KR101154894B1 - 스위칭 전원장치 및 그 제어방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 스위칭 전원장치 및 그 제어방법에 관한 것이다. 본 발명에 따른 스위칭 전원 장치는 입력전원에 기초한 에너지를 저장하여 출력전원을 유도하는 저장부와; 상기 저장부로의 전원의 공급을 스위칭하는 제1스위칭부와; 상기 제1스위칭부와 직렬로 연결되어 상기 제1스위칭부가 턴온된 후 턴온되는 제2스위칭부와; 상기 제1스위칭부 및 상기 제2스위칭부의 양단에 걸리는 전압의 레벨을 기준값 이하로 강하시키는 전압강하부를 포함하는 것을 특징으로 한다. 이에 의하여, 저렴한 비용에 의해 큰 내전압을 가지는 스위칭 전원장치를 구현할 수 있다.
Description
본 발명은 스위칭 전원장치 및 그 제어방법에 관한 것이다. 보다 상세하게는 영전압(Zero Voltage) 스위칭을 수행하는 스위칭 전원장치 및 그 제어방법에 관한 것이다.
전원장치는 직류전압을 인가받아 소정 레벨의 직류전압으로 변환하는 방식에는 스위칭 방식과, 비스위칭 방식이 있다. 비스위칭 방식은 안정적으로 구동이 가능한 장점이 있지만 전력의 효율이 낮은 문제가 있기 때문에, 전력면에서 효율적인 스위칭 방식이 주로 이용된다. 스위칭 방식의 전원장치는 비스위칭 방식에 비해 안정성이 낮은 단점이 있었지만, 최근 안정성이 개선되어 많은 회로에서 이용된다.
그 중에서도 영전압 스위칭(Zero Voltage Switching) 방식은 스위칭 도중 스위치에 인가되는 전압을 0으로 하여 스위칭 손실을 최소화하기 위한 기술이다.
도 1은 종래의 영전압 스위칭 전원장치의 구성을 도시한 도면이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 종래의 영전압 스위칭 전원장치(1)는 영전압으로의 조절을 위한 다이오드가 내장되어 있고 스위칭 속도가 빠른 MOSFET(Metal-Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)를 이용한다.
종래의 영전압 스위칭 전원장치(1)는 인덕터(L)와, 커패시터(C)의 공진에 의해 트랜지스터(MOSFET)에 포함된 다이오드가 턴온된다. 이 때, 트랜지스터(MOSFET)에 포함된 다이오드의 전압 강하로 인해 트랜지스터(MOSFET) 양단에 걸리는 전압의 크기가 거의 0이 되어 영전압 스위칭을 구현할 수 있다.
그런데, 종래의 영전압 스위칭 전원장치(1)에 구비된 트랜지스터(MOSFET)은 스위칭 동작이 빠른 장점에 비해, 내전압이 커짐에 따라 재료비가 상승하기 때문에 큰 내전압이 필요한 스위칭 소자로는 부적합한 문제가 있다.
따라서, 본 발명은 저렴한 비용에 의해 큰 내전압을 가지는 스위칭 전원장치 및 그 제어방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
그리고, 본 발명은 종래의 영전압 스위칭 장치에 비해 구동회로의 부담을 줄일 수 있는 스위칭 전원장치 및 그 제어방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 양극접합 트랜지스터(Bipolar Junction Transistor, BJT)만을 포함하는 스위칭 방식에 비해 턴오프속도를 향상시킬 수 있는 스위칭 전원장치 및 그 제어방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적은, 스위칭 전원장치에 있어서, 입력전원에 기초한 에너지를 저장하여 출력전원을 유도하는 저장부와; 상기 저장부로의 전원의 공급을 스위칭하는 제1스위칭부와; 상기 제1스위칭부와 직렬로 연결되어 상기 제1스위칭부가 턴온된 후 턴온되는 제2스위칭부와; 상기 제1스위칭부 및 상기 제2스위칭부의 양단에 걸리는 전압의 레벨을 기준값 이하로 강하시키는 전압강하부를 포함하는 것을 특징으로 하는 스위칭 전원장치에 의해 달성된다.
여기서, 상기 제1스위칭부는 기설정값 이상의 내전압이 허용가능한 것이 바람직하다.
그리고, 상기 제1스위칭부는 MOSFET(Metal-Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)를 포함하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 제2스위칭부는 BJT(Bipolar Junction Transistor)를 포함하는 것이 바람직하다.
여기서, 상기 제1스위칭부의 드레인(Drain)단과 상기 제2스위칭부의 이미터(Emitter)단이 연결될 수 있다.
