KR20020090909A - 스위칭 전원 장치 - Google Patents

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KR20020090909A
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가부시키가이샤 무라타 세이사쿠쇼
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Abstract

본 발명은 확실한 기동 기능과 오동작이 없는 발진 정지 기능을 모두 갖는 기동 정지 회로를 포함하는 자려(自勵) 발진식의 스위칭 전원 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 구성에 따르면, 전원 스위치가 온되어 입력 전원(Vin)의 전압이 상승하면, a점의 전압이 상승하고, 그 전압이 소정의 전압을 초과하면, 트랜지스터(Tr2)가 온되고, 트랜지스터(Tr1)가 오프된다. 이 때, 제 1 스위칭 소자(Q1)는 그 제어 단자에 기동 전압이 인가됨으로써 턴 온(turn-on)하여 제 1 구동 권선(T3)에 전압이 발생한다. 이 전압은 귀환 회로(F)를 통하여 a점에 귀환된다. 이에 따라, 트랜지스터(Tr2)는 온 상태로 이행하는 것이 촉진되고, 또한 트랜지스터(Tr1)는 오프 상태로 이행하는 것이 촉진된다. 이에 따라, 제 1 스위칭 소자(Q1)는 급속히 온 상태가 되어 발진을 개시한다.

Description

스위칭 전원 장치{Switching power supply device}
본 발명은 자려 발진식 스위칭 전원 장치, 특히 기동 및 정지를 제어하는 기동 정지 회로를 포함한 자려(自勵) 발진식의 스위칭 전원 장치에 관한 것이다.
기동 및 정지를 제어하는 기동 정지 회로를 포함한 종래의 자려 발진식의 스위칭 전원 장치로서는 예를 들면, 일본국 실용신안등록출원 소61-194288호, 본원의 출원일 전에 있어서 출원공개되지 않은 일본국 특허출원 2000-295203호, 일본국 특허공개공보 평11-341802호(도 10)에 나타난 것이 있다. 일본국 실용신안등록출원 소61-194288호에 나타나는 링잉 쵸크 컨버터(ringing choke converter)(RCC)에서는 입력 전원과 스위칭 소자의 제어 단자 사이에 접속된 기동 저항을 사용하여 스위칭 소자에 대하여 기동 전압을 제공하도록 하고 있다. 또한, 일본국 특허출원 2000-295203호에 나타나는 하프 브리지 컨버터(half bridge converter)의 스위칭 전원 장치에 있어서도, 스위칭 소자에 대하여 입력 전원과 스위칭 소자의 제어 단자 사이에 접속된 기동 저항을 사용하여 기동 전압을 제공하도록 하고 있다. 또한, 일본국 특허공개공보 평11-341802호(도 10)에 나타나는 스위칭 전원 장치는사이리스터(thyristor)를 사용하여 스위칭 소자의 제어 단자에 기동 전압을 제공하도록 하고 있다.
도 11은 일본국 특허출원 2000-295203호에 나타나는 하프 브리지 컨버터의 회로도를 나타내고 있다. 이 컨버터 회로의 개략의 구성을 설명하면, 제 1 스위칭 소자(Q1)와 제 2 스위칭 소자(Q2)의 직렬 회로가 입력 전원(Vin)에 병렬로 접속되고, 커패시터(C)와 인덕터(L)와 트랜스포머(transformer)(T)의 1차 권선(T1)의 직렬 회로의 한 단부가 제 1 스위칭 소자(Q1)와 제 2 스위칭 소자(Q2)의 접속점에 접속되며, 다른 단부가 입력 전원(Vin)에 접속되고, 트랜스포머(T)의 2차 권선에 정류 평활 회로가 접속되어 있다. 트랜스포머(T)는 1차 권선(T1)의 전압에 실질적으로 비례한 전압을 발생하는 제 1 구동 권선(T3) 및 제 2 구동 권선(T4)을 가지며, 제 1 구동 권선(T3)과 제 1 스위칭 소자(Q1) 사이에 제 1 제어 회로(A1)가 접속되고, 제 2 구동 권선(T4)과 제 2 스위칭 소자(Q2) 사이에 제 2 제어 회로(A2)가 접속되어 있다. 제 1 및 제 2 제어 회로는 제 1 및 제 2 스위칭 소자를 양 스위칭 소자가 함께 오프하는 기간을 사이에 두고 번갈아 온(ON)/오프(OFF)하도록 온/오프 제어한다. 이에 따라, 이 스위칭 전원 장치는 자려 발진한다.
이상의 구성에 있어서, 커패시터(C)가 트랜스포머(T)의 1차 권선(T1)과 입력 전원(Vin) 사이에 직렬로 접속되어 있기 때문에, 이 회로는 하프 브리지 컨버터로서 동작한다.
또한, 기동 회로로서는, 입력 전원(Vin)과 제 1 스위칭 소자(Q1)의 제어 단자 사이에 접속된 저항(R2)과, 상기 제어 단자와 소스 단자 사이에 접속된저항(R7)으로 이루어지는 저항 분압 회로가 사용되고 있다. 즉, 입력 전원(Vin)이 상승하여 입력 전원 전압을 저항(R2, R7)에서 분압한 분압 전압이 제 1 스위칭 소자(Q1)의 문턱(threshold) 전압을 초과하면, 제 1 스위칭 소자(Q1)가 턴 온(turn-on)한다. 제 1 스위칭 소자(Q1)가 턴 온하면 1차 권선(T1)에 전류가 흐르고, 제 1 구동 권선(T3)에 전압이 발생하여 제 1 스위칭 소자(Q1)의 온을 촉진한다. 그 후, 제 1 제어 회로의 트랜지스터(Tr1)가 온하여 제 1 스위칭 소자(Q1)가 턴 오프(turn-off)하면, 제 2 구동 권선(T4)에 전압이 발생하고, 다음으로 제 2 스위칭 소자(Q2)가 턴 온한다. 이와 같이 하여, 제 1 스위칭 소자(Q1)와 제 2 스위칭 소자(Q2)가 번갈아 온/오프 제어되어 자려 발진이 행해진다.
도 12는 일본국 특허공개공보 평11-341802호(도 10)에 나타나는 사이리스터를 사용한 기동 회로와 동일한 회로를 포함한 하프 브리지 컨버터의 회로도를 나타내고 있다. 이 회로의 기본적 구성은 도 11에 나타내는 것과 동일하며, 제 1 스위칭 소자(Q1)와 제 2 스위칭 소자(Q2)가 번갈아 온/오프 제어되어 자려 발진이 행해진다. 양자의 상위점은 기동 회로로, 도 12에 나타내는 회로에서는 제 1 스위칭 소자(Q1)의 제어 단자에 사이리스터(SR)를 접속하고 있다. 기동시의 개략 동작을 설명하면 이하와 같다.
입력 전원(Vin)이 상승하면, 저항(R1)을 통하여 커패시터(C1)가 충전되고, 그 충전 전압이 제너 다이오드(Dz)의 제너 전압을 초과하면 사이리스터(SR)가 전기적으로 통한다. 이에 따라, 커패시터(C1)에 충전된 전하(電荷)가 제 1 스위칭 소자(Q1)의 게이트에 흘러 제 1 스위칭 소자(Q1)가 턴 온한다. 이 제 1 스위칭 소자(Q1)가 턴 온하면 커패시터(C1)의 전하는 저항(R4) 및 제 1 스위칭 소자(Q1)를 통하여 단락 방전된다. 또한, 1차 권선(T1)에 전류가 흘러 제 1 구동 권선(T3)에 전압이 발생하여 제 1 스위칭 소자(Q1)의 온을 촉진한다. 그 후, 제 1 제어 회로에 의해 제 1 스위칭 소자(Q1)가 턴 오프하고, 다음으로 제 2 스위칭 소자(Q2)가 턴 온한다. 이렇게 해서, 제 1 스위칭 소자(Q1)와 제 2 스위칭 소자(Q2)가 번갈아 온/오프 제어되어 자려 발진이 행해진다.
그러나, 상술한 종래의 구성에서는 기동시나 발진 정지시에 이하와 같은 문제가 있었다.
①기동 저항을 사용한 자려식 RCC
기동시에, 기동 저항에 의한 기동과 스위칭 소자의 턴 오프를 반복하면서 부하에 전력을 공급하기 때문에, 스위칭 소자의 턴 오프로부터 재기동할 때까지의 기동 시간이 길어지는 경우, 단위 시간에 있어서의 전력 공급량이 작기 때문에, 중부하에 있어서는 소정의 출력 전압을 얻을 수 없어 기동 불량이 되는 문제가 있다.
또한, 정지시, 입력 전압이 낮아질 때까지 발진이 지속되면, 1차 권선의 전류 피크값이 커져 트랜스포머의 포화를 발생시키는 문제가 있다.
②기동 저항을 사용한 자려식 하프 브리지 컨버터
입력 전원 전압이 완만하게 상승한 경우, 스위칭 소자(Q1)가 능동 영역으로부터 서서히 온 상태로 되지만, 이 때 트랜스포머에 흐르는 전류의 변화율이 작아져 트랜스포머에 전압이 발생하지 않는 상황에 빠진다. 이 경우에는 자려 발진 동작이 행해지지 않아 기동 불량이 된다.
