KR101356927B1 - 스위칭 전원장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 산업용 인버터와 같이 고전압이 입력되는 장치에 사용되어 독립전원을 만들어 주는 스위칭 전원장치가 직렬 연결되는 파워 트랜지스터를 이용하여 안정적인 스위칭을 수행할 수 있도록 해준다. PWM 제어신호는 하측 트랜지스터에만 인가되고, 상측 트랜지스터의 제어는 블록킹 다이오드를 이용하여 부트스트랩 방식으로 이루어진다. 또한, 턴-오프시 하측 트랜지스터에는 입력전압까지만 분배하고 플라이 백(Flyback) 전압은 상측 트랜지스터에 분배하는데, 이러한 분배는 하측 트랜지스터가 입력전압까지 상승하면 상측 트랜지스터의 게이트-소스 전압을 프리휠링 다이오드를 통해 방전시킴으로써 달성된다. 이에 따라 펄스 트랜스포머나 부트스트랩 IC 등 고가의 절연 신호 전달소자를 사용하지 않고도 안정적인 스위칭 동작을 수행할 수 있다.

Description

스위칭 전원장치{ Switching Power Supply }
본 발명은 스위칭 전원장치에 관한 것으로서, 특히 고전압이 입력되는 장치에 사용되어 독립전원을 만들어 주는 스위칭 전원장치를 고가의 절연 신호 전달소자 없이도 파워 반도체 소자를 직렬 연결하여 구현할 수 있도록 한다.
산업용 인버터와 같이 독립전원을 필요로 하는 다양한 분야에서 스위칭 전원장치가 사용되고 있다.
일반적인 소형 스위칭 전원장치에 사용되는 파워 반도체 소자는 안정된 출력 전압을 얻고 변압기(트랜스포머)의 크기를 줄이기 위해 수십 kHz에서 수백 kHz로 동작 시킨다.
파워 반도체 소자로는 고속 스위칭이 가능한 MOS-FET(Metal-Oxide Semiconductor - Field Effect Transistor)가 주로 사용된다.
현재 상용화 되어 있는 MOS-FET의 최대 전압은 1500V로서 이보다 높은 입력전압을 갖는 스위칭 전원장치에는 MOS-FET를 직렬 사용하거나 높은 내압의 IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)를 사용하고 있다.
도 1은 절연 신호 전달소자를 사용하여 스위칭 전원장치를 구현한 예로서, 교류전원으로부터 정류된 직류전원 Vin이 일정 전압 이상으로 충전되면 PWM 제어부(11)는 기 설정된 2차측 출력 전압을 발생시키기 위하여 펄스 폭 변조(PWM) 신호의 듀티비(Duty-Ration)를 가변하여 출력한다.
PWM 제어부(11)는 PWM 제어를 수행할 수 있는 집적회로(IC)를 사용할 수 있으며, PWM 제어부(11)의 구동전원(Vcc)은 변압기의 보조 권선(N3)에 유기되는 교류전압을 정류하는 다이오드(12)와 평활 캐패시터(13)를 통해 생성된다.
제1 MOS-FET(15)와 제2 MOS-FET(16)는 직렬 연결되어 있으며, PWM 제어부(11)의 PWM 제어신호는 절연 신호 전달소자(14)를 통해 제1 MOS-FET(15)와 제2 MOS-FET(16)에 동시에 전달되고, 제1 MOS-FET(15)와 제2 MOS- FET(16)는 동시에 턴-온되거나 턴-오프 되어 변압기의 1차측 권선(N1)을 온/오프 함으로써 변압기의 2차측 권선(N2)에 유도 기전력이 유기되도록 한다.
변압기의 2차측 권선(N2)에서 출력되는 교류전압은 정류 다이오드(17)와 평활 캐패시터(18)에 의해 직류 전원으로 변환되어 부하(19)가 사용할 출력전원으로 공급된다.
도 2는 절연 신호 전달소자와 MOS-FET를 사용하는 대신 IGBT(16-1)를 사용한 예로서 그 동작은 위에서 설명한 바와 같다.
한편, 도 1을 통해 설명한 예와 같이 스위칭 전원장치를 구성하면, 제1 MOS-FET(15)와 제2 MOS-FET(16)를 온-오프 하기 위하여 펄스 트랜스포머나 신호의 전위를 바꿔주는 부트스트랩 IC 등 고가의 절연 신호 전달소자(14)를 사용해야 하기 때문에 부피와 비용이 상승한다.
