KR20130083537A

KR20130083537A - 전원 공급 장치

Info

Publication number: KR20130083537A
Application number: KR1020120004171A
Authority: KR
Inventors: 김봉철; 이병희; 문건우; 조규민; 이동욱; 최영운; 이선경
Original assignee: 삼성전기주식회사; 한국과학기술원
Priority date: 2012-01-13
Filing date: 2012-01-13
Publication date: 2013-07-23

Abstract

본 발명은 입력 전원을 스위칭하는 스위칭부; 상기 스위칭부에 의해 스위칭된 전원의 전압 레벨을 변압하는 변압부; 상기 변압부에 의해 변압된 전원을 안정화시켜 출력 전원을 출력하는 안정화부; 및 상기 출력 전원의 상태가 사전에 설정된 범위 이내이면 상기 스위칭부의 스위칭 주파수를 가변하고, 상기 출력 전원의 상태가 사전에 설정된 범위 이외이면 상기 스위칭부의 스위칭 주파수를 고정시키고, 스위칭 듀티를 가변시키는 제어부를 포함하는 전원 공급 장치를 제안한다.

Description

전원 공급 장치{POWER SUPPLYING APPARATUS}

본 발명은 넓은 입력 전압 범위를 갖는 전원 공급 장치, 특히 넓은 입력 전압 범위를 갖는 LLC 공진 컨버터 방식 전원 공급 장치에 관한 것이다.

최근 들어, 휴대용 전자 기긱 관련 제품이 발전하면서 휴대용 전가 기기에 전원을 공급하기 위한 전원 공급 장치 특히 어댑터의 수요가 증가하고 있다.

어댑터와 같은 전원 공급 장치는 밀폐형 구조로 발열을 저감시키기 어렵기 대문에 높은 전력 변환 효율을 요구하고 있으며, 소비자들이 작은 사이즈의 제품을 선호함에 따라 높은 전력 밀도의 제품이 선호되고 있는 상황이다.

이런 시장 상황에 따라, 전원 공급 장치는 전력 변환 효율 향상과 전력 밀도 향상에 개발이 집중되고 있으며, 고효율 고전력밀도의 AC/DC 어댑터가 경쟁적으로 출시되고있다.

일반적으로, 60W 급 미만의 AC/DC 어댑터는 그 용량이 작기 때문에 전력 병환 방식으로 플라이 백(fly-back) 방식을 채용하고 있으며, 플라이 백 방식을 제어하기 위해서 전압 모드 제어 기법 또는 전류 모드 제어 기법이 사용되고 있다.

하지만, 전력 밀도 향상을 위해서는 전체 크기의 대부분을 차지하는 수동 소자의 크기를 줄여야하며, 특히 수동 소자 중 가장 큰 부분을 차지하는 트랜스포머의 크기를 줄여야한다. 이러한 트랜스포머의 크기를 줄이기 위해서는 높은 구동 주파수로 스위치를 구동시켜야 한다. 그러나, 플라이 백 방식은 하드 스위칭을 하기 때문에 높은 구동 주파수로 동작할 경우 스위칭 손실이 증가함에 따라 전력 변환 효율이 낮아지는 문제점이 있다. 이에 따라 넓은 전압 게인 특성과 영전압 스위칭 특성을 갖는 LLC 공진 방식이 채용될 수 있다.

선행기술특허문헌에 기재된 바와 같은 LLC 공진 방식은 넓은 입력 전압 변화에 적합하며 높은 전력 변환 효율 특성을 가지고 있다. 그러나, 입력 교류 전원이 대략 90VAC~265VAC의 전압 범위를 가질 경우 입력 캐패시터의 용량이 부피 저감으로 인해 제한받으므로 입력 전압의 리플이 증가하게 되어 100VDC~375VDC의 넓은 입력 전압 범위를 고려하여야 하나 이를 위해서는 스위칭을 위한 구동 주파수의 변화폭이 커지게 되며, 넓은 스위칭 주파수에 의해 순환 에너지(circulating energy)가 증가하게 되어 트랜스포머의 설계가 어려워지고 이는 전원 공급 장치에서 고효율, 고전력 밀도를 달성하기 어려운 문제점이 있다.

