WO2023153634A1 - 트랜스포머 및 이를 이용한 전원 장치 - Google Patents

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WO2023153634A1
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terminal
transformer
disposed
substrate
output inductor
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PCT/KR2022/021407
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정종선
이재삼
이상원
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엘지이노텍 (주)
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
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    • H02M3/33569—Conversion of dc power input into dc power output with intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode to produce the intermediate ac using devices of a triode or a transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only having several active switching elements
    • H02M3/33573—Full-bridge at primary side of an isolation transformer

Definitions

  • the embodiment relates to a transformer and a power supply device using the same.
  • a full-bridge circuit is used rather than a half-bridge circuit.
  • a high-power power module of about 2 kW or more (eg, 4 kW), for example, a Phase Shift Full Bridge (PSFB) circuit can be used as a power supply device.
  • the PSFB circuit is widely used as a power supply device because a zero voltage switching (ZVS) operation is possible through soft switching of active elements to minimize switching loss.
  • ZVS zero voltage switching
  • these PSFB circuits are weak in Electro Magnetic Interference (EMI) performance, and research to improve them continues.
  • the embodiment provides a transformer with improved noise performance and a power supply device using the same.
  • a transformer includes a plurality of terminals, and the plurality of terminals include first and third terminals; a second terminal positioned between the first terminal and the third terminal; and an additional terminal extending from the second terminal to the outside of the first or third terminal.
  • a power device includes a substrate; a switching unit disposed on the substrate and alternately switching input DC power to convert AC power; a transformer disposed on the substrate and converting a level of the AC power; a rectifier disposed on the substrate and rectifying AC power having a level converted by the transformer; and an output inductor disposed adjacent to the transformer and having one end connected to the transformer, wherein the transformer includes a plurality of terminals, wherein the plurality of terminals include first and third terminals; a second terminal positioned between the first terminal and the third terminal; and an additional terminal extending from the second terminal to an outside of the first or third terminal, wherein the one end of the output inductor may be connected to the additional terminal of the transformer.
  • the additional terminal may include a terminal body disposed outside the first terminal or the third terminal on the board; and a connection portion connecting the second terminal and the terminal body.
  • connection part may connect the second terminal and the terminal body by bypassing the first terminal or the third terminal in a horizontal direction.
  • connection unit may connect the second terminal and the terminal body by bypassing the first terminal or the third terminal in a vertical direction.
  • connection part may have a round shape.
  • the output inductor may be disposed on the substrate, and at least a portion of the output inductor may be disposed facing the terminal body.
  • the rectifying unit may include a first switch disposed between the first terminal and the first ground for switching; and a second switch disposed between the third terminal and the second ground for switching, and the first ground and the second ground may be connected to each other.
  • first switch and the second switch may be disposed to face each other, and the output inductor may be disposed outside the first or second switch.
  • the power supply device may further include an output terminal connected to the other terminal of the output inductor.
  • the output terminal may include a first capacitor disposed between the other terminal of the output inductor and the second ground; a filter inductor having one end connected to the other end of the output inductor; and a second capacitor disposed between the other end of the output inductor and the second ground.
  • the maximum value of the separation distance between the first, second or third terminal and the first capacitor may be 10 mm.
  • a lower end of the second terminal may extend to the substrate or may be spaced apart from the substrate.
  • a power supply device includes a substrate, a switching unit disposed on the substrate, and alternatingly switching input DC power to convert AC power; a transformer disposed on the substrate and converting a level of the AC power; a rectifier disposed on the substrate and rectifying the AC power having a level converted by the transformer; and an output inductor disposed adjacent to the transformer and connected to the transformer, wherein the transformer includes a plurality of terminals, wherein the plurality of terminals include first and third terminals; a second terminal positioned between the first terminal and the third terminal; and an additional terminal extending from the second terminal to the outside of the first or third terminal, wherein the rectifying unit includes a first switch connected between the first terminal of the transformer and a first ground; and a second switch connected between a second ground connected to the first ground and the third terminal, wherein the output inductor may be connected to the additional terminal of the transformer.
  • a transformer according to an embodiment and a power supply device using the same have improved power module operating characteristics and EMI noise performance.
  • FIG. 1 shows a circuit diagram of a power supply device using a transformer according to an embodiment.
  • FIG. 2A is a plan view of a power supply device using the transformer shown in FIG. 1 according to an embodiment.
  • FIG. 2B is a plan view of a power supply device using the transformer shown in FIG. 1 according to another embodiment.
  • FIG 3 is a perspective view of a transformer included in a power supply device according to another embodiment.
  • FIG. 4a and 4b are front views of the transformer shown in FIG. 2a according to an embodiment.
  • FIG. 5 is a diagram conceptually illustrating a secondary side current path of the transformer shown in FIG. 1 .
  • FIG. 6 shows a circuit diagram of a power supply device according to a comparative example.
  • FIG. 7 is a diagram conceptually illustrating a secondary side current path of the transformer shown in FIG. 6 .
  • FIG. 8 schematically shows a plan view of a power supply device according to a comparative example.
  • FIG. 9 is a front view of the transformer shown in FIG. 8 .
  • FIG. 10 is a graph showing the results of testing the electromagnetic compatibility of a power supply device according to a comparative example.
  • 11 is a graph showing the result of testing the electronic compatibility of the power supply device according to the embodiment.
  • the upper (upper) or lower (lower) (on or under) includes both elements formed by directly contacting each other or by placing one or more other elements between the two elements (indirectly).
  • the up (up)” or “down (down) (on or under) it may include the meaning of not only the upward direction but also the downward direction based on one element.
  • relational terms such as “first” and “second”, “upper/upper/upper” and “lower/lower/lower” used below refer to any physical or logical relationship or It may be used to distinguish one entity or element from another, without necessarily requiring or implying an order.
  • a transformer according to an embodiment and a power supply device using the same will be described using a Cartesian coordinate system, but the embodiment is not limited thereto. That is, according to the Cartesian coordinate system, the x-axis, y-axis, and z-axis are orthogonal to each other, but the embodiment is not limited thereto. That is, the x-axis, y-axis, and z-axis may intersect each other instead of being orthogonal.
  • FIG. 1 shows a circuit diagram of a power supply device 100 using a transformer according to an embodiment.
  • a power supply device (hereinafter, referred to as a 'power supply device') 100 using a transformer shown in FIG. can include
  • the power supply 100 may further include an input terminal.
  • the power supply device 100 may further include an output terminal (or filter) 140 .
  • the power supply device shown in FIG. 1 may be a kind of Phase Shift Full Bridge (PSFB) circuit.
  • PSFB Phase Shift Full Bridge
  • the switching unit 110 may alternately switch the input DC power VI to convert it into AC power, and output the converted AC power to the transformer 120 . To this end, the switching unit 110 may complementarily alternately perform a switching operation using four switching elements.
  • the switching unit 110 may include four switching elements Q1, Q2, Q3, and Q4.
  • the first switching element Q1 is turned on or off in response to the first gate signal S1
  • the second switching element Q2 is turned on or off in response to the second gate signal S2
  • the third switching element Q2 is turned on or off in response to the second gate signal S2.
  • the switching element Q3 may be turned on or off in response to the third gate signal S3, and the fourth switching element Q4 may be turned on or off in response to the fourth gate signal S4.
  • the controller 150 may generate first to fourth gate signals S1 to S4 and provide the first to fourth switching elements Q1, Q2, Q3, and Q4, respectively.
  • the switching unit 110 may include a first inductor L1 and first and second diodes D1 and D2.
  • the switching unit 110 of the power supply device 100 may have a configuration different from that shown in FIG. 1 . That is, the configuration of the switching unit 110 shown in FIG. 1 may be replaced with a configuration of a general switching unit included in the PSFB.
  • the input DC power source VI may be provided to the switching unit 110 from an input terminal.
  • the input terminal may include an input capacitor CO and a load (not shown) connected in parallel to the input capacitor CO.
  • the input stage may be a high voltage energy storage device or a bus, or may be omitted.
  • the transformer 120 converts the level of AC power output from the switching unit 110 .
  • Figure 2a shows a plan view according to an embodiment (100A) of the power supply device 100 using the transformer 120 shown in Figure 1
  • Figure 2b is a power supply device 100 using the transformer 120 shown in Figure 1
  • Figure 2B shows a plan view according to another embodiment (100B).
  • the input capacitor CO, the switching unit 110 and the output terminal 140 shown in FIG. 1 are omitted in FIGS. 2A and 2B.
  • Power devices 100A and 100B include a transformer 120, rectifiers Q5 and Q6, an output inductor LO and a substrate [or, a printed circuit board (PCB) Board)] (160).
