KR102482001B1 - 컨버터 및 컨버터 제어방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 컨버터는 복수의 스위치를 포함하는 스위칭부, 상기 스위칭부와 연결되는 변압기, 상기 변압기에 연결되는 정류 스위치, 및 상기 변압기의 1차측 코일, 상기 변압기의 2차측 코일 또는 상기 정류 스위치에 연결되는 센서를 포함한다.

Description

컨버터 및 컨버터 제어방법{Converter and method for controlling converter}
본 발명은 컨버터에 관한 것으로, 보다 구체적으로 듀티 손실을 적응적으로 실시간 반영할 수 있는 컨버터에 관한 발명이다.
풀 브릿지 컨버터(Full-bridge converter)는 4 개의 스위칭소자를 상보적으로 스위칭하여 변압기를 통해 전압을 전달하는 컨버터이다. 위상 천이 풀 브릿지 컨버터는 위상 천이 제어방식으로 동작하는 풀 브릿지 컨버터로, 스위치의 위상을 제어하여, 스위칭 시간이 겹치도록 하여, 2 차측으로 흐르는 전류의 크기를 크게하는 컨버터이다. 이를 통해, 영전압 스위칭(Zero voltage switching)이 가능하다.
하지만, 기생 인덕턴스 등에 의해 듀티 손실(duty loss)가 발생하여 효율이 떨어지는 문제가 발생할 수 있다. 듀티 손실을 적응적으로 실시간 반영할 수 있는 기술이 필요하다.
본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는, 듀티 손실을 적응적으로 실시간 반영할 수 있는 컨버터 및 컨버터의 제어방법을 제공하는 것이다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 컨버터는 복수의 스위치를 포함하는 스위칭부; 상기 스위칭부와 연결되는 변압기; 상기 변압기에 연결되는 정류 스위치; 및 상기 변압기의 1차측 코일, 상기 변압기의 2차측 코일 또는 상기 정류 스위치에 연결되는 센서를 포함한다.
또한, 상기 정류 스위치는 제1 정류 스위치 및 제2 정류 스위치를 포함하고, 상기 센서는, 상기 제1 정류 스위치의 드레인-소스 전압 또는 상기 제2 정류 스위치의 드레인-소스 전압을 측정할 수 있다.
또한, 상기 센서는, 상기 제1 정류 스위치의 드레인 및 소스를 연결하는 제1 저항; 및 상기 제2 정류 스위치의 드레인 및 소스를 연결하는 제2 저항을 포함하고, 상기 제1 저항 또는 상기 제2 저항을 이용한 전압분배를 통해 상기 제1 정류 스위치의 드레인-소스 전압 또는 상기 제2 정류 스위치의 드레인-소스 전압을 측정할 수 있다.
또한, 상기 센서로부터 입력받은 상기 제1 정류 스위치 또는 상기 제2 정류 스위치의 전압의 변화에 따라 상기 제1 정류 스위치 또는 상기 제2 정류 스위치의 턴오프 시간을 가변할 수 있다.
또한, 상기 센서는, 상기 변압기의 1차측 코일의 양단 전압의 차이를 증폭하여 출력하는 제3 차동증폭기; 및 상기 제3 차동증폭기의 출력 값을 상기 컨트롤러로 전달하는 절연 버퍼를 포함할 수 있다.
또한, 상기 센서로부터 입력받은 상기 변압기의 1차측 코일의 전압의 변화 또는 상기 변압기의 2차측 코일의 전압의 변화에 따라 상기 제1 정류 스위치 또는 상기 제2 정류 스위치의 턴오프 시간을 가변할 수 있다.
또한, 피크 전류 모드로 상기 스위칭부의 스위칭 동작을 제어하는 컨트롤러를 포함하고, 상기 컨트롤러는 상기 센서부터 입력받은 상기 변압기의 1차측 코일, 상기 변압기의 2차측 코일 또는 상기 정류 스위치의 전압의 변화에 따라 상기 피크 전류 모드 제어를 위한 슬로프의 하강 시점을 가변할 수 있다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위하여, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 컨버터는 스위칭부; 상기 스위칭부에서 출력되는 전압을 변경하는 변압기; 상기 변압기의 출력 전압을 정류하는 정류 스위치; 상기 변압기의 1차측 코일, 상기 변압기의 2차측 코일 또는 상기 정류 스위치의 전압을 센싱하는 센서; 및 컨버터의 컨버팅 동작을 제어하는 컨트롤러를 포함하고, 상기 변압기의 1차측 코일, 상기 변압기의 2차측 코일 또는 상기 정류 스위치의 전압의 상승 시점 또는 하강 시점에 따라 상기 정류 스위치가 오프된다.
또한, 상기 컨트롤러는 제1 시간의 주기로 연산하고, 상기 정류 스위치에 전기적으로 연결되는 부하의 크기 변동에 따라 상기 센서의 센싱 시점이 변경되면 상기 정류기 스위치의 온/오프 상태 변경 시점도 상기 제 1시간 내에 변경될 수 있다.
또한, 상기 정류 스위치는 상기 스위칭부에 포함된 스위치 중 동기화된 스위치가 턴온될 때 턴온될 수 있다.
또한, 상기 정류 스위치는, 서로 병렬로 연결되는 제1 정류 스위치 및 제2 정류 스위치를 포함하고, 상기 변압기의 2차측 코일은, 상기 제1 정류 스위치와 직렬 연결되는 제1 코일 및 상기 제2 정류 스위치와 직렬 연결되는 제2 코일을 포함하고, 상기 센서는 상기 제1 코일의 전압 및 상기 제2 코일의 전압 중 적어도 하나의 전압을 측정할 수 있다.
또한, 상기 센서는, 상기 제1 코일의 양단 전압의 차이를 증폭하여 상기 컨트롤러로 인가하는 제1 차동증폭기; 및 상기 제2 코일의 양단 전압의 차이를 증폭하여 상기 컨트롤러로 인가하는 제2 차동증폭기를 포함할 수 있다.
또한, 상기 컨트롤러는, 부하의 전압 및 입력 전류를 측정하여 피크 전류 모드로 상기 스위칭부의 스위칭 동작을 제어하되, 상기 센서로부터 입력받은 상기 제1 정류 스위치 또는 상기 제2 정류 스위치의 전압의 변화에 따라 상기 피크 전류 모드 제어를 위한 슬로프의 하강 시점을 가변할 수 있다.
또한, 상기 컨트롤러는, 부하의 전압 및 입력 전류를 측정하여 피크 전류 모드로 상기 스위칭부의 스위칭 동작을 제어하되, 상기 센서로부터 입력받은 상기 변압기의 1차측 코일, 상기 변압기의 2차측 코일 또는 상기 정류 스위치의 전압의 변화에 따라 상기 피크 전류 모드 제어를 위한 슬로프의 하강 시점을 가변할 수 있다.
