KR20150049961A - 전력 공급 장치 - Google Patents

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KR20150049961A
KR20150049961A KR1020130131194A KR20130131194A KR20150049961A KR 20150049961 A KR20150049961 A KR 20150049961A KR 1020130131194 A KR1020130131194 A KR 1020130131194A KR 20130131194 A KR20130131194 A KR 20130131194A KR 20150049961 A KR20150049961 A KR 20150049961A
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김정은
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Abstract

본 발명은 전력 공급 장치에 관한 것이다.
본 발명에 따른 전력 공급 장치는, 초기 배터리 충전과, 경부하에서 부하에의 에너지 공급 및 방전된 배터리의 충전을 위한 마스터 회로부; 및 중부하(heavy load)에서 상기 마스터 회로부와 함께 부하를 분산 분담하여 부하에 에너지를 공급하는 슬레이브 회로부를 포함하며, 상기 마스터 회로부에는 충방전이 가능한 배터리가 설치된다.
이와 같은 본 발명에 의하면, 전원 공급 회로에서 반부하(half load) 이하의 낮은 부하에서 배터리를 이용하여 부하에 에너지를 공급함으로써, 에너지 효율을 극대화할 수 있다.

Description

전력 공급 장치{Power supply apparatus}
본 발명은 전력 공급 장치에 관한 것으로서, 특히 반부하(half load) 이하의 낮은 부하에서의 에너지 효율을 향상시킬 수 있는 전력 공급 장치에 관한 것이다.
에너지 소비가 사회적인 문제가 되면서, 에너지 변환 효율에 대한 관심이 높아지고 있다. 특히, 서버 파워의 경우, 에너지 효율이 서버 파워 기술의 중요한 척도가 되면서 서버 시장 확보에 핵심적인 요소가 되고 있다. 예를 들어, CSCI-Titanium의 경우, 10%-20%-50%-100% 로드에 따라 90%-94%-96%-91%의 높은 효율을 요구하고 있다. 이 중에서도 특히, 반부하(half-load) 이하에서의 효율 개선이 기술적으로 어려운 문제가 되고 있고, 10% 로드 이하의 매우 낮은 부하에서의 고효율에 대한 시장 요구도 크게 증가하고 있다. 한편, 서버 파워 서플라이는 여러 가지 장애 상황을 대비해 한 개의 부하에 여러 개의 파워 서플라이를 연결하여 구동하는 리던던트(redundant) 구조를 가지는 경우가 많다. 이 경우, 부하가 작아질 경우, 마스터 1개만 동작시키는 콜드 리던던트 제어(cold redundant control)를 함으로써 낮은 부하에서의 효율을 올릴 수 있다. 하지만, 이 역시 단일 모듈의 효율을 벗어나지 못하는 한계가 있고, 매우 낮은 부하에서는 효율 개선이 어렵게 되는 문제가 있다.
한국 공개특허공보 공개번호 10-2006-0109495 일본 공개특허공보 특개2012-175885
본 발명은 상기와 같은 사항을 감안하여 창출된 것으로서, 반부하(half load) 이하의 낮은 부하에서의 에너지 효율을 향상시킬 수 있는 전력 공급 장치를 제공함에 그 목적이 있다.
상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 전력 공급 장치는,
초기 배터리 충전과, 경부하(light load)에서 부하에의 에너지 공급 및 방전된 배터리의 충전을 위한 마스터 회로부; 및
상기 마스터 회로부와 공통의 출력단을 가지며, 중부하(heavy load)에서 상기 마스터 회로부와 함께 부하를 분산 분담하여 부하에 에너지를 공급하는 슬레이브 회로부를 포함하며,
상기 마스터 회로부에는 충방전이 가능한 배터리가 설치되는 점에 그 특징이 있다.
여기서, 상기 마스터 회로부에는 상기 배터리의 초기 충전을 위한 초기 배터리 충전기가 더 설치될 수 있다.
이때, 상기 초기 배터리 충전기의 일 실시 예는 교류 전압을 입력받아 1,2차 권선비에 따라 입력 전압과 다른 크기의 출력 전압을 제공하는 변압기와; 변압기의 1차측 권선에 흐르는 전류를 단속하는 스위치 소자와; 변압기의 2차측 권선에 유도된 교류 전압을 직류 전압으로 정류하는 다이오드를 포함하여 구성될 수 있다. 여기서, 상기 스위치 소자로는 모스펫이 사용될 수 있다.
