KR102482820B1 - Insulated switching power supply - Google Patents

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Abstract

절연형 스위칭 전원에 있어서, 간이한 구성에 의해 효율적인 전력 변환을 행한다. 스위칭 전원이, 입력단(1, 2)과, 출력단(p, n)과, 일차 코일(N1)과 2차 코일(N2)을 구비하는 트랜스포머(T)와, 온/오프 제어되는 스위칭 소자(Q)와, 2차 코일의 일단과 부극 출력단(n) 사이에 접속된 서브 콘덴서(C1)와, 부극 출력단(n)에 일단이 접속된 초크 코일(L)과, 2차 코일 타단과 정극 출력단(p) 사이에 접속되고, 정극 출력단(p)으로의 전류를 도통시키는 제1 정류 요소(D1)와, 초크 코일 타단과 2차 코일 타단 사이에 접속되고, 2차 코일로 흐르는 전류를 도통시키는 제2 정류 요소(D2)와, 초크 코일 타단과 2차 코일 일단 사이에 접속되고, 서브 콘덴서 또는 2차 코일로 흐르는 전류를 도통시키는 제3 정류 요소(D3)와, 출력단 사이에 접속된 평활 콘덴서(C2)를 갖는다.In an isolated switching power supply, efficient power conversion is performed with a simple configuration. The switching power supply includes a transformer (T) including input terminals (1, 2), output terminals (p, n), a primary coil (N1) and a secondary coil (N2), and a switching element (Q) controlled on/off. ), a sub-capacitor C1 connected between one end of the secondary coil and the negative output terminal n, a choke coil L having one end connected to the negative output terminal n, and the other end of the secondary coil and the positive output terminal ( p) and a first rectifying element (D1) for conducting current to the positive electrode output terminal (p), and a first rectifying element (D1) for conducting current flowing to the secondary coil and connecting between the other end of the choke coil and the other end of the secondary coil. 2 rectifying element D2, a third rectifying element D3 connected between the other end of the choke coil and one end of the secondary coil, and conducting current flowing to the sub capacitor or secondary coil, and a smoothing capacitor connected between the output terminal ( C2) has.

Description

절연형 스위칭 전원{Insulated switching power supply}Insulated switching power supply {Insulated switching power supply}

본 발명은, 절연형 스위칭 전원에 관한 것이다.The present invention relates to an isolated switching power supply.

트랜스포머를 사용하여 입력측과 출력측을 절연하는 절연형 스위칭 전원이 알려져 있다. 입력이 교류 전압인 경우에는, 일반적으로는, AC/DC 변환 회로 뒤에 DC/DC 컨버터가 배치되어 있다(특허문헌 1 내지 5). 입력이 직류 전압인 경우에는, 직접 DC/DC 컨버터에 입력된다. DC/DC 컨버터의 대표적인 방식으로서, 플라이백 방식과 포워드 방식이 있다.An isolated switching power supply in which an input side and an output side are insulated using a transformer is known. When the input is an alternating voltage, generally, a DC/DC converter is disposed after the AC/DC conversion circuit (Patent Documents 1 to 5). If the input is a DC voltage, it is directly input to the DC/DC converter. Representative methods of DC/DC converters include a flyback method and a forward method.

일본 특허 공개 평 7-31150호 공보Japanese Unexamined Patent Publication No. 7-31150 일본 특허 공개 평 8-331860호 공보Japanese Unexamined Patent Publication No. 8-331860 일본 특허 공개 제2002-10632호 공보Japanese Unexamined Patent Publication No. 2002-10632 일본 특허 공개 제2005-218224호 공보Japanese Unexamined Patent Publication No. 2005-218224 일본 특허 공개 제2007-37297호 공보Japanese Unexamined Patent Publication No. 2007-37297

절연형 스위칭 전원의 플라이백 방식에서는, 스위칭 소자의 온 기간에는 트랜스포머에 자기에너지가 축적되고, 오프 기간에는 그 에너지가 방출되는 구성이다. 또한 포워드 방식에서는, 스위칭 소자의 온 기간에 외장형 초크 코일에 자기에너지가 축적되고, 오프 기간에는 그 에너지가 방출되는 구성이다. 이들 방식에 있어서는, 2차측의 전력 변환 효율이 충분하다고는 할 수 없었다.In the flyback method of the insulated switching power supply, magnetic energy is accumulated in the transformer during the ON period of the switching element, and the energy is released during the OFF period. Further, in the forward method, magnetic energy is accumulated in the external choke coil during the ON period of the switching element, and the energy is released during the OFF period. In these methods, the power conversion efficiency on the secondary side could not be said to be sufficient.

또한 절연형 스위칭 전원에서는, 스위칭 소자가 오프된 순간에 트랜스포머의 1차측에 발생하는 역기전력 및 서지 전압에 견딜 수 있는 고내압 스위칭 소자 및 스너버 회로가 필요했었다. 특히 포워드 방식에서는, 자기 리셋을 위해서도 스너버 회로가 필요했었다. 스너버 회로는, 그 처리 용량이 클수록 전력 손실도 커진다는 문제가 있다.In addition, in an isolated switching power supply, a high-voltage switching element and snubber circuit capable of withstanding counter-electromotive force and surge voltage generated on the primary side of a transformer when the switching element is turned off have been required. In particular, in the forward method, a snubber circuit was required even for self-reset. The snubber circuit has a problem that power loss also increases as its processing capacity increases.

