KR20130014972A - Ｌｌｃ 공진형 변환기 - Google Patents

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KR20130014972A
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강성인
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Abstract

실시예에 따른 LLC 공진형 변환기는 스위칭 제어 신호에 따라 스위칭 동작하는 스위칭부; 상기 스위칭부의 스위칭 동작에 따라 1차 권선측의 에너지를 2차 권선측에 전달하고, LLC 공진이 이루어지는 LLC 공진 탱크; 및, 상기 2차 권선측에 접속되고, 2차 권선측에 유도된 전압을 직류로 변환하는정류부를 포함하고, 상기 스위칭부는 복수의 스위칭 소자를 포함하고, 상기 LLC 공진 탱크는 상기 복수의 스위칭 소자의 각각과 병렬로 연결되는 복수의 트랜스포머를 포함한다.

Description

ＬＬＣ 공진형 변환기{LLC RESONANT CONVERTER}
본 발명은 LLC 공진형 변환기에 관한 것이다.
일반적으로, 전원 공급 장치는 전자기기에 적정 전원을 공급하도록 제공되었다. 그러나, 종래 전원 공급 장치는 대기 모드가 없으므로, 전자기기에서 대기 모드로 동작할 때에 소비전력이 상승하는 문제점이 있었다.
종래 전원 공급 장치를 통해 적정 전원을 공급받는 전자기기는 대기상태 시에, 자체적으로 대기 모드로 동작해야하므로, 대기 모드로 동작시키기 위한 구동 부품들이 내부에 내장되어 슬림화에 한계가 있다.
도 1은 일반적인 LLC 공진형 컨버터의 기본 회로도를 나타낸 것으로, (a)는 일반적인 다이오드 정류방식을 적용한 LLC 공진형 컨버터의 기본 회로도를 나타내고, (b)는 일반적인 동기정류기 정류방식을 적용한 LLC 공진형 컨버터의 기본 회로도를 나타낸다.
그러나, 최근의 통신기 및 전자기기 등에서 소비전력을 줄이기 위해 저전압 대전류의 출력 특성을 요구하고 있으므로 출력 전류에 비례하여 전력손실이 발생되는 다이오드 정류방식은 최근에 요구되는 출력 특성을 만족시킬 수 없는 단점을 가진다.
이에 따라, 최근에는 다이오드 정류방식(a) 대신에 전류에 의한 도통 손실을 줄일 수 있는 동기정류기 정류방식(b)이 많이 사용되고 있다.
또한, 컨버터 방식 중 공진형 컨버터는 이론적으로 스위칭 손실이 없기 때문에 높은 효율과 높은 주파수 및 높은 전력밀도를 갖는 컨버터를 설계할 수 있어 최근에 가장 많이 주목받고 있다.
특히, 전원장치의 제조가격을 줄일 수 있으면서도 비교적 중대형 이상의 고출력에서 효율적으로 동작할 수 있는 LLC 공진형 하프 브릿지(Half Bridge) 컨버터는, 소프트 스위칭(soft switching) 기술을 사용하기 때문에 스위칭 손실이 적으며, 트랜스와 주요 스위치에 흐르는 전류의 실효 값 또한 작아 고효율 운전이 가능하다는 장점을 가진다.
이하, 일반적인 동기정류기 정류방식을 적용한 LLC 공진형 컨버터의 정상상태 동작과정을 첨부도면을 참조하여 설명하기로 한다.
도 2는 정상상태에서의 도 1의 (b) 도면의 등가 회로도를 나타내며, 도 3은 도 1의 (b) 도면의 회로가 정상상태 동작시 주요 소자의 전압과 전류 이론파형을 나타낸 그래프로서, 도 2 및 도 3을 참고로 하여 각 모드별 동작과정을 설명하면 다음과 같다.
(a)는 모드 1 (여기서 모드 1은 T0～T1 시간에서의 동작과정을 의미)에서의 회로도로서, (a)에서 도시한 바와 같이, T0에서 스위치 Q1이 오프 될 때, 공진 인덕터 LR에는 역전류(iLR)가 흐르게 되고, 이 역전류(iLR)가 스위치 Q2의 기생 다이오드를 통해 흐르는 동안 스위치 Q2는 영전압 스위칭(Zero Voltage Switching ;ZVin)에 도달하게 된다.
이때, 트랜스의 일차측 전압 vp 는 입력전압 Vin에 이르게 되고, 이로 인해 트랜스 이차측에 정전압이 유기됨에 따라 동기정류기 Q3는 턴 온이 되어 전류를 도통시키게 된다. 이때 동기정류기 Q4는 역 바이어스 상태가 되므로 오프 상태가 된다.
