KR102620722B1 - 저가의 절연형 승강압형 컨버터 - Google Patents

저가의 절연형 승강압형 컨버터 Download PDF

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Abstract

본 발명은 저가의 절연형 승강압형 컨버터에 관한 것으로서, 특히 전원 입력단과 부하저항(전원 출력단) 사이의 절연을 위해 고가의 트랜스포머를 사용하는 대신 저가의 커패시터를 이용하여 구성함으로써 원가를 절감할 수 있는 저가의 절연형 승강압형 컨버터에 관한 것이다.

Description

저가의 절연형 승강압형 컨버터{LOW-COST ISOLATED CONVERTER}
본 발명은 저가의 절연형 승강압형 컨버터에 관한 것으로서, 특히 전원 입력단과 부하저항(전원 출력단) 사이의 절연을 위해 고가의 트랜스포머를 사용하는 대신 저가의 커패시터를 이용하여 구성함으로써 원가를 절감할 수 있는 저가의 절연형 승강압형 컨버터에 관한 것이다.
일반적으로 승강압형 컨버터는 전원의 전력을 변환하여 전달하는 역할을 하고, 비절연형과 절연형이 있다. 절연형은 입력단과 전기적, 물리적으로 분리하여 출력단만의 독립적인 부하의 기준 전위를 만드는 것을 말한다. 전기적으로 독립된 전원선을 사용하는 것은 전기적으로 안정성을 확보하고 인체의 전기안전에도 도움이 된다.
도 3은 일반적인 플라이백(Flyback) 방식의 절연형 승강압 컨버터의 회로도이다. 종래의 절연형 승강압 컨버터는 전원 입력단과 전원 출력단의 절연을 위해 1차 코일 및 2차 코일로 제작된 트랜스포머(T)가 사용되는 것을 특징으로 한다.
그러나, 종래의 기술은 전원 입출력 단의 절연을 위해 고가의 트랜스포머가 사용되기 때문에 생산단가가 높아진다는 문제점이 있었다.
대한민국 등록특허공보 제10-1005065호{발명의 명칭: 유전체 장벽형 무수은 평판 형광램프용 플라이백 포워드 결합 컨버터 회로}
본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위해 이루어진 것으로, 본 발명의 목적은 생산단가를 현저히 낮출 수 있고 저전력 회로의 응용에서 원가절감 효과가 우수한 저가의 절연형 승강압형 컨버터를 제공하는 데에 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 실시형태에 의한 저가의 절연형 승강압형 컨버터는 입력 전원 양단에 드레인 단자 및 소스 단자가 접속되고 게이트 단자에 입력되는 구동 펄스의 레벨에 따라 스위칭 동작되는 제1N채널 MOSFET; 상기 입력 전원과 상기 제1N채널 MOSFET의 드레인 단자 사이에 접속되어 상기 제1N채널 MOSFET의 온 동작 시 자속이 대전 된 형태로 에너지를 저장하는 한편, 오프 동작 시 저장된 에너지를 방출하는 제1코일; 상기 제1코일 및 제1N채널 MOSFET의 드레인 단자에 일단이 접속되어 전원 입력단과 부하저항 사이를 절연시키는 제1절연용 콘덴서; 상기 제1N채널 MOSFET의 소스 단자에 일단이 접속되어 전원 입력단과 부하저항 사이를 절연시키는 제2절연용 콘덴서; 및 상기 제1절연용 콘덴서의 타단과 상기 제2절연용 콘덴서의 타단 사이에 접속되어 상기 제1코일에서 에너지 방출 시 자속이 대전 된 형태로 에너지를 전달받아 상기 부하저항에 승압된 또는 강압된 전원을 제공하는 제2코일;을 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 실시형태에 의한 저가의 절연형 승강압형 컨버터는 상기 제1코일에 병렬접속되어 노이즈를 제거하도록 구성된 제4콘덴서를 더 포함할 수 있다.
상기 실시형태에 의한 저가의 절연형 승강압형 컨버터는 상기 제2코일과 병렬접속되어 상기 제2코일에 의해 제공되는 승압된 또는 강압된 전원을 정류시키는 다이오드; 및 상기 다이오드와 병렬접속되어 상기 다이오드에 의해 정류된 전원을 평활시키는 제3콘덴서를 더 포함할 수 있다.
상기 실시형태에 의한 저가의 절연형 승강압형 컨버터에 있어서, 상기 제1절연용 콘덴서 및 제2절연용 콘덴서는 양면 도체를 갖는 PCB로 구현될 수 있다.
