KR101734824B1 - 스위칭 전원장치의 스위치 정류기 구동회로 - Google Patents

스위칭 전원장치의 스위치 정류기 구동회로 Download PDF

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Abstract

본 발명은 직류전압을 안정된 직류전압으로 변환시켜주는 고주파 공진형 스위칭 전원장치에서 높은 전력변환 효율을 얻을 수 있도록 LLC 공진형 컨버터를 사용하고, 변압기 2차측에 다이오드 대신에 MOSFET와 같은 반도체 스위치를 사용하는 동기정류기를 사용할 시, 상기 동기정류기의 스위치를 구동하기 위해서 변압기 1차측에 흐르는 전류를 전압으로 변환시켜주는 전류-전압 변환회로, 안정된 상태에서 동기 정류기를 구동시키기 위한 스위치 보호 논리회로 및 고주파 스위칭 주파수에서 두 개의 동기정류기 스위치를 정확하게 구동하기 위한 구동회로를 통해 LLC 공진형 컨버터의 동기정류기 스위치를 조정하여 안정된 상태에서 전력변환 효율을 높일 수 있는 고신뢰성의 스위칭 전원장치를 제공할 수 있는 스위치 정류기 구동회로를 제공하는데 있다.

Description

스위칭 전원장치의 스위치 정류기 구동회로{Switch rectifier drive circuit for switching power supply}
본 발명은 고주파 스위칭 전원장치의 정류기 구동회로에 관한 것으로, 특히 변압기 2차측에 존재하는 다이오드 정류기 대신 정류기 구성에 필요한 고주파 구동회로를 적용하는 경우 기존 회로에서 문제점으로 나타났던 불안정 상태에서 정류기가 구동되는 문제를 해결하고 전류 검출 시 과도한 검출 손실을 저감시켜서 스위칭 전원장치의 소형화와 고효율 설계를 용이하게 수행할 수 있도록 하는 스위칭 전원장치의 스위치 정류기 구동회로에 관한 것이다.
일반적으로 스위칭 전원장치는 안정된 출력전압을 목적으로 하는 전력변환 장치이다. 특히 낮은 전압과 높은 출력전류를 갖는 스위칭 전원장치는 출력의 정류 손실 때문에 전력변환 효율이 낮게 되며 과도한 열이 발생하고 제품의 수명이 단축되는 문제가 있어서 변압기 2차측에 존재하는 정류기의 다이오드 대신에 MOSFET와 같은 반도체 스위치를 사용한 동기정류기가 널리 사용되고 있다.
동기정류기를 사용하는 방식은 다이오드 정류기의 전력손실보다 적은 손실이 발생하여 큰 출력전류에서 높은 효율을 유지할 수 있고 발열을 줄여서 제품의 수명을 연장할 수 있는 정류 방식으로 널리 알려져 있다.
그러나 동기정류기는 자가 스위칭하는 다이오드와 달리 스위치를 적절하게 제어시키는 외부의 제어신호가 필요하기 때문에 정확하고 빠른 구동회로와 같이 사용하지 않으면 불안정 상태에서 동작하게 되고 심지어는 스위치가 순간적으로 단락되어 파괴되는 문제점이 있다.
이러한 동기정류기 구동회로는 크게 전압구동형과 전류구동형이 있으며, 일반적으로 LLC 공진형 컨버터는 변압기 2차측에 존재하는 동기정류기를 구동하기 위해서 전류 구동방식이 사용된다. 전류 구동방식은 스위치의 전류가 흐르는 기간 동안만 스위치를 턴온(Turn on)시켜야 하기 때문에 스위치의 전류를 검출하기 위하여 큰 출력전류가 흐르는 변압기 2차측에서 스위치 전류를 검출하는 경우가 많다. 최근에는 비교적 전류가 적게 흐르는 변압기 1차측 전류를 검출하여 동기정류기 구동신호를 구성하는 1차측 전류구동 회로가 연구되고 있으나 변압기의 1차측에서 전류를 검출하기 때문에 신호의 지연과 불안정한 동작상태에서 구동신호가 불안하여 스위치가 오동작하게 되며, 심지어는 스위치가 파괴되는 문제점이 보고되고 있다.
