KR20090102288A - 변압기 및 이 변압기를 사용하는 전원장치 - Google Patents

변압기 및 이 변압기를 사용하는 전원장치

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Abstract

본 발명은 전원장치에 관한 것으로, 하나의 코어에 코일을 권선하여 구성한 변압기 및 이 변압기를 사용한 전원장치를 제공한다.
본 발명의 실시예에 따른 변압기는 하나의 코어(core)의 제 1 다리 및 제 2 다리에 각각 1차측 제 1 코일과 2차측 제 1 코일 및 1차측 제 2 코일과 2 차측 제 2 코일로 권선 된다.

Description

변압기 및 이 변압기를 사용하는 전원장치{TRANSFORMER AND POWER SUPPLY USING TRANSFORMER}
본 발명은 전원장치에 관한 것으로, 더욱 자세하게는 전원 장치의 변압기 및 이를 이용한 전원장치에 관한 것이다.
최근 스위칭 전원장치는 관련 응용분야의 시스템이 다양해지고 복잡해짐에 따라 소형화, 경량화 및 박형화되고 있는 추세이다.
이러한 스위칭 전원장치 중 소프트 스위칭 하프 브리지 컨버터(Soft-switched Multi-resonant Zero-current Half Bridge Converter)는 고효율이면서 저노이즈이고 메인 스위칭 소자의 전압 스트레스가 입력 전압으로 제한되기 때문에 온(On) 저항이 낮은 저전압 반도체 스위치의 사용이 가능하여 효율이 개선되는 장점이 있다.
그러나, 이 소프트 스위칭 하프 브리지 컨버터는 변압기의 크기가 크고 권선이 복잡하여 부피가 크다는 문제점을 갖는다.
따라서, 본 발명은 상기한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 소형화된 변압기 및 이 변압기를 사용한 전원장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
전술한 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 하나의 코어에 코일이 권선된 변압기 및 그 변압기를 사용한 전원장치를 제안한다.
보다 구체적으로 본 발명의 일 양상에 따른 변압기는, 하나의 코어(core)의 제 1 다리 및 제 2 다리에 각각 1차측 제 1 코일과 2차측 제 1 코일 및 1차측 제 2 코일과 2 차측 제 2 코일로 권선될 수 있다. 이때, 1차측 제 1 코일과 2차측 제 1 코일이 서로 분리되어 제 1 다리에 권선 되며, 1차측 제 2 코일과 2차측 제 2 코일이 서로 분리되어 제 2 다리에 권선될 수 있다.
본 발명의 다른 양상에 따른 변압기는, 하나의 코어(core)의 제 1 다리 및 제 2 다리에 각각 1차측 제 1 코일과 2차측 제 1 코일 및 1차측 제 2 코일과 2 차측 제 2 코일로 권선 되고, 상기 코어의 제 3 다리에 전류 평활용 코일로 권선될 수 있다. 이때, 1차측 제 1 코일과 2차측 제 1 코일이 서로 분리되어 제 1 다리에 권선 되며, 1차측 제 2 코일과 2차측 제 2 코일이 서로 분리되어 제 2 다리에 권선될 수 있다. 나아가, 제 3 다리에 공극이(Air Gap)이 마련될 수 있다.
본 발명의 또 다른 양상에 따른 전원장치는, 하나의 코어(core)의 제 1 다리 및 제 2 다리에 각각 1차측 제 1 코일과 2차측 제 1 코일 및 1차측 제 2 코일과 2 차측 제 2 코일이 권선된 변압기를 구비할 수 있다.
본 발명의 또 다른 양상에 따른 전원장치는, 하나의 코어(core)의 제 1 다리 및 제 2 다리에 각각 1차측 제 1 코일과 2차측 제 1 코일 및 1차측 제 2 코일과 2 차측 제 2 코일이 권선 되고, 상기 코어의 제 3 다리에 전류 평활용 코일이 권선된 변압기를 구비할 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따르면, 하나의 자성체 코어에 두 개의 변압기를 구성함으로써, 두 개의 자성체 코어에 두 개의 변압기를 구성하는 것에 비해 변압기의 크기와 무게를 줄임으로써 전원장치를 소형화하고, 전원장치의 제작비용을 절감할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따르면, 하나의 자성체 코어에 두 개의 변압기와 하나의 전류평활용 인덕터를 구성함으로써, 두 개의 자성체 코어에 두 개의 변압기를 구성하는 것에 비해 변압기의 크기와 무게를 줄임으로써 전원장치를 소형화하고, 전원장치의 제작비용을 절감할 수 있다.
