KR100485772B1 - 직류/직류 소프트 스위칭 컨버터 - Google Patents

직류/직류 소프트 스위칭 컨버터 Download PDF

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Abstract

소프트 스위칭 컨버터는, 자화 인덕턴스 성분과 누설 인덕턴스 성분을 갖는 1차코일을 구비한 트랜스포머, 1차코일에 직렬로 연결되는 제1커패시터, 1차코일과 제1커패시터에 대해 병렬로 연결되며 역병렬 기생 다이오드와 기생 커패시터를 갖는 FET로 구성되는 제1스위치 및 제2스위치, 제2스위치에 직렬로 연결되는 제2커패시터, 제1스위치와 제2스위치 및 1차코일의 일단에 공통적으로 연결되며 입력 직류전원에 연결되어 있는 인덕터, 및 트랜스포머의 2차코일의 교류전압을 정류하는 전파정류 회로를 구비한다. 기생 커패시턴스와 트랜스포머의 누설 인덕턴스 성분에 의한 공진, 및 기생 다이오드를 이용하여 스위칭 동작을 제어함으로써, 스위칭 손실을 줄일 수 있고 주파수를 증가시킬 수 있으며, 시스템의 부피를 줄일 수 있다. 또한, 트랜스포머의 1차측 전류가 구형파로 전달되지 않고 삼각파의 형태로 전달되며, 이에 따라 EMI 노이즈가 감소된다.

Description

직류/직류 소프트 스위칭 컨버터 {DC/DC SOFT SWITCHING CONVERTER}
본 발명은 직류전압의 크기를 변화시켜 출력하는 컨버터에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, SMPS (Switching Mode Power Supply) 등에 사용되는 직류/직류 소프트 스위칭 컨버터 (DC/DC Soft Switching Converter)에 관한 것이다.
SMPS (Switching Mode Power Supply) 는 전자 계산기, 전자 교환기 및 OA 기기 등과 같은 전자ㆍ통신 기기의 직류 안정화 전원으로서 폭넓게 이용되고 있다. SMPS는 반도체 소자의 스위칭 프로세스를 이용하여 전력의 흐름을 제어함으로써 종래의 안정화 전원에 비하여 고효율화, 소형화, 및 경량화에 있어서 큰 장점을 갖는 안정화 전원이다.
그런데, 이러한 전자ㆍ통신 기기에 있어서 시스템 부분은 반도체 집적회로의 발전에 따라 급속히 소형ㆍ경량화가 이루어지고 있는 반면, 전원 부분은 에너지 축적용 소자인 인덕터와 커패시터의 존재로 인하여 소형ㆍ경량화에 한계가 있게 된다. 따라서, 전자ㆍ통신 기기의 소형 경량화를 위해서는 SMPS의 소형ㆍ경량화가 상대적으로 큰 비중을 차지하고 있다.
SMPS는 크게 교류전압을 직류전압으로 변환시키는 AC/DC형과 직류전압을 직류전압으로 변환시키는 DC/DC형으로 나눌 수 있으며, 이는 다시 절연형과 비절연형으로 나눌 수 있다. 비절연형에는 강압형 (Buck Type 또는 Step-Down Type)과 승압형 (Boost Type 또는 Step-Up Type) 및 승강압형 (Buck-Boost Type) 이 있고, 절연형은 주로 트랜스포머를 사용하며 승강압형 (Buck-Boost type) 인 플라이백 (Flyback), RCC, 그리고 강압형인 포워드 (Forward), 하프브리지 (Hafl Bridge), 풀브리지 (Full Bridge), 푸시풀 (Push-Pull) 등이 있다. 이러한 것들은 대개 스위치의 온 (ON) 타임을 제어하여 전력을 제어하므로, 스위칭 모드 파워 서플라이 (SMPS)라고 칭해진다.
전술한 바와 같이 SMPS의 크기와 무게를 줄이기 위해서는, SMPS의 스위칭 주파수를 증가시킴으로써 부피와 무게에 있어서 큰 비중을 차지하는 트랜스포머, 인덕터, 커패시터 등의 크기와 무게를 줄일 수 있다. 이에 따라 동급의 다른 방식의 파워 서플라이 (Linear Power Supply) 에 비하여 크기와 무게를 현저히 줄일 수 있게 된다. 또한, SMPS는 간편한 제어 특성으로 인해 파워 서플라이 부분에서 주류를 이루어 왔다.
