KR20090099211A - 집적화된 트랜스포머 및 이를 이용한 전원 장치 - Google Patents

집적화된 트랜스포머 및 이를 이용한 전원 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 전력 변환용 트랜스포머와 트랜스포머에 의한 출력 전원을 안정화하는 인덕터를 하나의 트랜스포머 구조에 집적화한 트랜스포머 및 이를 이용한 전원 장치에 관한 것으로, 제1 및 제2 지지부와, 상기 제1 및 제2 지지부 사이에 각각 형성되는 제1 및 제2 외곽 레그와 센터 레그를 가지며, 상기 제1 및 제2 지지부는 일단 및 타단 및 중단을 갖고, 상기 제1 및 제2 외곽 레그는 상기 제1 및 제2 지지부의 각 일단끼리와 각 타단끼리를 각각 자기적으로 연결하며, 상기 센터 레그는 상기 제1 및 제2 지지부의 각 중단 끼리를 자기적으로 연결하는 코어부와, 상기 센터 레그에 권선된 일차 권선 및 이차 권선과, 상기 제1 및 제2 외곽 레그 중 적어도 하나의 외부 레그에 권선되어 상기 일차 권선과 이차 권선의 전자기 작용에 의한 전원을 안정화하는 인덕터 권선을 갖는 코일부를 포함하며, 상기 제1 및 제2 외곽 레그의 단면과 상기 센터 레그의 단면은 각각 상기 제1 및 제2 지지부의 길이방향의 너비를 갖고, 상기 제1 및 제2 외곽 레그의 너비는 각각 상기 센터 레그의 너비의 0.5배를 초과하고 2배 이하인 것을 특징으로 하는 집적화된 트랜스포머를 제공하는 것이다.
전원 장치(Power Supply), 트랜스포머(Transformer), 집적(Integrate)

Description

집적화된 트랜스포머 및 이를 이용한 전원 장치{INTEGRATED TEANSFORMER AND POWER SUPPLY USING THEREOF}
본 발명은 집적화된 트랜스포머 및 이를 이용한 전원 장치에 관한 것으로 보다 상세하게는 전력 변환용 트랜스포머와 트랜스포머에 의한 출력 전원을 안정화하는 인덕터를 하나의 트랜스포머 구조에 집적화한 트랜스포머 및 이를 이용한 전원 장치에 관한 것이다.
일반적으로 퍼스널 컴퓨터 등의 정보 기기, 에어컨, 오디오 및 비주얼 기기 등의 가정 전자제품 등에는 상용 AC 전원을 필요한 직류 전원으로 변환하여 제공하는 전원 장치가 주로 사용되고 있다.
상술한 전자제품의 다양한 발전에 따라 수백 와트(W) 이상의 직류 전원이 출력하는 전원 장치가 요구되고 있으며, 상술한 고출력 직류 전원을 필요로 하면서 경박 단소의 제품 사이즈 또한 요구되고 있다.
상술한 요구를 만족하기 위한 일환으로, 전원 장치에 있어서 전력 변환에 사용되는 자기 소자인 트랜스포머와 변환된 전원을 안정화하는 출력 인덕터의 집적화가 요구되어 진다.
도 1은 트랜스포머와 출력 인덕터를 집적화한 종래의 집적화된 트랜스포머의 구조를 나타내는 구성도이다.
도 1을 참조하면, 종래의 집적화된 트랜스포머(1)는 자기 코어(core)와 권선으로 이루어진다.
상기 자기 코어는 서로 마주보며 일단과 타단을 갖는 일정 길이의 제1 및 제2 지지부(1a,1b)와 제1 및 제2 지지부(1a,1b)로부터 연장되어 제1 및 제2 지지부(1a,1b)를 자기적으로 결합하는 제1 및 제2 외곽 레그(1c,1d) 및 센터 레그(1e)를 포함한다.
상기 권선은 1차 권선(P1,P2) 및 1차 권선(P1,P2)과 전자기적으로 결합하는 2차 권선(S1,S2)과 상술한 출력 인덕터에 해당하는 인덕터 코일(Lo)을 포함한다. 1차 권선(P1,P2) 및 2차 권선(S1,S2)는 상술한 전력 변환용 트랜스포머에 해당된다.
1차 권선(P1,P2)과 2차 권선(S1,S2)는 각각 제1 및 제2 외곽 레그(1c,1d)에 양분되어 권선되고, 인덕터 권선(Lo)은 센터 레그(1e)에 권선된다.
상술한 종래의 집적화된 트랜스포머는 다음과 같은 문제점이 있다.
첫번째로, 상기 자기 코어는 상용 EE코어 또는 상용 EI코어를 사용하는데 이때 센터 레그(1e)보다 작은 단면적을 갖는 외곽 레그(1c,1d)에 전력 변환을 담당하는 1차 및 2차 권선(P1,P2,S1,S2)를 감은 형태로 센터 레그(1e)의 인덕터 권선(Lo)에 의한 직류 자속과 1차 및 2차 권선(P1,P2,S1,S2)의 교류 자속이 더해져 외곽 레그(1c,1d)의 자속밀도가 매우 높아진다. 특히 1차 및 2차 권선(P1,P2,S1,S2)의 자 속에 직류성분이 포함되어 있어 전원 장치의 작은 비대칭 회로 소자나 교류 비대칭 동작에 의해 트랜스포머가 쉽게 자기포화가 될 수 있다.