또한, 상기 컨트롤러는, 상기 센서로부터 입력받은 상기 변압기의 1차측 코일, 상기 변압기의 2차측 코일 또는 상기 정류 스위치의 전압의 변화에 따라 상기 정류 스위치의 턴오프 시간을 가변할 수 있다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 컨버터의 제어 방법은 변압기 및 상기 변압기와 전기적으로 연결된 정류 스위치를 포함하는 컨버터의 제어 방법에 있어서, 입력되는 전압을 제1 주기의 연산을 통해 소정의 레벨의 전압으로 변압하는 단계; 상기 변압기 또는 상기 정류 스위치부의 전압을 센싱하는 단계; 및 출력되는 전압을 정류하는 단계를 포함하되, 상기 센싱된 전압의 상승 시점 또는 하강 시점으로부터 상기 제1 주기 내에서 상기 정류 스위치의 스위칭 동작 상태를 제어한다.
본 발명의 실시예들에 따르면, 듀티 손실을 적응적으로 실시간 반영하여 컨버터의 효율을 높일 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 컨버터의 블록도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 컨버터의 예시 회로도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 센서 및 컨트롤러의 블록도이다.
도 4 내지 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 컨버터의 듀티 손실을 실시간 반영하는 과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 컨버터의 블록도이다.
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 컨버터의 예시 회로도이다.
도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 센서 및 컨트롤러의 블록도이다.
도 10은 본 발명의 다른 실시예에 따른 컨버터의 듀티 손실을 실시간 반영하는 과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 11은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 컨버터의 블록도이다.
도 12는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 컨버터의 예시 회로도이다.
도 13은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 센서 및 컨트롤러의 블록도이다.
도 14는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 컨버터의 듀티 손실을 실시간 반영하는 과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 15는 본 발명의 일 실시예에 따른 컨버터의 제어 방법의 흐름도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.
다만, 본 발명의 기술 사상은 설명되는 일부 실시 예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있고, 본 발명의 기술 사상 범위 내에서라면, 실시 예들간 그 구성 요소들 중 하나 이상을 선택적으로 결합 또는 치환하여 사용할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에서 사용되는 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는, 명백하게 특별히 정의되어 기술되지 않는 한, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 일반적으로 이해될 수 있는 의미로 해석될 수 있으며, 사전에 정의된 용어와 같이 일반적으로 사용되는 용어들은 관련 기술의 문맥상의 의미를 고려하여 그 의미를 해석할 수 있을 것이다.
또한, 본 발명의 실시예에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다.
본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함할 수 있고, "A 및(와) B, C 중 적어도 하나(또는 한 개 이상)"로 기재되는 경우 A, B, C로 조합할 수 있는 모든 조합 중 하나 이상을 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시 예의 구성 요소를 설명하는데 있어서, 제1, 제2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성요소의 본질이나 차례 또는 순서 등으로 한정되지 않는다.
그리고, 어떤 구성 요소가 다른 구성 요소에 '연결', '결합', 또는 '접속'된다고 기재된 경우, 그 구성 요소는 그 다른 구성 요소에 직접적으로 '연결', '결합', 또는 '접속'되는 경우뿐만 아니라, 그 구성 요소와 그 다른 구성 요소 사이에 있는 또 다른 구성 요소로 인해 '연결', '결합', 또는 '접속'되는 경우도 포함할 수 있다.
또한, 각 구성 요소의 "상(위)" 또는 "하(아래)"에 형성 또는 배치되는 것으로 기재되는 경우, "상(위)" 또는 "하(아래)"는 두 개의 구성 요소들이 서로 직접 접촉되는 경우뿐만 아니라, 하나 이상의 또 다른 구성 요소가 두 개의 구성 요소들 사이에 형성 또는 배치되는 경우도 포함한다. 또한, "상(위)" 또는 "하(아래)"로 표현되는 경우 하나의 구성 요소를 기준으로 위쪽 방향뿐만 아니라 아래쪽 방향의 의미도 포함될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 컨버터는 복수의 스위치를 포함하는 스위칭부, 스위칭부와 연결되는 변압기, 변압기에 연결되는 정류 스위치, 및 변압기의 1차측 코일, 변압기의 2차측 코일, 또는 정류 스위치에 연결되는 센서를 포함한다. 센서의 센싱위치는 도 1, 도 7, 및 도 11과 같이 달라질 수 있다. 이하, 각 실시예에 따라 구체적으로 설명하도록 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 컨버터의 블록도이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 컨버터(100)는 스위칭부(110), 변압기(120), 정류 스위치(130), 센서(140), 컨트롤러(150)로 구성되고, 부하 측정부(미도시), 입력 측정부(미도시)를 포함할 수 있다.
스위칭부(110)는 복수의 스위치를 포함한다. 복수의 상측 스위치 및 복수의 하측 스위치를 포함하고, 위상천이 동작할 수 있다.
보다 구체적으로, 스위칭부(110)는 입력된 전원을 변압기(120)의 1차측으로 출력하되, 복수의 상측 스위치 및 복수의 하측 스위치로 구성되어 위상천이 동작한다. 스위칭부(110)는 풀 브릿지를 구성하는 상보적으로 도통하는 제1 상측 스위치와 제1 하측 스위치, 및 상보적으로 도통하는 제2 상측 스위치와 제2 하측 스위치로 구성될 수 있다. 여기서, 제1 상측 스위치와 제1 하측 스위치, 제2 상측 스위치와 제2 하측 스위치는 각각 하프 브릿지를 형성하고, 두 개의 하프 브릿지 회로는 풀 브릿지를 형성할 수 있다. 스위칭부(110)는 피크 전류 모드(Peak Current Mode, PCM)로 제어될 수 있다.
위상 천이 동작하지 않는 경우, 제1 상측 스위치와 제2 하측 스위치가 함께 온오프되고, 제2 상측 스위치와 제1 하측 스위치가 함께 온오프되나, 위상 천이 제어를 통해, 제1 상측 스위치와 제2 상측 스위치가 함께 켜지거나, 제1 하측 스위치와 제2 하측 스위치가 함께 켜지는 구간을 만들어, 1차측 전류가 2차측으로 더 많이 넘어가도록 할 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따른 컨버터(100)는 위상천이 풀브릿지 컨버터일 수 있다.
상기 제1 상측 스위치와 상기 제2 하측 스위치가 동시에 온을 유지하는 시간 또는 상기 제1 하측 스위치와 상기 제2 상측 스위치가 동시에 온을 유지하는 시간을 듀티(Duty)라 한다. 컨버터의 듀티는 변압기의 1차측에서 2차측으로 에너지를 넘기는 주기 당 동작시간 비율을 의미하고, 스위치의 듀티는 스위치가 온인 주기당 비율을 의미할 수 있다. 컨버터의 듀티, 즉, 상기 제1 상측 스위치와 상기 제2 하측 스위치가 동시에 온을 유지하는 시간 또는 상기 제1 하측 스위치와 상기 제2 상측 스위치가 동시에 온을 유지하는 시간인 듀티는 부하에 흐르는 전류에 따라 듀티가 달라진다.