본 발명의 실시형태에 의한 저가의 절연형 승강압형 컨버터에 의하면, 전원 입력단과 부하저항 사이를 절연시키기 위해 저가의 제1절연용 콘덴서 및 제2절연용 콘덴서를 사용하므로 종래 절연을 목적으로 1차 코일과 2차 코일로 제작된 고가의 트랜스포머를 사용하는 방식에 비해 생산단가를 현저히 낮출 수 있다는 뛰어난 효과가 있다.
또한, 본 발명의 실시형태에 의한 저가의 절연형 승강압형 컨버터에 의하면, 전원 입력단과 부하저항 사이를 절연시키기 위해 사용되는 제1절연용 콘덴서 및 제2절연용 콘덴서를 양면 도체를 갖는 PCB로 구현할 수 있으므로 저전력의 회로 응용에서 원가절감 효과가 우수하다는 뛰어난 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 의한 저가의 절연형 승강압형 컨버터의 상세 회로도이다.
도 2는 도 1에서 제1N채널 MOSFET의 게이트 단자에 입력되는 펄스의 PWM(Pulse Width Modulation) 듀티비(Duty ratio)에 따른 입력 전압 대 출력 전압 비를 나타낸 그래프이다.
도 3은 종래 기술에 의한 플라이백(Flyback) 방식의 절연형 승강압형 컨버터의 상세 회로도이다.
본 발명의 실시예를 설명함에 있어서, 본 발명과 관련된 공지기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략하기로 한다. 그리고 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다. 상세한 설명에서 사용되는 용어는 단지 본 발명의 실시예를 기술하기 위한 것이며, 결코 제한적으로 해석되어서는 안 된다. 명확하게 달리 사용되지 않는 한, 단수 형태의 표현은 복수 형태의 의미를 포함한다. 본 설명에서, "포함" 또는 "구비"와 같은 표현은 어떤 특성들, 숫자들, 단계들, 동작들, 요소들, 이들의 일부 또는 조합을 가리키기 위한 것이며, 기술된 것 이외에 하나 또는 그 이상의 다른 특성, 숫자, 단계, 동작, 요소, 이들의 일부 또는 조합의 존재 또는 가능성을 배제하는 것으로 해석되어서는 안 된다.
도면에서 도시된 각 시스템에서, 몇몇 경우에서의 요소는 각각 동일한 참조 번호 또는 상이한 참조 번호를 가져서 표현된 요소가 상이하거나 유사할 수가 있음을 시사할 수 있다. 그러나 요소는 상이한 구현을 가지고 본 명세서에서 보여지거나 기술된 시스템 중 몇몇 또는 전부와 작동할 수 있다. 도면에서 도시된 다양한 요소는 동일하거나 상이할 수 있다. 어느 것이 제1 요소로 지칭되는지 및 어느 것이 제2 요소로 불리는지는 임의적이다.
본 명세서에서 어느 하나의 구성요소가 다른 구성요소로 자료 또는 신호를 '전송', '전달' 또는 '제공'한다 함은 어느 한 구성요소가 다른 구성요소로 직접 자료 또는 신호를 전송하는 것은 물론, 적어도 하나의 또 다른 구성요소를 통하여 자료 또는 신호를 다른 구성요소로 전송하는 것을 포함한다.
이하, 본 발명에 의한 저가의 절연형 승강압형 컨버터를 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 의한 저가의 절연형 승강압형 컨버터의 상세 회로도이다.
본 발명에 의한 고효율 역전압 방지 회로는, 도 1에 도시된 바와 같이, 제1N채널 MOSFET(100), 제1코일(L1), 제4콘덴서(C4), 제1절연용 콘덴서(C1), 제2절연용 콘덴서(C2), 제2코일(L2), 다이오드(D1) 및 제3콘덴서(C3)를 포함한다.
제1N채널 MOSFET(100)는 입력 전원(Vin) 양단에 드레인 단자 및 소스 단자가 접속되고, 게이트 단자에는 제어신호로서 구동 펄스(G1)가 입력되어 그 신호 레벨에 따라 스위칭 동작됨으로써 부하저항(RL)에 입력되는 전원을 단속하는 역할을 한다.
제1코일(L1)은 입력 전원(Vin)과 제1N채널 MOSFET(100)의 드레인 단자 사이에 접속되어 제1N채널 MOSFET(100)의 온 동작 시 자속이 대전 된 형태로 에너지를 저장하는 한편, 오프 동작 시 저장된 에너지를 방출하여 부하저항측으로 전달하는 역할을 한다.
제4콘덴서(C4)는 제1코일(L1)에 병렬접속되어 입력전원을 통해 인가되는 노이즈를 제거하는 역할을 한다.