도 1은 본 발명이 적용되는 전원장치의 구성을 나타낸 도면.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 변압기의 구조를 나타낸 도면.
도 3a 내지 도 3c는 본 발명의 다른 실시예에 따른 변압기의 구조를 나타낸 도면.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 변압기를 이용한 전원장치의 구성을 나타낸 도면.
도 5a 및 도 5b는 본 발명의 일 실시예에 따른 전원장치의 동작 파형도.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 변압기를 이용한 전원장치의 구성을 나타낸 도면.
도 7a 및 도 7b는 본 발명의 다른 실시예에 따른 전원장치의 동작 파형도.
이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다. 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 또한, 후술 되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 전원장치의 구성을 나타낸 도면이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 도시된 바와 같이 본 발명의 실시예에 따른 전원장치는 한 쌍의 스위치(10, 11), 커패시터(12, 13), 한 쌍의 변압기(14, 15) 및 교류-직류 변환부(16)를 포함한다.
스위치(10, 11)는 입력 직류 전원(Vi)을 스위칭시켜 교류로 변환하되 상호 배타적으로 교번 스위칭한다. 스위치(10)와 스위치(11)는 서로 직렬연결되어 있다.
커패시터(12, 13)는 일측 단자들이 각각 스위치(10, 11)에 연결되어 스위치(10, 11)에 스위칭 동작에 의해 전원을 충방전 한다.
변압기(14, 15)는 커패시터(12, 13)의 타측 단자들에 각각 1차측 일단자가 연결되고, 1차측 타단자는 공통으로 스위치(10, 11)의 직렬 연결된 공통 단자에 연결된다. 이때, 변압기(14, 15)는 하나의 자성체 코어를 이용하여 권선되어 구성된다. 이에 대해서는 후술하기로 한다.
교류-직류 변환부(16)는 변압기(14, 15)의 2차측에 연결되며, 배전압 방식의 정류부(17, 18), 필터부(19, 20) 및 부하 저항(21)을 포함한다.
미도시된 도면부호 1은 입력전압 Vi을 나타내며, LLK는 변압기 내부의 누설저항을 나타낸다.
변압기(14, 15)는 누설 인덕턴스에 의해 스위치(12, 14) 중의 하나를 소프트 스위칭한다. 이렇게 상호 배타적으로 교번 스위칭 되는 스위치(10)의 전압 VDS1은 "0->VC1->Vi->VC1->0"으로 변화하면서 공진에 의한 영전압 스위칭을 하게 된다. 한편, 스위치(11)의 전압 VDS2는 "0->VC2->Vi->VC2->0"으로 변화하면서 공진에 의한 영전압 스위칭을 하게 된다.
이때, VC1은 커패시터(12)에 걸리는 전압이며, VC2는 커패시터(13)에 걸리는 전압이다.
커패시터(12)는 스위치(10)가 온(On) 상태에서 오프(Off) 상태가 되면, 충전하고 있던 전류를 흘려 보내 스위치(10)의 기생 커패시터 Ceq1을 통해 VDS1을 VC1으로 충전시킨다.
한편, 커패시터(13)는 스위치(11)가 온(On) 상태에서 오프(Off) 상태가 되면, 충전하고 있던 전류를 흘려 보내 스위치(11)의 기생 커패시터 Ceq2를 통해 VDS2를 VC2로 충전시킨다.
즉, 커패시터(12)와 커패시터(13)는 일정한 직류전압을 유지하므로 변압기(14)와 변압기(15)에서 사용되는 자성체 코어를 포화 되지 않게 한다. 또한, 커패시터(12)와 커패시터(13)는 변압기의 전압 중에서 직류성분을 차단시켜 주기 위한 디커플링(decoupling) 동작을 수행한다. 이에 따라, 스위치(10)와 스위치(11)의 전압 스트레스를 입력 전압 Vi를 넘지 못하도록 한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 변압기의 구조를 나타낸 도면이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 변압기는 하나의 코어(core)의 제 1 다리 및 제 2 다리에 각각 1차측 제 1 코일과 2차측 제 1 코일 및 1차측 제 2 코일과 2 차측 제 2 코일이 권선된 구조를 가질 수 있다. 이때, 1차측 제 1 코일과 2차측 제 1 코일이 서로 분리되어 제 1 다리에 권선 되며, 상기 1차측 제 2 코일과 2차측 제 2 코일이 서로 분리되어 제 2 다리에 권선될 수 있다.
