KR100428422B1 - 영전압 스위칭 풀브리지 컨버터 - Google Patents

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Abstract

고속 충전 및 소형화를 위해 영전압 스위칭을 구현하여 주파수 상승에 따른 고속스위칭 손실을 방지하는 영전압 스위칭 풀브리지 컨버터에 대해 개시한다. 본 발명의 영전압 스위칭 풀브리지 컨버터는, 입력되어 전달된 전류 및 전압을 단속하기 위해 적어도 하나 이상의 스위칭소자를 마련하고, 이 스위칭소자의 소스전극에 다이오드 및 스너버 커패시터의 일단을 접속시키고 타단은 이 스위칭소자의 드레인전극에 접속시키며, 출력커패시터에 저장된 전하를 입력받아 스위칭소자의 양단 전압을 영(zero)되게 하여 영전압 스위칭이 이루어질 수 있도록 병렬연결된 역전류 저지 다이오드와 커패시터의 일단을 소스전극에 접속하여 이루어진 스위칭부를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다. 본 발명에 따르면, 고속스위칭 손실을 방지하여 동작주파수를 높일 수 있으므로 충전장비 등의 소형화가 가능하며, 이에 따라 휴대가 용이하여 가정, 차량 등에 용이하게 사용할 수 있다는 장점이 있다. 또한, 유사 공진형 플라이백 형태의 스위칭 레귤레이터를 충전기 등에 적용함으로써 충전시간을 단축시킬 수 있다.

Description

영전압 스위칭 풀브리지 컨버터{Zero Voltage Switching Fullbridge Converter}
본 발명은 영전압 스위칭 풀브리지 컨버터에 관한 것으로, 특히 고속 충전 및 소형화를 위해 영전압 스위칭을 구현하여 주파수 상승에 따른 고속스위칭 손실을 방지할 수 있도록 병렬로 연결된 역전류 저지다이오드와 커패시터를 영전압스위칭부에 접속하여 이루어진 영전압 스위칭 풀브리지 컨버터에 관한 것이다.
최근 경박단소 및 고효율 전력공급장치의 요구가 대두되고 있는 추세와 더불어 일반적인 PWM(Pulse Width Modulation) 컨버터는 공진형 컨버터, 의사공진형 컨버터, 다중공진형 컨버터 및 소프트-스위칭(soft-switching) 컨버터로 전환되고 있다. 일반적인 PWM 컨버터의 하드-스위칭(Hard-switching) 동작은 스위칭손실, 노이즈, 스위칭 스트레스 등의 문제가 유발되며 특히 고주파일 때 현저하게 나타난다. 이러한 단점을 보완하기 위하여 PWM 컨버터에 몇 가지 공진형 기법이 적용되고 있다. 공진형 인버터에는 일반적으로 직렬형, 병렬형, class-E, 의사공진형 컨버터(QRCs), 다중공진형 컨버터로 구분된다. 제어기법에 있어서는 전류방법과 관련하여 영전압스위칭(ZVS ; Zero Voltage Switching)과 영전류스위칭(ZCS ; Zero Current Switching) 방식으로 구분된다. 이와 같이 전력변환 방식에 공진형 방식을 채택함으로써 스위칭손실과 하드-스위칭(Hard-switching)에 의한 스위치의 스트레스를 현저히 줄일 수 있다. 그러나, 공진시 나타나는 전류와 전압 형태로 인하여 일반적으로 높은 순환에너지를 가지기 때문에 동손이 증가하는 단점을 지니고 있다. 따라서. 이러한 높은 순환에너지를 유발하지 않은 새로운 소프트-스위칭(soft-switching) 기법이 연구되고 있다. 소프트-스위칭(soft-switching)은 일반적으로 스위칭 과도상태시 이용되고 있으며 과도상태 후에는 일반적인 PWM 방법과 유사한 방식을 사용하여 순환에너지를 저감시키는 방법을 채택하고 있다.
