KR101017017B1 - Ｄｃ-ｄｃ 컨버터 - Google Patents

Ｄｃ-ｄｃ 컨버터 Download PDF

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Abstract

본 발명은 DC-DC 컨버터에 관한 것이다. 본 발명에 따른 DC-DC 컨버터는
입력전원에 직렬 연결된 1차 권선과, 상기 1차 권선에 인가되는 상기 입력전원에 의해 유도전원을 발생하는 2차 권선을 구비한 트랜스포머; 1차 권선에 직렬 연결되어, 소정의 제어신호에 따라 스위칭 동작을 수행하는 스위칭부; 스위칭부의 턴 오프 시 턴 오프에 따른 개방노드간의 전압의 상승률을 지연시키며, 스위칭부의 턴 온 시 방전전류를 제공하는 제1 지연부; 및 스위칭부의 턴 온 시, 제1 지연부의 방전전류에 의해 스위칭부에 흐르는 전류를 지연시키는 제2 지연부를 포함한다. 이에 의해, 스위칭 온/오프에 따른 손실을 줄이고, 에너지 효율 및 EMI(Electromagnetic Interference) 특성을 개선할 수 있다.

Description

ＤＣ-ＤＣ 컨버터{DC to DC Converter}
도 1은 종래 플라이백 컨버터 및 부분공진방식에 따른 플라이백 컨버터를 설명하기 위한 제어블록도,
도 2는 본 발명에 따른 플라이백 컨버터의 회로도,
도 3은 도 2에 따른 플라이백 컨버터의 동작 파형을 도시한 것이다.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *
Vin : 입력전압 Vout : 출력전압
T : 트랜스포머 1 : 1차 권선
2 : 2차 권선 3 : 인덕터
10 : 스위칭부 20 : 제1 지연부
30 : 제2 지연부 40 : 스위칭 컨트롤부
MOSFET : 모스펫 C : 커패시터
D1 : 제1 다이오드 D2 : 제2 다이오드
D3 : 제3 다이오드 Vds : 모스펫 드레인-소스 전압
Id : 모스펫 드레인 전류
본 발명은 DC-DC 컨버터에 관한 것으로서 보다 상세하게는 부분공진(Quisi-Resonant) 방식의 플라이백 컨버터(Flyback Converter)에 관한 것이다.
종래 플라이백 컨버터 및 부분공진방식이 적용된 플라이백 컨버터에 대해서는 도 1을 참조하여 설명하기로 한다. 도 1에 도시된 바와 같이, 종래 플라이백 컨버터는 입력전원(Vin)과, 1차 권선(1) 및 2차 권선(2)을 갖는 트랜스포머(T0), 소정의 제어신호에 따라 턴 온/오프를 반복하는 모스펫(MOSFET) 스위치 등의 회로소자를 포함한다.
구체적으로, 입력전원(Vin)은 모스펫(MOSFET)의 턴 온/오프 동작에 따라 트랜스포머(T0)에 의해 변환되어 DC전압으로 출력되게 된다. 그런데, 종래 플라이백 컨버터는 모스펫(MOSFET) 등의 소자를 사용하여 고속 스위칭을 통해 에너지 컨버젼을 하기 때문에 모스펫(MOSFET) 온/오프 구간에서 스위칭 손실이 발생하게 된다.
이러한 스위칭 손실을 줄이기 위해 플라이백 컨버터에 부분공진 방식을 적용하는 방법이 소개되고 있다. 부분공진 방식에 따른 플라이백 컨버터는 모스펫 드레인-소스 최저전압을 기준으로 하여, 모스펫(MOSFET) 오프 시, 1차 권선(1)으로부터 출력되는 전압을 센싱하여, 출력전압(Vout)이 최저 전압에 이르게 될 때, 모스펫(MOSFET) 가 턴 온 되도록 한다. 이에 따라 일반적인 플라이백 컨버터에 비해 부분공진 방식이 적용된 플라이백 컨버터는 턴 온 스위칭 손실을 줄일 수 있다.
또한, 도 1에 도시된 바와 같이, 커패시터(C0)를 모스펫(MOSFET)과 병렬 연결하여, 턴 오프에 따른 모스펫 드레인-소스 전압의 스파이크를 줄이게 된다.
그런데, 이러한 부분공진 방식에 따른 플라이백 컨버터는 커패시터(C0)가 모스펫(MOSFET) 온 구간에서 모스펫(MOSFET)을 통해 방전되면서 큰 리드 에지(lead edge) 전류를 발생시켜 모스펫(MOSFET)의 턴 온 스위칭 손실을 발생시킨다.
