KR101597885B1 - 절연된 구동 회로와 통합된 매그네틱스 - Google Patents

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Abstract

스위치-모드 전력 변환기는 중심 레그와 외부 레그들을 갖는 자기 코어에 집단적으로 감긴 다양한 권선을 갖는 구동 변압기(T20) 및 전력 절연 변압기(T10)를 포함한다. 전력 변압기의 1차 권선 및 하나 이상의 2차 권선은 중앙 레그에 감겨 있고, 구동 변압기의 제1 및 제2 권선은 외부 레그에 감겨 있다. 1차 제어 회로는 1차 권선에 입력 전압을 공급하는 하나 이상의 1차 스위치를 제어한다. 2차 제어 회로는 2차 권선과 로드 사이에 접속된 2차 스위치를 제어한다. 다른 제어 회로는 피드백 신호에 적어도 부분적으로 기초하여 1차 및 2차 제어 회로의 동작을 제어한다. 구동 변압기 권선은 또한 1차 제어 회로와 동기 정류기 제어 회로 사이의 절연을 제공하도록 구성된다.

Description

절연된 구동 회로와 통합된 매그네틱스{INTEGRATED MAGNETICS WITH ISOLATED DRIVE CIRCUIT}
본 발명은 일반적으로 스위치-모드 전력 변환기(switch-mode power converters)에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 전력 변압기 또는 전력 인덕터에 통합된 절연된 구동 회로를 제공하기 위한 방법 및 디바이스에 관한 것이다.
스위치-모드 전력 변환기는 일반적으로 입력 소스로부터의 에너지를 이산 펄스로 출력 로드에 이송하는 에너지 저장 요소로서, 인덕터, 변압기, 커패시터, 또는 이들의 일부 조합을 사용한다. 회로의 로드 한계 내에서 일정한 전압 또는 일정한 전류를 유지하기 위해 추가적인 회로가 추가된다. 변압기를 사용하면 출력이 입력 소스로부터 전기적으로 절연되게 할 수 있다.
DC/DC 전원 공급 장치 설계자를 위한 업계의 새로운 과제는 더 높은 효율과 전력 밀도를 요구한다. 이는, 출력에서의 정류 다이오드를 MOSFET 디바이스로 대체하여 구현되는 동기 정류기의 사용을 야기한다.
다양한 변환기 토폴로지에서 자체-구동 동기 정류기의 사용은 그들의 단순성으로 인해 매력적이고 인기가 있다. 이는 주로 입력측 스위치들 및 동기 정류기들에 대한 구동 신호들 사이에 추가적인 절연이 필요하지 않기 때문이다. 그러나, 단순성은 단점이 있다. 이러한 단점은: (a) 동기 정류기와 1차측 스위치 사이의 크로스 전도성(cross conduction); (b) 전력 변압기에서 파생되는 구동 전압 - 이는 입력 전압에서의 변화에 따라 달라지므로 추가적인 클램프 회로를 필요로 하고 추가적인 손실을 야기함 - ; 및 (c) 회로 기생에 심하게 의존적인 구동 신호들 사이의 타이밍을 포함한다.
하나의 솔루션은 메인 스위치(입력 측) 및 동기 정류기(출력 측)에 대한 구동 신호들 사이의 잘-제어된 타이밍에 의해 동기 정류기에 대한 직접 구동을 사용하는 것이다. 따라서, 이러한 솔루션은 높은 스위칭 주파수에서 조차 동기 정류기가 효율적으로 동작할 수 있게 한다. 직접 구동된 동기 정류기의 또 다른 장점은, 구동 전압(게이트 소스간)이 일정하고 입력 전압에 독립적이므로, 광범위한 입력 전압에 걸쳐 효율을 더 향상시킨다는 것이다.
종래 기술에서 다양한 절연된 구동 회로가 제안되었다. 절연을 제공하기 위한 가장 일반적인 기술은 구동 변압기의 사용이다. 구동 변압기를 사용하는 다양한 솔루션이 제안되었는데, 이들 모두는 구동 변압기에 대해 별도의 자기 코어를 필요로 한다.
하나의 솔루션은, PWM 신호가 1차측 스위치를 위한 스위치 제어 회로 및 구동 변압기로 공급되고 그 출력을 동기 정류기를 위한 스위치 제어 회로로 공급하는 Svardsjo에 의한 미국 특허 번호 5,907,481에서 제안된다. 이러한 솔루션의 단점은, 구동 변압기가 단지 변환기의 일측에서 다른 측으로만 PWM 신호를 이송한다는 것과, 구동 스위치를 위한 전원 뿐만 아니라 추가적인 스위치 제어 회로를 필요로 한다는 것이다.
미국 특허 번호 6,804,125 및 7,102,898에서, Brkovic은 1차 스위치 및 동기 정류기에 전력 및 적절한 지연을 제공하는 구동 변압기를 사용하는 개선된 절연된 구동 회로를 제안하였다. 이러한 회로는 필요한 지연을 제공하기 위해 1차 스위치(MOSFET)의 입력 커패시턴스 뿐만 아니라 구동 변압기 권선의 누설 인덕턴스를 이용한다. 회로는 또한 출력 측에 위치한 제어 및 피드백 회로에도 불구하고(even with) 2차측에서 감지된 상태로부터 1차 권선을 디스에이블 또는 인에이블하는 수단을 개시한다.
