KR20080069612A - 스위칭 전원 회로 및 서지 흡수 회로 - Google Patents

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Abstract

적은 부품수로 구성할 수 있어 전원 효율을 유효하게 개선할 수 있는 스위칭 전원 장치는, 직류 입력 전력을 교류 전력으로 변환하는 스위칭 회로(S1∼S4)와, 상기 교류 전력이 공급된 1차 권선을 갖는 트랜스(T)와, 상기 트랜스의 2차 권선에 유도되는 교류 전력을 직류 전력으로 정류하는 제1 정류기(D21, D22)와, 상기 제1 정류기의 캐소드에 접속된 애노드를 갖는 제2 정류기(D31, D32)와, 상기 제2 정류기의 캐소드와 소정 전위 노드 사이에 접속되며, 소정 부하(F)의 보조 전원으로서 기능하는 콘덴서(C)를 구비한다. 스위칭시에 2차측 제1 정류기(D21, D22)의 캐소드에 발생하는 서지는 제2 정류기(D31, D32)를 통해 콘덴서(C)에 공급되며, 부하(F)는 콘덴서에 충전된 전력을 동작 전원으로서 이용한다.

Description

스위칭 전원 회로 및 서지 흡수 회로{SWITCHING POWER SUPPLY CIRCUIT AND SURGE ABSORBING CIRCUIT}
본 발명은 스위칭 전원 장치 및 서지 흡수 회로에 관한 것으로서, 특히 스위칭 전원 장치가 구비하는 트랜스의 2차측에 설치된 정류기에서 발생하는 서지(surge)를 억제하기 위한 기술에 관한 것이다.
본 출원은 2005년 12월 27일자로 일본에 출원된 특허 출원 2005-375148호에 기초하여 우선권을 주장하고, 그 내용을 여기에 원용한다.
도 4는 종래의 스위칭 전원 장치의 구성을 도시한다. 도 4에 도시된 스위칭 전원 장치는 입력 콘덴서(Cin), 스위치(S1∼S4), 트랜스(T), 다이오드(D21, D22), 출력 권선(L23), 출력 콘덴서(Cout)를 구비하여 구성된다.
이 스위칭 전원 장치에 따르면, 입력 단자(TIN1)와 입력 단자(TIN2) 사이에 인가된 소정 전압(Vin)의 직류 입력 전력이 스위치(S1∼S4)로 이루어진 풀 브릿지 회로(full bridge circuit)의 스위칭 동작에 의해 교류 전력으로 일단 변환되어 트랜스(T)의 1차 권선(L1)에 공급된다.
트랜스(T)의 1차 권선(L1)에 공급된 교류 전력에 의해, 그 2차 권선(L21, L22)에는 소망 전압의 교류 전력이 유도된다. 이 유도된 교류 전력은 주 다이오 드(D21, D22)에 의해 다시 직류 전력으로 변환된 후, 출력 권선(L23) 및 출력 단자(TOUT1)를 통해 소망 전압(Vout)의 직류 전력이 되어 외부로 출력된다.
그런데, 전술한 스위칭 전원 장치에 따르면, 2차 권선(L21, L22)에 흐르는 전류의 방향이 전환될 때에, 트랜스(T)의 1차측과 2차측 사이의 누설 자속 등에 기인하여 주 다이오드(D21, D22)의 캐소드측에, 도 5에 도시한 바와 같은 서지가 발생한다.
일반적으로, 이 서지는 주 다이오드(D21, D22)에 대하여 CR 스너버 회로(sbubber)를 병설함으로써, 어느 정도는 개선할 수 있다. 그러나, CR 스너버 회로는 저항 소자에서 전력을 소비함으로써 서지를 흡수하는 것을 기본 원리로 하고 있기 때문에, 원래적으로 전력 손실을 수반하여, 전원 효율 저하의 원인이 된다. 특히, 2차측 주 다이오드의 개수가 늘어나면, 이들에 병설되는 CR 스너버 회로의 수도 늘어나기 때문에, 전력 손실이 더욱 증가한다.