두번째로, 센터 레그(1e)은 단지 인덕터 권선(Lo)이 감겨 있어 인덕터에 의한 자속만이 흐르고 단면적이 외곽 레그(1c,1d)보다 크므로 코어 손실은 매우 작다. 따라서 대부분의 손실이 1차 및 2차 권선(P1,P2,S1,S2)이 감긴 외곽 레그(1c,1d)에 집중되어 센터 레그(1e)와 열적 불평형이 발생한다.
세번째로, 1차 및 2차 권선(P1,P2,S1,S2)이 외곽 레그(1c,1d)에 감겨 있어 권선 수가 많은 경우 감싸는 코어가 없어 자속이 외부로 퍼질 수 있어 전자기파 간섭 문제가 발생할 수 있고, 변압기 권선이 둘로 나뉘어 있어 1차 권선(P1,P2)과 2차 권선(S1,S2)의 결합계수가 작다.
상술한 문제점을 해결하기 위해, 본 발명의 목적은 전력 변환용 트랜스포머에 해당하는 1차 및 2차 권선을 센터 레그에 권선하고 트랜스포머에 의한 출력 전원을 안정화하는 인덕터 권선을 외곽 레그에 양분하여 하나의 트랜스포머 구조에 집적화한 트랜스포머 및 이를 이용한 전원 장치를 제공하는 것이다.
상술한 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 하나의 기술적인 측면은 각각 일정 길이로 형성되며 서로 일정 간격으로 이격된 제1 및 제2 지지부와, 상기 제1 및 제2 지지부 사이에 각각 형성되어 상기 제1 및 제2 지지부와 자기적으로 결합되는 제1 및 제2 외곽 레그와 센터 레그를 가지며, 상기 제1 및 제2 지지부는 일단 및 상기 일단의 반대편에 형성된 타단 및 상기 일단 및 타단의 중간에 형성된 중단을 갖고, 상기 제1 및 제2 외곽 레그는 상기 제1 및 제2 지지부의 각 일단끼리와 각 타단끼리를 각각 자기적으로 연결하며, 상기 센터 레그는 상기 제1 및 제2 지지부의 각 중단 끼리를 자기적으로 연결하는 코어부와, 상기 센터 레그에 권선된 일차 권선과, 상기 센터 레그에 권선되어 상기 일차 권선과 전자기 결합하는 이차 권선과, 상기 제1 및 제2 외곽 레그 중 적어도 하나의 외부 레그에 권선되어 상기 일차 권선과 이차 권선의 전자기 작용에 의한 전원을 안정화하는 인덕터 권선을 갖는 코일부를 포함하며, 상기 제1 및 제2 외곽 레그의 단면과 상기 센터 레그의 단면은 각각 상기 제1 및 제2 지지부의 길이방향의 너비를 갖고, 상기 제1 및 제2 외곽 레그 의 너비는 각각 상기 센터 레그의 너비의 0.5배를 초과하고 2배 이하인 것을 특징으로 하는 집적화된 트랜스포머를 제공하는 것이다.
본 발명의 하나의 기술적인 측면에 따르면, 상기 코어부는 EE코어 또는 EI코어의 결합으로 구성될 수 있다.
본 발명의 하나의 기술적인 측면에 따르면, 상기 일차 권선, 상기 이차 권선 및 상기 인덕터 권선은 서로 동일 방향으로 권선될 수 있다.
본 발명의 하나의 기술적인 측면에 따르면, 상기 인덕터 권선은 상기 제1 및 제2 외곽 레그에 분할 권선될 수 있다.
본 발명의 하나의 기술적인 측면에 따르면, 상기 이차 권선은 상기 인덕터 권선과 전기적으로 연결되는 중간 탭이 형성될 수 있다.
본 발명의 다른 하나의 기술적인 측면에 따르면, 입력 직류 전원을 교번 스위칭하여 교류 전원을 변환하는 스위칭부와, 사전에 설정된 권선비에 따라 상기 스위칭부로부터의 상기 교류 전원의 전압 레벨을 변환하는 변압부와, 상기 변압부로부터의 상기 교류 전원을 정류하여 직류 전원을 출력하는 정류부와, 상기 정류부로부터의 직류 전원의 전압 레벨에 따라 상기 스위칭부의 스위칭 듀티를 제어하는 제 어부를 포함하며, 상기 변압부는 각각 일정 길이로 형성되며 서로 일정 간격으로 이격된 제1 및 제2 지지부와, 상기 제1 및 제2 지지부 사이에 각각 형성되어 상기 제1 및 제2 지지부와 자기적으로 결합되는 제1 및 제2 외곽 레그와 센터 레그를 가지며, 상기 제1 및 제2 지지부는 일단 및 상기 일단의 반대편에 형성된 타단 및 상기 일단 및 타단의 중간에 형성된 중단을 갖고, 상기 제1 및 제2 외곽 레그는 상기 제1 및 제2 지지부의 각 일단끼리와 각 타단끼리를 각각 자기적으로 연결하며, 상기 센터 레그는 상기 제1 및 제2 지지부의 각 중단 끼리를 자기적으로 연결하는 코어부와, 상기 센터 레그에 권선된 일차 권선과, 상기 센터 레그에 권선되어 상기 일차 권선과 전자기 결합하여 상기 권선비를 갖는 이차 권선과, 상기 제1 및 제2 외곽 레그 중 적어도 하나의 외부 레그에 권선되어 상기 일차 권선과 이차 권선의 전자기 작용에 의한 전원을 안정화하는 인덕터 권선을 갖는 코일부를 갖는 집적화된 트랜스포머를 포함하는 것을 특징으로 하는 집적화된 트랜스포머를 이용한 전원 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 하나의 기술적인 측면에 따르면, 상기 제1 및 제2 외곽 레그의 단면과 상기 센터 레그의 단면은 각각 상기 제1 및 제2 지지부의 길이방향의 너비를 갖고, 상기 제1 및 제2 외곽 레그의 너비는 각각 상기 센터 레그의 너비의 0.5배를 초과하고 2배 이하일 수 있다.
