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KR101034897B1 - 공진형 스위칭 모드 파워 서플라이의 스위칭 소자 구동 장치 - Google Patents

공진형 스위칭 모드 파워 서플라이의 스위칭 소자 구동 장치 Download PDF

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KR101034897B1
KR101034897B1 KR1020090113688A KR20090113688A KR101034897B1 KR 101034897 B1 KR101034897 B1 KR 101034897B1 KR 1020090113688 A KR1020090113688 A KR 1020090113688A KR 20090113688 A KR20090113688 A KR 20090113688A KR 101034897 B1 KR101034897 B1 KR 101034897B1
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KR
South Korea
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square wave
load
wave signal
dead time
time
Prior art date
Application number
KR1020090113688A
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English (en)
Inventor
서길수
김형우
김기현
Original Assignee
한국전기연구원
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
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Publication date
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Abstract

본 발명은 공진형 스위칭 모드 파워 서플라이에 사용되는 파워 MOSFET의 출력 구형파의 데드 타임을 제어하기 위한 스위칭 소자의 구동 장치에 관한 것이다.
본 발명에 따른 두 개의 파워 MOSFET 간의 슛스루를 방지하는 데드 타임을 갖도록, 파워 MOSFET 각각의 출력 구형파를 제어하는 공진형 스위칭 모드 파워 서플라이의 스위칭 소자 구동 장치는, 부하의 크기에 따라 피드백 전류값을 달리하여 부하의 크기를 감지하는 부하 감지부; 부하 감지부로부터 입력되는 피드백 전류의 전류값 변화에 따라 콘덴서의 충방전 시간을 조절하여 주파수가 제어된 구형파 신호를 출력하는 주파수 제어부; 및 주파수 제어부로부터 입력되는 구형파 신호를 두 개의 지연 회로 각각에 입력하여, 피드백 전류값의 변화에 따라 구형파 신호의 상승 시간 또는 하강 시간을 지연시켜 데드 타임이 조절된 두 개의 구형파 신호를 파워 MOSFET 각각의 스위칭 신호로 출력하는 데드 타임 제어부를 포함한다.
본 발명의 공진형 스위칭 모드 파워 서플라이는 부하의 크기에 따라 데드 타임을 제어함으로써, 변환 효율은 향상시킬 수 있으며, 고조파 노이즈를 방지할 수 있는 효과가 있다.
Figure R1020090113688
공진형 스위칭 모드 파워 서플라이, 파워 MOSFET, PFM, 데드 타임

Description

공진형 스위칭 모드 파워 서플라이의 스위칭 소자 구동 장치{ Apparatus for driving switching device of resonant switching mode power supply}
본 발명은 공진형 스위칭 모드 파워 서플라이에 사용되는 파워 MOSFET의 출력 구형파의 데드 타임을 제어하기 위한 스위칭 소자의 구동 장치에 관한 것이다.
최근 들어, LCD 및 PDP TV용 전원 장치에 공진형 스위칭 모드 파워 서플라이가 많이 사용되고 있다. 공진형 스위칭 모드 파워 서플라이는 상ㆍ하단 두 개의 파워 MOSFET, 공진 탱크, 변압기 등으로 구성된다. 이러한 공진형 스위칭 모드 파워 서플라이는 상ㆍ하단 파워 MOSFET에 구동 신호가 함께 인가되는 경우, 상ㆍ하단 파워 MOSFET이 동시에 도통되는 슛스루(shoot-through) 현상이 발생될 우려가 있다.
종래에는 상ㆍ하단 파워 MOSFET 간의 슛스루 현상을 방지하기 위하여, 도 1에 도시된 바와 같이, 상ㆍ하단 파워 MOSFET의 출력 구형파(HO, LO)의 상승 시간 및 하강 시간이 서로 겹치지 않도록 제어하고 있다. 즉, 출력 구형파(HO, LO)가 모두 “로우(LOW)”값이 되는 데드 타임(dead time)을 갖도록, 출력 구형파(HO, LO)를 제어하고 있다.
