KR20170088610A - 적층구조를 갖는 스위칭 전원장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 직류전압을 안정된 직류전압으로 변환시켜주는 고주파 공진형 스위칭 전원장치에서 낮은 높이를 갖는 슬림형 스위칭 전원장치를 구성 할 수 있도록 LLC 공진형 컨버터를 사용하고, 변압기를 중심으로 전력변환부와 제어회로부를 1차측과 2차측으로 분리하고, 분리된 중앙에 전원장치의 넓이와 동일한 넓이 및 일정 두께의 세라믹층, 세라믹 양쪽 면에 열전도를 원활하게 하는 접착성 열전도시트, 열전도 시트에 부착된 1차와 2차 각각의 회로를 구성한 다층 인쇄회로 기판, 다층 인쇄회로 기판에 패턴을 이용한 권선을 만들고 페라이트 자성코어를 통과 시켜 결합된 1차 및 2차 변압기, 전원장치의 출력을 제어하기 위한 제어신호를 2차측에서 1차측으로 전달시키기 위한 다층 인쇄회로 기판에 결합된 신호용 변압기를 사용한 적층 구조의 스위칭 전원장치 LLC 공진형 컨버터의 높이를 조정하여 슬림형 상태에서 전력변환 효율을 높이고 높은 전력밀도의 스위칭 전원장치를 제공한다.

Description

적층구조를 갖는 스위칭 전원장치{SWITCHING POWER SUPPLY WITH LAMINATED STRUCTURE}
본 발명은 스위칭 전원장치에 관한 것으로, 특히 전력용 변압기와 신호용 변압기의 1차측과 2차측을 일정 두께의 세라믹층으로 분리하고 자성 코어를 세라믹층의 양쪽 표면에 접착하는 절연형 스위칭 전원장치의 문제점으로 나타났던 변압기 공극의 불균일성과 자성체 코어의 발열 문제를 해결하고, 전력용 반도체에서 발생된 발열을 세라믹층의 열전도 특성을 이용하여 히트파이프와 같은 방열효과를 유도함으로써 스위칭 전원장치의 슬림화와 고전력밀도 설계를 가능케하는 적층구조를 갖는 스위칭 전원장치에 관한 것이다.
일반적으로 스위칭 전원장치는 안정된 출력전압을 목적으로 하는 전력변환 장치이다. 특히, 절연형 스위칭 전원장치는 입출력 전압의 차이와 전기적 절연을 위하여, 페라이트(Ferrite)와 같은 고주파에서 저전력 손실 특성을 갖는 강자성체 코어에 구리와 같은 저전도 손실 특성을 갖는 권선으로 제작된 변압기를 사용하고 있으며, 하나 이상의 출력전압이 필요한 경우에는 출력권선을 추가하여 출력을 복수로 구성할 수 있으므로 고효율이 요구되는 스위칭 전원장치에 널리 사용되고 있다.
한편, 스위칭 전원장치는 용도에 따라 높이나 가로세로의 크기와 부피 등이 제한되기 때문에, 이러한 문제를 극복하기 위한 다양한 기술들이 개발되어 왔다. 일례로, 스위칭 전원장치의 높이가 제한되는 경우에는 변압기와 보빈(Bobbin)의 높이를 낮추고 낮아진 높이에 권선을 대응하도록 제작하며, 고주파 구동시 코어와 권선에서 발생되는 전력손실과 발열을 해결하기 위해서는 페라이트 코어의 표면적을 넓히거나 케이스에 코어를 접착시키는 방법을 사용한다.
그러나 고주파 구동 스위칭에서 동반되는 전력용 반도체의 발열과 소자의 발열문제는 스위칭 전원장치의 높이와 부피를 낮추는데 걸림돌이 된다.
일반적으로 스위칭 전원장치의 높이를 낮추기 위해서는 높이가 낮은 페라이트 코어와 반도체를 사용하여 적층된 PCB에 부품을 부착하거나, 적층된 PCB의 패턴을 이용하여 PCB 권선으로 구성된 변압기 권선 주위에 코어의 크기에 맞게 라우팅 처리를 하여 적층 PCB에 페라이트 코어를 끼워서 사용하는 소위 PCB 변압기를 구성하는 방식이 널리 알려져 있다.
