KR102047890B1 - Llc 공진형 전원 공급 장치 - Google Patents

Llc 공진형 전원 공급 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명의 실시예는 LLC 공진형 전원 공급 장치에 관한 것으로, 해결하고자 하는 기술적 과제는 회로 구성과 제어 방법이 간단하여 전력 변환 효율 특성이 우수한 LLC 공진형 전원 공급 장치를 제공하는데 있다.
이를 위해 본 발명은 제1교류 전원을 제1직류 전원으로 변환하여 출력하는 제1전원 변환부와, 상기 제1전원 변환부로부터 상기 제1직류 전원을 공급받아 제2교류 전원으로 변환하고 상기 제2교류 전원을 제2직류 전원으로 변환하여 출력하는 제2전원 변환부와, 상기 제1,2전원 변환부의 사이에 병렬로 연결된 충전부를 포함하고, 상기 제2전원 변환부는 상기 제1전원 변환부와 상기 충전부에 병렬 연결되어 정해진 듀티로 전원을 출력하는 스위칭부와, 상기 스위칭부로부터 출력된 전원을 공진하는 LLC 공진부와, 상기 LLC 공진부로부터 공진하는 전원을 상기 제2교류 전원으로 변환하여 출력하는 변압부와, 상기 변압부로부터 출력된 제2교류 전원을 상기 제2직류 전원으로 정류하여 출력하는 정류부를 포함하는 LLC 공진형 전원 공급 장치를 개시한다.

Description

LLC 공진형 전원 공급 장치{LLC Resonant Power Supply}
본 발명의 실시예는 LLC 공진형 전원 공급 장치에 관한 것이다.
현대 사회가 정보화 사회로 돌입함에 따라 매우 신속하고 빈번한 정보 교환의 필요성이 대두되어 왔고, 이로 인해 유무선 통신 시스템이 매우 활발하게 개발되어 왔으며, 이의 가장 대표적인 방식이 인터넷 유선 통신과 모바일 무선 통신이다.
한편, 이러한 유무선 통신 시스템의 전원 공급 장치로 통상 SMPS(Switching Mode Power Supply)가 이용되는데, 이러한 전원 공급 장치는 상용 교류 전류를 입력받아 이를 직류로 변환하고, 다시 변환된 직류를 변압부에 입력하여 교류로 변환하고, 이 변압부에 입력된 교류를 출력단으로 출력하고, 변압부의 출력단으로부터 출력되는 교류를 다시 직류로 변환하여 통신 시스템에 사용된다. 다시 말해, 종래의 전원 공급 장치는 교류→직류→교류→교류→직류의 변환을 거쳐 통신 장치의 전원으로 공급된다. 그런데, 이와 같은 전원 공급 방법은 전류 변환 단계를 많이 거치기 때문에 에너지 손실이 큰 문제점이 있다.
또한, 종래 통신 시스템의 전원 공급 장치는 상용 교류 전원을 공급받는 입력측과 직류 전원을 공급하는 출력측이 전기적으로 분리되어(isolation) 있지 않고, 이로 인해 입력되는 전원의 변동이 그대로 출력측에 반영되었다. 이로 인해 이로 인해 종래의 통신 시스템용 전원 공급 장치는 입력 전원에 잡음(noise)이 발생하거나, 순간적으로 과도한 입력 전원(surge)이 발생하는 경우 그대로 출력측에 반영됨으로써 안정된 직류 전원을 공급하기가 힘든 문제점이 있다.
이러한 발명의 배경이 되는 기술에 개시된 상술한 정보는 본 발명의 배경에 대한 이해도를 향상시키기 위한 것뿐이며, 따라서 종래 기술을 구성하지 않는 정보를 포함할 수도 있다.
본 발명의 실시예에 따른 해결하고자 하는 과제는 회로 구성과 제어 방법이 간단하여 전력 변환 효율 특성이 우수한 LLC 공진형 전원 공급 장치를 제공하는데 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 해결하고자 하는 과제는 작은 크기를 가지면서도 절연 특성이 우수한 LLC 공진형 전원 공급 장치를 제공하는데 있다.
본 발명의 실시예에 따른 LLC 공진형 전원 공급 장치는 제1교류 전원을 제1직류 전원으로 변환하여 출력하는 제1전원 변환부와, 상기 제1전원 변환부로부터 상기 제1직류 전원을 공급받아 제2교류 전원으로 변환하고 상기 제2교류 전원을 제2직류 전원으로 변환하여 출력하는 제2전원 변환부와, 상기 제1,2전원 변환부의 사이에 병렬로 연결된 충전부를 포함할 수 있고, 상기 제2전원 변환부는 상기 제1전원 변환부와 상기 충전부에 병렬 연결되어 정해진 듀티로 전원을 출력하는 스위칭부와, 상기 스위칭부로부터 출력된 전원을 공진하는 LLC 공진부와, 상기 LLC 공진부로부터 공진하는 전원을 상기 제2교류 전원으로 변환하여 출력하는 변압부와, 상기 변압부로부터 출력된 제2교류 전원을 상기 제2직류 전원으로 정류하여 출력하는 정류부를 포함할 수 있으며, 상기 변압부는 판상의 제1절연부와, 상기 제1절연부로부터 연장된 제1절연 기둥과, 상기 제1절연 기둥에 연결된 판상의 제2절연부와, 상기 제2절연부로부터 연장된 제2절연 기둥과, 상기 제2절연 기둥에 연결된 판상의 제3절연부와, 상기 LLC 공진부에 연결된 채 상기 제1절연 기둥에 권취된 1차측 권선과, 상기 정류부에 연결된 채 상기 제2절연 기둥에 권취된 2차측 권선과, 상기 제1절연부와 상기 제2절연부를 연결하되 상기 제1절연 기둥과 상기 1차측 권선을 덮는 제4절연부와, 상기 제2절연부와 상기 제3절연부를 연결하되 상기 제2절연 기둥과 상기 2차측 권선을 덮는 제5절연부를 포함할 수 있다,
상기 제1전원 변환부는 역률 교정 회로를 더 포함할 수 있다.