본 발명의 다른 하나의 기술적인 측면에 따르면, 상기 코어부 EE코어 또는 EI코어의 결합으로 구성될 수 있다.
본 발명의 다른 하나의 기술적인 측면에 따르면, 상기 일차 권선, 이차 권선 및 인덕터 권선은 서로 동일 방향으로 권선될 수 있다.
본 발명의 다른 하나의 기술적인 측면에 따르면, 상기 인덕터 권선은 상기 코어부의 외곽 레그에 분할 권선될 수 있다.
본 발명의 다른 하나의 기술적인 측면에 따르면, 상기 이차 권선은 상기 인덕터 권선에 전기적으로 연결된 중간 탭이 형성될 수 있다.
본 발명의 다른 하나의 기술적인 측면에 따르면, 상기 스위칭부는 풀 브리지 방식, 하프 브리지 방식 및 푸쉬-풀 방식 중 하나의 스위칭 방식을 선택할 수 있다.
본 발명의 다른 하나의 기술적인 측면에 따르면, 상기 정류부는 상기 변압부로부터의 상기 교류 전원을 전파 정류 방식 또는 반파 정류 방식으로 정류할 수 있으며, 상기 변압부의 이차 권선으로부터의 교류 전원을 정류하는 제1 및 제2 스위치와, 상기 인덕터 권선과 LC 필터를 형성하여 상기 제1 및 제2 다이오드로부터의 정류된 전원을 안정화하는 캐패시터를 포함할 수 있다. 더하여 상기 스위치는 다이 오드, 금속 산화막 반도체 전계 효과 트랜지스터(Metal Oxide Semiconductor Field-Effect Transistor; MOSFET)와 같은 반도체 스위칭 디바이스로 구성될 수 있다.
본 발명의 다른 하나의 기술적인 측면에 따르면, 상기 제어부는 위상 이동 PWM(Phase Shift Pulse Width Modulation) 방식으로 상기 스위칭부의 스위칭 듀티를 제어할 수 있다.
본 발명의 다른 하나의 기술적인 측면에 따르면, 상기 전원 장치는 상용 AC 전원을 정류하고 역률을 보정하여 상기 입력 직류 전원을 제공하는 역률 보정부를 더 포함할 수 있다.
본 발명에 따르면, 기존에 상용되는 EE코어 또는 EI 코어와 달리 코어의 외곽 레그의 단면 너비를 각각 센터 레그의 단면 너비의 0.5배를 초과하고 2배 이하로 형성하며, 트랜스포머를 형성하는 일이차 권선을 센터 레그에 권선하고 인덕터 권선을 외곽 레그에 권선함으로써 전력 변환시에 발생되는 열을 모든 레그에 분산하여 열적 불평형을 억제하고 일이차 권선의 결합 계수를 높여 전력 변환의 고효율화를 달성할 수 있는 효과가 있다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하도록 한다.
도 2는 본 발명의 집적화된 트랜스포머의 구성도이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 집적화된 트랜스포머(10)는 자기소자로 형성된 코어부와 상기 코어부에 권선되는 코일부를 포함한다.
상기 코어부는 지지부(11,12)와 레그(13,14,15)를 갖는다.
지지부(11,12)는 제1 지지부(11)와 제2 지지부(12)로 이루어지며, 제1 및 제2 지지부(11,12)는 각각 일정 길이를 갖는 자기소자로 형성되며 길이 방향의 일단, 상기 일단의 길이 방향의 반대편에 형성된 타단 및 상기 일단 및 타단 사이의 중간에 위치하는 중단을 갖는다.
레그(13,14,15)는 제1 및 제2 외곽 레그(13,14)와 센터 레그(15)로 이루어지며, 제1 외곽 레그(13)는 제1 및 제2 지지부(11,12)의 각 일단 끼리를 자기적으로 연결하며, 제2 외곽 레그(14)는 제1 및 제2 지지부(11,12)의 각 타단 끼리를 자기적으로 연결한다. 센터 레그(15)는 제1 및 제2 지지부(11,12)의 각 중단 끼리를 자기적으로 연결한다. 제1 및 제2 외곽 레그(13,14) 및 센터 레그(15)에는 트랜스포머의 인덕턴스를 결정하는 공극(Air Gap)이 각각 형성될 수 있다.
