KR101444553B1 - 전원 공급 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 전원 공급 장치에 관한 것으로, 부하에 메인 전원을 공급하는 메인 컨버터, 상기 메인 컨버터에 연결되어 출력 손실을 저감하는 보조 컨버터를 포함하며, 상기 보조 컨버터는 홀드 업 타임에 근거하여 동작할 수 있다.

Description

전원 공급 장치 {POWER SUPPLY}
본 발명은 홀드 업 타임에 동작하여 출력 손실을 저감할 수 있는 전원 공급 장치에 관한 것이다.
일반적으로 전원공급장치의 DC/DC 변환부로 위상천이풀브리지(PSFB: Phase Shift Full Bridge) 컨버터가 널리 사용되고 있다. 이는 PSFB 컨버터의 경우 반도체 소자의 스트레스가 적고 영전압 스위칭이 가능하여 대용량 응용에 적합하기 때문이다.
이러한 DC/DC 변환부는 홀드업시간(Hold-Up Time) 규제를 만족하여야 한다. 즉, 장애로 인해 입력 교류전원이 차단된 이후에도 데이터 백업을 위해 일정시간 동안 부하에 전원을 공급하여야 하며, 이를 위해 DC/DC 변환부는 전원공급장치의 입력단의 커패시터에 충전된 직류 링크 전압으로부터 전원을 공급하고 있다. 하지만, 시간이 지남에 따라 직류 링크 전압은 점차 감소하게 되며, 직류 링크 전압의 감소분을 고려하여 부하에 일정한 전원을 공급하기 위해서 듀티를 점차 증가시키게 된다.
상술한 점을 고려하면, DC/DC 변환부는 입력전압의 범위가 넓어지도록 설계되어야 하기 때문에 정상상태(nominal 상태)에서 작은 듀티를 가지게 된다.
따라서 위상천이풀브리지는 전원 공급 효율이 감소된다는 문제점이 있다.
하기 선행기술문헌에 기재된 특허문헌 1은, 위상천이풀브리지(PSFB)에 관한 것으로, 홀드 업 타임에 동작하여 손실을 저감하는 구성에 대해서는 개시하고 있지 않다.
한국공개특허 KR 2011-0064605
본 발명의 과제는 상기 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 본 발명은 효율을 증가시킬 수 있는 전원 공급 장치를 제공하는데 있다.
본 발명의 일 양상에 따른 전원 공급 장치는, 부하에 메인 전원을 공급하는 메인 컨버터, 상기 메인 컨버터에 연결되어 출력 손실을 저감하는 보조 컨버터를 포함하며, 상기 보조 컨버터는 홀드 업 타임에 근거하여 동작할 수 있다.
상기 메인 컨버터는, 트랜스포머의 1차 권선을 포함하는 1차측 회로, 상기 트랜스포머의 1차 권선과 자기적으로 결합된 2차 권선을 포함하는 2차측 회로를 포함할 수 있다.
상기 메인 컨버터의 1차측 회로는, 직렬 연결된 제1 스위칭 소자 및 제2 스위칭 소자의 양단이 전원 입력단의 양단에 연결되고, 직렬 연결된 제3 스위칭 소자 및 제4 스위칭 소자의 양단이 상기 전원 입력단의 양단에 병렬 연결된 스위칭 모듈을 포함하며, 상기 트랜스포머의 1차 권선은 상기 제1 스위칭 소자와 상기 제2 스위칭 소자간 연결 부위인 제1 노드와 상기 제3 스위칭 소자와 상기 제4 스위칭 소자간 연결 부위인 제2 노드 사이에 연결될 수 있다.
상기 메인 컨버터의 2차측 회로는, 상기 트랜스포머의 2차 권선과 직렬 연결되어 상기 트랜스포머의 2차 권선으로 흐르는 전류를 제어하는 스위칭 소자를 포함할 수 있다.
상기 보조 컨버터는, 상기 2차측 회로에 연결된 인덕터 소자, 상기 인덕터 소자의 에너지 축적 경로를 제공하는 제1 보조 스위칭 소자, 상기 인덕터 소자에 축적된 에너지의 전달 경로를 제공하는 제2 보조 스위칭 소자를 포함할 수 있다.
상기 제1 보조 스위칭 소자는, 상기 제3 스위칭 소자가 턴온 되는 시점에 턴온 되며, 상기 제3 스위칭 소자가 턴온을 유지하는 기간 중에 턴오프될 수 있다.