컨버터(100)에 포함되는 기생 인덕턴스 등에 의해 듀티 손실이 발생할 수 있고, 듀티 손실이 발생하면 1차측에서 2차측으로 넘어가는 효율이 떨어질 수 있다. 여기서, 듀티 손실은 부하에 흐르는 전류에 따라 듀티 손실의 시간이 달라질 수 있다. 스위칭부(110)의 듀티 내지 듀티 손실에 대해서는 이후에 자세히 설명하도록 한다.
변압기(120)는 스위칭부(110)와 연결된다. 변압기(120)는 스위칭부(110)의 출력 전압을 소정의 레벨의 전압으로 출력한다.
보다 구체적으로, 스위칭부(110)로부터 출력되는 전압을 1차측으로 입력받고, 1차측 코일과 2차측 권선비에 따른 레벨의 전압으로 2차측으로 출력한다. 변압기(120)는 3차측 코일을 더 포함하여, 1차측 전압을 2차측 및 3차측으로 전달할 수 있다. 2차측과 3차측은 권선비가 다르거나 같을 수 있다. 변압기(120)는 스위칭부(110)의 출력 전압을 누설 인덕터를 통해 입력받을 수 있다. 누설 인덕터를 형성함으로써 스위칭부(110)의 영전압 스위칭이 가능해지나, 누설 인덕터에 의해, 듀티 손실이 발생할 수 있다. 누설 인덕터의 누설 인덕턴스 또는 기생 인덕턴스에 의한 듀티 손실의 영향은 이후에 보다 자세히 설명하도록 한다.
정류 스위치(130)는 변압기(120)의 출력을 정류하여 부하로 전달한다.
보다 구체적으로, 하나 이상의 정류 스위치(130)는 변압기(120) 2차측으로 출력되는 신호를 정류하여 부하로 전달한다. 정류 스위치(130)는 MOSFET 스위치이거나 다른 종류의 스위칭 소자일 수 있다. 정류 스위치(130)는 인덕터 및 캐패시터와 함께 변압기(120)의 출력을 정류하여 부하로 출력할 수 있다. 정류 스위치(130)는 제1 정류 스위치 및 제2 정류 스위치를 포함할 수 있다. 변압기 2차측의 코일은 제1 코일 및 제2 코일을 포함할 수 있고, 제1 정류 스위치는 제1 코일(122-1)의 (+) 단자와 그라운드 사이에 연결될 수 있고, 제2 정류 스위치는 제2 코일(122-2)의 (-) 단자와 그라운드 사이에 연결될 수 있다. 제1 정류 스위치는 스위칭부(110)의 제1 하측 스위치 및 제2 상측 스위치와 동기화되어 온오프될 수 있고, 제2 정류 스위치는 스위칭부(110)의 제1 상측 스위치 및 제2 하측 스위치와 동기화되어 온오프될 수 있다. 제1 정류 스위치 및 제2 정류 스위치를 통해 흐르는 전류는 합쳐져 인덕터를 통해 부하로 전달될 수 있다. 이때, 부하측에는 인덕터와 정류 필터를 형성하는 출력 캐패시터가 연결될 수 있다.
센서(140)는 변압기(120) 2차측 코일의 전압을 측정한다.
보다 구체적으로, 듀티 손실을 감지하는데, 변압기(120) 2차측 코일의 전압을 이용할 수 있고, 이를 위하여, 센서(140)는 변압기(120) 2차측 코일의 전압을 측정한다. 정류 스위치부(130)는 서로 병렬로 연결되는 제1 정류 스위치 및 제2 정류 스위치를 포함하고, 센서(140)는 상기 제1 정류 스위치부와 직렬 연결되는 상기 변압기 2차측 제1 코일(122-1)의 전압 및 상기 제2 정류 스위치부와 직렬 연결되는 상기 변압기 2차측 제2 코일(122-2)의 전압을 측정할 수 있다.
도 2와 같이, 정류 스위치(130)는 병렬로 연결되는 제1 정류 스위치(Q5) 및 제2 정류 스위치(Q6)로 구성될 수 있고, 센서(140)는 전압 센서(Voltage sensor)로 형성되어, 제1 코일(122-1) 또는 제2 코일(122-2)의 전압을 측정할 수 있다. 측정된 전압은 컨트롤러(150)인 MCU로 인가할 수 있다. 센서(140)는 제1 코일(122-1)의 양단 전압의 차이를 증폭하여 컨트롤러(150)로 인가하는 제1 차동증폭기(141) 및 제2 코일(122-2)의 양단 전압의 차이를 증폭하여 컨트롤러(150)로 인가하는 제2 차동증폭기(142)를 포함할 수 있다. 도 3과 같이, 제1 코일(122-1)의 양단 전압인 Vsec_1+ 및 Vsec_1-을 측정하고, 양단 전압의 차이를 증폭하는 제1 차동증폭기(141)를 통해 제1 코일(122-1)에 걸리는 전압이 생성되는 것을 컨트롤러인 MCU(150)로 인가할 수 있다. 차동증폭기는 + 입력단 및 - 입력단으로 입력되는 두 입력의 차이를 미리 설정된 이득으로 증폭하여 출력하는 증폭기로, MCU(150)는 제1 코일(122-1)에 생성되는 전압을 제1 차동증폭기(141)의 입력단의 작은 차이만으로도 바로 감지할 수 있다. 센서(140)는 제2 코일(122-2)의 양단 전압인 Vsec_2+ 및 Vsec_2-을 측정하고, 양단 전압의 차이를 증폭하는 제2 차동증폭기(142)를 통해 제1 코일(122-1)에 걸리는 전압이 생성되는 것을 컨트롤러인 MCU(150)로 인가할 수 있다. MCU(150)는 비교기 모듈핀(Comparator module pin, 151, 152)을 통해 제1 차동증폭기(141) 및 제2 차동증폭기(142)의 출력을 입력받을 수 있다.
앞서 설명한 바와 같이, 스위칭부(110)가 위상천이하는 경우, 듀티 손실이 발생할 수 있다. 여기서, 듀티 손실(Duty loss)은 듀티비 손실 또는 스위칭 손실이라 할 수 있다.
도 2 및 도 4를 참조하면, 스위칭부(110)는 Q1, Q2, Q3, 및 Q4로 구성되는 풀브릿지 회로에서 듀티는 Q1과 Q4가 동시에 온되어 있는 시간 또는 Q2과 Q3가 동시에 온되어 있는 시간을 의미한다. 듀티 시간동안 변압기(120) 1차측에서 2차측으로 전력이 전달되어야 하는데, 듀티 손실이 발생하는 경우, 듀티 시간의 전체 시간동안 전력을 전달하지 못하게 될 수 있다. 즉, 듀티 손실(Duty loss)가 발생되면, 전체 듀티 시간 중 유효한 동작을 수행하는 유효 듀티(Effective Duty) 시간이 줄어들 수 있다.
