KR101350575B1 - 플라이백 컨버터 - Google Patents

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KR101350575B1 KR1020120149349A KR20120149349A KR101350575B1 KR 101350575 B1 KR101350575 B1 KR 101350575B1 KR 1020120149349 A KR1020120149349 A KR 1020120149349A KR 20120149349 A KR20120149349 A KR 20120149349A KR 101350575 B1 KR101350575 B1 KR 101350575B1
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서범석
김광수
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삼성전기주식회사
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Abstract

본 발명은 입력 전원을 공급하는 전원 공급부, 상기 전원 공급부로부터의 제1 1차 전류를 제1 2차 전류로 변환하는 제1 트랜스 및 상기 전원 공급부로부터의 제2 1차 전류를 제2 2차 전류로 변환하는 제2 트랜스를 구비한 트랜스부, 상기 제1 트랜스의 1차 권선에 흐르는 제1 1차 전류를 단속하는 제1 메인 스위치 및 상기 제2 트랜스의 1차 권선에 흐르는 제2 1차 전류를 단속하는 제2 메인 스위치를 구비한 메인 스위치부, 상기 제1 메인 스위치의 온 동작 전에 존재하는 잉여 전원의 전달 경로를 형성하는 제1 보조 스위치 및 상기 제2 메인 스위치의 온 동작 전에 존재하는 잉여 전원의 전달 경로를 형성하는 제2 보조 스위치를 구비한 보조 스위치부, 상기 제1 보조 스위치의 스위칭 동작시 상기 제1 보조 스위치에 흐르는 전류량을 조절하는 제1 보조 인덕터 및 상기 제2 보조 스위치의 스위칭 동작시 상기 제2 보조 스위치에 흐르는 전류량을 조절하는 제2 보조 인덕터를 구비한 보조 인덕터부를 포함하며, 상기 제1 메인 스위치 및 상기 제2 메인 스위치는 소정의 위상차를 가지고 스위칭 동작하는 플라이백 컨버터에 관한 것이다.

Description

플라이백 컨버터 {FLYBACK CONVERTER}
본 발명은 스위칭 손실을 저감할 수 있는 인터리브 방식의(Interleaved) 플라이백 컨버터에 관한 것이다.
일반적으로, 플라이백(Flyback) 컨버터는 다른 컨버터에 비하여 단순하게 구성될 수 있으므로 전기적 절연이 필요한 소용량 DC-DC 컨버터로 많이 사용되고 있다.
그러나 상기 플라이백 컨버터는 스위칭 손실이 크고 절연 변압기의 누설 인덕턴스에 의하여 효율이 낮은 편이다. 따라서 상기 플라이백 컨버터를 중용량 DC-DC 컨버터로 사용하기에는 한계가 있다.
플라이백 컨버터의 효율을 개선하기 위하여 절연 변압기의 누설 인덕턴스를 낮추어서 설계한다면 절연 변압기의 2차측 출력 정류 다이오드의 역방향 회복 전류(Reverse-recovery Current)가 커지는 문제점이 발생한다. 이 경우, 절연 변압기의 1차측 스위칭 손실과 EMI 노이즈 레벨이 상승할 수 있다.
이러한 플라이백 컨버터의 문제점을 극복하기 위하여 인터리브 방식의 플라이백 컨버터가 도입되었다.
인터리브 방식의 플라이백 컨버터는 기존의 절연형 프라이백 컨버터를 2개 이상 병렬로 연결한 구조를 갖는다. 상기 인터리브 방식의 플라이백 컨버터에서는 병렬로 연결된 각 플라이백 컨버터가 전체 출력 전력을 균등하게 분담하도록 동작한다. 따라서 상기 인터리브 방식의 플라이백 컨버터는 입력 전류의 리플과 출력 전압의 리플을 동시에 저감시킬 수 있다.
그러나 기존 플라이백 컨버터에 비해서 향상된 특성을 나타내는 인터리브 방식의 플라이백 컨버터 또한 DC-DC 컨버터의 출력 용량이 증가하면 절연 변압기 1차측 스위치의 스위칭 손실이 심각하게 커지는 문제점이 있다.
하기 선행기술문헌에 기재된 특허문헌 1은, 인터리브 방식의 플라이백 컨버터에 관한 것으로, 전력 변환시의 스위칭 효율을 개선하기 위한 구성을 개시하고 있지 않다.
한국공개특허 2011-0105919
본 명세서는 전력 변환을 위한 스위칭 전에 잉여 전원을 접지에 전달하여 스위칭시에 발생되는 스위칭 손실을 저감하는 인터리브 방식의 플라이백 컨버터를 제공하고자 한다.
또, 본 명세서는 이엠아이(EMI) 노이즈 레벨을 저감하는 인터리브 방식의 플라이백 컨버터를 제공하고자 한다.
