KR100871676B1 - Ｓｌｌｃ 직렬공진 컨버터회로 및 이 회로를 채용한직류변환 장치 - Google Patents

Ｓｌｌｃ 직렬공진 컨버터회로 및 이 회로를 채용한직류변환 장치 Download PDF

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Abstract

승압모드와 강압모드 둘 다 동작될 수 있고, 상대적으로 좁은 주파수 제어범위에서 넓은 범위의 입출력 전압제어를 할 수 있으며, 스위칭 동작영역에서 모든 스위칭소자들이 소프트 스위칭 할 수 있는 등의 여러 장점들을 갖고 있는 SLLC 직렬공진 컨버터 및 이를 적용한 직류 변환장치에 관한 발명. 본 발명에서는 직렬공진 컨버터의 공진수단을 변압기 2차측에 위치시켜 직렬공진을 위한 직렬커패시터의 크기 및 단가를 저감 할 수 있고, 변압기 자화인덕턴스를 가능한 크게 하기 위해 변압기에 공극을 두지 않았으며 1차측 누설인덕턴스(Ll1)와 2차측 누설인덕턴스(Ll2)를 직렬공진수단으로 이용하였다. 또한, 직렬공진 컨버터의 1차측 Bridge 주스위칭소자의 영전압 스위칭을 위한 전류를 흐르도록 하기 위해 변압기 2차측에 병렬인덕터(L2)를 추가하여 LLC 직렬공진 컨버터의 특성을 얻도록 하였다. 추가된 병렬인덕터(L2) 값 변화에 따라 높은 전압 이득특성을 갖게 되어 변압기의 적은 턴수비에도 높은 출력전압을 얻을 수 있는 장점을 갖는다.
SLLC 직렬공진, DC/DC 컨버터, 직렬공진, 누설인덕턴스

Description

ＳＬＬＣ 직렬공진 컨버터회로 및 이 회로를 채용한 직류변환 장치 {DC-to-DC conversion apparatus adopting SLLC series resonant converter}
도 1은 종래의 전압형 풀브리지 직류 변환장치의 개략 회로도.
도 2는 도 1과 같은 전압형 직류 변환장치의 동작 파형도.
도 3은 전류형 직류 변환장치의 개략 회로도.
도 4는 도 3과 같은 전류형 직류 변환장치의 동작 파형도.
도 5는 1차측에 직렬공진 커패시터가 적용된 종래의 LLC 직렬공진 컨버터의 회로도.
도 6은 2차측에 직렬공진커패시터와 병렬인덕터(L2)가 적용된 본 발명의 SLLC 직렬공진 컨버터의 일실시예 회로도.
도 7은 본 발명의 SLLC 직렬공진 컨버터의 일실시예의 동작 파형도.
도 8~12는 본 발명의 SLLC 직렬공진 컨버터의 일실시예의 작용을 설명하기 위한 동작모드 설명도.
도 13은 도 6의 등가회로도.
도 14는 본 발명의 SLLC 직렬공진 컨버터의 다른 실시예를 나타내는 회로도.
도 15는 도 14의 등가회로도.
도 16은 도 15에 대한 전압이득 특성곡선.
도 17은 도 14에 나타낸 실시예에 있어서의 1차측 단자전압(Vab)과 전류(IT1) 및 2차측 공진전류(ID)와 병렬인덕터 전압(VL2) 간의 실험파형도(50V/div., 50A/div., 500V/div., 2.5A/div., 4㎲/div).
도 18은 도 14에 나타낸 실시예의 시제품 사진.
도 19는 본 발명의 SLLC 직렬공진 컨버터의 또다른 실시예도.
도 20은 상기 도 19의 변형 실시예 회로도.
도 21은 도 19의 등가회로.
도 22는 도 19와 도 20에 나타낸 회로의 입출력전압 이득특성곡선.
도 23은 본 발명의 SLLC 직렬공진 컨버터의 또다른 실시예로서, 승압형 푸시풀 직류 변환장치의 주회로를 나타내는 회로도.
도 24는 본 발명의 SLLC 직렬공진 컨버터의 또다른 실시예로서, 승압형 하프브릿지 직류 변환장치의 주회로를 나타내는 회로도.
도 25는 본 발명에 램프 부하를 사용하는 경우의 응용례 회로도.
본 발명은, 직류변환 장치, 즉 DC/DC 컨버터에 관한 것이다. 보다 구체적으로 본 발명은 SLLC 직렬공진 컨버터회로 및 이를 주회로로서 적용한 직류변환 장치 에 관한 것이다.
낮은 입력전압을 높은 출력전압으로 변환하는 고주파 승압형 직류 변환장치에 있어서 종래의 컨버터 주회로는 일반적으로 전압형 컨버터(Voltage-Fed Converter)와 전류형 컨버터(Current-Fed Converter)로 나눌 수 있다.
도 1은 전압형 Full Bridge 직류 변환장치의 회로를 예시하고, 도 2는 전압형 Full Bridge 직류 변환장치의 동작 파형도를 나타낸다[참고: Vlako Vlatkovic, Juan A. Sabate, Raymond B. Redley, Fred C. Lee, Bo H Cho "Small-Signal Analysis of the Phase-Shifted PWM Converter", IEEE Trans. Power Electron. vol.7, no1, pp.128-135, 1992; Lai, J.S "A High-Performance V6 Converter for Fuel Cell Power Conditioning System" Vehicle Power and Propulsion, 2005 IEEE Conference , sept 2005, pp 624-630].
