KR101519490B1 - 스위칭 셀을 포함하는 풀 브릿지 컨버터 및 이를 이용하는 전자 장치 - Google Patents

스위칭 셀을 포함하는 풀 브릿지 컨버터 및 이를 이용하는 전자 장치 Download PDF

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김흥근
차헌녕
전태원
노의철
김상훈
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경북대학교 산학협력단
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Abstract

풀 브릿지 컨버터가 개시된다. 본 컨버터는, 트랜스포머, 전압원에 대해 병렬적으로 연결된 제1 및 제2 스위칭부, 트랜스포머의 1차 권선의 제1 단과 제1 스위칭부 사이를 연결하는 제1 결합 인덕터 및 트랜스포머의 1차 권선의 제2 단과 제2 스위칭부 사이를 연결하는 제2 결합 인덕터를 포함한다. 여기서, 제1 및 제2 결합 인덕터는 제1 및 제2 스위칭부의 스위칭 상태에 따라 1차 권선에 상이한 크기의 전압을 인가한다.

Description

스위칭 셀을 포함하는 풀 브릿지 컨버터 및 이를 이용하는 전자 장치{ FULL BRIDGE CONVERTER COMPRISING SWITCHING CELLS AND ELECTRONIC DEVICE USING THE FULL BRIDGE CONVERTER }
본 발명은 풀 브릿지 컨버터 및 이를 이용하는 전자 장치에 대한 것으로, 보다 상세하게는 스위칭 셀을 포함하는 풀 브릿지 컨버터와 이를 이용하여 전압을 변경하여 사용하는 전자 장치에 대한 것이다.
전자 기술의 발달에 힘입어 다양한 유형의 전자 장치들이 개발 및 보급되고 있다. 이러한 전자 장치들은 필수적으로 전원 장치를 이용한다. 오늘 날 전원 장치로는 절연형 DC-DC 컨버터가 많이 사용되고 있다.
구체적으로는, 풀 브릿지 컨버터를 사용하여, 입력 전압을 필요한 크기의 전압으로 변압하는 전자 장치가 많이 사용되고 있다.
풀 브릿지 컨버터는 대용량으로 갈수록 무게와 부피가 커진다. 이에 따라, 변압기가 전체 시스템 내에서 상당 부분을 차지하게 된다는 문제점이 있었다.
도 1은 종래의 일반적인 풀 브릿지 컨버터의 회로 구성을 나타내고, 도 2는 그 풀 브릿지 컨버터를 구동시키기 위한 스위칭 신호의 파형의 일 예를 나타낸다.
도 1에 따르면, 풀 브릿지 컨버터는 복수의 트랜지스터 스위치 및 다이오드들을 포함하는 입력부(10), 입력부(10)에 1차 권선이 연결된 트랜스포머(20), 트랜스포머(20)의 2차 권선에 연결된 출력부(30)를 포함한다.
입력부(10)에 포함된 각 트랜지스터 스위치(S1, S2, S3, S4)는 풀 브릿지 형태로 연결된다. 입력부(10)는 각 트랜지스터 스위치(S1, S2, S3, S4)의 스위칭 상태에 따라 서로 다른 크기의 전압(Vtr)을 트랜스포머(20)의 1차 권선에 인가한다. 트랜스포머(20)는 1차 권선 및 2차 권선 사이의 권선 비에 따라 전압(Vtr)을 변압하여 출력부(30)로 전달한다. 출력부(30)는 트랜스포머(20)의 2차 권선에서 출력된 전압을 정류하여 출력한다.
도 2는 도 1의 회로에서 각 트랜지스터 스위치(S1, S2, S3, S4)를 제어하기 위한 제어 신호(a, b) 및 그에 따라 트랜스포머(20)의 1차 권선에 인가되는 전압(Vtr)의 크기(c)를 나타내는 도면이다. 도 2의 (a) 및 (b)에 도시된 바와 같이, 풀 브릿지 구조에서 서로 대응되는 스위치들(S1 및 S2, S3 및 S4)은 동시에 턴 온 될 수 없다. 이에 따라, S1 및 S4가 함께 턴 온된 구간에는, S2 및 S3은 턴 오프되고, S2 및 S3이 턴온될 때는 S1 및 S4가 턴오프된다.
이와 같이 복수의 스위치가 풀브릿지 형태로 연결된 경우, 노이즈로 인한 스위치의 단락 사고가 발생할 수 있다. 따라서, 턴 온 구간이 일부라도 겹치지 않도록, 전체 스위치가 턴오프되는 사이 구간을 형성할 수 있도록, 각 트랜지스터 스위치들(S1 및 S2, S3 및 S4)을 동시에 턴 오프시킨다. 따라서, 스위칭 주기와, 1차 권선에 인가하는 전압의 주기가 일치하게 된다.
한편, 스위칭 소자의 발달과 전원 장치의 소형화라는 현재의 추세에 따라 고주파 스위칭 기법이 풀 브릿지 컨버터에 많이 적용되고 있다. 이에 따라, 효율적인 고주파 스위칭이 가능한 풀 브릿지 컨버터에 대한 필요성이 대두되었다.
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 스위칭 셀을 이용하여 스위칭 주파수를 증대시킬 수 있는 풀 브릿지 컨버터 및 이를 이용하는 전자 장치를 제공함에 있다.
이상과 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시 예에 따르면, 풀 브릿지 컨버터는, 트랜스포머, 전압원에 대해 병렬적으로 연결된 제1 및 제2 스위칭부, 상기 트랜스포머의 1차 권선의 제1 단과 상기 제1 스위칭부 사이를 연결하는 제1 결합 인덕터 및 상기 트랜스포머의 상기 1차 권선의 제2 단과 상기 제2 스위칭부 사이를 연결하는 제2 결합 인덕터를 포함한다. 여기서, 상기 제1 및 제2 결합 인덕터는 상기 제1 및 제2 스위칭부의 스위칭 상태에 따라 상기 1차 권선에 상이한 크기의 전압을 인가한다.