또한, 정지시에 입력 전압이 저하되어 스위칭 소자(Q1)의 온 듀티(on duty)가 너무 커지면, 스위칭 소자(Q1)를 온/오프 제어하는 제 1 제어 회로가 오동작할 가능성이 있다.
③사이리스터나 다이악(diac)을 사용한 자려식 하프 브리지 컨버터
입력 전압이 천천히 상승한 경우라 하더라도 기동 특성에는 문제는 발생하지 않으나, 사이리스터나 다이악 등의 특수한 고가의 소자가 필요해진다. 또한, 도 12에 나타내는 바와 같은 회로에서의 사이리스터나 다이악은 전기적으로 통할 때까지의 기간에 높은 전압이 인가되기 때문에, 고내전압 특성인 것이 필요해진다.
또한, 도 12에 있어서, 커패시터(C1)에 축적된 전하가 스위칭 소자(Q1)의 온때마다 단락 방전되기 때문에, 스위칭 손실이 증가한다는 문제가 있다.
또한, 정지시, 입력 전압이 저하되어 스위칭 소자(Q1)의 온 듀티가 너무 커지면, 스위칭 소자(Q1)를 온/오프 제어하는 제어 회로가 오동작할 가능성이 있다.
본 발명은 상술한 각 과제를 해결하여 확실한 기동 기능과 오동작이 없는 발진 정지 기능을 모두 갖는 기동 정지 회로를 포함하는 스위칭 전원 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
도 1은 본 발명의 제 1 실시형태인 자려식 하프 브리지 컨버터(half bridge converter)의 회로도이다.
도 2는 상기 자려식 하프 브리지 컨버터의 동작 파형도이다.
도 3은 히스테리시스(hysteresis) 특성을 나타내는 도면이다.
도 4는 발진 정지시의 동작을 설명하는 도면이다.
도 5는 귀환 회로의 제 1 실시예이다.
도 6은 귀환 회로의 제 2 실시예이다.
도 7은 귀환 회로의 제 3 실시예이다.
도 8은 자려식 하프 브리지 컨버터에 상용 전원의 정류 평활 회로를 접속했을 때의 회로 블록도이다.
도 9는 본 발명의 다른 실시형태인 링잉 쵸크 컨버터(ringing choke converter)의 회로도이다.
도 10은 본 발명의 또 다른 실시형태의 자려식 하프 브리지 컨버터의 회로도이다.
도 11은 종래의 스위칭 전원 장치의 회로도이다.
도 12는 종래의 스위칭 전원 장치의 다른 예의 회로도이다.
<도면의 주요부분에 대한 간단한 설명>
Vin : 입력 전원Q1 : 제 1 스위칭 소자
Q2 : 제 2 스위칭 소자B : 기동 정지 회로
F : 귀환 회로
본 발명은 상기의 과제를 해결하기 위하여 다음과 같이 구성된다.
(1)입력 전원과 트랜스포머(T)의 1차 권선과 제 1 스위칭 소자(Q1)가 직렬로 접속되고, 트랜스포머(T)의 2차 권선에 정류 평활 회로가 접속되며, 1차 권선 전압에 실질적으로 비례하여 상기 제 1 스위칭 소자(Q1)를 온시키는 전압을 발생시키는 제 1 구동 권선을 상기 트랜스포머(T)에 포함하고, 상기 제 1 스위칭 소자(Q1)를 온/오프 제어하여 자려 발진하는 스위칭 전원 장치에 있어서, 상기 제 1 스위칭 소자(Q1)의 제어 단자와 소스 단자 사이에 접속된 스위치 수단과; 입력 전원 단자 사이의 입력 전원 전압을 검출해서 소정의 전압과 비교하여 상기 입력 전원 전압이 소정의 전압을 초과하는 것을 검출하면 상기 스위치 수단을 오프함으로써 상기 제 1 스위칭 소자(Q1)를 온하여 발진을 개시시키고, 상기 입력 전원 전압이 소정의 전압 이하인 것을 검출하면 상기 스위치 수단을 온함으로써 상기 제 1 스위칭 소자(Q1)를 오프하여 발진을 정지시키는 제어 회로;를 포함하는 기동 정지 회로를 구비한 것을 특징으로 한다.
본 발명에서는 입력 전원 전압이 상승하여 소정의 문턱값을 초과하면, 스위치 수단이 오프함으로써 제 1 스위칭 소자(Q1)의 제어 단자에 대하여 기동 저항에 의해 기동 전압이 단숨에 인가되어, 이 스위칭 소자(Q1)가 온된다. 이에 따라, 입력 전원 전압이 천천히 상승한 경우라 하더라도, 제 1 스위칭 소자(Q1)를 온하기 위한 충분한 전하가 단숨에 공급되기 때문에, 확실하게 기동할 수 있다. 또한, 예를 들면 AC230V의 상용 전원으로 동작하도록 설계된 전원 장치에, 잘못하여 AC100V의 상용 전원을 투입한 경우라 하더라도 기동 전압이 AC100V보다도 높아지도록 상기 소정의 전압을 설정해 둠으로써, AC100V를 투입하더라도 전원 장치는 동작하지 않아 잘못된 전압의 전원 투입에 의해 오동작하는 것을 방지할 수 있다.
또한, 입력 전원을 오프하여 입력 전원 전압이 저하된 경우에 있어서도, 소정의 입력 전압 이하가 됐을 때에 발진을 정지시키도록 동작하기 때문에, 1차 전류 피크의 증가에 따른 트랜스포머 포화나 온 듀티의 확대에 따른 오동작을 방지할 수 있다.
또한, 1개의 제어 회로로, 기동 기능과 발진 정지 기능을 겸용시킬 수 있다. 이 때문에, 각각 독립적으로 2개의 회로를 형성할 필요가 없어 전체적으로 부품수를 삭감할 수 있으며, 스위칭 전원 장치의 고효율화 및 소형 경량화를 도모할 수 있다.
(2)상기 제 1 구동 권선과 상기 기동 정지 회로의 제어 단자 사이에, 상기 스위치 수단을 오프하도록 상기 제 1 구동 권선의 출력 전압을 상기 제어 단자에 귀환시키는 귀환 회로를 형성하였다.
귀환 회로는 제 1 구동 권선에 발생하는 전압을 기동 정지 회로의 제어 단자에 정귀환하도록 작동한다. 이 때문에, 기동시는 입력 전원 전압만이 기동 정지 회로의 제어 단자에 인가되는 것에 반하여, 발진 개시 후는 입력 전원 전압에 더하여, 귀환 회로에 의해 제 1 구동 권선에 발생한 전압이 기동 정지 회로의 제어 단자에 인가된다. 이에 따라. 기동을 개시하는 입력 전원 전압보다도 발진이 정지하는 입력 전원 전압 쪽이 낮아져 그들 입력 전원 전압 사이에 히스테리스 특성을 갖게 할 수 있다. 이 히스테리시스(hysteresis)에 의해 입력 전압의 채터링(chattering)에 의한 오동작을 방지할 수 있다. 예를 들면, 상용 전원 전압을 정류 평활한 전압을 입력 전원 전압으로 하면, 입력 전원 전압에 상용 주파수의 2배의 주파수의 리플 전압이 발생한다. 이 경우, 기동 전압과 정지 전압에 거의 차이가 없으며, 리플 전압의 변동이 크면, 입력 전원 전압이 이 전압 부근이 되면 발진과 정지를 반복하는 오동작을 발생시킨다. 본 발명에 따르면, 이 채터링에 의한 오동작을 상기 히스테리시스 특성에 의해 방지할 수 있다.
또한, 상기 히스테리스 특성은 출력에 공급하는 전력 등에 관계없이 발진 정지 전압을 기동 전압보다 낮은 전압으로 하기 때문에, 순간 정전 발생시 등에 있어서 발진이 정지되고나서 다시 입력 전압이 상승한 경우라 하더라도 기동이 가능해진다. 이 경우, 가령 발진 정지 전압이 기동 전압 이상으로 되어 있으면 기동 불량을 발생시키게 된다.
또한, 예를 들면, 하프 브리지 컨버터와 같이 트랜스포머의 1차 권선에 직렬로 커패시터가 접속되어 있는 컨버터 구성인 경우, 제 1 스위칭 소자(Q1)가 능동 영역으로부터 천천히 온하면 트랜스포머에 흐르는 전류의 변화율이 작아 제 1 구동 권선에 전압이 발생하지 않기 때문에 자려 발진 동작이 행해지지 않고 기동 불량이 되지만, 귀환 회로에 의한 정귀환을 인가함으로써 제 1 스위칭 소자(Q1)를 급속히 턴 온할 수 있으며, 이에 따라, 기동 불량을 방지할 수 있다.
또한, 기동시에 기동과 스위칭 소자의 턴 오프를 반복해서 부하에 전력을 공급하여 기동하는 링잉 쵸크 컨버터에 있어서도, 기동시의 턴 온 스피드를 빠르게 하여 기동 주기를 짧게 함으로써, 중부하시에 있어서도 안정되게 기동하는 것이 가능해진다.