본 발명의 일 양상에 따른 플라이백 컨버터는, 입력 전원을 공급하는 전원 공급부, 상기 전원 공급부로부터의 제1 1차 전류를 제1 2차 전류로 변환하는 제1 트랜스 및 상기 전원 공급부로부터의 제2 1차 전류를 제2 2차 전류로 변환하는 제2 트랜스를 구비한 트랜스부, 상기 제1 트랜스의 1차 권선에 흐르는 제1 1차 전류를 단속하는 제1 메인 스위치 및 상기 제2 트랜스의 1차 권선에 흐르는 제2 1차 전류를 단속하는 제2 메인 스위치를 구비한 메인 스위치부, 상기 제1 메인 스위치의 온 동작 전에 존재하는 잉여 전원의 전달 경로를 형성하는 제1 보조 스위치 및 상기 제2 메인 스위치의 온 동작 전에 존재하는 잉여 전원의 전달 경로를 형성하는 제2 보조 스위치를 구비한 보조 스위치부, 상기 제1 보조 스위치의 스위칭 동작시 상기 제1 보조 스위치에 흐르는 전류량을 조절하는 제1 보조 인덕터 및 상기 제2 보조 스위치의 스위칭 동작시 상기 제2 보조 스위치에 흐르는 전류량을 조절하는 제2 보조 인덕터를 구비한 보조 인덕터부를 포함하며, 상기 제1 메인 스위치 및 상기 제2 메인 스위치는 소정의 위상차를 가지고 스위칭 동작할 수 있다.
상기 플라이백 컨버터는 상기 제1 트랜스의 제1 2차 전류를 정류하여 출력하는 제1 정류 다이오드, 상기 제2 트랜스의 제2 2차 전류를 정류하여 출력하는 제2 정류 다이오드를 더 포함할 수 있다.
상기 플라이백 컨버터는 상기 제1 정류 다이오드 및 상기 제2 정류 다이오드로부터 전달되는 전원을 안정화시키는 커패시터 소자를 더 포함할 수 있다.
상기 제1 보조 스위치는 상기 제1 메인 스위치가 온 동작하기 전에 온 동작하고, 상기 제1 메인 스위치가 오프 동작하기 전에 오프 동작하는 제1 스위칭 동작을 수행할 수 있다.
상기 제2 보조 스위치는 상기 제2 메인 스위치가 온 동작하기 전에 온 동작하고, 상기 제2 메인 스위치가 오프 동작하기 전에 오프 동작하는 제2 스위칭 동작을 수행할 수 있다.
상기 메인 스위치부는 상기 제1 메인 스위치 및 제2 메인 스위치가 180˚의 위상차를 가지고 스위칭할 수 있다.
상기 제1 보조 인덕터와 상기 제1 트랜스의 1차 권선은 유도 결합하고, 상기 제2 보조 인덕터와 상기 제2 트랜스의 1차 권선은 유도 결합할 수 있다.
상기 플라이백 컨버터는 상기 제1 보조 인덕터와 상기 제1 트랜스가 공유하는 자성체 코어를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 양상에 따른 플라이백 컨버터는 입력 전원을 공급하는 전원 공급부, 상기 전원 공급부의 일단에 연결되어 상기 전원 공급부로부터의 제1 1차 전류를 제1 2차 전류로 변환하는 제1 트랜스, 상기 전원 공급부의 일단과 병렬로 연결되어 상기 전원 공급부로부터의 제2 1차 전류를 제2 2차 전류로 변환하는 제2 트랜스, 상기 제1 트랜스의 1차 권선에 흐르는 제1 1차 전류를 단속하는 제1 메인 스위치, 상기 제1 메인 스위치와 소정의 위상차를 가지고 동작하며, 상기 제2 트랜스의 1차 권선에 흐르는 제2 1차 전류를 단속하는 제2 메인 스위치를 구비한 메인 스위치, 상기 제1 메인 스위치의 온 동작 전에 존재하는 잉여 전원의 전달 경로를 형성하는 제1 보조 스위치 및 상기 제2 메인 스위치의 온 동작 전에 존재하는 잉여 전원의 전달 경로를 형성하는 제2 보조 스위치를 구비한 보조 스위치부, 상기 제1 보조 스위치의 스위칭 동작시 상기 제1 보조 스위치에 흐르는 전류량을 조절하는 제1 보조 인덕터 및 상기 제2 보조 스위치의 스위칭 동작시 상기 제2 보조 스위치에 흐르는 전류량을 조절하는 제2 보조 인덕터를 구비한 보조 인덕터부를 포함할 수 있다.
상기 플라이백 컨버터는 상기 제1 트랜스의 제1 2차 전류를 정류하여 출력하는 제1 정류 다이오드, 상기 제2 트랜스의 제2 2차 전류를 정류하여 출력하는 제2 정류 다이오드를 더 포함할 수 있다.
