KR20020060785A - 비절연형 포워드컨버터 회로 - Google Patents

비절연형 포워드컨버터 회로 Download PDF

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KR20020060785A
KR20020060785A KR1020010001692A KR20010001692A KR20020060785A KR 20020060785 A KR20020060785 A KR 20020060785A KR 1020010001692 A KR1020010001692 A KR 1020010001692A KR 20010001692 A KR20010001692 A KR 20010001692A KR 20020060785 A KR20020060785 A KR 20020060785A
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이재환
배현용
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단암전자통신주식회사
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    • H02M3/02—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac
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Abstract

본 발명은 기존의 DC-DC 부스트 컨버터(boost converter)에 관련된 것으로서, 일반적으로 사용되고 있는 포워드(forward) 방식을 응용하여 스위칭소자와 다이오드의 손실에 의한 효율저하 방지 및 높은 출력 노이즈를 막기 위한 비절연형 포워드 컨버터(forward converter) 회로에 관한 것이다. 본 발명은, 입력전압(Vin)이 인가되는 입력단, 권선수가 N1인 1차측과 권선수가 N2인 2차측을 가지며, 1차측이 입력단에 연결되는 스위칭변압기, 스위칭변압기의 1차측 중, 입력단과 연결된 반대쪽에 연결되어 콘트롤신호에 의해 소정의 듀티비(D)로 스위칭변압기에 인가되는 입력전압을 도통/차단(on/off)하는 스위칭소자, 상기 스위칭변압기의 2차측에, 상기 스위칭소자가 도통되면 스위칭변압기 2차측의 권선비에 비례하는 유기전압 (Vs)에 의해 도통되도록 제1단자가 연결되고 Vs가 제2단자에 나타나는 제1다이오
드, 제1다이오드의 제2단자에 연결되어 Vs에 따른 전기에너지를 축적하는 인덕터, 상기 입력단의 Vin에 의해 도통되도록 제1단자가 상기 입력단에 연결되며 제2단자는 상기 인덕터에 연결되는 제2다이오드로서, 제2단자에는 항상 Vin이 나타나고, 상기 스위칭소자가 도통상태에서 차단상태로 스위칭되면 상기 제1다이오드가 차단됨과 동시에 도통되어 상기 인덕터에 축적된 전기에너지(Vs)가 출력단으로 환류되도록 하는 제2다이오드, 상기 인덕터에 연결되어 인덕터와 함께 출력필터 역할을 하는 콘덴서를 포함하여 구성되며, 출력전압(Vo)은 상기 제2다이오드의 제2단자에 나타나는 Vin과 상기 스위칭변압기를 통하여 출력단으로 변환되는 전압(Vs)을 합한것으로 나타나는 것을 특징으로 한다.