  • a transformer 120 rectifiers Q5 and Q6, an output inductor LO and a substrate [or, a printed circuit board (PCB) Board)] (160).
  • PCB printed circuit board
  • the transformer 120, the rectifier units Q5 and Q6, and the output inductor LO shown in FIGS. 2A and 2B have the same functions as the transformer 120, the rectifier unit 120, and the output inductor LO shown in FIG. 1 , respectively. Do it.
  • the transformer 120 , the rectifiers Q5 and Q6 , and the output inductor LO may be disposed on the substrate 160 . Also, although not shown, the switching unit 110 and the output terminal 140 may also be disposed on the substrate 160 . In addition, the controller 150 may also be disposed on the substrate 160 .
  • the transformer 120 may include a plurality of terminals.
  • the plurality of terminals may include a first terminal T1 , a second terminal T2 , a third terminal T3 , and an additional terminal AT.
  • the first terminal T1 shown in FIGS. 2A and 2B is connected to the first output pin P1 of the transformer 120 shown in FIG. 1
  • the second terminal shown in FIGS. 2A and 2B (T2) is connected to the second output pin (P2) of the transformer 120 shown in FIG. 1
  • the third terminal (T3) shown in FIGS. 2A and 2B is of the transformer 120 shown in FIG. It may be connected to the third output pin P3.
  • the second terminal T1 is located between the first terminal T1 and the third terminal T3, for example, the first terminal T1 and the third terminal T3. ) can be placed in the center of
  • the additional terminals AT may be disposed extending from the second terminal T2 to the outside of the first terminal T1 or the third terminal T3.
  • the outer side of the first terminal T1 means a third position among positions other than the space between the first terminal T1 and the third terminal T3 aligned in the first direction (eg, the y-axis direction). It may mean a position closer to the first terminal T1 than the terminal T3.
  • the outside of the third terminal T3 is a first position other than the space between the first terminal T1 and the third terminal T3 aligned in the first direction (eg, the y-axis direction). It may mean a position closer to the third terminal T3 than the terminal T1.
  • the additional terminals AT may be disposed to extend outwardly of the third terminal T3.
  • FIG 3 shows a perspective view of a transformer 120 included in a power supply device according to another embodiment.
  • the additional terminals may include a terminal body TB and a connection part CP.
  • the terminal body TB may be disposed outside the first terminal T1 or the third terminal T3 on the substrate 160 .
  • the terminal body TB may be disposed outside the third terminal T3.
  • connection part CP serves to connect the second terminal T2 and the terminal body TB.
  • connection unit CP bypasses the first terminal T1 or the third terminal T3 in a vertical direction (eg, the z-axis direction) and connects the second terminal T2 and the terminal body TB. ) can be connected.
  • the connection part CP bypasses the third terminal T3 in a vertical direction to connect the second terminal T2 and the terminal body TB. can connect
  • connection unit CP bypasses the first terminal T1 or the third terminal T3 in the horizontal direction (eg, x-axis and y-axis directions) to connect the second terminal T2 and the terminal
  • the body TB may be connected.
  • the connection part CP may connect the second terminal T2 and the terminal body TB by bypassing the third terminal T3 in the horizontal direction.
  • the connecting portion CP may have at least one of a twist, rounding, or folding shape, but the embodiment is not limited to a specific shape of the connecting portion CP.
  • the connection part CP may have a round shape as illustrated in FIG. 3 and FIGS. 4A and 4B to be described later.
  • connection portion CP is not limited to the above-described shape and can be implemented in various ways.
  • the second inductor L2 included in the transformer 120 may be an inductor formed according to a leakage inductance or a commutating inductor, or may be an intentionally added inductor.
  • FIG. 4A and 4B show front views of the transformer 120 shown in FIG. 2A according to embodiments 120A and 120B.
  • the transformers 120A and 120B shown in FIGS. 4A and 4B may include a zero voltage switching (ZVS) inductor 210 and primary and secondary sides 220A or 220B.
  • ZVS zero voltage switching
  • the ZVS inductor 210 serves to reflux the residual current to the input side so that there is no FET operation loss, and may correspond to the second inductor L2 shown in FIG. 1 .
  • the ZVS inductor 210 may include a first core 212 and a first coil 214 .
  • the first core 212 induces electromagnetic energy, and the first coil 214 may generate induced electromotive force through a change in magnetic flux.
  • the primary side and the secondary side (220A or 220B) serve to convert power (voltage or current) on the input side according to a turn ratio and deliver it to the output side.
  • the primary side and the secondary side 220A shown in FIG. 4A include a transformer core 222, a transformer primary coil 224, a transformer secondary coil 226, and first to third terminals T1 and T2. , T3) and an additional terminal AT
  • the primary side and the secondary side 220B shown in FIG. 4B include a transformer core 222, a transformer primary coil 224, a transformer secondary coil 226, It may include first to third terminals T1 , T2 , and T3 and an additional terminal AT.
  • 4A and 4B are the same except that the positions of the lower ends BS1 and BS2 of the second terminal T2 are different from each other.
  • the transformer core 222 induces electromagnetic energy
  • the transformer primary coil 224 serves to generate magnetic flux and transmit current
  • the transformer secondary coil 226 transmits magnetic flux in the reverse direction of the primary coil 224. It generates and serves to transmit current
  • the first to third terminals T1, T2, and T3 are connected to the secondary coil 226 of the transformer.
  • the additional terminal AT serves to connect the second terminal T2 to the output inductor LO as described above.
  • the lower end BS1 of the second terminal T2 may be disposed extending to the substrate 160 . At this time, the lower end BS1 may contact the substrate 160 .
  • heat dissipation characteristics of the transformer 120 may be improved and durability against vibration may be improved.
  • the lower end BS2 of the second terminal T2 may be spaced apart from the substrate 160 . That is, the lower end BS2 may be spaced apart from the substrate 160 by a predetermined distance.
  • a margin of the PCB pattern can be secured.
  • the rectifier 130 is connected to the first terminal T1 and the third terminal T3 of the transformer 120 to rectify the AC power having a level converted by the transformer 120.
  • the rectifying unit 130 may have a center-tap shape.
  • FIG. 5 is a diagram conceptually illustrating a secondary side current path of the transformer 120 shown in FIG. 1 .
  • the rectifying unit 130 may include a first switch SW1 and a second switch SW2.
  • the first switch (SW1) is disposed between the first terminal (T1) and the first ground (or 'first ground') (G1) for switching, and the second switch (SW2) is connected to the third terminal (T3)
  • the second ground (or 'second ground') may be disposed between G2 and switched. That is, as shown in FIG. 5, the first switch SW1 is disposed between the first output pin P1 connected to the first terminal T1 and the first ground G1, and the second switch SW2 may be disposed between the third output pin P3 connected to the third terminal T3 and the second ground G2.
  • the output inductor LO may be disposed between the second output pin P2 of the transformer 120 and the output node NO.
  • the output node NO may correspond to an input node of the output terminal 40 as shown in FIG. 1 .
  • the first ground G1 and the second ground G2 may be integrally connected to each other.
  • Each of the first and second switches SW1 and SW2 may be implemented as a bipolar transistor or a field effect transistor (FET).
  • FET field effect transistor
  • the first switch SW1 may be implemented as a fifth FET Q5.
  • the fifth FET (Q5) is turned on or off in response to the fifth gate signal (S5), and may be disposed between the first output pin (P1) of the transformer 120 and the first ground (G1).
  • the second switch SW2 may be implemented with the sixth FET Q6.
  • the sixth FET Q6 is turned on or off in response to the sixth gate signal S6 and may be disposed between the third output pin P3 of the transformer 120 and the second ground G2.
  • the controller 150 may generate fifth and sixth gate signals S5 and S6 and provide them to the first and second switches SW1 and SW2.
  • the first switch SW1 may be implemented with the 5-1 and 5-2 FETs Q51 and Q52, and the second switch SW2 is the sixth -1 and 6-2 FETs (Q61, Q62) may be implemented.
  • first and second switches SW1 and SW2 shown in FIG. 5 may be implemented in various forms unlike shown.
  • the output inductor LO is disposed adjacent to the transformer 120 and has one end connected to the transformer 120 .
  • One end of the output inductor LO may be connected to the additional terminal AT of the transformer 120 .
  • one end of the output inductor LO may be connected to the second terminal T2 of the transformer 120 through the additional terminal AT.
  • the output inductor LO may be mounted on the board 160 in various forms such as soldering, SMD, or screw.
  • a lead penetrates the board 160 and the output inductor LO may be mounted on the board 160 using a soldering method.
  • the output inductor LO may be tilted at 90° or 180°.
  • the output inductor LO may be disposed on the board 160 while facing the terminal body TB in the second direction (eg, the x-axis direction). .
