KR20150049962A - 전력 공급 장치 및 그 제어방법 - Google Patents

전력 공급 장치 및 그 제어방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 전력 공급 장치 및 그 제어방법에 관한 것이다.
본 발명에 따른 전력 공급 장치는, DC/AC 변환부; 트랜스포머; AC/DC 변환부; 및 트랜스포머의 2차측 출력단의 인덕터 앞에 설치되며, 경부하 시 상기 인덕터의 영향으로 인한 전력 손실을 보상하기 위한 손실 보상부를 포함하고, 상기 손실 보상부는 커패시터와 반도체 스위치 소자의 직렬연결 회로로 구성되며, 상기 반도체 스위치 소자는 외부의 제어부로부터의 제어 명령에 따라 경부하 이상의 부하 시에는 턴-오프되고, 경부하 시에는 턴-온된다.

Description

전력 공급 장치 및 그 제어방법{Power supply apparatus and controlling method thereof}
본 발명은 PC의 서버 등에 전력을 공급하는 전력 공급 장치 및 그 제어방법에 관한 것으로서, 특히 경부하(light load)에서의 효율을 향상시킬 수 있는 전력 공급 장치 및 그 제어방법에 관한 것이다.
일반적으로, 출력 인덕터를 가지는 컨버터들은 높은 출력 전류를 필요로 하는 서버 파워 서플라이(server power supply)나 컴퓨터 파워 서플라이(PC power supply)에 많이 사용된다. 하지만, 이러한 컨버터들의 경우 출력 인덕터의 영향으로 경부하(light load) 시 1차 측의 스위치나 2차 측의 동기 정류기(synchronous rectifier)의 턴-오프 손실(turn-off loss)과 2차 측에서 발생하는 스너버 손실 (snubber loss)의 비중이 증가하게 되므로, 경부하 시 효율이 떨어지는 단점이 있다. 즉, 종래 컨버터들은 경부하 시 출력 인덕터의 영향으로 인하여, 도 1에 도시된 특성 파형에서와 같이, 스위치가 꺼지는 순간, 1차측의 스위치에 흐르는 전류와 2차 측의 스위치(동기 정류기)에 흐르는 전류가 커져 이로 인해 발생하는 턴-오프 손실의 비중과 스너버 손실의 비중이 증가하게 되므로 효율이 떨어지게 되는 문제점이 있다.
일본 공개특허공보 특개2012-249415 미국 공개특허 US2007-0297199
본 발명은 상기와 같은 사항을 감안하여 창출된 것으로서, 경부하(light load)에서의 효율을 향상시킬 수 있는 전력 공급 장치 및 그 제어방법을 제공함에 그 목적이 있다.
상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 전력 공급 장치는,
직류 전원으로부터 공급된 직류 전압을 교류 전압으로 변환하는 DC/AC 변환부;
상기 DC/AC 변환부에 의해 변환된 교류 전압을 입력받아 1,2차측 권선의 권선비에 따른 다른 크기의 교류 전압을 생성하는 트랜스포머;
상기 트랜스포머의 2차측 권선에 걸리는 교류 전압을 직류 전압으로 변환하는 AC/DC 변환부; 및
상기 트랜스포머의 2차측 출력단의 인덕터 앞에 설치되며, 경부하 시 상기 인덕터의 영향으로 인한 전력 손실을 보상하기 위한 손실 보상부를 포함하는 점에 그 특징이 있다.
여기서, 상기 손실 보상부는 커패시터와 반도체 스위치 소자의 직렬연결 회로로 구성될 수 있다.
이때, 상기 반도체 스위치 소자로는 모스펫(MOSFET)이 사용될 수 있다.
또한, 상기 손실 보상부의 반도체 스위치 소자는, 외부의 제어부로부터의 제어 명령에 따라 경부하 이상의 부하 시에는 턴-오프되고, 경부하 시에는 턴-온되도록 구성될 수 있다.
또한, 상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 전력 공급 장치의 제어방법은,
DC/AC 변환부, 트랜스포머, AC/DC 변환부 및 손실 보상부를 포함하는 전력 공급 장치의 제어방법으로서,
a) 상기 AC/DC 변환부의 출력단을 통해 전류를 출력하여 부하에 전류를 공급하는 단계;
b) 상기 부하의 양단에 걸리는 전압을 검출하여 부하가 경부하인지의 여부를 판별하는 단계;
c) 상기 단계 b)의 판별에서, 부하가 경부하 이상일 경우에는 상기 손실 보상부의 반도체 스위치 소자를 오프(OFF) 시킨 상태로 부하에 전원을 공급하는 단계; 및
d) 상기 단계 b)의 판별에서, 부하가 경부하일 경우에는 상기 손실 보상부의 반도체 스위치 소자를 온(ON) 시킨 상태로 부하에 전원을 공급하는 단계를 포함하는 점에 그 특징이 있다.