또한, 제1 MOS-FET(15)와 제2 MOS-FET(16)로 PWM 제어신호를 전달하는 과정에서 지연이 생기면 스위칭 전원장치가 쉽게 불안정해 질 수 있다.
도 2의 예와 같이 IGBT를 사용하여 스위칭 전원장치를 구성하면, 파워 반도체 소자인 IGBT의 특성에 따라 수십 kHz 이하에서만 구동시킬 수 있다.
따라서 제어 응답 특성이 늦어지고 스위칭 트랜스포머의 크기를 줄이는데 한계가 있다.
이에 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 산업용 인버터 등 고전압이 입력되는 장치에 사용되는 경우에도 고가의 절연 신호 전달소자 없이 파워 반도체 소자를 직렬 연결하여 안정적으로 독립전원을 공급할 수 있는 스위칭 전원장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 스위칭 전원장치는 1차측 권선에 공급되는 입력전원을 소정 레벨로 변환하여 2차측 권선으로 유기하는 변압기와, 상기 변압기의 1차측 권선의 도통 상태를 결정하는 스위치부와, 상기 스위치부를 펄스 폭 변조(PWM) 방식을 통해 제어하는 PWM 제어부와, 상기 변압기의 2차측 권선에 유기되는 교류 전압을 정류하고 평활화하여 직류전압으로 출력하는 전원출력부와, 상기 변압기의 보조 권선에 유기되는 교류 전압을 이용하여 상기 PWM 제어부의 구동전원을 공급하는 보조전원 공급부를 포함하여 이루어진다.
상기 스위치부는, 상기 변압기의 1차측 권선의 일단에 직렬 연결되는 상측 트랜지스터와 하측 트랜지스터; 상기 보조전원 공급부의 구동전원에 애노드가 연결되고, 상기 상측 트랜지스터의 게이트에 캐소드가 연결되는 블록킹 다이오드; 및 도통시 상기 상측 트랜지스터의 게이트와 소스 사이에 충전된 전압을 상기 입력전원 측을 통해 방전시키기 위한 프리휠링 다이오드를 포함하며,
상기 하측 트랜지스터의 게이트에는 상기 PWM 제어부의 펄스 폭 변조 제어신호가 입력된다.
상기 스위칭 전원장치는 상기 상측 트랜지스터의 소스와 게이트에 각각 애노드와 캐소드가 연결되어 상기 상측 트랜지스터의 게이트를 보호하는 제너 다이오드를 더 포함할 수 있다.
상기 상측 트랜지스터와 하측 트랜지스터는 MOS-FET 트랜지스터를 이용하여 구성될 수 있다.
본 발명에 따른 스위칭 전원장치는 각 트랜지스터가 스위칭 전압을 적절히 분배하고 게이트 전압의 시간 차이를 스스로 결정하므로, 고전압 전원이 입력되는 경우에도 펄스 트랜스포머나 신호의 전위를 바꿔주는 부트스트랩 IC 등 고가의 절연 신호 전달소자를 사용하지 않고도 안정적인 스위칭 동작을 수행할 수 있다.
도 1은 절연 신호 전달소자를 이용한 스위칭 전원장치의 예,
도 2는 IGBT를 이용한 스위칭 전원장치의 예,
도 3은 본 발명에 따른 스위칭 전원장치의 일 실시예,
도 4는 스위치부의 각 부분에 대한 턴-온, 턴-오프 파형의 예이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
도 3을 참조하자면, 본 발명에 따른 스위칭 장치는 1차측 권선(N1)에 인가되는 입력전원 Vin을 소정 레벨로 변환하여 2차측 권선(N2)으로 유기하는 변압기(31), 변압기(31)의 1차측 권선(N1)의 도통 상태를 결정하는 스위치부(32), 스위치부(32)를 펄스 폭 변조(PWM) 방식을 통해 제어하는 PWM 제어부(33), 변압기(31)의 2차측 권선(N2)에 유기되는 교류전압을 정류하고 평활화하여 부하(19)가 사용할 직류전압으로 출력하는 전원출력부(34), 변압기(31)의 보조 권선(N3)에 유기되는 교류전압을 이용하여 PWM 제어부(33)의 구동전원 Vcc를 공급하는 보조전원 공급부(35)를 포함하여 이루어진다.
스위치부(32)는 직렬 연결되는 상측 트랜지스터(Q1)와 하측 트랜지스터(Q2), 블록킹 다이오드(D32), 프리휠링 다이오드(D31)를 포함한다.
직렬 연결되는 상측 트랜지스터(Q1)와 하측 트랜지스터(Q2)는 입력전원 및 변압기의 1차측 권선(N1)과 함께 폐루프를 형성하도록 연결된다.