동기 정류기(S1 및 S2)를 이용하는 하프-브리지 1차 회로(half-bridge primary circuit) 및 풀-웨이브 2차 회로(full-wave secondary circuit)를 갖는 더블 엔드형 DC-DC 변환기(double ended DC-to-DC converter)를 이용하는 종래 기술의 절연된 DC-DC 변환기가 도 1에 도시된다. 도 1에서의 회로는 스위치들(Q1 및 Q2)(1차 제어 가능한 전력 스위치로도 불림), 커패시터들(C1 및 C2), 전력 절연 변압기(T1), 동기 정류기(S1 및 S2), 출력 인덕터(L0) 및 커패시터(C0)를 포함한다. 입력 전압(VIN)은 필터링 커패시터(C1 및 C2)로 분할된다. 변압기(T1)의 1차 권선(NP)의 하나의 단부는 커패시터(C1 및 C2)의 공통 노드에 접속되는 한편 제2 단부는 스위치(Q1 및 Q2)의 공통 노드에 접속된다. 2개의 2차 권선(NS1 및 NS2)은 공통 노드(CT)에서 센터 탭된다(center tapped). 공통 노드(CT)는 변환기와 로드의 출력을 가로질러 접속된 커패시터(C0) 및 인덕터(L0)를 포함하는 저역 통과 출력 필터에 접속된다. 권선(NS1)의 제2 단부는 동기 정류기(S1)에 접속되는 한편 권선(NS2)의 제2 단부는 동기 정류기(S2)에 접속된다. 변압기(T1)의 권선의 극성은, 스위치(Q1)가 온일 때, 동기 정류기(S1)가 온이고, 동기 정류기(S2)가 오프이도록 선택된다. 반대로, 스위치(Q2)가 온일 때, 동기 정류기(S1)는 오프이고 동기 정류기(S2)는 온이다. 1차 스위치(Q1 및 Q2)는 MOSFET(오늘날 흔히 사용됨)으로 예시되지만, 또한 IGBT 또는 다른 제어 가능한 스위치로서 구현될 수도 있다.
출력 전압(VOUT)은, 스위치들(Q1, Q2, S1 및 S2)을 각각 구동하기 위한 4개의 신호(GQ1, GQ2, GS1 및 GS2)를 생성하는 SWITCH CONTROL CIRCUIT로 공급되는 180° 위상 변이를 갖는 2개의 출력 신호(OUTA 및 OUTB)를 생성하는 CONTROL CIRCUIT에 공급된다.
도 1에 도시된 변환기에서 회로의 가장 두드러진 파형 입증 동작이 도 2에 도시된다. 설명을 단순하게 하기 위해, 모든 전압 파형(OUTA 및 OUTB 제외)은 유한 상승 및 하강 시간을 갖고, 모든 스위치는 구동 신호의 전압 진폭의 절반에서 임계 전압을 갖는 것으로 가정한다. 또한, 상승 및 하강 시간은, 설명을 목적으로, 스위칭 기간(TS)에 비해 과장되어 있다.
도 2의 파형에서:
td1는 동기 정류기(S2)의 턴-오프와 스위치(Q1)의 턴-온 사이의 시간 간격을 나타낸다.
td2는 스위치(Q1)의 턴-오프와 동기 정류기(S2)의 턴-온 사이의 시간 간격을 나타낸다.
td3는 동기 정류기(S1)의 턴-오프와 스위치(Q2)의 턴-온 사이의 시간 간격을 나타낸다. 사실상, 보통,
Figure 112013096075218-pct00001
이다.
td4는 스위치(Q2)의 턴-오프와 동기 정류기(S1)의 턴-온 사이의 시간 간격을 나타낸다. 사실상, 보통,
Figure 112013096075218-pct00002
이다.
ta는 스위치(Q1)의 0에서 임계 전압까지 VG1의 상승 시간을 나타낸다. 이는 또한 전압(VG1)이 0이 아니고 포지티브인 한편 전압(VP)은 여전히 0인 동안의 시간이다.
tb는 스위치(Q1)의 구동 전압에서 임계 전압까지 VG1의 하강 시간을 나타낸다. 이것은 또한 전압(VG1)이 0이 아니고 포지티브인 한편 전압(VP)은 0이 아니고 여전히 포지티브(VIN/2)인 동안의 시간이다.
tc는 스위치(Q2)의 구동 전압에서 임계 전압까지 VG2의 상승 시간을 나타낸다. 이는 또한 전압(VG2)이 0이 아니고 포지티브인 한편 전압(VP)은 여전히 0인 동안의 시간이다.
td는 스위치(Q2)의 구동 전압에서 임계 전압까지 VG2의 하강 시간을 나타낸다. 이것은 또한 전압(VG2)이 0이 아니고 포지티브인 한편 전압(VP)은 0이 아니고 네거티브(-VIN/2)인 동안의 시간을 나타낸다.
tp는 Q1이 온이고, 전압(VP)이 포지티브(VIN/2)이고, 전압(VS2)이 포지티브이며, S2가 오프인 동안의 시간을 나타낸다.
tn은 Q2가 온이고, 전압(VP)이 네거티브(-VIN/2)이고, 전압(VS1)이 포지티브이며, S1이 오프인 동안의 시간을 나타낸다.
TS는 변환기의 스위칭 기간을 나타낸다.
