KR20060080893A - 공진형 전원 장치 - Google Patents

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산켄덴키 가부시키가이샤
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Abstract

공진형 전원 장치는 DC 전원의 양단에 연결된 스위칭 소자(QL, QH)의 직렬 회로, 스위칭 소자(QL, QH)의 양단에 연결된 공진 전류 커패시터, 공진 리액터 및 트랜스포머의 일차 권선의 직렬회로, 이차 권선의 전압을 정류 및 평활하는 정류/평활회로, 정류/평활회로에서의 출력전압에 따라서 스위칭 소자(QL, QH)를 교대로 온/오프하는 펄스비 제어기, 및 트랜스포머의 일차측에서 이차측으로 에너지가 전달되는 기간을 검출하는 공진기간 검출기를 갖는다. 펄스비 제어기는, 공진기간 검출기로부터의 신호에 따라서 스위칭 소자의 온 기간을 결정하고, 정류/평활회로에서의 신호에 따라서 스위칭 소자(QH)의 온 기간을 결정한다.

Description

공진형 전원 장치{Resonant Power Source Apparatus}
도 1은 종래 기술에 따른 공진형 전원 장치를 나타내는 회로도이다.
도 2는 도 1의 공진형 전원 장치의 여러 부분에서의 신호를 나타내는 타이밍도이다.
도 3은 다른 종래 기술에 따른 공진형 전원 장치를 나타내는 회로도이다.
도 4는 본 발명의 제1 실시예에 따른 공진형 전원 장치를 나타내는 회로도이다.
도 5 및 도 6은 다른 입력 전압을 갖는 제1 실시예의 공진형 전원장치의 여러 부분에서의 신호를 나타내는 타이밍도이다.
도 7은 제1 실시예의 공진형 전원 장치에 배치된 공진기간 검출기의 일 예를 나타내는 회로도이다.
도 8은 도 7의 공진기간 검출기의 여러 부분에서의 신호를 나타내는 타이밍도이다.
도 9a는 변동하는 공진 전류 커패시터 및 공진 리액터를 갖는, 종래 기술에 따르는 공진 전류 파형을 나타내는 그래프이다.
도 9b는 변동하는 공진 전류 커패시터 및 공진 리액터를 갖는, 본 발명의 제1 실시예에 따르는 공진 전류 파형을 나타내는 그래프이다.
도 10은 동조기를 갖는 제어기를 포함하는 본 발명의 제2 실시예에 따르는 공진형 전원장치를 부분적으로 나타내는 회로도이다.
도 11은 제2 실시예의 공진형 전원 장치의 여러 부분에서의 신호를 나타내는 타이밍도이다.
본 발명은 고효율, 저잡음 및 저비용의 공진형 전원 장치에 관한 것이다.
도 1은 종래 기술에 따른 공진 전류형 전원 장치를 나타낸다. 도 1에서, DC 전원(1)의 양단은 스위칭 소자(QH)로서의 MOSFET와 스위칭 소자(QL)로서의 MOSFET로 구성된 직렬 회로에 연결되어 있다. 스위칭 소자(QL)의 일단은 DC 전원(1)의 양(+)극에 연결되어 있다. 스위칭 소자(QL)의 일단은 DC 전원(1)의 음(-)극에 연결되어 있다.
스위칭 소자(QH)는 다이오드(D2)와 병렬로 연결되어 있다. 스위칭 소자(QL)는 다이오드(D1)와 병렬로 연결되어 있다. 스위칭 소자(QH)는 공진 전압 커패시터(Crv)와 병렬로 연결되어 있다.
공진 전압 커패시터(Crv)는 공진 전류 커패시터(Cri), 공진 리액터(Lr), 및 트랜스포머(T)의 일차 권선(P1)으로 구성된 공진 전류 회로와 병렬로 연결되어 있다. 공진 전압 커패시터(Crv), 공진 전류 커패시터(Cri), 공진 리액터(Lr) 및 트랜스포머(T)의 일차 권선(P1)은 공진 회로를 형성한다.
공진 리액터(Lr)는 트랜스포머(T)의 누설 인덕턴스일 수 있다. 공진 전압 커패시터(Crv)는 스위칭 소자(QH)의 기생 용량일 수 있다. 스위칭 소자(QH)에 병렬로 연결된 다이오드(D2)는 스위칭 소자(QH)의 기생 다이오드일 수 있다. 스위칭 소자(QL)에 병렬로 연결된 다이오드(D1)는 스위칭 소자(QL)의 기생 다이오드일 수 있다.
트랜스포머(T)의 일차 권선(P1) 및 이차 권선(S)은 동상 전압을 생성하도록 감겨진다. 트랜스포머(T)의 이차 권선(S)은 정류기(D0)와 평활 커패시터(Co)로 구성된 정류/평활회로에 연결되어 있다. 정류/평활회로는 트랜스포머(T)의 이차 권선(S)에 의해 유도된 전압(온오프 제어된 펄스 전압)을 정류 및 평활하여, 부하(4)에 대하여 DC 출력을 공급한다.
평활 커패시터(Co)의 양단은 출력 전압 검출기(5)에 연결되어 있다. 출력 전압 검출기(5)는 평활 커패시터(Co)의 출력 전압을 검출하고, 검출된 전압과 기준 전압 사이의 차이를 나타내는 에러 전압 신호를 생성하고, 에러 전압 신호를 포토 커플러(PC)를 통하여 펄스비 제어기(PRC)(2)에 공급한다. 에러 전압 신호에 의거해서, 펄스비 제어기(2)는, 펄스의 온(ON) 듀티비를 제어하기 위해 펄스비 제어신호를 생성한다. 펄스비 제어신호는 부하에 대하여 일정 전압을 유지하도록 스위칭 소자(QH, QL)를 교대로 온/오프하기 위해 하이측 드라이버(3)에 의해 사용된다. 스위칭 소자(QH, QL)를 교대로 온/오프하기 위해, 스위칭 소자(QH, QL)의 게이트에 전압이 인가된다.
