KR100890738B1 - 과전류 보호회로를 구비한 공진형 컨버터 및 그 구동방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 공진형 컨버터의 1차 트랜스포머 전류 감지 회로에서 부하 전류와 연동하는 공진 전류를 감지하여 공진형 제어 I.C의 비교기에 입력되는 단계; 상기 비교기에 설정된 과전류 기준 전압과 감지 전압을 비교하여 감지 전압이 기준 전압을 초과하는 경우 상기 비교기로부터 초과 신호가 출력되는 단계; 상기 비교기의 출력을 전압 조정 회로를 통하여 상기 제어 I.C의 인에이블 사양에 적합한 전압 레벨로 조정하고 활성화하는 단계; 상기 인에이블 단자가 활성화되면 보호회로가 동작되어, 스위칭 주파수를 최대 주파수로 제어하고 스위치의 게이트 전압을 출력하여 과전류 제한 상태로 동작하는 단계; 보조전원감지회로에서 상기 과전류 제한 상태에서 트랜스포머의 권선과 결합되어 전압이 강하되는 보조전원을 인지하여 발진회로에 신호를 전달하는 단계; 상기 보조전원의 전압 강하에 따라 보조전원감지회로로부터 신호를 전달받은 발진회로에서 발진신호를 출력하는 단계; 및 전원 온/오프 제어 회로에서 상기 발진회로로부터 출력된 신호를 입력받아 전원전압을 온/오프시키는 단계를 포함하는 과전류 보호회로를 구비한 공진형 컨버터 구동방법을 제공한다.

공진형 컨버터, 발진회로, Hiccup

Description

과전류 보호회로를 구비한 공진형 컨버터 및 그 구동방법{Resonant type converter having over current protection circuit and driving method of the same}

본 발명은 주파수 제어 방식을 사용하여 과전류 보호 동작 시의 과전류 제한 상태가 극히 제한적이어서 반도체 부품의 전류 스트레스가 증가하여 발열 및 파손의 우려가 있는 종래 공진형 컨버터의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로 종래 공진형 컨버터의 과전류 보호 특성을 보완하기 위해 기본 보호회로에 발진 회로를 추가한 Hiccup 모드 방식의 과전류 보호회로를 도입함으로써 반도체 부품의 전류 스트레스가 온/오프 시간 비에 의해 평균적으로 감소하여 신뢰도가 향상된 과전류 보호회로를 구비한 공진형 컨버터 및 그 구동방법에 관한 것이다.

파워 써플라이에서 과전류 보호 기능은 부하 전류가 과도하게 흐르거나 단락되었을 때 나타나는 반도체 소자의 발열 및 파손을 방지하고 부하가 정상화 되었을 때 이상 없이 재 동작하게 하는 기능이다.

과전류 보호 기능은 Latch 동작이나 Restart 동작으로 구분된다.

Latch 동작은 부하 전류가 증가되어 과전류 상태가 감지되면 스위칭 동작을 오프 시키고 다시 입력 전원이 투입될 때까지 오프 상태를 유지하는 동작이다. 반면에 Restart 모드는 과전류 상태가 감지되면 과전류 보호 상태에서 스위칭 동작을 유지시키고 부하 전류 상태를 계속 감지하면서 부하 전류가 정상화 되면 정상 동작으로 자동 복귀하는 동작이다.

Latch 동작은 단순하게 구성되나 Restart 동작은 과전류 제한 모드에서 동작을 계속하기 때문에 부품의 전류 스트레스가 증가하여 발열 및 파손의 우려가 있어 Hiccup 모드의 적용이 바람직하다.

도 1은 종래 Hiccup 모드의 작동과정을 도시한 도면이다.