상기 제2 보조 스위칭 소자는, 상기 제1 보조 스위칭 소자가 턴오프 된 후 소정 기간 이후에 턴온 되며, 상기 제3 스위칭 소자가 턴 오프되는 시점에 턴오프될 수 있다.
상기 제1 보조 스위칭 소자는, 상기 제4 스위칭 소자가 턴온 되는 시점에 턴온 되며, 상기 제4 스위칭 소자가 턴온을 유지하는 기간 중에 턴오프될 수 있다.
상기 제2 보조 스위칭 소자는, 상기 제1 보조 스위칭 소자가 턴오프 된 후 소정 기간 이후에 턴온 되며, 상기 제4 스위칭 소자가 턴 오프되는 시점에 턴오프될 수 있다.
본 발명의 다른 양상에 따른 전원 공급 장치는, 전원 입력단에 연결된 1차측 회로와, 상기 1차측 회로와 자기적으로 결합된 2차측 회로를 통해 메인 전원을 공급하는 메인 컨버터, 상기 2차측 회로에서 공급된 에너지를 축적하고, 상기 축적된 에너지의 전달 경로를 제공하는 보조 컨버터를 포함할 수 있다.
본 발명에 따르면, 홀드 업 타임에 출력 전압을 제어함으로써 전원 공급 장치의 효율을 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 컨버터의 회로도이다.
도 2는 노미널 모드에서의 회로 주요부의 동작 파형을 나타낸 도면이다.
도 3은 홀드업 모드에서의 회로 주요부의 동작 파형을 나타낸 도면이다.
도 4는 노미널 모드에서의 회로 동작 상태를 나타낸 도면이다.
도 5는 홀드업 모드에서의 회로 동작 상태를 나타낸 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 형태들을 설명한다. 그러나 본 발명의 실시형태는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시 형태로 한정되는 것은 아니다. 또한, 본 발명의 실시형태는 당해 기술분야에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 도면에서 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 컨버터의 회로도이다.
도 2, 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 컨버터의 주요부의 파형을 도시한 파형도이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 전력 컨버터는 부하에 메인 전원을 공급하는 메인 컨버터(100), 상기 메인 전원의 출력 손실을 저감하는 보조 컨버터(110)를 포함할 수 있다. 예컨대, 상기 메인 컨버터(100)는 부하에 메인 전원을 공급하는 위상 천이 풀 브리지 DC/DC 컨버터일 수 있다.
상기 보조 컨버터(110)는 메인 컨버터(100) 내로 통합될 수 있다. 상기 보조 컨버터(110)는 교류 손실(AC loss)이 발생하는 홀드-업(hold up) 구간에 동작하여 출력 손실을 저감시킬 수 있다.
이하, 도 1을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 컨버터를 상세하게 설명하기로 한다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 메인 컨버터(100)의 일 예시로서, 출력단에 보조 컨버터(110)가 통합된 형태의 위상 천이 풀-브리지 DC/DC 컨버터(PSFC: Phase Shift Full-Bridge Converter)가 도시되어 있다. 위상 천이 풀-브리지 DC/DC 컨버터는 낮은 전류/전압 스트레스와 영-전압 스위칭(ZVS; Zero Voltage Switching)으로 인한 높은 효율을 가진다는 장점 때문에 전력 어플리케이션에 있어서는 매우 유용하다는 장점이 있다.
구체적으로, 메인 컨버터(100)는 직렬 연결된 제1 스위칭 소자(Q1) 및 제2 스위칭 소자(Q2)의 양단이 전원 입력단(Vs)에 병렬 연결되며, 직렬 연결된 제3 스위칭 소자(Q3)와 제4 스위칭 소자(Q4)의 양단이 전원 입력단(Vs)에 병렬 연결된 브리지 회로(Q1 내지 Q4)와, 제1 스위칭 소자(Q1)와 제2 스위칭 소자(Q2)간 연결부위인 제1 노드(N1)와 제3 스위칭 소자(Q3)와 제4 스위칭 소자(Q4)간 연결 부위인 제2 노드(N2) 사이에 연결된 1차측 권선(101)과, 1차측 권선(101)에 자기적으로 결합된 적어도 하나 이상의 2차측 권선(102)을 가지는 트랜스포머(101, 102)와, 트랜스포머(101, 102)의 2차측 권선(102)에 연결되는 인덕터 소자(LO), 캐패시터 소자(CO)를 포함한다.