한편, 종래에는 공진형 스위칭 모드 파워 서플라이의 효율을 개선하기 위해, 변압기 이차측에 연결된 부하의 크기에 따라 출력 구형파(HO, LO)의 주파수를 조절하는 PFM(pulse frequency modulation) 방식을 사용하고 있다. 하지만, 종래의 공진형 스위칭 모드 파워 서플라이의 제어 장치는 PFM 방식을 적용하는데 있어서 데드 타임을 고려하지 않기 때문에, 출력 구형파(HO, LO)의 주파수가 조절되어도 데드 타임이 고정되는 구형파, 즉 고정 데드 타임을 갖는 두 개의 구형파가 상ㆍ하단 파워 MOSFET에서 출력된다.
고정 데드 타임을 갖는 제어 방식은 경부하 또는 대기 모드시에 스위칭 소자에서 발생하는 전력 소모가 큰 비중을 차지하여 효율을 저하시키기 때문에 무부하 소비전력, 즉 대기전력이 발생하게 되는 문제점이 있다. 또한, 파워 서플라이의 공진 주파수가 높아지면, 출력 구형파에서 고정 데드 타임이 차지하는 비중이 상대적으로 커지기 때문에 고조파 노이즈가 발생하는 문제점이 있다.
본 발명은 상기의 과제를 해결하기 위해서 안출된 것으로, 경부하 또는 대기 모드시 효율 저하를 줄일 수 있고, 고조파 노이즈의 발생을 방지할 수 있는 공진형 스위칭 모드 파워 서플라이의 스위칭 소자 구동 장치를 제공하는데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제들은 이상에서 언급한 과제로 제한되지 않으며, 여기에 언급되지 않은 본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명에 따른 두 개의 파워 MOSFET 간의 슛스루를 방지하는 데드 타임을 갖도록, 파워 MOSFET 각각의 출력 구형파를 제어하는 공진형 스위칭 모드 파워 서플라이의 스위칭 소자 구동 장치는, 부하의 크기에 따라 피드백 전류값을 달리하여 부하의 크기를 감지하는 부하 감지부; 부하 감지부로부터 입력되는 피드백 전류의 전류값 변화에 따라 콘덴서의 충방전 시간을 조절하여 주파수가 제어된 구형파 신호를 출력하는 주파수 제어부; 및 주파수 제어부로부터 입력되는 구형파 신호를 두 개의 지연 회로 각각에 입력하여, 피드백 전류값의 변화에 따라 구형파 신호의 상승 시간 또는 하강 시간을 지연시켜 데드 타임이 조절된 두 개의 구형파 신호를 파워 MOSFET 각각의 스위칭 신호로 출력하는 데드 타임 제어부를 포함한다.
본 발명의 주파수 제어부는 콘덴서와, 피드백 전류값에 따라 충방전 시간을 달리하여 콘덴서를 충방전하는 전류 미러 회로와, 콘덴서의 최대 충전 전압값 및 최소 방전 전압값을 설정하여 콘덴서의 전압값과 비교하는 비교기와, 비교기의 출력 신호에 따라 전류 미러 회로의 충방전 시작 타이밍을 제어하며, 충방전 시작 타이밍에 따른 구형파 신호를 출력하는 RS 래치를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 주파수 제어부는 부하가 증가하는 경우, 구형파 신호의 주파수를 감소시키고, 부하가 감소하는 경우, 구형파 신호의 주파수를 증가시키는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 데드 타임 제어부는 피드백 전류값의 변화량을 검출하여 지연 회로의 기준 전류를 생성하는 전류 바이어스 회로와, 지연 회로를 포함하며, 기준 전류와 상기 구형파 신호를 입력으로 하여 조절된 데드 타임을 발생시키는 데드 타임 발생 회로를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 지연 회로는 콘덴서와, 기준 전류에 따라 콘덴서의 충방전 시간을 달리하여 구형파 신호의 상승 시간 또는 하강 시간을 지연시키는 전류 미러 회로를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 데드 타임 제어부는 부하가 증가하는 경우, 구형파 신호의 데드 타임을 증가시키고, 부하가 감소하는 경우, 구형파 신호의 데드 타임을 감소시키는 것을 특징으로 한다.
