KR19990085811A - 직류/직류 컨버터의 스위칭 제어 회로 - Google Patents

Abstract

본 발명은 직류/직류 컨버터(DC/DC Converter)에 관한 것으로, 트랜스포머(T)의 1 차측은 푸시-풀(Push-Pull)로 구성되고 2 차측은 할프-브리지(Half-Bridge)로 구성되며, 상기 1차측에는 제 1 스위칭부(S1)와 제 2 스위칭부(S2)를 구비한 직류/직류 컨버터 회로에 있어서, 상기 제 1 스위칭부(S1)와 제 2 스위칭부(S2)의 스위칭 동작을 제어하기 위한 주제어부(110)와, 상기 주제어부(110)의 스위칭 제어신호를 인가받아 상기 제 1 스위칭부의 온/오프 스위칭 동작을 제어하기 위한 제 1 스위칭 제어부(130)와, 상기 제 1 스위칭 제어부(S1)의 (스위칭) 출력 신호를 입력하여 동일 주기내에서 그 출력 신호와 듀티(온 시간)가 같으면서 상호 겹치지 않는 신호를 생성하기 위한 듀티 비례 신호 발생부(150), 및 상기 주제어부(100)의 스위칭 제어신호 및 상기 듀티 비례 신호 발생부(150)의 출력 신호를 입력하여 동일 주기 내에서 상기 주제어부(100)의 스위칭 제어신호를 반전시키고 그 반전된 신호와 상기 듀티 비례 신호 발생부(150)의 출력신호를 논리곱(logical product)한 후 그 논리곱된 신호를 상기 제 2 스위칭부(S2)로 인가하여 상기 제 1 스위칭부(S2)를 제어하기 위한 제 2 스위칭 제어부(170)를 포함하여 구성되어, 상기 제 1 및 제 2 스위칭부(S1)(S2)를 동일 주기내에서 상호 겹치지 않으면서 각각 같은 시간 만큼 턴온(Turn On)되도록 제어하도록 한다.

Description

직류/직류 컨버터의 스위칭 제어 회로

본 발명은 직류/직류 컨버터(DC/DC Converter)에 관한 것으로, 특히 트랜스포머(Transformer)의 1 차측은 푸시-풀(Push-Pull)로 구성되고 2 차측은 할프-브리지(Half-Bridge)로 구성된 직류/직류 컨버터 회로에서, 상기 트랜스포머의 1 차측에 구비된 2 개의 스위칭 소자를 동일 주기내에서 상호 겹치지 않으면서 각각 같은 시간 만큼 턴온(Turn On)되도록 제어하기 위한 직류/직류 컨버터의 스위칭 제어회로에 관한 것이다.

전기 신호에는 전압이 있는 상태를 '1'이라 하고 전압이 없는 상태를 '0'이라 할 때 상기 '1'과 '0'에 의하여 데이터를 작성하는 디지탈 신호와, 음성과 같이 신호의 크기나 폭에 의하여 정보를 구분하는 아날로그 신호가 있다. 전자 및/또는 전기 기기의 시스템에 따라서 아날로그 신호만을 사용하는 것이 있는가 하면 디지탈 신호만을 사용하는 것도 있으며, 또한 아날로그 신호와 디지탈 신호를 모두 사용하는 시스템도 있다. 이러한 시스템들은 아날로그 신호를 디지탈로 변환하는 AC-DC 컨버터나 디지탈 신호를 아날로그 신호로 변환하는 DC-AC 컨버터를 필요로 한다. 그 외에 자동차나 대형차와 같은 차량에서는 카 스테레오, 포그 램프, 무선 기기 등의 액세서리를 사용하게 되는데 이와 같은 액세서리는 적은 전류만으로 작동하기 때문에 전압이 적은 전원을 사용하게 되므로 차량의 24볼트 축전지를 적은 전원으로 변환하는 회로가 필요하게 된다. 차량에서는 모두 DC만 사용하게 되므로 DC-DC 변환기가 사용된다.

도 1은 종래 기술에 따른 직류-직류 컨버터의 회로도로서, 동 도면에 도시된 바와 같이, 직류 전압을 공급하는 직류 전압원(Vi)과, 상기 직류 전압원(Vi)의 양단(양극단과 음극단) 사이에 전기적으로 연결된 제 1 스위칭부(S1) 및 제 2 스위칭부(S2)와, 상기 직류 전압원(Vi)과 상기 제 2 스위칭부(S2)의 접속선에 양극단이 연결된 제 1 콘덴서(C1)와, 상기 제 1 콘덴서(C1)의 음극단과 상기 제 1 및 제 2 스위칭부(S1)(S2)의 접속선 사이에 1차측 권선(L1)이 연결된 트랜스포머(T)와, 상기 트랜스포머(T)의 2차측 제 1 권선(L2) 및 제 2 권선(L3)에 각각 연결된 제 1 정류부(11) 및 제 2 정류부(13), 및 상기 제 1 및 제 2 정류부(11)(13)의 출력단과 상기 제 1 및 제 2 권선(L2)(L3)의 접속선 사이에 연결된 평활부(15)를 포함하여 구성되었다. 상기 제 1 및 제 2 정류부(11)(13)는 각각 다이오드(D1)(D2)로 구성되고, 상기 평활부(15)는 인덕터(L4)와 제 2 콘덴서(C2)로 구성되었다.

상기와 같이 구성된 종래의 직류-직류 변환기의 동작에 대하여 도 1 및 도 2를 참조하여 설명하면 다음과 같다.

도 2(A)는 종래 직류/직류 컨버터의 제 1 스위칭부(S1)의 스위칭 타이밍도이고, 도 2(B)는 종래 직류/직류 컨버터의 제 2 스위칭부(S2)의 스위칭 타이밍도이다.