따라서, 본 발명의 목적은 스위칭 온/오프에 따른 손실을 줄이고, 에너지 효율 및 EMI 특성이 우수한 DC-DC 컨버터를 제공하는 것이다.
상기 목적은, 본 발명에 따라, DC-DC 컨버터에 있어서, 입력전원에 직렬 연결된 1차 권선과, 상기 1차 권선에 인가되는 상기 입력전원에 의해 유도전원을 발생하는 2차 권선을 구비한 트랜스포머; 상기 1차 권선에 직렬 연결되어, 소정의 제어신호에 따라 스위칭 동작을 수행하는 스위칭부; 상기 스위칭부의 턴 오프 시 턴 오프에 따른 개방노드간의 전압의 상승률을 지연시키며, 상기 스위칭부의 턴 온 시 방전전류를 제공하는 제1 지연부; 및 상기 스위칭부의 턴 온 시, 상기 제1 지연부의 방전전류에 의해 상기 스위칭부에 흐르는 전류를 지연시키는 제2 지연부를 포함하는 것을 특징으로 하는 DC-DC 컨버터에 의해 달성될 수 있다.
여기서, 상기 제1 지연부는 일측이 상기 1차 권선 및 상기 스위칭부에 연결되어, 상기 스위칭부의 턴 오프 시 상기 1차 권선으로부터의 전압으로 충전되고, 상기 스위칭부의 턴 온 시 상기 스위칭부로 상기 충전전압을 방전하는 커패시터를 포함한다.
그리고, 상기 제1 지연부는 에노드 단자가 상기 커패시터의 일측에 접속되고, 캐소드 단자가 상기 입력전원에 접속되어, 전류의 흐름을 단속하는 제1 다이오드를 포함할 수 있다.
또한, 상기 제2 지연부는 상기 스위칭부의 접지와 상기 커패시터의 일측에 연결되어, 상기 스위칭부의 턴 온 시 상기 커패시터의 방전전류에 의해 상기 스위칭부에 흐르는 전류를 지연시키는, 상기 1차 권선와 커플링 된 인덕터를 포함할 수 있다.
그리고, 상기 인덕터의 권선은 상기 1차 권선과 반대방향으로 감길 수 있다.
한편, 상기 제2 지연부는 에노드 단자가 상기 인덕터에 접속되고, 캐소드 단자는 상기 커패시터의 일측 및 상기 제1 다이오드의 에노드 단자에 접속되는 제2 다이오드를 포함할 수 있다.
아울러, 상기 스위칭부는 모스 전계 효과 트랜지스터(MOSFET)을 포함할 수 있다.
또한, 상기 DC-DC 컨버터는 플라이백 컨버터일 수 있다.
그리고, 상기 1차 권선으로부터 출력되는 전압을 센싱하여, 상기 스위칭부의 턴 오프시 상기 전압이 최저전압인 경우 상기 스위칭부에 턴 온 제어신호를 인가하는 스위칭 컨트롤부를 더 포함할 수 있다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 본 발 명의 실시예에서는 부분공진방식이 적용된 플라이백 컨버터를 일예로 하여 설명하기로 한다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 플라이백 컨버터의 회로도이다. 도 2에 도시된 바와 같이, DC로 인가되는 입력전원(Vin)을 소정레벨의 DC 전원으로 컨버팅하는 플라이백 컨버터는 크게 1차 권선(1)을 가진 입력회로와, 2차 권선(2)을 가진 출력회로로 나눌 수 있다.
입력회로는 DC전원을 공급하는 입력전원(Vin)과, 트랜스포머(T)의 1차 권선(1), 스위칭부(10), 제1 지연부(20) 및 제2 지연부(30)를 포함한다.
여기서, 스위칭부(10)는 1차 권선(1)과 입력전원(Vin) 사이에 직렬 연결되어 스위칭 동작을 수행하는데, 도 2에 도시된 바와 같이, 모스펫(MOSFET) 등의 스위칭 소자에 의해 구현될 수 있다. 모스펫(MOSFET)은 소정의 스위칭 제어신호를 인가받아 턴 온/오프 동작을 고속으로 반복하게 되는데, 본 발명의 실시예에 따른 플라이백 컨버터는 일부공진방식이 적용된 것으로, 스위칭 컨트롤부(40)를 포함할 수 있다. 스위칭 컨트롤부(40)의 구체적인 동작에 대해서는 후술하기로 한다.