D는 논리 신호(OUTA 및 OUTB)의 듀티 사이클을 나타내며, 신호(OUTA 또는 OUTB)가 논리 하이(logic high)인 스위칭 기간(TS)의 절반 부분으로서 정의된다. OUTA와 OUTB는 180°만큼 위상 변이되고, 결코 동시에 논리 하이가 되지 않는다.
t=0에서, 신호(OUTA)가 하이가 되는 동안, 신호(OUTB)는 로우이다. 동일한 순간에, 전압(VGS2)은 하강하기 시작하고, 0으로 떨어질 때, 전압(VG1)은 상승하기 시작한다. 시간(ta) 후에, 전압(VG1)은 Q1의 임계 전압에 도달하고, Q1은 턴온된다. 그 순간에, 전압(VP)은 그의 포지티브 값(VIN/2)으로 상승하기 시작한다. 시간(ta) 동안, 전압(VP)은 여전히 0(2차 권선(NS1 및 NS2) 둘 다에서 반대 방향으로 흐르는 출력 인덕터 전류에 의해 단락됨)이라는 것에 주의한다. 시간(tp) 동안, 전력은 스위치(Q1), 1차 권선(NP), 2차 권선(NS1), 동기 정류기(S1) 및 출력 인덕터(L0)를 통해 변환기의 입력(VIN)에서 출력(VOUT)으로 이송된다.
t = DTS/2에서, 신호(OUTA)는 0이 되고(논리 로우), 신호(OUTB)는 여전히 로우이고, 전압(VG1)은 하강하기 시작하며, 시간(tb) 이후에, 스위치(Q1)의 턴-오프 임계값에 도달하고, Q1은 턴-오프된다. 일단 전압(VG1)이 0에 도달하면, 전압(VGS2)은 증가하고, 동기 정류기(S2)는 시간(td2) 이후에 0 전압(VS2)에서 턴-온된다. 시간(tb) 동안, 전압(VG1)은 하강하는 한편 전압(VP)은 VIN/2에 있다는 것에 주의한다. 실제 구현에서, VG1이 0으로 떨어질 때까지 전압은 VIN/2에서 포지티브로 유지된다. 시간(tx) 동안, 출력 인덕터 전류는 2개의 2차 권선과 전도성 동기 정류기들(S1 및 S2) 사이에서 분할되어, 변압기(T2)의 모든 권선을 가로질러 거의 0 전압이 되도록 한다.
t=TS/2에서, 신호(OUTB)는 하이가 되는 한편, 신호(OUTA)는 로우이다. 동일한 순간에, 전압(VGS1)은 떨어지기 시작하고, 0으로 떨어질 때, 전압(VG2)은 상승하기 시작한다. 시간(tc) 이후에, 전압(VG2)은 Q2의 임계 전압에 도달하고, Q2는 턴-온된다. 그 순간에, 전압(VP)은 그의 네거티브 값(VIN/2)으로 하강하기 시작한다. 시간(tc) 동안, 전압(VP)은 여전히 0(2차 권선들(NS1 및 NS2) 둘 다에서 반대 방향으로 흐르는 출력 인덕터 전류에 의해 단락됨)이라는 것에 주의한다. 시간(tn) 동안, 전력은 스위치(Q2), 1차 권선(NP), 2차 권선(NS2), 동기 정류기(S2) 및 출력 인덕터(L0)를 통해 변환기의 입력에서 출력으로 이송된다.
t = TS/2 + DTS/2에서, 신호(OUTB)는 0(논리 로우)이 되고, 신호(OUTA)는 여전히 로우이고, 전압(VG2)은 하강하기 시작하고, 시간(td) 이후에, 스위치(Q2)의 턴-오프 임계값에 도달하고, Q2는 턴-오프된다. 일단 전압(VG2)이 0에 도달하면, 전압(VGS1)은 증가하고, 동기 정류기(S1)는 시간(td4) 이후에 0 전압(VS1)에서 턴-온된다. 시간(td) 동안, 전압(VG2)은 하강하는 한편 전압(VP)은 -VIN/2라는 것에 주의한다. 실제 구현에서, 전압은 VG2이 0으로 떨어질 때까지 -VIN/2에서 네거티브로 유지된다. 시간(ty) 동안(보통 tx = ty), 출력 인덕터 전류는 2개의 2차 권선과 전도성 동기 정류기(S1 및 S2) 사이로 분할되어, 변압기(T2)의 모든 권선을 가로질러 거의 0 전압이 되도록 한다.
이제, 당업자에게 자명한 바와 같이, 1차 스위치(Q1 및 Q2)의 턴-온 동안, 전력 절연 변압기(T1)의 권선은 단락된다(도 2에서 각각 시간 간격 tx 및 ty). 반대로, 1차 스위치(Q1 및 Q2)의 턴-오프 동안(도 2에서 각각 시간 간격 tb 및 td), 전력 절연 변압기(T1)의 권선은 단락되지 않는다. 이는, 1차 스위치의 턴-온 및 턴-오프 전이를 제어하는데, 전력 변압기(T1) 상의 권선들을 사용하는 것을 방지하는 주된 이유이다. 전압(VP)은 1차 스위치의 턴-온 및 턴-오프에 의해 제어된다. 따라서, 변압기(T1)의 권선(NP2)에 걸리는 전압(VP)에 있어서의 변화는, 1차 스위치가 턴-온 및 턴-오프된 이후에 발생한다. 따라서, 1차 스위치를 구동하기 위한 별도의 구동 변압기를 갖는 것이 필요하다.
도 3은 구동 변압기(T2), 1차 스위치(Q1, Q2) 뿐만 아니라 동기 정류기 제어 회로에 대한 실제 구현을 갖는 종래 기술의 하프-브리지 변환기를 도시한다. 도 4에 도시된 종래 기술의 회로에 대한 상세한 설명은 Brkovic에 의한 US 7,102,898 B2에 설명되어 있다. 구동 변압기(T2)는 PCB에 권선들이 통합된 별도의 컴포넌트로서 구현된다. 이러한 구현은 자기 코어에 권선이 감겨 있는 솔루션에 비해 장점을 갖는데, 그 이유는, 이러한 구현이 구동 변압기의 누설 인덕턴스 및 커패시턴스에 대한 더 우수한 제어 및 반복성을 제공하기 때문이다. 따라서, 1차 스위치 및 동기 정류기에 대한 구동 신호들 사이에서 요구되는 타이밍에 대한 더 우수한 제어가 달성된다.
