KR20080071311A

KR20080071311A - 포스트 조정기

Info

Publication number: KR20080071311A
Application number: KR1020070009363A
Authority: KR
Inventors: 한상규; 노정욱; 홍성수; 사공석진
Original assignee: 국민대학교산학협력단
Priority date: 2007-01-30
Filing date: 2007-01-30
Publication date: 2008-08-04

Abstract

본 발명은 공진 커패시터가 직렬로 연결되어 있는 직렬공진 컨버터, LLC 공진 컨버터 등에 적용 가능한 2차측 포스트 조정 방안으로서 기존의 포스트 조정기보다 간단하고 저가격의 회로 구현을 목적으로 하며, 컨버터의 2차측 출력전압, 제1 기준전압, 및 제2 기준전압을 각각 입력하는 입력단을 구비하여, 상기 2차측 출력전압을 제1 기준전압 및 제2 기준전압과 각각 비교하는 비교기; 상기 2차측 출력전압이 제1 및 제2 기준전압의 범위내에 있을 경우, 미리 설정된 패턴으로 상기 2차측 출력전압을 스위칭하고, 상기 2차측 출력전압이 상기 범위를 벗어날 경우 상기 스위칭 주기를 증가 또는 감소시키도록 제어하는 로직 게이트; 및 상기 2차측 출력전압의 스위칭을 상기 출력전압의 주기와 동기화하기 위한 동기화 회로를 포함하는 것 포스트 조정기를 개시한다.

공진형 컨버터, 포스트 조정기, 히스테리시스 제어, 로직 게이트.

Description

포스트 조정기{Post Regulator}

도1은 프론트-엔드 컨버터의 2단(two stage) 구조를 나타내는 도면,

도2는 주(primary) 인버터 토폴로지를 나타내는 도면,

도3은 종래의 공진형 컨버터에 대한 회로도,

도4는 종래 일반적인 공진형 컨버터의 전원 계통 구조도,

도5a 내지 도5d는 종래의 다중출력 공진형 LLC 컨버터의 포스트 조정기를 나타내는 회로도,

도6은 본 발명의 일 실시예에 따른 2차측 포스트 조정기를 나타내는 회로도,

도7은 포스트 조정을 위한 출력단 제어의 개념도,

도8a 및 도8b는 동기화를 위한 타이밍 다이어그램,

도9는 기존의 DC/DC 컨버터와 본 발명에 따른 포스트 조정의 방법비교를 나타내는 도면,

도10은 본 발명의 포스트 조정기의 각 부분의 주요 파형을 나타내는 도면.

본 발명은 다중 출력 공진형 컨버터에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 다중 출력 공진형 컨버터의 2차측 포스트 조정기(post regulator)에 관한 것이다.

종래의 전원 공급 장치는 상용 AC전압에서 DC 전압을 얻기 위하여 도1과 같은 2단(two stage)로 구성된 프론트-엔트 컨버터(front-end converter)를 사용하며, 대부분 도2에서 보이는 것과 같은 풀-브릿지(full-bridge), 2-스위치 포워드(two-switch forward), 또는 하프-브릿지(half-bridge) 컨버터를 사용해 왔다. 또한 고전력 밀도(high power density), 고효율 및 저프로파일(low profile)과 같은 목적을 달성하기 위해서 높은 스위칭 주파수, 높은 효율을 가지는 위상변이 풀 브릿지(phase shift full bridge) 및 비대칭 하프-브릿지(asymmetrical half bridge)와 같은 토폴로지들이 연구되었다.

이러한 토폴로지들은 영전압 스위칭(Zero Voltage Switching) 기술을 사용하여 턴-온 손실(turn on loss)을 최소화 하였는데, 여전히 턴-오프 손실(turn off loss) 문제는 남아있어 컨버터가 더 높은 스위칭 주파수를 갖는 것에 한계로 작용하였다. 이러한 문제점을 해결하기 위하여 공진형 컨버터가 제안되었는데, 1980년대부터 집중적으로 연구되어져 온 공진형 컨버터는, 매우 큰 스위칭 손실저감 효과로 공진형 컨버터가 더 높은 스위칭 주파수에서 동작할 수 있도록 하였다.

도3은 기본적인 공진형 컨버터의 4가지 종류인 직렬공진 컨버터(Series Resonant Converter:SRC), 병렬공진 컨버터(Parallel Resonant Converter:PRC), 직병렬 공진 컨버터(Series Parallel Resonant Converter:SPRC, LCC), 및 LLC 공진 컨버터(LLC Resonant Converter)의 회로를 나타내고 있다.