전압형 컨버터는 일반적으로, 중대용량에서 전압형 Full Bridge 직류 변환장치가 위상전이(Phase-shift) PWM 방식적용에 의해 1차측 브리지(Bridge) 주 스위칭소자(S1, S2, S3, S4)에 안정한 영전압 스위칭동작을 제공함으로써 스위칭손실을 저감시킬 수 있기 때문에 승압형 직류 변환장치로 많이 적용되고 있다. 하지만 전압형 Full Bridge 직류 변환장치는 승압을 위해 높은 변압기 턴수비(Turn ratio)를 요구하기 때문에 변압기 누설인덕턴스 증가에 의한 듀티손실 (△D)이 발생하게 된다.
Figure 112006063139888-pat00001
이때 출력전압은
Figure 112007091625363-pat00190
,
Figure 112007091625363-pat00003
이다.
듀티손실(△D) 구간 동안에 흐르는 순환전류는 2차측에 에너지를 전달하지 못하고 단지 1차측 브리지(Bridge) 주 스위칭소자를 통해서 흐르므로 도통손실만 증가시켜 효율특성이 떨어지게 하는 문제점을 갖는다.
한편, 도 3은 전류형 직류 변환장치의 회로도, 도 4는 전류형 직류 변환장치 동작 파형을 나타낸다. [참고: L. Zhu, K. Wang, F.C. Lee, J. Lai, "Design Considerations of Start-up Process for Active-Clamp Isolated Full-Bridge Boost Converter", VPEC Seminar, 1999]
전류형 컨버터는 입력단에 승압인덕터(L)를 부착하여 단락구간 동안 승압인덕터(L)에 에너지를 축적하고, 전달구간 동안에 입력전압(Vin)과 승압인덕터(L)에 축적된 전압의 합을 변압기 1차측에 인가해 줌으로써 에너지를 전달하게 된다. 이때 승압인덕터(L)에 흐르는 전류는 적은 리플전류를 갖는 소정 DC 전류이므로 낮은 입력 전압 및 대전류를 공급하는 직류 DC-DC 승압기로서 바람직한 특징을 갖는다.
하지만, 도 3 및 도 4에 있어서 승압인덕터(L)를 통해 흐르던 전류가 주 스위칭소자(S1, S2, S3, S4)의 턴오프시 스위칭소자 내의 기생 커패시턴스와 기생진동(Ringing)현상을 일으키고 스위칭소자의 전압 스트레스를 증가시킨다. 이를 해결하기 위해 스위칭소자의 DC 연결부 양단에 RCD 스너버회로(Snubber)를 부착하여 스위칭소자의 턴오프시 승압 인덕터에 흐르는 전류경로를 스너버다이오드와 스너버커패시터를 통해 흐르게 함으로써, 스위칭소자에 인가되는 서지 전압을 억제(Clamp) 할 수 있다.
그러나 이와 같은 RC 혹은 RCD스너버 회로의 적용은 방전시 스너버 커패시터에 충전된 에너지를 스너버 저항을 통해 소비하게 되므로 스위칭주파수가 높을수록 스위칭손실이 커져서 에너지 변환효율을 저감시킨다.
앞에서 소개한 종래의 주회로에 대한 특성 및 문제점을 감안하여, 승압모드와 강압모드 둘 다 동작될 수 있고 상대적으로 좁은 주파수 제어범위에서 넓은 범위의 입출력 전압제어를 할 수 있으며, 스위칭 동작영역에서 모든 스위칭소자들이 소프트 스위칭 할 수 있는 등의 여러 장점들을 갖고 있는 LLC 직렬공진 컨버터 적용 승압형 직류 변환장치가 제안되었다. 도 5에 이러한 컨버터회로를 나타내었다. [참고: Bo. Yang, F.C. Lee, A.J. Zhang, "LLC Resonant converter for Front End DC/DC Conversion," IEEE-APEC'2002, Vol. 2, pp. 1108-1112, 2002; Guisong Huang, Alpha J. Zhang, Yilei Gy, "LLC Series Resonant DC-TO-DC Converter", Patent No.: US 6,344,9779 B1, Feb. 5, 2002]
LLC 직렬공진 컨버터는 전력밀도 및 효율특성을 더욱 증가시키기 위해 개발된 것으로서, 인덕터와 변압기를 하나의 변압기로 일체화시킨 변압기를 사용하고 있다. 그러나 도 5의 LLC 직렬공진 컨버터는 낮은 입력전압에서 높은 출력전압으로 전압을 승압시켜 동작되므로, LLC 직렬공진 컨버터의 공진수단 중 하나인 직렬공진커패시터를 1차측에 사용하는한 1차측에 흐르는 대전류로 인해 직렬공진 커패시터가 열화되어 특성변화가 생길 수 있고 커패시터의 크기 증가에 따른 고집적화의 어려움 및 적용 단가 상승 등에 따라 1차측에 사용하기에는 여러 문제점이 따른다.
본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 LLC 직렬공진 컨버터의 공진수단을 변압기의 2차측에 위치시킴으로써 공진수단의 크기 및 단가를 저감할 수 있는 SLLC 직렬공진 컨버터회로 및 이를 채용한 직류변환장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은, LLC 직렬공진 컨버터의 1차측 주스위칭소자의 영전압 스위칭을 위한 전류가 흐르도록 하기 위해 변압기 2차측에 병렬인덕터를 추가함으로써 높은 전압이득특성을 얻을 수 있는 SLLC 직렬공진 컨버터회로 및 이를 채용한 직류변환장치를 제공하는 것이다.
