KR20150122646A - 쉴드에 접속된 트랜스포머를 이용한 잡음이 감소된 벅/부스트 변환기 - Google Patents

쉴드에 접속된 트랜스포머를 이용한 잡음이 감소된 벅/부스트 변환기 Download PDF

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Abstract

더 적은 잡음을 생성하는 전력 변환기가 개시된다. 예를 들면, 일실시예에서, 전력 변환기는 제 2 인덕터에 자기적으로(magnetically) 접속된 제 1 인덕터, 상기 제 2 인덕터의 제 1 단부는 전기적으로 개방되며(open) 그리고 상기 제 2 인덕터의 제 2 단부는 제 2 캐패시터, 제 1 인덕터에 전기적으로 연결된 트랜지스터를 통해 접지단에 전기적으로 접속되며, 상기 트랜지스터의 스위칭을 제어하는 제어회로를 포함할 수 있으며, 상기 트랜지스터가 상기 제어회로에 의해서 반복적으로 스위칭 온 및 오프되는 때, 전류 루프가 상기 트랜지스터, 상기 제 1 인덕터, 상기 제 2 인덕터, 및 상기 제 2 캐패시터를 통해 형성되며, 상기 전류 루프는 감소된 분량의 스위칭 잡음이 상기 전력 변환기에 의해서 생성되게 한다.

Description

쉴드에 접속된 트랜스포머를 이용한 잡음이 감소된 벅/부스트 변환기{REDUCED NOISE BUCK/BOOST CONVERTER USING TRANSFORMER COUPLED SHIELD}
본 출원은 2013년 2월 22일자로 출원된 "Transformer shield to mitigate common-mode noise due to interwinding capacitance in non-isolated power supply" 라는 명칭의 미국 가출원(61/768,112)의 우선권을 주장하며, 상기 미국 가출원은 본 발명에 대한 참조로서 그 전체 내용이 본 명세서에 통합된다.
본 명세서에 제공된 배경 설명은 본 발명의 문맥을 일반적으로 제시하기 위한 것이다. 출원시에 종래 기술로 인정될 수 없는 설명 측면 뿐만 아니라 본 배경기술 란에 설명된 정도까지 현재 명명된 발명자의 업적은 명시적으로든 또는 암시적으로든 본 발명에 대한 종래 기술로 인정되어서는 아니된다.
고효율 스위치-모드 전력 변환기는 더 작아진 구성요소들의 사이즈(예컨대, 변압기(transformer) 및 인덕터) 및 최적 효율이라는 장점과 더불어 높은 스위칭 주파수에서 동작한다. 하지만, 이들 장점들은 전자기파 간섭(Electro Magenetic Interferecne: EMI)의 증가라는 댓가에 직면하고 있다.
전력 변환기에서 빠르게 변화하는 전압 및 전류 신호들은, 회로 소자들 간의 상호 인덕턴스(mutual inductance) 혹은 용량성 커플링을 통해 바람직하지 않은 잡음을 내부적으로 유발할 것이다. 스위치-모드 전력 변환기 외부로 잡음이 전파되는 방식들 중 하나는(30 MHz 이하의 주파수들의 경우), 전력 변환기에 전력을 공급하는 전력 라인(power line)을 통해 역류하는 것이며, 이는 방사 EMI 소스들로서 작용한다.
본 발명의 다양한 양상들 및 실시예들이 다음에 보다 상세히 설명된다.
