KR20160125676A - 자려식 액티브 클램프를 적용한 플라이백 컨버터 - Google Patents

자려식 액티브 클램프를 적용한 플라이백 컨버터 Download PDF

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KR20160125676A
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원재연
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Abstract

본 발명은 고효율의 플라이백 컨버터에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 기존의 타려식으로 구동하던 액티브 클램프 스너버(Active Clamp Snubber) 회로를 자려식으로 구동하도록 설계된 플라이백 컨버터에 관한 것이다.

Description

자려식 액티브 클램프를 적용한 플라이백 컨버터{Flyback converter applying self-commuting active clamp}
본 발명은 고효율의 플라이백 컨버터에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 기존의 타려식으로 구동하던 액티브 클램프 스너버(Active Clamp Snubber) 회로를 자려식으로 구동하도록 설계된 플라이백 컨버터에 관한 것이다.
플라이백 컨버터는 가장 많이 이용되는 절연형 SMPS(Switching Mode Power Supply)의 회로방식이다. 플라이백 컨버터는 필요한 최소한의 부품만을 필요로 하기 때문에 원가가 저렴하여 150[W]이하의 낮은 전력용으로 주로 사용된다.
플라이백 컨버터는 변압기의 자화 인덕터를 에너지 저장 소자로 이용하며, 저장된 에너지는 스위치가 오프되었을 때 변압기의 2 차측으로 전달된다. 그러나, 누설 인덕터에 저장된 에너지는 변압기의 2 차측으로 전달되지 못하고 전압 스파이크를 발생시켜 스위치에 손상을 줄 수 있다. 또한 높은 Vds 범위의 MOSFET을 사용할 경우 가격이 상승하며, Rdson이 커져 MOSFET 턴온 구간 동안 스위칭 손실이 더 커진다는 문제점이 있다.
이에 따라, 상술한 전압 스파이크를 제거해주기 위해 스너버 회로(Snubber Circuit)를 구성해야할 필요성이 있다.
스너버 회로는 일반적으로 도 1 에 도시된 바와 같은 RCD 스너버와 도 2에 도시된 바와 같은 액티프 클램프 스너버(Active Clamp Snubber)로 나뉠 수 있다.
RCD 스너버는 스너버 커패시터로 누설 인덕턴스의 에너지를 충전하고 저항에 의한 방전을 시키는 경우 열에 의한 전력 손실이 발생하여 효율을 개선시키지 못한다는 문제점이 있다.
따라서, 저항을 사용하지 않고 도 2 에 도시된 바와 같이 스위칭 소자를 이용한 액티브 클램프 방식의 스너버를 구성하여 저항에 의한 손실 없이 전압 스파이크를 감소시키는 것이 효율적이다.
예를 들어, 특허 문헌 1(일본 공개특허공보 특개2000-92829호)에서는 변압기의 1 차 권선 전류를 스위칭 소자로 주기적으로 온/오프 제어함으로써 변압기의 2차 코일로부터 출력 전류를 얻는 스위칭 전원 회로로서, 스위칭 소자의 오프 기간 마다 동작하여 1 차 코일의 전압 클램프를 수행하는 액티브 클램프 회로와, 스위칭 소자의 인가 전압이 최소가 되는 타이밍을 검출하는 타이밍 검출 수단과, 액티브 클램프 회로의 동작 종료마다 타이밍 검출 수단의 검출에 기초하여 스위칭 소자의 온 타이밍을 정하는 제어 수단을 구비한 스위칭 전원 회로를 개시하고 있다.
그러나, 특허 문헌 1은 스위칭 소자의 인가 전압이 최소가 되는 타이밍을 검출하는 타이밍 검출 수단과 스위칭 소자의 온 타이밍을 정하는 제어 수단을 별도로 구비하여야 하며, 클램프 소자의 제어 신호를 클램프 소자에 전달하는 변압기 회로가 설치되고, 이 변압기 회로는 버퍼 회로, 변압기, 다수의 저항 이나 커패시터 등의 다수의 부품으로 구성되므로 변압기를 통해 전기적으로 분리된 입/출력 회로 사이에 일정한 절연 거리를 확보하여야 하며, 변압기 자체도 일정한 절연 구조를 필요로 하기 때문에 소형화가 불가능하다는 문제점이 있다.