상기 코어부는 EE코어 구조를 갖되 제1 및 제2 외곽 레그(13,14)의 단면 너비(t)는 종래의 상용화된 EE 코어와 달리 센터 레그(15)의 단면 너비(t)에 대비하여 0.5배를 초과하도록 구성되는 것이 바람직하며, 도시된 바와 같이 양산을 고려하여 외곽 레그의 단면 너비(13,14)와 센터 레그(15)의 단면 너비를 동일하게 구성 될 수도 있다. 또한 도 3에 도시된 바와 같이 EI 코어 구조에서 제1 및 제2 외곽 레그(13,14)의 단면 너비(2t)는 센터 레그(15)의 단면 너비(t)에 대비하여 2배로 구성될 수도 있다.
상술한 제1 및 제2 외곽 레그(13,14)의 단면 너비와 센터 레그(15)의 단면 너비에 의한 전기적인 특징은 도 10을 참조하여 설명하도록 한다.
상기 코일부는 전력 변환을 담당하는 일차 권선(P1) 및 이차 권선(S1,S2)과 출력 안정화를 담당하는 인덕터 권선(Lo1,Lo2)을 갖는다.
일차 권선(P1) 및 이차 권선(S1,S2)는 상기 코어부의 센터 레그(15)에 권선되고, 인덕터 권선(Lo1,Lo2)는 외곽 레그(13,14)에 권선된다.
이차 권선(S1,S2)는 인덕터 권선(Lo1,Lo2)과 전기적으로 연결되는 중간 탭(Center Tap)이 형성될 수 있으며, 인덕터 권선(Lo1,Lo2)는 제1 및 제2 외곽 레그(13,14) 중 적어도 하나의 외곽 레그에 권선될 수 있으나, 열적 평형을 고려하면 제1 및 제2 외곽 레그(13,14)에 분할 권선되는 것이 바람직하다(도 2에 도시된 Np는 일차 권선(P1)의 권선수, Ns1,Ns2는 이차 권선(S1,S2)의 권선수, NL1,NL2는 인덕터 권선(Lo1,Lo2)의 권선 수를 의미한다.).
상술한 집적화된 트랜스포머에서 도면에 도시되지 않았지만 전기적인 절연체인 보빈(Bobbin)에 상기 코어부가 결합되고 상기 코일부가 권선되는 것은 당업자에게 자명한 것으로 생략하도록 한다.
도 4는 본 발명의 집적화된 트랜스포머를 이용한 전원 장치의 구성도이다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 전원 장치는 역률 보정부(100), 스위칭부(200), 변압부(300), 정류부(400) 및 제어부(500)를 포함한다.
역률 보정부(100)는 상용 AC 전원을 정류하고, 정류된 전원의 역률(Power Factor)을 보정하여 직류 전원(Vg)을 스위칭부(200)에 전달한다.
스위칭부(200)는 4개의 스위치(Q1,Q2,Q3,Q4)를 갖는 풀 브리지(Full Bridge) 방식으로 구성되어 스위칭 신호(sw1,sw2,sw3,sw4)에 따라 교번 스위칭하여 직류 전원(Vg)를 교류 전원으로 변환하여 변압부(300)에 전달한다(D1 내지 D4는 각각 Q1 내지 Q4의 바디 다이오드를 의미한다.).
변압부(300)는 도 2에 도시된 집적화된 트랜스포머를 포함하고, 일차 권선(P1)과 이차권선(S1,S2)간의 권선비에 따라 스위칭부(200)로부터의 교류 전원의 전압 레벨을 변압하여 정류부(400)에 전달한다.
정류부(400)는 도통 손실을 고려하여 각각 바디 다이오드(D5,D6)을 포함하는 2개의 스위치(Q5,Q6)를 갖는 반파 정류 방식으로 구성되어 변압부(300)로부터의 교류 전원을 정류하여 사전에 설정된 전압 레벨을 갖는 직류 전원(Vo)으로 변환한다. 이때, 정류부(400)는 출력단에 캐패시터(Co)를 포함하여 변압부(300)의 인덕터 권 선(Lo1,Lo2)과 LC 필터를 구성하여 직류 전원(Vo)을 안정화시킨다.
제어부(500)는 정류부(400)로부터의 직류 전원(Vo)의 전압 레벨에 따라 스위칭부(200)의 교번 스위칭의 스위칭 듀티를 가변 제어하는 제어신호(sw1,sw2,sw3,sw4)를 스위칭부(200)에 제공한다. 제어부(500)는 직류 전원(Vo)의 전압 레벨에 따라 제어 신호(sw1,sw2,sw3,sw4)의 위상을 이동하여 스위칭 듀티를 가변하는 위상 이동 PWM(Phase Shift Pulse Width Modulation) 방식으로 스위칭을 제어할 수 있다.
도 5a 내지 도 5c는 각각 본 발명의 집적화된 트랜스포머를 이용한 전원 장치의 다른 실시형태들을 나타내는 구성도이다.
도 2 및 도 4와 함께 도 5a 내지 도5c를 참조하면, 스위칭부(200)는 입력 직류 전원(Vg)단에 병렬로 연결된 2개의 스위치(Q1,Q2)를 갖는 하프 브릿지(Half- Bridge) 방식으로 구성될 수 있다(도 5a, 도 5c 참조).