먼저, 스위칭 제어부(미도시)의 제어 신호에 의해 제 1 스위칭부(S1)가 일정시간(t1) 동안 턴-온되면, 상기 트랜스포머(T)의 1차측에서는 상기 직류 전압원(Vi)에 의해 입력된 직류 입력 전압(Vi)에 의해 상기 직류 전압원(Vi)과, 상기 제 1 콘덴서(C1), 상기 트랜스포머(T)의 1차측 권선(L1), 및 상기 제 1 스위칭부(S1)를 차례로 통과하는 전류 루프가 형성되면서 상기 제 1 콘덴서(C1)는 충전된다. 이때, 상기 트랜스포머(T)의 2차측에서는 1차측으로 부터 유기된 전압에 의해 그 트랜스포머(T)의 2차측 제 1 권선(L2)과, 제 1 다이오드(D1), 콘덕터(L4), 및 제 2 콘덴서(C2)를 차례로 통과하는 전류 루프가 형성되어 직류 출력 전압(Vo)을 부하(미도시)측으로 공급하게 된다.

다음에, 상기 스위칭 제어부의 제어 신호에 의해 상기 제 1 스위칭부(S1) 및 제 2 스위칭부(S2)가 일정 시간 동안(t2) 턴오프되도록 하는 데드 타임(dead time)(t2)을 갖도록 한다. 상기 데드 타임(t2)은 상기 제 1 스위칭부(S1)가 턴오프됨과 동시에 제 2 스위칭부(S2)가 턴온되는 것을 방지하여 입력전압(Vi)이 접지되거나 단락되는 것을 방지하기 위한 것이다.

이어, 상기 스위칭 제어부의 제어 신호에 의해 상기 제 2 스위칭부(S2)가 일정시간(t3) 동안 턴-온되면, 상기 트랜스포머(T)의 1차측에서는 상기 제 1 콘덴서(C1)에 충전된 전압이 방전되면서 그 제 1 콘덴서(C1)와, 제 2 스위칭부(S2), 및 상기 트랜스포머(T)의 1차측 권선(L1)을 차례로 통과하는 전류 루프가 형성된다. 이때, 상기 트랜스포머(T)의 2차측에서는 1차측으로 부터 유기된 전압에 의해 그 트랜스포머(T)의 2차측 제 2 권선(L3)과, 제 2 다이오드(D2), 컨덕터(L4), 및 제 2 콘덴서(C2)를 차례로 통과하는 전류 루프가 형성되어 직류 출력 전압(Vo)을 부하(미도시)측으로 공급하게 된다.

도 2에 도시된 바와 같이, 상기 제 1 스위칭부(S1)와 제 2 스위칭부(S2)는 상기 스위칭 제어부에 의해 데드타임(t2)을 제외하고는 동일 주기내에서 교번하여 턴-온되도록 제어된다.

그러나, 상기와 같은 종래의 직류-직류 컨버터는, 예를들어, 제 1 주기(T1)가 끝나고 연속되는 제 2 주기(T2)내에서 상기 제 1 스위칭부(S1)의 턴온 시간을 상기 제 1 주기(T1)때의 턴온 시간(t1) 보다 반(t1/2)으로 줄이면 상대적으로 상기 제 2 스위칭부(S2)의 턴온 시간이 길어지고, 그 제 2 스위칭부(S2)의 턴온 시간(t3 + t1/2)에 대응한 만큼 제 1 콘덴서(C1)가 방전되어 그 제 1 콘덴서(C1)의 충전전압(Vc)은 제 1주기(T1)때 보다 낮아지게 된다. 따라서, 다음 제 3 주기에서 상기 제 2 스위칭부(S2)가 오프되고 상기 제 1 스위칭부(S1)가 다시 턴온되면 상기 트랜스포머(T)의 1차측 권선(L1)에 걸리는 전압은 입력전압(Vi)에서 상기 제 1 콘덴서(C1)의 충전전압(Vc)을 뺀 값, 즉 Vi - Vc 가 되므로, 상기 제 2 주기(T2)때 걸리는 1차측 권선의 전압보다 더 높은 전압이 걸리게 된다.

즉, 상기에서 설명한 바와 같이, 예를 들어, 상기 제 1 스위칭부(S1)의 온 시간을 반(1/2)으로 줄이더라도 부하측에 전달되는 에너지(출력전압(Vo))는 반으로 줄어들지 않고 그 이상이 되기 때문에, 입력전압의 변동 또는 부하 변동에 따르는 컨버터의 에너지 조절이 매우 어려운 문제가 있었다.

본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여 안출한 것으로, 그 목적은 트랜스포머의 1 차측에 구비된 2 개의 스위칭 소자를 동일 주기내에서 상호 겹치지 않으면서 각각 같은 시간 만큼 턴온(Turn ON)되도록 제어하여, 입력전압의 변동 또는 부하 변동에 대한 컨버터의 (입출력 전압에 대한) 조절을 매우 용이하게 하는 직류/직류 컨버터의 스위칭 제어 회로를 제공하고자 하는 것이다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 직류-직류 변환 회로는, 직류 전압원과, 상기 직류 전압원의 양단(양극단과 음극단) 사이에 전기적으로 연결된 제 1 스위칭부 및 제 2 스위칭부와, 상기 직류 전압원과 상기 제 2 스위칭부의 접속선에 일단이 연결된 제 1 콘덴서와, 상기 제 1 콘덴서의 타단과 상기 제 1 및 제 2 스위칭부의 접속선 사이에 1차측 권선이 연결된 트랜스포머와, 상기 트랜스포머의 2차측 제 1 권선 및 제 2 권선에 각각 연결된 제 1 정류부 및 제 2 정류부, 및 상기 제 1 및 제 2 정류부의 출력단과 상기 제 1 및 제 2 권선의 접속선 사이에 연결된 평활부를 구비하는 직류-직류 컨버터에 있어서,

