KR19990077936A - 전류공진형스위칭전원 - Google Patents

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Abstract

스위칭 전원에서, 1차측 MOS 트랜지스터들이 교대로 턴 온됨에 따라서, 트랜스포머의 2차 권선으로 공진 전류가 유입되고 2차측에 교번 전력이 전달된다. 2차 권선에서 발생되는 교번 전압은 2차 권선에서 발생된 전압에 의해 2차측 MOS 트랜지스터들의 게이트들에 인가되고, 따라서 2차측 MOS 트랜지스터들은 각기 전압의 극성이 양인 주기들에서 턴 온된다. 정류 전류들은 쵸크 코일을 통하여 커패시터에 유입되어 동기 정류를 수행한다. 만일 트랜스포머가 반전될 때 평활 커패시터의 전압이 교번 출력 전압보다 높게 되면, 2차측 MOS 트랜지스터들로 역전류들이 유입된다. 쵸크 코일의 역기전력에 의하여, 트랜스포머가 반전될 때 흐르는 역전류들이 억제되고, 스위칭 전원의 효율이 저하되는 것이 저지된다.

Description

전류 공진형 스위칭 전원 {CURRENT-RESONANT SWITCHING POWER SUPPLY}
본 발명은 스위칭 전원 회로에 관한 것으로, 더 구체적으로는, 출력 전압이 동기 정류 방식으로 2차측에서 얻어지는 경우에 효과적인 전류 공진형 스위칭 전원에 관한 것이다.
최근 적은 에너지를 사용하는 것이 지구 환경 보호를 위해 요구되고 있기 때문에, 다양한 타입의 스위칭 전원들에서 높은 효율과 낮은 노이즈가 더욱 요구된다.
컴퓨터와 통신 장치용 전원 회로로서, 낮은 노이즈를 갖고 낮은 전압 출력에서도 높은 효율을 유지하는 DC-DC 컨버터들이 요구된다.
낮은 전압이 출력될 때, 높은 출력 전류는 일반적으로 일정한 전력 소모가 유지되는 경우 얻어진다. DC-DC 컨버터에서, 2차측의 정류 다이오드의 저항 손실은 큰 전력 손실이 된다.
그러므로, DC 출력 전압을 얻기 위해, 비교적 낮은 노이즈와 높은 효율을 갖는 전류 공진형 스위칭 전원과 2차측 출력시에 낮은 온-저항을 제공하는 트랜지스터가 동기 정류 방식으로 구동되는 것이 고려된다.
도 4는 이러한 구성을 갖는 스위칭 전원 회로를 나타낸다. 스위칭 소자들 Q1과 Q2는 직렬로 연결된 MOS FET들로 형성되고, 절연 트랜스포머 T는 1차측의 스위칭 전력을 2차측에 전달한다.
전원 제어 회로 IC는 스위칭 소자들 Q1과 Q2을 번갈아 오픈되고 클로즈되며, 일정한 출력 전압 V0을 얻기 위해 스위칭 소자들의 스위칭 주파수를 조정하는 도시되지 않은 전압 검출 수단에 의해 기준 전압이 출력 전압 V0와 비교되도록 통상 구성된다.
스위칭 소자들 Q1과 Q2의 출력들은 절연 트랜스포머 T의 1차 권선 L1과 공진 커패시터 C1에 전송된다. 스위칭 소자들 Q1과 Q2가 번갈아 오픈되고 클로즈될 때, 트랜스포머의 1차 권선 L1은 공진 커패시터 C1을 충전하고 방전하는 전류에 의해 구동되는데, 이것은 트랜스포머 T의 누설 인덕턴스와 공진한다. 도 5에 도시된 바와 같이, 1차 권선 L1에 인가된 전압 V1은 2차 권선 L2에 유도 전압 V2를 유발하고, 전파 정류(full-wave rectification)가 통상의 DC-DC 컨버터 내의 한 세트의 정류 다이오드들에 의해 수행된다.
비교적 높은 온-저항들을 갖는 정류 다이오드들에 의해 야기된 손실은 출력 전압이 낮을 때 오히려 높기 때문에, 도 4에서와 같이, 정류 다이오드들과 전파 정류 대신 N-채널 MOS 트랜지스터들 Q3 및 Q4가 사용되는 회로가 동기 방식에 적용되어 평활 커패시터 C0로부터 DC 전압 V0를 출력하도록 하는 것이 공지되어 있다.
도 4에 도시된 회로에서, 전파 정류 전압이 MOS 트랜지스터들 Q3과 Q4를 통해 낮은 저항에서 평활 커패시터에 축적되기 때문에, 비교적 낮은 DC 전압 V0이 효율적으로 출력될 수 있다.
기생 다이오드들 D은 MOS 트랜지스터들 Q3과 Q4의 구조들에 기인하여 형성된다.
