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KR100852550B1 - 자기-구동 동기식 정류를 위한 방법 및 회로 - Google Patents

자기-구동 동기식 정류를 위한 방법 및 회로 Download PDF

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KR100852550B1
KR100852550B1 KR1020007008821A KR20007008821A KR100852550B1 KR 100852550 B1 KR100852550 B1 KR 100852550B1 KR 1020007008821 A KR1020007008821 A KR 1020007008821A KR 20007008821 A KR20007008821 A KR 20007008821A KR 100852550 B1 KR100852550 B1 KR 100852550B1
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KR
South Korea
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coupled
switch
synchronous rectifier
terminal
voltage
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KR1020007008821A
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파링톤리챠드더블유.
쟝준
하트윌리암
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에릭슨 인크.
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Publication date
Application filed by 에릭슨 인크. filed Critical 에릭슨 인크.
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Abstract

전력 변환기용 자기-구동 동기식 정류 회로(42)에 관한 것이다. 이 회로는 제1 및 제2 단자를 갖는 2차 권선을 갖는 변압기(49, 70)와, 제2 변압기 단자에 결합되고 제어 단자를 갖는 제1 동기식 정류기(14)와, 상기 제1 변압기 단자에 결합되고 제어 단자를 갖는 제2 동기식 정류기(16)를 구비한다. 이 회로(42)는 또한 제1 동기식 정류기(14) 제어 단자에 결합되는 제1 스위치(44) 및 제2 동기식 정류기(14) 제어 단자에 결합되는 제2 스위치(46)를 구비한다. 제1 (44) 및 제2 스위치(46)는 또한 2차 권선에 결합된다. 제1 (14) 및 제2 (16) 동기식 정류기들의 스위칭 천이는 2차 변압기 권선의 전압의 극성 반전에 의해 개시된다.
동기식 정류기, 전력 변환기, 제어 단자, 스위칭 천이(switching transition), 변압기

Description

자기-구동 동기식 정류를 위한 방법 및 회로{A METHOD AND CIRCUIT FOR SELF-DRIVEN SYNCHRONOUS RECTIFICATION}
본 발명은 주로 논리 집적 회로에 관한 것으로서, 특히 모든 유형의 회로 형태(topology)에 적합한 전력 변환기(power converter)의 새로운 자기-구동 동기식 정류 방식(self-deriven synchronous rectification scheme)에 관한 것이다.
논리 집적 회로(IC's)가 높은 동작 주파수(high operating frequency)를 탐색시 낮은 작동 전압(lower working voltage)으로 바뀌며, 전체적인 시스템 크기가 계속적으로 감소함에 따라, 더 작고 높은 효율의 전력 모듈을 가진 전원 설계가 요구된다. 효율을 개선하여 전력 밀도를 증가시키기 위해서는, 상기와 같은 응용 유형에 있어서 동기식 정류가 필요하다. 동기식 정류라 함은, 회로에서의 정류 소자인 쇼트키 다이오드(Schottky diode)의 대용으로서 MOSFET과 같은 능동 소자를 이용하는 것을 말한다. 최근에는, 5 volt 이하의 출력 전압에 대한 DC/DC 모듈에서 동기식 정류기를 구동하는 바람직한 방법으로서, 자기-구동 동기 방식이 업계내에서 보편적으로 채택되어 왔다. 자기-구동 동기 방식은, 용이하고 효과적인 비용이며, 신뢰할 수 있는 동기식 정류 구현 방법을 제공한다.
상기 방식 대부분은, 보편적으로 "D, 1-D"(보상 구동) 유형의 형태로 공지되어 있는 소정의 형태와 이용되도록 설계된다. IEEE APEC 98 Proceedings, pp. 163-169의 Cobos, J.A. 등의 "Several alternatives for low output voltage on board converters"를 참조한다. 또한, 1996년 12월 31일, "Self-synchronized Drive Circuit for a Synchronous Rectifier in a Clamped-Mode Power Converter" 라는 명칭으로 Bowman 등에게 허여된 미합중국 특허 제 5,590,032 호 및, 1993년 12월 28일, "Zero-voltage Switching Power Converter with Lossless Synchronous Rectifier Gate Drive" 라는 명칭으로 Loftus에게 허여된 미합중국 특허 제 5,274,543 호를 참조한다. 상기 변환기 유형에 있어서, 2차 권선(secondary winding)의 전력 변압기 신호(power transformer signal)는 정확한 모양과 타이밍을 가져, 최소 변형하여 직접적으로 동기식 정류기를 구동한다. 도 1a는, 능동 클램프 포워드(active clamp forward)(10) 및 자기-구동 동기식 정류를 가진 상기와 같은 부류의 변환기에 대한 예를 도시하는 것으로서, 상기 자기-구동 동기식 정류는, 변압기의 2차 권선(18)과 출력 사이에 결합된 두 개의 동기식 정류기(14 및 16)를 포함하는 동기식 정류 회로(12)에 의해 제공된다. 이와 같은 변환기 유형의 변압기 신호(20)는, 도 1b에 도시된 바와 같이 동기식 정류기(14 및 16) 중 하나의 "온(on)" 시점에 각각 상응하는 두 개의 구별가능한 구간을 가진 사각형 형태를 갖는다.