Description

비절연형 포워드컨버터 회로{Non-isolated type forward converter circuit}
본 발명은 기존의 DC-DC 부스트 컨버터(boost converter)에 관련된 것으로 서, 일반적으로 사용되고 있는 포워드(forward) 방식을 응용하여 스위칭소자와 다이오드의 손실에 의한 효율저하 방지 및 높은 출력 노이즈를 막기 위한 비절연형 포워드 컨버터(forward converter) 회로에 관한 것이다.
본 발명에서의 배경기술이 되는 DC-DC 부스트 컨버터(boost converter)는 회로의 구성상 출력전압이 입력전압보다 높게 나타나는 승압형의 특성을 갖고 있는 비절연형 컨버터로서 동작원리는 도1과 같이 구성된다.
도1의 일반적인 회로동작을 살펴보면, 입력전압(Vin)이 인가되어 스위칭소 자(1)가 도통될 때 인덕터(3) 전류가 상승하여 인덕터(3)에는 에너지가 축적되고, 다이오드(5)는 차단이 된다. 그리고 출력(Vo)에서는 출력콘덴서(7)의 전하가 부하저항(9)을 통하여 방전된다.
다음으로, 스위칭소자(1)가 차단되면 인덕터(3)에 축적되었던 에너지는 환류다이오드(freewheeling diode)(5)를 통하여 출력단으로 방출이 된다.
여기서, DC-DC 부스트 컨버터(boost converter) 동작을 수식으로 나타내면 다음과 같다.
상기에서 서술한 바와같이 동작하는 DC-DC 부스트 컨버터(boost converter) 회로에서, 출력전압(Vo)은 한 주기(T)에 대한 스위칭소자(1)의 도통시간(DT)의 비로 표현되는 시비율(Duty Ratio;D)에 비례하며, 출력전압(Vo)이 입력전압(Vin)보다 높게 나타나는 승압형의 특징이 있다. 따라서, 시비율(D)을 제어함으로써 출력전압 (Vo)의 크기를 조절할 수가 있다.
하지만, 상기에서 서술한 DC-DC 부스트 컨버터(boost converter) 회로는 시비율(D)의 일정한 값에서 부하저항(9)이 감소함에 따라 출력전압(Vo)의 저하가 일어난다. 이는 컨버터의 기생손실요소 즉, 스위칭소자인 FET(or TR) 또는 다이오드의 손실에 의한 효율저하로 볼 수 있다. 또한, 높은 출력 노이즈(ripple/noise) 현상을 보이는 문제점도 갖고 있다.
본 발명의 목적은, 상기의 문제점을 해결하기 위하여 일반적으로 사용되고 있는 포워드(forward) 방식을 응용하여 승압형의 특성을 가지며, 스위칭변압기를 통한 전압만을 변환하므로 낮은 출력 노이즈를 갖는 비절연형 포워드 컨버터(for- ward converter) 회로를 제공하는 것이다.
도1은 Boost Converter 회로도
도2는 본 발명의 회로도
<도면부호의 설명>
스위칭소자(1, 10), 인덕터(3, 50), 환류다이오드(5), 콘덴서(7, 60), 저항(9, 70), 스위칭변압기(20), 제1단자(25, 35), 제2단자(45, 55), 제1다이오드(30), 제2다이오드(40)
구성
본 발명은 포워드(forward) 방식을 응용한 비절연형 포워드 컨버터(forward converter) 회로로서, 도2를 참조하여 회로의 구성을 설명한다.
본 발명은 입력전압(Vin)을 소정 주기로 스위칭하여 승압된 출력전압(Vo)을 얻는 DC-DC 컨버터 회로로서, 입력전압(Vin)이 인가되는 입력단, 권선수가 N1인 1차측과 권선수가 N2인 2차측을 가지며, 1차측이 입력단에 연결되는 스위칭변압기 (20), 스위칭변압기(20)의 1차측 중, 입력단과 연결된 반대쪽에 연결되어 콘트롤신호에 의해 소정의 듀티비(D)로 스위칭변압기(20)에 인가되는 입력전압(Vin)을 도통 /차단(on/off)하는 스위칭소자(10), 상기 스위칭변압기(20)의 2차측에, 상기 스위칭소자(10)가 도통되면 스위칭변압기(20) 2차측의 권선비에 비례하는 유기전압(Vs)에 의해 도통되도록 제1단자(25)가 연결되고 Vs가 제2단자(45)에 나타나는 제1다이오드(30), 제1다이오드(30)의 제2단자(45)에 연결되어 Vs에 따른 전기에너지를 축적하는 인덕터(50), 상기 입력단의 Vin에 의해 도통되도록 제1단자(35)가 상기 입력단에 연결되며 제2단자(55)는 상기 인덕터(50)에 연결되는 제2다이오드(40)로서, 제2단자(55)에는 항상 Vin이 나타나고, 상기 스위칭소자(10)가 도통상태에서 차단상태로 스위칭되면 상기 제1다이오드(30)가 차단됨과 동시에 도통되어 상기 인덕터 (50)에 축적된 전기에너지(Vs)가 출력단으로 환류되도록 하는 제2다이오드(40), 상기 인덕터(50)에 연결되어 인덕터(50)와 함께 출력필터 역할을 하는 콘덴서(60)를 포함하여 구성된다.
