KR102098223B1 - 다중 출력 직류/직류 컨버터 및 다중 출력 직류/직류 컨버터를 포함하는 전원 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명에 따른 실시예는 서지 전압 흡수부와 에너지 변환부를 구비하여 스위치 소자가 안정적인 범위 내에서 동작할 수 있도록 하고, 서지 전압에 따른 에너지를 또 다른 컨버터의 에너지 원으로 사용하여 전력 효율을 향상시킬 수 있는 다중 출력 DC/DC 컨버터 및 이를 포함하는 전원 장치를 제공하는 것으로서, 1차측에 제1 스위치를 구비하고 2차측으로 제1 전압을 출력하는 트랜스포머와 상기 트랜스포머의 1차측에 연결되고, 상기 트랜스포머의 누설 인덕턴스에 의한 상기 제1 스위치에 형성되는 서지(Surge) 전압을 흡수하는 제1 서지 흡수부를 포함하는 컨버터 및 상기 제1 서지 흡수부로부터 에너지를 공급받아 제2 전압을 출력하는 제1 에너지 변환부를 구비한 다중 출력 DC/DC 컨버터와 이를 포함하는 전원 장치를 제공한다.

Description

다중 출력 직류/직류 컨버터 및 다중 출력 직류/직류 컨버터를 포함하는 전원 장치{MULTIPLE OUTPUT DC/DC CONVERTER AND POWER SUPPLY HAVING THE SAME}

본 발명은 다중 출력 직류/직류 컨버터 및 다중 출력 직류/직류 컨버터를 포함하는 전원 장치에 관한 것이다.

상대적으로 높은 전압을 요구하는 전자회로에 에너지를 공급하기 위하여, 계통에 연계하여 응용 분야에 사용하기 위해서는 높은 전압으로 승압해 주어야 한다. 뿐만 아니라 전자회로에 따라서는 높은 전압을 이용하여 낮은 전압으로 강압해 줄 필요도 있다. 이를 위한 다양한 강압형 및 승압형 컨버터 중의 하나로 DC/DC 컨버터(converter)에 대한 모델링 및 분석이 연구되었다.

DC/DC 컨버터(converter)는 크게 절연형과 비절연형으로 나눌 있다.

절연형은 입력단과 출력단의 절연, 즉 자성 코어를 이용한 변압기로 전열을 하여 안정성을 확보할 수 있는 장점이 있고, 권선비 조절을 통해 승-감압비를 조절할 수 있다.

그 종류로는 벅 타입(Buck type)은 포워드(forward), 하프 브릿지(half bridge), 풀브리지(full bridge) 컨버터 등이 있고, 벅-부스트 타입(Buck-boost type)은 플라이백 컨버터(flyback converter) 등이 있다.

특히 플라이백 컨버터는 고압의 스위칭 소자가 하나만 있으면 동작하므로 구조가 간단하여 저가로 컨버터를 구현할 수 있다.

도 1은 DC/DC 컨버터를 포함하는 일반적인 전원회로를 소개하고 있다.

전원 회로(10)의 DC/DC 컨버터(20)는 AC 전원을 정류기(미도시)를 통해 전파 정류하여 DC 전원을 생성하고 그 DC 전원을 입력 전원(Vi)으로 인가 받을 수 있다.

전파 정류된 신호를 필터를 통해 DC로 바꾸어 사용하는 경우도 있고, 역률을 개선하는 별도의 회로를 구비하는 경우도 있다.

DC/DC 컨버터(20)는 하나 이상의 스위치 소자를 포함할 수 있고, 스위치 소자의 스위칭 방법에 따라서 2차측의 출력 전압을 원하는 값으로 결정할 수 있다.

제어부(controller, 30)는 2차측에 원하는 출력 전압(Vo)을 출력하기 위하여 스위치의 온/오프 동작을 제어하는 역할을 한다.

상기 제어부(30)는 PWM 제어부와 구동부 등으로 구성될 수 있다.

일반적인 경우, 전원 장치(10)에는 2차측 출력 전압(Vo)을 제어하기 위하여 2차측 전류 또는 2차측 전압이나 2차측 전류와 전압을 감지하여 제어기에 피드백(feedback) 해 주는 전압, 전류 센싱부(40)가 구비된다.

전류를 센싱하는 경우에는 1차측과 2차측이 절연되어야 하는 조건이 있으므로 빛으로 신호를 전달하는 옵토-커플러(optocoupler) 소자를 이용하여 전류를 피드백 해줄 수 있다.

일 예로 상기 DC/DC 컨버터(20)가 플라이백 컨버터인 경우를 살펴본다.

플라이백 컨버터는 스위치가 온(on)되어 있는 구간 동안 트랜스포머의 1차측에 보이는 자화 인덕터(magnetizing inductance)에 에너지를 저장하고, 스위치가 오프(off)되면 자화 인덕터의 에너지를 트랜스포머의 2차 측 LED 부하로 전달하게 된다.

플라이백 컨버터의 스위치가 오프 되었을 때 누설 인덕턴스로 인한 공진 때문에 고압의 스파이크가 발생할 수 있다.

이러한 고압의 스파이크는 스위치의 양단의 전압 상승을 초래하여 스위치의 정격을 초과하는 경우 스위치를 파괴시키는 문제가 발생한다.

이를 해결하고자 플라이백 컨버터에는 RCD 스너버 회로를 구비하여, 누설 인덕턴스에 축적된 에너지를 스너버 회로에서 소비되도록 하여 스위치 피크 전압을 억제할 수 있다.

도 2는 플라이백 컨버터를 나타낸 도면이고, 도 3은 플라이백 컨버터의 스위치 온/오프 동작에 따른 상기 스위치 양단에 걸리는 전압을 나타낸 그래프이다.

도 2 및 도 3을 참조하여, 이를 구체적으로 설명하면, 플라이백 컨버터(20)는 스너버 회로(21)를 포함하고 있다.

Clamping용 RCD 스너버 회로(21)는 저항(R), 커패시터(C) 그리고 다이오드(D)로 구성된다.

