1)
도 6은 실시예 1의 스위칭 전원 장치를 도시한 회로 구성도이다. 실시예 1의 스위칭 전원 장치는, 도 1에 도시한 종래의 스위칭 전원 장치에 대해, 보조 권선(P2)과, 공진 기간 검지 회로(12)를 추가한 것을 특징으로 한다.
보조 권선(P2)은, 공진 트랜스(T)에 설치되고, 2차 권선(S)에 밀결합되어 있다. 보조 권선(P2)을 갖는 공진 트랜스(T)의 구체적인 예에 대해서는, 후술한다. 공진 기간 검지 회로(12)는, 공진 트랜스(T)의 보조 권선(P2)의 전압에 근거하여 공진 트랜스(T)의 1차 측으로부터 2차 측으로 에너지를 송출하고 있는 기간을 검출하여 공진 기간 검출 신호를 제어 회로(11)에 출력한다.
제어 회로(11)는, 전압 검출 회로(15)로부터의 검출 전압에 근거하여, PWM 제어에 의해 제1 스위칭 소자(Q1)와 제2 스위칭 소자(Q2)를 교대로 온/오프시킴으로써 부하(16)의 전압을 일정 전압으로 제어한다. 또, 제어 회로(11)는, 공진 기간 검지 회로(12)로부터의 공진 기간 검출 신호에 근거하여 공진 트랜스(T)의 1차 측으로부터 2차 측으로 에너지를 송출하고 있는 기간에는 제2 스위칭 소자(Q2)의 온 상태, 및 제1 스위칭 소자(Q1)의 오프 상태를 계속해서 유지하도록 제어한다.
또한, 도 6에 도시한 그 밖의 구성은, 도 1에 도시한 구성과 동일하며, 동일 부분에는 동일 부호를 부여하여, 그 설명은 생략한다.
또한, 공진 리액터(Lr)는, 공진 트랜스(T)의 1차 권선(P1) 및 2차 권선(S) 간의 리케이지 인덕턴스로 이루어진다. 또, 제1 스위칭 소자(Q1)에 병렬로 접속되는 정류기(6)는, 제1 스위칭 소자(Q1)의 기생 다이오드이어도 되고, 제2 스위칭 소자(Q2)에 병렬로 접속되는 정류기(7)는, 제2 스위칭 소자(Q2)의 기생 다이오드이어도 된다. 또, 제1 스위칭 소자(Q1)에 병렬로 접속되는 전압 공진 콘덴서(Crv)는, 제1 스위칭 소자(Q1)의 기생 용량이어도 된다.
도 7은 실시예 1의 스위칭 전원 장치에 설치된 공진 기간 검지 회로의 구성예 1을 도시한 도면이다. 도 7에 도시한 공진 기간 검지 회로(12)는, 보조 권선(P2)에 직렬로 접속된 정류기(19)와, 보조 권선(P2)과 정류기(19)의 직렬 회로에 병렬로 접속된 전압 검지 저항(R1)과, 이 전압 검지 저항(R1)에 커플링 콘덴서(20)를 개재하여 병렬로 접속된 전압 검지 저항(R2)을 갖고 구성되며, 전압 검지 저항(R2)의 양단 전압이 공진 기간 검지 신호로서 제어 회로(11)에 출력된다.
도 8은 실시예 1의 스위칭 전원 장치에 설치된 공진 기간 검지 회로의 구성 예 2를 도시한 도면이다. 도 8에 도시한 공진 기간 검지 회로(12)는, 보조 권선(P2)에 커플링 콘덴서(20)를 개재하여 병렬로 접속되고 정류기(19)와, 이 정류기(19)에 병렬로 접속된 전압 검지 저항(R3)을 갖고 구성되며, 전압 검지 저항(R3)의 양단 전압이 공진 기간 검지 신호로서 제어 회로(11)에 출력된다.
다음에 구성된 실시예 1의 공진형 스위칭 전원 장치의 동작을 설명한다. 기본적인 동작은, 종래의 스위칭 전원 장치의 동작(도 2 내지 도 4에 도시한 타이밍 차트)과 동일하며, 여기서는, 보조 권선(P2)과, 공진 기간 검지 회로(12)의 동작을 도 9 및 도 4에 도시한 타이밍 차트를 참조하면서 설명한다.
