KR20210010015A - 전자 장치 및 전원 공급 장치 - Google Patents

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KR20210010015A
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김영수
윤영남
정성범
최신욱
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Abstract

역률을 보정하기 위한 별도의 회로 구성을 포함하지 않으면서도, 컨버터 자체가 역률 보정 기능을 제공할 수 있는 전원 공급 장치 및 이를 포함하는 전자 장치를 제공한다.
일 실시예에 따른 전원 공급 장치는, 복수의 스위칭 소자를 포함하고, 정류된 전원을 공급받는 스위칭부; 상기 스위칭부로부터 제1 전원을 공급받고, 상기 제1 전원을 변압하는 변압부; 제1 스위칭 소자 및 제2 스위칭 소자를 포함하고, 상기 변압부로부터 변압된 제1 전원을 공급받고, 미리 설정된 기준 전압을 추종하는 출력 전압을 출력하는 출력부; 및 상기 정류된 전원의 피크 전압에 기초하여 풀 브릿지(full bridge) 모드 또는 하프 브릿지(half bridge) 모드 중 어느 하나로 동작하도록 상기 스위칭부를 제어하고, 상기 출력 전압에 기초하여 상기 스위칭부의 스위칭 주파수를 조정하고, 상기 출력 전압에 기초하여 상기 제1 스위칭 소자 및 상기 제2 스위칭 소자 각각의 스위칭을 제어하고, 상기 정류된 전원에 기초하여 상기 제1 스위칭 소자 및 상기 제2 스위칭 소자 각각의 듀티비(duty ratio)를 조정하는 제어부;를 포함한다.

Description

전자 장치 및 전원 공급 장치{ELECTRONIC DEVICE AND POWER SUPPLY}
본 발명은 역률을 보정하면서 전압을 승압하는 전원 공급 장치 및 이를 포함하는 전자 장치에 관한 것이다.
일반적으로, 전원 공급 장치는, 전압과 전류의 위상차에 따라 발생하는 무효 전력을 방지하기 위하여 역률을 보정하는 별도의 회로 구성을 포함한다.
즉, 전원 공급 장치는, 교류 전원을 직류 전원으로 변환하는 컨버터에 역률을 보정하기 위한 별도의 회로 구성을 포함할 수 있다.
이 때, 역률을 보정하기 위한 회로 구성은, 복수의 인덕터를 필요로 하는 등 복수의 소자를 요하는 바, 전원 공급 장치의 부피가 커지며, 재료비가 상승할 수 있다. 또한, 복수의 소자의 동작에 따라 전원 공급 장치의 발열이 문제될 수 있다.
역률을 보정하기 위한 별도의 회로 구성을 포함하지 않으면서도, 컨버터 자체가 역률 보정 기능을 제공할 수 있는 전원 공급 장치 및 이를 포함하는 전자 장치를 제공한다.
일 실시예에 따른 전원 공급 장치는, 복수의 스위칭 소자를 포함하고, 정류된 전원을 공급받는 스위칭부; 상기 스위칭부로부터 제1 전원을 공급받고, 상기 제1 전원을 변압하는 변압부; 제1 스위칭 소자 및 제2 스위칭 소자를 포함하고, 상기 변압부로부터 변압된 제1 전원을 공급받고, 미리 설정된 기준 전압을 추종하는 출력 전압을 출력하는 출력부; 및 상기 정류된 전원의 피크 전압에 기초하여 풀 브릿지(full bridge) 모드 또는 하프 브릿지(half bridge) 모드 중 어느 하나로 동작하도록 상기 스위칭부를 제어하고, 상기 출력 전압에 기초하여 상기 스위칭부의 스위칭 주파수를 조정하고, 상기 출력 전압에 기초하여 상기 제1 스위칭 소자 및 상기 제2 스위칭 소자 각각의 스위칭을 제어하고, 상기 정류된 전원에 기초하여 상기 제1 스위칭 소자 및 상기 제2 스위칭 소자 각각의 듀티비(duty ratio)를 조정하는 제어부;를 포함한다.
상기 제어부는, 시간에 따라 상기 정류된 전원의 전압 크기가 증가하는 경우, 상기 제1 스위칭 소자 및 상기 제2 스위칭 소자 모두가 온이 되는 시간이 짧아지도록 상기 듀티비를 감소시키고, 시간에 따라 상기 정류된 전원의 전압 크기가 감소하는 경우, 상기 제1 스위칭 소자 및 상기 제2 스위칭 소자 모두가 온이 되는 시간이 길어지도록 상기 듀티비를 증가시킬 수 있다.
상기 제어부는, 부하의 상태에 따라 상기 정류된 전원의 전류 크기가 증가하는 경우, 상기 제1 스위칭 소자 및 상기 제2 스위칭 소자 모두가 온이 되는 시간이 길어지도록 상기 듀티비를 증가시키고, 부하의 상태에 따라 상기 정류된 전원의 전류 크기가 감소하는 경우, 상기 제1 스위칭 소자 및 상기 제2 스위칭 소자 모두가 온이 되는 시간이 짧아지도록 상기 듀티비를 감소시킬 수 있다.
상기 제어부는, 상기 정류된 전원의 전류 크기와 상기 정류된 전원의 전압 크기에 미리 설정된 계수를 곱한 값 사이의 차이 값에 미리 설정된 오프셋을 더하여 상기 제1 스위칭 소자 및 상기 제2 스위칭 소자 각각의 듀티비를 조정할 수 있다.
상기 변압부는, 상기 스위칭부와 연결된 라인에 마련된 공진 캐패시터;를 포함하고, 상기 제어부는, 상기 스위칭부와 연결된 라인 측의 누설 인덕턴스 및 상기 공진 캐패시터 사이의 공진 주파수를 상기 스위칭부의 스위칭 주파수로 결정할 수 있다.
상기 제어부는, 상기 출력부를 통하여 출력되는 출력 전압이 상기 미리 설정된 기준 전압 보다 낮아지는 경우, 상기 결정된 스위칭 주파수를 감소시키고, 상기 출력부를 통하여 출력되는 출력 전압이 상기 미리 설정된 기준 전압 보다 높아지는 경우, 상기 결정된 스위칭 주파수를 증가시킬 수 있다.
상기 스위칭부는, 서로 직렬로 연결된 한 쌍의 스위칭 소자 및 서로 직렬로 연결된 다른 한 쌍의 스위칭 소자를 포함하고, 상기 한 쌍의 스위칭 소자는, 상단에 위치하는 제3 스위칭 소자 및 하단에 위치하는 제4 스위칭 소자를 포함하고, 상기 다른 한 쌍의 스위칭 소자는, 상기 한 쌍의 스위칭 소자와 병렬로 연결되고, 상단에 위치하는 제5 스위칭 소자 및 하단에 위치하는 제6 스위칭 소자를 포함하고, 상기 제어부는, 상기 스위칭부의 스위칭 주파수에 기초하여 상기 제3 스위칭 소자 및 상기 제4 스위칭 소자가 교차적으로 온 되도록 상기 제3 스위칭 소자 및 상기 제4 스위칭 소자를 제어할 수 있다.
상기 제어부는, 상기 제3 스위칭 소자가 온에서 오프로 변경되는 지점에서 온이 되도록 상기 제1 스위칭 소자를 제어하고, 상기 제4 스위칭 소자가 온에서 오프로 변경되는 지점에서 온이 되도록 상기 제2 스위칭 소자를 제어할 수 있다.
상기 제어부는, 풀 브릿지 모드로 동작하도록 상기 스위칭부를 제어하는 경우, 상기 제4 스위칭 소자와 동위상이 되도록 상기 제5 스위칭 소자를 제어하면서 상기 제3 스위칭 소자와 동위상이 되도록 상기 제6 스위칭 소자를 제어하고, 하프 브릿지 모드로 동작하도록 상기 스위칭부를 제어하는 경우, 오프(OFF) 되도록 상기 제5 스위칭 소자를 제어하면서 온 되도록 상기 제6 스위칭 소자를 제어할 수 있다.
상기 제어부는, 상기 정류된 전원의 피크 전압의 크기가 증가함에 따라 제1 임계 전압을 초과하는 경우, 풀 브릿지 모드에서 하프 브릿지 모드로 전환하도록 상기 스위칭부를 제어하고, 상기 정류된 전원의 피크 전압의 크기가 감소함에 따라 제2 임계 전압 미만이 되는 경우, 하프 브릿지 모드에서 풀 브릿지 모드로 전환하도록 상기 스위칭부를 제어할 수 있다.
상기 제어부는, 상기 스위칭부의 스위칭 주파수가 증가함에 따라 제1 임계 주파수를 초과하는 경우, 풀 브릿지 모드에서 하프 브릿지 모드로 전환하도록 상기 스위칭부를 제어하고, 상기 스위칭부의 스위칭 주파수가 감소함에 따라 제2 임계 주파수 미만이 되는 경우, 하프 브릿지 모드에서 풀 브릿지 모드로 전환하도록 상기 스위칭부를 제어할 수 있다.
상기 출력부는, 상단에 위치하는 제1 다이오드 및 하단에 위치하는 상기 제1 스위칭 소자를 포함하는 제1 라인과, 상기 제1 라인과 병렬로 연결되고, 상단에 위치하는 제2 다이오드 및 하단에 위치하는 상기 제2 스위칭 소자를 포함하는 제2 라인을 포함하고, 상기 제1 다이오드와 상기 제1 스위칭 소자 사이의 접속점 및 상기 제2 다이오드와 상기 제2 스위칭 소자 사이의 접속점을 통하여 상기 변압부에 연결될 수 있다.
일 실시예에 따른 전자 장치는, 전원을 공급받아 동작을 수행하는 부하; 및 상기 부하에 전원을 공급하는 전원 공급 장치;를 포함하고, 상기 전원 공급 장치는, 복수의 스위칭 소자를 포함하고, 정류된 전원을 공급받는 스위칭부; 상기 스위칭부로부터 제1 전원을 공급받고, 상기 제1 전원을 변압하는 변압부; 제1 스위칭 소자 및 제2 스위칭 소자를 포함하고, 상기 변압부로부터 변압된 제1 전원을 공급받고, 미리 설정된 기준 전압을 추종하는 출력 전압을 출력하는 출력부; 및 상기 정류된 전원의 피크 전압에 기초하여 풀 브릿지(full bridge) 모드 또는 하프 브릿지(half bridge) 모드 중 어느 하나로 동작하도록 상기 스위칭부를 제어하고, 상기 출력 전압에 기초하여 상기 스위칭부의 스위칭 주파수를 조정하고, 상기 출력 전압에 기초하여 상기 제1 스위칭 소자 및 상기 제2 스위칭 소자 각각의 스위칭을 제어하고, 상기 정류된 전원에 기초하여 상기 제1 스위칭 소자 및 상기 제2 스위칭 소자 각각의 듀티비(duty ratio)를 조정하는 제어부;를 포함한다.
상기 제어부는, 상기 정류된 전원의 전류 크기와 상기 정류된 전원의 전압 크기에 미리 설정된 계수를 곱한 값 사이의 차이 값에 미리 설정된 오프셋을 더하여 상기 제1 스위칭 소자 및 상기 제2 스위칭 소자 각각의 듀티비를 조정할 수 있다.
