KR100321310B1 - 순방향 동기 정류기용 동기 및 구동회로 - Google Patents

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Abstract

절연 순방향 스위칭 전력 변환기는 제1차측 회로 및 제2차측 회로를 포함하는데, 상기 제2차측 회로는 출력 인덕터, 출력 인덕터와 직렬로 결합된 제1 MOS 게이트 트랜지스터, 출력 인덕터와 분로 관계로 결합된 제2 MOS 게이트 트랜지스터 및, 동기 정류 제어 회로를 갖는데, 상기 동기 정류 제어 회로는 출력 인덕터 양단의 전압을 감지하여, 거기에 응답하여 제1 및 2 트랜지스터를 선택적으로 바이어스 온 및 오프한다.

Description

순방향 동기 정류기용 동기 및 구동 회로
본 발명은 동기 정류기를 채용한 순방향(forward) 변환기용 동기 및 구동 회로에 관한 것이다.
동기 정류기를 채용한 공지된 순방향 스위칭 전력 공급 회로에 있어서, 제2 차측 다이오드는 더욱 저 온-상태 전압 강하(lower on-state voltage drop)를 성취할 트랜지스터로 교체된다. 다이오드가 애노드에서 캐소드로 전도했을 시에 트랜지스터는 (N-채널 전력 MOSFET에 대해) 소스에서 드레인으로 전도하도록 바이어스 되어야 하고, 역으로, 다이오드가 캐소드에서 애노드로 차단(block)했을 시에 드레인에서 소스로 전압을 차단하도록 게이트되어야 한다.
이런 공지된 동기 정류 회로에 있어서, 트랜지스터에 대한 게이트 신호는 출력 인덕터 전류의 굴곡점(inflection point)에 가능한 근접하여 동기화되어야 하는데, 상기 굴곡점은 사각형파 출력 인덕터 전압의 제로 교차점에 대응한다. 게이트 신호는 "자기-구동"될 수 있거나(즉, 게이트 신호는 회로에 직접 접속될 수 있거나), "제어 동기화"될 수 있다(즉, 동기화 신호는 회로내의 어떤 포인트로부터 유도되어, MOSFET 게이트 구동기에 공급된다).
종래 기술의 동기 정류기의 예는 엔고 등에 의한 미국 특허 제 4,903,189 호, 이에 의한 미국 특허 제 5,430,640 호 및, 해스팅즈에 의한 미국 특허 제 5,457,624 호와, 아래 기사: 즉, 클레멘트 등에 의한" 저 출력 전압 순방향 변환기내에서 효율이 향상된 동기 정류기" (페이지 347 내지 350) 및, 1995년 5월 회보 (페이지 1 내지 10), 찌다루 에이취에프피씨에 의한 "전력 변환기상의 저 출력 전압 요건의 임팩트"에서 찾을 수 있다.
종래 기술의 어떤 동기 정류 회로는 제1차측 제어 신호를 모니터하여, 동기 트랜지스터의 게이팅(gating)을 동기화하도록 (예를들어 절연 경계면에 걸친) 전력변환기의 제2차측으로 상기 제어 신호를 전달한다. 불행하게도, 값비싸고, 최적이 아닌 복잡한 회로가 회로의 제1차 및 2차부 사이에서 절연을 유지하도록 요구된다. 예를 들면, 광-절연체가 절연을 유지하는데에 이용될 시에, 바람직하지 않은 지연 및 예견할 수 없는 이득 변동이 시스템 내에서의 에러를 유발시킨다.
종래 기술의 다른 동기 정류 회로는 동기화 정보를 제2차 회로 트랜지스터로 전달시킬 부가적인 변압기 권선을 이용하여, 여전히 절연 상태를 유지시킨다. 그러나, 그런 변압기는 더욱 비용이 많이 들고, 복잡하며, 변압기 리세트 문제는 또한 유발된다.
따라서, 본 분야에서는 순방항 전력 변환기내의 제1차 및 2차 회로간에 절연경계면에 걸쳐 동기화 정보를 전달한 광-결합기 또는 부가적인 변압기를 필요로 하지 않는 신규 동기 정류 회로에 대한 필요성이 있다.