즉, 특허문헌 1을 비롯한 종래의 일반적인 액티브 클램프 회로의 경우, 클램프 소자의 제어 신호를 하이 사이드 위치에 있는 클램프 소자에 전달하기 위한 회로 블록을 간단하고 저렴하게 구성하기 어렵다는 문제점이 있다.
일본 공개특허공보 특개 2000-92829호
본 발명은 전술한 종래의 문제점들을 해결하기 위한 것으로서, 컴팩트하고 저렴하게 구성할 수 있는 제어 회로를 통하여 액티브 클램프 동작을 할 수 있는 자려식 액티브 클램프를 적용한 플라이백 컨버터를 제공하는 것을 목적으로 한다.
전술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 플라이백 컨버터는 변압기의 1차 코일의 일단과 입력 전원의 접지 측에 연결된 제 1 스위칭 소자와 상기 변압기의 1차 코일의 일단과 타단에 연결된 클램프 회로를 구비하며,
제 1 스위칭 소자는 MOSFET 소자이며, 제 1 스위칭 소자의 드레인이 제 1 차 코일의 일단에 연결되며, 제 1 스위칭 소자의 소스가 입력 전원의 접지 측에 연결되며,
클램프 회로는 제 2 스위칭 소자, 제 1 저항, 제 3 내지 제 5 다이오드 및 제 3 내지 제 4 커패시터로 구성되며,
제 2 스위칭 소자는 MOSFET 소자이며, 제 2 스위칭 소자의 소스가 제 1 노드에 연결되고 드레인이 상기 1차 코일의 타단에 연결되고 게이트가 제 2 노드에 연결되며,
제 1 저항의 일단이 상기 제 1 노드에 연결되고 타단이 제 2 노드에 연결되며,
제 3 다이오드의 애노드가 제 3 노드에 연결되고 캐소드가 제 2 노드에 연결되며,
제 4 다이오드의 애노드가 제 1 노드에 연결되고 캐소드가 제 3 노드에 연결되며,
제 5 다이오드의 애노드가 제 2 노드에 연결되고 캐소드가 1차 코일의 일단에 연결되며,
제 3 커패시터의 일단이 제 1 차 코일의 일단에 연결되고 타단이 상기 제 3 노드에 연결되며,
제 4 커패시터의 일단이 제 3 노드에 연결되고 타단이 제 1 노드에 연결되며,
클램프 회로는, 제 1 스위칭 소자가 턴 오프 (turn off) 된 후 제 3 노드의 전압이 제 2 노드의 전압보다 높아진 시점에 제 2 스위칭 소자가 턴 온 (turn on) 되도록 구동될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 클램프 회로는 제 1 스위칭 소자가 턴 오프된 후 제 3 노드의 전압이 제 3 다이오드의 턴 온 전압만큼 높아진 시점에 제 2 스위칭 소자가 턴 온 되도록 구동될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 제 4 커패시터의 용량이 제 3 커패시터의 용량보다 클 수 있다.
일 실시예에 따르면, 제 1 스위칭 소자에 기생하는 제 1 다이오드 및 제 1 커패시터를 더 포함할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 제 2 스위칭 소자에 기생하는 제 2 다이오드 및 제 2 커패시터를 더 포함할 수 있다.
본 발명에 따르면 클램프 회로를 스위칭 소자와 다이오드, 커패시터, 저항과 같은 수동 소자만으로 구성할 수 있어 자려식으로 액티브 클램프 동작을 할 수 있는 플라이백 컨버터를 제공할 수 있다.
본 발명에 따르면 액티브 클램프 동작을 수행하는 플라이백 컨버터의 효율을 개선시킬 수 있다.