(b)는 모드 2 (여기서 모드 2는 T1～T2 시간에서의 동작과정을 의미)에서의 회로도로서, (b)에서 도시한 바와 같이, 이 구간에서는 스위치 Q2는 턴 온 되고 스위치 Q1은 오프 상태에 있다.
이때, 공진 인덕터 LR에 흐르는 전류(iLR)은 정방향이 되고, 이 전류(iLR)는 사인(sine)곡선을 가지며 증가하게 된다. 이에 따라 점점 증가하다가 시점 T2에서 인덕터 LM과 LR에 흐르는 전류 ILR, ILM은 서로 동일해진다.
(c)는 모드 3 (여기서 모드 3는 T2～T3 시간에서의 동작과정을 의미)에서의 회로도로서, (c)에서 도시한 바와 같이, 이 구간부터는 ILR과 ILM이 서로 동일해지면서 트랜스 이차측에 흐르는 전류(io)는 0이 된다.
이에 따라 트랜스 2차측의 동기정류기 Q3, Q4는 오프 상태가 되며, 이 구간이 끝나는 T3 직전 시점은 스위칭 Q1,, Q2 모두 오프 되어 있는 시점이므로,　데드 타임(dead time)에 해당한다. 나머지 반주기 동작은 상술한 반주기 동작과 마찬가지로 설명할 수 있다.
그러나 상기 회로도에 의한 LLC 공진형 변환기는 중용량(예를 들어 400W)급으로 설계시 대용량의 코어(core) 사이즈 적용이 불가피하며 상기 코어는 44mm의 높이로 설계되어 코어 자체의 높이뿐만 아니라 보빈의 높이에 의해서도 슬림화의 구현이 용이하지 않다는 문제점이 있다.
실시예에 따른 LLC 공진형 변환기는 복수의 스위칭부와 각각 병렬로 연결되는 트랜스포머를 복수개 형성함으로써, 입력전류의 리플을 감소시킬 수 있고, 이에 따라 트랜스포머 각각에 흐르는 전류를 감소시킬 수 있다.
이에 따라 각 트랜스포머에 감게되는 권선의 굵기도 종전 방법에 비해 1/2 이하의 얇은 두께로 사용할 수 있으므로 전자기기의 슬림(slim)화를 가능하게 할 수 있다.
실시예에 따른 LLC 공진형 변환기는 스위칭 제어 신호에 따라 스위칭 동작하는 스위칭부; 상기 스위칭부의 스위칭 동작에 따라 1차 권선측의 에너지를 2차 권선측에 전달하고, LLC 공진이 이루어지는 LLC 공진 탱크; 및, 상기 2차 권선측에 접속되고, 2차 권선측에 유도된 전압을 직류로 변환하는정류부를 포함하고, 상기 스위칭부는 복수의 스위칭 소자를 포함하고, 상기 LLC 공진 탱크는 상기 복수의 스위칭 소자의 각각과 병렬로 연결되는 복수의 트랜스포머를 포함한다.
실시예에 따른 LLC 공진형 변환기는 복수의 스위칭부와 각각 병렬로 연결되는 트랜스포머를 복수개 형성함으로써, 입력전류의 리플을 감소시킬 수 있고, 이에 따라 트랜스포머 각각에 흐르는 전류를 감소시킬 수 있다.
이에 따라 각 트랜스포머에 감게되는 권선의 굵기도 종전 방법에 비해 1/2 이하의 얇은 두께로 사용할 수 있으므로 전자기기의 슬림(slim)화를 가능하게 할 수 있다.
도 1(a)는 일반적인 다이오드 정류방식을 적용한 LLC 공진형 컨버터의 기본 회로도이고, (b)는 일반적인 동기정류기 정류방식을 적용한 LLC 공진형 컨버터의 기본 회로도.
도 2는 정상상태에서의 도 1의 (b) 도면의 등가 회로도.
도 3은 도 1의 (b) 도면의 회로가 정상상태 동작시 주요 소자의 전압과 전류 이론파형을 나타낸 그래프
도 4는 발명의 실시예에 따른 LLC 공진형 변환기의 회로도
도 5는 도 4의 회로 동작시 주요 소자의 전류흐름을 나타낸 도면.
이하, 본 발명의 바람직한 실시 예에 대하여 첨부도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다. 기타 실시 예들의 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다. 본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예를 참조하면 명확해질 것이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.
도 4는 발명의 실시예에 따른 LLC 공진형 변환기를 나타낸 회로도이다.
