KR20160144582A - 제어 회로 및 이를 이용한 전원 변환 장치 - Google Patents

제어 회로 및 이를 이용한 전원 변환 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명의 일 기술적 측면에 따른 전원 변환 장치는, 복수의 스위치를 포함하고 상기 복수의 스위치에 인가되는 스위칭 신호에 따라 스위칭 동작하여 입력 직류 전압을 변환하는 전원 변환 회로 및 상기 입력 직류 전압의 레벨 변화 또는 상기 전원 변환 회로의 출력 전류의 세기의 변화에 대응하여 상기 스위칭 신호의 주파수 또는 듀티비를 조절하는 제어 회로를 포함할 수 있다.

Description

제어 회로 및 이를 이용한 전원 변환 장치 {CONTROL CIRCUIT AND VOLTAGE CONVETER USING THE SAME}
본 발명은 제어 회로 및 이를 이용한 전원 변환 장치에 관한 것이다.
다양한 전자 기기들 또는 그 구성부품들은 다양한 전압에서 동작한다. 따라서, 이러한 전자기기에서 전원 변환 장치는 필수적 구성요소가 되고 있다.
이러한 전원 변환 장치의 한 종류로서 공진형 전원 변환 장치가 있다. 그러나 직류 전원 변환 장치는 부하의 변동에 의하여 동작 주파수의 변동이 발생하는 경우, 그로 인하여 스위칭 주파수의 변동폭이 커져 공진 탱크의 효율이 낮아지는 문제점이 있다.
이에 대하여, 종래에는 전처리 레귤레이터(pre-regulator)로서 역류 보정용 PFC(Power Factor Correction) 회로를 더 부가하여 사용하고 있다.
이러한 PFC(Power Factor Correction) 회로는 동작 주파수가 변하는 경우 상대적으로 스위칭 주파수의 변동을 줄여줄 수 있으나, 별도의 PFC(Power Factor Correction) 회로가 요구되어 전원 변환 장치의 크기 및 비용이 상승하게 되는 문제점이 있다.
한국 공개특허공보 제2013-0039510호 한국 공개특허공보 제2012-0035911호
본 발명은 상기한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로써, 별도의 전처리 레귤레이터 없이도, 부하에 의하여 동작 주파수가 변하는 경우에도 공진 효율을 안정적으로 보장할 수 있는 전원 변환 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 일 기술적 측면은 전원 변환 장치를 제안한다. 상기 전원 변환 장치는, 복수의 스위치를 포함하고 상기 복수의 스위치에 인가되는 스위칭 신호에 따라 스위칭 동작하여 입력 직류 전압을 변환하는 전원 변환 회로 및 상기 입력 직류 전압의 레벨 변화 또는 상기 전원 변환 회로의 출력 전류의 세기의 변화에 대응하여 상기 스위칭 신호의 주파수 또는 듀티비를 조절하는 제어 회로를 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 기술적 측면은 제어 회로를 제안한다. 상기 제어 회로는 입력 전압을 변환하여 출력하는 전압 변환 회로에 스위칭 신호를 제공한다. 상기 제어 회로는, 상기 입력 직류 전압의 레벨 변화 또는 상기 전원 변환 회로의 출력 전류의 세기의 변화에 대응하여 제어 전압을 생성하는 제어 전압 생성부, 상기 제어 전압이 참조 전압 이상이면 상기 스위칭 신호의 듀티비를 조절하는 듀티비 조절부 및 상기 제어 전압이 상기 참조 전압 미만이면 상기 스위칭 신호의 주파수를 조절하는 주파수 조절부를 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, 별도의 전처리 레귤레이터 없이도, 부하에 의하여 동작 주파수가 변하는 경우에도 공진 효율을 안정적으로 보장할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전원 변환 장치를 도시하는 블록 구성도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전원 변환 장치를 도시하는 회로도이다.
도 3은 도 1에 도시된 제어 회로의 일 실시예를 도시하는 블록 구성도이다.
도 4는 도 3에 도시된 제어 회로의 일 실시예를 도시하는 회로도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에서 적용 가능한 듀티비 제어와 주파수 제어의 적용을 설명하는 그래프이다.
도 6 및 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 입력 전압과 출력 전류에 따른 참조 전압을 도시하는 그래프이다.
도 8 및 도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 주요 신호의 동작 파형의 다양한 예를 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 변환 장치를 도시하는 블록 구성도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전원 변환 장치를 도시하는 회로도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 전원 변환 장치는 전원 변환 회로(100) 및 제어 회로(200)를 포함할 수 있다.