본 발명의 실시예에 따른 제1 지연부(20)는 스위칭부(10)의 턴 오프 시, 턴 오프에 따른 개방노드간의 전압의 상승률을 지연시키며, 스위칭부(10)의 턴 온 시 방전전류를 제공하는 것으로, 커패시터(C) 및 제1 다이오드(D1)를 포함할 수 있다.
구체적으로, 도 2에 도시된 바와 같이, 커패시터(C)는 일측이 1차 권선(1)과 모스펫(MOSFET)에 연결된다, 그리하여, 모스펫(MOSFET)의 턴 오프 시에 입력전원 (Vin)에 따른 1차 권선(1)으로부터 출력되는 전압으로 충전된다. 이때, 제1 다이오드(D1)는 에노드 단자가 커패시터(C)의 일측에 접속되고, 캐소드 단자가 입력전원(Vin)에 접속되어 충전전류의 흐름을 일 방향으로 단속한다.
즉, 커패시터(C)는 모스펫(MOSFET)의 턴 오프시 1차 권선(1)으로부터 출력되는 전압으로 충전됨으로써 모프펫 드레인-소스전압(Vds)의 상승을 지연시킨다. 그리하여, 모스펫(MOSFET)의 턴 오프시에 발생하는 스위칭 손실을 줄일 수 있다. 그리고, 이렇게 충전된 커패시터(C)의 충전전압은 모스펫(MOSFET)의 턴 온 시에 모스펫(MOSFET)으로 방전하게 된다.
본 발명의 실시예에 따른 제2 지연부(30)는 스위칭부(10)의 턴 온 시, 제1 지연부(20)의 방전전류에 의해 스위칭부(10)에 흐르는 전류를 지연시키는 것으로, 1차 권선(1)과 커플링된 인덕터(3) 및 제2 다이오드(D2)를 포함하여 구현될 수 있다.
구체적으로, 도 2에 도시된 바와 같이, 제3 권선은 모스펫(MOSFET)의 접지와 커패시터(C)의 일측에 연결되어, 모스펫(MOSFET)의 턴 온 시 커패시터(C)의 방전전류에 의한 모스펫(MOSFET)에 흐르는 전류를 지연시킨다. 그리하여, 모스펫(MOSFET)의 턴 온 시에 발생하게 되는 턴 오프 손실을 줄일 수 있다.
이때, 인덕터(3)은 권선이 1차 권선(1)과 반대방향으로 감겨 극성표시가 반대가 되며, 이를 통해 커패시터(C)를 통해 모스펫(MOSFET)로 흐르는 전류를 지연시키게 된다. 한편, 제2 다이오드(D2)는 에노드 단자가 인덕터(3)에 접속되고, 캐 소드 단자는 커패시터(C)의 일측 및 제1 다이오드(D1)의 에노드 단자에 접속되어, 커패시터(C)의 방전전류의 흐름을 한 방향으로 단속한다.
본 발명의 실시예에 따른 플라이백 컨버터의 출력회로는 간접 에너지 전이방식(in direct energy transfer)에 따라 동작하는데, 도 2에 도시된 바와 같이, 모스펫(MOSFET)이 턴 온 되면 트랜스포머(T)에 자화 인덕턴스가 충전되고, 모스펫(MOSFET)이 턴 오프 될 때, 트랜스포머(T)의 자화 인덕턴스의 전류가 2차 측에 넘어가면서 출력회로에 출력전압을 만들어 낸다.
구체적으로, 모스펫(MOSFET)이 턴 온 되면 트랜스포머(T)의 2차 권선(2)에는 1차와 반대 극성의 전압이 유도되므로 제3 다이오드(D3)는 역 바이어스 되어 차단된다. 따라서, 2차 권선(2)에는 전류가 흐르지 않고 1차 권선(1)으로만 전류가 흘러 자화 인덕턴스에 의해 에너지가 축적된다. 그리고, 모스펫(MOSFET)이 턴 오프 되면 2차 권선(2)에는 전 상태와 반대 극성의 전압이 유도되어 제3 다이오드(D3)를 도통시킴으로써 트랜스포머(T)의 자화 인덕턴스에 의해 축적된 에너지를 출력으로 방출하게 된다.
본 발명의 실시예에 따른 플라이백 컨버터의 파형에 대해서는 도 3을 참조하여 설명하기로 한다.
