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KR20120132959A - 전원 공급 장치 - Google Patents

전원 공급 장치 Download PDF

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KR20120132959A
KR20120132959A KR1020110051373A KR20110051373A KR20120132959A KR 20120132959 A KR20120132959 A KR 20120132959A KR 1020110051373 A KR1020110051373 A KR 1020110051373A KR 20110051373 A KR20110051373 A KR 20110051373A KR 20120132959 A KR20120132959 A KR 20120132959A
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김정은
김돈식
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삼성전기주식회사
한국과학기술원
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Abstract

본 발명은 구동 전원을 공급하는 전원 공급 장치에 관한 것으로, 일정 전압 레벨 범위를 갖는 입력 전원을 전달받고, 상기 입력 전원의 전압 레벨이 사전에 설정된 기준 전압 레벨 범위 내이면 상기 입력 전원을 바이패스하고, 상기 입력 전원의 전압 레벨이 상기 기준 전압 레벨 범위 외이면 상기 입력 전원을 사전에 설정된 전압 레벨을 갖는 직류 전원으로 변환하는 제1 전원 변환부와, 상기 전원 변환부로부터 입력된 전원을 사전에 설정된 전압 레벨을 갖는 구동 전원으로 변환하는 제2 전원 변환부를 포함하는 전원 공급 장치를 제공한다.

Description

전원 공급 장치{POWER SUPPLY APPARATUS}
본 발명은 구동 전원을 공급하는 전원 공급 장치에 관한 것이다.
일반적으로, 전자 장치를 구동시키기 위해서는 동작에 필요한 구동 전원을 공급해주는 전원 공급 장치가 필수적으로 필요하다.
이러한 전원 공급 장치는 대개 상용 교류 전원을 직류 전원인 구동 전원으로 변환하여 전자 장치에 공급해주는데, 상용 교류 전원을 구동 전원으로 직접 변환하는 전원 변환 회로는 최대 전력 변환 효율을 유지할 수 있는 전압 레벨이 한정되어 있어 넓은 입력 전압 레벨 범위에 대하여 전력 변환 효율을 높게 유지하기 어렵고, 전원 변환을 다단으로 처리하는 경우 전원 변환에 있어서 여러 단계를 거치기 때문에 전력 변환 효율이 낮아지는 문제점이 있다.
본 발명의 과제는 상기한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명은 다단 전력 변환시 입력 전원의 전압 범위에 따라 일정 전압 범위를 바이패스하거나 일정 전압으로 변환하는 전원 공급 장치를 제공한다.
상술한 본 발명의 과제를 해결하기 위해, 본 발명의 하나의 기술적인 측면은 일정 전압 레벨 범위를 갖는 입력 전원의 전압 레벨이 사전에 설정된 기준 전압 레벨 범위 내이면 상기 입력 전원을 바이패스하고, 상기 입력 전원의 전압 레벨이 상기 기준 전압 레벨 범위 외이면 상기 입력 전원을 사전에 설정된 전압 레벨을 갖는 직류 전원으로 변환하는 제1 전원 변환부; 및
상기 전원 변환부로부터 입력된 전원을 사전에 설정된 전압 레벨을 갖는 구동 전원으로 변환하는 제2 전원 변환부를 포함하는 전원 공급 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 하나의 기술적인 측면에 따르면, 상기 입력 전원의 전압 레벨이 상기 기준 전압 레벨 범위 내이면 상기 제1 전원 변환부의 동작을 중지시켜 상기 입력 전원을 상기 제2 전원 변환부로 바이패스시키고, 상기 입력 전원의 전압 레벨이 상기 기준 전압 레벨 범위 외이면 상기 제1 전원 변환부의 전원 변환 동작을 재개시키는 제어부를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 하나의 기술적인 측면에 따르면, 상기 제1 전원 변환부는 상기 입력 전원의 전압 레벨 범위의 최소 전압 레벨부터 상기 직류 전원의 전압 레벨을 상기 기준 전압 레벨 범위로 갖는 벅(Buck) 컨버터일 수 있다.