또한, 이러한 변압기 1차측 전류 구동회로는 스위칭 전원장치가 갑자기 턴온되거나 동작이 멈추는 등의 급격한 입출력 변화가 생기는 경우에 동기정류기 구동신호가 불안정하게 되며, 고속으로 스위칭하는 경우 소자의 노화 및 PCB 패턴의 영향 등으로 인해 구동신호의 상호 간섭의 문제가 발생하고, 1차측 전류 검출회로에서 과도한 서지전압 때문에 구동회로의 기능이 저하되는 등의 원인으로 회로 설계에 걸림돌이 되고 있다.
KR 10-0691929 B1 (2007.02.28. 등록) KR 10-0508208 B1 (2005.08.05. 등록) KR 10-0774145 B1 (2007.11.01. 등록)
CHOI, Hangseok. Dual edge tracking control for synchronous rectification (SR) of LLC resonant converter. In: Applied Power Electronics Conference and Exposition (APEC), 2015 IEEE. IEEE, 2015. p. 15-20. WANG, Jianfeng, et al. Research on key application issues of smart synchronous rectifier driver IC in LLC resonant converter. In: Energy Conversion Congress and Exposition (ECCE), 2011 IEEE. IEEE, 2011. p. 2765-2770. FENG, Weiyi, et al. LLC converters with automatic resonant frequency tracking based on synchronous rectifier (SR) gate driving signals. In: Applied Power Electronics Conference and Exposition (APEC), 2011 Twenty-Sixth Annual IEEE. IEEE, 2011. p. 1-5. WU, Xinke, et al. A New Current-Driven Synchronous Rectifier for Series-Parallel Resonant(LLC) DC-DC Converter. Industrial Electronics, IEEE Transactions on, 2011, 58.1: 289-297. WANG, Jing; LU, Bing. Open loop synchronous rectifier driver for LLC resonant converter. In: Applied Power Electronics Conference and Exposition (APEC), 2013 Twenty-Eighth Annual IEEE. IEEE, 2013. p. 2048-2051.
따라서 상술한 문제를 해결하기 위한 본 발명의 목적은 직류전압을 안정된 직류전압으로 변환시켜주는 고주파 공진형 스위칭 전원장치에서 높은 전력변환 효율을 얻을 수 있도록 LLC 공진형 컨버터를 사용하고, 변압기 2차측에 다이오드 대신에 MOSFET와 같은 반도체 스위치를 사용하는 동기정류기를 사용할 시, 상기 동기정류기의 스위치를 구동하기 위해서 변압기 1차측에 흐르는 전류를 전압으로 변환시켜주는 전류-전압 변환회로, 안정된 상태에서 동기 정류기를 구동시키기 위한 스위치 보호 논리회로 및 고주파 스위칭 주파수에서 두 개의 동기정류기 스위치를 정확하게 구동하기 위한 구동회로를 통해 LLC 공진형 컨버터의 동기정류기 스위치를 조정하여 안정된 상태에서 전력변환 효율을 높일 수 있는 고신뢰성의 스위칭 전원장치를 제공할 수 있는 스위치 정류기 구동회로를 제공하는데 있다.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 스위칭 전원장치의 스위치 정류기 구동회로는, LLC 공진형 컨버터의 변압기 2차측에 두 개의 반도체 스위치를 사용하는 동기정류기를 구비하는 스위칭 전원장치에 있어서, 상기 반도체 스위치를 구동하기 위해서 변압기 1차측에 흐르는 전류를 전압으로 변환시켜주는 전류-전압 변환회로; 안정된 상태에서 상기 동기정류기를 구동시키기 위한 스위치 보호 논리회로; 및 고주파 스위칭 주파수에서 상기 두 개의 반도체 스위치를 정확하게 구동하기 위한 구동회로;를 포함하여 구성되어, 상기 LLC 공진형 컨버터의 변압기 2차측에 존재하는 동기정류기를 고속으로 안전하게 구동하는 것을 특징으로 한다.