종래 기술의 동기 정류 회로의 결점을 극복하기 위하여, 본 발명은 변환기의 출력 인덕터 양단의 전압을 모니터하고, 한 트랜지스터가 다른 것이 오프 상태일시에 항상 온상태이고, 그리고 그 역으로 되도록 인덕터 전압의 전이(transition)에 응답하여 트랜지스터를 선택적으로 게이트함으로써 발생된 "자기-구동" 게이트 신호를 제공한다.
이하, 첨부된 도면을 참조로하여 본원 명세서를 더욱 상세히 설명하기로 한다.
도면에서, 동일 번호는 동일 소자를 표시하고, 본 발명에 따른 동기 정류기 (10)가 도1에 도시되어 있으며, 상기 정류기(10)는 제1차 회로(20) 및 제2차 회로 (30)를 포함한다. 제1차 회로(20)는 전압원 Vin, 변압기(12)의 제1차 권선(11), 스위치 SP, 변압기(12)의 코어(core)를 리세트하는 리세트 권선(13) 및, 리세트 다이오드 Dr를 포함한다. 간략화를 위해 스위치 SP는 단극단투(single pole single-throw) 스위치로서 표시되지만, 상기 스위치는 전력 MOSFET 또는 절연 게이트 바이폴과 트랜지스터(IGBT)와 같은 통상적인 MOS-게이트된 반도체 스위치일 수 있다.
제2차 회로(30)는 제2차 권선(14), 출력 인덕터 L, 출력 캐패시터 C, 제1 전력 트랜지스터 S1및 제2 전력 트랜지스티 S2를 포함한다. 각 전력 트랜지스터 S1, S2는 그 양단의 병렬이 아닌 다이오드를 포함한다.
비교기(40)는 출력 도체 L 양단에 접속되어, 그 양단의 전압, 즉 전압 VA및 Vout간의 전위차를 감지한다. 비교기(40)는 트랜지스터 S1의 게이트에 접속된 출력 및, 트랜지스터 S2의 게이트에 접속된 반전 출력을 갖는다.
인덕터 L 양단의 전압 V2이 정일시에, 트랜지스터 S1는 바이어스 온되고, 트랜지스터 S2는 바이어스 오프된다. 역으로, 전압 VL이 부일시에, 트랜지스터 S2는 바이어스 온되고, 트랜지스터 S1는 바이어스 오프된다.
따라서, 정류기(10)는 동작의 두 개의 모드를 갖는다. 제1 모드(Mode 1)에서, 트랜지스터 S1에는 전류가 온 및 전도되고, 트랜지스터 S2에는 전류가 오프 및 차단된다. 제2 모드(Mode 2)에서, 트랜지스터 S1에는 전류가 오프 및 차단되고, 트랜지스터 S2에는 전류가 온 및 전도된다.
Mode 1에 대해서는 도2의 등가 회로를 참조로하여 더욱 더 이해될 수 있는데, 여기에서 Vs는 제2차 전선(14) 양단의 전압을 나타니고, 트랜지스터 S1는 이상 (ideal) 다이오드 S1로 표시되며, 출력 전압은 출력 전압원 Vo로 표시된다. 각종 전압간의 관계는 아래와 같다: 즉, VS= VL+ Vo 및, VL= VS- Vo 이다. VS가 Vo 보다 크므로, VL은 정이다.
또한, Mode 1에서의 IL은 램프업(ramp up)하거나 증가한다. 따라서,
Figure pat00012
는 정이다.
Figure pat00013
이므로, 이런 해석은 또한 VL의 Mode 1에서 정임을 나타낸다.
트랜지스터 S1에는 전류가 차단되고, 트랜지스터 S2에는 전류가 전도되는 Mode 2는 도3에 도시된 등가 회로로 표시될 수 있는데, 여기서 트랜지스터 S2는 이상 다이오드 S2로 표시된다. Mode 1에 대한 등가 회로에서와 같이, VS= VL+ Vout이다. 이어서, VL= VS- Vout이다. 여기서, VA는 Vout보다 작은 0볼트이어서, VL은 부이다. 또한, Mode 2에서, IL은 감소하거나 램프 다운된다. 따라서,
Figure pat00014
는 부이다.
Figure pat00015
이므로, 이런 해석은 VL이 Mode 2에서 부임을 나타낸다.
동작 동안 도1의 회로의 차이점에서 발생하는 파형은 도4에 도시된다.