본 발명의 하나의 기술적인 측면에 따르면, 상기 제1 전원 변환부는 상기 직류 전원의 전압 레벨부터 상기 입력 전원의 전압 레벨 범위의 최대 전압 레벨을 상기 기준 전압 레벨 범위로 갖는 부스트(Boost) 컨버터일 수 있다.
본 발명의 하나의 기술적인 측면에 따르면, 상기 제2 전원 변환부는 상기 직류 전원의 전압 레벨에 최대 공진 포인트를 갖는 LLC 공진 컨버터일 수 있다.
본 발명의 하나의 기술적인 측면에 따르면, 상용 교류 전원을 정류 및 역률 보정하여 상기 입력 전원으로 공급하는 역률 보정부를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 하나의 기술적인 측면에 따르면, 상기 제2 전원 변환부는 위상-천이 풀-브릿지(phase-shifted full-bridge; PSFB) 컨버터일 수 있다.
본 발명에 따르면, 다단 전력 변환시 입력 전원의 전압 범위에 따라 일정 전압 범위를 바이패스하거나 일정 전압으로 변환하여 후단의 LLC 컨버터 또는 PSFB 컨버터의 전력 변환 효율을 높게 유지할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 전원 공급 장치의 개략적인 구성도.
도 2의 (a) 및 (b)는 본 발명의 전원 공급 장치의 일 실시형태를 개략적으로 나타내는 구성도.
도 3은 본 발명의 전원 공급 장치의 다른 일 실시형태를 개략적으로 나타내는 구성도.
이하, 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하도록 한다.
도 1은 본 발명의 전원 공급 장치의 개략적인 구성도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 전원 공급 장치(100)는 제1 전원 변환부(110), 제2 전원 변환부(120) 및 제어부(130)를 포함할 수 있다.
제1 전원 변환부(110)는 입력 전원의 전압 레벨을 변환할 수 있으며, 상기 입력 전원의 전압 레벨은 일정 전압 레벨 범위에 속할 수 있으며, 상기 입력 전원은 직류 전원일 수 있다.
제1 전원 변환부(110)는 사전에 설정된 전압 레벨 범위를 갖는 기준 레벨 범위를 설정할 수 있으며, 상기 입력 전원의 전압 레벨이 상기 기준 레벨 범위 내에 있으면 상기 입력 전원을 제2 전원 변환부(120)에 전달할 수 있다.
또한, 제1 전원 변환부(110)는 상기 입력 전원의 전압 레벨이 상기 기준 레벨 범위 외에 있으면 상기 입력 전원을 사전에 설정된 전압 레벨을 갖는 직류 전원으로 변환하여 제2 전원 변환부(120)에 전달할 수 있다.
제2 전원 변환부(120)는 제1 전원 변환부(110)로부터 입력된 전원을 사전에 설정된 전압 레벨을 갖는 구동 전원(Vo)으로 변환할 수 있다.
즉, 상기 입력 전원의 전압 레벨이 상기 기준 레벨 범위 내에 있으면 제1 전원 변환부(110)로부터 상기 입력 전원이 바이패스되고, 제2 전원 변환부(120)는 상기 입력 전원의 전압 레벨을 변환하여 구동 전원(Vo)을 출력할 수 있고, 상기 입력 전원의 전압 레벨이 상기 기준 레벨 범위 외에 있으면 제1 전원 변환부(110)는 상기 직류 전원을 제2 전원 변환부(120)에 전달하고, 제2 전원 변환부(120)는 상기 직류 전원의 전압 레벨을 변환하여 구동 전원(Vo)을 출력할 수 있다.
제어부(130)는 상기 입력 전원의 전압 레벨을 검출하여 상기 입력 전원의 전압 레벨이 상기 기준 레벨 범위 내에 있는지 판별할 수 있다.
제어부(130)는 상기 입력 전원의 전압 레벨이 상기 기준 레벨 범위 내에 있으면 상기 제1 전원 변환부(110)의 전원 변환 동작을 중지시켜 상기 입력 전원이 제2 전원 변환부(120)로 바이패스되도록 하고, 상기 입력 전원의 전압 레벨이 상기 기준 레벨 범위 외에 있으면 제1 전원 변환부(110)가 전원 변환 동작을 수행하도록 제어할 수 있다.
도 2의 (a) 및 (b)는 본 발명의 전원 공급 장치의 일 실시형태를 개략적으로 나타내는 구성도이다.