상기 서술된 구성의 공진형 전원 장치의 동작을 도 2의 타이밍도를 참조하여 설명한다.
스위칭 소자(QL)의 온 기간은 공진 전류 커패시터(Cri) 및 공진 리액터(Lr)로 구성된 공진 회로의 공진 주파수의 절반 기간에 대하여 적당한 마진을 갖고 주어진 시간 폭으로 설정된다. 스위칭 소자(QH)의 온 기간은 출력전압 검출기(5)로부터의 에러 전압신호에 따라서 결정된다.
도 2에서, VQL은 스위칭 소자(QL)의 단자 전압이고, IQL은 스위칭 소자(QL)를 통해 흐르는 전류이고, IP1은 일차 권선(P1)을 통해 흐르는 전류이고, VS는 이차 권선(S)의 단자 전압이고, ID0는 정류기(D0)를 통해 흐르는 전류이다. 공진 리액터(Lr)는 일차 권선(P1)의 여기 인덕턴스(Lp)보다 충분히 작고, 공진 전압 커패시터(Crv)는 공진 전류 커패시터(Cri)보다 충분히 작다.
기간(T1)에서, 스위칭 소자(QH)는 오프이고, 스위칭 소자(QL)는 온에서 오프로 변화한다. 공진 리액터(Lr)와 트랜스포머(T)의 여기 인덕턴스(Lp)에 축적된 에너지는 공진 리액터(Lr)와 여기 인덕턴스(Lp)로부터 공진 전압 커패시터(Crv), 공진 전류 커패시터(Cri) 및 일차 권선(P1)으로 흐르는 공진 전류(IP1)를 생성한다. 트랜스포머(T)의 여기 인덕턴스(Lp), 공진 리액터(Lr), 및 공진 전압 커패시터(Crv)는 공진되어 공진 전압 커패시터(Crv)를 방전한다. 그 결과, 전압(VQH)은 감소하고, 전압(VQL)은 증가한다.
기간(T2)에서, 스위칭 소자(QL 및 QH)는 오프이다. 공진 전압 커패시터(Crv)는 방전을 완료하고, 전압(VQH)은 0이고, 전압(VQL)은 DC 전원(1)의 단자 전압과 같다. 공진 전류(IP1)는 공진 리액터(Lr), 다이오드(D2), 공진 전류 커패시터(Cri) 및 일차 권선(P1)을 따라서 통하는 경로를 통하여 시계방향으로 계속해서 흐른다. 스위칭 소자(QH)가 온이 될 때, 기간(T3)이 시작한다. 기간(T3)에서, 스위칭 소자(QH)는 온이고, 스위칭 소자(QL)는 오프이다. 전류(IP1)는 감소하고, 공진 리액터(Lr), 스위칭 소자(QH), 공진 전류 커패시터(Cri) 및 일차 권선(P1)을 따라서 통하는 경로를 통하여 시계방향으로 계속해서 흐른다. 이 전류가 0이 될 때, 기간(T4)은 시작된다.
기간(T4)에서, 스위칭 소자(QH)는 온이고, 스위칭 소자(QL)는 오프이다. 전류(IP1)의 방향은 반대이다. 즉, 공진 전류(IP1)는 일차 권선(P1), 공진 전류 커패시터(Cri), 스위칭 소자(QH) 및 공진 리액터(Lr)를 통하여 반시계방향으로 통과하여, 트랜스포머(T)의 자속(magnetic flux)을 리셋한다.
기간(T1 ∼ T4)에서, 트랜스포머의 여기 인덕턴스(Lp), 공진 리액터(Lr), 및 공진 전류 커패시터(Cri)는 공진되어 전류(IP1)를 흐르게 한다.
기간(T5)에서, 스위칭 소자(QH)는 오프가 되고, 스위칭 소자(QL)는 오프이다. 트랜스포머(T)의 일차 권선(P1)의 전류(IP1)는 일차 권선(P1), 공진 전류 커패시터(Cri), 공진 전압 커패시터(Crv), 공진 리액터(Lr) 및 일차 권선(P1)을 따라서 통하는 경로를 통하여 반시계방향으로 흐르는 공진 전류이다. 트랜스포머(T)의 여기 인덕턴스(Lp), 리액터(Lr), 및 공진 전압 커패시터(Crv)는 공진되어 공진 전압 커패시터(Crv)를 충전하여, 전압(VQH)을 증가시키고, 전압(VQL)을 감소시킨다.
기간(T6)에서, 스위칭 소자(QL 및 QH)는 오프이다. 공진 전압 커패시터(Crv)는 DC 전원(1)의 전압으로 충전되고, 전압(VQH)은 DC 전원(1)의 전압과 같게 되고, 전압(VQL)은 0이 된다. 그 결과, 공진 전류(IP1)는 일차 권선(P1), 공진 전류 커패시터(Cri), DC 전원(1), 다이오드(D1) 및 리액터(Lr)를 통하여 반시계방향으로 계속해서 통과한다.
기간(T7)에서, 스위칭 소자(QL)는 온이 되고, 스위칭 소자(QH)는 오프이다. 공진 전류(IP1)는 일차 권선(P1), 공진 전류 커패시터(Cri), DC 전원(1), 스위칭 소자(QL) 및 공진 리액터(Lr)를 따라서 통하는 경로를 통하여 반시계방향으로 계속해서 흐른다. 기간(T5 ∼ T7)에서, 트랜스포머(T)의 여기 인덕턴스(Lp), 공진 리액터(Lr), 및 공진 전류 커패시터(Cri)는 공진되어 전류(IP1)(스위칭 소자(QL)의 전류(IQL))를 흐르게 한다.