도 3의 (a)는 모스펫 드레인-소스 전압(Vds)의 파형, 도 3의 (b)는 모스펫 드레인 전류(Id) 파형, 도 3의 (c)는 모스펫(MOSFET)의 게이트 구동전압의 파형, 도 3의 (d)는 모스펫(MOSFET)의 스위칭 손실을 도시한 것이다.
도 3의 (c)의 모스펫(MOSFET)의 턴 오프시, 모스펫 드레인-소스 전압(Vds)과 드레인 전류(Id)는 도 3의 (a),(b)에 도시된 바와 같다. 도 3의 (a)와 같이, 모스펫(MOSFET)의 턴 오프시 모스펫 드레인-소스전압(Vds)은 가파르게 상승하게 되는데, 전술한 바와 같이, 본원발명에 따르면 그 전류패스가 트랜지스터??커패시터(C)??제1 다이오드(D1)를 형성하면서 커패시터(C)에 의해 전압이 충전되므로 모스펫 드레인-소스전압(Vds)의 상승률(dV/dT)이 지연되게 된다.
따라서, 도 3의 (a)에 도시된 바와 같이, 그 전압 상승률이 종래에 비해서 지연 및 감소되어 스위칭 턴 오프시에 발생되는 스파이크 전압을 제거할 수 있으며, 다출력인 경우에는 스파이크 전압 개선에 의한 교차 부하 조정(cross load regulation) 특성이 개선될 수 있다.
이에 따른 스위칭 턴-오프 손실은 도 4의 (d)에 도시된 바와 같다. 점선으로 표시된 것이 종래 플라이백 컨버터의 스위칭 손실을 나타낸 것이고, 실선으로 표시된 것은 본 발명에 따른 플라이백 컨버터의 스위칭 손실을 나타낸 것이다. 전술한 바와 같이, 모스펫 드레인-소스 전압(Vds)의 상승률이 지연 및 둔화되면서 다음과 같은 식 1에 의해 산출되는 스위칭 손실전력(L)이 종래에 비해 감소되는 것을 볼 수 있다.
<식 1>
L=Vds*Id
즉, 모스펫(MOSFET)의 턴 오프 타임이 느려지면서, 모스펫 드레인-소스 전압(Vds)과 모스펫 드레인 전류(Id)의 오버랩(overlap)에 의해 발생되는 턴 오프 스위칭 손실이 감소된다.
한편, 전술한 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 플라이백 컨버터는 모스펫에 스위칭 제어신호를 인가하는 스위칭 컨트롤부(40)를 더 포함하는데, 스위칭 컨트롤부(40)는 1차 권선(1)과 연결된 보조권선과, 보조권선과 연결되어 모스펫 드레인 소스 전압을 센싱하는 센서를 포함하여, 모스펫(MOSFET) 턴 온/오프 타이밍을 제공하게 된다.
구체적으로 살펴보면, 모스펫(MOSFET)의 턴 오프에 따른 모스펫 드레인-소스 전압(Vds)은 오버슛 되다가 일정 레벨의 전압을 유지하게 되는데, 밸런스가 맞게 되면 일정레벨에 수렴하면서 진동하게 된다. 스위칭 컨트롤부(40)는 모스펫 드레인-소스 전압(Vds)을 센싱하여 진동하는 드레인-소스전압(Vds)이 도 3의 (a)에서 모스펫 구동전압의 최저레벨(E)에 해당되는 타이밍에 동기하여 모스펫(MOSFET)이 온 되도록 스위칭 제어신호를 인가한다.
그리하여, 턴 온에 따른 스위칭 손실을 줄일 수 있다. 즉, 부분공진 플라이백 컨버터에 커패시터를 포함한 클램핑 회로를 적용함으로써 턴 오프 스위칭 손실을 줄일 수 있다.
그리고, 모스펫(MOSFET) 턴 온시, 그 전류패스가 커패시터(C)→모스펫→인덕터(3)→제2 다이오드(D2)를 형성하면서 커패시터(C)에 충전된 전압이 방전하게 된 다. 이때, 인덕터(3)에 의해 모스펫 드레인 전류(Id)가 제한되므로 모스펫 드레인 전류(Id)는 지연 및 감소하게 된다. 즉, 모스펫(MOSFET) 턴 온시 커패시터에 의한 방전전류에 의해 턴 온 리드 에지 전류가 발생하는데, 이 전류는 인덕터에 의해 다음과 같이 식 2와 같이 감소되어 턴 온 에지 전류를 감소시킨다.
