KR20080019925A - 다상 플라이백 및 포워드 동기 정류회로 - Google Patents

Abstract

본 발명은 동기 정류회로에 관한 것으로, 특히 각 상의 1차측 및 2차측 변압기를 각각 두개 이용하여 동기 정류회로를 다상으로 구성하고, 상기 1차측 및 2차측에 각각 연결되는 두개의 변압기는 서로 극성을 달리하여 연결함으로써, 전력 전달 밀도가 높고 출력단 인덕터를 사용하지 않으며 출력측 맥동전압을 최소화할 수 있는데 적합하도록 한 다상 플라이백 및 포워드 동기 정류회로에 관한 것이다.

본 발명의 다상 플라이백 및 포워드 동기 정류회로를 이루는 구성수단은, 하프 브릿지 전력회로에서 두 개의 변압기 1차측 권선을 다른 극성으로 상호 직렬 연결하여 한쪽은 커패시터 중성점(n1)에 결선하고, 다른 한쪽은 직렬로 결선되는 두개의 1차측 스위치의 상호 연결된 점(n2)에 결선하며, 두개의 2차측 변압기의 권선은 극성이 다르게 직렬 결선하고 상호 연결된 점(n3)은 출력 커패시터의 음의 단자에 연결하며 각각의 다른 쪽은 역병렬 다이오드 구조를 포함하는 2차측 스위치의 한쪽 단자에 각각 연결하고, 각 2차측 스위치의 다른 단자는 출력 커패시터의 양의 단자에 연결되어, 하나의 상에 대한 동기 정류회로를 구성하되, 상기 동기 정류회로를 적어도 두개 이상의 상으로 구성되는 것을 특징으로 한다.

정류회로, 컨버터, 전원

Description

다상 플라이백 및 포워드 동기 정류회로{multi-phase flyback and forward synchronous rectifier}

도 1a 및 도 1b는 종래의 동기 정류회로의 예시도이다.

도 2는 본 발명에 따른 다상 플라이백 및 포워드 동기 정류회로의 구성도이다.

도 3a 및 도 3b는 상기 도 2와 다른 구조의 동기 정류회로의 구성도이다.

도 4a 내지 도 4g는 본 발명의 실시예에 따른 동기 정류회로의 동작 모드를 설명하기 위한 회로이다.

도 5는 본 발명의 실시예에 따른 동기 정류회로의 동작 파형도이다.

본 발명은 동기 정류회로에 관한 것으로, 특히 각 상의 1차측 및 2차측 변압기를 각각 두개씩 이용하여 동기 정류회로를 다상으로 구성하고, 상기 1차측 및 2차측에 각각 연결되는 두개의 변압기는 서로 극성을 달리하여 연결함으로써, 전력 전달 밀도가 높고 출력단 인덕터를 사용하지 않으며 출력측 맥동전압을 최소화할 수 있는데 적합하도록 한 다상 플라이백 및 포워드 동기 정류회로에 관한 것이다.

도 1a는 기존의 액티브 클램프방식의 동기 정류회로 구조를 보여준다. 1차측 스위치(S1, S2)의 영전압 스위칭이 얻어지고 이차측은 동기 정류 방식을 채택하여 고효율화한 구조이다.

상기 도 1a에 도시된 회로는 출력측으로 볼 때 스위치 턴 온 동안 전달된 전력을 필터하여 직류로 만드는 구조이며, 오프 기간에 따른 맥동전압이 발생된다. 출력전류가 낮은 구조에 보다 적합하며 전류용량이 커질수록 필터 크기가 커지는 단점이 있다.

도 1b는 하프 브릿지 방식의 센터 탭 정류 동기정류 회로를 나타낸 것이다. 1차측에서 스위치(S1, S2)는 교번적으로 스위칭 동작을 하며 이에 따라 변압기는 입력전압의 절반인 교류전압이 인가된다. 따라서 출력 측 변압기 2차전압은 교번적으로 다이오드를 통해 정류되어 필터로 전달된다.