상기 제 1 스위칭부 및 제 2 스위칭부의 스위칭 동작을 제어하기 위한 주제어부와, 상기 주제어부의 스위칭 제어신호를 인가받아 상기 제 1 스위칭부의 온/오프 스위칭 동작을 제어하기 위한 제 1 스위칭 제어부와, 상기 제 1 스위칭 제어부의 스위칭 출력 신호를 입력하여 동일 주기내에서 그 출력 신호와 듀티(온 시간)가 같으면서 상호 겹치지 않는 신호를 생성하기 위한 듀티 비례 신호 발생부, 및 상기 주제어부의 스위칭 제어신호 및 듀티 비례 신호 발생부의 출력 신호를 입력하여 동일 주기 내에서 상기 주제어부의 스위칭 제어신호를 반전시키고 그 반전된 신호와 상기 듀티 비례 신호 발생부의 출력신호를 논리곱(logical product)한 후 그 논리곱된 신호를 상기 제 2 스위칭부로 인가하여 상기 제 2 스위칭부를 제어하기 위한 제 2 스위칭 제어부를 포함하여 구성되어, 상기 제 1 스위칭부 및 제 2 스위칭부가 동일 주기내에서 상호 겹치지 않으면서 각각 같은 시간 만큼 턴온(Turn On)되도록 한다.

상기 제 1 스위칭 제어부는 상기 주제어부의 제어신호를 일정시간 동안 지연시키기 위한 제 1 데드타임 발생부와, 상기 제 1 데드타임 발생부의 출력신호를 반전시키기 위한 제 1 반전부 및, 상기 반전된 신호를 증폭하기 제 1 증폭부로 구성된다.

상기 제 2 스위칭 제어부는 상기 주제어부의 제어신호를 일정시간 동안 지연시키기 위한 제 2 데드타임 발생부와, 상기 제 2 데드타임 발생부의 출력 신호를 증폭하기 제 2 증폭부 및, 상기 제 2 증폭부로부터 출력된는 신호를 레벨 쉬프팅(level shifting)하기 위한 레벨 쉬프팅부로 구성된다.

상기 듀티 비례 신호 발생부는 상기 제 1 증폭부로부터 출력되는 신호를 입력하여 저장한 후 (저장이 종료되면) 입력시간에 비례하는 시간 동안 상기 저장된 신호를 출력하는 입력 비례 출력부와, 상기 입력 비례 출력부의 출력 신호를 증폭하기 위한 제 3 증폭부로 구성된다. 또한, 상기 입력 비례 출력부를 대신하여 상기 제 1 증폭부로부터 입력되는 신호를 스위칭주기(T)의 반주기(T/2) 만큼 지연시킨후 출력하는 출력 지연부를 구성할 수 있다.

도 1은 종래 기술에 따른 직류-직류 컨버터의 회로도,

도 2(A)는 종래 직류/직류 컨버터의 제 1 스위칭부의 스위칭 타이밍도,

도 2(B)는 종래 직류/직류 컨버터의 제 2 스위칭부의 스위칭 타이밍도,

도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 직류-직류 컨버터의 회로도,

도 4는 도 3의 스위칭 제어 회로의 상세 회로도,

도 5는 본 발명에 따른 출력지연부의 회로도,

도 6(A)는 주제어부의 출력 신호 타이밍도,

도 6(B)는 본 발명에 따른 제 1 스위칭부의 스위칭 타이밍도,

도 6(C)는 본 발명에 따른 입력 비례 출력부의 출력 신호도,

도 6(D)는 본 발명에 따른 듀티 비례 신호 발생부의 출력 신호(E) 타이밍도,

도 6(E)는 본 발명에 따른 제 2 데드타임 발생부의 출력신호(F) 타이밍도,

도 6(F)는 본 발명에 따른 제 1 스위칭부의 스위칭 타이밍도.

도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

S1 : 제 1 스위칭부 S2 : 제 2 스위칭부

11 : 제 1 정류부 13 : 제 2 정류부

15 : 평활부 100 : 스위칭 제어 회로

110 : 주제어부 130 : 제 1 스위칭 제어부

131 : 제 1 데드 타임 발생부 133 : 제 1 반전부

135 : 제 1 증폭부 150 : 듀티 비례 신호 발생부

151 : 입력 비례 출력부 153 : 제 2 증폭부

155 : 제 2 반전부 170 : 제 2 스위칭 제어부

171 : 제 2 데드 타임 발생부 173 : 제 3 증폭부

175 : 레벨 쉬프팅부

이하, 본 발명에 바람직한 실시예에 따른 직류-직류 컨버터의 스위칭 제어 회로에 대하여 상세히 설명하기로 한다.

도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 직류-직류 컨버터의 회로도이다.

도 3에 도시된 바와 같이, 제 1 스위칭부(S1)와, 제 2 스위칭부(S2), 제 1 콘덴서(C1), 트랜스포머(T), 제 1 정류부(11), 제 2 정류부(13), 및 평활부(15)의 유기적인 결합 및 구성은 도 1에 도시된 종래의 직류-직류 컨버터의 구조와 동일하므로 그것들에 대한 설명은 생략하기로 하고, 본 발명의 요지 부분인 상기 제 1 및 제 2 스위칭부(S1)(S2)를 제어하기 위한 스위칭 제어 회로(100)에 대하여 설명하기로 한다. 본 발명에서 상기 제 1 스위칭부(S1)와 제 2 스위칭부(S2)는 각각 모스(MOS) 전계 효과 트랜지스터(Q11)(Q12)로 구성함이 바람직하고, 상기 각 모스 전계 효과 트랜지스터(Q11)(Q12)의 드레인단과 소오스단 사이에는 연결된 다이오드(D3)(D4)는 각 트랜지스터(Q11)(Q12)의 내부 다이오드이다.

