KR101421022B1 - 보조 출력 전압 제어가 가능한 다중 출력 컨버터 - Google Patents
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Abstract
보조 출력 전압을 능동적으로 제어할 수 있는 다중 출력 컨버터가 제공된다. 보조 출력 전압 제어가 가능한 다중 출력 컨버터는 직류 입력 전원을 교번으로 스위칭 하는 스위칭부, 상기 스위칭부에 의해 스위칭 된 전원을 변환하는 변압부, 상기 변압부에 의해 변환된 교류 전원을 직류 전원인 제 1 전원으로 정류하는 제 1 정류부, 상기 변압부에 의해 변환된 교류 전원을 직류 전원인 제 2 전원으로 정류하며, 센터 탭 형식으로 구성된 제 2 정류부; 및 상기 제 1 전원 및 제 2 전원의 전압 레벨을 센싱(sensing)하고, 상기 스위칭부의 교번 스위칭을 제어하는 제어부를 포함하고, 상기 제 2 정류부는 상기 변압부의 제 2 정류부에 대한 센터 탭과 제 2 전원 사이에 직렬로 접속되어 상기 제 2 전원의 전압 레벨을 제어하는 보조 MOSFET 을 포함한다. 따라서, 전원으로부터 주 제어 출력 및 보조 제어 출력 측으로의 전력 전달 시에 주 제어 출력 측의 부하에 관계없이 보조 출력 전압을 능동적으로 제어할 수 있다.
Description
본 발명은 다중 출력 컨버터에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 주 출력 전압 및 보조 출력 전압을 가지는 다중 출력 컨버터에 있어서 보조 출력 전압의 제어가 가능한 다중 출력 컨버터에 관한 것이다.
일반적으로 컨버터는 교류 전원을 직류 전원으로 변환하거나 직류 전원을 직류 전원으로 변환하는 것으로 단일 트랜스포머를 사용하여 단일 입출력을 사용한다.
한편, 차량이나 통신용 장비, 에너지 저장 시스템 등 사용 용도에 따라 복수의 출력 전원을 제공하기 위한 경우도 있으며, 일반적인 다중 출력 컨버터는 입력 전류 전원을 단일 트랜스포머를 통해 각각 교류 전원으로 변환하고 이를 다시 정류하여 복수의 직류 전원을 출력한다.
그러나, 이러한 컨버터는 단일 트랜스포머에 의해 복수의 직류 전원 중 하나의 직류 전원의 전압 레벨이 변동하는 경우 다른 직류 전원에 영향을 미쳐 전압 레귤레이션(regulation)이 유지되지 않는 문제점이 있다.
도 1은 일반적인 다중 출력 컨버터(100)를 도시한 회로도이다.
도 1에 도시된 바와 같이 다중 출력 컨버터를 구성하게 될 경우, 주 제어부측의 부하가 작아 출력 전류가 적게 흘러 출력 인덕터의 기자력이 불연속적으로 동작할 때, 보조 출력(VO2)는 비정상적으로 감소하게 되고, 반면에 주 제어부 측 인덕터의 기자력이 연속적인 상태에서 보조 제어부 측에 적은 부하가 걸리게 될 경우, 보조 출력 전압(VO2)는 비정상적으로 상승하게 되는바, 보조 출력 측의 전압이 제 1 및 제 2 정류부의 부하의 정도에 따라 비정상적으로 변동하는 문제점이 있다. 즉, 보조 출력 전압은 턴비에 의해서 결정될 수밖에 없고, 상기와 같이 턴비에 의해 보조 출력 전압이 결정되는 경우에도 부하의 크기에 영향을 받아 안정화되지 않는다.
한편, 한국 특허 출원 2001-0029207호(선행 문헌 1)에서는 다중 출력을 가지는 컨버터에 결합 인덕터를 이용하여 구성함으로써 보조 출력 전압의 안정화가 가능한 회로를 구성하였다.
선행 문헌 1의 회로는 다출력으로 구성된 포워드 컨버터에 결합 인덕터를 적용하여 보조 출력전압(VO2)의 안정화를 목적으로 하는 회로이며, 보조 출력 전압 측의 GND에 연결되었던 단을 주 제어 출력 전압 측의 인덕터 후단(A)에 연결하여 입력 전압 및 부하 변동에 의해 발생한 주 제어 출력 전압 다이오드(D1)의 양단에 인가되는 전압과 보조 출력 측 인덕터(LO2)에 인가되는 전압(VLO2), 그리고 전압의 변동에 관계 없는 인덕터(LO1) 후단이 PWM제어 되므로 보조 출력 전압의 전압 변동률이 기존의 방식인 비결합 인덕터를 이용하여 구성한 회로에 비해 줄어든다는 특성을 가지고 있다. 그러나, 선행문헌 1 의 회로는 보조 출력 전압의 전압 변동률이 감소할 뿐, 보조 출력 전압을 능동적으로 제어하는 것은 불가능하였다.