상기 과제 해결 수단에 의해, 본 발명의 공진형 스위칭 모드 파워 서플라이는 부하의 크기에 따라 데드 타임을 제어함으로써, 변환 효율은 향상시킬 수 있으 며, 고조파 노이즈를 방지할 수 있는 효과가 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세히 설명하기로 한다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 스위칭 소자 구동 장치가 구비된 공진형 스위칭 모드 파워 서플라이를 설명하기 위한 도면이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 공진형 스위칭 모드 파워 서플라이의 스위칭 소자 구동 장치(100)는 부하 감지부(110), 주파수 제어부(120) 및 데드 타임 제어부(130)를 포함한다.
공진형 스위칭 모드 파워 서플라이의 파워 MOSFET(SW1, SW2)은 다이오드(Dboot)와 콘덴서(Cboot)로 구성된 부트스트랩(bootstrap) 방식으로 구동한다. 또한, 공진형 스위칭 모드 파워 서플라이의 공진 탱크는 변압기 일차측 인덕터(Lp)와 공진 인덕터(Lr) 및 공진 콘덴서(Cr)로 구성되어 있다. 공진형 스위칭 모드 파워 서플라이의 DC 특성은 공진 파라미터에 의해 결정된다. 두 개의 공진 주파수 f1, f0이 존재하며, 각각은 다음의 수학식 1과 수학식 2로 표현된다.
Figure 112009072007133-pat00001
Figure 112009072007133-pat00002
입력 전압이 400V일 때, 공진형 스위칭 모드 파워 서플라이는 정상 동작을 하며, 스위칭 주파수는 공진 주파수 f1 부근일 때 최대 이득을 가지게 된다. 스위칭 주파수가 높아지게 되면 이득은 작아지게 된다. 이와 같은 원리에 의해 대기 모드 상태이거나 경부하일 때, 스위칭 소자의 구동 신호의 동작 주파수는 최대가 된다.
이와 같이, 부하(R0)의 크기에 따라 주파수를 조절하는 PFM(pulse frequency modulation) 제어 방식을 기반으로 하는 스위칭 소자 구동 장치(100)는, 부하(R0)의 크기에 적합한 데드 타임을 가지는 두 개의 구형파 신호를 출력한다. 이 구형파 신호는 상ㆍ하단 레벨 시프터(level shifter, 141, 142)의 입력이 되며, 각각의 레벨 시프터(141, 142)는 두 개의 파워 MOSFET(SW1, SW2)을 구동하는 신호를 출력한다.
부하 감지부(110)는 공진형 스위칭 모드 파워 서플라이 회로에 연결되며, 포토커플러 및 션트 레귤레이터(shunt regulator)로 구성된 피드백 루프를 이룬다. 부하 감지부(110)는 부하(R0)의 크기에 따라 피드백 전류 ILoad의 값을 달리하여 부하(R0)의 크기를 감지한다.
주파수 제어부(120)는 ILoad와 IRFmin 전류의 합을 입력으로 하며, 50% 이하의 듀티비 구형파 신호를 출력한다. 입력 전류의 크기에 따라 출력 구형파 신호의 동작 주파수는 선형적으로 증가한다. 입력 전류의 IRFmin은 일정한 전류원이며, 포토커플러에 흐르는 피드백 전류 ILoad는 공진형 스위칭 모드 파워 서플라이의 부하(R0)의 크기에 반비례한다.
데드 타임 제어부(130)는 주파수 제어부(120)로부터 출력되는 구형파 신호를 입력으로 한다. 또한, ILoad 전류와 IRFmin 전류의 합을 입력으로 하여 내부의 전류 바이어스 회로(도 3에서 지시 번호 131)에서 변환한, Iref2 전류(= IRFmin/5)와 Id 전류(= -ILoad/10)의 차이를 기준 전류로 사용한다. 데드 타임 제어부(130)의 출력은 출력 논리값이 모두 “로우(low)”가 되는 데드 타임이 존재하는 두 개의 구형파 신호이다. 데드 타임은 기준 전류의 크기와 선형적인 관계에 있다. 데드 타임 제어부(130)의 기준 전류의 Iref2는 온도와 공급 전압에 무관하게 일정한 전류원이며, 기준 전류의 Id는 부하(R0)의 크기에 반비례하는 전류원이다.
