KR100820461B1 - 차량용 디지털앰프 전원을 위한 ｄｃ/ｄｃ 컨버터 회로 - Google Patents

차량용 디지털앰프 전원을 위한 ｄｃ/ｄｃ 컨버터 회로 Download PDF

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Abstract

본 발명은 차량용 디지털앰프 전원을 위한 DC/DC 컨버터 회로에 관한 것으로,
종래의 컨버터 회로는 출력 인덕터의 제거로 인하여 변압기 1차 측과 2차 측에 램프(ramp) 형태의 전류가 흐름으로써 전류 최대값이 증가하게 되는 문제가 있었던 바,
전류 최대값을 줄이기 위하여 램프(ramp) 형태의 전류 파형을 스퀘어(square) 형태의 전류 파형으로 바꾸어줌으로서 전류 최대값을 저감할 수 있도록 출력단의 두 개의 정류 다이오드(D1, D2)에 병렬로 외부에서 전류 스트레스 감소 커패시터(C1, C2)를 추가 설치한 것을 특징으로 하는 본 발명에 의하면
전류 최대값을 감소시킬 뿐만 아니라 종래 컨버터 회로가 갖는 장점을 그대로 유지할 수 있게 되므로 스위치와 정류 다이오드의 소프트 스위칭으로 인한 낮은 EMI 및 스위칭 잡음을 갖고, 부피가 작은 온 보드(on-board) 회로 제작이 가능하며, 또한 부피가 작은 입력 필터 사용이 가능하게 되고, 스위칭 손실 및 도통 손실이 최소화되고 높은 효율을 가지며, 자기 소자 및 반도체 소자의 수가 적어 작은 크기의 회로 제작이 가능하며, 발생되는 EMI 및 스위칭 잡음이 적어 차량용 디지털 오디오 앰프의 전원 공급 장치 및 배터리를 전원으로 사용하는 전원 공급 장치 등에 널리 적용할 수 있게 된다.
디지털앰프, 컨버터 회로, 정류 다이오드, 전류 스트레스 감소 커패시터