이상의 문제점을 감안하여 본 발명은, 절연형 스위칭 전원에 있어서, 2차측의 전력 변환 효율을 향상시키는 동시에, 1차측 스위칭 소자의 내압 및 스너버 회로의 처리 용량을 저감시키는 것을 목적으로 한다.In view of the above problems, an object of the present invention is to improve the power conversion efficiency of the secondary side in an isolated switching power supply, while reducing the breakdown voltage of the primary side switching element and the processing capacity of the snubber circuit.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은, 이하의 구성을 제공한다. 또한, 괄호 내의 부호는 후술하는 도면중의 부호이며, 참고를 위하여 부여하는 것이다.In order to achieve the above object, the present invention provides the following configuration. In addition, the code|symbol in parentheses is the code|symbol in the drawing mentioned later, and is attached|subjected for reference.

본 발명의 절연형 스위칭 전원의 일 형태는, One form of the isolated switching power supply of the present invention,

(a) 입력 전압이 인가되는 제1 입력단(1) 및 제2 입력단(2)과, (a) a first input terminal (1) and a second input terminal (2) to which an input voltage is applied;

(b) 정극 출력단(p) 및 부극 출력단(n)과, (b) a positive electrode output terminal (p) and a negative electrode output terminal (n);

(c)일차 코일(N1)과 2차 코일(N2)을 구비하고 일차 코일의 일단이 상기 제1 입력단(1)에 접속된 트랜스포머(T)와, (c) a transformer (T) having a primary coil (N1) and a secondary coil (N2), one end of which is connected to the first input terminal (1);

(d) 상기 일차 코일(N1)의 타단과 상기 제2 입력단(2) 사이의 전류로를 도통 또는 차단하도록 제어 신호(Vg)에 의해 온/오프 제어되는 스위칭 소자(Q)와, (d) a switching element (Q) controlled on/off by a control signal (Vg) to conduct or block a current path between the other end of the primary coil (N1) and the second input end (2);

(e) 상기 2차 코일(N2)의 일단과 상기 부극 출력단(n) 사이에 접속된 서브 콘덴서(C1)와, (e) a sub capacitor C1 connected between one end of the secondary coil N2 and the negative electrode output terminal n;

(f) 상기 부극 출력단(n)에 일단이 접속된 초크 코일(L)과, (f) a choke coil (L) having one end connected to the negative electrode output terminal (n);

(g) 상기 2차 코일(N2)의 타단과 상기 정극 출력단(p) 사이에 접속되고, 해당2차 코일로부터 해당 정극 출력단(p)으로 흐르는 전류를 도통시키는 제1 정류 요소(D1)와, (g) a first rectifying element (D1) connected between the other end of the secondary coil (N2) and the positive electrode output terminal (p) and conducting a current flowing from the secondary coil to the corresponding positive electrode output terminal (p);

(h) 상기 초크 코일(L)의 타단과 상기 2차 코일(N2)의 타단 사이에 접속되고, 상기 초크 코일(L)로부터 상기 2차 코일(N2)로 흐르는 전류를 도통시키는 제2 정류 요소(D2)와, (h) a second rectifying element connected between the other end of the choke coil (L) and the other end of the secondary coil (N2) and conducting a current flowing from the choke coil (L) to the secondary coil (N2) (D2) and

(i) 상기 초크 코일(L)의 타단과 상기 2차 코일(N2)의 일단 사이에 접속되고, 상기 초크 코일(L)로부터 상기 서브 콘덴서(C1) 또는 상기 2차 코일(N2)로 흐르는 전류를 도통시키는 제3 정류 요소(D3)와, (i) A current connected between the other end of the choke coil (L) and one end of the secondary coil (N2) and flowing from the choke coil (L) to the sub capacitor (C1) or the secondary coil (N2) A third rectifying element (D3) for conducting;

(j) 상기 정극 출력단(p)과 상기 부극 출력단(n) 사이에 접속된 평활 콘덴서(C2)를 갖는 것을 특징으로 한다.(j) It is characterized by having a smoothing capacitor (C2) connected between the positive electrode output terminal (p) and the negative electrode output terminal (n).

본 발명에 의해, 절연형 스위칭 전원에 있어서, 전력 변환 효율을 향상시킬 수 있다.According to the present invention, in an isolated switching power supply, power conversion efficiency can be improved.

도 1은, 본 발명의 절연형 스위칭 전원의 실시 형태의 회로 구성예를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2는, 도 1에 도시한 회로 구성의 온 기간의 전류의 흐름을 개략적으로 도시하는 도면이다.
도 3은, 도 1에 도시한 회로 구성의 2차측에 있어서의 온 기간의 전위 관계를 모식적으로 도시한 도면이다.
도 4는, 도 1에 도시한 회로 구성의 오프 기간의 전류의 흐름을 개략적으로 도시하는 도면이다.
도 5는, 도 1에 도시한 회로 구성의 2차측에 있어서의 오프 기간의 전위 관계를 모식적으로 도시한 도면이다.1 is a diagram schematically showing an example of a circuit configuration of an embodiment of an insulated switching power supply of the present invention.
Fig. 2 is a diagram schematically showing the flow of current during the ON period of the circuit configuration shown in Fig. 1;
FIG. 3 is a diagram schematically showing a potential relationship during an on period on the secondary side of the circuit configuration shown in FIG. 1 .
Fig. 4 is a diagram schematically showing the flow of current during the off period of the circuit configuration shown in Fig. 1;
FIG. 5 is a diagram schematically showing a potential relationship during an off period on the secondary side of the circuit configuration shown in FIG. 1 .