도 4의 회로가 장점을 갖더라도, 높은 전력 밀도와 작은 크기가 필요한 애플리케이션에서, 구동 변압기(T2)의 크기를 줄이는 유일한 방법은 스위칭 주파수를 증가시키는 것이다. 이는 변환기의 전체 효율에 부정적인 영향을 미친다. 주어진 크기에 대해 변환기의 극히 높은 효율을 필요로 하는 애플리케이션에서는, 더 낮은 스위칭 주파수에서의 동작이 필요하고, 이는 전력 변압기와 출력 인덕터의 크기를 증가시킨다. 이것은 회로 기판 상에 별도의 구동 변압기, 또는 고속 광-결합기나 광-절연체와 같은 변환기의 입력과 출력 사이에서 구동 신호를 절연시키기 위한 임의의 다른 솔루션들을 위한 어떠한 공간도 남기지 않는다.
따라서, 변환기의 입력측과 출력측 사이의 구동 신호들에 대해 절연을 제공하기 위한 별도의 구동 변압기 또는 다른 컴포넌트들을 사용하지 않는 새로운 솔루션이 필요하다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 구동 변압기의 권선이 전력 변압기 또는 인덕터에 내장되어, 구동 변압기를 위한 별도의 자기 코어가 필요하지 않다. 구동 변압기의 권선은 E-형 코어의 외부 레그(outer leg)에 감겨 있는 한편, 전력 변압기 또는 인덕터의 권선은 중심 레그(center leg)에 감겨 있다. 그러한 권선 구조는, 구동 변압기의 권선이 전력 변압기 또는 인덕터의 권선과 밀착 결합을 유지하고, 동시에, 느슨하게 결합되는 것을 유지하는데 사용된다. 느슨한 결합 때문에, 구동 변압기를 구동하기 위한 회로에서 상당한 전압 및 전류 스트레스 없이, 제어 가능한 스위치의 턴-온 또는 턴-오프를 개시하기에 충분한 짧은 시간 기간 동안, 구동 변압기의 권선과 전력 변압기 또는 인덕터의 권선에서 상이한 전압 파형을 가질 수 있다. 구동 변압기에서 사용된 권선의 수는 애플리케이션 뿐만 아니라 변환기 토폴로지에 따라 달라진다. 구동 변압기가 지원할 수 있는 최대 볼트-초는 전력 변압기 또는 인덕터에 의해 정의된다.
본 발명의 하나의 측면에 따르면, 초기 턴-온 또는 턴-오프 이후에 전력 스위치를 구동하기 위한 전력은 전력 변압기 또는 인덕터로부터 제공된다.
본 발명의 또 다른 측면은, 구동 전압이 입력 전압에서의 변화에 독립적이기 위해 클램프될 수 있다는 것이다. 클램프된 에너지는 변환기의 초기 시동 이후에 제어 및 구동 회로에 전력을 공급하는데 사용되므로, 바이어스 회로를 단순화하고 변환기의 정상 동작 동안 전력 요구조건들을 감소시킨다.
본 발명의 특정 실시예에서, 구동 변압기의 권선은 전력 변압기 또는 인덕터의 자기 코어의 중심 레그와 외부 레그 둘 다에 감겨 있다.
도 1은 변환기의 출력 측에 관련되는 제어 및 구동 회로를 갖는 하프-브리지 변환기 및 구동 변압기를 사용하는 종래 기술의 회로에 대한 개략도이다.
도 2는 도 1의 종래 기술의 회로에서 여러 개의 노드로부터 파생된 가장 두드러진 파형을 나타내는 그래픽 도이다.
도 3은, 제어 회로(CC)의 출력을 1차 스위치 제어 회로(PSC)로 이송하기 위해 구동 변압기가 사용된, 도 1에 도시된 종래 기술의 회로에 대한 일 실시예이다.
도 4는, 1차측 스위치들을 직접 구동하고, 1차 스위치들 및 동기 정류기들에 대한 구동 신호들 사이에 요구된 타이밍을 제공하기 위해 구동 변압기(T2)가 사용되는, 도 1의 종래 기술의 회로에 대한 다른 실시예를 도시한다.
도 5는, 전력 절연 변압기와 통합된 구동 변압기를 갖는, 본 발명에 따른 전력 변환기에 대한 일 실시예의 개략도이다.
도 6은, 도 4의 변환기 회로에서 사용될 수 있는 것으로서, 종래 기술의 전력 변압기(T1)의 사시도이다.
도 7은, 도 4의 변환기 회로에서 사용될 수 있는 것으로서, 종래 기술의 구동 변압기(T2)의 사시도이다.
도 8은, 도 5의 변환기 회로에서 사용될 수 있는 것으로서, 본 발명의 하나의 측면에 따라 동일한 자기 코어에 전력 변압기와 구동 변압기의 권선을 통합한 것을 도시하는 변압기(T3)의 사시도이다.
도 9는, 도 15의 변환기 회로에서 사용될 수 있는 것으로서, 본 발명의 하나의 측면에 따라 동일한 자기 코어에 전력 변압기와 구동 변압기의 권선을 통합한 것을 도시하는 변압기(T12)의 사시도이다.
도 10은, 변환기의 출력 측에 제어 회로가 있는, 본 발명에 따른 하나의 자기 코어에 전력 변압기와 구동 변압기가 통합된 액티브 클램프 포워드 변환기(active clamp forward converter)의 개략도이다.
도 11은, 변압기의 입력 측에 제어 회로가 있는, 본 발명에 따른 하나의 자기 코어에 전력 변압기와 구동 변압기가 통합된 액티브 클램프 포워드 변환기의 개략도이다.
도 12는, 변환기의 입력 측에 제어 회로가 있는, 본 발명에 따른 하나의 자기 코어에 출력 인덕터(L22)와 구동 변압기가 통합된 액티브 클램프 변환기의 개략도이다.