이에 따라, 본 발명에 따른 스위칭 전원장치의 스위치 정류기 구동회로는 변압기 1차측에서 구동신호를 검출하기 때문에 비교적 전류가 적고 따라서 전류를 검출하기 위한 부가 회로가 존재해도 변압기 2차측 검출 방식에 비해 전력변환 손실을 줄이고 전력변환 효율을 높일 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 스위칭 전원장치의 스위치 정류기 구동회로는 상기 변압기의 1차측과 직렬로 연결되는 전류변압기;를 더 구비하고, 상기 전류-전압 변환기는, 상기 전류변압기의 2차측에 직렬로 연결되어 상기 전류변압기의 2차측에서 발생하는 전압의 최대값을 억제하는 두 개의 제너다이오드 및 전류의 방향에 따라 적정한 크기의 전압으로 증폭하도록 상기 제너다이오드와 병렬로 연결된 저항을 포함하는 것을 특징으로 한다.
이에 따라, 본 발명에 따른 스위칭 전원장치의 스위치 정류기 구동회로는 전류변압기와 직렬로 연결된 두 개의 제너다이오드를 사용하여 변압기 1차측 전류의 방향에 따라 음과 양의 전압이 발생할 시, 발생된 전압이 과도하게 높아지는 것을 방지할 수 있으며, 제너다이오드와 병렬로 구성된 전압증폭기는 피크전압에 구애 받지 않고 이득을 높일 수 있어서 빠른 구동전압을 만들게 되어 고속의 스위치에도 안정적으로 대응할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 스위칭 전원장치의 스위치 정류기 구동회로의 상기 스위치 보호 논리회로는, 상기 전류-전압 변환기에서 얻어진 구동신호를 3개의 입력을 갖는 AND 논리회로의 입력 중 하나에 연결하고, 상기 반도체 스위치 전압을 입력으로 하는 NOT 논리회로의 출력을 AND 논리회로 입력 중 다른 하나에 연결하며, 상기 전류-전압 변환기에서 얻어진 두 개의 구동신호를 입력으로 하는 NOT 논리회로의 출력을 상기 AND 논리회로 입력 중 나머지 하나에 연결하여 상기 반도체 스위치를 보호하는 것을 특징으로 한다.
이때, 본 발명에 따른 스위칭 전원장치의 스위치 정류기 구동회로에 있어서 상기 스위치 보호 논리회로의 상기 AND 논리회로 입력 중 나머지 하나는, 두 개의 정류기 스위치 구동신호가 동시에 턴온되지 않도록 하는 동시 턴온 금지신호인 것을 특징으로 한다.
이에 따라, 본 발명에 따른 스위칭 전원장치의 스위치 정류기 구동회로는 입력이 3개인 AND 논리회로를 사용하여 구동신호, 스위치 전압, 상호 구동신호 등 3개의 입력을 상시 감시하여 최종적인 구동 신호를 얻을 수 있으므로, 스위칭 전원장치가 동작하고 있는 상황에서 발생하는 다양한 경우의 오동작에 대해 대응할 수 있게 된다.
또한, 본 발명에 따른 스위칭 전원장치의 스위치 정류기 구동회로의 상기 구동회로는, 상기 스위치 보호 논리회로와 상기 반도체 스위치에 각각 직렬로 연결되어 구동신호를 상기 반도체 스위치가 정확하고 빠르게 스위칭할 수 있도록 하는 전류증폭기인 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 스위칭 전원장치의 스위치 정류기 구동회로의 상기 LLC 공진형 컨버터는, 직류입력전압에서 브릿지 회로, 두 개의 공진 인덕터, 한 개의 공진 커패시터 및 한 개의 변압기를 포함하는 것을 특징으로 한다.
전술한 바와 같이 본 발명은 변압기 1차측에서 구동신호를 검출하기 때문에 비교적 전류가 적고 따라서 전류를 검출하기 위한 부가 회로가 존재해도 변압기 2차측 검출 방식에 비해 전력변환 손실을 줄이고 전력변환 효율을 높일 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 변압기 1차측 전류의 방향에 따라 음과 양의 전압으로 발생된 전압이 자동적으로 제한되고 따라서 피크전압에 구애 받지 않고 이득을 높일 수 있어서 빠른 구동전압을 만들게 되어 고속으로 동기정류기를 구동할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 입력이 3개인 AND 논리회로를 사용하여 스위치 보호 논리회로를 구성함으로써 스위칭 전원장치가 동작하고 있는 상황에서 발생하는 다양한 경우의 오동작을 방지할 수 있는 효과가 있다.
