KR100967032B1

KR100967032B1 - 자려 발진 방식 고압 전원 장치

Info

Publication number: KR100967032B1
Application number: KR1020080032640A
Authority: KR
Inventors: 김진욱; 사공석진; 홍성수; 한상규; 노정욱; 김종선; 오동성; 원재선; 김종해
Original assignee: 삼성전기주식회사
Priority date: 2008-04-08
Filing date: 2008-04-08
Publication date: 2010-06-30
Also published as: KR20090107240A

Abstract

본 발명은 전력 변환용 트랜스포머의 사용을 배제하고 인덕터에 인가되는 전압을 권선비에 따라 스위칭 소자의 바이어스 전압으로 인가하는 자려 발진 방식 고압 전원 장치에 관한 것으로, 사전에 설정된 권선비에 따라 입력 DC 전원을 스위칭 바이어스 전원으로 변환하고, 상기 스위칭 바이어스 전원에 따라 상기 입력 DC 전원을 스위칭하여 상기 입력 DC 전원의 전압 레벨을 변환하는 자려 발진부와, 상기 자려 발진부로부터의 DC 전원을 사전에 설정된 정수배에 따라 체배하는 전압 체배부를 포함하는 자려 발진 방식 고압 전원 장치를 제공하는 것이다..

고압(High Voltage), 전압 체배(Voltage Multiple), 자려 발진(Self Oscillation)

Description

자려 발진 방식 고압 전원 장치{SELF OSCILLATION TYPE HIGH VOLTAGE POWER SUPPLY}

본 발명은 고압 전원 장치에 관한 것으로 보다 상세하게는 전력 변환용 트랜스포머의 사용을 배제하고 인덕터에 인가되는 전압을 권선비에 따라 스위칭 소자의 바이어스 전압으로 인가하는 자려 발진 방식 고압 전원 장치에 관한 것이다.

최근 들어, 고압 전원 장치(High Voltage Power Supply)는 산업 전반에 응용이 매우 광범위하게 확산 되고 있고, 고압 전원 장치가 필수적으로 이용되어야 하는 분야가 점차 확산되고 있다. 응용분야로는 신소재 개발과 플라즈마 응용을 위한 공업용과 민생용, 의료기기용, 군사용, 또한 프린터에 이르기까지 다양하게 있다.

가정이나 사무실에서 쉽게 접할 수 있는 IT장비인 프린터인 경우에도 전원 공급 장치의 측면에서는 화상형성에 있어 가장 필수적인 안정적이고 다기능을 가지는 고압 전원 장치를 적용하고 있고, 수요 또한 증가하고 있다.

이러한 고압 전원 장치의 개발 시 예상되는 파급효과 및 활용방안은 프린터뿐 아니라 앞서 언급한 민생용, 공업용, 의료용, 군사용에 이르기까지 다양한 응용 분야에서 활용할 수 있다.

도 1은 종래의 고압 전원 장치의 구성도이다.

도 1을 참조하면, 종래의 고압 전원 장치(10)는 사전에 설정된 권선비에 따라 입력 DC 전원의 전압 레벨을 변환하는 전력 변환부(11)와 전력 변환부(11)로부터의 변환된 DC 전압 레벨을 체배하는 체배부(12)를 포함한다.

종래의 고압 전원 장치(10)는 전력 변환부(11)에 전력 변환용 고압 트랜스포머(11a)를 사용하여 일,이차 권선 및 보조 권선이 자기 소자에 권선되어야 하나, 고압 DC 전원을 출력시 상술한 일,이차 권선 및 보조 권선의 권선수 및 권선 방법이 복잡해져서 자기 소자의 부피 및 크기가 커지게 되는 문제점이 있다.

상술한 문제점을 해결하기 위해, 본 발명의 목적은 전력 변환용 트랜스포머의 사용을 배제하고 인덕터에 인가되는 전압을 권선비에 따라 스위칭 소자의 바이어스 전압으로 인가하는 자려 발진 방식 고압 전원 장치를 제공하는 것이다.

상술한 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 하나의 기술적인 측면은 사전에 설정된 권선비에 따라 입력 DC 전원을 스위칭 바이어스 전원으로 변환하고, 상기 스위칭 바이어스 전원에 따라 상기 입력 DC 전원을 스위칭하여 상기 입력 DC 전원의 전압 레벨을 변환하는 자려 발진부와, 사전에 설정된 체배비율에 따라 상기 자려 발진부로부터의 DC 전원을 체배하는 전압 체배부를 포함하는 것을 특징으로 하는 자려 발진 방식 고압 전원 장치를 제공하는 것이다..

