KR20160021953A - 인덕턴스 가변 회로 및 그를 이용한 전원 공급 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 인덕턴스 가변 회로 및 그를 이용한 전원 공급 장치에 관한 것으로서, 본 발명의 일 구현예에 따른 전원 공급 장치는, 일차측과 이차측의 권선비에 따라 변압된 변압 전압을 출력하는 변압부, 외부 입력 전원의 입력 여부에 따라 상기 일차측의 인덕턴스를 가변시키는 인덕턴스 가변부 및 상기 변압 전압을 안정화시켜 출력하는 출력부 를 포함할 수 있다.

Description

인덕턴스 가변 회로 및 그를 이용한 전원 공급 장치 {CIRCUIT FOR VARYING INDUCTANDCE AND POWER SUPPLYING APPARATUS USING THE SAME}
본 발명은 인덕턴스 가변 회로 및 그를 이용한 전원 공급 장치에 관한 것이다.
전원 공급 장치는 변압기를 이용하여 변압을 수행하여 부하에서 요구되는 전압을 제공한다. 이러한 전원 공급 장치는 부하의 보호 등을 위하여, 외부에서 제공되는 외부 입력 전원의 변동에도 일정 시간 이상의 안정적인 전원 공급이 요구된다.
외부 입력 전원의 입력이 중단되는 경우에도 일정 시간 이상 동안 전원을 공급하기 위하여, 종래에는 커패시터 등의 축전 소자를 이용하였다. 그러나 이러한 축전 소자를 이용하는 경우, 안정적인 동작을 위하여 그 축전 소자의 크기가 커지게 되어 전원 공급 장치의 크기가 커지는 문제점이 있다.
이와 관련된 종래 기술로는 일본 공개특허공보 제2006-020467호와 일본 공개특허공보 제2000-114076호를 참조하여 이해할 수 있다.
일본 공개특허공보 제2006-020467호 일본 공개특허공보 제2000-114076호
본 발명의 과제는 상기한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로써, 외부 입력 전원이 중단되는 경우에도 안정적이고 충분한 시간 동안 전원을 출력할 수 있는 전원 공급 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 제1 기술적인 측면은 전원 공급 장치의 일 실시예를 제안한다. 상기 전원 공급 장치는, 일차측과 이차측의 권선비에 따라 변압된 변압 전압을 출력하는 변압부, 외부 입력 전원의 입력 여부에 따라 상기 일차측의 인덕턴스를 가변시키는 인덕턴스 가변부 및 상기 변압 전압을 안정화시켜 출력하는 출력부 를 포함할 수 있다.
상기한 과제의 해결 수단은, 본 발명의 특징을 모두 열거한 것은 아니다. 본 발명의 과제 해결을 위한 다양한 수단들은 이하의 상세한 설명의 구체적인 실시형태를 참조하여 보다 상세하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 일 실시형태에 의하면, 외부 입력 전원이 중단되는 경우에도 안정적이고 충분한 시간 동안 전원을 출력할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 따른 전원 공급 장치의 일 실시예를 도시하는 구성도이다.
도 2는 스위칭 주파수에 따른 게인 특성의 변화를 설명하는 그래프이다.
도 3은 본 발명에 따른 전원 공급 장치의 일 실시예를 도시하는 구성도이다.
도 4는 본 발명에 따른 전원 공급 장치의 다른 일 실시예를 도시하는 구성도이다.
도 5는 인덕턴스 가변 회로에 적용 가능한 권선 및 코어의 일 실시예를 도시하는 사시도이다.
도 6은 인덕턴스 가변 회로에 적용 가능한 권선 및 코어의 다른 일 실시예를 도시하는 사시도이다.
도 7은 홀드업 타임의 길이를 비교하는 그래프이다.
도 8은 전체 로드 범위에서의 효율을 도시하는 그래프이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 형태들을 설명한다. 그러나, 본 발명의 실시형태는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시 형태로 한정되는 것은 아니다.