또한, 도 9에서, IP1은 1차 권선(P1)에 흐르는 전류, VQ2는 제2 스위칭 소자(Q2)의 양단 전압, VP2는 보조 권선(P2)의 양단 전압, VR1은 전압 검지 저항(R1)의 양단 전압, VR2는 전압 검지 저항(R2)의 양단 전압, VR3은 전압 검지 저항(R3)의 양단 전압을 나타내고 있다.
우선, 공진 트랜스(T)의 2차 권선(S)에 유기되는 전압(VS)은, 제2 스위칭 소자(Q2)가 온되어 공진 트랜스(T)를 통해 2차 측으로 에너지를 공급하고 있는 기간 t1에서는, 출력 전압과 정류기(D0)의 순(順)방향 전압 강하를 더한 전압에 클램프된다.
제2 스위칭 소자(Q2)는 온되어 있지만, 공진 트랜스(T)의 1차 측으로부터 2차 측으로 에너지를 공급하지 않는 기간 t2에서는, 출력 전압보다 낮은 전압이 된 다. 공진 트랜스(T)의 보조 권선(P2)은, 2차 권선(S)에 밀결합되어 있기 때문에, 보조 권선(P2)에는 2차 권선(S)과의 권수비 배(倍)의 전압(VP2)이 유기된다.
다음에, 전압 검지 회로(12)에 있어서, 도 7에 도시한 구성예에서는, 전압 검지 저항(R1)에 발생하는 전압(VR1)은, 보조 권선(P2)에 유기되는 전압으로부터 제2 스위칭 소자(Q2)가 온되어 있는 기간(t1＋t2)만을 정류기(19)로 취출한 파형(波形)이 된다. 또한, 전압 검지 저항(R1)에 발생한 전압을 커플링 콘덴서를 개재하여 전압 검지 저항(R2)으로 교류 성분만을 취출한다.
도 9에 도시하는 바와 같이, 전압 검지 저항(R2)에 발생하는 전압(VR2)이 양(＋)일 때, 공진 트랜스(T)의 1차 측으로부터 2차 측으로 에너지를 공급하고 있는 기간 t1이 되어 있다.
또, 도 8에 도시한 구성예에서는, 전압 검지 저항(R3)에 발생하는 전압(VR3)이 도 9에 도시하는 바와 같은 파형이 된다. 이 때문에, 제어 회로(11)는, 전압 검지 저항(R3)에 발생하는 전압(VR3)의 전압 레벨에 의해, 2차 측으로 에너지를 공급하고 있는 시간 t1을 검출할 수 있다. 예를 들면 기간 t1의 전압을 V1으로 하고, 기간 t2의 전압을 V2로 한 경우에, V1과 V2의 역치를 설정하고, 전압 검지 저항(R3)에 발생하는 전압(VR3)이 역치 이상인 기간을 기간 t1으로 판정하도록 하여도 된다.
이와 같이, 실시예 1의 스위칭 전원 장치에 의하면, 보조 권선(P2)의 전압 레벨을 검출함으로써, 공진 트랜스(T)가 2차 측으로 에너지를 공급하고 있는 기간 t1을 검출할 수 있다.
또, 제어 회로(11)는, 공진 기간 검지 회로(12)로부터의 전압 검지 저항에 발생한 전압에 근거하여 공진 트랜스(T)의 1차 측으로부터 2차 측으로 에너지를 송출하고 있는 기간 t1에는 제2 스위칭 소자(Q2)의 온 상태, 및 제1 스위칭 소자(Q1)의 오프 상태를 계속해서 유지하도록 제어한다.