상기 제2전원 변환부의 공진부는 상기 스위칭부에 연결된 제1캐패시터와, 상기 제1캐패시터에 연결된 제1인덕터와, 상기 제1인덕터와 상기 충전부에 연결된 제2인덕터를 포함할 수 있다.
상기 제2전원 변환부의 스위칭부는 고정 듀티로 동작할 수 있다.
상기 제2전원 변환부의 스위칭부는 하프 브리지 스위칭부를 포함하되, 상기 하프 브리지 스위칭부는 상기 충전부의 제1전극에 연결된 제1스위치와, 상기 제1스위치 및 상기 충전부의 제2전극에 연결된 제2스위치를 포함할 수 있다.
상기 제2전원 변환부의 정류부는 다이오드 정류 방식의 풀브리지 다이오드 정류기일 수 있다.
상기 제2전원 변환부의 스위칭부는 상기 부하에 연결된 전압 보상부에 의해 출력되는 제어 신호에 기반하여 변동 듀티로 동작할 수 있다.
상기 제2전원 변환부의 스위칭부는 풀 브리지 스위칭부를 포함하되, 상기 풀 브리지 스위칭부는 상기 충전부의 제1전극에 연결된 제1,3스위치와, 상기 제1,3스위치 및 상기 충전부의 제2전극에 연결된 제2,4스위치를 포함할 수 있다.
상기 제2전원 변환부의 정류부는 동기 정류 방식의 페이스 쉬프트 풀브리지 정류기일 수 있다.
상기 변압부의 제1,2,3,4,5절연부와 상기 제1,2절연기둥은 금속으로 형성되되 표면이 절연부로 코팅되고, 상기 제1,2,3,4,5절연부의 외측 표면에 다수의 방열 돌기가 더 형성될 수 있다.
본 발명의 실시예는 회로 구성과 제어 방법이 간단하여 전력 변환 효율 특성이 우수한 LLC 공진형 전원 공급 장치를 제공한다. 즉, 본 발명의 실시예는 제1전원 변환부 및 제2전원 변환부가 직렬로 연결되고, 제2전원 변환부가 비제어 방식의 스위칭부와 이에 연결된 LLC 공진부를 포함함으로써, 회로 구성 및 제어 방법이 간단함에도 불구하고, 전력 변환 효율 특성이 우수한 LLC 공진형 전원 공급 장치를 제공한다.
또한, 본 발명의 실시예는 작은 크기를 가지면서도 절연 특성이 우수한 LLC 공진형 전원 공급 장치를 제공한다. 즉, 본 발명의 실시예는 변압부 중 권선이 권취되는 절연부에 권선을 덮는 절연부가 추가적으로 형성됨으로써 절연 안전 규격을 만족하면서도 크기를 줄일 수 있는 LLC 공진형 전원 공급 장치를 제공한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 LLC 공진형 전원 공급 장치의 구성을 도시한 블럭도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 LLC 공진형 전원 공급 장치의 주요 구성을 도시한 회로도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 LLC 공진형 전원 공급 장치의 주요 파형을 도시한 그래프이다.
도 4a 및 도 4b는 본 발명의 실시예에 따른 LLC 공진형 전원 공급 장치에 채택된 변압부를 도시한 측면도이다.
도 5a 및 도 5b는 본 발명의 실시예에 따른 LLC 공진형 전원 공급 장치의 구성을 도시한 회로도이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 LLC 공진형 전원 공급 장치의 부하 변화에 따른 출력 전압의 변화를 도시한 그래프이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 LLC 공진형 전원 공급 장치의 부하 변화에 따른 전력 변환 효율을 도시한 그래프이다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 LLC 공진형 전원 공급 장치에 채택된 변압부를 도시한 것이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
본 발명의 실시예들은 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이며, 하기 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다. 오히려, 이들 실시예는 본 개시를 더욱 충실하고 완전하게 하고, 당업자에게 본 발명의 사상을 완전하게 전달하기 위하여 제공되는 것이다.
또한, 이하의 도면에서 각 층의 두께나 크기는 설명의 편의 및 명확성을 위하여 과장된 것이며, 도면상에서 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 용어 "및/또는"은 해당 열거된 항목 중 어느 하나 및 하나 이상의 모든 조합을 포함한다. 또한, 본 명세서에서 "연결된다"라는 의미는 A 부재와 B 부재가 직접 연결되는 경우뿐만 아니라, A 부재와 B 부재의 사이에 C 부재가 개재되어 A 부재와 B 부재가 간접 연결되는 경우도 의미한다.
본 명세서에서 사용된 용어는 특정 실시예를 설명하기 위하여 사용되며, 본 발명을 제한하기 위한 것이 아니다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 단수 형태는 문맥상 다른 경우를 분명히 지적하는 것이 아니라면, 복수의 형태를 포함할 수 있다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 경우 "포함한다(comprise, include)" 및/또는 "포함하는(comprising, including)"은 언급한 형상들, 숫자, 단계, 동작, 부재, 요소 및/또는 이들 그룹의 존재를 특정하는 것이며, 하나 이상의 다른 형상, 숫자, 동작, 부재, 요소 및 /또는 그룹들의 존재 또는 부가를 배제하는 것이 아니다.
본 명세서에서 제1, 제2 등의 용어가 다양한 부재, 부품, 영역, 층들 및/또는 부분들을 설명하기 위하여 사용되지만, 이들 부재, 부품, 영역, 층들 및/또는 부분들은 이들 용어에 의해 한정되어서는 안 됨은 자명하다. 이들 용어는 하나의 부재, 부품, 영역, 층 또는 부분을 다른 영역, 층 또는 부분과 구별하기 위하여만 사용된다. 따라서, 이하 상술할 제1부재, 부품, 영역, 층 또는 부분은 본 발명의 가르침으로부터 벗어나지 않고서도 제2부재, 부품, 영역, 층 또는 부분을 지칭할 수 있다.