도 1을 참조하면, 상기 Hiccup 모드는 과전류가 감지되면 일정시간동안 과전류 제한 모드로 동작하며 동시에 부하상태를 관찰하고 계속하여 과전류 상태가 유지되면 일정기간 스위치를 오프하여 동작을 멈추게 한 후 다시 일정시간 동안 스위치를 온(On) 시키고 부하 전류를 감지하여 과전류 상태인지 정상 상태인지를 판단하고 오프, 온 동작을 반복하는 모드로 동작하는 것으로 스위치 온 시간동안 부하 전류가 정상 전류로 복귀되면 오프 동작을 멈추고 정상 동작으로 복귀된다.

반면에 과전류 상태가 계속되면 스위치 동작이 온, 오프를 반복하여 부품에 가해지는 평균 전류 스트레스를 감소시켜 발열 및 파손을 방지할 수 있으며 온, 오프 시간의 비를 조정하여 평균 전류 스트레스를 안전하게 조정 가능하여 Hiccup 모드 과전류 보호가 가장 많이 사용되고 있다.

한편, 공진형 하프브리지 컨버터는 전압 모드 제어방식으로 제어되며 전류 모드 제어방식에서 감지된 전류를 제어정보로 사용하는 것과는 달리 전류 감지 기 능은 단지 과전류보호 동작을 위한 감시 기능이다.

공진형 컨버터가 아닌 PWM(Pulse Width Modulation) 제어 컨버터에서는 투입되는 에너지의 양은 1차 스위치의 펄스폭 비(Duty Ratio)에 의해 제어되나 공진형 하프브리지 컨버터에서는 펄스폭 비를 50%로 고정하여 사용하며 투입되는 에너지의 양은 단지 스위칭 주파수에 의해서 제어된다.

즉 PWM 제어 컨버터에서의 투입되는 에너지의 제한은 스위치에 흐르는 전류를 감지하여 미리 설정된 전류치를 초과하는 순간에 스위치를 오프함으로서 단순하게 실현할 수 있다(Cycle-by-Cycle Limitation).

반면에 공진형 컨버터에서는 스위칭 주파수를 제어하기 위하여 제어 I.C의 발진 주파수를 증가시켜 제어하나 고정된 50% 펄스 폭비로 동작하기 때문에 전류 초과를 감지한 순간에 즉각적으로 스위치를 오프할 수 없으며 발진 주파수의 변경은 전류 초과가 감지된 후 적어도 다음 사이클에서나 이루어지게 되어 순간적인 제어를 기대하기 어렵다. 또한 공진형 제어 I.C의 최대 발진주파수는 제한된 범위 내에서 사용 가능하기 때문에 투입되는 에너지 양도 제한적이다.

이러한 제한적 요소로 인하여 과전류 반응이 느리게 되며 제한하는 에너지의 양도 미흡한 문제점을 안고 있어 스위치의 발열과 스위치 전류 용량 초과로 인한 파손이 일어날 수 있으며 트랜스포머를 통해 2차 측으로의 에너지 전달이 과다하게 되어 2차측 정류 다이오드의 파손을 유발할 수 있다.

도 2는 종래 과전류 보호회로를 구비한 공진형 컨버터를 도시한 도면이다.

도 2를 참조하면, 종래 공진형 컨버터(10)의 1차 트랜스포머 전류 감지 회로 에서 공진 전류(부하 전류와 연동)를 감지하여 공진형 제어 I.C(20)의 비교기(21)에 입력된다. 비교기(21)에 설정된 과전류 기준 전압과 감지 전압이 비교되어 감지 전압이 기준 전압보다 초과되면 비교기(21)가 출력되고 인에이블(Enable) 단자의 동작 전압으로 변환하는 전압 조정 회로(22)를 거쳐 제어 I.C(20)의 인에이블 단자를 활성화 시킨다. 상기 인에이블 단자가 활성화되면 보호회로(23)가 동작되고 주파수 제어를 통해 스위치의 구동 출력을 변화시켜 과전류 제한 모드로 동작된다.