기간(T8)에서, 스위칭 소자(QL)는 온이고, 스위칭 소자(QH)는 오프이다. 전류(IP1)는 일차 권선(P1), 공진 전류 커패시터(Cri), DC 전원(1), 스위칭 소자(QL) 및 공진 리액터(Lr)를 따라서 통하는 경로를 통하여 반시계방향으로 계속해서 흐른다. 전류(ID0)는 이차측에서 정류기(D0)를 통하여 흐르는 것을 시작한다.
기간(T9)에서, 스위칭 소자(QL)는 온이고, 스위칭 소자(QH)는 오프이다. DC 전원(1)으로부터의 전류(IP1)는 공진 전류 커패시터(Cri), 일차 권선(P1), 스위칭 소자(QL)를 따라서 통하는 경로를 통하여 흐른다. 전류(ID0)는 이차측에서 정류기(D0)를 통하여 계속해서 흐른다.
기간(T8, T9)에서, 공진 리액터(Lr) 및 공진 전류 커패시터(Cri)는 공진되어 전류(IP1)(스위칭 소자(QL)의 전류(IQL)와 같다)를 흐르게 한다. 기간(T8, T9)에서, 에너지는 트랜스포머(T)의 일차 권선(P1)에서 이차 권선(S)으로 전달된다. 이 때, 일차측에서 이차측으로 흐르는 전류(ID0)는 시간을 경과하면서 커브를 따라서 증가한다. 특정 점에서, 전류(ID0)는 감소하기 시작하고, 공진 기간(t1)(기간(T6 ∼ T9)에 대응하는)후에 0이 된다. 이차측으로 전달되는 에너지는 정류기(D0) 및 평활 커패시터(Co)를 통해서 정류되고 평활되므로, DC 전원이 부하(4)에 공급된다.
기간(T10)에서, 스위칭 소자(QL)는 온이고, 스위칭 소자(QH)는 오프이다. DC 전원(1)에 의해 공급된 전류(IP1)(스위칭 소자(QL)의 전류(IQL)와 동일)는 공진 전류 커패시터(Cri), 일차 권선(P1), 공진 리액터(Lr) 및 스위칭 소자(QL)를 통해서 흐르는 경로를 통하여 흐른다. 전류(ID0)는 정지한다. 기간(T10)에서, 트랜스포머(T)의 여기 인덕턴스(Lp), 공진 리액터(Lr) 및 공진 전류 커패시터(Cri)는 공진되어 전류(IP1)(스위칭 소자(QL)의 전류(IQL)와 동일)를 흐르게 한다. 기간(T10)(발진 주파수 또는 듀티비에 의해 결정된 기간(t2)에 대응하는) 후, 스위칭 소자(QL)는 오프가 되고, 스위칭 소자(QH)는 온이 되어 리셋 기간(t3)(기간(T1 ∼ T5)에 대응하는)을 시작한다.
스위칭 소자(QL)가 이차측으로 에너지를 전달하기 위해 기간(t1)에서 오프되면, 비영전류(no zero current) 스위칭이 행해지므로, 정류기(D0)는 리커버리(recovery) 노이즈가 스위칭 소자(QL)의 스위칭 노이즈를 증가시키고 스위칭 손실을 증가시키게 한다.
이 문제를 방지하기 위해, 스위칭 소자(QL)의 온 기간은 공진 전류 커패시터(Cri) 및 공진 리액터(Lr)의 변동으로 인해 기간(t1)에서 변동을 커버하기 위해 충분한 마진을 가진다. 즉, t1 + t2의 온 기간은 충분히 길어야 한다.
기간(t2)이 너무 길다면, 전류(IP1)의 유효값이 증가하여 손실을 증가시킨다. 또한, 트랜스포머(T)의 일차측에 전압을 인가하는 기간은 연장되어, 트랜스포머(T)의 손실을 증가시킨다. 손실은 이차측에 에너지를 공급하기 위한 원래의 목적에 부적절하므로, 바람직하지 않다. 또한, 손실은 전원 장치의 효율을 악화시킨다.
이 문제를 해결하기 위해, 일본 미심사 특허 출원 공개 번호 JP7-63216(일본특허번호 2042563)은 직렬 공진 컨버터를 개시한다. 도 3은 컨버터를 나타낸다. 컨버터는 2개의 스위칭 소자(102, 103)의 직렬 회로, 2개의 정류기(104, 105)의 직렬 회로, 및 2개의 커패시터(106, 107)의 직렬 회로를 포함한다. 이들 직렬 회로들은 DC 전원(101)에 연결된다. 정류기(104, 105) 사이의 노드는 커패시터(106, 107) 사이의 노드에 연결된다. 정류기(104, 105) 사이의 노드와 스위칭 소자(102, 103) 사이의 노드는 트랜스포머(108)의 일차권선과 리액터(109)의 직렬 회로에 연결된다. 트랜스포머(108)의 이차 권선은 정류기(110)와 출력 커패시터(111)에 연결된다. 트랜스포머 전압 검출기(130)는 트랜스포머(108)의 이차 권선의 전압을 검출한다. 논리 회로(150)는 트랜스포머 전압 검출기(130)의 출력과 스위칭 소자를 제어하는 구동 신호를 비교하고, 트랜스포머(108)가 전압을 발생하는 기간 동안 스위칭 소자(102, 103)를 온시키고, 트랜스포머(108)의 전압이 없어진 후 스위칭 소자(102, 103)를 오프시킨다.
이차측에 에너지를 공급하는 기간이 끝날 때 직렬 공진 컨버터는 트랜스포머에 인가된 전압을 0으로 함으로써, 이차측 권선에 의해 유도된 전압을 0으로 한다.
도 3의 직렬 공진 컨버터는, 그러나, 트랜스포머 전압 검출기(130)의 출력과 스위칭 소자를 제어하는 구동 신호를 비교하는 논리 회로(150)를 가져야만 하므로, 복잡하고, 트랜스포머(108)가 전압을 발생한 기간 동안 스위칭 소자(102, 103)를 온시키고, 트랜스포머(108)의 전압이 없어진 후 스위칭 소자(102, 103)를 오프한다.