플라이백 컨버터(20)의 스위치(S)가 오프될 때, 스너버 회로(21)의 커패시터(C) 양단에 걸리는 전압(Vc)은 2차 권선과 권수비에 의해 발생하는 성분(V1)과 누설 인덕턴스에 축적된 성분(V2)의 합이 되고, 스위치(Q) 양단에는 입력 전압(Vi)과 스너버 회로(21)의 커패시터(C) 양단에 걸리는 전압(Vc)의 합이 걸리게 된다. 그리하여 누설 인덕턴스에 축적된 에너지를 스너버 회로(21)의 커패시터(C)로 이행시켜 저항(R)에서 소비할 수 있다.

이러한 원리를 통하여 스위치 양단에 걸리는 서지(Surge) 전압을 억제할 수 있다.

그러나 이러한 종래의 기술은 스너버 회로(21) 내의 저항(R)에 의하여 누설 인덕턴스의 에너지가 소비되므로 전력 변환 효율이 감소되는 문제가 있었다.

또한 스너버 회로(21)에서는 커패시터(C)에 축적된 에너지를 저항(R)에서 소비하므로 스위치의 스위칭 주파수에 비례해서 저항(R)의 손실이 증가하는 문제가 있었다.

전술한 바와 같이 누설 인덕턴스의 에너지를 소비하기 위한 스너버 회로(21)를 구비한 벅-부스트 타입 중에서 플라이백 컨버터를 중심으로 살펴보았지만 이와 같은 문제는 벅 타입 중 하나인 포워드 컨버터에도 동일하게 발생하였다.

본 발명에 따른 실시예에서는 상기의 문제점을 해결하기 위하여, 서지 흡수부를 구비한 DC/DC 컨버터를 이용함으로써, 스위치 소자의 서지 전압을 억제하는 다중 출력 직류/직류 컨버터 및 다중 출력 직류/직류 컨버터를 포함하는 전원 장치를 제공하려는 목적이 있다.

또한, 서지 흡수에서 저장된 에너지를 변환하여 다중 출력을 제공하는 에너지 변환부를 구비하여 전력 효율을 향상 시키는 다중 출력 직류/직류 컨버터 및 다중 출력 직류/직류 컨버터를 포함하는 전원 장치를 제공하려는 목적도 있다.

본 발명의 실시예에 따른 다중 출력 DC/DC 컨버터는 1차측에 제1 스위치를 구비하고 2차측으로 제1 전압을 출력하는 트랜스포머와 상기 트랜스포머의 1차측에 연결되고, 상기 트랜스포머의 누설 인덕턴스에 의한 상기 제1 스위치에 형성되는 서지(Surge) 전압을 흡수하는 제1 서지 흡수부를 포함하는 컨버터 및 상기 제1 서지 흡수부로부터 에너지를 공급받아 제2 전압을 출력하는 제1 에너지 변환부를 구비한 다중 출력 DC/DC 컨버터.

본 발명의 실시예에 따른 다중 출력 DC/DC 컨버터는 상기 컨버터는 플라이백(Flyback) 컨버터 또는 포워드(Forward) 컨버터 중 하나인 다중 출력 DC/DC 컨버터.

본 발명의 실시예에 따른 다중 출력 DC/DC 컨버터는 상기 제1 에너지 변환부는 플라이백(Fly Back), LLC 공진 컨버터 또는 풀-브릿지(Full-Bridge) 컨버터 중 하나인 다중 출력 DC/DC 컨버터.

본 발명의 실시예에 따른 다중 출력 DC/DC 컨버터는 상기 제1 서지 흡수부는 상기 트랜스포머의 1차측과 연결된 제1 커패시터와 제1 다이오드를 포함하고,

상기 제1 에너지 변환부는 상기 제1 커패시터 양단의 전압을 입력 전압으로 하는 다중 출력 DC/DC 컨버터.

본 발명의 실시예에 따른 다중 출력 DC/DC 컨버터는 상기 컨버터는 플라이백 컨버터이고, 상기 트랜스포머의 2차측에는 제2 다이오드와 제2 커패시터가 연결되는 다중 출력 DC/DC 컨버터.

본 발명의 실시예에 따른 다중 출력 DC/DC 컨버터는 상기 컨버터는 제1 플라이백 컨버터이고, 상기 제1 에너지 변환부는 제2 플라이백 컨버터이고, 상기 제1 플라이백 컨버터의 제1 전압은 n1*Vi/(1-D1)가 되고, 상기 제2 플라이백 컨버터의 출력은 n2*Vc/(1-D2)가 되며, 상기 n1은 상기 제1 플라이백 컨버터의 트랜스포머의 권수비이고, Vi는 입력 전원이며, D1은 제1 스위치를 구동하는 제1 PWM 신호의 듀티비(Duty Ratio)이고, 상기 n2은 상기 제2 플라이백 컨버터의 트랜스포머의 권수비이고, Vc는 상기 제1 커패시터 양단의 전압이며, D2는 상기 제2 플라이백 컨버터의 제2 스위치를 구동하는 제2 PWM 신호의 듀티비인 다중 출력 DC/DC 컨버터.

본 발명의 실시예에 따른 다중 출력 DC/DC 컨버터는 상기 제1 PWM 신호와 상기 제2 PWM 신호는 동일한 신호인 다중 출력 DC/DC 컨버터.

본 발명의 실시예에 따른 다중 출력 DC/DC 컨버터는 상기 제1 및 제2 스위치는 N 채널 증가형 MOSFET인 다중 출력 DC/DC 컨버터.

본 발명의 실시예에 따른 다중 출력 DC/DC 컨버터는 상기 제1 에너지 변환부는 제2 서지 흡수부를 포함하는 다중 출력 DC/DC 컨버터.

본 발명의 실시예에 따른 다중 출력 DC/DC 컨버터는 상기 제2 서지 흡수부에 연결되어, 상기 제2 서지 흡수부에 저장된 에너지를 입력 전원으로하여 제3 전압을 출력하는 제2 에너지 변환부를 더 포함하는 다중 출력 DC/DC 컨버터.

