KR101271346B1 - 병렬 변압기를 이용한 스위칭 전원장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 공진형 스위칭 전원장치에서 병렬형 변압기를 사용할 수 있도록 두 개의 변압기와 두 개의 공진용 인덕터 및 한 개 이상의 공진용 커패시터로 공진회로를 구성하고 변압기의 2차측을 센터탭으로 결합시켜서 한 개의 변압기를 사용하는 효과를 얻을 수 있어서 두 개의 변압기를 사용하면서도 기존의 공진형 하프브릿지 전원장치의 저손실 특성을 유지하면서 공진 소자의 최적 배치를 제공하여 스위칭 전원장치의 높이를 낮추고 박형화시킬 수 있으며, 두 개의 변압기를 병렬로 사용하여 한 개의 변압기를 사용하는 공진형 스위칭 전원장치에 비해 내부전력손실 저감시키고 결과적으로는 전력변환 효율을 개선하여 스위칭 전원장치의 내부 발열을 낮추고 높은 신뢰성을 갖는 고효율 전원장치를 제공한다.

Description

병렬 변압기를 이용한 스위칭 전원장치{SWITCHING POWER SUPPLY USING PARALLEL TRANSFORMER}

본 발명은 스위칭 전원장치에 관련한 것으로, 특히 두 개의 병렬 변압기를 사용하여 스위칭 전원장치의 변압기 사이즈를 분할시킴으로써 스위칭 전원장치의 소형화 및 박형화 설계를 용이하게 수행할 수 있도록 하는 병렬 변압기를 이용한 스위칭 전원장치에 관한 것이다.

본 발명은 2011년 지식경제부로부터 지원받아 수행된 연구(연구사업명: 에너지기술개발사업, 연구과제명: 전계방출을 이용한 고효율 면광원 조명기기 개발)의 일환으로 개발된 것이다.

일반적으로 스위칭 전원장치는 안정된 전압을 공급하면서 많은 전력을 변환시키기 때문에 전력손실이 반드시 발생하게 된다. 내부에서 발생된 손실은 대부분 열로서 발산되기 때문에 전력변환 효율이 낮아지는 경우에는 발생 열에 비례하여 경우에 따라서는 제품의 수명을 단축시키는 요인이 된다. 또한 서버나 고속연산, 대규모 정보처리용도 등으로 사용되는 중대형 컴퓨터에서 사용되는 대용량의 전원장치의 경우에는 전력변환 효율뿐만 아니라 전원장치의 사이즈가 제한 받게 되어 제품 개발 단계에서 체적과 부피, 무게를 줄일 수 있는 설계와 제조방법이 절실히 요구되고 있다.

전력용량을 전원장치 제품의 체적으로 나눈 것을 일반적으로 전력밀도라고 한다. 전력밀도가 높다는 것은 제품의 외형 사이즈에 비해 좀 더 많은 전력용량을 갖고 있다는 뜻이며 시스템 사이즈를 소형화시킬 수 있는 가능성이 더욱 높아진다. 일반적으로 전력밀도를 높일 수 있는 방법은 크게 세 가지가 존재한다.

먼저 스위칭 주파수를 높이게 되면 주파수에 민감한 소자들의 사이즈가 변하게 된다. 변압기와 커패시터와 같은 전력저장 소자들은 주파수가 높아지면 에너지 저장에 대한 부담이 줄어들게 되기 때문에 사이즈를 줄일 수 있고, 따라서 제품의 사이즈를 좀 더 소형화시킬 수 있다.

다음으로는 전력변환 효율을 높이는 것이다. 전력변환 효율이 높아지면 발열량이 줄어들고, 발열량이 줄면 히트싱크나 전도체의 사이즈가 줄어들기 때문에 전원장치의 사이즈를 소형화시킬 수가 있다.

마지막으로는 제품의 구성방법과 최적 배치 기술을 이용하는 것이다. 전원장치에서 사용되고 있는 수백 개의 소자를 최적의 상태로 배치 배열하는 것은 제품의 소형화와 신뢰성에 매우 밀접한 관계가 있으며, 특히 변압기와 인덕터와 같은 자성체 코어를 사용하는 소자의 배치와 배열은 매우 중요한 결과를 갖는다.