  • the output inductor LO is electrically connected to the terminal body TB in the substrate 160 shown in FIGS. 2A and 2B.
  • the first switch Q5 and the second switch Q6 on the substrate 160 are disposed to face each other in the first direction (eg, the y-axis direction).
  • the output inductor LO may be disposed outside the first or second switches Q5 and Q6.
  • the outer side of the first switch Q5 refers to a position other than the space between the first switch Q5 and the second switch Q6 facing each other in the first direction (eg, the y-axis direction). It may mean a position closer to the first switch Q5 than to the switch Q6.
  • the outside of the second switch Q6 is a first position other than the space between the first switch Q5 and the second switch Q6 facing each other in the first direction (eg, the y-axis direction). It may mean a position closer to the second switch Q6 than the switch Q5.
  • the output terminal 140 may be connected to the other terminal of the output inductor LO.
  • the output terminal 140 may filter a signal between the output node NO and the second ground G2 and output the filtered result VO.
  • the output terminal 140 may be a kind of filter and may include various types of capacitors or inductors.
  • the output terminal 140 may include first and second capacitors C1 and C2 and a filter inductor L3.
  • the first capacitor C1 is disposed between the other end of the output inductor LO and the second ground G2, the filter inductor L3 has one end connected to the other end of the output inductor LO, and the second capacitor C2 ) may be disposed between the other end of the filter inductor L3 and the second ground G2.
  • the separation distance between the first terminal T1, the second terminal T2, or the third terminal T3 and the output node NO (eg, the first capacitor C1) must be as small as possible to prevent electromagnetic interference (EMI). : Electro Magnetic Interference) performance can be improved.
  • the maximum value of the separation distance between the first terminal T1, the second terminal T2, or the third terminal T3 and the first capacitor C1 may be 10 mm, but the embodiment is limited to this. It doesn't work.
  • FIG. 6 shows a circuit diagram of a power supply device according to a comparative example.
  • the power supply device includes an input terminal including an input capacitor CO, a switching unit 10, a transformer 20, a rectifier unit 30, an output inductor LO, an output terminal 40, and a control unit. (50) may be included.
  • the input terminal shown in FIG. 6, the switching unit 10, the transformer 20, the rectifier 30, the output inductor LO, the output terminal 40, and the control unit 50 are the input terminal shown in FIG. 1, the switching unit 110 ), the transformer 120, the rectifier 130, the output inductor LO, the output terminal 140, and the control unit 150, respectively, and thus duplicate descriptions are omitted.
  • FIG. 7 is a diagram conceptually illustrating a secondary side current path of the transformer 20 shown in FIG. 6 .
  • the first switch SW1 and the second switch SW2 shown in FIG. 7 correspond to the rectifier 30 shown in FIG. 6, and the first switch SW1 and the second switch SW2 shown in FIG. 5 Since they each perform the same function, duplicate descriptions thereof are omitted.
  • FIG. 8 schematically shows a plan view of a power supply device according to a comparative example.
  • the power supply device may include a transformer 20 , a first switch Q5 , a second switch Q6 , an output inductor LO, and a substrate 60 .
  • the transformer 20 shown in FIG. 8, the first switch Q5, the second switch Q6, the output inductor LO, and the substrate 60 are the transformer 120 shown in FIG. 2A or 2B, the first Since the switch Q5, the second switch Q6, the output inductor LO, and the substrate 160 each perform the same function, duplicate descriptions of the same parts will be omitted.
  • the transformer 20 according to the comparative example includes first, second, and third terminals T1, T2, and T3 respectively connected to the first, second, and third output pins P1, P2, and P3, and
  • the second terminal T2 is disposed between the first terminal T1 and the third terminal T3, but unlike the embodiment, it is directly connected to the output inductor LO without passing through the additional terminal AP, and the first switch ( An output inductor LO is disposed between Q5) and the second switch Q6.
  • FIG. 9 is a front view of the transformer 20 shown in FIG. 8 .
  • the transformer 20 includes a first core 12, a first coil 14, a transformer core 22, a transformer primary coil 24, a transformer secondary coil 26, a first to third terminals T1, T2, and T3.
  • the first core 12, the first coil 14, the transformer core 22, the primary coil 24, the secondary coil 26, the first to third terminals T1, shown in FIG. T2 and T3) are the first core 212, the first coil 214, the transformer core 222, the transformer primary coil 224, the transformer secondary coil 226, and the first core 212 shown in FIG. 4A or 4B. Since each of the first to third terminals T1 , T2 , and T3 performs the same function, overlapping descriptions are omitted. However, the transformer 20 shown in FIG. 9 does not include an additional terminal AT, unlike the embodiments shown in FIGS. 4A and 4B.
  • the secondary-side first output pin P1 of the transformers 120 and 20 is connected to the first ground G1 via the first switch SW1, and the secondary-side third output pin (P3) is connected to the second ground (G2) via the second switch (SW2).
  • the high current I2 passes through the second output pin P2 of the transformer 120 and flows to the output inductor LO, and the high current I2 is applied to each of the first and third output pins P1 and P3. ) may flow to the grounds G1 and G2 through the switches SW1 and SW2, respectively.
  • ⁇ Vg represents the potential difference between the grounds
  • Vg1 represents the potential of the first ground G1
  • Vg2 represents the potential of the second ground G2.
  • the first and second grounds G1 and G2 should be formed to be as close as possible to each other or formed in a form that can be tied to one side, but the second output pin P2 through which a large current flows ) is located between the first output pin P1 and the third output pin P3, there is a limit to configuring the pattern width of the printed circuit board (PCB).
  • PCB printed circuit board
  • the second terminal T2 connected to the second output pin P2 is connected to the output inductor LO while leaving the position of the second output pin P2 the same as that of the comparative example. ), but connected through the additional terminal AT, so that the first ground G2 and the second ground G2 can be connected to each other. Therefore, since the potential difference ( ⁇ Vg) between the grounds as in the comparative example is not caused, the power module operating characteristics and EMI performance can be improved, such as smaller EMI noise and relatively lower current density in a path where a large current flows than in the comparative example. .
  • FIG. 10 is a graph showing a result of testing electro magnetic compatibility (EMC) of a power supply device according to a comparative example
  • FIG. 11 is a graph showing a test result of electromagnetic compatibility of a power supply device according to an embodiment.
  • the horizontal axis represents the frequency
  • the vertical axis represents the intensity (dB) of noise.
  • the peak value 310 of noise exceeds the peak upper limit value (PUL) and the average value of noise 312 exceeds the average upper limit value (AUL).
  • the peak value 410 of noise does not exceed the peak upper limit line (PUL) and the average value of noise (AV) does not exceed the average upper limit line (AUL). .
  • the maximum value (PKO) of the peak value 410 shown in FIG. 11 may be reduced by 10 dB or more compared to the maximum value (PKO) of the peak value 310 of the noise shown in FIG. 10 . As such, it can be seen that the noise performance of the power supply device according to the embodiment is improved.
  • a transformer according to an embodiment and a power supply device using the same may be used in servers and vehicles.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
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Abstract

실시 예의 전원 장치는 기판과, 기판 상에 배치되고, 입력 직류 전원을 교번 스위칭하여 교류 전원으로 변환하는 스위칭부와, 기판 상에 배치되고, 교류 전원의 레벨을 변환하는 트랜스포머와, 기판 상에 배치되고, 트랜스포머에서 변환된 레벨을 갖는 교류 전원을 정류하는 정류부 및 트랜스포머와 인접하게 배치되고, 트랜스포머와 연결된 일단을 갖는 출력 인덕터를 포함하고, 트랜스포머에 포함된 복수의 단자는 제1 및 제3 단자와, 제1 단자와 제3 단자 사이에 위치한 제2 단자 및 제2 단자로부터 제1 또는 제3 단자의 바깥쪽으로 연장되어 배치된 추가 단자를 포함하고, 출력 인덕터의 일단은 트랜스포머의 추가 단자와 연결된다.

Description

트랜스포머 및 이를 이용한 전원 장치
실시 예는 트랜스포머 및 이를 이용한 전원 장치에 관한 것이다.
최근 서버 및 차량 파워[예를 들어, 직류/직류(DC-DC) 컨버터 또는 OBC(On-Board Charger)]의 전원에 대한 대전력화 요구가 높아지고 있다.
대전력 전원 장치로서 하프 브리지(half-bridge) 회로보다 풀 브리지(Full-bridge) 회로가 이용된다. 대략 2㎾ 이상(예를 들어, 4㎾)의 대전력 파워 모듈로서 예를 들어 위상 쉬프트 풀 브리지(PSFB: Phase Shift Full Bridge) 회로가 전원 장치로서 사용될 수 있다. PSFB 회로는 능동 소자들의 소프트 스위칭을 통해 제로 전압 스위칭(ZVS: Zero Voltage Switching) 동작이 가능하여 스위칭 손실을 최소화하기 때문에, 전원 장치로서 널리 이용된다. 그러나, 이러한 PSFB 회로는 전자 방해(EMI: Electro Magnetic Interference) 성능이 취약하여 이를 개선시키기 위한 연구가 계속되고 있다.
