KR102399320B1 - Dc/dc 컨버터 - Google Patents

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Abstract

스위칭 소자의 온 기간과 오프 기간의 쌍방에 있어서 전력을 출력하는 것이 가능한 DC/DC 컨버터를 제공한다. 제1 입력 단부(T1)에 일단부가 접속된 1차 코일(L1)과, 1차 코일에 대하여 자기결합되고 그리고 제1 입력 단부에 타단부가 접속된 2차 코일(L2)을 구비하는 변압기(TR)와, 1차 코일을 접속 또는 차단하기 위해 온/오프 구동되는, 제어 단부를 구비하는 스위칭 소자(Q)와, 2차 코일의 일단부와 제1 출력 단부(T3) 사이에 접속되어, 온 기간에는 제1 입력 단부로부터 2차 코일을 통해서 제1 출력 단부에 도달하는 경로의 제1 전류(i1)를 도통시키고 그리고 오프 기간에는 제1 전류를 차단하는 제1 정류 디바이스(D1)와, 1차 코일의 타단부와 제1 출력 단부 사이에 접속되고, 온 기간에는 제1 입력 단부에서 1차 코일을 통해서 제1 출력 단부에 도달하는 경로의 제2 전류를 차단하고 그리고 오프 기간에는 제2 전류를 도통시키는 제2 정류 디바이스(D2)를 포함한다.

Description

DC/DC 컨버터
본 발명은, 스위칭 방식에 의한 DC/DC 컨버터에 관한 것으로, 특히 포워드(forward) 방식과 플라이백(flyback) 방식의 DC/DC 컨버터에 관한 것이다.
변압기(transformer)의 1차 코일에 입력되는 직류 전력을 스위칭 소자에 의해 온/오프(on/off)함으로써, 2차 코일로부터 목적하는 직류 전력을 취출하는 DC/DC 컨버터가 주지이다. DC/DC 컨버터에 있어서의 포워드 방식 및 플라이백 방식도 또 주지이다.
포워드 방식에서는, 스위칭 소자의 온 기간에 1차 코일에 여자전류가 흘러, 상호 유도에 의해 권수비에 응해서 2차 코일에 부하 전류가 흐르고, 대응해서 1차 코일에도 부하 전류가 흐른다. 2차 코일의 부하 전류는, 출력 다이오드와 외장형 초크 코일을 통과시켜서 출력되는 동시에, 외장형 초크 코일을 여자시켜 자기 에너지를 축적한다. 스위칭 소자의 오프 기간에는 외장형 초크 코일에 축적된 자기 에너지를 방출하도록 환류 다이오드를 통해서 출력에 부하 전류가 흐른다.
플라이백 방식에서는, 스위칭 소자의 온 기간에 1차 코일에 여자전류가 흘러 변압기에 자기 에너지가 축적된다. 2차 코일은 출력 다이오드가 역바이어스가 되므로 전류는 흐르지 않는다. 스위칭 소자의 오프 기간에는, 2차 코일에 출력 다이오드의 순바이어스가 되는 역기전력이 생기고, 코어에 축적된 자기 에너지를 방출하도록 2차 코일에 부하 전류가 흘러, 출력 다이오드를 통해서 출력된다. 플라이백 방식은, 포워드 방식에 비해서 구성이 단순하다.
스위칭 방식의 DC/DC 컨버터에 있어서, 온 기간과 오프 기간의 쌍방에 있어서 직류 전력을 출력하는 구성으로서 특허문헌 1, 2 등이 제시되어 있다. 특허문헌 1에서는, 소결합(疎結合) 변압기를 이용해서, 온 기간에 1차 코일과 2차 코일의 상호 유도에 의한 포워드 전류를 출력하는 동시에, 1차 코일과 2차 코일에 축적된 자속(자기 에너지)의 불균형을 일으켜, 오프 기간에 1차 코일에 단락 전류를 흘려보내서 1차 코일의 자속감소를 억제해서 2차 코일의 자속 증가를 지속시키는 것에 의해, 오프 기간에도 2차 코일에서 상호 유도에 의한 포워드 전류를 출력하는 것을 가능하게 하고 있다.
특허문헌 2에서는, 소결합 변압기를 이용해서 온 기간에는 포워드 전류를 출력하고, 오프 기간에는 플라이백 전류를 출력하는 것을 가능하게 하고 있다.
JP 2007-97297 A JP 2013-90491 A
포워드 방식은, 플라이백 방식에 비해서 큰 전력을 출력할 수 있지만, 외장형 초크 코일과 환류 다이오드가 필요하기 때문에, 부품수가 많고 그리고 큰 스페이스를 차지한다.
플라이백 방식은, 스위칭 소자의 온 기간에 전력을 출력할 수 없다. 또 플라이백 방식의 변압기에서는, 코어를 자기 포화시키지 않고 자기 에너지를 축적하기 위해서 코어에 갭(gap)이 형성되어 있다. 갭 때문에 인덕턴트(inductance)가 작아지므로 대전류를 취출하기 어렵고, 포워드 방식에 비해서 작은 전력용도에 이용된다.
또, 특허문헌 1의 방식은 외장형 초크 코일이 불필요한 포워드 방식의 일종이지만, 오프 기간의 전류는 잔류적인 상호 유도에 의한 것이므로 큰 전류는 얻을 수 없다. 특허문헌 2의 방식은 부품수가 많다고 하는 문제가 있다.