이러한 CR 스너버 회로의 문제를 해결하는 기술로서, 서지 에너지를 일단 코일에 축적하여 출력측으로 방출하는 무손실 스너버 회로가 제안되어 있다(특허 문헌 1 참조).
특허 문헌 1: 일본 특허 공개 평성 제09-224374호 공보
발명의 개시
발명이 해결하고자 하는 과제
그러나, 전술한 종래 기술에 따른 무손실 스너버 회로에 따르면, 부품 개수가 많아 서지를 출력측으로 방출할 때까지의 전류 경로 상에 다수의 소자가 개재되기 때문에, 각 소자에서의 전력 손실이 현재화(懸在化)하여 전원 효율의 개선에는 한계가 있다고 하는 문제가 있다.
본 발명은 상기 사정을 감안하여 이루어진 것으로서, 적은 부품수로 구성할 수 있어 전원 효율을 유효하게 개선할 수 있는 스위칭 전원 장치 및 서지 흡수 회로를 제공하는 것을 목적으로 한다.
과제를 해결하기 위한 수단
본 발명에 따른 스위칭 전원 장치는 직류 입력 전력을 스위칭 동작에 의해 교류 전력으로 변환하는 스위칭 회로(S1∼S4)와, 상기 교류 전력이 공급된 1차 권선을 갖는 트랜스(T)와, 상기 트랜스의 2차 권선에 유도되는 교류 전력을 직류 전력으로 정류하는 제1 정류기(D21, D22)와, 상기 제1 정류기의 캐소드에 접속된 애노드를 갖는 제2 정류기(D31, D32)와, 상기 제2 정류기의 캐소드와 소정 전위 노드 사이에 접속되며, 소정 부하의 보조 전원으로서 기능하는 콘덴서(C)를 구비한다.
여기서, 상기 스위칭 회로는, 예컨대 풀 브릿지 회로, 하프 브릿지 회로, 일석 포워드 회로(one transistor forward circuit), RCC 회로 중 어느 하나인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제1 정류기 대신에 트랜지스터(스위치)를 구비하고, 이 트랜지스터에 의해 상기 트랜스의 2차 권선에 유도되는 교류 전력을 동기 정류하도록 구성하여도 좋다.
본 발명의 상기 구성에 따르면, 제1 정류기의 캐소드에 발생하는 서지는 제2 정류기를 통해 콘덴서에 공급되어 이 콘덴서를 충전한다. 콘덴서는 부하에 동작 전력을 공급한다. 따라서, 적은 부품수로 구성할 수 있어 전원 효율을 유효하게 개선할 수 있게 된다. 또한, 제1 정류기를 트랜지스터로 바꾼 구성에 따르면, 동기 정류일 때에 트랜지스터에 발생하는 서지가 콘덴서(C)에 흡수되어 동일하게 전원 효율을 개선할 수 있다.
본 발명에 따른 서지 흡수 회로는 스위칭 전원 장치가 구비하는 트랜스의 2차 권선에 유도된 교류 전력을 정류하기 위한 주 정류기에 발생하는 서지를 흡수하기 위한 서지 흡수 회로로서, 상기 주 정류기의 캐소드에 접속된 애노드를 갖는 정류기(D31, D32)와, 상기 정류기의 캐소드와 소정 전위 노드 사이에 접속되며, 소정 부하(F)의 보조 전원으로서 기능하는 콘덴서(C)를 구비한다.
이러한 구성에 따르면, 스위칭 전원 장치의 주 정류기의 캐소드에 발생하는 서지는 본 서지 흡수 회로가 구비하는 정류기를 통해 콘덴서에 공급되어 이 콘덴서를 충전한다. 콘덴서는 부하에 동작 전력을 공급한다.
