KR101934446B1 - 자기 집적 회로 및 위상 천이에 의한 자속 밀도 감소 방법 - Google Patents

자기 집적 회로 및 위상 천이에 의한 자속 밀도 감소 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 Boost PFC의 인덕터 및 Flyback 트랜스포머가 하나로 집적된 교류-직류 컨버터와 위상을 천이(Shifting) 시킴으로써 자속 밀도의 포화를 방지하는 방법에 관한 것으로서, 본 발명의 실시예에 따른 자기 집적 회로는 부스트 인덕터(Boost Inductor)를 포함하는 역률 보정단(PFC-Stage); 및 1차 권선 및 2차 권선을 포함하는 플라이백 변압기(Flyback Transformer);를 포함하고, 상기 부스트 인덕터, 상기 플라이백 변압기의 1차 권선, 및 상기 플라이백 변압기의 2차 권선은 하나의 코어에 권선된 것일 수 있다.

Description

자기 집적 회로 및 위상 천이에 의한 자속 밀도 감소 방법{Integrated magnetic circuit and the method of reducing magnetic density by shifting phase}
본 발명은 자기 집적 회로 및 위상 천이에 의한 자속 밀도 감소 방법에 관한 것이다.
노트북 컴퓨터를 비롯한 모바일 전자기기의 전력사용량이 증가함에 따라, 이들 전자기기에 전력을 공급하는 AC 어댑터(Adapter)에 요구되는 전력 또한 증가되고 있다. 이러한 AC 어댑터의 경우 휴대를 위해 소형화가 필수적이므로 AC 어댑터의 전력밀도의 증가가 주요한 설계 포인트가 되고 있다. 현재 AC 어댑터의 구성에 있어서 가장 큰 부피를 차지하는 단일부품은 변압기를 비롯한 자성체 부품과 커패시터이며, AC 어댑터의 소형화를 위해서는 이들 부품의 소형화 및 집적화가 필수적이다.
현재 AC 어댑터에 사용되고 있는 전력 변환회로 토폴로지는 입력 전력 75W를 기준으로 구분되는데, 75W 이하의 소용량에서는 Flyback 회로를 기반으로 하는 Single-Stage 방식을 사용하며, 75W 이상에서는 PFC(Power Factor Correction)단과 DC/DC 컨버터단을 갖는 Two-Stage 방식을 사용하고 있다.
도 1은 종래 기술에 의한 교류-직류 컨버터의 회로도이다.
도 1을 참조하면, 교류-직류 컨버터(10)는 역률을 보정하는 역률 보정단(PFC stage) 및 직류-직류 컨버터 단으로 나누어질 수 있다.
상기 역률 보정단은 부스트 인덕터(1) 및 상기 부스트 인덕터(1)와 연결되어 상기 부스트 인덕터(1)에 스위칭 신호를 공급하는 제1 스위치(Sa)를 포함하고, 상기 직류-직류 컨버터 단은 플라이백 변압기(2) 및 상기 플라이백 변압기(2)와 연결되어 상기 플라이백 변압기(2)에 스위칭 신호를 공급하는 제2 스위치(Sb)를 포함한다. 75W 이상의 입력 전력이 적용되는 AC/DC 컨버터의 경우 역률 보정 회로가 필요하고, 역률 및 출력 전압의 특성을 만족하기 위해서는 2-스테이지(Two-Stage) 방식이 사용되어야 하는데, 이러한 2-스테이지 방식은 PFC용 인덕터 및 DC/DC용 변압기로 인해 부피가 커지게 되고 가격이 상승하게 된다. 따라서, PFC 인덕터 및 DC/DC 변압기를 하나의 코어에 집적할 필요가 있다.
그러나, 특허문헌 1 등에 개시된 종래의 일반적인 전원공급장치에서는 PFC와 DC/DC 컨버터 또는 DC/AC 인버터 등을 구현함에 있어서 각각 별도의 변압기를 사용하고 있었으며, 이에 따라 소형화에 한계가 있었다.
대한민국 특허공개공보 제2006-0079872호
본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 일 실시예는 역률 보정단의 부스트 인덕터와 플라이백 변압기의 권선을 하나의 코어에 권선함으로써 회로 설계에 의한 부피를 줄이고, 또한 이들에 대한 개별 권선으로 인한 제조 원가를 낮추기 위한 것이 목적이다.