이러한 본 발명의 일 실시예에 따른 변압기의 코어는 EE형 형상의 코어일 수 있으며, 투자율이 높은 페라이트 재질일 수 있다.
도 2는 EE형 형상을 갖는 자성체 코어를 이용한 변압기를 나타낸 도면이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 자성체 코어(35)의 제 1 바깥쪽 다리(36)에는 변압기(30)의 제 1 차측 제 1 코일(31)과 제 2 차측 제 1 코일(33)이 권선 되어 있다. 자성체 코어(35)의 제 2 바깥쪽 다리(38)에는 변압기(30)의 제 1 차측 제 2 코일(32)과 제 2 차측 제 2 코일(34)이 권선 되어 있다.
즉, 자성체 코어(35)의 바깥쪽 다리(36, 38)에 코일을 권선 하고, 중앙 다리(37)에 코일을 권선 하지 않는 구성을 갖는다. 이에 따라, 바깥쪽 다리(36, 38)에서 발생된 자속이 서로 유기적으로 상호 결합 되어 독립적인 변압기 역할을 한다.
나아가, 제 1 바깥쪽 다리(36) 및 제 2 바깥쪽 다리(38)에 권선된 코일들은 서로 분리되어 있다.
변압기(30)의 권선 단자에 표시된 A부터 F까지의 부호는 도 1에 도시된 변압기의 결선단자 부호와 동일하다. 따라서, 도 1에 도시된 변압기를 도 2에 도시된 바와 같이 하나의 자성체 코어(35)를 이용하여 구성할 수 있다.
즉, 제 1 차측 제 1 코일(31)의 일측은 커패시터(13)과 연결되며, 제 1 차측 제 1 코일(31)의 타측은 제 1 차측 제 2 코일(31)의 일측에 연결된다. 한편, 제 1차측 제 2 코일(32)의 타측은 커패시터(12)에 연결된다.
제 2 차측 제 1 코일(33)은 정류부(17)과 연결되며, 제 2 차측 제 2 코일(34)은 정류부(18)과 연결된다. 제 2 차측 제 1 코일(33)과 제 2 차측 제 2 코일(34)의 공통점은 인덕터(19)에 연결된다.
따라서, 하나의 자성체 코어에 두 개의 변압기를 구성함으로써, 두 개의 자성체 코어에 두 개의 변압기를 구성하는 것에 비해 변압기의 크기와 무게를 줄임으로써 전원장치를 소형화하고, 전원장치의 제작비용을 절감할 수 있다.
도 3a 내지 도 3c는 본 발명의 다른 실시예에 따른 변압기의 구조를 나타낸 도면이다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 변압기는 하나의 코어(core)의 제 1 다리 및 제 2 다리에 각각 1차측 제 1 코일과 2차측 제 1 코일 및 1차측 제 2 코일과 2 차측 제 2 코일이 권선 되고, 상기 코어의 제 3 다리에 전류 평활용 코일이 권선된 구조를 갖는다. 이때, 1차측 제 1 코일과 2차측 제 1 코일이 서로 분리되어 제 1 다리에 권선 되며, 1차측 제 2 코일과 2차측 제 2 코일이 서로 분리되어 제 2 다리에 권선될 수 있다. 나아가 제 3 다리에 공극(Air Gap)이 마련될 수 있다.
이러한 본 발명의 다른 실시예에 따른 변압기의 코어는 EE형 형상의 코어일 수 있으며, 투자율이 높은 페라이트 재질일 수 있다.
도 3a 내지 도 3c는 EE형 형상을 갖는 자성체 코어를 이용한 변압기를 나타낸 도면이다.
즉, 도 3a 내지 도 3c는 도 1에 도시된 변압기(14, 15)와 전류평활용 인덕터(19)를 하나의 자성체 코어에 구성한 변압기를 예시한 도면이다.
먼저, 도 3a를 살펴보면, 자성체 코어(56)의 제 1 바깥쪽 다리(57)에는 변압기(50)의 제 1 차측 제 1 코일(51)과 제 2 차측 제 1 코일(53)이 권선 되어 있다. 자성체 코어(56)의 제 2 바깥쪽 다리(59)에는 변압기(50)의 제 1 차측 제 2 코일(52)과 제 2 차측 제 2 코일(54)이 권선 되어 있다.