또한, 특히 각 출력에 배터리를 연결하여 충전하는 배터리 충전기로서 사용되는 경우, 즉, 주 제어 출력 측에 배터리와 같은 ESS(Energy storage system)가 연결되어 주 제어 출력 측으로부터 보조 제어 출력으로 전력 전달하는 경우에는 각 배터리의 SOC에 따라 각 권선의 출력 전압, 전류가 독립적으로 제어가 가능해야 하므로, 제어 대상인 주 출력 전압(V01)의 변동에 따라 보조 출력 전압(V02)이 종속적으로 변동하는 종래의 다출력 컨버터는 배터리 충전기의 토폴로지로서 사용될 수 없는 문제점이 있었다.
전술한 바와 같이, 종래의 다출력 컨버터는 보조 출력 전압의 경우 턴비에 의해서 결정될 수밖에 없으며, 이처럼 턴비에 의해 보조 출력 전압을 결정하는 경우에도, 부하의 크기에 영향을 받아 안정화되지 않는 문제점이 있었고, 각 출력에 배터리를 연결하여 충전하는 배터리 충전기로서 사용되는 경우에는, 각 배터리의 SOC에 따라 각 권선의 출력 전압, 전류가 독립적으로 제어가 가능해야하므로, 제어 대상인 주 출력 전압(V01)의 변동에 따라 보조 출력 전압(V02)이 종속적으로 변동하는 종래의 다출력 컨버터는 배터리 충전기의 토폴로지로서 사용될 수 없었다.
따라서, 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 보조 제어부 측에 변압부의 보조 제어부에 대한 센터 탭과 보조 출력 전원 사이에 직렬로 접속되어 상기 보조 출력 전원의 전압 레벨을 제어하는 보조 MOSFET 을 부가함으로써, 보조 출력 전압을 능동적으로 제어할 수 있는 다중 출력 컨버터를 제공하는 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 보조 출력 전압 제어가 가능한 다중 출력 컨버터는 직류 입력 전원을 교번으로 스위칭 하는 스위칭부; 상기 스위칭부에 의해 스위칭 된 전원을 변환하는 변압부; 상기 변압부에 의해 변환된 교류 전원을 직류 전원인 제 1 전원으로 정류하는 제 1 정류부; 상기 변압부에 의해 변환된 교류 전원을 직류 전원인 제 2 전원으로 정류하며, 센터 탭 형식으로 구성된 제 2 정류부; 및 상기 제 1 전원 및 제 2 전원의 전압 레벨을 센싱(sensing)하고, 상기 스위칭부의 교번 스위칭을 제어하는 제어부를 포함하고, 상기 제 2 정류부는 상기 변압부의 제 2 정류부에 대한 센터 탭과 제 2 전원 사이에 직렬로 접속되어 상기 제 2 전원의 전압 레벨을 제어하는 보조 MOSFET 을 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 제어부는 상기 스위칭부의 스위칭 시점에 기초하여 상기 보조 MOSFET 의 턴-온 또는 턴-오프 스위칭을 제어할 수 있으며, 상기 스위칭부는 풀-브릿지 컨버터(Full-bridge Converter)를 포함할 수 있다.
여기서, 상기 제어부는 상기 스위칭부에 의해 스위칭 된 전원의 전압 레벨의 제 1 상승 시점에 상기 보조 MOSFET 이 턴-온 되도록 상기 보조 MOSFET 의 스위칭을 제어할 수 있으며, 상기 제어부는 상기 스위칭부에 의해 스위칭 된 전원의 전압 레벨의 제 2 상승 시점에 상기 보조 MOSFET 이 턴-온 되도록 상기 보조 MOSFET 의 스위칭을 제어할 수 있다. 또한, 상기 제어부는 상기 스위칭부에 의해 스위칭 된 전원의 전압 레벨의 제 1 상승 시점에 상기 보조 MOSFET 이 턴-오프 되도록 상기 보조 MOSFET 의 스위칭을 제어할 수 있고, 상기 제어부는 상기 스위칭부에 의해 스위칭 된 전원의 전압 레벨의 제 2 상승 시점에 상기 보조 MOSFET 이 턴-오프 되도록 상기 보조 MOSFET 의 스위칭을 제어할 수 있다.
또한, 상기 변압부는 일차 권선부 및 이차 권선부를 갖는 단일 트랜스포머를 포함할 수 있고, 상기 변압부는 상기 스위칭부의 교번 스위칭에 따라 상기 제 1 정류부 및 상기 제 2 정류부에 상기 변환된 교류 전원을 교대로 전달할 수 있다. 여기서, 상기 변압부는 상기 일차 권선에 연결되는 공진 인덕터(Resonant Inductor)를 포함할 수 있다.
또한, 상기 다중 출력 컨버터가 상기 직류 입력 전원으로부터 상기 제 1 및 제 2 정류부의 출력 측으로의 전력 흐름을 가지는 경우에, 상기 제어부는 상기 센싱한 제 1 전원의 전압 레벨에 기초하여 상기 스위칭부를 제어하고, 상기 센싱한 제 2 전원의 전압 레벨에 기초하여 상기 보조 MOSFET 을 제어할 수 있다. 그리고, 상기 다중 출력 컨버터가 상기 제 1 정류부의 출력 측으로부터 상기 제 2 정류부의 출력 측으로의 전력 흐름을 가지는 경우에, 상기 제어부는 상기 센싱한 제 2 전원의 전압 레벨에 기초하여 상기 제 1 정류부를 제어할 수 있다.
