가변모드 컨버터 제어회로 및 이를 구비한 하프-브리지컨버터 document_id A220623029484

본 발명은 컨버터 제어회로 및 이를 구비한 컨버터에 관한 것으로, 특히 동작 모드(mode)를 가변할 수 있는 컨버터 제어회로 및 이를 구비한 하프-브리지 컨버터에 관한 것이다. 최근의 전자기기의 발달로 IC화에 의한 고성능화, 소형 경량화가 진행됨과 동시에 이들 장치에 불가결한 전원장치도 소형 경량화가 요구되고 있다. 이 요구를 충족시키는 안정화 전원으로서 스위칭방식에 의한 전원이 그 주류를 점하고 있다. 스위칭방식에 의한 정전압 전원장치의 하나인 DC-DC 컨버터(converter)는 소정의 직류전원을 원하는 직류레벨의 전원으로 변환하는 장치로서, 스위칭 동작을 통해 직류를 일단 교류로 변환한 후, 트랜스포머(transformer)로 승압 또는 강압한 뒤 정류함으로써 직류전압의 변압을 수행한다. 이와 같은 변환방식에는 포워드(forward) 방식, 플라이백(flyback) 방식, 하프-브리지(half-bridge) 방식, 풀-브리지(full-bridge) 방식 등 여러 가지 방식이 존재한다. 여러 가지 컨버터 중에서 하프 브리지(half-bridge) 방식에서 파생되어 나온 비대칭 듀티 제어 하프 브리지(Asymmetric PWM half-bridge) 컨버터와 공진형 하프 브리지(Resonant half-bridge) 컨버터 등은 영전압 스위칭을 통해 스위칭손실을 줄일 수 있어 고효율을 요구하는 응용에 널리 사용되고 있다. 도 1은 일반적인 하프 브리지형 DC-DC 컨버터 회로를 설명하기 위하여 도시한 회로도이다. 도 1을 참조하면, 직류전압을 공급하는 직류전압원(Vin)과, 상기 직류전압원의 양단 사이에 연결된 제1 스위칭소자(S1) 및 제2 스위칭소자(S2)와, 상기 직류전압원(Vin)과 상기 제2 스위칭소자(S2)의 접속선에 연결된 제1 캐패시터(C1)와, 상기 제1 캐패시터(C1)의 음극단과 상기 제1 및 제2 스위칭소자 사이의 접속선 사이에 1차측 권선(L1)이 연결된 트랜스포머(T)와, 상기 트랜스포머(T)의 2차측 제1 권선(L2) 및 제2 권선(L3)에 각각 연결된 제1 정류부(110) 및 제2 정류부(120), 상기 제1 정류부(110) 및 제2 정류부(120)의 출력단과 상기 제1 권선(L1) 및 제2 권선(L3)의 접속선 사이에 연결된 평활부(130), 및 상기 트랜스포머(T)의 2차측 전압을 피드백받아, 스위칭소자의 스위칭을 제어하는 스위칭 제어부(140)를 포함하여 구성된다. 상기 제1 정류부(110) 및 제2 정류부(120)는 각각 다이오드(D1, D2)로 구성되고, 상기 평활부(130)는 인덕터(L4)와 제2 캐패시터(C2)로 구성된다. 도 2a 및 도 2b는 도 1에 도시된 컨버터의 제1 스위칭소자(S1) 및 제2 스위칭소자(S2)의 동작을 설명하기 위한 타이밍도로서, (A)는 제1 스위칭소자(S1)의 타이밍도이고, (B)는 제2 스위칭소자(S2)의 타이밍도이다. 상기와 같이 구성된 종래의 컨버터의 동작을 도 1, 도 2a 및 도 2b를 참조하여 설명하면 다음과 같다. 