일실시예에서, 전력 변환기는, 제 1 단부 및 제 2 단부를 갖는 제 1 인덕터, 상기 제 1 인덕터는 상기 제 1 단부에서 다이렉트 전압 전원(direct-voltage power source)에 전기적으로 연결되고, 그리고 상기 제 2 단부에서 트랜지스터의 제 1 파워 리드(power lead) 및 다이오드의 애노드에 전기적으로 연결되며; 제 1 단부와 제 2 단부를 갖는 제 1 캐패시터, 상기 제 1 캐패시터는 상기 제 1 캐패시터의 제 1 단부에서 상기 다이렉트 전압 전원에 전기적으로 접속되고, 그리고 상기 제 1 캐패시터의 제 2 단부에서 상기 다이오드의 캐소드에 전기적으로 접속되며; 제 1 단부와 제 2 단부를 가지며 상기 제 1 인덕터에 자기적으로(magnetically) 접속된 제 2 인덕터, 상기 제 2 인덕터의 제 1 단부는 전기적으로 개방되며(open) 그리고 상기 제 2 인덕터의 제 2 단부는 제 2 캐패시터를 통해 접지단에 전기적으로 접속되며; 그리고 상기 트랜지스터의 스위칭을 제어하는 제어회로를 포함한다.
다른 실시예에서, 전력 변환기로서, 제 1 단부와 제 2 단부를 갖는 제 1 인덕터, 상기 제 1 인덕터는 상기 제 1 단부에서 제 1 캐패시터에 전기적으로 연결되고, 그리고 상기 제 2 단부에서 트랜지스터의 제 1 파워 리드 및 다이오드의 애노드에 전기적으로 연결되며; 제 1 단부와 제 2 단부를 가지며 상기 제 1 인덕터에 자기적으로 접속된 제 2 인덕터, 상기 제 2 인덕터의 제 1 단부는 전기적으로 개방되며(open) 그리고 상기 제 2 인덕터의 제 2 단부는 제 2 캐패시터를 통해 접지단에 전기적으로 접속되며; 그리고 상기 트랜지스터의 스위칭을 제어하는 제어회로를 포함한다.
또 다른 실시예에서, 전력 변환기는 제 2 인덕터에 자기적으로 접속되는 제 1 인덕터, 상기 제 2 인덕터의 제 1 단부는 전기적으로 개방되고 상기 제 2 인덕터의 제 2 단부는 제 2 캐패시터를 통해 접지단에 전기적으로 연결되며, 상기 제 1 인덕터에 전기적으로 연결된 트랜지스터, 및 상기 트랜지스터의 스위칭을 제어하는 제어회로를 포함하며, 상기 트랜지스터가 상기 제어회로에 의해서 반복적으로 온 및 오프될 때, 트랜지스터, 제 1 인덕터, 제 2 인덕터, 및 제 2 캐패시터를 통해 전류 루프가 형성되며, 상기 전류 루프는 감소된 분량의 스위칭 잡음이 전력 변환기에 의해서 생성되게 한다.
본 발명의 다양한 실시예들이 일례로서 제안되며, 이들 일례들은 다음의 도면들을 참조하여 보다 상세히 설명될 것이다. 도면들에서 유사한 도면부호들은 유사한 구성요소들을 나타낸다.
도1은 유도성 쉴드(inductive shield)를 이용하여 전자기파 간섭(EMI)을 감소시키도록 된 벅-부스트(buck-boost) 전력 변환기의 일례를 도시한다.
도2는 도1의 전력 변환기와 함께 이용될 수 있는 유도성 쉴드를 구비한 인덕터의 일례를 도시한다.
도3은 도1에 도시된 벅-부스트 전력 변환기의 EMI 테스트 결과를 도시한다.
아래에 서술되는 방법들 및 시스템들은 일반적으로 서술될 수 있으며, 뿐만 아니라 특정 일례들 및/또는 특정 실시예들의 관점에서 서술될 수도 있다. 예컨대, 상세한 사례들 및/또는 실시예들이 참조되는 경우, 본 발명의 토대가 되는 원리들 중 임의의 원리는 하나의 실시예만으로 한정되지 않음을 유의해야 하며, 특별히 달리 언급하지 않는 한, 해당 기술분야의 당업자들에 의해서 이해되는 바와 같이 본 명세서에 서술된 다른 방법들 및 시스템들 중 임의의 것과 함께 사용되도록 확장될 수 있음을 유의해야 한다.