따라서, 2차 측으로 에너지를 공급하고 있는 기간 t1에 제2 스위칭 소자(Q2)가 오프되지 않게 되고, 제로 전류 스위칭이 행해지며, 제2 스위칭 소자(Q2)의 스위칭 손실이 저감하여 효율을 향상시킬 수 있다. 또, 제2 스위칭 소자(Q2)의 온 기간을 기간 t1 이상으로 하고 또한 기간 t2를 보다 작게 하면, 손실이 저감하여, 한층 더 효율을 향상시킬 수 있다. 즉, 공진은 차이를 일으키지 않고, 최적의 온 기간을 가진 스위칭 제어를 행할 수 있다. 또, 도 7 및 도 8에 도시하는 바와 같은 간단한 회로 구성으로 공진 트랜스(T)의 2차 측으로 에너지를 공급하고 있는 기간 t1을 검출할 수 있다.
(공진 트랜스의 구성예)
도 10은 실시예 1의 스위칭 전원 장치에 설치된 공진 트랜스의 2차 권선과 보조 권선을 밀결합시킨 구성예를 도시한 도면이다.
도 10(a)에 도시한 공진 트랜스는, 자성체(磁性體)로 이루어진 코어(30)의 하나의 자로(磁路)를 구성하는 중앙 레그(30a)에, 플랜지부(31a∼31c)를 갖는 원통 형상의 분할 보빈(31)이 장착된다. 이 분할 보빈(31)의 플랜지부(31a, 31b) 사이 에 1차 권선(P1)이 감기고, 플랜지부(31b, 31c) 사이에 2차 권선(S)이 감기고, 이 2차 권선(S)상에 보조 권선(P2)이 감겨, 보조 권선(P2)이 2차 권선(S)에 밀결합되어 있다. 코어(30)는 직사각형 형상의 외형을 갖고, 코어(30)에는 자로(30a, 30b, 30c)를 구성하도록 자로의 길이 방향에 평행하게 간극(35a, 35b)이 형성되어 있다.
도 10(b)에 도시한 공진 트랜스는, 코어(30)의 중앙 레그(30a)에, 플랜지부(32)를 갖는 원통 형상의 보빈(32)이 장착되고, 이 보빈(32)에 1차 권선(P1)을 감고, 이 1차 권선(P1)상에 2차 권선(S)을 감고, 이 2차 권선(S)상에 보조 권선(P2)을 감아, 보조 권선(P2)을 2차 권선(S)에 밀결합시키고 있다.
도 10(b)에 도시한 예에서는, 각 권선 모두 권선틀에 대해 동일 위치에 감고 있지만, 도 10(c)에 도시한 예에서는, 1차 권선(P1)과 2차 권선(S)의 감는 위치를 권선틀에 대해 어긋나게 하여, 1차 권선(P1)과 2차 권선(S)을 소(疎)결합으로 하고, 2차 권선(S)과 보조 권선(P2)의 감는 위치를 가지런히 함으로써, 보조 권선(P2)을 1차 권선(P1)보다 2차 권선(S)에 밀결합시키고 있다.
(실시예 2)
실시예 2의 공진형 스위칭 전원 장치를 설명한다. 도 11은 실시예 2의 스위칭 전원 장치를 도시한 회로 구성도이다.
도 11에 도시한 실시예 2의 스위칭 전원 장치는, 도 6에 도시한 실시예 1의 스위칭 장치에 대해, 공진 트랜스(T)의 2차 측에 설치된 정류기(D0) 대신에, 2차 권선(S)과 평활 콘덴서(14)의 사이에, MOSFET 등으로 이루어진 스위칭 소자(Q3)와 정 류기(18)의 병렬 회로로 이루어진 동기(同期) 정류 회로를 설치한 것을 특징으로 한다. MOSFET 등으로 이루어진 스위칭 소자(Q3)를 이용함으로써 동기 정류 동작을 행하여, 손실을 저감할 수 있다.
또, 보조 권선(P2) 및 공진 기간 검지 회로(12a)를 설치하고, 공진 기간 검지 회로(12a)는, 보조 권선(P2)에 발생한 전압에 근거한 공진 기간 검출 신호에 의해 스위칭 소자(Q3)를 온/오프시킨다.
즉, 공진 기간 검지 회로(12a)에 의한 공진 기간 검출 신호에 의해 스위칭 소자(Q3)를 온/오프하기 때문에, 공진 트랜스(T)의 1차 측으로부터 2차 측으로 에너지를 공급하고 있는 기간 t1만, 스위칭 소자(Q3)를 온시킴으로써, 동기 정류 동작을 행할 수 있다.