본 발명에 따르면 출력 리플이 줄어들어 안정적인 전원 구동이 가능하다. 본 발명에 따르면 서지(surge)가 줄어들어 스위칭 소자의 신뢰성을 확보할 수 있고, 내압 마진을 확보할 수 있어 컴팩트하고 저렴하게 액티브 클램프 동작을 수행하는 플라이백 컨버터를 제공할 수 있다.
도 1은 종래의 RCD 스너버를 적용한 플라이백 컨버터 회로도이다.
도 2는 종래의 액티브 클램프를 적용한 플라이백 컨버터 회로도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 자려식 액티브 클램프를 적용한 플라이백 컨버터이다.
도 4(a)는 본 발명의 일 실시예에 따른 플라이백 컨버터의 제 1 스위치가 온(on)되고 제 2 스위치가 오프(off)된 경우의 회로도이다.
도 4(b)는 본 발명의 일 실시예에 따른 플라이백 컨버터의 제 1 스위치가 오프(off)되고 제 2 스위치가 오프(off)된 경우의 회로도이다.
도 4(c)는 본 발명의 일 실시예에 따른 플라이백 컨버터의 제 1 스위치가 오프(off)되고 제 2 스위치가 온(on)된 경우의 회로도이다.
도 4(d)는 본 발명의 일 실시예에 따른 플라이백 컨버터의 제 1 스위치가 오프(off)되고 제 2 스위치가 오프(off) 된 경우의 회로도이다.
본문에 개시되어 있는 본 발명의 실시예들에 대해서, 특정한 구조적 내지 기능적 설명들은 단지 본 발명의 실시예를 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로, 본 발명의 실시예들은 다양한 형태로 실시될 수 있으며 본문에 설명된 실시예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 아니 된다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
제 1, 제 2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로 사용될 수 있다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위로부터 이탈되지 않은 채 제 1 구성요소는 제 2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제 2 구성요소도 제 1 구성요소로 명명될 수 있다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 설시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
각 단계들은 문맥상 명백하게 특정 순서를 기재하지 않은 이상 명기된 순서와 다르게 일어날 수 있다. 즉, 각 단계들은 명기된 순서와 동일하게 일어날 수도 있고 실질적으로 동시에 수행될 수도 있으며 반대의 순서대로 수행될 수도 있다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미이다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미인 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명하고자 한다. 도면상의 동일한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 사용하고 동일한 구성요소에 대해서 중복된 설명은 생략한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 자려식 액티브 클램프를 적용한 플라이백 컨버터(100)이다.
도 3의 플라이백 컨버터(100)는 변압기의 1차 코일의 일단(130a)과 입력 전원(Vin)의 접지 측에 연결된 제 1 스위칭 소자(S1, 110)와, 상기 변압기의 1차 코일의 일단(130a)과 타단(130b)에 연결된 클램프 회로(120)을 구비한다.
제 1 스위칭 소자(S1, 110)는 MOSFET소자이며, 드레인·소스 간에 병렬로 연결된 제 1 다이오드(D1) 및 제 1 커패시터(C1)를 더 포함할 수 있다. 제 1 다이오드(D1)와 제 1 커패시터(C1)는 제 1 스위칭 소자의 MOSFET에 기생하는 것일 수 있다.
클램프 회로(120)는 제 2 스위칭 소자(S2, 121), 제 1 저항(R1), 제 3 내지 제 5 다이오드(D3~D5) 및 제 3 내지 제 4 커패시터(C3~C4)로 구성된다.
제 2 스위칭 소자(S2, 121)는 MOSFET소자이며 드레인·소스 간에 병렬로 연결된 제 2 다이오드(D2) 및 제 2 커패시터(C2)를 더 포함할 수 있다. 제 2 다이오드(D2)와 제 2 커패시터(C2)는 제 2 스위칭 소자의 MOSFET에 기생하는 것일 수 있다.
제 2 스위칭 소자(S2, 121)의 소스가 제 1 노드(122a)에 연결되고 드레인이 변압기의 1차 코일의 타단(130b)에 연결되고 게이트가 제 2 노드(122b)에 연결된다.
