JP2017121173A - Llc共振形コンバータ - Google Patents

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Abstract

【課題】LLC共振形コンバータを提供する。【解決手段】本発明の一実施例に係るLLC共振形コンバータは、スイッチング制御信号によってスイッチング動作する少なくとも一つ以上のスイッチを含むスイッチング部;1次巻線とキャパシタを含み、前記スイッチング部のスイッチング動作によって複数の共振周波数を有するLLC共振がなされる共振タンク部;および入力電圧の駆動周波数に基づいて前記スイッチング部に前記スイッチング制御信号を出力する共振制御部;を含むことができる。【選択図】図2

Description

本発明はLLC共振形コンバータに関するものである。より詳しくは、複数の共振周波数を有するLLC共振形コンバータに関するものである。
最近国内発光ダイオード(LED)照明業界が有望市場に浮上している。先進各国の電力節減努力に加え、日本では昨年の大地震と福島原子力発電所の事故で急にLED照明が脚光を浴びている。国内の多くのLED照明専門企業は海外の先進市場を先占するために各国の認証獲得にも活発に乗り出している状況であり、既存FL市場を代替する需要と既存蛍光ランプでは実現し難い感性および様々な機能を追加したLED照明製品を市場に出している趨勢である。
LEDはLEDに印加される電圧が閾値電圧(Threshold Voltage)以上であればLEDに電流が流れ始めて光が発生する。このようなLEDを駆動するために乾電池、バッテリまたは電源供給装置(Power Supply)などを利用して低電圧直流電源を供給する。
前記低電圧直流電源を供給する装置としては電源供給装置が主に使用されるが、電源供給装置は常用の交流電源の供給を受けてあらかじめ設定された直流電源に変換し、これを再びLED駆動用電源に変換してLEDに供給する。
前述した従来の電源供給装置を使用してLEDを駆動する場合には、常用交流電源をあらかじめ設定された直流電源に変換してLEDを駆動する。
前記変換された直流電源は高出力のためのhalf−bridge type LLC共振形コンバータとこれを出力とする降圧または昇圧用コンバータを利用してLEDに電源を提供することができる。
しかし、DC/DC stage(LLC)の広範囲の出力範囲をカバーするためには駆動周波数帯域が比例して広くなるが、特に高いスイッチング周波数帯域ではFETのスイッチング損失による破損の恐れおよび入出力コンバータ効率が低下される。また、出力電流の5〜100%制御が難しく、制御が可能であっても出力電圧の駆動範囲が限定される問題点がある。
したがって、高出力、広範囲、高効率の駆動用LED照明回路に対する技術の提供が要求される。
本発明が解決しようとする技術的課題はLLC共振形コンバータを提供することである。
本発明の技術的課題は以上で言及した技術的課題に制限されず、言及されていない他の技術的課題は下記の記載から当業者に明確に理解できるはずである。
前記技術的課題を達成するための本発明の一実施例に係るLLC共振形コンバータは、スイッチング制御信号によってスイッチング動作する少なくとも一つ以上のスイッチを含むスイッチング部;1次巻線とキャパシタを含み、前記スイッチング部のスイッチング動作によって複数の共振周波数を有するLLC共振がなされる共振タンク部;および入力電圧の駆動周波数に基づいて前記スイッチング部に前記スイッチング制御信号を出力する共振制御部;を含むことができる。
前記のような本発明によれば、LLC共振形コンバータはスイッチング制御を通じて複数の共振周波数を有することができるため入力電圧によって最大の効率で駆動され得る効果がある。
本発明の一実施例に係る、LLC共振形コンバータが含まれたLED駆動回路である。 本発明の一実施例に係る、LLC共振形コンバータの構成図である。 本発明の一実施例に係る、LLC共振形コンバータの第1動作モードを示す図面である。 本発明の一実施例に係る、LLC共振形コンバータの第1動作モードを示す図面である。 本発明の一実施例に係る、LLC共振形コンバータの第1動作モードを示す図面である。 本発明の一実施例に係る、LLC共振形コンバータの第1動作モードを示す図面である。 本発明の一実施例に係る、LLC共振形コンバータの第2動作モードを示す図面である。 本発明の一実施例に係る、LLC共振形コンバータの第2動作モードを示す図面である。 本発明の一実施例に係る、LLC共振形コンバータの第2動作モードを示す図面である。 本発明の一実施例に係る、LLC共振形コンバータの第2動作モードを示す図面である。 本発明の一実施例に係る、LLC共振形コンバータの第1作動モードおよび第2作動モードによる共振周波数を示す図面である。