도 1은 본 발명에 따른 전원 공급 장치의 일 실시예를 도시하는 구성도이다.
도 1을 참조하면, 전원 공급 장치의 일 실시예는 링크 커패시터(13)와 전원 변환 회로(14)를 포함할 수 있다. 실시예에 따라, 전원 공급 장치의 일 실시예는 정류 회로(11)와 역률 보정 회로(12)를 더 포함할 수 있다.
정류 회로(11)는 외부 입력 전원(10)을 정류하여 역률 보정회로(12)에 전달할 수 있다. 실시예에 따라 정류 회로(11)는 평활 회로를 더 포함하여 입력 교류 전원에 대하여 정류 및 평활을 수행할 수 있다.
역률 보정 회로(12)는 정류 회로(11)로부터의 정류된 전원의 전압 및 전류 간의 위상차를 조정하여 역률을 보정할 수 있다. 역률 보정 회로(12)는 정류된 전원의 전류 파형이 전압 파형을 추종하도록 조정하여 역률을 보정할 수도 있다.
링크 커패시터(13)는 소정의 전압을 축전할 수 있다. 링크 커패시터(13)에 축전된 전압은 외부 입력 전원(10)의 공급이 중단된 경우 사용될 수 있다. 즉, 외부 입력 전원(10)의 공급이 중단된 후에도, 전원 공급 장치는 일정 시간-홀드 업 타임- 이상 안정적으로 전원을 공급하는 것이 필요하며, 링크 커패시터(13)는 이러한 외부 입력 전원의 공급이 중단된 경우 전원으로서 활용된다.
전원 변환 회로(14)는 외부 입력 전원(10) 또는 링크 커패시터(130)에서 제공되는 전원의 전압 레벨을 변압할 수 있다. 이하에서, 전원 공급 장치의 다양한 실시예들을 설명하며, 이하에서는 전원 공급 장치의 다양한 실시예들을 설명함에 있어서 이러한 전원 변환 회로(14)를 중심으로 설명한다. 따라서, 이하에서의 전원 변환 회로를 전원 공급 장치으로 통칭하여 설명한다.
상술한 바와 같이, 전원 공급 장치는 외부 입력 전원(10)의 공급이 중단된 후에도 일정 시간 이상 안정적인 전원을 제공하는 것이 요구되며, 이러한 일정 시간을 홀드 업 타임이라 칭한다.
이러한 홀드 업 시간을 충분히 만족하기 위한 일 방법은 링크 커패시터(13)의 커패시턴스 값을 키우는 것이다. 다만 이러한 방법은 최근의 제품의 소형화 및 고밀도화에 대한 요구를 만족 시킬 수 없다.
이에 따라 본 발명에 따른 전원 공급 장치는 정상 상태와 홀드 업 타임에서의 인덕턴스를 다르게 적용하여 홀드 업 시간을 충분히 만족하기면서도 정상 상태에서도 안정적으로 동작할 수 있다.
즉, 본 발명에서는 인덕턴스를 가변적으로 설정하므로써 전원 공급 장치의 입력 범위, 즉 게인의 범위를 가변적으로 설정할 수 있다.
[수학식 1]
Figure pat00001
여기서, fr은 공진 주파수(resonant frequency)이고, fs는 스위칭 주파수(switching frequency)를 의미한다.
상기의 수학식은 게인 커브(gain curve)를 구하는 공식이며, 도 2는 스위칭 주파수에 따른 게인 특성의 변화를 설명하는 그래프이다.
수학식 1과 도 2를 참조하면, 외부 입력 전원이 정상적으로 제공되는 상태, 즉, 정상 상태에서는 0.5의 게인이 적당하고, 홀드 업 타임에서 안정적인 전원 공급을 위해서는 실선으로 표기된 0.675의 게인이 적당하다.