제1절연용 콘덴서(C1)는 일단이 제1코일(L1) 및 제1N채널 MOSFET(100)의 드레인 단자에 접속되는 한편, 타단이 제2코일(L2)과 접속되어 전원 입력단과 부하저항(RL) 사이를 절연시키는 역할을 한다. 제1절연용 콘덴서(C1)에 의해 전원 입력단의 기준 전위와 부하저항(RL) 단의 기준 전위가 물리적으로 절연되며, 여기서 점선은 물리적으로 절연되어 있는 구간을 표시하는 가상의 선이다.
제2절연용 콘덴서(C2)는 일단이 제1N채널 MOSFET(100)의 소스 단자에 접속되는 한편, 타단이 제2코일(L2)와 접속되어 전원 입력단과 부하저항(RL) 사이를 절연시키는 역할을 한다. 제2절연용 콘덴서(C2)에 의해 전원 입력단의 기준 전위와 부하저항(RL) 단의 기준 전위가 물리적으로 절연되며, 여기서 점선은 물리적으로 절연되어 있는 구간을 표시하는 가상의 선이다.
제1절연용 콘덴서(C1) 및 제2절연용 콘덴서(C2)는 양면 도체를 갖는 PCB로 구현될 수 있으므로 저전력의 회로 응용에서 더욱더 원가절감에 효과적이다.
제2코일(L2)은 제1절연용 콘덴서(C1)의 타단과 제2절연용 콘덴서(C2)의 타단 사이에 접속되어 제1코일(L1)에서 에너지 방출 시 자속이 대전 된 형태로 에너지를 전달받아 부하저항(RL)에 승압된 또는 강압된 전원을 제공하는 역할을 한다.
한편, 제2코일(L2)에 의해 제공되는 전원은 교류 전원이기 때문에 후단에서 정류 및 평활 과정을 거치게 된다.
다이오드(D1)는 제2코일(L2)과 병렬접속되어 제2코일(L2)에 의해 제공되는 승압된 또는 강압된 전원을 반파 정류시키는 역할을 한다.
제3콘덴서(C3)는 다이오드(D1)와 병렬접속되어 다이오드(D1)에 의해 정류된 전원을 평활시켜 부하저항(RL)에 제공하는 역할을 한다.
위와 같이 구성된 본 발명의 실시예에 의한 저가의 절연형 승강압형 컨버터의 작용에 대해 도면을 참조하여 설명하기로 한다.
도 2는 도 1에서 제1N채널 MOSFET의 게이트 단자에 입력되는 펄스의 PWM(Pulse Width Modulation) 듀티비(Duty ratio)에 따른 입력 전압 대 출력 전압 비를 나타낸 그래프이다.
도 2에 도시된 바와 같이, X축이 도 1의 구동 펄스(G1)에 대한 PWM 듀티비를 나타내고 있고, Y축은 입력 전압 대 출력 전압 비를 나타내고 있다. 여기서, 입력 전압 대 출력 전압 비가 1.OO일 경우는 입력 전압과 출력 전압이 같은 구간을 나타내고 있고, 1.00을 기준으로 위, 아래로 제어함으로써 출력 전압을 승압 또는 강압시킬 수 있음을 보여준다.
즉, 기존에는 출력 전원의 승, 강압 및 절연을 목적으로 1차 코일 및 2차 코일로 제작된 고가의 트랜스포머를 사용하였으나, 대신에 본 발명은 제1N채널 MOSFET(100)와 제1,2절연용 콘덴서(C1, C2)을 사용하므로, 종래 트랜스포머를 사용하는 방식에 비해 상대적으로 저가이므로 생산단가를 현저히 낮출 수 있다.
더욱이, 본 발명은 제1절연용 콘덴서(C1) 및 제2절연용 콘덴서(C2)를 양면 도체를 갖는 PCB로 구현될 수 있으므로 저전력의 회로 응용에서 더욱더 원가절감에 효과적이다.
본 발명의 실시예에 의한 저가의 절연형 승강압형 컨버터에 의하면, 전원 입력단과 부하저항 사이를 절연시키기 위해 저가의 제1절연용 콘덴서 및 제2절연용 콘덴서를 사용하므로 종래 절연을 목적으로 1차 코일과 2차 코일로 제작된 고가의 트랜스포머를 사용하는 방식에 비해 생산단가를 현저히 낮출 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 의한 저가의 절연형 승강압형 컨버터에 의하면, 전원 입력단과 부하저항 사이를 절연시키기 위해 사용되는 제1절연용 콘덴서 및 제2절연용 콘덴서를 양면 도체를 갖는 PCB로 구현할 수 있으므로 저전력의 회로 응용에서 원가절감 효과가 우수하다.
도면과 명세서에는 최적의 실시예가 개시되었으며, 특정한 용어들이 사용되었으나 이는 단지 본 발명의 실시형태를 설명하기 위한 목적으로 사용된 것이지 의미를 한정하거나 특허 청구범위에 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 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.
100: 제1N채널 MOSFET
L1: 제1코일
C4: 제4콘덴서
C1: 제1절연용 콘덴서
C2: 제2절연용 콘덴서
L2: 제2코일
C3: 제3콘덴서
RL: 부하저항