발명의 개요
상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명은 새로운 구성의 SLLC 직렬공진 컨버터회로를 개시한다. 이하, 본 발명의 컨버터 회로에 사용된 LLC 직렬공진 회로를 종래의 것과 구별하기 위하여 SLLC(Secondary LLC) 직렬공진 회로라 명명하기로 한다.
이 컨버터회로의 제1특징에 따른 SLLC 직렬공진 컨버터회로는, 다수의 주스위칭소자와, 이 주스위칭소자의 전류단속에 의해 유도전압을 발생하기 위하여 1차측 권선과 2차측권선을 갖는 변압기를 포함하는데, 상기 변압기의 2차측권선에 직 렬로 연결되는 공진수단을 포함하고 있다.
상기 공진수단은 상기 변압기의 2차측권선의 일단에 제1단이 연결되고 제2단은 본 SLLC 직렬공진 컨버터회로의 출력단에 연결되는 커패시터를 포함하여, 상기 변압기의 1차측 누설인덕턴스와 2차측 누설인덕턴스와 함께 공진작용을 한다.
또한, 상기 공진수단은 상기 커패시터의 제2단에 연결되는 병렬인덕터를 추가로 포함하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 공진수단은 상기 커패시터의 제2단 및 상기 병렬인덕터와의 연결부 및 본 SLLC 직렬공진 컨버터회로의 출력단 사이에 연결되는 직렬인덕터를 추가로 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 컨버터회로의 제2특징에 따른 SLLC 직렬공진 컨버터회로는, 다수의 주스위칭소자와, 이 주스위칭소자의 전류단속에 의해 유도전압을 발생하기 위하여 1차측 권선과 2차측권선을 갖는 변압기를 포함하는데, 상기 변압기의 2차측권선에 직렬로 연결되는 공진수단을 포함하고, 공진수단과 직렬로, 공극을 갖고 있는 LCTR(Loosely Coupled Transformer) 변압기를 연결하여 사용하는 것을 특징으로 한다.
상기 공진수단은 상기 변압기의 2차측권선의 일단에 제1단이 연결되고 제2단은 SLLC 직렬공진 컨버터회로의 출력단에 연결되는 커패시터를 포함한다.
이 컨버터회로에서는 상기 커패시터는 상기 LCTR의 자화인덕턴스 (
Figure 112006063139888-pat00004
)및 누설인덕턴스(
Figure 112006063139888-pat00005
)와 함께 공진작용을 한다.
이상에서 설명한 SLLC 직렬공진 컨버터회로는 각종 방식의 직류변환 장치, 즉, 입력단에 입력되는 제1전압의 직류를 제2전압의 직류로 변환하여 출력단으로 출력하는 DC/DC컨버터에 채용 가능하다. 상기 SLLC 직렬공진 컨버터회로를 채용가능한 직류변환 장치로는, 풀브릿지(full bridge), 하프브릿지(half bridge), 푸쉬풀(push-pull) 형식을 예로 들 수 있다.
이렇게 본 발명의 SLLC 직렬공진 컨버터회로를 채용한 직류변환 장치에 있어서는, 입력단에 입력되는 직류전압에 의한 DC 바이어싱 현상이 발생할 수 있으므로, 이를 막기 위하여 컨버터회로의 변압기의 1차측권선에 블로킹 커패시터를 추가로 연결하는 것이 바람직하다.
이상에서 설명한 본 발명의 구성을 보다 더 가시적으로 설명하면 다음과 같다.
도 6에서와 같이 SLLC 직렬공진 컨버터의 공진수단을 변압기(TR) 2차측에 위치시켜 주회로를 구성함으로써, 직렬공진용 커패시터(CS)의 크기 및 단가를 저감할 수 있다. 그리고 일반적인 변압기처럼 자화인덕턴스(Magnetizing Inductance)를 가능한한 크게 하기 위해 변압기(TR)에 공극(air gap)을 두지 않았으며 1차측 누설인덕턴스(Ll1)와 2차측 누설인덕턴스(Ll2)를 직렬공진수단으로서 사용하는 권선방법을 적용하였다. 특히, 1차측의 Bridge 주스위칭소자(
Figure 112007091625363-pat00006
,
Figure 112007091625363-pat00007
,
Figure 112007091625363-pat00008
,
Figure 112007091625363-pat00009
)의 영전압 스위칭을 위한 전류를 흘리기 위해 2차측에 병렬인덕터(L2)를 추가하여 SLLC 직렬공진 컨버터의 특성을 얻도록 하였다. 이와 같이 병렬인덕터(L2)의 추가에 의해, 이 병렬인덕터(L2) 값에 따라 높은 전압 이득특성을 갖게 되어 변압기의 적은 턴수비에도 높은 출력전압을 얻을 수 있고 넓은 입력전압 범위와 모든 부하 범위에서 사용 가능한 장점이 있다. 따라서 본 발명에서 제안한 SLLC 직렬공진 컨버터는 변압기(TR)의 1, 2차측 누설인덕턴스 및 변압기(TR) 2차측에 설치한 커패시터(CS)와의 직렬공진과 병렬인덕터(L2)의 추가로 도 5의 종래 LLC 직렬공진 컨버터에서 발생되는 문제점을 해결할 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따른 직류 변환장치의 동작설명
본 발명에서 제안한 SLLC 직렬공진 컨버터를 적용한 직류 변환장치의 일실시예에 따른 승압형 DC/DC 컨버터에 대한 동작모드를 시간별로 구분하여 살펴본다. 도 7의 파형도는 규준화된 주파수(
Figure 112006063139888-pat00010
)가 1보다 낮은 불연속모드(Discontinuous Conduction Mode) 영역에서 동작했을 때의 본 발명의 직렬공진 컨버터의 동작파형이다. 이 동작파형들은 변압기 1차측 단자전압
Figure 112006063139888-pat00011
, 변압기 2차측 전류
Figure 112006063139888-pat00012
, 병렬인덕터 전류
Figure 112006063139888-pat00013
, 2차측 공진전류
Figure 112006063139888-pat00014
, 병렬인덕터 양단전압
Figure 112006063139888-pat00015
를 나타내고 있으며 반주기의 동작모드를 5가지 모드로 나누었다. 각 모드의 동작은 도 8~12에 나타내었다.