또한, 변압부(300)의 집적화된 트랜스포머는 일차 권선(P)과 중간 탭이 형성되지 않은 이차 권선(S)을 포함할 수 있으며(도 5b 참조), 정류부(400)는 변압부(300)의 이차 권선(S1,S2)에 각각 연결된 2개의 스위치(Q3,Q4)를 갖는 반파 정류 구조(도 5a 참조) 또는 이차 권선(S)에 각각 연결된 4개의 다이오드(D3 내지 D6, 또는 D5 내지 D8)를 갖는 전파 정류 구조(도 5b, 도 5c 참조)로 구성될 수 있다.
도 6는 도 4의 전원 장치의 동작 파형도이다.
도 4와 함께 도 6을 참조하면, 본 발명의 전원 장치의 주요 부분에 관한 동작 파형을 볼 수 있다.
도 7의 (a) 및 (b)는 도 6에 도시된 동작 모드 1에서의 동작을 나타내는 도면이다.
도 4 및 도 6을 참조하면, 동작 모드 1(도 6 참조)에서는 스위칭부(200)의 제1 스위치(Q1)과 제4 스위치(Q4)가 동시에 도통되고 정류부(400)의 제5 스위치(Q5)가 도통된다. 변압부(300)의 이차 권선(S1,S2)에 양의 직류 전압이 인가되어 전력이 일차 권선(P1)에서 이차 권선(S1,S2)으로 전달되고 인덕터 권선(Lo1,Lo2)의 전류(IL)가 선형으로 증가한다. 도 6의 그래프에서 Im은 자화 인덕터에 흐르는 전류를 의미하고, Vab는 도 4의 a노드와 b노드간의 전압을 의미하며, Ip는 일차측 전류, I5 및 I6은 제5 및 제6 스위치(Q5,Q6)에 흐르는 전류를 의미한다.
도 7의 (a)는 집적 자기회로에서의 도통 상태를 나타내며 도면에 표시된 굵은 선은 전류의 흐름을 나타낸다. 도 7의 (b)는 도 7의 (a)를 등가 자기회로로 나타낸다. 각 레그에서 아래로 표시된 화살표는 해당 레그의 자속율(flux rate)의 기준 방향을 나타낸다. 도 7의 (a)와 도 7의 (b)로부터의 자속율에 관한 식은 다음의 수학식1과 같다.(도 7의 (b)에서 FL1,FL2는 인덕터 권선의 기자력, Fp는 일차 권선의 기자력, Fs1,Fs2는 이차 권선의 기자력, Fg1는 제1 외곽 레그의 공극 퍼미언스의 기자력, Fg2는 제2 외곽 레그의 공극 퍼미언스의 기자력, Fgc는 센터 레그의 공 극 퍼미언스의 기자력, Pg는 제1 혹은 제2 외곽 레그의 공극 퍼미언스, Pgc는 센터 레그의 공극 퍼미언스를 나타낸다)
(수학식1)
Figure 112008019108382-PAT00001
여기서 Np, Ns, NL은 일차 권선(P1)의 권선 수, 이차 권선(S1,S2)의 권선 수 및 인덕터 권선(Lo1,Lo2)의 권선수를 나타내며, Φ` 1, Φ` 2, Φ` c는 제1 및 제2 외곽 레그 및 센터 레그의 자속을 각각 나타낸다. Vg와 Vo는 입력 직류 전원 및 출력 직류 전원을 나타낸다. 이 식을 풀면 각 변에 흐르는 자속율은 다음의 수학식2와 같다.
(수학식2)
Figure 112008019108382-PAT00002
도 8의 (a) 및 (b)는 도 6에 도시된 동작 모드 2에서의 동작을 나타내는 도면이다.
도 4 및 도 6을 참조하면, 동작 모드2(도 6 참조)에서는 제1 스위치(Q1)와 제2 스위치(Q2)가 동시에 도통되어 변압부(300)의 일차측이 프리 휠링(freewheeling) 상태에 있어 변압부(300)의 이차측의 전압이 영이 된다. 따라서 인덕터 권선에 흐르는 전류(IL)는 도 6의 그래프와 같이 제5 스위치(Q5)를 통해 선형적으로 감소한다. 도 8의 (a)는 집적 자기회로에서의 도통 상태를 나타낸다. 도 8의 (b)는 도 8의 (a)에서 등가 자기회로를 나타낸다. 도 8의 (a)와 도 8의 (b)로부터 자속율에 관한 식을 다음과 같이 수학식3으로 세울 수 있다.
(수학식3)
Figure 112008019108382-PAT00003
상기한 수학식3을 풀면 각 레그에 흐르는 자속율은 다음의 수학식4와 같다.
(수학식4)
Figure 112008019108382-PAT00004
도 6에서 동작 모드 3과 동작 모드 4는 입력 전압의 부호를 제외하면 상술한 동작 모드 1 및 2와 같다.