여기서, 상기 단계 c)에서 부하가 경부하 이상일 경우에는 상기 손실 보상부의 반도체 스위치 소자를 오프시키도록 하는 제어 명령을 외부의 제어부로부터 상기 손실 보상부의 반도체 스위치 소자로 전송하는 단계를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 단계 d)에서 부하가 경부하일 경우에는 상기 손실 보상부의 반도체 스위치 소자를 온시키도록 하는 제어 명령을 외부의 제어부로부터 상기 손실 보상부의 반도체 스위치 소자로 전송하는 단계를 더 포함할 수 있다.
이와 같은 본 발명에 의하면, 트랜스포머의 2차측 출력 인덕터 앞에 커패시터를 설치하여 CLC 필터를 구성함으로써, 스위치 오프 시, 트랜스포머의 1,2차 측에서 발생되는 턴-오프 손실을 줄일 수 있으며, 이에 따라 경부하 시 효율을 극대화할 수 있는 장점이 있다.
도 1은 종래의 컨버터에서의 중부하 시의 운전 모드에 따른 1,2차측 스위치에 흐르는 전류의 특성을 보여주는 도면.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 전력 공급 장치의 회로 구성을 보여주는 도면.
도 3a는 본 발명에 따른 전력 공급 장치의 중부하 시의 운전 상태를 보여주는 도면.
도 3b는 본 발명에 따른 전력 공급 장치의 경부하 시의 운전 상태를 보여주는 도면.
도 4는 본 발명에 따른 전력 공급 장치의 경부하 시의 운전 모드에 따른 1,2차측 스위치에 흐르는 전류의 특성을 보여주는 도면.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 전력 공급 장치의 제어방법의 실행 과정을 보여주는 흐름도.
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 2는 본 발명의 실시 예에 따른 전력 공급 장치의 회로 구성을 보여주는 도면이다.
도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 전력 공급 장치는 DC/AC 변환부(110), AC/DC 변환부(120), 트랜스포머(130), 손실 보상부(140)를 포함하여 구성된다.
상기 DC/AC 변환부(110)는 직류 전원(Vs)으로부터 공급된 직류 전압을 교류 전압으로 변환한다. 이와 같은 DC/AC 변환부(110)는 도시된 바와 같이 2개의 모스펫(Q1,Q2)이 직렬 연결되고, 두 모스펫(Q1,Q2)의 공통 접속 노드에는 커패시터와 인덕터가 직렬로 연결된 비대칭 하프 브리지 구조로 구성될 수 있다.
상기 트랜스포머(130)는 상기 DC/AC 변환부(110)에 의해 변환된 교류 전압을 1차측 권선(Np)에 입력받아 1,2차측 권선(Np,Ns)의 권선비에 따라 2차측 권선(Ns)에 1차측 권선(Np)의 입력 전압과 다른 크기의 교류 전압을 생성한다.
상기 AC/DC 변환부(120)는 상기 트랜스포머(130)의 2차측 권선(Ns)에 걸리는 교류 전압을 직류 전압으로 변환한다.
상기 손실 보상부(140)는 상기 트랜스포머(130)의 2차측 출력단의 인덕터 (Lo) 앞에 설치되며, 경부하 시 상기 인덕터(Lo)의 영향으로 인한 전력 손실을 보상하는 역할을 한다. 여기서, 이와 같은 손실 보상부(140)는 커패시터(Co1)와 반도체 스위치 소자(QA)의 직렬연결 회로로 구성될 수 있다. 이때, 반도체 스위치 소자 (QA)로는 모스펫(MOSFET)이 사용될 수 있다.
그러면, 이상과 같은 구성을 갖는 본 발명에 따른 전력 공급 장치의 제어방법 및 동작에 대해 설명해 보기로 한다.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 전력 공급 장치의 제어방법의 실행 과정을 보여주는 흐름도이다.
