KR20110028958A - 전력 변환용 스위치에 부가 전류를 공급하는 전원 장치 - Google Patents

전력 변환용 스위치에 부가 전류를 공급하는 전원 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 전력 변환 동작시 전력 미전달 구간에서만 부가 전류를 전력 변환용 스위치에 공급하여 영전압 스위칭 특성을 개선하면서도, 전력 변환용 스위치에 인가되는 전류의 피크치의 증가를 없애 도통 손실을 낮추는 전력 변환용 스위치에 부가 전류를 공급하는 전원 장치에 관한 것으로, 입력 전원을 스위칭하는 복수의 스위치를 갖는 풀 브릿지 회로와 스위칭된 전원을 전달받는 트랜스포머를 구비하고, 상기 복수의 스위치는 영전압 스위칭하여 스위칭된 전원을 상기 트랜스포머에 전달하고, 상기 트랜스포머는 전달된 전원을 사전에 설정된 전압 레벨을 갖는 출력 전원으로 변환하여 출력하는 전원부와, 상기 전원부가 스위칭된 전원을 상기 트랜스포머에 전달하지 않는 전원 비전달 구간에서 상기 복수의 스위치에 부가 전류의 공급량을 증가시키고, 상기 전원부가 스위칭된 전원을 상기 트랜스포머에 전달하는 전원 전달 구간에서 상기 복수의 스위치에 부가 전류의 공급량을 저감시키는 부가 전류 공급부를 포함하는 것을 특징으로 하는 전력 변환용 스위치에 부가 전류를 공급하는 전원 장치를 제공하는 것이다.
영전압 스위칭(Zero Voltage Switching), 위상 천이(Phase Shifted), 보조 권선(Additional Winding)

Description

전력 변환용 스위치에 부가 전류를 공급하는 전원 장치{POWER SUPPLY APPARATUS SUPPLYING ADDITIONAL CURRENT TO POWER CONVERTING SWITCH}
본 발명은 전원 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 전력 변환 동작시 전력 미전달 구간에서만 부가 전류를 전력 변환용 스위치에 공급하여 영전압 스위칭 특성을 개선하면서도, 전력 변환용 스위치에 인가되는 전류의 피크치의 증가를 없애 도통 손실을 낮추는 전력 변환용 스위치에 부가 전류를 공급하는 전원 장치에 관한 것이다.
최근 들어, 정보량의 증가와 함께 데이터의 대용량화로 인하여 서버 시스템이 대용량화되고 있는 추세이다.
이러한 서버 시스템은 대략적으로 데이터 저장 및 처리 장치, 방열 장치 및 전원 공급 장치로 구성된다.
한편, 서버 시스템의 대용량화 추세에 따라 서버 시스템에 전원을 공급하는 전원 장치의 전력 용량도 크게 증가하는 추세이다. 뿐만 아니라, CSCI(Climate Saver Computing Initiative)와 같은 이산화탄소 배출을 저감하기 위한 에너지 효율 규제에 따라 고효율의 서버 시스템용 전원 공급 장치가 요구되어지고 있다. 더 하여, 서버 시스템의 소형화 및 설계의 용이성을 위하여 서버용 전원 공급 장치 또한 고집적화되어야 한다.
이러한 서버 시스템용 전원 공급 장치는 고효율화를 위해 위상 천이 방식 풀브릿지 컨버터(Phase-Shifted Full-Bridge Converter)가 적용되고 있다. 상술한 위상 천이 방식 풀 브릿지 컨버터는 영전압 스위칭 및 낮은 전류 스트레스에 의해 고효율화가 가능하므로 500W~2KW의 전력 용량을 커버할 수 있으며, 대용량 서버용 전원 공급 장치에 가장 적합하며, 스위칭 주파수를 높이면 자기 소자의 부피가 감소할 수 있어 고집적화에도 유리하다.
그러나, 일반적인 위상 천이 방식 풀 브릿지 컨버터는 저부하시 영전압 스위칭이 용이하지 않은 문제점이 있고, 저부하시 영전압 스위칭을 이루기 위해서는 추가적인 공진용 인덕터의 부피가 커지고 실효 듀티비의 감소로 인해 도통 손실이 증가함으로써 전력 효율이 크게 낮아지는 문제점이 있다.