의사공진형 컨버터의 영전압스위칭(ZVS-QRC)에서는 능동스위치의 소프트-스위칭(soft-switching)을 수행하기 위하여 공진형 인덕터가 채용되는데 소자의 정션(junction) 커패시턴스의 에너지를 저장하기 위한 충분한 크기를 가지고 있어야 한다. ZVS는 경부하에서는 실행하기가 어렵다. 그러나 ZVS-QSC에서는 필터용 인덕터는 ZVS를 실현하기 위한 공진형 인덕터로서의 역할을 충분히 수행한다. 양쪽 트랜지스터가 모두 ZVS이므로 양쪽 스위치는 양방향 스위치이며 ZVS-QSC는 자연히 양방향 전력변환에 적합한 특성을 가지고 있어 밧데리 충방전 등에 이용될 수 있다.
상기와 같이 스위칭 동작에서는 전압과 전류가 스위칭 소자에 따라 일정한 지연과 기울기를 가지고 변화하기 때문에 스위치를 턴온(Turn on) 또는 턴오프(Turn off)시키게 되면 스위치에 전압과 전류가 동시에 가해지는 구간이 발생하게 되며, 이에 따라 이 구간동안에는 전압과 전류의 곱에 해당하는 스위칭의 전력손실이 발생하게 된다. 특히, 절연게이트 바이폴라 트랜지스터(IGBT)나 게이트 턴오프 사이리스터(GTO : Gate Turn Off Thyristor)와 같은 소자는 도 1에 도시된바와 같이 턴오프시에 꼬리(tail)전류가, 스위치의 양단에 전압이 충분히 가해진 후에도 일정 구간(L)동안 흐르기 때문에 상기한 바와 같이 턴오프시의 스위칭손실이 매우 크게 나타난다.
상기와 같은 스위칭손실은 소자가 개폐되는 주파수에 비례해서 증가하기 때문에 소자의 최대 스위칭 주파수를 제한하는 요소가 된다. 따라서, 이러한 특성을 갖는 소자들의 스위칭손실을 줄이고 고주파의 스위칭을 가능하게 하려면 도 2a와 같은 영전압 스위칭방법이나, 도 2b와 같은 영전류 스위칭방법을 사용하여야 한다.
영전압 스위칭은 스위칭소자와 역병렬로 연결된 다이오드가 환류전류에 의해 도통되어 스위칭소자 양단의 전압이 영이 된 후 턴온하게 되면 도 2a에서 보는 바와 같이 스위칭에 따른 전력손실은 완전히 제거된다. 그러나, 스위칭소자가 턴오프할 때는 도 1의 하드스위칭(Hard-Switching )의 경우와 같아서 손실이 줄어들지 않는다. 이러한 손실을 제거하기 위해 스위칭소자의 양단에 스너버(snubber) 커패시터(capacitor)를 연결하면 도 2a에서 보는 바와 같이 전압증가 속도가 저하되어 전류가 감소하는 구간동안의 전력손실은 줄어들게 된다.
영전류 스위칭은 도 2b에서 보는 바와 같이 스위칭소자에 흐르는 전류가 영일 때 스위칭소자를 턴오프하게 되는데, 이때는 꼬리전류를 형성하는 축적된 소수 캐리어가 모두 사라진 뒤이므로 턴오프에 의한 전력손실은 발생하지 않게 되는 것이다.
이상 설명된 바와 같이 영전압-영전류 스위칭을 구현하면 주파수를 상승시키면서 스위칭 손실을 줄일 수 있고, 이에 따라 충전장치 등의 크기를 작게 제작할수 있기 때문에, 지금까지 영전압-영전류 스위칭 기술을 개선하기 위한 많은 연구가 진행되고 있다.
