KR101050733B1

KR101050733B1 - 히스테리시스 제어 직류전원 공급장치

Info

Publication number: KR101050733B1
Application number: KR1020100118282A
Authority: KR
Inventors: 정용준
Original assignee: 엘아이지넥스원 주식회사
Priority date: 2010-11-25
Filing date: 2010-11-25
Publication date: 2011-07-20

Abstract

본 발명은 히스테리시스 제어에 의한 LLC 컨버터를 이용한 직류전원 공급장치에 관한 것으로, 입력 전원을 교번 스위칭하는 제1 및 제2 스위치를 갖는 제1 스위칭부, 상기 제1 스위칭부로부터 스위칭된 전원 중 하나를 기 결정된 전압 레벨을 갖는 교류 전원으로 변환하는 변환부, 상기 변환부로부터의 교류 전원을 정류하여 제1 직류 전원을 출력하는 정류부, 상기 정류부가 출력하는 제1 직류 전원을 스위칭하는 제2 스위칭부, 및 상기 제2 스위칭부의 출력을 히스테리시스 방법으로 제어하는 히스테리시스 제어부를 포함한다. 따라서 구조가 간단하여 저가격 구현이 가능하고, 전 부하영역에서 영전압 스위칭이 가능하며, 중부하급 이상에서 효율이 매우 우수한 장점을 가진다.

Description

히스테리시스 제어 직류전원 공급장치{Direct Current Power Supply Using Hysteresis control}

본 발명은 직류전원 공급장치에 관한 것으로, 특히 히스테리시스 제어에 의한 LLC 컨버터를 이용한 직류전원 공급장치에 관한 것이다.

LLC 컨버터는 인덕턴스 2개와 커패시턴스 1개로 구성되는 일반적으로 간단한 구조로 저가격 구현이 가능하며, 전 부하영역에서 영전압 스위칭이 가능하다. 또한, 주 수위치의 내압이 Vin 전압으로 클램핑되고, 중부하급(500W) 이상에서 효율이 매우 우수하다. 주 스위치가 2개로 풀 브리지 구조보다 유리하며, 출력 다이오드에 전압 진동(ringing) 현상이 없다는 장점이 있다. 이러한 LLC 컨버터를 설계하는데 있어서 제어단의 설계가 어렵고 복잡하다.

도 1은 현재 HVPS에서 사용중인 토폴로지는 위상천이 풀브리지를 도시한다. 도 1를 참조하면, 4개의 스위치가 교번적으로 스위칭하면서 2차측으로 에너지를 전달하게 된다. 이는 비교적 효율이 우수하고, 일반적으로 사용할 수 있는 PWM 제어칩의 종류도 많아서 널리 사용되고 있는 토폴로지이다. 전압 레귤레이션 측면에서도 우수하고, 스위치 각각에 걸리는 내압이 Vin/2이라는 장점도 있다.

그러나, 주 스위치가 전 부하영역에서 ZVS가 되지 않는데, 이는 효율을 떨어뜨리게 되고 열로 방출된다. 이 열을 분산시키기 위하여 사용하는 방열판의 크기가 커지게 되고, 이는 곧 TWTA 전체의 무게 및 크기를 증가시킨다. 또한, 소자수가 많아지고 회로가 복잡해지는 문제가 있다.

따라서 본 발명자는 스위치를 2개만 사용하고 전 부하영역에서 ZVS가 가능하며, 효율적으로 우수한 LLC 컨버터를 TWTA용 HVPS에 적용한 본 발명을 하기에 이른 것이다. 본 발명에 의하여 효율이 높고 TWTA의 크기와 무게를 줄일 수 있을 것으로 기대된다.

본 발명의 목적은 히스테리시스 제어에 의하는 직류전원 공급장치를 제공하기 위한 것이다.

본 발명의 다른 목적은 LLC 컨버터를 포함하고 히스테리시스 제어에 의하는 직류전원 공급장치를 제공하기 위한 것이다.

기타 본 발명의 다른 목적은 첨부된 도면을 참조하여 설명되는 상세한 설명에 의하여 모두 달성될 수 있다.

이와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 입력 전원을 교번 스위칭하는 제1 및 제2 스위치를 갖는 제1 스위칭부, 상기 제1 스위칭부로부터 스위칭된 전원 중 하나를 기 결정된 전압 레벨을 갖는 교류 전원으로 변환하는 변환부, 상기 변환부로부터의 교류 전원을 정류하여 제1 직류 전원을 출력하는 정류부, 상기 정류부가 출력하는 제1 직류 전원을 스위칭하는 제2 스위칭부, 및 상기 제2 스위칭부의 출력을 히스테리시스 방법으로 제어하는 히스테리시스 제어부를 포함한다.

상기 변환부는 상기 제1 스위치 및 제2 스위치의 전원 입력단 중 어느 하나에 직렬 연결된 캐패시터 및 제1 인덕터와 병렬 연결된 제2 인덕터를 갖는 LLC 컨버터를 이용할 수 있다.