상기 플라이백 컨버터는 상기 제1 정류 다이오드 및 상기 제2 정류 다이오드로부터 전달되는 전원을 안정화시키는 커패시터 소자를 더 포함할 수 있다.
상기 제1 보조 스위치는 상기 제1 메인 스위치가 온 동작하기 전에 온 동작하고, 상기 제1 메인 스위치가 오프 동작하기 전에 오프 동작하는 제1 스위칭 동작을 수행할 수 있다.
상기 제2 보조 스위치는 상기 제2 메인 스위치가 온 동작하기 전에 온 동작하고, 상기 제2 메인 스위치가 오프 동작하기 전에 오프 동작하는 제2 스위칭 동작을 수행할 수 있다.
상기 메인 스위치부는 상기 제1 메인 스위치 및 제2 메인 스위치가 180˚의 위상차를 가지고 스위칭할 수 있다.
상기 제1 보조 인덕터와 상기 제1 트랜스의 1차 권선은 유도 결합하고, 상기 제2 보조 인덕터와 상기 제2 트랜스의 1차 권선은 유도 결합할 수 있다.
상기 플라이백 컨버터는 상기 제1 보조 인덕터와 상기 제1 트랜스가 공유하는 자성체 코어를 더 포함할 수 있다.
본 명세서의 개시에 의해, 전력 변환을 위한 스위칭 전에 잉여 전원을 접지에 전달하여 스위칭시에 발생되는 스위칭 손실을 저감하는 인터리브 방식의 플라이백 컨버터를 제공할 수 있다.
또, 본 명세서의 개시에 의해, 이엠아이(EMI) 노이즈 레벨을 저감하는 인터리브 방식의 플라이백 컨버터를 제공할 수 있다.
도 1은 절연형 플라이백 컨버터를 나타낸 회로도이다.
도 2는 절연형 플라이백 컨버터의 스위칭 소자에 흐르는 전류 파형을 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 의한 플라이백 컨버터를 나타낸 회로도이다.
도 4는 메인 스위치부와 보조 스위치부의 스위칭 제어 신호 그래프이다.
도 5는 도 4의 A, B부분을 확대하여 도시한 그래프이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 의한 플라이백 컨버터의 입력 전류를 나타낸 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 의한 플라이백 컨버터의 제1 메인 스위치 전류 파형을 나타낸 도면이다.
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 의한 플라이백 컨버터를 나타낸 회로도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 형태들을 설명한다. 그러나 본 발명의 실시형태는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시 형태로 한정되는 것은 아니다. 또한, 본 발명의 실시형태는 당해 기술분야에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 도면에서 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있다.
도 1은 절연형 플라이백 컨버터를 나타낸 회로도이다.
도 1을 참조하면, 상기 절연형 플라이백 컨버터는 전원 입력부(1), 트랜스(2), 스위칭 소자(3), 제어부(4), 정류 다이오드(D1)를 포함할 수 있다.
상기 전원 입력부(1)는 입력 전원을 공급할 수 있다.
상기 트랜스(2)는 상기 전원 입력부로부터의 1차 전류(I1)를 2차 전류(I2)로 변환할 수 있다.
상기 스위칭 소자(3)는 상기 트랜스의 1차 권선에 흐르는 1차 전류(I1)를 단속할 수 있다.
상기 제어부(4)는 상기 스위칭 소자를 구동하기 위한 구동 신호(Q1)를 인가할 수 있다.
상기 전류 다이오드(D1)는 상기 트랜스(2)의 2차 전류(I2)를 정류할 수 있다.
커패시터 소자(C0)는 상기 제1 정류 다이오드(D10)로부터 전달되는 전원을 안정화시킬 수 있다.
상기 플라이백 컨버터가 트랜스(2)의 1차측 에너지를 트랜스(2)의 2차측으로 전달하기 위하여, 상기 스위칭 소자(3)는 스위칭 동작을 수행할 수 있다.
이 때, 상기 스위칭 소자(3)의 스위칭 동작에 의하여 스위칭 손실이 발생할 수 있다. 또, 상기 스위칭 소자(3)에 큰 스트레스가 발생할 수 있다.
한편, 상기 스위칭 소자(3)의 영전압 스위칭(ZVS; Zero Voltage Switching)을 확보하기 위해서는 절연 변압기의 누설 인덕턴스(Lm1)에 저장된 에너지가 스위칭 소자 양단의 기생(parasitic) 커패시턴스에 저장된 에너지보다 큰 값을 가져야 한다. 따라서 상기 스위칭 소자(3)의 영전압 스위칭(ZVS; Zero Voltage Switching)을 확보하기 위해서는 일반적으로 누설 인덕턴스가 큰 절연 변압기가 사용된다.