"하부(beneath)", "아래(below)", "낮은(lower)", "상부(above)", "위(upper)"와 같은 공간에 관련된 용어가 도면에 도시된 한 요소 또는 특징과 다른 요소 또는 특징의 용이한 이해를 위해 이용될 수 있다. 이러한 공간에 관련된 용어는 본 발명의 다양한 공정 상태 또는 사용 상태에 따라 본 발명의 용이한 이해를 위한 것이며, 본 발명을 한정하기 위한 것은 아니다. 예를 들어, 도면의 요소 또는 특징이 뒤집어지면, "하부" 또는 "아래"로 설명된 요소 또는 특징은 "상부" 또는 "위에"로 된다. 따라서, "아래"는 "상부" 또는 "아래"를 포괄하는 개념이다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 LLC 공진형 전원 공급 장치(100)의 구성을 도시한 블럭도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 LLC 공진형 전원 공급 장치(100)는 역률 교정 회로(Power Factor Correction; PFC)를 갖는 제1전원 변환부(110)와 LLC 공진 회로를 갖는 제2전원 변환부(120)를 포함할 수 있다. 여기서, 부하(130)는 제2전원 변환부(120)에 연결될 수 있다. 이러한 전원 공급 장치(100)는 제1전원 변환부(110)와 제2전원 변환부(120)를 기반으로 외부로부터 공급된 교류 전원(AC)을 직류 전원(DC)으로 변환하여 부하(130)에 공급할 수 있다.
제1전원 변환부(110)는 외부로부터 공급된 제1교류 전원을 제1직류 전원으로 변환하여 출력하는 역할을 한다. 제1전원 변환부(110)는 제1교류 전원을 고전위에 해당하는 제1직류 전원(예: DC 220V)으로 변환하여 출력한다. 제1전원 변환부(110)는 전자기파 차단부, 전원 변환부 및 역률 보정부 등을 포함할 수 있다.
제2전원 변환부(120)는 제1전원 변환부(110)로부터 출력된 제1직류 전원을 강압하여 출력하는 역할을 한다. 제2전원 변환부(120)는 제1직류 전원을 강압하여 제2교류 전원으로 출력하고 이를 다시 제2직류 전원(예: DC 22V)으로 변환하여 출력한다. 제2전원 변환부(120)는 스위칭부, 인덕터, 캐패시터, 변압부 및 정류부 등을 포함할 수 있다. 스위칭부는 하프 브리지 직류-직류 변환부(Half Bridge DC-DC Converter) 또는 풀 브리지 직류-직류 변환부(LLC Full Bridge DC-DC Converter)의 형태로 구현될 수 있다. 정류부는 풀 브리지 다이오드 정류기 또는 페이스 쉬프트 풀브리지 정류기의 형태로 구현될 수 있다.
이러한 LLC 공진형 전원 공급 장치(100)는 제1전원 변환부(110) 및 제2전원 변환부(120)가 직렬 형태로 접속되기 때문에 제1전원 변환부(110)의 전력 변환 효율이 대략 96%이고, 제2전원 변환부(120)의 전력 변환 효율이 그 형태에 따라 다르지만 대략 90% 내지 대략 97%이므로, 전체 효율은 대략 86% 내지 대략 93%일 수 있다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 LLC 공진형 전원 공급 장치(100)의 주요 구성을 도시한 회로도이다.
도 2에 도시된 바와 같이, LLC 공진형 전원 공급 장치(100)는 제1전원 변환부(110)와 제2전원 변환부(120)의 사이에 충전부(140)가 병렬로 연결될 수 있다. 여기서, 충전부(140)는 캐패시터, 전기 이중층 캐패시터 또는 배터리일 수 있다.
제2전원 변환부(120)는 충전부(140)의 전원을 다른 레벨의 직류 전원으로 변환하여 부하(130)에 출력한다. 여기서, 제2전원 변환부(120)는, 일례로, 언레귤레이티트 직류-직류 변환기를 포함할 수 있다. 즉, 상기 제2전원 변환부(120)는 듀티 및 동작 주파수가 제어되지 않을 수 있다. 일례로, 제2전원 변환부(120)는 언레귤레이티드 상태로, 50% 고정 듀티 및 고정 동작 주파수로 동작할 수 있다. 참고로, 레귤레이티드 직류-직류 변환기는 듀티 및 동작 주파수가 부하(130)의 상황에 따라 변할 수 있다.
제2전원 변환부(120)는 하프 브리지 스위칭부(121), LLC 공진부(122), 변압부(123) 및 풀 브리지 다이오드 정류부(124)를 포함할 수 있다.
하프 브리지 스위칭부(121)는 충전부(140)의 제1전극에 연결된 제1스위치(M1), 제1스위치(M1) 및 충전부(140)의 제2전극에 연결된 제2스위치(M2)를 포함할 수 있다. 여기서, 제1스위치(M1) 및 제2스위치(M2)는 통상의 MOSFET, IGBT 및 그 등가물 중에서 선택된 어느 하나일 수 있다. 더불어, 이하에 설명되는 다양한 스위치들 역시 통상의 MOSFET, IGBT 및 그 등가물 중에서 선택된 어느 하나일 수 있다
제1스위치(M1)는 제1전극이 충전부(140)의 제1전극에 연결될 수 있다. 또한, 제1스위치(M1)는 제2전극이 제2스위치(M2)의 제1전극에 연결될 수 있다. 더불어, 제1스위치(M1)는 제어 전극을 통해 50% 고정 듀티로 제어 신호가 입력될 수 있다. 제2스위치(M2)는 제1전극이 제1스위치(M1)의 제2전극에 연결될 수 있다. 또한, 제2스위치(M2)는 제2전극이 충전부(140)의 제2전극에 연결될 수 있다. 더불어, 제2스위치(M2)는 제어 전극을 통해 50% 고정 듀티로 제어 신호가 입력될 수 있다. 물론, 제1스위치(M1)가 턴온되었을 경우 제2스위치(M2)는 턴오프될 수 있다. 또한, 제1스위치(M1)가 턴오프되었을 경우 제2스위치(M2)는 턴온될 수 있다. 즉, 제1스위치(M1)와 제2스위치(M2)는 상보적으로 동작하며, 충전부(140)의 에너지를 출력할 수 있다. 더불어, 상술한 바와 같이 제1스위치(M1) 및 제2스위치(M2)는 제어되지 않고, 50% 고정 듀티 및 고정 동작 주파수로 동작함으로써, 영전압 스위칭(ZVS: Zero-Voltage Switching)이 확실하게 보장될 수 있다.