상기 히스테리시스 제어부는 연산증폭기를 포함하는 정궤환 회로로 구성될 수 있다.

이와 같은 본 발명의 LLC 컨버터 구성에 의하면 구조가 간단하여 저가격 구현이 가능하고, 전 부하영역에서 영전압 스위칭이 가능하다. 또한, 중부하급 이상에서 효율이 매우 우수하고, 주 스위치가 2개만으로 구성할 수 있는 장점과, 출력 다이오드에 전압 진동(ringing) 현상을 초래하지 않는 장점을 가진다. 또한, 2차측에서 히스테리시스 제어를 하기 때문에 설계가 단순해지는 효과가 있다.

도 1은 종래의 HVPS용 위상천이 풀브리지 컨버터 회로도,
도 2는 본 발명의 LLC 공진형 풀브리지 컨버터 회로도,
도 3은 본 발명의 LLC 공진형 풀브리지 컨버터에 따른 주요 파형도,
도 4는 본 발명의 히스테리시스 제어를 위한 전압증폭부 회로도와 입출력 전압 관계도,
도 5는 본 발명의 히스테리시스 제어를 시뮬레이션하기 위한 전압증폭부 회로와 시뮬레이션 결과 파형,
도 6은 본 발명의 히스테리시스 제어에 의한 LLC 공진형 컨버터를 포함하는 직류전원 공급장치의 시뮬레이션을 위한 회로도, 그리고
도 7은 본 발명의 히스테리시스 제어에 의한 LLC 공진형 컨버터를 포함하는 직류전원 공급장치의 시뮬레이션 결과 파형을 도시한다.

이하에서 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다. 본 명세서 및 특허청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적 의미로 한정되어 해석되지 아니하며, 본 발명의 기술적 사항에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야 한다.

도 2는 본 발명의 LLC 공진형 풀브리지 컨버터(LLC Resonant Full Bridge Converter) 회로도이다. LLC 공진형 컨버터는 구조가 간단하며, 넓은 부하 영역에 대하여 1차측 스위치의 영전압 스위칭(ZVS, Zero Voltage Switching)과 2차측 다이오드의 영전류 스위칭(ZCS, Zero Current Switching)이 보장된다. 또한, 작은 주파수 변동으로 큰 전압이득 범위를 갖는 장점이 있어 중용량급 전원시스템에 적용될 수 있다. 도 2를 참조하면, LLC 공진형 풀브리지 컨버터는 입력 전원(Vin)을 교번 스위칭하는 두 개의 스위치(M1, M2)를 갖는 스위칭부, 스위칭부에 의하여 스위칭된 전원(Vds2)을 1차측 교류 전원(Vpri)으로 변환하기 위하여 하나의 커패시터(Cr)와 두 개의 인덕터(Lr, Lm)를 포함하고, 변환된 교류 전원(Vpri)을 일정한 전압 레벨을 갖는 2차측 교류 전원(Vsec1, Vsec2)으로 전달하기 위한 트랜스포머(n:1)를 포함하는 변환부, 그리고 2차측 교류 전원을 양의 전원(i₀, V₀)으로 정류하기 위하여 다이오드(d1, d2)를 포함하는 정류부를 포함한다. 정류부 후단에는 2차측 커패시턴스(C₀)와 2차측 부하저항(R_L)이 병렬 연결되어 있다. 도 3은 LLC 공진형 컨버터의 동작에 따른 주요 파형을 도시하고 있다. 도 3을 참조하면, 스위칭부에서 스위칭된 전원(Vds2), 커패시터(Cr)에 걸리는 전압(Vcr), 두 개의 인덕터(Lr, Lm)를 흐르는 전류(i_Lr, i_Lm), 그리고 정류부를 통하여 출력되는 양의 전류(i₀)에 대한 파형을 보여준다. 이러한 LLC 공진형 컨버터는 주로 주파수 변조를 통하여 출력 전압을 제어하게 된다. 그런데 이러한 주파수 변조를 통한 제어방식은 제어단 설계가 어렵고 복잡하며, 제어단 설계에 따라 공진탱크의 재설계가 필요한 경우도 있다. 따라서 본 발명에 따른 일 실시예로서 제어부를 히스테리시스 방법으로 제어하는 기술을 설명하고자 한다.

도 4는 본 발명의 일 실시예로서 히스테리시스 제어를 위한 연산증폭기 회로이다. 도 4(A)를 참조하면, 연산증폭기는 정궤환 회로로 이루어져 입력 전압(Vs output)과 출력 전압(V₀)의 관계가 히스테리시스(Hysteresis) 특성을 갖도록 구성되어 있음을 알 수 있다(도 4(B)). 입력 전압(Vs output)이 199 내지 201V인 경우에, V_TH=1.005V, V_TL=0.995V, V_H=15V, V_L=0V로 구성되는 히스테리시스 특성을 보여주었다.