이상의 문제점을 감안하여 본 발명의 목적은, 스위칭 방식의 DC/DC 컨버터에 있어서, 간이하면서도 컴팩트한 구성에 의해 스위칭 소자의 온 기간과 오프 기간의 쌍방에 있어서 전력을 출력하는 것이 가능한 DC/DC 컨버터를 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은, 이하의 구성을 제공한다. 또, 괄호 안의 부호는 후술하는 도면 중의 부호이며, 참고를 위하여 부여한 것이다.
·본 발명의 양상은, 제1 및 제2 입력 단부(T1, T2)와 제1 및 제2 출력 단부(T3, T4) 사이에서 직류 전력을 변환하기 위한 DC/DC 컨버터로서, 해당 제2 입력 단부(T2)와 해당 제2 출력 단부(T4)는 공통 단부이며,
(a) 상기 제1 입력 단부(T1)에 일단부가 접속된 1차 코일(L1)과, 해당 1차 코일(L1)에 대해서 자기결합되고 또한 해당 제1 입력 단부(T1)에 타단부가 접속된 2차 코일(L2)을 구비하는 변압기(TR)와,
(b) 상기 1차 코일(L1)의 타단부와 상기 공통 단부(T2, T4) 사이의 전류로를 도통 또는 차단하기 위해 온/오프 구동되는, 제어 단부를 구비하는 스위칭 소자(Q)와,
(c) 상기 2차 코일(L2)의 일단부와 상기 제1 출력 단부(T3) 사이에 접속되어, 상기 스위칭 소자(Q)의 온 시에 상기 1차 코일(L1)의 자기 유도에 기인하는 상호 유도에 의해 상기 2차 코일(L2)의 일단부에 생기는 전위에 대해서 순바이어스가 되고 그리고 오프 시에 역바이어스가 되는 제1 정류 디바이스(D1)와,
(d) 상기 1차 코일(L1)의 타단부와 상기 제1 출력 단부(T3) 사이에 접속되어, 상기 스위칭 소자(Q)의 온 시에 상기 1차 코일(L1)의 자기 유도에 의해 해당 1차 코일(L1)의 타단부에 생기는 전위에 대해서 역바이어스가 되고 그리고 오프 시에 순바이어스가 되는 제2 정류 디바이스(D2)를 구비하는 것을 특징으로 한다.
·상기 양상에 있어서, 상기 1차 코일(L1)과 상기 2차 코일(L2)의 자기결합이 소결합인 것이 적합하다.
·상기 양상에 있어서, 상기 제1 정류 디바이스(D1) 및 상기 제2 정류 디바이스(D2)가 각각 다이오드인 것이 적합하다.
·상기 양상에 있어서, 상기 1차 코일(L1)과 상기 2차 코일(L2)이 상기 변압기(TR)의 코어에 이격되어 감겨져 있는 것이 적합하다.
·상기 양상에 있어서, 상기 변압기가 갭을 갖는 것이 적합하다.
·본 발명의 다른 양상은, 제1 및 제2 입력 단부(T1, T2)와 제1 및 제2 출력 단부(T3, T4) 사이에서 직류 전력을 변환하는 DC/DC 컨버터이며,
(a) 상기 제1 입력 단부(T1)에 일단부가 접속된 1차 코일(L1)과, 해당 1차 코일(L1)에 대해서 자기결합되고, 그리고 해당 제2 출력 단부(T4)에 타단부가 접속된 제1의 2차 코일(L21)과, 해당 1차 코일(L1)에 대해서 자기결합되고, 그리고 해당 제2 출력 단부(T4)에 일단부가 접속된 제2의 2차 코일(L22)을 구비하는 변압기(TR)와,
(b) 상기 1차 코일(L1)의 타단부와 상기 제2 입력 단부(T2) 사이의 전류로를 도통 또는 차단하기 위해 온/오프 구동되는, 제어 단부를 구비하는 스위칭 소자(Q)와,
(c) 상기 제1의 2차 코일(L21)의 일단부와 상기 제1 출력 단부(T3) 사이에 접속되어, 상기 스위칭 소자(Q)의 온 시에 상기 1차 코일(L1)의 자기 유도에 기인하는 상호 유도에 의해 해당 제1의 2차 코일(L21)의 일단부에 생기는 전위에 대해서 순바이어스가 되고 그리고 오프 시에 역바이어스가 되는 제1 정류 디바이스(D1)와,
(d) 상기 제2의 2차 코일(L22)의 타단부와 상기 제1 출력 단부(T3) 사이에 접속되어, 상기 스위칭 소자(Q)의 온 시에 상기 1차 코일(L1)의 자기 유도에 기인하는 상호 유도에 의해 해당 제2의 2차 코일(L22)의 타단부에 생기는 전위에 대해서 역바이어스가 되고 그리고 오프 시에 순바이어스가 되는 제2 정류 디바이스(D2)를 포함하는 것을 특징으로 한다.
·상기 양상에 있어서, 상기 1차 코일(L1)과 상기 제1의 2차 코일(L21)의 자기결합이 소결합이고, 그리고 상기 1차 코일(L1)과 상기 제2의 2차 코일(22)의 자기결합이 친밀결합인 것이 적합하다.