그러나, SMPS의 단점은 온/오프시 전압이나 전류를 단속함으로써 전압과 전류가 중첩되어 스위치에서 발생하는 손실 (주로 열의 형태로 나타나는 손실) 이 스위칭 주파수 및 전류나 인가되는 전압의 크기에 비례하여 증가한다는 것이다. 이는 SMPS의 스위칭 주파수의 증가를 제한하는 요인이 된다. 또한 다른 방식의 파워 서플라이 (Linear power supply) 에 비하여 EMI 노이즈가 증가하는 단점이 있다.
이러한 단점을 극복하기 위해 스위치의 온/오프시의 전압이나 전류를 영(zero)으로 만드는 방법이 제안되었다. 이때, 전압이 영이 되도록 제어하는 경우를 영전압스위칭 (ZVS : Zero Voltage Switching) 이라 하고, 전류가 영이 되도록 제어하는 경우를 영전류스위칭 (ZCS : Zero Current Switching) 이라 하며, 이를 통칭하여 소프트 스위칭 (Soft Switching) 이라 한다. 또한, 이러한 소프트 스위칭에 의해 스위칭 손실을 줄여 효율을 올리기 위해 고안된 전원장치를 넓은 의미로 소프트 스위칭 컨버터라 부른다.
그러나, 종래의 컨버터에서는, 상기와 같은 전압과 전류의 중첩에 의한 스위치에서의 손실에 의해 컨버터의 효율이 감소되는 문제와 함께, 트랜스포머의 1 차 코일과 2 차 코일의 전류가 구형파가 됨에 따라 2 차 코일의 다이오드에서 노이즈가 심하게 발생하는 문제를 가지고 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은, 스위칭 손실을 줄이고 동작 효율과 주파수를 증가시킬 수 있는 직류/직류 소프트 스위칭 컨버터 (Soft Switching Converter) 를 제공하는 것이다.
SMPS에서 사용되는 스위치는 다양한 종류가 있으나 주로 FET (Field Effect Transistor : 전계효과 트랜지스터) 를 많이 사용하고 있다. FET 내부에는 제조 기법상 기생 커패시턴스와 기생 다이오드가 내재하게 된다. 본 발명의 다른 목적은, 이러한 기생 커패시턴스와 트랜스포머의 누설 인덕턴스 성분에 의한 LC 공진, 및 기생 다이오드를 이용하여 스위칭 동작을 제어함으로써, 보다 효율적인 구조로 소프트 스위칭을 행할 수 있는 직류/직류 소프트 스위칭 컨버터를 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 소프트 스위칭 컨버터는, 자화 인덕턴스 성분과 누설 인덕턴스 성분을 갖는 1차코일, 및 상기 1차코일에 커플링되어 있는 2차코일을 구비하는 트랜스포머; 상기 1차코일에 대해 각각 병렬로 연결된 제 1 스위치 및 제 2 스위치; 상기 제 1 스위치 및 상기 제 2 스위치 각각의 양단에 병렬 연결되는 제 1 다이오드 및 제 2 다이오드; 상기 제 1 스위치 및 상기 제 2 스위치 각각의 양단에 병렬 연결되는 제 1 커패시터 및 제 2 커패시터; 상기 제 2 스위치에 직렬로 연결되는 제 3 커패시터; 상기 1차코일에 직렬로 연결되는 제 4 커패시터; 및 상기 제 1 스위치, 상기 제 2 스위치, 및 상기 1차코일의 일단에 공통적으로 연결되어, 직류전원으로부터 입력되는 직류전압을 상기 제 1 스위치, 상기 제 2 스위치 및 상기 1차코일에 인가하는 인덕터를 포함하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 제 1 스위치 및/또는 상기 제 2 스위치는 절연 게이트형 FET와 같은 반도체소자로 제조되는 것이 바람직하며, 이 경우, 상기 제 1 다이오드 및/또는 상기 제 2 다이오드는 상기 FET의 역병렬 기생 다이오드 성분에 의해, 그리고 상기 제 1 커패시터 및/또는 상기 제 2 커패시터는 상기 FET의 기생 커패시턴스 성분에 의해 구현되도록 하는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명에 따른 소프트 스위칭 컨버터는, 전파정류회로 등으로 구현되어 상기 2차코일의 교류전압을 정류하는 정류회로부를 갖는다. 전파정류회로의 출력단에는 인덕터와 커패시터로 구성된 저역통과필터 (Low Pass Filter) 가 설치되어 출력측에 에너지를 공급하는 기능과 노이즈를 제거하는 역할을 한다.