상기 변압부는, 상기 스위칭부와 연결된 라인에 마련된 공진 캐패시터;를 포함하고, 상기 제어부는, 상기 스위칭부와 연결된 라인 측의 누설 인덕턴스 및 상기 공진 캐패시터 사이의 공진 주파수를 상기 스위칭부의 스위칭 주파수로 결정할 수 있다.
상기 제어부는, 상기 출력부를 통하여 출력되는 출력 전압이 상기 미리 설정된 기준 전압 보다 낮아지는 경우, 상기 결정된 스위칭 주파수를 감소시키고, 상기 출력부를 통하여 출력되는 출력 전압이 상기 미리 설정된 기준 전압 보다 높아지는 경우, 상기 결정된 스위칭 주파수를 증가시킬 수 있다.
상기 스위칭부는, 서로 직렬로 연결된 한 쌍의 스위칭 소자 및 서로 직렬로 연결된 다른 한 쌍의 스위칭 소자를 포함하고, 상기 한 쌍의 스위칭 소자는, 상단에 위치하는 제3 스위칭 소자 및 하단에 위치하는 제4 스위칭 소자를 포함하고, 상기 다른 한 쌍의 스위칭 소자는, 상기 한 쌍의 스위칭 소자와 병렬로 연결되고, 상단에 위치하는 제5 스위칭 소자 및 하단에 위치하는 제6 스위칭 소자를 포함하고, 상기 제어부는, 상기 스위칭부의 스위칭 주파수에 기초하여 상기 제3 스위칭 소자 및 상기 제4 스위칭 소자가 교차적으로 온 되도록 상기 제3 스위칭 소자 및 상기 제4 스위칭 소자를 제어할 수 있다.
상기 제어부는, 상기 제3 스위칭 소자가 온에서 오프로 변경되는 지점에서 온이 되도록 상기 제1 스위칭 소자를 제어하고, 상기 제4 스위칭 소자가 온에서 오프로 변경되는 지점에서 온이 되도록 상기 제2 스위칭 소자를 제어할 수 있다.
상기 제어부는, 풀 브릿지 모드로 동작하도록 상기 스위칭부를 제어하는 경우, 상기 제4 스위칭 소자와 동위상이 되도록 상기 제5 스위칭 소자를 제어하면서 상기 제3 스위칭 소자와 동위상이 되도록 상기 제6 스위칭 소자를 제어하고, 하프 브릿지 모드로 동작하도록 상기 스위칭부를 제어하는 경우, 오프(OFF) 되도록 상기 제5 스위칭 소자를 제어하면서 온 되도록 상기 제6 스위칭 소자를 제어할 수 있다.
상기 출력부는, 상단에 위치하는 제1 다이오드 및 하단에 위치하는 상기 제1 스위칭 소자를 포함하는 제1 라인과, 상기 제1 라인과 병렬로 연결되고, 상단에 위치하는 제2 다이오드 및 하단에 위치하는 상기 제2 스위칭 소자를 포함하는 제2 라인을 포함하고, 상기 제1 다이오드와 상기 제1 스위칭 소자 사이의 접속점 및 상기 제2 다이오드와 상기 제2 스위칭 소자 사이의 접속점을 통하여 상기 변압부에 연결될 수 있다.
일 실시예에 따른 전자 장치 및 전원 공급 장치에 의하면, 역률을 보정하기 위한 별도의 회로 구성을 포함하지 않으면서도, 컨버터 자체가 역률 보정 기능을 제공할 수 있어, 역률 보정을 위한 복수의 소자를 삭제할 수 있으며, 이에 따라, 전원 공급 장치의 부피를 줄이고, 발열을 감소시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전원 공급 장치의 제어 블록도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전원 공급 장치의 회로를 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 전원 공급 장치의 등가 회로를 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 전원 공급 장치가 역률을 보정하는 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 전원 공급 장치가 하프 브릿지 모드에서 스위칭 소자를 제어하는 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 전원 공급 장치가 제1 스위칭 소자 및 제2 스위칭 소자의 듀티비를 조정함에 따라 역률이 조정되는 것을 나타내는 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 전원 공급 장치가 제1 스위칭 소자 및 제2 스위칭 소자의 듀티비를 조정하는 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 8 및 도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 전원 공급 장치의 스위칭에 따른 전류 흐름을 나타내는 도면이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 전원 공급 장치의 출력 전압을 나타내는 도면이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 스위칭부의 모드 전환을 설명하기 위한 도면이다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 전자 장치의 제어 블록도이다.
도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 전원 공급 장치의 제어 방법 중 정류된 전원의 전압 크기에 따라 듀비티를 조정하는 경우의 순서도이다.
도 14는 본 발명의 일 실시예에 따른 전원 공급 장치의 제어 방법 중 정류된 전원의 전류 크기에 따라 듀비티를 조정하는 경우의 순서도이다.
도 15는 본 발명의 일 실시예에 따른 전원 공급 장치의 제어 방법 중 스위칭부의 스위칭 주파수를 조정하는 경우의 순서도이다.
도 16은 본 발명의 일 실시예에 따른 전원 공급 장치의 제어 방법 중 스위칭부의 동작 모드를 전환하는 경우의 순서도이다.
본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 개시된 발명의 바람직한 일 예에 불과할 뿐이며, 본 출원의 출원시점에 있어서 본 명세서의 실시예와 도면을 대체할 수 있는 다양한 변형 예들이 있을 수 있다.
본 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 직접적으로 연결되어 있는 경우뿐 아니라, 간접적으로 연결되어 있는 경우를 포함하고, 간접적인 연결은 무선 통신망을 통해 연결되는 것을 포함한다.
또한, 본 명세서에서 사용한 용어는 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 개시된 발명을 제한 및/또는 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "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 않는다.
또한, 본 명세서에서 사용한 "제1", "제2" 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않으며, 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다.
또한, "~부", "~기", "~블록", "~부재", "~모듈" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미할 수 있다. 예를 들어, 상기 용어들은 FPGA(field-programmable gate array) / ASIC(application specific integrated circuit) 등 적어도 하나의 하드웨어, 메모리에 저장된 적어도 하나의 소프트웨어 또는 프로세서에 의하여 처리되는 적어도 하나의 프로세스를 의미할 수 있다.
각 단계들에 붙여지는 부호는 각 단계들을 식별하기 위해 사용되는 것으로 이들 부호는 각 단계들 상호 간의 순서를 나타내는 것이 아니며, 각 단계들은 문맥상 명백하게 특정 순서를 기재하지 않는 이상 명기된 순서와 다르게 실시될 수 있다.
이하에서는 본 발명에 따른 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전원 공급 장치의 제어 블록도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전원 공급 장치의 회로를 나타내는 도면이다.
도 1을 참조하면, 일 실시예에 따른 전원 공급 장치(10)는, 정류된 전원을 공급받는 스위칭부(110)와, 스위칭부(110)로부터 스위칭 주파수에 대응하는 주파수를 갖는 제1 전원을 공급받고, 공급받은 제1 전원을 변압하는 변압부(120)와, 변압부(120)와 연결되고, 복수의 다이오드(D21, D22) 및 복수의 스위칭 소자(M1, M2)를 포함하고, 스위칭 소자(M1, M2)의 스위칭에 따라 미리 설정된 기준 전압을 추종하는 출력 전압을 출력하는 출력부(130)와, 정류된 전원의 전압 크기 및 정류된 전원의 전류 크기에 기초하여 출력부(130)의 스위칭 소자의 듀티비(duty ratio)를 조정하는 제어부(140)를 포함한다.
또한, 전원 공급 장치(10)는, 교류 전원으로 발생하는 전자파 노이즈를 제거하는 EMI(electromagnetic interference) 필터(150)와, 복수의 다이오드(D11, D12, D13, D14)를 풀 브릿지(full bridge) 형태로 포함하여 외부 전원으로부터 인가된 교류 전원을 정류하는 정류부(160)를 포함할 수 있다. 이 때, 정류부(160)는, 실시예에 따라, 정류된 전원의 평활을 위한 제1 캐패시터(C1)를 포함할 수 있다.
일 실시예에 따른 스위칭부(110)는, 정류부(160)로부터 정류된 전원을 공급받고, 복수의 스위칭 소자를 포함할 수 있다.
스위칭부(110)는, 도 2에 도시된 바와 같이, 서로 직렬로 연결된 한 쌍의 스위칭 소자(M3, M4) 및 서로 직렬로 연결된 다른 한 쌍의 스위칭 소자(M5, M6)를 포함한다.
구체적으로, 스위칭부(110)의 한 쌍의 스위칭 소자(M3, M4)는, 접지를 기준으로 상단에 위치하는 제3 스위칭 소자(M3) 및 하단에 위치하는 제4 스위칭 소자(M4)를 포함한다. 또한, 다른 한 쌍의 스위칭 소자(M5, M6)는, 한 쌍의 스위칭 소자(M3, M4)와 병렬로 연결되고, 접지를 기준으로 상단에 위치하는 제 5 스위칭 소자(M5) 및 하단에 위치하는 제 6 스위칭 소자(M6)를 포함한다.
즉, 스위칭부(110)는, 네 개의 스위칭 소자(M3, M4, M5, M6)를 풀 브릿지(full bridge) 형태로 포함할 수 있다.
스위칭부(110)는, 제3 스위칭 소자(M3)와 제4 스위칭 소자(M4) 사이의 접속점(①) 및 제5 스위칭 소자(M5)와 제6 스위칭 소자(M6) 사이의 접속점(②) 사이의 전압을 제1 전원으로 변압부(120)에 공급할 수 있다.
일 실시예에 따른 변압부(120)는, 스위칭부(110)로부터 스위칭 주파수에 대응하는 주파수를 갖는 제1 전원을 공급받을 수 있으며, 제1 전원을 변압할 수 있다.
이를 위해, 변압부(120)는, N:1의 권선비를 갖는 제1 권선(121) 및 제2 권선(122)을 포함할 수 있다. 이 때, N은, 1 이상의 상수로, 변압부(120)의 설계에 따라 다르게 설정될 수 있다.
이 때, 변압부(120)는, 도 2에 도시된 바와 같이, 스위칭부(110)와 연결된 라인 측의 누설 인덕턴스에 대응하는 제1 인덕터(LP_leak), 출력부(130)와 연결된 라인 측의 누설 인덕턴스에 대응하는 제2 인덕터(Ls_leak) 및 제1 권선(121)과 병렬로 연결된 제3 인덕터(Lm)를 포함하는 것으로 도시될 수 있다.
또한, 변압부(120)는, 스위칭부(110)와 연결된 라인에 마련된 공진 캐패시터(Cr)를 포함할 수 있다.
일 실시예에 따른 출력부(130)는, 변압부(120)로부터 변압된 제1 전원을 공급받고, 변압부(120)와 연결된 제1 스위칭 소자(M1) 및 제2 스위칭 소자(M2)를 포함한다.
