KR101004823B1

KR101004823B1 - 누설 인덕턴스가 증가된 트랜스포머

Info

Publication number: KR101004823B1
Application number: KR1020070139338A
Authority: KR
Inventors: 문건우; 허태원; 김정은; 박기범; 김돈식; 김종필; 봉상철; 이동욱; 김동중
Original assignee: 삼성전기주식회사
Priority date: 2007-12-27
Filing date: 2007-12-27
Publication date: 2010-12-28
Also published as: US20110032062A1; US20090167474A1; KR20090071129A; US8299881B2

Abstract

본 발명은 기생 인덕턴스가 증가된 트랜스포머에 관한 것으로 전자기적으로 결합된 제1, 제2 및 제3 레그(Leg)를 갖는 코어와, 외부로부터의 전력을 전달받는 일단 및 타단을 갖는 하나의 도전체로 형성되어 상기 제1 내지 제3 레그에 분할 권선되는 일차 권선과, 상기 제1 내지 제3 레그 중 적어도 하나의 레그에 권선되어 상기 일차 권선과의 전자기 유도 작용을 통해 전력을 유기받는 이차 권선을 포함한다.

트랜스포머(Transformer), 기생 인덕턴스(Parasitic Inductance), 비대칭 결합(Unbalance Coupling)

Description

누설 인덕턴스가 증가된 트랜스포머{TRANSFORMER IMPROVED LEAKAGE INDUCTANCE}

본 발명은 트랜스포머에 관한 것으로 보다 상세하게는 전력 변환 회로에 적용되는 트랜스포머에 있어서 일차 권선과 이차 권선간의 비대칭 결합으로 인해 누설 인덕턴스가 증가된 트랜스포머에 관한 것이다.

현재까지 다양한 고전력밀도 전력변환회로들이 개발되어 왔으며, 일반적으로 스위칭 모드 전력변환회로의 전력밀도를 높이기 위해서는 고주파 구동이 필수적이다.

그러나, 스위칭 주파수의 증가는 그에 비례하는 스위칭 손실로 인하여 전체 적인 전력 변환 효율을 감소시키는 문제점을 가지게 되므로 스위칭 손실을 줄이기 위한 다양한 소프트-스위칭 회로들이 개발되어왔다.

대표적으로 능동 클램프 포워드 컨버터, 비대칭 구동 하프브릿지 컨버터, 위상천이제어 풀브릿지 컨버터, 공진 컨버터 등이 있으며, 이들 회로들은 주로 전력 변환에 사용되는 트랜스포머(transformer)의 누설 인덕턴스(leakage inductance)를 이용하여 영전압 스위칭 동작을 실현한다.

상술한 영전압 스위칭 동작의 범위는 전적으로 트랜스포머의 누설 인덕턴스의 에너지에 의존하므로 트랜스포머의 누설 인덕턴스의 크기가 작을 경우 일반적으로 전력 변환 회로에 부가적인 공진 인덕터를 추가하여 영전압 스위칭 범위를 확보한다. 그러나 상술한 바와 같이 공진 인덕터를 부가하는 경우, 부가적인 공진 인덕터는 회로의 복잡도 및 크기를 증가시킬 뿐 아니라 부가 인덕터의 코어 손실 및 도통 손실을 야기되는 문제점이 있다.

상술한 문제점을 해결하기 위해, 본 발명의 목적은 전력 변환 회로에 적용되는 트랜스포머에 있어서, 전력을 전달받는 일차 권선과 일차 권선으로부터 전력을 유기받아 후단에 제공하는 이차 권선간의 전자기적 결합을 비대칭으로 결합하여 누설 인덕턴스를 증가시킨 트랜스포머를 제공하는 것이다.

상술한 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 하나의 기술적인 측면은 전자기적으로 결합된 제1, 제2 및 제3 레그(Leg)를 갖는 코어와, 외부로부터의 전력을 전달받는 일단 및 타단을 갖는 하나의 도전체로 형성되어 상기 제1 내지 제3 레그에 분할 권선되는 일차 권선과, 상기 제1 내지 제3 레그 중 적어도 하나의 레그에 권선되어 상기 일차 권선과의 전자기 유도 작용을 통해 전력을 유기받는 이차 권선을 포함하는 트랜스포머를 제공하는 것이다.