도 9는 도 7의 (b) 및 도 8의 (b)에 도시된 자기 등가 회로의 주요 파형도이다. 도 9를 참조하면, 집적화된 트랜스포머의 제1 및 제2 외곽 레그와 센터 레그에서의 자속율과 자속 파형을 나타낸다. 여기서, Φ` 1, Φ` 2, Φ` c는 제1 및 제2 외곽 레그 및 센터 레그의 자속의 순시치이며, Φ1, Φ2, Φc는 제1 및 제2 외곽 레그 및 센터 레그의 평균 자속을 나타낸다. 센터 레그의 자속은 변압에 의한 교류 자속만이 흐른다. 제1 및 제2 외곽 레그에는 변압기에 의한 교류 자속이 균등하게 반으로 나뉘어 흐르고 인덕터 권선에 의한 직류 자속에 더해진다.
따라서, 제1 및 제2 외곽 레그의 자속의 첨두치가 가장 크며 상술한 실시형태에서 코어를 선택하는 기준이 된다. 즉, 바깥 변의 단면적이 가운데 변의 단면적의 반정도인 일반적인 코어를 상기와 같은 자기회로 집적에 사용할 경우 가운데 변을 효과적으로 이용할 수 없어 코어 크기가 매우 커지게 된다. 따라서 코어의 부피를 감소하기 위해 도 3과 같이 바깥 변의 너비가 가운데 변의 너비보다 1 ~ 1.5배 큰 코어를 사용하면 주어진 부피에서 최대의 전력밀도를 얻을 수 있다.
도 4에서 전압 변환비 M(D)는 제1 및 제2 외곽 레그 중 하나를 선택하여 평균 자속율이 영이 되는 조건으로부터 구하면 다음의 수학식5와 같다.
(수학식5)
Figure 112008019108382-PAT00005
여기서, D는 정상상태의 시비율을 나타낸다. 따라서 시비율과 집적화된 트랜스포머의 권선비를 적절히 선택하여 출력 직류 전원(Vo)을 얻을 수 있다.
인덕터 권선의 인덕턴스는 다음의 수학식6으로 주어진다.
(수학식6)
Figure 112008019108382-PAT00006
여기서, Pg는 바깥 한 변에 위치한 공극의 퍼미언스(permeance)로 다음의 수학식7과 같다.
(수학식7)
Figure 112008019108382-PAT00007
여기서 μ0는 공기 중의 투자율이고, Ao와 lg는 제1 및 제2 외곽 레그의 단면적과 레그에 형성된 공극(Air Gap)의 길이를 나타낸다. 제1 및 제2 외곽 레그의 첨두-첨두(Peak to Peak) 교류 자속과 최대 자속의 크기는 다음의 수학식8과 같다.
(수학식8)
Figure 112008019108382-PAT00008
여기서, fs는 스위칭부(200)의 스위칭 주파수를 나타낸다. 최대 자속 식의 우변에서 첫 번째 항은 인덕터 권선에 의한 직류 자속이고, 두 번째 항은 센터 레그에 의한 교류 자속의 첨두 값을 나타낸다.
센터 레그에는 직류 자속이 없기 때문에 변압기의 의한 교류 자속만이 존재하며 첨두-첨두 교류 자속의 크기와 최대 자속의 크기는 다음의 수학식9와 같다.
(수학식9)
Figure 112008019108382-PAT00009
각 레그의 최대 자속 밀도로부터 트랜스포머의 코어에서 자기포화 발생여부를 파악할 수 있고, 교류 자속 밀도로부터 각 레그에서 발생하는 코어 손실을 구할 수 있다.
도 10의 (a) 내지 (d)는 본 발명의 집적화된 트랜스포머의 전자기적 특성을 나타내는 그래프이다. 도 10의 (a) 내지 (c)에서는 도 4의 전원 장치에서 입력 직류 전원의 전압 레벨을 400 V로 설정하고, 출력 직류 전원의 전력을 700W로 전압 레벨을 12 V로 설정하였으며, 스위칭부(200)의 스위칭 주파수는 100 kHz, 일차 권선(P1)의 권선수(Np)는 40, 이차 권선(S1,S2)의 권선수(Ns)는 2, 인덕터 권 선(Lo1,Lo2)의 권선수(NL)는 1로 설정한 경우의 정격 부하의 조건에서 집적화된 트랜스포머의 센터 레그의 너비와 외곽 레그의 너비의 비에 따른 전기적인 특성 곡선을 나타낸다.
일반적으로 종래에 사용되는 상용 코어인 경우 센터 레그의 너비와 외곽 레그의 너비의 비는 약 2이다. 도 10의 (a)를 보면 상용 코어의 경우 센터 레그의 첨두 자속밀도가 외곽 레그에 비해 매우 작아 센터 레그의 단면적이 효과적으로 이용되지 않음을 알 수 있다. 이에 따라 도 10의 (b)에 보인 바와 같이 전력 변환 효율은 센터 레그의 단면적이 외곽 레그에 비해 큼에도 불구하고 효율이 낮아짐을 알 수 있다. 그 이유는 센터 레그의 코어 손실의 감소는 작은데 비해 오히려 동손이 증가하기 때문이다.