하드-스위치식 반-브리지(hard-switched half-bridge)(HB)와 같은 형태, 전-브리지(full-bridge)(FB) 정류기 및, 푸쉬-풀(push-pull) 형태와 비-"D,1-D" 형태(예컨대, 수동 리셋(passive reset)을 이용한 클램프 포워드)에 있어서, 변압기 전압은 알아볼 수 있는 제로 전압 구간을 가짐으로써, 자기-구동 동기식 정류를 구현하는 것이 바람직하지 않게 된다. 따라서, 상기 회로 형태를 가진 외부 구동 회로를 이용할 필요가 있다. 변압기 전압을 이용하여 동기식 정류기를 구동하면, 상당 부분의 자유 송신(freewheeling) 기간 동안 동기식 정류기(14 및 16)에 이용된 MOSFET의 비병렬(anti-parallel) 기생 다이오드가 도통되는 결과가 나타나는데, 이는 모듈의 효율에 부정적인 영향을 미치는 것으로서 바람직하지 않다. 공진 리셋 포워드(resonant reset forward)에 대한 몇 가지 자기-구동 구현이 보고되었다. IEEE APEC 1994 Proceedings, pp. 786-792에 있는 Murakami, N. 등의 "A Highly Efficient, Low-profile 300 W Power Pack for Telecommunications Systems" 및, IEEE APEC 1995 Proceedings, pp. 297-302에 있는 Yamashita,N. 등에 의한 "A Compact, Highly Efficient 50 W On Board Power Supply Module for Telecommunication Systems"를 참조한다. 상기 구현에 있어서, 공진 리셋 간격은 자유 송신 기간 동안 정확한 게이트-구동 신호를 제공하도록 조절된다.
이전에는 효과적인 자기-구동 동기식 정류 방식을 전혀 이용할 수 없었다는 점에서, 본 발명은 하드-스위치식 HB, FB 및 푸쉬-풀 변환기를 포함하여 모든 유형의 형태에 적합한 자기-구동 동기식 정류 방식이라는 기술적인 장점이 있다.
한 실시예에 있어서, 전력 변환기의 자기-구동 동기식 정류 회로가 개시되어 있다. 상기 회로는 1차 및 2차 권선을 가진 변압기를 포함하는데, 상기 2차 권선은 제1 단자 및 제2 단자를 갖는다. 상기 회로는, 제2 변압기 단자에 결합되며 제어 단자를 가진 제1 동기식 정류기와, 제1 변압기 단자에 결합되며 제어 단자를 가진 제2 동기식 정류기를 포함한다. 제1 스위치가 제1 동기식 정류기의 제어 단자에 결합되며, 제2 스위치가 제2 동기식 정류기의 제어 단자에 결합된다. 상기 제1 및 제2 스위치는 2차 권선에 결합되는데, 여기서 상기 2차 권선 전압의 반대 극성에 의해 스위칭 천이(switching transition)가 일어난다.
다른 실시예에 있어서, 전력 변환기의 자기-구동 동기식 정류 회로가 개시되어 있다. 상기 회로는 1차 권선 및 2차 권선을 가진 변압기를 포함하며, 상기 2차 권선은 제1 단자 및 제2 단자를 갖는다. 상기 회로는 소스, 드레인, 게이트를 가진 제1 동기식 정류기 및, 소스, 드레인, 게이트를 가진 제2 동기식 정류기를 포함하는데, 상기 제1 동기식 정류기의 드레인은 2차 권선의 제2 단자에 접속하고, 상기 제2 동기식 정류기의 소스는 제1 동기식 정류기의 소스에 결합되며, 또한 상기 제2 동기식 정류기의 드레인은 2차 권선의 제1 단자에 결합된다. 상기 회로는 소스, 드레인, 게이트를 가진 제1 스위치를 포함하는데, 상기 제1 스위치의 드레인은 제1 동기식 정류기의 게이트에 결합되고, 상기 제1 스위치의 소스는 2차 권선의 제1 단자에 결합된다. 제1 스위치의 게이트는 2차 권선의 제2 단자에 결합된다. 상기 회로는 또한, 소스, 드레인, 게이트를 가진 제2 스위치를 포함하는데, 상기 제2 스위치의 소스는 2차 권선의 제1 단자에 결합되고, 제2 스위치의 게이트는 2차 권선의 제1 단자에 결합된다. 제2 스위치의 드레인은 제2 동기식 정류기의 게이트에 결합된다. 제1 및 제2 동기식 정류기의 스위칭 천이는 상기 2차 변압기 권선 전압의 반대 극성에 의해 일어난다.