전원 변환 회로(100)는 복수의 스위치를 포함하고, 상기 복수의 스위치에 인가되는 스위칭 신호에 따라 스위칭 동작하여 입력 직류 전압을 변환할 수 있다.
일 실시예에서, 전원 변환 회로(100)는 공진 탱크에 연결된 한 쌍의 스위치의 교번적인 스위칭 동작에 의하여 입력 직류 전압을 변환하는 공진형 컨버터일 수 있다. 도 2에서 도시된 예에서, 전원 변환 회로(100)는 Lr, Lm, Cr을 이용하는 LLC 공진형 컨버터를 포함하고 있으나, 이는 예시적인 것으로서 다양한 다른 타입의 공진형 컨버터를 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 전원 변환 회로(100)는 상기 스위칭 신호에 따라 스위칭 동작하는 스위치(110), 스위치의 스위칭 동작에 의하여 전압을 변환하는 트랜스포머(120) 및 트랜스포머(120)의 출력을 정류하는 정류기(130)를 포함할 수 있다. 트랜스포머(120)의 일차측 전류 Ipri(t)는 트랜스포머의 일차측에 대한 이차측의 권선비에 따라 이차측 전류 Isec(t)로 변환될 수 있다.
일 실시예에서, 전원 변환 회로(100)는 전원 변환 회로(100)의 출력을 감지하여 제어 회로(200)로 피드백하는 피드백기(140)를 더 포함할 수 있다.
제어 회로(200)는 입력 직류 전압(Vin)의 레벨 변화 또는 전원 변환 회로의 출력 전류(Io)의 세기의 변화에 대응하여, 스위칭 신호의 주파수 또는 듀티비를 조절할 수 있다.
예를 들어, 입력 직류 전압(Vin)의 레벨이 커지는 경우 제어 회로(200)는 스위칭 신호의 주파수를 조절하도록 하는 한편, 입력 직류 전압(Vin)의 레벨이 작아지는 경우 제어 회로(200)는 스위칭 신호의 듀티비를 조절하도록 할 수 있다. 따라서, 제어 회로(200)는 입력 직류 전압(Vin)의 변화량 또는 출력 전류(Io)의 세기의 변화량이 크더라도, 스위칭 신호의 듀티비 및 주파수를 조절하도록 함으로서, 별도의 역률 보정 없이도 스위칭 신호의 급작스런 변화를 방지할 수 있다.
일 실시예에서, 제어 회로(200)는 입력 직류 전압(Vin)의 레벨 변화 또는 전원 변환 회로(100)의 출력 전류(Io)의 세기의 변화에 대응하여 제어 전압을 생성하고, 제어 전압과 기 설정된 참조 전압을 비교하여 스위칭 신호의 주파수 또는 듀티비를 조절하는 할 수 있다.
일 실시예에서, 제어 회로(200)는 제어 회로는 입력 직류 전압의 변동에 비례하고, 전원 변환 회로의 출력 전류의 세기에 반비례하도록 제어 전압의 레벨을 조절할 수 있다.
일 실시예에서, 제어 회로(200)는 제어 전압이 참조 전압 이상이면, 입력 직류 전압의 레벨 변화 또는 전원 변환 회로의 출력 전류의 세기의 변화에 대응하여 스위칭 신호의 주파수를 조절할 수 있다.
일 실시예에서, 제어 회로(200)는 제어 전압이 참조 전압 미만이면, 입력 직류 전압의 레벨 변화 또는 전원 변환 회로의 출력 전류의 세기의 변화에 대응하여 스위칭 신호의 듀티비를 조절할 수 있다.
도 3은 도 1에 도시된 제어 회로의 일 실시예를 도시하는 블록 구성도이다.
도 3를 더 참조하면, 제어 회로(200)는 제어 전압 생성부(210), 듀티비 조절부(220) 및 주파수 조절부(230)를 포함할 수 있다.
제어 전압 생성부(210)는 입력 직류 전압(Vin)의 레벨 변화 또는 전원 변환 회로의 출력 전류(Io)의 세기의 변화에 대응하여 제어 전압(Vc)을 생성할 수 있다. 제어 전압 생성부(210)에서 생성된 제어 전압(Vc)은 듀티비 조절부(220) 및 주파수 조절부(230)에 제공될 수 있다.
일 실시예에서, 제어 전압 생성부(210)는 입력 직류 전압(Vin)의 변동에 비례하고, 출력 전류(Io)의 세기에 반비례하도록 제어 전압의 레벨을 조절할 수 있다. 이는 도 5 및 도 6의 그래프를 통해서도 알 수 있다.