도 13은, 변환기의 출력 측에 제어 회로가 있는, 본 발명에 따른 하나의 자기 코어에 출력 인덕터(L22)와 구동 변압기가 통합된 액티브 클램프 변환기의 개략도이다.
도 14는, 본 발명의 일 측면에 따라, 도 12 및 13에 도시된 액티브 클램프 변환기에서 사용될 수 있는 것으로서, 통합된 출력 인덕터 및 구동 변압기의 하나의 실시예에 대한 사시도이다.
도 15는, 본 발명의 일 측면에 따라, 전력 절연 변압기와 구동 변압기가 단일 변압기(T12)로 통합된, 도 3의 전력 변환기 회로의 일 실시예에 대한 개략도이다.
명세서 및 청구항 전체에 걸쳐, 다음과 같은 용어는, 문맥상 달리 지시하지 않는 한, 적어도 본 명세서에서 명시적으로 관련된 의미를 취한다. 아래 식별된 의미가 그 용어를 반드시 제한할 필요는 없고, 단순히 그 용어에 대한 예시적인 예들을 제공하는 것이다. "하나(a, an)" 및 "그(the)"의 의미는 복수의 참조들을 포함할 수 있고, "내(in)"의 의미는 "내" 및 "상(on)"을 포함할 수 있다. "하나의 실시예에서"라는 문구는, 본 명세서에서 사용될 때, 그럴 수도 있지만, 반드시 동일한 실시예를 지칭할 필요는 없다.
"결합된(coupled)"이라는 용어는 접속된 아이템들 사이의 직접 전기적 접속 또는 하나 이상의 패시브 또는 액티브 중개 디바이스들을 통한 간접 접속 중 적어도 하나를 의미한다.
"스위칭 요소(switching element)" 및 "스위치"라는 용어는 상호 교환하여 사용될 수 있고, 본 명세서에서는, 적어도: 본 기술에서 공지된 여러 가지 트랜지스터들(FET, BJT, IGBT, JFET 등을 포함하지만 이로 제한되지 않음), 스위칭 다이오드, SCR(silicon controlled rectifier), DIAC(diode for alternating current), TRIAC(triode for alternating current), 기계적 SPDT(single pole/double pole switch), 또는 전기적, 고체 혹은 리드 계전기(reed relays)를 지칭하는 것일 수 있다. FET(field effect transistor) 또는 BJT(bipolar junction transistor) 중 어느 하나가 트랜지스터에 대한 일 실시예로서 이용될 수 있는 경우에, "게이트", "드레인" 및 "소스"라는 용어의 범위는 "베이스", "콜렉터", 및 "에미터"를 각각 포함하고, 그 반대의 경우도 마찬가지이다.
"전력 변환기(power converter)" 및 "변환기"라는 용어는, 특정한 요소에 대해 달리 정의되지 않는 한, 본 명세서 및 적어도 DC-DC, DC-AC, AC-DC, 벅(buck), 벅-부스트, 부스트, 하프-브리지, 풀-브리지, H-브리지 또는 당업자에게 공지된 바와 같은 다양한 다른 형태의 전력 변환 또는 반전에 대해 상호 교환하여 사용될 수 있다.
"제공하는(providing)", "처리하는(processing)", "공급하는(supplying)", "결정하는(determining)", "계산하는(calculating)" 등과 같은 용어는 적어도, 자동으로 개시되든 수동으로 개시되든, 물리량으로 표현된 신호의 변형일 수 있는, 컴퓨터 시스템, 컴퓨터 프로그램, 신호 프로세서, 로직 또는 대안적인 아날로그 또는 디지털 전자 디바이스의 작업을 지칭하는 것일 수 있다.
"제어 회로" 또는 "제어기"라는 용어는, 본 명세서에서 사용될 때, 적어도 일반적인 마이크로프로세서, ASIC(application specific integrated circuit), DSP(digital signal processor), 마이크로컨트롤러, 필드 프로그래머블 게이트 어레이, 또는 본 명세서에서 추가로 정의된 바와 같은 기능들의 성능을 수행하거나 지시하도록 설계되거나 그렇지 않으면 프로그램되는, 본 기술에서 공지된 바와 같은 다양한 대안적인 이산 회로의 블록들을 지칭하는 것일 수 있다. 범용 프로세서의 맥락에서, 그러한 컴포넌트들은 그 안에 상주하고 특정한 정의된 기능들의 성능을 수행하거나 지시하도록 실행 가능한 프로그램 명령어들을 갖는 비-일시적인 기계-판독 가능한 메모리 매체를 포함하거나 그렇지 않으면 그에 기능적으로 링크된다는 것이 이해될 수 있다.
일반적으로, 도 5 및 8-15를 참조하면, 본 발명에 따른 통합된 자기 구조를 갖는 스위치-모드 전력 변환기에 대한 다양한 실시예가 본 명세서에서 설명될 수 있다. 다양한 도면들이 다른 실시예들과 다양한 공통 요소들 및 특징들을 공유하는 실시예들을 설명할 수 있는 경우에, 유사한 요소들 및 특징들에는 동일한 참조 번호가 주어지고, 그에 대한 중복된 설명은 아래에서 생략될 수 있다.
도 5를 참조하면, 하프-브리지 변환기와 함께 사용되고, 도 4에 표현된 것과 같은 설계에서 부분적으로 발전된 본 발명에 대한 일 실시예가 도시되어 있다. 도 5와 도 4에 도시된 회로들 사이의 중요한 차이점은 구동 변압기(T2)의 구현이다. 더 나은 이해를 위해, 도 4의 회로에 사용된 것과 같은 종래 기술의 전력 변압기(T1)에 대한 사시도가 도 6에 도시된다. 종래 기술의 전력 변압기는 일반적으로 중심 레그 및 2개의 외부 레그를 갖는 자기 코어로 구현된다. 센터 탭된 2차 권선들(NS1 및 NS2)과 마찬가지로, 1차 권선(NP)은 코어의 중심 레그에 감겨 있다. 1차 권선(NP)에서 전류 흐름에 의해 유도된 자속은, 권선들(NS1 및 NS2)에서 전압을 유도하는, 코어의 외부 레그들 둘 다를 순환한다.