·상기 양상에 있어서, 상기 제1 정류 디바이스(D1) 및 상기 제2 정류 디바이스(D2)가 각각 다이오드인 것이 적합하다.
·상기 양상에 있어서, 상기 1차 코일(L1)과 상기 제1의 2차 코일(L21)이 상기 변압기(TR)의 코어에 이격되어 감겨져 있고 그리고 상기 1차 코일(L1)과 상기 제2의 2차 코일(L22)이 상기 변압기(TR)의 코어에 중첩되어 감겨 있는 것이 적합하다.
·상기 양상에 있어서, 상기 변압기(TR)가 갭을 갖는 것이 적합하다.
본 발명은, 스위칭 방식의 DC/DC 컨버터에 있어서, 1차 코일과의 상호 유도에 의해 온 기간에는 2차 코일로부터 포워드 전류를 출력하고, 오프 기간에는 1차 코일 또는 제2의 2차 코일로부터 플라이백 전류를 출력할 수 있다. 이것에 의해, 온 기간도 오프 기간도 출력할 수 있으므로, 종래의 플라이백 방식보다도 큰 전력을 출력할 수 있다.
또한, 종래의 포워드 방식에 있어서 오프 기간에 전류를 출력하고 있었던 외장형 초크 코일이 불필요해진다.
1차 코일과 2차 코일을 소결합으로 함으로써 돌입 전류를 회피하고, 스위칭 소자 및 부하의 손상을 피할 수 있다.
도 1은 본 발명의 제1 실시형태의 기본 구성예를 나타낸 회로도.
도 2(a) 및 (b)는 도 1에 나타낸 회로에 있어서의 온 기간 및 오프 기간의 전류의 흐름을 변압기의 구성예와 함께 모식적으로 나타낸 도면.
도 3은 도 1에 나타낸 회로에 있어서의 전류 및 전압의 시간변화의 예를 모식적으로 나타낸 도면.
도 4는 본 발명의 제2 실시형태의 기본 구성의 일례를 나타낸 회로도.
도 5(a) 및 (b)는 도 4에 나타낸 회로도에 있어서의 온 기간 및 오프 기간의 전류의 흐름을 변압기의 구성예와 함께 모식적으로 나타낸 도면.
이하, 도면을 참조하면서, 본 발명에 의한 DC/DC 컨버터의 실시형태에 대해서 상세히 설명한다.
본 발명에 의한 DC/DC 컨버터는, 1쌍의 입력 단부와 1쌍의 출력 단부 사이에서 직류 전력을 변환하는 것이다. 1쌍의 입력 단부 사이에 직류 전력이 공급된다. 공급되는 직류 전력은, 다른 임의의 직류 전원의 출력이어도 되고, 교류 전원의 정류 후의 출력이어도 된다. 1쌍의 출력 단부에는 부하가 접속된다(도면에서는 생략).
본 발명에 의한 DC/DC 컨버터는, 승압형 및 감압형의 어느 것으로도 구성하는 것이 가능하다. 이하에서는, 입력측과 출력측이 절연되어 있지 않은 비절연형의 실시형태와, 입력측과 출력측이 절연된 절연형의 실시형태를 나타낸다. 또한, 이하의 설명 중, 「포워드 방식」, 「플라이백 방식」은 각 방식에 있어서의 주지의 원리적 회로의 의미로 이용하고 있다.
(1) 제1 실시형태(비절연형 DC/DC 컨버터)
(1-1) 비절연형 DC/DC 컨버터의 구성
도 1은 본 발명의 DC/DC 컨버터의 제1 실시형태의 기본 구성예를 나타낸 회로도이다.
본 회로는, 입력 단부(T1)와 입력 단부(T2) 사이에 직류 전력이 공급된다. 즉, 직류 전압이 인가된다. 또한, 출력 단부(T3)와 출력 단부(T4) 사이에 직류 전력이 출력된다. 제1 실시형태는 비절연형이며, 입력 단부(T2)와 출력 단부(T4)는 접속되어, 공통 단부로 되어 있다. 이 공통 단부는 통상은 접지된다. 이하에서는, 공통 단부를 접지 전위로 하고, 입력 단부(T1) 및 출력 단부(T3)를 정전위의 입출력 단부로 했을 경우에 대해서 설명하지만, 부전위의 입출력 단부로 하는 것도 가능하다.
본 회로는, 1차 코일(L1)과 2차 코일(L2)을 구비하는 변압기(TR)를 구비한다. 각 코일의 감기 시작 단자를 검은 동그라미로 표시하고 있다(검은 동그라미는 코일의 극성을 나타낸다). 본 명세서에서 코일에 대해서 「일단부」와 「타단부」라고 할 경우에는, 「감기 시작 단자」와 「감기 종료 단자」를 말할 경우도, 「감기 종료 단자」와 「감기 시작 단자」를 말할 경우도, 모두 포함하는 것으로 한다(다른 실시형태에서도 마찬가지임). 또한, 본 명세서의 각 코일의 설명에 있어서, 「일단부」를 「제1 단부」라고, 「타단부」를 「제2 단부」로 칭해도 된다.