자성체 코어(56)의 중앙 다리(58)에는 도 1에 도시된 전원장치의 출력단에 필요한 전류평활용 인덕터 LF(19)를 인덕터 코일(55)이 권선 되어 있다.
즉, 변압기(50)는 자성체 코어(56)의 바깥쪽 다리(57, 59)에 코일을 권선 하고, 중앙 다리(58)에 전류평활용 인덕터(19)를 위한 인덕터 코일(55)을 권선한 구성을 갖는다.
나아가, 제 1 바깥쪽 다리(57) 및 제 2 바깥쪽 다리(59)에 권선된 코일들은 서로 분리되어 있다.
변압기(50)의 권선 단자에 표시된 A부터 F까지의 부호는 도 1에 도시된 변압기의 결선단자 부호와 동일하다. 따라서, 도 1에 도시된 두 개의 변압기와 전류평활용 인덕터(19)를 도 3a에 도시된 바와 같이 하나의 자성체 코어(35)에 권선 하여 구성할 수 있다.
즉, 제 1 차측 제 1 코일(51)의 일측은 커패시터(13)과 연결되며, 제 1 차측 제 1 코일(51)의 타측은 제 1 차측 제 2 코일(52)의 일측에 연결된다. 제 1차측 제 2 코일(52)의 타측은 커패시터(12)에 연결된다.
제 2 차측 제 1 코일(53)은 정류부(17)과 연결되며, 제 2 차측 제 2 코일(54)은 정류부(18)와 연결된다. 제 2 차측 제 1 코일(33)과 제 2 차측 제 2 코일(34)의 공통점은 인덕터 코일(55)에 연결된다. 인덕터 코일(55)은 중앙 다리(58)에 권선 되어 있다. 이에 따라, 도 1에 도시된 전류평활용 인덕터(19)는 인덕터 코일(55)이 중앙 다리(58)에 권선 됨으로써 구성된다.
따라서, 하나의 자성체 코어에 두 개의 변압기와 하나의 전류평활용 인덕터를 구성함으로써, 두 개의 자성체 코어에 두 개의 변압기를 구성하는 것에 비해 변압기의 크기와 무게를 줄임으로써 전원장치를 소형화하고, 전원장치의 제작비용을 절감할 수 있다.
도 3b는 도 1에 도시된 전원장치의 두 개의 변압기와 출력단의 전류평활용 인덕터(19)를 하나의 자성체 코어(66)에 구성한 것이다.
자성체 코어(66)의 제 1 바깥쪽 다리(67)에는 인덕터 코일(65)을 권선 하여 도 1에 도시된 전원장치의 출력단에 필요한 전류평활용 인덕터 LF(19)를 구성하였다. 자성체 코어(66)의 중앙 다리(68)에는 변압기(60)의 제 1 차측 제 1 코일(61)과 제 2 차측 제 1 코일(63)이 권선 되어 있다. 한편, 자성체 코어(66)의 제 2 바깥쪽 다리(69)에는 변압기(60)의 제 1 차측 제 2 코일(62)과 제 2 차측 제 2 코일(64)이 권선 되어 있다.
즉, 변압기(60)는 자성체 코어(66)의 중앙다리(68)와 제 2 바깥쪽 다리(59)에 코일을 권선 하고, 제 1 바깥쪽 다리(67)에 전류평활용 인덕터(65)를 권선한 구성을 갖는다.
나아가, 중앙 다리(68) 및 제 2 바깥쪽 다리(69)에 권선된 코일들은 서로 분리된 구성을 갖는다.
변압기(60)의 권선 단자에 표시된 A부터 F까지의 부호는 도 1에 도시된 변압기의 결선 단자 부호와 동일하다. 따라서, 도 1에 도시된 두 개의 변압기와 전류평활용 인덕터(19)를 도 3b에 도시된 바와 같이 하나의 자성체 코어(66)에 권선 하여 구성할 수 있다.
즉, 제 1 차측 제 1 코일(61)의 일측은 커패시터(13)와 연결되며, 제 1 차측 제 1 코일(61)의 타측은 제 1 차측 제 2 코일(62)의 일측에 연결된다. 한편, 제 1차측 제 2 코일(62)의 타측은 커패시터(12)에 연결된다.