이하, 실시예를 나타낸 도면을 참조하여 본 발명에 의한 절연형 스위칭 전원의 실시 형태에 대하여 설명한다.Hereinafter, an embodiment of an isolated switching power supply according to the present invention will be described with reference to drawings showing embodiments.

(1) 회로 구성 (1) Circuit configuration

도 1은, 본 발명의 절연형 스위칭 전원(이하 "스위칭 전원"이라 한다)의 실시 형태의 회로 구성의 일례를 개략적으로 도시한 도면이다. 또한, 이하에서는, 직류 전압이 입력되는 DC/DC 컨버터의 경우를 실시예로 하여 본 발명을 설명한다. 그러나, 본 발명의 스위칭 전원은, 전압이 일정한 직류 이외에, 전압이 변동하는 구형파 또는 교류 등의 어떠한 파형의 전압이 입력되어도 마찬가지로 기능하고, 직류 전압을 출력할 수 있는 전력 변환 장치이다.1 is a diagram schematically showing an example of a circuit configuration of an embodiment of an insulated switching power supply (hereinafter referred to as "switching power supply") of the present invention. In the following, the present invention will be described using a case of a DC/DC converter to which a DC voltage is input as an example. However, the switching power supply of the present invention is a power conversion device capable of outputting a DC voltage, functioning similarly even when a voltage of any waveform, such as a square wave or an alternating current with a fluctuating voltage, is input, in addition to direct current having a constant voltage.

본 발명의 스위칭 전원은, 입력측과 출력측을 전기적으로 절연하는 절연형이다. 이를 위하여 트랜스포머(T)를 설치하고 있다. 트랜스포머(T)는, 기본적으로 하나의 일차 코일(N1)과 하나의 2차 코일(N2)을 구비한다.The switching power supply of the present invention is an insulated type that electrically insulates the input side and the output side. For this purpose, a transformer (T) is installed. The transformer (T) basically includes one primary coil (N1) and one secondary coil (N2).

각 코일의 권취 시단(始端)을 검정색 동그라미로 나타내고 있다. 본 명세서에서 코일에 대하여 "일단"과 "타단"이라고 하는 경우에는, "권취 시단"과 "권취 종단(終端)"의 조합을 의미하는 경우와, "권취 종단"과 "권취 시단"의 조합을 의미하는 경우를 모두 포함하는 것으로 한다. 트랜스포머(T)는, 일차 코일(N1)과 2차 코일(N2)의 극성이, 종래의 플라이백 방식과 동일하다.The winding start of each coil is indicated by a black circle. In this specification, when "one end" and "the other end" of a coil mean a combination of "winding start" and "winding end", and a combination of "winding end" and "winding start" It is intended to include all cases in which it is meant. In the transformer (T), the polarity of the primary coil (N1) and the secondary coil (N2) is the same as that of the conventional flyback method.

입력 전압은, 제1 입력단(1)과 제2 입력단(2) 사이에 인가된다. 트랜스포머(T)의 일차 코일(N1)의 일단(본예에서는 권취 시단)은, 제1 입력단(1)에 접속되어 있다. 여기에서는, 제2 입력단(2)이 입력측 기준 전위단이다.An input voltage is applied between the first input terminal 1 and the second input terminal 2 . One end (start end of winding in this example) of the primary coil N1 of the transformer T is connected to the first input end 1. Here, the second input terminal 2 is an input-side reference potential terminal.

트랜스포머(T)의 2차측에는, 직류 전압이 출력되는 정극 출력단(p)과 부극 출력단(n)이 설치되어 있다. 여기에서는, 부극 출력단(n)이 2차측 기준 전위단이다. 정극 출력단(p)과 부극 출력단(n) 사이에 접속된 부하(도시하지 않음)에 출력 전압이 인가되고, 출력 전류가 흐른다.On the secondary side of the transformer T, a positive electrode output terminal p and a negative electrode output terminal n are provided for outputting a DC voltage. Here, the negative electrode output terminal n is the secondary side reference potential terminal. An output voltage is applied to a load (not shown) connected between the positive output terminal p and the negative output terminal n, and an output current flows.

트랜스포머(T)의 일차 코일(N1)의 타단(본예에서는 권취 종단)에는, 스위칭 소자(Q)의 일단이 접속되어 있다. 스위칭 소자(Q)의 타단은, 제2 입력단(2)에 접속되어 있다. 스위칭 소자(Q)는 제어단을 구비하고, 제어단은, 일차 코일(N1)의 타단과 제2 입력단(2) 사이의 전류로를 도통 또는 차단하도록 온/오프 제어된다.One end of a switching element Q is connected to the other end (winding end in this example) of the primary coil N1 of the transformer T. The other end of the switching element Q is connected to the second input terminal 2. The switching element Q has a control end, and the control end is on/off controlled to conduct or block a current path between the other end of the primary coil N1 and the second input end 2.

스위칭 소자(Q)의 제어단은, 제어 신호(Vg)에 의해 제어된다. 제어 신호(Vg)는, 예를 들어 소정의 주파수 및 듀티비의 펄스 파형을 갖는 PWM 신호이다. 도시한 예에서는, 스위칭 소자(Q)가 ｎ채널형 MOSFET(이하 "FETQ"이라 한다)이며, 일단이 드레인, 타단이 소스, 제어단이 게이트이다. 이 경우, 제어 신호(Vg)는 전압신호이다.The control terminal of the switching element Q is controlled by the control signal Vg. The control signal Vg is, for example, a PWM signal having a pulse waveform with a predetermined frequency and duty ratio. In the illustrated example, the switching element Q is an n-channel MOSFET (hereinafter referred to as "FETQ"), and one end is the drain, the other end is the source, and the control end is the gate. In this case, the control signal Vg is a voltage signal.

