KR20110094884A - 스위칭 전원장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 스위칭 전원장치가 출력단의 단락이나 과부하로 인한 과전류 상태에 대응하여 신속하게 보호조치를 취할 수 있도록 한다. 이를 위하여 스위칭 전원장치는 변압기의 보조 권선에 유기되는 교류 전압을 이용하여 PWM 제어부(IC)의 구동전원 Vcc를 공급하는 보조전원 공급부와, 보조 권선에 유기되는 전압의 크기가 기준치를 넘으면 구동전원 Vcc를 SCR 소자를 이용하여 급속히 방전시키는 과전류 보호부를 포함하여 구성되며, 출력단에 단락이나 과부하가 발생하면 PWM 제어부의 구동전원 자체를 즉시 차단시킨다. 종래 저항소자를 사용할 때의 발열문제를 해소할 수 있으며, 과전류 상태를 검출하고 전달하는데 걸리는 지연시간으로 인한 2차측 회로의 손상 가능성을 줄일 수 있다.

Description

스위칭 전원장치{ Switching Power Supply }
본 발명은 스위칭 전원장치에 관한 것으로서, 특히 산업용 인버터 등 다양한 분야에서 사용되는 스위칭 전원장치가 단락이나 과부하로 인한 과전류 상태에 신속하게 대응하여 보호조치를 취할 수 있도록 한다.
산업용 인버터와 같이 독립 전원이 필요한 다양한 분야에서 스위칭 전원장치가 사용되고 있다.
스위칭 전원장치는 산업 전반에 걸쳐 여러 분야에 응용되는 장비이므로 분진이나 습기가 많은 장소에 설치되는 경우가 적지 않다. 이러한 설치환경의 문제나 사용자의 부주의로 전원 단락이 발생하는 등 과전류 상태가 유발되면 관련 회로에 손상을 입힐 수 있다.
도 1을 참조하여 스위칭 전원장치를 살펴보자면, 외부의 교류 전원은 직류전원(Vdc)으로 변환되어 캐패시터 C1이 구비된 입력단에 인가되고, PWM 제어부(11)는 스위치 Q1을 펄스 폭 변조(PWM: Pulse Width Modulation) 방식으로 제어한다. 이때 PWM 제어부(11)는 집적회로(IC)를 이용하여 구성될 수 있다.
스위치 Q1은 파워 트랜지스터로 구성되며, 스위치 Q1이 PWM 제어부(11)의 펄스 폭 변조 제어에 따라 온 상태에서 오프 상태로 변화하면 변압기(10)의 1차측 권선(N1)에서 2차측 권선(N2)으로 유도 기전력이 유기된다.
변압기(10)의 2차측 권선(N2)에서 출력되는 교류 전압은 정류 다이오드 D11과 평활 캐패시터 C14에 의해 직류 전압으로 변환되어 부하(19)가 사용할 출력전원으로 공급된다.
또한 출력단에는 일반적으로 출력전원의 전압을 일정하게 유지하기 위하여 전압궤환회로가 구비된다.
출력전압이 상승하면 분배저항 R12와 R13에 의해 분배된 전압에 따라 저항 R11을 통해 제너 다이오드 ZD12에 흐르는 전류의 양이 변화하고, 이에 따라 포토 커플러의 포토 다이오드(11-1)가 발하는 빛의 세기도 달라진다. 포토 커플러의 포토 트랜지스터(11-2)는 PWM 제어부(11)의 제어신호 입력단(Vfb)에 배치되므로 PWM 제어부(11)는 그에 의존하여 스위치 Q1에 대한 온 시간을 감소시킨다.
이에 따라 변압기의 1차측 권선에서 2차측 권선으로 유기되는 유도 기전력의 크기가 작아지고 결국 출력전압은 낮아지는 방향으로 안정화 된다.
한편, 스위칭 전원장치는 PWM 제어부(11)의 구동전원 Vcc를 생성하여 공급할 수 있다. 즉, 변압기(10)의 보조 권선(N3)에 유기되는 교류 전압은 정류 다이오드 D12와 평활 캐패시터 C15를 통해 직류 전압으로 변환되어 저항 R18과 다이오드 D13을 통해 PWM 제어부(11)로 공급된다.
이때, 병렬로 연결된 저항 R16과 R17은 보조 권선에 유기되는 전압이 과도할 때 해당 전압을 구동전원 Vcc의 최소 기준전압 아래로 방전하기 위하여 구비된 것으로서, 이를 통해 PWM 제어부(11)를 디스에이블(Disable) 시킨다.