Mode 1 (t0~t1) : 도 8에서, 모드 1은 주스위칭소자
Figure 112007091625363-pat00017
,
Figure 112007091625363-pat00018
가 턴오프되고 2차측의 병렬인덕터 전류
Figure 112007091625363-pat00019
가 1차측으로 유도(Reflected)되어 흐르는 변압기 전류 IT1에 의해 주스위칭소자
Figure 112007091625363-pat00020
,
Figure 112007091625363-pat00021
,
Figure 112007091625363-pat00022
,
Figure 112007091625363-pat00023
의 출력커패시터가 충·방전을 끝마치는 직후의 동작시점이다.
Figure 112007091625363-pat00024
시점 이후 일정하게 흐르는 병렬인덕터 전류
Figure 112007091625363-pat00025
가 변압기 1차측으로 유도되어 주스위칭소자
Figure 112007091625363-pat00026
에 접속된 다이오드(바디다이오드)와 변압기 1차측을 통해 부전류(Negative Current)가 흐른다. 따라서 변압기 1차측 단자 전압은 극성이 변하여 입력전압
Figure 112007091625363-pat00027
이 인가되고 변압기 2차측 전압
Figure 112007091625363-pat00028
도 극성이 변한다. 이때 공진전류
Figure 112007091625363-pat00029
가 정류다이오드
Figure 112007091625363-pat00030
를 도통하여 흐르므로 병렬인덕터 L2에 출력전압 Vo이 인가되고 병렬인덕터 전류
Figure 112007091625363-pat00031
가 부(Negative)의 피크값에서 선형적으로 일정 기울기로 상승하며 흐른다. t1 시점에서 주스위칭소자
Figure 112007091625363-pat00032
의 바디다이오드를 통해 흐르는 부전류 때문에 주스위칭소자
Figure 112007091625363-pat00033
가 영전압 스위칭(Zero Voltage Switching) 동작 상태에서 턴온(Turn-on)하게 된다.
Mode 2 (t1~t2) : 도 9에서, t1 시점에서 주스위칭소자
Figure 112007091625363-pat00035
는 영전압 스위칭으로 턴온(Turn-on)하고 주스위칭소자를 통해 입력전압(Vin)이 변압기에 인가되므로 변압기 1차측 전류
Figure 112007091625363-pat00036
이 정방향으로 흐르기 시작한다. 모드 1과 모드 2에서 직렬공진은 변압기(TR) 1차측 누설인덕턴스
Figure 112007091625363-pat00037
과 2차측 누설인덕턴스
Figure 112007091625363-pat00038
, 그리고 2차측 직렬공진 커패시터
Figure 112007091625363-pat00039
에 의해 이루어지게 되며, 정류다이오드
Figure 112007091625363-pat00040
는 계속 도통하고 있으며 부하측으로 흐르는 공진전류
Figure 112007091625363-pat00041
는 점차 상승하고 있다. 이때 병렬인덕터 L2는 직렬공진용 변압기(TR)의 1, 2차측 누설인덕턴스
Figure 112007091625363-pat00042
,
Figure 112007091625363-pat00043
에 비해 큰 값의 인덕턴스를 가지므로 직렬공진특성에 큰 영향을 주지 않는다. 이 모드가 끝나는 시점은 병렬인덕터 전류
Figure 112007091625363-pat00044
가 정(Positive)방향으로 바뀌는 시점 t2이다.
Mode 3 (t2~t3) : 도 10에서, 모드 3은 모드 2와 같은 특성을 나타내고 있다. 다만 병렬인덕터 전류
Figure 112007091625363-pat00046
가 선형적인 일정 기울기를 가지고 정(Positive) 전류로서 흐르며, 이 모드가 끝나는 시점은 병렬인덕터 전류
Figure 112007091625363-pat00047
와 변압기(TR) 2차측 전류
Figure 112007091625363-pat00048
가 같고, 부하측에 더 이상 공진전류가 흐르지 않으며 직렬공진이 끝나는 시점이다.
Mode 4 (t3~t4) : 도 11에서, 모드 4는
Figure 112007091625363-pat00050
시점에서 공진이 끝나는 시점으로, 2차측 공진전류
Figure 112007091625363-pat00051
는 흐르지 않고 변압기(TR) 2차측 정류다이오드
Figure 112007091625363-pat00052
는 출력전압(Vo)으로 역바이어스 되어 있다. 이 모드 동안에 주스위칭소자
Figure 112007091625363-pat00053
는 턴온되어 있으므로 입력전압(Vin)이 변압기에 인가되어 있고 이 모드동작에서 공진수단은 변압기(TR) 1차측 누설인덕턴스
Figure 112007091625363-pat00054
과 2차측 누설인덕턴스
Figure 112007091625363-pat00055
그리고 2차측 직렬공진 커패시터
Figure 112007091625363-pat00056
및 병렬인덕터
Figure 112007091625363-pat00057
에 의해 이루어지게 된다. 이 모드는 주스위칭소자
Figure 112007091625363-pat00058
가 턴오프시 끝나게 된다.