특히, 하측 트랜지스터(Q2)만이 게이트에 PWM 제어부(33)의 펄스 폭 변조 제어신호를 입력받는다.
상측 트랜지스터(Q1)와 하측 트랜지스터(Q2)는 파워 반도체 소자로서 MOS-FET를 이용하여 바람직하게 구성될 수 있다.
블록킹 다이오드(D32)는 보조전원 공급부(35)의 구동전원 Vcc에 애노드가 연결되고, 상측 트랜지스터(Q1)의 게이트에 캐소드가 연결되며, 부트스트랩 동작을 수행한다.
프리휠링 다이오드(D31)는 도통시 상측 트랜지스터(Q1)의 게이트와 소스 사이에 충전된 전압(Vgs)을 입력전원 측을 통해 방전시키는 역할을 수행한다.
스위치부(32)는 상측 트랜지스터(Q1)의 게이트를 보호하기 위하여 상측 트랜지스터(Q1)의 소스와 게이트에 각각 애노드와 캐소드가 연결되는 제너 다이오드(ZD33)를 포함하여 구성될 수 있다.
PWM 제어부(33)는 PWM 제어를 수행할 수 있는 집적회로(IC)를 이용하여 구성될 수 있으며, PWM 제어부(33)의 구동전원 Vcc를 공급하는 보조전원 공급부(35)는 변압기의 보조 권선(N3)에 유기되는 교류전압을 정류하는 다이오드(D36)와 평활 캐패시터(C37)를 포함하여 구성될 수 있다.
PWM 제어부(33)의 PWM 제어에 따라 상측 트랜지스터(Q1)와 하측 트랜지스터(Q2)가 스위칭되면 변압기의 1차측 권선(N1)이 온/오프 되어 변압기의 2차측 권선(N2)에 유도 기전력이 유기된다.
변압기의 2차측 권선(N2)에서 출력되는 교류전압은 정류 다이오드(D38)와 평활 캐패시터(C39)에 의해 직류 전원으로 변환되어 부하(19)가 사용할 출력전원으로 공급된다.
도 4는 스위치부(32)의 각 부분에 대한 턴-온, 턴-오프 파형을 나타낸 것으로서, 도 4a는 상측 트랜지스터(Q1)와 하측 트랜지스터(Q2)의 전체 스위칭 파형, 도 4b는 상측 트랜지스터(Q1)의 스위칭 파형, 도 4c는 하측 트랜지스터(Q2)의 스위칭 파형, 도 4d는 상측 트랜지스터(Q1)의 게이트 전압, 도 4e는 하측 트랜지스터(Q2)의 게이트 전압을 나타낸 것이다.
도 3에 도시된 본 발명의 스위칭 전원장치에서 이루어지는 구체적인 스위칭 과정을 도 4를 참조하여 설명하기로 한다.
입력전원 Vin이 인가되면 기동 회로(R)를 통해 PWM 제어부(33)의 구동전원이 입력되고, 또한 보조전원 공급부(35)는 변압기의 보조 권선(N3)에 유기되는 교류 전압을 정류 다이오드(D36)를 통해 정류하고, 평활 캐패시터(C37)에 충전하여 PWM 제어부(33)의 구동전원 Vcc를 공급한다.
PWM 제어부(33)가 제어를 시작하여 펄스 폭 변조 제어신호를 출력하면 하측 트랜지스터(Q2)는 시점 t0에서 턴-온 되고, 하측 트랜지스터(Q2)의 드레인-소스 전압(Vds)은 접지 전압까지 감소한다.
또한, 보조전원 공급부(35)의 평활 캐패시터(C37)에 충전되어 있는 전압은 블록킹 다이오드(D32)를 통해 상측 트랜지스터(Q1)의 내부 게이트-소스(Gate-Source) 커패시터를 충전하기 시작하므로, 상측 트랜지스터(Q1)도 시점 t0에서 함께 턴-온을 시작한다.
이제 PWM 제어부(33)가 시점 t1에서 하측 트랜지스터(Q2)를 턴-오프 시키면, 하측 트랜지스터(Q2)의 게이트 전압은 방전되고, 하측 트랜지스터(Q2)의 드레인-소스 전압(Vds)은 상승하기 시작한다.
이때 상측 트랜지스터(Q1)는 턴-온 상태를 유지하고 있다.