이러한 게인의 변화는 상술한 수학식 1에서 K값의 변경으로 이뤄질 수 있다. K값은 전원 공급 장치의 인덕터의 비로 나타낼 수 있다. 즉, 작은 K값을 가지는 전원 공급 장치는 높은 게인을 얻을 수 있다.
그러나, 작은 K값은 자화 인덕턴스의 작은 값을 의미하며 이는 곧 1차측 도통 전류의 상승을 요구하게 된다. 따라서, 상기의 홀드 업 시간을 충분히 만족하기 위한 다른 방법은 홀드업 타임을 만족시킬 수는 있으나, 1차측 도통 전류의 상승하게 됨에 따라 컨버팅 효율이 감소되게 된다.
따라서, 본 발명에 따른 전원 공급 장치는 외부 입력 전압의 제공 여부에 따라 게인을 가변적으로 설정할 수 있다. 즉, 따른 전원 공급 장치는 정상 상태에서는 높은 효율을 이루고, 홀드업 타임에서는 넓은 입력 범위에서 동작 가능하도록 인덕턴스를 가변시킬 수 있다.
이하에서는 도 3 내지 도 6을 참조하여 본 발명에 따른 전원 공급 장치의 다양한 실시예들에 대하여 설명한다.
도 3은 본 발명에 따른 전원 공급 장치의 일 실시예를 도시하는 구성도이다.
도 3을 참조하면, 전원 공급 장치(100)는 스위치부(110) 및 변압부(120)를 포함할 수 있다. 실시예에 따라 전원 공급 장치(100)는 출력부(130)를 더 포함할 수 있다.
스위칭부(130)는 외부 입력 전원이 입력되는 입력 전원단과 접지 사이에 스택(stack)된 적어도 둘의 스위치를 구비할 수 있다. 도시된 예에서는 한 쌍의 스위치(Q1, Q2)를 포함하고 있으며, 제1 스위치(Q1) 및 제2 스위치(Q2)의 교번적인 스위칭 동작에 의해 전원 변환 동작을 수행할 수 있다.
변압부(120)는 일차측과 이차측의 권선비에 따라 변압된 변압 전압을 출력할 수 있다.
변압부(120)는 일차측에 가변적인 인덕턴스를 제공하는 가변 인덕터를 포함할 수 있다. 변압부(120)는 공진 탱크(121)와 트랜스포머(122)를 포함할 수 있으며, 공진 탱크(121)는 가변 인덕터(Lm)를 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 가변 인덕터(Lm)는 외부 입력 전원이 정상 상태에서는 제1 인덕턴스 값을 가지고, 외부 입력 전원의 공급이 중단된 상태이면 제1 인덕턴스 값보다 작은 제2 인덕턴스 값을 가질 수 있다.
공진 탱크(121)는 인덕터-커패시터(LC) 공진 회로 또는 인덕터-인덕터 -커패시터(LLC) 공진 회로를 포함할 수 있으며, 도시된 실시예에서 공진 탱크(141)는 인덕터-인덕터 -커패시터(Lr, Lm, Cr)를 포함하는 예를 도시하고 있다. 여기에서 트랜스포머(142)의 자화 인덕터는 가변 인덕터(Lm)로서 구성될 수 있다.
트랜스포머(142)는 일차 권선에 대한 이차 권선의 비로 변압할 수 있다.
출력부(130)는 변압부(120)에서 출력된 변압 전압을 안정화시켜 출력할 수 있다.
도 4는 본 발명에 따른 전원 공급 장치의 다른 일 실시예를 도시하는 구성도이다. 도 4에 도시된 일 실시예는 도 3의 일 실시예의 가변 인덕터를 대체하여 인덕턴스 가변 회로(123)가 적용된 실시예에 관한 것이다.
도 4를 참조하면, 전원 공급 장치(100)는 변압부(120) 및 인덕턴스 가변부(140)를 포함할 수 있다. 실시예에 따라 전원 공급 장치(100)는 출력부(130)를 더 포함할 수 있다.