본 발명의 하나의 기술적인 측면에 따르면, 상기 코어는 일측에 형성된 상기 제1 레그와, 타측에 형성되어 상기 제1 레그와 전자기 결합된 상기 제2 레그와, 상기 제1 레그와 상기 제2 레그 사이에 형성되어 상기 제1 및 제2 레그와 전자기 결합되는 상기 제3 레그를 포함할 수 있다.

본 발명의 하나의 기술적인 측면에 따르면, 상기 제1 내지 제3 레그에 각각 분할 권선된 일차 권선 중 상기 제1 및 제2 레그에 분할 권선된 일차 권선의 권선 수는 동일할 수 있다.

본 발명의 하나의 기술적인 측면에 따르면, 상기 일차 권선은 상기 제1 내지 제3 레그에 분할 권선될 수 있다.

본 발명의 하나의 기술적인 측면에 따르면, 상기 이차 권선은 상기 제3 레그에 권선될 수 있다.

본 발명의 다른 하나의 기술적인 측면에 따르면, 상기 이차 권선은 상기 제1 및 제2 레그에 분할 권선될 수 있다.

본 발명에 따르면, 전력 변환 회로에 적용되는 트랜스포머에 있어서, 전력을 전달받는 일차 권선과 일차 권선으로부터 전력을 유기받아 후단에 제공하는 이차 권선간의 전자기적 결합을 비대칭으로 결합함으로써 누설 인덕턴스를 증가시켜 부가적인 공진 인덕터가 필요없으므로 전력 변환 회로의 효율 상승, 회로 면적 감소 및 제작 비용 저감의 효과가 있다.

이하, 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하도록 한다.

도 1은 본 발명에 따른 트랜스포머의 일 실시형태를 나타내는 구성도이다.

도 1을 참조하면 본 발명에 따른 트랜스포머의 일 실시형태(100)는 코어(110), 일차 권선(120) 및 이차 권선(130)을 포함한다. 더하여, 도시되지 않았지만 일차 권선(120) 및 이차 권선(130)을 코어에 권선할 수 있는 절연체로 이루어진 보빈(bobbin)(미도시)이 더 포함될 수 있다. 상기 보빈이 미도시된 이유는 트랜스포머에 있어서 코어에 코일을 권선시 보빈이 필요한 것은 당업자에게 지극히 당연한 것이며, 본 발명에 있어서 보빈은 기술적 특징이 미약하므로 미도시하였다.

코어(110)는 일반적으로 EE코어 또는 EI코어가 결합되어 형성되며, 이에 따라 서로 전자기결합된 적어도 셋의 레그(Leg)가 형성된다. 즉, 도시된 바와 같이 제1 내지 제3 레그(111, 112, 113)가 형성될 수 있으며, 코어의 다양한 형상에 따라 셋 이상의 레그가 형성될 수 있다.

일차 권선(120)은 일단 및 타단을 갖는 하나의 도전체로 형성되며 사전에 설정된 권선수에 따라 제1 내지 제3 레그(111, 112, 113)에 분할되어 권선(Mpout2, Npout1, Npcen)될 수 있다. 상기 일단 및 타단으로는 외부로부터의 전력(Vpri, Ipri)이 전달된다.

이차 권선(130)은 마찬가지로 일단 및 타단을 갖는 하나의 도전체로 형성되며 사전에 설정된 권선수에 따라 제1 내지 제3 레그(111, 112, 113) 중 적어도 하 나의 레그에 권선될 수 있으며, 도시된 바와 같이 제3 레그(113)에 권선(Nsec)될 수 있다. 상기 일단 및 타단으로부터는 상기 일차 권선(120)과의 권선비에 따라 전자기 유도 작용에 의해 유기된 전력(Vsec, Isec)이 출력될 수 있다.