개시된 기술은 다음의 효과를 가질 수 있다. 다만, 특정 실시예가 다음의 효과를 전부 포함하여야 한다거나 다음의 효과만을 포함하여야 한다는 의미는 아니므로, 개시된 기술의 권리범위는 이에 의하여 제한되는 것으로 이해되어서는 아니 될 것이다.
전술한 본 발명의 일 실시예에 따른 다중 출력 컨버터에 따르면, 보조 제어부측에 보조 MOSFET 을 부가함으로써, 전원으로부터 주 제어 출력 및 보조 제어 출력 측으로의 전력 전달 시에 주 제어 출력 측의 부하에 관계없이 보조 출력 전압을 능동적으로 제어할 수 있다. 또한, 추가적인 강압형 벅(Buck) 컨버터를 사용하는 경우에 비해 회로의 간략화 및 비용 절감이 가능한 이점이 있다.
도 1 은 일반적인 다중 출력 컨버터를 나타낸 회로도이다.
도 2 는 본 발명의 일 실시예에 따른 보조 MOSFET 을 포함하는 다중 출력 컨버터의 블록도이다.
도 3 은 도 2 의 컨버터가 직류 전원으로부터 제 1 및 제 2 정류부로의 전력 흐름을 가지는 경우를 나타낸 회로도이다.
도 4 및 도 5 는 본 발명의 일 실시예에 따른 보조 MOSFET 을 포함하는 다중 출력 컨버터에서, 1차측 풀 브릿지 컨버터의 턴온 타이밍과 보조 MOSFET 의 동기화에 따른 가용 듀티를 나타낸 그래프이다.
도 6 은 풀브릿지 컨버터에 따른 변압기 1차측의 전압 및 전류를 도시한 그래프이다.
도 7a 내지 도 7d 는 본 발명의 일 실시예에 따른 보조 MOSFET 을 포함하는 다중 출력 컨버터에서, 보조 MOSFET 의 턴-온 또는 턴-오프 타이밍의 변화에 따른 변압기의 1차측의 전압 및 전류를 도시한 그래프이다.
도 8a 는 본 발명의 일 실시예에 따른 보조 MOSFET 을 포함하는 다중 출력 컨버터에서, 변압기의 1차측의 전압 레벨의 제 1 상승 시점에 상기 보조 MOSFET 이 턴-온 되는 경우의 파형을 나타내는 그래프이다.
도 8b 는 본 발명의 일 실시예에 따른 보조 MOSFET 을 포함하는 다중 출력 컨버터에서, 변압기의 1차측의 전압 레벨의 제 2 상승 시점에 상기 보조 MOSFET 이 턴-온 되는 경우의 파형을 나타내는 그래프이다.
도 8c 는 본 발명의 일 실시예에 따른 보조 MOSFET 을 포함하는 다중 출력 컨버터에서, 변압기의 1차측의 전압 레벨의 제 1 상승 시점에 상기 보조 MOSFET 이 턴-오프 되는 경우의 파형을 나타내는 그래프이다.
도 8a 는 본 발명의 일 실시예에 따른 보조 MOSFET 을 포함하는 다중 출력 컨버터에서, 변압기의 1차측의 전압 레벨의 제 2 상승 시점에 상기 보조 MOSFET 이 턴-오프 되는 경우의 파형을 나타내는 그래프이다.
도 9 는 도 2 의 컨버터가 제 1 정류부로부터 제 2 정류부로의 전력 흐름을 가지는 경우를 나타낸 회로도이다.
도 2 는 본 발명의 일 실시예에 따른 보조 MOSFET 을 포함하는 다중 출력 컨버터의 블록도이다.
도 3 은 도 2 의 컨버터가 직류 전원으로부터 제 1 및 제 2 정류부로의 전력 흐름을 가지는 경우를 나타낸 회로도이다.
도 4 및 도 5 는 본 발명의 일 실시예에 따른 보조 MOSFET 을 포함하는 다중 출력 컨버터에서, 1차측 풀 브릿지 컨버터의 턴온 타이밍과 보조 MOSFET 의 동기화에 따른 가용 듀티를 나타낸 그래프이다.
도 6 은 풀브릿지 컨버터에 따른 변압기 1차측의 전압 및 전류를 도시한 그래프이다.
도 7a 내지 도 7d 는 본 발명의 일 실시예에 따른 보조 MOSFET 을 포함하는 다중 출력 컨버터에서, 보조 MOSFET 의 턴-온 또는 턴-오프 타이밍의 변화에 따른 변압기의 1차측의 전압 및 전류를 도시한 그래프이다.
도 8a 는 본 발명의 일 실시예에 따른 보조 MOSFET 을 포함하는 다중 출력 컨버터에서, 변압기의 1차측의 전압 레벨의 제 1 상승 시점에 상기 보조 MOSFET 이 턴-온 되는 경우의 파형을 나타내는 그래프이다.