또한, 귀환 회로의 정수를 적절히 함으로써, 정지시에 있어서, 입력 전원 전압이 저하됨에 따라 제 1 스위칭 소자(Q1)의 온시간을 점차 단축시켜 갈 수 있다.이에 따라, 온 듀티의 확대에 따른 오동작을 억제하여 낮은 입력 전압까지 발진을 지속할 수 있고, 출력 전압의 유지 시간을 길게 할 수 있으며, 또한, 긴 시간의 순간 정전에 대응할 수 있다.
(3)상기 스위치 수단을 제 1 트랜지스터로 구성하고, 상기 제어 회로를 제 1 트랜지스터의 제어 단자에 접속된 제 2 트랜지스터로 구성하며, 상기 제 2 트랜지스터는 상기 입력 전원 전압이 소정의 전압을 초과하는 것을 검출하면 온하여 상기 제 1 트랜지스터를 오프함으로써 상기 제 1 스위칭 소자(Q1)를 온하여 발진을 개시시키고, 상기 입력 전원 전압이 소정의 전압 이하인 것을 검출하면 오프하여 상기 제 1 트랜지스터를 온함으로써 상기 제 1 스위칭 소자(Q1)를 오프하여 발진을 정지시킨다.
스위치 수단을 제 1 트랜지스터, 스위치 수단의 제어 회로를 제 2 트랜지스터로 구성함으로써 회로 부품을 삭감하여, 스위칭 전원 장치의 저코스트화 및 소형 경량화를 도모할 수 있다.
(4)상기 제 2 트랜지스터는 베이스ㆍ이미터(emitter) 사이의 문턱값 전압과 상기 입력 전원 전압의 저항 분압 전압을 비교하여, 상기 저항 분압 전압이 상기 문턱값 전압을 초과하는지의 여부로, 상기 입력 전원 전압이 소정의 전압을 초과하는지의 여부 및 상기 입력 전원 전압이 소정의 전압 이하인지의 여부를 검출한다.
입력 전원 전압과 소정의 전압을 비교하는 수단으로서, 제 2 트랜지스터의 베이스·이미터 사이의 문턱값 전압을 사용함으로써, 콤퍼레이터(comparator)나 고내압의 제너 다이오드 등의 부품을 필요로 하지 않는다. 이에 따라, 스위칭 전원장치의 저코스트화 및 소형 경량화를 도모할 수 있다.
(5)상기 제 2 트랜지스터의 베이스ㆍ이미터 회로에 상기 베이스ㆍ이미터간 전압의 온도 특성을 보정하는 제너 다이오드를 접속하였다.
일반적으로, 트랜지스터의 베이스ㆍ이미터간 전압은 약 -2.0mV/℃의 온도 특성을 갖고 있다. 이 때문에, 입력 전원 전압의 검출 비교 수단으로서, 트랜지스터의 베이스ㆍ이미터간 전압을 사용하면 온도에 의해 기동 전압이 변동한다. 이것을 보정하기 위하여, 트랜지스터의 베이스ㆍ이미터간 전압과 제너 다이오드의 제너 전압의 합을 기준 전압으로서 사용하며, 예를 들면, 약 +2.0mV/℃의 온도 특성을 갖고 있는 약 7V의 제너 다이오드를 사용하면 기준 전압의 온도 변동은 실질적으로 없어진다. 이에 따라, 온도에 의한 기동 전압의 변동을 억제할 수 있다.
(6)상기 귀환 회로는 상기 제 1 구동 권선에 발생하는 전압을 상기 제 2 트랜지스터에 인가하는, 적어도 직렬로 접속된 저항과 다이오드를 포함하는 회로로 구성하였다.
다이오드를 사용함으로써, 기동시는 귀환 회로에 전류가 흐르지 않기 때문에, 귀환 회로에 흐르는 전류를 고려하지 않고 용이하게 기동 전압을 설정할 수 있다. 또한, 귀환 회로를 적은 부품수로 간단히 구성할 수 있기 때문에, 스위칭 전원 장치의 저코스트화 및 소형 경량화를 도모할 수 있다.
(7)상기 귀환 회로는 상기 제 1 구동 권선에 발생하는 전압을 상기 제 2 트랜지스터에 인가하는, 적어도 직렬로 접속된 저항과 커패시터를 포함하는 회로로 구성하였다.
커패시터를 사용함으로써, 기동시의 직류 전류를 귀환 회로에 흘리지 않고, 용이하게 기동 전압을 설정할 수 있으며, 발진 개시 후는 교류 전류를 흘림으로써 귀환을 인가할 수 있다. 또한, 상기 (6)과 마찬가지로, 귀환 회로를 적은 부품수로 간단하게 구성할 수 있기 때문에, 스위칭 전원 장치의 저코스트화 및 소형 경량화를 도모할 수 있다.
(8)상기 귀환 회로는 상기 제 1 구동 권선에 발생하는 전압을 상기 제 2 트랜지스터에 인가하는, 적어도 직렬로 접속된 다이오드와 저항과 제너 다이오드와, 상기 다이오드에 병렬로 접속된 커패시터를 포함하는 회로로 구성하였다.
다이오드에 병렬로 접속된 커패시터는 기동시에 있어서 그 충전 전하를 정귀환시켜 귀환값을 크게 하여, 제 1 스위칭 소자(Q1)의 턴 온 스피드를 상승시킬 수 있다. 또한, 직렬로 접속된 제너 다이오드의 제너 전압값을 자유롭게 설정할 수 있기 때문에, 발진 정지 전압의 설정 자유도를 확대할 수 있다.
(9)상기 (1)∼(8) 중 어느 하나에 기재된 스위칭 전원 장치의 구성에 더하여, 상기 제 1 스위칭 소자(Q1)에 제 2 스위칭 소자(Q2)를 직렬로 접속해서 이 직렬 회로를 입력 전원에 병렬로 접속되도록 하고, 커패시터(C)와 인덕터(L)와 트랜스포머(T)의 1차 권선과의 직렬 회로의 한 단부가 상기 제 1 스위칭 소자(Q1)와 제 2 스위칭 소자(Q2)의 접속점에 접속되며, 상기 직렬 회로의 다른 단부가 입력 전원에 접속되고, 상기 제 1 스위칭 소자에 병렬로 제 1 다이오드(D1)와 제 1 커패시터(C1)를 접속하며, 상기 제 2 스위칭 소자에 병렬로 제 2 다이오드(D2)와 제 2 커패시터(C2)를 접속하고, 1차 권선 전압에 실질적으로 비례하여 상기 제 1스위칭 소자(Q1)를 온시키는 전압을 발생시키는 상기 제 1 구동 권선과 함께, 1차 권선 전압에 실질적으로 비례하여 상기 제 2 스위칭 소자(Q2)를 온시키는 전압을 발생시키는 상기 제 2 구동 권선을 트랜스포머(T)에 형성하며, 또한, 상기 제 1 및 제 2 스위칭 소자를 양 스위칭 소자가 함께 오프하는 기간을 사이에 두고 번갈아 온/오프하는 스위칭 제어 회로를 형성하여, 이에 따라 자려 발진하도록 하였다.
상기의 구성의 스위칭 전원 장치는 하프 브리지 구성의 컨버터이다. 하프 브리지 구성의 컨버터에서는, 입력 전원과 트랜스포머 사이에 직렬로 커패시터가 삽입되기 때문에, 도 11에 나타내는 바와 같은 종래의 구성에서는 입력 전원 전압이 천천히 상승하면 기동 불량을 일으키는 경우가 있으나, 본 발명에서는 입력 전원 전압이 천천히 상승한 경우라 하더라도, 스위칭 소자(Q1)를 급속히 턴 온해서 트랜스포머의 1차 권선에 흐르는 전류의 변화율을 크게 하여, 제 1 구동 권선에 전압을 발생시켜 확실하게 자려 발진 동작을 개시할 수 있다. 또한, 정지시에 있어서, 입력 전압이 낮아져서 스위칭 소자(Q1)의 온 듀티가 확대되어 스위칭 소자(Q1)를 온/오프 제어하는 제 1 제어 회로가 오동작하기 전에 발진을 정지시키거나, 또는 온시간을 단축함으로써 오동작을 방지할 수 있다. 또한, 도 12에 나타내는 바와 같은 스위칭 소자의 온때마다 단락 방전되는 커패시터(C1)가 없기 때문에, 스위칭 손실을 저감하여 스위칭 전원 장치의 고효율화 및 소형 경량화를 도모할 수 있다.
(10)상기 인덕터로서 트랜스포머(T)가 갖는 누설 인덕터를 사용하였다. 인덕터(L)로서 트랜스포머(T)가 갖는 누설 인덕터를 사용함으로써, 부품수를 삭감하여 스위칭 전원 장치의 저코스트화 및 소형 경량화를 도모할 수 있다.