그러나 상기와 같은 방식을 사용하면 출력단에 단락이 발생한 경우 제너 다이오드 ZD12가 과전압을 검출하여 포토 다이오드(11-1)를 통해 PWM 제어부(11)로 제어신호를 전달하는 과정에 일정한 지연 시간이 발생한다.
이러한 지연시간은 상황에 따라서는 2차측 다이오드를 소손시키는 상황을 야기할 수 있다.
또한, PWM 제어부(11)의 구동전원 Vcc를 감소시키기 위한 저항 R16과 R17 등의 저항소자는 정상상태에서도 발열하는 문제점이 있다.
뿐만 아니라 이러한 저항소자의 저항값 선정도 많은 실험을 거쳐 이루어져야 하므로 불편함과 번거로움이 있다.
이에 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 출력단이 단락되거나 과부하가 걸리는 등의 원인으로 과전류가 흐르는 상황이 발생하면 신속하게 대응하여 조치를 위할 수 있는 스위칭 전원장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 스위칭 전원장치는 1차측 권선에 입력되는 입력전원을 소정 레벨로 변환하여 2차측 권선으로 유기하는 변압기와, 상기 변압기의 1차측 권선의 도통 상태를 결정하는 스위치와, 상기 스위치를 펄스 폭 변조(PWM) 방식을 통해 제어하는 PWM 제어부와, 상기 변압기의 2차측 권선에 유기되는 교류 전압을 정류하고 평활화하여 직류전압으로 출력하는 전원출력부를 포함하여 이루어진다. 특히 상기 변압기의 보조 권선에 유기되는 교류 전압을 이용하여 상기 PWM 제어부의 구동전원(Vcc)을 공급하는 보조전원 공급부; 및 상기 보조 권선에 유기되는 전압의 크기가 기준치를 넘으면 상기 보조전원 공급부가 상기 PWM 제어부로 공급하는 구동전원(Vcc)을 SCR 소자를 이용하여 방전시키는 과전류 보호부를 포함하여 구성된다.
상기 보조전원 공급부는 일단이 접지된 상기 보조 권선의 타 일단에 애노드가 연결된 정류 다이오드와, 상기 정류 다이오드의 캐소드와 접지 사이에 연결된 평활 캐패시터를 포함하여 구성될 수 있다.
이때 상기 과전류 보호부는, 애노드가 상기 정류 다이오드의 캐소드에 연결되고, 상기 평활 캐패시터의 양단에 병렬 연결되는 SCR 소자; 상기 SCR 소자의 게이트와 접지 사이에 연결되는 SCR 제어용 캐패시터; 일단이 접지된 상태로 상기 SCR 제어용 캐패시터의 양단에 병렬 연결되는 전류제한용 저항; 및 상기 전류제한용 저항의 타 일단에 애노드가 연결되고 상기 SCR 소자의 애노드에 캐소드가 연결되는 제너 다이오드를 포함하여 구성될 수 있다.
본 발명은 출력단에 과부하나 단락이 상황이 발생하여 보조 권선에 유기되는 전압이 상승하면 SCR 소자를 통해 즉시 PWM 제어부에 공급되는 구동전원 Vcc를 방전시킨다.
종래 PWM 제어부에 공급되는 구동전원의 안정화를 위해 사용하던 저항소자가 필요없게 되어 정상상태에서도 불필요한 열이 발생하던 문제를 해결할 수 있고, 해당 저항값들을 선정하기 위해 수행해야 했던 실험도 필요없어 비용 절감의 효과를 가져올 수 있다.
또한, PWM 제어부의 구동전원 자체를 차단하는 방식을 사용하기 때문에 2차측에서 과전류를 검출하여 1차측을 제어하는데 까지 걸리는 지연시간도 존재하지 않아 2차측 회로가 손상되기 전에 신속히 과전류 상황에 대처할 수 있게 된다.
도 1은 종래 스위칭 전원장치의 일 예,
도 2는 본 발명에 따른 스위칭 전원장치의 블럭도,
도 3은 본 발명에 따른 스위칭 전원장치의 구체적인 실시예이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
도 2를 참조하자면, 본 발명에 따른 스위칭 전원장치는 1차측 권선(N1)에 공급되는 입력전원 Vdc를 소정 레벨로 변환하여 2차측 권선(N2)으로 유기하는 변압기(20), 변압기의 1차측 권선(N1)의 도통 상태를 결정하는 스위치 Q1, 스위치 Q1을 펄스 폭 변조(PWM) 방식을 통해 제어하는 PWM 제어부(21), 변압기의 2차측 권선(N2)에 유기되는 교류 전압을 정류하고 평활화하여 직류전압으로 출력하는 전원출력부(22)를 포함하여 이루어진다.