구체적으로, 출력부(130)는, 제1 다이오드(D21), 제2 다이오드(D22), 제1 다이오드(D21)에 직렬로 연결된 제1 스위칭 소자(M1) 및 제2 다이오드(D22)에 직렬로 연결된 제2 스위칭 소자(M2)를 포함한다.
이 때, 제1 다이오드(D21)는, 제1 스위칭 소자(M1)에 비하여 접지를 기준으로 상단에 위치하며, 제2 다이오드(D22)는 제2 스위칭 소자(M2)에 비하여 접지를 기준으로 상단에 위치한다.
또한, 제1 다이오드(D21) 및 제1 스위칭 소자(M1)를 포함하는 라인은, 제2 다이오드(D22) 및 제2 스위칭 소자(M2)를 포함하는 라인과 병렬로 연결되며, 각 라인은, 부하(Ro)와 병렬로 연결될 수 있다. 또한, 출력부(130)는, 회로 안정화를 위하여 각 라인에 병렬로 연결된 제2 캐패시터(C2)를 포함할 수 있다.
출력부(130)는, 제1 다이오드(D21)와 제1 스위칭 소자(M1) 사이의 접속점 및 제2 다이오드(D22)와 제2 스위칭 소자(M2) 사이의 접속점을 통하여 변압부(120)와 연결될 수 있다.
즉, 출력부(130)는, 상단에 위치하는 제1 다이오드(D21) 및 하단에 위치하는 제1 스위칭 소자(M1)를 포함하는 제1 라인과, 제1 라인과 병렬로 연결되고, 상단에 위치하는 제2 다이오드(D22) 및 하단에 위치하는 제2 스위칭 소자(M2)를 포함하는 제2 라인을 포함할 수 있다.
또한, 출력부(130)는, 제1 다이오드(D21)와 제1 스위칭 소자(M1) 사이의 접속점 및 제2 다이오드(D22)와 제2 스위칭 소자(M2) 사이의 접속점을 통하여 변압부(120)와 연결될 수 있다.
전원 공급 장치(10)의 스위칭 소자(M1, M2, M3, M4, M5, M6)는 양극성 접합 트랜지스터(bipolar junction transistor, BJT), 금속 산화물 반도체 전계 효과 트랜지스터(metal-oxide-semiconductor field effect transistor, MOSFET), 절연 게이트 양극성 트랜지스터(insulated gate bipolar transistor, IGBT), 사이리스터(thyristor) 등을 포함할 수 있다. 다만, 스위칭 소자의 유형은 상기 예에 한정되는 것은 아니며, 스위칭 동작을 수행하는 소자이면 제한없이 포함될 수 있다. 이하에서는, 스위칭 소자(M1, M2, M3, M4, M5, M6)가 금속 산화물 반도체 전계 효과 트랜지스터에 해당하는 것을 예로 설명하기로 한다.
일 실시예에 따른 제어부(140)는, 출력 전압에 기초하여 스위칭부(110)의 스위칭 주파수를 조정할 수 있다.
구체적으로, 제어부(140)는, 스위칭부(110)와 연결된 라인 측의 누설 인덕턴스에 대응하는 제1 인덕터(Lp_leak) 및 공진 캐패시터(Cr) 사이의 공진 주파수를 스위칭부(110)의 스위칭 주파수로 결정할 수 있다.
이 때, 제어부(140)는, 출력부(130)를 통하여 출력되는 출력 전압이 출력이 요구되는 미리 설정된 기준 전압 보다 낮아지는 경우, 결정된 스위칭 주파수를 감소하는 방향으로 조정할 수 있다. 이를 통해, 제어부(140)는, 정류된 전원 및 출력 전압 사이의 이득 즉, 승압비를 높일 수 있다.
또한, 제어부(140)는, 출력부(130)를 통하여 출력되는 출력 전압이 출력이 요구되는 미리 설정된 기준 전압 보다 높아지는 경우, 결정된 스위칭 주파수를 증가하는 방향으로 조정할 수 있다. 이를 통해, 제어부(140)는, 정류된 전원 및 출력 전압 사이의 이득 즉, 승압비를 낮출 수 있다.
일 실시예에 따른 제어부(140)는, 스위칭 주파수에 기초하여 스위칭부(110)의 스위칭 소자(M3, M4, M5, M6)를 제어할 수 있다.
구체적으로, 제어부(140)는, 스위칭 주파수에 기초하여 제3 스위칭 소자(M3) 및 제4 스위칭 소자(M4)가 교차적으로 온 되도록 제3 스위칭 소자(M3) 및 제4 스위칭 소자(M4)를 제어할 수 있다.
이 때, 제어부(140)는, 정류된 전원의 피크 전압 또는 스위칭 주파수에 기초하여, 제5 스위칭 소자(M5)가 제4스위칭 소자(M4)와 동위상이고, 제6 스위칭 소자(M6)가 제3 스위칭 소자(M3)와 동위상인 풀 브릿지 모드 또는 제5 스위칭 소자(M5)가 오프(OFF)이고, 제6 스위칭 소자(M6)가 온인 하프 브릿지(half bridge) 모드로 동작하도록 스위칭부(110)를 제어할 수 있다.
즉, 일 실시예에 따른 제어부(140)는, 정류된 전원의 피크 전압의 크기 또는 스위칭 주파수에 기초하여 스위칭부(110)의 동작 모드를 결정할 수 있다. 스위칭부(110)의 동작 모드를 결정하는 동작에 대하여는 뒤에서 다시 자세히 설명하도록 한다.
일 실시예에 따른 제어부(140)는, 출력부(130)의 출력 전압에 기초하여 제1 스위칭 소자(M1) 및 제2 스위칭 소자(M2) 각각의 스위칭을 제어할 수 있다.
즉, 제어부(140)는, 출력부(130)의 출력 전압에 따라 조정되는 스위칭부(110)의 스위칭 주파수에 기초하여 제1 스위칭 소자(M1) 및 제2 스위칭 소자(M2) 각각의 스위칭을 제어할 수 있다.
구체적으로, 제어부(140)는, 제 3스위칭 소자(M3)가 온에서 오프로 변경되는 지점에서 제1 스위칭 소자(M1)가 온이 되도록 제1 스위칭 소자(M1)를 제어하고, 제4 스위칭 소자(M4)가 온에서 오프로 변경되는 지점에서 제2 스위칭 소자(M2)가 온이 되도록 제2 스위칭 소자(M2)를 제어할 수 있다.
즉, 제어부(140)는, 제3 스위칭 소자(M3)가 온에서 오프로 변경되면서 제4 스위칭 소자(M4)가 오프에서 온으로 변경되는 지점에서 제1 스위칭 소자(M1)가 온이 되도록 제1 스위칭 소자(M1)를 제어할 수 있다.
또한, 제어부(140)는, 제4 스위칭 소자(M4)가 온에서 오프로 변경되면서 제3 스위칭 소자(M3)가 오프에서 온으로 변경되는 지점에서 제2 스위칭 소자(M2)가 온이 되도록 제2 스위칭 소자(M2)를 제어할 수 있다.
일 실시예에 따른 제어부(140)는, 스위칭부(110)로 인가되는 정류된 전원의 전압 크기 및 스위칭부(110)로 인가되는 정류된 전원의 전류 크기에 기초하여 출력부(130)에 포함된 제1 스위칭 소자(M1) 및 제2 스위칭 소자(M2) 모두 온이 되는 시간을 조정하도록 제1 스위칭 소자(M1) 및 제2 스위칭 소자(M2) 각각의 듀티비를 조정할 수 있다.
구체적으로, 제어부(140)는, 스위칭부(110)로 인가되는 정류된 전원의 전류 크기에서 스위칭부(110)로 인가되는 정류된 전원의 전압 크기에 미리 설정된 계수를 곱한 값을 뺀 값에 미리 설정된 오프셋을 더하여 제1 스위칭 소자(M1) 및 제2 스위칭 소자(M2) 각각의 듀티비를 조정할 수 있다.
제1 스위칭 소자(M1)는, 제3 스위칭 소자(M3)가 오프되는 지점에서 온이 되며, 제2 스위칭 소자(M2)는, 제4 스위칭 소자(M4)가 오프되는 지점에서 온이 되는 바, 제1 스위칭 소자(M1) 및 제2 스위칭 소자(M2)는 서로 온/오프되는 타이밍이 상이할 수 있다.
이 때, 제1 스위칭 소자(M1) 및 제2 스위칭 소자(M2) 각각의 듀티비는 동일할 수 있으며, 듀티비가 높아질수록, 제1 스위칭 소자(M1) 및 제2 스위칭 소자(M2)가 동시에 온이 되는 시간이 길어질 수 있다.
제1 스위칭 소자(M1) 및 제2 스위칭 소자(M2)가 모두 온이 되는 시간이 길어질수록, 정류된 전원 및 출력 전압 사이의 이득 즉, 승압비를 높일 수 있다. 제1 스위칭 소자(M1) 및 제2 스위칭 소자(M2) 각각의 듀티비를 조정하는 동작에 대하여는 뒤에서 다시 자세히 설명하도록 한다.
제어부(140)는, 전술하는 동작 및 후술하는 동작을 수행하는 프로그램을 저장하는 적어도 하나의 메모리 및 저장된 프로그램을 실행하는 적어도 하나의 프로세서를 포함할 수 있다.
또한, 전원 공급 장치(10)는, 스위칭부(110)에 인가되는 정류된 전원의 전압의 크기를 측정하기 위한 전압 감지 회로(미도시)를 더 포함할 수 있으며, 스위칭부(110)에 인가되는 정류된 전원의 전류의 크기를 측정하기 위한 전류 감지 회로(미도시)를 더 포함할 수 있다. 또한, 전원 공급 장치(10)는, 출력부(130)에서 출력되는 출력 전압의 크기를 측정하기 위한 전압 감지 회로(미도시)를 더 포함할 수 있다.
이상에서는, 전원 공급 장치(10)에 포함되는 각 구성의 동작 및 회로 구성에 대하여 자세히 설명하였다. 이하에서는, 전원 공급 장치(10)의 동작에 따른 역률 보정 및 전압 승압에 대하여 자세히 설명하도록 한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 전원 공급 장치(10)의 등가 회로를 나타내는 도면이고, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 전원 공급 장치(10)가 역률을 보정하는 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 3을 참조하면, 일 실시예에 따른 변압부(120)는, T형 등가 회로로 나타낼 수 있다.
구체적으로, 변압부(120)는, 스위칭부(110)와 연결된 라인 측의 누설 인덕턴스에 대응하는 제1 인덕터(Lp_leak)와, 출력부(130)와 연결된 라인 측의 누설 인덕턴스에 대응하는 제2 인덕터(N2*Ls_leak)와, 제1 인덕터(Lp_leak) 및 제2 인덕터(N2*Ls_leak) 사이의 접속점과 접지 사이에 마련되는 제3 인덕터(Lm)가 T형을 이루는 T형 등가 회로로 변환될 수 있다. 이 때, 제2 인덕터(N2*Ls_leak)의 인덕턴스는, 도 2에서의 인덕턴스에 비해 제1 권선(121) 및 제2 권선(122)의 권선비(N)의 제곱에 해당한다.