以下、添付された図面を参照して本発明の好ましい実施例を詳細に説明する。本発明の利点および特徴、そしてそれらを達成する方法は添付される図面とともに詳細に後述されている実施例を参照すれば明確となるであろう。しかし、本発明は以下で掲示される実施例に限定されるものではなく、互いに異なる多様な形態で具現され得、ただし、本実施例は本発明の掲示を完全とし、本発明が属する技術分野で通常の知識を有した者に発明の範疇を完全に知らせるために提供されるものであり、本発明は請求項の範疇によって定義されるだけである。明細書全体にわたって同一参照符号は同一構成要素を指し示す。
特に定義しない限り、本明細書で使用されるすべての用語(技術および科学的用語を含む)は本発明が属する技術分野で通常の知識を有した者に共通的に理解できる意味で使用される。また、一般的に使用される辞書に定義されている用語は異なるように定義されていない限り、理想的または過度に解釈されない。
図1は本発明の一実施例に係る、LLC共振形コンバータが含まれたLED駆動回路である。
図1を参照すれば、LED駆動回路10は入力電源110、整流器115、PFC部120、LLC共振形コンバータ200およびLED部160を含むことができる。
入力電源110は LED駆動回路10の動作に必要な電力を供給する交流電源であり得る。
整流器115は交流電源を直流電源に変換する回路である。整流器115はブリッジ回路(bridge circuit)を含むことができる。
PFC部120は電力の力率を改善し、電圧を昇圧するブースト(boost)回路を含むことができる。例えば、100[V]〜200[V]範囲の大きさを有する入力電源110はPFC部120を経由して400[V]で出力され得る。
LLC共振形コンバータ200は、PFC部120からの出力が入力される、ダブルフルブリッジタイプ(double full bridge type)のDC/DCコンバータである。LLC共振形コンバータ200はスイッチング素子を1次巻線側に追加して、1次巻線の一部だけを利用することによって、1次側のインダクタンス値を変化させて共振周波数を調整することができる。したがって、共振周波数を、入力される電圧によって調整することによって、広い駆動周波数帯域に対して高効率の出力を提供することができる。
LED部160はLLC共振形コンバータ200からの出力が入力されるバック(buck)またはブースト(boost)回路を含み、複数のLED(light emitting diode)チャネルを駆動することができる。
図2は本発明の一実施例に係る、LLC共振形コンバータの構成図である。
図2を参照すれば、本発明の一実施例に係るLLC共振形コンバータ200は共振タンク部210、スイッチング部220および共振制御部230を含むことができる。
共振タンク部210は1次巻線215とキャパシタ(capacity)(C2)を含み、LLC(inductor−inductor−capacity)共振がなされる。1次巻線215の一端はスイッチング部220に含まれたスイッチに連結され、前記一端と異なる他端はキャパシタ(C2)に連結される。1次巻線215の両端の間のいずれか一つの地点にもスイッチング部220に含まれたスイッチが連結され得る。キャパシタ(C2)の一端はスイッチング部220に含まれたスイッチに連結され、前記一端と異なる他端は1次巻線215に連結される。
1次巻線215の両端の間のいずれか一つの地点にもスイッチング部220に含まれたスイッチが連結されることによって、共振タンク部210は前記スイッチのスイッチング動作により1次巻線215の一部だけがLLC共振に使用され得る。1次巻線215の一部が前記LLC共振に使用されると、前記LLC共振に参加する1次巻線215のインダクタンス(inductance)値が変化され得る。1次巻線215のインダクタンス値によって、共振周波数が変わるため、LLC共振形コンバータ200は複数の共振周波数を有するLLC共振形コンバータとなり得る。