이에 따라, 본 발명은 효과적인 동기정류기 구동에 의해 전력변환 효율을 개선하여 스위칭 전원장치의 내부 발열을 낮춤으로써 고신뢰성 및 고효율의 스위칭 전원장치를 제공할 수 있는 장점이 있다.
도 1은 종래기술에 따른 다이오드 정류기가 사용된 하프브릿지 LLC 공진형 컨버터의 기본회로도,
도 2는 도 1의 다이오드 정류기가 사용된 하프브릿지 LLC 공진형 컨버터의 주요 동작 파형도,
도 3은 본 발명에 따른 동기정류기 구동회로를 적용한 하프브릿지 LLC 공진형 컨버터의 제어개념도,
도 4는 도 3의 동기정류기 구동회로를 적용한 하프브릿지 LLC 공진형 컨버터의 일 실시 예에 따른 상세회로도,
도 5는 도 3의 동기정류기 구동회로가 사용된 하프브릿지 LLC 공진형 컨버터의 주요 동작 파형도,
도 6a 및 도 6b는 본 발명에 따른 전압 제한 전류-전압 변환기의 동작상태 회로도,
도 7a 및 도 7b는 본 발명에 따른 동기정류기 구동회로를 적용하는 경우 동기정류기 스위치가 턴온(Turn on) 되기 위한 조건표.
이하에서는 본 발명에 따른 스위칭 전원장치의 스위치 정류기 구동회로에 대한 실시 예를 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 이하에서 설명되는 실시 예는 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위하여 제공되는 것으로, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시 예에 한정되지 않고 다양한 형태로 구현될 수 있다.
도면들 중 동일한 구성들은 가능한 한 어느 곳에서든지 동일한 부호들을 나타낸다. 하기의 설명에서 구체적인 특정 사항들이 나타나고 있는데, 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해 제공된 것일 뿐, 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 그리고 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 한다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
아울러 어떤 부분이 어떤 구성요소를 포함한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미하며, "부"의 용어에 대한 의미는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위 또는 모듈 형태를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 혹은 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수도 있다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 것으로서, 이는 본 발명의 기술적 사상에 부합되는 개념과 당해 기술분야에서 통용 또는 통상적으로 인식되는 의미로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
먼저, 도 1 및 도 2를 참조하여, 종래기술에 따른 다이오드 정류기가 사용된 하프브릿지 LLC 공진형 컨버터를 살펴본다. 도 1은 종래기술에 따른 다이오드 정류기가 사용된 하프브릿지 LLC 공진형 컨버터의 기본회로도이고, 도 2는 도 1의 다이오드 정류기가 사용된 하프브릿지 LLC 공진형 컨버터의 주요 동작 파형도를 나타낸 것이다.
도 1을 참조하면, 직류입력전압(VS)은 하프브릿지를 구성하는 두 개의 스위치(MOS1, MOS2)와 두 개의 공진 인덕터(LR, LM), 한 개의 공진 커패시터(CR)가 변압기(TRANS1)의 1차측에 구성되고, 센터탭 구조의 변압기 2차측에는 두 개의 다이오드(DR1, DR2)가 정류기를 구성하고, 한 개의 출력용 커패시터(COUT)가 출력전압을 안정화 시켜주고, 부하저항(RLOAD)에서 출력전력을 소모하게 된다.