본 발명은 2-스테이지(two stage) 입력 필터를 사용함이 없이, 전력 변환기에 의해서 생성되는 공통-모드(common-mode) 전류의 양를 효과적으로 감소시킬 수 있는 방법을 개시한다. 본 해결책은, 하나의 단부는 전기적으로 개방되고 그리고 다른 단부는 캐패시터를 통해 변환기의 반환 라인(return line)(즉, 접지)에 연결되는, 변압기 권선(transformer winding)의 형태인 쉴드를 수반한다. 이러한 권선은 공통-모드 잡음을 전력 변환기 내에 국한시킴으로써 전력 라인들로부터 공통-모드 잡음을 우회(divert)시키는데 도움을 줄 수 있다.
도1은 유도성 쉴드를 이용하여 전자기파 간섭(EMI)을 감소시키도록 구성된 예시적인 벅-부스트 전력 변환기를 도시한다. 도1에 도시된 바와 같이, 전력 변환기는 제 1 필터(110), 정류기(120), 제 2 필터(130), 제 3 필터(140), 관련 바이어스 회로(152)를 구비한 제어 회로(150), 제 1 인덕터(L1), 상기 제 1 인덕터(L1)에 자기적으로 접속된 제 2 인덕터(L2), 제 1 캐패시터(C1), 제 2 캐패시터(C2), 다이오드(D1), 트랜지스터(Q1), 저항(R1), LED 부하 (LLED)를 포함한다.
도1의 예시적인 제어 회로(150)는 LED 부하 (LLED)를 구동할 수 있는 LED 구동기가 될 수도 있음을 유의해야 하며 그리고 상기 관련 바이어스 회로(152)는 제조자의 권고에 따를 수도 있음을 유의해야 한다. 하지만, 도1이 제어 회로(150) 및 관련 바이어스 회로(152)는 비-제한적인 일례로 간주되어야 하며, 그리고 본 발명을 숙독한 해당 기술분야의 당업자라면 전력 변환기를 위해 이용될 수 있는 기본적인 스위치-제어 기능이 제공되는 한, 상기 제어 회로(150)가 거의 제한없는 형태를 취할 수 있음을 능히 이해할 수 있을 것이다.
동작시, 교류(AC) 전원이 제 1 필터(110)를 통해 정류기(120)에 제공된다. 정류기(120)는 교류 전원을 이용하여 정류된 전압 VR 을 생성한다. 이후, 전류는 필터들(130, 140)을 통해 노드 N1으로 흐르며, 노드 N1에서는 제 1 인덕터(L1), 제 1 캐패시터(C1), 다이오드(D1), 트랜지스터(Q1), 저항(R1) 및 제어 회로(150)가 벅-부스트 전력 변환기로 구성된다. 즉, 제어 회로(150)는 트랜지스터(Q1)가 원하는 주파수에서 온/오프를 스위칭하게 하여, 제 1 인덕터(L1) 및 다이오드(D1)로 하여금 제 1 캐패시터(C1) 양 단에 동작 전압(working voltage)을 생성하게 하며, 상기 동작 전압은 부하(가령, 직렬로 배치된 2개 이상의 LED)에 전원을 제공하는데 이용될 수 있다. 비록, 도1의 일례가 벅-부스트 토폴로지를 이용하지만, 임의의 다른 공지된 혹은 후속으로 개발된 전력 토폴로지가 또한 채용될 수도 있음을 유의해야 한다.