또한, 본 발명은 부스트 인덕터에 공급되는 제1 스위칭 신호와 플라이백 변압기에 공급되는 제2 신호에 대하여 각각 180도의 위상차를 설정함으로써 자속이 포화되는 것을 방지하는 것이 목적이다.
본 발명의 실시예에 따른 자기 집적 회로는 부스트 인덕터(Boost Inductor)를 포함하는 역률 보정단(PFC-Stage); 및 1차 권선 및 2차 권선을 포함하는 플라이백 변압기(Flyback Transformer);를 포함하고, 상기 부스트 인덕터, 상기 플라이백 변압기의 1차 권선, 및 상기 플라이백 변압기의 2차 권선은 하나의 코어에 권선된 것일 수 있다.
상기 코어는 EE 코어 또는 EI 코어이고, 상기 부스트 인덕터는 상기 코어의 중앙 레그에 권선되며, 상기 플라이백 변압기의 1차 권선은 상기 코어의 상부 레그에 권선되고, 상기 플라이백 변압기의 2차 권선은 상기 코어의 하부 레그에 권선되는 것일 수 있다.
상기 부스트 인덕터와 연결되고, 제1 주파수를 갖는 제1 스위칭 신호를 발생하는 제1 스위치; 및 상기 플라이백 변압기와 연결되고, 제2 주파수를 갖는 제2 스위칭 신호를 발생하는 제2 스위치;를 더 포함할 수 있다.
상기 제1 주파수와 상기 제2 주파수는 동일 한 것일 수 있다.
상기 제1 주파수와 상기 제2 주파수는 180도의 위상차를 가질 수 있다.
상기 코어는 EE 코어 또는 EI 코어일 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 위상 천이에 의한 자속 밀도 감소 방법은 3개의 레그를 포함하는 코어가 준비되는 단계; 상기 코어의 중앙 레그에 부스트 인덕터가 권선되는 단계; 상기 코어의 상부 레그 및 하부 레그에 플라이백 변압기의 1차 권선 및 2차 권선이 각각 이루어지는 단계; 및 상기 부스트 인덕터에는 제1 주파수에 의한 제1 스위칭 신호가 입력되고, 상기 플라이백 변압기의 1차 권선 및 2차 권선에는 상기 제1 주파수와 180도의 위상차를 갖는 제2 주파수에 의한 제2 스위칭 신호가 입력되는 단계;를 포함할 수 있다.
상기 코어는 EE 코어 또는 EI 코어일 수 있다.
상기 제1 주파수와 상기 제2 주파수는 동일 한 것일 수 있다.
이와 같은 본 발명에 의하면, 역률 보정단의 부스트 인덕터와 플라이백 변압기의 권선을 하나의 코어에 권선함으로써 회로 설계에 대한 부피를 줄일 수 있고, 또한 이들에 대한 개별 권선으로 인한 제조 원가가 낮아지는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 의하면 부스트 인덕터에 공급되는 제1 스위칭 신호와 플라이백 변압기에 공급되는 제2 스위칭 신호에 대하여 각각 180도의 위상차를 설정함으로써 자속이 포화되는 것을 방지할 수 있다.
도 1은 종래 기술에 의한 교류-직류 컨버터의 회로도.
도 2는 본 발명의 실시예에 의하여 권선된 코어.
도 3은 본 발명의 실시예에 의한 코어의 자속 흐름도.
도 4는 본 발명의 실시예에 의한 코어에 대하여 제1 스위칭 신호와 제2 스위칭 신호가 동상(In-phase)인 경우 및 180도 위상차(Phase shift)를 설정한 경우의 그래프.
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 구체적인 실시형태를 설명하기로 한다. 그러나 이는 예시에 불과하며 본 발명은 이에 제한되지 않는다.
본 발명을 설명함에 있어서, 본 발명과 관련된 공지기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략하기로 한다. 그리고, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
본 발명의 기술적 사상은 청구범위에 의해 결정되며, 이하의 실시예는 본 발명의 기술적 사상을 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 효율적으로 설명하기 위한 일 수단일 뿐이다.
이하에서는 첨부된 예시 도면을 참조하여 본 발명에 대해 설명한다.