도 2를 참조하면, 두 개의 스위치(MOS1, MOS2)를 구동하기 위한 제어신호(VGATE1, VGATE2)가 외부의 제어회로에서 인가되면 세 개의 공진 소자(LR, LM, CR)에 의해 변압기 1차측 전류(iLP)와 공진전류(iLR)가 발생되며, 이 때 두 개의 전류는 공진 때문에 정현파와 유사한 파형으로 나타난다. 변압기 2차측에는 다이오드(DR1, DR2)의 정류기능 때문에 앞서 설명했던 변압기 1차측 전류가 반파정류 형태로 정류된 전류(iDR1, iDR2)가 각각의 다이오드에 흐르게 되며, 동시에 다이오드 전압(VDR1, VDR2)은 전류가 흐르지 않는 구간에만 출력전압(VO)의 2배가 걸리게 된다. 이 때, 각각의 다이오드 전류(iDR1, iDR2)가 흐르지 않는 동안에는 두 개의 다이오드 전압(VDR1, VDR2)이 분압되는 과도구간이 존재한다.
도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 종래기술에 따른 다이오드 정류기가 사용된 하프브릿지 LLC 공진형 컨버터에서는 변압기 2차측에 존재하는 두 개의 정류다이오드(DR1, DR2)는 스위칭 한 주기 중에서 반 주기 동안에만 전류가 흐르게 되며, 전류가 흐르지 않는 구간에는 출력전압의 2배가 전압으로 걸린다는 것을 알 수 있다.
이러한 종래기술에 따른 다이오드 정류기 방식은 회로구성이 간단하고 스위칭 손실이 저감되는 장점이 있지만, 출력전류가 증가하면 다이오드의 전도손실이 증가하여 과도한 내부손실과 발열이 발생하기 때문에 이를 위한 방열기구가 증가하게 되어 결국 전원장치의 소형화에 걸림돌이 된다.
이러한 문제를 해결하기 위해서 다이오드 대신 MOSFET와 같은 반도체 스위치를 사용하는 소위 동기정류기 방식이 도입되었지만 동기정류기는 자가 스위칭하는 다이오드와 달리 스위치를 적절하게 제어시키는 외부의 제어신호가 필요하기 때문에 정확하고 빠른 구동회로와 같이 사용하지 않으면 불안정 상태에서 동작하게 되고 심지어는 스위치가 순간적으로 단락되어 파괴되는 문제가 발생할 수 있다.
이러한 동기정류기 구동회로는 크게 전압구동형과 전류구동형이 있으며, 일반적으로 LLC 공진형 컨버터는 변압기 2차측에 존재하는 동기정류기를 구동하기 위해서 전류 구동방식이 사용된다. 전류 구동방식은 스위치의 전류가 흐르는 기간 동안만 스위치를 턴온(Turn on)시켜야 하기 때문에 스위치의 전류를 검출하기 위하여 큰 출력전류가 흐르는 변압기 2차측에서 스위치 전류를 검출하는 경우가 많다. 최근에는 비교적 전류가 적게 흐르는 변압기 1차측 전류를 검출하여 동기정류기 구동신호를 구성하는 1차측 전류구동 회로가 연구되고 있으나 변압기의 1차측에서 전류를 검출하기 때문에 신호의 지연과 불안정한 동작상태에서 구동신호가 불안하여 스위치가 오동작하게 되며, 심지어는 스위치가 파괴될 수도 있다.
상술한 종래기술에 따른 문제점들을 해결하기 위한 본 발명에 따른 스위칭 전원장치의 스위치 정류기 구동회로의 구성 및 동작을 이하에서 도 3 내지 도 5를 참조하여 상세히 설명한다.
먼저, 도 3을 참조하면, 직류입력전압(VS)은 하프브릿지를 구성하는 두 개의 스위치(MOS1, MOS2)와 두 개의 공진 인덕터(LR, LM), 한 개의 공진 커패시터(CR)가 변압기(TRANS1) 1차측에 구성되고, 센터탭 구조의 변압기(TRANS1) 2차측에는 두 개의 반도체 스위치(MOS3, MOS4)가 정류기를 구성하며, 한 개의 출력용 커패시터(COUT)가 출력전압을 안정화시키기 위해 구비되고, 부하저항(RLOAD)에서 출력전력을 소모하게 된다.
또한, 본 발명에 따른 스위치 정류기 구동회로를 구성하기 위해서 변압기(TRANS1) 1차측에서 변압기 1차측 전류(iLP)를 검출하는 전류-전압 변환기(110)와, 스위칭 전원장치의 내부 상황에 맞는 안전한 동작상태 확보를 위한 스위치 보호 논리회로(120) 및 논리회로(120)에서 얻어진 최종 구동신호를 통해 스위치를 구동하기 위한 구동회로(130)를 결합하여 안정성이 향상된 스위치 정류기 구동회로(100)를 구현한다.