상기 스위칭 제어 회로(100)는, 상기 제 1 스위칭부(S1)와 제 2 스위칭부(S2)의 스위칭 동작을 제어하기 위한 주제어부(110)와, 상기 주제어부(110)의 스위칭 제어신호를 인가받아 상기 제 1 스위칭부의 온/오프 스위칭 동작을 제어하기 위한 제 1 스위칭 제어부(130)와, 상기 제 1 스위칭 제어부(S1)의 (스위칭) 출력 신호를 입력하여 동일 주기내에서 그 출력 신호와 듀티(온 시간)가 같으면서 상호 겹치지 않는 신호를 생성하기 위한 듀티 비례 신호 발생부(150), 및 상기 주제어부(100)의 스위칭 제어신호 및 상기 듀티 비례 신호 발생부(150)의 출력 신호를 입력하여 동일 주기 내에서 상기 주제어부(100)의 스위칭 제어신호를 반전시키고 그 반전된 신호와 상기 듀티 비례 신호 발생부(150)의 출력신호를 논리곱(logical product)한 후 그 논리곱된 신호를 상기 제 2 스위칭부(S2)로 인가하여 상기 제 1 스위칭부(S2)를 제어하기 위한 제 2 스위칭 제어부(170)를 포함하여 구성된다

상기 제 1 스위칭 제어부(130)는 상기 주제어부(110)의 제어신호를 일정시간 동안 지연시키기 위한 제 1 데드타임 발생부(131)와, 상기 제 1 데드타임 발생부(131)의 출력신호를 반전시키기 위한 제 1 반전부(133) 및, 상기 반전된 신호를 증폭하기 제 1 증폭부(135)로 구성된다.

상기 듀티 비례 신호 발생부(150)는 상기 제 1 증폭부(135)로부터 출력되는 신호를 입력하여 저장하고 그 입력시간에 비례하는 시간 동안 상기 저장된 신호를 출력하는 입력 비례 출력부(151)와, 상기 입력 비례 출력부(151)의 출력 신호를 증폭하기 위한 제 3 증폭부(153), 및 상기 제 3 증폭부(153)의 출력 신호를 반전시키기 위한 제 2 반전부(155)로 구성된다. 또한, 도 5에 도시된 바와 같이, 상기 듀티 비례 신호 발생부(150)의 상기 입력 비례 출력부(151)를 대신하여 상기 제 1 증폭부(135)로부터 입력된 신호를 스위칭주기(T)의 반주기(T/2) 만큼 지연시킨후 출력하는 출력 지연부(160)로 구성할 수 있다.

상기 제 2 스위칭 제어부(170)는 상기 주제어부(110)의 제어신호를 일정시간 동안 지연시키기 위한 제 2 데드타임 발생부(171)와, 상기 제 2 데드타임 발생부(171)의 출력신호와 상기 제 2 반전부(155)의 출력신호를 받아서 논리곱하고 그 논리곱된 신호를 증폭하기 위한 제 3 증폭부(173) 및, 상기 제 3 증폭부(173)로부터 출력되는 신호를 레벨 쉬프팅(level shifting)하기 위한 레벨 쉬프팅부(175)로 구성된다.

도 4는 도 3의 스위칭 제어 회로(100)의 상세 회로도이다.

도 4에 도시된 바와 같이, 상기 제 1 데드 타임 발생부(131)는, 상기 주제어부(110)의 출력단자에 제 1 저항(R1)을 매개로 하여 베이스 단자가 연결되고 에미터 단자는 접지되고 콜렉터 단자는 제 2 저항(R2)을 매개로 하여 전원(Vcc)에 연결된 제 1 트랜지스터(Q1)로 구성된다.

상기 제 1 반전부(133)는, 상기 제 1 트랜지스터(Q1)의 콜렉터단에 베이스단자가 연결되고 에미터 단자는 접지되고 콜렉터 단자는 제 3 저항(R3)을 매개로 하여 전원(Vcc)에 연결된 제 2 트랜지스터(Q2)로 구성된다.

상기 제 1 증폭부(135)는, 상기 제 2 트랜지스터(Q2)의 콜렉터단에 베이스단이 연결되고 콜렉터 단자는 제 4 저항(R4)을 매개로 하여 상기 전원(Vcc)에 연결되어 있는 제 3 트랜지스터(Q3)와, 베이스 단자는 상기 제 2 트랜지스터(Q2)의 콜렉터단에 상기 제 3 트랜지스터(Q3)의 베이스단과 공통으로 연결되어 있고 에미터 단자는 상기 제 3 트랜지스터(Q3)의 에미터 단자에 연결되어 있으며 콜렉터 단자는 접지되어 있는 제 4 트랜지스터(Q4)로 구성된다. 상기 제 3 트랜지스터(Q3)의 에미터 단자와 상기 제 4 트랜지스터(Q4)의 에미터 단자의 접선에 상기 제 1 스위칭부(S1)의 모스 전계효과트랜지스터(Q11)의 게이트 단자가 연결된다.

상기 듀티 비례 신호 발생부(150)의 입력 비례 출력부(151)는 상기 제 3 트랜지스터(Q3)의 에미터 단자와 제 4 트랜지스터(Q4)의 에미터 단자의 공통 접선에 연결된 제 10 저항(R10) 및 일단이 상기 제 10 저항(R10)에 연결되고 타단이 접지된 제 5 콘덴서(C5)로 구성된 저역 통과 필터(Low Pass Filter)로 구성된다.

상기 제 2 증폭부(153)는 상기 입력 비례 출력부(151)의 출력 신호를 전압 분배하기 위한 제 11 저항(R11) 및 제 12 저항(R12)과, 상기 제 11 저항(R11) 및 제 12 저항(R12)의 접속선에 일단이 연결된 제 13 저항(R13)과, 상기 제 13 저항(R13)의 타단에 베이스가 연결되고 에미터는 접지되었으며 콜렉터는 제 14 저항(R14)을 매개로 하여 전원(Vcc)에 연결된 제 8 트랜지스터(Q8)로 구성된다.

상기 제 2 반전부(155)는 베이스가 상기 제 8 트랜지스터(Q8)의 콜렉터 단자에 연결되고 에미터는 접지되었으며 콜렉터는 제 15 저항(R15)을 매개로 하여 전원(Vcc)에 연결된 제 9 트랜지스터(Q9)로 구성된다.

상기 제 2 데드 타임 발생부(171)는, 상기 주제어부(110)의 출력 단자에 제 5 저항(R5)을 매개로 하여 베이스 단자가 연결되고 에미터 단자는 접지되고 콜렉터 단자는 제 6 저항(R6)을 매개로 하여 전원(Vcc)에 연결된 제 5 트랜지스터(Q5)로 구성된다.