주파수 제어 방식을 사용하여 과전류 보호 동작 시의 과전류 제한 상태가 극히 제한적이어서 반도체 부품의 전류 스트레스가 증가하여 발열 및 파손의 우려가 있는 종래 공진형 컨버터의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 본 발명은, 종래 공진형 컨버터의 과전류 보호 특성을 보완하기 위해 기본 보호회로에 발진 회로를 추가한 Hiccup 모드 방식의 과전류 보호회로를 도입함으로써 반도체 부품의 전류 스트레스가 온/오프 시간 비에 의해 평균적으로 감소하여 신뢰도가 향상된 과전류 보호회로를 구비한 공진형 컨버터 및 그 구동방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 공진형 컨버터의 1차 트랜스포머 전류 감지 회로에서 부하 전류와 연동하는 공진 전류를 감지하여 공진형 제어 I.C의 비교기에 입력되는 단계; 상기 비교기에 설정된 과전류 기준 전압과 감지 전압을 비교하여 감지 전압이 기준 전압을 초과하는 경우 상기 비교기로부터 초과 신호가 출력되는 단계; 상기 비교기의 출력을 전압 조정 회로를 통하여 상기 제어 I.C의 인에이블 사양에 적합한 전압 레벨로 조정하고 활성화하는 단계; 상기 인에이블 단자가 활성화되면 보호회로가 동작되어, 스위칭 주파수를 최대 주파수로 제어하고 스위치의 게이트 전압을 출력하여 과전류 제한 상태로 동작하는 단계; 보조전원감지회로에서 상기 과전류 제한 상태에서 트랜스포머의 권선과 결합되어 전압이 강하되는 보조전원을 인지하여 발진회로에 신호를 전달하는 단계; 상기 보조전원의 전압 강하에 따라 보조전원감지회로로부터 신호를 전달받은 발진회로에서 발진신호를 출력하는 단계; 및 전원 온/오프 제어 회로에서 상기 발진회로로부터 출력된 신호를 입력받아 전원전압을 온/오프시키는 단계를 포함하는 과전류 보호회로를 구비한 공진형 컨버터 구동방법을 제공한다.

바람직하게는, 전원전압이 오프 상태인 경우, 상기 제어 I.C의 전원이 차단되어 스위치 동작을 정지할 수 있다.

또한, 전원전압 온 상태에서 부하 전류가 정상화되면, 상기 비교기의 출력이 정상화되고 상기 제어 I.C의 인에이블이 정상화되어 정상 상태의 스위치 게이트 전압이 출력되는 단계와, 상기 제어 I.C의 인에이블이 정상화되면 보조전원전압이 정상화되고, 발진회로가 발진을 중지하는 단계, 및 상기 발진회로가 발진을 중지하는 경우 전원전압이 온 상태를 유지하여 전체 시스템이 정상화되는 단계를 포함할 수 있다.

또한, 본 발명은, 1차 트랜스포머 전류 감지 회로에서 부하 전류와 연동하는 공진 전류를 감지하여 출력하는 공진형 컨버터; 상기 공진형 컨버터로부터 출력된 신호를 입력받아, 1차 공진 전류로 인한 감지 전압과 기설정된 기준전압을 비교하여, 감지전압이 기준전압을 초과하는 경우 과전류 제한 상태로 동작하는 공진형 제어 I.C; 상기 과전류 제한 상태에서 보조 전원의 전압 강하를 감지하고, 발진신호를 출력하는 과전류 보호회로; 및 상기 발진신호를 입력받아 전원전압을 온/오프시키는 전원 온/오프 제어 회로를 포함하는 과전류 보호회로를 구비한 공진형 컨버터를 제공한다.

바람직하게는, 상기 1차 트랜스포머 전류 감지 회로는 저항 또는 전류 트랜 스포머를 사용하여 형성될 수 있다.