LLC 공진형 변환기는 스위칭 제어 신호에 따라 스위칭 동작하는 스위칭부(switching part,100), 상기 스위칭부의 스위칭 동작에 따라 1차권선측의 에너지를 2차권선측에 전달하고, LLC 공진이 이루어지는 LLC 공진 탱크(LLC resonant tank,200) 및 상기 2차권선측에 접속되고, 2차권선측에 유도된 전압을 직류로 변환하는 정류부(rectifier part,300)로 구성되어 있다.
스위칭부(100)는 제1 스위칭 소자(Q1)와 제2 스위칭 소자(Q2)를 가지고 입력전원(Vin)을 스위칭한다.
제1 스위칭 소자(Q1)와 제2 스위칭 소자(Q2)는 기생 내부 다이오드를 가지는 MOSFET(MOS field-effect transistor)으로 구성된다.
LLC 공진 탱크(200)는 공진용 콘덴서(resonant capacitor,Cr)를 사용하여 구성될 수 있다. 상기 트랜스는 기생 누설 인덕턴스(leakage inductance:Ll,L2)와 기생 자화 인덕턴스(magnetizing inductance:223, 224)를 포함하고 있으며, 1차 권선측과 2차 권선측을 분리하여 감는 방식으로 제작될 수 있다.
제1 및 제2 트랜스(T1, T2)는 1차 권선과 2차 권선을 포함하고, 2차 권선은 제1권선(233)과 제2권선(234)을 가지고 있으며, 제1권선(233)과 제2권선(234)은 각각의 일단이 서로 연결되어 있다. 제1권선(233)과 제2권선(234)은 직렬로 연결될 수 있다. 즉, 2차측의 트랜스는 직렬로 연결될 수 있다.
상기 제1 및 제2 트랜스(T1, T2)는 상기 스위칭부(100)의 스위칭에 따라 1차 권선측의 에너지를 2차 권선측에 전달하는 기능을 한다.
1차 측의 상기 제1 및 제2 트랜스(T1, T2)는 상호 반대 극성으로 연결될 수 있다.
공진용 콘덴서(Cr)는 스위칭부(100)와 제1 및 제2 트랜스(T1, T2)의 1차 권선을 포함하는 회로 루프 내에 연결되어 있다. 구체적으로, 제1 공진용 콘덴서(Cr1)의 일단은 트랜스의 1차 권선의 일단과 연결되고, 제1 공진용 콘덴서(Cr1)의 타단은 제1 스위칭 소자(Q1)와 연결될 수 있다. 이는 제2 공진용 콘덴서(Cr2)의 경우에도 마찬가지로 적용될 수 있다.
LLC 공진 탱크(200)는 대역통과필터(band pass filter) 특성으로 표현될 수 있고, 동작 주파수는 기본 성분을 가지며 다른 높은 하모닉 성분(harmonic components)은 무시될 수 있다. 이런 FHA(First Harmonic Approximation)기법을 이용하여 LLC 공진형 변환기의 정현파 해석을 위한 등가 회로 모델을 유도할 수 있다.
제1 트랜스(T1)는 제1 스위칭 소자(Q1)와 병렬로 연결되고, 제2 트랜스(T2)는 제2 스위칭 소자(Q2)와 병렬로 연결된다. 그리고 상기 제1 및 제2 트랜스(T1, T2)는 상호 반대 극성으로 연결된다.
이에 따라 제1 스위칭 소자(Q1) 및 제2 스위칭 소자(Q2)가 상호 번갈아 동작하는 경우 제1 공진용 콘덴서(Cr1)와 제2 공진용 콘덴서(Cr2)는 충전과 방전을 교대로 수행하게 된다.
상기 구성에 의해 두 개의 스위칭 소자에 하나의 트랜스가 연결되는 경우에 비해 전류 스펙이 낮은 소자를 적용할 수 있다. 이는 트랜스포머가 하나인 경우에 비해 입력전류의 리플이 감소하게 되고, 이에 따라 제1 및 제2 트랜스(T1, T2) 각각에 흐르는 전류가 감소할 수 있기 때문이다.
즉, 제1 스위칭 소자(Q1) 및 제2 스위칭 소자(Q2)와 각각 병렬로 연결되는 트랜스를 복수 형성함으로써, 입력전류의 리플을 감소시킬 수 있고, 이에 따라 트랜스 각각에 흐르는 전류를 감소시킬 수 있다.
이에 따라 각 트랜스포머에 감게되는 권선의 굵기도 종전 방법에 비해 1/2 이하의 얇은 두께로 사용할 수 있으므로 전자기기의 슬림(slim)화를 가능하게 할 수 있다.