도 2의 (a)를 참조하면, 본 발명의 전원 공급 장치의 일 실시형태(200)는 도 1에 도시된 제1 전원 변환부(110)가 상기 입력 전원의 전압 레벨을 강압하는 벅Buk) 컨버터(210)일 수 있고, 제2 전원 변환부(120)는 사전에 설정된 최대 공진 포인트를 갖는 LLC 공진 컨버터(220)일 수 있다. LLC 공진 컨버터(220)는 전원을 변환하는 트랜스포머를 구비할 수 있고, 트랜스포머의 누설 인덕턴스, 자화 인덕턴스 및 트랜스포머에 연결되는 캐패시터 간의 공진을 전력 변환에 이용할 수 있다. 도 1에 도시된 제어부(130)는 본 발명의 전원 공급 장치의 일 실시형태에서도 동일한 기능을 수행하여 도면의 기재 및 상세한 설명은 생략하도록 한다.
예를 들어, 상기 입력 전원의 전압 레벨이 42V 내지 75V일 경우, 상기 기준 레벨 범위는 42V 내지 49V일 수 있다. 즉, 벅 컨버터(210)는 제어부(130)의 제어에 따라 상기 입력 전원의 전압 레벨이 42V 내지 49V일 경우 제1 및 제2 스위치(Q1,Q2) 및 인덕터(L)의 동작을 중지하여 입력 전원의 전압 레벨이 LLC 공진 컨버터(220)에 전달되도록 할 수 있다.
이때, LLC 공진 컨버터(220)는 벅 컨버터(210)로부터의 전압 레벨이 49V에 최대 공진 주파수를 갖도록 최대 공진 포인트를 설정할 수 있다. LLC 공진 컨버터(220)에서의 최대 공진 포인트 설정은 일반적으로 널리 알려진 기공지된 기술 내용이므로 상세한 설명은 생략하도록 한다.
다만, 일반적으로 LLC 공진 컨버터(220)에서 최대 공진 포인트는 입력된 전압 레벨의 최대 전압 레벨로 설정하나, 본 발명의 전원 공급 장치의 일 실시형태(200)에서는 벅 컨버터(210)에 의해 상기 입력 전원의 전압 레벨을 가변하고, 가변된 전압 레벨의 최대 전압 레벨에 최대 공진 포인트를 설정할 수 있다.
이에 따라, 49V 내지 72V의 전압 레벨을 갖는 입력 전원이 입력되면, 벅 컨버터(210)는 강압 동작을 수행하여 최대 공진 포인트로 설정된 49V의 전압 레벨을 갖는 직류 전원을 LLC 공진 컨버터(220)에 전달할 수 있어서 LLC 공진 컨버터(220)의 전력 변환 효율을 최대로 유지할 수 있게 한다.
도 2의 (b)를 참조하면, 상기 입력 전원의 전압 레벨이 48V일 경우 상기 기준 레벨 범위에 해당되어 LLC 공진 컨버터(220)에 48V의 전압이 그대로 전달될 수 있다. LLC 공진 컨버터(220)에 전달된 직류 전원의 전압 레벨은 48V로 최대 공진 포인트의 전압 레벨인 49V보다 낮지만 그 차이가 크지 않아 LLC 공진 컨버터(220)의 전력 변환 효율을 높게 유지할 수 있으며, 예를 들어 입력 전원의 전압 레벨이 42V여도 마찬가지다.
즉, 벅 컨버터(210)를 채용할 경우 LLC 공진 컨버터(220)의 최대 공진 포인트의 전압 레벨을 입력 전원의 전압 레벨 중 최소 전압과 가깝도록 설정하여, LLC 공진 컨버터(220)가 기준 레벨 범위 내의 전압 레벨에서도 높은 전력 변환 효율을 유지하고, 기준 레벨 범위 외의 전압 레벨에서는 최대 공진 포인트에서 동작하도록 하여 최대 전력 변환 효율을 유지할 수 있도록 할 수 있다.
