KR20200103665A

KR20200103665A - 절연형 스위칭 전원 공급 장치

Info

Publication number: KR20200103665A
Application number: KR1020207017576A
Authority: KR
Inventors: 마사지 하네다
Original assignee: 에누티에누 가부시키가이샤
Priority date: 2018-01-04
Filing date: 2018-12-27
Publication date: 2020-09-02
Also published as: JP7050494B2; WO2019135388A1; JP2019122132A

Abstract

원 컨버터 방식의 절연형 스위칭 전원 공급 장치에 있어서, 대출력화를 도모할 수 있는 포워드 방식을 채용하며 또한 역률을 양호하게 한다. 일차 코일과 이차 코일을 갖는 변압기와, 입력 전압에 의해 상기 일차 코일에 흐르는 전류를 도통 또는 차단하기 위해 각각 온/오프 제어되는 복수의 스위칭 소자를 갖는 스위칭부와, 상기 이차 코일에 연결된 정류부와, 상기 정류부에 연결되고 또한 적어도 하나의 리액터와 평활 캐패시터를 포함하는 평활부를 갖는 절연형 스위칭 전원 공급 장치에 있어서, 상기 스위칭 소자를 통하여 상기 일차 코일에 흐르는 전류를 저지하기 위해, 상기 스위칭 소자와 상기 일차 코일 사이에 직렬 연결된 역류 방지 소자를 갖는다.

Description

절연형 스위칭 전원 공급 장치

본 발명은 스위칭 전원 공급 장치에 관한 것으로, 특히, 역률 개선 기능을 갖춘 원 컨버터 방식의 절연형 스위칭 전원 공급 장치에 관한 것이다.

교류를 직류로 전력 변환하는 스위칭 전원 공급 장치의 입력단에, 특허문헌 1 내지 3 등의 역률 개선 회로를 사용한 것이 알려져 있다. 역률 개선 회로는, 예를 들면 정현파의 입력 전압에 대해 가능한 한 위상이 일치된 정현파의 전류를 입력시키는 회로이다. 역률 개선 회로는 통상적으로 비절연형 승압 컨버터로 구성되어 있다. 따라서, 역률 개선 회로의 후단에 절연형 DC/DC 컨버터를 배치한 투 컨버터 방식으로 하나의 절연형 스위칭 전원 공급 장치를 구성하는 것이 일반적이다. 절연형 DC/DC 컨버터의 대표적인 방식으로서, 포워드 방식과 플라이 백 방식이 있다. 대출력 전원 공급 장치에는 포워드 방식이 적합하다.

한편, 특허문헌 4, 5 등과 같이, 역률 개선 기능을 갖춘 절연형 DC/DC 컨버터인 원 컨버터 방식도 알려져 있다. 원 컨버터 방식의 절연형 DC/DC 컨버터는 승압 컨버터와 실질적으로 동일한 동작을 하는 플라이 백 방식으로 구성되어 있다. 플라이 백 방식은 역률 개선 기능을 갖는데, 대출력 전원 공급 장치에는 적합하지 않다.

또한, 절연형 DC/DC 컨버터의 일차측 스위칭 소자는 원리적으로는 1개로 충분하지만, 대출력화나 스위칭 소자의 내압(耐壓) 특성의 경감을 위해, 특허문헌 6 등과 같이 복수의 스위칭 소자로 이루어진 풀브리지(Full Bridge) 회로나 푸시풀(pushpull) 회로 등도 알려져 있다.

일본 특허공개공보 평5-111246호 일본 특허공개공보 2007-37297호 일본 특허공개공보 2015-23722호 일본 특허공개공보 평5-236749호 일본 특허공개공보 2002-300780호 일본 특허공개공보 2015-70716호

역률이 양호한 원 컨버터 방식의 절연형 DC/DC 컨버터(이하, 본 명세서에서는 절연형 DC/DC 컨버터를 절연형 스위칭 전원 공급 장치라 칭함)는 통상적으로 플라이 백 방식인데, 대출력화를 도모하기 위해서는 포워드 방식을 채용하는 것이 바람직하다. 그러나, 여기에는 몇 가지 문제점이 있다. 이들 문제점을 도 8, 도 9를 참조하여 설명한다.

도 8은 종래의 포워드 방식의 절연형 스위칭 전원 공급 장치의 일례를 개략적으로 나타내고 있다. 입력단자(1, 2)에는 예를 들어 정현파의 교류를 전파(全波) 정류한 입력 전압이 입력된다. 변압기(T)의 일차측에 4개의 MOSFET(이하, "FET"라 함)(Q1~Q4)로 이루어진 풀브리지 회로로 이루어진 스위칭부가 배치되고, 변압기(T)의 이차측에 4개의 다이오드(D1~D4)로 이루어진 풀브리지 정류 회로가 배치되며, 그 후단에 리액터(L)와 캐패시터(C)로 이루어진 평활회로가 배치되고, 커패시터(C)의 양단(p, n)으로부터 직류가 출력된다. 풀브리지 회로는 입력 교류의 주파수보다 높은 주파수로 온/오프 제어된다. 도 8의 회로 중의 화살표가 달린 실선은 스위칭 소자의 온 기간의 전류를, 화살표가 달린 점선은 오프 기간의 전류를 각각 개략적으로 나타내고 있다.

도 9는 도 8의 회로 동작의 개략적인 타이밍도이다. 도 9(a)(b)는 제 1 그룹의 FET(Q1, Q4)와 제 2 그룹의 FET(Q2, Q3)의 온/오프를 모식적으로 나타내고 있다. 제 1 그룹의 FET와 제 2 그룹의 FET는 같은 길이의 온 기간에서 교대로 또한 일정한 간격을 두고 온/오프 제어된다.