또한, 1차 권선 및 2차 권선을 가진 변압기를 구비한 자기-구동 동기식 정류 회로를 이용하여, 전력 변환기로부터의 가변 전압(varying voltage)을 정류하는 방법이 개시되어 있는데, 여기서 상기 2차 권선은 제1 및 제2 단자를 포함한다. 상기 방법은 변압기의 1차 권선에 변화하는 신호를 인가하는 단계, 제1 동기식 정류기가 2차 권선의 제2 단자를 통해 전류를 도통하는 단계 및, 제1 스위치가 제1 동기식 정류기를 제어하는 단계를 포함한다. 제2 동기식 정류기는 2차 권선의 제1 단자를 통해 전류를 도통하며, 제2 스위치가 제2 동기식 정류기를 제어하는데, 여기서 상기 제1 및 제2 동기식 정류기의 스위칭 천이는 2차 변압기 권선 전압의 반대 극성에 의해 일어난다.
상기 본 발명 특징은, 첨부 도면을 참조하여 이하의 상세한 설명으로부터 더욱 잘 이해할 수 있을 것이다.
도 1a는 자기-구동 동기식 정류를 이용한 선행 기술 능동 클램프 포워드 변환기를 나타내는 도면.
도 1b는 도 1a에 도시된 "D,1-D" 유형 변환기의 일반적인 변압기 전압을 나타내는 도면.
도 2a는 수동 리셋을 이용한 선행 기술 클램프 포워드 회로를 나타내는 도면.
도 2b는 도 2a의 2차 변압기 전압 파형을 나타내는 도면.
도 3a는 본 발명의 실시예를 이용하는 수동 리셋을 가진 클램프 포워드 회로를 나타내는 도면.
도 3b는 도 3a의 수동 리셋을 가진 클램프 포워드 회로에 있어 본 발명 자기-구동 동기식 정류기의 전압 파형을 나타내는 도면.
도 4는 본 발명 및 선택적인 외부 인덕터(inductor)를 이용한 반파(half-wave) 정류기를 나타내는 도면.
도 5는 전파(full-wave) 정류기로 형성된 본 발명을 나타내는 도면.
도 6은 선행 기술의 자기-구동 방식을 이용한 능동 클램프 포워드 변환기의 일반 파형을 나타내는 도면.
도 7은 본 발명의 자기-구동 동기식 정류를 이용한 능동 클램프 포워드 변환기를 나타내는 도면.
도 8은 본 발명의 자기-구동 방식을 이용한 능동 클램프 포워드-플라이백(flyback) 회로를 나타내는 도면.
도 9는 본 발명의 자기-구동 동기식 정류 방식을 이용한 위상-편이된(phase-shifted) ZVS 전-브리지 회로를 나타내는 도면.
도 10은 하드 스위치식 반-브리지, 전-브리지, 또는 푸쉬-풀 유형의 변환기와 이용하기 위한 전파 정류기에 대한 본 발명의 자기-구동 동기 방식에 대한 실시예를 나타내는 도면.
도 11은 게이트-구동 전류-제한 저항기(gate-drive current-limiting resistor)(94 및 96)를 가진 전파 정류기에 대한 본 발명의 자기-구동 동기식 정류 방식의 실시예를 나타내는 도면.
도 12는 선택적인 게이트 전압 제한기(limiter)(90 및 92)를 가진 본 발명의 자기-구동 동기식 전파 정류기에 대한 실시예를 나타내는 도면.
도 13은 하드-스위치식 푸쉬-풀 형태의 동기식 정류기의 전류 파형을 나타내는 도면.
도 14는 포화가능한(saturable) 인덕터(60 및 62)를 구비하여 더블 펄싱(double pulsing)을 줄이는 본 발명 실시예를 나타내는 도면.
도 15는 포화가능한 인덕터를 구비한 본 발명 실시예의 일반 파형을 나타내는 도면.
도 16은 스위치(44 및 36)에 대해 각기 다른 변압기 접속을 이용하는 선택적인 실시예를 나타내는 도면.
각기 다른 도면에 있어 상응하는 숫자 및 기호는, 달리 나타나있지 않다면 상응하는 부분을 말한다.
이하는 본 발명 구조 및 방법에 대한 설명이다. 선행 기술 회로가 먼저 설명되고, 그 다음 본 발명에 대한 다수의 바람직한 실시예와 선택적인 실시예 및, 장점에 대한 설명이 이어진다.
도 2a를 참조하면, 여기에는 도 2b에 도시된 2차 변압기 전압 파형(28)을 이용하여, 수동 리셋을 가진 클램프 포워드 회로(22)가 도시되어 있다. 선행 기술의 자기-구동 동기 방식을 상기 형태에 적용함에 있어서의 문제점은, 자유 송신 단계 동안 도통하는 정류기(26) 대신 이용되는 동기식 정류기가 자유 송신 단계가 종료하기 전에 턴-오프(turn-off)(도 2b에서 파형(28)의 기간(30)에 상응함)된다는 점이다. 동기식 정류기 MOSFET(26)의 비병렬 기생 다이오드가 도통하여, 손실을 증가시킨다. 상기 MOSFET은, 상기 변환기 유형에 대한 자기-구동 동기식 정류를 효과적으로 구현하기 위해 자유 송신 기간 내내 온 상태를 유지하고 도통하여, 높은 효율을 얻을 필요가 있다.