LLC 공진부(122)는 제1캐패시터(Cr), 제1인덕터(Lr) 및 제2인덕터(Lm)를 포함할 수 있다. 제1캐패시터(Cr)는 제1전극이 제1스위치(M1)의 제2전극 및 제2스위치(M2)의 제1전극에 연결될 수 있다. 또한 제1캐패시터(Cr)는 제2전극이 하기할 제1인덕터(Lr)의 제1전극에 연결될 수 있다. 제1인덕터(Lr)는 제1전극이 제1캐패시터(Cr)의 제2전극에 연결될 수 있다. 또한, 제1인덕터(Lr)는 제2전극이 제2인덕터(Lm)의 제1전극에 연결될 수 있다. 제2인덕터(Lm)는 제1전극이 제1인덕터(Lr)의 제2전극에 연결될 수 있다. 제2인덕터(Lm)는 제2전극이 충전부(140)의 제2전극에 연결될 수 있다. 이와 같이 하여 LLC 공진부(122)는 하프 브리지 스위칭부(121)로부터 출력된 전원을 공진하여 출력할 수 있다.
변압부(123)는 1차측 권선(n1) 및 2차측 권선(n2)을 포함할 수 있다. 1차측 권선(n1)은 제1전극이 제1인덕터(Lr)의 제2전극 및 제2인덕터(Lm)의 제1전극에 연결될 수 있다. 또한, 1차측 권선(n1)은 제2전극이 충전부(140)의 제2전극, 제2스위치(M2)의 제2전극, 제2인덕터(Lm)의 제2전극에 연결될 수 있다. 2차측 권선(n2)은 1차측 권선(n1)과 절연되고, 또한 풀브리지 다이오드 정류부(124)에 연결될 수 있다. 이와 같이 하여 변압부(123)는 1차측 권선(n1)과 2차측 권선(n2)이 절연되어 있으며, 충전부(140)의 전원을 1차측 권선(n1)에서 2차측 권선(n2)으로 전달할 수 있다. 물론, 변압부(123)는 1차측 권선(n1)과 2차측 권선(n2)의 권선비에 따른 전원을 출력할 수 있다.
풀브리지 다이오드 정류부(124)는 4개의 다이오드(d1 내지 d4) 및 1개의 제2캐패시터(Cm)를 포함할 수 있다. 제1다이오드(d1)는 제1전극이 2차측 권선(n2)의 제1전극 및 제3다이오드의 제2전극에 연결될 수 있고, 제2전극이 제4다이오드(d4)의 제2전극 및 출력 캐패시터(Cm)의 제1전극에 연결될 수 있다. 제2다이오드(d2)는 제1전극이 제3다이오드(d3)의 제1전극 및 제2캐패시터(Cm)의 제2전극에 연결될 수 있고, 제2전극이 2차측 권선(n2)의 제2전극 및 제4다이오드(d4)의 제1전극에 연결될 수 있다. 제3다이오드(d3)는 제1전극이 제2다이오드(d2)의 제1전극 및 제2캐패시터(Cm)의 제2전극에 연결될 수 있고, 제2전극이 제1다이오드(d1)의 제1전극 및 2차측 권선(n2)의 제1전극에 연결될 수 있다. 제4다이오드(d4)는 제1전극이 제2다이오드(d2)의 제2전극 및 제2권선의 제2전극에 연결될 수 있고, 제2전극이 제1다이오드(d1)의 제2전극 및 제2캐패시터(Cm)의 제1전극에 연결될 수 있다. 제2캐패시터(Cm)는 제1전극이 제1다이오드(d1)의 제2전극 및 제4다이오드(d4)의 제2전극에 연결될 수 있고, 제2전극이 제2다이오드(d2)의 제1전극 및 제3다이오드(d3)의 제1전극에 연결될 수 있다. 더불어, 제2캐패시터(Cm)의 제1전극 및 제2전극이 부하(130)에 연결될 수 있다. 이와 같이 하여, 풀브리지 다이오드 정류부(124)는 일정 레벨의 직류 전원을 부하(130)에 출력할 수 있다.
이러한 구성을 하는 본 발명의 실시예에 따른 LLC 공진형 전원 공급 장치(100)의 동작을 설명한다.
먼저 제1전원 변환부(110)는 제1교류 전원을 제1직류 전원으로 변환하되, 역률을 교정하여 제2전원 변환부(120)에 공급한다.
그러면, 제2전원 변환부(120)는 제1직류 전원을 제2교류 전원으로 변환하고, 이를 다시 제2직류 전원으로 변환하여 부하(130)에 공급한다. 이를 위해, 먼저, 하프 브리지 스위칭부(121)가 동작한다. 즉, 제1스위치(M1) 및 제2스위치(M2)가 50% 고정 듀티 및 고정 동작 주파수로 동작한다. 다르게 설명하면, 제1스위치(M1) 및 제2스위치(M2)가 언레귤레이티드 방식으로 동작한다. 예를 들면, 제1스위치(M1)가 턴온되었을 경우, 제2스위치(M2)는 턴오프된다. 또한 제1스위치(M1)가 턴오프되었을 경우, 제2스위치(M2)는 턴온된다. 제1스위치(M1) 및 제2스위치(M2)가 50% 고정 듀티로 제어되므로, 제1스위치(M1) 및 제2스위치(M2)는 확실하게 영전압 스위칭된다.
이와 같은 하프 브리지 스위칭부(121)의 동작에 의해 LLC 공진부(122)가 동작한다. 일례로, 제1스위치(M1)가 턴온되었을 경우 제1스위치(M1)의 제1전극과 제2전극 사이의 전압은 거의 0V에 이르고, 입력측 캐패시터(Cr)의 전압은 완만하게 증가한다. 또한, 이때 제1인덕터(Lr)를 통한 전류는 상대적으로 크게 증가한 후 약간 감소하고 이어서 일정하게 흐른다. 더욱이, 제2인덕터(Lm)를 통한 전류는 상대적으로 완만하게 증가한 후 일정하게 흐른다.
