KR101031278B1 - 풀-브릿지 방식의 절연형 ｄｃ/ｄｃ컨버터 - Google Patents

풀-브릿지 방식의 절연형 ｄｃ/ｄｃ컨버터 Download PDF

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Abstract

본 발명은 DC/DC컨버터에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 별도의 공진용 리액터를 구비하지 않고도 변압기부의 누설리액턴스를 이용하여 공진시킴으로써 수동소자 추가의 비용을 절감하고, 풀-브릿지 스위칭부의 스위칭 주파수를 공진 주파수보다 낮게 하여 영전류 스위칭 동작이 가능하게 함으로써 고효율 변압이 가능하게 한 풀-브릿지 방식의 절연형 DC/DC컨버터에 관한 것이다.
컨버터, 풀-브릿지, 공진주파수, 소프트 스위칭

Description

풀-브릿지 방식의 절연형 ＤＣ/ＤＣ컨버터{Isolated DC/DC converter using full-bridge topology}
본 발명은 DC/DC컨버터에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 별도의 공진용 리액터를 구비하지 않고도 변압기부의 누설리액턴스를 이용하여 공진시킴으로써 수동소자 추가의 비용을 절감하고, 풀-브릿지 스위칭부의 스위칭 주파수를 공진 주파수보다 낮게 하여 영전류 스위칭 동작이 가능하게 함으로써 고효율 변압이 가능하게 한 풀-브릿지 방식의 절연형 DC/DC컨버터에 관한 것이다.
산업의 발달과 신 재생에너지의 보급 확대로 대용량 DC/DC컨버터(직류전원 변환장치)는 소형, 경량화의 관점에서 활발하게 연구가 이루어지고 있으며, 방송통신기기, OA기기, 산업전자응용기기, 정밀 컴퓨터, 오존발생기 등의 분야에서 전원장치, 저전압/대전류 변환장치 또는 고전압 변환장치로 다양하게 이용되고 있다.
또한, 전기등을 이용하는 무공해 자동차(ZEV:zero-emission vehicle)는 시스템 고효율화를 위한 DC/DC컨버터가 구비되는 것이 일반적이며, 안전을 위해 절연이 필수적이다.
또한, DC/DC컨버터 기술의 고집적화 및 고효율화를 위해서는 스위치의 스위칭 시점을 스위치의 영전압 또는 영전류에서 이루어지게 하여 스위칭 손실과 스위칭 스트레스를 줄일 수 있는 소프트 스위칭방식이 사용된다.
여기서, 소프트 스위칭방식을 구현하기 위해서는 고주파 공진 특성이 도입되는데, 이 경우 공진을 위한 공진 리액터 및 공진 커패시터가 필수적으로 존재하여야하므로 비용이 상승하고, 고 전력 밀도화에 불리한 단점이 있다.
본 발명자들은 별도의 공진 리액터를 구비하지 않고도 소프트 스위칭을 구현할 수 있는 고효율 DC/DC컨버터를 연구 노력한 결과, 공진에 변압기부의 누설리액턴스를 이용함으로써 수동소자 추가에 따른 비용을 절감하고 고효율을 실현할 수 있는 DC/DC컨버터의 기술적 구성을 개발하게 되어 본 발명을 완성하게 되었다.
따라서, 본 발명의 목적은 입력측에 풀-브릿지 스위칭부를 구비하고, 출력측에는 고승압에 유리한 배압회로를 갖는 DC/DC컨버터를 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 다른 목적은 상기 풀-브릿지 스위칭부의 스위칭주파수를 변압기부의 누설리액턴스에 의한 공진 주파수보다 낮게 하여 소프트 스위칭이 이루어지게 함으로써 고효율을 실현할 수 있는 DC/DC컨버터를 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 다른 목적은 공진에 별도의 공진 리액터가 필요없이 변압기부의 누설리액턴스를 이용하여 공진시킴으로써 수동소자의 수를 줄여 비용을 낮게 하고, 고 전력 밀도화에 적합한 DC/DC컨버터를 제공하는 것이다.
본 발명의 목적들은 이상에서 언급한 목적들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 입력직류전원을 하기 변압기부의 입력측 코일의 양측으로 교대로 공급되게 하며, 브릿지 형태로 연결되는 네 개의 스위치를 구비하는 풀-브릿지 스위칭부, 상기 입력직류전원을 승압하여 승압전원을 출력하며, 입력측 코일 및 출력측 코일을 구비하는 변압기부, 상기 출력측 코일에 연결되고, 상기 승압전원을 정류하며, 애노드가 상기 출력측 코일의 일단에 연결되는 제1 다이오드 및 캐소드가 상기 출력측 코일의 일단에 연결되는 제2 다이오드를 구비하는 정류부, 상기 정류부에서 정류된 승압전원을 충전하여 출력직류전원을 형성하며, 일단은 상기 제1 다이오드의 캐소드에 연결되고 타단은 상기 출력측 코일의 타단에 연결되는 제1 커패시터 및 일단은 상기 제1 다이오드의 타단에 연결되고 타단은 상기 제2 다이오드의 애노드에 연결되는 제2 커패시터를 구비하는 출력부를 포함하며, 상기 스위칭부의 스위칭주파수를 상기 변압기부의 누설리액턴스와 상기 제1 커패시터 또는 상기 변압기부의 누설리액턴스와 상기 제2 커패시터의 커패시턴스에 의한 공진주파수보다 낮게 하여 소프트 스위칭이 이루어지게 하는 DC/DC 컨버터를 제공한다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 출력부에 연결되며, 상기 출력직류전원을 평활하는 LC필터부를 더 포함한다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 LC필터부는 일단이 상기 제1 커패시터의 일단에 연결되는 평활용 인덕터 및 일단이 상기 평활용 인덕터에 연결되고, 타단이 상기 제2 커패시터의 타단에 연결되는 평활용 커패시터를 포함한다.