추가적으로, 도 2의 (a), (b)에서 벅 컨버터(210)는 제1 스위치(Q1)에 의해 LLC 공진 컨버터(220)에 전달되는 직류 전원을 서서히 충전시킬 수 있어 핫 스왑(hot swap) 블록의 스위치를 대체할 수 있으며, 인덕터(L)은 스위칭 주파수를 높여서 그 크기를 저감하여 벅 컨버터(210)에 의한 회로 면적 점유를 최소화할 수 있다.
도 3은 본 발명의 전원 공급 장치의 다른 일 실시형태를 개략적으로 나타내는 구성도이다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 전원 공급 장치의 다른 일 실시형태(300)는 상용 교류 전원을 입력받을 수 있고, 상기 상용 교류 전원을 정류하고, 정류된 전원의 전압과 전류의 위상차를 조정하여 역률을 보정하는 역률 보정부(310)를 채용할 수 있다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 전원 공급 장치의 다른 일 실시형태(300)는 도 1에 도시된 제1 전원 변환부(110)가 상기 입력 전원의 전압 레벨을 승압하는 부스트(Boost) 컨버터(320)일 수 있고, 제2 전원 변환부(120)는 위상-천이 풀-브릿지(phase-shifted full-bridge; PSFB) 컨버터(220)일 수 있다. 도 3에 도시된 제어부(340)는 도 1에 도시된 제어부(130)과 동일한 기능을 수행하여 상세한 설명은 생략하도록 한다.
예를 들어, 역률 보정부(310)에 의해 역률 보정되어 부스트 컨버터(320)에 전달되는 상기 입력 전원의 전압 레벨이 320V 내지 400V일 경우, 상기 기준 레벨 범위는 390V 내지 400V일 수 있다. 즉, 부스트 컨버터(320)는 제어부(340)의 제어에 따라 상기 입력 전원의 전압 레벨이 390V 내지 400V일 경우 제1 및 제2 스위치(Q1,Q2) 및 인덕터(L)의 동작을 중지하여 입력 전원의 전압 레벨이 위상-천이 풀-브릿지 컨버터(330)에 전달되도록 할 수 있다. 반면에, 입력 전원의 전압 레벨이 320V 내지 390V일 경우, 390V로 승압시켜 위상-천이 풀-브릿지 컨버터(330)에 전달시킬 수 있다.
이때, 위상-천이 풀-브릿지 컨버터(330)는 입력 전원의 전압 레벨에 따라 풀-브릿지의 각 스위치의 듀티를 조정하여 사전에 설정된 전압 레벨을 갖는 구동 전원을 출력할 수 있다. 위상-천이 풀-브릿지 컨버터(330)에서의 입력 전원의 전압 레벨에 따른 풀-브릿지의 각 스위치의 듀티 조정은 일반적으로 널리 알려진 기공지된 기술 내용이므로 상세한 설명은 생략하도록 한다.
다만, 본 발명의 전원 공급 장치의 다른 일 실시형태(300)에서는 부스트 컨버터(3200)에 의해 상기 입력 전원의 전압 레벨 범위를 축소하여 위상-천이 풀-브릿지 컨버터(330)에 전달하고, 위상-천이 풀-브릿지 컨버터(330)는 거의 최대 듀티로 동작하여 전력 변환 효율을 최대 전력 변환 효율에 가깝게 유지할 수 있게 한다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 다단 전력 변환시 입력 전원의 전압 범위에 따라 일정 전압 범위를 바이패스하거나 사전에 설정된 전압으로 변환하여 후단의 LLC 컨버터 또는 PSFB 컨버터에 전달하여, LLC 컨버터 또는 PSFB 컨버터가 최대 전력 변환 효율을 유지할 수 있는 최대 동작점에 가깝게 동작할 수 있어 입력 전원의 전압 레벨이 가변하여도 전력 변환 효율을 높게 유지할 수 있다.
이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고 후술하는 특허청구범위에 의해 한정되며, 본 발명의 구성은 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 그 구성을 다양하게 변경 및 개조할 수 있다는 것을 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 쉽게 알 수 있다.