먼저, 스위칭 제어부(140)로부터 출력된 스위칭 제어신호에 의해 제1 스위칭소자(S1)가 일정시간(t1) 동안 턴-온(turn-on)되면, 상기 트랜스포머(T)의 1차측에서는 상기 직류전압원(Vin)에 의해 입력된 직류 입력전압(Vin)과, 상기 제1 캐패시터(C1), 상기 트랜스포머(T)의 1차측 권선(L1) 및 상기 제1 스위칭소자(S1)를 차례로 통과하는 전류 루프(current loop)가 형성되면서 제1 캐패시터(C1)가 충전된다. 이때, 상기 트랜스포머(T)의 2차측에서는 1차측으로부터 유기된 전압에 의해 트랜스포머(T)의 2차측 제1 권선(L2)과, 제1 다이오드(D1), 인덕터(L4) 및 제2 캐패시터(C2)를 차례로 통과하는 전류루프가 형성되어 직류 출력전압(Vo)을 부하(미도시)측으로 공급하게 된다. 다음에, 상기 스위칭 제어부(140)의 스위칭 제어신호에 의해 상기 제1 스위칭소자(S1) 및 제2 스위칭소자(S2)가 일정 시간(t2) 동안 턴-오프(turn-off)되도록 하는 데드타임(dead time)(t2)을 갖게 된다. 데드타임(t2)은 제1 스위칭소자(S1)가 턴-오프됨과 동시에 제2 스위칭소자(S2)가 턴-온되는 것을 방지하여 입력전압(Vin)이 접지되거나 혹은 단락(short)되는 것을 방지하기 위한 것이다. 이어서, 상기 스위칭 제어부(140)로부터 출력된 스위칭 제어신호에 의해 제2 스위칭소자(S2)가 일정 시간(t3) 동안 턴-온되면, 상기 트랜스포머(T)의 1차측에서는 제1 캐패시터(C1)에 충전된 전압이 방전되면서 제1 캐패시터(C1)와, 제2 스위칭소자(S2) 및 상기 트랜스포머(T)의 1차측 권선(L1)을 차례로 통과하는 전류루프가 형성된다. 이때, 상기 트랜스포머(T)의 2차측에서는 1차측으로부터 유기된 전압에 의해 제2 권선(L3)과, 제2 다이오드(D2), 인덕터(L4) 및 제2 캐패시터(C2)를 차례로 통과하는 전류루프가 형성되어 직류 출력전압(Vo)을 부하(도시되지 않음) 측으로 공급하게 된다. 도 2a 및 도 2b에 도시된 것과 같이 상기 제1 스위칭소자(S1)와 제2 스위칭소자(S2)는 스위칭 제어부(140)에 의해 데드타임(t2)을 제외하고는 주기(T1, T2) 내에서 교번하여 턴-온되도록 제어된다. 한편, 컨버터의 출력전압을 제어하는 방식에는 주파수를 고정시키고 듀티 싸이클(duty cycle)에 의해 출력전압이 제어되도록 하는 듀티비(duty ratio) 제어방식(도 2a)과, 듀티비를 50%로 고정시키고 스위칭 주파수에 의해 출력전압이 제어되도록 하는 주파수 제어방식(도 2b)이 있다. 여러 가지 컨버터 중 비대칭 듀티 제어 하프-브리지 컨버터와 액티브 클램프 컨버터(active clamp converter)는 듀티비 제어방식을 사용하는 반면에, 공진형 하프-브리지 컨버터는 주파수 제어방식을 사용한다. 이와 같이 비대칭 듀티 제어 하프-브리지 컨버터와 공진형 하프-브리지 컨버터는 각기 다른 제어방식을 사용함에 따라 다른 제어회로를 사용하기 때문에, 시스템에서 각기 다른 컨버터가 사용될 때 컨버터에 따라 각기 다른 제어회로를 구비하여야 하기 때문에 시스템이 커지고, 시스템 제작비용이 증가하는 등 여러 가지 문제점이 있다. 따라서, 비대칭 듀티 제어 하프-브리지 컨버터, 액티브 클램프 컨버터 및 공진형 하프-브리지 컨버터 등 다양한 토폴로지(topology)에 다목적으로 적용될 수 있는 컨버터 제어회로가 요구된다.