제 1 저항(R1)의 일단은 제 1 노드(122a)에 연결되고 타단이 제 2 노드(122b)에 연결된다.
제 3 다이오드(D3)의 애노드가 제 3 노드(122c)에 연결되고 캐소드가 제 2 노드(122b)에 연결된다.
제 4 다이오드(D4)의 애노드가 제 1 노드(122a)에 연결되고 캐소드가 제 3 노드(122c)에 연결된다.
제 5 다이오드(D5)의 애노드가 제 2 노드(122b)에 연결되고 캐소드가 변압기의 1차 코일의 일단(130a)에 연결된다.
제 3 커패시터(C3)의 일단이 변압기의 1차 코일의 일단(130a)에 연결되고 타단이 제 3 노드(122c)에 연결된다.
제 4 커패시터(C4)의 일단이 제 3 노드(122c)에 연결되고 타단이 제 1 노드(122a)에 연결된다.
제 1 및 제 2 스위칭 소자가 MOSFET에 한정되는 것은 아니며, IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor), BJT(Bipolar Junction Transistor), TRIAC 등의 다양한 스위칭 소자가 사용될 수 도 있다.
이하에서는, 본 발명에 따른 플라이백 컨버터(100)의 동작을 자세하게 설명한다.
도 4(a)는 본 발명의 일 실시예에 따른 플라이백 컨버터의 제 1 스위치가 온(on)되고 제 2 스위치가 오프(off)된 경우의 회로도이다.
입력 전원(Vin)이 제 1 스위치에 인가되어 제 1 스위치가 턴 온(turn on)되고 변압기의 제 1 차측 코일에 전류가 흐른다. (제 2 스위치는 오프(off) 상태이다.)
이후, 도 4(b)에 도시된 바와 같이 제 2 스위칭 회로가 턴 오프(turn off)(즉, 입력 전원이 인가되지 않음)되고, 변압기의 1차측 코일에 저장된 에너지가 변압기의 2차측으로 전달된다. 이때, 남아 있던 전류가 변압기의 제 1 차측 코일과 제 3 및 제 4 커패시터를 통하여 제 2 스위칭 소자로 흐른다. (제 2 스위치는 오프(off) 상태이다.)
이후, 도 4(c)에 도시된 바와 같이, 제 3 노드(122c)의 전압이 제 2 노드(122b)의 전압 보다 높아지는 경우, 전류가 제 3 다이오드를 통하여 제 2 스위칭 소자의 게이트로 흘러 제 2 스위칭 소자를 턴 온(turn on) 시킨다. (제 1 스위치는 오프(off) 상태이다.)
일 실시예에 따르면, 제 3 노드(122c)의 전압이 제 3 다이오드(D3)의 턴 온 전압(약 0.7V) 만큼 높아진 시점에 제 2 스위칭 소자(S2)가 턴 온(turn on) 될 수 있다.
일 실시예에 따르면 제 4 커패시터의 용량이 제 3 커패시터의 용량보다 클 수 있다.
이후, 도 4(d)에 도시된 바와 같이 제 2 스위치가 턴 오프(turn off)되면 (제 1 스위치는 오프(off) 상태이다.), 남아 있던 전류가 제 1 차측 코일과 제 3 및 제 4 커패시터를 통하여 제 2 스위칭 소자로 흐른다.
이후, 제 1 스위칭 소자에 입력 전원이 인가되면, 상술한 도 4(a) 내지 도 4(b)의 동작을 순차적으로 반복한다.
즉, 본 발명에 따르면 특허문헌 1과 같이 별도의 타이밍 검출 회로나 온/오프 제어 회로를 구비하지 않고도, 수동 소자(즉, 저항, 커패시터, 다이오드)만으로 제 1 스위칭 회로와 제 2 스위칭 회로를 제어하여 자려식(self-commuting)으로 액티브 클램프 동작을 할 수 있는 플라이백 컨버터를 제공할 수 있다. 또한, 컴팩트하고 저렴하게 액티브 클램프 동작을 할 수 있는 플라이백 컨버터를 제공할 수 있다.