한편, 도 1의 전원 장치는, 트랜스포머(T)의 일차 권선(P1)의 전압(VP1)이 기간(t1)의 끝에서 0에 이르지 못하는 문제를 가지므로, 전압을 검출하는 보조 권선을 간단히 제공하는 것은 에너지가 일차측에서 이차측으로 공급되는 기간을 정확히 검출하기에 불충분한다.
이차측에서 검출된 신호는 절연되어야 하고, 일차측에 있는 제어기에 전달되어야 하므로, 이차 권선의 전압을 이용하여 에너지 공급 기간을 검출하는 것은 복잡한 회로를 필요로 한다.
본 발명에 따르면, 고효율, 저잡음, 저비용 및 간단한, 예를 들면, 에너지가 트랜스포머의 일차측에서 이차측으로 전달되는 기간을 검출하여 스위칭 노이즈 및 스위칭 손실을 감소할 수 있는 공진형 전원 장치가 제공된다.
본 발명의 제1 기술적인 양태는 DC 전원의 양단에 연결되거나, 또는 AC 전원의 AC 전압을 정류하는 입력 회로의 출력단에 연결된 제1 및 제2 스위칭 소자의 제1 직렬 회로; 상기 제1 및 제2 스위칭 소자 중 하나의 양단에 연결되고, 공진 커패시터, 공진 리액터 및 트랜스포머의 일차 권선의 제2 직렬회로;상기 트랜스포머의 이차 권선의 전압을 정류 및 평활하는 정류/평활회로; 상기 정류/평활회로의 출력전압에 따라서 상기 제1 및 제2스위칭 소자를 교대로 온/오프하도록 구성된 제어기; 및 상기 트랜스포머의 일차측에서 이차측으로 에너지가 전달되는 기간을 검출하도록 구성된 공진기간 검출기를 구비하는 공진형 전원 장치를 제공한다. 상기 제어기는, 상기 공진기간 검출기의 신호에 따라서 상기 제1 스위칭 소자의 온 기간을 결정하고, 상기 정류/평활회로에서의 신호에 따라서 상기 제2 스위칭 소자의 온 기간을 결정한다.
본 발명의 제2 기술적인 양태는 상기 트랜스포머의 일차측으로부터 이차측에 에너지를 전달시키기 위해 상기 제1 및 제2 스위칭 소자 중 하나가 온으로 된 후 소정의 기간 동안, 상기 공진기간 검출기로부터 상기 제어회로에 공급되는 신호를 디스에이블시키도록 구성된 마스크부를 공진형 전원장치에 설치한다.
본 발명의 실시예들에 따르는 공진형 전원장치를 도면을 참조해서 상세하게 설명한다.
제1 실시예
도 4는 본 발명의 제1 실시예에 따른 공진형 전원장치를 나타내는 회로도이다. 도 1의 공진형 전원장치와 비교하면, 도 4의 공진형 전원장치는 보조 권선(P2) 및 공진기간 검출기(12)를 부가적으로 갖는다.
보조 권선(P2)은 트랜스포머(Ta)에 대해서 설치되고, 이차 권선(S)에 밀결합(tightly coupled)된다. 공진기간 검출기(12)는, 트랜스포머(Ta)의 보조 권선의 전압에 따라서, 에너지가 트랜스포머(Ta)의 일차측에서 이차측으로 전달되는 기간을 검출하고, 공진 기간 검출 신호를 펄스비 제어기(2a)에 공급한다.
펄스비 제어기(PRC)(2a)는 출력 전압 검출기(5)에서 검출된 전압을 수신하고, 스위칭 소자(QL, QH)를 교대로 온/오프 전환하도록 펄스비제어를 행함으로써, 부하(4)에 대해서 일정한 전압을 유지한다. 펄스비 제어는 스위칭 소자의 오프 폭을 고정하고 그 온폭을 변화시키거나, 스위칭 소자의 온폭을 고정시키고 그 오프폭을 변화시킨다.
펄스비 제어기(2a)는 또한 공진기간 검출기(12)로부터 수신된 공진 기간 검출 신호에 따라서, 에너지가 트랜스포머(Ta)의 일차측에서 이차측으로 전달되는 기간 동안, 스위칭 소자(QL)에 대해서 온상태를 유지하고, 스위칭 소자(QH)에 대하여 오프 상태를 유지한다. 펄스비 제어기(2a)는 공진기간 검출기(12)로부터의 신호에 따라서 스위칭 소자(QL)의 온 기간을 결정하고, 출력 전압 검출기(5)로부터의 신호에 따라서 스위칭 소자(QH)의 온 기간을 결정한다. 도 4의 다른 부분은 도 1과 동일하고, 동일 부분은 동일 도면 부호로 표시되므로 그 설명을 생략한다.
도 4에서, 공진 리액터(Lr)는 트랜스포머(Ta)의 일차 권선(P1)과 이차 권선(S) 사이의 누설 인덕턴스일 수 있다. 스위칭 소자(QH)에 병렬로 연결된 다이오드(D2)는 스위칭 소자(QH)의 기생 다이오드일 수 있다. 스위칭 소자(QL)에 병렬로 연결된 다이오드(D1)는 스위칭 소자(QL)의 기생 다이오드 일 수 있다. 스위칭 소자(QH)에 병렬로 연결된 공진 전압 커패시터(Crv)는 스위칭 소자(QH)의 기생 커패시턴스일 수 있다.
제1 실시예에 따르는 공진형 전원장치의 동작을 설명한다. 동작은 기본적으 로 도 2에 나타낸 공진형 전원 장치의 것과 동일하므로, 보조 권선(P2)의 동작과 공진기간 검출기(12)의 동작을 도 5 및 도 6의 타이밍도를 참조하여 주로 설명한다.