도 8b 는 본 발명의 일 실시예에 따른 보조 MOSFET 을 포함하는 다중 출력 컨버터에서, 변압기의 1차측의 전압 레벨의 제 2 상승 시점에 상기 보조 MOSFET 이 턴-온 되는 경우의 파형을 나타내는 그래프이다.
도 8c 는 본 발명의 일 실시예에 따른 보조 MOSFET 을 포함하는 다중 출력 컨버터에서, 변압기의 1차측의 전압 레벨의 제 1 상승 시점에 상기 보조 MOSFET 이 턴-오프 되는 경우의 파형을 나타내는 그래프이다.
도 8a 는 본 발명의 일 실시예에 따른 보조 MOSFET 을 포함하는 다중 출력 컨버터에서, 변압기의 1차측의 전압 레벨의 제 2 상승 시점에 상기 보조 MOSFET 이 턴-오프 되는 경우의 파형을 나타내는 그래프이다.
도 9 는 도 2 의 컨버터가 제 1 정류부로부터 제 2 정류부로의 전력 흐름을 가지는 경우를 나타낸 회로도이다.
이하, 첨부된 도면들 및 도면들에 기재된 내용을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다. 다만, 개시된 기술에 관한 설명은 구조적 내지 기능적 설명을 위한 실시예에 불과하므로, 개시된 기술의 권리범위는 본문에 설명된 실시예에 의하여 제한되는 것으로 해석되어서는 아니 된다. 즉, 실시예는 다양한 변경이 가능하고 여러 가지 형태를 가질 수 있으므로 개시된 기술의 권리범위는 기술적 사상을 실현할 수 있는 균등물들을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
보조 출력 전압을 안정화하고, 원하는 크기로 제어하기 위해 종래의 턴비에 의해 결정되는 보조 출력에 추가적인 강압형 벅(Buck) 컨버터를 부가할 수 있다. 즉, 보조 출력 전압을 다시 강압형 컨버터인 벅(Buck) 컨버터를 통해 원하는 전압으로 안정화할 수 있다. 다만, 상기와 같이 강압형 벅 컨버터를 부가하는 경우, 보조 출력 측에 추가적인 인덕터를 요구하는 문제점이 있다.
도 2 는 본 발명의 일 실시예에 따른 보조 MOSFET 을 포함하는 다중 출력 컨버터의 블록도이며, 도 3 은 도 2 의 컨버터가 직류 전원으로부터 제 1 및 제 2 정류부로의 전력 흐름을 가지는 경우를 나타낸 회로도이다. 도 2 및 도 3 을 참조하여, 하기에서 본 발명의 일 실시예에 따른 보조 출력 전압 제어가 가능한 다중 출력 컨버터를 상세히 설명한다.
도 2 내지 3 에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 보조 출력 전압 제어가 가능한 다중 출력 컨버터(400)는 직류 입력 전원을 교번으로 스위칭 하는 스위칭부(410), 상기 스위칭부에 의해 스위칭 된 전원을 변환하는 변압부(420), 상기 변압부(420)에 의해 변환된 교류 전원을 직류 전원인 제 1 전원으로 정류하는 주 제어 출력부 (430) (이하, 제 1 정류부), 상기 변압부에 의해 변환된 교류 전원을 직류 전원인 제 2 전원으로 정류하며, 센터 탭 형식으로 구성된 보조 제어 출력부(440) (이하, 제 2 정류부) 및 상기 제 1 전원 및 제 2 전원의 전압 레벨을 센싱(sensing)하고, 상기 스위칭부의 교번 스위칭을 제어하는 제어부(450)를 포함할 수 있다.
보다 구체적으로, 스위칭부(410)는 직류 입력 전원(Vs)을 입력받아, 제어부(450)의 제어에 따라 상기 직류 입력 전원(Vs)을 교번 스위칭하여, 변압부(420)로 상기 스위칭 된 전원을 제공한다. 여기서, 상기 스위칭부(410)는 풀-브릿지 컨버터(Full-bridge Converter)를 포함할 수 있다.
변압부(420)는 스위칭부(410)로부터 스위칭된 전원을 변환하여, 상기 변환된 교류 전원을 제 1 정류부(430) 및 제 2 정류부(440)로 제공할 수 있다. 여기서, 상기 변압부(420)는 상기 스위칭부(410)의 교번 스위칭에 따라 상기 제 1 정류부(430) 및 상기 제 2 정류부(440)에 상기 변환된 교류 전원을 교대로 전달할 수 있다. 한편, 상기 변압부(420)는 일차 권선부(421) 및 이차 권선부(422)를 갖는 단일 트랜스포머를 포함할 수 있으며, 상기 일차 권선에 연결되는 공진 인덕터(Resonant Inductor)를 더 포함할 수 있다.