또한, 트랜스포머(101, 102)의 2차측 권선(102)으로 흐르는 전류(iQ5, iQ6)의 흐름을 개폐하기 위한 스위칭 모듈(Q5, Q6)을 포함할 수 있다. 보조 컨버터(110)는 트랜스포머(101, 102)의 2차측 권선(102)의 양단과 캐패시터 소자(CO)의 양단 사이에 설치될 수 있다. 상기 보조 컨버터(11)는 2차측 권선에 연결된 인덕터 소자(Lo), 상기 인덕터 소자의 에너지 축적 경로를 제공하는 제1 보조 스위칭 소자(QB1), 상기 인덕터 소자에 축적된 에너지의 전달 경로를 제공하는 제2 보조 스위칭 소자(QB2)를 포함할 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 보조 스위칭 소자(QB1, QB2)에 의해 트랜스포머(101, 102)의 2차측 권선(102)으로부터의 전류(iQB1, iQB2)의 흐름이 개폐된다.
한편, 트랜스포머(101, 102)의 권선비는 Np:Ns = n:1일 수 있으며, 1차측 권선(101)은 도시된 바와 같이 누설 인덕턴스(Llkg)와 자화 인덕턴스(Lm) 성분으로 표현될 수 있다. 한편, 제1 스위칭 소자(Q1) 내지 제4 스위칭 소자(Q4) 각각은 다이오드(D1 내지 D4)와 기생 커패시터 성분(C1 내지 C4)을 포함할 수 있다.
이러한 구조의 메인 컨버터(100)는 노미널(nominal) 모드, 홀드-업(hold-up) 모드에서 부하(R0)에 메인 전원을 공급한다.
이하에서는 메인 컨버터(100)의 제1 스위칭 소자(Q1) 내지 제4 스위칭 소자(Q4), 트랜스포머(101, 102)의 1차측 권선(101) 중 적어도 하나를 포함하는 구성을 메인 컨버터(100)의 1차측 회로라고 정의하기로 한다. 또, 트랜스포머(101, 102)의 2차측 권선(102), 제5 스위칭 소자(Q5), 제6 스위칭 소자(Q6), 보조 컨버터(110), 캐패시터 소자(Co) 중 적어도 하나를 포함하는 구성을 메인 컨버터(100)의 2차측 회로라고 지칭하기로 한다.
한편, 보조 컨버터(110)의 일 실시예로, 부스트 컨버터(Boost Converter)를 도시하고 있다. 도시된 바와 같이, 상기 보조 컨버터(110)는 인덕터 소자(Lo), 제1 보조 스위칭 소자(QB1), 제2 보조 스위칭 소자(QB2)를 포함할 수 있다.
더욱 구체적으로 보조 컨버터(110)는 트랜스포머의 2차측 권선(102)의 양단과 캐패시터 소자(Co)의 양단 사이에 설치될 수 있다.
한편, 보조 스위칭 소자(QB1, QB2)에 의해 트랜스포머의 2차측 권선(102)의 양단으로부터 부하로 흐르는 전류의 흐름이 조절될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 노미널(nominal) 모드에서, 상기 제2 보조 스위칭 소자(QB2)는 턴온 상태를 유지하고, 상기 제1 보조 스위칭 소자(QB1)는 턴오프 상태를 유지할 수 있다. 이 때, 상기 트랜스포머의 2차측 권선(102)으로부터 인덕터 소자(Lo) 방향으로 유입된 전류는 제2 보조 스위칭 소자(QB2)로 흐를 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 홀드-업(Hold-up) 모드에서, 상기 제1 보조 스위칭 소자(QB1) 및 상기 제2 보조 스위칭 소자(QB2)는 소정의 주기로 턴온/턴오프 될 수 있다. 예컨대, 홀드-업(Hold-up) 모드에서, 상기 제1 보조 스위칭 소자(QB1)는 상기 제3 스위칭 소자(Q3)가 턴온 되는 시점에 턴온될 수 있다. 또, 상기 제1 보조 스위칭 소자(QB1)는 상기 제3 스위칭 소자(QB3)가 턴온 상태를 유지하는 기간 중에 턴오프 될 수 있다. 또, 상기 제2 보조 스위칭 소자(QB2)는 상기 제1 보조 스위칭 소자(QB1)가 턴오프되고 소정 기간 후에 턴온 될 수 있다. 또, 상기 제2 보조 스위칭 소자(QB2)는 상기 제3 스위칭 소자(QB3)가 턴오프되는 시점에 턴오프될 수있다. 또, 홀드-업(Hold-up) 모드에서, 상기 제1 보조 스위칭 소자(QB1)는 상기 제4 스위칭 소자(Q4)가 턴온 되는 시점에 턴온될 수 있다. 또, 상기 제1 보조 스위칭 소자(QB1)는 상기 제4 스위칭 소자(QB4)가 턴온 상태를 유지하는 기간 중에 턴오프 될 수 있다. 또, 상기 제2 보조 스위칭 소자(QB2)는 상기 제1 보조 스위칭 소자(QB1)가 턴오프되고 소정 기간 후에 턴온 될 수 있다. 또, 상기 제2 보조 스위칭 소자(QB2)는 상기 제4 스위칭 소자(QB4)가 턴오프되는 시점에 턴오프될 수 있다.