이 때, Vs는, 스위칭부(110)로부터 변압부(120)로 인가되는 제1 전원의 전압에 해당할 수 있다. 즉, Vs는, 제3 스위칭 소자(M3)와 제4 스위칭 소자(M4) 사이의 접속점 및 제5 스위칭 소자(M5)와 제6 스위칭 소자(M7) 사이의 접속점 사이에 걸리는 전압에 해당할 수 있다.
일 실시예에 따른 제어부(140)는, 스위칭부(110)의 스위칭 주파수를 조정할 수 있다.
구체적으로, 제어부(140)는, 스위칭부(110)와 연결된 라인 측의 누설 인덕턴스에 대응하는 제1 인덕터(Lp_leak) 및 공진 캐패시터(Cr) 사이의 공진 주파수를 스위칭부(110)의 스위칭 주파수로 결정할 수 있다.
스위칭부(110)의 스위칭 주파수가 제1 인덕터(Lp_leak) 및 공진 캐패시터(Cr) 사이의 공진 주파수에 해당하는 경우, 제1 전원은, 스위칭 주파수에 대응하는 주파수를 갖는 바, 도 4에 도시된 바와 같이, 제1 인덕터(Lp_leak) 및 공진 캐패시터(Cr)는, 단락(Short)된 것으로 나타낼 수 있다.
이 경우, 도 4에 도시된 바와 같이, 전원 공급 장치(10)는, 제2 인덕터(N2*Ls_leak)에 흐르는 전류가 제1 스위칭 소자(M1)의 스위칭에 의해 제어될 수 있으며, 제3 인덕터(Lm)에 흐르는 전류가 제2 스위칭 소자(M2)의 스위칭에 의해 제어될 수 있다.
즉, 전원 공급 장치(10)는, 도 4에 도시된 바와 같이, 역률 보정(power factor correction, PFC) 회로와 같은 회로 구성으로 나타날 수 있다.
종래의 전원 공급 회로는, 교류 전원을 정류하는 정류 회로와 전압의 변압을 수행하여 부하에 일정한 크기의 전압을 제공하는 출력 회로 사이에 역률 보정을 위해 두 개의 인덕터와 각각의 인덕터에 대응하는 스위치를 포함하는 인터리브드(interleaved) PFC 회로를 별도로 마련하였다.
본 발명의 전원 공급 장치(10)는, 도 4에 도시된 바와 같이, 별도의 PFC 회로를 마련하지 않고서도, 제1 스위칭 소자(M1) 및 제2 스위칭 소자(M2)의 교번 스위칭에 기초하여 제2 인덕터(N2*Ls_leak) 및 제3 인덕터(Lm)에서의 전류를 제어함으로써, 역률 보정의 기능을 제공할 수 있다. 이처럼, 본 발명의 전원 공급 장치(10)는, 역률 보정 이후 전압 레귤레이션을 수행하는 종래의 전원 공급 회로와 달리, 역률 보정 기능과 입력 전압에 대해 일정 크기의 전압으로 레귤레이션 해주는 기능을 동시에 제공하는 바, 시스템 전체의 효율을 개선할 수 있다.
즉, 본 발명의 전원 공급 장치(10)는, 변압부(120)의 제2 인덕터(N2*Ls_leak) 및 제3 인덕터(Lm)를 이용함으로써, PFC 회로를 위한 별도의 인덕터를 생략할 수 있다.
이에 따라, 본 발명의 전원 공급 장치(10)는, 별도의 PFC 회로를 구성하기 위한 복수의 소자(예: 인덕터)를 구비하지 않아도 되어, 부피를 줄일 수 있으며, 발열의 문제를 해결할 수도 있으며, 재료비 측면에서도 장점을 가질 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 전원 공급 장치(10)가 하프 브릿지 모드에서 스위칭 소자(M1, M2, M3, M4, M5, M6)를 제어하는 동작을 설명하기 위한 도면이고, 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 전원 공급 장치(10)가 제1 스위칭 소자(M1) 및 제2 스위칭 소자(M2)의 듀티비를 조정함에 따라 역률이 조정되는 것을 나타내는 도면이고, 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 전원 공급 장치(10)가 제1 스위칭 소자(M1) 및 제2 스위칭 소자(M2)의 듀티비를 조정하는 동작을 설명하기 위한 도면이고, 도 8 및 도 9는, 본 발명의 일 실시예에 따른 전원 공급 장치(10)의 스위칭에 따른 전류 흐름을 나타내는 도면이고, 도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 전원 공급 장치(10)의 출력 전압을 나타내는 도면이다.
도 5를 참조하면, 일 실시예에 따른 전원 공급 장치(10)는, 역률 보정의 기능을 제공하기 위하여 제1 스위칭 소자(M1) 및 제2 스위칭 소자(M2)의 교번 스위칭을 수행한다.
구체적으로, 일 실시예에 따른 제어부(140)는, 스위칭 주파수에 기초하여 스위칭부(110)의 스위칭 소자(M3, M4, M5, M6)를 제어할 수 있다.
제어부(140)는, 스위칭 주파수에 기초하여 제3 스위칭 소자(M3) 및 제4 스위칭 소자(M4)가 교차적으로 온 되도록 제3 스위칭 소자(M3) 및 제4 스위칭 소자(M4)를 제어할 수 있다.
이 때, 제어부(140)는, 출력부(130)의 출력 전압에 기초하여 제1 스위칭 소자(M1) 및 제2 스위칭 소자(M2) 각각의 스위칭을 제어할 수 있다.
즉, 제어부(140)는, 출력부(130)의 출력 전압에 따라 조정되는 스위칭부(110)의 스위칭 주파수에 기초하여 제1 스위칭 소자(M1) 및 제2 스위칭 소자(M2) 각각의 스위칭을 제어할 수 있다.
구체적으로, 제어부(140)는, 제 3스위칭 소자(M3)가 온에서 오프로 변경되는 지점에서 제1 스위칭 소자(M1)가 온이 되도록 제1 스위칭 소자(M1)를 제어하고, 제4 스위칭 소자(M4)가 온에서 오프로 변경되는 지점에서 제2 스위칭 소자(M2)가 온이 되도록 제2 스위칭 소자(M2)를 제어할 수 있다.
즉, 제어부(140)는, 제3 스위칭 소자(M3)가 온에서 오프로 변경되면서 제4 스위칭 소자(M4)가 오프에서 온으로 변경되는 지점에서 제1 스위칭 소자(M1)가 온이 되도록 제1 스위칭 소자(M1)를 제어할 수 있다.
또한, 제어부(140)는, 제4 스위칭 소자(M4)가 온에서 오프로 변경되면서 제3 스위칭 소자(M3)가 오프에서 온으로 변경되는 지점에서 제2 스위칭 소자(M2)가 온이 되도록 제2 스위칭 소자(M2)를 제어할 수 있다.
다시 말해, 제어부(140)는, 제1 스위칭 소자(M1) 및 제2 스위칭 소자(M2)가 각각 제3 스위칭 소자(M3) 및 제4 스위칭 소자(M4)의 하강 에지에서 트리거 동기화되도록 제어하여 영전압 스위칭(zero voltage switching)을 수행할 수 있다.
이와 같이, 제어부(140)는, 제1 스위칭 소자(M1) 및 제2 스위칭 소자(M2)가 교번하여 스위칭되도록 스위치 타이밍을 제어하고, 각 스위칭 소자(M1, M2)의 듀티비를 조정함으로써, 스위칭부(110)에 인가되는 정류된 전원에서의 역률을 조정하면서도, 출력 전압이 미리 설정된 기준 전압을 추종하도록 할 수 있으며, 제1 스위칭 소자(M1) 및 제2 스위칭 소자(M2) 각각에서의 환류 다이오드에 의한 손실을 줄일 수 있다.
즉, 도 6에 도시된 바와 같이, 제어부(140)가 제1 스위칭 소자(M1) 및 제2 스위칭 소자(M2) 각각의 듀티비를 증가하는 방향으로 조정한 경우, 정류된 전원의 전압과 정류된 전원의 전류 사이의 위상차가 감소하여, 전원 공급 장치(10)가 제공하는 무효 전력의 감소로 역률이 보정될 수 있다.
이를 위해, 일 실시예에 따른 제어부(140)는, 스위칭부(110)로 인가되는 정류된 전원의 전압 크기 및 스위칭부(110)로 인가되는 정류된 전원의 전류 크기에 기초하여 출력부(130)에 포함된 제1 스위칭 소자(M1) 및 제2 스위칭 소자(M2) 모두 온이 되는 시간을 조정하도록 제1 스위칭 소자(M1) 및 제2 스위칭 소자(M2) 각각의 듀티비를 조정할 수 있다.
구체적으로, 제어부(140)는, 스위칭부(110)로 인가되는 정류된 전원의 전류 크기에서 스위칭부(110)로 인가되는 정류된 전원의 전압 크기에 미리 설정된 계수를 곱한 값을 뺀 값에 미리 설정된 오프셋을 더하여 제1 스위칭 소자(M1) 및 제2 스위칭 소자(M2) 각각의 듀티비를 조정할 수 있다. 실시예에 따라, 제어부(140)는, 미리 설정된 오프셋을 더하여 계산된 듀티비에 미리 설정된 계수를 곱하여 듀티비 전체의 스케일링을 수행하거나, 각 스위칭 소자(M1, M2)가 오프 되도록 할 수 있다.
예를 들어, 도 7에 도시된 바와 같이, 제어부(140)는, 시간에 따라 정류된 전원의 전압 크기(V_in)가 증가하는 경우, 제1 스위칭 소자(M1) 및 제2 스위칭 소자(M2) 모두가 온이 되는 시간이 짧아지도록 듀티비를 감소하는 방향으로 조정하고, 시간에 따라 정류된 전원의 전압 크기(V_in)가 감소하는 경우, 제1 스위칭 소자(M1) 및 제2 스위칭 소자(M2) 모두가 온이 되는 시간이 길어지도록 듀티비를 증가하는 방향으로 조정할 수 있다.
즉, 듀티비는, 도 7에 도시된 바와 같이, 시간에 따라 정류된 전원의 전압 크기(V_in)가 사인파와 같이 증가한 후 최고점에서 감소하는 형태에 해당하는 경우, 아래로 오목한 포물선 곡선을 이룰 수 있다.
이에 따라, 제1 스위칭 소자(M1) 및 제2 스위칭 소자(M2) 모두가 온이 되는 시간은, 도 5에 도시된 바와 같이, 시간에 따라 짧아졌다가 증가하는 양상을 보일 수 있다. 즉, 시간에 따라 정류된 전원의 전압 크기(V_in)가 사인파와 같이 증가한 후 최고점에서 감소하는 형태에 해당하는 경우, 제1 스위칭 소자(M1) 및 제2 스위칭 소자(M2) 모두가 온이 되는 시간은, 정류된 전원의 전압 크기(V_in)가 최고점이 되는 지점에서 가장 짧을 수 있다.