또한, 상기 초기 배터리 충전기의 다른 실시 예는 교류 전원으로부터의 교류 전압을 입력 받아 직류 전압으로 변환하는 교류/직류 변환부와; 교류/직류 변환부에 의해 변환된 직류 전압을 1,2차 권선비에 따라 다른 크기의 직류 전압으로 변환하는 변압기와; 변압기의 2차측 권선에 유도된 직류 전압에 혼입되어 있는 교류 성분을 직류로 정류하는 정류부를 포함하여 구성될 수 있다.
이때, 또한 바람직하게는 상기 정류부를 거쳐 배터리로 공급되는 전류에 혼입되어 있는 고주파 노이즈 성분을 제거하기 위한 인덕터를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 교류/직류 변환부는 일단이 교류 전원과 연결되는 제1 스위치 소자와, 제1 스위치 소자에 직렬로 연결되는 제1 다이오드와, 상기 제1 스위치 소자에 병렬로 연결되는 제2 다이오드와, 제2 다이오드에 직렬로 연결되는 제2 스위치 소자로 이루어지는 풀 브리지 회로로 구성될 수 있다. 이때, 상기 제1, 제2 스위치 소자로는 모스펫(MOSFET)이 사용될 수 있다.
또한, 상기 정류부는 상기 변압기의 2차측 권선의 일단에 직렬로 연결되는 제1 출력 다이오드와, 상기 2차측 권선과 제1 출력 다이오드로 이루어지는 단위 회로에 병렬로 연결되는 제2 출력 다이오드로 이루어지는 하프 브리지 회로로 구성될 수 있다.
또한, 상기 마스터 회로부는 반부하(half load) 이하에서 부하에 에너지를 공급하도록 구성된다.
또한, 상기 슬레이브 회로부는 배터리의 전압이 기준전압 이하로 떨어질 시, 배터리의 충전을 위한 전원을 공급하도록 구성된다.
이와 같은 본 발명에 의하면, 전원 공급 회로에서 마스터 회로부에 충방전이 가능한 배터리를 추가하여, 반부하(half load) 이하의 낮은 부하에서 배터리를 이용하여 부하에 에너지를 공급함으로써, 에너지 효율을 극대화할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 전력 공급 장치의 회로 구성을 보여주는 도면.
도 2는 도 1에 도시된 전력 공급 장치의 마스터 회로부의 초기 배터리 충전기의 일 실시 예에 따른 내부 회로 구성을 보여주는 도면.
도 3은 도 1에 도시된 전력 공급 장치의 마스터 회로부의 초기 배터리 충전기의 다른 실시 예에 따른 내부 회로 구성을 보여주는 도면.
도 4a 내지 도 4c는 본 발명에 따른 전력 공급 장치의 모드 별 동작 관계를 관련 회로 별로 보여주는 도면.
본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정되어 해석되지 말아야 하며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야 한다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있다는 것을 의미한다. 또한, 명세서에 기재된 "…부", "…기", "모듈", "장치" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예를 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 전력 공급 장치의 회로 구성을 보여주는 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 전력 공급 장치는 마스터 회로부(110), 슬레이브 회로부(120)를 포함하여 구성된다.
마스터 회로부(110)는 초기 배터리 충전과, 경부하(light load)에서 부하에의 에너지 공급 및 방전된 배터리를 충전한다. 이와 같은 마스터 회로부(110)에는 충방전이 가능한 배터리(112)가 설치된다. 또한, 마스터 회로부(110)는 정상 동작상태에서의 반부하(half load) 이하에서 부하에의 에너지 공급 및 방전된 배터리(112)의 충전을 위한 벅 컨버터부(113)를 포함한다. 여기서, 이와 같은 벅 컨버터부(113)로는 BSBC(bidirectional synchronous buck converter)가 사용될 수 있다.
상기 슬레이브 회로부(120)는 상기 마스터 회로부(110)와 공통의 출력단을 가지며, 중부하(heavy load)에서 상기 마스터 회로부(110)와 함께 부하를 분산 분담하여 부하에 에너지를 공급한다. 이와 같은 슬레이브 회로부(120)는 PSFB(phase-shift full bridge)로 구성되며, 마스터 회로부(110)와의 배터리 정보 모니터링 (monitoring)을 위한 별도의 버스(bus)로서 변압기(T)의 2차측에 VA_BUS가 마련된다.
여기서, 상기 마스터 회로부(110)에는 상기 배터리(112)의 초기 충전을 위한 초기 배터리 충전기(111)가 더 설치될 수 있다.
