KR20010060202A - 2 level switching power transform apparatus - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 2단 스위칭 전력 변환 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 변압기의 1차측에 연결된 반도체 스위치의 시비율(Duty)은 고정하고, 그 1차측에 인가되는 직류 전압의 레벨을 조절하여 안정된 2차측의 출력전압을 구현하도록 하는 2단 스위칭 전력 변환장치에 관한 것이다.The present invention relates to a two-stage switching power conversion device, and more particularly, the duty ratio of the semiconductor switch connected to the primary side of the transformer is fixed, and stable by adjusting the level of the DC voltage applied to the primary side. It relates to a two-stage switching power converter for implementing the output voltage of the vehicle side.
일반적으로, 스위칭 전력 변환 장치(Switching Power Converter)는, 도 1에 도시된 바와 같이, 입력 전압(Vi)을 스위칭하여 구형파 전압으로 만드는 스위칭부(110); 권선비에 따라 상기 구형파 전압을 변환하여 1차측에서 2차측으로 유도하는 변압기(120); 상기 2차측의 전압을 정류 평활하여 출력하는 출력부(130); 상기 출력부(130)의 출력 전압(Vo)을 검출하여 궤환하는 궤환회로부(140); 및 상기 궤환된 신호에 의거하여 상기 스위칭부(110)의 시비율을 제어하는 펄스폭변조기(PWM : Pulse Width Modulator)(150)로 구성되어 있다.In general, a switching power converter includes a switching unit 110 for switching an input voltage Vi to a square wave voltage as shown in FIG. 1; A transformer 120 for converting the square wave voltage according to a turns ratio and inducing it from the primary side to the secondary side; An output unit 130 for rectifying and outputting the voltage on the secondary side; A feedback circuit unit 140 for detecting and feeding back the output voltage Vo of the output unit 130; And a pulse width modulator (PWM) 150 for controlling the rate of application of the switching unit 110 based on the feedback signal.
도 1과 같은 종래의 스위칭 전력 변환 장치는, 인가된 직류 입력전압(Vi)을 상기 펄스폭변조기(150)의 제어 신호에 따라 상기 스위칭부(110)의 반도체 스위치(Q)를 교번적으로 온-오프 제어하여 고속의 고주파 구형파 전압으로 만들고, 상기 만들어진 구형파 전압은 임의 권선비를 갖는 상기 변압기(120)를 통해 변압되어 2차측으로 출력된 후, 상기 출력부(130)를 통해 정류 및 평활되어 원하는 직류출력전압(Vo)으로 만들어진다. 이때, 부하가 변동하여도 상기 출력전압(Vo)이 항상 일정하게 유지될 수 있도록, 상기 궤환회로부(140)를 통해 상기 변압기(120)의 2차측 출력전압(Vo)을 검출 궤환하고, 이 궤환되는 출력전압의 변동에 의거하여 상기 펄스폭변조기(150)는 상기 스위칭부(110)의 스위치(Q)의 시비율을 조정하는 데, 만일 2차측 출력전압이 기준값보다 높아지면 시비율을 낮추고, 낮아지면 시비율을 높이도록 한다.In the conventional switching power converter as shown in FIG. 1, the semiconductor switch Q of the switching unit 110 is alternately turned on according to a control signal of the pulse width modulator 150 with an applied DC input voltage Vi. -Off control to make a high frequency high frequency square wave voltage, and the generated square wave voltage is transformed through the transformer 120 having an arbitrary turns ratio and output to the secondary side, and then rectified and smoothed through the output unit 130 to be desired. It is made of DC output voltage (Vo). At this time, the secondary output voltage Vo of the transformer 120 is detected and feedback through the feedback circuit unit 140 so that the output voltage Vo is always kept constant even when the load is changed. The pulse width modulator 150 adjusts the application rate of the switch Q of the switching unit 110 based on the variation of the output voltage. If the secondary output voltage is higher than the reference value, the application rate is lowered. When lowered, increase the application rate.
그러나, 상기와 같은 종래의 전력 변환 장치는 상기 궤환회로부(140)에 포함된 절연회로의 지연 특성에 의해서 설계뿐만 아니라 제작 사용할 때도 저주파발진이나 기생 발진 등의 위험성이 있어서 이를 해결하는 데 많은 시간과 노력이 필요하며, 또한 1차측의 구형파 전압발생을 위한 반도체 스위치의 시비율이 일정치 않고 그 스위치의 특성이 좋지 않으면, 온-오프 시에 열 발생이 많아지게 되어 회로의 효율이 떨어지고, 1차측 전류가 정현파가 아닌 구형파이기 때문에, 단위 시간당 전류 기울기가 높아 스파이크(spike) 잡음과 고조파의 발생이 많아지게 된다. 따라서, EMI/RFI 등의 노이즈를 억제하기 위한 노력과 비용이 추가로 요구되는 단점이 있었다.However, such a conventional power converter has a risk of low frequency oscillation or parasitic oscillation when not only designed and manufactured by the delay characteristic of the insulation circuit included in the feedback circuit unit 140, but also a lot of time is required to solve this problem. Effort is required, and if the ratio of the semiconductor switch for the generation of the square wave voltage on the primary side is not constant and the characteristics of the switch are not good, the generation of heat on the on-off increases and the efficiency of the circuit decreases. Since the current is a square pie rather than a sinusoidal wave, the current slope per unit time is high, which causes a lot of spike noise and harmonics. Therefore, there is a disadvantage in that an effort and a cost for suppressing noise such as EMI / RFI are additionally required.