도 5 및 도 6의 타이밍도는 다른 입력전압을 갖는 제 1실시예에 따르는 공진형 전원장치의 여러 부분에서의 신호를 나타낸다. 도 5에서 고입력 전압은 DC 전원(1)으로부터 공급되고, 도 6에서 저입력 전압이 공급된다.
도 5 및 도 6에서, ILP는 공진 회로를 형성하는 일차 권선(P1)을 통하여 흐르는 전류이고, IQL은 스위칭 소자(QL)를 통하여 흐르는 전류이고, VQL은 스위칭 소자(QL)의 단자 전압이고, ID0는 정류기(D0)를 통하여 흐르는 전류이다.
스위칭 소자(QL)가 온으로 될 때, 에너지는 트랜스포머(Ta)의 일차측에서 이차측으로 전달되고, 전압은 트랜스포머(Ta)의 이차 권선(S)에서 유도된다. 전압은 또한 이차 권선(S)에 밀결합된 보조 권선(P2)에서 발생된다. 트랜스포머(Ta)의 보조 권선(P2)의 전압에 따르면, 공진기간 검출기(12)는 스위칭 소자(QL)가 온으로 될 때 시작하고, 에너지가 트랜스포머(Ta)의 이차측에 전달되는 기간(t1)을 검출한다. 공진기간 검출기(12)는 기간(t1)을 표시하는 공진 기간 검출 신호를 펄스비 제어기(2a)에 공급한다.
공진기간 검출기(12)로부터의 공진 기간 검출 신호에 따르면, 펄스비 제어기(2a)는 스위칭 소자(QL)의 [t1+△t]의 온 기간을 결정하고, [t1+△t]의 온 기간동안에만 스위칭 소자(QL)를 온으로 하고, [t1+△t]의 온 기간 후에 스위칭 소자(QL)를 오프시킨다.
DC 전원(1)으로부터의 입력 전압이 변화하여도, 에너지가 트랜스포머(Ta)의 이차측으로 전달되는 기간(t1)의 종료 후 스위칭 소자(QL)의 턴오프 시각까지의 기간(△t)은 도 5 및 도 6에 나타낸 것같이 실질적으로 불변이다.
또한, 펄스비 제어기(2a)는 출력 전압 검출기(5)로부터의 신호에 따라서 스위칭 소자(QH)의 온 기간을 결정하고, 온 기간에 의거해서, 일정한 출력 전압을 유지한다. 도 5 및 도 6을 서로 비교하면, 스위칭 소자(QH)가 온인 기간(t4)은 DC 전원(1)으로부터의 입력 전압에 의거하는 것을 알 수 있다. 기간(t4)은 스위칭 소자(QH)가 온인 기간이므로, 트랜스포머(Ta)의 일차 권선(P1)의 여기 에너지는 공진 전류 커패시터(Cri)에 에너지를 축적한다. 이와 같이, 기간(t4)은 DC 전원(1)으로부터의 입력 전압에 따라서 변화하므로, 정전압이 트랜스포머(Ta)에 인가되어 전원 장치는 일정한 출력 전압을 유지한다.
도 7은 제1 실시예에 따른 공진형 전원 장치에 배치된 공진기간 검출기(12)의 일 예를 나타내는 회로도이다. 도 7의 공진기간 검출기(12)는 트랜스포머(Ta)의 이차 권선(S1)에 밀결합된 보조 권선(P2), 보조 권선(P2)과 직렬로 연결된 정류기(19), 보조 권선(P2)과 정류기(19)의 직렬 회로와 병렬로 연결된 전압 검출 저항(R1), 및 결합 커패시터(20)를 통하여 전압 검출 저항(R1)과 병렬로 연결된 전압 검출 저항(R2)을 포함한다.
도 7에 나타낸 공진기간 검출기(12)의 동작을 도 8의 타이밍도를 참조하여 설명한다. 도 8에서, ILP는 공진 회로를 형성하는 일차 권선(P1)을 통하여 흐르는 전류이고, VQL은 스위칭 소자(QL)의 단자 전압이고, VP2는 보조 권선(P2)의 단자 전압이고, VR1은 전압 검출 저항(R2)의 단자 전압이고, VR2는 전압 검출 저항(R2)의 단자 전압이다.
보조 권선(P2)에서 생성된 전압(VP2)은 정류기(19)를 통하여 정류된다. 정류된 전압의 정(+)의 파형만이 전압 검출 저항(R1)에 의해 검출되어 전압(VR1)을 제공한다. 결합 커패시터(20) 및 전압 검출 저항(R2)은 전압(VR1)으로부터 AC 성분을 추출한다.
이렇게 얻어진 전압(VR2)은 에너지가 트랜스포머(Ta)의 이차측으로 전달되는 공진 기간(t1)동안 정의 값을 나타내고 공진 기간(t1)이 끝나자 마자 떨어지는 공진 기간 검출 신호이다. 도 8에 나타낸 것같이, 전압검출 저항기(R2)에서 생성된 전압(VR2)의 포저티브 기간은 에너지가 트랜스포머(Ta)의 일차측에서 이차측으로 전달되는 기간(t1)에 대응한다.
공진 기간 검출 신호로서 기능하는 전압 검출 저항기(R2)의 단자 전압은 펄스비 제어기(2a)에 공급된다. 공진 기간 검출신호의 하강에 동기하여, 펄스비 제어기(2a)는 스위칭 소자(QL)를 턴오프한다. 그 결과, 도 2의 기간(T10)(기간(t2)에 대응)이 끝나게 된다. 즉, 트랜스포머의 이차측으로의 에너지 전달의 종료후 다음 모드가 확실히 시작된다.