또한, 상기 제1 스위칭부는, 상기 전압원에 대해 병렬적으로 연결된 제1 및 제2 스위칭 셀을 포함하고, 상기 제2 스위칭 부는, 상기 전압원에 대해 병렬적으로 연결된 제3 및 제4 스위칭 셀을 포함할 수 있다.
여기서, 상기 제1 결합 인덕터는, 상기 제1 및 제2 스위칭 셀 사이에 형성되어, 상기 트랜스포머의 1차 권선의 상기 제1 단과 연결되며, 상기 제2 결합 인덕터는, 상기 제3 및 제4 스위칭 셀 사이에 형성되어, 상기 트랜스포머의 1차 권선의 상기 제2 단과 연결될 수 있다.
여기서, 상기 제1 스위칭 셀은, 상기 전압원에 연결된 제1 트랜지스터 스위치 및 상기 제1 트랜지스터 스위치에 직렬 연결된 제1 다이오드를 포함하고, 상기 제2 스위칭 셀은, 상기 전압원에 연결된 제2 트랜지스터 스위치 및 상기 제2 트랜지스터 스위치에 직렬 연결된 제2 다이오드를 포함하고, 상기 제3 스위칭 셀은, 상기 전압원에 연결된 제3 트랜지스터 스위치 및 상기 제3 트랜지스터 스위치에 직렬 연결된 제3 다이오드를 포함하며, 상기 제4 스위칭 셀은, 상기 전압원에 연결된 제4 트랜지스터 스위치 및 상기 제4 트랜지스터 스위치에 직렬 연결된 제4 다이오드를 포함할 수 있다.
또한, 상기 제1 결합 인덕터는, 상기 제1 트랜지스터 스위치 및 상기 제1 다이오드 사이에 형성되는 제1 노드와, 상기 제2 트랜지스터 스위치 및 상기 제2 다이오드 사이에 형성되는 제2 노드를 결합하여, 상기 제1 단과 연결하고, 상기 제2 결합 인덕터는, 상기 제3 트랜지스터 스위치 및 상기 제3 다이오드 사이에 형성되는 제3 노드와, 상기 제4 트랜지스터 스위치 및 상기 제4 다이오드 사이에 형성되는 제4 노드를 결합하여, 상기 제2 단과 연결할 수 있다.
또한, 상기 제1, 제2 및 제4 트랜지스터 스위치가 턴 오프되고 상기 제3 트랜지스터 스위치가 턴 온되면, 상기 제1 결합 인덕터는 상기 전압원에서 공급되는 입력 전압의 1/2을 상기 제1 단에 인가하고, 상기 제2 결합 인덕터는 상기 입력 전압을 상기 제2 단에 인가하고, 상기 제1 및 제3 트랜지스터 스위치가 턴 온 되고 상기 제2 및 제3 트랜지스터 스위치가 턴 오프되면, 상기 제1 결합 인덕터는 상기 입력 전압을 상기 제1 단에 인가하고, 상기 제2 결합 인덕터는 상기 입력 전압을 상기 제2 단에 인가하며, 상기 제1 트랜지스터 스위치가 턴 온되고, 상기 제2, 제3 및 제4 트랜지스터 스위치가 턴 오프되면, 상기 제1 결합 인덕터는 상기 입력 전압을 상기 제1 단에 인가하고, 상기 제2 결합 인덕터는 상기 입력 전압의 1/2을 상기 제2 단에 인가하며, 상기 제1, 제2 및 제3 트랜지스터 스위치가 턴 온되고, 상기 제4 트랜지스터 스위치가 턴 오프되면, 상기 제1 결합 인덕터는 상기 입력 전압의 1/2을 상기 제1 단에 인가하고, 상기 제2 결합 인덕터는 상기 입력 전압을 상기 제2 단에 인가하며, 상기 제1, 제3 및 제4 트랜지스터 스위치가 턴 온되고, 상기 제2 트랜지스터 스위치가 턴 오프되면, 상기 제1 결합 인덕터는 상기 입력 전압을 상기 제1 단에 인가하고, 상기 제2 결합 인덕터는 상기 입력 전압의 1/2을 상기 제2 단에 인가할 수 있다.
한편, 본 발명의 일 실시 예에 따르면, 전자 장치는, 제1 및 제2 스위칭부를 포함하는 변압부 및 상기 제1 및 제2 스위칭부의 스위칭 상태를 각각 제어하여, 상기 변압부에서 출력되는 출력 전압의 크기를 조정하는 제어부를 포함한다. 여기서, 상기 변압부는, 트랜스포머, 상기 트랜스포머의 1차 권선의 제1 단과 상기 제1 스위칭부 사이를 연결하는 제1 결합 인덕터 및 상기 트랜스포머의 상기 1차 권선의 제2 단과 상기 제2 스위칭부 사이를 연결하는 제2 결합 인덕터를 포함할 수 있다.
이상과 같은 본 발명의 다양한 실시 예에 따르면, 기존의 컨버터에 비해 스위칭 주파수를 증대시킬 수 있다.