본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여 창작된 것으로서, 그 목적은 변압기의 1차측 스위칭 회로에서 만들어지는 구형파 전압의 주파수 및 시비율은 고정되도록 하고, 그 스위칭 회로에 입력되는 직류 전압의 레벨을 조절하여 안정된 2차측의 출력전압을 구현하도록 된 2단 스위칭 전력 변환 장치를 제공하고자 하는 것이다.The present invention has been made to solve the above-mentioned conventional problems, and an object thereof is to fix a frequency and a ratio of square wave voltages produced in a primary side switching circuit of a transformer so that the DC voltage input to the switching circuit is fixed. It is an object of the present invention to provide a two-stage switching power converter configured to realize a stable secondary output voltage by adjusting a level.
도 1은 종래의 스위칭 전력 변환 장치의 회로도.1 is a circuit diagram of a conventional switching power converter.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 2단 스위칭 전력 변환 장치의 회로도.2 is a circuit diagram of a two-stage switching power converter according to an embodiment of the present invention.
도 3은 도 2의 주요 부분의 신호 파형도.3 is a signal waveform diagram of the main part of FIG. 2;
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 2단 스위칭 전력 변환 장치의 회로도.5 is a circuit diagram of a two-stage switching power converter according to another embodiment of the present invention.
※ 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명※ Explanation of code for main part of drawing
210 : 전압레벨조정부 220 : 스위칭부210: voltage level adjusting unit 220: switching unit
230 : 제 1 제어부 240 : 변압기230: first control unit 240: transformer
250 : 출력부 260 : 제 1 궤환부250: output unit 260: first feedback unit
270 : 제 2 궤환부 280 : 제 2 제어부270: second feedback unit 280: second control unit
290 : 제 3 궤환부290: the third feedback
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 2단 스위칭 전력 변환 장치는, 권선비에 따라 1차측의 전압을 변압하여 2차측으로 유도하는 변압수단; 입력전압을 2단 스위칭하여 그 전압의 레벨을 변환하여 상기 변압수단의 1차측 전압으로 출력하는 전압 변환수단; 상기 변압수단의 2차측 전압을 정류 평활하여 출력하는 출력수단; 상기 변압수단의 1차측에 유입되는 전류를 일정비율로 검출하여 궤환하는 제 1 궤환수단; 상기 전압 변환수단의 출력전압을 일정비율로 검출하여 궤환하는 제 2 궤환수단; 및 상기 제 1 및 제 2 궤환수단의 궤환신호에 의거하여 상기 전압 변환수단의 2단 스위칭 중 전단 스위칭 동작을 제어하여 그 출력전압의 레벨을 조절하기 위한 제어수단을 포함하여 구성되며, 특히 상기 전압 변환수단은 입력전압을 지정되는 시비율로 스위칭하여 그 출력 전압의 크기를 조절하는 전단 스위칭수단과, 상기 전단 스위칭수단의 출력전압을 고정 시비율로 스위칭하여 상기 변압수단의 1차측에 인가하는 후단 스위칭수단으로 구성된다.In order to achieve the above object, the two-stage switching power converter according to the present invention, the transformer means for transforming the voltage on the primary side in accordance with the winding ratio to the secondary side; Voltage conversion means for switching the input voltage in two stages, converting the level of the voltage, and outputting the voltage to the primary voltage of the transformer means; Output means for rectifying and smoothing the voltage of the secondary side of the transformer means; First feedback means for detecting and feeding back a current flowing into the primary side of the transformer means at a constant ratio; Second feedback means for detecting and returning the output voltage of the voltage conversion means at a constant ratio; And control means for controlling the shear switching operation during the two-stage switching of the voltage conversion means based on the feedback signals of the first and second feedback means to adjust the level of the output voltage. The converting means includes a front switching means for switching the input voltage at a specified rate and controlling the magnitude of the output voltage, and a rear end for switching the output voltage of the front switching means at a fixed rate and applying it to the primary side of the transformer. It consists of a switching means.
이와 같이 구성된 본 발명은, 1차측 구형파 전압의 시비율을 조정하여 상기 출력수단의 출력전압의 레벨을 조정하는 대신에, 상기 후단 스위칭수단을 통해 만들어지는 구형파 전압의 주파수와 시비율은 고정하고, 상기 승압형 전단 스위칭수단을 통해 1차측 전류의 변화에 상응하도록 입력 직류전압의 크기를 조절하므로써,안정된 2차측 출력전압을 얻을 수 있도록 하는 것이다. 따라서, 상기 스위칭수단의 구성 시, 고특성 스위칭 소자를 사용하지 않아도 되며, 1차측에 흐르는 전류를 검출하여 비절연 궤환하기 때문에, 2차측의 전압을 절연 궤환하는 종래의 방식에서 자주 발생되는 각종 발진 현상을 없애고, 후단스위칭수단의 시비율을 50%로 고정하여 사용함으로서 리플도 작게하여 깨끗한 직류 전압을 얻을 수 있다. 또한, 교류를 입력으로 하는 경우, 상기 승압형 전단 스위칭수단이 역률 보상 기능도 수행하게 되어 콘덴서 입력형 전력변환장치의 저역률 문제를 해결한다.According to the present invention configured as described above, instead of adjusting the rate of output voltage of the output means by adjusting the ratio of the primary square wave voltage, the frequency and the ratio of the square wave voltage produced by the rear stage switching means are fixed, By controlling the magnitude of the input DC voltage to correspond to the change of the primary current through the boost type front end switching means, it is possible to obtain a stable secondary output voltage. Therefore, in the configuration of the switching means, it is not necessary to use a high-performance switching element, and since the non-isolated feedback is detected by detecting the current flowing on the primary side, various oscillations frequently generated in the conventional method of insulation feedback of the secondary side voltage are performed. The phenomenon is eliminated, and the ratio of the rear stage switching means is fixed at 50%, whereby the ripple can be reduced to obtain a clean DC voltage. In addition, when AC is input, the boost type shear switching means also performs a power factor correction function to solve the low power factor problem of the condenser input type power converter.