그러나 PCB 변압기는 권선 구조가 간단하고 높이를 낮출 수 있는 장점이 있지만, 고주파 동작시 발생되는 발열을 해결할 수 없고, 특히 코어의 중심에서 발생되는 권선 및 자성체 손실 발열은 구조상 바깥으로 방출하기 어려우므로, 자성체 코어의 열폭주 또는 열포화 등의 문제가 발생하여 한정된 출력 범위 내에서 동작시켜야 하는 한계를 갖는다.
또한, 필요에 따라 변압기 공극이 존재하는 경우, 일정한 공극을 제공하고 시간경과에 따라 공극의 간격이 균일하게 유지되는 재질이 요구되며, 스위칭 전원장치의 용도에 따라 1차측과 2차측의 높은 전기적 절연이 필요한 경우, 권선의 구조와 제조 방법의 제한으로 전기적 절연을 높일 수 없는 문제점이 있다.
CHAN, Tso-Sheng; CHEN, Chern-Lin. LLC resonant converter for wireless energy transmission system with PLL control. In: Sustainable Energy Technologies, 2008. ICSET 2008. IEEE International Conference on. IEEE, 2008. p. 136-139. HAYASHI, Yasuhiro, et al. Contactless DC connector based on ISOP-IPOS topology for high power density 380 V DC power feeding system. In: Power Electronics and Applications (EPE'14-ECCE Europe), 2014 16th European Conference on. IEEE, 2014. p. 1-10. HAYASHI, Yasuhiro, et al. Design consideration for contactless DC connector in high power density future 380 V DC distribution system. In: Energy Conversion Congress and Exposition (ECCE), 2014 IEEE. IEEE, 2014. p. 5690-5697. HAYASHI, Yasuhiro, et al. Contactless DC connector based on GaN LLC converter for next generation data centers. In: Power Electronics Conference (IPEC-Hiroshima 2014-ECCE-ASIA), 2014 International. IEEE, 2014. p. 1560-1566. ZHENG, Cong, et al. Design considerations of LLC resonant converter for contactless laptop charger. In: Applied Power Electronics Conference and Exposition (APEC), 2015 IEEE. IEEE, 2015. p. 3341-3347.
따라서 전술한 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은, 직류전압을 안정된 직류전압으로 변환하는 고주파 공진형 스위칭 전원장치에서, 낮은 높이를 갖는 슬림형 스위칭 전원장치를 구성할 수 있도록 LLC 공진형 컨버터를 사용하고, 변압기를 중심으로 전력변환부와 제어회로부를 1차측과 2차측으로 분리하고, 분리된 중앙에 전원장치의 넓이와 동일한 넓이 및 일정 두께의 세라믹층, 세라믹 양쪽 면에 열전도를 원활하게 하는 접착성 열전도시트, 열전도 시트에 부착된 1차와 2차 각각의 회로를 구성한 다층 인쇄회로 기판, 다층 인쇄회로 기판에 패턴을 이용한 권선을 만들고 페라이트 자성코어를 통과 시켜 결합된 1차 및 2차 변압기, 전원장치의 출력을 제어하기 위한 제어신호를 2차측에서 1차측으로 전달시키기 위한 다층 인쇄회로 기판에 결합된 신호용 변압기를 사용한 적층 구조의 스위칭 전원장치 LLC 공진형 컨버터의 높이를 조정하여 슬림형 상태에서 전력변환 효율을 높이고 높은 전력밀도의 적층구조를 갖는 스위칭 전원장치를 제공하는데 있다.