상기 제 3 증폭부(173)는, 상기 제 5 트랜지스터(Q5)의 콜렉터단에 베이스단이 연결되고 콜렉터 단자는 제 7 저항(R7)을 매개로 하여 전원(Vcc)에 연결되어 있는 제 6 트랜지스터(Q6)와, 베이스 단자는 상기 제 5 트랜지스터(Q5)의 콜렉터단과 상기 제 6 트랜지스터(Q6)의 베이스단 및 상기 제 9 트랜지스터(Q9)의 콜렉터단자에 공통으로 연결되어 있고 에미터 단자는 상기 제 6 트랜지스터(Q6)의 에미터 단자에 연결되어 있으며 콜렉터 단자는 접지되어 있는 제 7 트랜지스터(Q7)로 구성된다.

상기 레벨 쉬프트부(175)는, 상기 제 6 트랜지스터(Q6)의 에미터 단자와 상기 제 7 트랜지스터(Q7)의 에미터 단자와의 접선에 제 3 콘덴서(C3)를 매개로 하여 1차측 권선이 연결된 트랜스포머(T)와, 상기 트랜스포머(T)의 2차측 권선의 일단에 그의 일단이 연결된 제 4 콘덴서(C4)와, 상기 제 4 콘덴서(C4)의 타단과 상기 2차측 권선의 타단 사이에 연결된 제 8 저항(R8) 및 제 5 다이오드(D5), 및 상기 제 8 저항(R8)에 병렬 연결된 제 9 저항(R9)으로 구성되고, 상기 레벨 쉬프트부(175)의 출력 신호 A 및 B는 상기 제 2 스위칭부(S2)의 모스 전계 효과 트랜지스터의 게이트 단자와 소오스 단자에 각각 인가된다.

도 5는 본 발명에 따른 출력지연부(160)의 회로도로서, 상기 출력지연부(160)는 클럭 신호를 발생하기 위한 클럭 발생부(161)와, 상기 클럭 발생부(161)로부터 입력되는 클럭 신호에 의거하여 상기 제 1 스위칭 제어부(130)의 제 1 증폭부(135)로부터 입력되는 신호를 일정시간 지연시킨 후 그 지연된 신호를 상기 제 8 트랜지스터(Q8)의 베이스에 인가하기 위한 지연부(163)로 구성된다. 바람직하게, 상기 지연부(163)는 n개의 플립플롭(flip-flop)으로 구성하고, 상기 플립플롭의 갯수는 상기 제 1 및 제 2 스위칭부(S1)(S2)의 스위칭 주기(T)의 반(1/2) 만큼 지연시킬 수 있는 갯수로 구성한다. 즉, 상기 플립플롭의 갯수는 하기 식(1)에 의거하여 정할 수 있다. 하기 식(1)에서, n은 플립플롭의 갯수, Tc는 상기 클럭발생부(161)의 클럭 주기, T는 상기 제 1 및 제 2 스위칭부(S1)(S2)의 스위칭 주기이다.

n * Tc = 1/2 * T ------------- 식(1)

상기 듀티 비례 신호 발생부(150)는 도 3 및 도 4에 도시된 입력 비례 출력부(151)를 제거하고 도 5에 도시된 출력지연부(160)를 대신해서 구성할 수 있다.

이어, 본 발명에 따른 직류-직류 컨버터의 동작을 설명하면 다음과 같다.

도 6(A)는 주제어부(110)의 출력 신호 타이밍도, 도 6(B)는 본 발명에 따른 제 1 스위칭부(S1)의 스위칭 타이밍도, 도 6(C)는 본 발명에 따른 입력 비례 출력부(151)의 출력 신호도, 도 6(D)는 본 발명에 따른 본 발명에 따른 듀티 비례 신호 발생부(150)의 출력 신호(E) 타이밍도, 도 6(E)는 본 발명에 따른 제 2 데드타임 발생부(171)의 출력신호(F) 타이밍도, 도 6(F)는 본 발명에 따른 제 1 스위칭부(S2)의 스위칭 타이밍도이다.

먼저, 도 6(A)에 도시된 바와 같이, 한 주기(T)내에서 상기 주제어부(110)로부터 일정시간(t1+t2) 동안 '하이(High)' 신호가 출력되면, 도 5(B)에 도시된 바와 같이, 그 '하이' 신호는 상기 제 1 데드타임 발생부(131)에 구비된 제 1 저항(R1)의 저항값에 대응하여 데드타임 t1 동안 지연된 후 제 1 트랜지스터(Q1)의 베이스에 인가되고, 이때 상기 제 1 트랜지스터(Q1)는 턴온된다. 상기 제 1 트랜지스터(Q1)의 콜렉터로부터 출력되는 '로우(L)' 신호는 제 2 트랜지스터(Q2)를 통과하면서 '하이' 신호로 반전되고, 상기 제 2 트랜지스터(Q2)의 콜렉터로부터 출력된 '하이' 신호는 제 3 및 제 4 트랜지스터(Q3)(Q4)로 구성된 제 1 증폭부(135)를 통과하면서 증폭된 후 상기 제 1 스위칭부(S1)의 전계효과트랜지스터(Q11)의 게이트 및 상기 듀티 비례 신호 발생부(150)의 입력 비례 출력부(151)로 인가된다. 즉, 도 5(A)에 도시된 바와 같이, 상기 주제어부(110)로부터 '하이' 신호가 일정시간(t1+t2) 동안 출력되면, 상기 제 1 스위칭부(S1)의 전계효과트랜지스터(Q11)는, 도 6(B)에 도시된 바와 같이, tl시간 동안의 데드타임을 갖고 t2 시간 동안 턴온된다.

또한, 상기 제 1 증폭부(135)로부터 t2 시간 동안 출력된 '하이'신호는, 도 6(C)에 도시된 바와 같이, 상기 듀티 비례 신호 발생부(150)의 입력 비례 출력부(151)의 제 5 콘덴서(C5)에 입력되어 충전된다.