이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 전력변환장치에 대하여 상세히 설명하기로 한다.Hereinafter, a power converter according to a preferred embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 2단 스위칭 전력 변환 장치의 회로도로서, 입력전압(V1)을 스위칭하여 역률을 보상함과 함께 그 입력전압(V1)의 크기를 조정하기 위한 전단 스위칭수단으로서의 전압레벨조정부(210); 상기 전압레벨조정부(210)에 의해 조정 출력된 전압(V2)을 재차 스위칭하여 구형파 전압으로 만드는 후단 스위칭수단으로서의 스위칭부(220); 고정된 시비율의 스위칭 펄스를 발생하여 상기 스위칭부(220)의 스위칭 동작을 제어하는 제 1 제어부(230); 원하는 권선비에 따라 1차측의 상기 구형파 전압을 변압하여 2차측으로 유도하는 변압기(240); 상기 2차측의 전압을 정류·평활하여 출력하는 출력부(250); 상기 스위칭부(220)와 상기 변압기(240)간에 흐르는 1차측 전류를 검출하여 궤환하는 제 1 궤환부(260); 상기 전압레벨조정부(210)의 출력전압(V2)을 검출하여 궤환하는 제 2 궤환부(270); 및상기 제 1 및 제 2 궤환부(260,270)로부터의 궤환신호에 의거하여 상기 전압레벨조정부(210)의 스위칭을 제어함으로써 그 출력전압 레벨을 조정하기 위한 제 2 제어부(280)를 포함하여 구성되어 있다.FIG. 2 is a circuit diagram of a two-stage switching power converter according to an embodiment of the present invention, which comprises a front end switching means for adjusting the magnitude of the input voltage V1 while compensating for the power factor by switching the input voltage V1. A voltage level adjusting unit 210 as a unit; A switching unit 220 as a rear end switching means for switching the voltage V2 regulated and output by the voltage level adjusting unit 210 again to form a square wave voltage; A first control unit 230 for controlling a switching operation of the switching unit 220 by generating a switching ratio of a fixed ratio; A transformer 240 for transforming the square wave voltage on the primary side according to a desired turns ratio to guide the secondary side; An output unit 250 for rectifying and smoothing the voltage on the secondary side; A first feedback part 260 for detecting and returning a primary current flowing between the switching part 220 and the transformer 240; A second feedback unit 270 for detecting and returning an output voltage V2 of the voltage level adjusting unit 210; And a second control unit 280 for adjusting the output voltage level by controlling the switching of the voltage level adjusting unit 210 based on the feedback signals from the first and second feedback units 260 and 270. have.
상기 전압레벨조정부(210)는, 상호 직렬 연결된 코일(L1)과 다이오드(D1), 상기 코일(L1)과 다이오드(D1)의 공통 접점과 접지간에 각각 드레인과 소오스가 연결된 전계효과트랜지스터(Q1), 및 상기 다이오드(D1)의 출력단과 접지간에 양단이 연결된 콘덴서(C1)로 구성되어 있다.The voltage level adjusting unit 210 may include a coil L1 and a diode D1 connected in series with each other, and a field effect transistor Q1 having a drain and a source connected between the common contact of the coil L1 and the diode D1 and ground, respectively. And a capacitor C1 connected at both ends between the output terminal of the diode D1 and ground.
상기 스위칭부(220)는 상기 다이오드(D1)와 상기 콘덴서(C1)의 공통접점과 접지와 연결된 저항(R5)간에 직렬 연결된 2개의 전계효과트랜지스터(Q2,Q3)로 구성되어 있으며, 상기 제 1 제어부(230)는 바람직하게 50%로 고정된 시비율의 스위칭 펄스를 발생하는 펄스 발생기(231)와, 상기 펄스발생기(231)로부터 출력되는 펄스 제어신호를 각각 증폭 및 반전증폭하여 상기 2개의 전계효과트랜지스터(Q2,Q3)의 게이트에 인가하는 증폭기(232) 및 반전증폭기(233)로 구성되어 있다.The switching unit 220 includes two field effect transistors Q2 and Q3 connected in series between a common contact of the diode D1 and the capacitor C1 and a resistor R5 connected to ground. The controller 230 preferably amplifies and inverts the pulse generator 231 for generating a switching pulse having a fixed rate of 50% and the pulse control signal output from the pulse generator 231, respectively, so that the two electric fields are amplified. An amplifier 232 and an inverting amplifier 233 are applied to the gates of the effect transistors Q2 and Q3.