상기와 같은 목적들을 달성하기 위한 본 발명에 따른 적층구조를 갖는 스위칭 전원장치는, 상기 스위칭 전원장치의 기본회로로 사용되는 LLC 공진형 컨버터; 변압기의 1차측과 2차측으로 분리된 전력변환부 및 제어회로부; 상기 1차측과 2차측 사이에 상기 스위칭 전원장치의 넓이와 동일한 넓이 및 일정 두께로 삽입되는 세라믹층; 상기 세라믹층 일면 또는 양면에 접착되는 열전도 시트; 상기 열전도 시트에 부착되며 상기 변압기의 1차측과 2차측 각각의 회로를 구성한 다층 인쇄회로 기판; 상기 다층 인쇄회로 기판에 권선 패턴을 형성하고, 페라이트 자성코어를 통과시켜 결합된 상기 변압기; 및 상기 스위칭 전원장치의 출력을 제어하기 위한 제어신호를 상기 변압기의 2차측에서 1차측으로 전달토록 상기 다층 인쇄회로 기판에 결합된 신호용 변압기;로 구성되어, 상기 LLC 공진형 컨버터의 높이를 조정하여 슬림형 상태에서 전력변환 효율을 높이고 높은 전력밀도를 구현한 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 적층구조를 갖는 스위칭 전원장치는, 변압기의 1차측과 2차측이 세라믹층으로 완전 분리된 상태에서 구성되고 세라믹의 거친 표면과 페라이트의 거친 표면을 충진시켜주는 접착성 열전도 시트를 사이에 두고 결합되기 때문에 물리적 강도가 강해지고 자성체 코어에서 발생된 열을 열시트와 세라믹층을 통해 전달되므로 코어의 열을 낮추고 코어의 열폭주 또는 열포화의 문제를 해결하여 전원장치를 최대전력에서 안전하게 동작시키는데 특징이 있다.
또한, 본 발명에 따른 적층구조를 갖는 스위칭 전원장치는, 다층 인쇄회로기판에 회로의 패턴을 이용하여 변압기 권선을 만들고 페라이트 코어와 결합시켜서 변압기의 1차측 또는 2차측을 구성하기 때문에 일반 권선형 변압기에서 사용되는 보빈이 필요하지 않게 되고 인쇄회로 기판과 세라믹층 사이에 접착성 열전도시트로 견고하게 접착되므로 인쇄회로기판에서 발생되는 열을 회로의 패턴과 스루홀 등을 통해서 세라믹층으로 빠져나가는 방열효과를 얻게 되고 따라서 전원장치의 방열판을 따로 설치하지 않아 슬림형으로 제작하는데 특징이 있다.
또한, 본 발명에 따른 적층구조를 갖는 스위칭 전원장치는, 전원장치를 구성하는 전력용 반도체와 출력 제어를 위해 필요한 제어회로 소자들이 앞서 설명한 1차와 2차로 분리된 다층 인쇄회로 기판의 각각의 표면에 부착되기 때문에 상호 간섭이 없어지고 특히 출력제어를 위해 필요한 제어신호를 신호용 변압기로 1차측 제어회로에 전달하기 때문에 기존에 사용되는 포토커플러 방식에 비해 본 발명의 적층 구조에 적합하다는 특징이 있다.
상기의 특징을 달성하기 위해서 본 발명에 따른 적층구조를 갖는 스위칭 전원장치는, LLC 공진형 컨버터를 사용하고, 변압기를 중심으로 전력변환부와 제어회로부를 1차측과 2차측으로 분리하고, 분리된 중앙에 전원장치의 넓이와 동일한 넓이 및 일정 두께의 세라믹층, 세라믹 양쪽 면에 열전도를 원활하게 하는 접착성 열전도시트, 열전도 시트에 부착된 1차와 2차 각각의 회로를 구성한 다층 인쇄회로 기판, 다층 인쇄회로 기판에 패턴을 이용한 권선을 만들고 페라이트 자성코어를 통과 시켜 결합된 1차 및 2차 변압기, 전원장치의 출력을 제어하기 위한 제어신호를 2차측에서 1차측으로 전달시키기 위한 다층 인쇄회로 기판에 결합된 신호용 변압기,를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상술한 바와 같이 본 발명은 변압기를 사용하는 스위칭 전원장치 중에서 전력변환 손실이 적은 LLC 공진형 컨버터를 사용하면서 변압기의 1차측과 2차측이 전원장치의 넓이와 동일한 넓이 및 일정 두께의 세라믹층, 세라믹 양쪽 면에 열전도를 원활하게 하는 접착성 열전도시트, 열전도 시트에 부착된 1차와 2차 각각의 회로를 구성한 다층 인쇄회로 기판, 다층 인쇄회로 기판에 패턴을 이용한 권선을 만들고 페라이트 자성코어를 통과 시켜 결합된 1차 및 2차 변압기로 적층 구성되기 때문에 변압기와 전력용 반도체에서 발생된 열을 세라믹층을 통해 외부로 방열시킬 수 있는 효과가 있다.