본 발명에 따르면, 스위칭 손실이 없는 소프트 스위칭이 수행된다. 또한, 기생 커패시턴스와 트랜스포머의 누설 인덕턴스 성분에 의한 공진, 및 기생 다이오드를 이용하여 스위칭 동작을 제어함으로써, 스위칭 손실을 더욱 줄일 수 있다. 이러한 스위칭 손실의 저감에 의해 스위칭 주파수를 증가시킬 수 있고, 이로 인해 트랜스포머, 인덕터, 커패시터 등의 크기를 줄여 전체 시스템의 부피를 줄일 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 트랜스포머의 1차측 전류가 구형파로 전달되지 않고 삼각파의 형태로 전달되며, 이에 따라 1차측 전압과 2차측 전압이 리플이 감소되어 EMI 노이즈가 감소된다. 따라서 전체 시스템의 효율이 증대된다.
이하에서는, 첨부도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 직류/직류 소프트 스위칭 컨버터의 회로도이다.
본 발명에 따른 직류/직류 소프트 스위칭 컨버터는, 트랜스포머 (Tr), 제 1 스위치 (Q1), 제 2 스위치 (Q2), 커패시터 (C3, C4), 입력 인덕터 (Lin), 및 정류회로부를 구비한다.
트랜스포머 (Tr) 는 1차코일 (L1), 및 1차코일 (L1) 에 자기적으로 커플링되어 있는 2차코일 (L2, L3) 을 갖는다. 1차코일 (L1) 은 자화 인덕턴스 성분 (Lm) 과 누설 인덕턴스 성분 (L4) 을 가지고 있다. 1차코일 (L1) 에는 커패시터 (C4) 가 직렬로 연결되어 있다.
제 1 스위치 (Q1) 의 상단은 1차코일 (L1) 에 연결되어 있고, 하단은 접지단에 연결되어 있으며, 이에 의해 제 1 스위치 (Q1) 는 1차코일 (L1) 과 커패시터 (C4) 에 대해 병렬로 연결된다.
제 2 스위치 (Q2) 의 상단은 1차코일 (L1) 에 연결되어 있고, 제 2 스위치 (Q2) 의 하단에는 커패시터 (C3) 가 연결되어 있다. 직렬로 연결된 제 2 스위치 (Q2) 와 커패시터 (C3) 는 직렬로 연결된 1차코일 (L1) 과 커패시터 (C4) 에 대해 병렬로 연결되어 있다.
제 1 스위치 (Q1) 와 제 2 스위치 (Q2) 는 도 1에 도시된 바와 같이 절연 게이트형 FET 로 구성되어 있으며, 보다 구체적으로는 N-채널 증가형 MOS FET (N-channel enhancement type metal-oxide-semiconductor field effect transistor) 로 구성되어 있다. 제 1 스위치 (Q1) 의 소스는 접지단에 연결되어 있고, 제 2 스위치 (Q2) 의 소스는 입력 인덕터 (Lin) 에 그리고 드레인은 커패시터 (C3) 에 연결되어 있다.
제 1 스위치 (Q1) 과 제 2 스위치 (Q2) 는 각각 기생 다이오드 성분인 역병렬 다이오드 (DQ1, DQ2) 성분과 기생 커패시터 (CQ1, CQ2) 성분을 갖는다. 이에 따라, 제 1 스위치 (Q1) 와 제 2 스위치 (Q2) 는, 등가적으로, 다이오드 (DQ1, DQ2) 와 커패시터 (CQ1, CQ2) 가 병렬로 연결되며 각각의 게이트에 입력되는 전압에 의해 스위칭 동작을 하는 스위치로 모델링 된다.
입력 인덕터 (Lin) 는 제 1 스위치 (Q1), 제 2 스위치 (Q2), 및 1차코일 (L1) 의 상단에 공통적으로 연결되어 있다. 직류전원 (Vi) 으로부터 입력되는 직류전압은 입력 인덕터 (Lin) 를 거쳐 제 1 스위치 (Q1), 제 2 스위치 (Q2) 및 1차코일 (L1) 에 인가된다.