더불어, 제1스위치(M2)가 턴오프되었을 경우 제1스위치(M1)의 제1전극과 제2전극 사이의 전압은 증가하고, 입력측 캐패시터(Cr)의 전압은 완만하게 감소한다. 또한, 이때 제1인덕터(Lr)를 통한 전류는 상대적으로 크게 감소한 후 약간 증가하고 이어서 일정하게 흐른다. 더욱이, 제2인덕터(Lm)를 통한 전류는 상대적으로 완만하게 감소한 후 일정하게 흐른다.
한편, 이와 같은 동작에 의해 변압부(123)가 동작한다. 즉, 1차측 권선(n1)으로부터 2차측 권선(n2)으로 권선비에 대응하는 에너지가 풀브리지 다이오드 정류부(124)로 전달된다. 물론, 이러한 변압부(123)에 의해 출력되는 전압은 교류 전압 형태이다. 더불어, 풀브리지 다이오드 정류부(124) 즉, 제1다이오드 내지 제4다이오드(d1 내지 d4) 및 제2캐패시터(Cm)가 직류 전원을 부하(130)에 공급한다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 LLC 공진형 전원 공급 장치(100)의 주요 파형을 도시한 그래프이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 예를 들면 제1스위치(M1)의 제어 전극에 입력되는 제어 신호는 제1스위치(M1)의 양단 전압이 대략 0V가 된 후 턴온된다. 따라서, 제2전원 변환부(120)는 영전압 스위칭(ZVS)이 확실히 보장된다. 더불어, 제1스위치(M11)와 제2스위치(M2)는 상보적으로 동작하므로, 제2스위치(M2) 역시 영전압 스위칭이 확실히 보장됨을 알 수 있다.
또한, 변압부(123)의 1차측 권선(n1)에 인가되는 전류는 상대적으로 작은 값을 가지며 완만하게 변화되는 반면, 2차측 권선(n2)으로부터 출력되는 전류는 상대적으로 큰 값을 가지며 급격하게 변화된다.
한편, 풀브리지 다이오드 정류부(124)의 다이오드 출력 전압은 대략 제1스위치(M1)에 인가되는 전압 파형과 유사한 파형을 가지며 출력된다.
도 4a 및 도 4b는 본 발명의 실시예에 따른 LLC 공진형 전원 공급 장치(100)에 채택된 변압부(123)를 도시한 측면도이다. 여기서, 도 4a중 우측 도면에는 1차측 권선(n1) 및 2차측 권선(n2)이 생략되어 도시되어 있고, 도 4b중 우측 도면에는 1차측 권선(n1) 및 2차측 권선(n2)과 E자형 코어(1250)가 생략되어 도시되어 있다.
도 4a 및 도 4b에 도시된 바와 같이, LLC 공진형 전원 공급 장치(100)에서는 큰 누설 인덕턴스를 요구하고 있으므로 변압부(123)는 1차측 권선(n1)과 2차측 권선(n2)이 서로 분리된 상태를 유지하도록 동심상의 분리 구조를 갖는 전기 절연부(1230)가 이용된다.
즉, 변압부(123)는 대략 판상의 제1절연부(1231)와, 제1절연부(1231)로부터 연장된 제1절연 기둥(1241)과, 제1절연 기둥(1241)에 연결된 대략 판상의 제2절연부(1232)와, 제2절연부(1232)로부터 연장된 제2절연 기둥(1242)과, 제2절연 기둥(1242)에 연결된 대략 판상의 제3절연부(1233)와, LLC 공진부(122)에 연결된 채 제1절연 기둥(1241)에 권취된 1차측 권선(n1)과, 정류부(124)에 연결된 채 제2절연 기둥(1242)에 권취된 2차측 권선(n2)을 포함한다. 여기서, 변압부(123)는 제1절연부(1231)와 제2절연부(1232)를 연결하되 제1절연 기둥(1241)과 1차측 권선(n1)을 덮는 제4절연부(1234)와, 제2절연부(1232)와 제3절연부(1233)를 연결하되 제2절연 기둥(1242)과 2차측 권선(n1)을 덮는 제5절연부(1235)를 더 포함할 수 있다.
일반적으로 변압부(123)는 안전 규격 지침서에서 요구하는 1차측 권선(n1)과 2차측 권선(n2)의 이격 거리를 확보하기 위해 절연부(1230)가 크게 형성되어야 한다. 그러나, 본 발명에서는 절연부(1230)가 제4절연부(1234) 및 제5절연부(1235)를 더 포함함으로써, 변압부(123)의 크기를 줄이면서도 안전 규격 지침서에서 요구하는 규격 거리를 만족할 수 있다.
여기서, 절연부(1230)는 1차측 권선(n1)의 결선을 위해 단자부(1260)로 인출되는 제1인출선(1271)과 인접하는 부분의 제1절연부(1231) 및 제2절연부(1232)의 사이에 제4절연부(1234)가 형성되고, 2차측 권선(n2)의 결선을 위해 단자부(1260)로 인출되는 제2인출선(1272)과 인접하는 부분의 제2절연부(1232)와 제3절연부(1233)의 사이에 제5절연부(1235)가 형성되어, 1,2차측 권선(n1,n2) 등의 안전 규격 거리를 확보하도록 한다.
더불어, 제1절연부(1231)와 제2절연부(1232)의 사이에 형성된 제4절연부(1234)로부터 제1절연 기둥(1241)의 일측은 외부로 개방되고 이에 따라 1차측 권선(n1)의 권취 작업이 용이하고 또한 제1인출선(1271)의 인출도 용이하다. 더불어, 제2절연부(1232)와 제3절연부(1233)의 사이에 형성된 제5절연부(1235)로부터 제2절연 기둥(1242)의 일측은 외부로 개방되고 이에 따라 2차측 권선(n2)의 권취 작업이 용이하고 또한 제2인출선(1272)의 인출도 용이하다. 여기서, 제4절연부(1234)와 제5절연부(1235)는 서로 반대 방향에 형성될 수 있다. 즉, 제4절연부(1234)가 우측에 형성되면 제5절연부(1235)는 좌측에 형성될 수 있다.