이에 따라 출력 측에는 전파 형태의 정류전압이 나타나게 된다. 이 회로는 저압 대전류의 출력에 대해서 역시 수동소자들 즉, 필터 인덕터(L)에 의한 동손이 크게 존재하며 변압기에 의한 소형화의 한계와 손실발생을 피할 수 없다.

이러한 단점을 보완하기 위해 다수의 이차권선을 이용한 변압기로서 인덕터를 제거한 구조가 소개되었으나 역시 등가적인 부하측 인덕터 손실은 존재하며 물리적인 변압기 구성에서 센터 탭 정류 구조를 이용한 2차, 3차 권선은 등가적으로 전류 배압회로 구조이지만 대전류 출력에 따른 동손을 피할 수 없다.

이외에 대전류에 보다 적합한 형태로 전류 배압회로를 이용한 방식이 오래전 부터 이용되어 왔으며 단순한 정류회로에 비해 전류맥동이 감소하고 대전류화를 달성하는데 용이한 장점이 있다. 이 회로 역시 출력단에 인덕터를 사용한다는 점에서 대전류에 의한 인덕터 손실을 피할 수 없으며, 동 손실을 피할 수 없다.

본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 창안된 것으로, 출력전압을 저압화하고 전류 용량을 높이기 위해 전력 손실을 최소화할 뿐 아니라, 구조를 간단하게 하고 다상 구조를 통해 맥동전류를 최소화하여 필터를 최소로 구성할 수 있는 다상 플라이백 및 포워드 동기 정류회로를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.

상기와 같은 기술적 과제를 해결하기 위하여 제안된 본 발명인 다상 플라이백 및 포워드 동기 정류회로를 이루는 구성수단은, 동기 정류회로에 있어서, 하프 브릿지 전력회로에서 두 개의 변압기 1차측 권선을 다른 극성으로 상호 직렬 연결하여 한쪽은 커패시터 중성점(n1)에 결선하고,

다른 한쪽은 직렬로 결선되는 두개의 1차측 스위치의 상호 연결된 점(n2)에 결선하며, 두개의 2차측 변압기의 권선은 극성이 다르게 직렬 결선하고 상호 연결된 점(n3)은 출력 커패시터의 음의 단자에 연결하며 각각의 다른 쪽은 역병렬 다이오드 구조를 포함하는 2차측 스위치의 한쪽 단자에 각각 연결하고, 각 2차측 스위 치의 다른 단자는 출력 커패시터의 양의 단자에 연결되어, 하나의 상에 대한 동기 정류회로를 구성하되, 상기 동기 정류회로를 적어도 두개 이상의 상으로 구성되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 2차측 스위치 대신에 다이오드를 사용하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 적어도 두개 이상의 상은 각 상의 출력전류 위상차가 상의 수로 한주기를 등분한 만큼 차이가 나도록 제어되는 것을 특징으로 한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 상기와 같은 구성수단으로 이루어져 있는 본 발명인 다상 플라이백 및 포워드 동기 정류회로에 관한 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다.

본 발명에서는 절연변압기를 극성이 다른 방향으로 상호 대칭적으로 배치하여 에너지 저장 동작과 부하로 전력을 전달하는 동작이 상호 교번적으로 일어나도록 구성하였다.

변압기는 하프 브릿지 회로를 기준으로 설명하면 1차는 극성방향이 다르게 직렬 결합되고, 2차는 부하를 기준으로 볼 때 병렬 결합된다. 2차측 변압기는 센터탭 정류 구조의 동기 정류회로로 구성된다. 특히, 다상 형태로 구성하여 대용량이며 대전류용으로 보다 적합한 구조가 되게 하였으며 각 상간의 위상을 달리하여 맥동전류를 저감시켰다.

이러한 구조는 확장하여 여러 가지 변형회로가 구성가능하며 높은 입력전압을 저압화하기 위해 1차측에서 하나의 상 구조를 다수 직렬로 배치하여 구성할 수 있다.