그리고, 상기 전압강하부는 상기 제1스위칭부 및 상기 제2스위칭부를 통한 전류의 흐름방향과 역방향으로 전류의 흐름을 인가하는 다이오드를 포함하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 다이오드는 상기 제1스위칭부 및 상기 제2스위칭부와 병렬로 연결되는 것이 바람직하다.
여기서, 상기 스위칭 전원장치의 턴오프시, 상기 제1스위칭부 및 상기 제2스위칭부 중 어느 하나가 턴오프되는 것이 바람직하다.
그리고, 상기 제1스위칭부 및 상기 제2스위칭부는 상기 저장부와 공진하는 커패시터를 각각 포함할 수 있다.
한편, 스위칭 전원장치의 제어방법에 있어서, 제1스위칭부 및 상기 제1스위칭부와 직렬로 연결된 제2스위칭부의 양단에 걸리는 전압의 레벨을 기준값 이하로 강하시키는 단계와; 상기 제1스위칭부가 입력전원에 기초한 에너지를 저장하여 출력전원을 유도하는 저장부로의 전원의 공급을 스위칭하는 단계와; 제2스위칭부가 상기 제1스위칭부가 턴온된 후 턴온되는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 스위칭 전원장치의 제어방법에 의해서도 상기 목적은 달성된다.
여기서, 상기 제2스위칭부는 기설정값 이상의 내전압이 허용가능한 것이 바람직하다.
그리고, 상기 제1스위칭부는 MOSFET(Metal-Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)를 포함하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 제2스위칭부는 BJT(Bipolar Junction Transistor)를 포함하는 것이 바람직하다.
여기서, 상기 제1스위칭부의 드레인(Drain)단과 상기 제2스위칭부의 이미터(Emitter)단이 연결될 수 있다.
그리고, 상기 전압의 레벨을 강하시키는 단계는, 상기 제1스위칭부 및 상기 제2스위칭부를 통한 전류의 흐름방향과 역방향으로 전류의 흐름을 인가하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 제1스위칭부 및 상기 제2스위칭부 중 어느 하나의 턴오프에 의해 상기 스위칭 전원장치가 턴오프되는 단계를 더 포함하는 것이 바람직하다.
그리고, 상기 제1스위칭부 및 상기 제2스위칭부는 상기 저장부와 공진하는 커패시터를 각각 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 스위칭 전원장치 및 그 제어방법에 의하면, 저렴한 비용에 의해 큰 내전압을 가질 수 있다.
그리고, 본 발명에 따른 스위칭 전원장치 및 그 제어방법에 의하면, 종래의 영전압 스위칭 장치에 비해 구동회로의 부담을 줄일 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 스위칭 전원장치 및 그 제어방법에 의하면 양극접합 트랜지스터(Bipolar Junction Transistor, BJT)만을 포함하는 영전압 스위칭 장치에 비해 턴오프속도를 향상시킬 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 스위칭 전원장치 및 그 제어방법에 대해 상세히 설명한다.
도 2는 본 발명에 따른 스위칭 전원장치의 구성을 도시한 블록도이며, 도 3은 본 발명에 따른 스위칭 전원장치의 구성을 도시한 상세회로도이다. 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 스위칭 전원장치(100)는 저장부(10)와, 제1스위칭부(20)와, 제2스위칭부(30)와, 전압강하부(40)를 포함한다. 본 발명에 따른 스위칭 전원장치(100)는 DC/DC 변환을 수행하는 스위칭 모드 전원공급장치(Switching Mode Power Supply)로 구현되는 것이 바람직하다.
저장부(10)는 입력전원에 기초한 에너지를 저장하여 출력전원을 유도한다. 본 발명에 따른 저장부(10)는 에너지를 저장하는 인덕터(Inductor)로 구현될 수 있지만, 트랜스포머(Transformer) 등과 같이 전원의 레벨을 변환하는 변환부로 구현될 수도 있다.
제1스위칭부(20)는 저장부(10)로의 전원의 공급을 스위칭한다. 본 발명에 따른 제1스위칭부(20)는 도 3에 도시된 바와 같이, 영전압으로의 조절을 위한 다이오드(D1)가 내장되어 있고 스위칭 속도가 빠른 MOSFET(Metal-Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)으로 구현되는 것이 바람직하다.