도4는 종래의 다중 출력 공진형 컨버터의 전원 계통 구조를 나타내고 있다. 그림에서 보이는 것과 같이 공진단, 변압기를 차례로 거친 후 원하는 출력 DC 전압을 얻게 되는 구조이다. 이 때에 출력 전압을 제어하기 위해서 2차측에서 1 차측으로의 피드백 경로가 필요하게 되는데, 도4와 같이 1차측과 2차측이 절연되어 있을 경우, 2차측으로부터의 에러신호를 광학 커플러(Opto-Coupler)와 같은 절연형 소자를 통해 1차측 컨트롤 IC로 인가하고 1차측 스위치 소자의 시비율 또는 주파수를 변화시켜 원하는 출력 DC전압을 얻도록 제어한다. 이와 같은 방식을 다중 출력 공진형 컨버터에 적용할 경우 크로스 조정(Cross Regulation) 문제가 발생한다. 2차측 주 컨버터단의 출력 전압 변화가 생겼을 경우 이를 조정하기 위한 1차측의 시비율 또는 주파수의 변화가 생기고, 불필요하게 2차측 보조 컨버터단이 1차측 시비율 또는 주파수 변화의 영향을 받아, 출력 전압의 변화가 생기게 된다. 이러한 다중 출력 전압 제어를 크로스(Cross Regulation)이라고 한다. 기존의 다중 출력 공진형 컨버터에서는 안정적인 2차측 출력 전압을 얻기 위하여, 여러가지의 포스트 조정기를 구현하여 출력단을 제어한다.

기존의 Post Regulator 구현 방법에는 많은 종류가 있는데, 도5에 가장 많이 사용되는 4가지의 방법을 공진형 LLC 컨버터에 적용하여 나타내었다. 도5a는 선형 조정기(Linear Regulator)를 사용한 것으로서, 출력 리플과 노이즈가 작고 간단하다라는 장점이 있지만, 중/고 전력용 회로에 적용시 효율이 낮은 단점이 있다. 반면에 도b는 DC/DC 조정기를 사용한 것으로서, 효율이 좋고 출력 전압이 입력 전압보다 낮거나 높은 경우 또는 극성이 바뀌는 경우 모두 사용할 수 있다 라는 장점이 있지만, 회로 구현시 들어가는 소자의 수가 많기 저가격 구현이 어렵다. 도c는 커플 인덕터(Coupled Inductor)를 사용한 것으로서, 고효율이며 추가적인 출력단으로 인한 가격 상승이 일어나지 않는 장점이 있으나 출력 전압 조정이 좋지 않고 출력 전압들 간의 상호작용이 단점으로 작용한다. 마지막으로 도5d는 인덕티브 소자를 스위치 소자로 사용하는 MAGAMP 방식으로서, 고효율과 저비용이라는 장점이 있으나, 오버커런트(Over Current), 턴-오프 보호(Turn-Off Protection) 문제가 발생할 수 있으며 고주파에서는 사용이 제한되는 단점이 있다.

본 발명은 상기와 같은 종래기술의 포스트 조정기의 문제를 해결하기 위해, 2차측으로 넘어오는 1차측 공진 전류를 이용한 방법으로서, 공진 커패시터가 직렬로 연결되어 있는 직렬공진 컨버터, LLC 공진 컨버터 등에 적용 가능한 2차측 포스트 조정 방안으로서 기존의 포스트 조정기보다 간단하고 저가격의 회로 구현을 목적으로 한다.

본 발명의 개선 사항

A. 2차측 포스트 조정기(Secondary Side Post Regulator)

도6은 본 발명자에 의해서 제안되는, 새로운 2차측 포스트 조정기의 회로를 나타낸다. 본 발명은 권선비에 의해 2차측으로 넘어오는 전류를 스위치를 이용하여 출력측으로 전달되는 전류양을 조정함으로써 출력 전압을 제어하는 방법으로, 1차측의 전류를 이용하는 방법이기 때문에 직렬 공진형 컨버터 및 LLC 공진형 컨버터에 적합하다.

다중 출력형 컨버터의 경우, 주 컨버터 단 출력 전압의 제어는 주 컨버터 단의 출력 정보를 피드백하여 1차측 스위치의 시비율 또는 주파수를 조정함으로써 이루어진다. 이 때에 불필요한 2차측 보조 컨버터 단의 출력 전압 변동을 막기 위하여 보조 컨버터 단에 포스트 조정기를 구현한다. 도6의 보조 컨버터단의 포스트 조정기는 출력 전압 조정을 위하여 1차측 스위치와 동기화된 스위치 소자를 사용하여 출력 커패시터로 흘러 들어가는 전류를 조정한다. 2차측 스위치 소자의 ON, OFF 신호는, 스위치 소자의 영전압 스위칭(ZCS)을 보장하기 위하여 반드시 1차측 스위치와 동기화가 이루어져야 한다.

B. 동기화된 제어단

본 발명의 바람직한 실시예에서는, 기존의 펄스폭 변조(PWM) 컨트롤러를 사용하지 않고 1차측 공진단과 동기화된 제어단을 구성하여 사용하도록 한다. 도7은 본 발명에 따른 포스트 조정기의 출력단 제어의 개념도를 나타내고, 도8a 및 도8b에서는 1차측 공진단과의 동기화를 위한 클락 신호 및 이에 따른 2차측 스위치의 게이트 신호의 예를 보여주고 있다. 도8a는 클락 신호를 1차측 스위치의 게이트 신호와 로직 게이트(Logic-gate)를 통하여 구현하는 방법이고 도8b는 2차측 정류단을 지나는 전류를 검출하여 전류가 0이 되는 지점에서 클락 신호를 만들어 주는 방법이다. 두 가지 방법 모두 2차측 스위치에 흐르는 전류가 0일 때 ON, OFF 하는 방식으로 전류환류가 없는 장점이 있다.