도 9 (c)(d)(e)는 도 8의 회로의 변압기(T)의 일차 코일(N1), 이차 코일(N2) 및 리액터(L)를 흐르는 전류의 일례를 모식적으로 나타내고 있다. 제 1 그룹의 FET(Q1, Q4)의 온 기간에는 일차 코일에 전류(i1)가 흐르고, 그에 따라 이차 코일(N2)에 전류(i2)가 흐르며, 리액터(L)를 통해 출력된다. 제 1 그룹의 FET(Q1, Q4)가 오프가 되면, 이차측에서는 리액터(L)에 축적된 자기 에너지가 전류(i3)로서 출력된다. 마찬가지로 제 2 그룹의 FET(Q2, Q3)의 온 기간에는 일차 코일(N1)에 전류(i4)가 흐르고, 이차 코일(N2)에 전류(i5)가 흘러 출력되며, 오프가 되면 전류(i6)가 출력된다. 이는 포워드 방식의 동작이다.

여기서, 도 8의 회로에서는 제 1 그룹의 FET(Q1, Q4)가 온에서 오프가 된 순간에 일차 코일(N1)에 역기전력이 발생한다. 이 역기전력은 FET(Q2, Q3)의 바디 다이오드에 대해 순방향 바이어스이기 때문에, 도 8 및 도 9(c)에 나타낸 전류(iB)가 흐른다. 마찬가지로, 제 2 그룹의 FET(Q2, Q3)가 온에서 오프가 된 순간에는 전류(iA)가 흐른다. 전류(iA 및 iB)는 변압기(T)의 자기 리셋의 역할을 하고 있다. 그러나, 전류(iA 및 iB)는 입력측으로의 환류이기 때문에, 변압기의 이차측에 전달되지 않는 에너지이며, 전력 변환 효율을 저하시키고 있다고도 할 수 있다.

또한, 포워드 방식에서는 온 기간에서의 변압기(T)의 이차측 전류(i2, i5)는 이차 코일(N2)에 생기는 기전력이 평활 캐패시터(C)의 전압을 초과했을 때에만 흐른다. 따라서, 이차 코일(N2)의 기전력이 작은 범위에서는 전류가 출력되지 않으며, 이것이 역률을 악화시킨다.

대출력 전원 공급 장치에는 플라이 백 방식보다도 포워드 방식이 적합하지만, 상술한 문제점이 있기 때문에, 원 컨버터 방식의 절연형 스위칭 전원 공급 장치에서는 통상적으로 플라이 백 방식이 채용되고 있다.

이상의 현 상태에서, 본 발명은 원 컨버터 방식의 절연형 스위칭 전원 공급 장치에서, 대출력화를 도모할 수 있는 포워드 방식을 채용하고 또한 역률을 양호하게 하는 것을 목적으로 한다.

상기의 목적을 달성하기 위해, 본 발명은 이하의 구성을 제공한다.

· 본 발명의 양태는

일차 코일과 이차 코일을 갖는 변압기와,

입력 전압에 의해 상기 일차 코일에 흐르는 전류를 도통 또는 차단하기 위해 각각 온/오프 제어되는 복수의 스위칭 소자를 갖는 스위칭부와,

상기 이차 코일에 연결된 정류부와,

상기 정류부에 연결되고 또한 적어도 하나의 리액터와 평활 캐패시터를 포함하는 평활부를 갖는 절연형 스위칭 전원 공급 장치에 있어서,

상기 스위칭부에서 상기 스위칭 소자가 온에서 오프가 되었을 때에 상기 스위칭 소자를 통하여 상기 일차 코일에 흐르는 전류를 저지하기 위해, 상기 스위칭 소자에 직렬 연결된 역류 방지 소자를 가지는 것을 특징으로 한다.

· 상기 양태에 있어서, 상기 스위칭부에서의 복수의 스위칭 소자는, 적어도 하나의 스위칭 소자를 포함하는 제 1 그룹과, 적어도 하나의 스위칭 소자를 포함하는 제 2 그룹으로 이루어지고, 상기 제 1 그룹과 제 2 그룹의 스위칭 소자는 동일한 길이의 온 기간에서 교대로 일정한 간격을 두고 온/오프 제어되는 것을 특징으로 한다.

· 상기 양태에 있어서, 상기 역류 방지 소자는 상기 제 1 그룹의 스위칭 소자의 온 기간의 전류가 오직 한 방향으로 흐르는 전류 경로, 및 상기 제 2 그룹의 스위칭 소자의 온 기간의 전류가 오직 한 방향으로 흐르는 전류 경로 상에 각각 직렬 연결되어 있는 것을 특징으로 한다.

· 상기 양태에 있어서, 상기 스위칭부는 풀브리지 회로, 푸시풀 회로 또는 하프브리지 회로 중 어느 하나를 기본 구성으로 하는 것을 특징으로 한다.

· 상기 양태에 있어서, 상기 제 1 그룹 및 제 2 그룹의 스위칭 소자 각각의 온 기간에 상기 일차 코일에 전류가 흐르는 동시에 상기 이차 코일에 포워드 전류가 흐르고, 또한, 상기 스위칭 소자가 온에서 오프가 되어 상기 일차 코일의 전류가 차단되었을 때, 상기 일차 코일에 발생한 역기전력에 의한 전류가 상기 역류 방지 소자에 의해 저지되는 동시에 상기 이차 코일에 발생한 역기전력에 의해 상기 이차 코일에 플라이 백 전류가 흐르도록 구성되어 있는 것을 특징으로 한다.