제 1 정류부(430)는 상기 변압부(420)에 의해 변환된 교류 전원을 직류 전원인 제 1 전원으로 정류할 수 있으며, 제 2 정류부(440)는 상기 변압부에 의해 변환된 교류 전원을 직류 전원인 제 2 전원으로 정류할 수 있다. 또한, 상기 제 2 정류부(440)는 센터 탭 형식으로 구성될 수 있고, 상기 변압부(420)의 제 2 정류부에 대한 센터 탭(N3a 및 N3b의 센터 탭)과 제 2 전원 사이에 직렬로 접속되어 상기 제 2 전원의 전압 레벨(V02)을 제어하는 보조 MOSFET(441) 을 포함할 수 있다. 즉, 종래의 다중 출력 컨버터에서 N3a 및 N3b 에 유기되는 전압을 그대로 적용할 경우 제 2 정류부의 제 2 전원의 전압(V02)을 제어할 수 없으므로, 상기 보조 MOSFET(441) 을 부가함으로써, 상기 제 2 전원의 전압 레벨을 제어할 수 있다. 또한, 상기 제 2 정류부(440) 는 상기 보조 MOSFET(441) 이 턴-오프 상태일때의 인덕터의 전류를 환류시켜주기 위한, 환류 다이오드(443)를 더 포함할 수 있다.
제어부(450)는 상기 제 1 전원 및 제 2 전원의 전압 레벨(V01, V02)을 센싱(sensing)하고, 상기 스위칭부(410)의 교번 스위칭을 제어할 수 있다. 따라서, 종래의 다중 출력 컨버터가 제 1 전원의 전압 레벨(V01)만을 센싱하고 이를 제어하는 것과 비교하여, 제 1 전원의 전압 레벨 및 제 2 전원의 전압 레벨을 모두 센싱하고, 제어할 수 있는 이점이 있다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 다중 출력 컨버터는 각 출력에 배터리를 연결하여 충전하는 배터리 충전기로서 사용될 수도 있다. 즉, 주 제어 출력 측에 배터리와 같은 ESS(Energy storage system)가 연결되어 주 제어 출력 측으로부터 보조 제어 출력으로 전력을 전달하는 양태로서 사용될 수 있다.
이와 관련하여, 도 3 에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 다중 출력 컨버터(400)가 직류 입력 전원으로부터 제 1 정류부(430) 및 제 2 정류부(440)의 출력 측으로의 전력 흐름을 가지는 경우에, 제어부(450)는 센싱한 제 1 전원의 전압 레벨에 기초하여 스위칭부(410)를 제어하고, 센싱한 제 2 전원의 전압 레벨에 기초하여 보조 MOSFET(441) 을 제어할 수 있다.
반면에, 도 9 에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 다중 출력 컨버터(400)가 제 1 정류부(430)의 출력 측으로부터 제 2 정류부(440)의 출력 측으로의 전력 흐름을 가지는 경우에, 제어부(450)는 센싱한 제 2 전원의 전압 레벨에 기초하여 제 1 정류부(430)를 제어할 수 있다. 이 때에 보조 MOSFET(441)은 스위칭 역할을 하는 것이 아니라 제 1 정류부(430)에서 제 2 정류부(440)로 가기 위한 경로를 만들어 주기 위해 턴 온 될 수 있다.
상기와 같은 본 발명의 일 실시예에 따른 다중 출력 컨버터(400)에 따르면, 1차측 풀브릿지 컨버터(즉, 스위칭부)에서 제 1 전원의 전압(V01) 측으로 전력이 전달되는 구간의 비를 Deff, 제 2 전원의 전압(V02) 측의 보조 MOSFET(441)의 스위칭 듀티 크기를 Dbuck이라고 했을 때, 하기와 같은 수학식 1 및 2 가 성립한다.
상기 수학식 2 에서 Dbuck은 Deff보다 크더라도 의미가 없다. 그 이유는 1차측에서 제 1 전원의 전압(V01) 출력 측으로 전력을 전달하지 않는 구간에서는 제 2 전원의 전압(V02)의 입력단, 즉 N3 권선에 전압을 유기시키지 않기 때문에 보조 MOSFET(441)이 켜져도 전달되는 에너지가 없기 때문이다.
도 4 및 도 5 는 본 발명의 일 실시예에 따른 보조 MOSFET 을 포함하는 다중 출력 컨버터에서, 1차측 풀 브릿지 컨버터의 턴온 타이밍과 보조 MOSFET 의 동기화에 따른 가용 듀티를 나타낸 그래프이다.
도 4는 Deff와 Dbuck이 동기화된 경우를 나타내며, 도 5 는 Deff 와 Dbuck이 동기화되지 않은 경우를 나타낸다. 즉, 보조 MOSFET(441)의 스위칭 타이밍이 중요하다. 보조 MOSFET(441)의 턴-온 타이밍이 1차측 풀 브릿지 컨버터(즉, 스위칭부(410))의 턴-온 타이밍과 동기화되면, 실제 가용할 수 있는 Dbuck의 크기가 증가할 수 있다. 따라서, 상기 제어부(450)는 상기 스위칭부(410)의 스위칭 시점에 기초하여 상기 보조 MOSFET(441)의 턴-온 또는 턴-오프 스위칭을 제어할 수 있다.