실시 예는 노이즈 성능이 개선된 트랜스포머 및 이를 이용한 전원 장치를 제공한다.
일 실시 예에 의한 트랜스포머는 복수의 단자를 포함하고, 상기 복수의 단자는 제1 및 제3 단자; 상기 제1 단자와 상기 제3 단자 사이에 위치한 제2 단자; 및 상기 제2 단자로부터 상기 제1 또는 제3 단자의 바깥쪽으로 연장되어 배치된 추가 단자를 포함할 수 있다.
다른 실시 예에 의한 전원 장치는, 기판; 상기 기판 상에 배치되고, 입력 직류 전원을 교번 스위칭하여 교류 전원으로 변환하는 스위칭부; 상기 기판 상에 배치되고, 상기 교류 전원의 레벨을 변환하는 트랜스포머; 상기 기판 상에 배치되고, 상기 트랜스포머에서 변환된 레벨을 갖는 교류 전원을 정류하는 정류부; 및 상기 트랜스포머와 인접하게 배치되고, 상기 트랜스포머와 연결된 일단을 갖는 출력 인덕터를 포함하고, 상기 트랜스포머는 복수의 단자를 포함하고, 상기 복수의 단자는 제1 및 제3 단자; 상기 제1 단자와 상기 제3 단자 사이에 위치한 제2 단자; 및 상기 제2 단자로부터 상기 제1 또는 제3 단자의 바깥쪽으로 연장되어 배치된 추가 단자를 포함하고, 상기 출력 인덕터의 상기 일단은 상기 트랜스포머의 상기 추가 단자와 연결될 수 있다.
예를 들어, 상기 추가 단자는 상기 기판 상에서, 상기 제1 단자 또는 상기 제3 단자의 상기 바깥쪽에 배치된 단자 바디; 및 상기 제2 단자와 상기 단자 바디를 연결하는 연결부를 포함할 수 있다.
예를 들어, 상기 연결부는 상기 제1 단자 또는 상기 제3 단자를 수평 방향으로 우회하여 상기 제2 단자와 상기 단자 바디를 연결할 수 있다.
예를 들어, 상기 연결부는 상기 제1 단자 또는 상기 제3 단자를 수직 방향으로 우회하여 상기 제2 단자와 상기 단자 바디를 연결할 수 있다.
예를 들어, 상기 연결부는 라운딩 형상을 가질 수 있다.
예를 들어, 상기 출력 인덕터는 상기 기판 상에 배치되고, 상기 출력 인덕터의 적어도 일부는 상기 단자 바디와 마주하며 배치될 수 있다.
예를 들어, 상기 정류부는 상기 제1 단자와 제1 그라운드 사이에 배치되어 스위칭하는 제1 스위치; 및 상기 제3 단자와 제2 그라운드 사이에 배치되어 스위칭하는 제2 스위치를 포함하고, 상기 제1 그라운드와 상기 제2 그라운드는 서로 연결될 수 있다.
예를 들어, 상기 제1 스위치와 상기 제2 스위치는 서로 대향하여 배치되고, 상기 출력 인덕터는 상기 제1 또는 제2 스위치의 바깥쪽에 배치될 수 있다.
예를 들어, 상기 전원 장치는, 상기 출력 인덕터의 타단과 연결된 출력단을 더 포함할 수 있다.
예를 들어, 상기 출력단은 상기 출력 인덕터의 타단과 상기 제2 그라운드 사이에 배치된 제1 커패시터; 상기 출력 인덕터의 타단과 연결된 일단을 갖는 필터 인덕터; 및 상기 출력 인덕터의 타단과 상기 제2 그라운드 사이에 배치된 제2 커패시터를 포함할 수 있다.
예를 들어, 상기 제1, 제2 또는 제3 단자와 상기 제1 커패시터 사이의 이격 거리의 최대값은 10㎜일 수 있다.
예를 들어, 상기 제2 단자의 하단은 상기 기판까지 연장되거나 상기 기판으로부터 이격될 수 있다.
또 다른 실시 예에 의한 전원 장치는, 기판, 상기 기판 상에 배치되고, 입력 직류 전원을 교번 스위칭하여 교류 전원으로 변환하는 스위칭부; 상기 기판 상에 배치되고, 상기 교류 전원의 레벨을 변환하는 트랜스포머; 상기 기판 상에 배치되고, 상기 트랜스포머에서 변환된 레벨을 갖는 교류전원을 정류하는 정류부; 및 상기 트랜스포머와 인접하게 배치되고, 상기 트랜스포머와 연결된 출력 인덕터를 포함하고, 상기 트랜스포머는 복수의 단자를 포함하고, 상기 복수의 단자는 제1 및 제3 단자; 상기 제1 단자와 상기 제3 단자 사이에 위치한 제2 단자; 및 상기 제2 단자로부터 상기 제1 또는 제3 단자의 바깥쪽으로 연장되어 배치된 추가 단자를 포함하고, 상기 정류부는 상기 트랜스포머의 상기 제1 단자와 제1 그라운드 사이에 연결된 제1 스위치; 및 상기 제1 그라운드와 연결된 제2 그라운드와 상기 제3 단자 사이에 연결된 제2 스위치를 포함하고, 상기 출력 인덕터는 상기 트랜스포머의 상기 추가 단자와 연결될 수 있다.
실시 예에 따른 트랜스포머 및 이를 이용한 전원 장치는 개선된 파워 모듈 동작 특성과 EMI 노이즈 성능을 갖는다.
도 1은 실시 예에 의한 트랜스포머를 이용한 전원 장치의 회로도를 나타낸다.
도 2a는 도 1에 도시된 트랜스포머를 이용한 전원 장치의 일 실시 예에 의한 평면도를 나타낸다.
도 2b는 도 1에 도시된 트랜스포머를 이용한 전원 장치의 다른 실시 예에 의한 평면도를 나타낸다.
도 3은 또 다른 실시 예에 의한 전원 장치에 포함되는 트랜스포머의 사시도를 나타낸다.
도 4a 및 도 4b는 도 2a에 도시된 트랜스포머의 실시 예에 의한 정면도를 나타낸다.
도 5는 도 1에 도시된 트랜스포머의 2차측 전류 경로를 개념적으로 나타내는 도면이다.
도 6은 비교예에 의한 전원 장치의 회로도를 나타낸다
도 7은 도 6에 도시된 트랜스포머의 2차측 전류 경로를 개념적으로 나타내는 도면이다.
도 8은 비교예에 의한 전원 장치의 평면도를 개략적으로 나타낸다.
도 9는 도 8에 도시된 트랜스포머를 정면에서 바라본 도면이다.
도 10은 비교예에 의한 전원 장치의 전자 양립성을 테스트한 결과를 나타내는 그래프이다.
도 11은 실시 예에 의한 전원 장치의 전자 양립성을 테스트한 결과를 나타내는 그래프이다.
이하, 본 발명을 구체적으로 설명하기 위해 실시 예를 들어 설명하고, 발명에 대한 이해를 돕기 위해 첨부도면을 참조하여 상세하게 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명에 따른 실시 예들은 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 상술하는 실시 예들에 한정되는 것으로 해석되지 않아야 한다. 본 발명의 실시 예들은 당 업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다.
본 발명에 따른 실시 예의 설명에 있어서, 각 element의 " 상(위)" 또는 "하(아래)(on or under)"에 형성되는 것으로 기재되는 경우에 있어, 상(위) 또는 하(아래)(on or under)는 두개의 element가 서로 직접(directly)접촉되거나 하나 이상의 다른 element가 상기 두 element사이에 배치되어(indirectly) 형성되는 것을 모두 포함한다. 또한 “상(위)" 또는 "하(아래)(on or under)”로 표현되는 경우 하나의 element를 기준으로 위쪽 방향뿐만 아니라 아래쪽 방향의 의미도 포함할 수 있다.
또한, 이하에서 이용되는 "제1" 및 "제2," "상/상부/위" 및 "하/하부/아래" 등과 같은 관계적 용어들은, 그런 실체 또는 요소들 간의 어떠한 물리적 또는 논리적 관계 또는 순서를 반드시 요구하거나 내포하지는 않으면서, 어느 한 실체 또는 요소를 다른 실체 또는 요소와 구별하기 위해서 이용될 수도 있다.