또한, 제어부(140)는, 도 7에 도시된 바와 같이, 정류된 전원의 전압 크기(V_in)가 사인파의 형태이면서 최고점이 낮아지는 경우, 낮아진 최고점을 반영하여 증가하는 방향으로 듀티비를 조정할 수 있다. 이 경우, 듀티비의 아래로 오목한 정도가 감소할 수 있다.
또한, 제어부(140)는, 부하의 상태에 따라 정류된 전원의 전류 크기(I_in)가 증가하는 경우, 제1 스위칭 소자(M1) 및 제2 스위칭 소자(M2) 모두가 온이 되는 시간이 길어지도록 듀티비를 증가하는 방향으로 조정하고, 부하의 상태에 따라 정류된 전원의 전류 크기(I_in)가 감소하는 경우, 제1 스위칭 소자(M1) 및 상기 제2 스위칭 소자(M2) 모두가 온이 되는 시간이 짧아지도록 듀티비를 감소하는 방향으로 조정할 수 있다.
구체적으로, 전원 공급 장치(10)가 출력 전압을 인가하는 부하는, 동작 모드에 따라 저항의 크기가 달라질 수 있다. 예를 들어, 전원 공급 장치(10)가 마련된 장치가 동작 모드에서 대기 모드로 전환하는 경우, 부하의 저항의 크기는 높아질 수 있으며, 이러한 경부하의 상황에서는, 정류된 전원의 전류 크기(I_in)가, 도 7에 도시된 바와 같이, I_in'으로 낮아질 수 있다.
이 경우, 제어부(140)는, 제1 스위칭 소자(M1) 및 상기 제2 스위칭 소자(M2) 모두가 온이 되는 시간이 짧아지도록 듀티비를 감소하는 방향으로 조정할 수 있으며, 결과적으로, 듀비티의 아래로 오목한 정도가 심해질 수 있다.
또한, 전원 공급 장치(10)가 마련된 장치가 대기 모드에서 동작 모드로 전환하는 경우, 부하의 저항의 크기는 낮아질 수 있으며, 이러한 중부하의 상황에서는, 정류된 전원의 전류 크기(I_in')가, 도 7에 도시된 바와 같이, I_in으로 높아질 수 있다.
이 경우, 제어부(140)는, 제1 스위칭 소자(M1) 및 상기 제2 스위칭 소자(M2) 모두가 온이 되는 시간이 길어지도록 듀티비를 증가하는 방향으로 조정할 수 있으며, 결과적으로, 듀비티의 아래로 오목한 정도가 감소할 수 있다.
일반적으로, 듀티비가 증가할수록 정류된 전원의 전압 크기 및 출력 전압 사이의 승압비가 높아지며, 일 실시예에 따른 전원 공급 장치(10) 역시 듀티비가 증가하여 제1 스위칭 소자(M1) 및 제2 스위칭 소자(M2)가 모두 온이 되는 시간이 길어질수록 정류된 전원 및 출력 전압 사이의 이득 즉, 승압비를 높일 수 있다.
즉, 도 8에 도시된 바와 같이, 제1 스위칭 소자(M1) 및 제2 스위칭 소자(M2)가 모두 온이 되는 경우, 전류는 부하로 흐르지 않으며, 변압부(120)의 제2 인덕터(N2*Ls_leak) 및 제3 인덕터(Lm)만을 흐름으로써, 전원 공급 장치(10)는, 변압부(120)의 제2 인덕터(N2*Ls_leak) 및 제3 인덕터(Lm)에 기초한 승압을 수행할 수 있다.
또한, 도 9에 도시된 바와 같이, 제1 스위칭 소자(M1)가 오프가 되고, 및 제2 스위칭 소자(M2)가 온이 되는 경우, 전류가 부하로 흐름으로써, 전원 공급 장치(10)는, 변압부(120)의 제2 인덕터(N2*Ls_leak) 및 제3 인덕터(Lm)에 기초하여 승압된 출력 전압을 부하에 전달할 수 있다.
이에 따라, 제어부(140)의 듀티비 조정에 기초하여, 출력부(130)는, 도 10에 도시된 바와 같이, 시간에 따라 정류된 전원의 전압 크기(V_in) 또는 전류 크기(I_in)가 달라지더라도, 미리 설정된 기준 전압을 추종하는 출력 전압을 출력할 수 있다.
이상에서는, 전원 공급 장치(10)가 제1 스위칭 소자(M1) 및 제2 스위칭 소자(M2)의 듀티비를 조정하는 동작에 대하여 자세히 설명하였다. 이하에서는, 전원 공급 장치(10)가 스위칭부(110)의 동작 모드를 전환하는 동작에 대하여 자세히 설명하도록 한다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 스위칭부(110)의 모드 전환을 설명하기 위한 도면이다.
도 11을 참조하면, 일 실시예에 따른 제어부(140)는, 출력부(130)를 통하여 출력되는 출력 전압이 미리 설정된 기준 전압 보다 낮아지는 경우, 스위칭부(110)의 스위칭 주파수를 감소하는 방향으로 조정하고, 출력부(130)를 통하여 출력되는 출력 전압이 미리 설정된 기준 전압 보다 높아지는 경우, 스위칭부(110)의 스위칭 주파수를 증가하는 방향으로 조정할 수 있다.
즉, 제어부(140)는, 스위칭 주파수를 조정함으로써, 스위칭부(110)로부터 변압부(120)로 인가되는 제1 전원의 전압(Vs)과 출력 전압 사이의 이득을 조정할 수 있다.
구체적으로, 제어부(140)는, 스위칭부(110)의 스위칭 주파수를 낮춤으로써, 스위칭부(110)로부터 변압부(120)로 인가되는 제1 전원의 전압(Vs)과 출력 전압 사이의 이득을 높일 수 있으며, 스위칭부(110)의 스위칭 주파수를 높임으로써, 스위칭부(110)로부터 변압부(120)로 인가되는 제1 전원의 전압(Vs)과 출력 전압 사이의 이득을 낮출 수 있다.
이에 따라, 전원 공급 장치(10)는, 전원 공급 장치(10)에 입력되는 교류 전원의 피크 전압이 달라지더라도, 스위칭부(110)의 스위칭 주파수를 조정하여 스위칭부(110)로부터 출력되는 제1 전원의 전압(Vs)과 출력 전압 사이의 이득을 조정함으로써, 미리 설정된 기준 전압을 추종하도록 출력 전압을 조정할 수 있다.
즉, 전원 공급 장치(10)는, 도 11에 도시된 바와 같이, 스위칭부(110)에 입력되는 정류된 전원의 피크 전압(V_peak)이 감소하는 경우, 감소하는 방향으로 스위칭부(110)의 스위칭 주파수를 조정할 수 있으며, 스위칭부(110)에 입력되는 정류된 전원의 피크 전압(V_peak)이 증가하는 경우, 증가하는 방향으로 스위칭부(110)의 스위칭 주파수를 조정할 수 있다.
이 때, 일 실시예에 따른 제어부(140)는, 정류된 전원의 피크 전압(V_peak)의 크기 또는 스위칭 주파수에 기초하여, 제5 스위칭 소자(M5)가 제4 스위칭 소자(M4)와 동위상이고, 제6 스위칭 소자(M6)가 제3 스위칭 소자(M3)와 동위상인 풀 브릿지 모드 또는 제5 스위칭 소자(M5)가 오프(OFF)이고, 제6 스위칭 소자(M6)가 온인 하프 브릿지 모드로 동작하도록 스위칭부(110)를 제어할 수 있다.
구체적으로, 제어부(140)는, 정류된 전원의 피크 전압에 기초하여 풀 브릿지 모드 또는 하프 브릿지 모드 중 어느 하나로 동작하도록 스위칭부(110)를 제어할 수 있다.
이 때, 제어부(140)는, 풀 브릿지 모드로 동작하도록 스위칭부(110)를 제어하는 경우, 제4 스위칭 소자(M4)와 동위상이 되도록 제5 스위칭 소자(M5)를 제어하면서 제3 스위칭 소자(M3)와 동위상이 되도록 제6 스위칭 소자(M6)를 제어하고, 하프 브릿지 모드로 동작하도록 스위칭부(110)를 제어하는 경우, 오프(OFF) 되도록 제5 스위칭 소자(M5)를 제어하면서 온 되도록 제6 스위칭 소자(M6)를 제어할 수 있다.
즉, 제어부(140)는, 정류된 전원의 피크 전압(V_peak)이 낮은 경우에는 스위칭부(110)가 풀 브릿지 모드로 동작하도록 하여, 스위칭부(110)에 정류된 전원의 피크 전압(V_peak) 전체가 인가될 수 있도록 한다. 또한, 제어부(140)는, 정류된 전원의 피크 전압(V_peak)이 높은 경우에는 스위칭부(110)가 하프 브릿지 모드로 동작하도록 하여, 스위칭부(110)에 정류된 전원의 피크 전압(V_peak)의 반이 인가될 수 있도록 한다.
다시 말해, 제어부(140)는, 피크 전압(V_peak)의 크기에 따라 스위칭부(110)의 모드를 달리함으로써, 출력 전압이 미리 설정된 기준 전압을 추종할 수 있도록 할 수 있다.
이 때, 제어부(140)는, 실시예에 따라, 스위칭부(110)가 풀 브릿지 모드로 동작하고, 정류된 전원의 피크 전압(V_peak)의 크기가 증가함에 따라 제1 임계 전압(예: 260V)을 초과하는 경우, 풀 브릿지 모드에서 하프 브릿지 모드로 전환하도록 스위칭부(110)를 제어할 수 있다.
또한, 제어부(140)는, 실시예에 따라, 스위칭부(110)가 하프 브릿지 모드로 동작하고, 정류된 전원의 피크 전압(V_peak)의 크기가 감소함에 따라 제2 임계 전압(예: 220V) 미만이 되는 경우, 하프 브릿지 모드에서 풀 브릿지 모드로 전환하도록 스위칭부(110)를 제어할 수 있다.
즉, 제어부(140)는, 정류된 전원의 피크 전압(V_peak)이 달라짐에 따라 적응적으로 스위칭부(110)의 모드를 전환할 수 있다.
이 때, 제어부(140)는, 모드 전환에서의 히스테리시스(hysteresis) 특성을 부가하기 위하여, 피크 전압(V_peak)이 증가할 때의 모드 전환의 기준이 되는 임계 전압(예: 260V)과, 피크 전압(V_peak)이 감소할 때의 모드 전환의 기준이 되는 임계 전압(예: 220V)을 달리한다.
이를 통해, 풀 브릿지 모드 및 하프 브릿지 모드 사이의 전환 경계에서의 피크 전압(V_peak) 변동에 따른 지속적인 모드 전환을 방지할 수 있으며, 지속적인 모드 전환에 따른 불안정한 전압 레귤레이션 특성을 해결할 수 있다.
제어부(140)는, 실시예에 따라, 스위칭부(110)가 풀 브릿지 모드로 동작하고, 스위칭부(110)의 스위칭 주파수가 증가함에 따라 제1 임계 주파수(예: 145kHz)를 초과하는 경우, 풀 브릿지 모드에서 하프 브릿지 모드로 전환하도록 스위칭부(110)를 제어할 수 있다.