또한, FET 이외의 스위칭 소자로서, 예를 들어 IGBT 또는 바이폴라 트랜지스터를 사용할 수도 있다.Further, as switching elements other than FETs, for example, IGBTs or bipolar transistors can also be used.

트랜스포머(T)의 2차 코일(N2)의 일단(본예에서는 권취 시단)과 부극 출력단(n) 사이에는, 하나의 콘덴서(이하 "서브 콘덴서라 한다")(C1)가 접속되어 있다. 또한, 정극 출력단(p)과 부극 출력단(n) 사이에는, 평활 콘덴서(C2)가 접속되어 있다.One capacitor (hereinafter referred to as “sub capacitor”) C1 is connected between one end of the secondary coil N2 of the transformer T (starting end of winding in this example) and the negative output end n. A smoothing capacitor C2 is also connected between the positive electrode output terminal p and the negative electrode output terminal n.

트랜스포머(T)의 2차 코일(N2)의 타단과 정극 출력단(p) 사이에는, 제1 정류 요소(D1)가 접속되어 있다. 제1 정류 요소(D1)는, 순방향 바이어스일 때 2차 코일(N2)로부터 정극 출력단(p)으로 흐르는 전류를 도통시키고, 역방향 바이어스일 때 이 전류를 차단하는 방향으로 접속되어 있다. 제1 정류 요소(D1)가 예를 들어 다이오드일 경우, 다이오드(D1)의 애노드가 2차 코일(N2)의 타단에, 캐소드가 정극 출력단(p)에 접속된다.A first rectifying element D1 is connected between the other end of the secondary coil N2 of the transformer T and the positive electrode output end p. The first rectifying element D1 is connected in such a way as to conduct current flowing from the secondary coil N2 to the positive electrode output terminal p when forward biased and block this current when reverse biased. When the first rectifying element D1 is, for example, a diode, the anode of the diode D1 is connected to the other end of the secondary coil N2 and the cathode is connected to the positive output terminal p.

트랜스포머(T)의 2차측의 회로는, 초크 코일(L)을 갖는다. 초크 코일(L)의 일단은, 부극 출력단(n)에 접속되어 있다.The circuit on the secondary side of the transformer (T) has a choke coil (L). One end of the choke coil L is connected to the negative electrode output terminal n.

그리고, 초크 코일(L)의 타단과 트랜스포머(T)의 2차 코일(N2)의 타단 사이에는, 제2 정류 요소(D2)가 접속되어 있다. 제2 정류 요소(D2)는, 순방향 바이어스일 때 초크 코일(L)의 타단으로부터 2차 코일(N2)의 타단으로 흐르는 전류를 도통시키고, 역방향 바이어스일 때 이 전류를 차단하는 방향으로 접속되어 있다. 제2 정류 요소(D2)가 예를 들어 다이오드일 경우, 다이오드(D2)의 애노드가 초크 코일(L)의 타단에, 캐소드가 2차 코일(N2)의 타단에 접속된다.A second rectifying element D2 is connected between the other end of the choke coil L and the other end of the secondary coil N2 of the transformer T. The second rectifying element D2 is connected in a direction to conduct a current flowing from the other end of the choke coil L to the other end of the secondary coil N2 when forward biased and to block this current when reverse biased. . When the second rectifying element D2 is, for example, a diode, the anode of the diode D2 is connected to the other end of the choke coil (L) and the cathode is connected to the other end of the secondary coil (N2).

그리고, 초크 코일(L)의 타단과 트랜스포머(T)의 2차 코일(N2)의 일단 사이에는, 제3 정류 요소(D3)가 접속되어 있다. 제3 정류 요소(D3)는, 순방향 바이어스일 때 초크 코일(L)의 타단으로부터 2차 코일(N2)의 일단 또는 서브 콘덴서(C1)로 흐르는 전류를 도통시키고, 역방향 바이어스일 때 이 전류를 차단하는 방향으로 접속되어 있다. 제3 정류 요소(D3)가 예를 들어 다이오드일 경우, 다이오드(D3)의 애노드가 초크 코일(L)의 타단에, 캐소드가 2차 코일(N2)의 일단에 접속된다.A third rectifying element D3 is connected between the other end of the choke coil L and one end of the secondary coil N2 of the transformer T. The third rectifying element (D3) conducts the current flowing from the other end of the choke coil (L) to one end of the secondary coil (N2) or the sub capacitor (C1) when forward biased, and blocks this current when reverse biased. connected in the direction of When the third rectifying element D3 is, for example, a diode, the anode of the diode D3 is connected to the other end of the choke coil L and the cathode is connected to one end of the secondary coil N2.

다이오드(D1, D2, D3)는, 순방향 전압 강하가 작고 또한 고속 동작을 행하는 것이 적합하다. 또한, 다이오드 이외의 정류 요소의 예로서는, 동등한 정류 기능을 갖는 다른 소자 또는 회로를 사용할 수 있다.The diodes D1, D2, and D3 are preferably small in forward voltage drop and perform high-speed operation. In addition, as an example of a rectification element other than a diode, another element or circuit having an equivalent rectification function can be used.