하프 접속된 스위칭 소자들을 갖는 전류 공진형 스위칭 전원은 턴 온 시에 무-전류 스위칭과 턴 오프 시에 전류 공진형의 스위칭으로써 본질적으로 낮은 노이즈를 갖고, 스위칭 주파수가 변화됨으로써 2차측에서 광범위한 가변 출력 전압 V0을 갖게 되는 특징이 있다. 이 전원은 광범위한 규격 범위를 제공하기 위해 전체 기간에서 전력이 2차측에 전송되는 정류 전류 연속 모드와 전력이 기간 내에 2차측에 전송되지 않는 2차측 정류 비연속 모드를 갖는다.
스위칭 주파수가 정전압 제어로 인해 공진 주파수보다 낮게 되면, 모드는 2차측 정류 비연속 모드로 변화된다. 이러한 경우에, 2차측의 정류 커패시터는 도 5에 도시된 바와 같이 한 스위칭 사이클 내에 기간들 t1 동안 충전되지 않고, 이 기간들 t1에서 출력 전압 V0은 트랜스포머의 2차 전압 V2보다 높다.
다이오드들을 사용한 통상의 정류에서는 역 전류가 이러한 비연속 모드에서도 다이오드들에 의해 차단되기 때문에, 문제가 발생하지 않는다. 그러나, MOS FET 트랜지스터들을 사용한 정류에서는, 도 5에 도시된 바와 같이, 트랜지스터들이 이 기간들에서 턴 온되도록 제어되는 경우 역 전류가 흐르기 때문에, 기간들 t1에서 음의 방향 전류 id1과 id2가 각각 동기형 MOS 트랜지스터들 Q3과 Q4에 역방향으로 흐른다.
음의 방향으로 흐르는 이 전류들 id로써, MOS 트랜지스터들 Q3과 Q4는 열을 발생시키고, 1차측에 스위칭 손실을 발생시킨다.
이러한 문제점들을 해결하기 위하여, MOS 트랜지스터들 Q3과 Q4를 제어하기 위한 트랜스포머의 출력 전압 및 전류 검출용 논리 회로를 각각 갖는 제어 회로들 IC1과 IC2이 제공되어, MOS FET 트랜지스터들 Q3과 Q4이 적당한 타이밍에서 턴 온되도록 하는 것이 고려되어 왔다. 그러나, 이러한 제어 회로들 IC1과 IC2는 별도로 준비되어야 하기 때문에, 전원의 비용이 증가하고 회로 구성이 복잡해진다.
커패시터 C0가 충전되는 충전 기간이 짧아지면, 이 기간 내에 축적된 전류의 피크치가 커지게 되고 도통각이 작아져서 스위칭 전원의 역률을 감소시킨다.
따라서, 본 발명의 목적은 효율이 향상된 스위칭 전원을 제공하는 데 있다.
상기 목적은, 직류 전압에 대하여 하프-브리지 접속된(half-bridge-connected) 스위칭 소자들을 교대로 턴 온 및 턴 오프하는 구동 회로를 포함하고, 상기 스위칭 소자들의 접속점으로부터 공진 커패시터를 경유하여 절연 트랜스포머(insulating transformer)의 1차측으로 교번 전압(alternate voltage)이 인가되고, 상기 절연 트랜스포머의 2차 권선으로부터 소정의 교번 전압이 얻어지는 전류 공진형 스위칭 전원에 있어서, 상기 2차 권선의 출력측에서 교대로 턴 온되는 타이밍에서 제어되는 한 쌍의 MOS 트랜지스터를 포함하고, 상기 한 쌍의 MOS 트랜지스터에 의해 정류된 전류가 쵸크 코일(choke coil)을 경유하여 평활 커패시터를 충전하게 되어 있는 전류 공진형 스위칭 전원을 제공함으로써 달성된다.
MOS 트랜지스터들을 구동하는 데 이용되는 전압을 출력하기 위한 권선은 전력을 출력하기 위한 2차 권선과 별도로 제공될 수 있다.
평활 커패시터를 충전하기 위한 동기 정류형 MOS 트랜지스터들로부터 출력되는 전파 정류 전류는 쵸크 코일을 경유하여 평활 커패시터를 충전하기 때문에, 정류 전류가 1 사이클 내에 연속적이지 않은 불연속 모드에서도 MOS 트랜지스터들을 통하여 역방향으로 흐르는 역전류가 쵸크 코일의 역기전력에 의해 저지될 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 전류 공진형 스위칭 전원은, 특히 하프-브리지 전류 공진형 스위칭 전원이 동기 정류형 정류 소자들과 함께 사용되는 경우에, 동기 정류형 소자들에 역전류가 흐르는 것을 용이하게 방지하는 회로로 형성되기 때문에, 정류 전류의 피크 값들은 삽입된 인덕터에 의해 억제되고, 정류 전류의 유통각이 커지고, 역률(power factor)이 향상될 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 스위칭 전원 회로의 회로도.