최근 공진형 하프브릿지 컨버터는 공진형 스위칭 기술을 이용하기 때문에 스위칭 손실을 저감시켜서 고효율 전력변환이 가능하다는 장점이 있으나 출력전력이 증가함에 따라서 대전력의 변압기를 사용하는 경우 변압기를 구성하는 마그네틱 코어의 사이즈가 증가하여 전원장치의 소형화에 걸림돌이 되고 있다. 이러한 문제를 해결하기 위해서 두 개의 코어를 사용하여 변압기의 높이를 낮추고 출력전력을 높일 수 있는 병렬형 변압기 구성이 주목받고 있다.

그러나 이러한 종래의 방법은 단순한 병렬구조를 갖는 변압기 구성방법이기 때문에 공진 스위칭 조건에 맞추기가 어렵고 스위칭 주파수 범위에 최적화된 동작이 어렵기 때문에 스위칭 전원장치의 신뢰성을 높일 수가 없어서 결과적으로는 소형화시키기 어려운 문제점이 있다.

따라서 본 발명의 목적은 스위칭 전원장치에서 병렬형 변압기를 사용할 수 있도록 두 개의 변압기와 공진 소자의 최적 배치를 제공하여 스위칭 전원장치의 높이를 낮추고 박형화시키는데 있다.

또한, 본 발명은 두 개의 변압기를 병렬로 사용하여 한 개의 변압기를 사용하는 스위칭 전원장치에 비해 내부전력손실 저감시키고 결과적으로는 전력변환 효율을 개선하여 스위칭 전원장치의 내부 발열을 낮추고 높은 신뢰성을 갖는 고효율 전원장치를 제공하는데 있다.

상기와 같은 목적들을 달성하기 위한 본 발명에 따른 병렬 변압기를 이용한 스위칭 전원장치는, 두 개의 변압기를 사용하여 전원장치의 출력에서 요구하는 전력을 분배하여 구성함으로써 전원장치의 높이와 체적을 줄일 수 있어서 고효율의 공진형 스위칭 전원장치를 구성하는데 특징이 있다.

또한, 본 발명에 따른 병렬 변압기를 이용한 스위칭 전원장치는, 두 개의 변압기를 병렬로 사용하여 한 개의 변압기를 사용하는 스위칭 전원장치에 비해 전류의 경로를 나누어 흐르게 되고 따라서 내부전력손실 저감시키고 결과적으로는 전력변환 효율을 개선하여 스위칭 전원장치의 내부 발열을 낮추고 높은 신뢰성을 갖는 고효율의 공진형 스위칭 전원장치를 제공하는데 특징이 있다.

또한, 본 발명에 따른 병렬 변압기를 이용한 스위칭 전원장치는, 서로 번갈아 가며 고속으로 스위칭하는 두 개의 반도체 스위치; 공진용 커패시터; 두 개의 경로로 나누어 연결된 두 개의 공진용 인덕터; 1차측에서는 병렬로 구성하고 변압기의 2차측에서는 센터탭 구성으로 결합된 두 개의 변압기; 전파정류용 두 개의 다이오드; 및 출력 평활용 커패시터;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 따른 병렬 변압기를 이용한 스위칭 전원장치는, 상기 공진용 커패시터를 두 개의 공진용 인덕터와 각각 직렬로 구성할 수 있도록 두 개로 구성하는 이중 공진회로를 구성하는 것을 특징으로 한다.

이때, 본 발명에 따른 병렬 변압기를 이용한 스위칭 전원장치는, 상기 센터탭의 출력전압을 분배하여 일정하게 제어하고, 기준전압과 비교하여 적정한 제어전압을 발생하는 제어회로; 상기 제어회로의 제어전압을 주파수로 변환하는 전압-주파수 변환회로; 및 상기 두 개의 스위치를 적정한 주파수에서 동작하도록 제어하는 스위치 구동회로;를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

상술한 바와 같이 본 발명은 스위칭 전원장치에서 병렬형 변압기를 사용할 수 있도록 두 개의 변압기와 공진 소자의 최적 배치를 제공하여 스위칭 전원장치의 높이를 낮추고 박형화시킬 수 있는 효과가 있다.

또한, 본 발명은 두 개의 변압기를 병렬로 사용하여 한 개의 변압기를 사용하는 공진형 스위칭 전원장치에 비해 내부전력손실 저감시키고 결과적으로는 전력변환 효율을 개선하여 스위칭 전원장치의 내부 발열을 낮추고 높은 신뢰성을 갖는 고효율의 공진형 스위칭 전원장치를 제공할 수 있는 장점이 있다.