본 발명의 하나의 기술적인 측면에 따르면, 상기 자려 발진부는 상기 입력 DC 전원을 스위칭하는 스위치와, 사전에 설정된 권선수를 갖고 상기 입력 DC 전원의 에너지를 충전하는 제1 인덕터와, 사전에 설정된 권선수를 갖고 상기 제1 인덕터와의 상기 권선비에 따라 상기 스위칭 바이어스 전원을 상기 스위치에 공급하는 제2 인덕터를 포함할 수 있다.

본 발명의 하나의 기술적인 측면에 따르면, 상기 자려 발진 방식 고압 전원 장치는 상기 스위치의 에미터와 베이스간에 사전에 설정된 전압 레벨 이상의 과전압이 인가되는 것을 차단하는 보호 회로를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 하나의 기술적인 측면에 따르면, 상기 자려 발진부는 초기 구동시 상기 스위치에 바이어스 전원을 공급하는 전류원을 더 포함할 수 있다.

본 발명의 하나의 기술적인 측면에 따르면, 상기 전압 체배부는 상기 자려 발진부로부터의 DC 전원을 증폭하는 적어도 하나의 증폭셀을 포함할 수 있고, 상기 전압 체배부의 채배비율은 상기 증폭셀의 개수에 따라 결정될 수 있다.

본 발명의 하나의 기술적인 측면에 따르면, 상기 고압 전원 장치는 상기 전압 체배부로부터의 출력 전원을 안정화하는 안정화부를 더 포함할 수 있으며, 상기 안정화부는 상기 출력 전원의 전달 경로를 제공하는 다이오드와, 상기 출력 전원을 충전하는 캐패시터를 포함할 수 있다.

본 발명에 따르면, 전력 변환용 트랜스포머의 사용을 배제하고 인덕터에 인가되는 전압을 권선비에 따라 스위칭 소자의 바이어스 전압으로 인가하여 자가 발진 방식으로 전력을 전달함으로써 상대적으로 저압의 소자를 채택할 수 있어 제조 비용이 저감되는 효과가 있다.

이하, 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하도록 한다.

도 2는 본 발명의 자려 발진 방식 고압 전원 장치의 구성도이다.

도 2를 참조하면, 본 발명의 자려 발진 방식 고압 전원 장치(100)는 전력을 전달하는 자려 발진부(110)와, 자려 발진부(110)로부터의 전압 레벨을 체배하는 전압 체배부(120)를 포함한다.

자려 발진부(110)는 입력 DC 전원(Vin)단에 연결된 스위치(Q)와 스위치(Q)로부터 스위칭된 전원을 입력받는 제1 인덕터(L1)와 제1 인덕터(L1)로부터의 에너지를 전달받아 스위치(Q)에 스위칭 바이어스 전원을 공급하는 제2 인덕터(L2)를 구비한다.

스위치(Q)는 입력 DC 전원(Vin)을 입력받는 에미터(Emitter)와 스위칭 바이어스 전원을 입력받는 베이스(Base)와 스위칭된 DC 전원을 출력하는 컬렉터(Collector)를 갖는 PNP 트랜지스터로 구성될 수 있다.

제1 인덕터(L1)는 사전에 설정된 권선수를 가지며, 스위치(Q)로부터의 스위칭된 DC 전원을 충방전한다.

제2 인덕터(L2)는 사전에 설정된 권선수를 가지며, 제1 인덕터(L1)와의 권선비에 따라 제1 인덕터(L1)로부터의 DC 전원을 스위치(Q)의 베이스에 스위칭 바이어스 전원으로 공급한다.

더하여, 자려 발진부(100)는 초기 구동시 스위치(Q)에 스위칭 바이어스 전원을 공급하는 전류원(Vx)을 더 포함할 수 있다.

전압 체배부(120)는 자려 발진부(110)로부터의 DC 전원을 사전에 설정된 체배비율에 따라 체배한다. 이에 따라, 적어도 하나의 증폭셀(121,122)을 포함한다.

도면에 도시된 전압 체배부(120)는 제1 및 제2 증폭셀(121,122)를 포함하는 것으로 도시되어 있으나, 하나의 증폭셀 또는 직렬로 연결된 복수의 증폭셀을 포함할 수 있다.

전압 체배부(120)의 체배수는 상기한 증폭셀의 개수에 비례할 수 있다. 즉, 전압 체배부(120)의 체배수가 1인 경우 하나의 증폭셀이 채용될 수 있으며, 전압 체배부(120)의 체배수가 2 이상인 경우 둘 이상의 증폭셀이 채용될 수 있다.