Q2와 Q4가 온인 상태에서 Q4가 오프되고 Q3가 온이 되는 구간 또는 Q1와 Q3가 온인 상태에서 Q3가 오프되고 Q4가 온이 되는 구간에 듀티 손실이 발생할 수 있다. 해당 구간에서 Q5에 흐르는 전류에서 Q6에 흐르는 전류 또는 Q6에 흐르는 전류에서 Q5에 흐르는 전류 전류가 바뀌게 되는데 이 구간에서 Q5 또는 Q6에서 FET가 아닌 다이오드로 전류가 흐르게 되면, 변압기 2차측 코일의 양단 전압이 0 V가 되어 Vpri에 0 V를 반영하게 되어 Vdc가 나와야 하는 변압기 1차측 전압이 0 V가 나오게 된다. 즉, Q2와 Q3가 동시에 켜지는 순간에 변압기의 1차측 전압 Vpri 에 Vdc가 아닌 0 V가 걸리게되고, Vpri 에 Vdc가 걸리는 시간까지 듀티 손실 구간이 형성된다. 듀티 손실 구간을 지나면, Vpri 에 Vdc가 걸리고, 변압기의 변압비에 따라 변압기 2차측 코일의 전압인 Vsec 은 Vdc/n이 유도된다. 즉, 듀티 손실은 Q1 및 Q4 또는 Q2 및 Q3이 겹치는 부분에서 변압기 1차측 양단전압에 Vdc 또는 -Vdc 전압이 인가가 되고, 그에 따라 변압기 1차측 코일의 양단전압이 Vdc/2 또는 -Vdc/2 전압이 유도되어야 하는데 특정시간(duty loss) 동안 0 V인 시비율을 의미할 수 있다.
예를 들어, Q2와 Q3가 온 되어 I_pri를 통해 Q5를 통해 전류가 흘러 2차측으로 전력을 넘기고 있는 상황에서 Q1과 Q4가 온되어 Q5에서 Q6로 전류가 바뀌는 과정에서 듀티 손실이 발생하게 되고, 이때, 바뀌는 전류의 기울기는 변압기의 기생 인덕턴스 L_r에 의해 결정된다. 따라서, 기생 인덕턴스 L_r 의 값이 크면 클수록 전류의 기울기가 작게 되어 전류가 바뀌는 시간이 증가하게 되고, 듀티 손실의 시간이 길어지게 된다.
듀티 손실이 발생하면, 1차측에서 2차측으로 전력이 전달되는 효율이 떨어지고, FET에 발열을 증가시켜, 방열판이 커져야 하는 많은 문제점을 야기할 수 있다.
듀티 손실은 변압기(120)의 기생 인덕터, 입력 전압, 스위칭부(110)의 스위칭 주기, 및 부하에 흐르는 전류로부터 산출될 수 있다. 듀티 손실은 유효 듀티(Effextive duty, D_eff))를 산출하는 다음 수학식으로부터 산출할 수 있다.
Figure 112020122835580-pat00001
Figure 112020122835580-pat00002
여기서, Deff는 유효 듀티, Vo는 출력 전압, n은 권선비, D는 듀티, Lr은 변압기의 기생 인덕터의 인덕턴스, VI는 입력전압, Ts는 스위칭 주기(주파수와 반비례), IL은 부하측 전류이다.
또한, 듀티 손실은 다음과 같이, 정의할 수 있다.
Figure 112020122835580-pat00003
듀티 손실은 전류나 온도에 의해 변화량이 큰 Lr, Lo의 영향을 많이 받는다. 즉, 듀티 손실을 계산시, 이전 주기에서 적용한 Lr, Lo의 값을 다음 주기에 적용시, 특정 타이밍에서 Lr, Lo의 변화량에 의해 오차가 발생할 수 있다. 전류 값에 따라 인덕턴스의 변화가 크고, 투자율은 온도에 따라 변화가 크다. 또한, 투자율에 비례하는 인덕턴스 또한 온도에 따라 값이 변한다. 이를 반영하기 위해서, 이용하여 전류나 온도의 값에 따른 인덕턴스의 값을 테이블화하여 이용할 수 있다. 룩업테이블을 이용하여 추가회로 없이, 소프트웨어를 통해 쉽게 구현이 가능하다. 하지만, 이를 위해서는 전류나 온도를 측정해야 하고, 이를 반영하는데 일정 시간이 필요하다. 즉 매주기마다 전류와 온도를 측정한 이후에 다음 주기에 반영하게 되어, 측정 값의 적용이 1주기 이상 지연되게 되고, 그에 따라 정확한 듀티 손실을 실시간으로 반영하기 어렵다.
본 발명의 일 실시예에 따른 컨버터는 듀티 손실을 산출하여 이용하지 않고, 전압 측정만으로 듀티 손실이 끝나는 시점을 감지할 수 있다.
듀티 손실이 끝나는 시점은 변압기(120)의 2차측 코일의 전압을 통해 감지할 수 있다. 2차측 코일(122)의 전압을 감지하거나, 2차측 코일을 구성하는 제1 코일(122-1) 또는 제2 코일(122-2)의 전압을 통해 감지할 수 있다. 변압기 2차측 코일에 걸리는 전압은 도 4와 같다. Q2와 Q3가 턴온된 이후, 듀티 손실이 끝나는 시점에 2차측 코일에 전압이 유도된다. 이때, 2차측 코일 전압인 Vsec는 변압기의 권선비 n에 의해 1차측 코일에 입력되는 전압인 Vdc에 의해 Vdc/n인 된다. Q2와 Q3가 온이면 변압기 1차측에는 Q3에서 Q2 방향으로 전압이 인가되고, 그에 따라 제2 코일(122-2)에 전압이 유도되고, 이때, 제2 코일(122-2)의 전압이 Vdc/n 가 된다. Q1와 Q4가 턴온된 이후, 듀티 손실이 끝나는 시점에 2차측 코일에 전압이 유도된다. Q1와 Q4가 온이면 변압기 1차측에는 Q1에서 Q4 방향, 즉 Q3에서 Q2 방향의 반대방향으로 전압이 인가되고, 그에 따라 제1 코일(122-1)에 전압이 유도되고, 이때, 제1 코일(122-1)의 전압은 -Vdc/n 가 된다. 즉, 변압기 2차측 전압은 듀티 손실이 끝나는 시점에 Vdc/n 또는 -Vdc/n이 되는바, 변압기 2차측 전압이 0 V 에서 Vdc/n으로 상승하는 시점(edge)를 감지하거나, 변압기 2차측 전압이 0 V 에서 -Vdc/n으로 하강하는 시점(edge)를 감지하여 듀티 손실이 끝나는 시점을 정확히 감지할 수 있다.
컨트롤러(150)는 센서(140)로부터 변압기(120) 2차측 코일 전압을 입력받고, 변압기 2차측 코일의 전압의 변화에 따라 스위칭부(110) 또는 상기 정류 스위치(130)를 제어하는 제어신호를 생성한다.