スイッチング部220は入力されるスイッチング制御信号によってスイッチング動作する少なくとも一つ以上のスイッチを含むことができる。スイッチング部220はキャパシタ(C2)の一端に連結される第1主スイッチ(NH1)と第1副スイッチ(NL1)、1次巻線215の一端に連結される第2主スイッチ(NH2)と第2副スイッチ(NL2)、および1次巻線215の両端の間のいずれか一つの地点に連結される第3主スイッチ(NH3)と第3副スイッチ(NL3)を含むことができる。
第1主スイッチ(NH1)、第2主スイッチ(NH2)および第3主スイッチ(NH3)の一端はLLC共振形コンバータ200の電圧入力端(Vbatt)に連結され得る。第1副スイッチ(NL1)、第2副スイッチ(NL2)および第3副スイッチ(NL3)の一端は接地に連結され得る。
第1主スイッチ(NH1)の他端と第1副スイッチ(NL1)の他端は第1接点(LX1)に連結され得る。第2主スイッチ(NH2)の他端と第2副スイッチ(NL2)の他端は第2接点(LX2)に連結され得る。第3主スイッチ(NH3)の他端と第3副スイッチ(NL3)の他端は第3接点(LX3)に連結され得る。
キャパシタ(C2)の一端は第1接点(LX1)に連結され得る。1次巻線215の一端は第2接点(LX2)に連結され得る。1次巻線215の両端の間のいずれか一つの中間地点は第3接点(LX3)に連結され得る。
図2を参照すれば、第1主スイッチ(NH1)、第2主スイッチ(NH2)、第3主スイッチ(NH3)、第1副スイッチ(NL1)、第2副スイッチ(NL2)および第3副スイッチ(NL3)はnMOSFETで図示されているが、これは例示に過ぎないものであり、これに限定されるものではない。
共振制御部230は入力電圧の駆動周波数に基づいてスイッチング部220に前記スイッチング制御信号を出力することができる。
共振制御部230は前記駆動周波数があらかじめ定義された基準周波数より低いと、第1作動モードで動作することができる。前記第1作動モードにおいて、共振制御部230は第3主スイッチ(NH3)と第3副スイッチ(NL3)はターンオフ(turn−off)状態を維持し、第1主スイッチ(NH1)、第1副スイッチ(NL1)、第2主スイッチ(NH2)および第2副スイッチ(NL2)をそれぞれターンオン(turn−on)またはターンオフ(turn−off)させるスイッチング制御信号を出力することができる。
共振制御部230は前記駆動周波数が前記基準周波数より高いと、第2作動モードで動作することができる。前記第2作動モードにおいて、共振制御部230は第2主スイッチ(NH2)と第2副スイッチ(NL2)はターンオフ(turn−off)状態を維持し、第1主スイッチ(NH1)、第1副スイッチ(NL1)、第3主スイッチ(NH3)および第3副スイッチ(NL3)をそれぞれターンオン(turn−on)またはターンオフ(turn−off)させるスイッチング制御信号を出力することができる。
第2主スイッチ(NH2)と第2副スイッチ(NL2)は1次巻線215の一端に連結されており、第3主スイッチ(NH3)と第3副スイッチ(NL3)は1次巻線215の両端の間のいずれか一つの地点に連結されているので、前記第1作動モードの時よりも前記第2作動モードのときに1次巻線のインダクタンス値は減少し、共振周波数の値はさらに大きくなるため、前記第2作動モードが前記第1作動モードに比べて相対的により高い駆動周波数帯域で動作することができる。
図2〜図10には便宜上、共振制御部230と第1主スイッチ(NH1)、第2主スイッチ(NH2)、第3主スイッチ(NH3)、第1副スイッチ(NL1)、第2副スイッチ(NL2)および第3副スイッチ(NL3)の連結を図示していないが、これは可読性を高めるために省略しただけであり、共振制御部230とスイッチング部220に含まれた各スイッチはそれぞれ信号線が連結されていることもできる。前記信号線を利用して、共振制御部230はスイッチング部220に含まれた各スイッチにスイッチング制御信号を出力することができる。
前記スイッチング制御信号はターンオン信号またはターンオフ信号を含むことができる。前記ターンオン信号を受けたスイッチはスイッチがオンとなり、前記ターンオフ信号を受けたスイッチはスイッチがオフとなる。