이하, 실시 예에 의한 트랜스포머(transformer) 및 이를 이용한 전원 장치를 데카르트 좌표계를 이용하여 설명하지만, 실시 예는 이에 국한되지 않는다. 즉, 데카르트 좌표계에 의하면, x축, y축 및 z축은 서로 직교하지만, 실시 예는 이에 국한되지 않는다. 즉, x축, y축, z축은 직교하는 대신에 서로 교차할 수 있다.
도 1은 실시 예에 의한 트랜스포머를 이용한 전원 장치(100)의 회로도를 나타낸다.
도 1에 도시된 트랜스포머를 이용한 전원 장치(이하, ‘전원 장치’라 한다)(100)는 스위칭부(110), 트랜스포머(120), 정류부(130), 출력 인덕터(LO) 및 제어부(150)를 포함할 수 있다. 또한, 전원 장치(100)는 입력단을 더 포함할 수도 있다. 또한, 전원 장치(100)는 출력단(또는, 필터)(140)을 더 포함할 수도 있다.
도 1에 도시된 전원 장치는 일종의 위상 쉬프트 풀 브리지(PSFB: Phase Shift Full Bridge) 회로일 수 있다.
스위칭부(110)는 입력 직류 전원(VI)을 교번 스위칭하여 교류 전원으로 변환하고, 변환된 교류 전원을 트랜스포머(120)로 출력할 수 있다. 이를 위해, 스위칭부(110)는 4개의 스위칭 소자를 이용하여 상보적으로 교번하여 스위칭 동작을 수행할 수 있다.
예를 들어, 스위칭부(110)는 4개의 스위칭 소자(Q1, Q2, Q3, Q4)를 포함할 수 있다. 제1 스위칭 소자(Q1)는 제1 게이트 신호(S1)에 응답하여 턴온 또는 턴오프되고, 제2 스위칭 소자(Q2)는 제2 게이트 신호(S2)에 응답하여 턴온 또는 턴오프되고, 제3 스위칭 소자(Q3)는 제3 게이트 신호(S3)에 응답하여 턴온 또는 턴오프되고, 제4 스위칭 소자(Q4)는 제4 게이트 신호(S4)에 응답하여 턴온 또는 턴오프될 수 있다. 이러한 스위칭 동작을 제어하기 위해, 제어부(150)는 제1 내지 제4 게이트 신호(S1 내지 S4)를 생성하여 제1 내지 제4 스위칭 소자(Q1, Q2, Q3, Q4)로 각각 제공할 수 있다. 또한, 스위칭부(110)는 제1 인덕터(L1), 제1 및 제2 다이오드(D1, D2)를 포함할 수 있다.
도 1에 도시된 구성을 갖는 스위칭부(110)의 스위칭 동작은 일반적인 사항이므로, 상세한 설명을 생략한다. 또한, 입력 직류 전원(VI)을 교번 스위칭하여 교류 전원으로 변환할 수만 있다면, 실시 예에 의한 전원 장치(100)의 스위칭부(110)는 도 1에 도시된 바와 다른 구성을 가질 수 있다. 즉, 도 1에 도시된 스위칭부(110)의 구성은 PSFB에 포함되는 일반적인 스위칭부의 구성으로 대체될 수도 있다.
입력 직류 전원(VI)은 입력단으로부터 스위칭부(110)로 제공될 수도 있다.
예를 들어, 입력단은 입력 커패시터(CO), 및 그 입력 커패시터(CO)에 병렬로 연결되는 부하(미도시)를 포함할 수 있다. 입력단은 고전압 에너지 저장 장치나 버스일 수 있으며, 생략될 수도 있다.
한편, 실시 예에 의한 트랜스포머(120)는 스위칭부(110)로부터 출력되는 교류 전원의 레벨을 변환한다.
도 2a는 도 1에 도시된 트랜스포머(120)를 이용한 전원 장치(100)의 일 실시 예(100A)에 의한 평면도를 나타내고, 도 2b는 도 1에 도시된 트랜스포머(120)를 이용한 전원 장치(100)의 다른 실시 예(100B)에 의한 평면도를 나타낸다. 설명의 편의상, 도 2a 및 도 2b에서 도 1에 도시된 입력 커패시터(CO), 스위칭부(110) 및 출력단(140)의 도시는 생략된다.
도 2a 및 도 2b에 도시된 실시 예에 의한 전원 장치(100A, 100B)는 트랜스포머(120), 정류부(Q5, Q6), 출력 인덕터(LO) 및 기판[또는, 인쇄회로기판(PCB: Printed Circuit Board)](160)을 포함할 수 있다.
도 2a 및 도 2b에 도시된 트랜스포머(120), 정류부(Q5, Q6) 및 출력 인덕터(LO)는 도 1에 도시된 트랜스포머(120), 정류부(120) 및 출력 인덕터(LO)와 각각 동일한 기능을 수행한다.
트랜스포머(120), 정류부(Q5, Q6) 및 출력 인덕터(LO)는 기판(160) 상에 배치될 수 있다. 또한, 비록 도시되지 않았지만, 스위칭부(110) 및 출력단(140)도 기판(160) 상에 배치될 수 있다. 또한, 제어부(150)도 기판(160) 상에 배치될 수 있다.
실시 예에 의하면, 도 2a 및 도 2b에 도시된 바와 같이 트랜스포머(120)는 복수의 단자를 포함할 수 있다. 복수의 단자는 제1 단자(T1), 제2 단자(T2), 제3 단자(T3) 및 추가 단자(AT)를 포함할 수 있다. 도 2a 및 도 2b에 도시된 제1 단자(T1)는 도 1에 도시된 트랜스포머(120)의 제1 출력핀(pin)(P1)과 연결되고, 도 2a 및 도 2b에 도시된 제2 단자(T2)는 도 1에 도시된 트랜스포머(120)의 제2 출력핀(P2)과 연결되고, 도 2a 및 도 2b에 도시된 제3 단자(T3)는 도 1에 도시된 트랜스포머(120)의 제3 출력핀(P3)과 연결될 수 있다. 도 2a 및 도 2b를 참조하면, 제2 단자(T1)는 제1 단자(T1)와 제3 단자(T3) 사이에 위치하며, 예를 들어, 제1 단자(T1)와 제3 단자(T3)의 중앙에 배치될 수 있다.
또한, 추가 단자(AT: AT1, AT2)는 제2 단자(T2)로부터 제1 단자(T1) 또는 제3 단자(T3)의 바깥쪽으로 연장되어 배치될 수 있다. 여기서, 제1 단자(T1)의 바깥쪽이란, 제1 방향(예를 들어, y축 방향)으로 정렬된 제1 단자(T1)와 제3 단자(T3) 사이의 공간 이외의 위치 중에서 제3 단자(T3)보다 제1 단자(T1)에 더 가까운 위치를 의미할 수 있다. 또한, 제3 단자(T3)의 바깥쪽이란, 제1 방향(예를 들어, y축 방향)으로 정렬된 제1 단자(T1)와 제3 단자(T3) 사이의 공간 이외의 위치 중에서 제1 단자(T1)보다 제3 단자(T3)에 더 가까운 위치를 의미할 수 있다.
예를 들어, 도 2a 및 도 2b에 도시된 바와 같이, 추가 단자(AT: AT1, AT2)는 제3 단자(T3)의 바깥쪽으로 연장되어 배치될 수 있다.
도 3은 또 다른 실시 예에 의한 전원 장치에 포함되는 트랜스포머(120)의 사시도를 나타낸다.
추가 단자(AT: AT1, AT2, AT3)는 단자 바디(TB) 및 연결부(CP)를 포함할 수 있다.
단자 바디(TB)는 기판(160) 상에서, 제1 단자(T1) 또는 제3 단자(T3)의 바깥쪽에 배치될 수 있다. 예를 들어, 도 2a, 도 2b 및 도 3 각각에 도시된 바와 같이, 단자 바디(TB)는 제3 단자(T3)의 바깥쪽에 배치될 수 있다.
연결부(CP)는 제2 단자(T2)와 단자 바디(TB)를 연결하는 역할을 한다.
일 실시 예에 의하면, 연결부(CP)는 제1 단자(T1) 또는 제3 단자(T3)를 수직 방향(예를 들어, z축 방향)으로 우회하여 제2 단자(T2)와 단자 바디(TB)를 연결할 수 있다. 예를 들어, 도 2a 및 후술되는 도 4a 및 도 4b에 예시된 바와 같이, 연결부(CP)는 제3 단자(T3)를 수직 방향으로 우회하여 제2 단자(T2)와 단자 바디(TB)를 연결할 수 있다.