(11)상기 제 1 스위칭 소자(Q1) 및 제 2 스위칭 소자로서 전계 효과 트랜지스터를 사용하고, 상기 전계 효과 트랜지스터의 기생 다이오드 및 기생 용량에 의해 상기 제 1, 제 2 다이오드 및 상기 제 1, 제 2 커패시터를 구성하였다.
스위칭 소자로서 전계 효과 트랜지스터를 사용함으로써, 전계 효과 트랜지스터가 갖는 기생 다이오드 및 기생 용량을 회로 부품으로서 사용할 수 있으며, 부품수를 삭감하여 스위칭 전원 장치의 저코스트화 및 소형 경량화를 도모할 수 있다.
<발명의 실시형태>
도 1은 본 발명의 제 1 실시형태의 스위칭 전원 장치의 회로도이다.
제 1 스위치 회로(S1)는 제 1 스위칭 소자(Q1), 제 1 다이오드(D1) 및 제 1 커패시터(C1)의 병렬 접속 회로로 구성되고, 제 2 스위치 회로(S2)는 제 2 스위칭 소자(Q2), 제 2 다이오드(D2) 및 제 2 커패시터(C2)의 병렬 접속 회로로 구성된다. 이들 제 1 스위치 회로(S1)와 제 2 스위치 회로(S2)는 직렬로 접속되며, 이 직렬 회로는 입력 전원(Vin)에 병렬 접속되어 있다. 제 1 스위칭 소자(Q1)와 제 2 스위칭 소자(Q2)에는 본 실시형태의 장치에서는 전계 효과형 트랜지스터(이하, FET라 칭한다)가 사용된다.
트랜스포머(T)의 1차 권선(T1)에는 인덕터(L) 및 커패시터(C)가 직렬 접속되고, 이 직렬 회로의 한 단부가 제 1 스위치 회로(S1)와 제 2 스위치 회로(S2)의 접속점에 접속되며, 다른 단부가 입력 전원(Vin)에 접속되어 있다.
트랜스포머(T)의 제 1 구동 권선(T3)은 1차 권선(T1)의 전압에 실질적으로 비례한 전압을 발생하고, 이 구동 권선 전압은 제 1 제어 회로(A1)에 입력된다. 이제 1 제어 회로(A1)는 제 1 구동 권선(T3)과 제 1 스위칭 소자(Q1)의 제어 단자(게이트) 사이에 접속된 커패시터와 저항의 직렬 회로로 이루어지는 지연 회로와, 제 1 스위칭 소자(Q1)를 턴 오프시키기 위한 스위치 수단인 트랜지스터(Tr3)와, 이 트랜지스터(Tr3)의 제어 단자(베이스)에 접속되며, 검출 회로(E)로부터의 피드백 신호를 받는 포토 커플러(photo coupler) 및 상기 트랜지스터(Tr3)를 온시키기 위한 시정수 회로로 구성되어 있다. 귀환 회로(F)는 이 제 1 제어 회로(A1)에 포함되지 않는다.
제 1 제어 회로(A1)는 제 1 구동 권선(T3)에 전압이 발생하고나서, 지연되어 제 1 스위칭 소자(Q1)를 온시킴과 동시에, 제 1 구동 권선(T3)의 전압이 발생하고나서, 포토 커플러의 임피던스와 커패시터(C4)로 이루어지는 시정수 회로에 의해 결정되는 시간 경과 후에 트랜지스터(Tr3)가 온함으로써 제 1 스위칭 소자(Q1)를 급속히 턴 오프시킨다.
트랜스포머(T)에는 제 2 구동 권선(T4)이 형성되어 있으며, 이 제 2 구동 권선(T4)의 전압은 제 2 제어 회로(A2)에 입력된다. 이 제 2 제어 회로(A2)도, 상기 제 1 제어 회로(A1)와 동일한 구성이며, 제 2 구동 권선(T4)에 직렬로 지연 회로가 접속되고, 또한, 제 2 스위칭 소자(Q2)를 턴 오프시키기 위한 트랜지스터(Tr5)와, 이 트랜지스터(Tr5)의 제어 단자(베이스)에 접속되는 시정수 회로를 포함하고 있다.
또한, 제 1 제어 회로(A1) 또는 제 2 제어 회로(A2)에는 각각 커패시터(C1 또는 C2)의 양단 전압이 영(zero)전압 또는 영전압 부근까지 저하된 후에 스위칭소자(Q1 또는 Q2)를 온시키도록 지연 시간을 설정한다. 이에 따라, 각 스위칭 소자(Q1 및 Q2)는 영전압 스위칭 동작을 행한다. 따라서, 턴 온 손실을 저감하여 스위칭 노이즈의 발생을 억제할 수 있다. 또한, 제 2 제어 회로(A2)는 제 2 스위칭 소자(Q2)를 흐르는 전류가 영 또는 영부근에서 턴 오프시키도록 제어한다. 이에 따라, 제 2 스위칭 소자(Q2)가 영전류 턴 오프 동작하여, 턴 오프시의 스위칭 손실 및 스위칭 서지(surge)가 저감된다. 또한, 정류 소자(Ds)에 흐르는 전류 파형은 직사각형파(square wave)에 가까울수록 상기 정류 소자에서의 손실이 작아지는데, 이와 같은 파형이 되도록, 커패시터(C)와 인덕터(L)의 값 및 스위칭 제어 회로에 의한 제 2 스위칭 소자(Q2)의 온 기간이 설정된다.
검출 회로(E)는 분압 저항(R9, R10)과 그 저항의 기준점이 기준전압 입력단자(Vr)에 접속되는 션트 레귤레이터(shunt regulator)(IC1)와, 이 션트 레귤레이터(IC1)에 직렬로 접속되는 포토 다이오드(PC)를 포함하고 있다. 션트 레귤레이터(IC1)는 기준전압 입력단자(Vr)의 전압이 일정해지도록 음극-양극 사이의 전류를 제어하고, 이 전류의 변화는 포토 다이오드(PC)의 빛의 강약으로 변환되어, 트랜스포머(T)의 제 1 구동 권선(T3)에 접속되어 있는 포토 트랜지스터에 입광된다. 이 회로에서는 포토 다이오드(PC)에 흐르는 전류의 강약에 의해 포토 트랜지스터를 통하여 트랜지스터(Tr3)의 온타이밍을 제어하며, 결과로서 제 1 스위칭 소자(Q1)의 온시간의 제어를 행한다. 즉, 출력 전압이 높아져 포토 다이오드(PC)의 전류가 커지려고 하면, 제 1 스위칭 소자(Q1)의 온시간이 짧아져 출력 전압을 내리려고 하고, 반대로, 출력 전압이 낮아져 포토 다이오드(PC)에 흐르는 전류가 작아지려고 하면, 제 1 스위칭 소자(Q1)의 온시간이 길어져 출력 전압을 올리려고 한다. 이 동작에 의해 출력 전압의 안정화가 도모된다.
다음으로, 상기의 스위칭 전원 장치의 동작을 설명한다.
도 2는 도 1에 나타내는 회로의 파형도이다. 이하, 도 1 및 도 2를 참조하여 상기 회로의 동작을 설명한다.
도 2에 있어서, 참조부호 Q1, Q2는 스위칭 소자(Q1, Q2)의 온ㆍ오프를 나타내는 신호, 참조부호 Vds1, Vds2, Vs는 각각 커패시터(C1, C2, Cs)의 양단 전압 파형 신호, 참조부호 id1, id2, is는 각각 스위치 회로(S1, S2) 및 제어 소자(Ds)의 전류 파형 신호이다.
본 회로의 기동후의 스위칭 동작은 1스위칭 주기(Ts)에 있어서, 주로 시간(t1∼t5)의 4개의 동작 상태로 나눌 수 있다. 우선, 기동시(발진 개시시)에 대하여 설명하고, 다음에 각 상태에 있어서의 동작을 나타낸다.
(기동시)
입력 전원(Vin)이 인가되면, 후술하는 바와 같이 기동 정지 회로(B)에 의해 스위칭 소자(Q1)가 온 상태가 된다.
스위칭 소자(Q1)가 온 상태로부터의 최적의 정격(定格) 조건에서의 1스위칭 주기(Ts)에 있어서의 시간(t1∼t5)의 4개의 동작 상태는 다음에 나타내는 바와 같다.
(상태 1) t1∼t2
스위칭 소자(Q1)는 온하고 있으며, 입력 전원(Vin)의 전압으로부터 커패시터전압을 뺀 전압이 트랜스포머(T)의 1차 권선(T1)에 인가되고, 1차 권선 전류가 직선적으로 증가하며, 트랜스포머(T)에 여자 에너지가 저장된다. 또한, 이 전류에 의해 커패시터(C)는 충전되며, 커패시터(C)에 정전 에너지가 저장된다.
이 때, 제 1 제어 회로(A1)의 포토 트랜지스터를 통하여 커패시터(C4)가 충전되고, C4의 전압이 트랜지스터(Tr3)의 문턱 전압(약 0.6V)에 이르면 Tr3가 온해서 시간(t2)에서 스위칭 소자(Q1)가 턴 오프하여 상태 2로 옮겨간다.