피드백 전류 ILoad의 크기는 부하(R0)의 크기에 반비례하므로, 입력 전류는 부하(R0)의 크기가 작아짐에 따라 커지게 된다. 이에 따라, 데드 타임 제어부(130)로부터 출력되는 두 개의 구형파 신호의 동작 주파수는 상승하며, 데드 타임은 좁아지게 된다. 따라서, 부하(R0)의 크기에 따라 데드 타임을 적절히 조절하게 되어, 상ㆍ하단 파워 MOSFET(SW1, SW2)의 불필요한 전력 소모를 줄일 수 있다. 결과적으로, 공진형 스위칭 모드 파워 서플라이의 전력 변환 효율은 향상시킬 수 있다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 공진형 스위칭 모드 파워 서플라이의 스위칭 소자 구동 장치를 설명하기 위한 도면이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 주파수 제어부(120)는 부하 감지부(110)로부터 입력되는 피드백 전류값의 변화에 따라 콘덴서(CF)의 충방전 시간을 조절하여 주파수가 제어된 구형파 신호를 출력한다.
주파수 제어부(120)는 콘덴서(CF)와, 피드백 전류값에 따라 충방전 시간을 달리하여 콘덴서를 충방전하는 전류 미러 회로와, 콘덴서(CF)의 최대 충전 전압값 및 최소 방전 전압값을 설정하여 콘덴서의 전압값과 비교하는 비교기와, 비교기의 출력 신호에 따라 전류 미러 회로의 충방전 시작 타이밍을 제어하며, 충방전 시작 타이밍에 따른 구형파 신호를 출력하는 RS 래치를 포함한다.
주파수 제어부(120)의 콘덴서(CF)와, 부하 감지부(110)의 저항 Rex1의 값은 동작 주파수의 최소값을 결정한다. 주파수 제어부(120)에 사용되는 기준 전류 Iref1은, 기준 전압 Vref1, 저항 Rex1 및 피드백 전류 ILoad에 의해 다음의 수학식 3과 같이 표현된다.
Figure 112009072007133-pat00003
전류 I1과 전류 I2의 크기는 전류 Iref1과 같으며, MN4와 MN5에 흐르는 전류 I3은 전류 Iref1의 2배이다. 전류 I2에 의해 충전되는 콘덴서(CF)의 전압값이 콘덴서의 최대 충전 전압값 Vref3보다 커지게 되면, RS 래치의 비반전 출력(Q)은 “로우”가 되고, MN6은 턴오프된다. 콘덴서(CF)는 MN4와 MN5를 통해 방전된다.
콘덴서(CF)의 전압이 최소 방전 전압값 Vref2보다 작아지면, RS 래치의 비반전 출력(Q)은 “하이(high)”가 되고, MN6은 턴온된다. 전류 I3의 값은 0A가 되고, 전류 I2에 의해 콘덴서(CF)는 충전된다. 이와 같은 방식으로 주파수 제어부(120)는 발진하며, RS 래치의 비반전 출력(Q)은 50% 듀티비의 구형파 신호를 출력한다.
공진형 스위칭 모드 파워 서플라이의 부하(R0)의 크기가 최대일 경우, 포터커플러의 피드백 전류 ILoad의 값은 0A이다. 전류 Iref1, I1 및 I2는 전류 IRFmin과 같으며, 콘덴서(CF)의 방전 전류 I3은 IRFmin의 두 배가 된다. 따라서, 콘덴서(CF)의 충방전 시간은 전류 IRFmin에 의해 결정되며, 최대 충방전 주기를 가지게 된다. 즉, 공진형 스위칭 모드 파워 서플라이의 부하(R0)가 최대일 때, 동작 주파수는 최소이며, 이는 다음의 수학식 4와 같이 표현된다.