제2스위칭부(30)는 제1스위칭부(20)와 직렬로 연결되어 제1스위칭부(20)가 턴온된 후 턴온된다. 본 발명에 따른 제2스위칭부(30)는 기설정값 이상의 내전압이 허용가능한 BJT(Bipolar Junction Transistor)로 구현되는 것이 바람직하다.
여기서, 제1스위칭부(20)와, 제2스위칭부(30)는 도 3에 도시된 바와 같이, 제1스위칭부(20)의 드레인(Drain)단과 제2스위칭부(30)의 이미터(Emitter)단이 연결되는 캐스코드(Cascode) 방식에 의하는 것이 바람직하다.
그리고, 제1스위칭부(20)와, 제2스위칭부(30)는 저장부(10)와 공진을 수행하는 각각의 커패시터 C1 및 C2를 구비할 수 있다.
본 발명에 따른 스위칭 전원장치(100)는 제2스위칭부(30)에 의해 높은 내전압의 스위칭 전원장치를 구현할 수 있으므로 도 3에 도시된 바와 같이 제2스위칭부(30)의 베이스(Base)단에 연결된 구동회로의 부담을 줄일 수 있으며, 제2스위칭부(30)의 스위칭 주파수가 다소 낮지만 일반적인 스위칭 전원장치의 주파수 영역인 100KHz 내외에서 동작이 가능한 장점이 있다.
또한, 스위칭 전원장치(100)의 턴오프시 제1스위칭부(20) 및 제2스위칭부(30) 중 어느 하나가 턴오프되면 되기 때문에 제1스위칭부(20)만을 구비하는 종래의 스위칭 전원장치에 비해서도 턴오프 속도가 낮아지지 않는 장점이 있다.
전압강하부(40)는 제1스위칭부(20) 및 제2스위칭부(30)의 양단에 걸리는 전원의 레벨을 기준값 이하로 강하시킨다. 본 발명에 따른 전압강하부(40)는 도 3에 도시된 바와 같이, 제1스위칭부(20) 및 제2스위칭부(30)를 통한 전류의 흐름방향과 역방향으로 전류의 흐름을 인가하는 다이오드(D2)로 구현될 수 있으며, 다이오드는 제1스위칭부(20) 및 제2스위칭부(30)와 병렬로 연결되는 것이 바람직하다.
이로써, 본 발명에 따른 스위칭 전원장치(100)는 저렴한 비용에 의해 큰 내전압을 가질 수 있으며, 종래의 영전압 스위칭 장치에 비해 구동회로의 부담을 줄일 수 있다.
이하, 도 4를 참조하여 본 발명에 따른 스위칭 전원장치(100)의 제어방법에 대해 설명한다.
먼저, 제1스위칭부(20) 및 제2스위칭부(30)의 양단에 걸리는 전원의 레벨을 기준값 이하로 강하시킨다(S10). 그리고, 제1스위칭부(20)가 입력전원에 기초한 에너지를 저장하여 출력전원을 유도하는 저장부(10)로의 전원의 공급을 스위칭한다(S20).
마지막으로, 제1스위칭부(20)와 직렬로 연결된 제2스위칭부(30)가 제1스위칭부(10)가 턴온된 후 턴온된다(S30).
여기서, 단계 S10은 다이오드에 의해 제1스위칭부(20) 및 제2스위칭부(30)를 통한 전류의 흐름방향과 역방향으로 전류의 흐름을 인가하는 것이 바람직하며, 제1스위칭부(20) 및 제2스위칭부(30) 중 어느 하나의 턴오프에 의해 스위칭 전원장치(100)가 턴오프되는 단계를 더 포함할 수 있다.
이로써, 저렴한 비용에 의해 큰 내전압을 가질 수 있으며, 종래의 영전압 스위칭 장치에 비해 구동회로의 부담을 줄일 수 있다.
이상, 바람직한 실시예를 통하여 본 발명에 관하여 상세히 설명하였으나, 본 발명은 이에 한정되는 것은 아니며 특허청구범위 내에서 다양하게 실시될 수 있다.
도 1은 종래의 스위칭 전원장치의 구성을 도시한 상세회로도이며,
도 2는 본 발명에 따른 스위칭 전원장치의 구성을 도시한 블록도이며,
도 3은 본 발명에 따른 스위칭 전원장치의 구성을 도시한 상세회로도이며,
도 4는 본 발명에 따른 스위칭 전원장치의 제어방법을 도시한 흐름도이다.