도 2는 본 발명의 실시예에 의하여 권선된 코어이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 자기 집적 회로는 부스트 인덕터(Boost Inductor)를 포함하는 역률 보정단(PFC-Stage); 및 1차 권선(51) 및 2차 권선(61)을 포함하는 플라이백 변압기(Flyback Transformer);를 포함하고, 상기 부스트 인덕터, 상기 플라이백 변압기의 1차 권선(51), 및 상기 플라이백 변압기의 2차 권선(61)은 하나의 코어에 권선된 것일 수 있다.
상기 코어는 EE 코어 또는 EI 코어일 수 있고, 이 경우 상기 코어는 3개의 레그(Leg)를 포함할 수 있다. 따라서, 상기 부스트 인덕터를 이루는 코일(71)은 상기 코어의 중앙 레그에 권선되고, 상기 플라이백 변압기의 1차 권선(51)은 상기 코어의 상부 코어(50)에 권선되며, 상기 플라이백 변압기의 2차 권선(61)은 상기 코어의 하부 코어(60)에 권선되는 것일 수 있다. 상기 부스트 인덕터, 상기 플라이백 변압기의 1차(51) 및 2차 권선(61)은 회로의 설계에 따라 권선수를 달리할 수 있고, 또한 권선되는 방향을 달리할 수 있다. 이와 같이 상기 부스트 인덕터와 플라이백 변압기의 권선을 하나의 코어에 집적하여 권선함으로써 단일 소자로 구현하므로 소자의 소형화를 이룰 수 있을 뿐만 아니라 제조 원가가 낮아질 수 있으며, 회로 설계에 있어서 용이할 수 있다.
도 3은 본 발명의 실시예에 의한 코어의 자속 흐름도이다.
도 2 내지 도 3을 참조하면, 실선으로 표시된 것은 상기 플라이백 변압기에서 발생한 자속(BF)의 방향이고, 점선으로 표시된 것은 상기 부스트 인덕터에서 발생한 자속(BP)의 방향이다. 여기서는 상기 플라이백 변압기에서 발생한 자속은 반시계 방향으로 이동한다고 가정한다. 상기 부스트 인덕터에서 발생한 자속은 상기 코어의 중앙 레그로부터 양측 레그로 균등하게 나뉘어져 이동함에 비해, 상기 플라이백 변압기에서 발생한 자속은 상기 코어의 중앙 레그를 거치지 않고 우측 레그로부터 좌측 레그로 이동할 수 있다. 따라서, 상기 코어의 우측 레그에서는 상기 플라이백 변압기에서 발생한 자속과 상기 부스트 인덕터에서 발생한 자속이 상쇄되지만, 상기 코어의 좌측 레그에서는 상기 플라이백 변압기에서 발생한 자속과 상기 부스트 인덕터에서 발생한 자속이 합쳐져서 자속 밀도가 서로 달라짐을 볼 수 있다.
도 4는 본 발명의 실시예에 의한 자기 집적 회로에 대하여 제1 스위칭 신호와 제2 스위칭 신호가 동상(In-phase)인 경우 및 180도 위상차(Phase shift)를 설정한 경우의 그래프이다.
도 1에 도시된 제1 스위치(Sa) 및 제2 스위치(Sb)는 도 2의 자기 집적 회로에도 적용될 수 있다. 따라서, 상기 제1 스위치는 상기 부스트 인덕터에 연결되고, 상기 제2 스위치는 상기 플라이백 변압기의 1차 권선(51)에 연결될 수 있다. 즉, 본 발명의 실시예에 의한 자기 집적 회로는 상기 부스트 인덕터와 연결되고, 제1 주파수를 갖는 제1 스위칭 신호를 발생하는 제1 스위치; 및 상기 플라이백 변압기와 연결되고, 제2 주파수를 갖는 제2 스위칭 신호를 발생하는 제2 스위치;를 더 포함할 수 있다.
