KR20160082793A - 전원 공급 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 전원 공급 장치에 관한 것으로, 본 발명의 일 기술적 측면은 전원 공급 장치를 제안한다. 상기 전원 공급 장치는 복수의 스위칭 소자를 포함하며, 입력 전원을 스위칭하여 1차 전원을 생성하는 브리지부, 상기 1차 전원을 2차 전원으로 변환하여 부하로 공급하는 변환부 및 상기 복수의 스위칭 소자 중 적어도 하나의 스위칭 소자 양단의 커패시턴스를 변경시키는 가변 커패시턴스부를 포함할 수 있다.

Description

전원 공급 장치 {APPARATUS FOR POWER SUPPLYING}
본 발명은 전원 공급 장치에 관한 것이다.
전자 기술의 발달으로 다양한 전자 기기들이 개발되어지고 있다. 이러한 다양한 전자 기기에는 공통적으로 안정적인 전력을 공급하기 위한 전원 공급 장치가 필수적으로 요구된다.
전원 공급 장치는 그 적용 환경에 따라 다양한 요구 사항을 가지게 된다. 그러한 요구 사항 중 하나로서, 폭 넓은 레귤레이션 범위를 만족하는 것은 서버 등의 안정적인 고출력 전원 공급 장치에서 주로 요구되는 사항이며, 이에 따라 다양한 문제점이 발생한다.
이러한 전원 공급 장치에 적용되는 컨버터, 예컨대 LLC 컨버터는 무 부하 시, 또는 극 경부하 조건(very light load condition)에서는, 출력 전압이 레귤레이션 되지 않거나 또는 출력 전압을 레귤레이션 하기 위하여 요구되는 스위칭 주파수가 매우 커지는 문제점이 있다.
이와 관련된 종래 기술로는 일본 공개특허공보 제2006-197755호 및 일본 공개특허공보 제2009-303347호를 참조하여 이해할 수 있다.
일본 공개특허공보 제2006-197755호 일본 공개특허공보 제2009-303347호
본 발명은 상기한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로써, 무 부하 조건 또는 극 경부하 조건에서도 안정적으로 레귤레이션을 제공할 수 있는 전원 공급 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 일 기술적 측면은 전원 공급 장치의 일 실시예를 제안한다. 상기 전원 공급 장치는, 복수의 스위칭 소자를 포함하며, 입력 전원을 스위칭하여 1차 전원을 생성하는 브리지부, 상기 1차 전원을 2차 전원으로 변환하여 부하로 공급하는 변환부 및 상기 복수의 스위칭 소자 중 적어도 하나의 스위칭 소자 양단의 커패시턴스를 변경시키는 가변 커패시턴스부를 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 기술적 측면은 전원 공급 장치의 다른 일 실시예를 제안한다. 상기 전원 공급 장치는, 복수의 스위칭 소자를 포함하며, 입력 전원을 스위칭하여 1차 전원을 생성하는 브리지부, 상기 1차 전원을 2차 전원으로 변환하여 부하로 공급하는 변환부 및 상기 브리지부에 포함된 복수의 스위칭 소자 중 적어도 하나의 스위치 소자에 병렬 연결되어, 상기 2차 전원의 상승을 제한하는 가변 커패시턴스부를 포함할 수 있다.
본 발명의 또 다른 기술적 측면은 전원 공급 장치의 다른 일 실시예를 제안한다. 상기 전원 공급 장치는, 복수의 스위칭 소자를 포함하며, 입력 전원을 스위칭하여 1차 전원을 생성하는 브리지부, 상기 1차 전원을 2차 전원으로 변환하여 부하로 공급하는 변환부, 제어 신호에 따라, 상기 복수의 스위칭 소자 중 적어도 하나의 스위칭 소자 양단의 커패시턴스를 변경시키는 가변 커패시턴스부 및 상기 부하가 무부하 또는 경부하 상태인지에 따라 상기 제어 신호를 변경하여 출력하는 제어부를 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, 무 부하 조건 또는 극 경부하 조건(very light load condition)에서도 안정적으로 레귤레이션을 제공할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전원 공급 장치의 일 예를 도시하는 구성도이다.