도 1은 종래의 풀 브릿지 컨버터의 구성을 나타내는 도면,
도 2는 도 1의 풀 브릿지 컨버터의 동작을 설명하기 위한 도면,
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 풀 브릿지 컨버터의 구성을 나타내는 블럭도,
도 4는 도 3의 풀 브릿지 컨버터의 세부 구성을 설명하기 위한 회로도,
도 5는 도 4의 풀 브릿지 컨버터의 동작을 설명하기 위한 신호 파형도,
도 6 내지 도 10은 다양한 모드에 따른 풀 브릿지 컨버터의 동작을 설명하기 위한 도면,
도 11은 제1 결합 인덕터에 대한 등가 모형을 나타내는 도면,
도 12는 제1 결합 인덕터의 동작 특성을 설명하기 위한 신호 파형도,
도 13은 풀 브릿지 컨버터의 동작을 실험하기 위한 실험 조건의 일 예를 나타내는 도면,
도 14는 도 13의 실험 조건에 따라 실험한 풀 브릿지 컨버터의 동작 특성을 설명하기 위한 신호 파형도, 그리고,
도 15는 본 발명의 일 실시 예에 따른 전자 장치의 구성을 나타내는 블럭도이다.
이하에서, 첨부된 도면을 이용하여 본 발명에 대하여 구체적으로 설명한다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 풀 브릿지 컨버터의 구성을 나타내는 블럭도이다. 도 3에 따르면, 풀 브릿지 컨버터(100)는 스위칭부(110), 제1 결합 인덕터(120), 제2 결합 인덕터(130), 트랜스포머(140), 출력부(150)를 포함한다.
스위칭부(110)는 풀 브릿지 컨버터(100)에서 출력되는 전압을 조정하기 위한 스위칭 동작을 수행하는 부분이다. 스위칭부(110)는 제1 및 제2 스위칭부(111, 112)를 포함한다.
제1 결합 인덕터(120)는 트랜스포머(140)의 1차 권선의 제1 단과, 제1 스위칭부(111)를 연결하고, 제2 결합 인덕터(130)는 트랜스포머(140)의 1차 권선의 제2 단과, 제2 스위칭부(112)를 연결한다.
제1 및 제2 결합 인덕터(120, 130)는 제1 및 제2 스위칭부(111, 112)의 스위칭 상태에 따라 트랜스포머(140)의 1차 권선의 제1 단 및 제2 단에 상이한 크기의 전압을 인가한다.
트랜스포머(140)는 1차 권선의 양단에 인가되는 전위차에 대응되는 출력 전압을 2차 권선을 통해 출력부(150)로 전달한다. 출력부(150)는 트랜스포머(140)의 2차 권선을 통해 전달되는 출력 전압을 정류하여, 출력한다.
도 4는 도 3의 풀 브릿지 컨버터(100)의 세부 구성을 설명하기 위한 회로도이다. 도 4에 따르면, 제1 스위칭부(111) 및 제2 스위칭부(112)는 전압원(Vi)에 대해 병렬적으로 연결된다.
제1 스위칭부(111)는 두 개의 서로 다른 스위칭 셀(410, 420)을 포함한다. 제1 스위칭 셀(410) 및 제2 스위칭 셀(420)은 전압원(Vi)에 대해 병렬적으로 연결된다. 제1 스위칭 셀(410)에는 제1 트랜지스터 스위치(S1)가 포함되고, 제2 스위칭 셀(420)에는 제2 트랜지스터 스위치(S2)가 포함된다. 제1 스위칭 셀(410) 내에서 제1 트랜지스터 스위치(S1)에는 제1 다이오드(D1)가 직렬적으로 연결된다. 제2 스위칭 셀(420) 내에서 제2 트랜지스터 스위치(S2)에는 제2 다이오드(D2)가 직렬적으로 연결된다.
제1 스위칭 셀(410)은 전압원(Vi)의 양극 단자가 제1 트랜지스터 스위치(S1)에 연결된 P 셀을 구성하고, 제2 스위칭 셀(420)은 전압원(Vi)의 음극 단자가 제2 트랜지스터 스위치(S2)에 연결된 N 셀을 구성한다.
제2 스위칭부(112) 역시 두 개의 서로 다른 스위칭 셀(430, 440)을 포함한다. 제3 스위칭 셀(430) 및 제4 스위칭 셀(440)은 전압원(Vi)에 대해 병렬적으로 연결된다. 제3 스위칭 셀(430)에는 제3 트랜지스터 스위치(S3)가 포함되고, 제4 스위칭 셀(440)에는 제4 트랜지스터 스위치(S4)가 포함된다. 제3 스위칭 셀(430) 내에서 제3 트랜지스터 스위치(S3)에는 제3 다이오드(D3)가 직렬적으로 연결된다. 제4 스위칭 셀(440) 내에서 제4 트랜지스터 스위치(S4)에는 제4 다이오드(D4)가 직렬적으로 연결된다.
제3 스위칭 셀(430) 및 제4 스위칭 셀(440) 역시, 제1 및 제2 스위칭 셀(410, 420)과 마찬가지로 각각 P 셀 및 N 셀을 구성한다.
도 4에 도시된 바와 같이 제1 내지 제4 스위칭 셀(410 ~ 440)은 전압원에 대해 병렬적으로 연결된다.
제1 결합 인덕터(120)는 제1 및 제2 스위칭 셀(410, 420) 사이에 형성되어, 트랜스포머(140)의 1차 권선의 제1 단(A노드)과 연결된다. 구체적으로는 제1 결합 인덕터(120)는 제1 트랜지스터 스위치(S1) 및 제1 다이오드(D1) 사이에 형성되는 제1 노드(C 노드)와 제2 트랜지스터 스위치(S2) 및 제2 다이오드(D2) 사이에 형성되는 제2 노드(D 노드)를 결합하여 제1 단(A 노드)과 연결된다.