이러한 절연부(1230)는 전자기적 절연 소재로 형성될 수 있다. 또한, 절연부(1230)를 이루는 제1,2,3,4,5절연부(1231~1235)와 제1,2절연기둥(1241,1242)은 금속으로 형성될 수 있으나 표면이 절연부로 코팅되고, 또한, 제1,2,3,4,5절연부(1231~1235)의 외측 표면에 다수의 방열 돌기나 방열핀이 더 형성되어 방열 성능이 향상되도록 할 수 있다. 또한, 방열부는 절연부(1230) 뿐만 아니라 E자형 코어(1250)의 표면에도 형성될 수 있다. 또한, 절연부(1230) 및 E자형 코어(1250)의 표면에는 음이온 및/또는 원적외선을 방출하는 미분말의 토르말린(전기석)이 포함된 세라믹 도료가 코팅될 수 있다. 더욱이, 이러한 음이온 및/또는 원적외선을 방출하는 미분말의 토르말린이 포함된 세라믹 도료는 1차측 권선(n1) 및 2차측 권선(n2)에도 코팅됨으로써, 음이온 및/또는 원적외선 방출 효율이 더욱 향상될 수 있다. 이러한 세라믹 도료를 통하여, 평상 시 또는 방열 시 음이온 및/또는 원적외선을 방출할 수 있어 LLC 공진형 전원 공급 장치(100)의 주변에 있는 작업자의 건강 증진에 기여할 수 있게 된다.
이와 같이 하여 1차측 권선(n1) 및 2차측 권선(n2)이 권취되는 절연부(1230)가 제1,2,3,4,5절연부(1231~1235)로 이루어짐으로써, 안전 규격을 확보하는 물리적인 거리를 유지하면서도 절연부(1230)의 크기 증가 및 이로 인한 변압부(123)의 크기 증가를 방지할 수 있다. 더불어, 절연부(1230)는 하나의 일체형 구조로 형성되거나, 또는 조립형 구조로 형성될 수도 있다.
더불어, 제1,2,3,4,5절연부(1231~1235)의 표면에 난연재료가 충진되어 있는 난연백이 더 부착될 수 있다. 난연백은 통상의 고분자 수지로 제조될 수 있다. 좀더 구체적으로 난연백은 폴리에틸렌, 에폭시, 아세탈 또는 인듐으로 형성될 수 있다. 즉, 본 발명에 이용된 난연백은 온도가 200~250℃가 되면 용융 또는 파열되는 어떠한 재질로 형성되어도 좋다. 더욱이, 난연백은 두께가 1~200㎛, 더욱 바람직하기로는 25~75㎛로 형성함이 좋다. 상기 난연백의 두께가 1㎛ 이하일 경우에는 원하지 않는 낮은 온도에서 용융되거나 파열되는 문제가 있고, 상기 난연백의 두께가 200㎛ 이상일 경우에는 원하는 온도에서 용융되거나 파열되지 않는 문제가 있다. 이와 같이 하여, 변압부(123)의 내부 온도가 상술한 바와 같이 200~250℃ 범위에 다다르면, 난연백이 용융되거나 파열됨으로써, 상기 난연재료가 분출되고, 이에 따라 변압기의 화재가 방지될 수 있다. 여기서, 난연재료는 수산화마그네슘 계, 수산화알루미늄 계, 할로겐 계, 삼산화 안티몬 계, 멜라민 계 또는 인산염 계일 수 있다.
도 5a 및 도 5b는 본 발명의 실시예에 따른 LLC 공진형 전원 공급 장치(200)의 구성을 도시한 회로도이다.
도 5a 및 도 5b에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 LLC 공진형 전원 공급 장치(200)는 제1전원 변환부(210), 제2전원 변환부(220) 및 전압 보상부(250)를 포함할 수 있다.
여기서, 제1전원 변환부(210)는 브리지리스 PFC를 포함할 수 있고, 제2전원 변환부(220)는 풀 브리지 스위칭부(221) 및 동기 정류 방식의 페이스 쉬프트 풀브리지 정류부(224)를 포함할 수 있다. 또한, 전압 보상부(250)는 부하와 스위칭부(221)의 사이에 연결되어, 부하에 따라 스위칭부(221)의 듀티비(동작 주파수)가 변하도록 하여 ZVS 동작이 이루어지도록 할 수 있다.
제1전원 변환부(210)는 교류 전원의 양단에 연결된 제1인덕터(L1) 및 제2인덕터(L2), 제1인덕터(L1)의 제1,2전극에 각각 연결된 제1다이오드(D1) 및 제3다이오드(D3), 제2인덕터(L2)의 제1,2전극에 각각 연결된 제3다이오드(D3) 및 제4다이오드(D4), 제1인덕터(L1)와 제1다이오드(D1)의 노드 및 제3,4다이오드(D3,D4)의 노드 사이에 연결된 제5스위치(S5), 제2인덕터(L2)와 제3다이오드(D3)의 노드 및 제3,4다이오드(D3,D4)의 노드 사이에 연결된 제6스위치(S6)를 포함할 수 있다. 여기서, 충전부(140)의 제1전극은 제1,3다이오드(D1,D3)의 노드에 연결되고, 충전부(140)의 제2전극은 제3,4다이오드(D3,D4) 및 제5,6,스위치(S5,S6)의 노드에 연결된다. 이와 같이, 제5,6스위치(S5,S6)의 제어에 의해 역률 교정이 이루어질 수 있다.
제2전원 변환부(220)의 스위칭부(221)는 풀 브리지 스위칭부(221)를 포함하되, 풀 브리지 스위칭부(221)는 충전부(140)의 제1전극에 연결된 제1,3스위치(S1,S3)와, 제1,3스위치(S1,S3) 및 충전부(140)의 제2전극에 연결된 제2,4스위치(S2,S4)를 포함할 수 있다.