이하 도 2 내지 도 5를 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 보조 컨버터가 통합된 전력 컨버터의 동작 원리를 상세하게 설명하기로 한다.
도 2는 노미널 모드에서의 회로 주요부의 동작 파형을 나타낸 도면이다.
도 3은 홀드업 모드에서의 회로 주요부의 동작 파형을 나타낸 도면이다.
도 4는 노미널 모드에서의 회로 동작 상태를 나타낸 도면이다.
도 5는 홀드업 모드에서의 회로 동작 상태를 나타낸 도면이다.
한편, 도 4, 5에서 점선으로 표시된 부분은 회로가 동작하지 않는 부분을 의미한다.
도 2, 4를 참조하면, 노미널(nominal) 모드의 각 구간은 크게 제1 구간(t0 ~ t1), 제2 구간(t1 ~ t2), 제3 구간(t2 ~ t3), 제4 구간(t3 ~ t4), 제5 구간(t4 ~ t5), 제6 구간(t5 ~ t6)으로 나누어질 수 있다. 제4 구간(t3 ~ t4) 내지 제6 구간(t5 ~ t6)은 제1 구간(t0 ~ t1) 내지 제3 구간(t2 ~ t3)과 동일한 원리에 의해 동작하며, 따라서 설명의 간명화를 위하여 제1 구간(t0 ~ t1) 내지 제3 구간(t2 ~ t3)을 중심으로 설명한다.
1. 제1 구간( to ~ t1 ) - Q 1 / Q 3 / Q 5 / Q B2 : ON , Q 2 / Q 4 / Q 6 / Q B1 : OFF (도 4(a) 참조)
제1 스위칭 소자(Q1)와 제3 스위칭 소자(Q3)가 턴온 상태이므로 메인 컨버터(100)의 1차측 권선(101)의 전압(Vpri)은 전원 전압(Vs)과 같다. 따라서 제1 스위칭 소자(Q1) - 트랜스포머의 1차측 권선(101) - 제3 스위칭 소자(Q3)의 경로를 통해 흐르는 1차측 전류(ipri)는 일정한 기울기로 상승한다. 한편, 제5 스위칭 소자(Q5)가 턴온 상태이므로, 2차측 권선(102a)의 전압(Vrec)은 권선비(n:1)에 따라 Vs/n 전압이 되며, 그에 따라 인덕터(Lo)로 흐르는 전류(iLO)는 (Vs/n - Vo)/Lo의 기울기를 가지고 상승한다.
한편, 제2 스위칭 소자(Q2)와 제4 스위칭 소자(Q4)의 기생 커패시터(C2, C4)에는 각각 Vs의 전압이 충전된다. 상술한 바와 같이, 제1 구간에서는 메인 컨버터(100)의 1차측 회로로부터 메인 컨버터(100)의 2차측 회로로 메인 전원이 파워링된다. 기타 미설명된 부호 iQ5는 제5 스위칭 소자(Q5)를 흐르는 전류, iQ6는 제6 스위칭 소자(Q6)를 흐르는 전류를 의미한다.