도 2는 도 1에 도시된 직류 직류 변환부의 일 실시예를 도시하는 구성도이다.
도 3은 도 2에 도시된 직류 직류 변환부의 일 실시예를 도시하는 회로도이다.
도 4는 일반적인 직류 직류 변환부의 신호 파형들을 도시하는 그래프이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 전원 공급 장치의 직류 직류 변환부의 신호 파형들을 도시하는 그래프이다.
도 6은 도 1에 도시된 직류 직류 변환부의 다른 일 실시예를 도시하는 구성도이다.
도 7은 도 4에 도시된 직류 직류 변환부의 다른 일 실시예를 도시하는 회로도이다.
도 8은 도 1에 도시된 직류 직류 변환부의 또 다른 일 실시예를 도시하는 구성도이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 전원 공급 장치의 직류 직류 변환부의 출력 전압을 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. 또한, 본 발명의 실시형태는 당해 기술분야에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전원 공급 장치의 일 예를 도시하는 구성도이다.
도 1을 참조하면, 전원 공급 장치(10)는 외부 교류 입력을 입력받아, 부하(20)에 직류 전원을 공급할 수 있다.
전원 공급 장치(10)는 교류-직류 변환부(200)와 직류-직류 변환부(100)를 포함할 수 있다.
교류-직류 변환부(200)는 외부에서 입력되는 교류 입력 전원을 직류로 변환하고, 직류-직류 변환부(120)는 교류-직류 변환부(200)의 출력을 입력 받아 부하(20)에서 요구하는 레벨의 직류 전원을 출력할 수 있다.
직류-직류 변환부(100)는 무부하 또는 경부하 조건일 경우 (이하, ' 무부하 조건 '으로 통칭함), 내부 스위치의 커패시턴스를 조절하여 무부하 조건에서도 안정적인 레귤레이션이 가능하도록 할 수 있다.
이하, 도 2 내지 도 8을 참조하여, 직류-직류 변환부(100)의 다양한 실시예들에 대하여 보다 상세히 설명한다.
도 2는 도 1에 도시된 직류 직류 변환부의 일 실시예를 도시하는 구성도이고, 도 3은 도 2에 도시된 직류 직류 변환부의 일 실시예를 도시하는 회로도이다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 직류 직류 변환부(100)는 브리지부(110), 변환부(120) 및 커패시턴스 추가부(130)를 포함할 수 있다.
브리지부(110)는 복수의 스위칭 소자를 포함하며, 입력 전원을 스위칭하여 1차 전원을 생성할 수 있다.
변환부(120)는 브리지부(110)에서 출력된 1차 전원을 부하(20)에서 요구하는 2차 전원으로 변환하여 부하(20)로 공급할 수 있다.
커패시턴스 추가부(130)는 브리지부(110)의 복수의 스위칭 소자에 각각 병렬 연결된 복수의 커패시터를 포함할 수 있다. 커패시턴스 추가부(130)는 브리지부(110)의 스위칭 소자의 양단 커패시턴스를 추가하여 무 부하상태에서도 안정적인 출력을 제공할 수 있다.
더 상세히 설명하면, 도 4는 일반적인 직류 직류 변환부의 신호 파형들을 도시하는 그래프로서, 커패시턴스 추가부(130)가 없는 경우, 즉, 브리지부(110)의 복수의 스위칭 소자에 병렬 연결된 커패시터가 없는 경우의 신호 파형을 도시하고 있다.