도시하지는 않았으나, 제어 신호(Vg)를 발생하는 제어부를 갖는 것이 바람직하다. 일례로서, 제어부는, 입력 전압 및 출력 전압을 검출하고, 검출한 입력 전압과 출력 전압에 기초하여, 제어 신호(Vg)의 듀티비를 결정하고, 그에 기초하여 제어 신호(Vg)를 생성한다. 제어부의 주요부로서, PWMIC을 사용할 수 있다.Although not shown, it is preferable to have a controller that generates a control signal (Vg). As an example, the control unit detects the input voltage and output voltage, determines the duty ratio of the control signal Vg based on the detected input voltage and output voltage, and generates the control signal Vg based thereon. As a main part of the control unit, a PWMIC can be used.

(2) 동작 설명 (2) Operation description

도 2 내지 도 5를 참조하여, 도 1에 도시한 회로 구성의 동작을 설명한다. 또한, 본 회로의 시동 시 및 정지 시의 과도적 동작은 예외로 하고, 본 회로가 정상 상태에 있는 경우의 동작에 대하여 설명한다.Referring to Figs. 2 to 5, the operation of the circuit configuration shown in Fig. 1 will be described. In addition, with the exception of the transient operation at start-up and stop of this circuit, the operation when this circuit is in a steady state will be described.

(2-1) 온 기간에 있어서의 1차측 및 2차측의 동작의 상세 (2-1) Details of operation of the primary side and the secondary side during the ON period

도 2는, 도 1에 도시한 회로 구성에 있어서의 온 기간의 전류의 흐름(점선 화살표)을 개략적으로 나타내고 있다.FIG. 2 schematically shows the current flow (dotted line arrow) during the on period in the circuit configuration shown in FIG. 1 .

[온 기간: 1차측] [On Period: Primary Side]

트랜스포머 1차측에서는, 온 기간에 제어 신호(Vg)가 온으로 되면, FETQ가 온으로 되어 전류로가 도통한다. 트랜스포머(T)의 일차 코일(N1)에는, 입력 전압에 의한 입력 전류(i1)가 이하의 경로로 흐른다.On the primary side of the transformer, when the control signal Vg is turned on during the on period, FETQ is turned on and the current path is conducted. An input current i1 due to an input voltage flows through the primary coil N1 of the transformer T through the following path.

· 입력 전류(i1): 제1 입력단(1)→트랜스포머 일차 코일(N1)→FETQ→ 제2 입력단(2)Input current (i1): 1st input terminal (1) → transformer primary coil (N1) → FETQ → 2nd input terminal (2)

[온 기간: 2차측] [On Period: Secondary Side]

도 2에서는, 설명의 편의상, 트랜스포머(T)의 2차 코일(N2)의 타단을 a점으로 하고, 2차 코일(N2)의 일단을 b점으로 한다. 또한, 초크 코일(L)의 타단을 d점으로 하고, 정극 출력단(p)을 c점으로 하고, 부극 출력단(n)을 e점으로 한다.In FIG. 2, for convenience of description, the other end of the secondary coil N2 of the transformer T is referred to as point a, and one end of the secondary coil N2 is referred to as point b. Also, let the other end of the choke coil L be the point d, the positive electrode output end p be the point c, and the negative electrode output end n be the point e.

도 3은, 온 기간에 있어서의 트랜스포머 2차측의 a점 내지 e점의 전위 관계를 모식적으로 도시한 도면이다. 도 3도 참조하면서, 온 기간의 트랜스포머 2차측의 동작을 설명한다. 정상 상태에서는, 서브 콘덴서(C1) 및 평활 콘덴서(C2)는, 리플적인 변동을 제외하고 대략 일정한 양단 전압(Vc1, Vc2)으로 각각 충전되어 있다.Fig. 3 is a diagram schematically showing the potential relationship between points a to e on the secondary side of the transformer during the on period. Referring also to FIG. 3, the operation of the secondary side of the transformer during the ON period will be described. In a steady state, the sub capacitor C1 and the smoothing capacitor C2 are each charged with substantially constant voltages Vc1 and Vc2 except for ripple-like fluctuations.

일차 코일(N1)에 입력 전류(i1)가 흐름으로써, 2차 코일(N2)에 기전력(Vn2)이 발생한다(본 명세서에 있어서의 "기전력" 및 "역기전력"은 전압의 의미로 사용한다). 도 3의 전위 관계도에 도시한 바와 같이, 기전력(Vn2)은, b점측이 고전위, a점측이 저전위 방향이다. 다이오드(D1)는, a점 전위와 c점 전위의 관계에 의해 역방향 바이어스로 되므로 전류는 흐르지 않는다. 부하에 대해서는, 평활 콘덴서(C2)로부터의 방전 전류가 공급된다.When the input current i1 flows in the primary coil N1, the electromotive force Vn2 is generated in the secondary coil N2 ("electromotive force" and "counter electromotive force" in this specification are used in the sense of voltage) . As shown in the potential relationship diagram in FIG. 3 , the electromotive force Vn2 is in the direction of high potential on the side of point b and low potential on the side of point a. The diode D1 is reverse biased by the relationship between the a-point potential and the c-point potential, so no current flows. To the load, discharge current from the smoothing capacitor C2 is supplied.

기전력(Vn2)에 의해 b점 전위가 서브 콘덴서(C1)의 일단의 전위를 초과하면, 전류(i2)가 이하의 경로로 흐른다.When the potential at point b exceeds the potential at one end of the sub capacitor C1 due to the electromotive force Vn2, the current i2 flows through the following path.