1차 코일(L1)과 2차 코일(L2)은 소결합으로 하는 것이 적합하다. 「소결합」이란, 변압기에 감긴 2개의 코일의 자기결합의 결합 계수가 1이 아니고, 1차 코일(L1)로부터 나온 자속의 모두를 2차 코일(L2)에 통과시키는 것이 아니라 일부의 자속을 누설시키도록 한 구성을 지칭한다. 따라서, 상호 유도에 의한 전압비가 권수비에 의해서만 결정되지 않게 되지만, 이것은 설계상이며 본 발명의 본질은 아니다. 2개의 코일을 소결합으로 하기 위해서는, 변압기의 코어에 갭을 형성하거나, 1차 코일과 2차 코일을 이격시켜 감거나 한다.
1차 코일(L1)의 일단(본 예에서는 감기 시작 단자) 및 2차 코일(L2)의 타단부(본 예에서는 감기 종료 단자)가 입력 단부(T1)에 접속되어 있다. 1차 코일(L1)과 2차 코일(L2)은, 입력 단부(T1)에 대하여 극성이 반대가 되도록 접속된다. 따라서, 1차 코일(L1)의 감기 종료 단자와 2차 코일의 감기 시작 단자가 입력 단부(T1)에 접속되어도 된다.
2차 코일(L2)의 일단부(본 예에서는 감기 시작 단자)와 출력 단부(T3) 사이에는 다이오드(D1)가 접속되어 있다. 다이오드(D1)의 애노드가 2차 코일(L2)의 일단에 접속되고, 캐소드가 출력 단부(T3)에 접속되어 있다.
1차 코일(L1)의 타단부(본 예에서는 감기 종료 단자)와 출력 단부(T3) 사이에는 다이오드(D2)가 접속되어 있다. 다이오드(D2)의 애노드가 1차 코일(L1)의 타단부에 접속되고, 캐소드가 출력 단부(T3)에 접속되어 있다.
다이오드(D1, D2)는, 순바이어스의 전압이 인가되면 도통되고, 역바이어스에 대하여 차단된다. 부하에 공급되는 전압의 저하를 작게 하기 위해서 순방향 전압강하가 작은 쇼트키 배리어 다이오드나 고속 스위칭용 다이오드를 이용하는 것이 적합하다(다른 실시형태에서도 마찬가지임). 다이오드 대신에 그 밖의 정류 소자, 정류 회로 등의 정류 디바이스를 이용해도 된다(다른 실시형태에서도 마찬가지임).
또한, 1차 코일(L1)의 타단부(본 예에서는 감기 종료 단자)에 N채널 FET인 스위칭 소자(Q)의 드레인이 접속되고, 소스가 공통 단부(T2, T4)에 접속되어 있다. 스위칭 소자(Q)의 제어 단부인 게이트에는, 제어 신호로서 소정의 주파수 및 듀티비의 펄스신호가 입력된다. 본 예에서는, 제어 신호가 정전위일 때 스위칭 소자(Q)는 온이 되고, 1차 코일(L1)의 타단부와 공통 단부(T2, T4) 사이의 전류로가 도통 된다. 제어 신호가 0일 때 스위칭 소자는 오프가 되고, 1차 코일(L1)의 타단부와 공통 단부(T2, T4) 사이의 전류로는 차단된다.
스위칭 소자(Q)로서, N채널 FET 대신에 P채널 FET를 이용할 수도 있다. 또한, IGBT, 바이폴라 트랜지스터를 이용할 수도 있다(다른 실시형태에서도 마찬가지임).
출력 단부(T3)와 출력 단부(T4) 사이에는 평활 컨덴서(C)가 접속되어 있다. 도시하지 않지만, 이들 출력 단부(T3, T4) 사이에는 부하가 접속되어 있다.
도 1에는, 본 회로에 흐르는 전류의 경로와 방향을 개략적으로 도시하고 있다. 전류(id) 및 제1 전류(i1)는 스위칭 소자(Q)의 온 기간에 흐르는 전류이며, 전류(i2)는 스위칭 소자(Q)의 오프 기간에 흐르는 전류이다.
(1-2) 비절연형 DC/DC 컨버터의 동작
도 2(a) 및 (b)는, 도 1에 나타낸 회로도에 있어서의 온 기간 및 오프 기간의 전류의 흐름을 변압기(TR)의 구성예와 함께 모식적으로 나타낸 도면이다. 도 3은, 도 1에 나타낸 회로의 각 개소에 있어서의 전류 및 전압의 시간변화의 예를 모식적으로 나타낸 도면이다. 도 2 및 도 3을 참조해서 도 1의 회로의 동작을 설명한다.
<온 기간의 동작>
도 2(a) 중에, 온 기간의 전류의 경로를 나타내고 있다. 스위칭 소자(Q)의 게이트에 입력되는 펄스전압인 제어 신호(Vg)는, 예를 들면 도 3(a)와 같다. 본 예에서는, 제어 신호(Vg)가 온이 되면 스위칭 소자(Q)의 전류로가 도통되고, 직류 전압이 1차 코일(L1)의 일단에 인가되어, 1차 코일(L1)의 일단부가 정전위, 타단부가 부전위가 된다. 이것에 의해, 입력 단부(T1)→1차 코일(L1)→스위칭 소자(Q)→입력 단부(T2)의 경로로 전류(id)가 흐른다. 전류(id)의 온 기간의 변화는, 도 3(b)와 같다. 이때, 1차 코일(L1)의 타단부에 접속된 다이오드(D2)는 역바이어스가 되므로 전류는 흐르지 않는다.