100,200,300...전원 공급 장치
110...제1 전원 변환부
120...제2 전원 변환부
130,340...제어부
210...벅 컨버터
220...LLC 공진 컨버터
310...역률 보정부
320...부스트 컨버터
330...PSFB 컨버터

Claims (13)

  1. 일정 전압 레벨 범위를 갖는 입력 전원의 전압 레벨이 사전에 설정된 기준 전압 레벨 범위 내이면 상기 입력 전원을 바이패스하고, 상기 입력 전원의 전압 레벨이 상기 기준 전압 레벨 범위 외이면 상기 입력 전원을 사전에 설정된 전압 레벨을 갖는 직류 전원으로 변환하는 제1 전원 변환부; 및
    상기 전원 변환부로부터 입력된 전원을 사전에 설정된 전압 레벨을 갖는 구동 전원으로 변환하는 제2 전원 변환부
    를 포함하는 전원 공급 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 입력 전원의 전압 레벨이 상기 기준 전압 레벨 범위 내이면 상기 제1 전원 변환부의 동작을 중지시켜 상기 입력 전원을 상기 제2 전원 변환부로 바이패스시키고, 상기 입력 전원의 전압 레벨이 상기 기준 전압 레벨 범위 외이면 상기 제1 전원 변환부의 전원 변환 동작을 재개시키는 제어부를 더 포함하는 전원 공급 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제1 전원 변환부는 상기 입력 전원의 전압 레벨 범위의 최소 전압 레벨부터 상기 직류 전원의 전압 레벨을 상기 기준 전압 레벨 범위로 갖는 벅(Buck) 컨버터인 전원 공급 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제1 전원 변환부는 상기 직류 전원의 전압 레벨부터 상기 입력 전원의 전압 레벨 범위의 최대 전압 레벨을 상기 기준 전압 레벨 범위로 갖는 부스트(Boost) 컨버터인 전원 공급 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제2 전원 변환부는 상기 직류 전원의 전압 레벨에 최대 공진 포인트를 갖는 LLC 공진 컨버터인 전원 공급 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상용 교류 전원을 정류 및 역률 보정하여 상기 입력 전원으로 공급하는 역률 보정부를 더 포함하는 전원 공급 장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 제2 전원 변환부는 위상-천이 풀-브릿지(phase-shifted full-bridge; PSFB) 컨버터인 전원 공급 장치.
  8. 일정 전압 레벨 범위를 갖는 입력 전원의 전압 레벨이 사전에 설정된 기준 전압 레벨 범위 내이면 상기 입력 전원을 바이패스하고, 상기 입력 전원의 전압 레벨이 상기 기준 전압 레벨 범위 외이면 상기 입력 전원을 사전에 설정된 전압 레벨을 갖는 직류 전원으로 변환하는 제1 전원 변환부;
    상기 전원 변환부로부터 입력된 전원을 사전에 설정된 전압 레벨을 갖는 구동 전원으로 변환하는 제2 전원 변환부; 및
    상기 입력 전원의 전압 레벨이 상기 기준 전압 레벨 범위 내이면 상기 제1 전원 변환부의 동작을 중지시켜 상기 입력 전원을 상기 제2 전원 변환부로 바이패스시키고, 상기 입력 전원의 전압 레벨이 상기 기준 전압 레벨 범위 외이면 상기 제1 전원 변환부의 전원 변환 동작을 재개시키는 제어부를 포함하는 전원 공급 장치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 제1 전원 변환부는 상기 입력 전원의 전압 레벨 범위의 최소 전압 레벨부터 상기 직류 전원의 전압 레벨을 상기 기준 전압 레벨 범위로 갖는 벅(Buck) 컨버터인 전원 공급 장치.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 제1 전원 변환부는 상기 직류 전원의 전압 레벨부터 상기 입력 전원의 전압 레벨 범위의 최대 전압 레벨을 상기 기준 전압 레벨 범위로 갖는 부스트(Boost) 컨버터인 전원 공급 장치.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 제2 전원 변환부는 상기 직류 전원의 전압 레벨에 최대 공진 포인트를 갖는 LLC 공진 컨버터인 전원 공급 장치.
  12. 제10항에 있어서,
    상용 교류 전원을 정류 및 역률 보정하여 상기 입력 전원으로 공급하는 역률 보정부를 더 포함하는 전원 공급 장치.
  13. 제10항에 있어서,
    상기 제2 전원 변환부는 위상-천이 풀-브릿지(phase-shifted full-bridge; PSFB) 컨버터인 전원 공급 장치.
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