Figure 112009072007133-pat00004
공진형 스위칭 모드 파워 서플라이의 부하(R0)의 크기가 작아지는 경우, 피 드백 전류 ILoad의 크기는 커지게 된다. 이에 따라, 콘덴서(CF)의 충방전 전류가 커지게 되어 동작 주파수가 상승한다.
이와 같이, 주파수 제어부(120)는 부하(R0)가 증가하는 경우, 구형파 신호의 주파수를 감소시켜 출력하고, 부하(R0)가 감소하는 경우, 구형파 신호의 주파수를 증가시켜서 출력한다. 이는 도 3의 회로도와 수학식 4를 통해 피드백 전류 ILoad의 크기에 따른 동작 주파수와 전류 관계를 알 수 있다.
데드 타임 제어부(130)는 부하(R0) 검출을 위한 포터커플러의 피드백 전류 ILoad를 이용하여 부하(R0)의 크기에 따른 최적의 데드 타임을 가지는 두 개의 구형파 신호를 출력한다. 즉, 데드 타임 제어부(130)는 주파수 제어부(120)로부터 입력되는 구형파 신호를 두 개의 지연 회로(도 4 및 도 5 참조) 각각에 입력하여, 피드백 전류 ILoad값의 변화에 따라 구형파 신호의 상승 시간 또는 하강 시간을 지연시켜 데드 타임이 조절된 두 개의 구형파 신호를 파워 MOSFET(SW1, SW2) 각각의 스위칭 신호로 출력한다.
이를 위해, 데드 타임 제어부(130)는 피드백 전류 ILoad값의 변화량을 검출하여 지연 회로의 기준 전류를 생성하는 전류 바이어스 회로(131)와, 지연 회로를 포함하며, 기준 전류와 주파수 제어부(120)의 구형파 신호를 입력으로 하여 조절된 데드 타임을 발생시키는 데드 타임 발생 회로(132)를 포함한다.
부하(R0)가 작아지면 피드백 전류 ILoad는 커지며, 전류 Iref1과, 전류 I1, I2, I4 및 I5 가 증가하게 된다. 전류 바이어스 회로(131)가 기준 전류 I8을 생성하는 과정은, 다음의 수학식 5 내지 8의 전류 관계로 표현된다.
Figure 112009072007133-pat00005
Figure 112009072007133-pat00006
Figure 112009072007133-pat00007
Figure 112009072007133-pat00008
수학식 8과 같은 전류 관계를 가지는 전류 I8은 데드 타임 발생 회로(132)의 지연 회로의 기준 전류가 된다. 기준 전류 I8은, 수학식 8에 나타내어진 바와 같이, 전류 IRFmin과 ILoad로 이루어진 함수이다. 전류 IRFmin의 크기는 전압 Vref1와 저항 Rex1에 의해 고정된 상수값이기 때문에, 데드 타임 발생 회로(132)의 기준 전류 I8은 피 드백 전류 ILoad에 관한 함수가 되고, 피드백 전류 ILoad의 크기가 부하(R0)의 크기에 반비례하기 때문에, 기준 전류 I8은 공진형 스위칭 모드 파워 서플라이 부하(R0)의 크기에 반비례하게 된다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 데드 타임 발생 회로를 설명하기 위한 도면이다.
도 4에 도시된 바와 같이, 데드 타임 발생 회로(132)는 주파수 제어부(120)로부터의 하나의 구형파 신호를 PFM 입력단으로 입력하여, 데드 타임을 가지는 두 개의 상보형 구형파 신호를 HVG, LVG 출력단으로 출력한다. 또한, 데드 타임 발생 회로(132)는 B1, B2 입력단을 통하여 전류 바이어스 회로(131)로부터의 기준 전류 I8을 입력하고 있다.