또한 본 발명은 변압기의 1차측과 2차측 사이에 있는 세라믹층의 거친 표면과 페라이트 코어의 거친 표면을 충진 시켜주는 접착성 열전도 시트를 사이에 두고 결합되기 때문에 물리적 강도가 강해지고 자성체 코어에서 발생된 열을 열시트와 세라믹층을 통해 전달되므로 코어의 열을 낮추고 코어의 열폭주 또는 열포화를 방지시킬 수 있는 효과가 있다.
또한 본 발명은 다층 인쇄회로기판에 회로의 패턴을 이용하여 변압기 권선을 만들고 페라이트 코어와 결합시켜서 변압기의 1차측 또는 2차측을 구성하기 때문에 일반 권선형 변압기에서 사용되는 보빈이 필요하지 않게 되고 인쇄회로 기판과 세라믹층 사이에 접착성 열전도시트로 견고하게 접착되므로 인쇄회로기판에서 발생되는 열을 회로의 패턴과 스루홀 등을 통해서 세라믹층으로 빠져나가는 방열효과를 얻게 되고 따라서 전원장치의 방열판을 따로 설치하지 않아 슬림형으로 제작 할 수 있는 효과가 있다.
또한 본 발명은 제어회로 소자들이 앞서 설명한 1차와 2차로 분리된 다층 인쇄회로 기판의 각각의 표면에 부착되기 때문에 상호 간섭이 없어지고 특히 출력제어를 위해 필요한 제어신호를 신호용 변압기로 1차측 제어회로에 전달하기 때문에 기존에 사용되는 포토커플러 방식에 비해 본 발명의 적층 구조에 적합하며, 결과적으로는 효과적인 적층 구조와 방열 구조 때문에 스위칭 전원장치의 내부 발열을 낮추고 따라서 수명이 늘어나 높은 신뢰성을 갖는 고신뢰성, 고효율 전원장치를 제공할 수 있는 장점이 있다.
도 1은 본 발명이 적용되는 동기정류기를 갖는 풀브릿지(Full Bridge) LLC 공진형 컨버터의 기본 구성도,
도 2는 도 1의 풀브릿지(Full Bridge) LLC 공진형 컨버터의 주요 동작 파형도,
도 3은 본 발명이 적용되는 변압기의 공극을 중심으로 분리된 풀브릿지(Full Bridge) LLC 공진형 컨버터의 기본 회로도,
도 4는 본 발명이 적용되는 변압기의 공극과 세라믹층을 중심으로 분리된 풀브릿지(Full Bridge) LLC 공진형 컨버터 및 제어회로의 개념도,
도 5는 본 발명이 적용되는 변압기의 공극과 세라믹층을 중심으로 분리된 풀브릿지(Full Bridge) LLC 공진형 컨버터 및 제어회로의 적층구조를 나타낸 도면,
도 6은 본 발명에 따른 적층구조를 갖는 스위칭 전원장치의 외형을 나타낸 도면.
이하에서는 본 발명에 따른 적층구조를 갖는 스위칭 전원장치에 대한 실시 예를 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 이하에서 설명되는 실시 예는 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위하여 제공되는 것으로, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시 예에 한정되지 않고 다양한 형태로 구현될 수 있다.
도면들 중 동일한 구성들은 가능한 한 어느 곳에서든지 동일한 부호들을 나타낸다. 하기의 설명에서 구체적인 특정 사항들이 나타나고 있는데, 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해 제공된 것일 뿐, 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 그리고 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
여기서, 첨부된 도면들은 기술의 구성 및 작용에 대한 설명과 이해의 편의 및 명확성을 위해 일부분을 과장하거나 간략화하여 도시한 것으로, 각 구성요소가 실제의 크기와 정확하게 일치하는 것은 아님을 밝힌다.