제 2 차측 제 1 코일(63)은 정류부(17)와 연결되며, 제 2 차측 제 2 코일(64)은 정류부(18)와 연결된다. 제 2 차측 제 1 코일(63)과 제 2 차측 제 2 코일(64)의 공통점은 인덕터 코일(65)에 연결된다. 인덕터 코일(65)은 제 1 바깥쪽 다리(67)에 권선 되어 있다. 이에 따라, 도 1에 도시된 전류평활용 인덕터(19)는 도 3b에 도시된 바와 같이 인덕터 코일(65)이 제 1 바깥쪽 다리(67)에 권선 됨으로써 구성될 수 있다.
따라서, 하나의 자성체 코어에 두 개의 변압기와 하나의 전류평활용 인덕터를 구성함으로써, 두 개의 자성체 코어에 두 개의 변압기를 구성하는 것에 비해 변압기의 크기와 무게를 줄임으로써 전원장치를 소형화하고, 전원장치의 제작비용을 절감할 수 있다.
도 3c는 도 1에 도시된 전원장치의 두 개의 변압기와 출력단의 전류평활용 인덕터(19)를 하나의 자성체 코어(76)에 구성한 것이다.
자성체 코어(76)의 제 2 바깥쪽 다리(79)에는 인덕터 코일(75)이 권선되어 있다. 이를 통해 도 1의 전류평활용 인덕터 LF(19)를 구성할 수 있다. 자성체 코어(76)의 제 1 바깥쪽 다리(77)에는 변압기(70)의 제 1 차측 제 1 코일(71)과 제 2 차측 제 1 코일(73)이 권선 되어 있다. 자성체 코어(76)의 중앙 다리(78)에는 변압기(70)의 제 1 차측 제 2 코일(72)과 제 2 차측 제 2 코일(74)이 권선 되어 있다.
즉, 변압기(70)는 자성체 코어(76)의 제 1 바깥쪽 다리(77)와 중앙다리(78)에 코일을 권선 하고, 제 2 바깥쪽 다리(79)에 전류평활용 인덕터(19)를 위한 인덕터 코일(75)을 권선한 구성을 갖는다.
나아가, 제 1 바깥쪽 다리(77) 및 중앙 다리(78)에 권선된 코일들은 서로 분리된 구성을 갖는다.
변압기(70)의 권선 단자에 표시된 A부터 F까지의 부호는 도 1에 도시된 변압기의 결선 단자 부호와 동일하다. 따라서, 도 1에 도시된 두 개의 변압기와 전류평활용 인덕터(19)를 도 3c에 도시된 바와 같이 하나의 자성체 코어(76)에 권선 하여 구성할 수 있다.
즉, 제 1 차측 제 1 코일(71)의 일측은 커패시터(13)과 연결되며, 제 1 차측 제 1 코일(71)의 타측은 제 1 차측 제 2 코일(72)의 일측에 연결된다. 한편, 제 1차측 제 2 코일(72)의 타측은 커패시터(12)에 연결된다.
제 2 차측 제 1 코일(73)은 정류부(17)과 연결되며, 제 2 차측 제 2 코일(74)은 정류부(18)과 연결된다. 제 2 차측 제 1 코일(73)과 제 2 차측 제 2 코일(74)의 공통점은 인덕터 코일(75)에 연결된다. 인덕터 코일(75)은 제 2 바깥쪽 다리(77)에 권선 되어 있다. 이에 따라, 도 1에 도시된 전류평활용 인덕터(19)는 도 3c에 도시된 바와 같이 인덕터 코일(75)로 구성될 수 있다.
따라서, 하나의 자성체 코어에 두 개의 변압기와 하나의 전류평활용 인덕터를 구성함으로써, 두 개의 자성체 코어에 두 개의 변압기를 구성하는 것에 비해 변압기의 크기와 무게를 줄임으로써 전원장치를 소형화하고, 전원장치의 제작비용을 절감할 수 있다.
도 3a 내지 도 3c의 각 코어의 다리에서 발생된 자속은 상호 유기적 결합에 의해 동작을 한다. 이에 따라, 자속을 상쇄시키는 방향으로 권선을 구성하면 상호 영향을 최소화시킬 수 있다.
이때, 인덕터에 큰 직류전류가 흐르기 때문에 인덕터 코일이 권선 되는 다리에는 공극(Air Gap)을 마련할 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 변압기를 이용한 전원장치의 구성을 나타낸 도면이고, 도 5a 및 도 5b는 전원장치의 동작상태를 시뮬레이션하기 위한 사양에 따른 전원장치의 동작상태를 나타낸 파형도이다.