· 상기 양태에 있어서, 상기 정류부는 2쌍의 직렬 연결된 플러스측 다이오드와 마이너스측 다이오드를 가지며, 직렬 연결된 각 쌍의 다이오드의 연결점이 이차 코일의 각 단과 각각 연결되어 있고,

2개의 상기 플러스측 다이오드 각각의 캐소드에 2개의 리액터 각각의 일단이 각각 연결되는 동시에, 2개의 상기 리액터 각각의 타단이 상기 평활 캐패시터의 양극단에 연결되어 있으며, 또한,

2개의 상기 마이너스측 다이오드 각각의 애노드가 상기 평활 캐패시터의 음극단에 연결되어 있는 것을 특징으로 한다.

· 상기 양태에서, 상기 정류부가 2쌍의 직렬 연결된 플러스측 다이오드와 마이너스측 다이오드를 가지며, 직렬 연결된 각 쌍의 다이오드의 연결점이 이차 코일의 각 단과 각각 연결되어 있고,

2개의 상기 플러스측 다이오드 각각의 애노드에 2개의 리액터 각각의 일단이 각각 연결되는 동시에, 2개의 상기 리액터 각각의 타단이 상기 평활 캐패시터의 음극단에 연결되어 있으며, 또한,

2개의 상기 플러스측 다이오드 각각의 캐소드가 상기 평활 캐패시터의 양극단에 연결되어 있는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 절연형 스위칭 전원 공급 장치는 원 컨버터 방식의 스위칭 전원 공급 장치로서, 포워드 방식을 채용함으로써 대출력화를 구현하는 동시에, 일차측 에너지를 낭비 없이 이차측에 전달함으로써 전력 변환 효율을 높이고, 또한 이차 코일의 기전력이 작은 범위에서도 전류의 출력이 가능함으로 인해 역률도 양호하게 할 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 절연형 스위칭 전원 공급 장치의 실시예의 회로예를 개략적으로 나타낸 도면으로, (a)는 제 1 그룹 FET의 온 기간의 전류를, (b)는 제 1 그룹 FET의 오프 기간의 전류를 함께 나타내고 있다.
도 2는 도 1의 회로예에 있어서, (a)는 제 2 그룹 FET의 온 기간의 전류를, (b)는 제 2 그룹 FET의 오프 기간의 전류를 함께 나타내고 있다.
도 3은 도 1 및 도 2에 나타낸 각 전류의 타이밍 차트의 일례를 모식적으로 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명에 따른 스위칭 전원 공급 장치의 변압기의 일차측의 다른 구성예를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명에 따른 스위칭 전원 공급 장치의 변압기의 일차측의 또 다른 구성예를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 6은 본 발명에 따른 스위칭 전원 공급 장치의 변압기의 이차측의 또 다른 구성예를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 7은 본 발명에서의 변압기의 바람직한 예를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 8은 종래의 포워드 방식의 절연형 스위칭 전원 공급 장치의 일례를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 9는 도 8의 회로의 개략적인 타이밍도이다.

이하, 예로서 나타낸 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명한다. 본 발명의 절연 스위칭 전원 공급 장치는 원 컨버터 방식을 타겟으로 하고 있다. 그 전형적인 입력 전압은 정현파의 교류 전압을 정류한 것이다. 그러나, 본 발명의 절연형 스위칭 전원 공급 장치는 입력 전압이 정현파 이외의 사각파 또는 삼각파의 전압, 또는 일정 전압일 때도 동일하게 기능하는 것이다.

(1) 제 1 실시예

(1-1) 제 1 실시예의 회로예

도 1(a)는 본 발명의 절연형 스위칭 전원 공급 장치의 실시예의 회로예를 개략적으로 나타낸 도면이다. 도 1(a)에는 제 1 그룹 FET의 온 기간의 전류도 함께 나타내고 있는데, 이에 대해서는 후술한다. 상술한 도 8의 종래 포워드 방식의 절연형 스위칭 전원 공급 장치와 동일 또는 유사한 구성 요소에는 동일 또는 유사한 부호를 붙이고 있다.

도 1의 절연형 스위칭 전원 공급 장치는 교류 전압을 전파 정류한 입력 전압이 입력단자(1, 2)에 입력된다. 여기에서의 교류 전압은 예를 들면, 계통 전원의 50Hz 또는 60Hz 또는 각종 발전장치에서 생성되는 수 Hz 내지 수십 Hz 정도의 주파수를 갖는 정현파이다. 그러나, 입력 전압의 파형은 정현파에 한정되지 않고, 양전위의 임의의 파형으로 할 수 있다.

변압기(T)는 일차 코일(N1)과 이차 코일(N2)이 같은 극성으로 감겨진 포워드 변압기이다(코일의 와인딩 시작단을 검은 동그라미로 표시). 변압기(T)의 일차측에는 입력 전압에 의해 일차 코일(N1)에 흐르는 전류를 도통 또는 차단하기 위해 각각 온/오프 제어되는 복수의 스위칭 소자, 여기에서는 MOSFET을 갖는 스위칭부가 마련되어 있다.

도 1의 구성예에서는, 스위칭부는 스위칭 소자로서 4개의 N채널 MOSFET(이하, 단순히 "FET"라 함)(Q1~Q4)를 가지며. 기본적으로 풀브리지 회로를 구성하고 있다. 풀브리지 회로는 대출력의 스위칭 전원 공급 장치에 적합하다. 또한, 각 FET에 인가되는 전압은 단일 FET에 의한 스위칭부의 절반이 된다. FET(Q1)과 FET(Q4)가 동시에 온/오프 제어되는 제 1 그룹을 구성하고, FET(Q2)과 FET(Q3)가 동시에 온/오프 제어되는 제 2 그룹을 구성한다. 각 FET는 게이트에 인가되는 제어전압에 의해 온/오프 제어된다. 그 제어전압의 주파수는 입력 교류의 주파수보다 높은 수십 kH 내지 수백 kH이다.