한편, 1차 코일(L1)에 전류가 흐르면 변압기(TR)의 코어를 통해서 2차 코일(L2)을 통과하는 자속이 증가하고, 상호 유도에 의한 역기전력이 2차 코일(L2)에 생겨, 2차 코일(L2)의 일단부가 정전위, 타단부가 부전위가 된다. 이것에 의해 다이오드(D1)가 순바이어스로 되어서 도통되고, 입력 단부(T1)→2차 코일(L2)→다이오드(D1)→출력 단부(T3)→부하→출력 단부(T4)(입력 단부(T2))의 경로로 제1 전류(i1)가 흐른다. 제1 전류(i1)의 온 기간의 변화는, 도 3(c)와 같다. 제1 전류(i1)는 포워드 방식에 있어서의 온 기간의 포워드 전류에 상당한다.
여기서, 1차 코일(L1)과 2차 코일(L2)은 소결합으로 하고 있다. 도시한 변압기(TR)의 예에서는, 1차 코일(L1)과 2차 코일(L2)을 UU형 코어의 각각의 다리부에 이격해서 감고, 그리고 코어에 2군데의 갭을 형성함으로써 소결합을 실현하고 있다. UU형 코어는, 소결합 변압기에 적합하고 있어 코일 간의 절연이 용이하고 소형화될 수 있으므로 적합하지만, 코어 형상은 이것으로 한정되는 것은 아니다.
1차 코일(L1)과 2차 코일(L2)을 소결합으로 함으로써, 스위칭 소자(Q)를 온으로 한 순간에 돌입 전류가 흐르는 것이 회피되어, 스위칭 소자(Q)의 손상을 방지할 수 있다. 또, 온한 순간에 2차 코일(L2)에 심한 피크 전류가 흐르는 것을 피할 수 있어, 돌입 전류에 의한 부하의 손상을 방지할 수 있다.
또한, 1차 코일(L1)에 흐르는 전류(id)는, 2차 코일(L2)과의 상호 유도에 의한 부하 전류와, 변압기(TR)에 자기 에너지를 축적하는 여자전류를 포함하는 것이다. 온 기간에는, 여자전류에 의해 변압기(TR)의 자속이 증가하고 자기 에너지가 축적된다.
<오프 기간의 동작>
도 2(b)는 오프 기간의 전류의 경로를 나타내고 있다. 제어 신호(Vg)가 오프가 되면, 스위칭 소자(Q)의 전류로가 차단되어, 1차 코일(L1)에 흐르는 전류(id)는 소실된다. 이것에 의해, 1차 코일(L1) 및 2차 코일(L2)에 각각 역기전력이 생긴다. 2차 코일(L2)에 생긴 역기전력에 의해 다이오드(D1)는 역바이어스가 되므로 제1 전류(i1)는 0이 된다. 한편, 1차 코일(L1)에 생긴 역기전력에 의해 다이오드(D2)가 순바이어스가 되어서 도통되고, 입력 단부(T1)→1차 코일(L1)→다이오드(D2)→출력 단부(T3)→부하→출력 단부(T4)(입력 단부(T2))의 경로로 제2 전류(i2)가 흐른다. 제2 전류(i2)의 오프 기간의 변화는, 도 3(d)와 같다. 제2 전류(i2)는, 플라이백 방식에 있어서의 오프 기간의 플라이백 전류에 상당한다.
온 기간에 변압기(TR)에 축적된 자기 에너지는, 다이오드(D2)를 통해서 제2 전류(i2)가 흐르는 것에 의해 방출된다(온 기간의 최초의 상태로 돌아간다).
또한, 다이오드(D2)를 통해서 제2 전류(i2)가 흐르는 것에 의해, 스위칭 소자(Q)를 오프시킨 순간에 1차 코일(L1)에 생기는 서지(serge) 전압에 의해 스위칭 소자(Q)가 파괴되는 것이 회피된다. 이것은 스너버(snubber) 회로와 같은 효과이다. 따라서 DC/DC 컨버터에 있어서 통상 설치되는 스너버 회로를 생략할 수 있다.
제1 실시형태에 있어서의 1차 코일(L1)과 2차 코일(L2)은, 포워드 방식의 1차 코일과 2차 코일에 각각 상당한다. 동시에, 제1 실시형태에 있어서의 1차 코일(L1)은, 플라이백 방식에 있어서의 1차 코일과 2차 코일을 1개의 코일로 겸용시키고 있다고 말할 수 있다.
<출력 단부에 있어서의 전류 및 전압>
다이오드(D1, D2)로부터 출력 단부(T3)에 출력되는 전류(i1)와 (i2)를 합치면, 도 3(e)와 같이 된다. 도 3에서는 전류를 임계 모드로 나타내고 있지만, 연속 모드 또는 불연속 모드의 경우도 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 한다.
도 3(f)에 나타낸 바와 같이, 출력 단부(T3, T4)에 출력되는 실제의 전압(Vo) 및 전류(Io)의 파형은 평활 컨덴서의 움직임에 의해 평활화되어서 출력된다(리플은 생략).