트랜스포머(Ta)의 일차 권선(P1)의 누설 인덕턴스가 공진 리액터(Lr)로서 사용되는 경우에, 트랜스포머(Ta)의 일차 권선(P1) 및 이차 권선(S)은 서로 소결합(loosely coupled)된다. 그러면, 보조 권선(P2)은 일차 권선(P1)과 밀결합될 수 있다. 이 경우, 트랜스포머(Ta)의 이차측으로의 에너지 전달이 종료한 후, 보조 권선 (P2)의 전압은 네가티브 측으로 불충분하게 떨어진다.
한편, 이차 권선(S)으로 보조 권선(P2)을 밀결합하는 것은, 트랜스포머(Ta)의 이차측으로의 에너지 전달이 종료할 때에 도 8에 나타낸 전압(VP2)이 확실히 떨어지기 때문에, 공진 기간(t1)을 확실히 검출할 수 있게 한다.
도 9a 및 9b는 공진 전류 커패시터 및 공진 리액터가 변동할 때 공진 전류 파형과 관련하여 관련 기술과 본 발명의 제1 실시예 사이의 비교를 나타낸다. 제1 실시예는 공진기간 검출기(12)를 사용하여 공진 기간을 검출하고, 검출된 공진 기간에 의거하여, 스위칭 소자(QL)를 오프한다. 한편, 관련 기술은 스위칭 소자(QL)의 온 기간을 고정한다. 각각의 경우, 공진 전류 커패시터(Cri) 및 공진 리액터(Lr)는 변동하여, 공진 회로의 공진 주파수를 변화시키므로, 공진 전류 파형을 변화시킨다. 도 9a 및 도 9b는 공진 전류 파형의 이러한 변화를 나타낸다.
도 9a에서, 스위칭 소자(QL)의 온 기간은 관련 기술에 따라서 결정된다. 공진주파수가 변화하면서, 에너지가 트랜스포머(Ta)의 일차측에서 이차측으로 전달되는 기간은 t21, t22, t23으로 변화한다. 이러한 변화를 고려하지 않으면, 스위칭 소자(QL)의 온 기간(ton)은 불변이다. 특히, 공진 주파수가 높으면, 에너지가 트랜스포머(Ta)의 이차측에 전달되는 기간(예를 들면, t21)은 짧아져서, 스위칭 소자(QL)가 온이면서 에너지가 이차측으로 전달되지 않는 [ton - t21]의 기간을 연장함으로써, 전력 손실을 증가시킨다.
도 9b는 본 발명의 제1 실시예에 따른 공진 전류 파형을 나타낸다. 공진기간 검출기(12)는 공진 주파수의 변화에 의거하여 변화하는 공진 기간을 나타내는 공진 기간 검출 신호를 공급한다. 가변 공진 기간 검출 신호에 의거하여, 펄스비 제어기(2a)는 스위칭 소자(QL)의 온 기간을 결정한다. 공진 주파수가 변화하면서, 에너지가 트랜스포머(Ta)의 일차측에서 이차측으로 전달되는 기간은 예를 들면 t24, t25, t26로 변화한다. 그러면, 공진 주파수의 변화에 따라서, 스위칭 소자(QL)의 온 기간은 예를 들면 ton1, ton2, ton3으로 조절된다. 따라서, 제1 실시예는, 공진 주파수가 증가하여도, 에너지가 이차측으로 전달되지 않는 [ton1-t24], [ton2-t25], 또는 [ton3-t26]의 기간을 고정 값으로 유지하여, 전력 손실을 억제한다.
제2 실시예
제 1실시예의 공진형 전원장치에 따르면, 보조 권선(P2)은 제2 권선에 밀결합되므로, 공진기간 검출기(12)로부터의 공진 기간 검출신호는 에너지가 트랜스포머(Ta)의 일차측에서 이차측으로 전달되는 기간의 끝에서 즉시 떨어진다. 공진 전압 커패시터(Crv)로 인해, 각각의 스위칭 소자(QL, QH)는 특정 기울기로 온/오프된다. 그 결과, 공진 기간 검출신호는 특정 기울기로(즉, 지연을 발생하는 타이밍도에서 수직이 아닌 기울기로) 상승한다.
이 기울기는 스위칭 소자(QL)를 잘못 오프하는 문제를 발생한다. 더 구체적으로, 게이트 신호를 받자 마자, 스위칭 소자(QL)는 온으로 되어 에너지를 트랜스포머(Ta)의 이차측으로 전달한다. 상기 서술된 기울기가 공진 기간 검출신호를 검출하는데 지연을 일으키는 경우, 펄스비 제어기(2a)는 공진 기간 검출신호가 없는 것으로 받아들이고, 스위칭 소자(QL)를 오프한다.
제2 실시예의 공진형 전원 장치는 이 문제를 해결하여, 효능을 향상시키고, 노이즈를 감소시킨다. 도 10은 제2 실시예의 공진형 전원 장치를 부분적으로 나타내는 회로도이고, 도 11은 제2 실시예의 공진형 전원 장치의 여러 부분에서의 신호를 나타내는 타이밍도이다. 도 11에서, ILP는 공진 회로를 형성하는 일차 권선(P1)을 통해 흐르는 전류이고, VQL은 스위칭 소자(QL)의 단자 전압이고, VR2는 공진기간검출기(12)에 설치된 전압검출저항(R2)의 단자 전압이고, QLg는 스위칭 소자(QL)로의 게이트 신호이고, Msk는 마스크 신호이고, Syn은 동기 신호이다.
펄스비 제어기(2b)는, 스위칭 소자(QL)가 온이 될 때 마스크 기간(t11)을 갖는 마스크 신호(Msk)를 생성하고, 마스크 기간(t11) 동안, 공진기간 검출기(12)로부터의 공진 기간 검출신호는 디스에이블된다. 마스크 신호(Msk)는 동조기(14)에 공급된다. 마스크 기간(t11)은 스위칭 소자(QL)로의 게이트 신호(QLg)가 상승할 때 상승하거나, 그보다 약간 빨리 시작한다.