또한, 상기 공진형 제어 I.C는, 상기 전류감지회로로부터 출력되는 신호를 입력받아 1차 공진 전류로 인한 감지 전압과 기설정된 기준전압을 비교하는 비교기와, 상기 비교기에 설정된 과전류 기준전압과 감지전압을 비교하여 감지 전압이 기준 전압을 초과하는 경우 상기 비교기로부터 출력되는 신호를 상기 제어 I.C의 인에이블 사양에 적합한 전압 레벨로 조정하는 전압조정회로, 및 상기 제어 I.C의 인에이블 단자가 활성화 되는 경우, 스위칭 주파수를 최대 주파수로 제어하고 스위치의 게이트 전압을 출력하여 과전류 제한 상태로 동작하는 보호회로를 포함할 수 있다.

또한, 상기 과전류 보호회로는, 보조전원의 전압 레벨을 감지하는 보조전원감지회로, 및 상기 보조전원감지회로를 통한 전압 강하 인지시 발진신호를 출력하는 발진회로를 포함할 수 있다.

더욱 바람직하게는, 상기 발진회로는 타이머 I.C 또는 증폭기를 이용하여 형성될 수 있다.

주파수 제어 방식을 사용하여 과전류 보호 동작 시의 과전류 제한 상태가 극히 제한적이어서 반도체 부품의 전류 스트레스가 증가하여 발열 및 파손의 우려가 있는 종래 공진형 컨버터의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 본 발명은, 종래 공진형 컨버터의 과전류 보호 특성을 보완하기 위해 기본 보호회로에 발진 회로를 추가한 Hiccup 모드 방식의 과전류 보호회로를 도입함으로써 반도체 부품의 전류 스 트레스가 온/오프 시간 비에 의해 평균적으로 감소하여 신뢰도가 향상된 과전류 보호회로를 구비한 공진형 컨버터 및 그 구동방법을 제공하는 효과가 있다.

본 발명의 동작성의 이점 및 본 발명의 실시에 의하여 달성되는 목적을 충분히 이해하기 위해서는 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 첨부 도면 및 첨부 도면에 기재된 내용을 참조하여야만 한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명함으로써, 본 발명을 상세히 설명한다. 각 도면에 제시된 동일한 참조부호는 동일한 부재를 나타낸다.

도 3은 본 발명의 과전류 보호회로를 구비한 공진형 컨버터를 도시한 도면이다.

도 3을 참조하면, 본 발명의 과전류 보호회로를 구비한 공진형 컨버터는 종래 공진형 컨버터를 구성하는 공진형 컨버터(100)와, 공진형 제어 I.C(200)를 포함하고, 그 밖에 Hiccup 모드 과전류 보호를 위한 과전류 보호회로(300)가 추가적으로 형성된다.

상기 과전류 보호회로(300)는 보조전원의 전압 레벨을 감지하기 위한 보조전원감지회로(310)와, 타이머 I.C나 증폭기를 이용하여 구성되는 발진회로(320)를 포함할 수 있다. 상기 보조전원감지회로(310)의 출력은 상기 발진회로(320)의 입력과 연결되고, 상기 발진회로(320)는 기존 회로의 온/오프 제어 회로(400)에 연결된다.

상기 과전류 보호회로를 구비한 공진형 컨버터의 구동 과정을 살펴보면 다음 과 같다.

먼저, 상기 공진형 컨버터(100)에서 1차 트랜스포머 전류감지회로(저항 또는 전류 트랜스포머 사용;110)에서 부하 전류와 연동하는 공진 전류를 감지하여 공진형 제어 I.C(200)의 비교기(210)에 입력한다. 부하전류가 증가하면 이에 연동되어 1차 공진 전류가 증가함으로 입력되는 신호의 전압은 상기 공진형 제어 I.C(200) 내에 구성된 비교기(210)의 기준 전압보다 높아지게 된다.