상술한 문제점을 해결하기 위해, 본 발명의 목적은 전력 변환 동작시 전력 미전달 구간에서만 부가 전류를 전력 변환용 스위치에 공급하여 영전압 스위칭 특성을 개선하면서도, 전력 변환용 스위치에 인가되는 전류의 피크치의 증가를 없애 도통 손실을 낮추는 전력 변환용 스위치에 부가 전류를 공급하는 전원 장치를 제공하는 것이다.
상술한 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 하나의 기술적인 측면은 입력 전원을 스위칭하는 복수의 스위치를 갖는 풀 브릿지 회로와 스위칭된 전원을 전달받는 트랜스포머를 구비하고, 상기 복수의 스위치는 영전압 스위칭하여 스위칭된 전원을 상기 트랜스포머에 전달하고, 상기 트랜스포머는 전달된 전원을 사전에 설정된 전압 레벨을 갖는 출력 전원으로 변환하여 출력하는 전원부와, 상기 전원부가 스위칭된 전원을 상기 트랜스포머에 전달하지 않는 전원 비전달 구간에서 상기 복수의 스위치에 부가 전류의 공급량을 증가시키고, 상기 전원부가 스위칭된 전원을 상기 트랜스포머에 전달하는 전원 전달 구간에서 상기 복수의 스위치에 부가 전류의 공급량을 저감시키는 부가 전류 공급부를 포함하는 것을 특징으로 하는 전력 변환용 스위치에 부가 전류를 공급하는 전원 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 하나의 기술적인 측면에 따르면, 상기 상기 풀 브릿지 회로는 제 1, 제2, 제3 및 제4 스위치를 구비하는 위상 천이 방식 풀 브릿지 회로이고, 상기 제1 및 제3 스위치는 상기 입력 전원을 전달하는 입력 전원단의 플러스단과 마이너스단 사이에 서로 직렬 연결되고, 상기 제4 및 제2 스위치는 서로 직렬 연결되고 상기 제1 및 제3 스위치와 병렬 연결되며, 상기 트랜스포머는 상기 제1 및 제3 스위치의 연결단과 상기 제4 및 제2 스위치의 연결단 사이에 전기적으로 연결되어 상기 제1 내지 제4 스위치에 의해 스위칭된 전원을 입력받는 일차 권선와, 상기 일차 권선과 사전에 설정된 권선비를 형성하여 일차 권선으로부터의 전원을 변압하는 이차 권선을 포함할 수 있다.
본 발명의 하나의 기술적인 측면에 따르면, 상기 전원부는 상기 트랜스포머의 이차 권선으로부터의 전원을 정류하는 브릿지 다이오드와, 정류된 전원을 안정화시키는 출력 인덕터 및 출력 캐패시터를 구비하는 정류 회로를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 하나의 기술적인 측면에 따르면, 상기 부가 전류 공급부는 상기 트랜스포머에 상기 일차 권선 및 이차 권선과 전자기 결합하고, 일단과 타단을 가지며, 일단이 상기 제4 및 제2 스위치의 연결단에 전기적으로 연결된 보조 권선과, 상기 보조 권선의 타단과 전기적으로 연결된 보조 인덕터와, 상기 보조 인덕터와 상기 입력 전원의 마이너스단 사이에 전기적으로 연결된 보조 캐패시터를 포함할 수 있다.