2. 제2 구간( t1 ~ t2 ) - Q 3 / Q 5 / Q B2 : ON , Q 1 / Q 4 / Q B1 : OFF , Q 2 / Q 6 : TURN ON (도 4(b) 참조)
제2 스위칭 소자(Q2), 제6 스위칭 소자(Q6)가 턴온되는 구간이다. 상기 제1 구간에서 제2 스위칭 소자(Q2)의 기생 커패시터(C2)에 충전된 전압이 완전히 방전된 이후에 제2 스위칭 소자(Q2)가 턴온되므로 제2 스위칭 소자(Q2)에 대해서 영전압 스위칭이 가능하다.
메인 컨버터(100)의 1차측 권선(101)의 전압(Vpri)은 0V이며, 그에 따라 1차측 전류(ipri)는 제2 스위칭 소자(Q2) - 트랜스포머의 1차측 권선(101) - 제3 스위칭 소자(Q3)의 경로를 통해 흐른다. 한편, 메인 컨버터(100)의 1차측 권선(101)의 전압(Vpri)은 0V이므로, 2차측 권선(102)의 전압(Vrec)도 0V이다.
이 때, 메인 컨버터(100)의 인덕터(Lo)로 흐르는 전류(iLO)는 제5 스위칭 소자(Q5), 제6 스위칭 소자(Q6)를 통해 흐르게 된다. 이때 전류(iLo)의 기울기는 Vo/Lo이다.
3. 제3 구간( t2 ~ t3 ) - - Q 2 / Q 6 / Q B2 : ON , Q 1 / Q 4 / Q B1 : OFF , Q 3 / Q 5 : TURN OFF (도 4(c) 참조)
제3 스위칭 소자(Q3), 제5 스위칭 소자(Q5)가 턴오프되는 구간이다. 제3 스위칭 소자(Q3)가 턴 오프됨에 따라 제4 스위칭 소자(Q4)에 충전된 전압이 전원(Vs) - 제2 스위칭 소자(Q2) - 트랜스포머의 1차측 권선(101)의 경로를 통해 완전히 방전되며, 메인 컨버터(100)의 1차측 권선(101)의 전압(Vpri)은 0V에서 -Vs가 된다. 한편, 트랜스포머의 1차측 권선(101)의 전압이 0V에서 -Vs로 떨어짐에 따라 트랜스포머의 1차측 권선(101)에 흐르는 1차측 전류(ipri)도 점차 감소하게 된다. 그리고, 제5 스위칭 소자(Q5)가 턴 오프됨에 따라 기존 제5 스위칭 소자(Q5)의 채널를 통해 흐르던 전류는 다이오드(D5)를 통해 흐르게 된다.
제5 스위칭 소자(Q5)의 다이오드(D5)를 통해 흐르는 전류(iQ5)와 제6 스위칭 소자(Q6)의 바디를 통해 흐르는 전류(iQ6)의 합은 메인 컨버터(100)의 인덕터(Lo)로 흐르는 전류(iLo)의 합과 같다. 한편, 도시된 바와 같이, 메인 컨버터(100)의 2차측 권선(102)의 전압(Vrec)은 0V이다.
한편, 도 2에서 도면부호 Ts는 스위칭의 한 주기를 의미하며, 노미널(nominal) 모드에서의 본 실시예에 의한 전원 공급 장치의 DC 변환율(conversion ratio)은 다음의 수학식 (1)과 같이 표현될 수 있다.
[수학식 1]
Figure 112012106743626-pat00001
여기서, DFB는 위상 천이 풀-브리지 DC/DC 컨버터의 유효 듀티비(effective duty ratio of PSFB)를 의미한다. 또, VS는 입력 전압을 의미하고, VO는 출력 전압을 의미한다. 또, NP는 트랜스포머 1차측의 권선수를 의미하고, NS는 트랜스포머 2차측의 권선수를 의미한다.
도 3, 5를 참조하면, 홀드-업(hold-up) 모드의 각 구간은 크게 제1 구간(t0 ~ t1), 제2 구간(t1 ~ t2), 제3 구간(t2 ~ t3), 제4 구간(t3 ~ t4), 제5 구간(t4 ~ t5), 제6 구간(t5 ~ t6), 제7 구간(t6 ~ t7), 제8 구간(t7 ~ t8)으로 나누어질 수 있다. 제5 구간(t4 ~ t5) 내지 제8 구간(t7 ~ t8)은 제1 구간(t0 ~ t1) 내지 제4 구간(t3 ~ t4)과 동일한 원리에 의해 동작하며, 따라서 설명의 간명화를 위하여 제1 구간(t0 ~ t1) 내지 제4 구간(t3 ~ t4)을 중심으로 설명한다.