도 1은 본 발명에 따른 한 개의 공진용 커패시터와 두 개의 공진용 인덕터를 갖는 병렬 변압기를 이용한 스위칭 전원장치의 회로도,
도 2는 본 발명에 따른 두 개의 공진용 커패시터와 두 개의 공진용 인덕터를 갖는 병렬 변압기를 이용한 스위칭 전원장치의 회로도,
도 3은 본 발명에 따른 병렬 변압기를 이용한 스위칭 전원장치의 바람직한 실시예에 따른 회로도,
도 4는 본 발명에 따른 병렬 변압기를 이용한 스위칭 전원장치의 주요 파형도.

이하 본 발명의 바람직한 실시 예들의 상세한 설명이 첨부된 도면들을 참조하여 설명될 것이다. 도면들 중 동일한 구성들은 가능한 한 어느 곳에서든지 동일한 부호들을 나타내고 있음을 유의하여야 한다. 하기 설명에서 구체적인 특정 사항들이 나타나고 있는데, 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해 제공된 것이다. 그리고 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 본 명세서의 전반에 걸쳐 사용되는 용어들은 본 발명 실시예에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서, 사용자 또는 운용자의 의도, 관례 등에 따라 충분히 변형될 수 있는 사항이므로 이 용어들의 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 한다.

도 1은 본 발명에 따른 한 개의 공진용 커패시터와 두 개의 공진용 인덕터를 갖는 병렬 변압기를 이용한 스위칭 전원장치의 회로도이고, 도 2는 본 발명에 따른 두 개의 공진용 커패시터와 두 개의 공진용 인덕터를 갖는 병렬 변압기를 이용한 스위칭 전원장치의 회로도이고, 도 3은 본 발명에 따른 병렬 변압기를 이용한 스위칭 전원장치의 바람직한 실시예에 따른 회로도이다. 도 4는 본 발명에 따른 병렬 변압기를 이용한 스위칭 전원장치의 주요 파형도이다.

이하, 도 1 내지 도 4을 참조하여 본 발명에 따른 병렬 변압기를 이용한 스위칭 전원장치의 구성 및 동작에 대하여 상세히 설명한다.

먼저, 도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 한 개의 공진용 커패시터와 두 개의 공진용 인덕터를 갖는 병렬 변압기를 이용한 스위칭 전원장치는, 먼저 입력전압(Vs)이 전원장치에 공급이 되면 제어회로에 의해서 두 개의 스위치(Q1, Q2)는 50%의 시비율로 번갈아 고속으로 스위칭 되며, 그 결과 두 스위치(Q1, Q2) 중앙의 노드에서는 입력전압의 크기에 해당되는 펄스전압이 인가된다. 인가된 펄스전압은 한 개의 공진 커패시터(CR)와 두 개의 공진 인덕터(LR1, LR2) 및 두 개의 변압기(T1, T2)의 1차측에 존재하는 자화인덕턴스에 의해 전류와 전압이 공진에 의해 정현파 형태로 변환되며, 변압기 2차측에서는 공진 전류가 변압기 권선비(NP1, NP2, NS1, NS2)에 의해 크기가 변환된다. 변압기 2차측 센터탭 권선구조와 다이오드(D1, D2)에 의해서 전파 정류된 전류파형이 출력단에 공급되고, 평활용 커패시터(Co)는 일정전압(Vo)을 유지하게 되어 일정한 직류전압으로 변환되고, 부하저항(RL)에 전력이 공급되어 직류-직류 변환시키는 스위칭 전원장치로서 역할을 하게 된다.

도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 두 개의 공진용 커패시터와 두 개의 공진용 인덕터를 갖는 병렬 변압기를 이용한 스위칭 전원장치는, 먼저 입력전압(Vs)이 전원장치에 공급이 되면 제어회로에 의해서 두 개의 스위치(Q1, Q2)는 50%의 시비율로 번갈아 고속으로 스위칭 되며, 그 결과 두 스위치(Q1, Q2) 중앙의 노드에서는 입력전압의 크기에 해당되는 펄스전압이 인가된다. 두 개의 공진 커패시터(CR1, CR2)와 두 개의 공진 인덕터(LR1, LR2) 및 두 개의 변압기(T1, T2)의 1차측에 존재하는 자화인덕턴스에 의해 전류와 전압이 공진에 의해 정현파 형태로 변환되며, 변압기 2차측에서는 공진 전류가 변압기 권선비(NP1, NP2, NS1, NS2)에 의해 크기가 변환되고, 변압기 2차측 센터탭 권선구조와 다이오드(D1, D2)에 의해서 전파 정류된 전류파형이 출력단에 공급된다. 이에 따라, 평활용 커패시터(Co)는 일정전압(Vo)을 유지하게 되어 일정한 직류전압으로 변환되고, 부하저항(RL)에 전력이 공급되어 직류-직류 변환시키는 스위칭 전원장치로서 역할을 하게 된다.