플러스 입력단자(1)와 일차 코일(N1)의 일단 사이에 FET(Q1)가 직렬로 연결되어 있다. 일차 코일(N1)의 타단과 마이너스 입력단자(2) 사이에, 역류 방지 다이오드(D1)와 FET(Q4)가 직렬로 연결되어 있다. 기본적인 풀브리지 회로와는 달리, 역류 방지 다이오드(D1)가 삽입되어 있다. 역류 방지 다이오드(D1)의 극성은 FET(Q1) 및 FET(Q4)의 바디 다이오드의 극성과는 반대 방향이다.

마찬가지로, 플러스 입력단자(1)와 일차 코일(N1)의 타단 사이에 FET(Q2)가 직렬로 연결되어 있다. 일차 코일(N1)의 일단과 마이너스 입력단자(2) 사이에 역류 방지 다이오드(D2)와 FET(Q3)가 직렬로 연결되어 있다. 기본적인 풀브리지 회로와는 달리, 역류 방지 다이오드(D2)가 삽입되어 있다. 역류 방지 다이오드(D2)의 극성은 FET(Q2) 및 FET(Q3)의 바디 다이오드의 극성과는 반대 방향이다.

다른 예로서, 역류 방지 다이오드(D1)는 도 1에 나타낸 위치 이외에, a점 → FET(Q1) → 일차 코일(N1) → FET(Q4) → b점의 전류 경로 중 어느 하나의 위치에 직렬로 삽입할 수 있다. 마찬가지로, 역류 방지 다이오드(D2)는 도 1에 나타낸 위치 이외에, a점 → FET(Q2) → 일차 코일(N1) → FET(Q3) → b점의 전류 경로 중 어느 하나의 위치에 직렬로 삽입할 수 있다.

바꿔말하면, 역류 방지 다이오드(D1)는 제 1 그룹의 FET의 온 기간 전류가 오직 한 방향으로 흐르는 전류 경로 상에 직렬로 삽입되고, 한편, 역류 방지 다이오드(D2)는 제 2 그룹의 FET의 온 기간 전류가 오직 한 방향으로 흐르는 전류 경로 상에 삽입되는 것이 바람직하다. 어느 경우든, 역류 방지 다이오드(D1, D2)의 극성은 각 FET의 바디 다이오드와는 반대 방향으로 한다.

또한, 입력단자(1)와 a점 사이, 또는 입력단자(2)와 b점 사이의 전류 경로에 다이오드를 삽입한 경우도 역류 방지 기능을 갖는데, 이들 전류 경로에 삽입된 역류 방지 다이오드는 FET가 온에서 오프가 되었을 때에 회복 전류(recovery current)를 발생하는 점에서 불리하다. 단, 퍼스트 리커버리 다이오드(FRD), 실리콘 카바이트(SIC)를 사용한 쇼트 키 다이오드 등을 사용한 경우에는 이들 입력 라인의 전류 경로에 역류 방지 다이오드를 삽입하는 것도 가능하다.

변압기(T)의 이차측에는 정류부 및 그 후단의 평활부가 배치되어 있다. 도 1의 구성예에서의 정류부는 4개의 다이오드(D3 내지 D6)로 이루어진 브리지 정류 회로를 기본으로 하는 형태이다. 제 1 쌍의 플러스측 다이오드(D3)와 마이너스측 다이오드(D5)가 직렬로 연결되고, 제 2 쌍의 플러스측 다이오드(D4)와 마이너스측 다이오드(D6)가 직렬로 연결되어 있다. 직렬 연결된 제 1 쌍의 다이오드(D3, D5)의 연결점은 이차 코일(N2)의 일단에 연결되고, 직렬 연결된 제 2 쌍의 다이오드(D4, D6)의 연결점은 이차 코일(N2)의 타단에 연결되어 있다.

통상적인 브리지 정류 회로와는 달리, 도 1의 구성예에서는 플러스측 다이오드(D3, D4)의 캐소드가 서로 연결되어 있지 않다. 한쪽의 플러스측 다이오드(D3)의 캐소드는 제 1 리액터(L1)의 일단에 연결되고, 다른쪽 플러스측 다이오드(D4)의 캐소드는 제 2 리액터(L2)의 일단에 연결되어 있다. 제 1 리액터(L1)와 제 2 리액터(L2) 각각의 인덕턴스는 실질적으로 동일한 값으로 한다.

제 1 리액터(L1) 및 제 2 리액터(L2) 각각의 타단은 평활 캐패시터(C)의 양극단에 연결되어 있으며, 이 점은 플러스 출력단자(p)이기도 하다.

또한, 2개의 마이너스측 다이오드(D5, D6) 각각의 애노드는 평활 캐패시터(C)의 음극단에 연결되어 있으며, 이 점은 마이너스 출력단자(n)이기도 하다.

(1-2) 제 1 실시예의 동작

도 1 내지 도 3을 참조하여 제 1 실시예에 따른 회로의 동작을 설명한다.

도 1(a)는 제 1 그룹 FET의 온 기간의 전류를 화살표가 달린 실선으로, (b)는 제 1 그룹 FET의 오프 기간의 전류를 화살표가 달린 점선으로 나타내고 있다.

도 2(a)는 제 2 그룹 FET의 온 기간의 전류를 화살표가 달린 실선으로, (b)는 제 2 그룹 FET의 오프 기간의 전류를 화살표가 달린 점선으로 나타내고 있다.