도 4에 도시된 바와 같이, 전원장치의 변압기(30)는 하나의 자성체 코어(31)에 두 개의 변압기를 구성하고 있다. 즉, 자성체 코어(31)는 도 2에 도시된 바와 같이, 자성체 코어(35)의 제 1 바깥쪽 다리(36)에는 변압기(30)의 제 1 차측 제 1 코일(31)과 제 2 차측 제 1 코일(33)이 권선 되어 있다. 자성체 코어(35)의 제 2 바깥쪽 다리(38)에는 변압기(30)의 제 1 차측 제 2 코일(32)과 제 2 차측 제 2 코일(34)이 권선 되어 있다.
즉, 자성체 코어(35)의 바깥쪽 다리(36, 38)에 코일을 권선 하고, 중앙 다리(37)에 코일을 권선 하지 않는 구성을 갖는다. 이에 따라, 바깥쪽 다리(36, 38)에서 발생된 자속이 서로 유기적으로 상호 결합 되어 독립적인 변압기 역할을 한다.
이때, 자성체 코어(35)는 투자율이 높은 페라이트 재질일 수 있다. 자성체 코어(35)의 형상은 사용 목적에 따라 달라질 수 있다. 여기서는, EE형 형상의 코어를 예시하였다. 나아가, 제 1 바깥쪽 다리(36) 및 제 2 바깥쪽 다리(38)에 권선된 코일들은 서로 분리되어 있다.
하기의 표 1의 전원장치의 동작상태를 시뮬레이션하기 위한 사양에 따른 전원장치의 동작상태를 나타낸 파형도가 도 5a 및 도 5b에 도시되어 있다.
파라미터 명칭 값 단위
입력/출력 입력전압 Vin 48 V
출력전압 VO 5 v
최대부하전류 IO 5 A
스위칭 주파수 fs 100 KHz
변압기 코어 EI3030 PL7 mm
인덕턴스 LM 300 uH
권선비 N1:N2 12:3
누설 인덕턴스 LLK 3.5 uH
인덕터 코어 Troidal 20×6 mm
인덕턴스/턴 L1 60/12 uH
위의 표 1에서 EI3030은 페라이트 재질의 자성코어를 나타내며, PL7은 페라이트 재질의 종류를 나타낸다.
도 5a는 표 1에 따른 도 4에 도시된 전원장치의 스위칭 전류, 전압파형을 나타내며, 도 5b는 표 1에 따른 도 4에 도시된 전원장치의 영전압 스위칭 동작 파형을 나타낸다.
이에 앞서, 도 4에 도시된 전원장치에 대해서 살펴보기로 한다.
도 4에서 필터로 사용된 커패시터(80)는 입력전압 Vi의 불필요한 전압 리플을 저감하며, 이렇게 전압 리플이 저감된 입력전압 Vi는 하프 브릿지 컨버터 구동용 IC(81)에서 전원장치에 필요한 적절한 스위칭 펄스를 제공한다. 두 개의 MOSFET(82, 83)는 입력 전원 단에 상하로 직렬 연결되어 교번 스위칭 동작을 함으로써, B점에 최대 48V, 최소 0V의 펄스전압이 인가되도록 한다. 변압기 1차측에 직렬 연결된 커패시터(84, 85)는 변압기(30)의 전압균형을 잡아줌으로써, 변압기가 안정적으로 동작하게 한다.
변압기(30)의 권선 비에 의해 유기된 펄스형태의 2차측 전압은 두 개의 다이오드(86, 87)에 의해 정류되고, 인덕터(88)와 커패시터(89)를 통과하면서 필터링 되어 전원장치의 출력 단에 직류전압을 출력한다. 이렇게 출력된 직류전압은 제너다이오드(91)과 포토커플러(90)에 의해 1차 측에 전송된다. PWM 제어용 IC(93)는 포토커플러(92)를 통해 수신된 직류전압에 따라 브릿지 컨버터 구동용 IC(81)를 스위칭 제어한다. 이러한 스위칭 제어과정을 통해서 안정된 출력 전압을 얻을 수 있게 된다.
도 4에 도시된 전원장치가 안정되고 원활하게 동작하기 위해서는 자성재료를 사용하는 변압기와 필터용 인덕터의 설계가 정확하게 이루어져야 한다. 변압기의 코어는 페라이트 자성코어가 사용되었다. 변압기의 권선 비는 12:3, 1차측 권선에 위한 자화 인덕턴스는 약 300uH, 누설인덕턴스는 약 3.5uH으로 하였다. 또한 인덕터는 하이플럭스 재질의 트로이달 코어에 12턴 권선하여 약 60uH의 인덕턴스로 구성하였다.