변압부(120)는 일차측과 이차측의 권선비에 따라 변압된 변압 전압을 출력할 수 있다.
인덕턴스 가변부(140)는 외부 입력 전원의 입력 여부에 따라 상기 일차측의 인덕턴스를 가변시킬 수 있다. 인덕턴스 가변부(140)는 별도의 회로로서 구현될 수 있으며, 이러한 경우 이를 인덕턴스 가변 회로라 칭한다.
일 실시예에서, 인덕턴스 가변부(140)는 외부 입력 전원이 정상 상태이면 일차측의 인덕턴스 값을 제1 인덕턴스 값으로 결정하고, 외부 입력 전원의 공급이 중단된 상태이면 일차측의 인덕턴스 값을 제1 인덕턴스 값보다 작은 제2 인덕턴스 값으로 결정할 수 있다.
일 실시예에서, 인덕턴스 가변부(140)는 외부 입력 전원이 정상 상태이면 일차측의 게인 값을 제1 게인 값으로 결정하고, 외부 입력 전원의 공급이 중단된 상태이면 일차측의 게인 값을 상기 제1 게인 값보다 큰 제2 게인 값으로 결정할 수 있다.
인덕턴스 가변부(140)는 보조 권선과 바이어스 회로를 포함할 수 있다. 도시된 예에서는 L1과 L2을 보조 권선으로 포함하는 실시예에 관한 것이나 보조 권선의 개수는 가변적인 사항이다.
1차 권선(Lm)은 정상 상태에서 적합한 인덕턴스 값을 가질 수 있다. 즉, 정상상태에서는 스위치 Qaux가 OFF 상태 이므로 전원 공급 장치(100)의 1차측 자화전류의 크기를 줄여 높은 효율을 가질 수 있다.
한편, 홀드 업 타임 동안에는 스위치 Qaux를 턴 ON시켜 인덕턴스를 가변시킬 수 있다. 도시된 예에서 가변되는 인덕턴스는 Lm/(L1+L2) 값에 해당함을 알 수 있다. 즉, 전원 공급 장치(100)는 홀드 업 타임 동안에는 작은 K값을 가지게 되어 높은 게인을 얻게되어 홀드 업 타임 동안 안정적인 출력을 제공할 수 있음은 상술한 바와 같다.
일 실시예에서, 인덕턴스 가변부(140)는 하나의 보조 권선을 포함할 수 있다. 인덕턴스 가변부(140)는 일차측 권선과 병렬 연결되는 제1 보조 권선과, 제1 보조 권선과 직렬 연결되는 스위치를 포함할 수 있다. 스위치는 상기 전원 공급 장치에 인가되는 외부 입력 전원의 상태에 따라 스위칭 동작할 수 있다.
다른 일 실시예에서, 인덕턴스 가변부(140)는 두 개의 보조 권선을 포함할 수 있다. 인덕턴스 가변부(140)는 일차측 권선과 병렬 연결되는 제1 보조 권선, 제1 보조 권선과 직렬 연결되는 제2 보조 권선과, 제1 및 제2 보조 권선과 직렬 연결되는 스위치를 포함할 수 있다. 스위치는 상기 전원 공급 장치에 인가되는 외부 입력 전원의 상태에 따라 스위칭 동작할 수 있다.
출력부(130)는 변압 전압을 안정화시켜 출력할 수 있다.
도 5 및 도 6은 인덕턴스 가변부(140)에 적용 가능한 권선 구조의 다양한 실시예들을 도시하고 있다.
도 5는 인덕턴스 가변 회로에 적용 가능한 권선 및 코어의 일 실시예를 도시하는 사시도이다. 도 5의 예는 하나의 보조 권선을 구비한 실시예를 도시하고 있다.