그러나 절연 변압기의 누설 인덕턴스가 커지는 경우, 스위칭 소자(3)와 출력 정류 다이오드(D1)에 높은 전압, 전류 스트레스를 발생시키기 때문에 이에 따른 추가적인 손실이 발생한다. 또, 이러한 전압, 전류 스트레스에 대한 마진을 확보하기 위하여 정격 용량이 큰 스위칭 소자와 출력 정류 다이오드를 사용해야만 하고 이는 플라이백 컨버터의 가격을 상승시키는 원인이 된다.
도 2는 절연형 플라이백 컨버터의 스위칭 소자에 흐르는 전류 파형을 나타낸 도면이다.
도 2를 참조하면, 시간에 따라 스위칭 소자에 흐르는 전류(IQ1)를 확인할 수 있다. 이 때, 스위칭 턴온 시점에 매우 높은 전류가 발생되는 것을 확인할 수 있다. 이러한 높은 전류는 스위칭 소자의 스위칭 손실과 스위칭 소자에 대한 스트레스를 높이게 된다.
한편, 절연 변압기의 누설 인덕턴스와 출력 정류 다이오드의 역방향 회복 전류에 의해서 발생된 이러한 전류 스파이크는 플라이백 컨버터의 EMI노이즈 레벨을 높이게 되어 EMI 필터의 비용과 크기를 상승시키게 된다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 의한 플라이백 컨버터를 나타낸 회로도이다.
도 3을 참조하면, 상기 플라이백 컨버터는 전원 공급부(10), 트랜스부(20), 메인 스위치부(30), 보조 스위치부(40), 보조 인덕터부(50), 제1 정류 다이오드(D10), 제2 정류 다이오드(D20)를 포함할 수 있다.
상기 전원 공급부(10)는 입력 전원을 공급할 수 있다.
상기 트랜스부(20)는 서로 병렬로 연결된 제1 트랜스(TX10), 제2 트랜스(TX20)를 포함할 수 있다. 상기 제1 트랜스(TX10), 상기 제2 트랜스(TX20)는 각각 1차 권선, 2차 권선을 구비하고 있다.
상기 제1 트랜스(TX10)는 상기 전원 공급부(10)의 일 단과 연결되어 상기 전원 공급부(10)로부터의 1차 전류(I10)를 2차 전류(I20)로 변환할 수 있다. 여기서, 상기 1차 전류는 트랜스의 1차 권선에 흐르는 전류이며, 상기 2차 전류는 트랜스의 2차 권선에 흐르는 전류를 의미할 수 있다. 또, 상기 제1 트랜스(TX10)의 각 권선에 흐르는 전류를 제1 전류라고 정의하기로 한다.
상기 제2 트랜스(TX20)는 상기 전원 공급부(10)의 일 단과 연결되어 상기 전원 공급부(10)로부터의 1차 전류(I30)를 2차 전류(I40)로 변환할 수 있다. 여기서, 상기 1차 전류는 트랜스의 1차 권선에 흐르는 전류를 의미하며, 상기 2차 전류는 트랜스의 2차 권선에 흐르는 전류를 의미할 수 있다. 또, 상기 제2 트랜스(TX20)의 각 권선에 흐르는 전류를 제2 전류라고 정의하기로 한다.
상기 메인 스위치부(30)는 트랜스부(20)의 1차 권선에 흐르는 전류를 단속할 수 있다. 상기 메인 스위치부(30)의 스위칭에 의하여 상기 인터리브 방식의 플라이백 컨버터는 트랜스부(20)의 1차측 에너지를 트랜스부(20)의 2차측으로 전달할 수 있다.
상기 메인 스위치부(30)는 제1 메인 스위치(S10), 제2 메인 스위치(S20)를 포함할 수 있다.
상기 제1 메인 스위치(S10)는 상기 제1 트랜스(TX10)의 1차 권선에 흐르는 제1 1차 전류를 단속할 수 있다. 상기 제1 메인 스위치(S10)의 스위칭에 의하여 상기 인터리브 방식의 플라이백 컨버터는 제1 트랜스(TX10)의 1차측 에너지를 제1 트랜스(TX10)의 2차측으로 전달할 수 있다.
상기 제2 메인 스위치(S20)는 상기 제2 트랜스(TX20)의 1차 권선에 흐르는 제2 1차 전류를 단속할 수 있다. 상기 제2 메인 스위치(S20)의 스위칭에 의하여 상기 인터리브 방식의 플라이백 컨버터는 제2 트랜스(TX20)의 1차측 에너지를 제2 트랜스(TX20)의 2차측으로 전달할 수 있다.