스위치 Q1은 파워 트랜지스터를 이용하여 구성될 수 있다.
PWM 제어부(21)는 직류 구동전원 Vcc를 이용하여 구동되며, 펄스 폭 변조 방식의 제어를 수행하는 집적회로(IC)를 이용하여 구성될 수 있다.
특히 스위칭 전원장치는 보조전원 공급부(24)를 포함하여 구성되는데, 보조전원 공급부(24)는 변압기(20)의 보조 권선(N3)에 유기되는 교류 전압을 통해 PWM 제어부(21)의 구동전원 Vcc를 생성하여 공급하는 역할을 수행한다.
보조전원 공급부(24)는 필요에 따라 다양하게 구성될 수 있는 것으로서, 최소한 보조 권선(N3)에 유기되는 교류 전압으로부터 직류전원 Vcc를 생성하는 정류 다이오드 D32와 평활 캐패시터 C35를 포함한다.
이때 정류 다이오드 D32는 일단이 접지된 보조 권선(N3)의 타 일단에 애노드가 연결되고, 평활 캐패시터 C35는 정류 다이오드 D32의 캐소드와 접지 사이에 연결될 수 있다.
그리고 평활 캐패시터 C35에 충전된 전압은 저항 R38과 다이오드 D33 등을 통해 PWM 제어부(21)의 구동전원 Vcc로 공급된다.
또한 스위칭 전원장치는 보조 권선(N3)에 유기되는 전압의 크기가 소정의 기준치를 넘으면 보조전원 공급부(24)가 PWM 제어부(21)로 공급하는 구동전원 Vcc를 SCR 소자(Silicon Controlled Rectifier)를 이용하여 급속히 방전시키기 위한 과전류 보호부(26)를 포함하여 이루어진다.
과전류 보호부(26)를 구성하는 일 실시예는 애노드가 정류 다이오드 D32의 캐소드에 연결되고 평활 캐패시터 C35의 양단에 병렬 연결되는 SCR 소자(S39), SCR 소자(S39)의 게이트와 접지 사이에 연결되는 SCR 제어용 캐패시터 C39, 일단이 접지된 상태로 SCR 제어용 캐패시터 C39의 양단에 병렬 연결되는 전류제한용 저항 R39, 전류제한용 저항 R39의 타 일단에 애노드가 연결되고 SCR 소자(S39)의 애노드에 캐소드가 연결되는 제너 다이오드 ZD39를 포함하여 구성될 수 있다.
이와 같은 구성을 통해, 보조 권선(N3)에 유기되는 전압이 상승하여 제너 다이오드 ZD39의 설정 기준값을 넘으면 캐패시터 C39가 충전된다.
캐패시터 C39가 충전됨에 따라 SCR 소자(S39)는 턴 온 상태가 되고, 보조 권선(N3)에 유기되어 평활 캐패시터 C35에 충전되는 전압은 즉시 급속하게 방전되는 상태가 된다.
도 3을 참조하여, 본 발명이 적용되는 스위칭 전원장치의 구체적인 예를 설명하기로 한다.
PWM 제어부(21)는 보조전원 공급부(24)에서 공급하는 구동전원 Vcc를 이용하여 동작하고, 스위치 Q1을 펄스 폭 변조(PWM: Pulse Width Modulation) 방식으로 제어한다.
스위치 Q1은 파워 트랜지스터로 구성될 수 있으며, PWM 제어부(21)의 펄스 폭 변조 제어에 따라 스위치 Q1이 온 상태에서 오프 상태로 변화하면 변압기(20)의 1차측 권선(N1)에서 2차측 권선(N2)으로 유도기전력이 유기된다.
변압기(20)의 2차측 권선(N2)에서 출력되는 교류 전압은 정류 다이오드 D31과 평활 캐패시터 C34에 의해 직류 전압으로 변환되어 부하(19)가 사용할 출력전원으로 공급된다.