도 3은 도 1과 도 2에 나타낸 각 전류의 타이밍 차트의 일례를 모식적으로 나타낸 도면이다.

<제 1 그룹 FET의 온/오프 제어에 의한 동작>

도 1 (a) 및 도 3을 참조하면 다음과 같다. 제 1 그룹의 FET(Q1, Q4)가 온이 되면, 일차 코일(N1)에 전류(i1)가 흐른다(도 3(c) 참조). 이 전류(i1)는 역류 방지 다이오드(D1)의 순방향으로 흐른다. 일차 코일에 전류(i1)가 흐르는 결과로서, 상호 유도에 의해 이차 코일(N2)에 기전력(전압을 의미함)이 발생하며, 전류(i2)가 흐른다. 전류(i2)는 다이오드(D6) → 이차 코일(N2) → 다이오드(D3) → 리액터(L1)의 경로로 흐르며, 출력단자(p)로부터 출력되어 부하에 공급된다(도 3 (d)(e) 참조). 전류(i2)는 변압기(T)의 상호 유도에 의한 포워드 전류이다. 전류(i2)에 의해 제 1 리액터(L1)는 여자되어 자기 에너지가 축적된다. 다이오드(D4, D5)는 역방향 바이어스가 되기 때문에 전류가 흐르지 않는다.

여기서, 정상(定常) 상태에서의 평활 캐패시터(C)는 리플 변동을 제외하고 거의 일정한 전압으로 충전되어 있다. 따라서, 전류(i2)는 이차 코일(N2)의 기전력이 평활 커패시터의 전압을 초과했을 때에만 흐른다. 입력단자(1, 2)에, 예를 들면 정현파의 입력 전압이 인가되는 경우, 입력 전압이 작은 범위에서는 이차 코일(N2)의 기전력도 작기 때문에, 포워드 전류(i2)는 출력단자(p, n)에 출력되지 않는다. 이는 포워드 동작의 특징이며, 역률을 저하시키게 된다. 이것이 종래 역률 개선 기능을 갖춘 원 컨버터로서 포워드 방식이 채용되지 않은 이유이다.

이어, 도 1 (b) 및 도 3을 참조한다. 제 1 그룹의 FET(Q1, Q4)가 오프가 되면, 일차 코일(N1)의 전류(i1)가 차단되고, 일차 코일(N1) 및 이차 코일(N2)에 역기전력이 발생한다. 일차 코일(N1)의 역기전력은 FET(Q2, Q3)의 바디 다이오드에 대해 순방향 바이어스인데, 역류 방지 다이오드(D2)가 전류 경로에 삽입되어 있기 때문에 전류는 흐르지 않는다. 즉, 상술한 도 8의 통상적인 풀브리지 회로와는 달리, 입력측으로의 환류는 저지된다. 그 결과, 통상적인 풀브리지 회로에서는 입력측으로 반환되는 에너지가 변압기(T)에 머문다.

한편, 이차 코일(N2)의 역기전력에 의해, 와인딩 시작단이 저전위, 와인딩 끝단이 고전위가 된다. 제 1 리액터(L1)는 온 기간과 같은 방향의 전류를 유지하려고 하므로, 다이오드(D5) → 다이오드(D3) → 리액터(L1)의 경로로 전류(i3)가 흐르고, 출력단자(p)로 출력되어 부하에 공급된다(도 3 (d)(e) 참조). 이로써, 온 기간에 제 1 리액터(L1)에 축적된 자기 에너지가 방출된다. 다이오드(D6)는 역방향 바이어스가 된다.

또한, 이차 코일(N2)의 역기전력에 의해, 다이오드(D4)가 순방향 바이어스가 되며, 다이오드(D5) → 이차 코일(N2) → 다이오드(D4) → 리액터(L2)의 경로로 전류(ifb)가 흐르고, 출력단자(p)로 출력되어 부하에 공급된다(도 3 (d)(f) 참조). 전류(ifb)는 변압기(T)의 상호 유도에 의한 것이 아니라, 일차측 역류 방지 다이오드(D2)에 의해 환류가 저지되었기 때문에 변압기(T)에 머물던 자기 에너지의 방출에 의한 것이다. 따라서, 전류(ifb)는 플라이 백 전류라고 할 수 있다.

플라이 백 전류(ifb)는 포워드 전류(i2)와는 달리, 입력 전압이 작아 이차 코일(N2)에 발생하는 역기전력이 작을 때일지라도, 역기전력의 크기에 따른 크기로 출력단자(p)로 출력된다. 따라서, 예를 들면 정현파의 입력 전압인 경우, 입력 전압이 작은 범위에서도 플라이 백 전류(ifb)가 흐름으로써 역률이 개선된다. 본 회로는 기본적으로 포워드 형식인데, 플라이 백 전류(ifb)도 흐를 수 있으므로 역률 개선 기능을 갖추고 있다. 이는 일차측에 역류 방지 다이오드(D2)를 마련함으로써 구현되고 있다.

도 8의 통상적인 풀브리지 회로에서는 오프시 입력측으로의 환류가 변압기(T)의 자기 리셋의 역할을 하고 있었지만, 본 회로에서는 입력측으로의 환류가 없는 대신에 이차 코일에 플라이 백 전류(ifb)가 흐름으로써, 변압기(T)의 자기 리셋이 이루어진다. 따라서, 본 회로에 있어서도 변압기(T)의 자기 포화를 피할 수 있다.