도 4에 도시된 바와 같이, 모드 1(t0~t1)구간에서 공진 인덕터 Lr과 접합 커패시터 Cj의 공진으로 인해 변환부(120)의 커패시터 Cj를 충전시키는 전류가 흐르게 되고 이는 변환부(120)의 2차측 전류인 isec에 영향을 미치게 된다. 이로 인하여, 자화 인덕터 Lm에 인가되는 전압인 Vac,out은 -nVO에서 nVO로 변하게 된다. 모드 2(t1~t2)구간에서 Lr 양단에 VS/2-nVO 전압이 인가되므로, isec는 도시된 바와 같이 감소하게 된다. 모드 2 구간의 isec는 출력전류 iF에 영향을 미치게 되고 이 전류가 출력 커패시터 Co를 충전하게 되므로, 출력 전압이 상승하게 된다.
따라서, 본 발명의 일 실시예에서는, 브리지부(110)의 복수의 스위칭 소자에 커패시턴스를 추가하여 무부하 조건에서의 출력을 안정화 시킬 수 있다.
도 5는 본 발명에 따른 직류 직류 변환부의 신호 파형들을 도시하는 그래프로서, 도 5를 참조하여 더 상세히 설명하면, 모드 1(t0~t1)구간에서 흐르는 전류는 변환부(120)의 커패시터 Cj로 흐르는 전류와 커패시턴스 추가부(130)의 커패시터 Coss로 흐르는 전류로 나뉜다. 따라서, 도 4와 같이, 변환부(120)의 커패시터 Cj만이 존재하는 경우에 비하여, 커패시턴스 추가부(130)의 커패시터 Coss가 추가 됨에 따라, 변환부(120)의 커패시터 Cj로 흐르는 전류의 첨두값이 상대적으로 작아진다.
그 결과, 출력전류 iF가 줄어들어 출력 전압의 상승을 완화시키는 영향을 주게 된다.
도 6은 도 1에 도시된 직류 직류 변환부의 다른 일 실시예를 도시하는 구성도이고, 도 7은 도 6에 도시된 직류 직류 변환부의 다른 일 실시예를 도시하는 회로도이다.
도 6 및 도 7을 참조하면, 직류 직류 변환부(100)는 브리지부(110), 변환부(120) 및 커패시턴스 가변부(140)를 포함할 수 있다.
브리지부(110)는 복수의 스위칭 소자를 포함하며, 입력 전원을 스위칭하여 1차 전원을 생성하고, 변환부(120)는 1차 전원을 2차 전원으로 변환하여 부하로 공급할 수 있다.
커패시턴스 가변부(140)는 브리지부(110)의 복수의 스위칭 소자 중 적어도 하나의 스위칭 소자 양단의 커패시턴스를 변경시킬 수 있다.
일 실시예에서, 커패시턴스 가변부(140)는 브리지부(110)에 포함된 복수의 스위칭 소자 중 적어도 하나의 스위치 소자에 병렬 연결되어, 2차 전원의 상승을 제한할 수 있다.
일 실시예에서, 직류 직류 변환부(100)는 복수의 스위칭 소자에 각각 병렬 연결된 복수의 커패시터(130)들, 즉, 도 3의 실시예에서의 커패시턴스 추가부(130)를 포함할 수 있다.
도 7에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 전원 공급 장치의 직류 직류 변환부(100)의 경우, 브리지부(110)의 스위칭 소자에 병렬 연결된 커패시터 Cadd 및 Coss를 이용하여, 무부하 상태에서 브리지부(110)의 스위칭 소자에 병렬 연결된 커패시턴스를 커지도록 하여 변환부(120)의 출력전압 상승이 완화될 수 있다.
일 실시예에서, 커패시턴스 가변부(140)는 외부에서 입력된 제어 신호에 따라, 적어도 하나의 스위칭 소자 양단의 커패시턴스를 가변시킬 수 있다.
일 실시예에서, 커패시턴스 가변부(140)는, 외부에서 입력된 제어 신호에 따라 스위칭 동작하는 가변 스위치와, 상기 가변 스위치에 직렬 연결되는 추가 커패시터 Cadd를 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 커패시턴스 가변부(140)는 무부하 조건이 아닌 경우에는 OFF 스위칭 상태로 동작하여 Cadd가 보이지 않도록 함으로써, 추가적인 스위칭 손실이 발생하지 않도록 할 수 있다.