Claims (4)

  1. 입력 전원 양단에 드레인 단자 및 소스 단자가 접속되고 게이트 단자에 입력되는 구동 펄스의 레벨에 따라 스위칭 동작되는 제1N채널 MOSFET(100);
    상기 입력 전원과 상기 제1N채널 MOSFET의 드레인 단자 사이에 접속되어 상기 제1N채널 MOSFET의 온 동작 시 자속이 대전 된 형태로 에너지를 저장하는 한편, 오프 동작 시 저장된 에너지를 방출하는 제1코일(L1);
    상기 제1코일 및 제1N채널 MOSFET의 드레인 단자에 일단이 접속되어 전원 입력단과 부하저항(RL) 사이를 절연시키는 제1절연용 콘덴서(C1);
    상기 제1N채널 MOSFET의 소스 단자에 일단이 접속되어 전원 입력단과 부하저항 사이를 절연시키는 제2절연용 콘덴서(C2); 및
    상기 제1절연용 콘덴서의 타단과 상기 제2절연용 콘덴서의 타단 사이에 접속되어 상기 제1코일에서 에너지 방출 시 자속이 대전 된 형태로 에너지를 전달받아 상기 부하저항에 승압된 또는 강압된 전원을 제공하는 제2코일(L2);을 포함하며,
    상기 제1코일에 병렬접속됨과 아울러 상기 제1N채널 MOSFET의 드레인 단자에 접속되어 입력전원을 통해 인가되는 노이즈를 제거하도록 구성된 제4콘덴서(C4)를더 포함하며,
    상기 제2코일과 병렬접속되어 상기 제2코일에 의해 제공되는 승압된 또는 강압된 전원을 정류시키는 다이오드(D1); 및
    상기 다이오드와 병렬접속되어 상기 다이오드에 의해 정류된 전원을 평활시키는 제3콘덴서(C3)를 더 포함하며,
    상기 제1절연용 콘덴서(C1) 및 제2절연용 콘덴서(C2)는 양면 도체를 갖는 PCB로 구현되는 저가의 절연형 승강압형 컨버터.
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