전압 체배부(120)의 후단에는 출력 전원을 안정화시키는 안정화부(130)가 채용될 수 있으며, 안정화부(130)는 증폭된 DC 전원을 충전하는 출력 캐패시터(Co)와 증폭된 DC 전원의 경로를 제공하는 출력 다이오드(Do)가 채용된다.

본 발명의 고압 전원 장치(100)는 자려 발진부(110)의 스위치(Q)를 과전압으로부터 보호하는 보호 회로(140)를 더 포함할 수 있다.

보호 회로(140)는 초기 구동시 공급되는 전류원(Vx)으로부터의 스위칭 바이어스 전압 또는 제2 인덕터로부터의 스위칭 바이어스 전압의 레벨이 사전에 설정된 전압 레벨이상이면 스위치(Q)를 파손으로 보호하며, 이를 위해 스위치(Q)의 이미터 와 베이스간에 전기적으로 연결된 제너 다이오드(Dz)를 채용할 수 있다.

도 3은 본 발명의 자려 발진 방식 고압 전원 장치의 동작을 나타내는 도면이고, 도 4는 본 발명의 자려 발진 방식 고압 전원 장치에 채용된 자려 발진부의 주요 신호 파형도이다.

도 3을 참조하면, 본 발명의 자려 발진 방식의 동작을 설명하기 위해 전압 체배부(120)는 제외하여 설명하도록 한다.

도 3 및 도 4를 참조하면, 도 3의 (a)와 같이, 스위치(Q)가 스위칭 온 되면 점선 화살표와 같은 전류 패스가 생겨서 제1 인덕터(L1)의 양단 전압(V_L1)은 입력 DC 전원(Vin)이 그대로 인가된다. 제1 인덕터(L1)간의 권선비에 따라 제2 인덕터(L2)에는 Ns/Np*Vin의 전압이 전류원(Vx)의 전압과 합쳐져서 스위치(Q)를 계속 턴 온 할 수 있도록 스위치(Q)의 에미터와 베이스간의 전압(V_EC)으로 인가되고 베이스(Ib)전류가 흐르게 된다. 이때, 스위치(Q)의 컬렉터 전류(Ic) 즉 제1 인덕터(L1) 측으로 흐르는 전류는 Vin/L1의 기울기를 가지고 상승하게 된다(도 4의 T0~T1 구간 참조).

다음으로, 스위치(Q)의 컬렉터 전류(Ic)가 점점 커지게 되면 안정적으로 동작하던 스위치(Q)가 포화 영역에 들어가게 되고(도 3의 (b) 및 도 4의 T1~T2 구간 참조), 그에 따라 스위치(Q)의 에미터와 컬렉터간의 전압(V_EC)이 상승하며, 같은 전 류 패스상이므로 스위치(Q)의 에미터와 컬렉터간의 전압(V_EC)이 상승하는 만큼 제1 인덕터(L1)의 양단에 인가되는 전압(V_L1)은 줄어들게 된다. 제1 인덕터(L1)의 양단에 인가되는 전압(V_L1)이 줄어들게 되면, 스위치(Q)의 에미터와 베이스간의 전압(Vb)도 감소하고 베이스 전류(Ib)도 감소하게 되어 스위치(Q)는 스위칭 오프가 되게 되며, 제1 인덕터(L1)의 양단에 인가되는 전압(V_L1)이 0V가 되면 제1 인덕터(L1)과 캐패시터(Cr)이 공진을 하게 된다(도 3의 (c) 및 도 4의 T2~T3 구간 참조).

다음으로, 제1 인덕터(L1)의 양단에 인가되는 전압(V_L1)이 -Vo까지 떨어지게 되면 안정화부(130)의 출력 다이오드(Do)가 도통하여 제1 인덕터(L1)에 저장되어 있던 에너지는 출력 측으로 방출을 하게 된다( 도 3의 (d) 및 도 4의 T3~T4 참조).

이후, 제1 인덕터(L1)에 있던 에너지가 다 방출하게 되면 즉, 제1 인덕터 전류(I_L1)가 0이 되면, 다시 캐패시터(Cr)과 제1 인덕터(L1)의 공진으로 인해 스위치(Q)의 에미터와 컬렉터간의 전압(V_EC)이 떨어짐에 따라 제1 인덕터(L1)의 양단에 인가되는 전압(V_L1)은 상승하게 된다(도 3의 (e) 및 도 4의 T4~T5 구간 참조).

마지막으로, 제1 인덕터(L1)의 양단에 인가되는 전압(V_L1)이 0V이상으로 올라가게 되면, 제1 인덕터(L1)과의 권선비에 따라 제2 인덕터(L2)를 통해 스위치(Q)에 스위칭 바이어스 전원이 공급되고, 이에 따라 스우치(Q)는 스위칭 온 하게 된다(도 3의 (f) 및 도 4의 T5~T6 구간 참조).