동작 동안, 트랜지스터(Q1)의 변함없는 스위칭(constant switching)은, 제 1 인덕터(L1)의 양단에 매우 큰 전압 스윙 dV/dt 를 생성한다. 제 1 인덕터(L1)와 쉴드 권선(즉, 제 2 인덕터 L2) 사이의 기생 커플링으로 인하여, 이와 같은 빠르게 변화하는 전압은 다음과 같은 공식 Ip = Cp ＊ dV/dt 에 기초하여, 기생 인터와인딩 캐패시터 Cp(parasitic interwinding capacitor Cp)(도1에 미도시)에 비례하는 전류 Ip 를 유도할 것이다. 제 2 인덕터(L2)가 전력 공급기(power supply)의 반환 경로(return path)(즉, 접지)에 연결되기 때문에, 대부분의 공통-모드 전류는 전력 라인 쪽으로 역류되는 것이 방지된다. 대신에, 트랜지스터(Q1)가 반복적으로 스위칭 온/오프하는 경우, 전류 루프 IL는 저항(R1), 트랜지스터(Q1), 제 1 인덕터(L1), 제 2 인덕터(L2), 및 제 2 캐패시터(C2)를 통해 형성된다. 전력 변환기에 의해서, 감소된 분량의 스위칭 잡음이 생성되게 하는 것이 바로 이 전류 루프 IL 이다.
이러한 해결책이 가장 효과적이기 위하여, 제 2 캐패시터(C2)는 접지단(혹은 다른 반환 경로)과 제 2 인덕터(L2) 둘다에 가능한한 가까워야한다. 이러한 것은, 루프 임피던스(특히, 기생 인덕턴스)를 현저하게(appreciably) 감소시킬 것이며 그리고 공통-모드 전류에 대한 최단 경로를 보장할 것이다.
전술한 바와 같은 접근법을 이용하게 되면, 전력 변환기에 전력을 제공하는 파워 리드(power leads)로 주입될 수 있는 잡음이 감소한다. 따라서, 필터링이 더 적게 요구되며 그리고 제 2 (pi-topology) 필터(130)는 실질적으로 더 작은(그리고 보다 저렴한) 구성요소들로 제작될 수 있다.
도2는 도1의 전력 변환기에 이용될 수 있는 유도성 쉴딩(inductive shielding)을 구비한 예시적인 인덕터(L1)를 도시한다.
도2에 도시된 바와 같이, 제 2 인덕터(L2)의 권선들(L2A 및 L2B 의 단부들을 갖음)에 의해 분리되는 제 1 인덕터(L1)의 권선들(L1A 및 L1B 의 단부들을 갖음)을 구비한, 페라이트 코어(ferrite core)(220)(혹은, 대등한 디바이스)가 제공된다. 인덕터 단부 L1A 및 L1B 는 전력 변환기에 연결된다. 인덕터 단부 L1A 는 전기적으로 개방(open)인 반면에, 인덕터 단부 L1B 는 접지단(혹은 다른 반환 라인)에 용량적으로 접속된다.
필요하거나 혹은 바람직한 경우, 각각의 인덕터(L1 및 L2)에 대한 권선들의 개수는 변할 수 있다. 하지만, 제 2 인덕터(L2)의 적어도 하나의 권선이, 제 1 인덕터(L1)의 하프-권선들(half-windings)(혹은 그 이상) 사이에 존재할 것이라고 예상된다. 하지만, 다른 실시예들은, 도2의 일반적인 와인딩 패러다임에 국한되지 않을 것이다. 예를 들어, 인덕터(L2)의 권선들은 인덕터(L1)의 권선들의 일측에 치우쳐서 배치될 수도 있으며, 혹은 대안적으로는 인덕터(L2)가 코어(220)와 접촉하지 않도록, 인덕터(L2)의 권선들은 인덕터(L1)의 권선들 위에 배치될 수도 있다.
도3은 도1에 도시된 개선된 벅-부스트 전력 변환기의 EMI 테스트 결과를 도시한다. 위쪽 그래프(310)는 유도성 쉴드를 사용하지 않은(즉, 인덕터 L2 및 캐패시터 C2가 없는) 도1의 회로에 대한 EMI 테스트 결과를 도시하는 반면에, 아래쪽 그래프(320)는 유도성 쉴드를 사용하는 도1의 회로에 대한 EMI 테스트 결과를 도시한다. 각각의 영역들(312, 322)에서 보여지는 바와 같이, 유도성 쉴드를 사용하는 경우 잡음 감소가 실질적으로 개선되며, 10 ㎒ 영역 부근에서 피크 노이즈 감소는 15db 에 근접한다.