본 발명의 실시예에 따른 전원 장치는 1차측에 스위치를 구비하고 2차측으로 제1 전압을 출력하는 트랜스포머와 상기 트랜스포머의 1차측에 연결되고, 상기 트랜스포머의 누설 인덕턴스에 의한 상기 스위치에 형성되는 서지(Surge) 전압을 흡수하는 서지 흡수부를 포함하는 컨버터 및 상기 서지 흡수부로부터 에너지를 공급받아 제2 전압을 출력하는 에너지 변환부를 구비한 다중 출력 DC/DC 컨버터, 교류 전원을 정류하여 상기 DC/DC 컨버터에 직류 전원을 제공하는 정류기, 상기 다중 출력 DC/DC 컨버터의 출력을 센싱하는 센싱부, 상기 제1 및 제2 전압을 제어하는 PWM 제어부 및 구동 제어부를 포함하는 전원 장치.

본 발명의 실시예에 따른 전원 장치는 상기 센싱부는 제1 및 제2 센싱부를 포함하고, 상기 PWM 제어부는 제1 및 제2 PWM 제어부를 포함하고, 상기 구동 제어부는 제1 및 제2 구동 제어부를 포함하고, 상기 제1 센싱부, 상기 제1 PWM 제어부 및 상기 제1 구동 제어부는 상기 컨버터를 제어하며, 상기 제2 센싱부, 상기 제2 PWM 제어부 및 상기 제2 구동 제어부는 상기 에너지 변환부를 제어하는 전원 장치.

본 발명에 따른 실시예는 서지 전압 흡수부와 에너지 변환부를 구비하여 스위치 소자가 안정적인 범위 내에서 동작할 수 있도록 하고, 서지 전압에 따른 에너지를 또 다른 컨버터의 에너지 원으로 사용하여 전력 효율을 향상시킬 수 있는 다중 출력 DC/DC 컨버터 및 이를 포함하는 전원 장치를 제공한다.

도 1은 DC/DC 컨버터를 포함하는 일반적인 전원회로.
도 2는 플라이백 컨버터를 나타낸 도면.
도 3은 플라이백 컨버터의 스위치 온/오프 동작에 따른 상기 스위치 양단에 걸리는 전압을 나타낸 그래프.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 다중 출력 DC/DC 컨버터의 볼록도를 나타낸 도면.
도 5는 본 발명의 제1 실시예에 따른 플라이백 컨버터를 포함하는 다중 출력 DC/DC 컨버터를 나타낸 회로도.
도 6은 본 발명의 제1 실시예의 스위치 동작에 따른 스위치 양단에 걸리는 전압의 파형을 나타낸 그래프.
도 7는 본 발명의 제2 실시예에 따른 다중 출력 DC/DC 컨버터를 나타낸 도면.
도 8은 본 발명의 제3 실시예에 따른 다중 출력 DC/DC 컨버터를 나타낸 도면.
도 9는 본 발명의 제4 실시예에 따른 다중 출력 DC/DC 컨버터를 나타낸 도면.
도 10은 본 발명의 제5 실시예에 따른 다중 출력 DC/DC 컨버터를 나타낸 도면.
도 11 및 도 12는 본 발명의 제6 실시예에 따른 다중 출력 DC/DC 컨버터를 포함하는 전원 장치의 블록도.

이하, 본 발명의 실시예에 의한 다중 출력 직류/직류 컨버터 및 다중 출력 직류/직류 컨버터를 포함하는 전원 장치의 도면을 참고하여 상세하게 설명한다. 다음에 소개되는 실시 예들은 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 예로서 제공되는 것이다. 따라서, 본 발명은 이하 설명되는 실시 예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 그리고, 도면들에 있어서, 장치의 크기 및 두께 등은 편의를 위하여 과장되어 표현될 수도 있다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조 번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.

도 4는 본 발명의 실시예에 따른 다중 출력 DC/DC 컨버터의 볼록도를 나타낸 도면이다.

도 4를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 다중 출력 DC/DC 컨버터(100)는 트랜스포머(T), 서지 흡수부(200), 에너지 변환부(300), 출력부(400) 및 스위치(S)를 포함할 수 있다.

각 구성의 연결관계를 살펴보면, n의 권수비를 가지는 트랜스포머(T)의 1차측 포트(port)에는 서지 흡수부(200)가 연결되고, 상기 서지 흡수부(200)에는 에너지 변환부(300)가 연결될 수 있으며, 상기 트랜스포머(T)의 1차측의 일 단자에는 스위치(S)의 일 단자가 연결될 수 있다.

상기 서지 흡수부(200)는 커패시터(C1)와 다이오드(D1)의 직렬 연결로 구성될 수 있다.

구체적으로 상기 다이오드(D1)의 애노드(Anode) 단자는 트랜스포머(T)에, 캐소드(Cathode) 단자는 커패시터(C1)에 연결될 수 있고, 상기 커패시터(C1)의 일 단자는 다이오드(D1)의 캐소드 단자에 연결되고, 타 단자는 트랜스포머(T)에 연결될 수 있다.

에너지 변환부(300)는 서지 흡수부(200)의 커패시터(C1) 양단에 연결될 수 있다.

상기 트랜스포머(T)의 1차측의 타 단자와 상기 스위치(S) 타 단자 사이로는 입력 전압(Vi)이 인가될 수 있다.

상기 입력 전압(Vi)은 DC, 즉 직류 전원으로써, 교류 전원을 정류기(미도시)기와 필터를 거쳐 정류된 직류 전원이 될 수 있다.

상기 트랜스포머(T)의 2차측 포트에는 출력부(400)가 연결될 수 있으며, 상기 출력부(400)는 벅 타입(Buck type)의 포워드(forward) 컨버터의 동작을 하기 위한 구성을 가지거나, 벅-부스트 타입(Buck-boost type)의 플라이백 컨버터(flyback converter)의 동작을 하기 위한 구성을 가질 수 있다. (이에 대해서는 후술한다)

상기 스위치(S)는 IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)로 구성되거나, MOSFET으로 구성될 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니고, 스위치로써 동작하는 회로 소자는 어떠한 것도 가능하다.