상기 제1 메인 스위칭(S10) 및 상기 제2 메인 스위치(S20)는 소정의 위상차를 가지고 스위칭 동작할 수 있다. 예컨대, 상기 제1 메인 스위치(S10)와 상기 제2 메인 스위치(S20)는 서로 180˚의 위상차를 가지고 스위칭 동작할 수 있다.
또, 상기 메인 스위치부(30)는 제1 역전류 방지 다이오드(DI10), 제2 역전류 방지 다이오드(DI20)를 포함할 수 있다. 상기 제1 역전류 방지 다이오드(DI10)는 상기 제1 메인 스위치(S10)의 역전류를 방지할 수 있다. 상기 제2 역전류 방지 다이오드(DI20)는 상기 제2 메인 스위치(S20)의 역전류를 방지할 수 있다.
제1 역전류 방지 다이오드(DI10) 및 제2 역전류 방지 다이오드(DI20)는 제1 메인 스위치(S10) 및 제2 메인 스위치(S20)가 트랜지스터로 구성되는 경우에 바디에 형성되는 다이오드일 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니고 별도로 부가된 다이오드일 수 있다.
상기 제1 정류 다이오드(D10)는 상기 제1 트랜스(TX10)의 제1 2차 전류(I20)를 정류하여 출력부로 전달할 수 있다. 또, 상기 제2 정류 다이오드(D20)는 상기 제2 트랜스(TX20)의 제2 2차 전류(I40)를 정류하여 출력부로 전달할 수 있다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 의한 플라이백 컨버터는 전원 안정화 커패시터 소자(C0)를 포함할 수 있다. 상기 커패시터 소자(C0)는 상기 제1 정류 다이오드(D10) 및 상기 제2 정류 다이오드(D20)로부터 전달되는 전원을 안정화시킬 수 있다.
상기 보조 스위치부(40)는 메인 스위치부(30)의 스위칭 동작시에 남은 잉여 전원의 전달 경로를 형성할 수 있다.
상기 보조 스위치부(40)는 제1 보조 스위치(Sn10), 제2 보조 스위치(Sn20)를 포함할 수 있다. 상기 제1 보조 스위치(Sn10)는 상기 제1 메인 스위치(S10)와 병렬로 연결될 수 있다. 상기 제2 보조 스위치(Sn20)는 상기 제2 메인 스위치(S20)와 병렬로 연결될 수 있다.
상기 보조 인덕터부(50)는 보조 스위치부(40)의 스위칭 동작시 보조 스위치부(40)에 흐르는 전류량을 조절할 수 있다. 예컨대, 상기 제1 보조 인덕터(Ls10)는 상기 제1 보조 스위치(Sn10)의 스위칭 동작시 제1 보조 스위치(Sn10)에 흐르는 전류량을 조절할 수 있다. 또, 상기 제2 보조 인덕터(Ls20)는 상기 제2 보조 스위치(Sn20)의 스위칭 동작시 제2 보조 스위치(Sn20)에 흐르는 전류량을 조절할 수 있다.
제어부(60)는 제1 메인 스위치(S10), 제2 메인 스위치(S20), 제1 보조 스위치(Sn10) 및 제2 보조 스위치(Sn20)의 스위칭 동작을 제어하는 스위칭 제어 신호(G10, G20, Gn10, Gn20)를 제공할 수 있다.
본 발명의 제1 메인 스위치(S10), 제2 메인 스위치(S20), 제1 보조 스위치(Sn10) 및 제2 보조 스위치(Sn20)는 IGBT(Insulated gate bipolar transistor), MOS-FET(metal oxide semiconductor field-effect transistor) 및 BJT(bipolar junction transistor) 중 하나로 구성될 수 있다.
도 4는 메인 스위치부(30)와 보조 스위치부(40)의 스위칭 제어 신호 그래프이며, 도 5는 도 4의 A, B부분을 확대하여 도시한 그래프이다.
도 3, 도 4 및 도 5를 참조하면 본 발명의 플라이백 컨버터의 보조 스위치부(40)는 메인 스위치부(30)의 온 동작 전에 잉여 전원의 전달 경로를 형성할 수 있다. 즉, 다시 말하면, 메인 스위치부(30)의 영전압 스위칭 조건을 제공함으로써 스위칭 손실을 제거할 수 있다.
잉여 전원의 전달 경로 형성을 위하여, 제어부(60)는 메인 스위치부(30)의 온 동작 전에 보조 스위치부(40)를 온 동작시키는 스위칭 제어신호(G10, G20, Gn10, Gn20)를 전달할 수 있다. 스위칭 제어신호가 하이 신호 일 때 각 스위치(S10, S20, Sn10, Sn20)는 온 동작하고, 스위칭 제어신호가 로우 신호 일 때, 각 스위치(S10, S20, Sn10, Sn20)는 오프 동작할 수 있다.