(실시예 3)
다음에 실시예 3의 공진형 스위칭 전원 장치를 설명한다. 도 12는 실시예 3의 스위칭 전원 장치를 도시한 회로 구성도이다.
도 12에 도시한 실시예 3의 스위칭 전원 장치는, 도 6에 도시한 실시예 1의 스위칭 전원 장치와, 도 11에 도시한 실시예 2의 스위칭 전원 장치를 조합한 것이다.
즉, 공진 트랜스(T)는, 1차 권선(P1)과 2차 권선(S)과 이 2차 권선(S)에 밀결합한 제1 보조 권선(P2) 및 제2 보조 권선(S2)을 갖고 있다. 공진 트랜스(T)의 일차 측에 제1 보조 권선(P2) 및 공진 기간 검지 회로(12)가 설치되고, 2차 측에 제2 보조 권선(S2) 및 공진 기간 검지 회로(12a)가 설치된다.
공진 기간 검지 회로(12)는, 공진 트랜스(T)의 제1 보조 권선(P2)의 전압에 근거하여 공진 트랜스(T)의 1차 측으로부터 2차 측으로 에너지를 송출하고 있는 기간을 검출하여 공진 기간 검출 신호를 출력한다. 제어 회로(11)는, 공진 기간 검지 회로(12)로부터의 공진 기간 검출 신호에 근거하여 공진 트랜스(T)의 1차 측으로부터 2차 측으로 에너지를 송출하고 있는 기간에는 제2 스위칭 소자(Q2)의 온 상태, 및 제1 스위칭 소자(Q1)의 오프 상태를 계속해서 유지하도록 제어한다.
2차 권선(S)과 평활 콘덴서(14)의 사이에는, MOSFET 등으로 이루어진 스위칭 소자(Q3)와 정류기(18)의 병렬 회로로 이루어진 동기 정류 회로가 설치되어 있다. 공진 기간 검지 회로(12a)는, 공진 트랜스(T)의 제2 보조 권선(S2)의 전압에 근거하여 공진 트랜스(T)의 1차 측으로부터 2차 측으로 에너지를 송출하고 있는 기간을 검출하여 공진 기간 검출 신호에 의해 스위칭 소자(Q3)를 온/오프시킨다.
이와 같이 실시예 3의 스위칭 전원 장치에 의하면, 공진 트랜스(T)의 1차 측 및 제2차 측에 공진 기간 검지 회로(12, 12a)를 설치함으로써, 각각의 스위칭 소자(Q1∼Q3)를 최적의 타이밍에서 온/오프시키는 것이 가능하게 된다.
또한, 본 발명은 실시예 1 내지 실시예 3에 한정되는 것은 아니다. 실시예 1 내지 실시예 3에서는, 교류 전원(1), 전파 정류 회로(2), 및 평활 콘덴서(3)를 이용하였지만, 제1 스위칭 소자(Q1)와 제2 스위칭 소자(Q2)의 직렬 회로의 양단에 접속하는 전원은 비교류 전원이면 되고 직류 전원을 이용해도 된다. 즉 본 발명에 있어서 제1 스위칭 소자(Q1)와 제2 스위칭 소자(Q2)의 직렬 회로가 비교류 전원의 출력에 병렬로 접속된다.
또, 실시예 1 내지 실시예 3에서는, 제1 스위칭 소자(Q1)의 양단에, 전류 공진 콘덴서(Cri)와 리액터(Lr)와 공진 트랜스(T)의 1차 권선(P1)의 직렬 회로를 접속하였지만, 에를 들면, 제2 스위칭 소자(Q2)의 양단에, 전류 공진 콘덴서(Cri)와 리액터(Lr)와 공진 트랜스(T)의 1차 권선(P1)의 직렬 회로를 접속해도 된다.
또, 실시예 1 내지 실시예 3에서는, 제1 스위칭 소자(Q1)의 양단에, 전압 공진 콘덴서(Crv)를 접속하였지만, 예를 들면 제2 스위칭 소자(Q2)의 양단에, 전압 공진 콘덴서(Crv)를 접속해도 된다.
