KR20030096823A

KR20030096823A - 푸시풀-플라이백 컨버터

Info

Publication number: KR20030096823A
Application number: KR1020020033875A
Authority: KR
Inventors: 이재환; 배현용; 구영모
Original assignee: 단암전자통신주식회사
Priority date: 2002-06-18
Filing date: 2002-06-18
Publication date: 2003-12-31

Abstract

본 발명은 입력전압(Vin)을 소정 주기로 스위칭하여 안정화(regulation)된 출력전압(Vo)을 얻기 위한 컨버터(converter) 회로로서, 입력전압(Vin)이 인가되는 입력단, 권선수가 N1인 1차측과 권선수가 N2인 2차측을 가지며, 1차측이 상기 입력단에 연결되는 제1스위칭변압기와 제2스위칭변압기, 상기 제1, 제2스위칭변압기의 1차측 중, 입력단과 연결된 반대쪽에 연결되어 콘트롤신호에 의해 소정의 듀티비 (D)로 제1, 제2스위칭변압기에 인가되는 입력전압을 도통 또는 차단(on/off)하는 제1, 제2스위칭소자, 상기 제1스위칭소자가 도통(on)되면, 상기 제1스위칭변압기의 2차측에 1차측과는 반대극성의 전압(Vs1)이 유도되어 역바이어스에 의해 차단되는 제1단자가 연결된 제1다이오드와; 상기 제2스위칭변압기의 2차측에 이전상태와 반대극성의 전압(Vs2)이 유도되어 도통되는 제1단자가 연결된 제2다이오드, 상기 제1, 제2다이오드의 제2단자에 연결되어 제1, 제2스위칭변압기의 자화 인덕턴스로 인해 축적되었던 에너지를 출력하는데 있어 출력필터 역할을 하는 콘덴서, 상기 콘덴서를 통해 출력전압(Vo)이 출력되는 출력단으로 구성되는 푸시풀-플라이백 컨버터이다.

Description

푸시풀-플라이백 컨버터{Push-pull and flyback converter}

본 발명은 절연형 DC-DC 컨버터(SMPS : Switchmode Power Supply)에 관한 것으로서, 절연형 컨버터 중 푸시풀 (push-pull)방식과 플라이백(flyback)방식을 조합한 컨버터 회로에 관한 것이다.

도1은 일반적인 플라이백 컨버터(flyback converter)로서, 기본동작은 벅-부스트 컨버터(buck-boost(step-down/up) converter)와 동일하며, 기본 관계식은 아래와 같다.

Vo=(N2/N1)×D/(1-D)×Vin

상기의 수식은, 벅-부스트 컨버터의 관계식 Vo=D/(1-D)×Vin과 비교해 볼 때, 트랜스포머(transformer)의 1, 2차 권선비(N1, N2)만 추가된 형태라는 것을 알 수 있다. 여기서, 추가된 트랜스포머는 입, 출력을 절연시키는 고유의 역할 뿐 아니라, 동시에 출력측 필터의 인덕터 역할도 겸하게 된다.

이하, 도1을 참조하여 종래의 플라이백 컨버터의 회로구성을 설명한다.

도1에 나타난 바와같이, 플라이백 컨버터는 일종의 온/오프(on/off) 방식의 컨버터로서, 스위치 Q1(7)이 도통(on)되면, 트랜스포머(11)의 1차 권선(N1)으로 전류가 흘러 1차측(N1)으로 입력단(2)으로부터 입력전압(Vin)이 유도된다. 한편, 트랜스포머(11) 2차 권선(N2)에는 흑점의 방향에 의해 1차측(N1)과는 반대극성의 전압이 유도되므로, 다이오드 D1(15)은 역바이어스(역방향전압)되어 차단된다. 따라서, 트랜스포머(11) 2차 권선(N2)에는 전류가 흐르지 않게 되고, 1차 권선(N1)에만 전류가 흘러 1차 권선(N1)의 자화 인덕턴스에 에너지가 축적된다.

한편, 스위치 Q1(7)이 차단(off)되면, 트랜스포머(11)의 2차 권선(N2)에는 이전상태(Q1의 on상태)와는 반대 극성의 전압이 유도되어 다이오드 D1(15)을 도통시킴으로써, 트랜스포머(11)의 자화 인덕턴스에 축적된 에너지가 출력 커패시터 (18)를 통해 출력단(4)으로 방출된다.