다른 실시 예에 의하면, 연결부(CP)는 제1 단자(T1) 또는 제3 단자(T3)를 수평 방향(예를 들어, x축과 y축 방향)으로 우회하여 제2 단자(T2)와 단자 바디(TB)를 연결할 수 있다. 예를 들어, 도 2b 및 도 3에 예시된 바와 같이, 연결부(CP)는 제3 단자(T3)를 수평 방향으로 우회하여 제2 단자(T2)와 단자 바디(TB)를 연결할 수 있다.
연결부(CP)는 트위스트(twist), 라운딩(rounding) 또는 폴딩(folding) 형상 중 적어도 하나를 가질 수 있으나, 실시 예는 연결부(CP)의 특정한 형상에 국한되지 않는다. 예를 들어, 연결부(CP)는 도 3 및 후술되는 도 4a 및 도 4b에 예시된 바와 같이 라운딩 형상을 가질 수 있다.
추가 단자(AP)의 형상을 간소화하고 추가 단자(AP)가 형성되는 구간을 최소화하여 저항 및 가공비를 절감할 수 있다면, 연결부(CP)는 전술한 형상에 국한되지 않고 다양하게 구현될 수 있다.
트랜스포머(120)에 포함되는 제2 인덕터(L2)는 누설 인덕턴스(leakage inductance), 전류 인덕터(commutating inductor)에 따라 형성된 인덕터일 수도 있고, 의도적으로 추가된 인덕터일 수도 있다.
도 4a 및 도 4b는 도 2a에 도시된 트랜스포머(120)의 실시 예(120A, 120B)에 의한 정면도를 나타낸다.
도 4a 및 도 4b에 도시된 트랜스포머(120A, 120B)는 제로 전압 스위칭(ZVS: Zero Voltage Switching) 인덕터(210)와 1차측 및 2차측(220A 또는 220B)을 포함할 수 있다.
ZVS 인덕터(210)는 FET 동작 손실이 없도록 잔류 전류를 입력측으로 환류시키는 역할을 하며, 도 1에 도시된 제2 인덕터(L2)에 해당할 수 있다. ZVS 인덕터(210)는 제1 코어(212) 및 제1 코일(214)을 포함할 수 있다. 제1 코어(212)는 전자기를 유도하고, 제1 코일(214)은 자속 변화를 통해 유도 기전력을 발생할 수 있다.
1차측 및 2차측(220A 또는 220B)은 입력측 전력(전압 또는 전류)을 권선비(turn ratio)에 따라 변환하여 출력측으로 전달하는 역할을 한다. 예를 들어, 도 4a에 도시된 1차측 및 2차측(220A)은 트랜스포머 코어(222), 트랜스포머 1차 코일(224), 트랜스포머 2차 코일(226), 제1 내지 제3 단자(T1, T2, T3) 및 추가 단자(AT)를 포함하고, 도 4b에 도시된 1차측 및 2차측(220B)은 트랜스포머 코어(222), 트랜스포머 1차 코일(224), 트랜스포머 2차 코일(226), 제1 내지 제3 단자(T1, T2, T3) 및 추가 단자(AT)를 포함할 수 있다. 제2 단자(T2)의 하단(BS1, BS2)의 위치가 서로 다름을 제외하면, 도 4a와 도 4b는 동일하다.
트랜스포머 코어(222)는 전자기를 유도하고, 트랜스포머 1차 코일(224)은 자속을 발생하고 전류를 전달하는 역할을 하고, 트랜스포머 2차 코일(226)은 1차 코일(224)의 역방향으로 자속을 발생하고 전류를 전달하는 역할을 하고, 제1 내지 제3 단자(T1, T2, T3)는 트랜스포머 2차 코일(226)에 연결된다. 또한, 추가 단자(AT)는 전술한 바와 같이 제2 단자(T2)를 출력 인덕터(LO)에 연결하는 역할을 한다.
일 실시 예에 의하면, 도 4a에 도시된 바와 같이, 제2 단자(T2)의 하단(BS1)은 기판(160)까지 연장되어 배치될 수 있다. 이때, 하단(BS1)은 기판(160)과 접할 수 있다. 제2 단자(T2)가 도 4a에 도시된 바와 같이 구현될 경우, 트랜스포머(120)의 방열 특성이 개선되고 진동에 따른 내구성도 개선될 수 있다.
다른 실시 예에 의하면, 도 4b에 도시된 바와 같이, 제2 단자(T2)의 하단(BS2)은 기판(160)으로부터 이격되어 배치될 수도 있다. 즉, 하단(BS2)은 기판(160)으로부터 일정 거리 이격되어 배치될 수도 있다. 제2 단자(T2)가 도 4b에 도시된 바와 같이 구현될 경우, PCB 패턴의 마진을 확보할 수 있다.
다시, 도 1을 참조하면, 정류부(130)는 트랜스포머(120)의 제1 단자(T1) 및 제3 단자(T3)와 연결되어, 트랜스포머(120)에서 변환된 레벨을 갖는 교류 전원을 정류할 수 있다. 즉, 정류부(130)는 중앙 탭(center-tap) 형태를 가질 수 있다.
도 5는 도 1에 도시된 트랜스포머(120)의 2차측 전류 경로를 개념적으로 나타내는 도면이다.
예를 들어, 정류부(130)는 제1 스위치(SW1) 및 제2 스위치(SW2)를 포함할 수 있다.
제1 스위치(SW1)는 제1 단자(T1)와 제1 그라운드(또는, ‘제1 접지’)(G1) 사이에 배치되어 스위칭하고, 제2 스위치(SW2)는 제3 단자(T3)와 제2 그라운드(또는, ‘제2 접지’)(G2) 사이에 배치되어 스위칭할 수 있다. 즉, 도 5에 도시된 바와 같이, 제1 스위치(SW1)는 제1 단자(T1)와 연결된 제1 출력핀(P1)과 제1 그라운드(G1) 사이에 배치되고, 제2 스위치(SW2)는 제3 단자(T3)와 연결된 제3 출력핀(P3)과 제2 그라운드(G2) 사이에 배치될 수 있다.
출력 인덕터(LO)는 트랜스포머(120)의 제2 출력핀(P2)과 출력 노드(NO) 사이에 배치될 수 있다. 여기서, 출력 노드(NO)는 도 1에 도시된 바와 같이 출력단(40)의 입력측 노드에 해당할 수 있다.
실시 예에 의하면, 도 1 및 도 5에 도시된 바와 같이, 제1 그라운드(G1)와 제2 그라운드(G2)는 서로 연결되어 일체일 수 있다.
제1 및 제2 스위치(SW1, SW2) 각각은 바이폴라 트랜지스터 또는 전계 효과 트랜지스터(FET: Field Effect Transistor)로 구현될 수 있다.
예를 들어, 도 1에 도시된 바와 같이, 제1 스위치(SW1)는 제5 FET(Q5)로 구현될 수 있다. 제5 FET(Q5)는 제5 게이트 신호(S5)에 응답하여 턴온 또는 턴 오프되며, 트랜스포머(120)의 제1 출력핀(P1)과 제1 그라운드(G1) 사이에 배치될 수 있다.
제2 스위치(SW2)는 제6 FET(Q6)로 구현될 수 있다. 제6 FET(Q6)는 제6 게이트 신호(S6)에 응답하여 턴온 또는 턴 오프되며, 트랜스포머(120)의 제3 출력핀(P3)과 제2 그라운드(G2) 사이에 배치될 수 있다.
전술한 동작을 수행하기 위해, 제어부(150)는 제5 및 제6 게이트 신호(S5, S6)를 생성하여 제1 및 제2 스위치(SW1, SW2)로 제공할 수 있다.
또는, 도 2a 및 도 2b에 도시된 바와 같이, 제1 스위치(SW1)는 제5-1 및 제5-2 FET(Q51, Q52)로 구현될 수 있고, 제2 스위치(SW2)는 제6-1 및 제6-2 FET(Q61, Q62)로 구현될 수도 있다.
또한, 도 5에 도시된 제1 및 제2 스위치(SW1, SW2)는 도시된 바와 달리 다양한 형태로 구현될 수도 있다.
출력 인덕터(LO)는 트랜스포머(120)와 인접하게 배치되고, 트랜스포머(120)와 연결된 일단을 갖는다. 출력 인덕터(LO)의 일단은 트랜스포머(120)의 추가 단자(AT)와 연결될 수 있다. 이와 같이, 출력 인덕터(LO)의 일단은 추가 단자(AT)를 통해 트랜스포머(120)의 제2 단자(T2)와 연결될 수 있다. 출력 인덕터(LO)는 솔더링(Soldering), SMD 또는 스크류(Screw) 등 다양한 형태로 기판(160)에 실장될 수 있다. 예를 들어, 도 2a 및 도 2b에서, 리드(lead)가 기판(160)을 관통하여 출력 인덕터(LO)는 솔더링 방식으로 기판(160)에 실장될 수 있다.