또한, 제어부(140)는, 실시예에 따라, 스위칭부(110)가 하프 브릿지 모드로 동작하고, 스위칭 주파수가 감소함에 따라 제2 임계 주파수(예: 40kHz) 미만이 되는 경우, 하프 브릿지 모드에서 풀 브릿지 모드로 전환하도록 스위칭부(110)를 제어할 수 있다.
즉, 제어부(140)는, 정류된 전원의 피크 전압(V_peak)이 달라짐에 따라 적응적으로 스위칭부(110)의 스위칭 주파수를 조정하며, 조정된 스위칭 주파수에 기초하여 스위칭부(110)의 모드를 전환할 수 있다. 즉, 전원 공급 장치(10)는, 스위칭 주파수를 기준으로 모드의 전환 여부를 판단함으로써, 대량 양산에 따른 코일 및 각종 소자의 편차에 의한 모드 전환의 오동작을 방지할 수 있다.
이 때, 스위칭부(110)의 스위칭 소자(M3, M4, M5, M6)는, 풀 브릿지 모드 및 하프 브릿지 모드 모두에서 일정한 듀티비(예: 50%)로 구동될 수 있으며, 이를 통해, 듀티비를 줄임으로 인해서 발생할 수 있는 모드 전환 시점에서의 순환 전류(circulation current)를 방지할 수 있다.
또한, 일 실시예에 따른 전원 공급 장치(10)는, 출력부(130)의 다이오드(D21, D22) 각각을 스위칭 소자로 대체할 수 있으며, 대체된 스위칭 소자의 스위칭 주파수를 스위칭부(110)의 스위칭 주파수와 동기화하여 환류 다이오드에 의한 스위칭부(110)의 스위칭 소자에서의 손실을 추가적으로 방지할 수 있다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 전자 장치의 제어 블록도이다.
도 12를 참조하면, 일 실시예에 따른 전자 장치(1)는, 외부 전원으로부터 전원을 인가받아 전원을 공급하는 전원 공급 장치(10)와, 전원을 공급받아 구동하는 부하(20)와, 전원 공급 장치(10) 및 부하(20)를 제어하는 제어 장치(30)를 포함한다.
일 실시예에 따른 전원 공급 장치(10)는, 도 1 내지 도 11의 실시예에 따라 설명한 전원 공급 장치(10)에 해당할 수 있다.
즉, 전원 공급 장치(10)는, 스위칭부(110), 변압부(120) 및 출력부(130)를 포함하여, 역률 보정 기능을 제공하면서도 미리 설정된 기준 전압을 추종하는 출력 전압을 부하(20)에 공급할 수 있다.
일 실시예에 따른 부하(20)는, 전원 공급 장치(10)로부터 공급된 출력 전압에 기초하여 구동될 수 있다. 예를 들어, 부하(20)는, 디스플레이(미도시)에 해당할 수 있으며, 제어 장치(30)의 제어에 따라 영상을 표시할 수 있다. 이처럼, 부하(20)는, 전원 공급 장치(10)로부터 공급된 출력 전압에 기초하여 사용자에게 요구되는 출력을 제공하는 장치로, 상기 예에 한정되는 것은 아니며, 유형에의 제한은 없다.
이 때, 일 실시예에 따른 부하(20)는, 동작에 따라 가변되는 저항으로 나타날 수 있으며, 예를 들어, 대기 모드일 때의 부하(20)는, 동작 모드일 때의 부하(20)에 비하여 높은 저항으로 표현될 수 있으며, 동작 모드일 때의 부하(20)는, 대기 모드일 때의 부하(20)에 비하여 낮은 저항으로 표현될 수 있다.
일 실시예에 따른 제어 장치(30)는, 사용자의 입력에 따라 부하(20)의 모드를 전환할 수 있으며, 부하(20)의 모드 전환에 따라 전원 공급 장치(10)를 제어할 수 있다.
이에 따라, 전원 공급 장치(10)는, 부하(20)의 모드에 따라, 제1 스위칭 소자(M1) 및 제2 스위칭 소자(M2) 각각의 듀티비를 조정하여, 전원 공급 장치(10)에서의 역률을 보정하면서, 부하(20)로 제공되는 출력 전압이 일정한 크기를 갖도록 레귤레이션할 수 있다.
제어 장치(30)는, 전자 장치(1) 내 구성요소들의 동작을 제어하기 위한 알고리즘 또는 알고리즘을 재현한 프로그램에 대한 데이터를 저장하는 메모리, 및 메모리에 저장된 데이터를 이용하여 전술한 동작을 수행하는 프로세서로 구현될 수 있다. 또한, 제어 장치(30)는, 전원 공급 장치(10)의 제어부(140)와 단일 칩으로 구현될 수도 있다.
이하, 일 측면에 따른 전원 공급 장치(10)의 제어 방법에 관한 실시예를 설명하기로 한다. 전원 공급 장치(10)의 제어 방법에는 전술한 실시예에 따른 전원 공급 장치(10)가 사용될 수 있다. 따라서, 앞서 도 1 내지 도 11을 참조하여 설명한 내용은 전원 공급 장치(10)의 제어 방법에도 동일하게 적용될 수 있다.
도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 전원 공급 장치(10)의 제어 방법 중 정류된 전원의 전압 크기에 따라 듀비티를 조정하는 경우의 순서도이다.
도 13을 참조하면, 일 실시예에 따른 전원 공급 장치(10)는, 시간에 따라 정류된 전원의 전압 크기가 증가하는 경우(1310의 예), 제1 스위칭 소자(M1) 및 제2 스위칭 소자(M2) 모두가 온이 되는 시간이 짧아지도록 듀티비를 감소하는 방향으로 조정할 수 있다(1320).
또한, 일 실시예에 따른 전원 공급 장치(10)는, 시간에 따라 정류된 전원의 전압 크기가 증가하지 않고(1310의 아니오), 시간에 따라 정류된 전원의 전압 크기가 감소하는 경우(1330의 예), 제1 스위칭 소자(M1) 및 제2 스위칭 소자(M2) 모두가 온이 되는 시간이 길어지도록 듀티비를 증가하는 방향으로 조정할 수 있다(1340).
구체적으로, 제어부(140)는, 스위칭부(110)로 인가되는 정류된 전원의 전류 크기에서 스위칭부(110)로 인가되는 정류된 전원의 전압 크기에 미리 설정된 계수를 곱한 값을 뺀 값에 미리 설정된 오프셋을 더하여 제1 스위칭 소자(M1) 및 제2 스위칭 소자(M2) 각각의 듀티비를 조정할 수 있다. 실시예에 따라, 제어부(140)는, 미리 설정된 오프셋을 더하여 계산된 듀티비에 미리 설정된 계수를 곱하여 듀티비 전체의 스케일링을 수행하거나, 각 스위칭 소자(M1, M2)가 오프 되도록 할 수 있다.
즉, 듀티비는, 시간에 따라 정류된 전원의 전압 크기(V_in)가 사인파와 같이 증가한 후 최고점에서 감소하는 형태에 해당하는 경우, 아래로 오목한 포물선 곡선을 이룰 수 있다.
이에 따라, 제1 스위칭 소자(M1) 및 제2 스위칭 소자(M2) 모두가 온이 되는 시간은, 시간에 따라 짧아졌다가 증가하는 양상을 보일 수 있다. 즉, 시간에 따라 정류된 전원의 전압 크기(V_in)가 사인파와 같이 증가한 후 최고점에서 감소하는 형태에 해당하는 경우, 제1 스위칭 소자(M1) 및 제2 스위칭 소자(M2) 모두가 온이 되는 시간은, 정류된 전원의 전압 크기(V_in)가 최고점이 되는 지점에서 가장 짧을 수 있다.
도 14는 본 발명의 일 실시예에 따른 전원 공급 장치(10)의 제어 방법 중 정류된 전원의 전류 크기에 따라 듀비티를 조정하는 경우의 순서도이다.
도 14를 참조하면, 일 실시예에 따른 전원 공급 장치(10)는, 부하의 상태에 따라 정류된 전원의 전류 크기가 증가하는 경우(1410의 예), 제1 스위칭 소자(M1) 및 제2 스위칭 소자(M2) 모두가 온이 되는 시간이 길어지도록 듀티비를 증가하는 방향으로 조정할 수 있다(1420).
또한, 일 실시예에 따른 전원 공급 장치(10)는, 부하의 상태에 따라 정류된 전원의 전류 크기가 증가하지 않고(1410의 아니오), 부하의 상태에 따라 정류된 전원의 전류 크기가 감소하는 경우(1430의 예), 제1 스위칭 소자(M1) 및 제2 스위칭 소자(M2) 모두가 온이 되는 시간이 짧아지도록 듀티비를 감소하는 방향으로 조정할 수 있다(1440).
구체적으로, 제어부(140)는, 스위칭부(110)로 인가되는 정류된 전원의 전류 크기에서 스위칭부(110)로 인가되는 정류된 전원의 전압 크기에 미리 설정된 계수를 곱한 값을 뺀 값에 미리 설정된 오프셋을 더하여 제1 스위칭 소자(M1) 및 제2 스위칭 소자(M2) 각각의 듀티비를 조정할 수 있다. 실시예에 따라, 제어부(140)는, 미리 설정된 오프셋을 더하여 계산된 듀티비에 미리 설정된 계수를 곱하여 듀티비 전체의 스케일링을 수행하거나, 각 스위칭 소자(M1, M2)가 오프 되도록 할 수 있다.
전원 공급 장치(10)가 출력 전압을 인가하는 부하는, 동작 모드에 따라 저항의 크기가 달라질 수 있다. 예를 들어, 전원 공급 장치(10)가 마련된 장치가 동작 모드에서 대기 모드로 전환하는 경우, 부하의 저항의 크기는 높아질 수 있으며, 이러한 경부하의 상황에서는, 정류된 전원의 전류 크기(I_in)가, I_in'으로 낮아질 수 있다.
이 경우, 제어부(140)는, 제1 스위칭 소자(M1) 및 상기 제2 스위칭 소자(M2) 모두가 온이 되는 시간이 짧아지도록 듀티비를 감소하는 방향으로 조정할 수 있으며, 결과적으로, 듀비티의 아래로 오목한 정도가 심해질 수 있다.
또한, 전원 공급 장치(10)가 마련된 장치가 대기 모드에서 동작 모드로 전환하는 경우, 부하의 저항의 크기는 낮아질 수 있으며, 이러한 중부하의 상황에서는, 정류된 전원의 전류 크기(I_in')가, I_in으로 높아질 수 있다.
이 경우, 제어부(140)는, 제1 스위칭 소자(M1) 및 상기 제2 스위칭 소자(M2) 모두가 온이 되는 시간이 길어지도록 듀티비를 증가하는 방향으로 조정할 수 있으며, 결과적으로, 듀비티의 아래로 오목한 정도가 감소할 수 있다.
도 15는 본 발명의 일 실시예에 따른 전원 공급 장치(10)의 제어 방법 중 스위칭부(110)의 스위칭 주파수를 조정하는 경우의 순서도이다.
