KR101185284B1 - Ｄｃ-ｄｃ 변환기 - Google Patents

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Abstract

경부하일 경우에 PWM 신호 VM의 간헐적 결여를 방지하고 변압기에서의 이상 잡음의 발생을 방지하는 DC-DC 변환기를 제공한다. 이 변환기는 일차 권선(2a)과 이차 권선(2b)을 갖는 변압기(2), 일차 권선(2a)에 접속된 반도체 스위칭 소자(17), 출력 전압 VO를 기준값 VREF에 일치시키도록 스위칭 소자(17)의 턴-온 및 오프 기간을 제어하는 제어 수단으로 구성된다. 이렇게 스위칭 소자(17)의 턴-온 및 오프가 제어됨으로써, 부하(5)에 기준값 VREF와 정확히 같은 직류 전압을 공급한다. 상기 제어 수단은 출력 전압 VO과 기준값 VREF에 대한 조정된 지령값 VC를 출력하는 출력 전압 검출 조정 회로(6), 삼각파 발생 수단(7), 및 지령값 VC와 삼각파 VT를 비교하여 비교 결과에 따라 스위칭 소자(17)를 구동하는 PWM 신호 VM을 생성하는 비교기(15)를 포함한다. 삼각파 발생 수단(7)은 지령값 VC의 증감에 따라 삼각파 VT의 경사를 조절한다.

Description

ＤＣ-ＤＣ 변환기{DC-DC CONVERTER}
도 1은 본 발명의 DC-DC 변환기의 제1 실시예의 회로 구성을 보여주는 회로도
도 2는 도 1에 도시된 상기 회로의 동작을 보여주는 파형도
도 3은 본 발명의 DC-DC 변환기의 제2 실시예의 회로 구성을 보여주는 회로도
도 4는 도 1에 도시된 제1 실시예에 있는 상기 회로의 변형예의 회로 구성을 보여주는 회로도
도 5는 종래기술의 DC-DC 변환기의 회로 구성을 보여주는 회로도
도 6은 도 5에 도시된 상기 회로의 동작을 보여주는 파형도
본 발명은 반도체 스위칭 소자의 온-오프(ON-OFF) 동작으로 직류 전압을 소정의 크기를 갖는 직류 전압으로 변환하고, 이 변환된 직류 전압을 부하에 공급하는 DC-DC 변환기에 관한 것이다.
도 5는 일본 특허 공개 제2003-33018호에 있는 단락 [0002]와 [0003], 그리 고 도 5와 도 6 등에 기술된 종래기술의 DC-DC 변환기의 회로 구성을 보여주는 회로도이다. 상기 회로도는 플라이백 형태의 DC-DC 변환기를 보여준다.
도 5에서, 도면 부호 101, 102, 103은 각각 직류 전원, 반도체 스위칭 소자, 변압기를 나타낸다. 도면 부호 104, 106은 다이오드를 나타내고, 도면 부호 105, 107은 커패시터를 나타낸다. 도면 부호 108, 111은 각각 출력 전압 검출 조정 회로, 제어 회로를 나타낸다.
출력 전압 검출 조정 회로(108)는 비교기(109), 포토커플러(110) 및 연합 소자들로 구성된다. 제어 회로(111)는 비교기(112), 삼각파 발생 회로(113), 스위칭 소자(102)의 구동 회로로서의 드라이버(114), 논리곱소자(115), 구형파 발생 회로(116)로 구성된다.
다음으로, 상기 회로의 동작을 도 6에 도시된 파형도를 참조하여 간단하게 설명할 것이다.
도 5에 도시된 DC-DC 변환기에서는, 출력 전압의 값 VO가 비교기(109)의 기준값 VREF 에 일치하도록 스위칭 소자(102)의 턴-온 기간을 PWM 제어한다.
다시 말해서, 출력 전압 검출 조정 회로(108)의 출력 전압을 지령값 VC로 하면, 이 지령값 VC와 삼각파 발생 회로(113)로부터의 삼각파 VT를 비교기(112)에서 비교하고 PWM 신호 VM을 획득한다. 이 PWM 신호 VM과 구형파 발생 회로(116)의 출력 신호 VS의 논리곱을 논리곱 소자(115)를 통해 획득하면 구동 신호 VG가 된다. 이 구동 신호 VG를 드라이버(114)를 통하여 스위칭 소자(102)에 인가하여 스위칭 소자(102)를 턴-온 및 오프시킨다.