본 발명은 두 개의 스위치(44 및 46)를 추가함으로써 상기 선행기술의 문제점을 해결하며, 이는 수동 리셋 레이아웃을 가진 클램프 포워드로 도 3a에 도시되어 있다. 상기 스위치(44 및 46)는 동기식 정류기(14 및 16)보다 더 작은 크기의 MOSFET이 바람직하다. 상기 스위치(44 및 46)는 각각, 동기식 정류기(14 및 16)를 구동하는데 이용된다. 상기 구동 방식에 있어서, 선행기술의 통상적인 자기-구동 방식과는 대조적으로, 상기 동기식 정류기(14 및 16)는 변압기 신호가 없어져 제로로 될 때도 온 상태를 유지하여 도통한다. 본 발명에 따르면, 동기식 정류기(14 및 16)는, 변압기 전압이 극성을 전환하면 턴 오프된다. 동기식 정류기(14 및 16)는 비병렬 다이오드인 구동 스위치(44 및 46)를 통해 턴 온되며, 변압기 전압이 스위치(44 및 46)를 통해 극성을 전환하면 턴 오프된다. 도시되어 있는 바와 같이, 인덕터(L0)는 동기식 정류기(16)와 출력 전압 단자(47) 사이에 직렬로 결합되어 전류 리플(ripple)을 평탄하게 하며, 커패시터(C0)는 레일을 가로질러 결합되어 전압을 평탄하게 하는 것이 바람직하다.
상기 자기-구동 동기식 정류 방식이 중대한 결점을 갖는다는 것을 한 눈에 알 수 있다. 도 3b를 참조하면, 시간(T<t0)에서, 정류기(14)가 오프되고 정류기(16)는 도통된다. 시간(T=t0)에서, 제1 스위치(14)는 턴 온되어 새로운 스위칭 사이클을 시작하려고 한다. 이상적인 변압기(49)(누설 인덕턴스 및 직렬 저항이 전혀 없음)이고 제2회로에 모든 기생 소자가 없다고 가정하면, 상기 제1 스위치(48)가 단락(short circuit)된다. 그 결과는 다음과 같다: 제1 스위치(48)가 턴 온 시에는, 비병렬 다이오드인 정류기(14)가 즉시 도통상태로 되고자 하며 정류기(16)가 여전히 온 상태를 유지함으로써, 변압기(49)의 2차 권선을 통해 단락이 형성되는 결과가 나타난다. 정류기(16)는 턴 오프되기 위해 변압기(49) 전압의 극성을 반대로 할 필요가 있지만, 상기 전압은 정류기(16)가 턴 오프되기 전에는 반대로 될 수 없다. 그러나, 상기 개념이 이상적인 부품과 회로 설계라고 가정하자. 따라서, 표유(stray) 인덕턴스 및 저항을 고려한다면, 수 킬로헤르츠의 스위칭 주파수에서, 일반적인 변환기 설계상에서 발견되는 표유 인덕턴스 및 저항은 정류기(16)를 2차적으로 턴 오프할 수 있는 충분한 전압을 허용한다는 것을 쉽게 알 수 있다. 정류기(14)는 순간적인 "단락"으로 턴 온된다.
본 발명의 구동 방식은 스위칭 천이동안 "슈트 스루우(shoot through)" 전류(단락으로 인한 피크 전류)를 초래하는데, 이것은 본원에 서술된 바와같이 보상될 수 있다. 대부분의 보드상에 설치된 전력 모듈은 전류 레벨 및 스위칭 주파수 를 위하여 설계되는데, 이들 슈트 스루우 전류들에 대해선 엄격하지 않다. 이 슈트 스루우 전류들은 동기식 정류기들(14 및 16)을 "늦게" 턴온 시키고 통상적인 자기 구동된 동기 방식의 경우와 같이 비병렬 기생 다이오드가 도통될때 모든 동기식 정류기들에 고유한 역 회복 효과(reverse recovery effect)로 인해 발생된 슈트 스루우 전류보다 덜 엄격하게 된다.
그러나, 슈트 스루우 전류가 이 회로의 정상적인 동작과 간섭하는 경우, 선택적인 외부 인덕터(60 및/또는 62)는 도4에 도시된 바와같이 동기식 정류기(14 및 16) 각각과 직렬로 부가된다. 이들 외부 인덕터(60 및 62)는 포화되도록 허용되는 1권선 페라이트 인덕터들이 바람직하며, 또는 스퀘어 루프 재료(square loop material)를 갖는 보다 전형적인 포화가능한 인덕터이다. 포화가능한 인덕터를 사용하면은 슈트 스루우 전류를 제거하면서 회로의 전체 수행성능에 대한 인덕터의 영향을 최소화할 수 있다.
전파 정류기와 함께 사용하기 위한 본 발명의 수행은 반파 정류기의 수행과 유사하고 이것이 도5에 도시되어 있다.