1. 제1 구간( to ~ t1 ) - Q 1 / Q 3 / Q 5 / Q B1 : ON , Q 2 / Q 4 / Q 6 / Q B2 : OFF (도 5(a) 참조)
제1 스위칭 소자(Q1)와 제3 스위칭 소자(Q3)가 턴온 상태이므로 메인 컨버터(100)의 1차측 권선(101)의 전압(Vpri)은 전원 전압(Vs)과 같다. 따라서 제1 스위칭 소자(Q1) - 트랜스포머의 1차측 권선(101) - 제3 스위칭 소자(Q3)의 경로를 통해 흐르는 1차측 전류(ipri)는 일정한 기울기로 상승한다. 한편, 제5 스위칭 소자(Q5)가 턴온 상태이고, 제1 보조 스위칭 소자(QB1)가 턴온 상태이므로, 2차측 권선(102a)의 전압(Vrec)은 권선비(n:1)에 따라 Vs/n 전압이 되며, 그에 따라 인덕터(Lo)로 흐르는 전류(iLO)는 (Vs)/nLo의 기울기를 가지고 상승한다.
한편, 제2 스위칭 소자(Q2)와 제4 스위칭 소자(Q4)의 기생 커패시터(C2, C4)에는 각각 Vs의 전압이 충전된다. 상술한 바와 같이, 제1 구간에서는 메인 컨버터(100)의 1차측 회로로부터 메인 컨버터(100)의 2차측 회로로 메인 전원이 파워링된다. 또, 제1 구간에서는, 제1 보조 스위칭 소자(QB1)가 턴온 상태이므로, 2차측 회로에 파워링된 에너지가 인덕터(Lo)에 축적될 수 있다.
기타 미설명된 부호 iQ5는 제5 스위칭 소자(Q5)를 흐르는 전류, iQ6는 제6 스위칭 소자(Q6)를 흐르는 전류를 의미한다.
2. 제2 구간( t1 ~ t2 ) - Q 1 / Q 3 / Q 5 / Q B2 : ON , Q 2 / Q 4 / Q 6 / Q B1 : OFF (도 5(b) 참조)
제1 구간과 마찬가지로 제2 구간에서도 메인 컨버터(100)의 1차측 회로로부터 메인 컨버터(100)의 2차측 회로로 메인 전원이 파워링된다.
한편, 제2 구간에서는, 상기 제1 보조 스위칭 소자(QB1)가 턴 오프되고 상기 제2 보조 스위칭 소자(QB2)가 턴온될 수 있다. 따라서 상기 인덕터(Lo)에 축적된 에너지가 부하로 전달될 수 있다.
3. 제3 구간( t2 ~ t3 ) - Q 3 / Q 5 / Q B2 : ON , Q 1 / Q 4 / Q B1 : OFF , Q 2 / Q 6 : TURN ON (도 5(c) 참조)
제2 스위칭 소자(Q2), 제6 스위칭 소자(Q6)가 턴온되는 구간이다. 상기 제1 구간에서 제2 스위칭 소자(Q2)의 기생 커패시터(C2)에 충전된 전압이 완전히 방전된 이후에 제2 스위칭 소자(Q2)가 턴온되므로 제2 스위칭 소자(Q2)에 대해서 영전압 스위칭이 가능하다.
메인 컨버터(100)의 1차측 권선(101)의 전압(Vpri)은 0V이며, 그에 따라 1차측 전류(ipri)는 제2 스위칭 소자(Q2) - 트랜스포머의 1차측 권선(101) - 제3 스위칭 소자(Q3)의 경로를 통해 흐른다. 한편, 메인 컨버터(100)의 1차측 권선(101)의 전압(Vpri)은 0V이므로, 2차측 권선(102)의 전압(Vrec)도 0V이다.
따라서, 보조 스위칭 소자(Qs)의 영전압 스위칭이 가능하게 되며, 메인 컨버터(100)의 인덕터(Lo)로 흐르는 전류(iLO)는 제5 스위칭 소자(Q5), 제6 스위칭 소자(Q6)를 통해 흐르게 된다. 이때 전류(iLo)의 기울기는 Vo/Lo이다.