Description

차량용 디지털앰프 전원을 위한 ＤＣ/ＤＣ 컨버터 회로 {a DC/DC converter circuit for a vehicle's digital amplifier }
도 1은 종래의 한 DC/DC 컨버터 회로도
도 2는 종래의 다른 DC/DC 컨버터 회로도
도 3은 본 발명의 한 실시예의 회로도
< 도면 중 주요 부분에 대한 부호의 설명 >
D1, D2 : 정류 다이오드 C1, C2 : 전류 스트레스 감소 커패시터
VS : 전원 배터리 LIN : 부스트(boost) 인덕터
CB : 부스트(boost) 커패시터 QM : 주 스위치
QA : 보조 스위치 CS : 블로킹(blocking) 커패시터
Llkg : 누설 인덕턴스 C01, C02 : 출력 커패시터
본 발명은 차량용 디지털앰프 전원을 위한 DC/DC 컨버터 회로에 관한 것으로, 더 자세하게는 출력단에 마련되는 두 개의 정류다이오드에 각각 전류 스트레스 감소 커패시터(Current Stress Reduction Capacitors)를 추가 설치하여 전류의 최대값을 감소시킴으로써 기존 전원장치에서 발생될 수 있는 전원효율감소를 줄일 수 있도록 한 것에 관한 것이다.
도 1에는 차량용 아날로그 및 디지털 오디오 시스템에 많이 사용되고 있는 종래의 한 DC/DC 컨버터 회로가 도시되어 있다.
도 1과 같이 종래의 컨버터 회로는 입력단이 부스트(boost) 컨버터, 출력단이 푸시풀(push-pull) 컨버터로 구성된 두 단(two-stage) 구조를 가지며, 이렇듯 두 단 구조이기 때문에 부스트(boost) 컨버터와 푸시풀(push-pull) 컨버터 각 단의 최적 동작이 가능함은 물론 입력 전류가 연속적이기 때문에 입력 필터의 크기를 최소화 할 수 있다.
또한 상기 종래의 컨버터 회로는 변압기의 평균 자화 전류가 0이므로 변압기의 크기를 최소화시킬 수 있는 장점도 갖고 있다.
그러나 상기 종래의 차량 오디오 시스템의 컨버터 회로에서는 자기 소자(magnetic component)와 반도체 소자를 많이 사용하기 때문에 도통 손실과 생산비용이 증가하게 되고, 온보드(on-board) 회로의 크기가 커지는 단점이 있다.
그리고 회로를 구현할 때 사용되는 스위치와 다이오드가 하드 스위칭 (hard- switching)하기 때문에 심각한 EMI(Electromagnetic Interference) 및 스위칭 잡음이 발생하게 되며, 이는 디지털 카 오디오 앰프의 음질이 저하되는 결과를 초래한다.
더구나 이러한 문제를 해결하기 위해 스너버 회로(snubber circuit)를 추가할 경우 효율이 크게 감소하게 된다.
도 2에는 도 1에 도시된 종래 기술의 단점을 극복하기 위한 종래의 다른 DC/DC 컨버터 회로가 도시되어 있다.
도 2와 같이 종래의 다른 컨버터에서 입력단은 비대칭으로 제어되는 하프 브리지(half-bridge) 컨버터에 부스트(boost) 컨버터가 결합되어 있고, 출력단은 볼테지 더블러(voltage doubler) 형태의 정류 다이오드를 채용하고 있다.
상기 종래의 다른 컨버터 회로는 스위치와 정류 다이오드가 모두 소프트 스위칭(soft-switching) 하기 때문에 낮은 EMI 및 스위칭 잡음이 발생하고, 변압기의 평균 자화 전류가 0이 되어 크기가 작은 변압기 사용이 가능하며, 부피가 큰 출력 인덕터(inductor) 대신 부피가 작은 커패시터(capacitor), CSA, CSB을 사용하여 전체적으로 회로의 크기가 작아지는 장점이 있다.
또한 입력 배터리에서 흘러나오는 전류가 연속적이기 때문에 온보드(on-board) 회로를 구현할 때 작은 크기의 입력 필터 구현이 가능하다.
상기 종래의 다른 컨버터 회로에서는 회로의 부피를 줄이기 위해 출력 인덕터를 제거하는 대신 두 개의 커패시터를 채용하여 기존의 정류 다이오드와 함께 볼테지 더블러(voltage doubler) 형태로 출력단을 구성하고 있는 바, 그 결과 회로의 부피가 작고 다이오드의 전압 스트레스가 낮아지는 장점을 갖게 되지만 출력 인덕터의 제거로 인하여 변압기 1차 측과 2차 측에 램프(ramp) 형태의 전류가 흐름으로써 전류 최대값이 증가하게 되는 문제가 있고, 이는 잠재적으로 컨버터 효율을 감소시키는 결과를 초래한다.
본 발명은 상기 종래의 실정을 감안하여 안출한 것이며, 그 목적이 종래 기술에서 램프(ramp) 형태의 흐르던 전류 파형을 스퀘어(square) 형태로 흐르도록 함으로써 전류의 최대값을 감소시켜 컨버터 효율을 향상시킬 수 있도록 하는 차량용 디지털앰프 전원을 위한 DC/DC 컨버터 회로를 제공하는 데에 있는 것이다.
본 발명은 상기의 목적을 달성하기 위하여 전원장치의 출력단에 흐르는 전류 최대값을 줄이기 위하여 출력단에 마련되는 두 개의 정류다이오드에 각각 전류 스트레스 감소 커패시터(Current Stress Reduction Capacitors)를 추가 설치함으로써 출력 전류 파형이 스퀘어(square) 형태로 되도록 하는 것을 특징으로 하며, 이하 그 구체적인 기술내용을 첨부도면에 의해 더욱 자세히 설명하면 다음과 같다.
즉, 도 3에는 본 발명의 한 실시예의 회로도가 도시되어 있는 바, 본 발명은 전술한 도 2의 컨버터 회로에서 전류 최대값을 줄이기 위하여 종래에 램프(ramp) 형태로 흐르던 전류 파형을 스퀘어(square) 형태로 흐르도록 함으로써 전류 최대값을 저감할 수 있도록 한 것으로, 출력단의 두 개의 정류 다이오드(D1, D2)에 병렬로 외부에서 전류 스트레스 감소 커패시터(C1, C2)를 추가 설치하는 것을 특징으로 한다.
도 3과 같이 본 발명의 차량용 디지털앰프 전원을 위한 DC/DC 컨버터 회로는 도 2의 종래 기술과 마찬가지로 입력단이 비대칭으로 제어되는 하프 브리지(half-bridge) 컨버터에 부스트(boost) 컨버터가 결합된 형태로 구성되고, 출력단이 볼테지 더블러(voltage doubler) 형태의 정류 다이오드를 채용하고 있다.
이를 구체적으로 살펴보면 입력단에는 차량용 전원 배터리(VS), 부스트(boost) 인덕터 (LIN), 부스트(boost) 커패시터(CB)가 놓여져 있으며, 주 스위치(QM)과 보조 스위치(QA), 하프 브리지(half-bridge) 컨버터의 블로킹(blocking) 커패시터(CS)를 구비한다.
그리고 입력단과 출력단 사이에는 누설 인덕턴스(Llkg), 자화 인덕턴스(Lm), 그리고 1차측 2차측 권선 수가 각각 N1, N2인 변압기(Transformer)가 놓여져 있다.
출력단에는 전류 스트레스를 감소시키기 위한 전류 스트레스 감소 커패시터(C1, C2)가 정류 다이오드(D1, D2)에 병렬로 각각 연결되어 있고, 출력 커패시터(C01, C02)가 정류 다이오드(D1, D2)의 전류 경로에 각각 직렬로 놓여 있으며, 출력 부하 저항(RO)을 구비한다.
상기와 같이 구성된 본 발명에 있어서는 변압기의 1차측, 2차측 전류 파형이 스퀘어 웨이브(square-wave) 형태를 가짐으로써 램프 웨이브(ramp-wave) 형태의 전류 파형을 갖는 도 2의 종래 기술보다 전류 최대값이 감소되며, 자세한 동작 설명은 다음과 같다.
먼저 주 스위치(QM)가 켜지면 제1 정류 다이오드(D1)가 도통되기 전에 제1 전류 스트레스 감소 커패시터(C1)를 방전시키고 제2 전류 스트레스 감소 커패시터(C2)를 충전시키기 위해 2차 측에서 순간적으로 큰 전류를 요구하게 되며, 이러한 이유로 1차 측에서도 순간적으로 큰 전류가 공급되게 된다.
그런 다음 제1 전류 스트레스 감소 커패시터(C1)에 쌓인 전하를 완전히 방전시키고 제2 전류 스트레스 감소 커패시터(C2)에 전하를 완전히 충전시키고 나면 제1 정류 다이오드(D1)가 도통되어 전류는 완만한 기울기를 갖고 서서히 증가하게 된다. 마지막으로 주 스위치(QM)가 꺼지면 전류가 급격히 감소한다.
이와 같은 같은 방식으로 보조 스위치(QA)가 켜지는 경우에도 전류가 스퀘어 웨이브(square-wave) 형태를 갖게 된다.
한편 DC/DC 컨버터 회로에서 전류의 최대값이 감소하면 전류의 RMS(Root-Mean-Square) 값이 낮아지는데, 이는 잠재적으로 회로의 도통 손실을 감소시킬 수 있다.
이상에서와 같이 본 발명은 출력단의 두 개의 정류 다이오드(D1, D2)에 병렬로 외부에서 전류 스트레스 감소 커패시터(C1, C2)를 추가 설치한 것으로, 본 발명에 의하면 전류 최대값을 감소시킬 뿐만 아니라 종래 컨버터 회로가 갖는 장점을 그대로 유지할 수 있게 되므로 스위치와 정류 다이오드의 소프트 스위칭으로 인한 낮은 EMI 및 스위칭 잡음을 갖고, 부피가 작은 on-board 회로 제작이 가능하며, 또한 부피가 작은 입력 필터 사용이 가능하다.
또한 본 발명의 컨버터 회로는 스위칭 손실 및 도통 손실이 최소화되고 높은 효율을 가지며, 자기 소자 및 반도체 소자의 수가 적어 작은 크기의 회로 제작이 가능하며, 발생되는 EMI 및 스위칭 잡음이 적어 차량용 디지털 오디오 앰프의 전원 공급 장치 및 배터리를 전원으로 사용하는 전원 공급 장치 등에 널리 적용할 수 있다.