도 3은 본 발명에 따른 병렬 변압기를 이용한 스위칭 전원장치의 바람직한 실시예에 따른 회로도를 나타낸 것으로서, 출력전압을 일정하게 제어하기 위한 제어회로를 포함한다. 제어회로는 출력전압에서 두 개의 저항(RL1, RL2)으로 전압을 분배하고 IC2에서 기준전압(VREF)과 비교하여 적정한 제어전압을 발생하여, VCO(IC1)에서 전압-주파수 변환회로와 스위치 구동회로로부터 두 개의 스위치(Q1, Q2)를 적정한 주파수에서 동작하도록 제어하게 되고 결과적으로는 안정된 출력전압을 얻을 수 있게 된다.

도 4는 본 발명에 따른 병렬 변압기를 이용한 스위칭 전원장치의 주요 파형도를 나타낸 것으로서, 도 1의 회로도에서 얻어진 이상적인 동작파형이다. 도 4는 위로부터 공진 커패시터 전류(ILR), 두 개의 공진용 인덕터 전류(IP1, IP2), 두 개의 변압기의 1차측 전압(VP1, VP2) 및 전파정류기의 전류(IO)이다. 도 4의 이론적인 파형으로부터 두 개의 변압기 모두 정상적인 동작을 수행하고 있다는 것을 알 수 있다.

본 발명은 첨부된 도면에 의해 참조되는 바람직한 실시예를 중심으로 기술되었지만, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다. 그러므로 본 발명의 범위는 설명된 실시 예에 국한되어 정해져서는 안되며 후술하는 특허청구의 범위뿐 아니라 이 특허청구의 범위와 균등한 것들에 의해서 정해져야 한다.

Claims (4)

1. 입력전원과 직렬로 연결된 두 개의 스위치;
   상기 스위치 중앙 노드에서 연결된 공진용 커패시터;
   상기 커패시터와 병렬로 연결된 두 개의 공진용 인덕터;
   상기 두 개의 공진용 인덕터와 각각 직렬로 연결되고, 공통으로 접지에 연결되며, 2차측이 센터탭 구조로 연결된 두 개의 변압기;
   상기 센터탭 출력에서 두 개의 다이오드를 사용한 전파정류기; 및
   상기 전파정류기에서 평활용 커패시터;를 포함하는 병렬 변압기를 이용한 스위칭 전원장치.
   
2. 제 1항에 있어서,
   상기 센터탭의 출력전압을 분배하여 일정하게 제어하고, 기준전압과 비교하여 적정한 제어전압을 발생하는 제어회로;
   상기 제어회로의 제어전압을 주파수로 변환하는 전압-주파수 변환회로; 및
   상기 두 개의 스위치를 적정한 주파수에서 동작하도록 제어하는 스위치 구동회로;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 병렬 변압기를 이용한 스위칭 전원장치.
   
3. 입력전원과 직렬로 연결된 두 개의 스위치;
   상기 스위치 중앙 노드에서 연결된 두 개의 공진용 커패시터;
   상기 커패시터와 각각 직렬로 연결된 두 개의 공진용 인덕터;
   상기 두 개의 공진용 인덕터와 각각 직렬로 연결되고, 공통으로 접지에 연결되며, 2차측에는 센터탭 구조로 연결된 두 개의 변압기;
   상기 센터탭 출력에서 두 개의 다이오드를 사용한 전파정류기;및
   상기 전파정류기에서 평활용 커패시터;를 포함하는 병렬 변압기를 이용한 스위칭 전원장치.
   
4. 제 3항에 있어서,
   상기 센터탭의 출력전압을 분배하여 일정하게 제어하고, 기준전압과 비교하여 적정한 제어전압을 발생하는 제어회로;
   상기 제어회로의 제어전압을 주파수로 변환하는 전압-주파수 변환회로; 및
   상기 두 개의 스위치를 적정한 주파수에서 동작하도록 제어하는 스위치 구동회로;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 병렬 변압기를 이용한 스위칭 전원장치.

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