Mode 5 (t4~t5) : 도 12에서, 모드 5는
Figure 112007091625363-pat00060
시점에서 주스위칭소자
Figure 112007091625363-pat00061
가 턴오프될 때 시작한다. 일정하게(Constant) 흐르는 병렬인덕터 전류
Figure 112007091625363-pat00062
가 1차측으로 유도(Reflected)되어 흐르는 변압기 1차측 전류
Figure 112007091625363-pat00063
에 의해 주스위칭소자
Figure 112007091625363-pat00064
의 출력 커패시터가 순간적으로 충·방전을 개시하여 끝마친 후 주 스위칭소자
Figure 112007091625363-pat00065
의 바디다이오드를 통해 흐르며 이때 변압기(TR)의 1차측 단자전압 극성(Vab)이 바뀌게 된다.
Mode 6 (t4~t5) : 다음 반주기에 대한 동작모드는 모드 1 이후의 동작모드와 같으므로 설명을 생략한다. 위의 동작모드설명과 제 9도의 동작파형에서 볼 수 있듯이 모든 주스위칭소자
Figure 112007091625363-pat00067
는 턴온/오프시 영전압에서 스위칭됨을 확인할 수 있다. 즉, 주스위칭소자
Figure 112007091625363-pat00068
턴온/오프시의 영전압 스위칭은 병렬인덕터
Figure 112007091625363-pat00069
에 저장된 에너지에 의해 흐르는 전류가 1차측으로 유도되어(Reflected) 흐르는 전류
Figure 112007091625363-pat00070
에 의해 결정되므로 부하에 관계없이 영전압 스위칭을 이룰 수 있다. 또한 변압기 2차측 공진전류
Figure 112007091625363-pat00071
는 불연속으로 흐르기 때문에 출력다이오드
Figure 112007091625363-pat00072
,
Figure 112007091625363-pat00073
,
Figure 112007091625363-pat00074
,
Figure 112007091625363-pat00075
의 역회복 특성에 따른 스위칭 손실을 저감할 수 있다. 위의 사항들을 고려할 때 본 발명에서 제안된 SLLC 승압형 컨버터는 낮은 전압정격의 스위칭소자 사용과 스위칭손실 저감 등을 통하여 효율을 개선할 수 있는 특징을 갖는다.
본 발명에 따른 회로의 입출력전압 이득특성
본 발명에서 제안된 회로의 입출력전압 이득특성을 구하기 위해 도 6에 나타낸 2차측 SLLC 직렬공진 컨버터에 대한 등가회로를 도 13에 나타냈다.
또한, 본 발명에서 제안된 회로에 대한 실험적 구현과 변압기손실 저감을 위해 도 14에 나타낸 바와 같이 변압기 2개를 이용한 주회로구성 회로로써, 변압기 1차측은 병렬로 연결하여 변압기의 1차측 전류를 1/2로 줄였으며, 변압기의 2차측은 직렬로 연결하여 적은 턴수비에도 요구되는 출력전압을 얻을 수 있게 하였다. 이에 대한 등가회로는 도 15에 나타냈다.
도 13과 도 15의 등가회로에서
Figure 112007091625363-pat00076
는 주스위칭소자
Figure 112007091625363-pat00077
의 스위칭 동작에 의해서 얻어진 1차측 구형파 단자전압을 권선비를 고려하여 2차측으로 반영한 등가전원이며,
Figure 112007091625363-pat00078
와
Figure 112007091625363-pat00191
(도 13),
Figure 112007091625363-pat00192
(도 15),
Figure 112007091625363-pat00081
(도 13),
Figure 112007091625363-pat00082
(도 15)는 2차측 공진을 위한 직렬 커패시터와 턴수비(
Figure 112007091625363-pat00083
)를 고려하여 2차측으로 반영한 변압기(TR) 1차측 누설인덕턴스와 2차측 누설인덕턴스이다. 그리고
Figure 112007091625363-pat00084
는 변압기 2차측에 추가한 병렬인덕터이고,
Figure 112007091625363-pat00085
는 부하저항, 정류다이오드 및 커패시터 필터를 등가화한 등가 AC부하저항이다.
도 13과 도 15의 등가회로에서 식(2-1)과 식(2-3)의
Figure 112007091625363-pat00086
는 변압기 등가모델을 이용하여 변압기(TR) 2차측에서 권선 비(
Figure 112007091625363-pat00087
)를 고려하여 바라본 1차측 누설인덕턴스와 2차측 누설인덕턴스 및 2차측 자화인덕턴스의 관계로 등가누설인덕턴스를 얻을 수 있다. 하지만 이러한 등가누설인덕턴스
Figure 112007091625363-pat00088
는 2차측 자화인덕턴스가 권선비를 고려한 1차측 누설인덕턴스보다 매우 크므로 (
Figure 112007091625363-pat00193
Figure 112007091625363-pat00194
Figure 112007091625363-pat00195
), 해석의 용이성을 위해 식 (2-2) 및 식 (2-4)와 같이 간략화된 등가 누설인덕턴스로 나타내었다.
Figure 112006063139888-pat00092
(1)
Figure 112007091625363-pat00196
(2-1)
Figure 112007091625363-pat00197
(2-2)
Figure 112007091625363-pat00198
(2-3)
Figure 112007091625363-pat00199
(2-4)
그리고 본 발명에서는 각각 도 6과 도 14를 등가화한 도 13과 도 15의 등가회로에서 등가 AC부하저항(Req)이 단락일 때의 주파수, 즉 공진주파수
Figure 112006063139888-pat00097
과 개방일 때의 주파수, 즉 코너 주파수(corner frequency)
Figure 112006063139888-pat00098
를 식(3)과 식(4)에 정의하였다.