도 5는 도 4의 히스테리시스 제어를 위한 연산증폭기 회로를 시뮬레이션하기 위한 회로 구성도 및 시뮬레이션에 따른 출력 파형을 보여준다. 도 5(A)에서 R2=10kΩ, R3=10kΩ이라고 가정하면, 다음과 같이 계산할 수 있다.

,

,

.

이러한 결과는 도 5(B)의 출력 파형을 만들게 되며, 슈미트 트리거로 동작함을 알 수 있다.

도 6은 본 발명의 일 실시예로서 도 2의 LLC 공진형 컨버터 회로와 이를 제어하기 위한 도 4의 히스테리시스 제어를 위한 연산 증폭기 회로를 결합한 전원공급장치를 시뮬레이션하기 위한 회로 구성도이고, 도 7은 도 6의 회로 구성을 시뮬레이션한 결과를 도시한다. 도 6을 참조하면, 본 발명의 전원공급장치는 입력 전원을 교번 스위칭하는 두 개의 스위치를 갖는 제1 스위칭부(100), 제1 스위칭부(100)로부터 스위칭된 전원 중 하나를 기 결정된 전압 레벨을 갖는 교류 전원으로 변환하는 전원 변환부(200), 전원 변환부(200)로부터의 교류 전원을 정류하여 양의 전원을 출력하는 정류부(300), 정류부(300)에 직렬 연결된 제2 스위칭부(400), 제2 스위칭부(400)의 후단에 연결되어 제2 스위칭부(400)의 출력을 히스테리시스 방법으로 제어하는 히스테리시스 제어부(500)를 포함한다.

상기 제1 스위칭부(100), 전원 변환부(200), 정류부(300)는 도 2를 참조하여 이미 설명하였고, 상기 히스테리시스 제어부(500) 또한 도 4 내지 도 5를 참조하여 설명하였다.

상기 제2 스위칭부(400)는 정류부(300)의 출력 전원을 교번 스위칭하는 스위치를 포함하고, 후단에 병렬 결합된 커패시터 및 저항과 함께 본 발명의 전원공급장치를 위한 LLC 컨버터 구조를 형성한다.

도 7을 참조하면, 상기 시뮬레이션 결과로서 Vs, Vgate, Isec에 대한 파형이 시간(ms)에 대하여 도시되어 있다. 시간이 0.80ms 근방에서 제2 스위칭부가 동작하여 교번 스위치되어 Vgate가 인가되어, Vs가 직류 전원 200V로 수렴되고 있음을 알 수 있다. 정류부 후단의 전류 Isec는 Vgate의 교번 주기에 따라 주기적 전류를 만든다.

이상 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시예에 한정되지 아니하며, 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어나지 않고 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 다양한 변형실시가 가능하다. 또한, 첨부된 도면으로부터 용이하게 유추할 수 있는 사항은 상세한 설명에 기재되어 있지 않더라도 본 발명의 내용에 포함되는 것으로 보아야 할 것이며, 다양한 변형실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어서는 안 될 것이다.

100: 제1 스위칭부 200: 변환부
300: 정류부 400: 제2 스위칭부
500: 히스테리시스 제어부

Claims

입력 전원을 교번 스위칭하는 제1 및 제2 스위치를 갖는 제1 스위칭부;
상기 제1 스위칭부로부터 스위칭된 전원 중 하나를 기 결정된 전압 레벨을 갖는 교류 전원으로 변환하는 변환부;
상기 변환부로부터의 교류 전원을 정류하여 제1 직류 전원을 출력하는 정류부;
상기 정류부가 출력하는 제1 직류 전원을 스위칭하는 제2 스위칭부; 및
연산증폭기를 구비하고, 상기 연산증폭기의 비반전 입력단으로 기준전압을 공급하고 출력전압을 궤환시키며, 상기 연산증폭기의 반전 입력단으로 상기 제2 스위칭부의 출력전압을 공급하여 상기 연산증폭기의 출력전압을 히스테리시스 제어하는 히스테리시스 제어부; 를 포함하고,
상기 히스테리시스 제어부는, 상기 증폭기가 하이전압(V_H)을 출력하고 있는 상태에서 입력값이 증가하는 경우에는 상기 입력값의 제1임계치(V _TH )에서 로우전압(V_L)을 출력하고, 상기 증폭기가 로우전압(V_L)을 출력하고 있는 상태에서 입력값이 감소하는 경우에는 상기 제1임계치보다 낮은 상기 입력값의 제2임계치(V _TL )에서 하이전압(V_H)을 출력하고,
상기 제1스위칭부의 제1,2 스위치 및 상기 제2스위칭부의 각각은 전류귀환용 다이오드를 구비하는 것을 특징으로 하는 히스테리시스 제어 직류전원 공급장치.
제1항에 있어서, 상기 변환부는 상기 제1 스위치 및 제2 스위치의 전원 입력단 중 어느 하나에 직렬 연결된 캐패시터 및 제1 인덕터와 병렬 연결된 제2 인덕터를 갖는 LLC 컨버터인 것을 특징으로 하는 히스테리시스 제어 직류전원 공급장치.
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