발명의 효과
본 발명의 스위칭 전원 회로 및 서지 흡수 회로는 간단한 구성으로 전력 손실을 매우 작게 억제하면서, 서지를 유효하게 억제할 수 있다. 따라서, 본 발명의 회로를 전원 회로로서 사용함으로써 전원 효율을 유효하게 개선할 수 있게 된다.
도 1은 본 발명의 실시 형태에 따른 스위칭 전원 장치가 구비하는 서지 흡수 회로의 원리를 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시 형태에 따른 스위칭 전원 장치 및 서지 흡수 회로의 구성예를 도시한 회로도이다.
도 3은 본 발명의 실시 형태에 따른 스위칭 전원 장치가 해결한 과제를 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 종래 기술에 따른 스위칭 전원 장치의 구성을 도시한 회로도이다.
도 5는 종래 기술에 따른 스위칭 전원 장치의 문제점을 설명하기 위한 도면이다.
〈도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명〉
Cin : 입력 콘덴서 Cout : 출력 콘덴서
C : 콘덴서 D21, D22 : 주 다이오드
D31, D32 : 다이오드 F : 부하
L1 : 1차 권선 L21, L22 : 2차 권선
L23 : 출력 권선 S1∼S4 : 스위치
TIN1, TIN2 : 입력 단자 TOUT1, TOUT2 : 출력 단자
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 실시 형태를 설명한다.
우선, 도 1을 참조하여 본 발명의 실시 형태에 따른 스위칭 전원 장치가 구비하는 서지 흡수 회로의 원리를 설명한다.
도 1에 있어서, 다이오드(D2)는 전술한 도 2에 도시된 2차측에 설치된 주 다이오드(D21, D22)에 해당한다. 다이오드(D3) 및 콘덴서(C)는 본 발명에 따른 서지 흡수 회로를 구성한다. 소정 부하(F)는, 콘덴서(C)를 보조 전원으로 하여 동작하는 임의의 장치로서, 그 내용은 특별히 한정되지 않는다.
도 1에 있어서, 다이오드(D2)의 캐소드측에, 전술한 도 5에 도시된 바와 같은 서지가 발생하면, 이 서지는 다이오드(D3)를 통해 콘덴서(C)에 공급되어 이 콘덴서(C)를 충전한다. 환언하면, 서지의 전력은 콘덴서(C)에 축적된다. 이 콘덴서(C)에 축적된 전력은 부하(F)의 보조 전원으로서 공급된다. 따라서, 다이오드(D2)에서 발생한 서지는 최종적으로 부하(F)의 동작 전력으로서 유효 이용되어 전원 효율이 개선된다.
도 2는 전술한 도 1에 도시된 서지 흡수 회로가 적용된 스위칭 전원 장치의 구성예를 도시한다. 도 2에 있어서, 전술한 도 4에 도시된 요소와 공통되는 요소에는 동일 부호를 붙인다.
도 2에 도시된 스위칭 전원 장치는 도 1에 도시된 구성과 비교하여 다이오드(D31, D32), 전해 콘덴서(C), 부하(F)를 더 구비하고 있다. 이 중, 다이오드(D31, D32) 및 전해 콘덴서(C)는 이 스위칭 전원 장치의 서지 흡수 회로를 구성한다.
여기서, 구성을 더욱 상세하게 설명하면, 입력 단자(TIN1)와 입력 단자(TIN2) 사이에는 입력 콘덴서(Cin)가 접속되며, 스위치(S1) 및 스위치(S2)가 이러한 순서로 직렬 접속되고, 또한, 스위치(S3) 및 스위치(S4)가 이러한 순서로 직렬 접속된다. 스위치(S1)와 스위치(S2) 사이의 접속점에는 트랜스(T)의 1차 권선(L1)의 일단이 접속되고, 스위치(S3)와 스위치(S4) 사이의 접속점에는 상기 1차 권선(L1)의 타단이 접속된다.