이와같이 구성된 회로는, 출력전압(Vo)이 상기 제2다이오드(40)의 제2단자 (55)에 나타나는 Vin과 상기 스위칭변압기(20)를 통하여 출력단으로 변환되는 전압 (Vs)을 합한 것으로 나타나는 것을 특징으로 하는 비절연형 포워드 컨버터(forward converter) 회로이다.
상기에서 서술한 회로의 동작은 도2를 참조하여 설명한다.
도2의 회로에서, 입력단에 제2다이오드(40)의 제1단자(35)가 직접 연결되어 있으므로, 입력전압(Vin)이 인가되면 1차적으로 제2다이오드(환류다이오드)(40)를 통하여 출력단으로 입력전압(Vin)이 인가된다.
그리고 스위칭변압기(20)를 통하여 변환되는 전압을 살펴보면, 스위칭소자 (10)가 도통하면 입력전류가 흐르고 스위칭변압기(20) 1차측(N1)의 흑점방향으로 입력전압이 흐르고, 2차측(N2)에도 흑점방향으로 권선비에 비례한 유기전압(Vs)이 흐른다. 그 결과, 제1다이오드(30)는 도통하게 되며, 제2다이오드(환류다이오드) (40)는 차단된다. 따라서, 입력으로부터의 전류는 스위칭변압기(20)를 통하여 출력단으로 전달되며, 인덕터(50)에 에너지가 축적된다.
다음으로, 스위칭소자(10)가 차단되면 변압기의 2차측(N2)에는 흑점과 반대방향으로 전압이 흐르게 된다. 그 결과, 제1다이오드(30)는 차단되며, 제2다이오드(환류다이오드)(40)는 도통된다. 따라서, 인덕터(50)에 축적된 에너지는 제2다이오드(환류다이오드)(40)를 통하여 출력단으로 방출이 된다.
따라서, 본 발명에 따른 회로에서의 출력전압(Vo)은 입력전압(Vin)이 인가되었을 때 제2다이오드(환류다이오드)(40)를 통하여 전달된 입력전압(Vin)과 스위칭주기(T)를 한 주기로 스위칭변압기(20)를 통하여 상기의 동작이 반복되어 나온 변환된 전압(Vs)이 합쳐져서 입력전압(Vin) 보다 높은 원하는 출력전압(Vo)을 얻을 수 있게 된다.
실시예
본 발명에 따른, 비절연형 포워드 컨버터(forward converter)의 실시예를 도2를 참조하여 구체적으로 설명한다.
우선, 본 발명의 배경기술이 되는 부스트 컨버터(boost converter) 방식과 본 발명에서 제안하는 비절연형 포워드 컨버터(forward converter) 방식을 수식으로 비교하면 다음과 같다.
1) 종래의 Boost Converter 방식
2) 비절연형 Forward Converter 방식
상기의 수식에서, D는 한 주기(T)에 대한 스위칭소자의 도통시간(DT)의 비로 표현되는 시비율(Duty Ratio;D)이며, N2/N1은 스위칭변압기(20)의 권선비이다.
도2의 회로에서, 입력전압(Vin)이 20Vdc∼30Vdc로 인가되고 출력전압(Vo)을 35Vdc인 전원공급장치를 얻고자 하는 경우를 예를들어 설명한다.
우선, 입력전압(Vin)이 20Vdc일 때, 입력전압(Vin)은 제2다이오드(환류다이오드)(40)를 통하여 출력단으로 인가된다. 인가된 상태에서, 나머지 15Vdc만큼은 스위칭변압기(20)를 통하여 출력단으로 15Vdc만큼 변환된 전압(Vs)이 입력전압 (Vin)에 더해지면 원하는 출력전압(Vo)인 35Vdc만큼의 전압을 얻게 된다. 이를, 수식으로 나타내면 다음과 같다.
상기에서 서술한 바와같은 방법으로, 입력전압(Vin)이 30Vdc일 때는, 입력전압(Vin)은 제2다이오드(환류다이오드)(40)를 통하여 출력단으로 인가된다. 인가된 상태에서, 나머지 5Vdc만큼은 스위칭변압기(20)를 통하여 출력단으로 5Vdc만큼 변환된 전압(Vs)이 입력전압(Vin)에 더해지게 된다. 이를 수식으로 나타내면 다음과 같다.
이상에서와 같이, 본 발명에 따른 포워드(forward) 방식을 응용한 비절연형 포워드 컨버터(forward converter) 회로의 구체적인 실시예를 설명하였다. 그러나 본 발명의 기술적 사상이 앞에서 설명한 실시예에 한정되어 실시될 수 있는 것은 아니며, 당업자라면 본 발명의 기술적 사상을 기초로하여 여러가지로 변형실시할 수 있을 것이다.
이상에서와 같이 본 발명에서 제안하는 비절연형 포워드 컨버터(forward converter)에 따르면, 승압형 전원 또는 바이패스 전원에 광범위하게 응용할 수 있으며, 고효율과 저잡음을 필요로 하는 전원공급장치에 사용하면 좋은 효과를 가져올 수 있다.