도 3은 종래의 영전압 스위칭 풀브리지 컨버터의 회로도이다. 도 3에 도시된 바와 같이, 종래의 영전압 스위칭 풀브리지 컨버터는, 입력되어 전달된 전류 및 전압을 단속하기 위한 스위칭부(10)와, 상기 스위칭부(10)의 스위칭에 의해 1차측으로부터 전달된 전류 및 전압을 2차측으로 유도하는 변압기(L2, L3, 20)와, 상기 2차측의 전류를 정류하여 부하측으로 출력하기 위한 정류부(D5, D6, 30)와, 상기 부하측으로부터 입력된 전류를 피드백하여 전류제어가 이루어지며 이 제어된 전류를 상기 스위칭부(10)로 입력하는 입력부(40)와, 그리고 상기 부하측으로부터 입력된 전류 및 전압을 체크하여 스위칭부의 스위칭 동작을 제어하는 제어부(50)로 이루어져 있다.
상기 스위칭부(10)는 4개의 IGBT 스위칭소자(Q1, Q2, Q3, Q4)로 구성된 풀브리지 인버터(Full Bridge Inverter)이다. 상기 4개의 IGBT 스위칭소자 각각에는 스위칭소자 양단에 역병렬로 다이오드(D1, D2, D3, D4)가 접속되며, 또한, 스위칭소자 양단에 스너버 커패시터(C1, C2, C3, C4)가 각각 접속되어 있다.
이와 같이 구성된 종래의 영전압 스위칭 풀브리지 컨버터의 동작을 간단히 설명하면 다음과 같다.
먼저 제어부(50)에 의해 스위칭소자의 스위칭제어가 이루어지게 되는데, 단계별로 제1 모드에서 제7 모드에 이르는 과정을 거쳐 고주파 교류를 발생시키게 된다.
제1 모드는 입력되는 전류 및 전압이 1차측에서 2차측으로 유도되는 과정으로서, 1차측 브리지 스위칭소자(Q1, Q2)가 도통하고 이때 변압기 전류는 D1으로부터 Q1, D2로부터 Q2로 각각 정류(Commutation)되고, 풀브리지 컨버터의 변압기 2차측 출력필터인덕터(L3) 전류가 정류다이오드(D5, D6)와 변압기 Tr 2차측 권선을 통하여 흐르고 있기 때문에 단락되어 입력전압이 모두 변압기 누설 인덕턴스(L2)에 모두 인가된다.
이어서 제2 모드는 스위칭소자(Q1, Q2)는 계속 턴온되어 있고 변압기 1차 전류가 유도된 출력필터인덕터(L3) 전류에 이르면 출력정류 다이오드(D6)는 역바이어스 되어 흐르는 전류는 영으로 감소되고, 이와 동시에 변압기 2차측 전압은 급속하게 상승하여 D5를 통하여 출력된다.
다음으로 제3 모드는 스위칭소자(Q1)이 턴오프하기 전에 고주파 변압기 1차측 전류가 피크치에 이르게 되는데, 이때 고주파 변압기 1차전류는 2차측에서 유도된 출력 필터인덕터 전류와 변압기 여자전류의 합이 된다.
한편, 제4 모드는 스위칭소자(Q3)의 역병렬 다이오드(D3)가 도통후 소위칭소자(Q3)가 턴온 한다면 영전압 스위칭 조건에서 턴온 될 수 있고 1차측 변압기 전압은 영(zero)이 된다. 이 동작동안 1차측에 흐르는 전류는 스위칭소자(Q2)와 역병렬 다이오드(D3) 또는 스위칭소자(Q3)를 통해 순환하고 출력전류도 2차측 정류부 다이오드(D5, D6)를 통하여 환류한다.
이후, 제5 모드는 스위칭소자(Q2)가 턴오프되면서 이 동작이 시작되고 스위칭소자를 통해 흐르던 전류는 스위칭소자(Q2, Q4)의 기생 커패시턴스(Cp)를 충방전시키면서 정류한다.