듀티비 조절부(220)는 제어 전압(Vc)이 참조 전압(Vref) 이상이면, 스위칭 신호(Q)의 듀티비를 조절할 수 있다.
일 실시예에서, 듀티비 조절부(220)는 입력 직류 전압(Vin)의 레벨 변화 또는 출력 전류(Io)의 세기의 변화에 대응하도록 스위칭 신호의 듀티비를 조절할 수 있다.
주파수 조절부(230)는 제어 전압(Vc)이 참조 전압(Vref) 미만이면, 스위칭 신호(Q)의 주파수를 조절할 수 있다.
일 실시예에서, 주파수 조절부(230)는 입력 직류 전압(Vin)의 레벨 변화 또는 전원 변환 회로의 출력 전류(Io)의 세기의 변화에 대응하도록 스위칭 신호(Q)의 주파수를 조절할 수 있다.
도 4는 도 3에 도시된 제어 회로의 일 실시예를 도시하는 회로도이다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 제어 회로(200)는 제어 전압 생성부(210), 듀티비 조절부(220) 및 주파수 조절부(230)를 포함할 수 있다.
듀티비 조절부(220)는 최소 전압 제어기(221)를 포함할 수 있다.
최소 전압 제어기(221)는 소정 레벨의 전압을 출력할 수 있다. 구체적으로, 최소 전압 제어기(221)는 제어 전압(Vc)이 참조 전압(Vref) 미만이면 참조 전압(Vref)을 출력하고, 제어 전압(Vc)이 참조 전압(Vref) 이상이면 제어 전압(Vc)을 출력할 수 있다.
주파수 조절부(230)는 최대 전압 제어기(231) 및 발진기(232)를 포함할 수 있다.
최대 전압 제어기(231)는 소정 레벨의 전압을 출력하고, 발진기(232)는 최대 전압 제어기(231)의 출력에 따라 발진 신호를 생성할 수 있다. 예컨대, 발진기(232)는 최대 전압 제어기(231)의 출력 전압을 입력받아 삼각파를 생성하는 VCO(Voltage Controlled Oscillator)일 수 있다.
최대 전압 제어기(231)는 제어 전압(Vc)이 참조 전압(Vref) 이상이면 참조 전압(Vref)을 출력하고, 제어 전압(Vc)이 참조 전압(Vref) 미만이면 제어 전압(Vc)을 출력할 수 있다.
발진기(232)는 최대 전압 제어기(231)의 출력을 이용하여 발진 신호를 생성할 수 있다. 따라서, 발진기(232)에서 출력되는 발진 신호의 주파수는 전압 제어기(231)에서 출력되는 전압의 크기에 따라서 가변될 수 있다.
제어 회로(200)는 비교기(240)를 포함할 수 있다. 비교기(240)는 발진기(232)에서 출력된 발진 신호를 비반전 입력단에 입력받고, 최소 전압 제어기(221)의 출력을 반전 입력단에 입력받을 수 있다. 비교기(240)는 입력받은 두 신호를 비교하여 펄스 형태의 스위칭 신호를 출력할 수 있다.
이하에서는, 도 5 내지 도 7을 참조하여, 제어 회로의 출력에 대하여 보다 상세히 설명한다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에서 적용 가능한 듀티비 제어와 주파수 제어의 적용을 설명하는 그래프이고, 도 6 및 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 입력 전압과 출력 전류에 따른 참조 전압을 도시하는 그래프이다.
도 5의 그래프를 참조하면, 입력 직류 전압 크기에 따른 주파수와 듀티비의 관계를 도시하고 있다.
도시된 바와 같이, 제어 전압(Vc)가 기 설정된 참조 전압(Vc_ref) 보다 작을 경우, 발진기(222)에 입력되는 전압은 참조 전압(Vc_ref)으로 제한되어 듀티비가 고정될 수 있다. 이후 제어 전압(Vc)의 레벨이 증가함에 따라 주파수는 증가하는 것을 도시하고 있다. 즉 고정 듀티비에서 주파수를 변조하여 출력을 제어하는 PFM(Pulse Frequency Modulation) 방식을 통해 출력을 제어할 수 있다.