상기 변압기(240)는 상호 임의 권선비를 갖는 1차측 권선(L2)과 2차측 권선(L3,L4)으로 구성되어 있고, 상기 1차측 권선(L2)과 상기 2개의 전계효과트랜지스터(Q2,Q3)의 공통접점간에는 콘덴서(C2)가 연결되어 있다.The transformer 240 is composed of a primary winding (L2) and secondary windings (L3, L4) having a mutually arbitrary turns ratio, the primary winding (L2) and the two field effect transistors (Q2, Q3) The capacitor C2 is connected between the common contacts.
상기 출력부(250)는 상기 변압기(240)의 2차측 권선(L3,L4)에 각각 연결된 정류다이오드(D2,D3)와 그 정류다이오드(D3,D4)의 출력단과 접지간에 연결된 콘덴서(C3)로 구성되어 있다.The output unit 250 is a capacitor C3 connected between the rectifier diodes D2 and D3 connected to the secondary windings L3 and L4 of the transformer 240 and the output terminal of the rectifier diodes D3 and D4 and ground, respectively. Consists of
상기 제 1 궤환부(260)는 상기 스위칭부(220)의 상기 전계효과트랜지스터(Q3)의 소오스와 션트 저항(R5), 상기 스위칭부(220)의 상기 전계효과트랜지스터(Q3)의 소오스와 샘플앤드홀드(Sample and hold)회로(R1)를 매개로 반전입력단이 연결된 증폭기(261), 상기 증폭기(261)의 비반전입력단 및 출력단에 각각 양단이 연결된 저항(R2), 상기 비반전입력단 및 기준전원(미도시)에 각각 양단이 연결된 저항(R3), 및 베이스는 상기 증폭기(261)의 출력단에 연결되고 콜렉터는 접지되어 있는 PNP트랜지스터(Q4)로 구성되어 있다.The first feedback unit 260 may include a source and a shunt resistor R5 of the field effect transistor Q3 of the switching unit 220 and a source and sample of the field effect transistor Q3 of the switching unit 220. An amplifier 261 having an inverting input terminal connected through a sample and hold circuit R1, a resistor R2 having both ends connected to a non-inverting input terminal and an output terminal of the amplifier 261, and the non-inverting input terminal and the reference; A resistor R3 connected at both ends to a power supply (not shown), and a base are connected to an output terminal of the amplifier 261, and a collector is composed of a PNP transistor Q4 grounded.
상기 제 2 궤환부(270)는 상기 전압레벨조정부(210)의 다이오드(D1)의 출력단과 접지 사이에 직렬 연결된 2개의 저항(R6,R7)과, 저항(R4)을 매개로 한 상기 트랜지스터(Q4)의 에미터와 상기 저항(R6,R7)의 공통 접점과에 반전입력단이 공통 연결되고, 비반전입력단은 기준전원(미도시)에 연결된 증폭기(271)와, 상기 증폭기(271)의 반전단 및 출력단 사이에 상호 직렬 연결된 저항(R8)과 콘덴서(C4)로 구성되어 있다.The second feedback unit 270 includes two resistors R6 and R7 connected in series between the output terminal of the diode D1 of the voltage level adjusting unit 210 and the ground, and the transistor R2 through the resistor R4. The inverting input terminal is commonly connected to the emitter of Q4) and the common contact of the resistors R6 and R7, and the noninverting input terminal is an amplifier 271 connected to a reference power supply (not shown), and an inversion of the amplifier 271. It consists of a resistor (R8) and a capacitor (C4) connected in series between the stage and the output stage.
상기 제 2 제어부(280)는 상기 증폭기(271)의 출력단에 입력단이 전기적으로 연결되어 상기 제 1 및 제 2 궤환부(260,270)를 통한 궤환신호에 의거하여 조정된 시비율의 스위칭 펄스를 발생하는 펄스폭변조 발생기(PWM Generator)(281)와, 상기 펄스폭변조 발생기(281)로부터 출력되는 펄스 제어신호를 증폭하여 상기 전압레벨조정부(210)의 상기 전계효과트랜지스터(Q1)의 게이트에 인가하는 증폭기(282)로 구성되어 있다.The second control unit 280 has an input terminal electrically connected to an output terminal of the amplifier 271 to generate a switching pulse having an adjusted ratio based on feedback signals through the first and second feedback units 260 and 270. A pulse width modulation generator (PWM generator) 281 and a pulse control signal output from the pulse width modulation generator 281 and amplified and applied to the gate of the field effect transistor (Q1) of the voltage level adjusting unit (210) The amplifier 282 is comprised.
이어, 이상과 같이 구성된 도 2의 장치의 동작에 대하여 설명한다.Next, the operation of the apparatus of FIG. 2 configured as described above will be described.