(발명의 효과)
본 발명의 제1의 기술적 측면에 의하면, 공진 트랜스의 보조 권선을 2차 권선과 긴밀하게 결합시키고, 공진 기간 검출 수단이 보조 권선의 전압에 근거하여 공진 트랜스의 1차 측으로부터 2차 측으로 에너지를 송출하고 있는 기간을 검출하여 공진 기간 검출 신호를 출력하므로, 2차 측에 에너지를 공급하고 있는 기간을 정확하게 검출할 수 있다.
본 발명의 제2 및 제3의 기술적 측면에 의하면, 간단한 회로 구성으로, 2차 측으로 에너지를 공급하고 있는 기간을 정확하게 검출할 수 있다.
본 발명의 제4의 기술적 측면에 의하면, 제어 회로는, 공진 기간 검출 수단으로부터의 공진 기간 검출 신호에 근거하여 공진 트랜스의 1차 측으로부터 2차 측으로 에너지를 송출하고 있는 기간에는 각 스위칭 소자의 온 상태 또는 오프 상태를 계속해서 유지하도록 제어하기 때문에, 공진은 어긋남을 일으키지 않고, 최적의 온 기간을 가진 스위칭 제어를 행하는 것이 가능해지므로, 효율을 향상시킬 수 있 다.
본 발명의 제5의 기술적 측면에 의하면, 공진 기간 검출 수단은, 공진 기간 검출 신호에 의해 제3 스위칭 소자를 온/오프시키기 때문에, 2차 측으로 에너지를 공급하고 있는 기간만, 제3 스위칭 소자를 온시킴으로써, 동기 정류 동작을 행할 수 있다.
본 발명의 제6의 기술적 측면에 의하면, 공진 트랜스의 1차 측 및 2차 측에 제1 공진 기간 검출 수단 및 제2 공진 기간 검출 수단을 설치함으로써, 각각의 스위칭 소자를 최적의 타이밍에서 온/오프시키는 것이 가능해진다.
본 발명은, DC-DC 컨버터, AC-DC 컨버터 등의 스위칭 전원 장치에 적용 가능하다.

Claims (10)

1차 권선과 2차 권선과 이 2차 권선에 밀결합한 보조 권선을 갖는 공진 트랜스와,
교류 전원의 교류 전압을 정류하는 입력 정류 회로의 출력 양단 또는 직류 전원의 양단에, 제1 스위칭 소자와 제2 스위칭 소자가 직렬로 접속된 제1 직렬 회로와,
상기 제1 스위칭 소자 또는 상기 제2 스위칭 소자의 양단에, 공진 콘덴서와 공진 리액터와 상기 공진 트랜스의 1차 권선이 직렬로 접속된 제2 직렬 회로와,
상기 공진 트랜스의 2차 권선의 전압을 정류 평활하는 정류 평활 회로와,
이 정류 평활 회로의 출력전압에 근거하여 상기 제1 스위칭 소자와 상기 제2 스위칭 소자를 교대로 온/오프시키는 제어 회로와,
상기 공진 트랜스의 보조 권선의 전압의 저하를 검출하고, 검출된 전압의 저하에 근거하여 상기 공진 트랜스의 1차측으로부터 2차측에 에너지를 송출하고 있는 기간을 검출하여 공진 기간 검출 신호를 출력하는 공진 기간 검출 수단,
을 갖는 것을 특징으로 하는 스위칭 전원 장치.
청구항 1에 있어서,
상기 공진 기간 검출 수단은, 상기 보조 권선에 직렬로 접속된 정류기와, 상기 보조 권선과 상기 정류기와의 직렬 회로에 병렬로 접속된 제1 저항과, 이 제1 저항에 커플링 콘덴서를 개재하여 병렬로 접속된 제2 저항을 갖고,
상기 제어 회로는, 상기 제2 저항에 발생하는 전압이 양(+)인 기간을 상기 공진 트랜스의 1차측으로부터 2차측에 에너지를 송출하고 있는 기간이라고 판정하는 것을 특징으로 하는 스위칭 전원 장치.