도 2는 스위칭 동작시의 도 1에 도시된 각 부분에서의 신호의 파형도.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 스위칭 전원 회로의 회로도.
도 4는 동기 정류 방식을 채용한 전류 공진형 스위칭 전원의 일반 회로도.
도 5는 동기 정류시에 발생되는 역전류의 파형도.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전류 공진형 스위칭 전원 공급 회로를 나타낸다. 도 4에 나타난 바와 같이, 스위칭 소자 Q1 및 Q2는 하프-브리지 접속된 스위칭 회로로 구성되며, MOS 트랜지스터들로 형성되고, 공급 전원 E가 제공된다.
그 스위칭 출력은 구동 트랜스포머 T의 1차 권선 L1과 공진 커패시터 C1를 통하여 공급 전원 E의 접지 단자에 접속된다.
전파 정류 회로는 절연 트랜스포머 T의 2차 권선 L2에 유도된 전압은 동기 정류형 MOS 트랜지스터들 Q3와 Q4 및 쵸크 코일 Lc를 통하여 평활 커패시터 Co를 충전하도록 형성된다.
이 스위칭 전원 공급은 2차 권선 L2의 양 끝단이 감겨져서 MOS 트랜지스터들 Q3 및 Q4을 구동하고 MOS 트랜지스터들 Q3 및 Q4은 접지에 대해 2차 권선에 유도된 전압의 극성에 따라 턴 온되는 권선 전압 검출 방법에 의해 제어된다.
제어 IC 회로 IC는 스위칭 소자들 Q1 및 Q2를 구동한다. 이 IC 회로는 통상적으로 출력 전압 Vo를 일정한 전압으로 유지하기 위하여 스위칭 주파수를 제어하고, 스위칭 전원 공급의 비정상적인 온도 증가를 검출하여 스위칭 동작을 정지시키는 보호 기능을 가지도록 되어 있다.
저항들 r1과 r2는 게이트 커패시터들에 적절한 시정수를 제공하여 접속된 트랜지스터들의 온 타이밍(on timing)을 설정한다.
스위칭 전원 공급의 동작은 이하에 간략하게 설명될 것이다. 공급 전원 E이 인가될 때, 예를 들면 MOS 트랜지스터 Q1이 턴 온되고 MOS 트랜지스터 Q2가 턴 오프되도록 제어한다. 공진 커패시터 C1은 공급 전원 E를 통하여 MOS 트랜지스터 Q1 및 트랜스포머의 1차 권선 L1에 충전된다.
다음으로, 공진 사이클에 따라 1차측에 제어를 행하여 MOS 트랜지스터 Q1가 턴 오프되고 MOS 트랜지스터 Q2가 턴 온되도록 한다. 공진 전류는 공진 커패시터 C1로부터 트랜스포머의 1차 권선 L1에 흐르고, 교류 전력은 2차측에 전달된다.
2차 권선 L2에 발생된 교류 전압은 예를 들면, 트랜지스터들이 턴 온되고, 정류된 전류 id3 및 id4가 쵸크 코일 Lc를 통하여 커패시터 Co로 흘러서 전파 정류가 행해지도록 전압이 포지티브인 동안, 감긴 2차 권선에 의해 형성된 전압에 의해 MOS 트랜지스터들 Q3 및 Q4의 게이트에 인가된다.
각 트랜지스터의 게이트 전압이 임계치에 도달되지 않는 기간에 MOS 트랜지스터들 Q3 및 Q4의 기생 다이오드 D를 통해 전류가 흐를 수 있다. 이 다이오드들은 외부적으로 접속될 수도 있다.
부하가 변경되고 출력 전압이 변경되는 경우에는, 예를 들면 스위칭 주파수가 일정한 전압 제어에 의해 공진 주파수보다 낮게 설정되고 역전류가 도 5에 나타난 바와 같이 불연속적인 정류 모드에서 발생된다.
그러나, 본 발명에서는, 도 2의 스위칭 파형에 나타난 바와 같이, 1차측에서의 전압 V1에 대해 2차측에 유도된 전압 V2은 도 2에 나타난 파형을 가지고, 1차측의 전류 I1은 최고치가 쵸크 코일 Lc에 의해 억제된 파형을 가진다. 도 5에 나타난 불연속 기간 t1에서, 2차측의 평활 커패시터를 통하여 흐르는 충전 전류는 1차측의 스위칭 소자들이 반전되지 않는 상황과는 무관하게 나타난다. 이 기간에, MOS 트랜지스터 Q3가 온되도록 구동되기 때문에, 전류는 MOS 트랜지스터 Q3를 통하여 역방향으로 흐르게 된다.