図3〜図6は本発明の一実施例に係る、LLC共振形コンバータの第1作動モードを示す図面である。
前記第1作動モードで共振制御部230は第3主スイッチ(NH3)と第3副スイッチ(NL3)にターンオフ信号を出力し続けることによって、第3主スイッチ(NH3)と第3副スイッチ(NL3)のターンオフ状態を維持させる。
まず、図3を参照すれば、共振制御部230は第1主スイッチ(NH1)をターンオン、第1副スイッチ(NL1)をターンオフ、第2主スイッチ(NH2)をターンオフおよび第2副スイッチ(NL2)をターンオンさせるスイッチング制御信号を出力する。これに伴い、電圧入力端(Vbatt)から入力される電流410は第1主スイッチ(NH1)、共振タンク部210および第2副スイッチ(NL2)を経由して接地に流れる。
次に、図4を参照すれば、共振制御部230は第1主スイッチ(NH1)をターンオフ、第1副スイッチ(NL1)をターンオン、第2主スイッチ(NH2)をターンオフおよび第2副スイッチ(NL2)をターンオンさせるスイッチング制御信号を出力する。これに伴い、共振タンク部210にある残電流420が接地に流れて、ZVS(zero voltage switching)が形成されて一定のディレイタイム(delay time)が発生する。
その次に、図5を参照すれば、共振制御部230は第1主スイッチ(NH1)をターンオフ、第1副スイッチ(NL1)をターンオン、第2主スイッチ(NH2)をターンオンおよび第2副スイッチ(NL2)をターンオフさせるスイッチング制御信号を出力する。これに伴い、電圧入力端(Vbatt)の電流430が第2主スイッチ(NH2)を通って共振タンク部210に1次巻線の反対方向に流入する。電流420は共振タンク部210を通って第1副スイッチ(NL1)を経由して接地に流れる。
その次に、図6を参照すれば、共振制御部230は第1主スイッチ(NH1)をターンオフ、第1副スイッチ(NL1)をターンオン、第2主スイッチ(NH2)をターンオフおよび第2副スイッチ(NL2)をターンオンさせるスイッチング制御信号を出力する。これに伴い、共振タンク部210の残電流440は第1副スイッチ(NL1)を経由して接地に流れる。この時、再びZVSが形成されてディレイタイムが発生する。
図7〜図10は本発明の一実施例に係る、LLC共振形コンバータの第2作動モードを示す図面である。
共振制御部230はあらかじめ定められた条件が満たされると、前記第2作動モードで動作するようにスイッチング部220にスイッチング制御信号を出力することができる。前記条件は入力電圧の下降または入力電圧の駆動周波数の上昇を含むことができるが、これは例示に過ぎないものであり、これに限定されない。
本発明の一実施例においては、入力電圧の駆動周波数があらかじめ定められた基準周波数以上に上昇した場合に共振制御部230が第2作動モードで動作することができる。
図7〜図10を参照して、電圧入力端(Vbatt)に入力された電圧の駆動周波数が前記基準周波数以上の場合を仮定し、共振制御部230が第2作動モードで動作しながらスイッチング部220にスイッチング制御信号を出力する過程を段階別に説明する。
前記第2作動モードで共振制御部230は、第2主スイッチ(NH2)と第2副スイッチ(NL2)にターンオフ信号を出力し続けることによって、第2主スイッチ(NH2)と第2副スイッチ(NL2)のターンオフ状態を維持させる。
まず、図7を参照すれば、共振制御部230は第1主スイッチ(NH1)をターンオン、第1副スイッチ(NL1)をターンオフ、第3主スイッチ(NH3)をターンオフおよび第3副スイッチ(NL3)をターンオンさせるスイッチング制御信号を出力する。これに伴い、電圧入力端(Vbatt)の電流510は第1主スイッチ(NH1)、共振タンク部210および第3副スイッチ(NL3)を経由して接地に流れる。電流510は1次巻線215の中で第1主スイッチ(NH1)が連結された地点と第3副スイッチ(NL3)が連結された地点にだけ流れることになるので、1次巻線215の一部だけが共振に参加することになり、共振に参加する1次インダクタンスの値は減少する。以下、図8〜図10においても前記一部分にだけ電流が流れる。