(상태 2) t2∼t3
스위칭 소자(Q1)가 턴 오프하면, 트랜스포머(T)의 1차 권선(T1)과 인덕터(L)는 커패시터(C1 및 C2)와 공진하여 커패시터(C1)를 충전하고, 커패시터(C2)를 방전한다. 또한, 2차측에서는 트랜스포머(T)의 2차 권선(T2)과 커패시터(Cs)가 공진하여 커패시터(Cs)를 방전한다. Vds1의 상승 및 Vds2의 하강 부분의 곡선은 인덕터(L) 및 1차 권선(T1)과 커패시터(C1, C2)의 공진에 의한 정현파(sine wave)의 일부이다.
커패시터(C2)의 양단 전압(Vds2)이 하강하여 영전압이 되면, 다이오드(D2)가 전기적으로 통한다. 구동 권선(T4)에 발생한 전압이 제 2 제어 회로(A2)의 커패시터와 저항을 통하여 스위칭 소자(Q1)의 턴 오프보다 조금 지연되어서 스위칭 소자(Q2)의 게이트 단자에 제공되어 이 스위칭 소자(Q2)가 턴 온된다. 이에 따라 영전압 스위칭 동작이 행해져 상태 3으로 옮겨간다.
이 때, 2차측에서는 커패시터(Cs)의 양단 전압(Vs)이 영전압까지 하강하고, 정류 소자(Ds)가 전기적으로 통하여 영전압 턴 온 동작이 된다. 이 Vs의 하강 부분의 곡선은 커패시터(Cs)와 2차 권선(T2)의 공진에 의한 정현파의 일부이다.
(상태 3) t3∼t4
상태 3에서는 1차측에서 다이오드(D2) 또는 스위칭 소자(Q2)가 전기적으로 통하고, 인덕터(L)와 커패시터(C)가 공진을 시작한다. 이 기간에 있어서 커패시터(C)의 충전 전하는 방전된다. 이 때, 2차측에서는 정류 소자(Ds)가 전기적으로 통하고, 트랜스포머(T)에 저장된 여자 에너지와, 커패시터(C)에 저장된 정전 에너지를 2차 권선(T2)으로부터 방출하여 정류 평활 회로를 통하여 출력된다. 이 때, 정류 소자(Ds)에 흐르는 전류(is)는 1차측의 인덕터(L)와 커패시터(C)에 의한 공진 전류(id2)에 대하여 직선적으로 감소하는 여자 전류(im)를 뺀 값과 닮은꼴이 된다. 이 때문에, 영전류로부터 비교적 급준하게 상승해서 정현파 형상의 곡선을 갖는 파형이 되어, 전류 변화율이 영이 되는 피크점에 도달한 후, 영전류를 향하여 하강한다. 트랜스포머의 여자 전류(im)가 0이 되면, 정류 소자(Ds)는 영전류 턴 오프 동작이 행해져 2차측 전류(is)가 0이 된다.
1차측에서는 커패시터(C)의 방전에 의해 여자 전류(im)의 방향이 반전하여 상태 1과는 반대 방향으로 트랜스포머(T)를 여자한다. 제 2 구동 권선(T4)에 발생한 전압에 의해 제 2 제어 회로(A2)의 트랜지스터(Tr2)의 베이스에 접속되어 있는 커패시터가 충전되어 문턱 전압(약 0.6V)에 이르면 트랜지스터(Tr2)가 온하고, 시간(t4)에서 스위칭 소자(Q2)가 영전류 부근에서 턴 오프되어 영전류 턴 오프가 행해진다. 스위칭 소자(Q2)가 턴 오프되면, 2차측 정류 다이오드에 역전압이 인가되어 커패시터(Cs)가 공진을 시작하고, 트랜스포머의 권선 전압이 반전하기 시작한다.
여기에서, 출력 단자에 접속되는 부하에 의해 여자 전류(im)가 0이 되는 타이밍과 스위칭 소자(Q2)가 턴 오프되는 타이밍이 다르다. 즉, 부하가 가벼운 경우에는 여자 전류(im)가 0이 되고나서 Q2가 턴 오프되어 정류 소자(Ds)에 역전압이 인가되지만, 중부하인 경우는, Q2가 턴 오프되고나서 여자 전류(im)가 0이 되어 정류 소자(Ds)에 역전압이 인가된다. 즉, 어떠한 부하 조건에 있어서도, Q2와 정류 소자(Ds)가 모두 오프가 되는 시간(t4)에서 정류 소자(Ds)에 역전압이 인가되어 상태 4로 이행한다.
(상태 4) t4∼t5
상태 4에서는 트랜스포머(T)의 2차 권선(T2)과 커패시터(Cs)가 공진하여 커패시터(Cs)가 충전된다. 1차측에서는 트랜스포머(T)의 1차 권선(T1)과 인덕터(L)는 커패시터(C1 및 C2)와 공진하여 커패시터(C1)를 방전하고, 커패시터(C2)를 충전한다.
커패시터(C1)의 양단 전압(Vds1)이 하강하여 영전압이 되면, 다이오드(D1)가 전기적으로 통한다. 이 때, 제 1 구동 권선(T3)에 발생한 전압이 제 1 제어 회로(A1)의 저항 및 커패시터를 통하여 조금 지연되어 스위칭 소자(Q1)의 게이트에 제공되고, 시간(t5)에서 스위칭 소자(Q1)가 턴 온되어 영전압 스위칭 동작이 행해져 상태 5가 종료된다. 이 때, 2차측에서는 커패시터(Cs)의 양단 전압(Vs)이 영전압으로부터 상승하여 2차 권선 전압과 출력 전압의 합의 전압에 클램프된다.
1스위칭 주기당, 이상과 같은 동작을 행하고, 다음의 스위칭 주기도 동일한동작을 행하며, 이후 이 동작을 반복한다.
이상의 동작에 의해 제 1 스위칭 소자(Q1)가 온되어 있는 기간에 트랜스포머(T)의 1차 권선(T1)에 여자 에너지가 저장됨과 동시에, 커패시터(C)에 정전 에너지가 저장되며, 상기 스위칭 소자(Q1)가 오프되면, 이들 여자 에너지와 정전 에너지가 방출되게 되기 때문에, 종래의 스위칭 전원 장치, 즉 스위칭 소자(Q1)의 온 기간에 여자 에너지만이 저장되고, 스위칭 소자(Q1)의 오프 기간에 이 여자 에너지를 방출하는 장치와 비교하여 전류 피크값을 저감할 수 있으며, 도통(導通) 손실을 저감할 수 있다는 이점이 있다.
또한, 도 1에 나타내는 스위칭 전원 장치에 있어서도, 종래의 스위칭 전원 장치와 마찬가지로, 스위칭 소자(Q1) 및 스위칭 소자(Q2)는 영전압에서 턴하고, 스위칭 소자(Q2)는 영전류 부근에서 턴 오프하기 때문에, 스위칭 손실 및 스위칭 서지가 대폭으로 저감된다. 또한, 2차측의 정류 소자(Ds)는 영전류에서 온하며, 또한 그 전류 파형은 영전류로부터 비교적 급준하게 상승하여 전류의 변화율이 영이 되는 피크점에 도달한 후, 다시 영전류가 되어 턴 오프하는 파형이 되기 때문에, 정류 소자에 흐르는 전류 파형이 직사각형파적으로 되어 피크 전류값이 낮게 억제되며, 실효 전류값이 저감되어 도통 손실이 저감된다.
또한, 트랜스포머의 누설 인덕터(L)가 회로 동작에 포함되어져 누설 인덕터(L)에 의한 스위칭 서지의 발생이 없이 전압이 클램프되기 때문에 저내압의 반도체 소자를 이용할 수 있다. 또한, 스위칭 소자에 흐르는 전류 및 전압 파형의 급준한 변화가 완화되기 때문에, 스위칭 노이즈의 발생을 저감할 수 있다.
다음으로 기동 정지 회로에 대하여 설명한다.
도 1에 있어서, 기동 정지 회로(B)는 제 1 스위칭 소자(Q1)의 제어 단자(게이트)와 입력 전원(Vin)의 기준 전위 단자(소스) 사이에 접속된 스위치 수단으로서의 제 1 트랜지스터(Tr1)와, 이 제 1 트랜지스터(Tr1)의 제어 단자(베이스)에 컬렉터가 접속된 제 2 트랜지스터(Tr2)와, 이 제 2 트랜지스터(Tr2)의 제어 단자(베이스)에 접속된 제너 다이오드(Dz1)와, 이 제너 다이오드(Dz1)의 음극이 분압점인 a점에 접속된 저항(R3)과 저항(R4)으로 이루어지는 저항 분압 회로를 포함하고 있다. 이 중, 제 2 트랜지스터(Tr2)와 제너 다이오드(Dz1)와 저항(R3) 및 저항(R4)으로 이루어지는 저항 분압 회로 및 저항(R2)으로, 스위치 수단으로서의 제 1 트랜지스터(Tr1)의 제어 회로를 구성한다.
상기 기동 정지 회로의 동작을 설명한다.
전원이 투입되어 입력 전원(Vin)의 전압이 상승하고, 저항(R3)과 저항(R4)의 분압점인 a점의 전위가 상승해 갔을 때, 다음의 조건에서 제 2 트랜지스터(Tr2)가 온한다.