도 5를 참조하면, 보조 권선(521)은 일차측 권선(511)이 권선된 중앙 레그(510)와 병렬 구조로 형성된 제1 사이드 레그(520)에 권선될 수 있다.
도시된 코어는 중앙 레그(510)와 제1 사이드 레그(520)를 포함하고 있고, 하나의 코어로 두 개의 권선을 권취하여 소형화를 이룰 수 있다.
도 6은 인덕턴스 가변 회로에 적용 가능한 권선 및 코어의 다른 일 실시예를 도시하는 사시도이다. 도 6의 예는 한 상의 보조 권선을 구비한 실시예를 도시하고 있다.
도 6을 참조하면, 제1 보조 권선(621)은 일차측 권선(611)이 권선된 중앙 레그(610)와 병렬 구조로 형성된 제1 사이드 레그(620)에 권선될 수 있다.
제2 보조 권선(631)은 제1 보조 권선(621)과 직렬 연결될 수 있다. 제2 보조 권선(631)은 중앙 레그(610) 및 제1 사이드 레그(620)와 병렬 구조로 형성된 제2 사이드 레그(630)에 권선될 수 있다. 중앙 레그(610)는 제1 사이드 레그(620) 및 제2 사이드 레그(630)와 함께, 하나의 코어를 형성할 수 있다.
도 7은 홀드업 타임의 길이를 비교하는 그래프이고, 도 8은 전체 로드 범위에서의 효율을 도시하는 그래프이다.
도 7의 그림 (a)는 종래의 일반적인 전원 공급 장치의 그래프이고, 그림 (b)는 본 발명에 따른 전원 공급 장치의 그래프이다.
도 7에 도시된 바와 같이, 종래의 경우 최대 홀드 타임이 6.31ms에 불과하였으나, 본 발명의 경우 최대 홀드 타임이 17.33ms로 증가되어 있음을 알 수 있다.
또한 도 8에 도시된 바와 같이, 전체 로드 범위에서 효율이 상승됨을 알 수 있고 특히 경부하 영역이 10%와 20% 부하에서는 각각 4.2%, 2.8% 상승했음을 확인할 수 있다.
본 발명에 따른 전원 공급 장치는 추가적은 권선과 간단한 제어로서 가격 및 전력밀도의 부담 없이 홀드업 타임에 대한 요구를 만족 시킴과 동시에 정상 상태에서의 높은 효율을 담보할 수 있다.
이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고 후술하는 특허청구범위에 의해 한정될 것이다. 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.
10 : 외부 입력 전원
11 : 정류 회로
12 : 역률 보정 회로
13 : 링크 커패시터
14 : 전원 변환 회로
20 : 부하
100 : 전원 공급 장치
110 : 스위치부
120 : 변압부
121 : 공진 탱크
122 : 트랜스포머
130 : 출력부
140 : 인덕턴스 가변부

Claims (14)

  1. 일차측과 이차측의 권선비에 따라 변압된 변압 전압을 출력하는 변압부;
    외부 입력 전원의 입력 여부에 따라 상기 일차측의 인덕턴스를 가변시키는 인덕턴스 가변부; 및
    상기 변압 전압을 안정화시켜 출력하는 출력부; 를 포함하는 전원 공급 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 인덕턴스 가변부는
    외부 입력 전원이 정상 상태이면 상기 일차측의 인덕턴스 값을 제1 인덕턴스 값으로 결정하고, 상기 외부 입력 전원의 공급이 중단된 상태이면 상기 일차측의 인덕턴스 값을 상기 제1 인덕턴스 값보다 작은 제2 인덕턴스 값으로 결정하는 전원 공급 장치.
  3. 제1항에 있어서, 상기 인덕턴스 가변부는
    외부 입력 전원이 정상 상태이면 상기 일차측의 게인 값을 제1 게인 값으로 결정하고, 상기 외부 입력 전원의 공급이 중단된 상태이면 상기 일차측의 게인 값을 상기 제1 게인 값보다 큰 제2 게인 값으로 결정하는 전원 공급 장치
  4. 제1항에 있어서, 상기 인덕턴스 가변부는
    일차측 권선과 병렬 연결되는 제1 보조 권선; 및
    상기 제1 보조 권선과 직렬 연결되는 스위치; 를 포함하는 전원 공급 장치.