제2 결합 인덕터(130)는 제3 및 제4 스위칭 셀(430, 440) 사이에 형성되어, 트랜스포머(140)의 1차 권선의 제2 단(B 노드)과 연결된다. 구체적으로는 제2 결합 인덕터(130)는 제3 트랜지스터 스위치(S3) 및 제3 다이오드(D3) 사이에 형성되는 제3 노드(E 노드)와 제4 트랜지스터 스위치(S4) 및 제4 다이오드(D4) 사이에 형성되는 제4 노드(F 노드)를 결합하여 제2 단(B 노드)과 연결된다.
따라서, 트랜스포머(140)의 1차 권선의 양단(A, B) 사이의 전위차는 A, B 노드 각각의 전압의 크기에 따라 결정된다.
도 5는 복수의 트랜지스터 스위치(S1 ~ S4)를 제어하기 위한 제어 신호의 파형과, 그 제어 신호에 의해 회로 내의 각 노드에 인가되는 전압의 크기를 설명하기 위한 도면이다.
먼저, 도 5의 (a), (b), (c), (d)는 각각 제1 내지 제4 트랜지스터 스위치(S1 ~ S4)에 인가되는 제어 신호의 파형을 나타낸다. 각 제어 신호에서 하이 값은 각 트랜지스터 스위치를 턴 온 시킬 수 있는 크기의 전압 값이 되고, 로우 값은 각 트랜지스터 스위치를 턴 온 시킬 수 있는 크기의 전압 값(예를 들어, 0V)이 된다.
각 제어 신호를 비교하면, 제1구간(①)에서는 제1, 제2 및 제4 트랜지스터 스위치(S1, S2, S4)는 턴오프되고, 제3 트랜지스터 스위치(S3)가 턴 온된다. 제2 구간(②), 제4 구간(④), 제6 구간(⑥), 제8 구간(⑧)에서는 제1 및 제3 트랜지스터 스위치(S1, S3)는 턴 온되고, 제2, 4 트랜지스터 스위치(S2, S4)가 턴 오프된다. 제3 구간(③)에서는 제1 트랜지스터 스위치(S1)만 턴 온되고, 제2, 3, 4 트랜지스터 스위치(S2, S3, S4)가 턴 오프된다. 제5 구간(⑤)에서는 제1, 2, 3 트랜지스터 스위치(S1, S2, S3)가 턴 온되고, 제4 트랜지스터 스위치(S4)가 턴 오프된다. 제7 구간(⑦)에서는 제1, 3, 4 트랜지스터 스위치(S1, S3, S4)가 턴 온되고, 제2 트랜지스터 스위치(S2)가 턴 오프된다.
도 5의 (e), (f)는 트랜스포머(140)의 1차 권선의 제1 단(A 노드)에 인가되는 전압(VAN), 트랜스포머(140)의 1차 권선의 제2 단(B 노드)에 인가되는 전압(VBN)을 나타내며, 도 5의 (g)는 트랜스포머(140)의 1차 권선에 인가되는 전압(VAB)을 나타낸다.
도 5의 (e)에 따르면, 제1 결합 인덕터(120)는 제1, 5 구간에서 입력 전압의 1/2를 출력하고, 나머지 구간에서 입력 전압을 그대로 출력하는 것을 알 수 있다. 도 5의 (f)에 따르면, 제2 결합 인덕터(13)는 제3, 7구간에서 입력 전압의 1/2를 출력하고, 나머지 구간에서 입력 전압을 그대로 출력하는 것을 알 수 있다.
이에 따라, 트랜스포머(140)의 1차 권선에 인가되는 전압(VAB)은 제1, 5 구간에서 -Vi/2 값을 가지고, 제3, 7 구간에서 Vi/2 값을 가지며, 나머지 구간에서 0 V 값을 가지는 3가지 레벨로 조정될 수 있다. 도 5의 (g)는 트랜스포머(140)의 1차 권선에 인가되는 전압값(VAB)을 나타내고, 도 5의 (h)는 트랜스포머(140)의 1차 권선으로 유입되는 전류(itr)의 변화 파형을 나타낸다.
트랜스포머(140)는 1차 권선에 인가된 전압을 권선비(1:n)에 따라 변압한다. 이에 따라, 트랜스포머(140)의 2차 권선에는 n배 변화된 전압이 출력된다. 출력 전압은 출력부(150) 내의 LC 필터에 의해 정류된다.
도 5의 (i)는 정류된 전압값(Vrec)을 나타낸다.
도 5의 (i)에서 D는 Ton/Ts' 값을 나타낸다. 여기서, Ton 은 Vrec이 nVi/2 값을 가지는 구간, Ts'는 Vrec의 한 주기(Ts/4)를 나타낸다. 따라서, Ton 구간의 시간은 DTs/4이다. 도 5의 (i)에 따르면, 정류된 전압값(Vrec)은 스위칭부를 제어하기 위한 제어 신호의 1주기(Ts)에 비해 1/4 주기(Ts/4)를 가짐을 알 수 있다. 즉, 본 풀 브릿지 컨버터(100)에 따르면, Vref에 인가되는 주파수는 스위칭 주파수의 4배의 주파수가 된다. 따라서, 출력 전류 리플은 1:1의 권선비인 경우, 기존의 컨버터에 비해 1/4배로 줄어든다. 또한, 출력단에 인가되는 주파수는 기존의 컨버터에 인가되는 주파수와 비교하면 2배가 된다. 이에 따라, 출력단에서 시스템 대역폭이 넓어져서, 부하의 갑작스러운 변화에 대해서도 빠르게 반응할 수 있다.
이하에서는, 풀 브릿지 컨버터의 동작을 각 구간 별로 구체적으로 설명한다.
도 6은 제1 모드에 따른 풀 브릿지 컨버터의 동작을 나타내는 도면이다. 제1 모드란 상술한 제1 구간(①)에 해당하는 제어 신호들이 제1 내지 제4 트랜지스터 스위치(S1 ~ S4)로 인가되는 상태를 나타낸다.