<식 2>
Id=C(d(Vds-Vc)/dT)
(여기서, Vc 는 커패시터 양단에 걸리는 전압을 의미)
그리하여, 도 3의 (d)에 도시된 바와 같이, 턴 온에 의한 스위칭 손실은 점선으로 표시된 종래의 스위칭 손실에 비해 본 발명에 따른 플라이백 컨버터의 스위칭 손실이 감소하게 된다. 따라서, 본 발명에 따른 플라이백 컨버터는 스위칭 턴 온시에 발생하는 턴 온 에지 전류를 줄일 수 있어 EMI 특성 및 효율을 증가할 수 있다.
비록 본 발명의 몇몇 실시예들이 도시되고 설명되었지만, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 당업자라면 본 발명의 원칙이나 정신에서 벗어나지 않으면서 본 실시예를 변형할 수 있음을 알 수 있을 것이다. 발명의 범위는 첨부된 청구항과 그 균등물에 의해 정해질 것이다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 스위칭 온/오프에 따른 손실을 줄이고, 에너지 효율 및 EMI 특성이 우수한 DC-DC 컨버터가 제공된다.

Claims (9)

  1. DC-DC 컨버터에 있어서,
    입력전원에 직렬 연결된 1차 권선과, 상기 1차 권선에 인가되는 상기 입력전원에 의해 유도전원을 발생하는 2차 권선을 구비한 트랜스포머;
    상기 1차 권선에 직렬 연결되어, 소정의 제어신호에 따라 스위칭 동작을 수행하는 스위칭부;
    상기 스위칭부의 턴 오프 시 턴 오프에 따른 개방노드간의 전압의 상승률을 지연시키며, 상기 스위칭부의 턴 온 시 방전전류를 제공하는 제1 지연부;
    상기 스위칭부의 턴 온 시, 상기 제1 지연부의 방전전류에 의해 상기 스위칭부에 흐르는 전류를 지연시키는 제2 지연부; 및
    상기 1차 권선으로부터 출력되는 전압을 센싱하여, 상기 스위칭부의 턴 오프시 상기 전압이 최저전압인 경우 상기 스위칭부에 턴 온 제어신호를 인가하는 스위칭 컨트롤부를 포함하되,
    상기 스위칭 컨트롤부는 모스펫 드레인 소스 전압을 센싱하는 센서를 포함하여, 모스펫 턴 온/오프 타이밍을 제공하고, 모스펫 구동전압의 최저 레벨에 해당되는 타이밍에 동기하여 모스펫이 온 되도록 상기 스위칭부에 제어신호를 인가하는 것을 특징으로 하는 DC-DC 컨버터.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 지연부는 일측이 상기 1차 권선 및 상기 스위칭부에 연결되어, 상기 스위칭부의 턴 오프 시 상기 1차 권선으로부터의 전압으로 충전되고, 상기 스위칭부의 턴 온 시 상기 스위칭부로 충전된 전압을 방전하는 커패시터를 포함하는 것을 특징으로 하는 DC-DC 컨버터.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제1 지연부는 에노드 단자가 상기 커패시터의 일측에 접속되고, 캐소드 단자가 상기 입력전원에 접속되어, 전류의 흐름을 단속하는 제1 다이오드를 포함하는 것을 특징으로 하는 DC-DC 컨버터.
  4. 제2항 또는 제3항에 있어서,
    상기 제2 지연부는 상기 스위칭부의 접지와 상기 커패시터의 일측에 연결되어, 상기 스위칭부의 턴 온 시 상기 커패시터의 방전전류에 의해 상기 스위칭부에 흐르는 전류를 지연시키는, 상기 1차 권선와 커플링 된 인덕터를 포함하는 것을 특징으로 하는 DC-DC 컨버터.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 인덕터는 상기 1차 권선과 반대방향으로 감긴 것을 특징으로 하는 DC-DC 컨버터.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 제2 지연부는 에노드 단자가 상기 인덕터에 접속되고, 캐소드 단자는 상기 커패시터의 일측 및 상기 제1 다이오드의 에노드 단자에 접속되는 제2 다이오드를 포함하는 것을 특징으로 하는 DC-DC 컨버터.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 스위칭부는 모스 전계 효과 트랜지스터(MOSFET)을 포함하는 것을 특징으로 하는 DC-DC 컨버터.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 트랜스포머는 플라이백 트랜스포머를 포함하는 것을 특징으로 하는 DC-DC 컨버터.
  9. 삭제
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