*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*
10 : 저장부 20 : 제1스위칭부
30 : 제2스위칭부 40 : 전압강하부
Claims (27)
- 스위칭 전원장치에 있어서,입력전원에 기초한 에너지를 저장하여 출력전원을 유도하는 저장부와;제1내전압을 가지고, 상기 저장부로의 전원의 공급을 스위칭하는 제1스위칭부와;상기 제1내전압보다 높은 제2내전압을 가지고, 상기 제1스위칭부와 직렬로 연결되어 상기 제1스위칭부가 턴온된 후 턴온되는 제2스위칭부와;상기 제1스위칭부 및 상기 제2스위칭부의 양단에 걸리는 전압의 레벨을 기준값 이하로 강하시키는 전압강하부를 포함하며,상기 제1스위칭부 및 제2스위칭부는 상기 저장부에 직렬로 연결되는 것을 특징으로 하는 스위칭 전원장치.
- 제1항에 있어서,상기 제2스위칭부는 상기 스위칭 전원장치의 동작 중에 상기 제1 스위치와 상기 제2 스위치의 양단에 인가되는 최대 전압을 견딜 수 있는 기설정값 이상의 내전압이 허용가능한 것을 특징으로 하는 스위칭 전원장치.
- 제2항에 있어서,상기 제1스위칭부는 MOSFET(Metal-Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)를 포함하는 것을 특징으로 하는 스위칭 전원장치.
- 제3항에 있어서,상기 제2스위칭부는 BJT(Bipolar Junction Transistor)를 포함하는 것을 특징으로 하는 스위칭 전원장치.
- 제4항에 있어서,상기 제1스위칭부의 드레인(Drain)단과 상기 제2스위칭부의 이미터(Emitter)단이 연결되는 것을 특징으로 하는 스위칭 전원장치.
- 제1항에 있어서,상기 전압강하부는 상기 제1스위칭부 및 상기 제2스위칭부를 통한 전류의 흐름방향과 역방향으로 전류의 흐름을 인가하는 다이오드를 포함하는 것을 특징으로 하는 스위칭 전원장치.
- 제6항에 있어서,상기 다이오드는 상기 제1스위칭부 및 상기 제2스위칭부와 병렬로 연결되는 것을 특징으로 하는 스위칭 전원장치.
- 제1항에 있어서,상기 스위칭 전원장치의 턴오프시, 상기 제1스위칭부 및 상기 제2스위칭부 중 어느 하나가 턴오프되는 것을 특징으로 하는 스위칭 전원장치.
- 제1항에 있어서,상기 제1스위칭부 및 상기 제2스위칭부는 상기 저장부와 공진하는 커패시터를 각각 포함하는 것을 특징으로 하는 스위칭 전원장치.
- 스위칭 전원장치의 제어방법에 있어서,제1내전압을 가지는 제1스위칭부 및 상기 제1내전압보다 높은 제2내전압을 가지며 상기 제1스위칭부와 직렬로 연결된 제2스위칭부의 양단에 걸리는 전압의 레벨을 기준값 이하로 강하시키는 단계와;상기 제1스위칭부가 입력전원에 기초한 에너지를 저장하여 출력전원을 유도하는 저장부로의 전원의 공급을 스위칭하는 단계와;상기 제2스위칭부가 상기 제1스위칭부가 턴온된 후 턴온되는 단계를 포함하며,상기 제1스위칭부 및 제2스위칭부는 상기 저장부에 직렬로 연결되는 것을 특징으로 하는 스위칭 전원장치의 제어방법.
- 제10항에 있어서,상기 제2스위칭부는 상기 스위칭 전원장치의 동작 중에 상기 제1 스위치와 상기 제2 스위치의 양단에 인가되는 최대 전압을 견딜 수 있는 기설정값 이상의 내전압이 허용가능한 것을 특징으로 하는 스위칭 전원장치의 제어방법.
- 제11항에 있어서,상기 제1스위칭부는 MOSFET(Metal-Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)를 포함하는 것을 특징으로 하는 스위칭 전원장치의 제어방법.
- 제12항에 있어서,상기 제2스위칭부는 BJT(Bipolar Junction Transistor)를 포함하는 것을 특징으로 하는 스위칭 전원장치의 제어방법.
- 제13항에 있어서,상기 제1스위칭부의 드레인(Drain)단과 상기 제2스위칭부의 이미터(Emitter)단이 연결되는 것을 특징으로 하는 스위칭 전원장치의 제어방법.
- 제10항에 있어서,상기 전압의 레벨을 강하시키는 단계는, 상기 제1스위칭부 및 상기 제2스위칭부를 통한 전류의 흐름방향과 역방향으로 전류의 흐름을 인가하는 것을 특징으로 하는 스위칭 전원장치의 제어방법.