반면에 제어 전압(Vc)가 참조 전압(Vc_ref) 보다 클 경우, 발진기(232)의 입력 전압이 참조 전압(Vc_ref)로 제한되어 주파수는 최대 주파수로 고정된다. 또한, 발진기(232)의 입력 전압은 제어 전압(Vc)가 증가함에 따라 커지기 때문에 듀티비는 감소한다. 즉 고정 주파수에서 듀티비를 조절하여 출력을 제어하는 PWM(Pulse Width Modulation) 방식을 통해 출력을 제어할 수 있다.
도 6 및 도 7의 그래프를 참조하면, 제어 전압(Vc)은 입력 직류 전압(Vin)의 레벨에 비례하고, 전원 변환 회로의 출력 전류(Io)의 세기에 반비례하면서 변화함을 알 수 있다.
구체적으로, 도 6에서는 제어 전압(Vc)이 기 설정된 레벨(V_ref)에서 동작하다가 입력 직류 전압(Vin)이 감소하거나 출력 전류(Io)가 증가하여 제어 전압(Vc)이 감소하는 예를 도시하고 있다. 이는 전원 변환의 이득을 높이기 위하여 제어 전압(Vc)을 감소시키는 것이며, 이에 따라 고정 듀티비에서 주파수를 조절하여 출력전압을 제어한다.
한편, 도 7에서는, 제어 전압(Vc)이 기 설정된 레벨(V_ref)에서 동작하다가 입력 직류 전압(Vin)이 증가하거나 출력 전류(Io)가 감소하여 제어 전압(Vc)이 증가하는 예를 도시하고 있다. 이는 전원 변환의 이득을 낮추기 위하여 제어 전압(Vc)을 증가시키는 것이며, 이에 따라 고정 주파수에서 듀티비를 조절하여 출력전압을 제어한다.
도 8 및 도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 주요 신호의 동작 파형의 다양한 예를 도시하는 그래프이다.
도 8 및 도 9는 1차측 전류 Ipri(t), 1차측 전압 Vpri(t), 2차측 전류 Isec(t)에 따른, LLC 입력 전압 Vs(t)와 스위칭 신호(Q)를 도시하고 있다.
도 8은 고정 듀티비에서 주파수를 조절하여 출력전압을 제어하는 경우의 신호들을, 도 9는 고정 주파수에서 듀티비를 조절하여 출력전압을 제어하는 경우의 신호들을 도시하고 있다.
도 8과 같이 PFM 모드로 동작하는 경우 각 신호들의 동작 파형은 LLC 컨버터와 유사함을 알 수 있고, 도 9와 같이 PWM 모드로 동작하는 경우 비대칭 하프 브리지 플라이백(asymmetrical half bridge flyback) 컨버터와 유사함을 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.
100 : 전원 변환 회로
110 : 스위치
120 : 트랜스포머
130 : 정류기
140 : 피드백기
200 : 제어 회로
210 : 제어 전압 생성부
220 : 듀티비 조절부
221 : 최소 전압 제어기
230 : 주파수 조절부
231 : 최대 전압 제어기
232 : 발진기

Claims (17)

  1. 복수의 스위치를 포함하고, 상기 복수의 스위치에 인가되는 스위칭 신호에 따라 스위칭 동작하여 입력 직류 전압을 변환하는 전원 변환 회로; 및
    상기 입력 직류 전압의 레벨 변화 또는 상기 전원 변환 회로의 출력 전류의 세기의 변화에 대응하여, 상기 스위칭 신호의 주파수 또는 듀티비를 조절하는 제어 회로; 를 포함하는 전원 변환 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 제어 회로는
    상기 입력 직류 전압의 레벨 변화 또는 상기 전원 변환 회로의 출력 전류의 세기의 변화에 대응하여 제어 전압을 생성하고, 상기 제어 전압과 기 설정된 참조 전압을 비교하여 상기 스위칭 신호의 주파수 또는 듀티비를 조절하는 전원 변환 장치.
  3. 제2항에 있어서, 상기 제어 회로는
    상기 입력 직류 전압의 변동에 비례하고, 상기 전원 변환 회로의 출력 전류의 세기에 반비례하도록 상기 제어 전압의 레벨을 조절하는 전원 변환 장치.
  4. 제2항에 있어서, 상기 제어 회로는
    상기 제어 전압이 상기 참조 전압 이상이면, 상기 입력 직류 전압의 레벨 변화 또는 상기 전원 변환 회로의 출력 전류의 세기의 변화에 대응하여 상기 스위칭 신호의 주파수를 조절하는 전원 변환 장치.