정류회로부는 기본적으로 두 개의 코일 부분 (L2, L3) 로 구획된 2차코일 (L2, L3) 과 다이오드 (D3, D4) 에 의한 전파정류회로 (Full wave rectifier) 로 구성되어 있다. 전파정류회로의 출력단에는 출력 인덕터 (Lo), 평활 커패시터 (Co) 가 연결되어 있고, 평활 커패시터 (Co) 의 출력이 출력전압 (Vo) 으로서 부하 (Ro) 에 공급된다. 이에 의해, 2차코일 (L2, L3) 의 교류전압이 정류되고 평활되어 부하 (Ro) 에 공급된다.
이와 같은 도 1의 회로에서, 제 1 스위치 (Q1) 와 입력 인덕터 (Lin) 는 컨버터의 입력측 회로가 되며, 제 2 스위치 (Q2) 와 커패시터 (C3) 는 능동 클램프 회로를 구성한다.
큰 용량을 갖도록 형성된 커패시터 (C4) 는 입력전압 (Vi) 과 동일한 전압을 가지며, 제 1 스위치 (Q1) 가 도통할 때 출력측으로 에너지를 공급하는 전압원으로 동작한다.
도 2 는 도 1 에 도시된 본 발명에 따른 컨버터의 동작을 이론적으로 설명하기 위하여 각 부분에서의 파형을 도시한 그래프이다. 이 회로를 해석하기 위하여 다음과 같은 가정을 한다.
i) 제 1 스위치 (Q1) 는 시비율 D 로 동작하며, 제 2 스위치 (Q2) 는 시비율 1-D 로 동작하고, 각 스위치 (Q1, Q2) 의 동작시 데드타임은 무시한다.
ii) 변압기의 자화 인덕턴스 (Lm) 와 누설 인덕턴스 (L4) 는 모두 트랜스포머 (Tr) 의 1차코일 (L1) 측으로 옮겨서 해석한다.
iii) 트랜스포머 (Tr) 의 2차측은 1차측에 대해 각각 n:1 의 동일한 권선비를 갖는다.
iv) 모든 회로 소자들의 손실은 무시한다.
도 2 에서 각 기호의 의미는 다음과 같다.
VGS1, VGS2 : 제 1 스위치 (Q1) 와 제 2 스위치 (Q2) 의 게이트-소스 전압으로서 제 1 스위치 (Q1) 와 제 2 스위치 (Q2) 의 구동전압,
VDS1, VDS2 : 제 1 스위치 (Q1) 와 제 2 스위치 (Q2) 의 양단의 전압,
iQ1, iQ2 : 제 1 스위치 (Q1) 와 제 2 스위치 (Q2) 를 통해 흐르는 전류,
iL4 : 누설 인덕턴스 (L4) 를 통해 흐르는 전류,
iD3, iD4 : 다이오드 (D3) 와 다이오드 (D4) 를 통해 흐르는 전류,
iin : 입력전원 (Vi) 에 의해 흐르는 전류,
VC3, VC4, VL1 : 커패시터 (C3), 커패시터 (C4), 및 1차코일 (L1) 양단의 전압.
이와 같은 본 발명에 따른 컨버터의 동작을 먼저 개괄적으로 설명하면 다음과 같다.
도 1의 컨버터에서 두 스위치 (Q1, Q2) 가 교번으로 온/오프 동작을 하면서 입력 전력을 출력으로 변환한다. 제 1 스위치 (Q1) 가 온 되는 구간에서는 이전 구간에서 커패시터 (C4) 에 충전되었던 에너지가 출력으로 전달되고, 제 2 스위치(Q2) 가 온 되는 구간에서는 입력전원 (Vi) 으로부터 에너지가 출력으로 전달된다.
또한, 두 스위치 (Q1, Q2) 가 동시에 오프되는 구간인 데드타임 (Dead-time) 구간에서는 자화 인덕턴스 (Lm) 를 포함한 인덕턴스 성분과 스위치(Q1, Q2)의 기생 커패시턴스 (CQ1, CQ2) 사이에서의 공진에 의하여 영전압 스위칭 동작이 이루어진다.