도 6 은 풀브릿지 컨버터에 따른 변압기 1차측의 전압 및 전류를 도시한 그래프이다. 도 6 에 도시된 바와 같이, 위상 천이 풀브릿지 컨버터는 변압기 1차측 전압(Pri_V) 및 전류(Pri_I)를 갖는다. 변압기의 1차측의 전압 레벨의 제 1 상승 시점(ta)에서 전압 레벨의 제 2 상승 시점(tb)까지는 오프 듀티(D' 또는 1-D)이고, 전압 레벨의 제 2 상승 시점(tb)에서 변압기 1차측의 전류의 2차 상승 완료 시점(tc)까지는 무효 듀티(△D)로써, 상기 구간들에서는 전력이 전달되지 않는다. 또한 tc에서 전압 레벨의 1차 하강 시점(td)까지는 실질적으로 전력이 출력으로 전달되는 유효 듀티(Deff)이다. 상기와 같은 세 가지의 듀티는 하기의 수학식 3 내지 4와 같이 유도될 수 있다.
무효 듀티는 1차측 전류 상승 및 하강의 기울기에 의한 듀티비의 손실이다.
그러나, 상기와 같은 풀브릿지 컨버터를 도 1에 도시된 바와 같이 다중 출력 컨버터로서 구성하게 될 경우, 변압기 1차측 전류의 크기 및 기울기가 변화하게 되고, 경우에 따라서는 무효 듀티가 증가하여 변압기 턴비의 유연성이 저하될 수 있다. 이를 해결하기 위해, 도 3 에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 다중 출력 컨버터는 제 2 정류부(440)가 보조 MOSFET(441) 을 포함하도록 할 수 있다.
도 3 에 도시된 본 발명의 일 실시예에 따른 다중 출력 컨버터는 센터 탭 형식으로 구성된 제 2 정류부(440) 의 센터 탭에 예를 들어, 보조 MOSFET(441)과 같은 스위치와 스위치가 차단될 시의 인덕터 전류의 도통 경로를 제공하기 위한 환류 다이오드(443)를 추가로 구성하여 제 2 정류부(440)의 출력 전원 전압(V02)을 원하는 대로 제어할 수 있다. 따라서, 턴비에 의해 결정되는 보조 출력에 추가적인 강압형 컨버터를 구성하는 방법에 비해 구성 소자의 수량이 적어 비용 개선에 효과적일 뿐만 아니라 부피도 감소하여 전력밀도를 향상시킬 수 있다는 장점을 가지고 있다.
한편, 전술한 바와 같이, 본원 발명의 일 실시예에 따른 다중 출력 컨버터에 포함된 제어부(450)는 상기 스위칭부(410)의 스위칭 시점에 기초하여 상기 보조 MOSFET(441)의 턴-온 또는 턴-오프 스위칭을 제어할 수 있으며, 상기 보조 MOSFET 의 턴-온 또는 턴-오프 스위칭 타이밍과 스위칭부(410)의 특정 스위칭 시점과의 동기화 여부에 따라 각각 상이한 파형 및 특성 변화가 나타날 수 있는바, 하기에서 도 7 내지 도 8 을 참조하여 설명한다.
도 7a 내지 도 7d 는 본 발명의 일 실시예에 따른 보조 MOSFET 을 포함하는 다중 출력 컨버터에서, 보조 MOSFET 의 턴-온 또는 턴-오프 타이밍의 변화에 따른 변압기의 1차측의 전압 및 전류를 도시한 그래프이다. 도 7a 내지 도 7d 는 각각, 본 발명의 일 실시예에 따른 보조 MOSFET 을 포함하는 다중 출력 컨버터(400)에서, 변압기의 1차측의 전압 레벨의 제 1 상승 시점(ta)에 상기 보조 MOSFET 이 턴-온 되는 경우, 변압기의 1차측의 전압 레벨의 제 2 상승 시점(tb)에 상기 보조 MOSFET 이 턴-온 되는 경우, 변압기의 1차측의 전압 레벨의 제 1 상승 시점(ta)에 상기 보조 MOSFET 이 턴-오프 되는 경우 및 변압기의 1차측의 전압 레벨의 제 2 상승 시점(tb)에 상기 보조 MOSFET 이 턴-오프 되는 경우를 도시한다.
도 7a 내지 7d 에 도시된 바와 같이, 제 2 정류부(440) 측으로 실제 전력이 전달되는 구간을 보조 유효 듀티(Dbuck,eff)라고 할 수 있으며, 이는 하기의 수학식 5와 같이 나타낼 수 있다.
도 8a 내지 도 8d 는 각각 본 발명의 일 실시예에 따른 보조 MOSFET 을 포함하는 다중 출력 컨버터에서, 변압기의 1차측의 전압 레벨의 제 1 상승 시점(ta)에 상기 보조 MOSFET 이 턴-온 되는 경우, 변압기의 1차측의 전압 레벨의 제 2 상승 시점(tb)에 상기 보조 MOSFET 이 턴-온 되는 경우, 변압기의 1차측의 전압 레벨의 제 1 상승 시점(ta)에 상기 보조 MOSFET 이 턴-오프 되는 경우 및 변압기의 1차측의 전압 레벨의 제 2 상승 시점(tb)에 상기 보조 MOSFET 이 턴-오프 되는 경우의 파형을 나타내는 그래프이다.