기본적으로, 출력 전압은 1차 코일(L1)과 2차 코일(L2)의 권수비 및 결합 계수에 의해 결정되고, 출력 전류는 스위칭 소자(Q)의 제어 신호의 듀티비에 의해 결정된다. 가동 시에는, 출력 전압의 부귀환에 의해서 제어 신호의 듀티비를 제어함으로써 출력 전압을 제어할 수 있다.
(2) 제2 실시형태(절연형 DC/DC 컨버터)
(2-1) 절연형 DC/DC 컨버터의 구성
도 4는 본 발명의 DC/DC 컨버터의 제2 실시형태의 기본 구성예를 나타내는 회로도이다. 제2 실시형태는 절연형이며, 입력 단부(T1)와 입력 단부(T2) 사이에 직류 전력을 공급하는 입력측과, 출력 단부(T3)와 출력 단부(T4) 사이에 직류 전력을 출력하는 출력측이, 변압기(TR)에 의해 절연되어 있다. 이하에서는, 입력 단부(T1) 및 출력 단부(T3)를 정전위의 입출력 단부로 하고, 입력 단부(T2) 및 출력 단부(T4)를 접지 전위로 했을 경우에 대해서 설명하지만, 부전위의 입출력 단부로 하는 것도 가능하다.
본 회로는, 1차 코일(L1)과, 제1의 2차 코일(L21)과, 제2의 2차 코일(L22)을 구비하는 변압기(TR)를 갖는다.
1차 코일(L1)과 제1의 2차 코일(L21)은 소결합으로 하는 것이 적합하다. 소결합에 대해서는, 전술한 제1 실시형태의 1차 코일과 2차 코일과 마찬가지의 의미이다.
또, 1차 코일(L1)과 제2의 2차 코일(L22)은 밀착결합을 하는 것이 적합하다. 「밀착결합」에서는, 변압기에 감겨진 2개의 코일의 자기결합의 결합 계수가 1이다. 2개의 코일을 밀착결합으로 하기 위해서는, 누설 자속을 일으키지 않도록 중첩 감기를 하거나 한다.
1차 코일(L1)의 일단부(본 예에서는 감기 시작 단자)가 입력 단부(T1)에 접속되어 있다. 1차 코일(L1)의 타단부(본 예에서는 감기 종료 단자)에 N채널 FET인 스위칭 소자(Q)의 드레인이 접속되고, 소스가 입력 단부(T2)에 접속되어 있다. 스위칭 소자(Q)의 제어 단부인 게이트에는, 제어 신호로서 소정의 주파수 및 듀티비의 펄스전압이 입력된다. 이 경우, 제어 신호가 정전위일 때 스위칭 소자(Q)는 온이 되고, 1차 코일(L1)의 타단부와 입력 단부(T2) 사이의 전류로가 도통된다. 제어 신호가 0일 때 스위칭 소자는 오프가 되고, 1차 코일(L1)의 타단부와 입력 단부(T2) 사이의 전류로는 차단된다.
제1의 2차 코일(L21)의 일단부(본 예에서는 감기 시작 단자)와 출력 단부(T3) 사이에는 다이오드(D1)가 접속되어 있다. 다이오드(D1)의 애노드가 제1의 2차 코일(L21)의 일단부에, 캐소드가 출력 단부(T3)에 접속되어 있다. 제1의 2차 코일(L21)의 타단부는 출력 단부(T4)에 접속되어 있다.
제2의 2차 코일(L22)의 타단부(본 예에서는 감기 종료 단자)와 출력 단부(T3) 사이에는 다이오드(D2)가 접속되어 있다. 다이오드(D2)의 애노드가 제2의 2차 코일(L22)의 타단부에, 캐소드가 출력 단부(T3)에 접속되어 있다. 제2의 2차 코일(L22)의 일단부는 출력 단부(T4)에 접속되어 있다.
다이오드(D1, D2)는, 순바이어스의 전압이 인가되면 도통되고, 역바이어스에 대하여 차단된다. 출력 단부(T3)와 출력 단부(T4) 사이에는 평활 컨덴서(C)가 접속되어 있다. 도시하지 않지만, 이들 출력 단부(T3, T4)의 사이에는 부하가 접속되어 있다.
도 4에는, 본 회로에 흐르는 전류의 경로와 방향을 개략적으로 나타내고 있다. 전류(id) 및 제1 전류(i1)는 스위칭 소자(Q)의 온 기간에 흐르는 전류이며, 전류(i2)는 스위칭 소자(Q)의 오프 기간에 흐르는 전류이다.
(2-2) 절연형 DC/DC 컨버터의 동작
도 5(a) 및 (b)는, 도 4에 나타낸 회로도에 있어서의 온 기간 및 오프 기간의 전류의 흐름을 변압기의 구성예와 함께 모식적으로 나타낸 도면이다. 도 3의 파형도는 제2 실시형태에서도 공통되므로, 도 5 및 도 3을 참조해서 도 4의 회로의 동작을 설명한다.