도 5를 참조하면, 본 발명에 따른 전력 공급 장치의 제어방법은, 전술한 바와 같은 DC/AC 변환부(110), 트랜스포머(130), AC/DC 변환부(120) 및 손실 보상부 (140)를 포함하는 전력 공급 장치를 제어하기 위한 방법으로서, 먼저 상기 AC/DC 변환부(120)의 출력단을 통해 전류(IO)를 출력하여 부하(Ro)에 전류를 공급한다(단계 S501). 그리고, 그 부하(Ro)의 양단에 걸리는 전압(Vo)을 검출하여(단계 S502), 부하가 경부하인지의 여부를 판별한다(단계 S503). 여기서, 상기 부하(Ro)의 양단에 걸리는 전압(Vo)은 별도의 전압 검출 센서(미도시)를 이용하여 검출할 수도 있고, 외부의 제어부에서 부하에 흐르는 전류(IO)를 피드백받아, 그 전류와 부하의 저항과의 곱셈 연산을 수행하는 것에 의해 구할 수도 있다.
한편, 상기 단계 S503의 판별에서, 부하가 경부하 이상일 경우에는 상기 손실 보상부(140)의 반도체 스위치 소자(QA)를 오프(OFF) 시킨 상태로 부하(Ro)에 전원을 공급한다(단계 S505). 여기서, 바람직하게는 부하가 경부하 이상일 경우에는 상기 손실 보상부(140)의 반도체 스위치 소자(QA)를 오프시키도록 하는 제어 명령을 외부의 제어부로부터 상기 손실 보상부(140)의 반도체 스위치 소자(QA)로 전송하는 단계(S504)를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 단계 S503의 판별에서, 부하가 경부하일 경우에는 상기 손실 보상부(140)의 반도체 스위치 소자(QA)를 온(ON) 시킨 상태로 부하(Ro)에 전원을 공급한다(단계 S507). 여기서, 바람직하게는 부하가 경부하일 경우에는 상기 손실 보상부(140)의 반도체 스위치 소자(QA)를 온시키도록 하는 제어 명령을 외부의 제어부로부터 상기 손실 보상부(140)의 반도체 스위치 소자(QA)로 전송하는 단계(S506)를 더 포함할 수 있다.
여기서, 이상과 같은 본 발명에 따른 전력 공급 장치의 제어방법과 관련하여 부연 설명을 해보기로 한다.
경부하 이상에서는 반도체 소자들의 턴-오프 손실(turn-off loss)이나 스너버 손실(snubber loss)에 비해서 전도(도통) 손실(conduction loss)이 많은 비중을 차지하기 때문에 도 3a와 같이 트랜스포머(130)의 2차측에 마련된 손실 보상부(140)의 반도체 스위치 소자(QA)를 오프시킨 상태에서 기존의 방법에 의해서 제어하게 된다. 따라서, 일정한 전류를 흐르게 하는 출력 인덕터(Lo)의 영향으로 트랜스포머(130)의 1차측 스위치(Q1,Q2)에 흐르는 RMS(root mean square) 전류와 2차측 스위치(SR1, SR2)에 흐르는 RMS 전류가 작아지게 되어 경부하 이상에서 효율을 극대화할 수 있게 된다.
하지만, 이상과 같은 기존의 제어방법은 경부하 시 출력 인덕터(Lo)의 영향으로 인하여 전술한 도 1에서와 같이, 스위치가 오프되는 순간 1차측 스위치 (Q1,Q2)에 흐르는 전류(ILm,ILlkg)와 2차측 스위치(SR1,SR2)에 흐르는 전류(ISR1, ISR2)의 차이가 커져 이로 인해 발생하는 턴-오프 손실의 비중과 스너버 손실의 비중이 증가하게 되므로, 효율이 떨어지게 된다. 따라서, 본 발명은 이러한 문제점을 보완하기 위하여, 경부하 시 도 3b와 같이, 손실 보상부(140)의 반도체 스위치 소자(QA)를 온(ON) 시켜서, 기존의 출력 인덕터(Lo)와 출력 커패시터(Co2)에 의한 제어방식이 아닌 손실 보상부(140)의 커패시터(Co1)와 출력 인덕터((Lo) 및 출력 커패시터 (Co2)로 이루어지는 CLC 필터를 갖는 제어 방식을 적용하게 된다.