보다 구체적으로, 컨트롤러(150)는 컨버터로 입력된 전압을 변압기를 통해 소정의 레벨의 전압으로 변환하여 부하로 출력하기 위하여, 스위칭부(110) 및 정류 스위치(130)를 제어한다. 컨트롤러(150)는 부하의 전압 및 입력 전류를 측정하여 피크 전류 모드로 스위칭부(110)의 스위칭 동작을 제어할 수 있다. 이때, 컨트롤러(150)는 제1 주기의 연산을 통해 컨버터의 컨버팅 동작을 제어할 수 있다. 여기서, 제1 주기는 제1 시간을 가지는 주기로, 컨트롤러(150)는 제1 주기의 주기마다 동작을 반복할 수 있다. 여기서, 제1 주기는 입력전압, 변압비 등 컨버터의 설계스펙 또는 사용자에 의해 설정되거나 변경될 수 있다.
컨트롤러(150)는 Microcontroller 즉, MCU로 구현될 수 있다. 센서(140)를 이용하여 부하의 전압을 측정하고, 전류 센서를 이용하여 입력 전류를 측정하고, 측정된 부하의 전압 및 입력 전류를 이용하여 피크 전류 모드로 스위칭부(110)의 스위칭 동작을 제어하는 펄스폭 변조 신호를 생성한다. 펄스폭 변조(PWM) 신호는 PWM 생성부에서 생성될 수 있다. 생성된 펄스폭 변조 신호로 각 스위치의 게이트로 입력하여 스위칭 동작을 제어한다. 구체적으로, 부하측 전압을 입력받아, ADC(Analog-digital converter)를 통해 디지털 값으로 변환하고, 기준 전압(Vref)의 차를 산출하고, 그 결과를 전압 보상부(Voltage compensator)로 입력하여, 그 결과에 따른 기준값(Vref_i)를 산출한다. 디지털 기울기 보상부(Digital slope compenation)는 해당 값에 따라 PWM을 생성하는데 이용할 슬로프(Vslope)를 설정한다. 이후, 비교부에서 측정된 전류에 슬로프를 적용하여, 기준값과 같아질 때까지 컨트롤러가 PWM 신호를 생성할 수 있다. PWM 신호는 PWM 게이트 구동부를 통해 스위칭부(110)의 각 스위치의 게이트에 인가되어 각 스위치를 온오프 제어한다.
즉, 부하측 전압와 기준 전압의 차에 기초하여 PWM 신호를 생성한다. 스위치의 듀티(duty)는 PWM 제어 신호에 의해 스위치가 온인 주기당 비율을 의미하는데, 부하측 전압이 기준 전압보다 작으면 듀티가 커지고, 부하측 전압이 기준 전압보다 커지면 듀티가 작아진다. PWM 신호 즉, 듀티비는 아날로그 IC 방식 또는 디지털 IC 방식으로 결정될 수 있다. 각 스위치는 매 스위칭 주기마다 온되고, 전류(current)가 기준 값에 슬로프가 적용된 기준값-슬로프(Vslope) 보다 커지면 오프된다. 스위치가 온되고 오프될 때까지 PWM 신호를 생성한다. 스위치는 도 5와 같이, 전류(current)가 Vslope가 될 때 오프되는바, 듀티는 스위치기 오프되는 전류(current)가 Vslope와 만나는 시점에 형성된다.
이때, 듀티 손실이 발생하면, 도 5(A)와 같이, 듀티 손실만큼 피크 전류 모드 제어를 위한 슬로프(slopeComp)에 영향을 미친다. 이상적인 경우(ideal) 전류의 상승시점과 슬로프 상승시점이 동일하나, 듀티 손실이 발생하는 경우, 듀티 손실에 의해 전류가 증가하지 않음에도 슬로프는 상승 또는 하강하게 된다. 이로 인해, 실제 전류가 증가하는 시점에 슬로프는 이미 소정의 값을 가지고 있게 되고, 그로 인해, 전류(current)가 Vslope와 만나는 시점 더 빨라져, 스위치가 오프되는 듀티의 형성시점이 전류의 상승시점부터 빠른 시점에 형성되어 제어 안정도가 낮아진다. 특히, 부하가 커지면 커질수록 듀티 손실이 커지고, 전류 상승시점에 슬로프 값이 더 커지게 되기 때문에 스위치가 전류의 상승시점부터 더 빠른 시점에 오프될 수 있다. 스위치가 전류의 상승시점부터 빠른 시점에 오프되는바, 유효 듀티가 줄어들게 되어 온을 유지하여 더 많은 전류를 2차측으로 전달할 수 있음에도 충분히 2차측으로의 전달이 어려워 진다. 즉, 전체 듀티 시간동안 듀티 손실만큼 적은 유효 듀티로 동작하게 된다.
적응적으로 실시간으로 듀티 손실을 감지하고 이를 반영하면, 유효 듀티를 크게할 수 있어, 컨버터의 효율을 높일 수 있다. 컨트롤러(150)는 센서(140)로부터 입력받은 변압기(120) 2차측 코일의 전압의 변화에 따라 상기 피크 전류 모드 제어를 위한 슬로프의 하강 시점을 가변할 수 있다. 이때, 슬로프의 하강 시점의 가변은 센서(140)가 센싱한 전압의 변화로부터 제1 주기 내로 수행될 수 있다. 즉, 동일 주기 내에 바로 적용될 수 있다.
도 5(B)와 같이, 듀티 손실이 끝나는 시점 이후에 슬로프의 하강을 시작(620)하는 경우, 전류가 슬로프와 만나는 시점을 듀티 손실을 반영하지 않아, 듀티 시작과 동시에 슬로프가 하강(610)하는 도 5(A)에 비해 길게 할 수 있다.(630) 즉, Q2와 Q3가 동시에 온 상태를 유지하는 시간 또는 Q1와 Q4가 동시에 온 상태를 유지하는 시간을 가변하여 길게할 수 있다. 이는 Q1 또는 Q2의 오프시간을 가변하여 길게하는 것과 같다.
또한, 컨트롤러(150)는 센서(140)로부터 입력받은 변압기(120) 2차측 코일의 전압의 변화에 따라 상기 정류 스위치의 턴오프 시간을 가변할 수 있다. 컨트롤러(150)는 스위칭부(110)의 스위칭 동작에 동기화하여 정류 스위치(130)를 제어한다. 컨트롤러(150)는 AND 스위칭 방법을 이용하여, Q1 및 Q4가 동시에 온일 때 Q6를 온이 되도록 동작시켜 1차측에서 2차측으로 전력을 넘기고, Q2 및 Q3가 동시에 온일 때 Q5을 온이 되도록 동작시켜 1차측에서 2차측으로 전력을 넘길 수 있다. 이는 이상적인 다이오드(Diode)와 같이 동작을 하는 스위칭 방법이다. 또는, 컨트롤러(150)는 OR 스위칭 방법을 이용하여, Q1가 턴온될 때 Q6을 턴온시키고, Q4가 턴오프될 때, Q6을 턴오프시키고, Q2가 턴온될 때 Q5를 턴온시키고, Q3가 턴오프될 때, Q5을 턴오프시킬 수 있다. 전도구간뿐만 아니라 환류구간에서도 다이오드가 아닌 FET로 흐르게 하여, 효율을 최적화할 수 있는 스위칭 방법이다.
