General power supply over 75W consists of two stages, PFC stage to meet the PF re-striction and DC/DC stage to regulate constant output voltage. In universal line application such as TV power supply, efficiency of power supply at low line is lower compared to high line. To solve this problem, a new three-switch LLC resonant converter for high efficiency at low line is proposed in this paper. The proposed converter changes transformer turns-ratio by changing gate driving according to input voltage, low line or high line. At high line, proposed converter has series connected transformer which is normal operation. At low line, proposed converter has parallel connected transformer which has two times voltage gain compared to high line. Since proposed converter increases voltage gain changing mode according to input line, it can be designed to obtain high efficiency in universal line. To confirm the validity of this paper, the prototype of TV power supply with universal line input, $90~264V_{rms}$, and 19V/200W dc output is tested
TV스크린의 사이즈가 증가하고, TV 패널의 두께가 점점 얇아짐에 따라, 최근에는 어댑터 형태를 가진 높은 용량의 TV용 전원 장치가 요구되고 있다. 이러한 TV용 전원장치는 전세계에서 동작하기 위해 유니버셜-라인에서 동작해야 하고, 팬이 업는 어댑터 형태이기 때문에 높은 효율을 가져야 한다는 특징이 있다. 또한 TV용 전원장치는 PFC(Power Factor Correction)단과 DC/DC 단의 두 단계로 구성되는데, 일반적으로 PFC 단에는 Boost 컨버터가 사용되고, DC/DC 단에는 최근 TV의 전원 용량이 커짐에 따라 LLC 컨버터가 사용되고 있다.
이러한 TV용 전원장치는 높은 효율을 얻기 위해서 일반적으로 PFC에 링크 전압 고정 기법을 사용한다. 링크 전압 고정 기법은 입력 라인이 바뀌더라도 PFC 컨버터의 링크 전압을 고정시킴으로써 DC/DC단의 입력 전압이 일정하게 유지된다. 따라서 좁은 입력 전압 범위로 설계된 DC/DC단으로 인해, DC/DC단에서 높은 효율을 얻을 수 있는 기법이다. 하지만 로우-라인에서 동작할 경우 PFC의 입력 전류 증가로 인해 PFC단의 로우-라인 효율이 낮아져, 로우-라인에서 하이-라인에 비해 전체 시스템의 효율이 낮아지는 문제가 발생한다.
로우-라인에서 PFC단의 효율이 낮아지는 문제점을 개선하기 위해서 링크 전압 가변 기법을 사용할 수 있다. 링크 전압 가변 기법은 입력 라인에 따라서 PFC 컨버터의 링크 전압을 가변 함으로써, PFC단의 입력이 로우-라인 일 경우 PFC의 출력 전압을 낮은 링크 전압으로 유지하고, PFC단의 입력이 하이-라인 일 경우 출력 전압을 높게 유지해 주는 방법이다. 이로 인해 PFC단의 로우-라인 효율이 높아지는 장점이 발생한다. 하지만 링크 가변 기법을 사용했을 경우, DC/DC단의 넓어진 입력 전압 범위로 인해 DC/DC단의 효율이 낮아지는 문제점이 발생하게 된다.
따라서 본 연구에서는 기존의 링크 가변 기법을 적용하였을 때 DC/DC단의 효율이 낮아지는 문제점을 개선한 새로운 회로를 제안하고자 한다. 제안하는 회로는 3개의 스위치와 2개의 직렬 연결된 트랜스포머를 가지는 LLC 컨버터로, 입력 전압에 따라 트랜스포머의 턴 비를 변경해주어 넓어진 입력 전압을 보상해준다. PFC에 하이-라인 입력 전압이 인가되었을 때, 스위치의 동작을 통해 트랜스포머를 직렬로 연결하고, 이를 통해 2n:1의 턴 비를 얻을 수 있게 된다. 반면, 로우-라인 입력 전압이 인가되었을 경우, 스위치의 동작을 통해 트랜스포머를 각각 독립된 모듈로 동작시키게 되고, 트랜스포머가 병렬 연결된 것과 같이 동작하게 된다. 따라서 로우-라인에서 제안된 컨버터의 턴 비는 n:1이 되고 하이-라인에 비해 두 배 큰 전압 이득을 얻을 수 있다. 턴 비 변경을 통해 높은 전압이득을 얻을 수 있기 때문에 DC/DC단의 LLC 컨버터를 좁은 입력 전압 범위에서 설계할 수 있고, 따라서 큰 자화 $인덕턴스(L_m)$ 를 얻을 수 있어 LLC 컨버터가 높은 효율을 가질 수 있게 된다.
결과적으로 제안하는 회로는 링크 가변을 통해 유니버셜-라인에서 PFC단의 높은 효율을 얻음과 동시에, 턴 비 변경을 통해 높은 효율을 갖는 DC/DC단의 LLC 컨버터를 설계함으로써 유니버셜-라인에서 높은 효율을 갖는 TV용 전원장치 시스템을 구현하였다.
앞선 내용들을 검증하기 위해 90~264Vrms 입력, 19V/10.5A의 200W 급 파워에서 실험이 진행되었다.