<온 기간의 동작>
도 5(a)는 온 기간의 전류의 경로를 나타내고 있다. 스위칭 소자(Q)의 게이트에 입력되는 펄스 전압인 제어 신호(Vg)는, 예를 들면 도 3(a)와 같다. 제어 신호(Vg)가 온이 되면, 스위칭 소자(Q)의 전류로가 도통되고, 직류 전압이 1차 코일(L1)의 일단에 인가되어, 1차 코일(L1)의 일단부가 정전위, 타단부가 부전위가 된다. 이것에 의해, 입력 단부(T1)→1차 코일(L1)→스위칭 소자(Q)→입력 단부(T2)의 경로로 전류(id)가 흐른다. 전류(id)의 온 기간의 변화는, 도 3(b)와 같다.
1차 코일(L1)에 전류가 흐르면 변압기(TR)의 코어를 통해서 제1의 2차 코일(L21)을 통과하는 자속이 증가하고, 상호 유도에 의한 기전력이 제1의 2차 코일(L21)에 생기고, 제1의 2차 코일(L21)의 일단부가 정전위, 타단부가 부전위가 된다. 이것에 의해 다이오드(D1)가 순바이어스가 되어서 도통되고, 제1의 2차 코일(L21)→다이오드(D1)→출력 단부(T3)→부하→출력 단부(T4)→제1의 2차 코일(L21)의 경로로 제1 전류(i1)가 흐른다. 제1 전류(i1)의 온 기간의 변화는, 도 3(c)와 같다. 제1 전류(i1)는, 포워드 방식에 있어서의 온 기간의 포워드 전류에 상당한다.
한편, 1차 코일(L1)에 중첩하여 감긴 제2의 2차 코일(L22)은, 일단부가 정전위, 타단부가 부전위가 되고, 타단부에 접속된 다이오드(D2)는 역바이어스가 되므로 전류는 흐르지 않는다.
여기서, 1차 코일(L1)과 제1의 2차 코일(L21)은, 제1 실시형태에 있어서의 1차 코일과 2차 코일과 마찬가지의 구성으로 소결합으로 하고 있으므로, 전술한 바와 같은 효과가 얻어진다.
또, 1차 코일(L1)에 흐르는 전류(id)는, 제1의 2차 코일(L21)과의 상호 유도에 의한 부하 전류와 변압기(TR)에 자기 에너지를 축적하는 여자전류를 포함하는 것이다. 온 기간에는, 여자전류에 의해 변압기(TR)의 자속이 증가하여 자기 에너지가 축적된다.
<오프 기간의 동작>
도 5(b)는 오프 기간의 전류의 경로를 나타내고 있다. 제어 신호(Vg)가 오프가 되면, 스위칭 소자(Q)의 전류로가 차단되어, 1차 코일(L1)에 흐르는 전류(id)는 소실한다. 이것에 의해, 1차 코일(L1), 제1의 2차 코일(L21) 및 제2의 2차 코일(L22)의 각각에 역기전력이 생긴다. 1차 코일(L1)은 전류로가 차단되어, 전류는 0이 된다.
제1의 2차 코일(L21)은, 역기전력에 의해 다이오드(D1)는 역바이어스가 되므로 제1 전류(i1)는 0이 된다. 한편, 제2의 2차 코일(L22)에 생긴 역기전력에 의해 다이오드(D2)가 순바이어스로 되어서 도통되고, 제2의 2차 코일(L22)→다이오드(D2)→출력 단부(T3)→부하→출력 단부(T4)→제2의 2차 코일(L22)의 경로로 제2 전류(i2)가 흐른다. 제2 전류(i2)의 오프 기간의 변화는 도 3(d)와 같다. 제2 전류(i2)는, 플라이백 방식에 있어서의 오프 기간의 플라이백 전류에 상당한다.
온 기간에 변압기(TR)에 축적된 자기 에너지는, 다이오드(D2)를 통해서 제2 전류(i2)가 흐르는 것에 의해 방출된다.
또한, 다이오드(D2)를 통해서 제2 전류(i2)가 흐르는 것에 의해, 스위칭 소자(Q)를 오프한 순간에 1차 코일(L1)에 생기는 서지 전압에 의해 스위칭 소자(Q)가 파괴되는 것이 회피된다. 이것은 스너버 회로와 같은 효과이다. 따라서 플라이백 방식에 있어서 통상 설치되는 스너버 회로를 생략할 수 있다.
제2 실시형태에 있어서의 1차 코일(L1)과 제1의 2차 코일(L21)은, 포워드 방식의 1차 코일과 2차 코일에 각각 상당한다. 동시에, 제2 실시형태에 있어서의 1차 코일(L1)과 제2의 2차 코일(L22)은, 플라이백 방식에 있어서의 1차 코일과 2차 코일에 각각 상당한다. 이 경우, 포워드 방식과 플라이백 방식의 1차 코일을 겸용하고 있게 된다.
출력 단부에 있어서의 전류와 전압의 파형 및, 출력 전압 및 출력 전류의 설정 및 제어 방법은, 제1 실시형태와 마찬가지이다.