그러나, 실제로 대부분의 플라이백 컨버터의 동작은 듀티(duty) 50% 이하의 불연속모드에서 동작하기 때문에, 효율이 낮고 출력측의 노이즈(noise, 예를 들어ripple/spike)가 크고 저용량 설계에 국한되어 있는 문제점을 갖고 있다.

본 발명의 목적은 상기에서 설명한 종래기술의 문제점을 보완하기 위한 것으로서, 기존에 사용되는 플라이백 컨버터의 방식을 응용한 것으로 푸시풀(push- pull) 방식과 플라이백(flyback) 방식을 조합하여, 고효율, 저잡음을 요구하는 안정된 전원공급장치에 사용할 수 있는 컨버터를 제공함에 있다.

도1은 종래의 일반적인 플라이백 컨버터 회로 구성도.

도2는 본 발명에 따른 푸시풀-플라이백 컨버터 회로 구성도.

도3a는 본 발명의 제1스위칭소자가 도통된 경우의 회로 구성도.

도3b는 본 발명의 제2스위칭소자가 도통된 경우의 회로 구성도.

도4는 본 발명의 컨버터 회로의 동작에 따른 주요부분 파형도.

<도면부호의 설명>

입력단(2), 출력단(4), 스위칭소자(6, 7, 8), 스위칭변압기(10, 11, 12), 다이오드(14, 15, 16), 커패시터(18), 그라운드(20), PWM제어부(22)

구성

본 발명은 입력전압(Vin)을 소정 주기로 스위칭하여 안정화(regulation)된 출력전압(Vo)을 얻기 위한 푸시풀(push-pull)방식과 플라이백(flyback)방식을 조합한 절연형 DC-DC 컨버터(converter) 회로로서, 도2를 참조하여 전체적인 회로구성을 설명한다.

본 발명에 따른 컨버터는 입력전압(Vin)이 인가되는 입력단(2),

권선수가 N1인 1차측과 권선수가 N2인 2차측을 가지며, 1차측이 상기 입력단 (2)에 연결되는 제1스위칭변압기(10)와; 권선수가 N1인 1차측과 권선수가 N2인 2차측을 가지며, 1차측이 상기 입력단(2)에 연결되는 제2스위칭변압기(12),

상기 제1스위칭변압기(10)의 1차측 중, 입력단(2)과 연결된 반대쪽에 연결되어 콘트롤신호에 의해 소정의 듀티비(D)로 제1스위칭변압기(10)에 인가되는 입력전압을 도통 또는 차단(on/off)하는 제1스위칭소자(6)와; 상기 제2스위칭변압기(12)의 1차측 중, 입력단(2)과 연결된 반대쪽에 연결되어 콘트롤신호에 의해 소정의 듀티비(D)로 제2스위칭변압기(12)에 인가되는 입력전압을 도통 또는 차단(on/off)하는 제2스위칭소자(8),

상기 제1스위칭소자(6)가 도통(on)되면, 상기 제1스위칭변압기(10)의 2차측 (N2)에 1차측(N1)과는 반대극성의 전압(Vs1)이 유도되어 역바이어스에 의해 차단되는 제1단자가 연결된 제1다이오드(14)와; 상기 제2스위칭변압기(12)의 2차측(N2)에 이전상태와 반대극성의 전압(Vs2)이 유도되어 도통되는 제1단자가 연결된 제2다이오드(16),

상기 제1다이오드(14)의 제2단자와 제2다이오드(16)의 제2단자에 연결되어 제1스위칭변압기(10) 또는 제2스위칭변압기(12)의 자화 인덕턴스로 인해 축적되었던 에너지를 출력하는데 있어 출력필터 역할을 하는 콘덴서(18),

상기 콘덴서(18)를 통해 출력전압(Vo)이 출력되는 출력단(4)으로 구성되며, 상기 제1스위칭소자(6) 및 제2스위칭소자(8) 그리고, 출력단(4)에 연결되어 안정화된 출력전압을 얻기 위한 PWM(Pulse Width Modulation) 제어부(22)를 포함한다.