그리고, 제6 모드는 스위칭소자(Q4)가 턴온되었을 때 스위칭소자(Q4)와 스위칭소자(Q3)가 도전하고 있다고 할지라도 출력필터인덕터(L2) 전류는 출력측 정류다이오드(D5, D6)를 통하여 단락되어 있으므로 단지 입력전압이 변압기 누설인덕턴스(L3)에 인가되어 변압기 1차전류는 부하전류로 공급되지 못하고 부로향하는 순환전류로 흐르게 된다.
마지막으로, 제7 모드는 스위칭소자(Q4)와 스위칭소자(Q3)의 도전에 의하여 입력전류가 부하로 전달되고 스위칭소자(Q3)가 턴오프 되었을 때 영전압 스위칭 풀브리지 컨버터의 반주기 동작을 끝내면서 동작이 끝나게 된다.
도 4에 도시된 바와 같이, 입출력단(Vc, Vo)에서 스위칭시 발생되는 파형을 나타낸 파형으로서, 상기 파형으로부터 떨림현상이 발생하는 것을 알 수 있다.
따라서, 본 발명의 목적은 유사 공진형 플라이백 형태의 스위칭 레귤레이터를 충전기에 적용하여 충전시간을 단축시키고, 소형화를 이룸으로써 가정, 차량 등에서 편리하게 사용할 수 있는 영전압 스위칭 풀브리지 컨버터를 제공하고자 한다.
즉, 고속 충전 및 소형화를 위해 영전압 스위칭을 구현하여 주파수 상승에 따른 고속스위칭 손실을 방지할 수 있도록 병렬로 연결된 역전류 저지다이오드와 커패시터를 영전압스위칭부에 접속하여 이루어진 영전압 스위칭 풀브리지 컨버터를 제공하는데 있다.
도 1은 일반적인 스위칭 소자의 하드 스위칭(Hard Switching)시의 전류 및 전압 파형도,
도 2는 일반적인 스위칭 소자의 영전압 스위칭시의 전류 및 전압 파형도,
도 3은 종래의 영전압 스위칭 풀브리지 컨버터의 회로도,
도 4는 종래의 스위칭시 발생하는 전압파형도,
도 5는 본 발명의 일실시예에 의한 영전압 스위칭 풀브리지 컨버터의 회로도,
도 6은 본 발명의 영전압 스위칭 풀브리지 컨버터 스위칭시 발생하는 전압파형도이다.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *
100 : 스위칭부 200 : 변압기
300 : 정류부 400 : 입력부
500 : 제어부
Q : 스위칭소자 D : 다이오드
C : 커패시터 L : 인덕턴스
상기한 본 발명의 목적을 달성하기 위한 영전압 스위칭 풀브리지 컨버터는, 입력되어 전달된 전류 및 전압을 단속하기 위해 적어도 하나 이상의 스위칭소자를 마련하고, 상기 스위칭소자의 소스전극에 다이오드 및 스너버 커패시터의 일단을 접속시키고 타단은 상기 스위칭소자의 드레인전극에 접속시키며, 출력커패시터에 저장된 전하를 입력받아 스위칭소자의 양단 전압을 영(zero)되게 하여 영전압 스위칭이 이루어질 수 있도록 상기 소스전극에 병렬연결된 역전류 저지 다이오드와 커패시터를 접속하여 이루어진 스위칭부; 상기 스위칭부의 스위칭에 따라 생성된 1차측 전류 및 전압을 2차측으로 유도하는 변압기; 상기 2차측의 전류를 정류하여 부하측으로 출력하기 위한 정류부; 상기 부하측으로부터 입력된 전류를 피드백하여 전류제어가 이루어지며 이 제어된 전류를 상기 스위칭부로 입력하는 입력부; 및 상기 부하측으로부터 입력된 전류 및 전압을 체크하여 스위칭부로 스위칭제어신호를 출력하는 제어부를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다. 이 때, 상기 스위칭부는 4개의 게이트절연 바이폴라 트랜지스터(IGBT) 스위칭소자들로 구성된 풀브리지 인버터이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 설명한다.