본 발명의 하나의 기술적인 측면에 따르면, 상기 제1 및 제2 스위치가 턴 온되면 상기 보조 인덕터의 전류는 유지되고, 상기 제1 스위치가 턴 오프되고 상기 제2 스위치의 턴 온이 유지되며 상기 제3 스위치가 턴 온되면 상기 보조 인덕터의 전류가 증가하고, 상기 제1 스위치가 턴 오프된 이후 상기 제2 스위치가 턴 오프 되고, 상기 제3 스위치의 턴 온이 유지되며 상기 제4 스위치가 턴 온되면 상기 보조 인덕터의 전류가 감소하며,상기 전원 전달 구간에서 상기 제3 및 제4 스위치가 턴 온이 유지되면 상기 보조 인덕터의 전류는 유지되고, 상기 제3 스위치가 턴 오프되고 상기 제4 스위치의 턴 온이 유지되고 상기 제1 스위치가 턴 온되면 상기 보조 인덕터의 전류가 감소하고, 이후 상기 제4 스위치가 턴 오프 되고, 상기 제1 스위치의 턴 온이 유지되며 상기 제2 스위치가 턴 온되면 상기 보조 인덕터의 전류가 증가할 수 있다.
본 발명에 따르면, 전력 변환 동작시 전력 미전달 구간에서만 전력 변환용 스위치에 부가 전류를 공급하여 영전압 스위칭 특성을 개선하면서도, 전력 변환용 스위치에 인가되는 전류의 피크치의 증가를 없애 도통 손실을 낮출 수 있는 효과가 있다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하도록 한다.
도 1은 본 발명의 전원 장치의 개략적인 구성도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 전원 장치(100)는 전원부(110)와 부가 전류 공급부(120)를 포함할 수 있다.
전원부(110)는 복수의 스위치를 갖는 위상 천이 방식 하프 브릿지(Phase-Shifted Full-Bridge) 회로(Q1~Q4)와, 트랜스포머(T) 및 정류 회로를 포함할 수 있다.
위상 천이 방식 하프 브릿지 회로(Q1~Q4)는 제1 내지 제4 스위치(Q1~Q4)를 포함할 수 있고, 제1 및 제3 스위치(Q1,Q3)는 서로 직렬 연결되고, 제4 및 제2 스위치(Q4,Q2)는 서로 직렬 연결될 수 있다. 제1 및 제3 스위치(Q1,Q3)와, 제4 및 제2 스위치(Q4,Q2)는 입력 전원(VDC)을 전달하는 입력 전원단의 플러스단과 마이너스단 사이에 서로 병렬 연결될 수 있다.
트랜스포머(T)는 사전에 설정된 권선수를 각각 갖는 일차 권선(Np)과 이차 권선(Ns)을 포함할 수 있다.
일차 권선(Np)은 제1 및 제3 스위치(Q1,Q3)의 연결단과 제4 및 제2 스위치(Q4,Q2)의 연결단사이에 전기적으로 연결되고, 이차 권선(Ns)는 일차 권선(Np)과 사전에 설정된 권선비를 형성하여 일차 권선(Np)에 입력되는 스위칭된 전원을 변압하여 출력할 수 있다.
상기 정류회로는 브릿지 다이오드(Ds1~Ds4)와 출력 인덕터(Lo)와 출력 캐패시터(Co)를 포함할 수 있다.
브릿지 다이오드(Ds1~Ds4)는 4개의 다이오드(Ds1~Ds4)로 구성될 수 있으며, 제1 및 제3 다이오드(Ds1,Ds3)는 서로 직렬 연결되고, 제4 및 제2 다이오드(Ds4,Ds2)는 서로 직렬 연결되고 제1 및 제3 다이오드(Ds1,Ds3)와 병렬 연결된다. 제1 및 제3 다이오드(Ds1,Ds3)의 연결단과 제4 및 제2 다이오드(Ds4,Ds2)의 연결단사이에는 이차 권선(Ns)이 전기적으로 연결된다. 이에 따라, 브릿지 다이오드(Ds1~Ds4)는 이차 권선(Ns)으로부터 출력된 전원을 전파 또는 반파 정류할 수 있다.
출력 인덕터(Lo)와 출력 캐패시터(Co)는 브릿지 다이오드(Ds1~Ds4)로부터의 정류된 전원을 안정화시켜 출력할 수 있다. 출력 인덕터(Lo)가 구비된 경우 위상 천이 방식 풀 브릿지 회로(Q1~Q4)의 영전압 스위칭이 저부하시에 용이하게 이루어지지 않는 경우가 발생하며, 이를 해소하기 위해 본 발명의 전원 장치는 부가 전류 공급부(120)를 포함할 수 있다.