도1과 같은 종래의 자기 구동된 동기식 정류기에서, 동기식 정류기(14 및 16)는 변압기 전압이 제로로될때 턴오프되고 이로인해 MOSFETs의 비병렬 다이오드는 도6에 도시된 바와같이 통신 스테이지(76 및 78)동안 도통된다. 동기식 정류기(14 및 16)를 위하여 사용되는 MOSFETs의 비병렬 기생 다이오드는 매우 느려 이 적용 유형에서 충분히 빠르게 턴오프하지 않는데, 이로인해 슈트 스루우 전류가 발생된다. 이들 전류는 특히 전체 부하에서 매우 심하게 될 수 있는데, 이것 이 모듈의 수행성능을 절충시킨다. 동기식 정류가 보다 높은 스위칭 주파수(＞ 500kHz)에서 사용되는 것을 방지하는 효과들중 한 효과가 동기식 정류기들(14 및 16)에서 역 회복을 초래하는 손실이 된다는 것이 알려져 있다. 본 발명의 자기 구동 방식은 상술된 바와같은 역 회복 문제들을 해결하는 것이다.
본 발명의 동기식 자기 구동 방식의 부가적인 장점은 동기식 정류기들을 턴오프시키기 위하여 부가되는 부가적인 스위치(44 및 46)가 게이트 드라이브 신호에 대한 능동 댐퍼로서 작동한다는 것이다. 이 스위치(44 및 46)는 반도체 장치의 표유 인덕턴스 및 출력 커패시턴스의 상호작용으로 인한 2차 변압기 권선에서 통상적으로 나타나는 기생 발진으로부터의 동기식 정류기(14 및 16)의 게이트 신호에 버퍼를 제공한다. 종래 기술의 전형적인 자기-구동 방식은 통상적으로 부가적인 구성요소들을 부가하여 이 효과를 최소화한다.
도7 및 도8은 능동 클램프 포워드 변환기(80) 및 능동 클램프 포워드-플라이백 변환기(82) 각각과 함께 본 발명의 자기-구동 동기식 정류기(42)의 구현을 도시한 것이다. 도9는 위상-편이된 제로 전압 스위칭(ZVS) 전-브리지(84)와 함께 본 발명의 자기-구동 동기식 정류기(42)의 구현을 도시한 것이다.
본 발명은 각종의 수많은 회로 형태로 작동된다. 그러나, 이 개념은 어떤 부가적인 수정없이 하드 스위치식 반-브리지, 전-브리지 및 푸쉬-풀 형태에 직접적으로 적용될 수 없는데, 그 이유는 부하 전류가 자유 송신 단계동안 두개의 동기식 정류기(14 및 16)를 통해서 흐르기 때문인데, 이것은 상술된 임의의 형태들에 대한 것이 아니다. 도10은 푸쉬-풀 유형의 형태에서 전파 정류기에 대한 본 발명의 구현 을 도시한 것이다. 이 구현에서, 두개의 부가적인 스위치(90 및 92)가 부가되어 있다. 스위치(90 및 92)는 P형 MOSFET를 구비하고 자유 송신 단계동안 동기식 정류기(14 및 16)를 턴온시킨다. (90 및 92)의 게이트 구동에서 슈트-스루우 전류들이 관련되면, 저항기(94 및 96)는 스위치들(90 및 92) 각각과 직렬로 배치되어 도11에 도시된 바와같이 슈트 스루우 전류를 최소화한다.
대부분의 실제 응용에서, 게이트의 항복 전압을 초과하지 않도록 하기 위하여 게이트-구동 신호를 소정값으로 클램프하는 것이 필요로된다. 본 발명의 이 실시예가 도12에 도시되어 있다. 이 구현에서, N-형 MOSFETs를 구비하는 한쌍의 전압 제한기(98 및 100)는 동기식 정류기들의 게이트상의 전압을 VCC-게이트 빼기 임계 전압(1 내지 2 볼트)으로 제한시키기 위하여 부가된다.
이 하드-스위치식 반-브리지, 전-브리지 및 푸쉬-풀 형태들을 위하여 자기 -구동 방식을 수행하면은 게이트-구동에 의해 멀티 펄싱이 발생할 수 있다. 이 현상을 위하여, 이하에, 이들 형태들의 동기식 정류기들(14 및 16)을 통과하는 전류(66 및 64) 각각이 서술되고 이것이 도13에 도시되어 있다. 천이(TR1 및 TR2)는 동일한 극성을 지닌 기생 인덕턴스 및 저항에서 전압을 발생시킨다. 이들 기생 인덕턴스 및 저항 전체에서 발생하는 전압이 천이(TR2)동안 스위치(14)를 턴오프시킨다. 그러므로, 동일한 현상은 천이(TR1)동안 스위치(14)를 턴오프시키고자 시도하여, 게이트 구동 신호의 멀티-펄싱을 발생시킨다. 멀티-펄싱을 최소화하기 위하여, 포화가능한 인덕터(60 및 62)는 도14에 도시된 바와같이 동기식 정류기(14 및 16)와 직렬로 부 가될 수 있다. 포화가능한 인덕터(60 및 62)가 스퀘어 유형의 재료(square type material)이고 이들의 포화된 인덕턴스가 2차 회로의 동작을 관리한다고 가정하면, 자기-구동 동기식 정류기의 동작을 표시하는 파형이 도15에 도시된다. 소망한 대로, 천이(TR1)동안 보다 천이(TR2)동안 스위치(44)의 게이트에서 상당히 많은 전압이 발생된다는 것을 알수 있다. 그러나, 상술된 바와같이, 전형적인 DC/DC 모듈의 전류 레벨 및 스위칭 주파수에서, 이 회로 배치시의 표유 인덕턴스 및 저항은 충분하게 되어 스위칭 천이를 시작시키는데 충분한 전압을 발생시킨다. 그러므로, 포화가능한 인덕터(60 및 62)이외에, 구동 스위치의 게이트 신호로의 증가된 면역성이 필요로된다(도 14). 도16에 도시된 바와같은 구동 스위치로의 구동 전압을 스케일링하면은 부가적인 면역성을 발생시킨다.