그러나, 본 발명에서, 도 2에 나타난 바와 같이, 트랜스포머는 포인트 "a"에서 자성적으로 반전되고 전류 id4는 MOS 트랜지스터 Q4로 흐르기 시작한다. 쵸크 코일의 역기전력에 의해, 전류 id3는 MOS 트랜지스터 Q3로 흐르기 시작한다. 전류 id3가 포인트 "c"에서 제로가 될 때, 전류 id4만이 MOS 트랜지스터 Q4를 통하여 흐른다. 바꾸어 말하자면, 기간 t2 내에서, 트랜스포머의 출력 전압은 쵸크 코일의 인덕터(inductor)에 의해 생성된 역기전력과 균형을 이루고, 동일 방향으로 전류가 흐른다.
따라서, 전류가 제로가 될 때 까지 MOS 트랜지스터들 Q3 및 Q4로 전류가 계속하여 흐르고, 반전되는 트랜스포머에 의한 역 전류는 전류가 제로가 되는 포인트 "c"에서 흐르지 않는다.
포인트 "b"에서, MOS 트랜지스터들 Q3와 Q4 간의 관계는 반전되고 전류가 흐른다.
본 발명에서, 역기전력은 쵸크 코일 Lc에 발생되고, MOS 트랜지스터 Q3를 통하여 흐르던 전류 id3는 점차 줄어들기 시작하고, 트랜스포머는 전류 id4가 MOS 트랜지스터 Q4를 통하여 흐리는 방향으로 구동되고, 쵸크 코일 Lc를 통하여 흐르는 전류가 불연속 기간 t2의 마지막에서 전류 id3로부터 전류 id4로 변함에 따라, 역전류가 발생되지 않게 된다.
전술된 바와 같이, 쵸크 코일의 인덕턴스가 적절하게 설정될 때, 전원은 역전류가 본 발명에서 흐르지 않도록 구성될 수 있기 때문에, 동기 정류형 MOS 트랜지스터들은 가장 간단한 방법인 권선-전압 검출 방법으로 구동될 수 있다.
또한, 인덕터는 평활 섹션에 삽입되기 때문에, 동기 정류 소자를 통하여 흐르는 전류의 유통각은 커지게 되고 이들의 피크값은 억제된다.
따라서, 역률이 향상된다. 반도체, 트랜스포머 및 평활 커패시터에 의한 손실은 크게 감소된다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예를 나타낸다. 도 1에서와 같은 심볼들은 동일 부분으로 지정된다. 이 실시예에서, 구동 MOS 트랜지스터들 Q3 및 Q4용으로 사용된 전압을 출력하기 위하여, 2차 권선으로부터 절연된 독립된 3차 권선 L3가 제공된다. 제3 권선은 동기 정류 MOS 트랜지스터들 Q3와 Q4를 구동한다. MOS 트랜지스터들 Q3와 Q4는 소스에서 접지에 접속됨으로써 게이트 구동이 쉽게 이루어진다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 전류 공진형 스위칭 전원이, 특히 하프-브리지 전류 공진형 스위칭 전원이 동기 정류형 정류 소자들과 함께 사용되는 경우에, 동기 정류형 소자들에 역전류가 흐르는 것을 용이하게 방지하는 회로로 형성되기 때문에, 정류 전류의 피크 값들은 삽입된 인덕터에 의해 억제되고, 정류 전류의 유통각이 커지고, 역률(power factor)이 향상될 수 있다.

Claims (3)

  1. 직류 전압에 대하여 하프-브리지 접속된(half-bridge-connected) 스위칭 소자들을 교대로 턴 온 및 턴 오프하는 구동 회로를 포함하고, 상기 스위칭 소자들의 접속점으로부터 공진 커패시터를 경유하여 절연 트랜스포머(insulating transformer)의 1차측으로 교번 전압(alternate voltage)이 인가되고, 상기 절연 트랜스포머의 2차 권선으로부터 소정의 교번 전압이 얻어지는 전류 공진형 스위칭 전원에 있어서,
    상기 2차 권선의 출력측에서 교대로 턴 온되는 타이밍에서 제어되는 한 쌍의 MOS 트랜지스터를 포함하고,
    상기 한 쌍의 MOS 트랜지스터에 의해 정류된 전류가 쵸크 코일(choke coil)을 통하여 평활 커패시터를 충전하는 것을 특징으로 하는 전류 공진형 스위칭 전원.
  2. 제1항에 있어서, 상기 한 쌍의 MOS 트랜지스터는 상기 2차 권선과는 절연된 3차 권선으로부터 전송된 전압에 의해 구동되는 것을 특징으로 하는 전류 공진형 스위칭 전원.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 스위칭 소자들은 MOS 트랜지스터들로 구성되는 것을 특징으로 하는 전류 공진형 스위칭 전원.
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