이하에서는 도 3 을 참조하여 상기와 같은 본 발명에 따른 컨버터의 동작을 각 모드별로 보다 상세하게 설명한다.
본 발명에서, 입력 인덕터 (Lin), 커패시터 (C3), 커패시터 (C4) 는 모두 비교적 큰 용량을 갖는 소자로 구성한다. 이에 따라, 입력 인덕터 (Lin) 에 흐르는 전류 (iin) 은 정전류에 근사하고, 커패시터 (C3) 의 전압 (VC3) 및 커패시터 (C4)의 전압 (VC4) 은 정전압에 근사하는 것으로 한다.
도 3의 (a) 내지 (f)는 각각 모드 1 내지 모드 6 에서의 등가회로를 도시하고 있다. 각 모드에서의 동작을 상세히 설명하면 다음과 같다.
1) 모드 1 (t1 ~ t2) : Q1 turn off, Q2 off
모드 1 에서는 제 1 스위치 (Q1) 는 턴오프되고 제 2 스위치 (Q2) 는 이전 모드에서의 상태인 오프 상태를 유지한다.
t1 시점에서 제 1 스위치 (Q1) 가 턴오프 (turn off) 되면 자화 인덕턴스 (Lm), 누설 인덕턴스 (L4), 및 기생 커패시턴스 (CQ1, CQ2) 의 공진에 의하여 순간적으로 커패시터 (CQ1) 은 충전되고 커패시터 (CQ2) 는 방전된다. 충ㆍ방전이 완료되는 시점에서 커패시터 (CQ1) 의 양단의 전압 (VDS1) 은 Vi/(1-D) 이 되고 커패시터 (CQ2) 의 양단의 전압 (VDS2) 은 영전압이 된다.
커패시터 (CQ2) 의 방전이 완료된 후에도 자화 인덕턴스 (Lm) 및 누설 인덕턴스 (Lm)의 여분의 에너지에 의하여 제 2 스위치 (Q2) 의 전류 (iQ2) 가 계속 역병렬 다이오드 (DQ2) 를 통해 흐르므로, VDS2 는 영전압 상태를 그대로 유지하게 된다.
출력측에서는 출력인덕터 (Lo) 가 에너지를 출력측으로 방출시키는 환류기간으로서 다이오드 (D3, D4) 는 환류 경로를 구성하여 iD3 및 iD4 를 흐르게 한다.
2) 모드 2 (t2 ~ t3) : Q1 off, Q2 turn on
모드 2 에서는 제 1 스위치 (Q1) 는 이전 모드에서의 상태인 오프 상태를 유지하고 제 2 스위치 (Q2) 는 턴온된다.
t2 시점에 제 2 스위치 (Q2) 를 턴온시켜도 제 2 스위치 (Q2) 의 역병렬 다이오드 (DQ2) 가 계속 도통되어 VDS2 는 영전압 상태가 되므로, 영전압 턴온이 되지만 아직 제 2 스위치 (Q2) 의 채널로는 전류가 흐르지 않는다. 출력측에서는 이 시구간동안 환류가 지속되고 있으나, 이 시구간의 종점 t3 에서 iD3 가 영 (zero) 이 되어 다이오드 (D3) 가 전류 (轉流) 되면서 환류는 끝나게 된다.
3) 모드 3 (t3 ~ t4) : Q1 off, Q2 on
모드 3 에서는 제 1 스위치 (Q1) 와 제 2 스위치 (Q2) 는 이전 모드에서의 상태인 오프 상태와 온 상태를 각각 유지하고 있다.
이 시구간 동안 제 2 스위치 (Q2) 에서는 일정 시간동안 역병렬 다이오드 (DQ2) 의 도통이 지속되다가 전류의 극성이 바뀌면서 제 2 스위치 (Q2) 의 채널이 도통하기 시작한다.
한편, 출력측에서는 다이오드 (D4) 만이 도통이 되면서 출력 인덕터 (Lo) 가 에너지를 축적하게 되는데 이때의 에너지는 입력측으로부터 공급받게 된다.