본 발명의 자기-구동 동기식 정류기 방식의 새로운 방법 및 시스템은 전력 변환기를 위한 자기-구동 동기식 정류를 효율적으로 제공하는 장점을 제공하는데, 이 동기식 정류기는 변압기 2차 권선 양단의 전압이 거의 제로일때 계속해서 도통된다.
본 발명의 부가적인 장점은 임의 유형의 변환기 형태를 위하여 상기 방식을 적응시킬 수 있다는 것이다. 본 발명의 또다른 장점은 스위치(44 및 46)가 게이트 구동 신호에 대한 능동 댐퍼로서 작용하여, 기생 발진으로부터의 동기식 정류기(14 및 16)의 게이트 신호에 대한 버퍼를 제공하며, 이 영향을 최소화하기 위한 부가적인 구성요소들에 필요성을 제거한다.
본 발명이 상기 실시예를 참조하여 서술되었지만, 이 설명은 본 발명의 구성을 국한시키는 것은 아니다. 이 설명을 참조하여 본 발명의 다른 실시예 뿐만아니라 이 실시예들의 각종 수정을 당업자가 실행할 수 있다는 것을 알수 있을 것이다. 본 발명은 DC-DC 전력 변환기와 함께 사용하기 위하여 서술되었지만, 예를들어 AC-AC와같은 다른 타입의 전력 변환기로도 기술적인 장점을 도출할 수 있다. 동기식 정류기(14 및 16), 스위치(44, 46, 90 및 92), 및 전압 구동기(98 및 100)는 MOSFETs로서 도시되어 있지만, 본 발명에 사용하는데 적합한 또다른 유형의 FET 또는 스위칭 장치를 고려할 수 있다. 또한, 이 설명을 통해서, 게이트-구동 스위치(44 및 46)는 변압기(49 및 70) 2차 권선의 출력 단자에 접속되어 있다. 그러나, 스위치(44 및 46)는 구동 전압을 스케일링하기 위하여 변압기 권선의 임의 위치로부터 탭될 수 있다. 예를들어, 매우 작은 전압을 인가하는 경우에, 구동 신호를 부스트하기 위하여 2차 변압기 권선을 확장활 필요가 있을 수 있다. 게다가, 이 개념은 공진 유형의 변환기 뿐만아니라 전류 2배기 정류 회로(current doubler rectifier circuit)로 손쉽게 확장될 수 있다. 그러므로, 첨부된 청구범위들은 이와같은 수정 또는 실시예들을 포함한다.

Claims (29)

  1. 전력 변환기용 자기-구동 동기식 정류 회로에 있어서:
    1차 권선(N1) 및 제1 단자 및 제2 단자를 갖는 2차 권선(Ns)을 갖는 변압기(49);
    소스, 드레인 및 게이트를 갖는 제1 동기식 정류기(14)로서, 상기 제1 동기식 정류기의 상기 드레인은 상기 2차 권선(Ns)의 상기 제2 단자에 접속되는, 상기 제1 동기식 정류기;
    소스, 드레인 및 게이트를 갖는 제2 동기식 정류기(16)로서, 상기 제2 동기식 정류기의 상기 소스는 상기 제1 동기식 정류기(14)의 상기 소스에 결합되고, 상기 제2 동기식 정류기(16)의 상기 드레인은 상기 2차 권선(Ns)의 상기 제1 단자에 결합되는, 상기 제2 동기식 정류기;
    소스, 드레인 및 게이트를 갖는 제1 스위치(44)로서, 상기 제1 스위치(44)의 상기 드레인은 상기 제1 동기식 정류기의 상기 게이트에 결합되고, 상기 제1 스위치(44)의 상기 소스는 상기 2차 권선(Ns)의 상기 제1 단자에 결합되며, 상기 제1 스위치(44)의 상기 게이트는 상기 2차 권선(Ns)의 상기 제2 단자에 결합되는, 상기 제1 스위치; 및
    소스, 드레인 및 게이트를 갖는 제2 스위치(46)를 포함하며, 상기 제2 스위치(46)의 상기 소스는 상기 2차 권선(Ns)의 상기 제2 단자에 결합되고, 상기 제2 스위치(46)의 상기 게이트는 상기 2차 권선(Ns)의 상기 제1 단자에 결합되며, 상기 제2 스위치(46)의 상기 드레인은 상기 제2 동기식 정류기(16)의 상기 게이트에 결합되는 상기 제2 스위치를 포함하는데,
    상기 제1 및 제2 동기식 정류기(14, 16)의 스위칭 천이는 상기 2차 변압기 권선의 전압의 극성 반전에 의해 개시되는 것을 특징으로 하는 자기-구동 동기식 정류 회로.