하기에서는, 도 8a 내지 도 8d 에 도시된 각각의 경우에 나타나는 상이한 파형 및 특성 변화와, 각각의 경우의 제 2 정류부의 보조 MOSFET 의 듀티 크기(즉, 벅 스위치의 듀티 크기)에 대해 상세히 설명한다.
도 8a는 ta에 벅 스위칭 신호의 상승 캐리어(rising carrier)를 동기화한 경우의 파형으로서, ta에 벅 스위칭 신호의 상승 캐리어를 동기화 하게 되면 벅 스위치는 항상 ta에서 켜지게 되고, 듀티비에 의해 ts에서 꺼지게 된다. 이 때, 오프 듀티 구간인 ta~tb에서 벅 스위치를 켜기 때문에 ZVS 턴온을 하게 되어 턴온 손실이 저감될 수 있으며, 또한 기존 다출력 위상 천이 컨버터에 비해 ts~td 구간에서 스위치의 전류 스트레스가 저감되는 효과를 가질 수 있다. 따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 다중 출력 컨버터(400)에 포함된 제어부(450)는 스위칭부(410)에 의해 스위칭 된 전원의 전압 레벨의 제 1 상승 시점(ta)에 보조 MOSFET(441) 이 턴-온 되도록 상기 보조 MOSFET(441)의 스위칭을 제어하는 것을 특징으로 할 수 있다.
도 8b는 tb에 벅 스위칭 신호의 상승 캐리어를 동기화한 경우의 파형으로서 전술한 도 8a 의 경우와 유사하지만, 도 8a의 경우와 달리 오프 듀티와, 듀티 손실의 영역 사이에서 벅 스위치를 켜서 ZVS 턴-온을 수행하기 때문에 ZVS를 위한 마진이 더 넓은 장점이 있으며, 벅 스위치는 tb에서 턴-온되어 ts에서 턴-오프될 수 있고, 듀티비는 유효듀티와 듀티 손실의 합인 tb~ts가 된다. 따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 다중 출력 컨버터(400)에 포함된 제어부(450)는 스위칭부(410)에 의해 스위칭 된 전원의 전압 레벨의 제 2 상승 시점(tb)에 보조 MOSFET(441) 이 턴-온 되도록 상기 보조 MOSFET(441)의 스위칭을 제어하는 것을 특징으로 할 수 있다.
도 8c는 ta에 벅 스위칭 신호의 하강 캐리어(falling carrier)를 동기화한 경우의 파형으로서, 도 8a 및 8b 의 경우에, ts에서 스위치를 턴-오프 하는 반면, 도 8c 의 경우에는 ts에서 스위치를 턴-온할 수 있다. 도 8b의 경우와 유사하게, 오프 듀티와 듀티 손실 구간에서 턴-오프를 하기 때문에 ZVS 턴-오프가 가능하다. 따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 다중 출력 컨버터(400)에 포함된 제어부(450)는 스위칭부(410)에 의해 스위칭 된 전원의 전압 레벨의 제 1 상승 시점(ta)에 보조 MOSFET(441) 이 턴-오프 되도록 상기 보조 MOSFET(441)의 스위칭을 제어하는 것을 특징으로 할 수 있다. 이때의 듀티비는 제 1 정류부(430) 측의 유효 듀티 안에 속하게 되므로, 제 2 정류부(440)의 유효 듀티로만 나타나게 된다.
도 8d는 tb에 벅 스위칭 신호의 하강 캐리어(falling carrier)를 동기화한 경우의 파형으로서, 도 8a 및 8b 의 경우에, ts에서 스위치를 턴-오프 하는 반면, 도 8d 의 경우에는 ts에서 스위치를 턴-온할 수 있다. 도 8b의 경우와 유사하게, 오프 듀티와 듀티 손실 구간에서 턴-오프를 하기 때문에 ZVS 턴-오프가 가능하다. 따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 다중 출력 컨버터(400)에 포함된 제어부(450)는 스위칭부(410)에 의해 스위칭 된 전원의 전압 레벨의 제 2 상승 시점(tb)에 보조 MOSFET(441) 이 턴-오프 되도록 상기 보조 MOSFET(441)의 스위칭을 제어하는 것을 특징으로 할 수 있다. 이때의 듀티비는 제 1 정류부(430) 측의 유효 듀티 안에 속하게 되므로, 제 2 정류부(440)의 유효 듀티로만 나타나게 된다.
한편, 본 출원에서 서술되는 용어의 의미는 다음과 같이 이해되어야 할 것이다.
단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한 복수의 표현을 포함하는 것으로 이해되어야 하고, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 설시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
각 단계들은 문맥상 명백하게 특정 순서를 기재하지 않은 이상 명기된 순서와 다르게 일어날 수 있다. 즉, 각 단계들은 명기된 순서와 동일하게 일어날 수도 있고 실질적으로 동시에 수행될 수도 있으며 반대의 순서대로 수행될 수도 있다.