컨트롤러(150)는 듀티 손실이 종료되는 시점을 감지하여, 정류 스위치(130)의 턴오프 시간을 가변할 수 있다. 이때, 정류 스위치(130)의 턴오프 시간의 가변은 센서(140)가 센싱한 전압의 변화로부터 제1 주기 내로 수행될 수 있다. 즉, 동일 주기 내에 바로 적용될 수 있다. 정류 스위치(130)의 턴오프 시간을 가변함으로써 전류가 다이오드가 아닌 FET로 온전히 흐를 수 있도록 하여 효율을 높일 수 있고, 이는 부하 전류가 클수록 효과가 커진다.
컨트롤러(150)는 듀티 손실을 산출하고, 듀티 손실에 따라 정류 스위치(130)의 턴오프 시간을 Q3 또는 Q4의 턴오프 시간보다 제1 시간만큼 길게 제어할 수 있다. 도 6과 같이, Q4가 오프되는 경우, 듀티 손실을 적응적으로 반영하지 않는 경우, 도 6(A)와 같이, Q6는 Q4와 동기화되어 오프되나, 컨트롤러(150)는 듀티 손실이 끝나는 시점을 감지하고 듀티 손실 시간만큼 도 6(B)와 같이, Q6의 오프시간을 제1 시간(610)만큼 길게 제어하여 효율을 높일 수 있다.
여기서, 제1 시간은 상기 듀티 손실 시간 이하일 수 있다. 컨트롤러(150)는 최대한 효율을 높이기 위하여, 제1 시간을 듀티 손실 시간으로 제어할 수 있다. 다만, 제1 시간은 듀티 손실 시간보다 크게 제어하지는 않을 수 있다. 제1 시간을 듀티 손실 시간 이상으로 설정하여 제어하는 경우, 정류 스위치(130)에 스파이크 전압이 발생할 수 있다. 효율의 문제로 정류 스위치(130)는 내압이 낮은 스위치를 이용하는데, 스파이크 전압이 발생하는 경우, 손상의 문제가 발생할 수 있는바, 제1 시간은 듀티 손실 시간 이하로 제한할 수 있다. 즉, 정류 스위치(130)의 턴오프 시간은 변압기(120)의 1차측 전압에 소정의 전압이 걸리는 시간 이전일 수 있다. 도 6과 같이, 정류 스위치의 턴오프 시간은 변압기 1차측에 -Vdc의 전압이 걸리는 시간 이전일 수 있다. 변압기 1차측에 -Vdc의 전압이 걸리게 되면, 정류 스위치에 손상이 발생할 수 있는바, 해당 시간 이전으로 제한할 수 있다.
제1 시간을 듀티 손실 시간보다 짧게 설정하는 경우, 마진을 적용할 수 있다. 예를 들어, 듀티 손실 시간의 90%로 설정하거나, 듀티 손실 시간보다 0.1mec 짧게 설정할 수 있다. 이외에 다양한 방식으로 제1 시간을 설정할 수 있다.
컨트롤러(150)는 상기 제1 시간에 따라 정류 스위치(130)의 펄스폭 변조 신호를 가변할 수 있다. 컨트롤러(150)는 펄스폭 변조 제어를 통해 정류 스위치(130)를 제어하고, 제1 시간만큼 펄스폭 변조 신호를 더 많이 보내어, 정류 스위치(130)의 펄스폭 변조 신호를 늦출 수 있다.
컨트롤러(150)는 램프 지연 레지스터를 이용하여 정류 스위치(130)의 턴오프 시간을 가변할 수 있다. Microcontroller인 컨트롤러(150)는 내부 레지스터로 램프 지연(Ramp delay) 레지스터를 포함할 수 있다.
상기와 같이, 변압기(120) 2차측 코일의 전압을 측정함으로써 듀티 손실이 끝나는 시점을 감지할 수 있고, 이를 적응적으로 실시간 반영하여 컨버터의 효율을 높이는데 이용할 수 있다. 컨트롤러(150)는 2차측에 위치하고, 변압기(120) 2차측 코일의 전압을 감지하는바, 별도의 절연 센서가 필요하지 않아, 소수의 저항만으로 구현이 가능하다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 컨버터의 블록도이다. 본 발명의 다른 실시예에 따른 컨버터(200)는 듀티 손실이 끝나는 시점을 감지함에 있어서, 센서(140)가 변압기(120) 2차측 코일의 전압이 아닌 정류 스위치의 전압을 감지하는 것 및 이와 관련된 구성이 상이하고, 이외의 구성은 도 1 내지 도 6의 본 발명의 일 실시예에 따른 컨버터의 구성에 대응되는바, 이하, 본 발명의 일 실시예에 따른 컨버터와 다른 구성을 중심으로 설명하되, 중복되는 설명은 간략하게 설명하도록 한다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 컨버터(200)는 스위칭부(110), 변압기(120), 정류 스위치(130), 센서(140), 컨트롤러(150)로 구성된다.
스위칭부(110)는 풀 브릿지로 구성되고 위상천이 동작하고, 변압기(120)는 스위칭부(110)로부터 입력되는 전압을 소정의 레벨의 전압으로 출력한다. 제1 정류 스위치 및 제2 정류 스위치를 포함하는 정류 스위치(130)는 스위칭부(110)의 동작에 따라 온오프되어 변압기(120)의 출력 신호를 정류하여 부하로 전달한다.
센서(140)는 상기 제1 정류 스위치 또는 상기 제2 정류 스위치의 전압을 측정한다.
보다 구체적으로, 센서(140)는 듀티 손실이 끝나는 시점을 감지하기 위하여, 제1 정류 스위치의 전압 또는 제2 정류 스위치의 전압을 감지한다. 이때, 센서(140)는 제1 정류 스위치의 드레인-소스 전압 또는 제2 정류 스위치의 드레인-소스 전압을 측정할 수 있다. 센서(140)는 도 8과 같이, 전압 센서(voltage sensor)로 구현되어, 제1 정류 스위치의 드레인-소스 전압인 VSR1-ds 또는 제2 정류 스위치의 드레인-소스 전압인 VSR1-ds를 측정할 수 있다. 측정한 제1 정류 스위치 또는 제2 정류 스위치의 전압은 컨트롤러인 MCU(150)로 출력한다.
이때, 센서(140)는 상기 제1 정류 스위치의 드레인 및 소스를 연결하는 제1 저항 및 상기 제2 정류 스위치의 드레인 및 소스를 연결하는 제2 저항을 포함할 수 있다. 센서(140)는 도 9와 같이, 상기 제1 저항 또는 상기 제2 저항을 이용한 전압분배를 통해 상기 제1 정류 스위치의 드레인-소스 전압 또는 상기 제2 정류 스위치의 드레인-소스 전압을 측정할 수 있다.