데드 타임 발생 회로(132)는, 구형파 신호(PFM) 및 지연 회로(134)의 출력 신호를 입력으로 하는 두 개의 낸드 게이트(NAND gate, 133)와, 낸드 게이트(133)의 출력 신호 및 기준 전류 I8를 입력으로 하는 두 개의 지연 회로(134)와, 입력되는 신호를 필요에 따라 반전하여 출력하는 복수의 인버터(135)로 구성된다. 여기서, 데드 타임은 지연 회로(134)의 전달 지연 시간에 의해 결정되므로, 도4에서 상단 출력 구형파 신호와 하단 출력 구형파 신호가 동일한 지연 시간을 가지기 위해 동일한 지연 회로(134)를 사용한다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 지연 회로를 설명하기 위한 도면이다.
도 5의 지연 회로(134)는 도 4의 하나의 지연 회로(134)에 해당하며, 지연 회로의 동작 전류는 기준 전류 I8가 된다. 구체적으로, 지연 회로(134)는 구형파 신호를 PFM 입력단으로 입력하고, 기준 전류 I8을 B1, B2 입력단으로 입력하여, 데드 타임을 가지는 하나의 구형파 신호를 출력단으로 출력한다. 출력단은 도 4의 HVG 출력단 또는 LVG 출력단 중 어느 하나이다.
지연 회로(134)는 콘덴서(C1)와, 기준 전류 I8에 따라 콘덴서(C1)의 충방전 시간을 달리하여 구형파 신호의 상승 시간 또는 하강 시간을 지연시키는 전류 미러 회로로 구성된다. 즉, 지연 회로(134)는 콘덴서(C1)의 충방전 시간을 이용한다.
지연 회로(134)의 구형파 신호의 입력이 “하이”일 때, 콘덴서(C1)는 MN1에 흐르는 전류 I11 의해 방전되며, 지연 회로(134)의 출력은 “하이”가 된다. 이때, 콘덴서(C1)의 전압이 약 5V의 회로 공급 전원 VDD의 1/2까지 방전되는 시간만큼 지연된다. 지연 회로(134)의 구형파 신호의 입력이 “로우”일 때, 콘덴서(C1)는 전류 I10에 의해 충전이 되며, 지연 회로(134)의 출력은 “로우”가 된다. 이때, 콘덴서(C1)의 전압이 VDD의 1/2까지 충전되는 시간만큼 지연된다.
지연 회로(134)는 전류 미러 회로로 이루어지므로, 전류 I9와 I10의 크기는 기준 전류 I8과 같다. 피드백 전류 ILoad의 크기는 부하(R0)의 크기에 반비례하므로, 콘덴서(C1)의 충방전 시간은 부하(R0)의 크기에 반비례하게 된다. 즉, 부하(R0)의 크기가 큰 경우, 콘덴서(C1)의 충방전 시간은 느려지며, 부하(R0)의 크기가 작은 경우, 콘덴서(C1)의 충방전 시간은 빨라진다.
이와 같이, 데드 타임 제어부(130)는 부하(R0)가 증가하는 경우, 출력 구형파 신호의 데드 타임을 증가시키고, 부하(R0)가 감소하는 경우, 출력 구형파 신호의 데드 타임을 감소시킨다. 데드 타임 제어부(130)는 전류 바이어스 회로(131)와 데드 타임 발생 회로(132)를 구비하여 부하(R0)의 크기에 따라 데드 타임을 최적화 한다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 출력 구형파 신호를 나타낸 파형도이다. 구체적으로, 도 6의 (a)는 부하가 큰 경우, 스위칭 소자 구동 장치로부터 출력되는 구형파 신호를 나타낸 것이고, 도 6의 (b)는 부하가 작거나 무부하인 경우, 스위칭 소자 구동 장치로부터 출력되는 구형파 신호를 나타낸 것이다.
도 6에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 공진형 스위칭 모드 파워 서플라이의 스위칭 소자 구동 장치로부터 출력되는 구형파 신호는 부하가 큰 경우, 출력 구형파 신호의 주파수를 감소시키는 한편, 출력 구형파 신호의 데드 타임을 증가시킨다. 또한, 부하가 작은 경우, 출력 구형파 신호의 주파수를 증가시키는 한편, 출력 구형파 신호의 데드 타임을 감소시킨다.