도 15를 참조하면, 일 실시예에 따른 전원 공급 장치(10)는, 스위칭부(110)와 연결된 라인 측의 누설 인덕턴스(Lp_leak) 및 공진 캐패시터(Cr) 사이의 공진 주파수를 스위칭부(110)의 스위칭 주파수로 결정할 수 있다(1510).
이 때, 일 실시예에 따른 전원 공급 장치(10)는, 출력 전압이 미리 설정된 기준 전압 미만인 경우(1520의 예), 결정된 스위칭 주파수를 감소하는 방향으로 조정할 수 있다(1530).
또한, 일 실시예에 따른 전원 공급 장치(10)는, 출력 전압이 미리 설정된 기준 전압 미만이 아니며(1520의 아니오), 출력 전압이 미리 설정된 기준 전압을 초과하는 경우(1540의 예), 결정된 스위칭 주파수를 증가하는 방향으로 조정할 수 있다(1550).
즉, 제어부(140)는, 스위칭 주파수를 조정함으로써, 스위칭부(110)로부터 변압부(120)로 인가되는 제1 전원의 전압(Vs)과 출력 전압 사이의 이득을 조정할 수 있다.
구체적으로, 제어부(140)는, 스위칭부(110)의 스위칭 주파수를 낮춤으로써, 스위칭부(110)로부터 변압부(120)로 인가되는 제1 전원의 전압(Vs)과 출력 전압 사이의 이득을 높일 수 있으며, 스위칭부(110)의 스위칭 주파수를 높임으로써, 스위칭부(110)로부터 변압부(120)로 인가되는 제1 전원의 전압(Vs)과 출력 전압 사이의 이득을 낮출 수 있다.
이에 따라, 전원 공급 장치(10)는, 전원 공급 장치(10)에 입력되는 교류 전원의 피크 전압이 달라지더라도, 스위칭부(110)의 스위칭 주파수를 조정하여 스위칭부(110)로부터 출력되는 제1 전원의 전압(Vs)과 출력 전압 사이의 이득을 조정함으로써, 미리 설정된 기준 전압을 추종하도록 출력 전압을 조정할 수 있다.
도 16은 본 발명의 일 실시예에 따른 전원 공급 장치(10)의 제어 방법 중 스위칭부(110)의 동작 모드를 전환하는 경우의 순서도이다.
도 16을 참조하면, 일 실시예에 따른 전원 공급 장치(10)는, 정류된 전원의 피크 전압의 크기 또는 스위칭 주파수에 기초하여 스위칭부(110)의 모드를 결정할 수 있다(1610).
일 실시예에 따른 전원 공급 장치(10)는, 풀 브릿지 모드로 동작하고(1620의 예), 정류된 전원의 피크 전압이 증가하여 제1 임계 전압을 초과하는 경우(1630의 예), 풀 브릿지 모드에서 하프 브릿지 모드로 전환하도록 스위칭부(110)를 제어할 수 있다(1640).
또한, 일 실시예에 따른 전원 공급 장치(10)는, 풀 브릿지 모드로 동작하지 않으면서(1620의 아니오), 정류된 전원의 피크 전압이 감소하여 제2 임계 전압 미만이 되는 경우(1650의 예), 하프 브릿지 모드에서 풀 브릿지 모드로 전환하도록 스위칭부(110)를 제어할 수 있다(1660).
즉, 일 실시예에 따른 제어부(140)는, 정류된 전원의 피크 전압(V_peak)의 크기 또는 스위칭 주파수에 기초하여, 제5 스위칭 소자(M5)가 제4 스위칭 소자(M4)와 동위상이고, 제6 스위칭 소자(M6)가 제3 스위칭 소자(M3)와 동위상인 풀 브릿지 모드 또는 제5 스위칭 소자(M5)가 오프(OFF)이고, 제6 스위칭 소자(M6)가 온인 하프 브릿지 모드로 동작하도록 스위칭부(110)를 제어할 수 있다.
즉, 제어부(140)는, 정류된 전원의 피크 전압(V_peak)이 낮은 경우에는 스위칭부(110)가 풀 브릿지 모드로 동작하도록 하여, 스위칭부(110)에 정류된 전원의 피크 전압(V_peak) 전체가 인가될 수 있도록 한다. 또한, 제어부(140)는, 정류된 전원의 피크 전압(V_peak)이 낮은 경우에는 스위칭부(110)가 하프 브릿지 모드로 동작하도록 하여, 스위칭부(110)에 정류된 전원의 피크 전압(V_peak)의 반이 인가될 수 있도록 한다.
다시 말해, 제어부(140)는, 피크 전압(V_peak)의 크기에 따라 스위칭부(110)의 모드를 달리함으로써, 출력 전압이 미리 설정된 기준 전압을 추종할 수 있도록 할 수 있다.
이 때, 제어부(140)는, 실시예에 따라, 스위칭부(110)가 풀 브릿지 모드로 동작하고, 정류된 전원의 피크 전압(V_peak)의 크기가 증가함에 따라 제1 임계 전압(예: 260V)을 초과하는 경우, 풀 브릿지 모드에서 하프 브릿지 모드로 전환하도록 스위칭부(110)를 제어할 수 있다.
또한, 제어부(140)는, 실시예에 따라, 스위칭부(110)가 하프 브릿지 모드로 동작하고, 정류된 전원의 피크 전압(V_peak)의 크기가 감소함에 따라 제2 임계 전압(예: 220V) 미만이 되는 경우, 하프 브릿지 모드에서 풀 브릿지 모드로 전환하도록 스위칭부(110)를 제어할 수 있다.
즉, 제어부(140)는, 정류된 전원의 피크 전압(V_peak)이 달라짐에 따라 적응적으로 스위칭부(110)의 모드를 전환할 수 있다.
이 때, 제어부(140)는, 모드 전환에서의 히스테리시스(hysteresis) 특성을 부가하기 위하여, 피크 전압(V_peak)이 증가할 때의 모드 전환의 기준이 되는 임계 전압(예: 260V)과, 피크 전압(V_peak)이 감소할 때의 모드 전환의 기준이 되는 임계 전압(예: 220V)을 달리한다.
이를 통해, 풀 브릿지 모드 및 하프 브릿지 모드 사이의 전환 경계에서의 피크 전압(V_peak) 변동에 따른 지속적인 모드 전환을 방지할 수 있으며, 지속적인 모드 전환에 따른 불안정한 전압 레귤레이션 특성을 해결할 수 있다.
이상에서 설명된 바와 같이, 일 실시예에 따른 전원 공급 장치(10)는, 복수의 스위칭 소자(M3, M4, M5, M6)를 포함하고, 정류된 전원을 공급받는 스위칭부(110)와, 스위칭부(110)로부터 제1 전원을 공급받고, 제1 전원을 변압하는 변압부(120)와, 제1 스위칭 소자(M1) 및 제2 스위칭 소자(M2)를 포함하고, 변압부(120)로부터 변압된 제1 전원을 공급받고, 미리 설정된 기준 전압을 추종하는 출력 전압을 출력하는 출력부(130)를 포함한다.
이 때, 전원 공급 장치(10)의 제어부(140)는, 정류된 전원의 피크 전압에 기초하여 풀 브릿지 모드 또는 하프 브릿지 모드 중 어느 하나로 동작하도록 스위칭부(110)를 제어할 수 있다. 즉, 제어부(140)는, 피크 전압(V_peak)의 크기에 따라 스위칭부(110)의 모드를 달리함으로써, 출력 전압이 미리 설정된 기준 전압을 추종할 수 있도록 할 수 있다.
또한, 전원 공급 장치(10)의 제어부(140)는, 출력 전압에 기초하여 스위칭부(110)의 스위칭 주파수를 조정할 수 있다. 즉, 제어부(140)는, 스위칭부(110)의 스위칭 주파수를 조정함으로써, 스위칭부(110)로부터 변압부(120)로 인가되는 제1 전원의 전압(Vs)과 출력 전압 사이의 이득을 조정할 수 있으며, 출력 전압이 미리 설정된 기준 전압을 추종할 수 있도록 할 수 있다.
또한, 전원 공급 장치(10)의 제어부(140)는, 출력부(130)의 출력 전압에 기초하여 제1 스위칭 소자(M1) 및 제2 스위칭 소자(M2) 각각의 스위칭을 제어할 수 있다.
즉, 제어부(140)는, 출력부(130)의 출력 전압에 따라 조정되는 스위칭부(110)의 스위칭 주파수에 기초하여 제1 스위칭 소자(M1) 및 제2 스위칭 소자(M2) 각각의 스위칭을 제어하고, 정류된 전원에 기초하여 제1 스위칭 소자(M1) 및 제2 스위칭 소자(M2) 각각의 듀티비를 조정할 수 있다. 이를 통해, 제어부(140)는, 스위칭부(110)에 인가되는 정류된 전원에서의 역률을 조정하면서도, 출력 전압이 미리 설정된 기준 전압을 추종하도록 할 수 있으며, 제1 스위칭 소자(M1) 및 제2 스위칭 소자(M2) 각각에서의 환류 다이오드에 의한 손실을 줄일 수 있다.
한편, 개시된 실시예들은 컴퓨터에 의해 실행 가능한 명령어를 저장하는 기록매체의 형태로 구현될 수 있다. 명령어는 프로그램 코드의 형태로 저장될 수 있으며, 프로세서에 의해 실행되었을 때, 프로그램 모듈을 생성하여 개시된 실시예들의 동작을 수행할 수 있다. 기록매체는 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체로 구현될 수 있다.
컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체로는 컴퓨터에 의하여 해독될 수 있는 명령어가 저장된 모든 종류의 기록 매체를 포함한다. 예를 들어, ROM(read only memory), RAM(random access memory), 자기 테이프, 자기 디스크, 플래쉬 메모리, 광 데이터 저장장치 등이 있을 수 있다.
이상에서와 같이 첨부된 도면을 참조하여 개시된 실시예들을 설명하였다. 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고도, 개시된 실시예들과 다른 형태로 본 발명이 실시될 수 있음을 이해할 것이다. 개시된 실시예들은 예시적인 것이며, 한정적으로 해석되어서는 안 된다.