이때, 상기 초기 배터리 충전기(111)의 일 실시 예는, 도 2에 도시된 바와 같이, 교류 전원(Vac)으로부터의 교류 전압을 입력받아 1,2차 권선비에 따라 입력 전압과 다른 크기의 출력 전압을 제공하는 변압기(T1)와; 변압기(T1)의 1차측 권선(Np)에 흐르는 전류를 단속하는 스위치 소자(Q)와; 변압기(T1)의 2차측 권선(Ns)에 유도된 교류 전압을 직류 전압으로 정류하는 다이오드(Do)를 포함하여 구성될 수 있다. 여기서, 상기 스위치 소자(Q)로는 모스펫(MOSFET)이 사용될 수 있다. 물론, 이와 같은 스위치 소자(Q)는 모스펫(MOSFET)으로 한정되는 것은 아니며, 일반적인 바이폴라 트랜지스터도 스위치 소자(Q)로 사용될 수 있음은 당연하다.
또한, 상기 초기 배터리 충전기(111)의 다른 실시 예는, 도 3에 도시된 바와 같이, 구성될 수도 있다. 즉, 다른 실시 예에 따른 초기 배터리 충전기(111)는 교류 전원(Vac)으로부터의 교류 전압을 입력 받아 직류 전압으로 변환하는 교류/직류 변환부(111a)와; 그 교류/직류 변환부(111a)에 의해 변환된 직류 전압을 1,2차 권선비에 따라 다른 크기의 직류 전압으로 변환하는 변압기(T2)와; 그 변압기(T2)의 2차측 권선(Ns)에 유도된 직류 전압에 혼입되어 있는 교류 성분을 직류로 정류하는 정류부(111b)를 포함하여 구성될 수 있다. 이때, 또한 바람직하게는 상기 정류부(111b)를 거쳐 배터리(112)로 공급되는 전류에 혼입되어 있는 고주파 노이즈 성분을 제거하기 위한 인덕터(Lo)를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 교류/직류 변환부(111a)는 일단이 교류 전원과 연결되는 제1 스위치 소자(Q1)와, 그 제1 스위치 소자(Q1)에 직렬로 연결되는 제1 다이오드(D1)와, 상기 제1 스위치 소자(Q1)에 병렬로 연결되는 제2 다이오드(D2)와, 그 제2 다이오드(D2)에 직렬로 연결되는 제2 스위치 소자(Q2)로 이루어지는 풀 브리지 회로로 구성될 수 있다. 이때, 상기 제1, 제2 스위치 소자(Q1,Q2)로는 모스펫(MOSFET)이 사용될 수 있다. 이때에도 마찬가지로 제1, 제2 스위치 소자(Q1,Q2)로 바이폴라 트랜지스터가 사용될 수 있음은 당연하다.
또한, 상기 정류부(111b)는 상기 변압기(T2)의 2차측 권선(Ns)의 일단에 직렬로 연결되는 제1 출력 다이오드(D01)와, 상기 2차측 권선(Ns)과 제1 출력 다이오드(D01)로 이루어지는 단위 회로에 병렬로 연결되는 제2 출력 다이오드(D02)로 이루어지는 하프 브리지 회로로 구성될 수 있다.
또한, 상기 마스터 회로부(110)는 반부하(half load) 이하에서 부하에 에너지를 공급하도록 구성된다.
또한, 상기 슬레이브 회로부(120)는 배터리(112)의 전압이 기준전압 이하로 하강할 시, 배터리(112)의 충전을 위한 전원을 공급하도록 구성된다.
그러면, 이상과 같은 구성을 갖는 본 발명에 따른 전력 공급 장치의 동작에 대하여 간략히 설명해 보기로 한다.
도 4a 내지 도 4c는 본 발명에 따른 전력 공급 장치의 모드 별 동작 관계를 관련 회로 별로 보여주는 도면이다.
도 4a에서와 같이, 초기에는 초기 배터리 충전기(111)를 통해 배터리(112)를 충전시키고, 도 4b에서와 같이 반부하(half load) 이하에서는 벅 컨버터부(113)만을 통해 배터리(112)의 에너지를 이용하여 부하에 전원을 공급함으로써 효율을 극대화 할 수 있다. 또한, 도 4c에서와 같이, 배터리(112)의 전압이 기준 전압 이하로 떨어질 경우, 슬레이브 회로부(120)로부터 벅 컨버터부(113)를 통해 배터리 (112)를 충전시킨다. 여기서, 이와 같은 슬레이브 회로부(120)를 이용한 배터리(112)의 충전 방식은 초기 배터리 충전 시에도 이용될 수 있다.