100: 플라이백 컨버터
110, S1: 제 1 스위칭 소자
120: 클램프 회로
121, S2: 제 2 스위칭 소자
122a: 제 1 노드
122b: 제 2 노드
122c: 제 3 노드
130a: 1차 코일의 일단
130b: 1차 코일의 타단

Claims (5)

  1. 변압기의 1차 코일의 일단(130a)과 입력 전원(Vin)의 접지 측에 연결된 제 1 스위칭 소자(110)와
    상기 변압기의 1차 코일의 일단(130a)과 타단(130b)에 연결된 클램프 회로(120)를 구비하는 플라이백 컨버터 (Flyback converter, 100) 로서,
    상기 제 1 스위칭 소자(110)는 MOSFET 소자이며, 상기 제 1 스위칭 소자(110)의 드레인이 상기 제 1 차 코일의 일단(130a)에 연결되며, 상기 제 1 스위칭 소자의 소스가 상기 입력 전원(Vin)의 접지 측에 연결되며,
    상기 클램프 회로(120)는 제 2 스위칭 소자(121), 제 1 저항(R1), 제 3 내지 제 5 다이오드 (D3~D5)및 제 3 내지 제 4 커패시터(C3~C4)로 구성되며,
    상기 제 2 스위칭 소자(121)는 MOSFET 소자이며,
    상기 제 2 스위칭 소자(121)의 소스가 제 1 노드(122a)에 연결되고 드레인이 상기 1차 코일의 타단(130b)에 연결되고 게이트가 제 2 노드(122b)에 연결되며,
    상기 제 1 저항(R1)의 일단이 상기 제 1 노드(122a)에 연결되고 타단이 상기 제 2 노드(122b)에 연결되며,
    상기 제 3 다이오드(D3)의 애노드가 제 3 노드(122c)에 연결되고 캐소드가 상기 제 2 노드(122b)에 연결되며,
    상기 제 4 다이오드(D4)의 애노드가 상기 제 1 노드(122a)에 연결되고 캐소드가 상기 제 3 노드(122c)에 연결되며,
    상기 제 5 다이오드(D5)의 애노드가 상기 제 2 노드(122b)에 연결되고 캐소드가 상기 1차 코일의 일단(130a)에 연결되며,
    상기 제 3 커패시터(C3)의 일단이 상기 제 1 차 코일의 일단(130a)에 연결되고 타단이 상기 제 3 노드(122c)에 연결되며,
    상기 제 4 커패시터(C4)의 일단이 상기 제 3 노드(122c)에 연결되고 타단이 상기 제 1 노드(122a)에 연결되며,
    상기 클램프 회로(120)는, 상기 제 1 스위칭 소자(110)가 턴 오프 (turn off) 된 후 상기 제 3 노드(122c)의 전압이 상기 제 2 노드(122b)의 전압보다 높아진 시점에 상기 제 2 스위칭 소자(121)가 턴 온 (turn on) 되도록 구동되는 것을 특징으로 하는, 플라이백 컨버터.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 클램프 회로는, 상기 제 1 스위칭 소자가 턴 오프된 후 상기 제 3 노드의 전압이 상기 제 3 다이오드의 턴 온 전압만큼 높아진 시점에 상기 제 2 스위칭 소자가 턴 온 되도록 구동되는 것을 특징으로 하는, 플라이백 컨버터.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 4 커패시터의 용량이 상기 제 3 커패시터의 용량보다 큰 것을 특징으로 하는, 플라이백 컨버터.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 스위칭 소자에 기생하는 제 1 다이오드(D1) 및 제 1 커패시터(C1)를 더 포함하는, 플라이백 컨버터.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 2 스위칭 소자에 기생하는 제 2 다이오드(D2) 및 제 2 커패시터(C2)를 더 포함하는, 플라이백 컨버터.
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