이와 같이, 부하의 크기에 따라 스위칭 소자 구동 장치로부터 출력되는 구형파 신호, 즉 파워 MOSFET의 스위칭 신호의 주파수를 조절하는 한편, 데드 타임을 제어함으로써, 효율은 향상시킬 수 있으며, 고조파 노이즈를 방지할 수 있는 효과 가 있다.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 스위칭 소자 구동 장치가 구비된 공진형 스위칭 모드 파워 서플라이를 시뮬레이션 프로그램 상에 설계하여 나타낸 도면이다.
도 7에 도시된 바와 같이, 공진형 스위칭 모드 파워 서플라이를 시뮬레이션 프로그램 상에 설계한 후, 각 파라미터값을 다음과 같이 입력한다. DC 특성은, 출력 전압을 20V, 출력 전류를 11A로 한다. 공진 파라미터는, 변압기 턴 비율을 0.05, 공진 인덕터 Lr를 70uH, 공진 콘덴서 Cr를 39㎋, 공진 주파수 f1을 96㎑로 한다. 파워 MOSFET의 특성은, 최대 드레인 소스 전압을 500V, 문턱 전압을 4V, 온 저항을 0.85Ω로 한다. 스위칭 특성은, 각각 턴온 지연 시간을 35㎱, 입력 커패시턴스를 1,600㎊, 출력 커패시턴스를 350㎊로 한다.
파라미터값을 입력한 후 시뮬레이션 프로그램을 실행시키면, 다음의 도 8과 같이 피드백 전류와 데드 타임의 상관 관계에 대한 결과와, 도 9와 같이 전력 변환 효율 결과를 도출할 수 있다.
도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 피드백 전류와 데드 타임의 상관 관계를 나타낸 그래프이다.
도 8은 피드백 전류에 따른 데드 타임의 상관 관계를 시뮬레이션하여 그 결과를 그래프로 나타낸 것으로, 부하에 따라 그 값을 달리하는 피드백 전류 ILoad는 데드 타임과 반비례 관계를 나타낸다. 즉, 부하가 증가하여 피드백 전류 ILoad가 감 소하면, 데드 타임은 증가하고, 부하가 감소하여 피드백 전류 ILoad가 증가하면, 데드 타임은 감소하게 됨을 알 수 있다.
도 9는 본 발명의 일실시예에 따른 공진형 스위칭 모드 파워 서플라이의 전력 변환 효율을 나타낸 그래프이다.
도 9는 본 발명의 일실시예에 따른 스위칭 소자 구동 장치를 구비하는 공진형 스위칭 모드 파워 서플라이와, 종래의 고정 데드 타임을 가지는 공진형 스위칭 모드 파워 서플라이의 전력 변환 효율을 각각 시뮬레이션한 결과를 나타낸 것으로, 본 발명의 일실시예에 따른 스위칭 소자 구동 장치가 구비된 공진형 스위칭 모드 파워 서플라이의 효율이, 종래와 비교하여 3~7% 높아짐을 알 수 있다.
이와 같이, 상술한 본 발명의 기술적 구성은 본 발명이 속하는 기술분야의 당업자가 본 발명의 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다.
그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해되어야 하고, 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타나며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
도 1은 종래의 구형파 신호를 나타낸 파형도이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 스위칭 소자 구동 장치가 구비된 공진형 스위칭 모드 파워 서플라이를 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 공진형 스위칭 모드 파워 서플라이의 스위칭 소자 구동 장치를 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 데드 타임 발생 회로를 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 지연 회로를 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 출력 구형파 신호를 나타낸 파형도이다.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 스위칭 소자 구동 장치가 구비된 공진형 스위칭 모드 파워 서플라이를 시뮬레이션 프로그램 상에 설계하여 나타낸 도면이다.
도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 피드백 전류와 데드 타임의 상관 관계를 나타낸 그래프이다.
도 9는 본 발명의 일실시예에 따른 공진형 스위칭 모드 파워 서플라이의 전력 변환 효율을 나타낸 그래프이다.