반면에, 본 발명의 집적화된 트랜스포머에 적용된 바와 같이 센터 레그의 너비와 외곽 레그의 너비의 비를 2 미만으로 적용하는 경우 센터 레그의 첨두 자속 밀도가 증가하는 것을 볼 수 있으며, 센터 레그의 너비와 외곽 레그의 너비의 비가 1인 지점을 기점으로 센터 레그의 첨두 자속 밀도가 급격히 증가하는 것을 볼 수 있다. 또한 센터 레그의 너비와 외곽 레그의 너비의 비가 1/2에서는 센터 레그와 외곽 레그의 첨두 자속밀도가 균등해짐을 알 수 있다. 이에 따라, 도 10의 (b)를 보면 센터 레그의 너비와 외곽 레그의 너비의 비를 2 미만으로 적용하는 경우 센터 레그의 전력 변환 효율이 증가하는 것을 볼 수 있으며, 마찬가지로 도 10의 (c)를 보면 센터 레그의 너비가 외곽 레그의 너비의 2배인 상용 코어의 전력밀도에 비해 센터 레그의 너비와 외곽 레그의 너비가 같은 경우 전력 밀도가 약 20 % 증가함을 알 수 있다.
따라서 본 발명의 집적화된 트랜스포머를 사용하면 전력 변환 효율과 전력밀도가 매우 증가할 수 있음을 알 수 있다.
도 10의 (d)는 센터 레그의 너비와 외곽 레그의 너비가 같고, 각 레그의 단면적의 넓이가 같고 정사각형이 되도록 너비와 두께를 조정하여 얻은 코어 형상의 조건에서 부하에 따른 효율 곡선을 나타낸다. 정격 부하에서 98.7 %의 효율이 나오며 0.5 부하에서 약 99 %의 최대 효율이 나오는 것을 볼 수 있다.
이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고 후술하는 특허청구범위에 의해 한정되며, 본 발명의 구성은 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 그 구성을 다양하게 변경 및 개조할 수 있다는 것을 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 쉽게 알 수 있다.
도 1은 종래의 집적화된 트랜스포머의 구성도.
도 2는 본 발명의 집적화된 트랜스포머의 일 실시형태를 나타내는 구성도.
도 3은 본 발명의 집적화된 트랜스포머의 다른 실시형태를 나타내는 구성도.
도 4는 본 발명의 집적화된 트랜스포머를 이용한 전원 장치의 일 실시형태를 나타내는 구성도.
도 5의 (a) 내지 (c)는 각각 본 발명의 집적화된 트랜스포머를 이용한 전원 장치의 다른 실시형태들을 나타내는 구성도.
도 6는 도 4의 전원 장치의 동작 파형도.
도 7의 (a) 및 (b)는 도 6에 도시된 동작 모드 1에서의 동작을 나타내는 도면.
도 8의 (a) 및 (b)는 도 6에 도시된 동작 모드 2에서의 동작을 나타내는 도면.
도 9은 도 7의 (b) 및 도 8의 (b)에 도시된 자기 등가 회로의 주요 파형도.
도 10의 (a) 내지 (d)는 본 발명의 집적화된 트랜스포머의 전자기적 특성을 나타내는 그래프.
<도면의 주요 부호에 대한 상세한 설명>
10...집적화된 트랜스포머 11...제1 지지부
12...제2 지지부 13...제1 외곽 레그
14...제2 외곽 레그 15...센터 레그
P1...일차 권선 S1,S2...이차 권선
Lo1,Lo2...인덕터 권선 100...역률 보정부
200...스위칭부 300...변압부
400...정류부 500...제어부

Claims (17)

  1. 각각 일정 길이로 형성되며 서로 일정 간격으로 이격된 제1 및 제2 지지부와, 상기 제1 및 제2 지지부 사이에 각각 형성되어 상기 제1 및 제2 지지부와 자기적으로 결합되는 제1 및 제2 외곽 레그와 센터 레그를 가지며, 상기 제1 및 제2 지지부는 일단 및 상기 일단의 반대편에 형성된 타단 및 상기 일단 및 타단의 중간에 형성된 중단을 갖고, 상기 제1 및 제2 외곽 레그는 상기 제1 및 제2 지지부의 각 일단끼리와 각 타단끼리를 각각 자기적으로 연결하며, 상기 센터 레그는 상기 제1 및 제2 지지부의 각 중단 끼리를 자기적으로 연결하는 코어부; 및
    상기 센터 레그에 권선된 일차 권선과, 상기 센터 레그에 권선되어 상기 일차 권선과 전자기 결합하는 이차 권선과, 상기 제1 및 제2 외곽 레그 중 적어도 하나의 외부 레그에 권선되어 상기 일차 권선과 이차 권선의 전자기 작용에 의한 전원을 안정화하는 인덕터 권선을 갖는 코일부를 포함하며,
    상기 제1 및 제2 외곽 레그의 단면과 상기 센터 레그의 단면은 각각 상기 제1 및 제2 지지부의 길이방향의 너비를 갖고, 상기 제1 및 제2 외곽 레그의 너비는 각각 상기 센터 레그의 너비의 0.5배를 초과하고 2배 이하인 것을 특징으로 하는 집적화된 트랜스포머.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 코어부는 EE코어 또는 EI코어의 결합으로 구성되는 것을 특징으로 하는 집적화된 트랜스포머.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 일차 권선, 상기 이차 권선 및 상기 인덕터 권선은 서로 동일 방향으로 권선되는 것을 특징으로 하는 집적화된 트랜스포머.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 인덕터 권선은 상기 제1 및 제2 외곽 레그에 분할 권선되는 것을 특징으로 하는 집적화된 트랜스포머.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 이차 권선은 상기 인덕터 권선과 전기적으로 연결되는 중간 탭이 형성되는 것을 특징으로 하는 집적화된 트랜스포머.