국내등록특허공보 제10-1035017호

본 발명의 과제는 상기한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명은 부하 상태가 사전에 설정된 비율 이하이면 스위칭 주파수를 고정시키고 듀티를 가변하여 스위칭을 제어함으로써 넓은 입력 범위에서도 트랜스포머의 부피 증가 없이 낮은 게인의 출력을 제어할 수 있는 전원 공급 장치를 제안한다.

상술한 본 발명의 과제를 해결하기 위해, 본 발명의 하나의 기술적인 측면은 입력 전원을 스위칭하는 스위칭부

상기 스위칭부에 의해 스위칭된 전원의 전압 레벨을 변압하는 변압부

상기 변압부에 의해 변압된 전원을 안정화시켜 출력 전원을 출력하는 안정화부; 및

상기 출력 전원의 상태가 사전에 설정된 기준 범위 이내이면 상기 스위칭부의 스위칭 주파수를 가변하고, 상기 출력 전원의 상태가 상기 기준 범위 이외이면 상기 스위칭부의 스위칭 주파수를 고정시키고, 스위칭 듀티를 가변시키는 제어부

를 포함하는 전원 공급 장치를 제안하는 것이다.

본 발명의 하나의 기술적인 측면에 따르면, 상기 제어부는 상기 스위칭부의 스위칭 주파수를 사전에 설정된 최대 스위칭 주파수로 고정시키고, 스위칭 듀티를 가변시킬 수 있다.

본 발명의 하나의 기술적인 측면에 따르면, 상기 제어부는

상기 출력 전원의 전압과 사전에 설정된 기준 전압을 비교하여 그 비교 오차를 적분한 제어 신호를 제공하는 PI(proportional-integral) 제어기;

상기 PI 제어기로부터의 제어 신호를 전달하는 전달부; 및

상기 전달부로부터의 제어 신호에 따라 상기 스위칭부의 스위칭 주파수 및 스위칭 듀티를 제어하는 스위칭 제어기

를 포함할 수 있다.

본 발명의 하나의 기술적인 측면에 따르면, 상기 스위칭부는 상기 제어부의 스위칭 제어에 따라 상기 입력 전원을 교번 스위칭하는 제1 스위치 및 제2 스위치를 포함할 수 있다.

본 발명의 하나의 기술적인 측면에 따르면, 상기 변압부의 인덕턴스 성분과 LLC 공진 탱크를 형성하는 공진부를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 하나의 기술적인 측면에 따르면, 입력 교류 전원을 정류하여 상기 스위칭부에 공급하는 정류부를 더 포함할 수 있다.

본 발명에 따르면, 부하 상태가 사전에 설정된 비율 이하이면 스위칭 주파수를 고정시키고 듀티를 가변하여 스위칭을 제어함으로써 넓은 입력 범위에서도 트랜스포머의 부피 증가 없이 낮은 게인의 출력을 제어할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 전원 공급 장치의 개략적인 회로도.
도 2는 일반적인 LLC 방식 전원 공급 장치와 본 발명의 전원 공급 장치의 주요 동작 파형도.
도 3은 일반적인 LLC 방식 전원 공급 장치와 본 발명의 전원 공급 장치의 스위칭 제어 그래프.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있도록 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.

다만, 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명함에 있어, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다라고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다.

또한, 유사한 기능 및 작용을 하는 부분에 대해서는 도면 전체에 걸쳐 동일한 또는 유사한 부호를 사용한다.

덧붙여, 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 '연결'되어 있다고 할 때는 이는 '직접적으로 연결'되어 있는 경우뿐만 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 '간접적으로 연결'되어 있는 경우도 포함한다.

또한, 어떤 구성요소를 포함'한다는 것은, 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있다는 것을 의미한다.

이하, 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하도록 한다.