제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다.
단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
아울러 어떤 부분이 어떤 구성요소를 포함한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미하며, "부"의 용어에 대한 의미는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위 또는 모듈 형태를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 혹은 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수도 있다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 것으로서, 이는 본 발명의 기술적 사상에 부합되는 개념과 당해 기술분야에서 통용 또는 통상적으로 인식되는 의미로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
도 1은 본 발명이 적용되는 동기정류기를 갖는 풀브릿지(Full Bridge) LLC 공진형 컨버터의 기본 구성도이고, 도 2는 도 1의 풀브릿지(Full Bridge) LLC 공진형 컨버터의 주요 동작 파형도를 나타낸 도면이다.
먼저, 도 1을 참조하면, 본 발명이 적용되는 동기정류기를 갖는 풀브릿지(Full Bridge) LLC 공진형 컨버터는, 직류입력전압(Vs)과 풀브릿지를 구성하는 네 개의 스위치(Q1-Q4), 두 개의 공진 인덕터(LR, LM) 및 한 개의 공진 커패시터(CR1)가 변압기(T1)의 1차측에 구성되고, 싱글 구조의 변압기(T1) 2차측에는 네 개의 스위치(Qa-Qd)가 전파정류기를 구성하고, 출력전압을 안정시키는 한 개의 출력용 커패시터(CO) 및 출력전력이 소모되는 부하저항(RL)으로 구성된다.
도 1에 더하여 도 2를 참조하면, 네 개의 스위치(Q1-Q4)를 구동하기 위한 제어신호(VG1, VG2)가 외부의 제어회로에서 인가되면 세 개의 공진 소자(LR, LM, CR1)에 의해 변압기(T1) 1차측 전류(iLP)와 공진전류(iLR)가 발생되며 이 때 두 개의 전류는 공진 때문에 정현파와 유사한 파형으로 나타난다. 한편, 변압기(T1)의 2차측에는 전파정류기의 정류기능 때문에 앞서 설명했던 변압기(T1)의 1차측 전류가 반파정류 형태로 정류된 전류(iDR1, iDR2)가 각각의 스위치에 흐르게 되고, 동시에 스위치 전압(VDR1, VDR2)은 전류가 흐르지 않는 동안만 출력전압(VO)과 같은 전압이 걸리게 되므로, 이 때 각각의 스위치에 전류가 흐르지 않는 동안에는 두 개의 정류 스위치 전압(VDR1, VDR2)이 분압되는 과도기간이 존재한다.
따라서 도 1과 도 2의 동기정류기를 갖는 풀브릿지 LLC 공진형 컨버터의 회로도와 동작파형에서 알 수 있듯이, 변압기(T1)의 2차측에 존재하는 네 개의 정류 스위치(Qa-Qd)는 스위칭 한 주기 중에서 반 주기 동안에만 전류가 흐르게 되며, 전류가 흐르지 않는 동안에는 출력전압과 동등한 전압이 걸린다는 것을 알 수 있다.
일반적으로, 변압기를 구성하게 되면 변압기의 결합율이 이상적인 상태가 되지 못하기 때문에 낮아진 결합율 만큼 누설인덕턴스가 존재하게 된다. 따라서 변압기의 결합율을 적절하게 조절하면, 도 1에서 언급된 두 개의 공진 인덕터(LR, LM)를 변압기(T1)에서 만들 수 있으므로, 외부소자 수를 저감시켜서 스위칭 전원장치의 가격과 크기를 줄일 수 있다. 이를 위하여, 변압기에서 사용되는 페라이트 재질의 자성체 코어 사이에 공극을 설치하여 변압기의 결합율과 인덕턴스를 제어하여 제작한다.