<제 2 그룹의 FET의 온/오프 제어에 의한 동작>

이어, 도 2 (a) 및 도 3을 참조한다. 제 2 그룹의 FET(Q2, Q3)는 제 1 그룹의 FET(Q1, Q4)가 오프가 되고나서 일정한 간격을 두고 온이 된다. 제 2 그룹의 FET(Q2, Q3)가 온이 되면, 일차 코일(N1)에 전류(i4)가 흐른다(도 3(c) 참조). 이 전류(i4)는 역류 방지 다이오드(D2)의 순방향으로 흐른다. 일차 코일(N1)에서의 전류(i4)의 방향은 제 1 그룹 FET의 온 기간의 전류(i1)와는 반대이다.

일차 코일에 전류(i4)가 흐르는 결과로서, 상호 유도에 의해 이차 코일(N2)에 기전력이 발생하고, 전류(i5)가 흐른다. 전류(i5)는 다이오드(D5) → 이차 코일(N2) → 다이오드(D4) → 리액터(L2)의 경로로 흐르고, 출력단자(p)로부터 출력되어 부하에 공급된다(도 3 (d)(f) 참조). 전류(i5)는 변압기(T)의 상호 유도에 의한 포워드 전류이다. 이에 따라 제 2 리액터(L2)는 여자되어 자기 에너지가 축적된다. 다이오드(D3, D6)는 역 바이어스가 되기 때문에 전류가 흐르지 않는다.

상술한 바와 같이, 입력단자(1, 2)에, 예를 들면 정현파의 입력 전압이 인가되는 경우, 입력 전압이 작은 범위에서는 이차 코일(N2)의 기전력도 작기 때문에, 포워드 전류(i5)는 출력되지 않는다.

이어, 도 2 (b) 및 도 3을 참조한다. 제 2 그룹의 FET(Q2, Q3)가 오프가 되면, 일차 코일(N1)의 전류(i4)가 차단되고, 일차 코일(N1) 및 이차 코일(N2)에 역기전력이 발생한다. 일차 코일(N1)의 역기전력은 FET(Q1, Q4)의 바디 다이오드에 대해 순방향 바이어스인데, 역류 방지 다이오드(D1)가 전류 경로에 삽입되어 있기 때문에 전류는 흐르지 않는다. 그 결과, 에너지가 변압기(T)에 머문다.

한편, 이차 코일(N2)의 역기전력에 의해, 와인딩 시작단이 고전위, 와인딩 끝단이 저전위가 된다. 제 2 리액터(L2)는 온 기간의 전류를 유지하려고 하므로, 다이오드(D6) → 다이오드(D4) → 리액터(L2)의 경로로 전류(i6)가 흐르며, 출력단자(p)로 출력되어 부하에 공급된다(도 3 (d)(f) 참조). 이로써, 온 기간에 제 2 리액터(L2)에 축적된 자기 에너지가 방출된다. 다이오드(D5)는 역방향 바이어스가 된다.

또한, 이차 코일(N2)의 역기전력에 의해, 다이오드(D3)가 순방향 바이어스가 되며, 다이오드(D6) → 이차 코일(N2) → 다이오드(D3) → 리액터(L1)의 경로로 전류(ifb)가 흐르고, 출력 단자(p)로 출력되어 부하에 공급된다(도 3 (d)(e) 참조). 전류(ifb)는 변압기(T)의 상호 유도에 의한 것이 아니라, 일차측 역류 방지 다이오드(D1)에 의해 환류가 저지되었기 때문에 변압기(T)에 머물렀던 자기 에너지의 방출에 의한 플라이 백 전류이다. 상술한 바와 같이, 전류(ifb)는 이차 코일(N2)의 역기전력의 크기에 상관없이 출력되기 때문에, 역률이 개선된다.

도 3 (e)(f)에서는 제 1 리액터(L1) 및 제 2 리액터(L2)에 각각 흐르는 플라이 백 전류(ifb)의 끝 부분이 다음 온 기간의 포워드 전류(i2, i5)의 라이징 부분과 겹치는 연속 모드로 되어 있다. 이는 일례이며, 이 부분이 겹치지 않는 불연속 모드일 수도 있다.

(2) 변압기 일차측의 다른 실시예

도 4는 도 1의 회로에서의 일차측 스위칭부의 다른 구성예이다. 이차측 회로는 도시를 생략하지만, 도 1의 구성예와 동일할 수도 있다. 도 4의 구성예는 푸시풀 회로를 기본으로 한다. 푸시풀 회로에서는 일차 코일을 제 1 이차 코일(N11)과 제2 이차 코일(N12)의 두 부분으로 분할하여 사용한다. 이 경우, 복수의 FET의 제 1 그룹은 FET(Q1)만을 포함하고, 제 2 그룹은 FET(Q2)만을 포함한다. FET(Q1)과 FET(Q2)는 같은 길이의 온 기간에서 교대로 일정한 간격을 두고 온/오프 제어된다. 각 FET와 일차 코일(N11, N12) 사이에, 각 FET의 바디 다이오드에 대해 역방향으로 직렬 연결된 역류 방지 다이오드(D1, D2)가 삽입 배치되어 있다. 회로 동작에 대해서는 일차측 및 이차측 모두 도 1의 회로와 동일하다.

도 5는 도 1의 회로에서의 일차측 스위칭부의 또 다른 구성예이다. 이차측 회로는 도시를 생략하지만, 도 1의 구성예와 동일할 수도 있다. 도 5의 구성예는 하프브리지 회로를 기본으로 한다. 하프브리지 회로에서는 복수의 FET의 제 1 그룹은 FET(Q1)만을 포함하고, 제 2 그룹은 FET(Q2)만을 포함한다. FET(Q1)과 FET(Q2)는 같은 길이의 온 기간에서 교대로, 일정한 간격을 두고 온/오프 제어된다. 각 FET와 일차 코일 사이에, 각 FET의 바디 다이오드에 대해 역방향으로 직렬 연결된 역류 방지 다이오드(D1, D2)가 삽입 배치되어 있다. 회로 동작에 대해서는 일차측 및 이차측 모두 도 1의 회로와 마찬가지이다.