TR: 변압기 L1: 1차 코일
L2, L21, L22: 2차 코일 T1, T2: 입력 단부
T3, T4: 출력 단부 Q: 스위칭 소자
D1, D2: 다이오드 C: 평활 컨덴서

Claims (10)

  1. 제1 및 제2 입력 단부(T1, T2)와 제1 및 제2 출력 단부(T3, T4) 사이에서 직류 전력을 변환하는 DC/DC 컨버터로서, 상기 제2 입력 단부(T2)와 상기 제2 출력 단부(T4)는 공통 단부이며,
    (a) 상기 제1 입력 단부(T1)에 일단부가 접속된 1차 코일(L1)과, 상기 1차 코일(L1)에 대해서 자기결합되고, 그리고 상기 제1 입력 단부(T1)에 타단부가 접속된 2차 코일(L2)을 구비하는 변압기(TR)와,
    (b) 상기 1차 코일(L1)의 타단부와 상기 공통 단부(T2, T4) 사이의 전류로를 도통 또는 차단하기 위해 온/오프 구동되는, 제어 단부를 구비하는 스위칭 소자(Q)와,
    (c) 상기 2차 코일(L2)의 일단부와 상기 제1 출력 단부(T3) 사이에 접속되어, 상기 스위칭 소자(Q)의 온 시에 상기 1차 코일(L1)의 자기 유도에 기인하는 상호 유도에 의해 상기 2차 코일(L2)의 일단부에 생기는 전위에 대해서 순바이어스가 되고 그리고 오프 시에 역바이어스가 되는 제1 정류 디바이스(D1)와,
    (d) 상기 1차 코일(L1)의 타단부와 상기 제1 출력 단부(T3) 사이에 접속되어, 상기 스위칭 소자(Q)의 온 시에 상기 1차 코일(L1)의 자기 유도에 의해 상기 1차 코일(L1)의 타단부에 생기는 전위에 대해서 역바이어스가 되고 그리고 오프 시에 순바이어스가 되는 제2 정류 디바이스(D2)를 포함하되,
    상기 변압기(TR)가 갭을 구비하는 것을 특징으로 하는 DC/DC 컨버터.
  2. 제1항에 있어서, 상기 1차 코일(L1)과 상기 2차 코일(L2)의 자기결합이 소결합(疎結合)인 것을 특징으로 하는 DC/DC 컨버터.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 제1 정류 디바이스(D1) 및 상기 제2 정류 디바이스(D2)가 각각 다이오드인 것을 특징으로 하는 DC/DC 컨버터.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 1차 코일(L1)과 상기 2차 코일(L2)이 상기 변압기(TR)의 코어에 이격되어 감겨져 있는 것을 특징으로 하는 DC/DC 컨버터.
  5. 제1 및 제2 입력 단부(T1, T2)와 제1 및 제2 출력 단부(T3, T4) 사이에서 직류 전력을 변환하는 DC/DC 컨버터로서,
    (a) 상기 제1 입력 단부(T1)에 일단부가 접속된 1차 코일(L1)과, 상기 1차 코일(L1)에 대해서 자기결합되고, 그리고 상기 제2 출력 단부(T4)에 타단부가 접속된 제1의 2차 코일(L21)과, 상기 1차 코일(L1)에 대해서 자기결합되고, 그리고 상기 제2 출력 단부(T4)에 일단부가 접속된 제2의 2차 코일(L22)을 구비하는 변압기(TR)와,
    (b) 상기 1차 코일(L1)의 타단부와 상기 제2 입력 단부(T2) 사이의 전류로를 도통 또는 차단하기 위해 온/오프 구동되는, 제어 단부를 구비하는 스위칭 소자(Q)와,
    (c) 상기 제1의 2차 코일(L21)의 일단부와 상기 제1 출력 단부(T3) 사이에 접속되어, 상기 스위칭 소자(Q)의 온 시에 상기 1차 코일(L1)의 자기 유도에 기인하는 상호 유도에 의해 상기 제1의 2차 코일(L21)의 일단부에 생기는 전위에 대해서 순바이어스가 되고 그리고 오프 시에 역바이어스가 되는 제1 정류 디바이스(D1)와,
    (d) 상기 제2의 2차 코일(L22)의 타단부와 상기 제1 출력 단부(T3) 사이에 접속되어, 상기 스위칭 소자(Q)의 온 시에 상기 1차 코일(L1)의 자기 유도에 기인하는 상호 유도에 의해 상기 제2의 2차 코일(L22)의 타단부에 생기는 전위에 대해서 역바이어스가 되고 그리고 오프 시에 순바이어스가 되는 제2 정류 디바이스(D2)를 포함하되,
    상기 1차 코일(L1)과 상기 제1의 2차 코일(L21)의 자기결합이 소결합이고, 그리고, 상기 1차 코일(L1)과 상기 제2의 2차 코일(22)의 자기결합이 밀착결합인 것을 특징으로 하는 DC/DC 컨버터.
  6. 제5항에 있어서, 상기 제1 정류 디바이스(D1) 및 상기 제2 정류 디바이스(D2)가 각각 다이오드인 것을 특징으로 하는 DC/DC 컨버터.
  7. 제5항 또는 제6항에 있어서, 상기 1차 코일(L1)과 상기 제1의 2차 코일(L21)이 상기 변압기(TR)의 코어에 이격되어 감겨져 있고 그리고 상기 1차 코일(L1)과 상기 제2의 2차 코일(L22)이 상기 변압기(TR)의 코어에 중첩되어 감겨져 있는 것을 특징으로 하는 DC/DC 컨버터.
  8. 제5항 또는 제6항에 있어서, 상기 변압기(TR)가 갭을 구비하는 것을 특징으로 하는 DC/DC 컨버터.
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