  5. 제2항에 있어서, 상기 제어 회로는
    상기 제어 전압이 상기 참조 전압 미만이면, 상기 입력 직류 전압의 레벨 변화 또는 상기 전원 변환 회로의 출력 전류의 세기의 변화에 대응하여 상기 스위칭 신호의 듀티비를 조절하는 전원 변환 장치.
  6. 제1항에 있어서, 상기 전원 변환 회로는
    공진 탱크에 연결된 한 쌍의 스위치의 교번적인 스위칭 동작에 의하여 상기 입력 직류 전압을 변환하는 공진형 컨버터인 전원 변환 장치.
  7. 제1항에 있어서, 상기 제어 회로는
    상기 입력 직류 전압의 레벨 변화 또는 상기 전원 변환 회로의 출력 전류의 세기의 변화에 대응하여 제어 전압을 생성하는 제어 전압 생성부;
    상기 제어 전압이 참조 전압 이상이면, 상기 스위칭 신호의 듀티비를 조절하는 듀티비 조절부; 및
    상기 제어 전압이 상기 참조 전압 미만이면, 상기 스위칭 신호의 주파수를 조절하는 주파수 조절부; 를 포함하는 전원 변환 장치.
  8. 제7항에 있어서, 상기 제어 전압 생성부는
    상기 입력 직류 전압의 변동에 비례하고, 상기 전원 변환 회로의 출력 전류의 세기에 반비례하도록 상기 제어 전압의 레벨을 조절하는 전원 변환 장치.
  9. 제7항에 있어서, 상기 듀티비 조절부는
    상기 입력 직류 전압의 레벨 변화 또는 상기 전원 변환 회로의 출력 전류의 세기의 변화에 대응하도록 상기 스위칭 신호의 듀티비를 조절하는 전원 변환 장치.
  10. 제7항에 있어서, 상기 주파수 조절부는
    상기 입력 직류 전압의 레벨 변화 또는 상기 전원 변환 회로의 출력 전류의 세기의 변화에 대응하도록 상기 스위칭 신호의 주파수를 조절하는 전원 변환 장치.
  11. 입력 직류 전압을 변환하여 출력하는 전원 변환 회로에 스위칭 신호를 제공하는 제어 회로에 있어서,
    상기 입력 직류 전압의 레벨 변화 또는 상기 전원 변환 회로의 출력 전류의 세기의 변화에 대응하여 제어 전압을 생성하는 제어 전압 생성부;
    상기 제어 전압이 참조 전압 이상이면, 상기 스위칭 신호의 듀티비를 조절하는 듀티비 조절부; 및
    상기 제어 전압이 상기 참조 전압 미만이면, 상기 스위칭 신호의 주파수를 조절하는 주파수 조절부; 를 포함하는 제어 회로.
  12. 제11항에 있어서, 상기 주파수 조절부는
    상기 제어 전압이 상기 참조 전압 이상이면 상기 참조 전압을 출력하고, 상기 제어 전압이 상기 참조 전압 미만이면 상기 제어 전압을 출력하는 최대 전압 제어기; 및
    상기 최대 전압 제어기의 출력을 이용하여 발진 신호를 생성하는 발진기; 를 포함하는 제어 회로.
  13. 제12항에 있어서, 상기 듀티비 조절부는
    상기 제어 전압이 상기 참조 전압 미만이면 상기 참조 전압을 출력하고, 상기 제어 전압이 상기 참조 전압 이상이면 상기 제어 전압을 출력하는 최소 전압 제어기; 를 포함하는 제어 회로.
  14. 제13항에 있어서, 상기 제어 회로는
    상기 발진 신호를 비반전 입력단에 입력받고, 상기 최소 전압 제어기의 출력을 반전 입력단에 입력받는 비교기; 를 더 포함하는 제어 회로.
  15. 제11항에 있어서, 상기 제어 전압 생성부는
    상기 입력 직류 전압의 변동에 비례하고, 상기 전원 변환 회로의 출력 전류의 세기에 반비례하도록 상기 제어 전압의 레벨을 조절하는 제어 회로.
  16. 제11항에 있어서, 상기 듀티비 조절부는
    상기 입력 직류 전압의 레벨 변화 또는 상기 전원 변환 회로의 출력 전류의 세기의 변화에 대응하도록 상기 스위칭 신호의 듀티비를 조절하는 제어 회로.
  17. 제11항에 있어서, 상기 주파수 조절부는
    상기 입력 직류 전압의 레벨 변화 또는 상기 전원 변환 회로의 출력 전류의 세기의 변화에 대응하도록 상기 스위칭 신호의 주파수를 조절하는 제어 회로.
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