기존의 dc-dc 전원에서 대전류화 되면 출력측의 손실은 매우 커지게 된다. 도 1a 및 도 1b의 회로와 같은 구조는 동기정류 회로를 사용하더라도 인덕터 손실과 경부하에서 효율 저하는 피하기 어렵다.

본 발명에서는 기존의 dc-dc 전원에서 한계인 대전류에서의 높은 손실과 낮은 효율을 개선하기 위해 등가적으로 인덕터를 일차 측으로 구성한 구조이고 전파정류 특성을 가지게 하며 다상의 구조를 통해 손실문제와 맥동전류를 해결하고자 하였다.

현재까지는 단순히 동기정류회로를 채택하거나 단일변압기를 이용하여 대전류화에 따른 문제를 개선하고자 하였다. 그러나 부가적인 인덕터 손실이나 실제 권선구조에서 2차, 3차권선에 따른 결합특성이 나빠지는 단점이 있었다.

또한 보다 대전류화하기 위해서는 단순히 하나의 상을 이용한 하프 브릿지 구조만으로는 한계를 가진다. 따라서 다상 구조에 의한 용량증대와 필터의 소형화 그리고 손실에 의한 열을 분산하여 전력밀도를 높여야 한다.

상기 모든 문제를 해결할 수 있는 본 발명에 따른 동기 정류회로의 구성은 도 2에 도시되어 있다. 하나의 상에 대한 구성은 다음과 같다.

도 2에 도시된 바와 같이, 하프 브릿지 전력회로에서 두 개의 1차측 변압기(T1과 T2 또는 T3와 T4)는 다른 극성으로 상호 직렬 연결된다. 상기 직렬로 연결된 두개의 1차측 변압기의 한쪽은 커패시터 중성점(n1)에 결선되고, 다른 한쪽은 직렬로 결선되는 두개의 1차측 스위치(S1과 S2 또는 S3과 S4)가 상호 연결된 점(n2)에 결선된다.

한편, 도 2에 도시된 바와 같이, 두개의 2차측 변압기(T1과 T3 또는 T2와 T4)의 권선은 극성이 다르게 직렬 결선하고 상호 연결된 점(n3)은 출력 커패시터(C₀)의 음의 단자에 연결하며 각각의 다른 쪽은 역병렬 다이오드 구조를 포함하는 2차측 스위치(S5과 S7 또는 S6과 S8)의 한쪽 단자에 각각 연결하고, 각 2차측 스위치의 다른 단자는 출력 커패시터의 양의 단자에 연결된다.

이상에서 설명한 구조는 하나의 상에 대한 구조인데, 본 발명에서는 이와 같은 구조로 이루어진 동기 정류회로가 적어도 두개 이상 결합 구성되어 다상의 동기 정류회로를 제공한다.

상기 다상 동기 정류회로의 1차측은 하프브릿지 구조(도 3a 참조) 또는 상 직렬 구조(도 3b 참조)로 구성될 수 있으며 두 개의 변압기를 다른 극성으로 상호 직렬 연결하여 1차측 변압기 회로를 구성한다. 2차측은 각기 결합된 변압기의 이차권선을 직렬연결한 뒤에 센터 탭 정류 구조의 동기 정류회로로 구성하여 출력을 구성한다. 이때, 출력단 인덕터는 일차측으로 환산하여 각 변압기의 일차권선을 통해 등가적으로 구성한다.

한편, 상기 2차측 스위치는 도 3a 및 도 3b에 도시된 바와 같이, 다이오드로 대용될 수 있다. 상기 도 3b 구조는 도 2의 회로를 확장하여 변형한 회로로서, 높은 입력전압을 저압화하기 위해 1차 측을 여러 단의 스위치와 변압기를 직렬로 배치하고 변압기 2차 측은 병렬로 구성하였다.