또한, 트랜스포머의 2차 코일(226)의 위치 또는 구조나 기판(160)의 패턴에 따라, 출력 인덕터(LO)는 90° 또는 180°로 틸팅(tilting)하여 배치될 수도 있다.
도 2a 및 도 2b에 도시된 바와 같이, 출력 인덕터(LO)의 적어도 일부는 기판(160) 상에서 단자 바디(TB)와 제2 방향(예를 들어, x축 방향)으로 마주하며 배치될 수 있다. 비록 보이지 않지만, 도 2a 및 도 2b에 도시된 기판(160) 내에서 출력 인덕터(LO)는 단자 바디(TB)와 전기적으로 연결된다.
또한, 도 2a 및 도 2b 각각에 도시된 바와 같이 기판(160) 상에서 제1 스위치(Q5)와 제2 스위치(Q6)는 제1 방향(예를 들어, y축 방향)으로 서로 대향하여 배치될 수 있다. 이때, 출력 인덕터(LO)는 제1 또는 제2 스위치(Q5, Q6)의 바깥쪽에 배치될 수 있다. 여기서, 제1 스위치(Q5)의 바깥쪽이란, 제1 방향(예를 들어, y축 방향)으로 마주보는 제1 스위치(Q5)와 제2 스위치(Q6) 사이의 공간 이외의 위치 중에서 제2 스위치(Q6)보다 제1 스위치(Q5)에 더 가까운 위치를 의미할 수 있다. 또한, 제2 스위치(Q6)의 바깥쪽이란, 제1 방향(예를 들어, y축 방향)으로 마주보는 제1 스위치(Q5)와 제2 스위치(Q6) 사이의 공간 이외의 위치 중에서 제1 스위치(Q5)보다 제2 스위치(Q6)에 더 가까운 위치를 의미할 수 있다.
출력단(140)은 출력 인덕터(LO)의 타단과 연결될 수 있다. 예를 들어, 출력단(140)은 출력 노드(NO)와 제2 그라운드(G2) 사이의 신호를 필터링하고, 필터링된 결과(VO)를 출력할 수 있다.
출력단(140)은 일종의 필터일 수 있으며, 다양한 형태의 커패시터나 인덕터를 포함할 수 있다.
예를 들어, 도 1을 참조하면, 출력단(140)은 제1 및 제2 커패시터(C1, C2) 및 필터 인덕터(L3)를 포함할 수 있다.
제1 커패시터(C1)는 출력 인덕터(LO)의 타단과 제2 그라운드(G2) 사이에 배치되고, 필터 인덕터(L3)는 출력 인덕터(LO)의 타단과 연결된 일단을 갖고, 제2 커패시터(C2)는 필터 인덕터(L3)의 타단과 제2 그라운드(G2) 사이에 배치될 수 있다.
제1 단자(T1), 제2 단자(T2) 또는 제3 단자(T3)와 출력 노드(NO)(예를 들어, 제1 커패시터(C1)) 사이의 이격 거리가 최대한 작아야만 전자 방해(EMI: Electro Magnetic Interference) 성능을 개선시킬 수 있다. 예를 들어, 제1 단자(T1), 제2 단자(T2) 또는 제3 단자(T3)와 제1 커패시터(C1) 사이의 이격 거리의 최대값은 10㎜일 수 있으나, 실시 예는 이에 국한되지 않는다.
이하, 비교예에 의한 전원 장치와 실시 예에 의한 전원 장치를 첨부된 도면을 참조하여 다음과 같이 설명한다.
도 6은 비교예에 의한 전원 장치의 회로도를 나타낸다.
도 6에 도시된 비교예에 의한 전원 장치는 입력 커패시터(CO)를 포함하는 입력단, 스위칭부(10), 트랜스포머(20), 정류부(30), 출력 인덕터(LO), 출력단(40) 및 제어부(50)를 포함할 수 있다. 도 6에 도시된 입력단, 스위칭부(10), 트랜스포머(20), 정류부(30), 출력 인덕터(LO), 출력단(40) 및 제어부(50)는 도 1에 도시된 입력단, 스위칭부(110), 트랜스포머(120), 정류부(130), 출력 인덕터(LO), 출력단(140) 및 제어부(150)에 각각 해당하므로 중복되는 설명을 생략한다.
도 7은 도 6에 도시된 트랜스포머(20)의 2차측 전류 경로를 개념적으로 나타내는 도면이다.
도 7에 도시된 제1 스위치(SW1) 및 제2 스위치(SW2)는 도 6에 도시된 정류부(30)에 해당하며, 도 5에 도시된 제1 스위치(SW1) 및 제2 스위치(SW2)와 각각 동일한 기능을 수행하므로 이들에 대한 중복되는 설명을 생략한다.
도 8은 비교예에 의한 전원 장치의 평면도를 개략적으로 나타낸다.
도 8에 도시된 비교예에 의한 전원 장치는 트랜스포머(20), 제1 스위치(Q5), 제2 스위치(Q6), 출력 인덕터(LO) 및 기판(60)을 포함할 수 있다. 도 8에 도시된 트랜스포머(20), 제1 스위치(Q5), 제2 스위치(Q6), 출력 인덕터(LO) 및 기판(60)은 도 2a 또는 도 2b에 도시된 트랜스포머(120), 제1 스위치(Q5), 제2 스위치(Q6), 출력 인덕터(LO) 및 기판(160)과 각각 동일한 기능을 수행하므로, 동일한 부분에 대해서는 중복되는 설명을 생략한다.
비교예에 의한 트랜스포머(20)는 제1, 제2 및 제3 출력핀(P1, P2, P3)과 각각 연결된 제1, 제2 및 제3 단자(T1, T2, T3)를 포함하고, 제2 단자(T2)는 제1 단자(T1)와 제3 단자(T3) 사이에 배치되지만, 실시 예와 달리 추가 단자(AP)를 통하지 않고 출력 인덕터(LO)와 직접 연결되며, 제1 스위치(Q5)와 제2 스위치(Q6) 사이에 출력 인덕터(LO)가 배치된다.
도 9는 도 8에 도시된 트랜스포머(20)를 정면에서 바라본 도면이다.
도 9에 도시된 바와 같이 트랜스포머(20)는 제1 코어(12), 제1 코일(14), 트랜스포머 코어(22), 트랜스포머 1차 코일(24), 트랜스포머 2차 코일(26), 제1 내지 제3 단자(T1, T2, T3)를 포함할 수 있다. 도 9에 도시된 제1 코어(12), 제1 코일(14), 트랜스포머 코어(22), 트랜스포머 1차 코일(24), 트랜스포머 2차 코일(26), 제1 내지 제3 단자(T1, T2, T3)는 도 4a 또는 도 4b에 도시된 제1 코어(212), 제1 코일(214), 트랜스포머 코어(222), 트랜스포머 1차 코일(224), 트랜스포머 2차 코일(226), 제1 내지 제3 단자(T1, T2, T3)와 각각 동일한 기능을 수행하므로, 중복되는 설명을 생략한다. 다만, 도 9에 도시된 트랜스포머(20)는 도 4a 및 도 4b에 도시된 실시 예와 달리 추가 단자(AT)를 포함하지 않는다.
도 5 및 도 7을 참조하면, 트랜스포머(120, 20)의 2차측 제1 출력핀(P1)은 제1 스위치(SW1)를 거쳐 제1 그라운드(G1)와 연결되고, 2차측 제3 출력핀(P3)은 제2 스위치(SW2)를 거쳐 제2 그라운드(G2)와 연결된다.
이러한 구성에서, 트랜스포머(120)의 제2 출력핀(P2)을 통해 대전류(I2)가 통과하여 출력 인덕터(LO)로 흐르고, 제1 및 제3 출력핀(P1, P3) 각각에는 대전류(I2)의 레벨의 절반의 레벨을 갖는 전류(I1, I3)가 각각 스위치(SW1, SW2)를 거쳐 그라운드(G1, G2)로 흐를 수 있다.
이때, 도 6 및 도 7에 도시된 바와 같이, 제1 출력핀(P1)과 제3 출력핀(P3)이 제2 출력핀(P2)을 사이에 두고 이격될 경우 에너지 레벨링(levelling)이 불균형해지며, 도 6 및 도 7에 도시된 바와 같이 제1 그라운드(G1)와 제2 그라운드(G2)는 서로 연결되지 않고 이격될 경우 다음 수학식 1과 같이 그라운드 간의 전위차가 야기될 수 있다.
Figure PCTKR2022021407-appb-img-000001
여기서, ΔVg 는 그라운드 간의 전위차를 나타내고, Vg1는 제1 그라운드(G1)의 전위를 나타내고, Vg2는 제2 그라운드(G2)의 전위를 나타낸다.