여기에서, 제어 신호는 부하가 무부하 또는 경부하 상태인지와 관련된 신호일 수 있다.
일 실시예에서, 커패시턴스 가변부(140)는 부하가 무부하 또는 경부하 상태이면, 브리지부(110)의 적어도 하나의 스위칭 소자 양단의 커패시턴스를 증가시켜, 변환부(120)의 출력전압 상승을 완화시킬 수 있다.
도 8은 도 1에 도시된 직류 직류 변환부의 또 다른 일 실시예를 도시하는 구성도이다.
도 8을 참조하면, 직류 직류 변환부(100)는 브리지부(110), 변환부(120), 커패시턴스 가변부(140) 및 제어부(150)를 포함할 수 있다.
브리지부(110)는 복수의 스위칭 소자를 포함하며, 입력 전원을 스위칭하여 1차 전원을 생성할 수 있다.
변환부(120)는 1차 전원을 2차 전원으로 변환하여 부하로 공급할 수 있다.
커패시턴스 가변부(140)는 제어 신호에 따라, 브리지부(110)의 복수의 스위칭 소자 중 적어도 하나의 스위칭 소자 양단의 커패시턴스를 변경시킬 수 있다.
제어부(150)는 부하가 무부하 또는 경부하 상태인지에 따라 제어 신호를 변경하여 출력할 수 있다.
일 실시예에서, 제어부(150)는 부하가 무부하 또는 경부하 상태이면, 제어 신호를 ON으로 설정할 수 있다. 커패시턴스 가변부(140)는 제어 신호가 ON 이면, 브리지부(110)의 적어도 하나의 스위칭 소자 양단의 커패시턴스를 증가시킬 수 있다.
일 실시예에서, 제어부(150)는 부하의 상태를 검출하는 부하 검출기를 더 포함할 수 있다.
도 9는 본 발명에 따른 직류 직류 변환부의 출력 전압을 도시하는 그래프이다.
도 9는 무부하 조건에서 브리지부(110)의 스위칭 소자의 양단에 커패시터 Cadd를 추가한 경우와 그렇지 않은 경우에 대한 출력 전압의 이론값과 실험값을 도시하고 있다. 이론값은 시간 도메인 해석에 따라 도출된 값이다.
커패시터 Cadd를 추가하게 되면 주파수를 조금 증가시켰을 때 출력 전압이 레귤레이션 되어 출력 전압의 상승을 완화시킴을 알 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.
10 : 전원 공급 장치
100 : 직류-직류 변환부
110 : 브리지부
120 : 변환부
130 : 커패시턴스 추가부
140 : 커패시턴스 가변부
200 : 교류-직류 변환부

Claims (18)

  1. 복수의 스위칭 소자를 포함하며, 입력 전원을 스위칭하여 1차 전원을 생성하는 브리지부;
    상기 1차 전원을 2차 전원으로 변환하여 부하로 공급하는 변환부; 및
    상기 복수의 스위칭 소자 중 적어도 하나의 스위칭 소자 양단의 커패시턴스를 변경시키는 커패시턴스 가변부;
    를 포함하는 전원 공급 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 커패시턴스 가변부는
    외부에서 입력된 제어 신호에 따라, 상기 적어도 하나의 스위칭 소자 양단의 커패시턴스를 가변시키는 전원 공급 장치.
  3. 제2항에 있어서, 상기 제어 신호는
    상기 부하가 무부하 또는 경부하 상태인지와 관련된 신호인 전원 공급 장치.
  4. 제1항에 있어서, 상기 커패시턴스 가변부는
    상기 부하가 무부하 또는 경부하 상태이면, 상기 적어도 하나의 스위칭 소자 양단의 커패시턴스를 증가시키는 전원 공급 장치.