여기서, 구형파 발생 회로(116)의 출력 신호 VS는 스위칭 소자(102)에 작용하여 출력 신호 VS의 레벨이 "고" 레벨인 경우에는 스위칭 소자(102)가 스위칭 동작을 반복하도록 한다. 출력 신호 VS의 레벨이 "저" 레벨인 경우에는, 스위칭 소자(102)의 스위칭 동작을 강제적으로 정지하도록 출력 신호 VS는 스위칭 소자(102)에 작용한다. 이렇게, 스위칭 소자(102)가 간헐 발진 동작을 수행하도록 출력 신호 VS는 스위칭 소자(102)에 작용한다. 이와 같은 스위칭 소자(102)의 강제 정지 기간을 제공함으로써, 즉, 스위칭이 일시적으로 정지되는 기간을 제공함으로써, 단위 시간당 스위칭 횟수를 감소시켜 스위칭 손실 또는 전도 손실의 발생을 줄인다.
상기 종래기술에서는, 부하가 가벼워져서 지령값 VC가 저하되는 경우, 포토커플러(110)를 통해 전달된 지령값 VC에 포함된 잡음은, 도 6에 도시된 바와 같이, 지령값 VC와 삼각파 VT의 비교(판별)가 정상으로 이행되는 것을 방해한다. 그 결과, 비교기(112)로부터 어떤 PWM 신호 VM도 일시적으로 획득할 수 없어서 PWM 신호 VM이 간헐적으로 결여되는 기간이 발생한다.
전술된 구형파 발생 회로(116)와 논리곱 소자(115)에 의한 스위칭 소자(102)의 간헐 발진 동작은 스위칭 손실 등의 저하에 효과적이다. 그러나, PWM 신호 VM의 간헐적 결여는 구형파 발생 회로(116)의 출력 신호 VS가 "고" 레벨에 있는 스위칭 기간 중에 필요한 스위칭 소자의 본래의 온-오프 동작을 불완전하게 만든다. 이것은 DC-DC 변환기에 요구되는 직류 출력 전압을 획득하는 것을 불가능하게 한다.
따라서, 종래의 DC-DC 변환기에서는, 지령값 VC의 저하에 의한 PWM 신호 VM의 어떤 간헐적 결여도 일으키지 않게 하고자, DC-DC 변환기의 출력측에 의사 부하를 연결시켜서 변환기가 경부하 상태가 되는 것을 막는다. 그러나, 이것은 변환기의 효율을 낮추는 원인이 된다.
따라서, 본 발명의 목적은 DC-DC 변환기가 경부하일 경우에 PWM 신호 VM의 간헐적 결여를 방지하여 요구되는 직류 전압을 출력시키는 DC-DC 변환기를 제공하는 것이다.
더욱이, 본 발명의 또 다른 목적은 변환기의 효율을 향상시키기 위해서 어떤 의사 부하도 요구하지 않으며, 변압기에서의 이상 잡음의 발생을 방지할 수 있는 DC-DC 변환기를 제공하는 것이다.
상기 문제를 해결하기 위한, 본 발명의 제1 국면은 다음과 같다. 다시 말해서, 직류 전원에 연결되어 있는 변압기의 일차 권선에 접속된 스위칭 소자를 턴-온 및 오프하여 변압기의 이차 권선을 통하여 부하에 기준값과 정확히 같은 직류 전압을 공급하는 DC-DC 변환기에서, 동작의 제어 수단은 출력 전압 검출 조정 수단, 비교 수단 및 삼각파 발생 수단을 포함한다. 여기서, 출력 전압 검출 조정 수단은 변환기의 출력 전압 검출값과 기준값에 의해 조정된 지령값을 출력한다. 비교 수단은 지령값과 삼각파 발생 수단이 출력한 삼각파를 비교하고 그 비교 결과에 따라 스위칭 소자의 구동 신호(PWM 신호)를 생성한다. 출력 전압 검출값에 의해 크기가 변화하는 지령값에 따라 삼각파의 경사를 변하게 하도록 삼각파 발생 수단이 구성된다.
본 발명의 제2 국면으로서, 삼각파 발생 수단은 충방전 전원에 접속된 커패시터와, 지령값의 크기에 따른 전류량을 커패시터에 유입시켜 커패시터 양단의 전압을 변화시키는 수단을 포함하고, 전압 파형이 삼각파로서 형성되는 커패시터 양단 전압을 비교 수단에 입력하도록 구성된다.