부가 전류 공급부(120)는 보조 권선(NT), 보조 인덕터(LA) 및 보조 캐패시터(CA)를 포함할 수 있다.
보조 권선(NT), 보조 인덕터(LA) 및 보조 캐패시터(CA)를 서로 직렬 연결되고, 서로 직렬 연결된 보조 권선(NT), 보조 인덕터(LA) 및 보조 캐패시터(CA)는 제2 스위치(Q2)와 병렬 연결된다. 여기서 보조 권선(NT)은 트랜스포머(T)에 일차 권선(Np)와 이차권선(Ns)와 함께 포함될 수 있다. 도면을 참조하여, 전원부(110) 및 부가 전류 공급부(120)의 동작에 관하여 상세히 설명하도록 한다.
도 2는 본 발명의 전원 장치의 주요 부분의 신호 파형을 나타내는 그래프이다.
도 1과 함께 도 2를 참조하면, 제1 내지 제4 스위치(Q1~Q4)의 게이트-소스단에 인가되는 스위치 인가 전압(VGS(Q1)~VGS(Q4))에 따라 제1 내지 제4 스위치(Q1~Q4)는 턴 온 및 턴 오프한다. 즉, 제1 스위치(Q1)가 턴 온 하고, 이후 제2 스위치(Q2)가 턴 온 하며, 이후 제1 스위치(Q1)가 턴 오프하고, 제3 스위치(Q3)가 턴 온 한다. 이후, 제2 스위치(Q2)가 턴 오프하고, 제4 스위치(Q4)가 턴 온 하며, 이후 제3 스위치(Q3)가 턴 오프하고, 제1 스위치(Q1)가 턴 온 하며, 제4 스위치(Q4)는 턴 오프한다. 이후, 상술한 스위칭 동작이 반복된다.
상술한 스위칭 동작에 따라 제1 내지 제4 스위치(Q1~Q4)에 의해 스위칭된 전원이 일차 권선(Np)을 통해 이차 권선(Ns)으로 전달되는 전원 전달 구간과, 스위칭된 전원이 제1 내지 제4 스위치(Q1~Q4)가 형성하는 루프에서 순환하는 전원 비전달 구간이 구분될 수 있다.
여기서 전원 전달 구간은 그래프에 도시된 파워링(powering) 구간 및 커뮤테이션(commutation) 구간으로 볼 수 있고, 전원 비전달 구간은 프리 휠링(free wheeling) 구간으로 볼 수 있다.
상기 파워링 구간에서는 제1 및 제2 스위치(Q1,Q2)가 모두 턴 온 된다. 이때 보조 권선의 전압은 입력 전원(Vs)*(보조권선(NT)의 권선수/일차권선(Np)의 권선수)이 되므로, 보조 인덕터(LA)에는 입력 전원(Vs)*(0.5-(보조권선(NT)의 권선수/일차권선(Np)의 권선수))=0의 전압이 인가되어 보조 인덕터(LA)에 흐르는 전류(iLA)는 유지된다.
다음으로 프리 휠링 구간에서는 제2 및 제3 스위치(Q2,Q3)가 모두 턴 온되어 있고, 제1 및 제4 스위치(Q1,Q4)는 턴 오프되어 있어, 트랜스포머(T)에 인가되는 전압이 0이 된다. 이때, 보조권선(NT)에 인가되는 전압도 0이므로, 보조 인덕터(LA)에는 입력전원(Vs)*0.5의 전압이 인가되어 급격하게 전류(iLA)가 증가한다.
마지막으로, 커뮤테이션 구간에서는 제3 및 제4 스위치(Q3,Q4)가 모두 턴온되어 있고, 제1 및 제2 스위치(Q1,Q2)가 턴 오프되어 있어, 트랜스포머(T)의 일차 권선(Np)에 흐르는 전류(iPRI)의 방향이 바뀌므로 트랜스포머(T)에 인가되는 전압은 0이 된다. 이에 따라, 입력 전압(VDC)이 트랜스포머(T)를 통해 출력된다. 이때, 보조권선(NT)에 인가되는 전압도 0이므로, 보조 인덕터(LA)에는 입력 전압(VDC)*0.5의 전압이 인가되어 급격하게 전류(iLA)가 감소한다.