- 제10항에 있어서,상기 제1스위칭부 및 상기 제2스위칭부 중 어느 하나의 턴오프에 의해 상기 스위칭 전원장치가 턴오프되는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 스위칭 전원장치의 제어방법.
- 제10항에 있어서,상기 제1스위칭부 및 상기 제2스위칭부는 상기 저장부와 공진하는 커패시터 를 각각 포함하는 것을 특징으로 하는 스위칭 전원장치의 제어방법.
- 스위칭 전원장치에 있어서,에너지를 저장하고 상기 저장된 에너지의 적어도 일부를 출력하는 저장부와;제1내전압을 가지는 제1스위칭부와;상기 제1내전압보다 높은 제2내전압을 가지고, 상기 제1스위칭부와 직렬로 연결되는 제2스위칭부를 포함하며,상기 제1스위칭부 및 제2스위칭부는 상기 저장부에 직렬로 연결되고,상기 저장부에 에너지를 공급하기 위해, 상기 제1스위칭부와 제2스위칭부의 양단에 인가되는 전원이 영전압이고 상기 제2스위칭부가 턴오프되어 있는 동안, 상기 제1스위칭부가 턴온되며,상기 제1스위칭부 및 제2스위칭부의 직렬연결로부터 상기 저장부에 에너지를 공급하기 위해, 상기 제1스위칭부와 제2스위칭부의 양단에 인가되는 전원이 여전히 영전압인 동안, 상기 제1스위칭부가 턴온된 후에 상기 제2스위칭부가 턴온되는 것을 특징으로 하는 스위칭 전원장치.
- 제18항에 있어서,상기 제1내전압은 상기 스위칭 전원장치의 동작 중에 상기 제1스위칭부와 제2스위칭부의 양단에 인가되는 최대전압을 견딜 수 있는 허용가능 전압 이내인 것을 특징으로 하는 스위칭 전원장치.
- 제18항에 있어서,상기 제2내전압은 상기 스위칭 전원장치의 동작 중에 상기 제1스위칭부와 제2스위칭부의 양단에 인가되는 최대전압을 견딜 수 있는 허용가능 전압 이내인 것을 특징으로 하는 스위칭 전원장치.
- 제18항에 있어서,상기 제1스위칭부는 MOSFET(Metal-Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)을 포함하고, 상기 제2스위칭부는 BJT(Bipolar Junction Transistor)를 포함하는 것을 특징으로 하는 스위칭 전원장치.
- 제21항에 있어서,제1스위칭부는 제1커패시터를 포함하고;상기 제2스위칭부는 제2커패시터를 포함하며;상기 제1커패시터 및 상기 제2커패시터는 상기 저장부와 함께 공진회로를 형성하는 것을 특징으로 하는 스위칭 전원장치.
- 제22항에 있어서,상기 제1스위칭부는 상기 MOSFET과 병렬 연결된 다이오드를 포함하며,상기 다이오드는 상기 공진회로에 의해 턴온되는 것을 특징으로 하는 스위칭 전원장치.
- 제22항에 있어서,상기 저장부는 인덕터를 포함하고,상기 제1커패시터는 상기 MOSFET과 병렬로 연결되며,상기 제2커패시터는 BJT와 병렬로 연결되고, 상기 제1커패시터와 직렬로 연결되며,상기 제1커패시터와 상기 제2커패시터는 공진회로를 형성하는 것을 특징으로 하는 스위칭 전원장치.
- 제24항에 있어서,상기 저장부는 인덕턴스를 가지는 트랜스포머를 포함하고, 상기 트랜스포머의 인덕턴스는 상기 제1커패시터 및 상기 제2커패시터와 함께 상기 공진회로를 형성하는 저장부의 인덕턴스인 것을 특징으로 하는 스위칭 전원장치.
- 제18항에 있어서,상기 제1스위칭부와 상기 제2스위칭부의 양단에 걸리는 전압의 크기가 영전압이 되도록 조절하는 전압강하부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 스위칭 전원장치.
- 제26항에 있어서,상기 전압강하부는 상기 제1스위칭부와 상기 제2스위칭부의 양단에 연결되어, 상기 제1스위칭부와 상기 제2스위칭부가 턴온되었을 때 제1스위칭부와 제2스위칭부를 통한 전류의 흐름방향과 역방향으로 전류의 흐름을 인가하는 다이오드를 포함하고,상기 영전압은 상기 다이오드의 정방향 전압인 것을 특징으로 하는 스위칭 전원장치.
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