상기 제 1 스위칭부(S1)가 일정 시간(t2) 동안 턴온되면, 상기 트랜스포머(T)의 1차측에서는 상기 직류 전압원(Vi)에 의해 입력된 직류 입력 전압(Vi)에 의해 상기 직류 전압원(Vi)과, 상기 제 1 콘덴서(C1), 상기 트랜스포머(T)의 1차측 권선(L1), 및 상기 제 1 스위칭부(S1)를 차례로 통과하는 전류 루프가 형성되면서 상기 제 1 콘덴서(C1)는 충전된다. 이때, 상기 트랜스포머(T)의 2차측에서는 1차측으로 부터 유기된 전압에 의해 그 트랜스포머(T)의 2차측 제 1 권선(L2)과, 제 1 다이오드(D1), 콘덕터(L4), 및 제 2 콘덴서(C2)를 차례로 통과하는 전류 루프가 형성되어 직류 출력 전압(Vo)을 부하(미도시)측으로 공급하게 된다.

한편, 상기 주제어부(110)로부터 '하이' 신호가 출력되는 일정시간(t1+t2)동안 상기 제 2 스위칭 제어부(170)로부터는 '로우' 신호가 출력 되어 상기 제 2 스위칭부(S2)의 전계효과 트랜지스터(Q12)의 게이트에 인가되므로 그 제 2 스위칭부(S2)의 전계효과 트랜지스터(Q12)는 턴오프 상태로 있게 된다.

다음, 상기 주제어부(110)로부터 출력 되는 제어 신호가 '하이' 신호에서 '로우' 신호로 바뀌면, 상기 제 1 스위칭부(S1)의 전계효과트랜지스터(Q11)는 턴오프되고 이때, 상기 제 1 스위칭부(S1)의 턴온 시간(t2) 동안 충전된 상기 입력 비례 출력부(151)의 상기 제 5 콘덴서(C5)는, 도 6(C)에 도시된 바와 같이, 충전 시간(t2)에 비례하는 시간(t3) 동안 '하이' 신호를 방전하고, 그 방전된 '하이' 신호는 제 2 증폭부(153)의 제 8 트랜지스터(Q8)에 의해 증폭되면서 '로우' 신호로 반전되고, 제 9 트랜지스터(Q9)를 통과하면서 '하이' 신호로 재반전되어, 도 6(D)의 출력신호(E) 타이밍도와 같이, 상기 제 1 스위칭부(S1)의 턴온 시간(t2)과 동일한 시간(t3) 동안 '하이'신호가 출력된다.

한편, 상기 주제어부(110)로부터 출력 되는 제어 신호가 '하이' 신호에서 '로우' 신호로 바뀌고 그 '로우' 신호가 일정시간(t4 + t5) 동안 출력될 때, 도 6(E)에 도시된 바와 같이, 그 '로우' 신호는 상기 제 2 데드타임 발생부(171)에 구비된 제 5 저항(R5)의 저항값에 대응하여 데드타임(t4) 동안 지연된 후 제 5 트랜지스터(Q5)의 베이스에 인가되고, 이때 도 6(E)의 제 2 데드타임 발생부(171)의 출력신호(F) 타이밍도에 도시된 바와 같이, 상기 제 5 트랜지스터(Q5)는 턴온되어 일정 시간(t5 = T-(t1+t2+t4)) 동안 '하이'신호를 출력한다.

이어, 도 6(E)의 상기 제 2 데드타임 발생부(171)의 제 5 트랜지스터(Q5)로부터 출력되는 '하이' 신호(F) 및 도 6(D)의 제 9 트랜지스터(Q9)로부터 출력되는 '하이' 신호(E)는 G점에서 논리곱되어, 도 6(F)에 도시된 바와 같이, t4 시간 만큼 데드타임을 갖고 t6 = t3-t4 시간 동안 '하이'가되는 신호를 생성되고, 그 생성된 '하이' 신호는 제 3 증폭부(173)에 의해 증폭된 후 출력 된다. 상기 제 3 증폭부(173)으로부터 출력된 '하이' 신호는 상기 레벨 쉬프트부(175)에 입력되어 레벨 쉬프팅되고, 그 레벨 쉬프팅된 신호들은 상기 제 2 스위칭부(S2)의 모스 전계효과 트랜지스터(Q12)의 게이트단자와 소오스단자에 각각 인가되어 상기 모스 전계 효과 트랜지스터(Q12)를 턴온시킨다.

즉, 상기 주제어부(110)로부터 '로우' 신호가 일정시간(t4 + t5 = T - (t1 + t2)) 동안 출력되면, 도 6(F)에 도시된 바와 같이, 상기 제 2 스위칭부(S2)의 전계효과트랜지스터(Q12)는 t4시간 동안의 데드타임을 갖고 t6 = t3-t4 시간 동안 턴온된다. 따라서, 동일 주기(T)내에서 t2 시간 만큼 제 1 스위칭부(S1)가 턴온된 후, t4시간 동안 데드타임을 갖고 이어서 제 2 스위칭부(S2)가 t6 시간 만큼 턴온되도록 제어 된다. 상기 제 1 스위칭부(S1)가 턴온되는 시간 t2와 상기 제 2 스위칭부(S2)가 턴온되는 시간 t6는 상기 데드타임(t4)이 주기(T)에 비해 아주 작은 값이므로 거의 동일하다고 보아도 된다.

상기 제 2 스위칭부(S1)가 상기 일정 시간(t6) 동안 턴온되면, 상기 트랜스포머(T)의 1차측에서는 상기 제 1 콘덴서(C1)에 충전된 전압이 방전되면서 그 제 1 콘덴서(C1)와, 제 2 스위칭부(S2), 및 상기 트랜스포머(T)의 1차측 권선(L1)을 차례로 통과하는 전류 루프가 형성된다. 이때, 상기 트랜스포머(T)의 2차측에서는 1차측으로 부터 유기된 전압에 의해 그 트랜스포머(T)의 2차측 제 2 권선(L3)과, 제 2 다이오드(D2), 컨덕터(L4), 및 제 2 콘덴서(C2)를 차례로 통과하는 전류 루프가 형성되어 직류 출력 전압(Vo)을 부하(미도시)측으로 공급하게 된다.