도 1은 본 발명의 전원 공급 장치의 개략적인 회로도이다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 전원 공급 장치(100)는 정류부(110), 스위칭부(120), 공진부(130), 변압부(140), 안정화부(150) 및 제어부(160)를 포함할 수 있다.

정류부(110)는 브릿지 다이오드를 구비하여 입력 교류 전원(Vs)을 정류하여 직류 전원(VI)을 제공할 수 있다.

스위칭부(120)는 교번 스위칭하는 제1 및 제2 스위치(Q1,Q2)를 구비할 수 있고, 제1 및 제2 스위치(Q1,Q2)는 하프 브리지 형태로 구성될 수 있으며, 스위칭 제어 신호에 따라 직류 전원(VI)를 스위칭할 수 있다.

공진부(130)는 공진 캐패시터(Cr)와 공진 인덕터(Lr)을 구비할 수 있으며, 변압부(140)의 인덕턴스 성분과 LLC 공진 탱크를 형성할 수 있다.

변압부(140)는 일차 권선(Np)과 이차 권선(Ns)을 구비할 수 있으며, 일차 권선(Np)는 스위칭된 전원을 입력받고, 이차 권선(Ns)은 일차 권선(Np)과 사전에 설정된 권선비를 형성하여 일차 권선(Np)에 입력된 스위칭된 전원의 전압 레벨을 변압하여 출력할 수 있다.

안정화부(150)는 변압부(140)에 의해 변압된 전원을 정류하는 제1 및 제2 다이오드(D1,D2)와, 정류된 전원을 안정화시커는 출력 캐패시터(Co)를 구비할 수 있다.

제어부(160)는 안정화부(150)로부터 출력되는 출력 전원(Vo)의 상태에 따라 스위칭부(120)의 스위칭을 제어할 수 있다. 보다 상세하게는, 출력 전원(Vo)의 상태가 사전에 설정된 기준 범위 이내이면 스위칭부(120)의 스위칭 주파수를 가변하여 스위칭부(120)의 스위칭을 제어하고, 출력 전원(Vo)의 상태가 상기 기준 범위 이외이면 스위칭부(120)의 스위칭 주파수를 고정시키고 스위칭 듀티를 가변하여 스위칭부(120)의 스위칭을 제어할 수 있다.

보다 상세하게는, 출력 전원(Vo)의 상태가 상기 기준 범위 이외이면 스위칭부(120)의 스위칭 주파수를 사전에 설정된 최대 스위칭 주파수로 고정시키고, 스위칭 듀티를 가변하여 스위칭부(120)의 스위칭을 제어할 수 있다.

이를 위해, 제어부(160)는 PI제어기(161), 전달부(162) 및 스위칭 제어기(163)를 포함할 수 있다.

PI(proportional-integral)제어기(161)는 출력 전원(Vo)의 전압 레벨과 사전에 설정된 기준 전압(Vo_ref)을 비교하여, 그 비교 오차를 적분하여 제어 신호를 출력할 수 있다.

전달부(162)는 PI제어기(161)로부터의 제어 신호를 스위칭 제어기(163)에 전달할 수 있다.

본 발명의 전원 공급 장치에서 정류부(110), 스위칭부(120), 공진부(130) 및 변압부(140)의 일차 권선(Np)은 일차측에 형성되고, 변압부(140)의 이차 권선(Ns), 안정화부(150)는 일차측과 다른 그라운드를 갖는 이차측에 형성될 수 있다.

이에 더하여, 제어부(160)의 PI 제어기(161)는 이차측에 형성될 수 있고, 스위칭 제어기(163)는 일차측에 형성될 수 있으므로, 전달부(162)는 이차측의 PI 제어기(161)의 제어 신호를 일차측의 스위칭 제어기(163)에 전달할 수 있다. 이를 위해, 전달부(162)는 포토 커플러(photo coupler)일 수 있다.