4. 제4 구간( t3 ~ t4 ) - - Q 2 / Q 6 / Q B2 : ON , Q 1 / Q 4 / Q B1 : OFF , Q 3 / Q 5 : TURN OFF (도 5(d) 참조)
제3 스위칭 소자(Q3), 제5 스위칭 소자(Q5)가 턴오프되는 구간이다. 제3 스위칭 소자(Q3)가 턴 오프됨에 따라 제4 스위칭 소자(Q4)에 충전된 전압이 전원(Vs) - 제2 스위칭 소자(Q2) - 트랜스포머의 1차측 권선(101)의 경로를 통해 완전히 방전되며, 메인 컨버터(100)의 1차측 권선(101)의 전압(Vpri)은 0V에서 -Vs가 된다. 한편, 트랜스포머의 1차측 권선(101)의 전압이 0V에서 -Vs로 떨어짐에 따라 트랜스포머의 1차측 권선(101)에 흐르는 1차측 전류(ipri)도 점차 감소하게 된다. 그리고, 제5 스위칭 소자(Q5)가 턴 오프됨에 따라 기존 제5 스위칭 소자(Q5)의 채널를 통해 흐르던 전류는 다이오드(D5)를 통해 흐르게 된다.
제5 스위칭 소자(Q5)의 다이오드(D5)를 통해 흐르는 전류(iQ5)와 제6 스위칭 소자(Q6)의 바디를 통해 흐르는 전류(iQ6)의 합은 메인 컨버터(100)의 인덕터(Lo)로 흐르는 전류(iLo)의 합과 같다. 한편, 도시된 바와 같이, 메인 컨버터(100)의 2차측 권선(102)의 전압(Vrec)은 0V이다.
한편, 도 3에서 도면부호 Ts는 스위칭의 한 주기를 의미하며, 노미널(nominal) 모드에서의 본 실시예에 의한 전원 공급 장치의 DC 변환율(conversion ratio)은 다음의 수학식 (2)과 같이 표현될 수 있다.
[수학식 2]
Figure 112012106743626-pat00002
여기서, DFB는 위상 천이 풀-브리지 DC/DC 컨버터의 유효 듀티비(effective duty ratio of PSFB)를 의미한다. 또, VS는 입력 전압을 의미하고, VO는 출력 전압을 의미한다. 또, NP는 트랜스포머 1차측의 권선수를 의미하고, NS는 트랜스포머 2차측의 권선수를 의미한다. 또, DB는 보조 컨버터의 제1 보조 스위칭 소자의 듀티비를 의미한다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 전원 공급 장치에 포함된 보조 컨버터(110)는 부스트(boost) 기능을 수행할 수 있다. 즉, 상기 보조 컨버터(110)는 교류 손실(AC loss)이 일어나는 홀드 업 구간에 동작하여 출력 전압을 유지시킬 수 있다.
또, 노미널(nominal) 모드에서, 상기 보조 컨버터(110)는 제1 보조 스위칭 소자(QB1)를 항상 오프시키고, 제2 보조 스위칭 소자(QB2)를 항상 온 시킴으로써 부가적인 로스(loss)를 최소화할 수 있다.
따라서 본 실시예에 의한 PSFB는 듀티 비(duty ratio)를 상대적으로 크게 설계하는 것이 가능하다.
이상 도면과 명세서에서 최적 실시예들이 개시되었다. 본 발명의 일 실시형태에 따르면, 메인 컨버터로 위상 천이 DC/DC 풀-브리지 컨버터(PSFC: Phase Shift Full-Bridge Converter)를, 보조 컨버터로 부스트 컨버터를 설명하고 있으나, 이는 예시에 불과하며, 메인 컨버터와 보조 컨버터는 이 외에도 다양한 형태의 DC/DC 컨버터가 사용될 수 있음에 유의하여야 한다. 또한, 명세서에는 특정한 용어들이 사용되었으나, 이는 단지 본 발명을 설명하기 위한 목적에서 사용된 것이지 의미 한정이나 특허청구범위에 기재된 본 발명의 범위를 제한하기 위하여 사용된 것은 아니다. 그러므로 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 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.