상술한 바와 같은 본 발명의 트랜스포머의 일 실시형태의 전기적인 관계를 살펴보면, 일차 권선(120)을 제1 내지 제3 레그(111,112,113)에 분할 권선하고 제1 및 제2 레그에 권선된 권선수를 동일하게 하면 권선수는 Npout1=Npout2=Npout이고, 이에 따라 일차 권선(120)이 분할된 권선 각각에 인가되는 전압은 Vpout1=Vpout2=Vpout이며, 각 플럭스(Flux)은 Φ1=Φ2=Φo의 관계가 성립된다.

이에 따라, 일차 권선(120)에 인가되는 총 전압은 다음과 같은 수식 1의 관계를 갖는다.

(수식 1)

Vpri이 양의 전압이면 코어(110)의 각 레그(111,112,113)의 자속은 플럭스의 기준 방향(화살표)과 같은 방향으로 자속이 증가되며 이에 따라 다음의 수식 2와 같은 관계가 성립된다.

(수식 2)

여기서, P<x>는 x의 단위 시간당 자속의 변화량을 의미한다.

수식 2에 기초하여 분할 권선에 인가된 전압은 수식 3과 같은 관계가 성립된다.

(수식 3)

수식 1 내지 수식 3을 정리하면 수식 4와 같은 관계가 성립된다.

(수식 4)

이에 따라, 일차 권선(120) 및 이차 권선(130)에 흐르는 전류는 다음의 수식 5와 같은 관계가 성립된다.

(수식 5)

상술한 수식을 살펴보면, 일반적인 트랜스포머에서와 같이 권선비에 따라 일차측 전류와 이차측 전류의 관계가 성립되는 것을 볼 수 있다. 즉, 일차 권선(120)을 제1 내지 제3 레그(111,112,113)에 분할 권선하고, 이차 권선(130)을 제1 내지 제3 레그(111,112,113) 중 적어도 하나의 레그에 권선하여도 일반적인 트랜스포머와 동일한 전기적 특성을 갖는 것을 확인할 수 있다.

도 2는 본 발명에 따른 트랜스포머의 누설 자기 저항을 고려한 자기적 등가 회로도이다.

도 1과 함께 도 2를 참조하면, 일차 권선(120)과 이차 권선(130)간의 낮은 자기적 결합도에 의해 제1 및 제2 레그(111,112)의 권선에 누설 자기 저항(Rlkg)이 형성된다.

이를 Npout으로부터 들여다본 전기적 등가회로는 도 3과 같다.

도 3은 본 발명에 따른 트랜스포머의 전기적 등가 회로이다.

도 1 내지 도 3을 참조하면, 도 3의 전기적 등가 회로는 Rcen과 Rout가 충분히 크다고 가정하며, Llkg1 및 Llkg2는 Rlkg에 의한 누설 인덕터이다.

도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 트랜스포머는 일차 권선(120, Npcen+Npout), 이차 권선(130, Nsec)을 포함하고, 일차 권선(120)과 이차 권선(130)간의 전자기 비대칭 결합에 의한 누설 인덕터(Llkg1, Llkg2)를 갖는다.

도 4는 본 발명에 따른 트랜스포머의 다른 실시형태를 나타내는 구성도이다.

도 1과 함께 도 4를 참조하면 본 발명에 따른 트랜스포머의 다른 실시형태(200)는 일 실시형태(100)와 동일하게 제1 내지 제3 레그(211,212,213)를 갖는 코어(210), 일차 권선(220) 및 이차 권선(230)을 갖는다. 이때, 이차 권선(230)은 일 실시형태와 다르게 제1 및 제2 레그(211, 212)에 분할 권선된다.

마찬가지로, 일차 권선(220)과 이차 권선(230)간에 전자기 비대칭 결합이 발 생하며 이에 따라 누설 인덕턴스가 생성된다.

상술한 본 발명에 따른 트랜스포머의 다른 실시형태(200)는 일 실시형태(100)와 동일한 전기적인 특징으로 가지므로 이에 관한 설명은 생략하도록 한다.

도 5의 (a), (b) 및 (c)는 본 발명에 따른 트랜스포머가 적용되는 전력 변환 회로도이다.

도 1 및 도 4와 함께, 도 5를 참조하면, 도 1 및 도 4의 본 발명에 따른 트랜스포머의 실시형태는 도 5와 같이 전력 변환 회로에 적용된다.