상기 코어에 대하여 상기 제1 스위치에서 발생되는 제1 스위칭 신호와 상기 제2 스위치에서 발생되는 제2 스위칭 신호가 동상(In-phase)인 도 4의 좌측 그래프를 참조하면, 상기 제1 스위치 및 상기 제2 스위치는 동상이고, 각각 턴-온 및 턴-오프를 할 수 있다. 상기 제1 스위치의 턴-온 및 턴-오프에 따라 상기 부스트 인덕터의 자속 밀도(BP)에 관한 그래프가 나타나고, 상기 제2 스위치의 턴-온 및 턴-오프에 따라 상기 플라이백 변압기의 자속 밀도(BF)에 관한 그래프가 나타난다. 상기에서 설명한 바와 같이 상기 코어의 좌측 레그에서는 상기 부스트 인덕터의 자속과 상기 플라이백 변압기의 자속이 합쳐지게 되는데, 도 4의 좌측 하단에 나타난 그래프는 이를 나타낸다. 즉, 상기 코어의 좌측 레그에서의 자속 밀도(BC_L)는 상기 부스트 인덕터의 자속 밀도와 상기 플라이백 변압기의 자속 밀도가 합쳐져서 나타나게 되고, 합쳐진 자속 밀도가 최대가 되는 경우에는 상기 코어가 갖는 포화 자속 밀도의 수치를 넘어서게 되며, 이러한 자속 포화를 피하기 위해서는 자속이 포화되는 레그의 코어 단면적을 늘려야 하는 문제점이 발생하게 된다. 따라서, 합쳐진 자속 밀도의 최대치가 상기 코어가 갖는 포화 자속 밀도의 수치를 넘지 않도록 하는 것이 필요하다.
따라서, 본 발명의 실시예에 의하면 상기 제1 주파수와 상기 제2 주파수는 180도의 위상차를 가질 수 있다. 또한, 상기 제1 주파수의 크기와 상기 제2 주파수의 크기는 동일한 것일 수 있다.
상기 자기 집적 회로에 대하여 상기 제1 스위치에서 발생되는 제1 스위칭 신호와 상기 제2 스위치에서 발생되는 제2 스위칭 신호가 180도의 위상차(Phase shift)를 갖는 도 4의 우측 그래프를 참조하면, 상기 제1 스위칭 신호 및 상기 제2 스위칭 신호는 서로 180도의 위상차를 두고 각각 턴-온 및 턴-오프할 수 있다. 따라서, 상기 제1 스위치의 턴-온 및 턴-오프에 따라 상기 부스트 인덕터의 자속 밀도(BP)에 관한 그래프가 나타나고, 상기 제2 스위치의 턴-온 및 턴-오프에 따라 상기 플라이백 변압기의 자속 밀도(BF)에 관한 그래프가 나타나며, 이들의 각각에 대한 자속 밀도의 그래프 파형은 상기 제1 스위칭 신호와 상기 제2 스위칭 신호가 동상인 경우와 동일하다. 또한, 이들 각각에 대한 자속 밀도의 그래프에 있어서 자속 밀도의 최대값은 상기 제1 스위칭 신호와 상기 제2 스위칭 신호가 동상인 경우와 동일하다.
그러나, 상기 제1 스위치와 상기 제2 스위치는 서로 180도의 위상차를 갖고 각각 턴-온 및 턴-오프를 하므로, 상기 부스트 인덕터의 자속 밀도와 상기 플라이백 인덕터의 자속 밀도가 합쳐진 자속 밀도는 도 4의 우측 하단에 나타난 그래프와 같이 된다. 따라서, 도 4의 하단 그래프의 좌측 및 우측을 비교하면, 상기 제1 스위칭 신호와 상기 제2 스위칭 신호가 동상인 경우에는 합쳐진 자속 밀도가 상기 코어의 포화 자속 밀도를 넘어서게 되는 문제점이 있었으나, 상기 제1 스위칭 신호와 상기 제2 스위칭 신호에 각각 180도의 위상차를 주는 경우에는 합쳐진 자속 밀도의 최대값이 낮아지게 됨을 볼 수 있다. 즉, 상기 제1 스위칭 신호와 상기 제2 스위칭 신호에 각각 180도의 위상차를 주게 되면 상기 코어의 좌측 레그에서 발생되는 최대 자속 밀도는 상기 제1 스위칭 신호와 상기 제2 스위칭 신호가 동상의 위상을 갖는 경우보다 낮아지게 되어 자속 포화를 방지할 수 있다.