또한 도면 상으로는 상기 스위치(S)가 N 채널 증가형 MOSFET으로서, 드레인 단자는 트랜스포머(T) 각각에 연결되고, 소스 단자는 입력 전원의 일 단자에 연결되어 있다.

본 발명의 실시예에 따른 다중 출력 DC/DC 컨버터(100)의 동작관계를 살펴보면, 서지 흡수부(200)는 트랜스포머(T)의 누설 인덕턴스에 저장된 에너지를 흡수하는 역할을 할 수 있다.

상기 서지 흡수부(200)의 커패시터(C1)는 트랜스포머(T)의 누설 인덕턴스에 저장된 에너지를 흡수하고, 이를 에너지 변환부(300)로 공급하는 역할을 할 수 있다.

에너지 변환부(300)는 서지 흡수부(200)의 커패시터(C1)에 저장된 에너지를 입력으로 인가받고, 인가받은 에너지를 새로운 출력 전압으로 변환하는 기능을 할 수 있다.

상기 출력부(400)는 상기 트랜스포머(T)의 2차측으로부터 에너지를 인가 받아, 벅 타입 또는 벅-부스트 타입에 따라서 적절한 출력을 내보낼 수 있다.

따라서 본 발명의 실시예의 출력부(400)는 제1 출력을 출력하고, 에너지 변환부(300)는 제2 출력을 출력할 수 있어, 다중 출력이 가능하다.

특히 종래의 스너버 회로(21)는 커패시터(C)에 저장된 에너지를 저항(R)에서 소모하는 것에 비해 본 발명의 실시예에 따른 에너지 변환부(300)는 서지 흡수부(200)에 저장된 에너지를 이용하여 제2 출력을 생성한다는 점에서, 에너지 효율을 높일 수 있는 장점을 가진다.

<제1 실시예>

본 발명의 제1 실시예에 따른 다중 출력 DC/DC 컨버터(100)의 동작 방식을 구체적인 회로를 통해서 살펴본다.

도 5는 본 발명의 제1 실시예에 따른 플라이백 컨버터를 포함하는 다중 출력 DC/DC 컨버터를 나타낸 회로도이고, 도 6은 본 발명의 제1 실시예의 스위치 동작에 따른 스위치 양단에 걸리는 전압의 파형을 나타낸 그래프이다.

도 5를 참조하면, 본 발명의 제1 실시예에 따른 다중 출력 DC/DC 컨버터(100)는 플라이백 컨버터(500)로 구성되고, 상기 플라이백 컨버터(500)는 적은 회로 소자로 높은 출력 전압 증폭기 가능하고, 변압기에 의한 시스템 회로 절연 및 권선비에 비례하는 전압 증폭기 가능하다.

플라이백 컨버터(500)로 구성된 다중 출력 DC/DC 컨버터(100)는, 제1 및 제2 플라이백 컨버터(500, 300)를 포함하고, 제1 플라이백 컨버터(500)는 제1 출력 전압(Vo1)을 형성하는 제1 트랜스포머(T1)와 제1 커패시터(C1) 및 제1 다이오드(D1)로 구성된 서지 흡수부(200), 및 제1 트랜스포머(T1)의 2차측과 연결되어 출력부(400)를 포함할 수 있다. 그리고 제2 플라이백 컨버터(300)는 제1 플라이백 컨버터(500)의 서지 흡수부(200)와 연결된 에너지 변환부(도 3의 도면 부호 300)로써 제1 플라이백 컨버터와 동일한 기능을 수행할 수 있다.

상기 제1 및 제2 플라이백 컨버터(500, 300)는 승압형 컨버터라는 동일한 기능을 수행할 수 있으나, 제1 플라이백 컨버터(500)는 에너지 원으로써 입력 전원(Vi)을 이용하지만, 제2 플라이백 컨버터(300)는 에너지 원으로써 서지 흡수부(200)의 에너지를 이용한다는 점에서 차이가 있다.

또한 제1 및 제2 플라이백 컨버터(500, 300)는 각각 제1 및 제2 스위치(S1, S1)를 포함하고, 하나의 제어기(미도시)에 의하여 동작할 수 있고, 각각 다른 제어기(미도시)에 의하여 개별적으로 동작할 수 있다.

전술한 제어부는 PWM 제어부 및 게이트 구동부를 포함할 수 있고, 제1 및 제2 스위치(S1, S2)가 MOSFET인 경우, 전술한 제어부의 제어 신호는 게이트(Gate) 단자로 공급될 수 있다.

제1 및 제2 플라이백 컨버터(500, 300)는 제1 및 제2 스위치(S1, S2)가 도통하면, 제1 트랜스포머(T1)의 2차 권선과 제2 트랜스포머(T2)의 2차 권선에는 1차와 반대 극성의 전압이 유도된다.

즉, 제1 트랜스포머(T1)의 2차 권선에는 입력 전원(Vi)과 반대 극성의 전압이 유도되고, 제2 트랜스포머(T2)의 2차 권선에는 서지 흡수부(200)의 제1 커패시터(C1) 양단의 전압과 반대 극성의 전압이 유도될 수 있다.

제1 트랜스포머(T1)의 2차 권선과 제2 트랜스포머(T2)의 2차 권선에는 1차와 반대 극성의 전압이 유도되므로, 제1 플라이백 컨버터(500)의 제2 다이오드(D2)와 제2 플라이백 컨버터(300)의 제3 다이오드(D3)는 역 바이어스되어 차단되고, 제1 및 제2 플라이백 컨버터(500, 300) 각각의 2차 권선에는 전류가 흐르지 않고, 1차 권선으로만 전류가 흐르게 된다.