그리고, 상기에서 설명한 제1다이오드(14) 및 제2다이오드(16)의 제1단자는 애노드(양극)이고, 제2단자는 캐소드(음극)이다.

동작

이하, 도2를 참조하여 본 발명의 제1, 제2스위칭소자의 동작(on/off)에 따른 컨버터 회로의 동작을 설명한다.

도2에서 보는 바와 같이, 제1스위칭소자(6)가 도통(on)되면, 제1스위칭변압기(10)의 2차 권선(N2)에 1차측(N1)과는 반대극성의 전압(Vs1)이 유도되어 제1다이오드(14)는 역바이어스에 의해 차단된다. 따라서, 제1스위칭변압기(10)의 1차 권선 (N1)에만 전류가 흐르며, 2차 권선(N2)에는 전류가 흐르지 않게 된다. 반면, 제2스위칭변압기(12)의 2차 권선(N2)에는 1차측(N1)의 제2스위칭소자(8)의 상태가 ON -> Dead Time(지연시간) -> OFF 이기 때문에, 이전상태(Q2의 ON상태)와는 반대극성의 전압(Vs2)이 2차측(N2)에 유도되어 제2다이오드(16)가 도통된다. 따라서, 제2스위칭변압기(12)에 자화 인덕턴스로 인해 축적되어 있던 에너지는 출력필터 역할을 하는 커패시터(18)를 통해 출력단(4)으로 출력된다.

그리고, 제1스위칭소자(6)가 도통된 후 차단(off)되고 제2스위칭소자(8)가 도통(on)되면, 제1스위칭변압기(10)의 2차 권선(N2)에는 이전상태(Q1의 ON상태)와는 반대극성의 전압(Vs1)이 유도되어 제1다이오드(14)가 도통된다. 따라서, 제1스위칭변압기(10)에 자화 인덕턴스로 인해 축적되어 있던 에너지는 출력필터 역할을 하는 커패시터(18)를 통해 출력단(4)으로 출력된다. 반면, 제2스위칭소자(8)는 제1의 휴지기간(Td1 : Dead Time, 도4 참조)을 지난 후, on 되어 제2스위칭변압기(12)의 1차측(N1)에는 자화 인덕턴스에 의해 에너지가 축적되고, 2차 권선(N2)에는 1차측 (N1)과는 반대극성의 전압(Vs2)이 유도되어 역바이어스에 의해 제2다이오드(16)가 차단된다.

이와같이, 본 발명에 따른 컨버터의 회로동작 과정은 제1의 휴지기간 및 제2의 휴지기간(Td2, 도4 참조)을 지난 후, 다시 제1스위칭소자(6)의 on 동작의 반복과정으로 이루어진다.

본 발명에서는 안정화(regulation)된 출력전압(Vo)을 얻기 위해, 제1스위칭소자(6)와 제2스위칭소자(8), 출력단(4)에 PWM제어부(22)를 연결하였다. PWM제어부 (22)는 출력전압을 안정화시켜줄 수 있는 대표적인 부궤환제어회로로서, PWM제어부 (22)의 회로 구성 및 동작은 당업자에게 알려진 바와 같다.

여기서, 본 발명의 제1, 제2스위칭소자의 동작(on/off)에 따른 관계식을 도3a 및 3b를 참조하여 설명한다.

도3a에서 보는 바와 같이, 본 발명에 따른 제1스위칭소자(6)가 도통(on)되고, 제2다이오드(16)가 도통되었을 때의 출력되는 전압(Vo)은 아래와 같은 수학식1로 계산된다.

상기의 수식에서, D는 한 주기(T)에 대한 스위칭소자의 도통시간(DT)의 비로 표현되는 시비율(Duty Ratio : D)이며, Ns1/Np1은 제1스위칭변압기의 권선비이다.

또한, 도3b에서 보는 바와 같이, 제2스위칭소자(8)가 도통(on)되고, 제1다이오드(14)가 도통되었을 때의 출력되는 전압(Vo)은 아래의 수학식2로 계산된다.

상기의 수식에서, D는 한 주기(T)에 대한 스위칭소자의 도통시간(DT)의 비로 표현되는 시비율(Duty Ratio : D)이며, Ns2/Np2는 제2스위칭변압기의 권선비이다.