Claims (2)

  1. 입력단이 비대칭으로 제어되는 하프 브리지(half-bridge) 컨버터에 부스트(boost) 컨버터가 결합된 형태로 구성되고, 출력단이 볼테지 더블러(voltage doubler) 형태의 정류 다이오드(D1, D2)를 채용하는 것에 있어서,
    상기 출력단의 정류 다이오드(D1, D2)에 병렬로 전류 스트레스 감소 커패시터(C1, C2)를 추가 설치한 것을 특징으로 하는 차량용 디지털앰프 전원을 위한 DC/DC 컨버터 회로.
  2. 제1항에 있어서, 입력단에는 차량용 전원 배터리(VS), 부스트(boost) 인덕터 (LIN), 부스트(boost) 커패시터(CB)가 놓여져 있고, 주 스위치(QM)과 보조 스위치(QA), 하프 브리지(half-bridge) 컨버터의 블로킹(blocking) 커패시터(CS)가 구비되며, 입력단과 출력단 사이에는 누설 인덕턴스(Llkg), 자화 인덕턴스(Lm), 그리고 1차측 2차측 권선 수가 각각 N1, N2인 변압기(Transformer)가 놓여져 있고, 출력단에는 전류 스트레스를 감소시키기 위한 전류 스트레스 감소 커패시터(C1, C2)가 정류 다이오드(D1, D2)에 병렬로 각각 연결되어 있고, 출력 커패시터(C01, C02)가 정류 다이오드(D1, D2)의 전류 경로에 각각 직렬로 놓여 있는 것을 특징으로 하는 차량용 디지털앰프 전원을 위한 DC/DC 컨버터 회로.
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