  2. 제1항에 있어서, 상기 2차 권선(Ns)의 상기 제1 단자 및 출력 전압 단자 간에 직렬로 결합된 제1 인덕터(Lo);
    상기 출력 전압 단자 및 전압 복귀 단자 양단에 결합된 커패시터(Co);
    상기 제2 동기식 정류기(16)의 상기 드레인 및 상기 2차 권선(Ns)의 상기 제1 단자 간에 결합된 제2 인덕터(Ls2); 및
    상기 2차 권선(Ns)의 상기 제2 단자 및 상기 제1 동기식 정류기(14)의 상기 드레인 간에 결합된 제3 인덕터(Ls1)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 자기-구동 동기식 정류 회로.
  3. 제1항에 있어서, 상기 제1 동기식 정류기(14)에 결합되는 제3 스위치(90)로서, 상기 제2 스위치(46)가 상기 제3 스위치에 결합되는, 상기 제3 스위치; 및
    상기 제2 동기식 정류기(16)에 결합되는 제4 스위치(92)를 더 포함하며, 상기 제1 스위치(44)는 상기 제4 스위치에 결합되는 것을 특징으로 하는 자기-구동 동기식 정류 회로.
  4. 제3항에 있어서, 상기 제1 동기식 정류기(14)에 결합된 제1 전압 제한기 및 상기 제2 동기식 정류기(16)에 결합된 제2 전압 제한기를 더 포함하며, 상기 제1 전압 제한기의 게이트 및 상기 제2 전압 제한기의 게이트는 전압원(Vcc)에 결합되고, 상기 제1 및 제2 전압 제한기는 게이트 전압을 제한하는 것을 특징으로 하는 자기-구동 동기식 정류 회로.
  5. 1차 권선(N1) 및 제1 및 제2 단자를 갖는 2차 권선(Ns)을 갖는 변압기(49)를 가진 자기-구동 동기식 정류기를 사용하여 전력 변환기로부터의 가변 전압을 정류하는 방법에 있어서:
    상기 변압기의 상기 1차 권선(N1)에 상기 가변 전압을 제공하는 단계;
    제1 동기식 정류기(14)가 소스, 드레인 및 게이트를 가지며, 상기 제1 동기식 정류기(14)의 상기 드레인이 상기 2차 권선(Ns)의 상기 제2 단자를 통하여 전류를 도통시키는 단계;
    제2 동기식 정류기(16)가 소스, 드레인 및 게이트를 가지며, 상기 제2 동기식 정류기(16)의 상기 소스가 상기 제1 동기식 정류기(14)의 상기 소스에 결합되고, 상기 제2 동기식 정류기(16)의 상기 드레인이 상기 2차 권선(Ns)의 상기 제1 단자를 통하여 전류를 도통시키는 단계;
    소스, 드레인 및 게이트를 갖는 제1 스위치(44)를 사용하여 상기 제1 동기식 정류기(14)를 제어하는 단계로서, 상기 제1 스위치(44)의 상기 드레인이 상기 제1 동기식 정류기(14)의 상기 게이트에 결합되고, 상기 제1 스위치(44)의 상기 게이트가 상기 2차 권선(Ns)의 상기 제2 단자에 결합되는, 상기 제1 동기식 정류기 제어 단계;
    소스, 드레인 및 게이트를 갖는 제2 스위치(46)를 사용하여 상기 제2 동기식 정류기(16)를 제어하는 단계를 포함로서, 상기 제2 스위치(46)의 상기 소스는 상기 2차 권선(Ns)의 상기 제2 단자에 결합되고, 상기 제2 스위치(46)의 상기 게이트는 상기 2차 권선(Ns)의 상기 제1 단자에 결합되며, 상기 제2 스위치(46)의 상기 드레인은 상기 제2 동기식 정류기(16)의 상기 게이트에 결합되는, 상기 제2 동기식 정류기 제어 단계; 및
    상기 2차 변압기 권선(Ns)의 전압의 극성 반전에 의해 상기 제1 및 제2 동기식 정류기(14, 16)의 스위칭 천이를 개시하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 가변 전압 정류 방법.
  6. 제5항에 있어서, 상기 2차 권선(Ns)의 상기 제1 단자 및 출력 전압 단자 간에 직렬로 결합된 제1 인덕터(10), 및 상기 출력 전압 단자 및 전압 복귀 단자 양단에 결합된 커패시터(Co)에 의해 출력 전압을 평탄하게 하는 단계; 및
    상기 제2 동기식 정류기(16)의 상기 드레인 및 상기 2차 권선(Ns)의 상기 제1 단자 간에 결합된 제2 인덕터(Ls2), 및 상기 2차 권선(Ns)의 상기 제2 단자 및 상기 제1 동기식 정류기(14)의 상기 드레인 간에 결합된 제2 인덕터(Ls1)에 의해 슈트 스루우 전류를 제거하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 가변 전압 정류 방법.