청구항 1에 있어서,
상기 공진 기간 검출 수단은, 상기 보조 권선에 커플링 콘덴서를 개재하여 병렬로 접속된 정류기와, 이 정류기에 병렬로 접속된 저항을 갖고,
상기 제어 회로는, 영(零) 전압보다도 큰 제1 전압과 이 제1 전압보다도 큰 제2 전압과의 사이에 역치를 설정한 경우에, 상기 저항에 발생하는 전압이 상기 역치 이상인 기간을 상기 공진 트랜스의 1차측으로부터 2차측에 에너지를 송출하고 있는 기간이라고 판정하는 것을 특징으로 하는 스위칭 전원 장치.
청구항 1 내지 3 중 어느 하나의 청구항에 있어서,
상기 공진 기간 검출 수단은, 상기 공진 기간 검출 신호를 상기 제어 회로에 송출하고,
상기 제어 회로는, 상기 공진 기간 검출 수단으로부터의 공진 기간 검출 신호에 근거하여 상기 공진 트랜스의 1차측으로부터 2차측에 에너지를 송출하고 있는 기간에는 상기 각 스위칭 소자의 온 상태 또는 오프 상태를 계속해서 유지하도록 제어하는 것을 특징으로 하는 스위칭 전원 장치.
청구항 1 내지 3 중 어느 하나의 청구항에 있어서,
상기 정류 평활 회로는, 상기 공진 트랜스의 2차 권선의 전압을 정류하는 제3 스위칭 소자를 갖고,
상기 공진 기간 검출 수단은, 상기 공진 기간 검출 신호에 의해 상기 제3 스위칭 소자를 온/오프시키는 것을 특징으로 하는 스위칭 전원 장치.
청구항 4에 있어서,
상기 정류 평활 회로는, 상기 공진 트랜스의 2차 권선의 전압을 정류하는 제3 스위칭 소자를 갖고,
상기 공진 기간 검출 수단은, 상기 공진 기간 검출 신호에 의해 상기 제3 스위칭 소자를 온/오프시키는 것을 특징으로 하는 스위칭 전원 장치.
1차 권선과 2차 권선과 이 2차 권선에 밀결합한 제1 보조 권선 및 제2 보조 권선을 갖는 공진 트랜스와,
교류 전원의 교류 전압을 정류하는 입력 정류 회로의 출력 양단 또는 직류 전원의 양단에, 제1 스위칭 소자와 제2 스위칭 소자가 직렬로 접속된 제1 직렬 회로와,
상기 제1 스위칭 소자 또는 상기 제2 스위칭 소자의 양단에, 공진 콘덴서와 공진 리액터와 상기 공진 트랜스의 1차 권선이 직렬로 접속된 제2 직렬 회로와,
상기 공진 트랜스의 2차 권선의 전압을 정류 평활하는 정류 평활 회로와,
이 정류 평활 회로의 출력 전압에 근거하여 상기 제1 스위칭 소자와 상기 제2 스위칭 소자를 교대로 온/오프시키는 제어 회로와,
상기 공진 트랜스의 제1 보조 권선의 전압의 저하를 검출하고, 검출된 전압의 저하에 근거하여 상기 공진 트랜스의 1차측으로부터 2차측에 에너지를 송출하고 있는 기간을 검출하여 공진 기간 검출 신호를 출력하는 제1 공진 기간 검출 수단과,
상기 공진 트랜스의 제2 보조 권선의 전압의 저하를 검출하고, 검출된 전압의 저하에 근거하여 상기 공진 트랜스의 1차측으로부터 2차측에 에너지를 송출하고 있는 기간을 검출하여 공진 기간 검출 신호를 출력하는 제2 공진 기간 검출 수단을 구비하고,
상기 정류 평활 회로는, 상기 공진 트랜스의 2차 권선의 전압을 정류하는 제3 스위칭 소자를 갖고,
상기 제2 공진 기간 검출 수단은, 상기 공진 기간 검출 신호에 의해 상기 제3 스위칭 소자를 온/오프시키는 것을 특징으로 하는 스위칭 전원 장치.
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