트랜스(T)의 2차 권선(L21)의 일단은 2차 권선(L22)의 일단과 함께 출력 권선(L23)을 통해 출력 단자(TOUT1)에 접속된다. 2차 권선(L21)의 타단은 주 다이오드(D21)의 캐소드에 접속되고, 2차 권선(L22)의 타단은 주 다이오드(D22)의 캐소드에 접속된다. 이들 주 다이오드(D21, D22)의 각 애노드는 출력 단자(TOUT2)를 통해 그라운드(소정 전위 노드)에 접지된다. 출력 단자(TOUT1)와 출력 단자(TOUT2) 사이에는 출력 콘덴서(Cout)가 접속된다.
다이오드(D31)의 애노드는 상기 다이오드(D21)의 캐소드에 접속되고, 다이오드(D32)의 애노드는 상기 다이오드(D22)의 캐소드에 접속된다. 또한, 다이오드(D31, D32)의 각 캐소드는 출력 단자(TOUT3)에 공통 접속되며, 이들 다이오드(D31, D32)의 각 캐소드[즉 출력 단자(TOUT3)]와 그라운드(소정 전위 노드) 사이에는 전해 콘덴서(C)가 접속된다.
다음에, 본 실시 형태에 따른 스위칭 전원 장치의 동작을 설명한다.
스위치(S1∼S4)로 이루어진 풀 브릿지 회로가 소정의 스위칭 동작(주지의 스위칭 동작)을 실시함으로써, 입력 단자(TIN1)를 통해 공급된 직류 입력 전력이 교류 전력으로 변환되어 트랜스(T)의 1차 권선(L1)에 공급된다. 이에 따라 1차 권선(L1)에는 교류 전류가 발생하고, 트랜스(T)의 2차 권선(L21, L22)에는 서로 반대 위상의 교류 전류가 각각 유도된다. 이 2차측에 유도된 교류 전류는 주 다이오드(D21, D22)에 의해 정류된 후, 출력 권선(L23) 및 출력 단자(TOUT1)를 통해 외부로 출력된다.
여기서, 1차 권선(L1)에 흐르는 교류 전류의 방향이 전환되고, 2차 권선(L21, L22)에 흐르는 각 전류의 방향이 전환될 때에, 주 다이오드(D21, D22) 중, 순바이어스 상태에서 역바이어스 상태로 이행한 다이오드의 캐소드측에 서지가 발생한다. 예컨대, 주 다이오드(D21)의 캐소드측에 서지가 발생하면, 이 서지는 다이오드(D31)를 통해 전해 콘덴서(C)에 공급되어 이 전해 콘덴서(C)를 충전한다. 마찬가지로, 주 다이오드(D22)의 캐소드측에 서지가 발생하면, 이 서지는 다이오드(D32)를 통해 전해 콘덴서(C)에 공급되어 이 전해 콘덴서(C)를 충전한다.
이에 따라, 주 다이오드(D21, D22)에서 발생한 각 서지의 전력이 전해 콘덴서(C)에 축적된다. 전해 콘덴서(C)에 축적된 전력은 출력 단자(TOUT3)를 통해 부하(F)에 공급된다. 즉, 전해 콘덴서(C)는 부하(F)의 보조 전원으로서 기능한다.
또한, 부하(F)에는 주 전원도 공급되지만, 전해 콘덴서(C)를 보조 전원으로 함으로써, 주 전원의 부족분이 전해 콘덴서(C)로부터 적절하게 보충된다.