상술한 바와 같이, 본 발명의 고압 장치에 채용된 자려 발진부(110)는 제1 인덕터(L1) 양단에 걸리는 전압을 권선비에 따라 전달받아 스위치(Q)의 에미터와 베이스간에 인가시킴으로써 자려식 발진동작을 하게 되는 것이다. 이에 따라, 종래의 고압 장치와 같이 고압 DC 전원의 생성에 사용되는 고압의 트랜스포머 대신에 인덕터를 사용함으로써 마그네틱 소자의 크기 및 가격 감소의 효과를 가져올 수 있으며, 고압을 위한 복잡한 권선을 사용하지 않아 제품의 신뢰성 향상에도 기여할 수 있다.

도 5는 본 발명의 자려 발진 방식 고압 전원 장치의 시뮬레이션 파형도이다.

도 5를 참조하면, 본 발명의 자려 발진 방식 고압 전원 장치는 전압 체배부(120)의 체배비율을 입력 DC 전원의 3배로 설정하였으며, 스위치(Q)에 인가되는 DC 전원의 전압 레벨은 대략 384V정도이고, 제1 인덕터(L1)에 인가되는 DC 전원의 전압 레벨은 -360V 정도인 경우 출력 DC 전원은 전압 체배부(120)의 체배비율에 따라 -1410V인 것을 볼 수 있다.

이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고 후술하는 특허청구범위에 의해 한정되며, 본 발명의 구성은 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 그 구성을 다양하게 변경 및 개조할 수 있다는 것을 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 쉽게 알 수 있다.

도 1은 종래의 고압 전원 장치의 구성도.

도 2는 본 발명의 자려 발진 방식 고압 전원 장치의 구성도.

도 3은 본 발명의 자려 발진 방식 고압 전원 장치에 채용된 자려 발진부의 동작을 나타내는 도면.

도 4는 본 발명의 자려 발진 방식 고압 전원 장치에 채용된 자려 발진부의 주요 신호 파형도.

도 5는 본 발명의 자려 발진 방식 고압 전원 장치의 시뮬레이션 파형도.

<도면의 주요 부호에 대한 상세한 설명>

100...고압 전원 장치 110...자려 발진부

120...전압 체배부 121...제1 증폭셀

122...제2 증폭셀 130...안정화부

140...보호회로 Q...스위치

L1...제1 인덕터 L2...제2 인덕터

Claims

사전에 설정된 권선비에 따라 입력 DC 전원을 스위칭 바이어스 전원으로 변환하고, 상기 스위칭 바이어스 전원에 따라 상기 입력 DC 전원을 스위칭하여 상기 입력 DC 전원의 전압 레벨을 변환하는 자려 발진부; 및

사전에 설정된 체배비율에 따라 상기 자려 발진부로부터의 DC 전원을 체배하는 전압 체배부를 포함하고,

상기 자려 발진부는

상기 입력 DC 전원을 스위칭하는 스위치;

사전에 설정된 권선수를 갖고 상기 입력 DC 전원의 에너지를 충전하는 제1 인덕터;

사전에 설정된 권선수를 갖고 상기 제1 인덕터와의 상기 권선비에 따라 상기 스위칭 바이어스 전원을 상기 스위치에 공급하는 제2 인덕터; 및

초기 구동시 상기 스위치에 스위칭 바이어스 전원을 공급하는 전류원을 포함하는 것을 특징으로 하는 자려 발진 방식 고압 전원 장치.
삭제
제1항에 있어서,

상기 자려 발진 방식 고압 전원 장치는 상기 스위치의 에미터와 베이스간에 사전에 설정된 전압 레벨 이상의 과전압이 인가되는 것을 차단하는 보호 회로를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 자려 발진 방식 고압 전원 장치.
삭제
제1항에 있어서,

상기 전압 체배부는 상기 자려 발진부로부터의 DC 전원을 증폭하는 적어도 하나의 증폭셀을 포함하고,

상기 전압 체배부의 체배비율은 상기 증폭셀의 개수에 따라 결정되는 것을 특징으로 하는 자려 발진 방식 고압 전원 장치.
제1항에 있어서,

상기 고압 전원 장치는 상기 전압 체배부로부터의 출력 전원을 안정화하는 안정화부를 더 포함하며,

상기 안정화부는

상기 출력 전원의 전달 경로를 제공하는 다이오드; 및

상기 출력 전원을 충전하는 캐패시터를 포함하는 것을 특징으로 하는 자려 발진 방식 고압 전원 장치.