구체적으로 설명하면, 제1 보조 스위치(Sn10)는 제1 메인 스위치(S10)의 온 동작 전에 존재하는 잉여 전원의 전달 경로를 형성하며, 제2 보조 스위치(Sn20)는 제2 메인 스위치(S20)의 온 동작전에 존재하는 잉여 전원의 전달 경로를 형성할 수 있다.
이를 위하여, 도 4 및 도 5에 도시되어 있듯이, 제1 보조 스위치(Sn10)는 제1 메인 스위치(S10)가 온 동작하기 전에 온 동작하고, 제1 메인 스위치(S10)가 오프 동작하기 전에 오프 동작할 수 있다. 이를 제1 스위칭 동작이라 지칭할 수 있다. 한편, 상기 제1 메인 스위치(S10)는 상기 제1 보조 스위치(Sn10)가 온 동작한 뒤 소정 시간(T1) 뒤에 온 동작할 수 있다. 또, 상기 제1 보조 스위치(Sn10)는 소정 시간(T2) 동안 온 동작 할 수 있다.
상기 시간(T1, T2)은 플라이백 스위치 동작 특성, 게이트 전압 레벨, 게이트 저항값, 보조 인덕터의 인덕턴스 등에 의하여 결정될 수 있다.
또한, 제2 보조 스위치(Sn20)는 제2 메인 스위치(S20)가 온 동작하기 전에 온 동작하고, 제2 메인 스위치(S20)가 오프 동작하기 전에 오프 동작할 수 있다. 이를 제2 스위칭 동작이라 지칭할 수 있다.
이 때, 제1 스위칭 동작과 제2 스위칭 동작의 온 동작 간격은 서로 동일하게 설정될 수 있다.
도 4, 5에 도시된 B부분을 참조하면, 상기 제1 메인 스위치(S10)가 온 동작하는 경우, 상기 제1 트랜스(TX10)의 1차측 권선을 흐르는 전류(I10)는 증가한다. 또, 상기 제1 메인 스위치(S10)가 오프 동작하는 경우, 상기 제1 트랜스(TX10)의 1차측 권선을 흐르는 전류(I10)는 감소한다. 또, 상기 제2 메인 스위치(S20)가 온 동작하는 경우, 상기 제2 트랜스(TX20)의 1차측 권선을 흐르는 전류(I30)는 증가한다. 또, 상기 제2 메인 스위치(S20)가 오프 동작하는 경우, 상기 제2 트랜스(TX20)의 1차측 권선을 흐르는 전류(I30)는 감소한다.
한편, 보조 스위치부(40)가 메인 스위치부(30)의 잉여 전원의 전달 경로를 형성하여 메인 스위치부(30)의 스위칭 손실을 저감할 수 있으나, 보조 스위치부(40)의 스위칭 손실이 발생할 수 있다.
다시 말하면, 보조 스위치부(40)의 오프 동작시점에 과도 전원에 따른 피크성 전압이 보조 스위치부(40)의 양단에 발생하여 스위칭 손실이 발생할 수 있다.
이러한 문제점을 해결하기 위하여, 도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 의한 플라이백 컨버터는 보조 스위치부(40)의 스위칭 동작시 보조 스위치부(40)에 흐르는 전류량을 조절하는 보조 인덕터부(50)를 더 포함할 수 있다.
상기 보조 인덕터부(50)는 제1 보조 인덕터(Ls10), 제2 보조 인덕터(Ls20)를 포함할 수 있다. 구체적으로, 상기 제1 보조 인덕터(Ls10)는 상기 제1 보조 스위치(Sn10)의 스위칭 동작시 제1 보조 스위치(Sn10)에 흐르는 전류량을 조절할 수 있다. 또, 상기 제2 보조 인덕터(Ls20)는 상기 제2 보조 스위치(Sn20)의 스위칭 동작시 제2 보조 스위치(Sn20)에 흐르는 전류량을 조절할 수 있다.
이와 같이 본 발명의 일 실시예에 의한 플라이백 컨버터는 보조 스위치부(40)에 의하여 메인 스위치부(30)의 영전압 스위칭을 구현할 수 있다. 따라서 본 발명의 플라이백 컨버터는 스위칭 손실을 저감하여 컨버터의 효율을 크게 향상 시킬 수 있다. 또, 상기 영전압 스위칭에 의하여 절연 변압기의 누설 인덕턴스를 최소화할 수 있다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 의한 플라이백 컨버터의 입력 전류를 나타낸 도면이다.
도 6을 참조하면, 제1 트랜스(TX10)의 1차 권선에 흐르는 전류(I10), 제2 트랜스(TX20)의 1차 권선에 흐르는 전류(I30)를 확인할 수 있다.