상기의 수학식1과 수학식2에서 알 수 있는 바와 같이, 입력단(2)에서 출력단 (4)으로 유도된 전압(Vs1, Vs2)은 제1, 제2다이오드(14, 16)를 통해 출력단(4)에 서로 교번으로 나타나고, 실제 출력단(4)의 주파수는 입력 주파수의 2배로 나타난다. 또한, 스위칭변압기의 2차 권선수도 기존 방식의 반으로 줄어든다.

도4는 본 발명에 따른 컨버터 회로의 동작실험에 따른 주요부분의 파형도이다.

본 발명에 따른 푸시풀-플라이백 컨버터에 따르면, 고전압/고전류 출력을 요구하는 전원장치에 광범위하게 적용할 수 있으며, 고효율/저잡음의 안정된 전압을 요구하는 전원공급장치에 사용하여 좋은 효과를 기대할 수 있다.

Claims

입력전압(Vin)을 소정 주기로 스위칭하여 안정화(regulation)된 출력전압 (Vo)을 얻기 위한 컨버터(converter) 회로로서,

입력전압(Vin)이 인가되는 입력단,

권선수가 N1인 1차측과 권선수가 N2인 2차측을 가지며, 1차측이 상기 입력단에 연결되는 제1스위칭변압기와; 권선수가 N1인 1차측과 권선수가 N2인 2차측을 가지며, 1차측이 상기 입력단에 연결되는 제2스위칭변압기,

상기 제1스위칭변압기의 1차측 중, 입력단과 연결된 반대쪽에 연결되어 콘트롤신호에 의해 소정의 듀티비(D)로 제1스위칭변압기에 인가되는 입력전압을 도통 또는 차단(on/off)하는 제1스위칭소자와; 상기 제2스위칭변압기의 1차측 중, 입력단과 연결된 반대쪽에 연결되어 콘트롤신호에 의해 소정의 듀티비(D)로 제2스위칭변압기에 인가되는 입력전압을 도통 또는 차단(on/off)하는 제2스위칭소자,

상기 제1스위칭소자가 도통(on)되면, 상기 제1스위칭변압기의 2차측에 1차측과는 반대극성의 전압(Vs1)이 유도되어 역바이어스에 의해 차단되는 제1단자가 연결된 제1다이오드와; 상기 제2스위칭변압기의 2차측에 이전상태와 반대극성의 전압 (Vs2)이 유도되어 도통되는 제1단자가 연결된 제2다이오드,

상기 제1다이오드의 제2단자와 제2다이오드의 제2단자에 연결되어 제1스위칭변압기 또는 제2스위칭변압기의 자화 인덕턴스로 인해 축적되었던 에너지를 출력하는데 있어 출력필터 역할을 하는 콘덴서,

상기 콘덴서를 통해 출력전압(Vo)이 출력되는 출력단으로 구성되며,

상기 제1스위칭소자 및 제2스위칭소자, 출력단에 연결되어 안정화된 출력전압을 얻기 위한 PWM제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 푸시풀-플라이백 컨버 터.
청구항 1에 있어서, 상기 제1스위칭소자가 차단(off)되면,

제1다이오드는 제1스위칭변압기의 2차측에 이전상태와 반대극성의 전압(Vs1)이 유도되어 도통되며, 제2다이오드는 제2스위칭변압기의 2차측에 1차측과는 반대극성의 전압(Vs2)이 유도되어 역바이어스에 의해 차단되는 것을 특징으로 하는, 푸시풀-플라이백 컨버터.
청구항 1에 있어서, 상기 제1스위칭소자가 도통(on)되었을 때, 출력되는 전압은으로 계산되는 것을 특징으로 하는, 푸시풀-플라이백 컨버터.
청구항 2에 있어서, 상기 제2스위칭소자가 도통(on)되었을 때, 출력되는 전압은으로 계산되는 것을 특징으로 하는, 푸시풀-플라이백 컨버터.
청구항 1 또는 2에 있어서, 상기 제1다이오드 및 제2다이오드의 제1단자는 애노드(양극)이고, 제2단자는 캐소드(음극)인 것을 특징으로 하는, 푸시풀-플라이백 컨버터.