도5에서, 비반전 트랜지스터 비교기 Q1및 관련된(푸시-풀) 구동 트랜지스터Q3및 Q4와, 반전 트랜지스터 비교기 Q2및 관련된(푸시-풀) 구동 트랜지스터 Q5및 Q6를 포함하는 도1의 비교기(40)의 상세 구현이 도시된다. 트랜지스터 Q1및 Q2는 접지에 대한 전압 Vsense에 응답하는데, 여기서 Vsense는 VL및 VA의 함수로서 변한다.
Mode 1에서, VA는 Vout보다 크서(즉, VA= Vin·(NS/NP), Vsense은 대략 Vout+ Vfdl과 같은 정 전압인데, 여기서 Vfdl은 다이오드 D1양단의 순방향 강하 전압이다. 이는 트랜지스터 Q1가 바이어스 온되게 하고, 트랜지스터 Q2가 바이어스 오프되게 한다. 그래서, Q1의 에미터로 부터의 출력은 Q3가 턴 온되게 하고, Q4가 턴 오프되게 하는 정 전압이다. 따라서, S1의 게이트에서의 전압은 약 VZZ로 상승하고, S1은 턴 온한다. 역으로, Q2의 콜렉터로 부터의 출력은 약 0볼트인 데, 이는 Q6이 턴 온하게 하고, S2의 게이트에 차지(charge)를 스위프 오프(sweep off)하며, 이를 턴 오프시킨다.
Mode 2에서 VA는 Vout(즉, VA
Figure pat00016
0볼트)보다 작아 Vsense = VA
Figure pat00017
0볼트이다. 이는 트랜지스터 Q1이 바이어스 오프되게 하고, Q2가 바이어스 온되게 한다. 그래서, Q2의 콜레터로 부터의 출력은 Q5가 턴 온되게 하고, Q6가 턴 오프되게 하는 정의 전압이다. 따라서, S2의 게이트에서의 전압은 약 VZZ로 상승하고, S2는 턴 온한다. 역으로, Q1의 에미터로 부터의 출력은 약 0볼트인데, 이는 Q4가 턴 온하게 하고, S1의 게이트에 차지를 스위프 오프하게 하며, 이를 턴 오프시킨다.
따라서, S1및 S2의 게이팅은 인덕터 L 양단의 전압 VL의 함수인데, 즉 VL이 정일시에, S1는 바이어스 온되고(S1의 게이트는 그의 소스에 대해 정임), S2는 바이어스 오프된다(S2의 게이트는 그의 소스에 대해 로우임). 다른 한편, VL이 부일시에, S1는 바이어스 오프되고, S2는 바이어스 온된다.
잇점으로, 트랜지스터의 게이트는 제2차 회로(30)내의 조건, 즉 인덕터 전압 VL을 감지함으로써 "자기 구동"된다. 따라서, 변압기(12)내에서 값비싸고, 예견할 수 없고, 느린 광절연체 또는 부가적인 권선이 필요없다. 게다가, 불연속 (discrete) 소자의 효율적인 활용으로, 값비싼 집적 회로형 비교기에 대한 필요성을 제거한다.
다이오드 D1는 잇점으로 전압 입력을 Q1및 Q2로 제한하는 Vout이상의 한 다이오드 강하(drop)로 Vsense에서의 전압을 제한한다. 따라서, 회로는 VA의 피크값에서는 뒤로 발진되지 않는데, 그 이유는 그런 피크값이 본 발명의 회로내에서 피드백되지 않기 때문이다. 게다가 Vsense의 최대 익스커션(excursions)을 약 Vout로 제한함으로써, 트랜지스터는 Vout가 전압 이하일시에 (즉, Vout가 1 보다 작을 시)오프되어, 변환기의 개시 특성을 향상시킨다.
D1은 Q1내지 Q6을 구동하기 위한 구동 전압 (즉, Vsense= Vout+ Vfdl)의 엑스트라 다이오드 강하를 허용한다. 그럼에도 불구하고, Vout가 Q1내지 Q6에 대한 적당한 구동 전압을 허용하지 않는 더욱 저출력이도록 설계될 경우, 다이오드 D1의 캐소드는 VZZ에접속될 수 있다. 따라서, 더욱 고 전압은 Q1내지 Q6을 구동하도록 성취된다(즉, Vsense= VZZ+ VfD).