먼저, 입력전압(V1)은 직류전압이고, 이 직류전압은 교류로부터 간단한 정류회로로 변환된 맥류이어도 무방하다. 상기 직류 입력전압(V1)은 상기 코일(L1), 스위치(Q1) 및 다이오드(D1)로 구성된 상기 전압레벨조정부(210)를 통해서 상대적으로 더 큰 전압(V2)으로 변환된다. 이때, 상기 전압(V2)은 상기 제 2 궤환부(270)의 저항(R6,R7)에 의해 검출되고 상기 궤환증폭기(271)를 거쳐 상기 펄스폭변조발생기(281)에 궤환제공되며, 상기 펄스폭변조발생기(281)는 그 궤환신호에 의거하여 스위칭 펄스의 펄스폭을 조절함으로써, 상기 전계효과트랜지스터(Q1)의 스위칭을 제어하는 바, 상기 전압(V2)이 기준전압보다 높아지면 스위칭 펄스의 펄스폭을 작게하고, 낮아지면 높게 조절하여 그 전압(V2)이 일정한 값으로 유지되도록 한다. 이때, 상기 전압(V2)은 보통 380V보다 조금 높게 조정함이 바람직한 바. 이는 전세계에서 사용되고 있는 교류전압의 최고치 보다 조금 높은값으로서, 사용범위를 최대화하기 위한 것이다.First, the input voltage V1 is a direct current voltage, which may be a pulse current converted from an alternating current into a simple rectifier circuit. The DC input voltage V1 is converted into a relatively larger voltage V2 through the voltage level adjusting unit 210 including the coil L1, the switch Q1, and the diode D1. In this case, the voltage V2 is detected by the resistors R6 and R7 of the second feedback unit 270 and fed back to the pulse width modulator 281 via the feedback amplifier 271, and the pulse is supplied. The width modulation generator 281 controls the switching of the field effect transistor Q1 by adjusting the pulse width of the switching pulse based on the feedback signal. When the voltage V2 becomes higher than the reference voltage, the width of the switching pulse The pulse width is made small and, if it is lowered, adjusted high so that the voltage V2 is maintained at a constant value. At this time, the voltage (V2) is usually adjusted to be slightly higher than 380V bar. This value is slightly higher than the highest AC voltage used in the world, and is intended to maximize the use range.
다음, 상기 스위칭부(220)는 상기 직류전압(V2)을 입력하여 구형파 전압(V3)으로 만든다. 상기 구형파 전압(V3)은 정해진 고정 주파수 및 50%의 고정 시비율을 갖는 전압으로서, 상기 펄스 발생기(231)는 50%의 시비율을 갖는 펄스 제어신호를 발생하고, 이 발생된 펄스 제어신호는 상기 증폭기(232) 및 반전증폭기(233)를 통해 각각 증폭 및 반전증폭되어, 도 3의 G1 및 G2와 같이 된 후 상기 한 쌍의 전계효과트랜지스터(Q2,Q3)의 게이트에 인가되며, 이로 인해 상기 한쌍의 전계효과트랜지스터(Q2,Q3)는 상호 교번해가면서 온-오프 스위칭되어 상기 직류전압(V2)을 도 3의 1 및 2와 같은 50% 시비율의 구형파 전압(V3)으로 만들게 된다. 이때, 1차측의전류는 도 3의 3과 같이 거의 정현파에 가깝게 만들어진다. 즉, 상기 변압기(240)의 1차측 코일(L2)과 이에 연결된 상기 콘덴서(C2)에 의한 공진 주파수와 상기 펄스발생기(231)의 펄스 제어신호의 주파수가 정확히 일치하면 완전 정현파가 되지만, 실제로는 두 개의 주파수가 정확히 일치하지 않기 때문에 정현파에 매우 가까운 전류 파형으로 나타나게 되고, 이를 보강하기 위해서 쿼지 레조넌트(Quasi-Resonant) 회로를 사용한다. 이와 같이 본 발명에서는, 상기 한쌍의 전계효과트랜지스터 스위치(Q2,Q3)의 시비율이 50%임과 동시에 상기 변압기(240) 1차측의 전류가 정현파로 되기 때문에, 상기 스위치(Q2,Q3)의 온-오프 시 해당 스위치(Q2,Q3)에는 전류가 거의 흐르지 않게 되어 스위칭 손실 및 발열이 줄어들게 된다. 기존에는 상기 스위치(Q2,Q3)의 스위칭 펄스의 시비율이 고정되어 있지 않고 2차측의 전압으로부터 피드백되는 신호에 따라 변화되기 때문에, 상기한 바와 같이 영전류 스위칭(Zero Current Switching)이 불가능하였지만, 본 발명에서는 출력전압(Vo)을 안정된 정전압으로 유지하기 위하여, 입력전압 V2의 크기를 조절하되 상기 스위치(Q2,Q3)의 시비율은 고정시키므로 항상 안정된 스위칭이 가능해지게 되는 것으로서, 상기 입력전압 V2의 크기를 조절하여 출력전압 Vo를 안정화하는 본 발명의 특징적인 동작에 대해서는 후술하도록 한다.Next, the switching unit 220 is input to the DC voltage (V2) to make a square wave voltage (V3). The square wave voltage V3 is a voltage having a predetermined fixed frequency and a fixed ratio of 50%, and the pulse generator 231 generates a pulse control signal having a ratio of 50%, and the generated pulse control signal is Amplified and inverted through the amplifier 232 and the inverting amplifier 233, respectively, as shown in G1 and G2 of FIG. 3, and then applied to the gates of the pair of field effect transistors Q2 and Q3. The pair of field effect transistors Q2 and Q3 are alternately turned on and off to make the DC voltage V2 into a square wave voltage V3 having a 50% ratio as shown in FIGS. 1 and 2. At this time, the current on the primary side is made almost close to the sine wave as shown in FIG. That is, if the resonance frequency of the primary coil L2 of the transformer 240 and the capacitor C2 connected thereto and the frequency of the pulse control signal of the pulse generator 231 are exactly the same, a perfect sine wave is obtained. Since the two frequencies do not exactly match, they appear as a current waveform very close to the sine wave, and a quasi-resonant circuit is used to reinforce it. As described above, in the present invention, since the ratio of the pair of field effect transistor switches Q2 and Q3 is 50% and the current of the primary side of the transformer 240 becomes a sine wave, the switches Q2 and Q3 When the switch is turned on and off, the current flows to the switches Q2 and Q3 so that switching losses and heat generation are reduced. Conventionally, since the ratio of the switching pulses of the switches Q2 and Q3 is not fixed and changes depending on a signal fed back from the voltage on the secondary side, zero current switching as described above was impossible. In the present invention, in order to maintain the output voltage Vo at a stable constant voltage, while adjusting the magnitude of the input voltage V2, the ratio of the switches Q2 and Q3 is fixed, so that stable switching is always possible. A characteristic operation of the present invention for stabilizing the output voltage Vo by adjusting the size of will be described later.