  6. 입력 직류 전원을 교번 스위칭하여 교류 전원을 변환하는 스위칭부;
    사전에 설정된 권선비에 따라 상기 스위칭부로부터의 상기 교류 전원의 전압 레벨을 변환하는 변압부;
    상기 변압부로부터의 상기 교류 전원을 정류하여 직류 전원을 출력하는 정류부; 및
    상기 정류부로부터의 직류 전원의 전압 레벨에 따라 상기 스위칭부의 스위칭 듀티를 제어하는 제어부를 포함하며,
    상기 변압부는
    각각 일정 길이로 형성되며 서로 일정 간격으로 이격된 제1 및 제2 지지부와, 상기 제1 및 제2 지지부 사이에 각각 형성되어 상기 제1 및 제2 지지부와 자기적으로 결합되는 제1 및 제2 외곽 레그와 센터 레그를 가지며, 상기 제1 및 제2 지지부는 일단 및 상기 일단의 반대편에 형성된 타단 및 상기 일단 및 타단의 중간에 형성된 중단을 갖고, 상기 제1 및 제2 외곽 레그는 상기 제1 및 제2 지지부의 각 일단끼리와 각 타단끼리를 각각 자기적으로 연결하며, 상기 센터 레그는 상기 제1 및 제2 지지부의 각 중단 끼리를 자기적으로 연결하는 코어부; 및
    상기 센터 레그에 권선된 일차 권선과, 상기 센터 레그에 권선되어 상기 일차 권선과 전자기 결합하여 상기 권선비를 갖는 이차 권선과, 상기 제1 및 제2 외곽 레그 중 적어도 하나의 외부 레그에 권선되어 상기 일차 권선과 이차 권선의 전자기 작용에 의한 전원을 안정화하는 인덕터 권선을 갖는 코일부를 갖는 집적화된 트랜스포머를 포함하는 것을 특징으로 하는 집적화된 트랜스포머를 이용한 전원 장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 외곽 레그의 단면과 상기 센터 레그의 단면은 각각 상기 제1 및 제2 지지부의 길이방향의 너비를 갖고, 상기 제1 및 제2 외곽 레그의 너비는 각각 상기 센터 레그의 너비의 0.5배를 초과하고 2배 이하인 것을 특징으로 하는 집적화된 트랜스포머를 이용한 전원 장치.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 코어부는 EE코어 또는 EI코어의 결합으로 구성되는 것을 특징으로 하는 집적화된 트랜스포머를 이용한 전원 장치.
  9. 제6항에 있어서,
    상기 일차 권선, 이차 권선 및 인덕터 권선은 서로 동일 방향으로 권선되는 것을 특징으로 하는 집적화된 트랜스포머를 이용한 전원 장치.
  10. 제6항에 있어서,
    상기 인덕터 권선은 상기 코어부의 외곽 레그에 분할 권선되는 것을 특징으로 하는 집적화된 트랜스포머를 이용한 전원 장치.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 이차 권선은 상기 인덕터 권선에 전기적으로 연결된 중간 탭이 형성되는 것을 특징으로 하는 집적화된 트랜스포머를 이용한 전원 장치.
  12. 제6항에 있어서,
    상기 스위칭부는 풀 브리지 방식, 하프 브리지 방식 및 푸쉬-풀 방식 중 하 나의 스위칭 방식을 선택하는 것을 특징으로 하는 집적화된 트랜스포머를 이용한 전원 장치.
  13. 제11항에 있어서,
    상기 정류부는 상기 변압부로부터의 상기 교류 전원을 전파 정류 방식 또는 반파 정류 방식으로 정류하는 것을 특징으로 하는 집적화된 트랜스포머를 이용한 전원 장치.
  14. 제13항에 있어서, 상기 정류부는
    상기 변압부의 이차 권선으로부터의 교류 전원을 정류하는 제1 및 제2 스위치; 및
    상기 인덕터 권선과 LC 필터를 형성하여 상기 제1 및 제2 다이오드로부터의 정류된 전원을 안정화하는 캐패시터
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 집적화된 트랜스포머를 이용한 전원 장치.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 스위치는 다이오드, 금속 산화막 반도체 전계 효과 트랜지스터(Metal Oxide Semiconductor Field-Effect Transistor; MOSFET)와 같은 반도체 스위칭 디바이스로 구성되는 것을 특징으로 하는 집적화된 트랜스포머를 이용한 전원 장치.
  16. 제6항에 있어서,
    상기 제어부는 위상 이동 PWM(Phase Shift Pulse Width Modulation) 방식으로 상기 스위칭부의 스위칭 듀티를 제어하는 것을 특징으로 하는 집적화된 트래스포머를 이용한 전원 장치.
  17. 제6항에 있어서,
    상기 전원 장치는 상용 AC 전원을 정류하고 역률을 보정하여 상기 입력 직류 전원을 제공하는 역률 보정부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 집적화된 트랜스포머를 이용한 전원 장치.
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