또한 제1 및 제2 트랜스포머(T1, T2)의 1차 권선으로만 전류가 흐르기 때문에 각각의 자화 인덕턴스에 의해 에너지가 축적된다.

다음 제1 및 제2 스위치가 차단되면, 제1 및 제2 트랜스포머(T1, T2)의의 2차 권선에는 전 상태와 반대 극성의 전압이 유도되어 제2 및 제3 다이오드를 도통 시킴으로써, 제1 및 제2 트랜스포머(T1, T2) 각각의 자화 인덕턴스에 축적된 에너지를 부하에 공급하게 된다.

다만 제1 및 제2 스위치가 차단되면, 누설 인덕턴스에 축전된 에너지가 서지 전압으로 나타나므로 이러한 서지 전압은 서지 흡수부(200)의 제1 다이오드(D1)를 턴-온시키고, 누설 인덕턴스에 저장된 에너지가 제1 다이오드(D1)를 통하여 제1 커패시터(C1)를 충전하게 된다.

다음 제1 및 제2 스위치(S1, S2)가 다시 도통되면, 자화 인덕턴스에 에너지가 충전되고, 서지 흡수부(300)의 제1 커패시터(C1)의 에너지는 제2 플라이백 컨버터(300)의 입력 전원으로 이용하게 된다.

도 6을 참조하면, 전술한 동작 과정을 반복하면, 도 6에서와 같이 제1 플라이백 컨버터(500)의 제1 스위치(S1)가 턴-오프 직후 누설 인덕턴스에 저장 에너지는 서지 흡수부(200) 흡수되므로 상기 제1 스위치(S1) 양단에 서지인 스파이크 성 전압을 줄일 수 있고, 동시에 서지 흡수부(200)에 저장된 에너지는 제2 플라이백 컨버터(300)를 동작하는데 에너지 원으로 사용할 수 있다.

상기 제1 커패시터(C1)에 저장된 에너지가 에너지 변환부(300)로 공급되는 경우, 에너지의 전달 속도는 상기 제1 커패시터(C1)에서 상기 에너지 변환부(300) 측으로 바라본 저항의 크기에 따라서 달라질 수 있다.

즉 에너지 변환부(300) 측으로의 저항이 크면, 제1 커패시터(C1)에 저장된 에너지가 빠른 시간에 방전될 수 있다.

또한 상기 제1 커패시터(C1)의 용량에 따라서, 서지 전압의 흡수 정도가 달라질 수 있으므로, 상기 제1 커패시터(C1)의 용량을 조절하여 스위치(S)에 걸리는 스파이크 성 전압의 크기를 상기 스위치(S)의 내압 이하로 조절할 수 있다.

한편 제1 플라이백 컨버터(500)의 출력은 n1*Vi/(1-D1)가 되고, 제2 플라이백 컨버터(300)의 출력은 n2*Vc/(1-D2)가 되며, 제1 플라이백 컨버터(500)의 제1 스위치(S1)의 양단의 전압은 Vin(1-D1)+nV0가 된다.

n1은 제1 프랜스포머(T1)의 권수비이고, n2는 제2 프랜스포머(T2)의 권수비이고, D1은 제1 플라이백 컨버터(500)의 듀티비(Duty ratio)이고, D2는 제2 플라이백 컨버터(300)의 듀티비이다.

상기 D1과 D2는 하나의 PWM 제어부로부터 제공되는 PWM 신호이거나, 서로 다른 PWM 제어부로부터 제공되는 서로 다른 PWM 신호일 수 있다.

<제2 실시예>

도 7은 본 발명의 제2 실시예에 따른 다중 출력 DC/DC 컨버터를 나타낸 도면이다.

도 7을 참조하면, 제2 실시예는 제1 내지 제3 플라이백 컨버터(500, 300, 600)를 포함하는 것으로써, 제1 실시예와 달리 제2 플라이백 컨버터(300)가 제2 서지 흡수부(310)를 포함하고, 제2 플라이백 컨버터(300)의 제2 서지 흡수부(310)의 에너지를 입력 전원으로 하는 제3 플라이백 컨버터(600)를 포함하고 있다.

제1 플라이백 컨버터(500)의 누설 인덕턴스에 저장된 에너지는 제1 서지 흡수부(200)의 제1 커패시터(C1)에 저장되고, 제1 커패시터(C1)에 저장된 에너지는 제2 플라이백 컨버터(300)의 입력 전원으로 제공될 수 있다. 그리고 상기 제2 플라이백 컨버터(300)의 누설 인덕턴스에 저장된 에너지는 제2 서지 흡수부(310)의 제4 커패시터(C4)에 저장되고, 상기 제4 커패시터(C4)에 저장된 에너지는 제3 플라이백 컨버터(600)의 입력 전원으로 제공될 수 있다.

제1 내지 제3 플라이백 컨버터(500, 300, 600)의 제1 내지 제3 스위치(S1, S2, S3)는 하나의 제어기로 동시에 제어하거나, 개별적인 제어기로 각각 제어할 수 있다.

도면 상으로 제3 플라이백 컨버터(600)는 서지 흡수부를 포함하고 있지 않으나, 제1 및 제2 플라이백 컨버터(500, 300)의 제1 및 제2 서지 흡수부(200, 310)와 같이 별도의 서지 흡수부를 포함할 수 있고, 이 경우 제3 플라이백 컨버터(600)에 포함된 서지 흡수부에는, 제1 및 제2 플라이백 컨버터(500, 300)와 같이 별도의 DC/DC 컨버터를 연결할 수 있다.

본 발명의 제2 실시예에 따른 다중 출력 DC/DC 컨버터(100)는 제1 및 제2 플라이백 컨버터(500,300)의 서지 전압을 흡수하여 제1 및 제2 스위치(S1, S2) 소자를 보호할 뿐만 아니라, 제1 서지 흡수부(200)의 에너지와 제2 서지 흡수부(310)의 에너지를 또 다른 플라이백 컨버터로 이용할 수 있어 전력 효율이 상승하는 효과를 가진다.