·전류(i2): 트랜스포머 2차 코일 b점→서브 콘덴서(C1)→초크 코일(L)→ 다이오드(D2)→트랜스포머 2차 코일 a점Current (i2): transformer secondary coil point b → sub capacitor (C1) → choke coil (L) → diode (D2) → transformer secondary coil point a

초크 코일(L)에 전류(i2)가 흐름으로써 초크 코일(L2)에 기전력(VL)이 발생하고, d점 전위는 부극 출력단(n)의 e점보다 저전위로 된다. 다이오드(D2)가 도통하므로, 트랜스포머 2차 코일 a점은, d점 전위와 같은 전위로 된다. 다이오드(D3)는, b점 전위와 d점 전위의 관계에 의해 역방향 바이어스로 되므로 전류는 흐르지 않는다.When the current i2 flows through the choke coil L, an electromotive force V L is generated in the choke coil L2, and the potential at point d becomes lower than that at point e of the negative electrode output terminal n. Since the diode D2 conducts, the transformer secondary coil point a has the same potential as the potential of point d. The diode D3 is reverse biased by the relationship between the b-point potential and the d-point potential, so no current flows.

온 기간에 2차측에 흐르는 전류(i2)는, 서브 콘덴서(C1)를 충전하는 방향으로 흐른다. 이에 의해, 서브 콘덴서(C1)에 전기 에너지가 축적된다. 덧붙여, 이 전류(i2)가 초크 코일(L)을 여자함으로써, 초크 코일(L)에 자기에너지가 축적된다.During the on period, the current i2 flowing to the secondary side flows in the direction of charging the sub capacitor C1. As a result, electrical energy is accumulated in the sub capacitor C1. In addition, as this current i2 excites the choke coil L, magnetic energy is stored in the choke coil L.

통상의 포워드 방식에서는, 온 기간에 외장형 초크 코일에 자기에너지가 축적되고, 통상의 플라이백 방식에서는, 온 기간에 트랜스포머에 자기에너지가 축적된다. 이에 대해, 본 회로에서는, 온 기간에 서브 콘덴서(C1)에 전기 에너지가 축적되는 동시에, 초크 코일(L)에 자기에너지가 축적된다. 이에 의해, 본 회로에서는, 전력 변환 효율을 향상시킬 수 있다.In the normal forward method, magnetic energy is accumulated in the external choke coil during the on period, and in the normal flyback method, magnetic energy is accumulated in the transformer during the on period. On the other hand, in this circuit, electric energy is accumulated in the sub capacitor C1 during the on period, and magnetic energy is accumulated in the choke coil L. As a result, in this circuit, the power conversion efficiency can be improved.

본 회로에서는, 온 기간에 트랜스포머(T)에 자기에너지가 축적되는 정도가 적으므로, 자기 리셋을 위한 스너버 회로의 처리 용량을 저감할 수 있다.In this circuit, since the degree of accumulation of magnetic energy in the transformer (T) is small during the on-period, the processing capacity of the snubber circuit for self-resetting can be reduced.

(2-2) 오프 기간에 있어서의 1차측 및 2차측의 동작의 상세 (2-2) Details of the operation of the primary side and the secondary side in the off period

도 4는, 도 1의 회로 구성에 있어서의 오프 기간의 전류의 흐름(점선 화살표)을 개략적으로 도시하는 도면이다.FIG. 4 is a diagram schematically showing the flow of current (dotted line arrow) in an off period in the circuit configuration of FIG. 1 .

[오프 기간: 1차측] [Off Period: Primary Side]

트랜스포머 1차측에서는, 제어 신호(Vg)가 오프로 되면, FETQ도 오프로 되어 스위치가 개방된다. 트랜스포머(T)의 일차 코일(N1)의 전류로는 차단되고, 전류가 0으로 된다. 이에 의해 트랜스포머(T)의 일차 코일(N1) 및 2차 코일(N2)에 각각 역기전력이 발생한다.On the primary side of the transformer, when the control signal (Vg) is turned off, FETQ is also turned off and the switch is opened. The current of the primary coil (N1) of the transformer (T) is cut off, and the current becomes zero. Accordingly, counter electromotive force is generated in the primary coil N1 and the secondary coil N2 of the transformer T, respectively.

[오프 기간: 2차측] [Off period: secondary side]

도 5는, 오프 기간에 있어서의 트랜스포머 2차측의 a점 내지 e점의 전위 관계를 모식적으로 도시한 도면이다. 도 5도 참조하면서, 오프 기간의 2차측의 동작을 설명한다.Fig. 5 is a diagram schematically showing the potential relationship between points a to e on the secondary side of the transformer during the off period. Referring also to FIG. 5, the operation of the secondary side during the off period will be described.

트랜스포머(T)의 2차 코일(N2)에 발생하는 역기전력(Vn2)은, 도 5의 전위 관계도에 도시한 바와 같이, b점측이 저전위, a점측이 고전위 방향이다. a점 전위가 평활 콘덴서(C2)의 일단(정극 출력단(p))의 전위인 c점 전위를 초과하면, 다이오드(D1)가 순방향 바이어스로 되고, 전류(i21)가 이하의 경로로 흐른다.The counter electromotive force Vn2 generated in the secondary coil N2 of the transformer T has a low potential on the point b side and a high potential on the point a side, as shown in the potential relationship diagram in FIG. 5 . When the potential of point a exceeds the potential of point c, which is the potential of one end (positive electrode output terminal p) of smoothing capacitor C2, diode D1 becomes forward biased, and current i21 flows through the following path.