다음으로, 출력 전압을 피드백하여 두 개의 기준 전압(V_Ref1 < V_Ref < V_Ref2)과 비교하여 히스테리시스(hysteresis) 특성을 갖도록 한다. 이 두 개의 기준 전압 레벨 차이에 의해 시스템의 응답 특성이 바뀌며, 이 값은 사용자에 의해 임의로 조정될 수 있다.

추가적으로 상승 또는 하강 에지 트리거링을 위한 플립플롭이 필요하고, 앞서 언급한 로직 게이트 및 비교기를 통해 제어단을 완성할 수 있다. 따라서 회로의 구현이 간단하게 되고, 기준 전압 조절을 통한 응답 특성 개선 효과를 가져올 수 있다. 그리고 펄스폭 변조 컨트롤러 사용시 행해져야 하는 보상단 설계가 불필요한 이점이 있다.

C. Bulky 소자의 감소 및 내압 저감 효과에 따른 저가격화

기존의 대용량을 필요로 하는 다중 공진형 컨버터의 경우, 2차측에 주로 DC/DC 조정기를 사용한 포스트 조정 방법을 이용하였다. 이로 인해 많은 벌크소자들이 들어감으로써 저가격 구현이 어려운 문제점이 발생하였다. 이에 본 발명자는 도6 및 도7과 같은 새로운 형식의 포스트 조정 방법을 제안하였다(도9 참조). 제안된 회로는 기존 DC/DC 조정기에 비해 커패시터, 다이오드, 인덕터 등의 소자를 필요로 하지 않으므로 회로가 간단해 지고, 내압 저감 효과가 있으므로 저가격으로도 구현이 용이해지는 장점이 있다.

제안된 회로의 동작 원리

도6 및 도10을 참조하여 본 발명에 따른 회로의 동작을 설명한다. 도6에서 점선으로 표시된 부분이 1차측과 동기화된 패스 스위치를 사용한 포스트 조정기 부분이고, 출력전압 제어를 위해 히스테리시스 제어를 사용한다. 도10을 참조하여, 회로의 상세한 모드별 동작은 아래와 같다.

a) 모드 1(t₀~t₁) : 2차측 출력 전압 V_O2 전압이 기준전압 V_REF1보다 작다라는 정보가 제어단에 들어가게 되면, 제어단은 출력 전압의 상승을 위해 스위치 M₁을 단락시키기 위한 게이트 신호를 내보내 주게 된다. 이 게이트 신호가 나오는 시점부터를 모드1의 시작으로 한다. 주 스위치 M₁이 단락된 상태이고, 1차측에 흐르는 전류 I_pri의 턴 비로 넘어온 전류가 정류단을 거친 후 스위치 M₁으로 흐른다. 스위치 M1을 통과한 전류는 출력 캐패시터로 흘러들어가 출력 전압을 상승시킨다. 이 모드는 주 스위치 M₁이 개방되면서 끝나게 된다.

b) 모드 2(t₁~t₂) : 2차측 출력 전압 V_O2 전압이 기준 전압 V_REF2보다 크다라는 정보가 제어단에 들어가게 되면, 제어단은 출력 전압의 상승을 막기 위해 스위치 M₁을 개방시키기 위한 게이트 신호를 내보내 주게 된다. 이 시점부터를 모드2의 시작으로 하며, 출력 캐패시터로의 전달 경로가 생기지 않으므로 로드에 의해 출력 전압이 감소하게 된다. 다시 출력 전압을 상승시키기 위한 스위치 M1의 단락(모드1 시작)과 동시에 모드2는 끝나게 된다.

상기와 같은 본 발명에 따른 포스트 조정기를 사용함으로써 2차측 스위치 소자의 영전류 스위칭을 보장할 수 있으므로 전류의 환류 현상을 제거하고 발열문제를 개선할 수 있다. 또한 출력전압의 조정이 좋아지게 되고, 종래기술의 조정기에 비해 구성소자의 수를 줄이면서 간단히 구성할 수 있고 소자 내압도 감소시키는 효과를 가진다.

Claims

다중 출력 공진형 컨버터의 2차측 포스트 조정기에 있어서,

상기 컨버터의 2차측 출력전압, 제1 기준전압, 및 제2 기준전압을 각각 입력하는 입력단을 구비하여, 상기 2차측 출력전압을 제1 기준전압 및 제2 기준전압과 각각 비교하는 비교기;

상기 2차측 출력전압이 제1 및 제2 기준전압의 범위내에 있을 경우, 미리 설정된 패턴으로 상기 2차측 출력전압을 스위칭하고, 상기 2차측 출력전압이 상기 범위를 벗어날 경우 상기 스위칭 주기를 증가 또는 감소시키도록 제어하는 로직 게이트; 및

상기 2차측 출력전압의 스위칭을 상기 출력전압의 주기와 동기화하기 위한 동기화 회로를 포함하는 것을 특징으로 하는 포스트 조정기.