상기 비교기(210)에 설정된 과전류 기준 전압과 감지 전압을 비교하여 감지 전압이 기준 전압을 초과하는 경우 상기 비교기(210)로부터 초과 신호가 출력된다. 상기 비교기(210)로부터 출력되는 신호는 전압조정회로(220)를 거쳐 상기 제어 I.C(200)의 인에이블(Enable) 사양에 적합한 전압 레벨로 조정되고, 상기 제어 I.C(200)의 인에이블 단자를 활성화시킨다. 상기 인에이블 단자가 활성화되면 보호회로(230)가 동작하여, 스위칭 주파수를 최대 주파수로 제어하고 스위치의 게이트 전압을 출력하여 과전류 제한 상태로 동작한다.

상기 과전류 제한 상태에서의 보조 전원은 트랜스포머의 권선과 결합되어 출력되기 때문에 정상 상태에서의 전압보다 낮아지게 된다. 상기 보조전원감지회로(310)가 과전류 제한에 의한 보조 전원의 전압 강하를 인지하여 발진회로(320)에 신호를 보내면 상기 발진회로(320)가 동작하여 하이(High), 로(Low)를 반복하는 발진신호를 출력한다. 상기 발진회로(320)에서 출력된 발진신호는 전원 온/오프 제어 회로(400)에 전달되어 전원전압을 온/오프시킨다.

전원전압 온 상태에서는 위의 동작을 반복하게 되고, 오프 상태에서는 상기 제어 I.C(200)의 전원을 차단하여 스위치 동작을 정지시킨다. 또한 전원전압 온 상태에서 부하 전류가 정상화되면 비교기(210)의 출력을 정상화하고, 상기 제어 I.C(200)의 인에이블이 정상화되어 정상 상태의 스위치 게이트 전압이 출력되며, 이에 따라 보조전원전압이 정상화된다. 상기 보조전원전압이 정상화되면 상기 발진회로(320)에서 발진을 중지하고 전원전압제어가 온 상태를 유지하여 전체 시스템이 정상화된다.

종래 공진형 컨버터는 주파수 제어 방식을 사용하기 때문에 과전류 보호 동작 시의 과전류 제한 상태가 극히 제한적이어서 반도체 부품의 전류 스트레스가 증가하여 발열 및 파손의 우려가 있다. 이러한 종래 공진형 컨버터의 과전류 보호 특성을 보완하기 위해 기본 보호회로에 발진 회로를 추가한 Hiccup 모드 방식의 과전류 보호회로(300)를 도입함으로써 반도체 부품의 전류 스트레스가 온/오프 시간 비에 의해 평균적으로 감소하여 신뢰도가 향상된 공진형 컨버터를 실현할 수 있다.

본 발명은 도면에 도시된 일 실시예를 참고로 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 등록청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.

도 1은 종래 Hiccup 모드의 작동과정을 도시한 도면.

도 2는 종래 과전류 보호회로를 구비한 공진형 컨버터를 도시한 도면.

도 3은 본 발명의 과전류 보호회로를 구비한 공진형 컨버터를 도시한 도면.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

100 : 공진형 컨버터 110 : 전류감지회로

200 : 공진형 제어 I.C 210 : 비교기

220 : 전압조정회로 230 : 보호회로

300 : 과전류 보호회로 310 : 보조전원감지회로

320 : 발진회로 400 : 전원 온/오프 제어 회로

Claims (8)

1. 공진형 컨버터의 1차 트랜스포머 전류 감지 회로에서 부하 전류와 연동하는 공진 전류를 감지하여 공진형 제어 I.C의 비교기에 입력되는 단계;

   상기 비교기에 설정된 과전류 기준 전압과 감지 전압을 비교하여 감지 전압이 기준 전압을 초과하는 경우 상기 비교기로부터 초과 신호가 출력되는 단계;

   상기 비교기의 출력을 전압 조정 회로를 통하여 상기 제어 I.C의 인에이블 사양에 적합한 전압 레벨로 조정하고 활성화하는 단계;

   상기 인에이블 단자가 활성화되면 보호회로가 동작되어, 스위칭 주파수를 최대 주파수로 제어하고 스위치의 게이트 전압을 출력하여 과전류 제한 상태로 동작하는 단계;