·전류(i21): 트랜스포머 2차 코일 a점→ 다이오드(D1)→ 부하(또는 평활 콘덴서(C2))→서브 콘덴서(C1)→트랜스포머 2차 코일 b점Current (i21): transformer secondary coil a point → diode (D1) → load (or smoothing capacitor (C2)) → sub capacitor (C1) → transformer secondary coil point b

또한, 초크 코일(L)은 온 기간의 전류를 유지하도록 역기전력(VL)이 발생한다. 이 역기전력(VL)은, d점이 고전위, e점이 저전위 방향이다. 이 역기전력(VL)이, 서브 콘덴서(C1)의 일단의 전위를 초과하면 다이오드(D3)가 도통하고, 전류(i22 및 i23)가 이하의 경로로 흐른다.In addition, a counter electromotive force (V L ) is generated in the choke coil (L) to maintain the current during the on period. This counter electromotive force (V L ) is in the direction of high potential at point d and low potential at point e. When this counter electromotive force (V L ) exceeds the potential of one end of the subcapacitor C1, the diode D3 conducts, and the currents i22 and i23 flow through the following paths.

·전류(i22): 초크 코일(L)→ 다이오드(D3)→서브 콘덴서(C1)Current (i22): Choke coil (L) → Diode (D3) → Sub capacitor (C1)

·전류(i23): 초크 코일(L)→ 다이오드(D3)→트랜스포머 2차 코일→ 다이오드(D1)→ 부하(또는 평활 콘덴서(C2))Current (i23): Choke coil (L) → Diode (D3) → Transformer secondary coil → Diode (D1) → Load (or smoothing capacitor (C2))

다이오드(D2)는, a점 전위와 d점 전위의 관계에 의해 역방향 바이어스로 되므로 전류는 흐르지 않는다.The diode D2 is reverse biased by the relationship between the a-point potential and the d-point potential, so no current flows.

오프 기간의 전류(i21)는, 온 기간에 서브 콘덴서(C1)에 축적된 전기 에너지를 방출하는 방전 전류이며, 부하로 공급되거나 또는 평활 콘덴서(C2)를 충전한다. 한편, 오프 기간의 전류(i22) 및 전류(i23)은, 온 기간에 초크 코일(L)에 축적된 자기에너지를 방출하는 것이다. 전류(i22)는 서브 콘덴서(C1)를 충전하는 방향으로 흘러, 서브 콘덴서(C1)가 방전에 의해 상실하는 전기 에너지를 보충한다. 또한, 전류(i23)는, 전류(i21)와 함께 부하로 공급되거나 또는 평활 콘덴서(C2)를 충전한다. 이와 같이, 온 기간에 초크 코일(L)에 축적된 자기에너지는, 오프 기간에 전기 에너지로 변환된다.The current i21 in the off period is a discharge current that discharges the electrical energy stored in the sub capacitor C1 during the on period, and is supplied to a load or charges the smoothing capacitor C2. On the other hand, the currents i22 and i23 in the off period release the magnetic energy accumulated in the choke coil L in the on period. The current i22 flows in the direction of charging the sub-condenser C1, and replenishes the electrical energy lost by the discharging of the sub-condenser C1. Also, the current i23 is supplied to the load together with the current i21 or charges the smoothing capacitor C2. In this way, the magnetic energy accumulated in the choke coil L during the on period is converted into electrical energy during the off period.

오프 기간에 트랜스포머(T)의 2차 코일(N2)에 발생하는 역기전력(Vn2)은, 온 기간에 서브 콘덴서(C1)에 충전된 전압(VC1)에 의해 억압된다. 즉, 역기전력(Vn2)은, 서브 콘덴서(C1)가 없을 경우에 2차 코일(N2)에 발생하는 역기전력에 비하여 전압(VC1)만큼 작아진다. 이 결과, FETQ가 오프된 순간에 트랜스포머(T)의 일차 코일(N1)에 발생하는 역기전력(서지 전압도 포함한다)도 작아지므로, 1차측의 FETQ에 요구되는 내압을 저감할 수 있다. 또한, 서지 전압을 억제하기 위한 스너버 회로의 처리 용량도 저감할 수 있다.During the off period, the counter electromotive force (Vn2) generated in the secondary coil (N2) of the transformer (T) is suppressed by the voltage (VC1) charged in the sub capacitor (C1) during the on period. That is, the counter electromotive force (Vn2) is smaller by the voltage (VC1) than the counter electromotive force generated in the secondary coil (N2) when there is no sub capacitor (C1). As a result, the counter electromotive force (including the surge voltage) generated in the primary coil N1 of the transformer T at the instant when the FETQ is turned off is also reduced, so the withstand voltage required for the FETQ on the primary side can be reduced. Moreover, the processing capacity of the snubber circuit for suppressing a surge voltage can also be reduced.

(2-3) 동작 및 효과의 정리 (2-3) Arrangement of actions and effects

본 발명의 스위칭 전원은, 온 기간에는, 트랜스포머 2차측에 있어서 서브 콘덴서에 전기 에너지를 축적하는 동시에, 초크 코일에 자기에너지를 축적하도록 기능한다. 또한, 오프 기간에는, 서브 콘덴서로부터 전기 에너지를 방출하여 부하에 공급하는 동시에, 초크 코일의 자기에너지에 의해 서브 콘덴서의 전기 에너지를 보충하도록 기능한다. 이에 의해 2차측의 전력 변환 효율이 향상된다.The switching power supply according to the present invention functions to store electric energy in the sub capacitor on the secondary side of the transformer and to store magnetic energy in the choke coil during the on-period. In addition, during the off period, electrical energy is discharged from the sub-capacitor and supplied to the load, and at the same time, the magnetic energy of the choke coil functions to supplement the electrical energy of the sub-capacitor. This improves the power conversion efficiency on the secondary side.