도 4의 회로에서 사용된 것과 같은 종래 기술의 구동 변압기(T2)에 대한 사시도가 도 7에 도시되어 있으며, 도 6에 도시된 전력 변압기(T1)와 유사한 구성을 갖는다. 이러한 종래 기술의 구동 변압기는 일반적으로 중심 레그와 2개의 외부 레그를 갖는 자기 코어로 구현된다. 구동 변압기의 세 개의 권선(N1, N2 및 N3) 모두는 일반적으로 코어의 중심 레그에 감겨 있으므로, 그들은 밀착 결합될 것이다.
이제, 도 8을 참조하면, 본 발명에 따른 통합된 자기 구조에 대한 사시도가 도시된다. 본 실시예에서는, 도 4의 회로에 사용된 전력 변압기(T1)와 구동 변압기(T2)의 권선이 도시된다. 전력 변압기(T1)의 권선은 도 6에 도시된 것과 동일한 방식으로 코어의 중심 레그에 감겨 있다. 그러나, (도 7에 도시된 것과 같은) 구동 변압기(T2)의 모든 권선은 코어의 외부 레그들 중 하나에 감겨 있고, 따라서, 밀착 결합을 보존한다. 전력 변압기의 코어의 외부 레그들 중 하나에 감겨 있는 구동 변압기의 권선은 이로써 전력 변압기의 권선과 느슨하게 결합된다.
느슨한 결합 때문에, 구동 회로에서 상당한 전압 또는 전류 스트레스를 만들지 않고, 짧은 시간 기간 동안, 구동 변압기의 권선에서는 전력 변압기의 권선에서의 전압 파형과는 상이한 전압 파형을 가질 수 있다. 전압 파형이 상이할 수 있는 동안의 시간은 변환기의 1차 스위치 또는/및 2차 스위치 중 어느 하나(특정 실시예에서는, 동기 정류기일 수 있음)의 스위칭 전이(턴-온 및 턴-오프)를 개시하기에 충분히 길다. 일단 스위칭 전이가 개시되면, 구동 변압기의 권선에서의 전압 파형은 다음 스위칭 전이때까지 전력 변압기에서의 전압 파형과 유사할 것이다.
본 발명은 다른 전력 변환기 실시예들과 함께 사용될 수 있다. 예를 들어, 도 10은 액티브 클램프 포워드 변환기를 도시하는데, 여기서, 액티브 클램프 회로(스위치(Q11) 및 커패시터(C11))는 리셋 기간 동안 변압기(T10)의 코어에서 자화 전류가 순환하는 것을 허용하여 허용 가능한 수준으로 1차 스위치(Q10)의 드레인-소스 전압을 클램프하는데 사용된다. 본 발명에 따르면, 도 8에 일반적으로 도시된 권선 및 코어 배열을 사용하여, 전력 절연 변압기 권선(N10, N11) 및 구동 변압기 권선(N12, N13)이 단일 자기 코어에 감겨 있는, 통합된 변압기(T10)가 사용된다. 도 10의 실시예에서, 제어 회로(30)는 변환기의 출력 측에 구성된다. 제어 회로(30)는 2차(예컨대, 동기 정류기) 스위치(Q20 및 Q21)를 구동하기 위한 정류기 제어 회로(32) 및 1차측 스위치(Q1O) 및 액티브 클램프 스위치(Q11)를 구동하기 위해 사용되는 1차 스위치 제어 회로(31)에 기능적으로 결합된다.
또 다른 애플리케이션에서, 도 11은 도 10에 도시된 것과 유사한 토폴로지를 갖는 액티브 클램프 포워드 변환기를 도시한다. 본 발명에 따르면, 변압기(T10)는 도 8에 일반적으로 도시된 권선 및 코어 배열을 사용하여 단일 자기 코어에 감겨 있는 전력 절연 변압기 권선(N10, N11) 및 구동 변압기 권선(N14, N15)을 갖는다. 이러한 애플리케이션에서, 제어 회로(30)는 변환기의 입력 측에 구성된다. 제어 회로(30)는 동기 정류기 스위치(Q20 및 Q21)를 구동하기 위한 정류기 제어 회로(32) 및 1차측 스위치(Q1O) 및 액티브 클램프 스위치(Q11)를 구동하는데 사용되는 1차 스위치 제어 회로(31)에 기능적으로 결합된다.
또 다른 애플리케이션에서, 도 12는 도 10 및 11에 도시된 것들과 유사하지만, 전력 절연 변압기(T10) 및 별도의 구동 변압기(T20)를 갖는 액티브 클램프 변환기를 도시하며, 여기서, 출력 인덕터(L22) 및 구동 변압기 권선(N16 및 N17)은 단일 자기 코어에 통합된다. 이러한 애플리케이션에서, 제어 회로(30)는 변환기의 입력 측에 구성된다. 제어 회로(30)는 동기 정류기 스위치(Q20 및 Q21)를 구동하기 위한 정류기 제어 회로(32) 및 1차측 스위치(Q1O) 및 액티브 클램프 스위치(Q11)를 구동하는데 사용되는 1차 스위치 제어 회로(31)에 기능적으로 결합된다. 피드백 절연 회로(33)는 출력 전압(Vo)을 제어 회로(30)에 결합한다.