펄스비 제어기(2b)로부터의 마스크 신호(Msk)에 의거해서, 동조기(14)는, 특정 기울기로 상승하는 공진 기간 검출신호를 검출하는데 지연으로 인해 OFF로 변화하는 스위칭 소자(QL)의 오동작을 발생하지 않도록, 마스크 기간(t11)에 대하여 공지 기간 검출기(12)로부터의 공진 기간 검출신호를 디스에이블시키고, 그러므로, 공진 기간 검출신호를 펄스비 제어기(2b)에 안정적으로 공급한다. 펄스비 제어기(2b) 및 동조기(14)는 본 발명에 따르는 마스크부로서 기능한다.
스위칭 소자(QL 및 QH)의 온/오프 상태가 예를 들면 기간(t1)의 시작에서 전환될 때, 트랜스포머(Ta)의 보조 권선(P2)에 유도된 전압이 느리게 변화한다. 이 느림으로 인해, 시간 지연이 공진기간 검출기(12)로부터의 공진기간 검출신호의 상태가 변화한다. 이 느림을 보상하기 위해, 마스크부는 공진기간 검출기(12)로부터의 공진기간 검출신호를 마스크 기간(t11)동안 디스에이블시킨다. 그 결과, 도 11의 공진 기간 검출신호(VR2)가, 그 검출에서 지연을 발생하는 특정 기울기로 상승할 때 조차도, 스위칭 소자(QL)가 오프인 오동작이 마스크 기간(t11)을 이용하여 확실히 방지되고, 그래서, 스위칭 소자(QL, QH)가 안정적으로 동작할 수 있다.
스위칭 소자(QL)의 온 기간(t1)은 공진 전류 커패시터(Cri) 및 공진 리액터(Lr)에 의해 결정된 공진 기간(t1)의 대략 절반이다. 따라서, 마스크 기간(t11)은 공진 기간(t1)과 같거나 절반보다 작을 수 있어서, 안정된 제어를 실현할 수 있다.
도 10의 공진형 전원장치는 동조기(14)가 설치된다. 동조기(14)는 공진기간 검출기(12)로부터 공진 기간 검출신호가 출력되지 않은 후 소정 기간(t2) 동안 동기 펄스 신호(Syn)를 생성한다. 스위칭 소자(QL)의 턴오프를 지연하는 신호(Syn)는 펄스비 제어기(2b)에 공급된다. 동조기(14)는 본 발명에 있어서 지연부로서 기능한다.
동기화 펄스 신호(Syn) 및 공진 기간 검출신호에 의거해서, 펄스비 제어기(2b)는, 게이트 신호(QLg)를 생성하여, 공진 기간 검출 신호가 출력되지 않은 후(트랜스포머(Ta)의 이차측으로의 에너지 전달 완료후) 소정 기간(t2) 동안, 스위칭 소자(QL)를 오프한다.
작은 기간(t2) 만큼 스위칭 소자(QL)를 턴오프하는 것을 지연함으로써, 에너지가 트랜스포머(Ta)의 이차측으로 전달되는 기간(t1)의 완료후 다음 모드가 확실 히 시작된다. 이 결과, 공진형 전원장치의 동작이 확실하고 안정된다.
스위칭 소자(QL)가 예를 들면 노이즈로 인해 잘못하여 온으로 되면, 공진 기간 검출신호가 마스크 기간(t11) 동안 디스에이블되기 때문에, 스위칭 소자(QL)의 온 상태가 마스크 기간(t11) 동안 계속된다.
본 발명은 상기 서술된 실시예들에 한정되지 않는다. 각각의 제1 및 제2 실시예들은 공진기간 검출기(12)로부터의 신호에 따라서 스위칭 소자(QL)의 온 기간을 결정하고, 출력전압 검출기(5)로부터의 신호에 따라서 스위칭 소자(QH)의 온 기간을 결정한다. 대신에, 펄스비 제어기(2a)는 출력전압 검출기(5)로부터의 신호에 따라서 스위칭 소자(QL)의 온 기간을 결정할 수 있고, 공진기간 검출기(12)로부터의 신호에 따라서 스위칭 소자(QH)의 온 기간을 결정할 수 있다. 이 구성은 또한 본 발명의 효과를 제공한다.
각각의 제1 및 제2 실시예들은 DC 전원(1)을 사용한다. DC 전원 대신에, AC 전원과, AC 전원으로부터 AC 전압을 정류하는 입력 정류기를 사용하는 것도 가능하다. 이 경우, 입력 정류기의 출력 단자는 스위칭 소자(QH, QL)의 직렬회로의 양단에 연결된다. 이 구성은 또한 본 발명의 효과를 제공한다.
각각의 제1 및 제2 실시예들은 스위칭 소자(QH)의 단자를 공진 전류 커패시터(Cri), 공진 리액터(Lr) 및 트랜스포머(Ta)의 일차 권선(P1)의 직렬 회로에 연결한다. 대신에, 스위칭 소자(QL)의 단자는 공진 전류 커패시터(Cri), 공진 리액터(Lr) 및 트랜스포머(Ta)의 일차 권선(P1)의 직렬 회로에 연결될 수 있다.
각각의 제1 및 제2 실시예들은 스위칭 소자(QH)의 단자를 공진 전압 커패시 터(Crv)에 연결한다. 대신에, 스위칭 소자(QL)의 단자는 공진 전압 커패시터(Crv)에 연결될 수 있다.
본 발명의 제1 기술적인 양태에 따르면, 공진기간 검출기는 에너지가 트랜스포머의 이차측에 전달되는 기간을 검출한다. 공진기간 검출기로부터의 신호에 의거해서, 제어기는 제1 스위칭 소자의 온 기간을 결정한다. 정류/평활 회로로부터의 신호에 의거해서, 제어기는 제2 스위칭 소자의 온 기간을 결정한다. 스위칭 소자의 온/오프 상태는, 트랜스포머의 이차측으로의 에너지 전달의 완료후 전환된다. 이 구성은 스위칭 노이즈와 스위칭 손실을 감소시키고 효능을 향상시키고, 비용을 감소시킨다.