비록, 일례로서 제안되는 특정 실시예들을 참조하여 본 발명이 서술되었지만, 해당 기술분야의 당업자들에게는 다양한 대안예들, 수정예들, 및 변형예들이 자명할 것이다. 따라서, 본 명세서에 서술된 바와 같은 본 발명의 실시예들은 예시적인 것으로 의도되며, 제한적인 것으로 의도된 것이 아니다. 본 발명의 기술적 사상을 벗어남이 없이도 다양한 변경들이 이루어질 수도 있음을 유의해야 한다.

Claims (19)

  1. 전력 변환기로서,
    제 1 단부(end)와 제 2 단부를 갖는 제 1 인덕터, 상기 제 1 인덕터는 상기 제 1 단부에서 다이렉트 전압 전원(direct-voltage power source)에 전기적으로 연결되고, 그리고 상기 제 2 단부에서 트랜지스터의 제 1 파워 리드(power lead) 및 다이오드의 애노드에 전기적으로 연결되며;
    제 1 단부와 제 2 단부를 갖는 제 1 캐패시터, 상기 제 1 캐패시터는 상기 제 1 캐패시터의 제 1 단부에서 상기 다이렉트 전압 전원에 전기적으로 접속되고, 그리고 상기 제 1 캐패시터의 제 2 단부에서 상기 다이오드의 캐소드에 전기적으로 접속되며;
    제 1 단부와 제 2 단부를 가지며 상기 제 1 인덕터에 자기적으로(magnetically) 접속된 제 2 인덕터, 상기 제 2 인덕터의 제 1 단부는 전기적으로 개방되며(open) 그리고 상기 제 2 인덕터의 제 2 단부는 제 2 캐패시터를 통해 접지단에 전기적으로 접속되며; 그리고
    상기 트랜지스터의 스위칭을 제어하는 제어회로
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 전력 변환기.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 트랜지스터가 반복적으로 스위칭 온 및 오프되는 때, 전류 루프가 상기 트랜지스터, 상기 제 1 인덕터, 상기 제 2 인덕터, 및 상기 제 2 캐패시터를 통해 형성되며, 상기 전류 루프는 감소된 분량의 스위칭 잡음이 상기 전력 변환기에 의해서 생성되게 하는 것을 특징으로 하는 전력 변환기.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 전류 루프 내의 기생 임피던스를 현저하게(appreciably) 최소화하도록, 상기 제 2 캐패시터는 상기 제 2 인덕터 및 상기 접지단에 근접하게 배치되는 것을 특징으로 하는 전력 변환기.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 제 1 인덕터와 제 2 인덕터를 자기적으로 접속하는 페라이트 코어를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전력 변환기.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제 2 인덕터의 적어도 하나의 권선은, 상기 제 1 인덕터의 적어도 하프-권선들(half-windings) 사이에 존재하는 것을 특징으로 하는 전력 변환기.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제 2 캐패시터의 제 1 단부와 상기 제 2 캐패시터의 제 2 단부 사이에 직렬로 접속되는 2개 이상의 발광 다이오드(LED)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전력 변환기.