Figure 112007091625363-pat00200
(3)
Figure 112007091625363-pat00201
(4)
규준화된 공진 주파수
Figure 112006063139888-pat00101
은 공진 주파수
Figure 112006063139888-pat00102
과 스위칭 주파수
Figure 112006063139888-pat00103
의 비이고, A는 병렬인덕턴스
Figure 112006063139888-pat00104
와 등가누설인덕턴스
Figure 112006063139888-pat00105
의 비이다. 그리고 Q는 Quality Factor이다.
Figure 112006063139888-pat00106
(5)
Figure 112006063139888-pat00107
(6)
Figure 112007091625363-pat00202
(7)
그리고 임피던스 관계 및 위의 수식(1)∼(7)를 바탕으로 얻어진 입·출력에 대한 전압이득(M) 특성은 식(8)에 의해 얻었다.
Figure 112007091625363-pat00203
(8)
전압이득 특성
Figure 112006063139888-pat00110
(식(8))으로부터 알 수 있듯이 전압이득은 등가누설인덕턴스인 직렬공진인덕턴스
Figure 112006063139888-pat00111
와 2차측 병렬인덕턴스
Figure 112006063139888-pat00112
의 비(A) 및 부하 Quality factor(Q)와 규준화된 주파수
Figure 112006063139888-pat00113
값에 의존한다. 이러한 경우 규준화된 공진 주파수
Figure 112006063139888-pat00114
및 Q 변화에 대해 전압이득(M) 변화를 알아보기 위해 식(8)을 이용하여 시뮬레이션한 결과를 도 16에 나타내었다.
도 16은 등가 누설인덕턴스
Figure 112006063139888-pat00115
와 변압기 2차측 병렬인덕턴스
Figure 112006063139888-pat00116
의 비인 A가 0.3일 때 규준화된 주파수
Figure 112006063139888-pat00117
과 Q 변화에 대한 전압이득 특성 곡선이다. 등가누 설인덕턴스와 병렬인덕턴스 비(A)가 클수록 즉 병렬 인덕턴스가 작아질수록 전압이득이 높아지며 스위칭 동작을 하기 위한 규준화된 주파수의 스위칭 범위가 협소해진다. 이러한 협소한 스위칭 주파수 범위와 높은 전압이득 특성은 병렬인덕턴스 값이 감소하여야 하므로, 병렬인덕터에 흐르는 전류를 증가시킬 뿐만 아니라 도통 손실을 증가시키는 원인이 된다. 따라서 중부하에서도 주어진 입력 전압변동 범위에 대한 1차측 스위칭소자가 영전압 스위칭을 이룰 수 있는 병렬 인덕턴스
Figure 112006063139888-pat00118
값과 병렬인덕터 전류를 구하기 위해 A와 Q 값을 적절하게 사용해야 한다.
또한 본 발명에서 제안된 변압기 2차측 LLC 직렬공진 컨버터 적용 승압형 직류 변환장치는 도 16에서 볼 수 있듯이 ZVS(Zero Voltage Switching, 영전압 스위칭) 영역 중에서도 스위칭 동작영역이 규준화된 주파수
Figure 112006063139888-pat00119
이 1보다 낮은 주파수에서 사용하고 있으며, 이러한 경우 주스위칭소자의 영전압 스위칭(ZVS) 뿐만 아니라 변압기 2차측 정류 다이오드의 영전류 스위칭(ZCS: Zero Current Switching)을 얻을 수 있고, 입출력전압 이득특성도 1보다 큰 승압모드에서 동작된다.
또한, 규준화된 주파수
Figure 112006063139888-pat00120
이 1보다 높은 주파수 영역에서는 입출력전압이득특성이 1보다 적은 강압모드로 동작되고 주회로 스위치는 ZVS에서 동작된다.
구체적인 스펙을 적용한 실제 적용례
입력전압 22∼30VDC
출력전압 400VDC
출력전류 2.5A
주스위칭 주파수 70kHz ∼ 100kHz
직렬공진 주파수 100kHz
주스위칭소자 (병렬로 2개씩 연결) IRF 3077PbF (75V, 210A, RDS=3.3mΩ)
출력정류 다이오드 (
Figure 112006063139888-pat00121
)		 DESI 12-06A (600V, 14A, VF=1.5V)
표 1은 본 발명에 따른 LLC 직렬공진 컨버터 적용 승압형 직류 변환장치의 구체적인 적용례이고, 도 17은 본 발명의 일실시예인 도 14에 나타낸 승압 직류 변환장치의 1차측 단자전압(Vab)과 전류(IT1) 및 2차측 공진전류(ID)와 병렬인덕터 전압(VL2) 실험파형도이다(50V/div.,50A/div., 500V/div., 2.5A/div., 4us/div). 이 적용례에서는 낮은 입력전압(22∼30VDC)을 높은 출력전압(400VDC)으로 승압시킬 수 있도록 1kW급으로 설계하였다. 표1에 나타낸 파라미터들과 같이 본 발명에 따른 컨버터장치에 대한 실험조건과 적용된 소자 등을 적용하였다.