여기서 사용되는 모든 용어들은 다르게 정의되지 않는 한, 개시된 기술이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미를 지니는 것으로 해석될 수 없다.
400: 다중 출력 컨버터
410: 스위칭부
420: 변압부
421: 일차 권선부
422: 이차 권선부
430: 제 1 정류부
440: 제 2 정류부
441: 보조 MOSFET
443: 환류 다이오드
450: 제어부
410: 스위칭부
420: 변압부
421: 일차 권선부
422: 이차 권선부
430: 제 1 정류부
440: 제 2 정류부
441: 보조 MOSFET
443: 환류 다이오드
450: 제어부
Claims (12)
- 직류 입력 전원을 교번으로 스위칭 하는 스위칭부;
상기 스위칭부에 의해 스위칭 된 전원을 변환하는 변압부;
상기 변압부에 의해 변환된 교류 전원을 직류 전원인 제 1 전원으로 정류하는 제 1 정류부;
상기 변압부에 의해 변환된 교류 전원을 직류 전원인 제 2 전원으로 정류하며, 센터 탭 형식으로 구성된 제 2 정류부; 및
상기 제 1 전원 및 제 2 전원의 전압 레벨을 센싱(sensing)하고, 상기 스위칭부의 교번 스위칭을 제어하는 제어부를 포함하고,
상기 제 2 정류부는 상기 변압부의 제 2 정류부에 대한 센터 탭과 제 2 전원 사이에 직렬로 접속되어 상기 제 2 전원의 전압 레벨을 제어하는 보조 MOSFET 을 포함하는 것을 특징으로 하는, 다중 출력 컨버터. - 제 1 항에 있어서,
상기 제어부는 상기 스위칭부의 스위칭 시점에 기초하여 상기 보조 MOSFET 의 턴-온 또는 턴-오프 스위칭을 제어하는 것을 특징으로 하는, 다중 출력 컨버터. - 제 2 항에 있어서,
상기 스위칭부는 풀-브릿지 컨버터(Full-bridge Converter)를 포함하는, 다중 출력 컨버터. - 제 3항에 있어서,
상기 제어부는 상기 스위칭부에 의해 스위칭 된 전원의 전압 레벨의 제 1 상승 시점에 상기 보조 MOSFET 이 턴-온 되도록 상기 보조 MOSFET 의 스위칭을 제어하는 것을 특징으로 하는, 다중 출력 컨버터. - 제 3항에 있어서,
상기 제어부는 상기 스위칭부에 의해 스위칭 된 전원의 전압 레벨의 제 2 상승 시점에 상기 보조 MOSFET 이 턴-온 되도록 상기 보조 MOSFET 의 스위칭을 제어하는 것을 특징으로 하는, 다중 출력 컨버터. - 제 3항에 있어서,
상기 제어부는 상기 스위칭부에 의해 스위칭 된 전원의 전압 레벨의 제 1 상승 시점에 상기 보조 MOSFET 이 턴-오프 되도록 상기 보조 MOSFET 의 스위칭을 제어하는 것을 특징으로 하는, 다중 출력 컨버터. - 제 3항에 있어서,
상기 제어부는 상기 스위칭부에 의해 스위칭 된 전원의 전압 레벨의 제 2 상승 시점에 상기 보조 MOSFET 이 턴-오프 되도록 상기 보조 MOSFET 의 스위칭을 제어하는 것을 특징으로 하는, 다중 출력 컨버터. - 제 1 항에 있어서,
상기 변압부는 일차 권선부 및 이차 권선부를 갖는 단일 트랜스포머를 포함하는 것을 특징으로 하는, 다중 출력 컨버터. - 제 1 항에 있어서,
상기 변압부는 상기 스위칭부의 교번 스위칭에 따라 상기 제 1 정류부 및 상기 제 2 정류부에 상기 변환된 교류 전원을 교대로 전달하는, 다중 출력 컨버터. - 제 8 항에 있어서,
상기 변압부는 상기 일차 권선에 연결되는 공진 인덕터(Resonant Inductor)를 포함하는, 다중 출력 컨버터. - 제 1 항에 있어서,
상기 다중 출력 컨버터가 상기 직류 입력 전원으로부터 상기 제 1 및 제 2 정류부의 출력 측으로의 전력 흐름을 가지는 경우에,
상기 제어부는 상기 센싱한 제 1 전원의 전압 레벨에 기초하여 상기 스위칭부를 제어하고, 상기 센싱한 제 2 전원의 전압 레벨에 기초하여 상기 보조 MOSFET 을 제어하는, 다중 출력 컨버터. - 제 1 항에 있어서,
상기 다중 출력 컨버터가 상기 제 1 정류부의 출력 측으로부터 상기 제 2 정류부의 출력 측으로의 전력 흐름을 가지는 경우에,
상기 제어부는 상기 센싱한 제 2 전원의 전압 레벨에 기초하여 상기 제 1 정류부를 제어하는, 다중 출력 컨버터.
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