도 5의 (a), (b) 및 (c)는 각각 4개의 다이오드(D1 내지 D4)와 인덕터(Lo) 및 캐패시터(Co)를 갖는 풀 브릿지(full bridge) 방식, 두 개의 다이오드(D1, D2)와 두개의 인덕터(Lo1, Lo2) 및 캐패시터(Co)를 갖는 전류 더블러(current doubler) 방식, 이차 권선(Nsec1, Nsec2)의 중간 탭에 연결된 두개의 다이오드(D1, D2)와 인덕터(Lo) 및 캐패시터(Co)를 갖는 중간 탭(center tap) 방식의 전력 변환 회로이며, 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 트랜스포머의 일 실시형태가 적용되었으나 상술한 다른 실시형태가 적용될 수도 있다.

도 6은 종래와 본 발명에 따른 트랜스포머가 적용되는 전력 변환 회로간의 전력 변환 효율 비교 그래프이다.

도 6을 참조하면, 종래의 일반적인 트랜스포머와 본 발명에 따른 트랜스포머를 풀 브릿지 전력 변환 회로에 적용하였으며, 입력 전압은 400V, 출력 전압을 12V 정격 파워를 1.2KW 사양의 풀 브릿지 전력 변환 회로에 적용하였다. 종래의 일반적인 트랜스포머가 적용된 경우 7uH의 부가적인 공진 인덕터를 추가하였다.

도 6에 도시된 바와 같이, 종래의 일반적인 트랜스포머에 부가적인 공진 인덕터를 적용한 전력 변환 회로에 비하여 본 발명에 따른 트랜스포머를 적용한 전력 변환 회로의 효율이 부가적인 공진 인덕터를 사용하지 않고도 대략 0.3%에서 0.6%정도 효율이 높은 것을 볼 수 있으며, 상술한 부가적인 공진 인덕터의 차지 면적 만큼 회로 면적이 감소할 수 있음을 짐작할 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 본 발명에 따른 트랜스포머의 일 실시형태를 나타내는 구성도.

도 2는 본 발명에 따른 트랜스포머의 누설 자기 저항을 고려한 자기적 등가 회로도.

도 3은 본 발명에 따른 트랜스포머의 전기적 등가 회로.

도 4는 본 발명에 따른 트랜스포머의 다른 실시형태를 나타내는 구성도.

도 5의 (a), (b) 및 (c)는 본 발명에 따른 트랜스포머가 적용되는 전력 변환 회로도.

도 6은 종래와 본 발명에 따른 트랜스포머가 적용되는 전력 변환 회로간의 w전력 변환 효율 비교 그래프.

<도면의 주요 부호에 대한 상세한 설명>

100, 200...트랜스포머 110, 210...코어

111, 211...제1 레그 112, 212...제2 레그

113, 213...제3 레그 120, 220...일차 권선

130, 230...이차 권선

Claims

삭제
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삭제
삭제
전자기적으로 결합된 제1, 제2 및 제3 레그(Leg)를 갖는 코어;

외부로부터의 전력을 전달받는 일단 및 타단을 갖는 하나의 도전체로 형성되어 상기 제1 내지 제3 레그에 분할 권선되는 일차 권선; 및

상기 제1 내지 제3 레그 중 적어도 하나의 레그에 권선되어 상기 일차 권선과의 전자기 유도 작용을 통해 전력을 유기받는 이차 권선을 포함하고,

상기 코어는

일측에 형성된 상기 제1 레그;

타측에 형성되어 상기 제1 레그와 전자기 결합된 상기 제2 레그; 및

상기 제1 레그와 상기 제2 레그 사이에 형성되어 상기 제1 및 제2 레그와 전자기 결합되는 상기 제3 레그를 포함하며,

상기 일차 권선은 상기 제1 내지 제3 레그에 분할 권선되고,

상기 제1 내지 제3 레그에 각각 분할 권선된 일차 권선 중 상기 제1 및 제2 레그에 분할 권선된 일차 권선의 권선 수는 동일하며,

상기 이차 권선은 상기 제3 레그에 권선되는 것을 특징으로 하는 누설 인덕턴스가 증가된 트랜스포머.
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