(3) 변압기 이차측의 다른 실시예

도 6은 도 1의 회로에서의 이차측 정류부 및 평활부의 다른 구성예이다. 도 6의 구성예에서의 정류부도 도 1과 마찬가지로 4개의 다이오드(D3~D6)로 이루어진 브리지 정류 회로를 기본으로 하는 형태이다. 제 1 쌍의 플러스측 다이오드(D3)와 마이너스측 다이오드(D5)가 직렬로 연결되고, 제 2 쌍의 플러스측 다이오드(D4)와 마이너스측 다이오드(D6)가 직렬로 연결되어 있다. 직렬 연결된 제 1 쌍의 다이오드(D3, D5)의 연결점은 이차 코일(N2)의 일단에 연결되며, 직렬 연결된 제 2 쌍의 다이오드(D4, D6)의 연결점은 이차 코일(N2)의 타단에 연결되어 있다.

도 6의 구성예에서는 마이너스측 다이오드(D5, D6)의 애노드가, 통상적인 브리지 정류 회로와는 달리 서로 연결되어 있지 않다. 한쪽의 마이너스측 다이오드(D5)의 애노드는 제 1 리액터(L1)의 일단에 연결되고, 다른쪽의 마이너스측 다이오드(D6)의 애노드는 제 2 리액터(L2)의 일단에 연결되어 있다. 제 1 리액터(L1)와 제 2 리액터(L2) 각각의 인덕턴스는 실질적으로 동일한 값으로 한다.

제 1 리액터(L1) 및 제 2 리액터(L2) 각각의 타단은 평활 캐패시터(C)의 음극단에 연결되어 있으며, 이 점은 마이너스 출력단자(n)이기도 하다.

또한, 2개의 플러스 다이오드(D3, D4) 각각의 캐소드는 평활 캐패시터(C)의 양극단에 연결되어 있으며, 이 점은 플러스 출력단자(p)이기도 하다.

본 발명의 절연형 스위칭 전원 공급 장치의 이차측 회로는 도 1 및 도 6에 나타낸 회로 이외에도 다양하게 구성할 수 있다. 이차측 회로는 기본적으로 포워드 형식으로 구성하는 것이 바람직하다. 온 기간에 포워드 전류가 흐르고, 오프 기간에 외장 리액터의 자기 에너지를 방출하는 리액터 전류가 흐르는 동시에, 이차 코일에 발생하는 역기전력에 의해 플라이 백 전류가 흐를 수 있는 구성을 구비하고 있으면 된다. 도 8에 나타낸 종래의 포워드 방식의 이차측 회로도 채용될 수 있다. 이차 코일에 흐르는 플라이 백 전류는 일차측 스위칭부에 역류 방지 다이오드를 마련함으로써 변압기(T)에 머물던 자기 에너지가 방출되는 데에 따른 것이다.

(4) 변압기의 구성

도 7은 본 발명의 절연형 스위칭 전원 공급 장치에서 사용하는 변압기(T)의 바람직한 예를 나타낸 단면도이다.

변압기(T)의 코어는 기본형으로는 중앙다리(11)와 2개의 외측 다리(12, 12)를 갖는 E형 코어(10)와, I형 코어(20)를 맞대어 형성된 EI형 코어이다. 2개의 외측 다리(12, 12)의 각 끝면과 I형 코어(20) 사이에 갭(14, 14)을 각각 마련하는 것이 바람직하다. 갭(14, 14)을 마련함으로써, 투자율을 작게 하여 자기 포화를 피할 수 있다.

또한, 중앙다리(11)에 일차 코일(N1)과 이차 코일(N2)이 긴밀하게 결합되도록 중첩감기되어 있다. 중앙다리(11)와 I형 코어(20) 사이에는 갭은 없다. 일반적으로 갭의 부위에서는 자속이 누설되기 쉽지만, 이 변압기(T)에서는 일차 코일(N1)과 이차 코일(N2)의 주위에는 자속이 누설되기 쉬운 갭이 없으며, 갭(14, 14)은 각 코일로부터 멀리 떨어진 위치에 마련되어 있다. 이로써 일차 코일(N1)과 이차 코일(N2)의 긴밀한 결합(tight coupling)을 확보할 수 있으며, 높은 전력 변환 효율을 유지할 수 있다.

(5) 요약

본 발명의 절연형 스위칭 전원 공급 장치는 기본적으로 포워드 방식의 동작을 가짐으로써 대출력에 적용가능한 동시에, 플라이 백 전류가 흐름으로써 역률이 개선된다. 따라서, 대출력의 원 컨버터 방식의 절연형 스위칭 전원 공급 장치로서 적합하다. 역률 개선 기능을 구비하며 또한 회로의 구성을 간소화할 수 있는 동시에, 절연형이기 때문에 안전성이 확보된다.

도 1, 도 4 및 도 5에 나타낸 바와 같이, 변압기의 일차측에서 2개의 MOSFET 그룹을 교대로 스위칭함으로써, 단일 스위칭 소자를 스위칭하는 경우에 비해 대출력을 얻을 수 있다. 또한, 상술한 각 실시예에 있어서, 스위칭부에서의 스위칭 소자는 MOSFET 이외에 IGBT 또는 바이폴라 트랜지스터일 수도 있다.