도 13은 전력 절연 변압기(T10)와 별도의 구동 변압기(T21)를 갖는 액티브 클램프 변환기를 도시하는 본 발명의 또 다른 애플리케이션을 도시하는데, 여기서, 출력 인덕터(L22) 및 구동 변압기 권선(N18 및 N19)은 단일 자기 코어에 통합된다. 이러한 애플리케이션에서, 제어 회로(30)는 변환기의 출력 측에 구성된다. 제어 회로(30)는 동기 정류기 스위치(Q20 및 Q21)를 구동하기 위한 정류기 제어 회로(32) 및 1차측 스위치(Q10) 및 액티브 클램프 스위치(Q11)를 구동하는데 사용되는 1차 스위치 제어 회로(31)에 기능적으로 결합된다.
도 14는, 도 12 및 13에 도시된 액티브 클램프 변환기에 사용될 수 있는 것으로서, 본 발명에 따른 통합된 출력 인덕터 및 구동 변압기의 실시예를 도시한다.
도 15는, 도 3의 변환기 회로를 도시하지만, 도 9에 도시된 바와 같이, 변압기(T12)의 단일 자기 코어에 전력 절연 변압기 1차 권선(NP2), 분리된 2차 권선(NS1, NS2), 및 구동 변압기 권선(100 및 101)이 통합된, 본 발명의 또 다른 애플리케이션을 도시한다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 변환기 구동 전압이 입력 전압에 독립적이도록 클램프될 수 있는데, 그 이유는, 전력 변압기의 권선에 비해 구동 변압기의 권선 사이는 느슨한 결합이기 때문이다. 구동 전압은 또한 그것이 유익한 애플리케이션에서 입력 전압의 함수가 되도록 조정될 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 권선을 통해 제어/구동 회로에 전달되는 에너지는 또한 당업자가 이해할 수 있는 것과 같은 방식으로 코어의 중심 레그 또는 외부 레그에 갭을 도입함으로써 제어 또는 증가될 수 있다. 중심 레그에서의 작은 갭은 매우 광범위한 입력 전압 뿐만 아니라 동기 정류기가 디스에이블된 변환기의 장시간 동작의 경우에 필요할 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에서, 구동 변압기의 권선은 자기 코어의 중심 레그와 외부 레그 둘 다에 감겨 있을 수 있는데, 이러한 경우에, 제어 가능한 스위치에 대한 구동 전압은 입력 전압에 더 의존적일 것이고, 클램프될 수 있는 구동 전압의 단지 일부만 외부 레그에 감겨 있는 권선을 가로지른다.
다른 대안적인 실시예에서, 본 발명은, 하프-브리지(대칭, 비대칭), 풀-브리지(대칭, 비대칭), 푸시-풀(push-pull), 포워드 변환기(표준, 액티브 클램프, 듀얼 트랜지스터), 포워드-플라이백(forward-flyback), 및 본 기술에서 알려진 많은 다른 것들을 포함하는 상이한 변환기 토폴로지들에서 사용될 수 있다.
일반적으로, 본 발명은, 전력 변압기 또는 인덕터의 권선들에 걸리는 전압이 실질적으로 다양한 제어 가능한 스위치들의 구동 전압과 동일한 파형을 갖는 모든 토폴로지에 적용가능하다.
이전의 상세한 설명은 도시 및 설명을 목적으로 제공되었다. 따라서, 새롭고 유용한 "Integrated Magnetics with Isolated Drive Circuit"인 본 발명의 특정한 실시예들이 설명되어 있지만, 그러한 참조들은 다음과 같은 청구항들에서 명시된 것 외에 본 발명의 범위를 제한하는 것으로 해석되도록 의도된 것이 아니다.

Claims (20)

  1. 입력 소스로부터의 입력 전압을 변환기 로드 단자들에 결합된 로드에 공급하기 위한 출력 전압으로 변환하기 위한 스위치-모드 전력 변환기(switch-mode power converter)로서,
    중심 레그(center leg)와 외부 레그들(outer legs)을 갖는 자기 코어를 더 포함하는 전력 절연 변압기(power isolation transformer) - 상기 전력 절연 변압기의 하나 이상의 1차 권선 및 하나 이상의 2차 권선은 상기 자기 코어의 상기 중심 레그에 감겨 있음 - ;
    상기 전력 절연 변압기의 상기 하나 이상의 1차 권선에 상기 입력 전압을 공급하도록 선택적으로 인에이블되는 하나 이상의 1차 제어 가능한 전력 스위치를 포함하는 1차 변환기 회로;
    상기 1차 변환기 회로와는 완전히 절연되며, 개별적으로 스위치 가능하고 또한 상기 로드에 공급되는 상기 출력 전압을 생산하기 위해 상기 하나 이상의 2차 권선과 상기 로드 단자들 사이에 결합되는 하나 이상의 2차 스위치를 포함하는 2차 변환기 회로;
    상기 하나 이상의 1차 제어 가능한 전력 스위치의 전도성을 제어하기 위해 상기 하나 이상의 1차 제어 가능한 전력 스위치에 결합된 1차 스위치 제어 회로;
    상기 하나 이상의 2차 스위치의 전도성을 제어하기 위해 상기 하나 이상의 2차 스위치에 결합된 2차 스위치 제어 회로;
    상기 출력 전압에 응답하여 피드백 신호에 적어도 부분적으로 기초하여 상기 1차 스위치 제어 회로와 상기 2차 스위치 제어 회로의 동작을 제어하기 위해 상기 1차 스위치 제어 회로와 상기 2차 스위치 제어 회로에 결합된 제어 회로; 및
    상기 자기 코어의 외부 레그에 감겨 있는 제1 및 제2 구동 변압기 권선들을 적어도 포함하는 구동 변압기 - 상기 제1 및 제2 구동 변압기 권선들은 상기 1차 제어 가능한 전력 스위치들 또는 상기 2차 스위치들을 제어하기 위한 신호들을 제공하도록 구성되고, 상기 구동 변압기 권선들은 또한 상기 1차 제어 회로와 상기 2차 제어 회로 사이에 절연을 제공하도록 구성됨 -
    를 포함하고,
    1차 권선들에 걸리는 전압은, 전원이 턴-온 및 턴-오프 전이들(turn-on and turn-off transitions) 동안 구동 권선들에 인가되는 경우를 제외하고는 상기 구동 권선들에 걸리는 전압 파형과 유사한 형상의 전압 파형들을 갖고,
    상기 구동 변압기의 권선들은 상기 외부 레그에서 서로 밀착 결합되고(tightly coupled), 또한 상기 전력 변압기의 권선들과 느슨하게 결합되며(loosely coupled), 상기 전력 변압기에 결합된 상기 1차 제어 가능한 전력 스위치들의 턴-온 또는 턴-오프를 개시하는 기간 동안 일시적으로 상기 구동 변압기의 권선들과 전력 변압기의 권선들에는 상이한 전압 파형들이 제공되는, 스위치-모드 전력 변환기.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서, 상기 자기 코어는 E-형상 코어를 포함하는, 스위치-모드 전력 변환기.