정류부(300)는 트랜스의 2차 권선측에 연결되고 2차 권선측에 유도된 전압을 직류로 변환하여 출력한다. 정류부(300)는 정류기인 제1,2,3,4 다이오드(D1, D2, D3, D4) 및 평활 콘덴서(Co)를 가진다. 상기 평활 콘덴서(Co)는 부하(RL)와 병렬로 연결된다.
상기 2차 권선측에 연결되는 복수의 트랜스포머는 직렬로 연결된 제1권선(233)과 제2권선(234)을 포함하고 상기 제1,3 다이오드는 직렬로 연결되고, 제2,4 다이오드는 직렬로 연결되며 상기 제1,3 다이오드 및 제2,4 다이오드는 병렬로 연결될 수 있다.
그리고, 상기 제1권선(233)은 상기 제1 다이오드의 애노드와 제3 다이오드의 캐소드의 사이에 연결되고 상기 제2권선(234)은 상기 제2 다이오드의 애노드와 제4 다이오드의 캐소드의 사이에 연결될 수 있다.
도 4에 도시된 바와 같이, 제1,2,3,4 다이오드(D1, D2, D3, D4)로는 짧은 리커버리(recovery) 시간과 낮은 전도 전압(conduction voltage)을 가지는 쇼트키 배리어(schottky barrier) 다이오드를 사용할 수 있다.
제1 다이오드(D1)의 애노드(anode)는 2차권선측의 제1권선의 일단에 연결되고 제4 다이오드(D4)의 캐소드(cathode)는 2차권선측의 제2권선의 일단에 연결된다. 제1,2,3,4 다이오드(D1, D2, D3, D4)는 평활 콘덴서(C)의 일단에 연결될 수 있다.
상호 번갈아 동작하는 상기 제1 및 제2 트랜스(T1, T2)를 통해 변환된 전력은 상기 부하(RL)에 공급된다.
도 5는 도 4의 회로 동작시 주요 소자의 전류흐름을 점선으로 나타낸 도면이다.
상기 제1스위칭 소자(Q1)는 제1 스위칭 신호에 의해 동작하고, 제2 스위칭 소자(Q2)는 제2 스위칭 신호에 의해 동작한다. 다시 말하면, 제1 스위칭 신호가 하이 레벨이고, 제2 스위칭 신호가 로우 레벨이면, 상기 스위칭부(100)의 제1 스위칭 소자(Q1)가 온(on)되고, 상기 스위칭부(100)의 제2 스위칭 소자(Q2)는 오프(off) 된다.
이에 따라 제1 스위칭 소자(Q1)를 통해 제1 트랜스(T1)의 누설 인덕턴스, 공진용 컨덴서(Cr1) 및 1차 권선을 통해 정현파 공진 전류가 흐르고, 상기 제1 트랜스(T1)의 1차 권선의 전압이 2차 권선으로 유기되어 권선비에 따라 변환된다. 이 변환된 전압은 정류부(300)를 통해 출력된다.
예를 들면, 1차 권선과 2차 권선의 권선비가 2:1일 경우, 입력전압이 24[V]이면 트랜스포머의 2차 권선측에는 12[V]가 출력된다.
반대로 제1 스위칭 신호가 로우 레벨이고, 제2 스위칭 신호가 하이 레벨이면, 상기 스위칭부의 제2 스위칭 소자가 온(on)되고, 상기 스위칭부(100)의 제1 스위칭 소자(Q1)는 오프(off) 된다. 이에 따라 제2 스위칭 소자(Q2)를 통해 제2 트랜스(T2)의 누설 인덕턴스, 공진용 컨덴서(Cr2) 및 1차 권선을 통해 정현파 공진 전류가 흐르고, 상기 제2 트랜스(T2)의 1차 권선의 전압이 2차 권선으로 유기되어 권선비에 따라 변환된다. 상기 변환된 전압은 정류부(300)를 통해 출력된다.
도 5는 제2 스위칭 신호가 하이 레벨인 경우의 전류 흐름을 도시한 것으로, 상기 스위칭부(100)의 제2 스위칭 소자가 온(on)되고, 제1 스위칭 소자(Q1)는 오프(off)된 경우를 나타낸 것이다.
1차측 소자의 전류 흐름을 살펴보면 상기 제2 스위칭 소자가 온(on)되고, 제1 스위칭 소자(Q1)는 오프(off)됨에 따라 입력전압(Vin)은 제1 공진용 콘덴서(Cr1)와 인덕턴스(Ll)를 거쳐 제1 트랜스(T1) 및 제2 스위칭 소자(Q2)를 통해 전류가 바이어스 되고, 제2 공진용 콘덴서(Cr2)는 방전하게 된다.