  7. 제5항에 있어서, 상기 제1 및 제2 동기식 정류기(14, 16)의 턴온에 의하여 자유송신 기간 동안, 제2 스위치(90)가 상기 제1 동기식 정류기(14)에 결합되고, 상기 제2 스위치(46)가 제3 스위치에 결합되는 단계;
    제4 스위치(92)가 상기 제2 동기식 정류기(16)에 결합되고, 상기 제1 스위치(44)가 상기 제4 스위치에 결합되는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 가변 전압 정류 방법.
  8. 제7항에 있어서, 상기 제1 동기식 정류기(14)에 결합된 제1 전압 제한기 및 상기 제2 동기식 정류기(16)에 결합된 제2 전압 제한기에 의해 게이트 전압을 제한하는 단계를 더 포함하며, 상기 제1 전압 제한기의 게이트 및 상기 제2 전압 제한기의 게이트는 전압원(Vcc)에 결합되는 것을 특징으로 하는 가변 전압 정류 방법.
  9. 제2항에 있어서, 상기 2차 권선은 중심 탭을 포함하며, 상기 제1 인덕터는 상기 중심 탭 및 상기 출력 전압 단자와 직렬로 결합되며, 상기 제1 단자는 상기 2차 권선의 제1 단부이고, 상기 제2 단자는 상기 2차 권선의 제2 단부이며, 상기 제1 및 제2 스위치들은 게이트들을 갖는 MOSFETs를 포함하며, 상기 제1 스위치의 상기 게이트는 상기 2차 권선의 상기 제2 단부에 접속되며, 상기 제2 스위치의 상기 게이트는 상기 2차 권선의 상기 제1 단부에 접속되는 것을 특징으로 하는 자기-구동 동기식 정류 회로.
  10. 제9항에 있어서, 상기 변압기는 전파 정류기, 능동 클램프-포워드 플라이백 및 위상-편이된 ZVS 전-브리지로 이루어진 그룹으로부터 선택된 유형의 변환 회로에 결합될 수 있는 것을 특징으로하는 자기-구동 동기식 정류 회로.
  11. 제1항에 있어서, 상기 변압기는 수동 리셋을 갖는 클램프 포워드, 반파 정류기 및 능동 클램프 포워드로 이루어진 그룹으로부터 선택된 유형의 변환 회로에 결합될 수 있는 것을 특징으로하는 자기-구동 동기식 정류 회로.
  12. 제9항에 있어서, 상기 제1 동기식 정류기에 결합되는 제3 스위치로서, 상기 제2 스위치가 제3 스위치에 결합되는, 상기 제3 스위치; 및
    상기 제2 동기식 정류기에 결합되는 제4 스위치를 더 포함하며, 상기 제1 스위치가 제4 스위치에 결합되는 것을 특징으로 하는 자기-구동 동기식 정류 회로.
  13. 제12항에 있어서, 상기 제3 스위치 및 전압원 간에 결합되는 제1 전류-제한 저항기, 및 상기 제4 스위치 및 상기 전압원 간의 제2 전류-제한 저항기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 자기-구동 동기식 정류 회로.
  14. 제12항에 있어서, 상기 변압기는 하드-스위치식 반-브리지, 전-브리지 및 푸쉬-풀로 이루어진 그룹으로부터 선택된 유형의 변환 회로에 결합될 수 있는 것을 특징으로 하는 자기-구동 동기식 정류 회로.
  15. 제12항에 있어서, 상기 제1 동기식 정류기에 결합되는 제1 전압 제한기 및 상기 제2 동기식 정류기에 결합되는 제2 전압 제한기를 더 포함하며, 상기 제1 전압 제한기의 게이트 및 상기 제2 전압 제한기의 게이트는 전압원에 결합되며, 상기 제1 및 제2 전압 제한기들은 게이트 전압을 제한하는 것을 특징으로하는 자기-구동 동기식 정류 회로.
  16. 제12항에 있어서, 상기 2차 권선의 상기 제1 단부 및 출력 전압 단자와 직렬로 결합된 제1 인덕터;
    상기 출력 전압 단자 및 전압 복귀 단자와 병렬로 결합된 커패시터; 및
    상기 2차 권선의 상기 제1 단부 및 상기 제2 동기식 정류기 간에 직렬로 결합된 제2 인덕터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 자기-구동 동기식 정류 회로.
  17. 제16항에 있어서, 상기 제2 인덕터는 상기 2차 권선 및 상기 제1 동기식 정류기 간에 직렬로 결합되는 것을 특징으로 하는 자기-구동 동기식 정류 회로.
  18. 제16항에 있어서, 상기 2차 권선 및 상기 제1 동기식 정류기 간에 직렬로 결합되는 제3 인덕터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 자기-구동 동기식 정류 회로.
  19. 제18항에 있어서, 상기 제2 및 제3 인덕터들은 포화가능한 인덕터들인 것을 특징으로 하는 자기-구동 동기식 정류 회로.
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