다음으로, 제3 및 제4 스위치(Q3,Q4)의 턴 온 유지, 제4 및 제1 스위치(Q4,Q1)의 턴 온, 그리고 제1 및 제2 스위치(Q1,Q2)의 턴 온 구간에서는 상술한 동작의 신호 파형과 대칭적인 신호 파형이 형성되도록 동작한다.
즉, 상기 제3 및 제4 스위치가 턴 온(Q3,Q4)이 유지되면 보조 인덕터(LA)의 전류(iLA)는 유지되고, 제3 스위치(Q3)가 턴 오프되고 제4 스위치(Q4)의 턴 온이 유지되며 제1 스위치(Q1)가 턴 온되면 보조 인덕터(LA)의 전류(iLA)가 감소하고, 이후 제4 스위치(Q4)가 턴 오프 되고, 제1 스위치(Q1)의 턴 온이 유지되며 제2 스위치(Q2)가 턴 온되면 보조 인덕터(LA)의 전류(iLA)가 증가한다.
이후, 상술한 동작을 반복한다.
이에 따라, 각 스위치의 영전압 스위칭시 일차 권선(Np)에 흐르는 전류(iPRI)와 보조 인덕터(LA)에 흐르는 전류(iLA)의 합이 스위치에 흐르게 되므로, 보조 인덕터(LA)에 흐르는 전류(iLA)가 추가되어 영전압 스위칭 특성이 정확하게 이루어 질 수 있다.
도 3a 및 도 3b는 본 발명의 전원 장치의 고부하 및 저부하 시의 주요 부분의 신호 파형을 나타내는 그래프이다.
도 1과 함께, 도 3a를 참조하면, 도 3a는 1.2KW의 100% 부하시에 제1 및 제2 스위치(Q1,Q2)가 영전압 스위칭을 정확하게 수행하는 것을 볼 수 있고, 도 3b를 참조하면, 240W의 20% 부하시에도 출력 인덕터(Lo)에 의해 발생되는 저부하시의 부정확한 영전압 스위칭이 개선되어 제1 및 제2 스위치(Q1,Q2)가 영전압 스위칭을 정확 하게 수행하는 것을 볼 수 있다. 여기서, 도면부호 VDS는 각 스위치의 드레인-소스단에 인가되는 전압을 나타낸다. 도시되지 않았지만, 제1 내지 제4 스위치(Q1~Q4)가 위상 천이 방식 풀 브릿지 회로임을 고려하면 상술한 바와 같이 추가적인 전류에 의해 제3 및 제4 스위치(Q3,Q4) 또한 영전압 스위칭이 저부하시에도 정확하게 이루어지는 것이 당연함을 알 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 전력 변환 동작시 전력 미전달 구간에서만 전력 변환용 스위치에 부가 전류를 공급하여 영전압 스위칭 특성을 개선하면서도, 전력 변환용 스위치에 인가되는 전류의 피크치의 증가를 없애므로 스위치의 도통 손실 또한 개선할 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 본 발명의 전원 장치의 개략적인 구성도.
도 2는 본 발명의 전원 장치의 주요 부분의 신호 파형을 나타내는 그래프.
도 3a 및 도 3b는 본 발명의 전원 장치의 고부하 및 저부하 시의 주요 부분의 신호 파형을 나타내는 그래프.