제2전원 변환부(220)의 LLC 공진부(222)는 스위칭부(221)의 제1,4스위치(S1,S4) 사이의 노드에 연결된 제1인덕터(Lr)와, 제1인덕터(Lr)에 연결된 제2인덕터(Lm)와, 제2인덕터(Lm)와 제2,3스위치(S2,S3) 사이의 노드에 연결된 제1캐패시터(Cr)를 포함할 수 있다.
제2전원 변환부(220)의 변압부(223)는 제2인덕터에 병렬로 연결된 1차측 권선(n1)과, 1차측 권선(n1)으로부터 절연된 한쌍의 2차측 권선(n2)을 포함할 수 있다. 여기서, 1차측 권선(n1) 및 한쌍의 2차측 권선(n2)은 상술한 바와 유사하게 절연부(1230)에 권취될 수 있다.
제2전원 변환부(220)의 정류부(224)는 상술한 바와 같이 동기 정류 방식의 페이스 쉬프트 풀브리지 정류부(224)를 포함할 수 있으며, 이는 상부 2차측 권선(n2)에 연결된 제1스위치(SR1)와, 하부 2차측 권선(n2)에 연결된 제2스위치(SR2)를 포함할 수 있다. 여기서, 제1스위치(SR1)의 제1전극은 상부 2차측 권선(n2)에 연결되고, 제2스위치(SR2)의 제1전극은 하부 2차측 권선(n2)에 연결되며, 제1,2스위치(SR1,SR2)의 제2전극은 상호간 연결될 수 있다. 더불어, 제2캐패시터(Cm)는 제1스위치(SR1)의 제2전극과 한쌍의 2차측 권선(n2)의 노드 사이에 연결될 수 있고, 부하는 제2캐패시터(Cm)에 병렬로 연결될 수 있다. 이와 같이, 정류부(224)가 풀 브리지 다이오드 방식이 아니라 동기 정류 방식이기 때문에, 도통 손실이 더욱 감소하고 이에 따라 전력 변환 효율이 더욱 증가할 수 있다.
한편, 스위칭부(221)의 듀티비(동작 주파수)를 제어하는 전압 보상부(250)는 부하의 일단(예를 들면, 양극)에 연결된 션트 저항(Rshunt)과, 션트 저항(Rshunt)에 연결된 분압 저항들(R)과, 분압 저항들(R)에 연결된 에러 증폭기(251)와, 에러 증폭기(251)에 연결된 옵토커플러(252)와, 옵토커플러(252)에 연결된 구동 드라이버 IC(253)을 포함할 수 있다. 구동 드라이버 IC(253)는 제1,2스위치(S1,S2) 및 제3,4스위치(S3,S4)에 부하에 따른 듀티비를 제공한다. 여기서, 저항 Rs는 구동 드라이버 IC(253)의 최대 주파수 제한 저항이고, Rd는 옵토커플러(252)의 전류 제한 저항이며, Cj는 전압 보상기의 내부 기생커패시터 성분이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 LLC 공진형 전원 공급 장치(200)의 부하 변화에 따른 출력 전압 및 출력 전류의 변화를 도시한 그래프이다.
도 6에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 LLC 공진형 전원 공급 장치(200)는 부하가 20%에서 70%로 증가할 때, 출력 전류가 이에 응답하여 증가하는 반면, 출력 전압의 변동률은 1% 이내로 제어됨으로써, 전원 공급 장치(200)가 안정적으로 동작함을 알 수 있다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 LLC 공진형 전원 공급 장치(200)의 부하 변화에 따른 전력 변환 효율을 도시한 그래프이다.
도 7에 도시된 바와 같이, 제2전원 변환부(220)만이 동작할 경우 20% 이상의 부하에서 94%의 효율 특성을 보였고, 제1,2전원 변환부가 동작할 경우 20% 이상의 부하에서 90% 이상의 효율 특성을 보였다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 LLC 공진형 전원 공급 장치(200)에 채택된 변압부(223)를 도시한 것이다.
도 8에 도시된 바와 같이, LLC 공진형 전원 공급 장치(200)에 채택된 변압부(223) 역시 상술한 전원 공급 장치(100)에 채택된 변압부(123)와 유사할 수 있다. 즉, 변압부(223)는 1차측 권선(n1)(예를 들면, 8턴*3)과 2차측 권선(n2)(예를 들면, 1턴*1)을 포함하고, 이들은 절연부(2230)에 권취될 수 있다. 다르게 설명하면, 절연부(2230)는 판상의 제1절연부(1231)와, 제1절연부(1231)로부터 연장된 제1절연 기둥(1241)과, 제1절연 기둥(1241)에 연결된 판상의 제2절연부(1232)와, 제2절연부(1232)로부터 연장된 제2절연 기둥(1242)과, 제2절연 기둥(1242)에 연결된 판상의 제3절연부(1233)를 포함할 수 있는데, LLC 공진부(222)에 연결된 채 1차측 권선(n1)이 제1절연 기둥(1241)에 권취되고, 정류부(224)에 연결된 2차측 권선(n1)이 제2절연 기둥(1242)에 권취될 수 있다. 더불어, 절연부(1230)는 제1절연부(1231)와 제2절연부(1232)를 연결하되 제1절연 기둥(1241)과 1차측 권선(n1)을 덮는 제4절연부(1234)와 제2절연부(1232)와 제3절연부(1233)를 연결하되 제2절연 기둥(1242)과 2차측 권선(n2)을 덮는 제5절연부(1235)를 포함할 수 있다.
이상에서 설명한 것은 본 발명에 따른 LLC 공진형 전원 공급 장치을 실시하기 위한 하나의 실시예에 불과한 것으로서, 본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 않고, 이하의 특허청구범위에서 청구하는 바와 같이 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변경 실시가 가능한 범위까지 본 발명의 기술적 정신이 있다고 할 것이다.