Vin·R4/(R3＋R4)＞(Vbe＋Vz)…(1)
단, 제 2 트랜지스터(Tr2)의 문턱값 전압(약 0.6V)을 Vbe라 하고, 제너 다이오드(Dz1)의 제너 전압을 Vz라 한다.
제 2 트랜지스터(Tr2)가 온하면, 제 1 트랜지스터(Tr1)가 오프한다. 제 1 트랜지스터(Tr1)가 오프하면, 기동 저항(R1)을 통하여 스위칭 소자(Q1)의 게이트에 이하의 전압(Vgs)이 인가된다.
Vgs＝Vin·R5/(R1＋R5)…(2)
이 전압을 스위칭 소자(Q1)의 문턱 전압보다 높게 설정해 둠으로써, 상기 (1)식이 성립했을 때에 스위칭 소자(Q1)가 턴 온한다. 스위칭 소자(Q1)가 턴 온하면, 트랜스포머(T)의 1차 권선(T1)에 전류가 흘러 1차 권선(T1)에 전압이 발생한다. 이에 따라, 제 1 구동 권선(T3)에 전압이 발생하고, 이 전압은 귀환 회로(F)에 의해 제 2 트랜지스터(Tr2)에 인가되어, 이 트랜지스터(Tr2)를 더욱 온 상태로 이행하며, 이에 따라 트랜지스터(Tr1)를 더욱 오프 상태로 이행시킴으로써, 제 1 스위칭 소자(Q1)를 급속히 온 상태로 한다.
이상의 동작에 있어서, 상기 (1)식에 나타내는 바와 같이, a점의 전위(Va)가 소정의 전압을 초과하는 것을 검출하면, 제 1 트랜지스터(Tr1)를 오프함으로써, 제 1 스위칭 소자(Q1)의 게이트에 대하여 단숨에 전압을 인가한다. 이에 따라, 입력 전원(Vin)의 전압이 천천히 상승한 경우라 하더라도, 확실하게 기동할 수 있다.
또한, 발진 정지시의 동작은 다음과 같이 이루어진다.
전원 스위치를 오프하면, 입력 전원(Vin)의 전압이 저하된다. 이 전압이 저하되어 가서
Vin·R4/(R3＋R4)＜(Vbe＋Vz)…(3)
가 되더라도, 기동시와 달리 발진은 즉시 정지하지 않는다. 이것은 제 1 구동 권선(T3)에 전압이 발생하고 있다는 점에서, 이 전압이 귀환 회로(F)에 의해 a점에 인가되어 전위(Va)를 Va＞(Vbe＋Vz)로 하기 때문으로, 제 2 트랜지스터(Tr2)는 계속 온되고, 제 1 트랜지스터(Tr1)가 오프가 되어 발진을 지속한다. 또한, 입력 전원(Vin)의 전압이 저하되면, 이에 따라 제 1 구동 권선(T3)의 발생 전압은 입력 전원(Vin)에 비례하고 있기 때문에, 저하되어, 제 2 트랜지스터(Tr2)의 온시간이 짧아져 제 1 트랜지스터가 제 3 트랜지스터(Tr3)보다도 빠른 타이밍으로 오프하게 되고, 그 결과, 제 1 스위칭 소자(Q1)의 온시간이 서서히 짧아진다. 다음으로, Va＜(Vbe＋Vz)가 되면, 제 2 트랜지스터(Tr2)가 오프하고, 제 1 트랜지스터(Tr1)가 온한다. 이에 따라, 제 1 스위칭 소자(Q1)는 오프 상태가 되어 발진 동작이 정지된다.
이와 같이, 기동 정지 회로(B)를 형성함으로써, 제 1 스위칭 소자(Q1)의 게이트 전압이 입력 전원(Vin)의 상승(전원 온시) 및 하강(전원 오프시)의 변화에 비례한 것이 되지 않고, 제 1 트랜지스터(Tr1)의 오프 또는 온에 의해 스위칭 소자(Q1)의 게이트에 대하여 전압이 단숨에 인가되거나 게이트 전압이 단숨에 영이 되기 때문에, 단지 저항 분압 회로에 의해 기동 전압을 인가하는 종래의 회로에 비하여 기동과 정지를 확실한 것으로 할 수 있다. 또한, 예를 들면 AC230V의 상용 전원으로 동작하도록 설계된 전원 장치에, 잘못하여 AC100V의 상용 전원을 투입한 경우 등이라도, AC100V 투입시의 a점의 전위(Va)가 (Vbe＋Vz)보다도 낮아지도록 설계해 둠으로써, 잘못된 전원 투입에 의한 오동작을 방지할 수 있다. 또한, 전원 오프시에 있어서는 기동 전압보다 낮은 입력 전압으로 서서히 온시간을 짧게 하여 소정의 입력 전압으로 발진을 정지시킴으로써, 1차 전류 피크의 증가에 따른 트랜스포머(T)의 포화나 온 듀티의 확대에 따른 오동작을 방지할 수 있다. 또한, 기동 정지 회로(B)는 기동 기능과 발진 정지 기능을 모두 갖고 있기 때문에, 각각 독립적으로2개의 회로를 형성하는 경우와 비교하여 부품수를 삭감할 수 있으며, 스위칭 전원 장치의 고효율화 및 소형 경량화에 기여할 수 있다.
도 1에 나타내는 본 발명의 실시형태에서는 기동의 확실성과 정지시에서의 오동작 방지의 확실성을 보다 높이기 위하여 귀환 회로(F)를 형성하고 있다.
이 귀환 회로(F)는 제 1 구동 권선(T3)의 단자와, 분압점인 a점 사이에 접속되고, 저항(R6), 제너 다이오드(Dz2), 다이오드(D2)를 직렬로 접속하며, 또한 다이오드(D2)에 병렬로 커패시터(C3)를 접속한 것이다.
다음으로, 이 귀환 회로(F)의 동작을 상세히 설명한다.
기동시에 있어서는 상술과 같이, 입력 전원(Vin)의 전압이 소정의 전압을 초과하면, 제 1 트랜지스터(Tr1)가 오프하여 제 1 스위칭 소자(Q1)의 게이트에 기동 저항(R1)을 통하여 전압이 인가되며, 이에 따라, 1차 권선(T1)에 전류가 흘러 제 1 구동 권선(T3)에 전압이 더 발생한다. 이 때, 이 전압은 귀환 회로(F)를 통하여 기동 정지 회로(B)의 a점에 정귀환된다. 이에 따라, 제 2 트랜지스터(Tr2)는 귀환 회로(F)가 없는 경우와 비교하여 보다 급속히 온 상태로 이행하고, 따라서 제 1 트랜지스터(Tr1)는 보다 급속히 오프 상태로 이행하여 제 1 스위칭 소자(Q1)는 단숨에 온 상태가 된다.
또한, 입력 전원(Vin)이 그 상승시에 상기 (1)식이 성립하거나 또는 성립하지 않도록 변동하면, 귀환 회로(F)가 없는 경우, 입력 전원(Vin)의 변동에 따라 트랜지스터(Tr2)가 온/오프되고 트랜지스터(Tr1)가 오프/온되어 발진과 정지를 반복하는 오동작을 할 가능성이 있다. 그러나, 귀환 회로(F)를 형성함으로써, 제 1 구동 권선(T3)에 발생하는 전압이 a점에 인가되기 때문에, 한번 발진이 개시되어 제 1 구동 권선(T3)에 전압이 발생하면, (1)식이 성립하지 않더라도 Va＞(Vbe＋Vz)가 되기 때문에, 제 2 트랜지스터(Tr2)는 온이 되고, 제 1 트랜지스터(Tr1)는 오프가 되어 상술한 오동작을 방지할 수 있다. 또한, 입력 전압이 저하되어 제 1 구동 권선(T3)에 발생하는 전압이 충분히 저하되면, 트랜지스터(Tr1)가 트랜지스터(Tr3)보다도 빠른 타이밍으로 온되어 스위칭 소자(Q1)의 온시간이 짧아지며, 입력 전압이 소정의 전압으로 저하된 시점에서 트랜지스터(Tr1)가 온 상태가 되어 확실하게 발진 동작이 정지한다. 이와 같이, 귀환 회로(F)는 스위칭 전원 장치의 기동 전압이 정지 전압보다도 높아지는 히스테리스 특성을 부여한다.