앞에서 설명한 바와 같이, 상기 제1 1차 전류(I10)와 상기 제2 1차 전류(I30)는 180˚의 위상 차이가 발생하도록 제어될 수 있다.
한편, 컨버터의 입력 전류(Iin)의 리플(ripple)은 상기 제1 1차 전류(I10), 상기 제2 1차 전류(I30)의 캔슬레이션(cancellation)에 의하여 크게 감소되는 것을 확인할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의한 인터리브 방식의 플라이백 컨버터는 기존의 인터리브 방식의 플라이백 컨터터보다 입력 전류의 리플(ripple)을 50% 정도 감소시킬 수 있다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 의한 플라이백 컨버터의 제1 메인 스위치(S10) 전류 파형을 나타낸 도면이다.
도 2의 전류 파형과 도 7의 전류 파형을 비교해 보면, 본 실시예에서는 스파이크 전류가 크게 감소된 것을 확인할 수 있다.
상기 도 6, 7을 참조하면, 본 발명에 의할 때, 메인 스위치부의 스위칭 손실을 저감할 수 있고, 메인 스위치부의 스트레스를 감소시킬 수 있으며, 컨버터에서 발생되는 EMI 노이즈 레벨을 저감시킬 수 있다는 것을 확인할 수 있다.
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 의한 플라이백 컨버터를 나타낸 회로도이다.
도 8을 참조하면, 상기 제1 보조 인덕터(Ls10)와 상기 제1 트랜스(TX10)의 1차 권선은 유도 결합할 수 있다. 또, 상기 제2 보조 인덕터(Ls20)와 상기 제2 트랜스(TX20)의 1차 권선은 유도 결합할 수 있다.
또, 상기 제1 보조 인덕터(Ls10)와 상기 제1 트랜스(Tx10)는 하나의 코어를 공유할 수 있다. 또, 상기 제2 보조 인덕터(Ls20)와 상기 제2 트랜스(TX20)는 하나의 코어를 공유할 수 있다.
상기 코어는 자성체 코어일 수 있다. 상기 자성체 코어는 철심 코어, 페라이트 코어일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의할 때, 보조 스위치(Sn10, Sn20)가 스위칭 오프 되는 시점에, 상기 보조 인덕터(Ls10, Ls20)에 저장된 에너지를 트랜스(TX10, TX20)로 전달할 수 있다.
이와 같이, 보조 인덕터(Ls10, Ls20)와 트랜스(TX10, TX20)의 에너지 커플링(energy coupling)에 의하여, 스파이크 전압이 낮은 값으로 제한될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 보조 인덕터와 트랜스가 유도 결합함으로써, 보조 스위치의 턴 오프 시점에 보조 인덕터의 에너지를 커플드(coupled) 코어를 통해서 재생(recycle)시킬 수 있으므로 추가적인 컨버터 효율 향상과 EMI 노이즈 저감 효과를 얻을 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.
10 : 전원 공급부
20 : 트랜스부
30 : 메인 스위치부
40 : 보조 스위치부
50 : 보조 인덕터부
60 : 제어부

Claims (16)

  1. 입력 전원을 공급하는 전원 공급부;
    상기 전원 공급부로부터의 제1 1차 전류를 제1 2차 전류로 변환하는 제1 트랜스 및 상기 전원 공급부로부터의 제2 1차 전류를 제2 2차 전류로 변환하는 제2 트랜스를 구비한 트랜스부;
    상기 제1 트랜스의 1차 권선에 흐르는 제1 1차 전류를 단속하는 제1 메인 스위치 및 상기 제2 트랜스의 1차 권선에 흐르는 제2 1차 전류를 단속하는 제2 메인 스위치를 구비한 메인 스위치부;
    상기 제1 메인 스위치의 온 동작 전에 존재하는 잉여 전원의 전달 경로를 형성하는 제1 보조 스위치 및 상기 제2 메인 스위치의 온 동작 전에 존재하는 잉여 전원의 전달 경로를 형성하는 제2 보조 스위치를 구비한 보조 스위치부; 및
    상기 제1 보조 스위치의 스위칭 동작시 상기 제1 보조 스위치에 흐르는 전류량을 조절하는 제1 보조 인덕터 및 상기 제2 보조 스위치의 스위칭 동작시 상기 제2 보조 스위치에 흐르는 전류량을 조절하는 제2 보조 인덕터를 구비한 보조 인덕터부;를 포함하며,
    상기 제1 메인 스위치 및 상기 제2 메인 스위치는 소정의 위상차를 가지고 스위칭 동작하는 플라이백 컨버터.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 트랜스의 제1 2차 전류를 정류하여 출력하는 제1 정류 다이오드; 및
    상기 제2 트랜스의 제2 2차 전류를 정류하여 출력하는 제2 정류 다이오드를 더 포함하는 플라이백 컨버터.