공진기간 검출기는 트랜스포머의 보조 권선의 전압을 검출함으로써, 공진 기간을 쉽게 검출한다.
보조 권선은 트랜스포머의 이차 권선에 밀결합된다. 이 구성은 공진 기간의 검출을 더욱 용이하게 한다.
본 발명의 제2 기술적인 양태에 따르면, 마스크부는 소정 기간동안 공진기간 검출기로부터의 신호를 디스에이블시켜서, 안정된 동작을 실현한다. 더 구체적으로, 스위칭 소자의 온/오프 상태가 전환될 때, 트랜스포머의 보조 권선에 도입된 전압은 느리게 변화한다. 이 느린 전압 변화는 시간 지연을 일으켜서 공진기간 검출기로부터 출력된 신호의 레벨을 변화시킨다. 공진기간 검출기로부터의 이러한 신호의 레벨 변화를 무시하기 위해, 마스크부는 소정 기간 동안 공진기간 검출기로부 터의 신호를 디스에이블시켜, 안정된 동작을 실현한다.
제2 기술적인 양태에 따르면, 공진기간 검출기로부터 신호가 출력되지 않은 후, 즉 트랜스포머의 이차측으로의 에너지 전송의 완료후, 지연부는 소정의 지연 기간을 설정한다. 지연 기간 후, 스위칭 소자의 온/오프 상태는 전환되어 정확하고 안정된 동작을 확실히 한다.
본 발명은 DC-DC 컨버터, AC-DC 컨버터 등의 스위칭 전원에 적용가능하다.
본 발명은, 본 발명의 특정 실시예들을 참조하여 상기 서술되어 있지만, 본 발명은 상기 서술된 실시예들에 한정되지 않는다. 상기 서술된 실시예들의 변경과 변화는 본 기술에서 숙련된 자에 의해 가능하다. 본 발명의 범위는 다음의 청구항 들을 참조하여 정의된다.

Claims (9)

  1. AC 전원의 AC 전압을 정류하는 입력 회로와 DC 전원 중 하나의 양단에 연결된 제1 및 제2 스위칭소자의 제1 직렬 회로;
    상기 제1 및 제2 스위칭 소자 중 하나의 양단에 연결된, 공진 커패시터, 공진 리액터 및 트랜스포머의 일차 권선의 제2 직렬회로;
    상기 트랜스포머의 이차 권선의 전압을 정류 및 평활하도록 구성된 정류/평활회로;
    상기 정류/평활회로에서의 출력전압에 따라서 상기 제1 및 제2스위칭 소자를 교대로 온/오프하도록 구성된 제어기; 및
    상기 트랜스포머의 일차측에서 이차측으로 에너지가 전달되는 기간을 검출하도록 구성된 공진기간 검출기를 포함하고,
    상기 제어기는, 상기 공진기간 검출기로부터의 신호에 따라서 상기 제1 스위칭 소자의 온(ON)기간을 결정하고, 상기 정류/평활회로에서의 신호에 따라서 상기 제2 스위칭 소자의 온 기간을 결정하는, 공진형 전원장치.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 트랜스포머는 보조 권선을 더 가지고,
    상기 공진기간 검출기는 상기 보조 권선의 전압에 따라서 상기 기간을 검출하는, 공진형 전원장치.
  3. 제2 항에 있어서,
    상기 보조 권선은 상기 이차권선과 밀결합(tightly coupled)되는, 공진형 전원장치.
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 트랜스포머의 일차측으로부터 이차측에 에너지를 전달하기 위해 상기 제1 및 제2 스위칭 소자 중 하나가 온이 된 후 소정의 기간동안, 상기 공진기간 검출기로부터 상기 제어기에 공급되는 신호를 디스에이블시키도록 구성된 마스크부를 더 포함하는, 공진형 전원장치.
  5. 제2 항에 있어서,
    상기 트랜스포머의 일차측으로부터 이차측에 에너지를 전달하기 위해 상기 제1 및 제2 스위칭 소자중 하나가 온이 된 후 소정의 기간동안, 상기 공진기간 검출기로부터 상기 제어기에 공급되는 신호를 디스에이블시키도록 구성된 마스크부를 더 포함하는, 공진형 전원장치.
  6. 제3 항에 있어서,
    상기 트랜스포머의 일차측으로부터 이차측에 에너지를 전달하기 위해 상기 제1 및 제2 스위칭 소자중 하나가 온이 된 후 소정의 기간동안, 상기 공진기간 검 출기로부터 상기 제어기에 공급된 신호를 디스에이블시키도록 구성된 마스크부를 더 포함하는, 공진형 전원장치.
  7. 제1 항에 있어서,
    상기 공진기간 검출기로부터 신호가 출력되지 않게 된 후 소정의 기간 동안, 상기 제1 및 제2 스위칭 소자의 온/오프 전환 동작을 지연시키도록 구성된 지연부를 더 포함하는, 공진형 전원장치.
  8. 제2 항에 있어서,
    상기 공진기간 검출기로부터 신호가 출력되지 않게 된 후 소정의 기간 동안, 상기 제1 및 제2 스위칭 소자의 온/오프 전환 동작을 지연시키도록 구성된 지연부를 더 포함하는, 공진형 전원장치.
  9. 제3 항에 있어서,
    상기 공진기간 검출기로부터 신호가 출력되지 않게 된 후 소정의 기간 동안, 상기 제1 및 제2 스위칭 소자의 온/오프 전환 동작을 지연시키도록 구성된 지연부를 더 포함하는, 공진형 전원장치.
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