본 발명의 제3 국면으로서, 삼각파 발생 수단은 스위칭 소자에 흐르는 전류를 전압으로 변환하여 이 전압으로부터 변환된 전류로 충전된 커패시터와, 지령값의 크기에 따른 전류량을 커패시터에 유입시켜 커패시터 양단의 전압을 변화시키는 수단을 포함하고, 전압 파형이 삼각파로서 형성되는 커패시터 양단 전압을 비교 수단에 입력하도록 구성된다.
본 발명에 의하면, 경부하일 경우에 지령값이 저하되면 커패시터로 유입되는 전류가 증가하여, 삼각파의 경사를 가파르게 만든다. 이로써, 출력 전압이 저하되기는 하지만, 출력 전압 검출 조정 수단의 동작으로 지령값을 증가시켜 저하된 출력 전압을 기준값에 일치하도록 만든다. 그러므로 소정의 출력 전압이 획득되는 그 시점에서 지령값은 안정된다. 이것은 지령값과 삼각파와의 비교가 정확하게 이행되지 않기 때문에 발생하는 PWM 신호의 간헐적 결여를 방지하고, DC-DC 변환기가 요구되는 직류 전압을 출력하도록 한다.
더욱이, DC-DC 변환기에 의사 부하의 연결이 필요가 없어진다. 이것은 변환기의 효율을 향상시키고, 이것과 함께, 변압기로부터의 이상 잡음의 발생을 방지할 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명할 것이다.
우선, 도 1은 본 발명의 DC-DC 변환기의 제1 실시예의 회로 구성을 보여주는 회로도이다. 도 1에서, 직류 전원(1)의 양극에는 변압기(2)의 일차 권선(2a)이 연결되어 있다. 변압기(2)의 이차 권선(2b)에는 다이오드(3), 커패시터(4), 및 부하(5)가 연결되어 있다. 다이오드(3)와 커패시터(4)의 연결점에는 출력 전압 검출 조정 회로(6)가 연결되어 있다. 출력 전압 검출 조정 회로(6)에서는, 도 5에 있는 출력 전압 검출 조정 회로(108)와 같이, 변환기의 출력 전압 VO와 기준값 VREF의 비교에 의해 지령값 VC가 출력된다.
도면 부호 7은 지령값 VC를 기본으로 하여 삼각파 VT를 생성하는 삼각파 발생 회로를 나타낸다. 이 삼각파 발생 회로(7)는 기준 전원(8)(전압을 VCC로 한다), 이 기준 전원(8)의 양극에 이미터(emitter)가 연결된 두 개의 트랜지스터(9, 10), 트랜지스터(9)의 컬렉터(collector)에 한쪽 단이 연결되고 다른 단에는 지령값 VC가 인가되는 저항(11), 트랜지스터(10)의 컬렉터에 한쪽 단이 연결된 커패시터(12), 커패시터(12)에 연결되어 있는 충전 전원(13)과 방전 전원(14)으로 구성된다. 충방전 전원(13, 14)과 커패시터(12)의 연결점에서 삼각파 VT의 파형을 갖는 전압이 비교기(15)의 반전 입력 단자에 입력된다.
비교기(15)는 출력 전압 검출 조정 회로(6)로부터의 지령값 VC와 삼각파 VT를 비교하고, VC > VT의 경우에는 "고" 레벨이고, VC < VT의 경우에는 "저" 레벨인 PWM 신호 VM을 출력한다.
PWM 신호 VM은 드라이버(16)를 통하여 MOSFET 등의 반도체 스위칭 소자(17)의 게이트에 인가된다. 스위칭 소자(17)는 변압기(2)의 일차 권선(2a)과 그라운드 사이에 직렬로 연결된다.
다음으로, 본 실시예의 동작을 도 2를 참조하여 설명할 것이다. 도 2는 도 1에 도시된 회로의 동작을 보여주는 파형도이다. 본 실시예의 기본적인 동작은 종래기술의 변환기의 동작과 동일하게 수행된다. 기본적인 동작으로, 출력 전압 VO가 기준값 VREF에 일치하도록 지령값 VC와 삼각파 VT를 비교한다. 이 비교 결과를 기본으로 하는 전압의 PWM 신호 VM을 이용하여 스위칭 소자(17)를 PWM 제어한다.
여기서, 삼각파 발생 회로(7) 안에 있는 저항(11)에 흐르는 전류 i1은 i1 = (VCC - V9 - VC)/R11 (V9는 트랜지스터(9)의 순방향 전압 강하이고, R11은 저항(11)의 저항값이다)이다. 경부하일 경우에 지령값 VC가 감소하면 전류 i1는 증가한다. 이때 트랜지스터(10)로부터 커패시터(12)로 흐르는 전류 i2(i1 ≒ i2)도 증가한다. 그러므로, 도 2에 도시된 바와 같이, 삼각파 VT의 첨두값이 상승하면 경사도 더욱 가파르게 된다.