4) 모드 4 (t4 ~ t5) : Q1 off, Q2 turn off
모드 4 에서는 제 1 스위치 (Q1) 는 이전 모드에서의 상태인 오프 상태를 유지하고 제 2 스위치 (Q2) 는 턴오프된다.
t4 시점에 제 2 스위치 (Q2) 가 턴오프되면, 자화 인덕턴스 (Lm), 누설 인덕턴스 (L4), 및 기생 커패시턴스 (CQ1, CQ2) 의 공진에 의하여 순간적으로 커패시터 (CQ1) 은 방전되고 커패시터 (CQ2) 는 충전된다. 충ㆍ방전이 완료되는 시점에서 커패시터 (CQ1) 의 양단의 전압 (VDS1) 은 영(zero)이 되고 커패시터 (CQ2) 의 양단의 전압 (VDS2) 은 커패시터 (C3) 의 전압 (VC3) ( = Vi/(1-D)) 과 같게 된다.
커패시터 (CQ1) 의 방전이 완료된 후에도 자화 인덕턴스 (Lm) 및 누설 인덕턴스 (L4) 의 여분의 에너지에 의하여 제 1 스위치 (Q1) 의 전류 (iQ1) 가 계속 역병렬 다이오드 (DQ1) 를 통하여 흐르므로 VDS1 은 영전압 상태를 그대로 유지하게 된다.
출력측은 출력인덕터 (Lo) 가 모드 3 에서 축적한 에너지를 출력측으로 방출시키는 환류기간으로서, 다이오드 (D3, D4) 는 환류 경로를 구성하여 iD3 및 iD4 를 흐르게 한다.
5) 모드 5 (t5 ~ t6) : Q1 turn on, Q2 off
모드 5에서는 제 1 스위치 (Q1) 는 턴온되고 제 2 스위치 (Q2) 는 이전 모드에서의 상태인 오프 상태를 유지한다.
t5 시점에서 제 1 스위치 (Q1) 을 턴온 시킴으로써 영전압 턴온이 이루어지고 역병렬 다이오드 (DQ1) 로 흐르던 전류가 제 1 스위치 (Q1) 의 채널로 흐르게 된다. 출력측에서는 이 시구간 동안 환류가 지속되고 있으나 이 시구간의 종점 t6 에서 iD4 가 영 (zero) 이 되어 다이오드 (D4) 가 전류되면서 환류는 끝나게 된다.
6) 모드 6 (t6 ~ t7) : Q1 on, Q2 off
모드 6 에서는 제 1 스위치 (Q1) 와 제 2 스위치 (Q2) 는 이전 모드에서의 상태인 온 상태와 오프 상태를 각각 유지한다.
출력측에서는 다이오드 (D3) 만이 도통되면서 출력 인덕터 (Lo) 가 에너지를 축적하게 된다. 이때의 에너지는 커패시터 (C4) 로부터 공급받게 된다.
이와 같은 모드 1 내지 모드 6 까지의 동작이 반복되면서 소프트 스위칭이 수행되게 된다.
한편, 전파정류회로의 출력단에 연결된 출력 인덕터(Lo)와 커패시터(C4)는 저역통과필터 (Low Pass Filter) 의 기능을 한다. 이에 의해 전파정류회로에서 출력되는 전압의 노이즈가 제거된다. 또한, 전술한 바와 같이, 출력 인덕터 (Lo)는 전파정류회로에의 출력의 데드타임 동안에, 축적되었던 에너지를 출력측에 공급하는 기능을 하게 된다.
상기한 실시예에서는 직류/직류 소프트 스위칭 컨버터가 강압형 컨버터로 사용되고 있는 예를 도시하고 있으나, 본 발명에 따른 소프트 스위칭 컨버터는 강압형은 물론 승압형에도 사용될 수 있다. 이는 트랜스포머 (Tr) 의 1차코일 (L1) 과 2차코일 (L2, L3) 의 권선비를 변화시킴으로써 구현될 수 있다.
이와 같은 본 발명에 따르면, 도 2 에 도시된 바와 같이, 제 1 스위치 (Q1) 와 제 2 스위치 (Q2) 의 스위칭 상태의 교번이 (즉, VGS1 과 VGS2 의 전압 변화가) 영전압인 상태 (즉, VL1 이 영전압인 경우) 에 수행되므로, 전압과 전류의 중첩에 의해 스위치에서 발생하는 손실인 스위칭 손실이 없는 소프트 스위칭이 수행된다.