2차측 소자의 전류 흐름을 살펴보면 전류는 제2권선(234)과 제1권선(233)을 통해 제1 다이오드(D1)를 지나, 병렬연결된 평활 콘덴서(Co)와 부하(RL)를 거쳐 제4 다이오드(D4)를 통해 흐르게 된다.
상기 제1스위칭 소자(Q1) 및 제2 스위칭 소자(Q2)는 번갈아 동작하므로, 제2 스위칭 소자가 오프(off)되고, 제1 스위칭 소자(Q1)는 온(on)되는 경우, 2차측 전류는 제1권선(233)과 제2권선(234)을 통해 제2 다이오드(D2)를 지나, 병렬연결된 평활 콘덴서(Co)와 부하(RL)를 거쳐 제3 다이오드(D3)를 통해 흐르게 된다.
즉, 상기 제2 스위칭 소자가 온(on)된 경우의 전류와 반대로 동작하게 된다.
이상에서 검토한 바와 같이, 제1 및 제2 트랜스(T1, T2)가 각각 제1 스위칭 소자(Q1) 및 제2 스위칭 소자(Q2)와 병렬로 연결되어 종래 트랜스가 하나만 형성된 경우에 비해 입력전류의 리플이 감소되고, 트랜스 각각에 흐르는 전류가 감소하게 되어 권선의 굵기를 감소시킬 수 있어, 소자의 슬림화가 가능하게 된다.
이상에서 실시예들에 설명된 특징, 구조, 효과 등은 본 발명의 적어도 하나의 실시예에 포함되며, 반드시 하나의 실시예에만 한정되는 것은 아니다. 나아가, 각 실시예에서 예시된 특징, 구조, 효과 등은 실시예들이 속하는 분야의 통상의 지식을 가지는 자에 의해 다른 실시예들에 대해서도 조합 또는 변형되어 실시 가능하다. 따라서 이러한 조합과 변형에 관계된 내용들은 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
이상에서 실시예를 중심으로 설명하였으나 이는 단지 예시일 뿐 본 발명을 한정하는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 실시예의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위에서 이상에 예시되지 않은 여러 가지의 변형과 응용이 가능함을 알 수 있을 것이다. 예를 들어, 실시예에 구체적으로 나타난 각 구성 요소는 변형하여 실시할 수 있는 것이다. 그리고 이러한 변형과 응용에 관계된 차이점들은 첨부된 청구 범위에서 규정하는 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (8)

  1. 스위칭 제어 신호에 따라 스위칭 동작하는 스위칭부;
    상기 스위칭부의 스위칭 동작에 따라 1차 권선측의 에너지를 2차 권선측에 전달하고, LLC 공진이 이루어지는 LLC 공진 탱크; 및,
    상기 2차 권선측에 접속되고, 2차 권선측에 유도된 전압을 직류로 변환하는정류부를 포함하고,
    상기 스위칭부는 복수의 스위칭 소자를 포함하고,
    상기 LLC 공진 탱크는 상기 복수의 스위칭 소자의 각각과 병렬로 연결되는 복수의 트랜스포머를 포함하는 LLC 공진형 변환기.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 스위칭부는 각각 기생 내부 다이오드를 가지는 MOSFET로 형성되는 LLC 공진형 변환기.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 2차 권선측에 연결되는 복수의 트랜스포머는 직렬로 연결되는 LLC 공진형 변환기.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 1차 권선측에 연결되는 복수의 트랜스포머는 상호 반대 극성을 갖도록 형성되는 LLC 공진형 변환기.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 1차 권선측에 연결되는 복수의 트랜스포머와 각각 연결되는 복수의 공진용 콘덴서를 포함하는 LLC 공진형 변환기.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 복수의 공진용 콘덴서는 충전과 방전이 상호 번갈아 일어나는 LLC 공진형 변환기.
  7. 제3항에 있어서,
    상기 2차 권선측에 연결되는 복수의 트랜스포머는 직렬로 연결된 제1권선과 제2권선을 포함하고 제1 및 제2 권선과 전기적으로 연결되는 제1,2,3,4 다이오드를 포함하며, 상기 제1,3 다이오드는 직렬로 연결되고, 제2,4 다이오드는 직렬로 연결되며 상기 제1,3 다이오드 및 제2,4 다이오드는 병렬로 연결되는 LLC 공진형 변환기.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 제1권선은 상기 제1 다이오드의 애노드와 제3 다이오드의 캐소드의 사이에 연결되고 상기 제2권선은 상기 제2 다이오드의 애노드와 제4 다이오드의 캐소드의 사이에 연결되는 LLC 공진형 변환기.
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