스위칭 제어기(163)는 전달부(162)로부터의 제어 신호에 따라 스위칭부(120)의 제1 및 제2 스위치(Q1,Q2)의 스위칭을 제어할 수 있다. 보다 상세하게는 상기 제어 신호에 따라 제1 및 제2 스위치(Q1,Q2)의 스위칭 주파수 및 스위칭 듀티를 제어할 수 있다.

도 2는 일반적인 LLC 방식 전원 공급 장치와 본 발명의 전원 공급 장치의 주요 동작 파형도이고, 도 3은 일반적인 LLC 방식 전원 공급 장치와 본 발명의 전원 공급 장치의 스위칭 제어 그래프이다.

보다 상세하게는, 도 2의 상단의 그래프는 일반적인 LLC 방식 전원 공급 장치의 100%부하 및 10% 부하시의 주요 동작 파형도이고, 도 2의 하단의 그래프는 본 발명의 전원 공급 장치의 100% 부하 및 10% 부하시의 주요 동작 파형도이며, 도 3의 (a)는 일반적인 LLC 방식 전원 공급 장치의 스위칭 제어 그래프이고, 도 3의 (b)는 본 발명의 전원 공급 장치의 스위칭 제어 그래프이다.

일반적인 LLC 방식 전원 공급 장치의 경우 100% 부하에 대비하여 10% 부하시에는 주파수를 증가시키는 반면에, 본 발명의 전원 공급 장치는 100% 부하에 대비하여 10% 부하시에는 일정 이득까지는 주파수를 증가시키고, 일정 이득 이하에서는 최대 스위칭 주파수로 고정시키고 듀티를 저감시켜 스위칭을 제어하여 출력 전압을 제어할 수 있다.

상술한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 부하 상태가 사전에 설정된 비율 이하이면 스위칭 주파수를 고정시키고 듀티를 가변하여 스위칭을 제어함으로써 넓은 입력 범위에서도 트랜스포머의 부피 증가 없이 낮은 게인의 출력을 제어할 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.

100...전원 공급 장치.
110...정류부
120...스위칭부
130...공진부
140...변압부
150...안정화부
160...제어부
161...PI제어기
162...전달부
163...스위칭 제어기

Claims

입력 전원을 스위칭하는 스위칭부;
상기 스위칭부에 의해 스위칭된 전원의 전압 레벨을 변압하는 변압부;
상기 변압부에 의해 변압된 전원을 안정화시켜 출력 전원을 출력하는 안정화부; 및
상기 출력 전원의 상태가 사전에 설정된 기준 범위 이내이면 상기 스위칭부의 스위칭 주파수를 가변하고, 상기 출력 전원의 상태가 상기 기준 범위 이외이면 상기 스위칭부의 스위칭 주파수를 고정시키고, 스위칭 듀티를 가변시키는 제어부
를 포함하는 전원 공급 장치.
제1항에 있어서,
상기 제어부는 상기 스위칭부의 스위칭 주파수를 사전에 설정된 최대 스위칭 주파수로 고정시키고, 스위칭 듀티를 가변시키는 전원 공급 장치.
제1항에 있어서, 상기 제어부는
상기 출력 전원의 전압과 사전에 설정된 기준 전압을 비교하여 그 비교 오차를 적분한 제어 신호를 제공하는 PI(proportional-integral) 제어기;
상기 PI 제어기로부터의 제어 신호를 전달하는 전달부; 및
상기 전달부로부터의 제어 신호에 따라 상기 스위칭부의 스위칭 주파수 및 스위칭 듀티를 제어하는 스위칭 제어기
를 포함하는 전원 공급 장치.
제1항에 있어서,
상기 스위칭부는 상기 제어부의 스위칭 제어에 따라 상기 입력 전원을 교번 스위칭하는 제1 스위치 및 제2 스위치를 포함하는 전원 공급 장치.
제1항에 있어서,
상기 변압부의 인덕턴스 성분과 LLC 공진 탱크를 형성하는 공진부를 더 포함하는 전원 공급 장치.
제1항에 있어서, 입력 교류 전원을 정류하여 상기 스위칭부에 공급하는 정류부를 더 포함하는 전원 공급 장치.