   보조전원감지회로에서 상기 과전류 제한 상태에서 트랜스포머의 권선과 결합되어 전압이 강하되는 보조전원을 인지하여 발진회로에 신호를 전달하는 단계;

   상기 보조전원의 전압 강하에 따라 보조전원감지회로로부터 신호를 전달받은 발진회로에서 발진신호를 출력하는 단계; 및

   전원 온/오프 제어 회로에서 상기 발진회로로부터 출력된 신호를 입력받아 전원전압을 온/오프시키는 단계를 포함하는 과전류 보호회로를 구비한 공진형 컨버터 구동방법.
2. 제 1항에 있어서,

   전원전압이 오프 상태인 경우, 상기 제어 I.C의 전원이 차단되어 스위치 동작을 정지하는 과전류 보호회로를 구비한 공진형 컨버터 구동방법.
3. 제 1항에 있어서,

   전원전압 온 상태에서 부하 전류가 정상화되면,

   상기 비교기의 출력이 정상화되고 상기 제어 I.C의 인에이블이 정상화되어 정상 상태의 스위치 게이트 전압이 출력되는 단계와,

   상기 제어 I.C의 인에이블이 정상화되면 보조전원전압이 정상화되고, 발진회로가 발진을 중지하는 단계, 및

   상기 발진회로가 발진을 중지하는 경우 전원전압이 온 상태를 유지하여 전체 시스템이 정상화되는 단계를 포함하는 과전류 보호회로를 구비한 공진형 컨버터 구동방법.
4. 1차 트랜스포머 전류 감지 회로에서 부하 전류와 연동하는 공진 전류를 감지하여 출력하는 공진형 컨버터;

   상기 공진형 컨버터로부터 출력된 신호를 입력받아, 1차 공진 전류로 인한 감지 전압과 기설정된 기준전압을 비교하여, 감지전압이 기준전압을 초과하는 경우 과전류 제한 상태로 동작하는 공진형 제어 I.C;

   상기 과전류 제한 상태에서 보조 전원의 전압 강하를 감지하고, 발진신호를 출력하는 과전류 보호회로; 및

   상기 발진신호를 입력받아 전원전압을 온/오프시키는 전원 온/오프 제어 회로를 포함하는 과전류 보호회로를 구비한 공진형 컨버터.
5. 제 4항에 있어서,

   상기 1차 트랜스포머 전류 감지 회로는 저항 또는 전류 트랜스포머를 사용하여 형성되는 과전류 보호회로를 구비한 공진형 컨버터.
6. 제 4항에 있어서,

   상기 공진형 제어 I.C는,

   상기 전류감지회로로부터 출력되는 신호를 입력받아 1차 공진 전류로 인한 감지 전압과 기설정된 기준전압을 비교하는 비교기와,

   상기 비교기에 설정된 과전류 기준전압과 감지전압을 비교하여 감지 전압이 기준 전압을 초과하는 경우 상기 비교기로부터 출력되는 신호를 상기 제어 I.C의 인에이블 사양에 적합한 전압 레벨로 조정하는 전압조정회로, 및

   상기 제어 I.C의 인에이블 단자가 활성화 되는 경우, 스위칭 주파수를 최대 주파수로 제어하고 스위치의 게이트 전압을 출력하여 과전류 제한 상태로 동작하는 보호회로를 포함하는 과전류 보호회로를 구비한 공진형 컨버터.
7. 제 4항에 있어서,

   상기 과전류 보호회로는,

   보조전원의 전압 레벨을 감지하는 보조전원감지회로, 및

   상기 보조전원감지회로를 통한 전압 강하 인지시 발진신호를 출력하는 발진회로를 포함하는 과전류 보호회로를 구비한 공진형 컨버터.
8. 제 7항에 있어서,

   상기 발진회로는 타이머 I.C 또는 증폭기를 이용하여 형성되는 과전류 보호회로를 구비한 공진형 컨버터.

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