도 3은 이 히스테리시스 특성을 모식적으로 나타내고 있다. 이 히스테리시스 특성은 예를 들면, 입력 전원 전압의 채터링이나 상용 전원 전압을 정류 평활하여 입력 전원을 얻어, 입력 전원 전압이 크게 변동하는 경우에 보다 효과적이다. 즉, 입력 전원 전압의 온/오프에 따른 채터링이나 입력 전원 전압의 상용 주파수의 리플 전압 등에 의해 입력 전압이 변동(진동)한 경우, 기동 전압과 정지 전압에 실질적으로 차이가 없는 특성이면, 입력 전원 전압이 이 기동 전압 부근(또는 정지 전압 부근)을 오르내리는 것과 같은 전압이 되었을 때에, 발진과 정지를 반복하는 오동작을 일으킬 가능성이 있다. 그래서, 귀환 회로(F)를 형성하여 도 3에 나타내는 히스테리시스 특성을 부여함으로써, 이 오동작을 억제할 수 있다. 또한, 발진 정지하는 정지 전압이 기동 전압 이상인 경우에는, 입력 전압이 기동 전압 이하가 되기 전에 재기동하면 기동 불량을 발생시키지만, 정지 전압이 기동 전압 이하인 히스테리시스 특성에 의해 이와 같은 상황이 되는 것을 확실하게 방지할 수 있다. 또한, 본 실시형태와 같은 하프 브리지 컨버터에서는 트랜스포머의 1차 권선(T1)에 직렬로 커패시터(C)가 접속되어 있기 때문에, 스위칭 소자(Q1)가 능동 영역으로부터 천천히 온할 때에 기동 불량이 될 가능성이 있지만, 귀환 회로(F)에 의해 정귀환을 인가하여 스위칭 소자(Q1)를 급속히 턴 온하는 구성으로 하고 있기 때문에, 어떠한 상황이라 하더라도 기동 불량을 발생시키는 일이 없다.
또한, 귀환 회로(F)는 더욱이 발진 정지시에 있어서도 오동작을 억제하도록 동작한다. 도 4는 제 1 구동 권선(T3)에 발생하는 전압(Vbias)이 어느 정도까지 저하되었을 때의 파형도이다. 참조부호 Vb, Vc는 각각 도 1에 있어서의 b점 및 c점의 전위를 나타내고 있다. 이 상태에서는 귀환 회로(F)의 커패시터(C3)에 부극(負極)성일 때(구동 권선(T3)의 발생 전압의 극성이 반대일 때)에 충전되어 있는 전하가 정극성으로 전환되었을 때에, 이 충전 전위에 Vbias가 가산된 전위가 a점에 인가되어 트랜지스터(Tr2)가 온되고 트랜지스터(Tr1)가 오프된다. 그러나, 커패시터(C3)의 충전 전하가 소비되어 Va＜(Vbe＋Vz)가 되면, 그 시점에서 트랜지스터(Tr2)가 오프되고 트랜지스터(Tr1)가 온된다. 이 트랜지스터(Tr1)가 온되는 타이밍은 도 4의 ta이다. 한편, 트랜지스터(Tr1)가 온되지 않는 경우에는, 트랜지스터(Tr3)는 도 4의 Vbias의 극성 전환 타이밍(t2)에서 온 동작한다. 따라서, 귀환 회로(F)의 상기 동작에 의해 입력 전원(Vin)의 전압이 어느 정도까지 저하된 상태에서는 제 1 구동 권선(T3)이 정극성이 되었을 때의 온시간(기간)(Ton)을, 트랜지스터(Tr3)보다 트랜지스터(Tr1)가 보다 빨리 온함으로써 화살표 P와 같이 단축하려고 한다. 이 결과,입력 전원(Vin)의 전압이 저하됨에 따라, 스위칭 소자(Q1)의 온시간이 점차로 단축되어 발진이 정지 상태가 된다. 이에 따라, 입력 전원 전압의 저하시에, 온 듀티가 확대됨으로써, 오동작이 발생하는 것을 억제하여 낮은 입력 전원 전압까지 발진을 지속할 수 있고, 출력 전압의 유지 시간을 길게 할 수 있으며, 또한 긴 시간의 순간 정전에 대응할 수도 있다.
이와 같이, 발진 정지 동작시에는 입력 전원(Vin)의 전압 저하에 따라 제 1 구동 권선(T3)에 발생하는 전압이 저하되고, 이에 따라, 트랜지스터(Tr2)의 베이스 전류가 작아져 트랜지스터(Tr1)의 오프시간이 점차로 짧아져 간다. 그리고, 제 1 스위칭 소자(Q1)의 온시간이 점차로 단축되어 가며, 입력 전원 전압이 더 저하되면, 귀환 회로(F)의 제너 다이오드(Dz2)가 오프가 되어 발진이 정지한다.
도 5는 귀환 회로(F)의 구성도를 나타내고 있다. 또한, 도 6은 귀환 회로(F)의 다른 구성예를 나타내며, 도 7은 또 다른 구성예를 나타낸다.
도 5 및 도 7에 나타내는 귀환 회로에서는 커패시터(C3)를 형성하고 있기 때문에, 상술과 같이, 발진 정지시에 있어서 제 1 스위칭 소자(Q1)의 온시간을 점차로 단축하여 발진을 정지시키는 것이 가능하다. 또한, 이 커패시터(C3)는 정상 상태에 있어서는 트랜지스터(Tr2)를 보다 빨리 온(트랜지스터(Tr1)를 보다 빨리 오프)하도록 귀환량을 증가시키는 스피드 업 커패시터로서 기능한다. 또한, 다이오드(D2)는 저항(R3와 R4)의 저항 분압 회로에 의한 a점에서 기동시에 귀환 회로에 전류가 흘러 들어가는 것을 방지하여, 저항(R3와 R4)의 분압비만으로 기동 전압을 용이하게 결정할 수 있다. 또한, 제너 다이오드(Dz2)는 발진 정지 전압을 소정의 값으로 설정하기 위한 것으로, 이 제너 다이오드의 제너 전압에 의해 발진 정지 전압을 설정하는 자유도를 확대하는 것이 가능하다.
이상과 같이, 본 실시형태의 자려식 하프 브리지 컨버터에 있어서는, 입력 전원(Vin)의 전압이 천천히 상승한 경우라 하더라도, 제 1 스위칭 소자(Q1)를 급속히 턴 온해서 트랜스포머(T)의 1차 권선(T1)에 흐르는 전류의 변화율을 크게 하여, 제 1 구동 권선(T3)에 전압을 발생시켜 자려 발진 동작을 확실하게 개시할 수 있다. 또한, 정지시에 있어서는, 입력 전원 전압의 저하에 따라 스위칭 소자(Q1)의 온시간을 단축해 감으로써 오동작하는 것을 방지할 수 있다. 또한, 기동 정지 회로(B)는 고내압의 사이리스터나 다이악 등의 소자를 사용할 필요가 없다. 이 때문에 스위칭 전원 장치의 저코스트화를 도모할 수 있다. 또한, 도 12에 나타내는 바와 같은 스위칭 소자의 온때마다, 단락 방전되는 커패시터(C1)가 없기 때문에, 스위칭 손실이 저감된다.
또한, 도 1에 나타내는 자려식 하프 브리지 컨버터에서는 인덕터(L)를 별개 부품으로서 형성하고 있으나, 트랜스포머(T)가 갖는 누설 인덕터로 구성할 수 있다. 이에 따라, 부품수를 삭감할 수 있다. 또한, 제 1 스위칭 소자(Q1)와 제 2 스위칭 소자(Q2)에 전계 효과 트랜지스터를 사용함으로써, 이 전계 효과 트랜지스터가 갖는 기생 다이오드, 기생 용량을 다이오드(D1, D2) 및 커패시터(C1, C2)를 대신하여 사용할 수 있다. 이에 따라, 부품수를 삭감할 수 있다.
도 8은 상용 전원을 정류 평활하여 입력 전원(Vin)을 얻는 경우의 회로 블록도이다.
도 9는 본 발명의 다른 실시형태인 링잉 쵸크 컨버터의 회로도이다. 본 발명에 따른 기동 정지 회로(B)와 귀환 회로(F)는 도 1에 나타내는 자려식 하프 브리지 컨버터뿐만 아니라, 도 9에 나타내는 링잉 쵸크 컨버터에도 적용하는 것이 가능하다. 기동 정지 회로(B) 및 귀환 회로(F)의 동작은 자려식 하프 브리지 컨버터에서의 동작과 다른 점은 없다.
도 10은 본 발명의 또 다른 실시형태인 자려식 하프 브리지 컨버터의 회로도이다. 구성에 있어서, 도 1에 나타내는 회로 구성과 상이한 점은 저항(R1)에 직렬로 제너 다이오드(Dz4)를 접속한 것과, 저항(R3)에 직렬로 제너 다이오드(Dz3)를 접속한 것이다. 이 회로에서는 입력 전원(Vin)의 전압이 제너 다이오드(Dz3)가 온할 때까지 상승하지 않는 한 기동하지 않는다. 따라서, 잘못된 입력 전원이 접속되어 오동작하는 것을 방지할 수 있다. 또한, 트랜지스터(Tr1)에 베이스 전류를 공급하는 경로인 저항(R2)을, 제너 다이오드(Dz4)의 음극에 접속하고, 이 음극 전위를 입력 전압보다도 충분히 낮은 값으로 함으로써, 저항(R2)을 입력 전원에 접속하는 경우와 비교하여 저항(R2)의 값을 작게 할 수 있어, 손실을 저감할 수 있다. 또한, 트랜지스터(Tr1)가 온된 상태라 하더라도, 제너 다이오드(Dz4)의 제너 전위에 의해 저항(R2)을 경로로 하여 충분한 베이스 전류를 공급할 수 있다.