표 1과 전원장치의 전기적 사양을 이용하여 도 4에 도시된 전원장치에 발생되는 전류, 전압 파형이 도 5a 및 도 5b에 도시되어 있다.
도 5a에서 VGS1은 스위치의 게이트 구동전압, VO1은 변압기 1차측 전압, IT는 변압기 1차측 입력전류를 나타낸다. 도 5a에서 도시된 바와 같이 도 4의 전원장치는 적절한 스위칭 구동동작에 의해서 변압기에 펄스 형태의 전압을 인가함으로써, 안정된 변압기 전류를 생성하고 있음을 알 수 있다.
한편, 도 5b는 스위치의 양단전압 VO1과 스위치 전류 IO1를 나타낸 것이다. 스위치가 턴 온 시, 스위치 전류는 음의 영역에서 양의 영역으로 바뀐다. 이에 따라, 스위칭 손실이 없는 영전압 스위칭이 된다. 따라서, 전원장치의 스위칭 손실이 저감되어 고효율 동작을 기대할 수 있게 해준다.
도 5a 및 도 5b에서 살펴본 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 변압기는 일반적인 두 개의 변압기를 사용하는 경우와 동일하게 동작하고 있으며, 전원장치가 표 1에 나타난 기본적인 전기적 성능과 고효율 동작의 특징을 유지하고 있음을 알 수 있다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 변압기를 이용한 전원장치의 구성을 나타낸 도면이고, 도 7a 및 도 7b는 표 1에 따른 도 6에 도시된 전원장치의 동작상태를 나타낸 파형도이다.
도 6에 도시된 바와 같이, 전원장치의 변압기(50)는 하나의 자성체 코어(56)에 두 개의 변압기와 하나의 인덕터를 구성하고 있다. 즉, 자성체 코어(56)는 도 2에 도시된 바와 같이, 자성체 코어(56)의 제 1 바깥쪽 다리(57)에는 변압기(50)의 제 1 차측 제 1 코일(51)과 제 2 차측 제 1 코일(53)이 권선 되어 있다. 자성체 코어(56)의 제 2 바깥쪽 다리(59)에는 변압기(50)의 제 1 차측 제 2 코일(52)과 제 2 차측 제 2 코일(54)이 권선 되어 있다.
즉, 자성체 코어(56)의 바깥쪽 다리(57, 59)에 코일을 권선 하고, 중앙 다리(58)에 인덕터 코일(55)을 권선한 구성을 갖는다. 각 코어의 다리에서 발생된 자속은 상호 유기적 결합에의해 동작을 하게 되지만, 자속을 상쇄시키는 방향으로 권선을 구성하면 상호 영향을 최소화시킬 수 있다.
이때, 인덕터에 큰 직류전류가 흐르기 때문에 인덕터 코일이 권선 되는 다리에는 공극(Air Gap)을 마련할 수 있다.
나아가, 자성체 코어(56)는 투자율이 높은 페라이트 재질일 수 있다. 자성체 코어(56)의 형상은 사용 목적에 따라 달라질 수 있다. 여기서는, EE형 형상의 코어를 예시하였다.
표 1의 전원장치의 동작상태를 시뮬레이션하기 위한 사양에 따른 도 6의 전원장치의 동작상태를 나타낸 파형도가 도 7a 및 도 7b에 도시되어 있다.
도 7a는 스위칭 전류, 전압파형을 나타내며, 도 7b는 영전압 스위칭 동작 파형을 나타낸다.
이에 앞서, 도 6에 도시된 전원장치에 대해서 살펴보기로 한다.
도 6에 도시된 바와 같이, 필터로 사용된 커패시터(100)는 입력전압 Vi의 불필요한 전압 리플을 저감하며, 이렇게 전압 리플이 저감된 입력전압 Vi는 하프 브릿지 컨버터 구동용 IC(101)에서 전원장치에 필요한 적절한 스위칭 펄스를 제공한다. 두 개의 MOSFET(102, 103)는 입력 전원 단에 상하로 직렬 연결되어 교번 스위칭 동작을 함으로써, B점에 최대 48V, 최소 0V의 펄스전압이 인가되도록 한다. 변압기(50) 1차측에 직렬 연결된 커패시터(104, 105)는 변압기(50)의 전압균형을 잡아줌으로써, 변압기가 안정적으로 동작하게 한다.