도 17의 (a), (b), (c)는 일정 출력전압에 대해 300W, 600W, 1kW에 대한 변압기 1차측 단자전압과 전류 및 2차측 부하전류와 병렬인덕터 양단전압에 대한 실험파형이다. 도 17의 (a)~(c)에서 볼 수 있듯이 본 발명의 컨버터장치에서는, 중부하(1kW)에서 경부하(300W)까지 단자전류가 단자전압(Vab)에 대해 지상전류(Lagging Current)로서 흐르는 것을 볼 수 있으며, 모든 부하변화에 대해 주스위칭소자의 영전압 스위칭을 확인하였다. 그리고 (a)에서 (c)까지의 실험결과 파형의 주파수 변화(82.39kHz∼88.19kHz)는 도 16의 시뮬레이션 스위칭 주파수 범위(100kHz∼70kHz)와 동일한 스위칭 주파수 범위 내에서 동작하는 것을 볼 수 있다. 또한 변압기 1차측 공진 전류가 불연속으로 흐르기 때문에 변압기 2차측 정류 다이오드의 역회복 손실을 줄일 수 있다. 도 18은 1kW급으로 설계한 본 발명의 승압형 직류 변환장치의 시제품 사진을 나타낸다.
다른 실시예
도 19는 본 발명의 다른 실시예로서 병렬인덕터
Figure 112006063139888-pat00122
와 출력부(정류다이오드단) 사이에 직렬인덕터
Figure 112006063139888-pat00123
를 둠으로서 더 높은 DC 이득특성 및 더 좁은 주파수 제어범위에서 출력전압을 제어할 수 있는 특징을 갖도록 한 응용 실시예를 나타낸다. 도 19의 주회로에 대한 도 21의 등가회로를 이용하여 전압이득(M) 특성식 (
Figure 112006063139888-pat00124
)을 식(9)와 같이 구하였다.
Figure 112007091625363-pat00204
(9)
식 (9)에서 볼 수 있듯이
Figure 112006063139888-pat00126
은 스위칭주파수
Figure 112006063139888-pat00127
와 공진주파수
Figure 112006063139888-pat00128
의 비로써 규준화된 주파수를 나타낸 것이며,
Figure 112006063139888-pat00129
는 변압기의 병렬인덕터
Figure 112006063139888-pat00130
와 식 (2-2)에 나타낸 변압기(TR) 1, 2차측 누설인덕턴스
Figure 112006063139888-pat00131
의 비율을 나타낸 것이고,
Figure 112006063139888-pat00132
는 병렬인덕터 와 직렬인덕터
Figure 112006063139888-pat00134
의 비율을 나타낸 것이다. 그리고
Figure 112006063139888-pat00135
는 부하 Quality factor를 나타낸 것이다.
또다른 실시예
또한, 본 발명에서 제안된 기본회로와 도 19에서의 회로를 도 20에서와 같이 변압기(TR)의 1, 2차측 누설인덕턴스을 최소화하여 무시하고, 병렬인덕터(
Figure 112007091625363-pat00136
)를 삽입하는 것 대신에 공극이 있는 변압기(LCTR: Loosely Coupled Transformer)를 적용하여 변압기 자화인덕턴스
Figure 112007091625363-pat00137
및 누설인덕턴스
Figure 112007091625363-pat00138
를 공진수단으로 이용함으로써 더 높은 DC이득특성을 얻을 수 있는 특징을 갖는 응용 실시예를 제안한다. 이 회로에 대한 전압이득(M) 특성식 (
Figure 112007091625363-pat00139
)은 식(9)와 같다. 식 (9)에서 볼 수 있듯이
Figure 112007091625363-pat00140
은 스위칭주파수
Figure 112007091625363-pat00141
와 공진주파수
Figure 112007091625363-pat00142
의 비로써 규준화된 주파수를 나타낸 것이며, 이때
Figure 112007091625363-pat00143
는 변압기의 1차측 자화인덕턴스
Figure 112007091625363-pat00144
과 1차측 누설인덕턴스
Figure 112007091625363-pat00145
의 비율을 나타낸 것이고,
Figure 112007091625363-pat00146
는 1차측 자화인덕턴스
Figure 112007091625363-pat00147
과 1차측에서 권선비를 고려하여 바라본 2차측 누설인덕턴스
Figure 112007091625363-pat00148
의 비율을 나타낸 것이다. 그리고
Figure 112007091625363-pat00149
는 부하 Quality factor를 나타낸 것이다.
식 (9)의 전압이득 특성에서
Figure 112006063139888-pat00150
일 때 도 19의 인덕터
Figure 112006063139888-pat00151
또는 도 20의 변압기(LCTR)의 2차측 누설인덕턴스
Figure 112006063139888-pat00152
를 고려할 경우 각각 식(10)과 식(11)로 나타낼 수 있다.
Figure 112007091625363-pat00205
(10)
Figure 112007091625363-pat00206
(11)
식(10)과 식(11)의 전압이득 특성식으로부터 도 19의 인덕터
Figure 112006063139888-pat00155
또는 도 20의 변압기(LCTR)의 2차측 누설인덕턴스
Figure 112006063139888-pat00156
에 따라 DC 전압이득이 높아지는 것을 확인할 수 있다. 또한 식 (9)의 전압이득특성식을 이용한 도 20의 시뮬레이션 결과는 A=0.1, B=0.2인 경우 규준화된 주파수와 Q 변화에 대한 전압이득 특성곡선을 나타내고 있다(도 22 참조). 이러한 특성곡선에서 볼 수 있듯이 규준화된 주파수(
Figure 112006063139888-pat00157
)가 1인 곳에서 높은 전압이득 특성을 갖게 되어 변압기(TR) 2차측의 적은 턴수에도 높은 출력 전압을 얻을 수 있으며 보다 좁은 주파수 제어범위에 따라 무부하 및 경부하시 일정출력전압 제어를 위한 주파수 제어가 용이하며 과부하시에도 주스위칭소자의 영전압 스위칭을 이룰 수 있는 특성을 가지고 있다.