도 5는 본 발명의 영전압 스위칭 풀브리지 컨버터의 회로도이다. 도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명의 영전압 스위칭 풀브리지 컨버터는, 입력되어 전달된 전류 및 전압을 단속하기 위한 스위칭부(100)와, 상기 스위칭부(100)의 스위칭에 의해 1차측으로부터 전달된 전류 및 전압을 2차측으로 유도하는 변압기(L2, L3, 200)와, 상기 2차측의 전류를 정류하여 부하측으로 출력하기 위한 정류부(D5, D6, 300)와, 상기 부하측으로부터 입력된 전류를 피드백하여 전류제어가 이루어지며 이 제어된 전류를 상기 스위칭부(100)로 입력하는 입력부(400)와, 그리고 상기 부하측으로부터 입력된 전류 및 전압을 체크하여 스위칭부(100)의 스위칭 동작을 제어하는 제어부(500)로 이루어져 있다.
상기 스위칭부(100)는 4개의 IGBT 스위칭소자(Q1, Q2, Q3, Q4)로 구성된 풀브리지 인버터(Full Bridge Inverter)이다. 상기 4개의 IGBT 스위칭소자 각각에는 스위칭소자 양단에 역병렬로 다이오드(D1, D2, D3, D4)가 접속되며, 또한, 스위칭소자 양단에 스너버 커패시터(C1, C2, C3, C4)가 각각 접속되어 있다.
여기에 본 발명의 특징부로서, 역전류 저지 다이오드(D11, D21, D31, D41)와 커패시터(C11, C21, C31, C41)를 병렬로 연결하여 각 스위칭소자의 소스전극에 접속되어 있다. 이 역전류 저지 다이오드(D11, D21, D31, D41)와 커패시터(C11, C21, C31, C41)를 삽입함으로써 스위칭 소자 양단의 전압이 영(zero)인 시점에서 스위칭이 가능하도록 제어된다.
그리고, 스너버 커패시터(C1, C2, C3, C4C)와 공진하기 위하여 1차측에 연결된 인덕터(L1)가 스위칭소자(Q1)와 스위칭소자(Q3)의 접점과 변압기(200) 사이에 마련된다.
여기서 구체적으로 도시되지는 않았으나, 상기 제어부(500)는 상기 스위칭부(100)의 스위칭 동작을 제어하여 부하(RL)에 제공되는 전류의 크기 및 형태를 제어하도록 하는 것으로서, 사용자가 원하는 부하 전류의 크기 및 형태를 선택하고 그에 대응하는 전류 지령 신호를 발생하기 위한 전류 지령 발생부(미도시), 상기 전류 지령 발생부(미도시)의 출력 신호와 상기 부하(RL)에 흐르는 전류신호를 비교하여 그 차이 신호를 출력하기 위한 전류제어부(미도시), 및 상기 전류제어부(미도시)의 출력 신호에 따라 상기 스위칭부(100)를 제어하여 상기 부하에 상기 전류 지령 신호에 대응하는 전류가 제공되도록 하기 위한 위상변이 펄스폭변조기(미도시)로 구성된다.
설명되지 않은 인덕터(L4)는 영전류 스위칭을 위한 제어회로가 변압기 형태로 접속될 수 있다. 또한, 레귤레이터 부분의 L5, C5, D7, L6, C6, R 소자는 그 회로구성에 의해 Buck(강압형) 스위칭 레귤레이터의 출력부의 통상적인 동작을 수행한다. 상기 입력부(400)는 전파정류회로로 구성되어 있고, 그 구성을 통상의 회로구성을 하고 있으므로 그 구체적인 설명은 생략한다.
그러면, 여기서 본 발명의 일실시예에 의한 영전압 스위칭 풀브리지 컨버터 회로의 동작을 살펴보면 다음과 같다.