변압기(50)의 권선 비에 의해 유기된 펄스형태의 2차측 전압은 두 개의 다이오드(106, 107)에 의해 정류되고, 인덕터 코일(55)과 커패시터(108)를 통과하면서 필터링 되어 전원장치의 출력 단에 직류전압을 출력한다. 이렇게 출력된 직류전압은 제너다이오드(110)과 포토커플러(109)에 의해 1차 측에 전송된다. PWM 제어용 IC(112)는 포토커플러(111)를 통해 수신된 직류전압에 따라 브릿지 컨버터 구동용 IC(101)를 스위칭 제어한다. 이러한 스위칭 제어과정을 통해서 안정된 출력 전압을 얻을 수 있게 된다.
도 7a는 도 6의 전원장치가 정상상태에서 동작하는 경우 스위칭 전류, 전압파형을 나타낸다. VGS1, VGS2는 교번으로 동작하는 두 개 스위치(102, 103)의 게이트 구동전압, IDS1은 스위치 전류, VDS1은 스위치 양단의 전압을 나타낸다. 도 7b는 스위치 양단전압 VGS1과 스위치 전류 IDS1를 나타낸 것이다. 스위치가 턴 온 시, 스위치 전류가 음의 영역에서 양의 영역으로 바뀌고 있음을 나타낸다. 이에 따라, 스위칭 손실이 없는 영전압 스위칭이 이루어진다. 따라서, 컨버터의 스위칭 손실이 저감되어 고효율 동작을 기대할 수 있게 해준다.
도 7a 및 도 7b에서 살펴본 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 변압기는 일반적인 두 개의 변압기와 출력단의 하나의 필터용 인덕터를 사용하는 경우와 동일하게 동작하고 있으며, 전원장치가 목표로 하고 있는 기본적인 전기적 성능과 고효율 동작의 특징을 유지하고 있음을 알 수 있다.
이제까지 본 발명에 대하여 그 바람직한 실시예들을 중심으로 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (10)

  1. 하나의 코어(core)의 제 1 다리 및 제 2 다리에 각각 1차측 제 1 코일과 2차측 제 1 코일 및 1차측 제 2 코일과 2 차측 제 2 코일이 권선된 변압기.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 1차측 제 1 코일과 2차측 제 1 코일이 서로 분리되어 제 1 다리에 권선 되며, 상기 1차측 제 2 코일과 2차측 제 2 코일이 서로 분리되어 제 2 다리에 권선된 변압기.
  3. 하나의 코어(core)의 제 1 다리 및 제 2 다리에 각각 1차측 제 1 코일과 2차측 제 1 코일 및 1차측 제 2 코일과 2 차측 제 2 코일이 권선 되고, 상기 코어의 제 3 다리에 전류 평활용 코일이 권선된 변압기.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 1차측 제 1 코일과 2차측 제 1 코일이 서로 분리되어 제 1 다리에 권선 되며, 상기 1차측 제 2 코일과 2차측 제 2 코일이 서로 분리되어 제 2 다리에 권선된 변압기.
  5. 제 3 항에 있어서,
    상기 제 3 다리에 공극이(Air Gap)이 마련된 변압기.
  6. 하나의 코어(core)의 제 1 다리 및 제 2 다리에 각각 1차측 제 1 코일과 2차측 제 1 코일 및 1차측 제 2 코일과 2 차측 제 2 코일이 권선된 변압기를 구비한 전원장치.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 1차측 제 1 코일과 2차측 제 1 코일이 서로 분리되어 제 1 다리에 권선 되며, 상기 1차측 제 2 코일과 2차측 제 2 코일이 서로 분리되어 제 2 다리에 권선된 전원장치.
  8. 하나의 코어(core)의 제 1 다리 및 제 2 다리에 각각 1차측 제 1 코일과 2차측 제 1 코일 및 1차측 제 2 코일과 2 차측 제 2 코일이 권선 되고, 상기 코어의 제 3 다리에 전류 평활용 코일이 권선된 변압기를 구비한 전원장치.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 1차측 제 1 코일과 2차측 제 1 코일이 서로 분리되어 제 1 다리에 권선 되며, 상기 1차측 제 2 코일과 2차측 제 2 코일이 서로 분리되어 제 2 다리에 권선된 전원장치.
  10. 제 8 항에 있어서,
    상기 제 3 다리에 공극이(Air Gap)이 마련된 전원장치.
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