이상 상세히 설명한 바와 같이 본 발명에 따른 직류/직류 컨버터의 스위칭 제어 회로에 의하면, 상기 제 1 스위칭부(S1)와 제 2 스위칭부(S)가 동일 주기 내에서 상호 겹치지 않으면서 각각 동일 시간 동안 턴온되도록 제 1 및 제 2 스위칭부(S1)(S2)의 듀티를 제어할 수 있는 효과가 있다. 즉, 동일 주기내에서 제 1 스위칭부(S1)의 듀티를 변화시키더라도 제 2 스위칭부(S)는 상기 제 1 스위칭부(S1)와 겹치지 않으면서 동일 시간 동안 턴온되기 때문에, 동일 주기 내에서 상기 제 1 콘덴서(C1)의 충전 및 방전량이 동일하게 된다. 따라서, 광범위한 입력전압 범위 또는 부하 변동에 대하여 컨버터의 에너지 제어 성능이 우수하고, 입력전압이 광범위할 경우 프리-레귤레이터(Pre-regulator) 없이 푸시-풀 컨버터만으로 구성할 수 있으므로 효율이 향상되며, 무부하에서의 동작이 안정적인 효과가 있다.

Claims (16)

1. 직류 전압원(Vi)과, 상기 직류 전압원(Vi)의 양극단과 음극단 사이에 전기적으로 연결된 제 1 스위칭부(S1) 및 제 2 스위칭부(S2)와, 상기 직류 전압원(Vi)과 상기 제 2 스위칭부(S2)의 접속선에 일단이 연결된 제 1 콘덴서(C1)와, 상기 제 1 콘덴서(C1)의 타단과 상기 제 1 및 제 2 스위칭부(S1)(S2)의 접속선 사이에 1차측 권선(L1)이 연결된 트랜스포머(T)와, 상기 트랜스포머(T)의 2차측 제 1 권선(L2) 및 제 2 권선(L3)에 각각 연결된 제 1 정류부(11) 및 제 2 정류부(13), 및 상기 제 1 및 제 2 정류부(11)(13)의 출력단과 상기 제 1 및 제 2 권선(L2)(L3)의 접속선 사이에 연결된 평활부(15)를 구비하는 직류-직류 컨버터에 있어서,

   상기 제 1 스위칭부(S1)와 제 2 스위칭부(S2)의 스위칭 동작을 제어하기 위한 주제어부(110)와;

   상기 주제어부(110)의 스위칭 제어신호를 인가받아 상기 제 1 스위칭부의 온/오프 스위칭 동작을 제어하기 위한 제 1 스위칭 제어부(130)와;

   상기 제 1 스위칭 제어부(S1)의 출력 신호를 입력하여 동일 주기내에서 그 출력 신호와 듀티(온 시간)가 같으면서 상호 겹치지 않는 신호를 생성하기 위한 듀티 비례 신호 발생부(150); 및

   상기 주제어부(100)의 스위칭 제어신호 및 상기 듀티 비례 신호 발생부(150)의 출력 신호를 입력하여 동일 주기 내에서 상기 주제어부(100)의 스위칭 제어신호를 반전시키고 그 반전된 신호와 상기 듀티 비례 신호 발생부(150)의 출력신호를 논리곱(logical product)한 후 그 논리곱된 신호를 상기 제 2 스위칭부(S2)로 인가하여 상기 제 1 스위칭부(S2)를 제어하기 위한 제 2 스위칭 제어부(170)를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 직류/직류 컨버터의 스위칭 제어 회로.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 스위칭 제어부(130)는 상기 주제어부(110)의 제어신호를 일정시간 동안 지연시키기 위한 제 1 데드타임 발생부(131)와,

   상기 제 1 데드타임 발생부(131)의 출력신호를 반전시키기 위한 제 1 반전부(133), 및

   상기 반전된 신호를 증폭하기 제 1 증폭부(135)로 구성된 것을 특징으로 하는 직류/직류 컨버터의 스위칭 제어 회로.
3. 제 2 항에 있어서, 상기 제 1 데드 타임 발생부(131)는 상기 주제어부(110)의 출력단자에 제 1 저항(R1)을 매개로 하여 베이스 단자가 연결되고 에미터 단자는 접지되고 콜렉터 단자는 제 2 저항(R2)을 매개로 하여 전원(Vcc)에 연결된 제 1 트랜지스터(Q1)로 구성된 것을 특징으로 하는 직류/직류 컨버터의 스위칭 제어 회로.
4. 제 2 항에 있어서, 상기 제 1 반전부(133)는 상기 제 1 트랜지스터(Q1)의 콜렉터단에 베이스단자가 연결되고 에미터 단자는 접지되고 콜렉터 단자는 제 3 저항(R3)을 매개로 하여 전원(Vcc)에 연결된 제 2 트랜지스터(Q2)로 구성된 것을 특징으로 하는 직류/직류 컨버터의 스위칭 제어 회로.
5. 제 2 항에 있어서, 상기 제 1 증폭부(135)는, 상기 제 2 트랜지스터(Q2)의 콜렉터단에 베이스단이 연결되고 콜렉터 단자는 제 4 저항(R4)을 매개로 하여 상기 전원(Vcc)에 연결되어 있는 제 3 트랜지스터(Q3)와, 베이스 단자는 상기 제 2 트랜지스터(Q2)의 콜렉터단에 상기 제 3 트랜지스터(Q3)의 베이스단과 공통으로 연결되어 있고 에미터 단자는 상기 제 3 트랜지스터(Q3)의 에미터 단자에 연결되어 있으며 콜렉터 단자는 접지되어 있는 제 4 트랜지스터(Q4)로 구성된 것을 특징으로 하는 직류/직류 컨버터의 스위칭 제어 회로.
6. 제 1 항에 있어서, 상기 듀티 비례 신호 발생부(150)는 상기 제 1 증폭부(135)로부터 출력되는 신호를 입력하여 저장하고 그 입력시간에 비례하는 시간 동안 상기 저장된 신호를 출력하는 입력 비례 출력부(151)와,