도 4a 내지 도 4g는 본 발명의 실시예에 따른 동기 정류회로의 동작모드를 설명하기 위한 회로이고, 도 5는 본 발명의 실시예에 따른 동기 정류회로의 동작 파형도이다. 이를 참조하여 본 발명의 동기 정류회로의 동작을 설명하면 다음과 같다.

도 4a 내지 도 4g에 도시된 동작 모드는 스위치 S1과 S4의 온 상태에서 스위치 S2와 S3의 온 상태로 바뀌는 과정까지 나타낸 것이다. 동작 파형은 각 스위치의 데드타임이 없다고 가정하고 나타낸 것으로 실제 동작모드에서는 각 스위치들의 온/오프에서 데드타임을 감안하여 다이오드의 도통구간을 나타내었다. 설명을 간략히 하기 위해 회로에 흐르는 전류는 연속적이라고 가정한다.

한편, 본 발명의 동작 설명을 명확하게 하기 위하여, 도 4a 내지 도 4g에 도시된 회로에서 소자의 도통 또는 전류의 흐름이 있는 부분은 굵은 선으로 표시하였다.

도 4a에 도시된 모드 1은 스위치 S1, S4, S5, S8이 켜진 상태이다. 변압기 T1과 T4는 포워드 동작을 하고 출력으로 전력을 전달한다. 반면에 T2와 T3는 플라이백 동작을 하며 에너지를 축적한다. 이때의 전류 파형은 도 5에 나타내었으며 T1과 T4는 이전의 모드에서 축적한 에너지를 방전함과 동시에 포워드 전류가 상승하므로 변압기 2차 측에 iT1과 iT4와 같은 전류 형태가 나타나게 된다.

모든 변압기는 전류 축적과 포워드 및 플라이백 방전모드가 반복되므로 동일한 전류 형태를 가지며 스위치들의 동작 위상차에 의해 각 전류는 위상 차이를 가진다.

도 4b에 도시된 모드 2는 S4가 턴 오프하고 이에 따라 T3와 T4에 흐르는 전류가 S3의 역병렬 다이오드를 통해 환류한다. 따라서 S3은 영전압 턴 온이 가능해진다. S7의 역병렬 다이오드 역시 2차측으로 유기된 T3의 방전전류로 인해 도통하기 시작한다.

도 4c에 도시된 모드 3은 S7이 턴 온 하는 모드이다. 이미 역병렬 다이오드가 켜져 있으므로 영전압 턴 온이 이뤄진다. 역시 모드 3에서는 S8이 턴 오프하고 역병렬 다이오드로 전류 iT4가 흐른다. 따라서 S8은 영전압 오프를 하게 된다.

도 4d에 도시된 모드 4에서는 S3가 역병렬 다이오드가 켜져 있는 상태에서 영전압 턴 온을 한다. 2차 측 정류부에서는 S5과 S7만이 턴 온 하여 T1과 T3를 통해 출력으로 전력을 전달한다.

도 4e에 도시된 모드 5는 S1이 턴 오프하여 T1과 T2를 흐르는 전류는 S2의 역병렬 다이오드로 흐른다. 변압기 2차측의 정류회로에서는 S6의 역병렬 다이오드가 T2의 전류에 의해 턴온한다.

도 4f에 도시된 모드 6은 S6이 영전압 턴 온 하는 모드이다. 도 4f에서 역시

S5가 턴 오프하며 역병렬 다이오드가 턴 온한 상태에서 턴 오프하므로 영전압 스위칭이 된다.

도 4g에 도시된 모드 7은 S2가 역병렬 다이오드가 턴 온 한 상태에서 영전압 턴 온을 한다. 따라서 S2와 S3가 턴 온하고 변압기 2차측에는 S6과 S7이 턴 온 상태가 된다.

이후의 동작모드는 앞에서 정확히 설명한 동작모드 들과 동일한 원리로 이뤄지며 반복된다.