다음으로, 도 4 및 도 5를 참조하여 본 발명에 따른 스위치 정류기 구동회로를 더욱 상세히 설명한다. 도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이, 하프브릿지를 구성하는 두 개의 스위치(MOS1, MOS2)를 구동하기 위한 제어신호(VGATE1, VGATE2)가 외부의 제어회로에서 인가되면 세 개의 공진 소자(LR, LM, CR)에 의해 변압기 1차측 전류(iLP)와 공진전류(iLR)가 발생되며, 이때 두 개의 전류(iLP, iLR)는 공진 때문에 정현파와 유사한 파형으로 나타난다. 변압기(TRANS1) 2차측에는 정류기의 정류기능 때문에 앞서 설명했던 변압기 1차측 전류(iLP)가 반파정류 형태로 정류된 전류(iSR3, iSR4)가 각각의 스위치(MOS3, MOS4)에 흐르게 된다.
이에 따라, 스위치 전압(VSR3, VSR4)은 전류가 흐르지 않는 동안만 출력전압(VO)의 2배가 걸리게 되며, 이때 각각의 스위치(MOS3, MOS4)의 전류가 흐르지 않는 동안에는 두 개의 스위치(MOS3, MOS4)의 전압이 분압되는 과도구간이 존재한다.
도 6a 및 도 6b는 본 발명에 따른 전압 제한 전류-전압 변환기의 동작상태 회로도로서 도 6a 및 도 6b를 참조하면, 도 4에 도시된 회로도에서 변압기의 1차측에 전류변압기(CT1, Current transformer)를 직렬 구성하게 되면, 전술한 바와 같이 변압기 1차측에 흐르는 전류(iLP)는 정현파와 유사한 상태가 되며, 변압기 2차측의 정류전류(iSR3, iSR4)와 항상 동기되므로 변압기 1차측 전류(iLP)를 측정하여 정류기의 구동신호로 사용해도 무방하다. 이때, 도 6a에 도시된 바와 같이, 변압기 1차측 전류(iLP)가 위에서 아래로 흐를 때 전류변압기(CT1)는 1차와 2차의 권선비(N)에 따라 하기의 수학식 1에 따라 2차측에 흐르는 전류 크기가 변환된다.
Figure 112015092787610-pat00001
전류변압기(CT1)의 2차측에 제너다이오드(ZD1, ZD2) 두 개를 직렬 구성하고 저항(RD1, RD2) 두 개를 제너다이오드와 병렬로 구성하게 되면, 2차측 전류(iLS)는 시계방향으로 흐르게 되어 저항(RD1)에 전압(V4)이 발생하며, 발생한 전압(V4)은 하기의 수학식 2와 같이 계산된다.
Figure 112015092787610-pat00002
그러나 이때, 제너다이오드(ZD1)로 인하여 전압(V4)의 최대값은 하기의 수학식 3과 같이 제너전압(VZD1)으로 제한된다.
Figure 112015092787610-pat00003
따라서 구동신호 전압(V4)은 도 5에서와 같이 최대값이 제한되어 전압발생 저항(RD1)의 크기를 키울 수 있으므로 전압이득을 자유롭게 조정할 수 있게 된다.
한편, 도 6b에 도시된 바와 같이, 전류변압기(CT1)의 1차측 전류(iLP)가 아래에서 위로 흐르는 방향이 바뀌게 되면 도 6b와 같이 2차측 전류(iLS)가 시계 반대방향으로 흐르면서 하기의 수학식 4와 같이 저항(RD2)에 전압(V5)이 발생한다.