  5. 제4항에 있어서, 상기 제1 보조 권선은
    상기 일차측 권선이 권선된 중앙 레그와 병렬 구조로 형성된 제1 사이드 레그에 권선되는 전원 공급 장치.
  6. 제1항에 있어서, 상기 인덕턴스 가변부는
    일차측 권선과 병렬 연결되는 제1 보조 권선;
    상기 제1 보조 권선과 직렬 연결되는 제2 보조 권선; 및
    상기 제1 및 제2 보조 권선과 직렬 연결되는 스위치; 를 포함하는 전원 공급 장치.
  7. 제6항에 있어서, 상기 제1 보조 권선은
    상기 일차측 권선이 권선된 중앙 레그와 병렬 구조로 형성된 제1 사이드 레그에 권선되고,
    상기 제2 보조 권선은
    상기 중앙 레그 및 상기 제1 사이드 레그와 병렬 구조로 형성된 제2 사이드 레그에 권선되는 전원 공급 장치.
  8. 제7항에 있어서, 상기 중앙 레그는
    상기 제1 사이드 레그 및 제2 사이드 레그와 함께, 하나의 코어를 형성하는 전원 공급 장치.
  9. 일차측과 이차측의 권선비에 따라 변압된 변압 전압을 출력하는 변압부; 및
    상기 변압 전압을 안정화시켜 출력하는 출력부; 를 포함하고,
    상기 변압부는
    일차측에 가변적인 인덕턴스를 제공하는 가변 인덕터를 포함하는 전원 공급 장치.
  10. 제9항에 있어서, 상기 가변 인덕터는
    외부 입력 전원이 정상 상태이면 제1 인덕턴스 값을 가지고, 상기 외부 입력 전원의 공급이 중단된 상태이면 상기 제1 인덕턴스 값보다 작은 제2 인덕턴스 값을 가지는 전원 공급 장치.
  11. 전원 공급 장치의 변압기의 일차 권선과 연결되는 인덕턴스 가변 회로에 있어서,
    상기 변압기의 일차측 권선과 병렬 연결되는 제1 보조 권선; 및
    상기 제1 보조 권선과 직렬 연결되는 스위치; 를 포함하고,
    상기 스위치는 상기 전원 공급 장치에 인가되는 외부 입력 전원의 상태에 따라 스위칭 동작하는 인덕턴스 가변 회로.
  12. 제11항에 있어서, 상기 제1 보조 권선은
    상기 일차측 권선이 권선된 중앙 레그와 병렬 구조로 형성된 제1 사이드 레그에 권선되는 인덕턴스 가변 회로.
  13. 전원 공급 장치의 변압기의 일차 권선과 연결되는 인덕턴스 가변 회로에 있어서,
    상기 변압기의 일차측 권선과 병렬 연결되는 제1 보조 권선;
    상기 제1 보조 권선과 직렬 연결되는 제2 보조 권선; 및
    상기 제1 보조 권선과 직렬 연결되는 스위치; 를 포함하고,
    상기 스위치는 상기 전원 공급 장치에 인가되는 외부 입력 전원의 상태에 따라 스위칭 동작하는 인덕턴스 가변 회로.
  14. 제13항에 있어서, 상기 제1 보조 권선은
    상기 일차측 권선이 권선된 중앙 레그와 병렬 구조로 형성된 제1 사이드 레그에 권선되고,
    상기 제2 보조 권선은
    상기 중앙 레그 및 상기 제1 사이드 레그와 병렬 구조로 형성된 제2 사이드 레그에 권선되는 인덕턴스 가변 회로.
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