도 3은 본 발명에 따른, 변압기의 공극을 중심으로 분리된 풀브릿지(Full Bridge) LLC 공진형 컨버터의 기본 회로도이고, 도 4는 본 발명에 따른, 변압기의 공극과 세라믹층을 중심으로 분리된 풀브릿지(Full Bridge) LLC 공진형 컨버터 및 제어회로의 개념도를 나타낸 도면으로서, 도 3 및 도 4를 참조하여 본 발명에 따른 적층구조를 갖는 스위칭 전원장치의 동작원리에 대하여 상세히 설명한다.
도 1 및 도 2에서 전술한 바와 같이, 변압기의 코어에 공극을 적절하게 설치하여 제어하면 두 개의 공진 인덕터(LR, LM)가 필요치 않게 되고, 따라서 도 3에 도시된 바와 같이 변압기에는 코어 및 1차권선과 2차권선만 존재하는 간단한 구조가 가능하다. 이때, 변압기 자성 코어의 사이에는 결합율을 제어하면서 인덕턴스와 권선비를 설계값과 일치시키는 공극을 만들어주기 위해서 자속을 변형시키지 않는 재질의 물질이 삽입된다.
도 3에서 공극으로 분리된 변압기의 1차측과 2차측은 도 4의 변압기와 같이 분리된 사이에 필요한 공극의 두께만큼의 세라믹층(115)이 삽입되고, 세라믹층(115)의 면적은 전원장치의 면적과 동일하게 설치된다.
도 4를 참조하면, 풀브릿지 LLC 공진형 컨버터의 입력전압 단자(111, 112)에 직류전압이 인가되면, 네 개의 스위치(Q1-Q4)가 1차측 제어회로(121)에 의하여 제어되어 스위칭되고, 공진에 필요한 공진회로(113)가 상기 네 개의 스위치(Q1-Q4) 및 1차측변압기(114) 사이에 직렬로 구성된다.
변압기 1차측(114)의 권선은 다층 인쇄회로기판의 패턴을 이용하여 형성하고, 코어는 인쇄회로기판에 라우터 등으로 홈을 파고 그 사이에 자성체 코어를 삽입하여 형성한다. 변압기 1차측(114)과 동일한 방법으로 변압기 2차측(116)이 구성되고, 변압기 1차측(114) 및 변압기 2차측(116)의 코어 사이에 세라믹층(115)이 형성된다.
이때, 상기 세라믹층(115)의 일면 또는 양면에는 변압기 1차측(114) 코어 및 권선이 형성된 다층 인쇄회로기판과의 열전도를 원활하게 하기 위하여 접착성 열전도시트가 부착되는 것이 바람직하다.
변압기 2차측(116)에는 출력파형을 안정시키는 임피던스 결합회로(117)가 직렬로 구성되고, 임피던스 결합회로(117)와 출력전압 단자(118, 119) 사이에는 다이오드 또는 MOSFET와 같은 정류소자 및 필터소자를 이용한 전력변환회로가 구성된다.
또한, 출력전압의 안정화를 위하여 1차측 제어회로(121)에 필요한 출력정보를 전달하는 2차측 제어회로(124) 및 외부와의 정보전달을 담당하는 통신포트(125)가 더 구비되는 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 적층구조를 갖는 스위칭 전원장치는, 1차측 제어회로(121)에 2차측 출력정보를 전달하기 위하여 기존의 포토커플러 대신에, 1차측 제어회로(121)와 2차측 제어회로(124) 사이에 변압기(122, 123)를 이용하는 자기결합 방식을 사용한다. 이에 따라, 세라믹층(115)을 공유함으로써 스위칭 전원장치의 적층구조를 구현한다.
도 5는 본 발명에 따른, 변압기의 공극과 세라믹층을 중심으로 분리된 풀브릿지(Full Bridge) LLC 공진형 컨버터(110) 및 그 제어회로(120)의 적층구조를 각 층별로 분리하여 나타낸 도면이고, 도 6은 본 발명에 따른 적층구조를 갖는 스위칭 전원장치의 외형을 나타낸 도면이다. 이하, 도 5 및 도 6을 참조하여 본 발명에 따른 적층구조를 갖는 스위칭 전원장치의 구성에 대하여 상세히 설명한다.