<도면의 주요 부호에 대한 상세한 설명>
100...전원 장치 110...전원부
120...부가 전류 공급부

Claims (6)

  1. 입력 전원을 스위칭하는 복수의 스위치를 갖는 풀 브릿지 회로와 스위칭된 전원을 전달받는 트랜스포머를 구비하고, 상기 복수의 스위치는 영전압 스위칭하여 스위칭된 전원을 상기 트랜스포머에 전달하고, 상기 트랜스포머는 전달된 전원을 사전에 설정된 전압 레벨을 갖는 출력 전원으로 변환하여 출력하는 전원부; 및
    상기 전원부가 스위칭된 전원을 상기 트랜스포머에 전달하지 않는 전원 비전달 구간에서 상기 복수의 스위치에 부가 전류의 공급량을 증가시키고, 상기 전원부가 스위칭된 전원을 상기 트랜스포머에 전달하는 전원 전달 구간에서 상기 복수의 스위치에 부가 전류의 공급량을 저감시키는 부가 전류 공급부
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 전력 변환용 스위치에 부가 전류를 공급하는 전원 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 풀 브릿지 회로는 제1, 제2, 제3 및 제4 스위치를 구비하는 위상 천이 방식 풀 브릿지 회로이고,
    상기 제1 및 제3 스위치는 상기 입력 전원을 전달하는 입력 전원단의 플러스단과 마이너스단 사이에 서로 직렬 연결되고, 상기 제4 및 제2 스위치는 서로 직렬 연결되고 상기 제1 및 제3 스위치와 병렬 연결되는 것을 특징으로 하는 전력 변환용 스위치에 부가 전류를 공급하는 전원 장치.
  3. 제2항에 있어서, 상기 트랜스포머는
    상기 제1 및 제3 스위치의 연결단과 상기 제4 및 제2 스위치의 연결단 사이에 전기적으로 연결되어 상기 제1 내지 제4 스위치에 의해 스위칭된 전원을 입력받는 일차 권선; 및
    상기 일차 권선과 사전에 설정된 권선비를 형성하여 일차 권선으로부터의 전원을 변압하는 이차 권선
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 전력 변환용 스위치에 부가 전류를 공급하는 전원 장치.
  4. 제3항에 있어서, 상기 전원부는
    상기 트랜스포머의 이차 권선으로부터의 전원을 정류하는 브릿지 다이오드와, 정류된 전원을 안정화시키는 출력 인덕터 및 출력 캐패시터를 구비하는 정류 회로
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전력 변환용 스위치에 부가 전류를 공급하는 전원 장치.
  5. 제4항에 있어서, 상기 부가 전류 공급부는
    상기 트랜스포머에 상기 일차 권선 및 이차 권선과 전자기 결합하고, 일단과 타단을 가지며, 일단이 상기 제4 및 제2 스위치의 연결단에 전기적으로 연결된 보 조 권선;
    상기 보조 권선의 타단과 전기적으로 연결된 보조 인덕터;및
    상기 보조 인덕터와 상기 입력 전원의 마이너스단 사이에 전기적으로 연결된 보조 캐패시터
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 전력 변환용 스위치에 부가 전류를 공급하는 전원 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 스위치가 턴 온되면 상기 보조 인덕터의 전류는 유지되고,
    상기 제1 스위치가 턴 오프되고 상기 제2 스위치의 턴 온이 유지되며 상기 제3 스위치가 턴 온되면 상기 보조 인덕터의 전류가 증가하고, 상기 제1 스위치가 턴 오프된 이후 상기 제2 스위치가 턴 오프 되고, 상기 제3 스위치의 턴 온이 유지되며 상기 제4 스위치가 턴 온되면 상기 보조 인덕터의 전류가 감소하며,
    상기 제3 및 제4 스위치가 턴 온이 유지되면 상기 보조 인덕터의 전류는 유지되고,
    상기 제3 스위치가 턴 오프되고 상기 제4 스위치의 턴 온이 유지되고 상기 제1 스위치가 턴 온되면 상기 보조 인덕터의 전류가 감소하고, 이후 상기 제4 스위치가 턴 오프 되고, 상기 제1 스위치의 턴 온이 유지되며 상기 제2 스위치가 턴 온되면 상기 보조 인덕터의 전류가 증가하는 것을 특징으로 하는 전력 변환용 스위치에 부가 전류를 공급하는 전원 장치.
KR1020090086613A 2009-09-14 2009-09-14 전력 변환용 스위치에 부가 전류를 공급하는 전원 장치 KR101025987B1 (ko)

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