캐패시터 C1및 C2는 필수적인 데드타임(deadtime)을 제공하도록 제각기 Q1및 Q2의 회로내로 시간 지연을 유발시키는 데에 이용된다.
데드타임을 제공하는 이유는 아래와 같다. 즉, 동기 정류기 게이트 신호는 VL의 전이에 가능한 한 근접하여 (즉, 제로 교차점) 동기될 필요가 있다. 각 게이트가 너무 오래 온 상태로 있을 경우 (즉, 일찍 턴 온되고, 늦게 턴 오프됨), S1및 S2간의 크로스 전도(cross conduct)에 의한 전류 오버슈트(overshoot) 또는 발진이 발생할 수 있다. 각 게이트가 너무 늦게 턴 온되거나 너무 일찍 턴 오프될 경우, 전력 MOSFET의 반-병렬(anti-parallel) 다이오드는 전도하여, 전도할 동안 더욱 높은 전도 손실을 제공하며, 전압이 대향극성으로 방향을 바꿈에 따라 턴 오프될시에 역 회복(reverse recovery)이 초래한다.
따라서, 크로스-전도를 방지하기 위하여, VA가 Vout보다 클 시에, 트랜지스터 S1는 데드타임 후에 턴 온하고, 트랜지스터 S2는 턴 오프한다. 역으로, VA가 Vout보다 작을 시에, 트랜지스터 S1는 턴 오프하고, 트랜지스터 S2는 데드타임 후에 턴 온한다. 잇점으로, 데드타임 정도는 서로 다른형의 전력 MOSFETS을 가진 설계를 갖도록 예정될 수 있다.
저항 R8, 캐패시터 C3및 다이오드 D2는 DC 전력의 구동 전원 또는 보조원 역할을 한다. 선택적으로, Vout는 Vout가 충분한 구동 진압을 S1및 S2의 게이트에 제공하여, 그의 순방향 저항을 줄이도록 (즉, 트랜지스터 S1및 S2를 상당히 향상시키도록) 매우 높을 경우에 VZZ로서 이용될 수 있다. R8은 C3을 차지할 블리딩(bleeding) 저항 역할을 한다. C3는 전류를 회로에 제공하여, 제너 다이오드 D2의 항복 전압 VD2에 따라 VZZ을 유지한다. VA가 VD2보다 클 경우, VZZ는 대략 제너다이오드 D2의 항복 전압과 동일하다. 다른 한편, VA가 VD2보다 작을 경우, VZZ는 대략 VA의 피크 전압과 동일하다.
잇점으로, VZZ공급은 상당한 고 전압을 가진 전력 MOSFET의 구동이 소자를 상당히 향상시키고, 그의 순방향 저항을 낮추게 한다. 이는 변압기 상의 엑스트라 권선 또는 엑스트라 전력 공급을 위한 필요성을 줄인다.
도6는 도5의 비교기(40)의 선택적인 실시예(40')를 도시한 것이다. 도6의 실시예에 있어서, FET 트랜지스터 Q7내지 Q11는 도5의 바이폴과 트랜지스터 Q1내지 Q6대신에 이용된다. 이런 실시예의 동작은 도5의 실시예와 본질적으로 동일하다.특히, VA가 Vout보다 클 시에, 고 전압은 S1의 게이트로 입력되고, 저 전압은 S1의 게이트에 인가되고, 고 전압은 S2의 게이트에 인가된다.
본 발명이 그의 특성 실시예에 관련하여 기술되었지만, 본 분야의 숙련자에게는 다양한 변형, 수정 및 이용이 가능하다. 그래서, 본 발명이 여기에 기술된 특정 기술로 제한되지 않는다.
도1는 본 발명에 따른 동기 정류기의 부분적 블록형의 회로도.
도2는 동작의 제1 모드동안 도1의 제2차 회로의 등가 회로도.
도3는 동작의 제2 모드동안 도1의 제2차 회로의 등가 회로도.
도4는 도1의 회로의 동작동안 각종 포인트에서의 파형도.
도5는 도5에서 상세히 도시된 도1의 블록도에 도시된 비교기를 가진 도1의 회로도.
도6는 도5의 비교기의 선택적인 실시예도.