하측 트랜지스터(Q2)가 턴-오프를 시작하여 드레인-소스 전압(Vds)이 시점 t2에서 입력전원의 전압 Vin까지 상승하면, 상측 트랜지스터(Q1)의 게이트-소스에 충전된 전압(Vgs)은 프리휠링 다이오드(D31)를 통해 입력전원 측으로 방전되고 상측 트랜지스터(Q1)는 턴-오프 된다. 이에 따라 상측 트랜지스터(Q1)의 드레인-소스 전압(Vds)이 상승하기 시작한다.
이러한 동작 특성으로 인하여 하측 트랜지스터(Q2)를 턴-오프시키는 PWM 제어신호에 대해 하측 트랜지스터(Q2)의 드레인-소스 전압(Vds)은 입력전원 Vin 까지만 상승한다. 그리고 나머지 플라이 백 전압(Vflyback 전압)은 상측 트랜지스터(Q1)의 드레인-소스 전압(Vds)으로 나타난다.
이와 같이 상측 트랜지스터(Q1)와 하측 트랜지스터(Q2)가 스위칭 전압을 분배하고 게이트 전압의 시간 차이를 자동적으로 결정하므로 안정적인 스위칭 동작을 수행할 수 있게 된다.
즉, PWM 제어신호는 하측 트랜지스터(Q2)에만 인가되고, 상측 트랜지스터(Q1)의 제어는 보조전원 공급부(35)에 의해 생성되는 보조전원 Vcc와 블록킹 다이오드(D32)를 이용하여 부트스트랩 방식으로 이루어진다.
또한, 턴-오프시 하측 트랜지스터(Q2)에는 입력전원까지만 전압이 분배되고 상측 트랜지스터(Q1)에 플라이 백 전압이 분배된다.
이러한 분배는 하측 트랜지스터(Q2)의 전압이 입력전압까지 상승하면, 상측 트랜지스터(Q1)의 게이트-소스 전압(Vgs)을 프리휠링 다이오드(D31)를 통해 방전시킴으로써 달성된다.
이에 따라 고전압 전원이 입력되는 경우에도 펄스 트랜스포머나 신호의 전위를 바꿔주는 부트스트랩 IC 등 고가의 절연 신호 전달소자를 사용하지 않고도 안정적인 스위칭 동작을 수행할 수 있다.
상술한 실시예는 본 발명의 이해를 돕기 위한 것이며, 본 발명은 상술한 실시예에 한정되지 않고 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 당업자에 의해 다양하게 변형하여 실시할 수 있는 것임은 물론이다.
31: 변압기 32: 스위치부
33: PWM 제어부 34: 전원출력부
35: 보조전원 공급부 N1: 1차 권선
N2: 2차 권선 N3: 보조 권선
Q1, Q2: 트랜지스터 D32: 블록킹 다이오드
D31: 프리휠링 다이오드 ZD33: 제너 다이오드
D36,D38: 정류 다이오드 C37,C39: 평활 캐패시터

Claims (3)

1차측 권선에 공급되는 입력전원을 소정 레벨로 변환하여 2차측 권선으로 유기하는 변압기와, 상기 변압기의 1차측 권선의 도통 상태를 결정하는 스위치부와, 상기 스위치부를 펄스 폭 변조(PWM) 방식을 통해 제어하는 PWM 제어부와, 상기 변압기의 2차측 권선에 유기되는 교류 전압을 정류하고 평활화하여 직류전압으로 출력하는 전원출력부와, 상기 변압기의 보조 권선에 유기되는 교류 전압을 이용하여 상기 PWM 제어부의 구동전원을 공급하는 보조전원 공급부를 포함하는 스위칭 전원장치에 있어서,
상기 스위치부는
상기 변압기의 1차측 권선의 일단에 직렬 연결되는 상측 트랜지스터와 하측 트랜지스터(상기 하측 트랜지스터의 게이트에는 상기 PWM 제어부의 펄스 폭 변조 제어신호가 입력됨);
상기 보조전원 공급부의 구동전원에 애노드가 연결되고, 상기 상측 트랜지스터의 게이트에 캐소드가 연결되는 블록킹 다이오드; 및
도통시 상기 상측 트랜지스터의 게이트와 소스 사이에 충전된 전압을 상기 입력전원 측을 통해 방전시키기 위한 프리휠링 다이오드를 포함하는 것을 특징으로 하는 스위칭 전원장치.
제 1 항에 있어서,
상기 상측 트랜지스터의 소스와 게이트에 각각 애노드와 캐소드가 연결되어 상기 상측 트랜지스터의 게이트를 보호하는 제너 다이오드를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 스위칭 전원장치.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 상측 트랜지스터와 하측 트랜지스터는 MOS-FET를 포함하는 것을 특징으로 하는 스위칭 전원장치.
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