삼각파 VT의 경사가 더욱 가파르게 되면 PWM 신호 VM의 펄스 폭은 이전의 펄스 폭보다 좁아지게 되어, 출력 전압 VO가 저하된다. 저하된 VO가 출력 전압 검출 조정 회로(6)를 동작하여 출력 전압 VO가 기준값 VREF에 일치하도록 지령값 VC을 증가시킨다. 소정의 출력 전압 VO가 획득될 때, 지령값 VC는 안정된다.
다시 말해서, 도 2에 도시된 바와 같이, 본 실시예의 저하된 지령값 VC는 삼각파 VT의 경사가 변하지 않는 종래의 DC-DC 변환기의 지령값 VC'보다 큰 값을 갖는다. 그러므로, 경부하일 경우 일시적으로 지령값 VC가 저하되더라도, 그 지령값 VC는 즉시 상승할 수 있다. 이것은 비교기(15)에서 삼각파 VT와 지령값 VC를 비교할 때 종래의 DC-DC 변환기에서 경험한 바와 같이 PWM 신호 VM이 지령값에 포함된 잡음에 의한 영향을 받을 가능성을 제거한다. 따라서, 삼각파 VT와 지령값 VC를 비교하는 비교기(15)는 도 6에 도시된 바와 같이 간헐적 결여를 발생시키지 않고, 안정된 PWM 신호 VM를 출력하여 스위칭 소자(17)가 안정된 스위칭을 수행할 수 있게 한다.
다음으로, 도 3은 본 발명의 DC-DC 변환기의 제2 실시예의 회로 구성을 보여 주는 회로도이다. 도 3에서는, 도 1과 동일한 구성 요소는 동일한 번호로 지정되었으며 그것에 대한 설명을 생략한다. 이하에서는, 도 1에 도시된 것과 다른 부분을 중심으로 설명할 것이다. 제2 실시예에서는, 삼각파 발생 회로(18)의 구성이 도 1과 다르다. 다시 말해서, 변압기(2)의 일차 권선(2a)에 직렬로 연결된 스위칭 소자(17)와 그라운드 사이에 저항(20)이 연결된다. 스위칭 소자(17)와 저항(20)의 연결점은 전압 전류 변환 회로(19)와 커패시터(12)의 직렬 회로를 통하여 접지된다. 더욱이, 전압 전류 변환 회로(19)와 커패시터(12)의 연결점은 트랜지스터(10)의 컬렉터에 연결되고, 이와 함께, 비교기(15)의 반전 입력 단자에 연결된다.
상기 실시예에서, 스위칭 소자(17)의 턴-온 시점에 저항(20) 양단에 발생하는 전압이 전압 전류 변환 회로(19)에서 전류로 변환되어 커패시터(12)가 충전된다. 전압 파형이 삼각파 VT인 커패시터(12)의 전압이 비교기(15)에서 지령값 VC와 비교되어, 도 1의 실시예와 동일한 동작이 수행된다.
다시 말해서, 지령값 VC가 저하되면 트랜지스터(10)에 흐르는 전류 i2가 증가하여 커패시터(12) 양단 전압에 중첩되는 전압이 상승하게 되어서 상기에 설명된 바와 같이 삼각파 VT의 경사가 더욱 가파르게 된다. 그러므로, 출력 전압 VO가 감소하면 지령값 VC가 증가하여 PWM 신호 VM이 간헐적으로 결여되는 것을 방지한다.
본 발명은, 도 1에 도시된 제1 실시예의 회로의 변형예의 회로 구성을 보여주는 회로도인 도 4에 도시된 바와 같이, 일본 특허 공개 제2002-209381호 공보의 도 1과 도 5에 기술된 바와 같이 자려형 전류 공진 회로를 사용하는 DC-DC 변환기 에 있는 로어암(lower arm)의 스위칭 소자를 제어하는 경우에도 적용 가능하다.
다시 말해서, 도 4에서, 도면 부호 2c, 2d는 변압기(2)의 보조 권선을 나타낸다. 보조 권선(2c)의 한쪽 단에 반도체 스위칭 소자(21)의 게이트가 저항(22)을 통해 연결되어, 보조 권선(2c)에서 생성된 전압으로 스위칭 소자(21)를 턴-온 및 오프시킨다. 스위칭 소자(21)는 공진 커패시터(23)를 통해 일차 권선(2a)에 병렬로 연결된다. 보조 권선(2d)의 한쪽 단은 저항(24)을 통해 삼각파 발생 회로(7)로 이르게 되어 보조 권선(2d)에서 생성된 전압에 의해 삼각파의 파형을 형성하는 발진을 시작한다.