이상의 설명에서와 같이, 본 발명에 따른 전력 공급 장치는 전원 공급 회로에서 마스터 회로부에 충방전이 가능한 배터리가 마련되어 있어, 반부하(half load) 이하의 낮은 부하에서 배터리를 이용하여 부하에 에너지를 공급함으로써, 에너지 효율을 극대화 할 수 있다.
이상, 바람직한 실시 예를 통하여 본 발명에 관하여 상세히 설명하였으나, 본 발명은 이에 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양하게 변경, 응용될 수 있음은 당해 기술분야의 통상의 기술자에게 자명하다. 따라서, 본 발명의 진정한 보호 범위는 다음의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술적 사상은 본 발명의 권리 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
110...마스터 회로부 111...초기 배터리 충전기
112...배터리 113...벅 컨버터부
120...슬레이브 회로부
111a...교류/직류 변환부 111b...정류부

Claims (12)

  1. 초기 배터리 충전과, 경부하(light load)에서 부하에의 에너지 공급 및 방전된 배터리의 충전을 위한 마스터 회로부; 및
    상기 마스터 회로부와 공통의 출력단을 가지며, 중부하(heavy load)에서 상기 마스터 회로부와 함께 부하를 분산 분담하여 부하에 에너지를 공급하는 슬레이브 회로부를 포함하며,
    상기 마스터 회로부에는 충방전이 가능한 배터리가 설치되어 있는 전력 공급 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 마스터 회로부에는 상기 배터리의 초기 충전을 위한 초기 배터리 충전기가 더 설치된 전력 공급 장치.
  3. 제2항에 있어서, 상기 초기 배터리 충전기는,
    교류 전압을 입력받아 1,2차 권선비에 따라 입력 전압과 다른 크기의 출력 전압을 제공하는 변압기;
    상기 변압기의 1차측 권선에 흐르는 전류를 단속하는 스위치 소자; 및
    상기 변압기의 2차측 권선에 유도된 교류 전압을 직류 전압으로 정류하는 다이오드를 포함하여 구성된 전력 공급 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 스위치 소자는 모스펫인 전력 공급 장치.
  5. 제2항에 있어서, 상기 초기 배터리 충전기는,
    교류 전원으로부터의 교류 전압을 입력 받아 직류 전압으로 변환하는 교류/직류 변환부;
    상기 교류/직류 변환부에 의해 변환된 직류 전압을 1,2차 권선비에 따라 다른 크기의 직류 전압으로 변환하는 변압기;
    상기 변압기의 2차측 권선에 유도된 직류 전압에 혼입되어 있는 교류 성분을 직류로 정류하는 정류부를 포함하여 구성된 전력 공급 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 정류부를 거쳐 배터리로 공급되는 전류에 혼입되어 있는 고주파 노이즈 성분을 제거하기 위한 인덕터를 더 포함하는 전력 공급 장치.
  7. 제5항에 있어서, 상기 교류/직류 변환부는,
    일단이 교류 전원과 연결되는 제1 스위치 소자;
    상기 제1 스위치 소자에 직렬로 연결되는 제1 다이오드;
    상기 제1 스위치 소자에 병렬로 연결되는 제2 다이오드; 및
    상기 제2 다이오드에 직렬로 연결되는 제2 스위치 소자로 이루어지는 풀 브리지 회로로 구성된 전력 공급 장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 스위치 소자는 모스펫(MOSFET)인 전력 공급 장치.
  9. 제5항에 있어서, 상기 정류부는,
    상기 변압기의 2차측 권선의 일단에 직렬로 연결되는 제1 출력 다이오드; 및
    상기 2차측 권선과 제1 출력 다이오드로 이루어지는 단위 회로에 병렬로 연결되는 제2 출력 다이오드로 이루어지는 하프 브리지 회로로 구성된 전력 공급 장치.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 마스터 회로부는 반부하(half load) 이하에서 부하에 에너지를 공급하도록 구성된 전력 공급 장치.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 슬레이브 회로부는 배터리의 전압이 기준전압 이하로 떨어질 시, 배터리의 충전을 위한 전원을 공급하도록 구성된 전력 공급 장치.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 슬레이브 회로부에는 상기 마스터 회로부와의 배터리 정보 모니터링 (monitoring)을 위한 별도의 버스가 마련되어 있는 전력 공급 장치.
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