100; LLC 공진형 전원 공급 장치
110; 제1전원 변환부 120; 제2전원 변환부
121; 하프 브리지 스위칭부 122; LLC 공진부
123; 변압부 1230; 절연부
1231; 제1절연부 1232; 제2절연부
1233; 제2절연부 1234; 제2절연부
1235; 제2절연부 1241; 제1절연 기둥
1242; 제2절연 기둥 1250; E자형 코어
1260; 단자부 1271; 제1인출선
1272; 제2인출선 124; 풀 브리지 다이오드 정류부
130; 부하 140; 충전부
200; LLC 공진형 전원 공급 장치 210; 제1전원 변환부
220; 제2전원 변환부 221; 풀 브리지 스위칭부
222; LLC 공진부 223; 변압부
224; 페이스 쉬프트 풀브리지 정류부
250; 전압 보상부

Claims (10)

  1. 제1교류 전원을 제1직류 전원으로 변환하여 출력하는 제1전원 변환부와, 상기 제1전원 변환부로부터 상기 제1직류 전원을 공급받아 제2교류 전원으로 변환하고 상기 제2교류 전원을 제2직류 전원으로 변환하여 출력하는 제2전원 변환부와, 상기 제1,2전원 변환부의 사이에 병렬로 연결된 충전부를 포함하고,
    상기 제2전원 변환부는 상기 제1전원 변환부와 상기 충전부에 병렬 연결되어 정해진 듀티로 전원을 출력하는 스위칭부와, 상기 스위칭부로부터 출력된 전원을 공진하는 LLC 공진부와, 상기 LLC 공진부로부터 공진하는 전원을 상기 제2교류 전원으로 변환하여 출력하는 변압부와, 상기 변압부로부터 출력된 제2교류 전원을 상기 제2직류 전원으로 정류하여 출력하는 정류부를 포함하며,
    상기 변압부는 판상의 제1절연부와, 상기 제1절연부로부터 연장된 제1절연 기둥과, 상기 제1절연 기둥에 연결된 판상의 제2절연부와, 상기 제2절연부로부터 연장된 제2절연 기둥과, 상기 제2절연 기둥에 연결된 판상의 제3절연부와, 상기 LLC 공진부에 연결된 채 상기 제1절연 기둥에 권취된 1차측 권선과, 상기 정류부에 연결된 채 상기 제2절연 기둥에 권취된 2차측 권선과, 상기 제1절연부와 상기 제2절연부를 연결하되 상기 제1절연 기둥과 상기 1차측 권선을 덮는 제4절연부와, 상기 제2절연부와 상기 제3절연부를 연결하되 상기 제2절연 기둥과 상기 2차측 권선을 덮는 제5절연부와, 상기 제1절연 기둥 및 상기 제2절연 기둥에 결합되어 상기 1차측 권선, 상기 2차측 권선 및 상기 제1 내지 제5절연부의 외측을 감싸는 E자형 코어를 포함하고, 상기 제1,2절연 기둥 및 상기 제1 내지 제5절연부는 금속으로 형성되되, 상기 금속의 표면이 절연부로 코팅되어 이루어지며,
    상기 1차측 권선, 상기 2차측 권선, 상기 제1절연부, 상기 제2절연부, 상기 제3절연부, 상기 제4절연부, 상기 제5절연부, 상기 제1절연 기둥, 상기 제2절연 기둥 및 상기 E자형 코어의 각 표면에 음이온 및 원적외선을 방출하는 미분말의 토르말린이 포함된 세라믹 도료가 코팅되며,
    상기 제1절연부, 상기 제2절연부, 상기 제3절연부, 상기 제4절연부 및 상기 제5절연부의 표면에 난연재료가 충진되어 있는 난연백이 부착되며, 상기 난연재료는 수산화마그네슘계, 수산화알루미늄계, 할로겐계, 삼산화 안티몬계, 멜라민계 또는 인산염계이고, 상기 난연백은 폴리에틸렌, 에폭시, 아세탈 또는 인듐으로 제조되며, 상기 난연백의 두께는 25~75 ㎛이고, 상기 난연백은 200~250℃의 온도에서 용융 및 파열되어 상기 난연재료가 방출되도록 하는, LLC 공진형 전원 공급 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1전원 변환부는 역률 교정 회로를 더 포함하는, LLC 공진형 전원 공급 장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 제2전원 변환부의 공진부는 상기 스위칭부에 연결된 제1캐패시터와, 상기 제1캐패시터에 연결된 제1인덕터와, 상기 제1인덕터와 상기 충전부에 연결된 제2인덕터를 포함하는, LLC 공진형 전원 공급 장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 제2전원 변환부의 스위칭부는 고정 듀티로 동작하는, LLC 공진형 전원 공급 장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 제2전원 변환부의 스위칭부는 하프 브리지 스위칭부를 포함하되, 상기 하프 브리지 스위칭부는 상기 충전부의 제1전극에 연결된 제1스위치와, 상기 제1스위치 및 상기 충전부의 제2전극에 연결된 제2스위치를 포함하는, LLC 공진형 전원 공급 장치.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 제2전원 변환부의 정류부는 다이오드 정류 방식의 풀브리지 다이오드 정류기인, LLC 공진형 전원 공급 장치.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 제2전원 변환부의 스위칭부는 부하에 연결된 전압 보상부에 의해 출력되는 제어 신호에 기반하여 변동 듀티로 동작하는, LLC 공진형 전원 공급 장치.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 제2전원 변환부의 스위칭부는 풀 브리지 스위칭부를 포함하되, 상기 풀 브리지 스위칭부는 상기 충전부의 제1전극에 연결된 제1,3스위치와, 상기 제1,3스위치 및 상기 충전부의 제2전극에 연결된 제2,4스위치를 포함하는, LLC 공진형 전원 공급 장치.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 제2전원 변환부의 정류부는 동기 정류 방식의 페이스 쉬프트 풀브리지 정류기인, LLC 공진형 전원 공급 장치.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 변압부의 제1,2,3,4,5절연부와 상기 제1,2절연기둥은 금속으로 형성되되 표면이 절연부로 코팅되고, 상기 제1,2,3,4,5절연부의 외측 표면에 다수의 방열 돌기가 더 형성된, LLC 공진형 전원 공급 장치.
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