상기 스위칭부(220)에 의해 발생된 상기 구형파 전압은 상기 변압기(240)의 1차측에 인가되어 권선비에 따라 2차측에 도 3의 4 및 5와 같은 교류 전압으로 나타나고, 그 2차측 교류전압은 상기 정류 다이오드(D2,D3)로 이루어진 간단한 정류회로에 의해 정류되어 도 3의 6과 같은 전류파형으로 상기 콘덴서(C3)에 충전되어직류 출력전압(Vo)으로 출력된다.The square wave voltage generated by the switching unit 220 is applied to the primary side of the transformer 240 and appears as an alternating voltage as shown in Figs. 4 and 5 of FIG. 3 on the secondary side according to the turns ratio. The rectifier is rectified by a simple rectifier circuit including the rectifier diodes D2 and D3, and is charged to the capacitor C3 with a current waveform as shown in FIG. 3 and output as a DC output voltage Vo.
이때, 상기 2차측 출력전압(Vo)은 부하(미도시)의 변동에 따라 상기 변압기(240) 권선의 내부저항과 상기 다이오드(D2,D3), 상기 전계효과트랜지스터 (Q2,Q3) 등의 저항 성분에서 발생하는 전압강하 등의 요인으로 변동하게 되는 데, 이 변동에 대한 보상, 즉 상기 입력전압 V2의 크기를 조절하여 출력전압 Vo를 안정화하는 동작은 다음과 같다.At this time, the secondary output voltage (Vo) is the resistance of the internal resistance of the winding of the transformer 240, the diodes (D2, D3), the field effect transistor (Q2, Q3), etc. according to the change of the load (not shown). The voltage fluctuates due to a voltage drop occurring in the component, and the compensation for the fluctuation, that is, the operation of stabilizing the output voltage Vo by adjusting the magnitude of the input voltage V2 is as follows.
먼저, 상기 션트저항(R5)을 매개로 하여 상기 스위칭부(220)와 상기 변압기(240) 1차측에 흐르는 1차측 전류를 검출한다. 이때 수동필터를 사용하여 1차측 전류를 검출하면 시간지연이 발생되어 전체 귀환회로의 응답이 늦어지므로 샘플앤드홀드회로(R1)를 이용하여 시간지연 없이 안정된 직류레벨로 근사화 시킨다. 본 전력변환장치는 영전류스위칭을 하므로 상기 션트저항(R5)에서 검출되는 전류가 도4(a)와 같이 반주기의 정현파 형태이므로 1차측 전류가 최대값이 되는 Tn+α(n=0,1,2,3…) 시점에서 샘플링 하기 위해 상기 전계효과트랜지스터(Q3)가 on 되는 기간의 중심에서 샘플링 한다. 본 전력변환장치를 하드스위칭으로 동작시키는 경우는 상기 션트저항(R5)에서 검출되는 전류가 도4(b)와 같이 임의의 기울기를 갖는 반파구형파 형태이므로 1차측 전류가 최대값이 되는 Tn+β(n=0,1,2,3…) 시점에서 샘플링 하기 위해 상기 전계효과트랜지스터(Q3)가 Turn-off 되기 직전의 순간에 샘플링한다. 샘플앤드홀드회로는 상기 펄스발생기(231)와 동기되어 1차측 전류에 가장 스위칭잡음이 적어지는 시기에 전류를 샘플링 한 후 이 값을 다음 샘플링 시기까지 유지함으로서 1차측 전류를 직류값으로 근사화 한다. 상기 샘플앤드홀드회로(R1)에서 근사화된 1차측 전류의 직류성분에 대한 궤환신호는 상기 제 2 궤환부(260) 및 상기 제 1 궤환부(270)를 매개로 상기 제 2 제어부(280)의 펄스폭변조 발생기(281)에 제공된다. 상기 펄스폭변조 발생기(281)는 상기 1차측 전류의 변화에 대응하는 상기 궤환신호에 의거하여 펄스 제어신호의 펄스폭을 조정하고, 그 조정된 펄스 제어신호는 상기 증폭기(282)를 통해 증폭되어 상기 전계효과트랜지스터(Q1)의 게이트에 인가되며, 이로 인해 상기 전계효과트랜지스터(Q1)는 온-오프 스위칭되어 상기 직류전압(V2)의 크기를 조정함으로써, 상기 출력전압(Vo)을 안정화하게 된다.First, the primary side current flowing to the primary side of the switching unit 220 and the transformer 240 is detected through the shunt resistor R5. At this time, if the primary side current is detected by using the passive filter, time delay is generated and the response of the entire feedback circuit is delayed. Therefore, the sample and hold circuit R1 is used to approximate a stable DC level without time delay. Since the current converter performs zero current switching, the current detected by the shunt resistor R5 is a half-cycle sinusoidal waveform as shown in Fig. 4 (a), so that the primary current is Tn + α (n = 0,1). Sampling is performed at the center of the period in which the field effect transistor Q3 is turned on for sampling at a point of time (2, 3, ...). In the case of operating the power converter by hard switching, since the current detected by the shunt resistor R5 is a half-wave square wave having an arbitrary slope as shown in Fig. 4B, Tn + β whose primary current is the maximum value. Sampling is performed at the point immediately before the field effect transistor Q3 is turned off to sample at the time point (n = 0, 1, 2, 3...). The sample and hold circuit approximates the primary side current to a direct current value by sampling the current in