듀티 손실이 끝나는 시점은 제1 정류 스위치의 드레인-소스 전압 또는 상기 제2 정류 스위치의 드레인-소스 전압을 통해 감지할 수 있다. 제1 정류 스위치의 드레인-소스 전압 또는 제2 정류 스위치의 드레인-소스 전압에 걸리는 전압은 도 10과 같다. Q2와 Q3가 턴온된 이후, 듀티 손실이 끝나는 시점에 2차측 코일의 제2 코일(122-2)에 전압이 유도되고, 제2 코일(122-2)에 연결된 제2 정류 스위치(Q6)의 드레인-소스 사이에 전압이 걸린다. 이때, 제2 정류 스위치(Q6)의 드레인-소스 전압은 2Vdc/n인 된다.
Q1와 Q4가 턴온된 이후, 듀티 손실이 끝나는 시점에 2차측 코일의 제1 코일(122-1)에 전압이 유도된다. Q1와 Q4가 온이면 변압기 1차측에는 Q1에서 Q4 방향, 즉 Q3에서 Q2 방향의 반대방향으로 전압이 인가되고, 그에 따라 제1 코일(122-1)에 전압이 유도되고, 제1 코일(122-1)에 연결된 제1 정류 스위치(Q5)의 드레인-소스 사이에 전압이 걸린다. 이때, 제1 정류 스위치(Q5)의 드레인-소스 전압은 2Vdc/n인 된다.
즉, 제1 정류 스위치의 드레인-소스 전압 또는 제2 정류 스위치의 드레인-소스 전압은 듀티 손실이 끝나는 시점에 2Vdc/n이 되는바, 제1 정류 스위치의 드레인-소스 전압 또는 제2 정류 스위치의 드레인-소스 전압이 0 V 에서 2Vdc/n으로 상승하는 시점(edge)를 감지하여 듀티 손실이 끝나는 시점을 정확히 감지할 수 있다.
컨트롤러(150)는 센서(140)로부터 상기 제1 정류 스위치 또는 상기 제2 정류 스위치의 전압을 입력받고, 제1 정류 스위치 또는 상기 제2 정류 스위치의 전압의 변화에 따라 스위칭부(110), 제1 정류 스위치, 또는 제2 정류 스위치를 제어하는 제어신호를 생성한다. 컨트롤러(150)는 상기 부하의 전압 및 입력 전류를 측정하여 피크 전류 모드로 스위칭부(110)의 스위칭 동작을 제어하되, 센서(140)로부터 입력받은 상기 제1 정류 스위치 또는 상기 제2 정류 스위치의 전압의 변화에 따라 상기 피크 전류 모드 제어를 위한 슬로프의 하강 시점을 가변할 수 있다. 또한, 컨트롤러(150)는 센서(140)로부터 입력받은 상기 제1 정류 스위치 또는 상기 제2 정류 스위치의 전압의 변화에 따라 상기 제1 정류 스위치 또는 상기 제2 정류 스위치의 턴오프 시간을 가변할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 컨버터(200)는 상기와 같이, 제1 정류 스위치 또는 제2 정류 스위치의 전압을 측정함으로써 듀티 손실이 끝나는 시점을 감지할 수 있고, 이를 적응적으로 실시간 반영하여 컨버터의 효율을 높이는데 이용할 수 있다. 컨트롤러(150)는 2차측에 위치하고, 변압기(120) 2차측에 위치하는 제1 정류 스위치 또는 제2 정류 스위치의 전압을 감지하는바, 별도의 절연 센서가 필요하지 않아, 소수의 저항만으로 구현이 가능하다. 또한, edge를 감지시 rising edge만을 감지하는 바, 컨트롤러인 MCU 내부 비교기(comparator)를 이용하여 rising edge를 감지하여 제어동작을 하기 때문에, 즉각적인 반응이 가능하다. 즉, Dynamics 특성이 우수하다.
도 11은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 컨버터의 블록도이다. 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 컨버터(300)는 듀티 손실이 끝나는 시점을 감지함에 있어서, 센서(140)가 변압기(120) 2차측 코일의 전압 또는 정류 스위치의 전압이 아닌 변압기(120) 1차측 코일의 전압을 감지하는 것 및 이와 관련된 구성이 상이하고, 이외의 구성은 도 1 내지 도 6의 본 발명의 일 실시예에 따른 컨버터 또는 도 7 내지 도 10의 본 발명의 다른 실시예에 따른 컨버터의 구성에 대응되는바, 이하, 본 발명의 일 실시예 또는 다른 실시예에 따른 컨버터와 다른 구성을 중심으로 설명하되, 중복되는 설명은 간략하게 설명하도록 한다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따른 컨버터(300)는 스위칭부(110), 변압기(120), 정류 스위치(130), 센서(140), 컨트롤러(150)로 구성된다.
스위칭부(110)는 풀 브릿지로 구성되고 위상천이 동작하고, 변압기(120)는 스위칭부(110)로부터 입력되는 전압을 소정의 레벨의 전압으로 출력한다. 제1 정류 스위치 및 제2 정류 스위치를 포함하는 정류 스위치(130)는 스위칭부(110)의 동작에 따라 온오프되어 변압기(120)의 출력 신호를 정류하여 부하로 전달한다.
센서(140)는 변압기(120) 1차측 코일의 전압을 측정한다.
보다 구체적으로, 센서(140)는 듀티 손실이 끝나는 시점을 감지하기 위하여, 변압기(120) 1차측 코일의 전압을 감지한다. 센서(140)는 도 12와 같이, 전압 센서(voltage sensor)로 구현되어, 변압기(120) 1차측 코일의 전압을 측정할 수 있다. 측정한 변압기(120) 1차측 코일의 전압은 컨트롤러인 MCU(150)로 출력한다. 센서(140)는 변압기 1차측에서 전압을 측정하여 2차측에 위치하는 컨트롤러(150)로 측정한 전압을 출력해야 하는바, 절연 센서로 구성될 수 있다. 센서(140)는 도 13과 같이, 변압기(120) 1차측 코일의 양단 전압의 차이를 증폭하여 출력하는 제3 차동증폭기(145) 및 제3 차동증폭기(145)의 출력 값을 2차측에 위치하는 컨트롤러(150)로 전달하는 절연 버퍼(Isolated buffer, 146)를 포함할 수 있다. 해당 값은 절대 값으로 변환(147)되어 컨트롤러인 MCU(150)로 입력된다.
듀티 손실이 끝나는 시점은 변압기 1차측 코일의 전압을 통해 감지할 수 있다. 변압기 1차측 코일의 전압은 도 14와 같다. Q2와 Q3가 턴온된 이후, 듀티 손실이 끝나는 시점에 변압기 1차측 코일에 전압이 걸린다. 이때, 변압기 1차측 코일(121)의 전압은 Vdc가 된다.
Q1와 Q4가 턴온된 이후, 듀티 손실이 끝나는 시점에 변압기 1차측 코일의 전압이 걸린다. Q1와 Q4가 온이면 변압기 1차측에는 Q1에서 Q4 방향, 즉 Q3에서 Q2 방향의 반대방향으로 전압이 인가되고, 그에 따라 변압기 1차측 코일에 전압이 인가되고, 변압기 1차측 코일의 전압은 -Vdc가 된다.