  4. 제3항에 있어서,
    각각의 1차 제어 가능한 전력 스위치를 위한 1차 스위치 제어 회로
    를 더 포함하며,
    상기 구동 변압기는 상기 자기 코어의 외부 레그에 감겨 있는 2개 이상의 구동 변압기 권선들을 더 포함하고, 상기 구동 변압기 권선들 중 제1 구동 변압기 권선은 상기 제어 회로에 접속되고, 상기 구동 변압기 권선들 중 다른 구동 변압기 권선들은 상기 1차 제어 가능한 전력 스위치들의 동작을 제어할 뿐만 아니라 상기 1차 제어 가능한 전력 스위치들을 제어하기 위한 전력을 제공하기 위해 상기 1차 스위치 제어 회로에 접속되며,
    상기 구동 변압기 권선들은 또한 상기 1차 스위치 제어 회로와 상기 2차 제어 회로 사이에 절연을 제공하도록 구성되는, 스위치-모드 전력 변환기.
  5. 삭제
  6. 제1항에 있어서, 상기 입력 전압에 독립적인 상기 1차 제어 가능한 전력 스위치들, 상기 제어 회로 및 상기 2차 스위치들에 대한 구동 전압을 클램프하기에 효과적인 액티브 클램프 회로(active clamp circuit)를 더 포함하는, 스위치-모드 전력 변환기.
  7. 제1항에 있어서, 상기 구동 변압기 권선들은 상기 자기 코어의 외부 레그와 중심 레그 둘 다에 분산 방식으로 감겨 있는, 스위치-모드 전력 변환기.
  8. 제1항에 있어서, 상기 자기 코어는, 변압기 권선들이 관련되는 상기 중심 레그에 갭을 더 포함하는, 스위치-모드 전력 변환기.
  9. 제8항에 있어서, 상기 외부 레그에 의해 유도된 상기 구동 전압의 일부를 클램프하기에 효과적인 액티브 클램프 회로를 더 포함하는, 스위치-모드 전력 변환기.
  10. 제9항에 있어서, 상기 구동 변압기는 또한 상기 제1 구동 변압기 권선을 통해 상기 제어 회로와 상기 2차 스위치 제어 회로에 전력을 제공하기에 효과적인, 스위치-모드 전력 변환기.
  11. 제1항에 있어서,
    적어도 하나의 내부 레그를 가지며 내부 레그에 권선이 감겨 있는 인덕터 자기 코어를 더 포함하는 출력 인덕터 - 상기 권선은 턴-온 및 턴-오프 전이들 동안을 제외하고는 상기 1차 제어 가능한 전력 스위치들의 구동 전압 파형들과 유사한 형상의 전압 파형을 가짐 -
    를 포함하며,
    상기 구동 변압기의 권선들은 상기 인덕터 자기 코어의 외부 레그에서 서로 밀착 결합되고, 또한 상기 출력 인덕터의 권선과 느슨하게 결합되며, 상기 전력 변압기에 결합된 상기 1차 제어 가능한 전력 스위치들의 턴-온 또는 턴-오프를 개시하는 시간 기간 동안 상기 구동 변압기의 권선들과 상기 출력 인덕터의 권선에는 상이한 전압 파형들이 제공되는, 스위치-모드 전력 변환기.
  12. 제11항에 있어서, 상기 구동 변압기 권선들은 상기 인덕터 자기 코어의 외부 레그와 중심 레그 둘 다에 분산 방식으로 감겨 있는, 스위치-모드 전력 변환기.
  13. 제11항에 있어서, 상기 1차 스위치 제어 회로에 응답하여 상기 입력 전압에 독립적인 상기 1차 제어 가능한 전력 스위치들에 대한 구동 전압을 선택적으로 클램프하는 액티브 클램프 회로를 더 포함하는, 스위치-모드 전력 변환기.
  14. 제11항에 있어서, 상기 1차 스위치 제어 회로에 응답하여 상기 자기 코어의 상기 외부 레그 상의 상기 구동 권선들에 의해 유도된 구동 전압의 일부를 선택적으로 클램프하는 액티브 클램프 회로를 더 포함하는, 스위치-모드 전력 변환기.
  15. 제11항에 있어서, 상기 구동 변압기는 상기 제1 구동 변압기 권선을 통해 상기 제어 회로와 상기 2차 스위치 제어 회로에 전력을 제공하는, 스위치-모드 전력 변환기.
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