전술한 변압기의 공극을 중심으로 분리된 풀브릿지 LLC 공진형 컨버터(110) 및 제어회로(120)는 각 기능별로 구분하여 별도의 층으로 분리할 수 있으며, 이하에서 최상위층부터 최하위층 순(211~233)으로 설명한다.
도 5를 참조하면, 본 발명에 따른 적층구조를 갖는 스위칭 전원장치는 기능적으로 크게 구분하면, 변압기 1차측 전력제어회로부(210)와, 변압기 2차측 전력제어회로부(230) 및 이들 사이에 형성되는 전력변환변압기부(220)로 구성된다.
먼저, 변압기 1차측 전력제어회로부(210)의 첫 번째 층은 1차측 전력변환에 필요한 회로소자 및 제어회로 소자를 부착한 변압기 1차측 소자결합용 인쇄회로기판층(211)이고, 두 번째 층은 각 소자들을 회로에 따라 연결시키기 위한 변압기 1차측 회로결합용 다층 인쇄회로기판층(212)이며, 세 번째 층은 자성체에서 발생되는 신호의 간섭을 막아주는 1차측 전자파차폐층(213)이다.
다음으로, 전력변환변압기부(220)는 변압기 권선을 구성하기 위한 다층 인쇄회로기판을 이용한 권선과 자성체코어가 결합된 1차측 변압기층(221), 1차와 2차를 구분하고 변압기에 필요한 공극을 제공하며 코어의 부착 용이하게 하는 세라믹층(222), 변압기 2차측 권선을 구성하기 위한 다층 인쇄회로기판을 이용한 권선과 자성체코어가 결합된 2차측 변압기층(223)으로 구성된다.
변압기 2차측 전력제어회로부(230)는 자성체에서 발생되는 신호의 간섭을 막아주는 2차측 전자파차폐층(231), 각 소자와 결합시키기 위한 2차측 회로결합용 다층 인쇄회로기판층(232), 2차측 전력변환에 필요한 회로소자 및 제어회로 소자를 부착한 2차측 소자결합용 인쇄회로기판층(233)으로 구성된다.
도 6은 본 발명에 따른 적층구조를 갖는 스위칭 전원장치의 외형도로서, 전술한 변압기 1차측 전력제어회로부(210)와 전력변환변압기부(220) 및 변압기 2차측 전력제어회로부(230)가 적층된 스위칭 전원장치를 도시한 것이다. 도 6에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 적층구조를 갖는 스위칭 전원장치는 입력과 출력의 전력을 전달하기 위한 입출력단자(240)가 구비되어, 최종적으로는 스위칭 전원장치를 한 개의 부품처럼 사용할 수 있으며, 전력변환소자와 변압기 및 권선에서 발생된 열을 세라믹층(222)을 통하여 외부로 방출하여 스위칭 전원장치의 내부 발열을 낮춤으로써, 고수명과 높은 신뢰성을 갖는 고효율 전원장치를 제공한다.
한편, 도시하지는 않았으나, 도 6에 도시된 바와 같이 적층된 스위칭 전원장치의 외부를 밀봉하는 코팅층을 더 형성할 수도 있다.
한편, 본 발명의 상세한 설명에서는 첨부된 도면에 의해 참조되는 바람직한 실시 예를 중심으로 구체적으로 기술되었으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다. 그러므로 본 발명의 범위는 설명된 실시 예에 국한되어 정해져서는 안되며 후술하는 특허청구의 범위뿐 아니라 이 특허청구의 범위와 균등한 것들에 의해서 정해져야 한다.