스위칭소자의 턴-오프 동안 각 스위칭소자의 출력커패시터 C에 저장된 에너지는 각 스위칭소자가 턴-온 되기 전에 역전류 저지 다이오드(D11)와 병렬로 연결된 커패시터(C11)로 전달된다. 따라서 공진커패시터 전압이 영(zero)이 될 때(실제회로에서 MOS-FTE의 양단 전압은 영이 아님) 스위칭하는 기존의 전파모드 영전압 스위칭 다중공진형 컨버터와는 달리 제안하는 컨버터에서는 각 스위칭소자의 출력커패시터에 저장된 에너지가 삽입된 커패시터로 전달이 끝나는 즉 각 스위칭소자의양단 전압이 영이 되는 시점에서 각 스위칭소자를 턴-온 시킨다. 이러한 개선된 영전압 스위칭 조건은 각 스위칭소자의 스위칭 손실을 제거시키고, 각 스위칭소자에서 실질적인 영전압 스위칭을 수행할 수 있게 한다.
이상의 동작에서 알 수 있듯이 각 스위칭소자가 턴-오프된 이후에 각 스위칭소자의 양단 전압이 영이 되는 시점에서 각 스위칭소자를 스위칭 함으로써 스위칭 손실 없이 원하는 실질적인 영전압 스위칭을 수행할 수 있다. 나머지 각 스위칭소자에 마련된 역전류 저지 다이오드(D21, D31, D41)와 병렬로 연결된 커패시터(C21, C31, C41)도 위에서 설명한 마찬가지 원리로 동작을 수행한다.
이에 따라 도 6에 도시된 바와 같이, 본 발명의 영전압 스위칭 풀브리지 컨버터의 스위칭시 떨림현상이 보정된 것을 알 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 영전압 스위칭 풀브리지 컨버터는, 핸드폰 고속 충전용 스위칭 전원장치 개발은 기존의 데스크답 핸드폰 충전기가 시리지 레귤레이터형 충전방식을 사용하기 때문에 충전시간이 오래 걸리고 휴대가 불편한 단점이 있다. 이러한 문제점을 개선하기 위하여 유사 공진형 플라이백 형태의 스위칭 레귤레이터를 핸드폰 충전기에 적용하여 충전시간을 30％ 이상 향상시키고 가정, 차량 등에서 사용이 편리한 충전기 등에 적용할 수 있다.
본 발명은 상술한 실시예에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상 내에서 당분야의 통상의 지식을 가진 자에 의하여 많은 변형이 가능함은 명백할 것이다.

Claims (3)

  1. 삭제
  2. 입력되어 전달된 전류 및 전압을 단속하기 위해 적어도 하나 이상의 스위칭소자를 마련하고, 상기 스위칭소자의 소스전극에 다이오드 및 스너버 커패시터의 일단을 접속시키고 타단은 상기 스위칭소자의 드레인전극에 접속시키며, 출력커패시터에 저장된 전하를 입력받아 스위칭소자의 양단 전압을 영(zero)되게 하여 영전압 스위칭이 이루어질 수 있도록 병렬연결된 역전류 저지 다이오드와 커패시터의 일단을 상기 소스전극에 접속하여 이루어진 스위칭부;
    상기 스위칭부의 스위칭에 따라 생성된 1차측 전류 및 전압을 2차측으로 유도하는 변압기;
    상기 2차측의 전압을 정류하여 부하측으로 출력하기 위한 정류부;
    상기 정류부에 정류된 전압을 필터링하여 강압 평균화하는 강압레귤레이터;
    상기 강압 평균화된 전압을 피드백하여 전파정류시켜 상기 스위칭부로 입력하는 피드백전압 입력부; 및
    상기 부하측으로부터 입력된 전류 및 전압을 체크하여 스위칭부로 스위칭제어신호를 출력하는 제어부
    를 더 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 영전압 스위칭 풀브리지 컨버터.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 스위칭부는 4개의 게이트절연 바이폴라 트랜지스터(IGBT) 스위칭소자들로 구성된 풀브리지 인버터인 것을 특징으로 하는 영전압 스위칭 풀브리지 컨버터.
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