1: 전자 장치 10: 전원 공급 장치
110: 스위칭부 120: 변압부
130: 출력부 140: 제어부
150: EMI 필터 160: 정류부

Claims (20)

  1. 복수의 스위칭 소자를 포함하고, 정류된 전원을 공급받는 스위칭부;
    상기 스위칭부로부터 제1 전원을 공급받고, 상기 제1 전원을 변압하는 변압부;
    제1 스위칭 소자 및 제2 스위칭 소자를 포함하고, 상기 변압부로부터 변압된 제1 전원을 공급받고, 미리 설정된 기준 전압을 추종하는 출력 전압을 출력하는 출력부; 및
    상기 정류된 전원의 피크 전압에 기초하여 풀 브릿지(full bridge) 모드 또는 하프 브릿지(half bridge) 모드 중 어느 하나로 동작하도록 상기 스위칭부를 제어하고, 상기 출력 전압에 기초하여 상기 스위칭부의 스위칭 주파수를 조정하고, 상기 출력 전압에 기초하여 상기 제1 스위칭 소자 및 상기 제2 스위칭 소자 각각의 스위칭을 제어하고, 상기 정류된 전원에 기초하여 상기 제1 스위칭 소자 및 상기 제2 스위칭 소자 각각의 듀티비(duty ratio)를 조정하는 제어부;를 포함하는 전원 공급 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는,
    시간에 따라 상기 정류된 전원의 전압 크기가 증가하는 경우, 상기 제1 스위칭 소자 및 상기 제2 스위칭 소자 모두가 온이 되는 시간이 짧아지도록 상기 듀티비를 감소시키고, 시간에 따라 상기 정류된 전원의 전압 크기가 감소하는 경우, 상기 제1 스위칭 소자 및 상기 제2 스위칭 소자 모두가 온이 되는 시간이 길어지도록 상기 듀티비를 증가시키는 전원 공급 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는,
    부하의 상태에 따라 상기 정류된 전원의 전류 크기가 증가하는 경우, 상기 제1 스위칭 소자 및 상기 제2 스위칭 소자 모두가 온이 되는 시간이 길어지도록 상기 듀티비를 증가시키고, 부하의 상태에 따라 상기 정류된 전원의 전류 크기가 감소하는 경우, 상기 제1 스위칭 소자 및 상기 제2 스위칭 소자 모두가 온이 되는 시간이 짧아지도록 상기 듀티비를 감소시키는 전원 공급 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 정류된 전원의 전류 크기와 상기 정류된 전원의 전압 크기에 미리 설정된 계수를 곱한 값 사이의 차이 값에 미리 설정된 오프셋을 더하여 상기 제1 스위칭 소자 및 상기 제2 스위칭 소자 각각의 듀티비를 조정하는 전원 공급 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 변압부는,
    상기 스위칭부와 연결된 라인에 마련된 공진 캐패시터;를 포함하고,
    상기 제어부는,
    상기 스위칭부와 연결된 라인 측의 누설 인덕턴스 및 상기 공진 캐패시터 사이의 공진 주파수를 상기 스위칭부의 스위칭 주파수로 결정하는 전원 공급 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 출력부를 통하여 출력되는 출력 전압이 상기 미리 설정된 기준 전압 보다 낮아지는 경우, 상기 결정된 스위칭 주파수를 감소시키고, 상기 출력부를 통하여 출력되는 출력 전압이 상기 미리 설정된 기준 전압 보다 높아지는 경우, 상기 결정된 스위칭 주파수를 증가시키는 전원 공급 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 스위칭부는,
    서로 직렬로 연결된 한 쌍의 스위칭 소자 및 서로 직렬로 연결된 다른 한 쌍의 스위칭 소자를 포함하고,
    상기 한 쌍의 스위칭 소자는,
    상단에 위치하는 제3 스위칭 소자 및 하단에 위치하는 제4 스위칭 소자를 포함하고,
    상기 다른 한 쌍의 스위칭 소자는,
    상기 한 쌍의 스위칭 소자와 병렬로 연결되고, 상단에 위치하는 제5 스위칭 소자 및 하단에 위치하는 제6 스위칭 소자를 포함하고,
    상기 제어부는,
    상기 스위칭부의 스위칭 주파수에 기초하여 상기 제3 스위칭 소자 및 상기 제4 스위칭 소자가 교차적으로 온 되도록 상기 제3 스위칭 소자 및 상기 제4 스위칭 소자를 제어하는 전원 공급 장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 제3 스위칭 소자가 온에서 오프로 변경되는 지점에서 온이 되도록 상기 제1 스위칭 소자를 제어하고, 상기 제4 스위칭 소자가 온에서 오프로 변경되는 지점에서 온이 되도록 상기 제2 스위칭 소자를 제어하는 전원 공급 장치.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 제어부는,
    풀 브릿지 모드로 동작하도록 상기 스위칭부를 제어하는 경우, 상기 제4 스위칭 소자와 동위상이 되도록 상기 제5 스위칭 소자를 제어하면서 상기 제3 스위칭 소자와 동위상이 되도록 상기 제6 스위칭 소자를 제어하고, 하프 브릿지 모드로 동작하도록 상기 스위칭부를 제어하는 경우, 오프(OFF) 되도록 상기 제5 스위칭 소자를 제어하면서 온 되도록 상기 제6 스위칭 소자를 제어하는 전원 공급 장치.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 정류된 전원의 피크 전압의 크기가 증가함에 따라 제1 임계 전압을 초과하는 경우, 풀 브릿지 모드에서 하프 브릿지 모드로 전환하도록 상기 스위칭부를 제어하고, 상기 정류된 전원의 피크 전압의 크기가 감소함에 따라 제2 임계 전압 미만이 되는 경우, 하프 브릿지 모드에서 풀 브릿지 모드로 전환하도록 상기 스위칭부를 제어하는 전원 공급 장치.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 스위칭부의 스위칭 주파수가 증가함에 따라 제1 임계 주파수를 초과하는 경우, 풀 브릿지 모드에서 하프 브릿지 모드로 전환하도록 상기 스위칭부를 제어하고, 상기 스위칭부의 스위칭 주파수가 감소함에 따라 제2 임계 주파수 미만이 되는 경우, 하프 브릿지 모드에서 풀 브릿지 모드로 전환하도록 상기 스위칭부를 제어하는 전원 공급 장치.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 출력부는,
    상단에 위치하는 제1 다이오드 및 하단에 위치하는 상기 제1 스위칭 소자를 포함하는 제1 라인과, 상기 제1 라인과 병렬로 연결되고, 상단에 위치하는 제2 다이오드 및 하단에 위치하는 상기 제2 스위칭 소자를 포함하는 제2 라인을 포함하고,
    상기 제1 다이오드와 상기 제1 스위칭 소자 사이의 접속점 및 상기 제2 다이오드와 상기 제2 스위칭 소자 사이의 접속점을 통하여 상기 변압부에 연결되는 전원 공급 장치.
  13. 전원을 공급받아 동작을 수행하는 부하; 및
    상기 부하에 전원을 공급하는 전원 공급 장치;를 포함하고,
    상기 전원 공급 장치는,
    복수의 스위칭 소자를 포함하고, 정류된 전원을 공급받는 스위칭부;
    상기 스위칭부로부터 제1 전원을 공급받고, 상기 제1 전원을 변압하는 변압부;
    제1 스위칭 소자 및 제2 스위칭 소자를 포함하고, 상기 변압부로부터 변압된 제1 전원을 공급받고, 미리 설정된 기준 전압을 추종하는 출력 전압을 출력하는 출력부; 및
    상기 정류된 전원의 피크 전압에 기초하여 풀 브릿지(full bridge) 모드 또는 하프 브릿지(half bridge) 모드 중 어느 하나로 동작하도록 상기 스위칭부를 제어하고, 상기 출력 전압에 기초하여 상기 스위칭부의 스위칭 주파수를 조정하고, 상기 출력 전압에 기초하여 상기 제1 스위칭 소자 및 상기 제2 스위칭 소자 각각의 스위칭을 제어하고, 상기 정류된 전원에 기초하여 상기 제1 스위칭 소자 및 상기 제2 스위칭 소자 각각의 듀티비(duty ratio)를 조정하는 제어부;를 포함하는 전자 장치.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 정류된 전원의 전류 크기와 상기 정류된 전원의 전압 크기에 미리 설정된 계수를 곱한 값 사이의 차이 값에 미리 설정된 오프셋을 더하여 상기 제1 스위칭 소자 및 상기 제2 스위칭 소자 각각의 듀티비를 조정하는 전자 장치.
  15. 제13항에 있어서,
    상기 변압부는,
    상기 스위칭부와 연결된 라인에 마련된 공진 캐패시터;를 포함하고,
    상기 제어부는,
    상기 스위칭부와 연결된 라인 측의 누설 인덕턴스 및 상기 공진 캐패시터 사이의 공진 주파수를 상기 스위칭부의 스위칭 주파수로 결정하는 전자 장치.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 출력부를 통하여 출력되는 출력 전압이 상기 미리 설정된 기준 전압 보다 낮아지는 경우, 상기 결정된 스위칭 주파수를 감소시키고, 상기 출력부를 통하여 출력되는 출력 전압이 상기 미리 설정된 기준 전압 보다 높아지는 경우, 상기 결정된 스위칭 주파수를 증가시키는 전자 장치.
  17. 제13항에 있어서,
    상기 스위칭부는,
    서로 직렬로 연결된 한 쌍의 스위칭 소자 및 서로 직렬로 연결된 다른 한 쌍의 스위칭 소자를 포함하고,
    상기 한 쌍의 스위칭 소자는,
    상단에 위치하는 제3 스위칭 소자 및 하단에 위치하는 제4 스위칭 소자를 포함하고,
    상기 다른 한 쌍의 스위칭 소자는,
    상기 한 쌍의 스위칭 소자와 병렬로 연결되고, 상단에 위치하는 제5 스위칭 소자 및 하단에 위치하는 제6 스위칭 소자를 포함하고,
    상기 제어부는,
    상기 스위칭부의 스위칭 주파수에 기초하여 상기 제3 스위칭 소자 및 상기 제4 스위칭 소자가 교차적으로 온 되도록 상기 제3 스위칭 소자 및 상기 제4 스위칭 소자를 제어하는 전자 장치.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 제3 스위칭 소자가 온에서 오프로 변경되는 지점에서 온이 되도록 상기 제1 스위칭 소자를 제어하고, 상기 제4 스위칭 소자가 온에서 오프로 변경되는 지점에서 온이 되도록 상기 제2 스위칭 소자를 제어하는 전자 장치.
  19. 제17항에 있어서,
    상기 제어부는,
    풀 브릿지 모드로 동작하도록 상기 스위칭부를 제어하는 경우, 상기 제4 스위칭 소자와 동위상이 되도록 상기 제5 스위칭 소자를 제어하면서 상기 제3 스위칭 소자와 동위상이 되도록 상기 제6 스위칭 소자를 제어하고, 하프 브릿지 모드로 동작하도록 상기 스위칭부를 제어하는 경우, 오프(OFF) 되도록 상기 제5 스위칭 소자를 제어하면서 온 되도록 상기 제6 스위칭 소자를 제어하는 전자 장치.
  20. 제13항에 있어서,
    상기 출력부는,
    상단에 위치하는 제1 다이오드 및 하단에 위치하는 상기 제1 스위칭 소자를 포함하는 제1 라인과, 상기 제1 라인과 병렬로 연결되고, 상단에 위치하는 제2 다이오드 및 하단에 위치하는 상기 제2 스위칭 소자를 포함하는 제2 라인을 포함하고,
    상기 제1 다이오드와 상기 제1 스위칭 소자 사이의 접속점 및 상기 제2 다이오드와 상기 제2 스위칭 소자 사이의 접속점을 통하여 상기 변압부에 연결되는 전자 장치.
KR1020190087315A 2019-07-19 2019-07-19 전자 장치 및 전원 공급 장치 KR20210010015A (ko)

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