또한 상기 제1 내지 제3 플라이백 컨버터(500, 300, 600)의 출력은 하나의 부하 측에 제공되거나, 서로 다른 부하 측에 제공될 수 있다. 즉, 다양한 전원이 필요한 장치에서는 제1 내지 제3 플라이백 컨버터(500, 300, 600)의 출력을 해당 부하에 연결할 수 있다.

<제3 실시예>

도 8은 본 발명의 제3 실시예에 따른 다중 출력 DC/DC 컨버터를 나타낸 도면이다.

도 8을 참조하면, 본 발명의 제3 실시예에 따른 다중 출력 DC/DC 컨버터(100)는 트랜스포머(T1), 서지 흡수부(200), 에너지 변환부(300), 출력부(400) 및 스위치(S1)를 포함할 수 있다.

본 발명의 제3 실시예에 다중 출력 DC/DC 컨버터(100)는 서지 흡수부(200)를 포함한 포워드 컨버터(700)와 에너지 변환부(300)로 구성된 것으로써, 포워드 컨버터(700)로부터 제1 출력을, 상기 에너지 변환부(300)로부터 제2 출력을 생성할 수 있다.

제3 실시예에 있어서, 제1 및 제2 실시예와 차이 나는 출력부를 중심으로 그 구조를 살펴본다.

상기 출력부(400)는 캐소드 단자가 서로 만나고, 애도느 단자 각각은 트랜스포머(T1)의 2차측에 연결되는 제2 및 제3 다이오드(D2, D3), 상기 제2 및 제3 다이오드(D2, D3)의 캐소드 단자와 제2 커패시터(C2) 사이에 연결된 인덕터(L) 그리고 상기 제3 다이오드(D3)의 애노드 단자와 상기 인덕터(L) 사이에 연결된 제2 커패시터(C2)를 포함할 수 있다.

본 발명의 제3 실시예에 따른 다중 출력 DC/DC 컨버터(100)의 동작 원리를 살펴보면, 제1 스위치(S1)가 도통되면, 1차측의 누설 인덕턴스에 에너지가 축적되고, 출력부의 제2 다이오드(D2)는 도통되고, 제3 다이오드(D3)는 차단되어 입력 측의 전류는 트랜스포머(T1)를 통하여 출력 측으로 전달됨과 동시에 출력부의 인덕터(L)에는 에너지가 축적된다.

다음에 제1 스위치(S1)가 차단되면, 제2 다이오드(D2)는 차단되고, 제3 다이오드(D3)는 도통되어 인덕터(L)에 축적된 에너지를 출력 측으로 공급하게 된다. 그리고 누설 인덕턴스에 축전된 에너지가 스위치(S1)에 서지 전압으로 나타나므로, 이러한 서지 전압은 서지 흡수부(200)의 제1 다이오드(D1)를 턴-온 시키고, 누설 인덕턴스에 저장된 에너지가 제1 다이오드(D1)를 통하여 제1 커패시터(C1)를 충전한다.

다음 스위치(S1)가 다시 도통되면, 누설 인덕턴스에 에너지가 충전되고, 서지 흡수부(200)의 제1 커패시터(C1)의 에너지는 에너지 변환부(300)의 입력 전원으로 인가된다.

이러한 동작 과정의 반복을 통하여 포워드 컨버터(700)의 스위치(S1)가 턴 오프 직후, 누설 인덕턴스에 저장 에너지는 서지 흡수부(200) 흡수되므로 상기 스위치(S1) 양단에 스파이크성 전압을 줄일 수 있고, 동시에 서지 흡수부(200)에 저장된 에너지는 에너지 변환부(300)를 동작하는데 에너지 원으로 사용할 수 있다.

한편 상기 에너지 변환부(300)는 포워드 컨버터가 되거나 제1 실시예에서 설명한 플라이백 컨버터가 될 수 있음은 물론, 에너지 변환부(300) 자체에 별도의 서지 흡수부(미도시)를 구비할 수 있고, 제2 실시예서와 같이 또 하나의 에너지 변환부(도 7에서 도면 부호 600)를 구비하여, 3개의 출력 전압을 형성하는 다중 출력 DC/DC 컨버터를 구현할 수 있다.

<제4 실시예>

도 9는 본 발명의 제4 실시예에 따른 다중 출력 DC/DC 컨버터를 나타낸 도면이다.

도 9를 참조하면, 본 발명의 제4 실시예에 따른 다중 출력 DC/DC컨버터(100)는 플라이백 컨버터(500)와 에너지 변환부로써 LLC 공진 컨버터(800)를 포함할 수 있다.

상기 플라이백 컨버터(500)는 서지 흡수부(200)와 제1 트랜스포머(T1), 출력부(400) 그리고 제1 스위치(S1)를 포함할 수 있다.

상기 LLC 공진 컨버터(800)는 제2 및 제3 스위치(S2, S3)로 이루어진 직렬회로가 제1 커패시터(C1)의 양단에 접속되고, 제2 트랜스포머(T2)의 1차측의 일단은 제3 커패시터(C3)를 경유하여 상기 제2 및 제3 스위치(S2, S3)의 접속 점에 연결되고, 타 단은 상기 제2 스위치(S2)에 연결될 수 있다. 그리고 제2 트랜스포머(T2)의 2차측은 제3 다이오드(D3)와 제4 커패시터(C4)로 구성된 회로에 연결될 수 있다.

상기 LLC 공진 컨버터(800)는 상기 서지 흡수부(200)의 제1 커패시터(C1)의 양단에 연결되어, 상기 서지 흡수부(300)의 제1 커패시터(C1)에 저장된 에너지를 입력 전원으로 이용할 수 있다.

LLC 공진 컨버터(800)는 전력 밀도 및 효율 특성을 강화시킨 컨버터로써, 1차측 제2 및 제3 스위칭 소자(S2, S3)의 ZVS(Zero Voltage Switching) 동작과 2차측 제3 다이오드(D3)의 영전류 스위칭(Zero Current Switching: ZCS) 동작을 통해 모든 부하 범위에서 높은 효율 특성을 가질 수 있다.