次に、図8を参照すれば、共振制御部230は第1主スイッチ(NH1)をターンオフ、第1副スイッチ(NL1)をターンオン、第3主スイッチ(NH3)をターンオフおよび第3副スイッチ(NL3)をターンオンさせるスイッチング制御信号を出力する。これに伴い、共振タンク部210にある残電流520が接地に流れて、ZVS(zero voltage switching)が形成されて一定のディレイタイム(delay time)が発生する。
その次に、図9を参照すれば、共振制御部230は第1主スイッチ(NH1)をターンオフ、第1副スイッチ(NL1)をターンオン、第3主スイッチ(NH3)をターンオンおよび第3副スイッチ(NL3)をターンオフさせるスイッチング制御信号を出力する。これに伴い、電圧入力端(Vbatt)の電流530が第3主スイッチ(NH3)を通って共振タンク部210に1次巻線の反対方向に流入する。電流530は共振タンク部210を通って第1副スイッチ(NL1)を経由して接地に流れる。
その次に、図10を参照すれば、第1主スイッチ(NH1)をターンオフ、第1副スイッチ(NL1)をターンオン、第3主スイッチ(NH3)をターンオフおよび第3副スイッチ(NL3)をターンオンさせるスイッチング制御信号を出力する。これに伴い、共振タンク部210の残電流540は第1副スイッチ(NL1)を経由して接地に流れる。この時、再びZVSが形成されてディレイタイムが発生する。
図7〜図10に図示されたように、前記第2作動モードのとき、1次巻線215の一部だけが共振に参加するので、前記第1作動モードの時よりも1次インダクタンスは低くなり共振周波数は増加する。共振制御部230は共振周波数を高くする必要があるとあらかじめ定義された条件が満足されると、前記第2作動モードで動作するようにスイッチング部220に前記スイッチング制御信号を出力することができる。
したがって、本発明の一実施例に係るLLC共振形コンバータ200は入力電圧にしたがって、共振周波数を変更することができ、これに伴いより高効率で動作することができる。
図11は本発明の一実施例に係る、LLC共振形コンバータの第1作動モードおよび第2作動モードによる共振周波数を示す図面である。
図11を参照すれば、従来のLLC共振形コンバータの周波数応答グラフ600は一つの共振周波数だけを有するが、本発明の一実施例に係るLLC共振形コンバータ200の周波数応答グラフ605は二つの共振周波数を有することを確認することができる。
以上、添付された図面を参照して本発明の実施例を説明したが、本発明が属する技術分野で通常の知識を有した者は本発明がその技術的思想や必須の特徴を変更することなく、他の具体的な形態で実施できることが理解できるはずである。したがって、以上で記述した実施例はすべての面で例示的なものであり、限定的ではないものと理解されるべきである。
200:LLC共振形コンバータ
210:共振タンク部
215:1次巻線
220:スイッチング部
230:共振制御部

Claims (10)

  1. スイッチング制御信号によってスイッチング動作する少なくとも一つ以上のスイッチを含むスイッチング部;
    1次巻線とキャパシタを含み、前記スイッチング部のスイッチング動作によって複数の共振周波数を有するLLC共振がなされる共振タンク部;および
    入力電圧の駆動周波数に基づいて前記スイッチング部に前記スイッチング制御信号を出力する共振制御部;を含む、LLC共振形コンバータ。
  2. 前記LLC共振タンク部は、
    前記スイッチング部のスイッチング動作によって前記1次巻線の一部だけが前記LLC共振に使用されることによって前記複数の共振周波数を有する、請求項1に記載のLLC共振形コンバータ。
  3. 前記スイッチング部は、
    前記1次巻線の一端に連結される第1主スイッチと第1副スイッチ;
    前記1次巻線の前記一端とは異なる他端に連結される第2主スイッチと第2副スイッチ;および
    前記1次巻線の前記一端と前記他端との間のいずれか一つの部分に連結される第3主スイッチと第3副スイッチを含む、請求項1に記載のLLC共振形コンバータ。
  4. 前記共振制御部は、
    前記駆動周波数があらかじめ定義された基準周波数より低いと、
    前記第3主スイッチと第3副スイッチはターンオフ状態を維持し、