즉, 변압기 1차측 코일의 전압은 듀티 손실이 끝나는 시점에 Vdc 또는 -Vdc가되는바, 변압기 1차측 코일의 전압이 0 V 에서 Vdc 로 상승하는 시점(edge)를 감지하거나, 0 V 에서 -Vdc 로 하강하는 시점(edge)를 감지하여 듀티 손실이 끝나는 시점을 정확히 감지할 수 있다.
컨트롤러(150)는 센서(140)로부터 상기 제1 정류 스위치 또는 상기 제2 정류 스위치의 전압을 입력받고, 제1 정류 스위치 또는 상기 제2 정류 스위치의 전압의 변화에 따라 스위칭부(110), 제1 정류 스위치, 또는 제2 정류 스위치를 제어하는 제어신호를 생성한다. 컨트롤러(150)는 상기 부하의 전압 및 입력 전류를 측정하여 피크 전류 모드로 스위칭부(110)의 스위칭 동작을 제어하되, 센서(140)로부터 입력받은 상기 변압기 1차측 코일의 전압의 변화에 따라 상기 피크 전류 모드 제어를 위한 슬로프의 하강 시점을 가변할 수 있다. 또한, 컨트롤러(150)는 센서(140)로부터 입력받은 상기 변압기 1차측 코일의 전압의 변화에 따라 상기 정류 스위치의 턴오프 시간을 가변할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 컨버터(300)는 상기와 같이, 변압기 1차측 코일의 전압을 측정함으로써 듀티 손실이 끝나는 시점을 감지할 수 있고, 이를 적응적으로 실시간 반영하여 컨버터의 효율을 높이는데 이용할 수 있다. 컨트롤러(150)는 2차측에 위치하고, 변압기(120) 1차측에 위치하는 코일의 전압을 감지하는바, 절연형 전압 센서를 구현하는 추가적인 회로가 필요하다. 전압 측정을 절연형 voltage sensor IC로 구현함으로써 듀티 손실을 적응적으로 실사간 반영할 수 있다.
도 15는 본 발명의 일 실시예에 따른 컨버터의 제어 방법의 흐름도이다. 도 15의 각 단계에 대한 상세한 설명은 도 1 내지 도 14의 컨버터에 대한 상세한 설명에 대응되는바, 이하 중복되는 설명은 생략하도록 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 컨버터의 제어 방법은 변압기 및 상기 변압기와 전기적으로 연결된 정류 스위치를 포함하는 컨버터의 제어 방법에 있어서, S11 단계에서 입력되는 전압을 제1 주기의 연산을 통해 소정의 레벨의 전압으로 변압하고, S12 단계에서 상기 변압기 또는 상기 정류 스위치부의 전압을 센싱하며, S13 단계에서 출력되는 전압을 정류하되, 상기 센싱된 전압의 상승 시점 또는 하강 시점으로부터 상기 제1 주기 내에서 상기 정류 스위치의 스위칭 동작 상태를 제어한다. 또는 상기 센싱된 전압의 상승 시점 또는 하강 시점으로부터 상기 제1 주기 내에서 변압기의 스위칭부의 스위칭 동작 상태를 제어할 수 있다.
본 실시 예와 관련된 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 상기된 기재의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 방법들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.
100, 200, 300: 컨버터
110: 스위칭부
120: 변압기
130: 정류 스위치
140: 센서
150: 컨트롤러

Claims (17)

  1. 복수의 스위치를 포함하는 스위칭부;
    상기 스위칭부와 연결되는 변압기;
    상기 변압기에 연결되는 정류 스위치;
    상기 변압기의 1차측 코일, 상기 변압기의 2차측 코일 또는 상기 정류 스위치에 연결되는 센서; 및
    피크 전류 모드로 상기 스위칭부의 스위칭 동작을 제어하는 컨트롤러를 포함하고,
    상기 컨트롤러는 상기 센서부터 입력받은 상기 변압기의 1차측 코일, 상기 변압기의 2차측 코일 또는 상기 정류 스위치의 전압의 변화에 따라 상기 피크 전류 모드 제어를 위한 슬로프의 하강 시점을 가변하는 컨버터.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 정류 스위치는 제1 정류 스위치 및 제2 정류 스위치를 포함하고,
    상기 센서는,
    상기 제1 정류 스위치의 드레인-소스 전압 또는 상기 제2 정류 스위치의 드레인-소스 전압을 측정하는 컨버터.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 센서는,
    상기 제1 정류 스위치의 드레인 및 소스를 연결하는 제1 저항; 및
    상기 제2 정류 스위치의 드레인 및 소스를 연결하는 제2 저항을 포함하고,
    상기 제1 저항 또는 상기 제2 저항을 이용한 전압분배를 통해 상기 제1 정류 스위치의 드레인-소스 전압 또는 상기 제2 정류 스위치의 드레인-소스 전압을 측정하는 컨버터.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 센서로부터 입력받은 상기 제1 정류 스위치 또는 상기 제2 정류 스위치의 전압의 변화에 따라 상기 제1 정류 스위치 또는 상기 제2 정류 스위치의 턴오프 시간을 가변하는 컨버터.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 센서는,
    상기 변압기의 1차측 코일의 양단 전압의 차이를 증폭하여 출력하는 제3 차동증폭기; 및
    상기 제3 차동증폭기의 출력 값을 컨트롤러로 전달하는 절연 버퍼를 포함하는 컨버터.
  6. 제2항에 있어서,
    상기 센서로부터 입력받은 상기 변압기의 1차측 코일의 전압의 변화 또는 상기 변압기의 2차측 코일의 전압의 변화에 따라 상기 제1 정류 스위치 또는 상기 제2 정류 스위치의 턴오프 시간을 가변하는 컨버터.
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 제1항에 있어서,
    상기 컨트롤러는 제1 시간의 주기로 연산하고,
    상기 정류 스위치에 전기적으로 연결되는 부하의 크기 변동에 따라 상기 센서의 센싱 시점이 변경되면 상기 정류 스위치의 온/오프 상태 변경 시점도 상기 제 1시간 내에 변경되는 컨버터.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 스위칭부는 풀 브릿지로 구성되고 위상천이 동작하는 컨버터.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 정류 스위치는 상기 스위칭부에 포함된 스위치 중 동기화된 스위치가 턴온될 때 턴온되는 컨버터.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 정류 스위치는,
    서로 병렬로 연결되는 제1 정류 스위치 및 제2 정류 스위치를 포함하고,
    상기 변압기의 2차측 코일은,
    상기 제1 정류 스위치와 직렬 연결되는 제1 코일 및 상기 제2 정류 스위치와 직렬 연결되는 제2 코일을 포함하고,
    상기 센서는 상기 제1 코일의 전압 및 상기 제2 코일의 전압 중 적어도 하나의 전압을 측정하는 컨버터.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 센서는,
    상기 제1 코일의 양단 전압의 차이를 증폭하여 상기 컨트롤러로 인가하는 제1 차동증폭기; 및
    상기 제2 코일의 양단 전압의 차이를 증폭하여 상기 컨트롤러로 인가하는 제2 차동증폭기를 포함하는 컨버터.
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