수학식 1의 전위차(ΔVg)로 인해, 비교예에 의한 전원 장치의 EMI 노이즈가 증가하고, 대 전류가 흐르는 경로의 전류 밀도가 상대적으로 높아져서 각 스위치(SW1, SW2)를 구현하는 FET(Q5, Q6)의 발열 온도가 상승할 수 있다.
이러한 EMI 노이즈를 줄이기 위한 하나의 방안으로서, 제1 및 제2 그라운드(G1, G2)가 서로 최대한 근접하도록 형성하거나, 한쪽으로 묶을 수 있는 형태로 형성해야 하지만, 대전류가 흐르는 제2 출력핀(P2)이 제1 출력핀(P1)과 제3 출력핀(P3) 사이에 위치함으로 인해, 인쇄회로기판(PCB)의 패턴(Pattern) 폭을 구성함에 한계가 있다.
이를 개선하기 위해, 트랜스포머(20)에서 제2 출력핀(P2)의 위치를 바꾸고자 할 경우, 트랜스포머 2차 코일(26)의 형상이 복잡해지고, 가공비가 상승하며, 조립 수율이 하락할 수 있다.
따라서, 실시 예에 의한 전원 장치의 경우, 제2 출력핀(P2)의 위치를 비교예와 동일하게 두면서도, 제2 출력핀(P2)과 연결되는 제2 단자(T2)를 출력 인덕터(LO)와 직접 연결하지 않고, 추가 단자(AT)를 통해 연결하여, 제1 그라운드(G2)와 제2 그라운드(G2)가 서로 연결될 수 있도록 한다. 따라서, 비교예에서와 같은 그라운드 간의 전위차(ΔVg)가 야기되지 않아, EMI 노이즈가 비교예보다 작고 대전류가 흐르는 경로의 전류 밀도가 상대적으로 낮은 등, 파워모듈 동작 특성과 EMI 성능이 개선될 수 있다.
도 10은 비교예에 의한 전원 장치의 전자 양립성(EMC: Electro Magnetic Compatibility)을 테스트한 결과를 나타내는 그래프이고, 도 11은 실시 예에 의한 전원 장치의 전자 양립성을 테스트한 결과를 나타내는 그래프이다. 각 그래프에서 횡축은 주파수를 나타내고, 종축은 노이즈의 세기(dB)를 나타낸다.
도 10을 참조하면, 비교예에 의한 전원 장치의 경우, 노이즈의 피크치(310)가 피크 상한선(PUL)을 초과하고 노이즈의 평균치(312)가 평균 상한선(AUL)을 초과한다.
반면에, 도 11을 참조하면, 실시 예에 의한 전원 장치의 경우, 노이즈의 피크치(410)가 피크 상한선(PUL)을 초과하지 않고 노이즈의 평균치(AV)가 평균 상한선(AUL)을 초과하지 않는다.
도 10에 도시된 노이즈의 피크치(310)의 최대값(PKO)보다 도 11에 도시된 피크치(410)의 최대값(PKO)은 10dB 이상 감소할 수 있다. 이와 같이, 실시 예에 의한 전원 장치의 노이즈 성능이 개선됨을 알 수 있다.
이상에서 실시 예를 중심으로 설명하였으나 이는 단지 예시일 뿐 본 발명을 한정하는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 실시 예의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위에서 이상에 예시되지 않은 여러 가지의 변형과 응용이 가능함을 알 수 있을 것이다. 예를 들어, 실시 예에 구체적으로 나타난 각 구성 요소는 변형하여 실시할 수 있는 것이다. 그리고 이러한 변형과 응용에 관계된 차이점들은 첨부된 청구 범위에서 규정하는 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
발명의 실시를 위한 형태는 전술한 "발명의 실시를 위한 최선의 형태"에서 충분히 설명되었다.
실시 예에 의한 트랜스포머 및 이를 이용한 전원 장치는 서버와 차량에 이용될 수 있다.

Claims (10)

  1. 복수의 단자를 포함하고,
    상기 복수의 단자는
    제1 및 제3 단자;
    상기 제1 단자와 상기 제3 단자 사이에 위치한 제2 단자; 및
    상기 제2 단자로부터 상기 제1 또는 제3 단자의 바깥쪽으로 연장되어 배치된 추가 단자를 포함하는 트랜스포머.
  2. 기판;
    상기 기판 상에 배치되고, 입력 직류 전원을 교번 스위칭하여 교류 전원으로 변환하는 스위칭부;
    상기 기판 상에 배치되고, 상기 교류 전원의 레벨을 변환하는 트랜스포머;
    상기 기판 상에 배치되고, 상기 트랜스포머에서 변환된 레벨을 갖는 교류 전원을 정류하는 정류부; 및
    상기 트랜스포머와 인접하게 배치되고, 상기 트랜스포머와 연결된 일단을 갖는 출력 인덕터를 포함하고,
    상기 트랜스포머는 복수의 단자를 포함하고,
    상기 복수의 단자는
    제1 및 제3 단자;
    상기 제1 단자와 상기 제3 단자 사이에 위치한 제2 단자; 및
    상기 제2 단자로부터 상기 제1 또는 제3 단자의 바깥쪽으로 연장되어 배치된 추가 단자를 포함하고,
    상기 출력 인덕터의 상기 일단은 상기 트랜스포머의 상기 추가 단자와 연결된 전원 장치.
  3. 제2 항에 있어서, 상기 추가 단자는
    상기 기판 상에서, 상기 제1 단자 또는 상기 제3 단자의 상기 바깥쪽에 배치된 단자 바디; 및
    상기 제2 단자와 상기 단자 바디를 연결하는 연결부를 포함하는 전원 장치.
  4. 제3 항에 있어서, 상기 연결부는
    상기 제1 단자 또는 상기 제3 단자를 수평 또는 수직 방향으로 우회하여 상기 제2 단자와 상기 단자 바디를 연결하는 전원 장치.
  5. 제3 항에 있어서, 상기 출력 인덕터는 상기 기판 상에 배치되고, 상기 출력 인덕터의 적어도 일부는 상기 단자 바디와 마주하며 배치된 전원 장치.
  6. 제2 항에 있어서, 상기 정류부는
    상기 제1 단자와 제1 그라운드 사이에 배치되어 스위칭하는 제1 스위치; 및
    상기 제3 단자와 제2 그라운드 사이에 배치되어 스위칭하는 제2 스위치를 포함하고,
    상기 제1 그라운드와 상기 제2 그라운드는 서로 연결된 전원 장치.
  7. 제6 항에 있어서,
    상기 제1 스위치와 상기 제2 스위치는 서로 대향하여 배치되고,
    상기 출력 인덕터는 상기 제1 또는 제2 스위치의 바깥쪽에 배치된 전원 장치.
  8. 제6 항에 있어서,
    상기 출력 인덕터의 타단과 연결된 출력단을 더 포함하고, 상기 출력단은
    상기 출력 인덕터의 타단과 상기 제2 그라운드 사이에 배치된 제1 커패시터;
    상기 출력 인덕터의 타단과 연결된 일단을 갖는 필터 인덕터; 및
    상기 출력 인덕터의 타단과 상기 제2 그라운드 사이에 배치된 제2 커패시터를 포함하는 전원 장치.
  9. 제2 항에 있어서, 상기 제2 단자의 하단은 상기 기판까지 연장되거나 상기 기판으로부터 이격된 전원 장치.
  10. 기판;
    상기 기판 상에 배치되고, 입력 직류 전원을 교번 스위칭하여 교류 전원으로 변환하는 스위칭부;
    상기 기판 상에 배치되고, 상기 교류 전원의 레벨을 변환하는 트랜스포머;
    상기 기판 상에 배치되고, 상기 트랜스포머에서 변환된 레벨을 갖는 교류전원을 정류하는 정류부; 및
    상기 트랜스포머와 인접하게 배치되고, 상기 트랜스포머와 연결된 출력 인덕터를 포함하고,
    상기 트랜스포머는 복수의 단자를 포함하고,
    상기 복수의 단자는
    제1 및 제3 단자;
    상기 제1 단자와 상기 제3 단자 사이에 위치한 제2 단자; 및
    상기 제2 단자로부터 상기 제1 또는 제3 단자의 바깥쪽으로 연장되어 배치된 추가 단자를 포함하고,
    상기 정류부는 상기 트랜스포머의 상기 제1 단자와 제1 그라운드 사이에 연결된 제1 스위치; 및 상기 제1 그라운드와 연결된 제2 그라운드와 상기 제3 단자 사이에 연결된 제2 스위치를 포함하고,
    상기 출력 인덕터는 상기 트랜스포머의 상기 추가 단자와 연결된 전원 장치.
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