  3. 제2 항에 있어서,
    상기 제1 정류 다이오드 및 상기 제2 정류 다이오드로부터 전달되는 전원을 안정화시키는 커패시터 소자를 더 포함하는 플라이백 컨버터.
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 보조 스위치는 상기 제1 메인 스위치가 온 동작하기 전에 온 동작하고, 상기 제1 메인 스위치가 오프 동작하기 전에 오프 동작하는 제1 스위칭 동작을 수행하는 플라이백 컨버터.
  5. 제1 항에 있어서,
    상기 제2 보조 스위치는 상기 제2 메인 스위치가 온 동작하기 전에 온 동작하고, 상기 제2 메인 스위치가 오프 동작하기 전에 오프 동작하는 제2 스위칭 동작을 수행하는 플라이백 컨버터.
  6. 제1 항에 있어서, 상기 메인 스위치부는,
    상기 제1 메인 스위치 및 제2 메인 스위치가 180˚의 위상차를 가지고 스위칭하는 플라이백 컨버터.
  7. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 보조 인덕터와 상기 제1 트랜스의 1차 권선은 유도 결합하고, 상기 제2 보조 인덕터와 상기 제2 트랜스의 1차 권선은 유도 결합하는 플라이백 컨버터.
  8. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 보조 인덕터와 상기 제1 트랜스가 공유하는 자성체 코어를 더 포함하는 플라이백 컨버터.
  9. 입력 전원을 공급하는 전원 공급부;
    상기 전원 공급부의 일단에 연결되어 상기 전원 공급부로부터의 제1 1차 전류를 제1 2차 전류로 변환하는 제1 트랜스;
    상기 전원 공급부의 일단과 병렬로 연결되어 상기 전원 공급부로부터의 제2 1차 전류를 제2 2차 전류로 변환하는 제2 트랜스;
    상기 제1 트랜스의 1차 권선에 흐르는 제1 1차 전류를 단속하는 제1 메인 스위치;
    상기 제1 메인 스위치와 소정의 위상차를 가지고 동작하며, 상기 제2 트랜스의 1차 권선에 흐르는 제2 1차 전류를 단속하는 제2 메인 스위치를 구비한 메인 스위치;
    상기 제1 메인 스위치의 온 동작 전에 존재하는 잉여 전원의 전달 경로를 형성하는 제1 보조 스위치 및 상기 제2 메인 스위치의 온 동작 전에 존재하는 잉여 전원의 전달 경로를 형성하는 제2 보조 스위치를 구비한 보조 스위치부; 및
    상기 제1 보조 스위치의 스위칭 동작시 상기 제1 보조 스위치에 흐르는 전류량을 조절하는 제1 보조 인덕터 및 상기 제2 보조 스위치의 스위칭 동작시 상기 제2 보조 스위치에 흐르는 전류량을 조절하는 제2 보조 인덕터를 구비한 보조 인덕터부;
    를 포함하는 플라이백 컨버터.
  10. 제9 항에 있어서,
    상기 제1 트랜스의 제1 2차 전류를 정류하여 출력하는 제1 정류 다이오드; 및
    상기 제2 트랜스의 제2 2차 전류를 정류하여 출력하는 제2 정류 다이오드를 더 포함하는 플라이백 컨버터.
  11. 제10 항에 있어서,
    상기 제1 정류 다이오드 및 상기 제2 정류 다이오드로부터 전달되는 전원을 안정화시키는 커패시터 소자를 더 포함하는 플라이백 컨버터.
  12. 제9 항에 있어서,
    상기 제1 보조 스위치는 상기 제1 메인 스위치가 온 동작하기 전에 온 동작하고, 상기 제1 메인 스위치가 오프 동작하기 전에 오프 동작하는 제1 스위칭 동작을 수행하는 플라이백 컨버터.
  13. 제9 항에 있어서,
    상기 제2 보조 스위치는 상기 제2 메인 스위치가 온 동작하기 전에 온 동작하고, 상기 제2 메인 스위치가 오프 동작하기 전에 오프 동작하는 제2 스위칭 동작을 수행하는 플라이백 컨버터.
  14. 제9 항에 있어서, 상기 메인 스위치부는,
    상기 제1 메인 스위치 및 제2 메인 스위치가 180˚의 위상차를 가지고 스위칭하는 플라이백 컨버터.
  15. 제9 항에 있어서,
    상기 제1 보조 인덕터와 상기 제1 트랜스의 1차 권선은 유도 결합하고, 상기 제2 보조 인덕터와 상기 제2 트랜스의 1차 권선은 유도 결합하는 플라이백 컨버터.
  16. 제9 항에 있어서,
    상기 제1 보조 인덕터와 상기 제1 트랜스가 공유하는 자성체 코어를 더 포함하는 플라이백 컨버터.
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