2차측의 초크 코일은, 온 기간도 오프 기간도 서브 콘덴서의 충전에 기여하게 되므로, 포워드 방식의 외장형 초크 코일에 비하여 초크 코일의 이용 효율이 향상된다.Since the secondary-side choke coil contributes to the charging of the sub capacitor during both the on period and the off period, the efficiency of using the choke coil is improved compared to the external type choke coil of the forward type.

서브 콘덴서의 양단 전압에 의해, 스위칭 소자가 오프된 순간에 일차 코일에 발생하는 역기전력이나 서지 전압이 억제되는 점에서, 스위칭 소자의 내압을 저감할 수 있다. 덧붙여, 과전압 억제용 스너버 회로의 처리 용량도 저감할 수 있으므로, 전력 손실이 저감된다.The withstand voltage of the switching element can be reduced because the counter electromotive force or surge voltage generated in the primary coil at the moment when the switching element is turned off is suppressed by the voltage at both ends of the sub capacitor. In addition, since the processing capacity of the snubber circuit for overvoltage suppression can also be reduced, power loss is reduced.

1: 제1 입력단
2: 제2 입력단(입력측 기준단)
P: 정극 출력단
N: 부극 출력단(출력측 기준 전위)
T: 트랜스포머
N1: 일차 코일
N2: 2차 코일
Q: 스위칭 소자(FET)
D1, D2, D3: 정류 요소(다이오드)
C1: 서브 콘덴서
C2: 평활 콘덴서
L: 초크 코일1: 1st input
2: 2nd input terminal (reference terminal on the input side)
P: positive output stage
N: Negative output terminal (reference potential on the output side)
T: Transformers
N1: primary coil
N2: secondary coil
Q: Switching Element (FET)
D1, D2, D3: rectifying elements (diodes)
C1: sub capacitor
C2: smoothing capacitor
L: choke coil

Claims (1)

(a) 입력 전압이 인가되는 제1 입력단(1) 및 제2 입력단(2)과,
(b) 정극 출력단(p) 및 부극 출력단(n)과,
(c) 일차 코일(N1)과 2차 코일(N2)을 구비하고 일차 코일의 일단이 상기 제1 입력단(1)에 접속된 트랜스포머(T)와,
(d) 상기 일차 코일(N1)의 타단과 상기 제2 입력단(2) 사이의 전류로를 도통 또는 차단하도록 제어 신호(Vg)에 의해 온/오프 제어되는 스위칭 소자(Q)와,
(e) 상기 2차 코일(N2)의 일단과 상기 부극 출력단(n) 사이에 접속된 서브 콘덴서(C1)와,
(f) 상기 부극 출력단(n)에 일단이 접속된 초크 코일(L)과,
(g) 상기 2차 코일(N2)의 타단과 상기 정극 출력단(p) 사이에 접속되고, 상기 2차 코일로부터 상기 정극 출력단(p)으로 흐르는 전류를 도통시키는 제1 정류 요소(D1)와,
(h) 상기 초크 코일(L)의 타단과 상기 2차 코일(N2)의 타단 사이에 접속되고, 상기 초크 코일(L)로부터 상기 2차 코일(N2)로 흐르는 전류를 도통시키는 제2 정류 요소(D2)와,
(i) 상기 초크 코일(L)의 타단과 상기 2차 코일(N2)의 일단 사이에 접속되고, 상기 초크 코일(L)로부터 상기 서브 콘덴서(C1) 또는 상기 2차 코일(N2)로 흐르는 전류를 도통시키는 제3 정류 요소(D3)와,
(j) 상기 정극 출력단(p)과 상기 부극 출력단(n) 사이에 접속된 평활 콘덴서(C2)를 갖는 것을 특징으로 하는, 절연형 스위칭 전원.(a) a first input terminal (1) and a second input terminal (2) to which an input voltage is applied;
(b) a positive electrode output terminal (p) and a negative electrode output terminal (n);
(c) a transformer (T) having a primary coil (N1) and a secondary coil (N2), one end of which is connected to the first input terminal (1);
(d) a switching element (Q) controlled on/off by a control signal (Vg) to conduct or block a current path between the other end of the primary coil (N1) and the second input end (2);
(e) a sub capacitor C1 connected between one end of the secondary coil N2 and the negative electrode output terminal n;
(f) a choke coil (L) having one end connected to the negative electrode output terminal (n);
(g) a first rectifying element (D1) connected between the other end of the secondary coil (N2) and the positive electrode output terminal (p) and conducting a current flowing from the secondary coil to the positive electrode output terminal (p);
(h) a second rectifying element connected between the other end of the choke coil (L) and the other end of the secondary coil (N2) and conducting a current flowing from the choke coil (L) to the secondary coil (N2) (D2) and
(i) A current connected between the other end of the choke coil (L) and one end of the secondary coil (N2) and flowing from the choke coil (L) to the sub capacitor (C1) or the secondary coil (N2) A third rectifying element (D3) for conducting;
(j) An insulated switching power supply characterized by having a smoothing capacitor (C2) connected between the positive electrode output terminal (p) and the negative electrode output terminal (n).
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