앞에서 개시된 모든 회로에 있어서는, 1차측에 변압기 1차측 단자와 직렬로 DC 바이어싱를 막기 위한 블로킹 커패시터를 둘 수 있다.
이상에서 본 발명의 SLLC 직렬공진 컨버터를 적용한 직류 변환장치의 구체적인 실시예를 설명하였다. 그러나 본 발명의 기술적 범위는 앞에서 서술한 실시예에만 한정되는 것은 아니다. 가령, 본 발명에서 제안된 회로는 도 23 및 도 24에서와 같이 푸쉬풀(Push-Pull) 컨버터와 하프브리지(Half Bridge) 컨버터에도 적용될 수 있다. 그리고 도 25에 나타낸 바와 같이, 본 발명에 따른 컨버터는, 무부하시에는 높은 전압이득특성을 갖고 부하시에는 낮은 이득특성을 요구하는 램프 부하 등의 AC부하에도 적용할 수 있다. 또한, 본 발명에서 제안된 컨버터회로는 승압용 직류변환 장치 뿐만 아니, 강압용 직류변환 장치에도 적용할 수 있다. 본 발명의 기술적 범위는 첨부한 특허청구범위의 합리적 해석에 의해 결정되는 것이다.
본 발명에 따른 직류 변환장치는 승압모드와 강압모드 둘 다 동작될 수 있고, 상대적으로 좁은 주파수 제어범위에서 넓은 범위의 입출력 전압제어를 할 수 있으며, 스위칭 동작영역에서 모든 스위칭소자들이 소프트 스위칭 할 수 있는 등의 여러 장점들을 갖고 있는 SLLC 직렬공진 컨버터를 적용한 DC-DC 컨버터이다.
본 발명에서는 도 6과 같이 직렬공진 컨버터의 공진수단을 변압기 2차측에 위치시켜 주회로를 구성함으로 직렬공진을 위한 커패시터(CS) 크기 및 단가를 저감 할 수 있다. 또한, 주스위칭소자 턴온/오프시 영전압 스위칭은 병렬인덕터(
Figure 112006063139888-pat00158
)에 저장된 에너지에 의한 전류에 의해 결정되므로 부하에 관계없이 영전압 스위칭을 이룰 수 있다. 또한 변압기 2차측 공진전류는 불연속적으로 흐르기 때문에 출력다이오드(
Figure 112006063139888-pat00159
,
Figure 112006063139888-pat00160
,
Figure 112006063139888-pat00161
,
Figure 112006063139888-pat00162
) 역회복 특성에 따른 스위칭 손실을 저감할 수 있다.

Claims (10)

  1. 다수의 주스위칭소자와, 이 주스위칭소자의 전류단속에 의해 유도전압을 발생하기 위하여 1차측 권선과 2차측권선을 갖는 변압기를 포함하는 직렬공진 컨버터회로에 있어서,
    상기 변압기의 1차측 누설인덕턴스와 2차측 누설인덕턴스를 포함하는 공진수단이 상기 변압기의 2차측권선에 직렬로 연결되되,
    상기 공진수단은, 상기 변압기의 2차측권선의 일단에 제1단이 연결되고 제2단은 직렬공진 컨버터회로의 출력단에 연결되는 커패시터 및 이 커패시터의 제2단에 연결된 병렬인덕터를 포함하는 것을 특징으로 하는, 직렬공진 컨버터회로.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서, 상기 공진수단은 상기 커패시터의 제2단 및 상기 병렬인덕터와의 연결부 및 직렬공진 컨버터회로의 출력단 사이에 연결되는 직렬인덕터를 추가로 포함하는, 직렬공진 컨버터회로.
  6. 다수의 주스위칭소자와, 이 주스위칭소자의 전류단속에 의해 유도전압을 발생하기 위하여 1차측 권선과 2차측권선을 갖는 변압기를 포함하는 직렬공진 컨버터회로에 있어서,
    상기 변압기의 2차측권선에 직렬로 연결되는 공진수단을 포함하며,
    상기 공진수단에는 공극을 갖고 있는 LCTR(Loosely Coupled Transformer) 변압기가 직렬로 연결되는 것을 특징으로 하는, 직렬공진 컨버터회로.
  7. 제6항에 있어서, 상기 공진수단은 상기 변압기의 2차측권선의 일단에 제1단이 연결되고 제2단은 직렬공진 컨버터회로의 출력단에 연결되는 커패시터를 포함하는 직렬공진 컨버터회로.
  8. 제7항에 있어서, 상기 공진수단은 상기 LCTR 변압기의 자화인덕턴스 (
    Figure 112006063139888-pat00163
    )및 누설인덕턴스(
    Figure 112006063139888-pat00164
    )를 포함하는 직렬공진 컨버터회로.
  9. 제1항, 제5항 내지 제8항 중 어느 한 항에 기재된 직렬공진 컨버터회로를 주회로로서 채용하여, 입력단에 입력되는 제1전압의 직류를 제2전압의 직류로 변환하여 출력단으로 출력하는 직류변환 장치.
  10. 제9항에 있어서, 상기 입력단에 입력되는 전압에 의한 DC 바이어싱을 막기 위하여 상기 컨버터회로의 변압기의 1차측권선에 연결되는 블로킹 커패시터가 추가로 포함되는 직류변환 장치.
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