또한, 스위칭부에 마련한 역류 방지 다이오드는 입력측으로의 환류를 방지할 목적이므로 FET를 사용할 수도 있다. 그 경우, 역류 방지 FET는 환류 저지 대상의 대응하는 FET와 동일한 타이밍으로 온/오프 제어되는데, 역류 방지 FET의 바디 다이오드는 대응하는 FET의 바디 다이오드와는 반대 방향이 되도록 연결된다. 본 명세서에서는, 이들 역류 방지 다이오드 및 역류 방지 FET를 통합하여 '역류 방지 소자'라고 칭한다.

또한, 도 1 및 도 6에 나타낸 바와 같이, 변압기의 이차측에서, 통상적인 포워드 방식에서의 리액터를 병렬적인 2회로로 분할함으로써, 전류 공급 능력이 증가하는 동시에, 일차측 구동 부담이 경감된다. 또한, 이차측 회로 구성에서의 다이오드는 동등한 기능을 갖는 정류 소자로 대체할 수 있으며, 그러한 정류 소자도 다이오드의 개념에 포함되는 것으로 한다.

이상 설명한 본 발명의 절연형 스위칭 전원 공급 장치는 도시한 구성예에 한정되지 않으며, 본 발명의 주된 취지에 따른 범위에서 다양한 변형이 가능하다.

p : 플러스 출력단
n : 마이너스 출력단
T : 변압기
N1, N11, N12 : 일차 코일
N2 : 이차 코일
Q1, Q2, Q3, Q4 : MOSFET
D1, D2 : 역류 방지 다이오드
D3 내지 D6 : 다이오드
L1 : 제 1 리액터
L2 : 제 2 리액터
C : 평활 캐패시터

Claims

일차 코일과 이차 코일을 갖는 변압기와;
입력 전압에 의해 상기 일차 코일에 흐르는 전류를 도통 또는 차단하기 위해 각각 온/오프 제어되는 복수의 스위칭 소자를 갖는 스위칭부와;
상기 이차 코일에 연결된 정류부와;
상기 정류부에 연결되고 또한 적어도 하나의 리액터와 평활 캐패시터를 포함하는 평활부;를 갖는 절연형 스위칭 전원 공급 장치에 있어서,
상기 스위칭부에서 상기 스위칭 소자가 온에서 오프가 되었을 때에 상기 스위칭 소자를 통하여 상기 일차 코일에 흐르는 전류를 저지하기 위해, 상기 스위칭 소자에 직렬 연결된 역류 방지 소자를 갖는 것을 특징으로 하는 절연형 스위칭 전원 공급 장치.
제 1 항에 있어서,
상기 스위칭부에서의 복수의 스위칭 소자는, 적어도 하나의 스위칭 소자를 포함하는 제 1 그룹과, 적어도 하나의 스위칭 소자를 포함하는 제 2 그룹으로 이루어지며, 상기 제 1 그룹과 상기 제 2 그룹의 스위칭 소자는, 동일한 길이의 온 기간에서 교대로 일정한 간격을 두고 온/오프 제어되는 것을 특징으로 하는 절연형 스위칭 전원 공급 장치.
제 2 항에 있어서,
상기 역류 방지 소자는, 상기 제 1 그룹의 스위칭 소자의 온 기간의 전류가 오직 한 방향으로 흐르는 전류 경로, 및 상기 제 2 그룹의 스위칭 소자의 온 기간의 전류가 오직 한 방향으로 흐르는 전류 경로 상에 각각 직렬 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 절연형 스위칭 전원 공급 장치.
제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 스위칭부는 풀브리지 회로, 푸시풀 회로 또는 하프브리지 회로 중 어느 하나를 기본 구성으로 하는 것을 특징으로 하는 절연형 스위칭 전원 공급 장치.
제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제 1 그룹 및 상기 제 2 그룹의 스위칭 소자 각각의 온 기간에 상기 일차 코일에 전류가 흐르는 동시에 상기 이차 코일에 포워드 전류가 흐르고, 또한, 상기 스위칭 소자가 온에서 오프가 되어 상기 일차 코일의 전류가 차단되었을 때, 상기 일차 코일에 발생한 역기전력에 의한 전류가 상기 역류 방지 소자에 의해 저지되는 동시에 상기 이차 코일에 발생한 역기전력에 의해 상기 이차 코일에 플라이 백 전류가 흐르도록 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 절연형 스위칭 전원 공급 장치.
제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 정류부는 2쌍의 직렬 연결된 플러스측 다이오드와 마이너스측 다이오드를 가지며, 직렬 연결된 각 쌍의 다이오드의 연결점이 이차 코일의 각 단과 각각 연결되어 있고,
2개의 상기 플러스측 다이오드 각각의 캐소드에 2개의 리액터 각각의 일단이 각각 연결되는 동시에, 2개의 상기 리액터 각각의 타단이 상기 평활 캐패시터의 양극단에 연결되어 있으며, 또한,
2개의 상기 마이너스측 다이오드 각각의 애노드가 상기 평활 캐패시터의 음극단에 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 절연형 스위칭 전원 공급 장치.
제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 정류부는 2쌍의 직렬 연결된 플러스측 다이오드와 마이너스측 다이오드를 가지며, 직렬 연결된 각 쌍의 다이오드의 연결점이 이차 코일의 각 단과 각각 연결되어 있고,
2개의 상기 플러스측 다이오드 각각의 애노드에 2개의 리액터 각각의 일단이 각각 연결되는 동시에, 2개의 상기 리액터 각각의 타단이 상기 평활 캐패시터의 음극단에 연결되어 있으며, 또한,
2개의 상기 플러스측 다이오드 각각의 캐소드가 상기 평활 캐패시터의 양극단에 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 절연형 스위칭 전원 공급 장치.