이 경우, 제1 스위칭부(111) 내에서 제1 및 제2 트랜지스터 스위치(S1, S2)는 각각 턴 오프되고, 제2 스위칭부(112) 내에서 제3 다이오드(D3) 및 제4 트랜지스터 스위치(S4)가 턴 오프된다. 이에 따라, 트랜스포머(140)의 1차 권선의 제1 단(A노드)에 입력 전압(Vi)의 1/2이 인가되고, 트랜스포머(140)의 1차 권선의 제2 단(B노드)에 입력 전압(Vi)가 인가된다. 결과적으로, 1차 권선에는 -Vi/2의 전압이 인가된다.
출력부(150) 내에서는 전압 극성에 따라 제5 및 제8 다이오드(D5 및 D8)가 턴오프되고, 제6 및 제7 다이오드(D6 및 D7)가 턴온되어, LC 필터단에 Vrec가 인가된다. 도 5에서 설명한 바와 같이, Vrec는 nVi/2의 크기를 가진다.
도 7은 제2 모드에 따른 풀 브릿지 컨버터의 동작을 나타내는 도면이다. 제2 모드란 상술한 제2, 4, 6, 8 구간(②, ④, ⑥, ⑧)에 해당하는 제어 신호들이 제1 내지 제4 트랜지스터 스위치(S1 ~ S4)로 인가되는 상태를 나타낸다.
이 경우, 제1 및 제3 트랜지스터 스위치(S1, S3)는 각각 턴 온되고, 제2 및 제4 트랜지스터 스위치(S2 및 S4)가 턴 오프된다. 또한, 제1 및 제3 다이오드(D1 및 D3)도 턴 오프된다. 이에 따라, 트랜스포머(140)의 1차 권선 양단에는 입력 전압(Vi)이 그대로 인가된다. 결과적으로, 1차 권선에는 0 V의 전압이 인가되며, Vrec 또한 0 V 이 된다.
도 8은 제3 모드에 따른 풀 브릿지 컨버터의 동작을 나타내는 도면이다. 제3 모드란 상술한 제3 구간(③)에 해당하는 제어 신호들이 제1 내지 제4 트랜지스터 스위치(S1 ~ S4)로 인가되는 상태를 나타낸다.
이 경우, 제1 트랜지스터 스위치(S1)만 턴 온되고, 제2, 3, 4 트랜지스터 스위치(S2, S3, S4)가 턴 오프된다. 또한, 제1 및 제3 다이오드(D1, D3)도 턴오프된다. 이에 따라, 트랜스포머(140)의 1차 권선의 제1 단(A노드)에 입력 전압(Vi)가 그대로 인가되고, 트랜스포머(140)의 1차 권선의 제2 단(B노드)에 입력 전압(Vi)의 1/2이 인가된다. 결과적으로, 1차 권선에는 Vi/2의 전압이 인가된다.
출력부(150) 내에서는 전압 극성에 따라 제6 및 제7 다이오드(D6 및 D7)가 턴오프되고, 제5 및 제8 다이오드(D5 및 D8)가 턴온 되어, LC 필터단에 Vrec가 인가된다. 도 5에서 설명한 바와 같이, Vrec는 nVi/2의 크기를 가진다.
도 9는 제4 모드에 따른 풀 브릿지 컨버터의 동작을 나타내는 도면이다. 제4 모드란 상술한 제5 구간(⑤)에 해당하는 제어 신호들이 제1 내지 제4 트랜지스터 스위치(S1 ~ S4)로 인가되는 상태를 나타낸다.
이 경우, 제1, 2, 3 트랜지스터 스위치(S1, S2, S3)가 턴 온되고, 제4 트랜지스터 스위치(S4)가 턴 오프된다. 또한, 제1 내지 제3 다이오드(D1, D2, D3)도 턴오프된다. 이에 따라, 트랜스포머(140)의 1차 권선의 제1 단(A노드)에 입력 전압(Vi)의 1/2이 인가되고, 트랜스포머(140)의 1차 권선의 제2 단(B노드)에 입력 전압(Vi)이 인가된다. 결과적으로, 1차 권선에는 -Vi/2의 전압이 인가된다.
출력부(150) 내에서는 전압 극성에 따라 제6 및 제7 다이오드(D6 및 D7)가 턴온되고, 제5 및 제8 다이오드(D5 및 D8)가 턴 오프 되어, LC 필터단에 Vrec가 인가된다. 도 5에서 설명한 바와 같이, Vrec는 nVi/2의 크기를 가진다.
도 10은 제5 모드에 따른 풀 브릿지 컨버터의 동작을 나타내는 도면이다. 제5 모드란 상술한 제7 구간(⑦)에 해당하는 제어 신호들이 제1 내지 제4 트랜지스터 스위치(S1 ~ S4)로 인가되는 상태를 나타낸다.
이 경우, 제1, 3, 4 트랜지스터 스위치(S1, S3, S4)가 턴 온되고, 제2 트랜지스터 스위치(S2)가 턴 오프된다. 또한, 제1, 3, 4 다이오드(D1, D2, D3)도 턴오프된다. 이에 따라, 트랜스포머(140)의 1차 권선의 제1 단(A노드)에 입력 전압(Vi)이 그대로 인가되고, 트랜스포머(140)의 1차 권선의 제2 단(B노드)에 입력 전압(Vi)의 1/2이 인가된다. 결과적으로, 1차 권선에는 Vi/2의 전압이 인가된다.