100 : 메인 컨버터
110 : 보조 컨버터

Claims (10)

  1. 부하에 메인 전원을 공급하는 메인 컨버터; 및
    상기 메인 컨버터에 연결되어 출력 손실을 저감하는 보조 컨버터;를 포함하며,
    상기 보조 컨버터는 상기 메인 컨버터로부터의 메인 전원을 스위칭하는 둘의 보조 스위칭 소자를 구비하고,
    사전에 설정된 노미널(nominal) 모드에서는 상기 보조 컨버터의 둘의 보조 스위칭 소자 중 하나의 보조 스위칭 소자가 턴 온 동작하고, 사전에 설정된 홀드-업(hold up) 모드에서는 둘의 보조 스위칭 소자가 소정 주기로 번갈아 턴 온 및 턴 오프 동작하는 전원 공급 장치.
  2. 제1 항에 있어서, 상기 메인 컨버터는,
    트랜스포머의 1차 권선을 포함하는 1차측 회로; 및
    상기 트랜스포머의 1차 권선과 자기적으로 결합된 2차 권선을 포함하는 2차측 회로를 포함하는 전원 공급 장치.
  3. 제2 항에 있어서, 상기 메인 컨버터의 1차측 회로는,
    직렬 연결된 제1 스위칭 소자 및 제2 스위칭 소자의 양단이 전원 입력단의 양단에 연결되고, 직렬 연결된 제3 스위칭 소자 및 제4 스위칭 소자의 양단이 상기 전원 입력단의 양단에 병렬 연결된 스위칭 모듈을 포함하며,
    상기 트랜스포머의 1차 권선은 상기 제1 스위칭 소자와 상기 제2 스위칭 소자간 연결 부위인 제1 노드와 상기 제3 스위칭 소자와 상기 제4 스위칭 소자간 연결 부위인 제2 노드 사이에 연결되는 전원 공급 장치.
  4. 제3 항에 있어서, 상기 메인 컨버터의 2차측 회로는,
    상기 트랜스포머의 2차 권선과 직렬 연결되어 상기 트랜스포머의 2차 권선으로 흐르는 전류를 제어하는 스위칭 소자를 포함하는 전원 공급 장치.
  5. 제3 항에 있어서, 상기 보조 컨버터는,
    상기 2차측 회로에 연결된 인덕터 소자;
    상기 인덕터 소자의 에너지 축적 경로를 제공하는 제1 보조 스위칭 소자; 및
    상기 인덕터 소자에 축적된 에너지의 전달 경로를 제공하는 제2 보조 스위칭 소자를 포함하는 전원 공급 장치.
  6. 제5 항에 있어서, 상기 제1 보조 스위칭 소자는,
    상기 제3 스위칭 소자가 턴온 되는 시점에 턴온 되며,
    상기 제3 스위칭 소자가 턴온을 유지하는 기간 중에 턴오프되는 전원 공급 장치.
  7. 제6 항에 있어서, 상기 제2 보조 스위칭 소자는,
    상기 제1 보조 스위칭 소자가 턴오프 된 후 소정 기간 이후에 턴온 되며,
    상기 제3 스위칭 소자가 턴 오프되는 시점에 턴오프되는 전원 공급 장치.
  8. 제5 항에 있어서, 상기 제1 보조 스위칭 소자는,
    상기 제4 스위칭 소자가 턴온 되는 시점에 턴온 되며,
    상기 제4 스위칭 소자가 턴온을 유지하는 기간 중에 턴오프되는 전원 공급 장치.
  9. 제8 항에 있어서, 상기 제2 보조 스위칭 소자는,
    상기 제1 보조 스위칭 소자가 턴오프 된 후 소정 기간 이후에 턴온 되며,
    상기 제4 스위칭 소자가 턴 오프되는 시점에 턴오프되는 전원 공급 장치.
  10. 전원 입력단에 연결된 1차측 회로와, 상기 1차측 회로와 자기적으로 결합된 2차측 회로를 통해 메인 전원을 공급하는 메인 컨버터; 및
    상기 2차측 회로에서 공급된 에너지를 축적하고, 상기 축적된 에너지의 전달 경로를 제공하는 보조 컨버터를 포함하고,
    상기 보조 컨버터는 상기 메인 컨버터로부터의 메인 전원을 스위칭하는 둘의 보조 스위칭 소자를 구비하며,
    사전에 설정된 노미널(nominal) 모드에서는 상기 보조 컨버터의 둘의 보조 스위칭 소자 중 하나의 보조 스위칭 소자가 턴 온 동작하고, 사전에 설정된 홀드-업(hold up) 모드에서는 둘의 보조 스위칭 소자가 소정 주기로 번갈아 턴 온 및 턴 오프 동작하는 전원 공급 장치.
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