Claims (9)

  1. 직류입력전압단자와,
    브릿지형 스위칭 회로와,
    공진회로와,
    전력변환용 변압기와,
    정류기 및
    직류출력전압단자로 구성되는 LLC 공진형 컨버터;
    상기 브릿지형 스위칭 회로를 제어하는 1차측 제어회로와,
    상기 1차측 제어회로에 필요한 출력정보를 전달하는 2차측 제어회로 및
    상기 출력정보를 상기 2차측 제어회로로부터 상기 1차측 제어회로로 전달하는 신호용 변압기로 구성되는 제어회로부; 및
    상기 전력변환용 변압기 및 상기 신호용 변압기의 1차측과 2차측 사이에 형성되는 공극의 두께와 동일한 두께로, 상기 컨버터 및 상기 제어회로부가 형성된 기판의 넓이와 동일한 넓이로 삽입되는 세라믹층;을 포함하는 것을 특징으로 하는 적층구조를 갖는 스위칭 전원장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 세라믹층의 일면에는 상기 전력변환용 변압기의 1차측 코어 및 권선이 형성된 인쇄회로기판과의 열전도를 위한 접착성 열전도시트가 더 부착되는 것을 특징으로 하는 적층구조를 갖는 스위칭 전원장치.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 컨버터는,
    상기 전력변환용 변압기의 2차측 출력신호의 파형을 안정시키는 임피던스 결합회로가 직렬로 더 구비되는 것을 특징으로 하는 적층구조를 갖는 스위칭 전원장치.
  4. 제 1항에 있어서, 상기 2차측 제어회로는,
    외부와의 정보전달을 위한 통신포트가 더 구비되는 것을 특징으로 하는 적층구조를 갖는 스위칭 전원장치.
  5. 직류입력전압단자와, 브릿지형 스위칭 회로와, 공진회로와, 전력변환용 변압기와, 정류기 및 직류출력전압단자로 구성되는 LLC 공진형 컨버터; 및 상기 브릿지형 스위칭 회로를 제어하는 1차측 제어회로와, 상기 1차측 제어회로에 필요한 출력정보를 전달하는 2차측 제어회로 및 상기 출력정보를 상기 2차측 제어회로로부터 상기 1차측 제어회로로 전달하는 신호용 변압기로 구성되는 제어회로부;를 포함하고,
    상기 1차측 전력변환에 필요한 회로소자 및 제어회로 소자를 부착한 1차측 소자결합용 인쇄회로기판층;
    상기 1차측 소자결합용 인쇄회로기판층에 실장된 소자들을 회로에 따라 연결시키기 위한 1차측 회로결합용 인쇄회로기판층;
    하기 1차측 자성체코어로부터 발생되는 신호간섭을 차단하는 1차측 전자파차폐층;
    상기 전력변환용 및 상기 신호용 변압기의 1차측 권선 및 자성체코어가 형성된 1차측 변압기층;
    상기 전력변환용 및 상기 신호용 변압기에 필요한 공극을 제공하고, 코어의 부착을 용이하게 하는 세라믹층;
    상기 전력변환용 및 상기 신호용 변압기의 2차측 권선 및 자성체코어가 형성된 2차측 변압기층;
    상기 2차측 자성체코어로부터 발생되는 신호간섭을 차단하는 2차측 전자파차폐층;
    하기 2차측 소자결합용 인쇄회로기판층에 실장된 소자들을 회로에 따라 연결시키기 위한 2차측 회로결합용 인쇄회로기판층;
    상기 2차측 전력변환에 필요한 회로소자 및 제어회로 소자를 부착한 2차측 소자결합용 인쇄회로기판층;으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 적층구조를 갖는 스위칭 전원장치.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 세라믹층의 일면에는 상기 1차측 변압기층과의 열전도를 위한 접착성 열전도시트가 더 형성되는 것을 특징으로 하는 적층구조를 갖는 스위칭 전원장치.
  7. 제 5항에 있어서, 상기 컨버터는,
    상기 전력변환용 변압기의 2차측 출력신호의 파형을 안정시키는 임피던스 결합회로가 직렬로 더 구비되는 것을 특징으로 하는 적층구조를 갖는 스위칭 전원장치.
  8. 제 5항에 있어서, 상기 2차측 제어회로는,
    외부와의 정보전달을 위한 통신포트가 더 구비되는 것을 특징으로 하는 적층구조를 갖는 스위칭 전원장치.
  9. 제 5항에 있어서, 상기 2차측 소자결합용 인쇄회로기판층은,
    입력과 출력의 전력을 전달하기 위한 입출력단자를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 적층구조를 갖는 스위칭 전원장치.
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