   상기 입력 비례 출력부(151)의 출력 신호를 증폭하기 위한 제 3 증폭부(153), 및 상기 제 3 증폭부(153)의 출력 신호를 반전시키기 위한 제 2 반전부(155)로 구성된 것을 특징으로 하는 직류/직류 컨버터의 스위칭 제어 회로.
7. 제 6 항에 있어서, 상기 입력 비례 출력부(151)는 상기 제 3 트랜지스터(Q3)의 에미터 단자와 제 4 트랜지스터(Q4)의 에미터 단자의 공통 접선에 연결된 제 10 저항(R10) 및 일단이 상기 제 10 저항(R10)에 연결되고 타단이 접지된 제 5 콘덴서(C5)를 구비한 저역 통과 필터(Low Pass Filter)로 구성된 것을 특징으로 하는 직류/직류 컨버터의 스위칭 제어 회로.
8. 제 6항에 있어서, 상기 제 2 증폭부(153)는 상기 입력 비례 출력부(151)의 출력단자에 일단이 연결된 제 13 저항(R13)과, 상기 제 13 저항(R13)의 타단에 베이스가 연결되고 에미터는 접지되었으며 콜렉터는 제 14 저항(R14)을 매개로 하여 전원(Vcc)에 연결된 제 8 트랜지스터(Q8)로 구성된 것을 특징으로 하는 직류/직류 컨버터의 스위칭 제어 회로.
9. 제 6 항에 있어서, 상기 제 2 반전부(155)는 베이스가 상기 제 8 트랜지스터(Q8)의 콜렉터 단자에 연결되고 에미터는 접지되었으며 콜렉터는 제 15 저항(R15)을 매개로 하여 전원(Vcc)에 연결된 제 9 트랜지스터(Q9)로 구성된 것을 특징으로 하는 직류/직류 컨버터의 스위칭 제어 회로.
10. 제 6 항에 있어서, 상기 입력 비례 출력부(151) 대신에, 상기 제 1 증폭부(135)로부터 입력된 신호를 스위칭주기(T)의 반주기(T/2) 만큼 지연시킨후 출력하는 출력 지연부(160)로 구성된 것을 특징으로 하는 직류/직류 컨버터의 스위칭 제어 회로.
11. 제 10 항에 있어서, 상기 출력 지연부(160)는 클럭 신호를 발생하기 위한 클럭 발생부(161)와, 상기 클럭 발생부(161)로부터 입력되는 클럭 신호에 의거하여 상기 제 1 스위칭 제어부(130)의 제 1 증폭부(135)로부터 입력되는 신호를 일정시간 지연시킨 후 그 지연된 신호를 상기 제 8 트랜지스터(Q8)의 베이스에 인가하기 위한 시간 지연부(163)로 구성된다. 것을 특징으로 하는 직류/직류 컨버터의 스위칭 제어 회로.
12. 제 11 항에 있어서, 상기 시간 지연부(163)는 플립플롭(flip-flop)으로 구성된 것을 특징으로 하는 직류/직류 컨버터의 스위칭 제어 회로.
13. 제 12 항에 있어서, 상기 플립플롭의 구성 갯수(n)는, n * Tc = 1/2 * T -- 식(1)에 의해 정의 되고, 상기 n은 플립플롭의 갯수, Tc는 상기 클럭발생부(161)의 클럭 주기, T는 상기 제 1 및 제 2 스위칭부(S1)(S2)의 스위칭 주기인 것을 특징으로 하는 직류/직류 컨버터의 스위칭 제어 회로.
14. 제 1 항에 있어서, 상기 제 2 스위칭 제어부(170)는 상기 주제어부(110)의 제어신호를 일정시간 동안 지연시키기 위한 제 2 데드타임 발생부(171)와,

    상기 제 2 데드타임 발생부(171)의 출력신호와 상기 제 2 반전부(155)의 출력신호를 받아서 논리곱하고 그 논리곱된 신호를 증폭하기 위한 제 3 증폭부(173) 및,

    상기 제 3 증폭부(173)로부터 출력되는 신호를 레벨 쉬프팅(level shifting)하기 위한 레벨 쉬프팅부(175)로 구성된 것을 특징으로 하는 직류/직류 컨버터의 스위칭 제어 회로.
15. 제 14 항에 있어서, 상기 제 2 데드 타임 발생부(171)는 상기 주제어부(110)의 출력 단자에 제 5 저항(R5)을 매개로 하여 베이스 단자가 연결되고 에미터 단자는 접지되고 콜렉터 단자는 제 6 저항(R6)을 매개로 하여 전원(Vcc)에 연결된 제 5 트랜지스터(Q5)로 구성된 것을 특징으로 하는 직류/직류 컨버터의 스위칭 제어 회로.
16. 제 14 항에 있어서, 상기 제 3 증폭부(173)는 상기 제 5 트랜지스터(Q5)의 콜렉터단에 베이스단이 연결되고 콜렉터 단자는 제 7 저항(R7)을 매개로 하여 전원(Vcc)에 연결되어 있는 제 6 트랜지스터(Q6)와, 베이스 단자는 상기 제 5 트랜지스터(Q5)의 콜렉터단과 상기 제 6 트랜지스터(Q6)의 베이스단 및 상기 제 9 트랜지스터(Q9)의 콜렉터단자에 공통으로 연결되어 있고 에미터 단자는 상기 제 6 트랜지스터(Q6)의 에미터 단자에 연결되어 있으며 콜렉터 단자는 접지되어 있는 제 7 트랜지스터(Q7)로 구성된 것을 특징으로 하는 직류/직류 컨버터의 스위칭 제어 회로.