또한, 기생 커패시턴스 (CQ1, CQ2) 와 트랜스포머 (Tr) 의 누설 인덕턴스 (L4) 성분에 의한 공진, 및 기생 다이오드 (DQ1, DQ2) 를 이용하여 스위칭 동작을 제어함으로써, 스위칭 손실을 줄일 수 있다. 이러한 스위칭 손실의 저감에 의해 스위칭 주파수를 증가시킬 수 있고, 이로 인해 트랜스포머, 인덕터, 커패시터 등의 크기를 줄여 전체 시스템의 부피를 줄일 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 도 2에 도시된 바와 같이, 트랜스포머 (Tr) 의 1차측 전류가 구형파로 전달되지 않고 삼각파의 형태로 전달되며, 이에 따라 1차측 전압과 2차측 전압이 리플이 감소되어 EMI 노이즈가 감소된다. 따라서 전체 시스템의 효율이 증대된다.
이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대해서 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 상술한 특정의 실시예에 한정되지 아니하며, 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 요지를 벗어나지 않는 다양한 변형 실시가 가능함은 물론이고, 그와 같은 변형 실시는 본원발명의 특허청구범위에 속할 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 소프트 스위칭 컨버터의 회로도,
도 2는 도 1의 각 부위에서의 전압과 전류의 파형을 나타낸 그래프, 그리고
도 3a 내지 도 3f는 도 1의 각 모드에서의 스위칭 상태에 따른 전류의 흐름을 도시한 회로도이다.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *
Vi : 입력 직류전원 Lin : 입력 인덕터
Q1, Q2 : 제1 및 제2스위치 DQ1, DQ2 : 역병렬 다이오드
CQ1, CQ2 : 기생 커패시터 C3, C4 : 커패시터
Tr : 트랜스포머 L1 : 1차코일
L2, L3 : 2차코일 Lm : 자화 인덕턴스 성분
L4 : 누설 인덕턴스 성분

Claims (8)

  1. 자화 인덕턴스 성분과 누설 인덕턴스 성분을 갖는 1 차 코일, 및 상기 1 차 코일에 커플링되어 있는 2 차 코일을 구비하는 트랜스포머;
    상기 1 차 코일에 대해 각각 병렬 연결된 제 1 스위치 및 제 2 스위치;
    상기 제 1 스위치 및 상기 제 2 스위치 각각의 양단에 병렬 연결된 제 1 다이오드 및 제 2 다이오드;
    상기 제 1 스위치 및 상기 제 2 스위치 각각의 양단에 병렬 연결된 제 1 커패시터 및 제 2 커패시터;
    상기 제 2 스위치에 직렬 연결된 제 3 커패시터;
    상기 1 차 코일에 직렬 연결된 제 4 커패시터; 및
    상기 제 1 스위치, 상기 제 2 스위치, 및 상기 1 차 코일의 일단에 공통적으로 연결되어, 직류전원으로부터 입력되는 직류전압을 상기 제 1 스위치, 상기 제 2 스위치 및 상기 1 차 코일에 인가하는 인덕터를 포함하는 것을 특징으로 하는 소프트 스위칭 컨버터.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 스위치 및/또는 상기 제 2 스위치는 반도체 소자로 제조되는 것을 특징으로 하는 소프트 스위칭 컨버터.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 제 1 스위치 및/또는 상기 제 2 스위치는 절연 게이트형 FET인 것을 특징으로 하는 소프트 스위칭 컨버터.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 제 1 다이오드 및/또는 상기 제 2 다이오드는, 상기 FET의 역병렬 기생 다이오드 성분에 의해 구현되는 것을 특징으로 하는 소프트 스위칭 컨버터.
  5. 제 3 항 또는 제 4 항에 있어서,
    상기 제 1 커패시터 및/또는 상기 제 2 커패시터는, 상기 FET의 기생 커패시턴스 성분에 의해 구현되는 것을 특징으로 하는 소프트 스위칭 컨버터.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 2 차 코일의 교류전압을 정류하는 정류회로부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 소프트 스위칭 컨버터.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 정류회로부는 전파정류회로인 것을 특징으로 하는 소프트 스위칭 컨버터.
  8. 제 6 항 또는 제 7 항에 있어서,
    상기 정류회로의 출력단에 연결된 저역통과필터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 소프트 스위칭 컨버터.
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