본 발명에 따르면, 기동시에 있어서는, 입력 전원 전압이 소정의 전압을 초과했을 때에 단숨에 제 1 스위칭 소자(Q1)를 턴 온하여 발진을 개시하기 때문에, 특히 입력 전원 전압이 완만히 상승하는 경우에 기동 불량이 되는 것을 방지할 수있다. 또한, 상기 소정의 전압을 적당한 값으로 설정함으로써, AC230V의 상용 전원으로 동작하도록 설계된 전원 장치에 잘못하여 AC100V의 상용 전원이 투입된 경우 등, 잘못된 전원 투입에 의해 일어날 가능성이 있는 오동작을 방지할 수도 있다. 입력 전원을 오프하여 발진을 정지시키고자 할 때에는 소정의 전압 이하가 되었을 때에 발진을 정지시킴으로써, 1차 전류 피크의 증가에 따른 트랜스포머의 포화나 온 듀티의 확대에 따른 오동작을 방지할 수 있다. 또한, 기동 기능과 발진 정지 기능을 1개의 기동 정지 회로에서 모두 갖음으로써, 각각 독립적으로 2개의 회로를 형성하는 경우와 비교하여 부품수를 삭감할 수 있다.
또한, 기동 정지 회로에 더하여 귀환 회로를 형성함으로써, 기동을 더욱 확실한 것으로 하고, 또한, 기동 전압과 정지 전압 사이에 히스테리시스 특성을 갖게 함으로써, 입력 전압의 채터링 발생이나, 순간 정전 등의 입력 전압의 변동이 불안정한 경우에 있어서의 오동작을 방지할 수 있으며, 기동을 더욱 확실한 것으로 할 수 있다. 또한, 발진 정지시에 있어서도, 오동작을 방지하여 확실하게 발진 정지시킬 수 있음과 동시에, 출력 전압의 유지 시간을 길게 할 수 있다.
본 발명은 특히, 트랜스포머의 1차 권선에 직렬로 커패시터가 접속되는 하프 브리지 컨버터에 있어서, 지금까지 기동 불량이 발생하기 쉬웠던 문제를 없앨 수 있다. 그리고, 고내압의 사이리스터나 다이악 등의 소자를 사용할 필요가 없으며, 또한, 기동 회로에 충방전되는 커패시터를 사용할 필요가 없기 때문에, 스위칭 전원 장치의 저코스트화, 고효율화 및 소형 경량화를 도모할 수 있다.

Claims (11)

  1. 입력 전원과 트랜스포머(T)의 1차 권선과 제 1 스위칭 소자(Q1)가 직렬로 접속되고, 트랜스포머(T)의 2차 권선에 정류 평활 회로가 접속되며, 1차 권선 전압에 실질적으로 비례하여 상기 제 1 스위칭 소자(Q1)를 온(on)시키는 전압을 발생시키는 제 1 구동 권선을 상기 트랜스포머(T)에 포함하고, 상기 제 1 스위칭 소자(Q1)를 온/오프 제어하여 자려(自勵) 발진하는 스위칭 전원 장치로서,
    상기 제 1 스위칭 소자(Q1)의 제어 단자와 소스 단자 사이에 접속된 스위치 수단과; 입력 전원 단자 사이의 입력 전원 전압을 검출해서 소정의 전압과 비교하여 상기 입력 전원 전압이 소정의 전압을 초과하는 것을 검출하면 상기 스위치 수단을 오프함으로써 상기 제 1 스위칭 소자(Q1)를 온하여 발진을 개시시키고, 상기 입력 전원 전압이 소정의 전압 이하인 것을 검출하면 상기 스위치 수단을 온함으로써 상기 제 1 스위칭 소자(Q1)를 오프하여 발진을 정지시키는 제어 회로;를 포함하는 기동 정지 회로를 구비한 것을 특징으로 하는 자려 발진식의 스위칭 전원 장치.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 제 1 구동 권선과 상기 기동 정지 회로의 제어 단자 사이에, 상기 스위치 수단을 오프하도록 상기 제 1 구동 권선의 출력 전압을 상기 제어 단자에 귀환시키는 귀환 회로를 형성한 것을 특징으로 하는 스위칭 전원 장치.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 스위치 수단을 제 1 트랜지스터로 구성하고, 상기 제어 회로를 제 1 트랜지스터의 제어 단자에 접속된 제 2 트랜지스터로 구성하며,
    상기 제 2 트랜지스터는 상기 입력 전원 전압이 소정의 전압을 초과하는 것을 검출하면 온하여 상기 제 1 트랜지스터를 오프함으로써 상기 제 1 스위칭 소자(Q1)를 온하여 발진을 개시시키고, 상기 입력 전원 전압이 소정의 전압 이하인 것을 검출하면 오프하여 상기 제 1 트랜지스터를 온함으로써 상기 제 1 스위칭 소자(Q1)를 오프하여 발진을 정지시키는 것을 특징으로 하는 스위칭 전원 장치.
  4. 제 3항에 있어서, 상기 제 2 트랜지스터는 베이스ㆍ이미터(emitter)간의 문턱값 전압과 상기 입력 전원 전압의 저항 분압 전압을 비교하여, 상기 저항 분압 전압이 상기 문턱값 전압을 초과하는지의 여부로, 상기 입력 전원 전압이 소정의 전압을 초과하는지의 여부 및 상기 입력 전원 전압이 소정의 전압 이하인지의 여부를 검출하는 것을 특징으로 하는 스위칭 전원 장치.
  5. 제 4항에 있어서, 상기 제 2 트랜지스터의 베이스ㆍ이미터 회로에 상기 베이스ㆍ이미터간 전압의 온도 특성을 보정하는 제너 다이오드(zener diode)를 접속한 것을 특징으로 하는 스위칭 전원 장치.
  6. 제 3항에 있어서, 상기 귀환 회로는 상기 제 1 구동 권선에 발생하는 전압을 상기 제 2 트랜지스터에 인가하는, 적어도 직렬로 접속된 저항과 다이오드를 포함하는 회로로 구성한 것을 특징으로 하는 스위칭 전원 장치.
  7. 제 3항에 있어서, 상기 귀환 회로는 상기 제 1 구동 권선에 발생하는 전압을 상기 제 2 트랜지스터에 인가하는, 적어도 직렬로 접속된 저항과 커패시터를 포함하는 회로로 구성한 것을 특징으로 하는 스위칭 전원 장치.
  8. 제 3항에 있어서, 상기 귀환 회로는 상기 제 1 구동 권선에 발생하는 전압을 상기 제 2 트랜지스터에 인가하는, 적어도 직렬로 접속된 다이오드와 저항과 제너 다이오드와, 상기 다이오드에 병렬로 접속된 커패시터를 포함하는 회로로 구성한 것을 특징으로 하는 스위칭 전원 장치.
  9. 제 1항에 기재된 스위칭 전원 장치의 구성에 더하여,
    상기 제 1 스위칭 소자(Q1)에 제 2 스위칭 소자(Q2)를 직렬로 접속하여 이 직렬 회로를 입력 전원에 병렬로 접속되도록 하고, 커패시터(C)와 인덕터(L)와 트랜스포머(T)의 1차 권선과의 직렬 회로의 한 단부가 상기 제 1 스위칭 소자(Q1)와 제 2 스위칭 소자(Q2)의 접속점에 접속되며, 상기 직렬 회로의 다른 단부가 입력 전원에 접속되고,
    상기 제 1 스위칭 소자에 병렬로 제 1 다이오드(D1)와 제 1 커패시터(C1)를 접속하며,
    상기 제 2 스위칭 소자에 병렬로 제 2 다이오드(D2)와 제 2 커패시터(C2)를접속하고,
    1차 권선 전압에 실질적으로 비례하여 상기 제 1 스위칭 소자(Q1)를 온시키는 전압을 발생시키는 상기 제 1 구동 권선과 함께, 1차 권선 전압에 실질적으로 비례하여 상기 제 2 스위칭 소자(Q2)를 온시키는 전압을 발생시키는 상기 제 2 구동 권선을 트랜스포머(T)에 형성하며,
    또한, 상기 제 1 및 제 2 스위칭 소자를 양 스위칭 소자가 함께 오프하는 기간을 사이에 두고 번갈아 온/오프하는 스위칭 제어 회로를 형성하여, 이에 따라 자려 발진하도록 한 것을 특징으로 하는 자려 발진식의 스위칭 전원 장치.
  10. 제 9항에 있어서, 상기 인덕터(L)로서 트랜스포머(T)가 갖는 누설 인덕터를 사용한 것을 특징으로 하는 스위칭 전원 장치.
  11. 제 9항에 있어서, 상기 제 1 스위칭 소자(Q1) 및 제 2 스위칭 소자로서 전계 효과 트랜지스터를 사용하고, 상기 전계 효과 트랜지스터의 기생 다이오드 및 기생 용량에 의해 상기 제 1, 제 2 다이오드 및 상기 제 1, 제 2 커패시터를 구성한 것을 특징으로 하는 스위칭 전원 장치.
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