또한 별도의 스너버 회로가 없는 스위칭 회로의 구성이 가능하고, 변압기의 설계에 따라 누설인덕턴스와 자화 인덕턴스를 용이하게 제작할 수 있는 장점을 가진다.

또한 상기 제1 내지 제3 스위치(S1, S2, S3)는 하나의 제어기 또는 복수개의 제어기를 이용하여 의 그 동작을 제어할 수 있다.

LLC 공진 컨버터(800)는 위상이 서로 다른 신호 각각을 제2 및 제3 스위치(S2, S3)에 제공하고, 상기 제2 및 제3 스위치(S2, S3)의 동작에 따라 제2 트랜스포머(T2)의 1차측에서 이루어지는 공진 현상을 이용하여 발생된 에너지를 2차측에 전달할 수 있다.

플라이백 컨버터(500)의 제1 스위치(S1)에 형성될 수 있는 스파이크 성 전압을 억제하고, 스파이크 성 전압을 서지 흡수부(200)에서 흡수하여 이를 LLC 공진 컨버터(800)의 에너지원으로 이용하여, 서지 전압에 따른 제1 스위치(S1)의 파괴를 방지하고, 에너지 효율을 극대화 할 수 있는 효과를 가진다.

제4 실시예에서 제1 출력 전압(V01)을 발생하는 컨버터로써, 플라이백 컨버터(500)를 예로 들었으나 이는 일 예에 불과하고, 포워드 컨버터가 될 수 있다. 따라서 제1 출력 전압(V01)을 발생하는 포워드 컨버터와 제2 출력 전압(V02)을 발생하는 LLC 공진 컨버터를 에너지 변환부로 구비한 다중 출력 DC/DC 컨버터가 될 수 있다.

<제5 실시예>

도 10은 본 발명의 제5 실시예에 따른 다중 출력 DC/DC 컨버터를 나타낸 도면이다.

본 발명의 제5 실시예에 따른 다중 출력 DC/DC 컨버터(100)는 플라이백 컨버터(500)와 에너지 변환부로써 풀 브릿지(Full-Bridge) 컨버터(900)를 포함할 수 있다.

풀 브릿지 컨버터의 제2 및 제3 스위치(S2, S3)로 이루어진 직렬 회로와 제4 및 제5 스위치(S4, S5)로 이루어진 직렬 회로가 제1 커패시터(C1)의 양단에 접속되어 있다.

풀 브릿지 컨버터(900)의 제2 트랜지포머(T2)의 1차측의 일단은 제3 트랜지스터(C3)를 경유하여 제2 및 제3 스위치(S2, S3)의 접속 점에 연결되고, 타 단은 제4 및 제5 스위치(S4, S5)의 접속 점에 연결될 수 있다.

상기 제1 내지 제5 스위치(S1, S2, S3, S4, S5)는 하나의 제어부 또는 복수개의 제어부를 통해서 제어할 수 있다.

2차측은 제3 다이오드(D3)와 제4 커패시터(C2)로 구성된 회로에 연결될 수 있다.

풀 브릿지 컨버터는 영전압과 영전류 스위칭을 할 수 있는 회로로써, 서지 흡수부(200)의 제1 커패시터(C1)에 연결되어, 상기 제1 커패시터(C1)에 저장된 에너지를 입력 전원으로 사용할 수 있다.

서지 흡수부(200)는 플라이백 컨버터(500)의 제1 스위치(S1)에 형성될 수 있는 서지 전압을 억제하고, 서지 흡수부(200)에서 흡수된 서지 전압은 풀 브릿지 컨버터(900)의 입력 전원으로 이용할 수 있으므로, 서지 전압에 따른 제1 스위치(S1)의 파괴를 문제를 방지하고, 에너지 효율을 극대화라는 효과를 가진다.

제5 실시예에서 플라이백 컨버터(500)를 예로 들었으나 이는 일 예에 불과하고, 제1 출력 전압(V01)을 발생하는 포워드 컨버터와 제2 출력 전압(V02)을 발생하는 풀 브릿지 컨버터를 에너지 변환부로 구비한 다중 출력 DC/DC 컨버터가 될 수 있다.

도 11 및 도 12는 본 발명의 제6 실시예에 따른 다중 출력 DC/DC 컨버터를 포함하는 전원 장치의 블록도이다.

<제6 실시예>

도 11을 참조하면, 본 발명의 제6 실시예에 따른 다중 출력 DC/DC 컨버터를 포함하는 전원 장치(1000)는 정류기(110), 다중 출력 DC/DC 컨버터(100), 전압, 전류 센싱부(120), PWM 제어부(130) 및 구동 제어부(140)을 포함할 수 있다.

상기 다중 출력 DC/DC 컨버터(100)는 제1 내지 제5 실시예에서 설명한 바와 같이, 제1 출력 전압(Vo1)을 출력하는 컨버터와 상기 컨버터의 서지 전압을 에너지 원으로 하여 제2 출력 전압(Vo2)를 출력하는 에너지 변환부를 포함할 수 있다.

상기 정류기(110)는 교류 전원(AC)을 인가받아 정류하여 다중 출력 DC/DC 컨버터(100)에 출력하고, 상기 다중 출력 DC/DC 컨버터(100)는 복수의 출력 전압(Vo1, Vo2)을 제공할 수 있다. 상기 다중 출력 DC/DC 컨버터(100)로부터 전압 또는 전류 중 하나 이상을 센싱하여, 이를 PWM 제어부(130)에 제공하고, 상기 PWM 제어부(130)는 PWM 신호를 구동 제어부(140)에 공급할 수 있다.

상기 구동 제어부(140)는 PWM 제어부(130)의 PWM 듀티비에 따라서 다중 출력 DC/DC 컨버터(100) 내의 스위치 소자의 동작을 제어할 수 있다.