상기에서 설명한 바를 토대로 자속 밀도의 감소 방법을 설명하면, 본 발명의 실시예에 따른 자속 밀도 감소 방법은 3개의 레그를 포함하는 코어가 준비되는 단계; 상기 코어의 중앙 레그에 부스트 인덕터가 권선되는 단계; 상기 코어의 상부 레그 및 하부 레그에 플라이백 변압기의 1차 권선 및 2차 권선이 각각 이루어지는 단계; 및 상기 부스트 인덕터에는 제1 주파수에 의한 제1 스위칭 신호가 입력되고, 상기 플라이백 변압기의 1차 권선 및 2차 권선에는 상기 제1 주파수와 180도의 위상차를 갖는 제2 주파수에 의한 제2 스위칭 신호가 입력되는 단계;를 포함할 수 있다.
상기 코어는 EE 코어 또는 EI 코어일 수 있고, 상기 제1 주파수 및 상기 제2 주파수는 동일한 것일 수 있다. 상기에서 설명한 바와 중복되는 부분에 관한 설명은 생략하도록 한다.
이상에서 대표적인 실시예를 통하여 본 발명에 대하여 상세하게 설명하였으나, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 상술한 실시예에 대하여 본 발명의 범주에서 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 변형이 가능함을 이해할 것이다.
그러므로 본 발명의 권리범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 안 되며, 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
1 : 부스트 인덕터(Boost Inductor)
2 : 플라이백 변압기(Flyback Transformer)
10 : 교류-직류 컨버터(AC-DC Converter)
Sa : 제1 스위치 Sb : 제2 스위치
50 : 상부 코어 51 : 플라이백 변압기의 1차 권선
60 : 하부 코어 61 : 플라이백 변압기의 2차 권선
71 : 부스트 인덕터 100 : 자기 집적부

Claims (8)

  1. 부스트 인덕터(Boost Inductor)를 포함하는 역률 보정단(PFC-Stage);
    1차 권선 및 2차 권선을 포함하는 플라이백 변압기(Flyback Transformer);
    상기 부스트 인덕터와 연결되는 제1 스위치; 및
    상기 플라이백 변압기와 연결되는 제2 스위치;를 포함하고,
    상기 부스트 인덕터, 상기 플라이백 변압기의 1차 권선, 및 상기 플라이백 변압기의 2차 권선은 하나의 코어에 권선되며, 상기 부스트 인덕터에는 상기 제1 스위치를 통해 제1 주기에 의한 제1 스위칭 신호가 입력되고, 상기 플라이백 변압기의 1차 권선 및 2차 권선에는 상기 제2 스위치를 통해 제2 주기에 의한 제2 스위칭 신호가 입력되며, 상기 제1 스위치와 상기 제2 스위치는 번갈아 턴-온되어 상기 코어의 외부 레그의 자속 밀도를 포화 자속 밀도 이하로 유지하는 자기 집적 회로.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 코어는 EE 코어 또는 EI 코어이고,
    상기 부스트 인덕터는 상기 코어의 중앙 레그에 권선되며,
    상기 플라이백 변압기의 1차 권선은 상기 코어의 상부 레그에 권선되고,
    상기 플라이백 변압기의 2차 권선은 상기 코어의 하부 레그에 권선되는 것인 자기 집적 회로.
  3. 삭제
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 주기와 상기 제2 주기는 동일한 것인 자기 집적 회로.
  5. 삭제
  6. 3개의 레그를 포함하는 코어가 준비되는 단계;
    상기 코어의 중앙 레그에 부스트 인덕터가 권선되는 단계;
    상기 코어의 외부 레그의 상부 및 하부에 플라이백 변압기의 1차 권선 및 2차 권선이 각각 이루어지는 단계; 및
    상기 부스트 인덕터에는 제1 스위치를 통해 제1 주기에 의한 제1 스위칭 신호가 입력되고, 상기 플라이백 변압기의 1차 권선 및 2차 권선에는 제2 스위치를 통해 제2 주기에 의한 제2 스위칭 신호가 입력되며, 상기 제1 스위치와 상기 제2 스위치는 번갈아 턴-온되어 상기 코어의 외부 레그의 자속 밀도를 포화 밀도 이하로 유지하는 단계;를 포함하는 위상 천이에 의한 자속 밀도 감소 방법.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 코어는 EE 코어 또는 EI 코어인 위상 천이에 의한 자속 밀도 감소 방법.
  8. 제 6 항에 있어서,
    상기 제1 주기와 상기 제2 주기는 동일한 것인 위상 천이에 의한 자속 밀도 감소 방법.


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