한편, 적어도 두개 이상의 상으로 구성된 본 발명인 동기 정류회로는 각 상의 출력전류 위상차가 상의 수로 한주기를 등분한 만큼 차이가 나도록 제어된다.

구체적으로, 다상 제어는 상이 두개인 경우를 나타낸 도 2를 기준으로 설명하면, 각 상은 위상차가 90도가 되게 제어된다. 즉, 도 5의 파형에서 나타낸 바와 같이 iT1과 iT3 그리고 iT2와 iT4는 위상차가 90도 난다. 그러므로 정류된 2차측의 합 전류는 맥동전류가 상호 상쇄되어 작아지게 되며 최종적으로 도 5의 iout과 같고 스위칭 주파수의 4배가 되는 맥동전류를 나타낸다. 따라서 맥동전류의 크기는 중첩된 전류의 수에 비례해서 작아지게 되며 필터를 최소화할 수 있게 된다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명은 플라이백과 포워드 컨버터 동작을 동시에 가지므로 전파 정류 효과를 가져서 우수한 효율과 출력 맥동을 최소화하는 다상 구조를 가지는 동기 정류회로를 제공할 수 있다.

하나의 상을 기준으로 볼 때, 본 발명에 따른 동기 정류회로는 1차와 2차 변압기를 두 개를 이용하여 구성하며 각각을 상호 대칭적으로 플라이백 또는 포워드 동작을 하게 구성하고 동기정류회로를 채택하여 저전압 대전류 회로에 적합하다. 그러므로 높은 에너지 전달 밀도를 가지며 출력단 인덕터가 없고 고집적화에 보다 유리하며 1차 측 스위치는 경부하에서도 안정적인 영전압 스위칭이 가능하다.

상기와 같은 구성 및 바람직한 실시예를 가지는 본 발명인 다상 플라이백 및 포워드 동기 정류회로에 의하면, 1차와 2차 권선을 갖는 각 변압기를 따로 설치하여 전력 전달 밀도가 높고 출력단 인덕터가 없으며 특히, 다상 구조로 인해 출력측 맥동전압이 매우 작아서 필터 크기를 최소화할 수 있는 장점이 있다. 따라서, 고집적화에 보다 유리한 장점이 있다.

또한, 1차측 스위치는 경부하에서도 안정적인 영전압 스위칭이 가능하기 때문에, 기존의 동기 정류회로 구조에 비해 높은 효율과 전력전달 밀도를 가지는 효과가 있다.

Claims (3)

1. 동기 정류회로에 있어서,

   하프 브릿지 전력회로에서 두 개의 변압기 1차측 권선을 다른 극성으로 상호 직렬 연결하여 한쪽은 커패시터 중성점(n1)에 결선하고, 다른 한쪽은 직렬로 결선되는 두개의 1차측 스위치의 상호 연결된 점(n2)에 결선하며,

   두개의 2차측 변압기의 권선은 극성이 다르게 직렬 결선하고 상호 연결된 점(n3)은 출력 커패시터의 음의 단자에 연결하며 각각의 다른 쪽은 역병렬 다이오드 구조를 포함하는 2차측 스위치의 한쪽 단자에 각각 연결하고, 각 2차측 스위치의 다른 단자는 출력 커패시터의 양의 단자에 연결되어, 하나의 상에 대한 동기 정류회로를 구성하되,

   상기 동기 정류회로를 적어도 두개 이상의 상으로 구성되는 것을 특징으로 하는 다상 플라이백 및 포워드 동기 정류회로.
2. 청구항 1에 있어서,

   상기 2차측 스위치 대신에 다이오드를 사용하는 것을 특징으로 하는 다상 플라이백 및 포워드 동기 정류회로.
3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,

   상기 적어도 두개 이상의 상은 각 상의 출력전류 위상차가 상의 수로 한주기를 등분한 만큼 차이가 나도록 제어되는 것을 특징으로 하는 다상 플라이백 및 포워드 동기 정류회로.

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