synchronization with the pulse generator 231 at a time when the switching current is the lowest in the primary side current and maintaining this value until the next sampling period. The feedback signal for the DC component of the primary side current approximated by the sample and hold circuit R1 is controlled by the second control unit 280 via the second feedback unit 260 and the first feedback unit 270. The pulse width modulation generator 281 is provided. The pulse width modulation generator 281 adjusts the pulse width of the pulse control signal based on the feedback signal corresponding to the change in the primary side current, and the adjusted pulse control signal is amplified by the amplifier 282. The field effect transistor Q1 is applied to the gate of the field effect transistor Q1, and thus, the field effect transistor Q1 is switched on and off to adjust the magnitude of the DC voltage V2, thereby stabilizing the output voltage Vo. .
즉, 상기 변압기(240) 2차측에 부하가 많이 걸리면, 상기 2차측에 전류가 많이 흐르게 되고, 따라서 1차측 전류도 증가하게 된다. 이와 같이 1차측 전류가 많아지면 이에 상응하여 상기 전압레벨조정부(210)의 출력전압(V2)이 커지도록 펄스폭변조 발생기(281)로부터 발생되는 펄스 제어신호의 온(ON) 펄스폭을 키우도록 하는 것이다. 결과적으로 상기 전압(V2)이 커지면, 2차측 전압이 커지게 되고, 그 전압이 커지면, 파워가 일정한 상태에서 1차측의 전류가 더 이상 높아지지 않고 유지되는 네가티브 피드백(Negative Feedback)이 되어 상기 출력전압(Vo)이 안정하게 되는 것이다.That is, when the load on the secondary side of the transformer 240 is large, a lot of current flows to the secondary side, and thus the primary side current also increases. As such, when the primary current increases, the ON pulse width of the pulse control signal generated from the pulse width modulation generator 281 is increased so that the output voltage V2 of the voltage level adjusting unit 210 increases. It is. As a result, when the voltage V2 increases, the secondary side voltage increases, and when the voltage increases, the output becomes negative feedback in which the current on the primary side no longer increases while the power is constant. The voltage Vo becomes stable.
도 2와 같은 본 발명에 의해, 상기 변압기(240)의 1차측에 연결된 반도체 스위치(Q2,Q3)의 펄스폭을 조정하는 기존의 방식 대신, 상기 전압레벨조정부(210)의 출력전압(V2)의 진폭을 조정하며, 또한 피드백이 1차에서 바로 이루어질 수 있도록 함으로써, 2차로부터 피드백하는 기존의 방식에 의해 발생되는 피드백 지연에 따른여러 가지 발진의 문제가 원천적으로 제거되며, 출력 전압의 리플도 대폭적으로 적어지게 된다.According to the present invention as shown in FIG. 2, instead of the conventional method of adjusting the pulse widths of the semiconductor switches Q2 and Q3 connected to the primary side of the transformer 240, the output voltage V2 of the voltage level adjusting unit 210 is provided. By adjusting the amplitude of the signal and allowing the feedback to be made directly in the primary, various oscillation problems caused by the feedback delay caused by the conventional method of feeding back from the secondary are eliminated inherently, and the ripple of the output voltage is also eliminated. It is greatly reduced.
이에 더하여, 2차 출력에 부하의 변동이 매우 크거나 보다 더 정확한 콘트롤을 해야 할 필요가 있을 경우에는, 2차측의 피드백을 이용하면 더욱 효과적인 바, 이를 적용한 것이 도 5의 장치이다.In addition, when the load fluctuations on the secondary output are very large or need to be controlled more accurately, the feedback of the secondary side is more effective, and the apparatus of FIG. 5 is applied.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 2단 스위칭 전력 변환 장치의 회로도로서, 도 2와 동일 부분은 동일부호를 부가하여 그 설명을 생략하도록 하고, 그외의 부가적인 특징 부분만 설명하도록 한다.FIG. 5 is a circuit diagram of a two-stage switching power converter according to another embodiment of the present invention. The same parts as in FIG. 2 are denoted by the same reference numerals, and description thereof will be omitted, and only other additional features will be described.