도 12를 참조하면, 도 11에서 설명한 바와 같이 하나의 전압, 전류 센싱부(120), PWM 제어부(130) 및 구동 제어부(140)를 이용하여 상기 다중 출력 DC/DC 컨버터(100)를 제어할 수 있으나, 이와 달리 제1 전류 센싱부(120), 제1 PWM 제어부(130) 및 제1 구동 제어부(140)는 다중 출력 DC/DC 컨버터(100) 내의 제1 출력 전압(Vo1)을 출력하는 컨버터(500)의 스위치 소자를 제어할 수 있고, 제2 전류 센싱부(150), 제2 PWM 제어부(160) 및 제2 구동 제어부(170)는 상기 다중 출력 DC/DC 컨버터(100) 내의 제2 출력 전압(Vo2)를 출력하는 에너지 변환부(300)의 스위치 소자를 제어할 수 있다. 따라서 컨버터(500)와 에너지 변환부(300)를 개별적으로 제어하여, 원하는 제1 및 제2 출력 전압(Vo1, Vo2)을 얻을 수 있다.

전술한 바와 같이 본 발명의 제1 내지 제5 실시예의 에너지 변환부의 출력은 도 4의 출력부(400)에 연결될 부하에 함께 연결하거나, 단독 부하에 연결하여 보조 전원 등으로 이용할 수 있다. 따라서 서지 전압에 따른 스위치 소자의 불량 현상을 방지하고, 서지 전압에 따른 에너지를 별도의 전원으로 이용함으로써 전력 효율을 높일 수 있는 효과를 가진다.

본 발명의 실시예에 따른 다중 출력 DC/DC 컨버터(100)는 소형 전지에서부터 전기 자동차(electric vehicle: EV), 에너지 저장장치(electric storage system: ESS)에도 사용될 수 있고, LED의 전원 장치에도 사용될 수 있다.

즉 전력원으로서 제공되는 배터리로부터의 전력으로 동작하는 휴대 가능한 전자 기기에서, 내부 회로에 배터리의 전압이 아닌 DC 전압이 공급되어야 하는 경우, DC/DC 컨버터가 사용될 수 있다.

또한 시스템상에서 다수의 DC 전원을 공급해야 하는 경우에도 실시예에 따른 다중 출력 DC/DC 컨버터가 이용될 수 있다.

이상에서 설명한 본 발명의 상세한 설명에서는 본 발명의 바람직한 실시 예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자 또는 해당 기술분야에 통상의 지식을 갖는 자라면 후술할 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 기술 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명의 기술적 범위는 명세서의 상세한 설명에 기재된 내용으로 한정되는 것이 아니라 특허청구범위에 의해 정하여져야만 할 것이다.

10 전원 장치
20 DC/DC 컨버터
21 스너버 회로
30 제어부
40 전압 전류 센싱부
100 다중 출력 DC/DC 컨버터
110 정류기
120 전압 전류 센싱부, 제1 전압 전류 센싱부
130 PWM 제어부, 제1 PWM 제어부
140 구동 제어부, 제1 구동 제어부
150 제2 전압 전류 센싱부
160 제2 PWM 제어부
170 제2 구동 제어부
200 서지 흡수부, 제1 서지 흡수부
300 에너지 변환부, 제2 플라이백 컨버터
310 제2 서지 흡수부
400 출력부
500 플라이백 컨버터, 제1 플라이백 컨버터
600 제3 플라이백 컨버터
700 포워드 컨버터
800 LLC 공진 컨버터
900 풀 브릿지 컨버터

Claims (12)

1차측에 제1 스위치를 구비하고, 2차측으로 제1 전압을 출력하는 트랜스포머와, 상기 트랜스 포머의 1차측에 연결되고 상기 트랜스포머의 누설 인덕턴스에 의해 상기 제1 스위치에 형성되는 서지 전압을 흡수하는 제1 서지 흡수부를 포함하는 컨버터; 및
상기 제1 서지 흡수부를 통해 공급되는 출력 에너지를 수신하고, 제2 전압을 출력하는 제1 에너지 변환부를 포함하며,
상기 제1 서지 흡수부는,
상기 트랜스포머의 1차측에 연결된 제1 커패시터 및 제1 다이오드를 포함하고,
상기 제1 에너지 변환부는,
상기 제1 커패시터의 양단의 전압을 입력 전압으로 가지며,
상기 컨버터는, 제1 플라이백 컨버터이고,
상기 제1 에너지 변환부는 제2 플라이백 컨버터이며,
상기 제1 플라이백 컨버터의 상기 제1 전압은, n1*Vi/(1-D1)이고,
상기 제2 플라이백 컨버터의 출력은 n2*Vc/(1-D2)이며,
상기 n1은 상기 제1 플라이백 컨버터의 트랜스포머의 권수비이고, Vi는 입력 전원이며, D1은 상기 제1 스위치를 구동하는 제1 PWM 신호의 듀티 비이고,
상기 n2은 상기 제2 플라이백 컨버터의 트랜스포머의 권수비이고, Vc는 상기 제1 커패시터 양단의 전압이며, D2는 상기 제2 플라이백 컨버터의 제2 스위치를 구동하는 제2 PWM 신호의 듀티 비이며,
상기 제1 PWM 신호 및 상기 제2 PWM 신호는 하나의 PWM 제어부로부터 제공되는 PWM 신호인 다중 출력 DC/DC 컨버터.

제1 항에 있어서,
상기 트랜스포머의 2차측에는 제2 다이오드와 제2 커패시터가 연결되는 다중 출력 DC/DC 컨버터.

제1 항에 있어서,
상기 제1 및 제2 스위치는 N 채널 증가형 MOSFET인 다중 출력 DC/DC 컨버터.

제1 항에 있어서,
상기 제1 에너지 변환부는 제2 서지 흡수부를 포함하는 다중 출력 DC/DC 컨버터.

제4 항에 있어서,
상기 제2 서지 흡수부에 연결되어, 상기 제2 서지 흡수부에 저장된 에너지를 입력 전원으로하여 제3 전압을 출력하는 제2 에너지 변환부를 더 포함하는 다중 출력 DC/DC 컨버터.

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