Claims (10)

  1. 절연 변압기의 제1차 권선에 결합된 제1차측 회로 및,
    절연 변압기의 제2차 권선에 결합된 제2차측 회로를 포함하는 데, 상기 제2차측 회로는,
    제1 노드에서 제2차 전선과 직렬로 결합되고, 제2 노드에서 출력 전압이 취해진 출력 캐패시터에 결합된 출력 인덕터,
    제2차 권선 및 출력 인덕터와 직릴로 결합된, 제1 MOS 게이트 트랜지스터,
    제1 노드에서 접지로 분로(shunt)하여 결합된 제2 MOS 게이트 트랜지스터 및,
    제1 및 2 MOS 게이트 트랜지스터에 결합된 동기 정류 제어 회로를 포함하며, 상기 동기 정류 회로는 출력 인덕터 양단의 전압을 감지하여, 거기에 응답하여 제1 및 2 트랜지스터를 선택적으로 바이어스 온 및 오프하는 것을 특징으로 하는 절연 순방향 스위칭 전력 변환기.
  2. 제 1 항에 있어서,
    감지된 인덕터 전압의 피크값은 출력 전압으로 제한되는 것을 특징으로 하는 절연 순방향 스위칭 전력 변환기.
  3. 저항의 한 단자는 제1 노드에 결합되고, 다이오드의 캐소드는 제2 노드에 결합되며, 다이오드의 애노드는 제3 노드에서 저항의 다른 단자에 결합되며, 감지된 인덕터 전압은 제3 노드로부터 성취되는 것을 특징으로 하는 절연 순방향 스위칭 전력 변환기.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 제2차 회로는 DC 전압의 보조원을 더 포함하는데, DC 전압의 보조원은 제너 다이오드 양단에 취해지고, 제너 다이오드는 차단 다이오드 및 전류 제한 저항을 통해 제1 노드에 결합되는 것을 특징으로 하는 절연 순방향 스위칭 전력 변환기.
  5. 제 4 항에 있어서,
    감지된 인덕터 전압의 피크값은 DC 전압의 보조원으로 제한되는 것을 특징으로 하는 절연 순방향 스위칭 전력 변환기.
  6. 제 5 항에 있어서,
    저항의 한 단자는 제1 노드에 결합되고, 다이오드의 캐소드는 DC 전압의 보조원에 결합되며, 다이오드의 애노드는 제3 노드에서 저항의 다른 단자에 결합되며, 감지된 인덕터 전압은 제3 노드로부터 성취되는 것을 측정으로 하는 절연 순방향 스위칭 전력 변환기.
  7. 제 1 항에 있어서,
    감지된 전압은 비반전 감지 회로 및 반전 감지 회로에 결합되는 것을 특징으로 하는 절연 순방향 스위칭 전력 변환기.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 비반전 감지 회로는 제1 구동 회로에 결합된 비반전 증폭기를 포함하고,
    제1 구동 회로는 제1 트랜지스터의 게이트에 결합되며,
    반전 감지 회로는 제2 구동 회로에 결합된 반전 증폭기를 포함하며,
    제2 구동 회로는 제2 트랜지스터의 게이트에 결합되는 것을 특징으로 하는 절연 순방향 스위칭 전력 변환기.
  9. 제 8 항에 있어서,
    비반전 증폭기는 애미터 플로워 구성내에 접속된 바이폴과 트랜지스터를 포함하고,
    제1 구동 회로는 바이폴라 푸시-풀 트랜지스터 쌍을 포함하며,
    반전 증폭기는 바이폴라 트랜지스터를 포함하며,
    제2 구동 회로는 바이폴라 푸시-풀 트랜지스터 쌍을 포함하는 것을 특징으로 하는 절연 순방향 스위칭 전력 변환기.
  10. 제 8 항에 있어서,
    비반전 증폭기는 MOS 게이트 트랜지스터를 포함하고,
    제 1 구동 회로는 MOS 게이트 푸시-풀 트랜지스터 쌍을 포함하며,
    반전 증폭기는 MOS 게이트 트랜지스터를 포함하며,
    제2 구동 회로는 MOS 게이트 푸시-풀 트랜지스터 쌍을 포함하는 것을 특징으로 하는 절연 순방향 스위칭 전력 변환기.
KR1019970019278A 1996-05-20 1997-05-19 순방향 동기 정류기용 동기 및 구동회로 KR100321310B1 (ko)

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