이상과 같이 CLC 필터를 적용할 경우, 기존의 하프 브릿지 LLC 컨버터로 동작하게 되므로, 도 4와 같이 스위치가 오프되는 순간 1차측 스위치에 흐르는 전류 (ILm,ILlkg)를 감소시키게 되고, 2차측 스위치(SR1,SR2)에 흐르는 전류가 0(zero)이 되므로, 트랜스포머(130)의 1차측과 2차측에서 발생하는 턴-오프 손실을 줄일 수 있게 된다. 또한, CLC 필터의 영향으로 2차측 스위치(SR1,SR2)에 걸리는 전압이 출력 전압으로 클램핑(clamping)되므로, 스너버 손실 역시 줄일 수 있게 된다. 이와 같이, 경부하 시에는 트랜스포머(130)의 1차측과 2차측 RMS 전류에 의한 도통 손실의 비중은 상당히 감소하게 되고, 턴-오프 손실이나 스너버 손실의 비중은 증가하게 되므로, 본 발명에 따른 전력 공급 장치를 서버나 컴퓨터의 전원 공급 장치로 채용할 경우 중부하 이상의 효율뿐 아니라 경부하 시 효율을 극대화할 수 있게 된다.
이상의 설명에서와 같이, 본 발명에 따른 전력 공급 장치는 트랜스포머의 2차측 출력 인덕터 앞에 커패시터를 설치하여 CLC 필터를 구성함으로써, 스위치 오프 시, 트랜스포머의 1,2차 측에서 발생되는 턴-오프 손실을 줄일 수 있으며, 이에 따라 경부하 시 효율을 극대화할 수 있는 장점이 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...DC/AC 변환부 120...AC/DC 변환부
130...트랜스포머 140...손실 보상부

Claims (7)

  1. 직류 전원으로부터 공급된 직류 전압을 교류 전압으로 변환하는 DC/AC 변환부;
    상기 DC/AC 변환부에 의해 변환된 교류 전압을 입력받아 1,2차측 권선의 권선비에 따른 다른 크기의 교류 전압을 생성하는 트랜스포머;
    상기 트랜스포머의 2차측 권선에 걸리는 교류 전압을 직류 전압으로 변환하는 AC/DC 변환부; 및
    상기 트랜스포머의 2차측 출력단의 인덕터 앞에 설치되며, 경부하 시 상기 인덕터의 영향으로 인한 전력 손실을 보상하기 위한 손실 보상부를 포함하는 전력 공급 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 손실 보상부는 커패시터와 반도체 스위치 소자의 직렬연결 회로로 구성된 전력 공급 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 반도체 스위치 소자는 모스펫(MOSFET)인 전력 공급 장치.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 손실 보상부의 반도체 스위치 소자는, 외부의 제어부로부터의 제어 명령에 따라 경부하 이상의 부하 시에는 턴-오프되고, 경부하 시에는 턴-온되도록 구성된 전력 공급 장치.
  5. DC/AC 변환부, 트랜스포머, AC/DC 변환부 및 손실 보상부를 포함하는 전력 공급 장치의 제어방법으로서,
    a) 상기 AC/DC 변환부의 출력단을 통해 전류를 출력하여 부하에 전류를 공급하는 단계;
    b) 상기 부하의 양단에 걸리는 전압을 검출하여 부하가 경부하인지의 여부를 판별하는 단계;
    c) 상기 단계 b)의 판별에서, 부하가 경부하 이상일 경우에는 상기 손실 보상부의 반도체 스위치 소자를 오프(OFF) 시킨 상태로 부하에 전원을 공급하는 단계; 및
    d) 상기 단계 b)의 판별에서, 부하가 경부하일 경우에는 상기 손실 보상부의 반도체 스위치 소자를 온(ON) 시킨 상태로 부하에 전원을 공급하는 단계를 포함하는 전력 공급 장치의 제어방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 단계 c)에서 부하가 경부하 이상일 경우에는 상기 손실 보상부의 반도체 스위치 소자를 오프시키도록 하는 제어 명령을 외부의 제어부로부터 상기 손실 보상부의 반도체 스위치 소자로 전송하는 단계를 더 포함하는 전력 공급 장치의 제어방법.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 단계 d)에서 부하가 경부하일 경우에는 상기 손실 보상부의 반도체 스위치 소자를 온시키도록 하는 제어 명령을 외부의 제어부로부터 상기 손실 보상부의 반도체 스위치 소자로 전송하는 단계를 더 포함하는 전력 공급 장치의 제어방법.
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