본 실시 형태에 따르면, 주 다이오드(D21, D22)의 캐소드측에 발생한 각 서지는 바로 다이오드(D31, D32)를 통해 전해 콘덴서(C)의 충전에 소비되기 때문에, 실질적으로 주 다이오드(D21, D22)의 각 캐소드측에 서지가 현재화하지 않는다. 즉, 도 3에 도시된 바와 같이, 주 다이오드(D21, D22)의 캐소드측에 발생한 각 서지는 전해 콘덴서(C)에 공급될 때까지 1단의 다이오드(D31, D32)를 통과할 뿐이다. 따라서, 서지가 통과하는 경로 상에 개재되는 소자수가 적어 이 소자를 통과하는 과정에서 발생하는 손실을 최소한으로 억제할 수 있다. 게다가, 전해 콘덴서(C)에 축적된 서지의 전력은 부하(F)의 동작 전력으로서 유효 이용된다. 따라서, 전체적 으로 전력 손실을 유효하게 억제하고, 전원 효율을 유효하게 개선할 수 있게 된다.
이상, 본 발명의 실시 형태를 설명하였지만, 본 발명은 상기 실시 형태에 한정되지 않고, 본 발명의 요지를 일탈하지 않는 범위에서 변형할 수 있다.
예컨대, 전술한 실시 형태에서는, 트랜스(T)의 1차측 스위칭 회로를 풀 브릿지 회로로서 구성하였지만, 이것에 한정되지 않고, 하프 브릿지 회로, 일석 포워드 회로, RCC 회로 등, 1차측 스위치 회로의 형식은 관계없다.
또한, 전술한 실시 형태에서는, 2차측에 주 다이오드(D21, D22)를 설치하여, 이들 주 다이오드에 의해 정류하는 것으로 하였지만, 이들 주 다이오드 대신에 트랜지스터 등의 스위치 수단을 설치하여, 이에 따라, 소위 동기 정류를 행하는 것으로 하여도 좋다. 이 경우, 동기 정류일 때에 트랜지스터에 발생하는 서지가 다이오드(D31, D32)를 통해 전해 콘덴서(C)에 흡수되기 때문에, 마찬가지로 전원 효율을 개선할 수 있게 된다.
또한, 전해 콘덴서(C) 대신에 다른 형식의 콘덴서를 채용하여도 좋다.
본 발명의 스위칭 전원 회로 및 서지 흡수 회로는 적은 부품수로 간단하게 구성할 수 있어 전력 손실을 매우 작게 억제하면서, 서지를 유효하게 억제할 수 있다. 따라서, 본 발명의 전원 회로 및 서지 흡수 회로가 전원 장치로서 적용되면, 전압이 안정화되고, 서지가 흡수되기 때문에 전원 효율을 크게 개선할 수 있게 된다.

Claims (4)

  1. 직류 입력 전력을 스위칭 동작에 의해 교류 전력으로 변환하는 스위칭 회로와,
    상기 교류 전력이 공급된 1차 권선을 갖는 트랜스와,
    상기 트랜스의 2차 권선에 유도되는 교류 전력을 직류 전력으로 정류하는 제1 정류기와,
    상기 제1 정류기의 캐소드에 접속된 애노드를 갖는 제2 정류기와,
    상기 제2 정류기의 캐소드와 소정 전위 노드 사이에 접속되며, 소정 부하의 보조 전원으로서 기능하는 콘덴서
    를 구비한 스위칭 전원 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 스위칭 회로는 풀 브릿지 회로, 하프 브릿지 회로, 일석 포워드 회로(one transistor forward circuit), RCC 회로 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 스위칭 전원 장치.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 제1 정류기 대신에 트랜지스터를 구비하고, 이 트랜지스터에 의해 상기 트랜스의 2차 권선에 유도되는 교류 전력을 동기 정류하도록 구성된 것을 특징으로 하는 스위칭 전원 장치.
  4. 스위칭 전원 장치가 구비하는 트랜스의 2차 권선에 유도된 교류 전력을 정류하기 위한 주 정류기에 발생하는 서지를 흡수하기 위한 서지 흡수 회로에 있어서,
    상기 주 정류기의 캐소드에 접속된 애노드를 갖는 정류기와,
    상기 정류기의 캐소드와 소정 전위 노드 사이에 접속되며, 소정 부하의 보조 전원으로서 기능하는 콘덴서
    를 구비한 서지 흡수 회로.
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