Claims (3)

  1. 입력전압(Vin)을 소정 주기로 스위칭하여 승압된 출력전압(Vo)을 얻는 DC-DC 컨버터 회로로서,
    입력전압(Vin)이 인가되는 입력단,
    권선수가 N1인 1차측과 권선수가 N2인 2차측을 가지며, 1차측이 입력단에 연결되는 스위칭변압기,
    스위칭변압기의 1차측 중, 입력단과 연결된 반대쪽에 연결되어 콘트롤신호에 의해 소정의 듀티비(D)로 스위칭변압기에 인가되는 입력전압을 도통/차단
    (on/off)하는 스위칭소자,
    상기 스위칭변압기의 2차측에, 상기 스위칭소자가 도통되면 스위칭변압기 2차측의 권선비에 비례하는 유기전압(Vs)에 의해 도통되도록 제1단자가 연결되고 Vs가 제2단자에 나타나는 제1다이오드,
    제1다이오드의 제2단자에 연결되어 Vs에 따른 전기에너지를 축적하는 인덕터,
    상기 입력단의 Vin에 의해 도통되도록 제1단자가 상기 입력단에 연결되며 제2단자는 상기 인덕터에 연결되는 제2다이오드로서, 제2단자에는 항상 Vin이 나타나고, 상기 스위칭소자가 도통상태에서 차단상태로 스위칭되면 상기 제1다이오드가 차단됨과 동시에 도통되어 상기 인덕터에 축적된 전기에너지(Vs)가 출력단으로 환류되도록 하는 제2다이오드,
    상기 인덕터에 연결되어 인덕터와 함께 출력필터 역할을 하는 콘덴서를 포함하여,
    출력전압(Vo)은 상기 제2다이오드의 제2단자에 나타나는 Vin과 상기 스위칭변압기를 통하여 출력단으로 변환되는 전압(Vs)을 합한 것으로 나타나는 것을 특징으로 하는, 비절연형 포워드 컨버터 회로.
  2. 청구항 1에서, 출력전압으로 계산되는 것을 특징으로 하는, 비절연형 포워드 컨버터 회로.
  3. 청구항 1에서, 상기 제1다이오드 및 제2다이오드의 제1단자는 애노드이고, 제2단자는 캐소드인 것을 특징으로 하는, 비절연형 포워드 컨버터 회로.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR100659279B1 (ko) * 2005-12-14 2006-12-19 학교법인 포항공과대학교 스위칭모드 전원장치의 대기전력 절감 장치
KR100765921B1 (ko) * 2005-09-16 2007-10-10 (주)제이디에이테크놀로지 직류/직류 변환기

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