출력부(150) 내에서는 전압 극성에 따라 제6 및 제7 다이오드(D6 및 D7)가 턴 오프되고, 제5 및 제8 다이오드(D5 및 D8)가 턴 온 되어, LC 필터단에 Vrec가 인가된다. 도 5에서 설명한 바와 같이, Vrec는 nVi/2의 크기를 가진다.
이상과 같이, 도 5에 도시된 바와 같은 제어 신호(a, b, c, d)가 한 주기(Ts)가 입력된다면, 풀 브릿지 컨버터(100)는 제1 모드, 제2 모드, 제3 모드, 제2 모드, 제4 모드, 제2 모드, 제5 모드, 제2 모드와 같이 순차적으로 상이한 모드로 변경되면서 동작한다. 이에 따라, 출력부(150)에서 출력되는 전압의 크기도 다양하게 변경될 수 있다.
한편, 상술한 제1 및 제2 결합 인덕터(120, 130)는 서로 다른 크기의 인덕턴스를 가지는 코일들이 결합된 형태가 될 수 있다. 가령, 제1 결합 인덕터(120)가 L1 및 L2 인덕터가 결합된 형태라고 가정하면, 제1 결합 인덕터(120)는 도 11과 같은 등가 모델로 표현될 수 있다.
도 11에 따르면, 제1 결합 인덕터(120)는 제1 스위칭 셀(410) 및 제1 단(A 단)사이를 연결하는 제1 인덕터(L1)와, 제2 스위칭 셀(420) 및 제1 단(A 단)사이를 연결하는 제2 인덕터(L2) 및 그 사이를 연결하는 인덕터(Lt)로 모델링될 수 있다. 제1 인덕터(L1)로 유입되는 전류를 iL1, 제2 인덕터(L2)로 유입되는 전류를 iL2, 인덕터(L2)를 흐르는 전류를 icm이라고 하면, icm, iL1, iL2는 각각 다음과 같은 수식으로 표현될 수 있다.
Figure 112013114304584-pat00001
Figure 112013114304584-pat00002
Figure 112013114304584-pat00003
여기서, iL1, iL2는 각각 0이상이며, icm은 itr/2 이상이다.
도 12는 제1 스위칭부(111)의 스위칭 상태에 따른 컨버터의 전류 파형의 변화를 설명하기 위한 도면이다. 도 12의 (a)는 인덕터(Lt)에 인가되는 전압, 즉, 도 4의 회로에서 C 노드 및 D 노드 사이의 전위차를 나타낸다. 도 12의 (a)에 따르면, 제1 및 제2 트랜지스터 스위치(S1, S2)가 오프되는 제1 구간에서는 C 노드 및 D 노드 사이에는 -Vi의 전압이 인가된다. 제1 및 제2 트랜지스터 스위치(S1, S2)가 모두 턴온되는 제5 구간에서는 C 노드 및 D 노드 사이에는 Vi의 전압이 인가된다.
도 12의 (b)는 인덕터(Lt)를 흐르는 전류 icm의 크기를 나타낸다. 도 12의 (b)에 따르면, icm은 제2, 3, 4구간에서는 로우값으로 고정되고, 제6, 7, 8 구간에서는 하이 값으로 고정된다. icm은 제1, 5구간에서는 로우값 또는 하이값으로 변화된다. 로우 값은 itr의 피크치 절대값의 1/2이 된다. 하이 값은 로우 값에 대해 Δicm을 더한 값이 된다.
도 12의 (c)는 itr의 변화 파형, 도 12의 (d)는 iL1의 변화 파형, 도 12의 (e)는 출력부(150) 내의 인덕터(Lf)를 흐르는 전류 iLf의 변화 파형을 나타낸다.
icm, iLf의 변화값은 다음과 같은 수식으로 표현될 수 있다.
Figure 112013114304584-pat00004
Figure 112013114304584-pat00005
상기 수식에서 D는 Ton/Ts'를 나타낸다. 이 경우, 전압 이득 Vo/Vi = nD/2가 될 수 있다. n은 1차, 2차 권선의 권선비를 나타낸다.
권선비가 1:1인 경우, 기존 컨버터에서의 iLf 변화량과, 본 컨버터에서의 iLf 변화량의 비는 1:4가 된다.
도 12와 같은 전류 파형을 고려하면, 풀 브릿지 컨버터를 용이하게 설계할 수 있다.
도 13은 본 컨버터의 동작 특성을 판단하기 위하여 실험 조건의 일 예를 나타낸다. 도 13에 따르면, 제1 결합 인덕터(120) 내의 L1, L2는 각각 217μH이고, 출력부(150) 내의 인덕터(Lf)는 214μH, 커패시터(Cf)의 커패시턴스는 470μF, 저항은 5Ω, D는 0.8, Vi는 150V이며, 스위칭 주파수 fsw는 20kHz가 된다.
도 14는 도 13과 같은 조건으로 실험한 제1 결합 인덕터의 동작 특성을 나타내는 도면이다. 도 14의 (a)는 트랜스포머(140)의 제1 단에 인가되는 전압 VAN의 크기를 나타내는 파형, 도 14의 (b)는 트랜스포머(140)의 1차 권선에 인가되는 전압 VAB의 크기를 나타내는 파형이다. 도 14의 (c)는 제1 결합 인덕터(120) 내의 제1 인덕터(L1)으로 유입되는 전류 iL1의 파형, 도 14의 (d)는 itr의 파형을 나타낸다.
이상 설명한 바와 같이, 풀 브릿지 컨버터는 복수의 결합 인덕터를 이용하여, 종래의 컨버터에 비해 2배의 크기를 가지는 주파수 신호로 구동될 수 있으며, 전압 크기는 줄어들게 되므로 변압기의 크기를 줄일 수 있다. 이에 따라, 기존 컨버터에 비해 필터의 부피를 줄일 수 있다. 또한, 암 쇼트, 암 오픈 등의 상황이 발생하더라도 문제없이 동작할 수 있어, 시스템 신뢰성이 향상될 수 있다.