Figure 112015092787610-pat00004
변압기(TRANS1) 1차측에서 얻어진 각각의 정류기 구동신호는 입력이 3개인 AND 논리회로(AND1, AND2)를 사용하여 스위치 보호 논리회로(120)를 구성하였다. 먼저, 3개의 입력 중 하나는 전류-전압 변환기(110)에서 얻어진 구동신호이며, 다른 하나는 정류기 스위치의 전압(VSR3, VSR4)을 NOT 논리회로(NOT1, NOT2)를 거쳐서 스위치의 전압(VSR3, VSR4) 유무를 판단할 수 있는 신호이며, 나머지 하나는 각 정류기 구동회로와 직렬로 NOT 논리회로(NOT3, NOT4)를 거쳐서 두 개의 정류기 구동신호(V4, V5)가 동시에 턴온되지 않도록 하는 동시 턴온 금지신호(V12, V13)이다.
도 7a 및 도 7b는 본 발명에 따른 스위치 정류기 구동회로를 적용하는 경우 정류기 스위치(MOS3, MOS4)가 턴온(Turn on) 되기 위한 조건표를 나타낸 것으로, 3 개의 입력을 갖는 AND 논리회로(AND1, AND2)가 동작하는 경우 정상적인 구동신호가 발생되기 위해서는 도 7a 및 도 7b 각각의 최하단 행과 같이 정류기 구동신호(V8, V9)가 존재하고, 정류기 스위치(MOS3, MOS4)에 걸린 전압(VSR3, VSR4)이 없어야 하며, 다른 정류기의 구동신호가 없어야 하는 조건이 성립되어야 한다.
따라서 구동신호(V4, V5), 스위치 전압(VSR3, VSR4), 상호 구동신호(V12, V13) 등 3개의 입력을 상시 감시하여 최종적인 구동 신호(V8, V9)를 얻는 스위치 보호 논리회로(120)를 구성하여 스위칭 전원장치가 동작하고 있는 상황에서 발생하는 다양한 경우의 오동작에 대해 안정된 대응이 가능하다.
다음으로, 3개의 입력을 갖는 AND 논리회로(AND1, AND2)는 MOSFET와 같은 전력용 스위치를 구동시킬 수 있는 충분한 전류가 공급되지 않으므로 정류기 스위치 MOSFET(MOS3, MOS4)를 고속으로 구동시킬 수 있는 전류구동소자(GD3, GD4)가 직렬로 구비되는 것이 바람직하다.
전술한 바와 같이, 본 발명에 따른 스위칭 전원장치의 스위치 정류기 구동회로는 변압기 1차측에서 구동신호를 검출하기 때문에 비교적 전류가 적고 따라서 전류를 검출하기 위한 부가 회로가 존재해도 변압기 2차측 검출 방식에 비해 전력변환 손실을 줄이고 전력변환 효율을 높일 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 스위칭 전원장치의 스위치 정류기 구동회로는 변압기 1차측 전류의 방향에 따라 음과 양의 전압으로 발생된 전압이 자동적으로 제한되고 따라서 피크전압에 구애 받지 않고 이득을 높일 수 있어서 빠른 구동전압을 만들게 되어 고속으로 정류기를 구동할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 스위칭 전원장치의 스위치 정류기 구동회로는 입력이 3개인 AND 논리회로를 사용하여 스위치 보호 논리회로를 구성함으로써 스위칭 전원장치가 동작하고 있는 상황에서 발생하는 다양한 경우의 오동작을 방지할 수 있으며, 이에 따라 효과적인 동기정류기 구동에 의해 전력변환 효율을 개선하여 스위칭 전원장치의 내부 발열을 낮춤으로써 고신뢰성 및 고효율의 스위칭 전원장치를 제공할 수 있다.
한편, 본 발명의 상세한 설명에서는 첨부된 도면에 의해 참조되는 바람직한 실시 예를 중심으로 구체적으로 기술되었으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다. 그러므로 본 발명의 범위는 설명된 실시 예에 국한되어 정해져서는 안되며 후술하는 특허청구의 범위뿐 아니라 이 특허청구의 범위와 균등한 것들에 의해서 정해져야 한다.