도 5를 보면, 전압레벨조정부(210), 스위칭부(220), 제 1 제어부(230), 변압기(240), 출력부(250), 제 1 궤환부(260), 제 2 궤환부(270), 제 2 제어부(280)의 구성은 도 2의 구성과 동일하며, 여기에 제 3 궤환부(290)의 구성이 추가되어 있다.5, the voltage level adjusting unit 210, the switching unit 220, the first control unit 230, the transformer 240, the output unit 250, the first feedback unit 260, and the second feedback unit 270. The configuration of the second control unit 280 is the same as that of FIG. 2, and the configuration of the third feedback unit 290 is added thereto.
상기 제 3 궤환부(290)는 상기 출력전압(Vo)을 검출하여 상기 제 2 제어부(280)로 궤환하기 위한 것으로서, 상기 출력 전압을 분압하기 위해 상기 출력부(250)의 출력단과 접지간에 상호 직렬연결된 2개의 저항(R9,R10)과; 상기 분압된 전압을 기준전압(미도시)과 비교하는 비교기(291); 상기 비교기(291)의 비교 결과에 따라 온/오프 구동하는 NPN트랜지스터(Q5); 상기 출력부(250)의 출력단과 상기 트랜지스터의 콜렉터 사이에 저항(R11)을 매개로 연결되어 상기 트랜지스터(Q5)의 온/오프 구동에 따라 동작하는 포토다이오드(PD); 및 콜렉터는 상기 저항(R4)을 매개로 한 상기 트랜지스터(Q4)의 에미터, 상기 저항(R6,R7)에 의한 분압점, 및 상기 궤환증폭기(271)의 반전입력단에 공통접속되고, 에미터는 접지되며 상기 포토다이오드(PD)에 연동되는 포토트랜지스터(PT)로 구성되며, 이와같이 상기 제 3 궤환부(290)의 추가 구성시 상기 제 2 제어부(280)의 펄스폭변조 발생기(281)는 상기 제 1, 제 2 및 제 3 궤환부(260,270,290)의 궤환신호에 의거하여 상기 전계효과트랜지스터(Q1)를 온/오프 제어하기 위한 펄스 제어신호의 펄스폭을 조정함으로써, 상기 출력전압(Vo)의 변동에 따라 상기 전압레벨조정부(210)의 출력전압(V2)의 크기가 제어되도록 한다. 이 경우, 피드백회로의 지연특성에 따른 발진 가능성은 기존과 같을 수 있으나, 도 2의 장치와 마찬가지로 상기 반도체 스위치(Q2,Q3)의 스위칭 시비율이 50%로 고정되므로, 영전류 스위칭이 구현됨은 물론 그 스위치(Q1,Q2)의 특성이 좋지 않아도 된다.The third feedback unit 290 detects the output voltage Vo and feeds it back to the second control unit 280. The third feedback unit 290 is connected between the output terminal of the output unit 250 and the ground to divide the output voltage. Two resistors R9 and R10 connected in series; A comparator 291 for comparing the divided voltage with a reference voltage (not shown); An NPN transistor Q5 driving on / off according to a comparison result of the comparator 291; A photodiode (PD) connected between an output terminal of the output unit 250 and a collector of the transistor via a resistor R11 to operate according to on / off driving of the transistor Q5; And a collector is commonly connected to the emitter of the transistor Q4 via the resistor R4, the divided point by the resistors R6 and R7, and the inverting input terminal of the feedback amplifier 271, and the emitter is And a phototransistor PT connected to the photodiode PD. The pulse width modulation generator 281 of the second control unit 280 may be configured to further configure the third feedback unit 290. By adjusting the pulse width of the pulse control signal for controlling the field effect transistor Q1 on / off based on the feedback signals of the first, second and third feedback units 260, 270 and 290, the output voltage Vo According to the variation, the magnitude of the output voltage V2 of the voltage level adjusting unit 210 is controlled. In this case, the possibility of oscillation according to the delay characteristic of the feedback circuit may be the same as before, but as in the apparatus of FIG. 2, since the switching ratio of the semiconductor switches Q2 and Q3 is fixed at 50%, zero current switching is realized. Of course, the characteristics of the switches Q1 and Q2 do not have to be good.
이상 상세히 설명한 바와 같이 본 발명에 따른 2단 스위칭 전력 변환 장치에 의하면, 피드백 지연에 따라 발생하는 발진 문제를 없애고, 교류전압 발생에 필요한 스위치의 요구 사양을 낮추고, 변압기의 전류파형을 좋게 하여 EMI/RFI 등의 노이즈를 최소화함으로써, 전력변환장치의 설계를 용이하게 하고 가격을 낮출수 있으며, 더 나아가서는 전력변환장치에 사용되는 소자들을 통합한 IC화를 가능하게 하는 효과가 있다.As described in detail above, according to the two-stage switching power converter according to the present invention, eliminating the oscillation problem caused by the feedback delay, lowering the requirements of the switch required for AC voltage generation, and improve the current waveform of the transformer to improve EMI / By minimizing noise, such as RFI, it is possible to simplify the design of the power converter and lower the price, and furthermore, it is possible to integrate ICs used in the power converter.
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