도 4에서, 이차 권선(2b)은 센터 탭 형(center tap type)이고, 도면 부호 25는 정류 다이오드를 나타낸다.
도 4에 도시된 회로에서는, 반도체 스위칭 소자(17, 21)가 교대로 턴-온 및 오프하여 변압기(2)의 이차 측의 부하(5)에 요구되는 직류 전력을 제공한다. 이와 같은 DC-DC 변환기에서는, 도 1에 도시된 제1 실시예의 변환기처럼, 삼각파 VT와 지령값 VC를 비교하는 비교기(15)에서 안정된 PWM 신호 VM을 출력하여 스위칭 소자(17)를 작동할 수 있게 한다. 이것은, 도 6에 도시된 바와 같이 PWM 신호 VM의 어떤 간헐적 결여도 일으킴 없이 스위칭 소자(17, 21)가 스위칭을 수행할 수 있게 한다.
본 발명을 특별히 바람직한 실시예와 관련하여 구체적으로 도시하고 기술하였지만, 본 발명의 사상과 범위를 벗어나지 않고 구성과 세부에 대하여 상기한 변형 및 그 밖의 변형이 일어날 수 있음을 당업자는 이해할 것이다.
본 발명에 따른 DC-DC 변환기의 효과는 DC-DC 변환기가 경부하일 경우에 PWM 신호 VM의 간헐적 결여를 방지하여 요구되는 직류 전압을 출력시킬 수 있다. 더욱이, 본 발명에 따른 DC-DC 변환기의 또 다른 효과는 변환기의 효율을 향상시키기 위해서 어떤 의사 부하도 요구하지 않으며, 변압기에서의 이상 잡음의 발생을 방지할 수 있다.

Claims (3)

  1. 직류 전압이 인가되는 일차 권선과, 부하에 연결된 이차 권선을 갖는 변압기와;
    상기 일차 권선에 접속된 반도체 스위칭 소자와;
    상기 이차 권선의 출력 전압을 기준값에 일치시키도록 상기 스위칭 소자의 턴-온 및 오프 기간을 제어하는 제어 수단
    을 포함하는 DC-DC 변환기로서, 상기 스위칭 소자는 턴-온 및 오프하여 상기 변압기의 이차 권선을 통하여 부하에 상기 기준값과 정확히 같은 직류 전압을 공급하며,
    상기 제어 수단은, 상기 이차 권선의 출력 전압과 상기 기준값에 대하여 조정된 지령값을 출력하는 조정 수단과;
    삼각파를 생성하는 삼각파 발생 수단과;
    상기 지령값과 상기 삼각파를 비교하고 그 비교 결과에 따라 상기 스위칭 소자의 구동 신호를 생성하는 비교 수단
    을 포함하며, 상기 삼각파 발생 수단은 상기 지령값의 증감에 따라 삼각파 의 경사를 변화시키는 것이고,
    상기 지령값이 감소되는 경우, 상기 출력 전압을 감소시키기 위하여 상기 삼각파의 경사가 더 가파르게 되는 것이며, 감소된 출력 전압은 상기 조정 수단을 상기 지령값을 증가시키도록 동작시켜, 상기 출력 전압이 상기 기준값에 일치하게 되는 것인 DC-DC 변환기.
  2. 제1항에 있어서, 상기 삼각파 발생 수단은,
    충방전 전원에 접속된 커패시터와;
    상기 지령값의 크기에 따른 전류량을 상기 커패시터에 유입시켜 상기 커패시터 양단의 전압을 변화시키는 수단
    을 포함하고, 상기 커패시터 양단의 전압은 그 전압 파형이 삼각파로서 형성되어 상기 비교 수단에 입력되는 것인 DC-DC 변환기.
  3. 제1항에 있어서, 상기 삼각파 발생 수단은,
    상기 스위칭 소자에 흐르는 전류량에 따른 전압으로 충전된 커패시터와;
    상기 지령값의 크기에 따른 전류량을 상기 커패시터에 유입시켜 상기 커패시터 양단의 전압을 변화시키는 수단
    을 포함하고, 상기 커패시터 양단의 전압은 그 전압 파형이 삼각파로서 형성되어 상기 비교 수단에 입력되는 것인 DC-DC 변환기.
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