출력전원의 전압 레벨이 상승하면, 분배저항 R32와 R33에 의해 분배된 전압에 따라 제너 다이오드 ZD32에 흐르는 전류의 양이 변화하고, 이에 따라 포토 커플러의 포토 다이오드(31-1)가 발하는 빛의 세기도 달라진다.
포토 커플러의 포토 트랜지스터(31-2)는 PWM 제어부(21)의 제어신호 입력단(Vfb)에 배치되어 있으므로 PWM 제어부(21)는 그에 의존하여 스위치 Q1의 온 시간을 감소시킨다.
스위치 Q1의 온 시간을 감소되면, 변압기(20)의 1차측 권선(N1)에서 2차측 권선(N2)으로 유기되는 유도 기전력의 크기가 작아지고 결국 출력전압은 낮아지는 방향으로 안정화 된다.
한편, 보조전원 공급부(24)는 변압기(20)의 보조 권선(N3)에 유기되는 교류 전압을 정류 다이오드 D32와 평활 캐패시터 C35를 통해 직류 전압으로 변환하여 PWM 제어부(21)의 구동전원 Vcc로 공급한다.
만일 출력전원이 단락되거나 과부하가 걸리는 등의 이유로 과전류가 흐르면, 보조 권선(N3)에 유기되는 전압이 상승하게 되고, 이 상승 전압이 제너 다이오드 ZD39의 설정 기준값을 넘으면 제너 다이오드 ZD39가 도통하여 캐패시터 C39가 충전된다.
캐패시터 C39의 충전에 따라 SCR 소자(S39)는 턴 온 상태가 되고, 보조 권선(N3)에 유기되어 평활 캐패시터 C35에 충전되는 전압을 급속하게 방전시키게 된다. 이에 따라 PWM 제어부(21)의 동작이 차단되고 과전류로부터 전체 회로를 보호할 수 있게 된다.
상술한 실시예는 본 발명의 이해를 돕기 위한 것이며, 본 발명은 상술한 실시예에 한정되지 않고 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 당업자에 의해 다양하게 변형하여 실시할 수 있는 것임은 물론이다.
10,20: 변압기 11,21: PWM 제어부
22: 전원출력부 24: 보조전원 공급부
26: 과전류 보호부 Q1: 스위치
D11,D12,D31,D32: 정류 다이오드
C14,C15,C34,C35: 평활 캐패시터 S39: SCR 소자
ZD39: 제너 다이오드 C39: SCR 제어용 캐패시터

Claims (3)

1차측 권선에 입력되는 입력전원을 소정 레벨로 변환하여 2차측 권선으로 유기하는 변압기와, 상기 변압기의 1차측 권선의 도통 상태를 결정하는 스위치와, 상기 스위치를 펄스 폭 변조 방식을 통해 제어하는 PWM 제어부와, 상기 변압기의 2차측 권선에 유기되는 교류 전압을 정류하고 평활화하여 직류전압으로 출력하는 전원출력부를 포함하는 스위칭 전원장치에 있어서,
상기 변압기의 보조 권선에 유기되는 교류 전압을 이용하여 상기 PWM 제어부의 구동전원(Vcc)을 공급하는 보조전원 공급부; 및
상기 보조 권선에 유기되는 전압의 크기가 기준치를 넘으면 상기 보조전원 공급부가 상기 PWM 제어부로 공급하는 구동전원(Vcc)을 SCR 소자를 이용하여 방전시키는 과전류 보호부를 포함하는 것을 특징으로 하는 스위칭 전원장치.
제 1 항에 있어서,
상기 보조전원 공급부는 일단이 접지된 상기 보조 권선의 타 일단에 애노드가 연결된 정류 다이오드와, 상기 정류 다이오드의 캐소드와 접지 사이에 연결된 평활 캐패시터를 포함하는 것을 특징으로 하는 스위칭 전원장치.
제 2 항에 있어서,
상기 과전류 보호부는 애노드가 상기 정류 다이오드의 캐소드에 연결되고, 상기 평활 캐패시터의 양단에 병렬 연결되는 SCR 소자;
상기 SCR 소자의 게이트와 접지 사이에 연결되는 SCR 제어용 캐패시터;
일단이 접지된 상태로 상기 SCR 제어용 캐패시터의 양단에 병렬 연결되는 전류제한용 저항; 및
상기 전류제한용 저항의 타 일단에 애노드가 연결되고 상기 SCR 소자의 애노드에 캐소드가 연결되는 제너 다이오드를 포함하는 것을 특징으로 하는 스위칭 전원장치.
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