  5. 제1항에 있어서, 상기 커패시턴스 가변부는
    외부에서 입력된 제어 신호에 따라, 스위칭 동작하는 가변 스위치; 및
    상기 가변 스위치에 직렬 연결되는 추가 커패시터; 를 포함하는 전원 공급 장치.
  6. 제1항에 있어서, 상기 커패시턴스 가변부는
    상기 적어도 하나의 스위칭 소자에 병렬 연결되는 전원 공급 장치.
  7. 제1항에 있어서, 상기 전원 공급 장치는
    상기 복수의 스위칭 소자에 각각 병렬 연결된 복수의 커패시터; 를 더 포함하는 전원 공급 장치.
  8. 복수의 스위칭 소자를 포함하며, 입력 전원을 스위칭하여 1차 전원을 생성하는 브리지부;
    상기 1차 전원을 2차 전원으로 변환하여 부하로 공급하는 변환부; 및
    상기 브리지부에 포함된 복수의 스위칭 소자 중 적어도 하나의 스위치 소자에 병렬 연결되어, 상기 2차 전원의 상승을 제한하는 커패시턴스 가변부; 를 포함하는 전원 공급 장치.
  9. 제8항에 있어서, 상기 전원 공급 장치는
    상기 복수의 스위칭 소자에 각각 병렬 연결된 복수의 커패시터; 를 더 포함하는 전원 공급 장치.
  10. 제8항에 있어서, 상기 커패시턴스 가변부는
    외부에서 입력된 제어 신호에 따라, 상기 적어도 하나의 스위칭 소자 양단의 커패시턴스를 가변시키는 전원 공급 장치.
  11. 제10항에 있어서, 상기 제어 신호는
    상기 부하가 무부하 또는 경부하 상태인지와 관련된 신호인 전원 공급 장치.
  12. 제8항에 있어서, 상기 커패시턴스 가변부는
    상기 부하가 무부하 또는 경부하 상태이면, 상기 적어도 하나의 스위칭 소자 양단의 커패시턴스를 증가시키는 전원 공급 장치.
  13. 제8항에 있어서, 상기 커패시턴스 가변부는
    외부에서 입력된 제어 신호에 따라, 스위칭 동작하는 가변 스위치; 및
    상기 가변 스위치에 직렬 연결되는 추가 커패시터; 를 포함하는 전원 공급 장치.
  14. 복수의 스위칭 소자를 포함하며, 입력 전원을 스위칭하여 1차 전원을 생성하는 브리지부;
    상기 1차 전원을 2차 전원으로 변환하여 부하로 공급하는 변환부;
    제어 신호에 따라, 상기 복수의 스위칭 소자 중 적어도 하나의 스위칭 소자 양단의 커패시턴스를 변경시키는 커패시턴스 가변부; 및
    상기 부하가 무부하 또는 경부하 상태인지에 따라 상기 제어 신호를 변경하여 출력하는 제어부;
    를 포함하는 전원 공급 장치.
  15. 제14항에 있어서, 상기 제어부는
    상기 부하의 상태를 검출하는 부하 검출기;
    를 더 포함하는 전원 공급 장치.
  16. 제14항에 있어서, 상기 제어부는
    상기 부하가 무부하 또는 경부하 상태이면, 상기 제어 신호를 ON으로 설정하는 전원 공급 장치.
  17. 제16항에 있어서, 상기 커패시턴스 가변부는
    상기 제어 신호가 ON 이면, 상기 적어도 하나의 스위칭 소자 양단의 커패시턴스를 증가시키는 전원 공급 장치.
  18. 제14항에 있어서, 상기 커패시턴스 가변부는
    상기 제어 신호에 따라, 스위칭 동작하는 가변 스위치; 및
    상기 가변 스위치에 직렬 연결되는 추가 커패시터; 를 포함하는 전원 공급 장치.
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