    前記第1主スイッチ、前記第1副スイッチ、前記第2主スイッチまたは前記第2副スイッチをターンオンまたはターンオフさせるスイッチング制御信号を出力する、請求項1に記載のLLC共振形コンバータ。
  5. 前記共振制御部は、
    前記第1主スイッチをターンオン、前記第1副スイッチをターンオフ、前記第2主スイッチをターンオフおよび前記第2副スイッチをターンオンさせるスイッチング制御信号を出力した後、
    前記第1主スイッチをターンオフ、前記第1副スイッチをターンオン、前記第2主スイッチをターンオフおよび前記第2副スイッチをターンオンさせるスイッチング制御信号を出力してZVS(zero voltage switching)によるディレイタイム(delay time)を発生させ、その後、
    前記第1主スイッチをターンオフ、前記第1副スイッチをターンオン、前記第2主スイッチをターンオンおよび前記第2副スイッチをターンオフさせるスイッチング制御信号を出力した後、
    前記第1主スイッチをターンオフ、前記第1副スイッチをターンオン、前記第2主スイッチをターンオフおよび前記第2副スイッチをターンオンさせるスイッチング制御信号を出力してZVSによるディレイタイムを発生させる、請求項4に記載のLLC共振形コンバータ。
  6. 前記共振制御部は、
    前記駆動周波数があらかじめ定義された基準周波数より高いと、
    前記第2主スイッチと第2副スイッチはターンオフ状態を維持し、
    前記第1主スイッチ、前記第1副スイッチ、前記第3主スイッチまたは前記第3副スイッチをターンオンまたはターンオフさせるスイッチング制御信号を出力する、請求項1に記載のLLC共振形コンバータ。
  7. 前記共振制御部は、
    前記第1主スイッチをターンオン、前記第1副スイッチをターンオフ、前記第3主スイッチをターンオフおよび前記第3副スイッチをターンオンさせるスイッチング制御信号を出力した後、
    前記第1主スイッチをターンオフ、前記第1副スイッチをターンオン、前記第3主スイッチをターンオフおよび前記第3副スイッチをターンオンさせるスイッチング制御信号を出力してZVS(zero voltage switching)によるディレイタイム(delay time)を発生させ、その後、
    前記第1主スイッチをターンオフ、前記第1副スイッチをターンオン、前記第3主スイッチをターンオンおよび前記第3副スイッチをターンオフさせるスイッチング制御信号を出力した後、
    前記第1主スイッチをターンオフ、前記第1副スイッチをターンオン、前記第3主スイッチをターンオフおよび前記第3副スイッチをターンオンさせるスイッチング制御信号を出力してZVSによるディレイタイムを発生させる、請求項6に記載のLLC共振形コンバータ。
  8. LEDに連結されて前記LEDの駆動を制御する回路において、
    交流電源が印加される入力電源;
    前記交流電源を直流電源に変換する整流器;
    前記変換された直流電源の電圧を昇圧するブースト(boost)回路;および
    複数の共振周波数のうちいずれか一つを選択的に利用して前記昇圧された電源を前記LEDの駆動電圧に降圧し、前記降圧された電源を前記LEDに提供するLLC共振形コンバータ;を含む、LED駆動回路。
  9. 前記LLC共振形コンバータは、
    スイッチング制御信号によってスイッチング動作する少なくとも一つ以上のスイッチを含むスイッチング部;
    1次巻線とキャパシタを含み、前記スイッチング部のスイッチング動作によって複数の共振周波数を有するLLC共振がなされる共振タンク部;および
    入力電圧の駆動周波数に基づいて前記スイッチング部に前記スイッチング制御信号を出力する共振制御部;を含む、請求項8に記載のLED駆動回路。
  10. 前記共振制御部は、
    前記入力電圧の駆動周波数があらかじめ定義された基準周波数より低いと、前記共振タンク部の前記1次巻線がすべて使用されるようにするスイッチング制御信号を前記スイッチング部に出力し、
    前記入力電圧の駆動周波数があらかじめ定義された基準周波数より高いと、前記共振タンク部の前記1次巻線の一部だけが使用されるようにするスイッチング制御信号を前記スイッチング部に出力する、請求項8に記載のLED駆動回路。
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