  7. 전력 변환기로서,
    제 1 단부와 제 2 단부를 갖는 제 1 인덕터, 상기 제 1 인덕터는 상기 제 1 단부에서 제 1 캐패시터에 전기적으로 연결되고, 그리고 상기 제 2 단부에서 트랜지스터의 제 1 파워 리드에 전기적으로 연결되며;
    제 1 단부와 제 2 단부를 가지며 상기 제 1 인덕터에 자기적으로 접속된 제 2 인덕터, 상기 제 2 인덕터의 제 1 단부는 전기적으로 개방되며(open) 그리고 상기 제 2 인덕터의 제 2 단부는 제 2 캐패시터를 통해 접지단에 전기적으로 접속되며; 그리고
    상기 트랜지스터의 스위칭을 제어하는 제어회로
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 전력 변환기.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 제 1 인덕터, 다이오드, 상기 제 1 캐패시터, 및 트랜지스터는 벅-부스트(buck-boost) 전력 변환기를 제공하도록 구성되며, 상기 다이오드의 애노드는 상기 제 1 인덕터의 제 2 단부에 전기적으로 연결되는 것을 특징으로 하는 전력 변환기.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 트랜지스터가 반복적으로 스위칭 온 및 오프되는 때, 전류 루프가 상기 트랜지스터, 상기 제 1 인덕터, 상기 제 2 인덕터, 및 상기 제 2 캐패시터를 통해 형성되며, 상기 전류 루프는 감소된 분량의 스위칭 잡음이 상기 전력 변환기에 의해서 생성되게 하는 것을 특징으로 하는 전력 변환기.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 전류 루프 내의 기생 임피던스를 현저하게 최소화하도록, 상기 제 2 캐패시터는 상기 제 2 인덕터 및 상기 접지단에 근접하게 배치되는 것을 특징으로 하는 전력 변환기.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 제 1 인덕터에 전기적으로 접속되는 하나 이상의 잡음 필터들을 더 포함하며, 상기 잡음 필터들은, 상기 전력 변환기에 의해 생성되며 상기 전력 변환기에 전력을 제공하는 파워 리드들로의 잡음의 양을 감소시키도록 된 것을 특징으로 하는 전력 변환기.
  12. 제7항에 있어서,
    상기 제 1 인덕터와 제 2 인덕터를 자기적으로 접속하는 페라이트 코어를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전력 변환기.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 제 2 인덕터의 적어도 하나의 권선은, 상기 제 1 인덕터의 적어도 하프-권선들(half-windings) 사이에 존재하는 것을 특징으로 하는 전력 변환기.
  14. 제7항에 있어서,
    상기 제 2 캐패시터의 제 1 단부와 상기 제 2 캐패시터의 제 2 단부 사이에 직렬로 접속되는 2개 이상의 발광 다이오드(LED)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전력 변환기.
  15. 전력 변환 방법으로서,
    전력 변환기로 공급되는(leading to) 다이렉트 전압 전원(direct-voltage power source)을 제공하도록 입력 전압을 정류하는 단계, 상기 전력 변환기는 트랜지스터에 전기적으로 접속된 제 1 인덕터, 및 상기 제 1 인덕터에 자기적으로 접속된 제 2 인덕터를 포함하며, 상기 제 2 인덕터의 제 1 단부는 전기적으로 개방되고, 상기 제 2 인덕터의 제 2 단부는 캐패시터를 통해 접지단에 접속되며; 그리고
    출력 전압을 제공하도록 상기 트랜지스터를 스위칭하는 단계
    를 포함하는 전력 변환 방법.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 트랜지스터가 반복적으로 스위칭 온 및 오프되는 때, 전류 루프가 상기 트랜지스터, 상기 제 1 인덕터, 상기 제 2 인덕터, 및 상기 캐패시터를 통해 형성되며, 상기 전류 루프는 감소된 분량의 스위칭 잡음이 상기 전력 변환기에 의해서 생성되게 하는 것을 특징으로 하는 전력 변환 방법.
  17. 제15항에 있어서,
    페라이트 코어가 상기 제 1 인덕터와 제 2 인덕터를 자기적으로 접속하는 것을 특징으로 하는 전력 변환 방법.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 제 2 인덕터의 적어도 하나의 권선은, 상기 제 1 인덕터의 적어도 하프-권선들(half-windings) 사이에 존재하는 것을 특징으로 하는 전력 변환 방법.
  19. 제15항에 있어서,
    상기 출력 전압을 이용하여 적어도 2개 이상의 발광 다이오드들에 전원을 공급하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전력 변환 방법.
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