Claims (7)

  1. LLC 공진형 컨버터의 변압기 2차측에 두 개의 반도체 스위치를 사용하는 동기정류기를 구비하는 스위칭 전원장치에 있어서,
    상기 반도체 스위치를 구동하기 위해서 변압기 1차측에 흐르는 전류를 전압으로 변환시켜주는 전류-전압 변환기;
    상기 변압기의 1차측과 직렬로 연결되는 전류변압기; 및
    상기 전류-전압 변환기의 제1 및 제2 출력을 3개의 입력을 갖는 제1 및 제2 AND 논리회로의 제1입력에 각각 연결하고, 상기 두 개의 반도체 스위치의 출력을 각각 입력받는 두 개의 NOT 논리회로의 출력을 상기 제1 및 제2 AND 논리회로의 제2입력에 각각 연결하며, 상기 전류-전압 변환기의 제1 및 제2 출력을 각각 입력받는 두 개의 NOT 논리회로의 출력을 상기 제2 및 제1 AND 논리회로의 제3입력에 각각 연결하여 상기 두 개의 반도체 스위치에 각각 구동신호로 공급하는 스위치 보호 논리회로;를 포함하는 것을 특징으로 하는 스위칭 전원장치의 스위치 정류기 구동회로.
  2. 삭제
  3. 제 1항에 있어서, 상기 전류-전압 변환기는,
    상기 전류변압기의 2차측에 직렬로 연결되어 상기 전류변압기의 2차측에서 발생하는 전압의 최대값을 억제하는 두 개의 제너다이오드 및 전류의 방향에 따라 적정한 크기의 전압으로 증폭하도록 상기 제너다이오드와 병렬로 연결된 저항을 포함하는 것을 특징으로 하는 스위칭 전원장치용 스위치 정류기 구동회로.
  4. 삭제
  5. 제 1항에 있어서, 상기 AND 논리회로 입력 중 나머지 하나는,
    두 개의 정류기 스위치 구동신호가 동시에 턴온되지 않도록 하는 동시 턴온 금지신호인 것을 특징으로 하는 스위칭 전원장치용 스위치 정류기 구동회로.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 스위치 보호 논리회로의 두 개의 출력과 상기 두 개의 반도체 스위치 사이에 각각 직렬로 연결되어 상기 구동신호를 상기 두 개의 반도체 스위치에 각각 공급하는 전류증폭기;를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 스위칭 전원장치용 스위치 정류기 구동회로.
  7. 제 1항에 있어서, 상기 LLC 공진형 컨버터는,
    직류입력전압에서 브릿지 회로, 두 개의 공진 인덕터, 한 개의 공진 커패시터 및 한 개의 변압기를 포함하는 것을 특징으로 하는 스위칭 전원장치용 스위치 정류기 구동회로.
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Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110884527B (zh) * 2019-09-18 2021-08-06 中国铁道科学研究院集团有限公司通信信号研究所 一种道岔整流设备及其监控系统
EP4241374A1 (en) * 2020-11-06 2023-09-13 Telefonaktiebolaget LM Ericsson (publ) Circuit and method for controlling rectifier, and circuit including the rectifier
CN113904419A (zh) * 2021-11-24 2022-01-07 中山市浩成自动化设备有限公司 一种大功率电池充电器及其控制方法

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20080186742A1 (en) * 2005-05-18 2008-08-07 Pstek Co., Ltd. Synchronous Rectifier Type Series Resonant Converter for Operating in Intermittence Mode

Family Cites Families (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6256214B1 (en) 1999-03-11 2001-07-03 Ericsson Inc. General self-driven synchronous rectification scheme for synchronous rectifiers having a floating gate
KR100508208B1 (ko) 2002-09-26 2005-08-17 동양이엔피 주식회사 스위칭 전원 장치용 동기 정류 회로
KR100774145B1 (ko) 2007-04-18 2007-11-07 주식회사 큐리온 자기 구동 동기 정류기를 갖는 전력 컨버터

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20080186742A1 (en) * 2005-05-18 2008-08-07 Pstek Co., Ltd. Synchronous Rectifier Type Series Resonant Converter for Operating in Intermittence Mode

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Xinke Wu et al. "Current Driven Synchronous Rectifier with Primary Current Sensing for LLC Converter. IEEE. 2009.
Xinke Wu et al. "A New Current-Driven Synchronous Rectifier for Series-Parallel Resonant(LLC) DC-DC Converter". IEEE. 2011. 01.*

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