이상과 같은 풀 브릿지 컨버터는 다양한 전자 제품에 적용될 수 있다.
도 15는 본 발명의 일 실시 예에 따른 전자 장치의 구성을 나타내는 블럭도이다. 도 15에 따르면, 전자 장치(1500)는 변압부(100) 및 제어부(200)를 포함한다. 변압부(100)는 도 3 또는 도 4에서 설명한 바와 같은 풀 브릿지 컨버터로 구현될 수 있다. 변압부(100)에서 출력되는 전압은 전자 장치(1500) 내의 각 구성요소들로 제공될 수 있다.
구체적으로는, 전자 장치(1500)가 텔레비젼인 경우, 전자 장치(1500) 내에는 튜너, 비디오 프로세서, 오디오 프로세서, 디스플레이 패널, 백라이트 유닛 등과 같은 다양한 구성요소들이 포함될 수 있다. 이러한 구성요소들에서 소요되는 전압의 크기는 다양할 수 있다. 또는, 전자 장치(1500)가 PC인 경우, 냉각 팬, 메인 보드, 하드디스크 등과 같은 다양한 구성요소들이 포함될 수 있다. 이러한 구성요소들은 전자 장치(1500)의 종류에 따라 다양하게 변경될 수 있으며, 본 발명의 사상과는 직접적인 관련성이 없으므로, 이에 대한 도시 및 설명은 생략한다.
제어부(200)는 변압부(100) 내의 제1 및 제2 스위칭부의 스위칭 상태를 각각 제어하여, 변압부(100)에서 출력되는 출력 전압의 크기를 조정할 수 있다. 이에 따라, 전자 장치(1500)내의 다양한 구성요소들에 대해 다양한 전압을 제공할 수 있다.
상술한 바와 같이, 변압부(100) 내에는 제1 내지 제4 트랜지스터 스위치가 마련될 수 있으며, 제어부(200)는 제1 내지 제4 트랜지스터 스위치에 대해 다양한 제어 신호를 인가하여, 스위칭 상태를 제어할 수 있다. 구체적으로는, 제어부(200)는 도 5 내지 도 10에서 설명한 바와 같이, 다양한 모드로 동작할 수 있다. 각 모드 별 동작에 대해서는 상술한 부분에서 구체적으로 설명한 바 있으므로, 중복 설명은 생략한다.
상술한 바와 같이 풀 브릿지 컨버터의 크기가 줄어들게 되면, 이를 이용한 전자 장치도 소형으로 구현할 수 있고, 에너비 효율도 올라가므로, 제조 비용 및 사용에 훨씬 더 유리하게 작용할 수 있다.
이상에서는 본 발명의 바람직한 실시 예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시 예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에 의해 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되면 안 될 것이다.
111 : 제1 스위칭부 112 : 제2 스위칭부
120 : 제1 결합 인덕터 130 : 제2 결합 인덕터
140 : 트랜스포머 150 : 출력부

Claims (6)

  1. 풀 브릿지 컨버터에 있어서,
    트랜스포머;
    전압원에 대해 병렬적으로 연결된 제1 및 제2 스위칭부;
    상기 트랜스포머의 1차 권선의 제1 단과 상기 제1 스위칭부 사이를 연결하는 제1 결합 인덕터; 및
    상기 트랜스포머의 상기 1차 권선의 제2 단과 상기 제2 스위칭부 사이를 연결하는 제2 결합 인덕터;를 포함하며,
    상기 제1 및 제2 결합 인덕터는 상기 제1 및 제2 스위칭부의 스위칭 상태에 따라 상기 1차 권선에 상이한 크기의 전압을 인가하고,
    상기 제1 스위칭부는,
    상기 전압원에 대해 병렬적으로 연결된 제1 및 제2 스위칭 셀을 포함하고,
    상기 제2 스위칭 부는,
    상기 전압원에 대해 병렬적으로 연결된 제3 및 제4 스위칭 셀을 포함하며,
    상기 제1 결합 인덕터는,
    상기 제1 및 제2 스위칭 셀 사이에 형성되어, 상기 트랜스포머의 1차 권선의 상기 제1 단과 연결되며,
    상기 제2 결합 인덕터는,
    상기 제3 및 제4 스위칭 셀 사이에 형성되어, 상기 트랜스포머의 1차 권선의 상기 제2 단과 연결되며,
    상기 제1 스위칭 셀은,
    상기 전압원에 연결되는 제1 트랜지스터 스위치; 및
    상기 제1 트랜지스터 스위치에 직렬 연결된 제1 다이오드;를 포함하고,
    상기 제2 스위칭 셀은,
    상기 전압원에 연결되는 제2 트랜지스터 스위치; 및
    상기 제2 트랜지스터 스위치에 직렬 연결된 제2 다이오드;를 포함하고,
    상기 제3 스위칭 셀은,
    상기 전압원에 연결되는 제3 트랜지스터 스위치; 및
    상기 제3 트랜지스터 스위치에 직렬 연결된 제3 다이오드;를 포함하고,
    상기 제4 스위칭 셀은,
    상기 전압원에 연결되는 제4 트랜지스터 스위치; 및
    상기 제4 트랜지스터 스위치에 직렬 연결된 제4 다이오드;를 포함하며,
    상기 제1, 제2 및 제4 트랜지스터 스위치가 턴 오프되고 상기 제3 트랜지스터 스위치가 턴 온되면, 상기 제1 결합 인덕터는 상기 전압원에서 공급되는 입력 전압의 1/2을 상기 제1 단에 인가하고, 상기 제2 결합 인덕터는 상기 입력 전압을 상기 제2 단에 인가하고,
    상기 제1 및 제3 트랜지스터 스위치가 턴 온 되고 상기 제2 및 제3 트랜지스터 스위치가 턴 오프되면, 상기 제1 결합 인덕터는 상기 입력 전압을 상기 제1 단에 인가하고, 상기 제2 결합 인덕터는 상기 입력 전압을 상기 제2 단에 인가하며,