〈도면의 주요부분에 대한 부호의 설명〉
100 : 스위칭 소자 구동 장치
110 : 부하 감지부
120 : 주파수 제어부
130 : 데드 타임 제어부
131 : 전류 바이어스 회로
132 : 데드 타임 발생 회로
133 : 낸드 게이트
134 : 지연 회로
135 : 인버터
CF, C1 : 콘덴서
R0 : 부하
SW1, SW2 : 파워 MOSFET

Claims (6)

  1. 두 개의 파워 MOSFET 간의 슛스루(shoot-through)를 방지하는 데드 타임(dead time)을 갖도록, 상기 파워 MOSFET 각각의 출력 구형파를 제어하는 공진형 스위칭 모드 파워 서플라이의 스위칭 소자 구동 장치에 있어서,
    부하의 크기에 따라 피드백 전류값을 달리하여 상기 부하의 크기를 감지하는 부하 감지부;
    상기 부하 감지부로부터 입력되는 피드백 전류의 전류값 변화에 따라 콘덴서의 충방전 시간을 조절하여 주파수가 제어된 구형파 신호를 출력하는 주파수 제어부; 및
    상기 주파수 제어부로부터 입력되는 구형파 신호를 두 개의 지연 회로 각각에 입력하여, 상기 피드백 전류값의 변화에 따라 상기 구형파 신호의 상승 시간 또는 하강 시간을 지연시켜 데드 타임이 조절된 두 개의 구형파 신호를 상기 파워 MOSFET 각각의 스위칭 신호로 출력하는 데드 타임 제어부;
    를 포함하는 공진형 스위칭 모드 파워 서플라이의 스위칭 소자 구동 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 주파수 제어부는 상기 콘덴서와, 상기 피드백 전류값에 따라 충방전 시간을 달리하여 상기 콘덴서를 충방전하는 전류 미러(mirror) 회로와, 상기 콘덴서의 최대 충전 전압값 및 최소 방전 전압값을 설정하여 상기 콘덴서의 전압값과 비 교하는 비교기와, 상기 비교기의 출력 신호에 따라 상기 전류 미러 회로의 충방전 시작 타이밍을 제어하며, 상기 충방전 시작 타이밍에 따른 상기 구형파 신호를 출력하는 RS 래치를 포함하는 것을 특징으로 하는 공진형 스위칭 모드 파워 서플라이의 스위칭 소자 구동 장치.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 주파수 제어부는 상기 부하가 증가하는 경우, 상기 구형파 신호의 주파수를 감소시키고, 상기 부하가 감소하는 경우, 상기 구형파 신호의 주파수를 증가시키는 것을 특징으로 하는 공진형 스위칭 모드 파워 서플라이의 스위칭 소자 구동 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 데드 타임 제어부는 상기 피드백 전류값의 변화량을 검출하여 상기 지연 회로의 기준 전류를 생성하는 전류 바이어스 회로와, 상기 지연 회로를 포함하며, 상기 기준 전류와 상기 구형파 신호를 입력으로 하여 상기 조절된 데드 타임을 발생시키는 데드 타임 발생 회로를 포함하는 것을 특징으로 하는 공진형 스위칭 모드 파워 서플라이의 스위칭 소자 구동 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 지연 회로는 콘덴서와, 상기 기준 전류에 따라 상기 콘덴서의 충방전 시간을 달리하여 상기 구형파 신호의 상승 시간 또는 하강 시간을 지연시키는 전류 미러 회로를 포함하는 것을 특징으로 하는 공진형 스위칭 모드 파워 서플라이의 스위칭 소자 구동 장치.
  6. 제1항 또는 제4항에 있어서,
    상기 데드 타임 제어부는 상기 부하가 증가하는 경우, 상기 구형파 신호의 데드 타임을 증가시키고, 상기 부하가 감소하는 경우, 상기 구형파 신호의 데드 타임을 감소시키는 것을 특징으로 하는 공진형 스위칭 모드 파워 서플라이의 스위칭 소자 구동 장치.
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