    상기 제1 트랜지스터 스위치가 턴 온되고, 상기 제2, 제3 및 제4 트랜지스터 스위치가 턴 오프되면, 상기 제1 결합 인덕터는 상기 입력 전압을 상기 제1 단에 인가하고, 상기 제2 결합 인덕터는 상기 입력 전압의 1/2을 상기 제2 단에 인가하며,
    상기 제1, 제2 및 제3 트랜지스터 스위치가 턴 온되고, 상기 제4 트랜지스터 스위치가 턴 오프되면, 상기 제1 결합 인덕터는 상기 입력 전압의 1/2을 상기 제1 단에 인가하고, 상기 제2 결합 인덕터는 상기 입력 전압을 상기 제2 단에 인가하며,
    상기 제1, 제3 및 제4 트랜지스터 스위치가 턴 온되고, 상기 제2 트랜지스터 스위치가 턴 오프되면, 상기 제1 결합 인덕터는 상기 입력 전압을 상기 제1 단에 인가하고, 상기 제2 결합 인덕터는 상기 입력 전압의 1/2을 상기 제2 단에 인가하는 것을 특징으로 하는 풀 브릿지 컨버터.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제1 결합 인덕터는,
    상기 제1 트랜지스터 스위치 및 상기 제1 다이오드 사이에 형성되는 제1 노드와, 상기 제2 트랜지스터 스위치 및 상기 제2 다이오드 사이에 형성되는 제2 노드를 결합하여, 상기 제1 단과 연결하고,
    상기 제2 결합 인덕터는,
    상기 제3 트랜지스터 스위치 및 상기 제3 다이오드 사이에 형성되는 제3 노드와, 상기 제4 트랜지스터 스위치 및 상기 제4 다이오드 사이에 형성되는 제4 노드를 결합하여, 상기 제2 단과 연결하는 것을 특징으로 하는 풀 브릿지 컨버터.
  5. 삭제
  6. 전자 장치에 있어서,
    제1 및 제2 스위칭부를 포함하는 변압부; 및
    상기 제1 및 제2 스위칭부의 스위칭 상태를 각각 제어하여, 상기 변압부에서 출력되는 출력 전압의 크기를 조정하는 제어부;를 포함하며,
    상기 변압부는,
    트랜스포머;
    상기 트랜스포머의 1차 권선의 제1 단과 상기 제1 스위칭부 사이를 연결하는 제1 결합 인덕터; 및
    상기 트랜스포머의 상기 1차 권선의 제2 단과 상기 제2 스위칭부 사이를 연결하는 제2 결합 인덕터;를 포함하고,
    상기 제1 스위칭부는,
    전압원에 대해 병렬적으로 연결된 제1 및 제2 스위칭 셀을 포함하고,
    상기 제2 스위칭부는,
    전압원에 대해 병렬적으로 연결된 제3 및 제4 스위칭 셀을 포함하며,
    상기 제1 결합 인덕터는,
    상기 제1 및 제2 스위칭 셀 사이에 형성되어, 상기 트랜스포머의 1차 권선의 상기 제1 단과 연결되며,
    상기 제2 결합 인덕터는,
    상기 제3 및 제4 스위칭 셀 사이에 형성되어, 상기 트랜스포머의 1차 권선의 상기 제2 단과 연결되며,
    상기 제1 스위칭 셀은,
    상기 전압원에 연결되는 제1 트랜지스터 스위치; 및
    상기 제1 트랜지스터 스위치에 직렬 연결된 제1 다이오드;를 포함하고,
    상기 제2 스위칭 셀은,
    상기 전압원에 연결되는 제2 트랜지스터 스위치; 및
    상기 제2 트랜지스터 스위치에 직렬 연결된 제2 다이오드;를 포함하고,
    상기 제3 스위칭 셀은,
    상기 전압원에 연결되는 제3 트랜지스터 스위치; 및
    상기 제3 트랜지스터 스위치에 직렬 연결된 제3 다이오드;를 포함하고,
    상기 제4 스위칭 셀은,
    상기 전압원에 연결되는 제4 트랜지스터 스위치; 및
    상기 제4 트랜지스터 스위치에 직렬 연결된 제4 다이오드;를 포함하며,
    상기 제1, 제2 및 제4 트랜지스터 스위치가 턴 오프되고 상기 제3 트랜지스터 스위치가 턴 온되면, 상기 제1 결합 인덕터는 상기 전압원에서 공급되는 입력 전압의 1/2을 상기 제1 단에 인가하고, 상기 제2 결합 인덕터는 상기 입력 전압을 상기 제2 단에 인가하고,
    상기 제1 및 제3 트랜지스터 스위치가 턴 온 되고 상기 제2 및 제3 트랜지스터 스위치가 턴 오프되면, 상기 제1 결합 인덕터는 상기 입력 전압을 상기 제1 단에 인가하고, 상기 제2 결합 인덕터는 상기 입력 전압을 상기 제2 단에 인가하며,
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Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6504739B2 (en) * 2001-05-18 2003-01-07 Astec International Limited Simple control circuit for synchronous rectifiers used in ZVS phase shifted full bridge converter
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Title
IEEE 논문(제목: A Dual Bridge High Current DC-to-DC Converter with Soft Switching Capability), 논문발표 1997년 10월 5~9일 *
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