본 발명은 다음과 같은 우수한 효과를 가진다.
먼저, 본 발명의 DC/DC컨버터에 의하면 풀-브릿지 스위칭부의 스위치들이 소프트 스위칭 동작을 하므로 스위칭 손실을 줄일 수 있어 변환효율이 매우 우수하고, 변압기부를 이용하여 입력직류전원과 출력직류전원을 절연할 수 있는 장점이 있다.
또한, 본 발명의 DC/DC컨버터에 의하면 소프트 스위칭 동작을 위한 공진에 별도의 공진 리액터가 필요없이 변압기부의 누설리액턴스를 이용하여 공진시킴으로써 수동소자의 수를 줄여 비용이 낮고, 고 전력 밀도화에 적합한 컨버터를 제공할 수 있다.
또한, 본 발명의 DC/DC컨버터에 의하면 변압기부의 출력측 코일에 두 개의 다이오드와 출력용 커패시터를 배압회로로 사용하여 고승압에 유리한 컨버터를 제공할 수 있다.
본 발명에서 사용되는 용어는 가능한 현재 널리 사용되는 일반적인 용어를 선택하였으나, 특정한 경우는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있는데 이 경우에는 단순한 용어의 명칭이 아닌 발명의 상세한 설명 부분에 기재되거나 사용된 의미를 고려하여 그 의미가 파악되어야 할 것이다.
이하, 첨부한 도면에 도시된 바람직한 실시예들(첨부한 도면 및 바람직한 실 시예들)을 참조하여 본 발명의 기술적 구성을 상세하게 설명한다.
그러나, 본 발명은 여기서 설명되는 실시예에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화 될 수도 있다. 명세서 전체에 걸쳐 동일한 참조번호는 동일한 구성요소를 나타낸다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 DC/DC컨버터를 보여주는 도면이고, 도 2 및 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 DC/DC컨버터의 동작을 설명하는 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 DC/DC컨버터(100)는 풀-브릿지 스위칭부(110), 변압기부(120), 정류부(130) 및 출력부(140)를 포함하여 이루어진다.
상기 풀-브릿지 스위칭부(110)는 입력직류전원(Vin)을 아래에서 설명할 변압기부(120)로 공급한다.
더욱 자세하게는, 상기 풀-브릿지 스위칭부(110)는 상기 변압기부(120)의 입력측 코일(121)의 양방향으로 교번적으로 전류가 흐르도록 상기 입력직류전원(Vin)을 공급한다.
또한, 상기 풀-브릿지 스위칭부(110)는 상기 입력직류전원(Vin)에 병렬로 연결되고 서로 직렬로 연결되는 제1 스위치(111) 및 제2 스위치(112), 상기 입력직류전원(Vin)에 병렬로 연결되고 서로 직렬로 연결되는 제3 스위치(113) 및 제4 스위 치(114)를 포함하여 이루어지고, 상기 제1 스위치(111) 및 제2 스위치(112)의 사이단과 상기 제3 스위치(113) 및 상기 제4 스위치(114)의 사이단은 상기 변압기부(120)의 입력측 코일(121)의 양단에 각각 연결된다.
즉, 상기 풀-브릿지 스위칭부(110)는 상기 입력직류전원(Vin)과 상기 변압기부(120)를 브릿지 방식으로 연결한다.
또한, 상기 제1 스위치(111) 및 상기 제4 스위치(114)가 동시에 '온'되거나, 상기 제2 스위치(112) 및 상기 제3 스위치(113)가 동시에 '온'되어 상기 입력측 코일(121)과 교번적으로 폐루프를 이루며 연결된다.
즉, 상기 제1 스위치(111) 및 상기 제4 스위치(114) 또는 상기 제2 스위치(112) 및 상기 제3 스위치(113)가 교번적으로 '온'되어 상기 입력측 코일에 서로 다른 방향으로 전류가 흘러가게 한다.
더욱 자세한 설명은 도 2 및 도 3을 참조하여 하기로 한다.
상기 변압기부(120)는 상기 입력직류전원(Vin)을 승압하고, 권선비가 a인 입력측 코일(121) 및 출력측 코일(122)을 포함한다.
또한, 상기 변압기부(120)는 상기 입력직류전원(Vin)과 아래에서 설명할 출력 직류전원(Vout)을 절연하는 역할을 한다.
또한, 본 발명의 실시예에서는 상기 변압기부(120)를 고주파변압기로 구비하였다.
상기 정류부(130)는 상기 변압기부(120)의 출력측 코일(122)에 연결되고, 상 기 변압기부(120)에서 승압된 승압전원을 정류한다.
또한, 상기 정류부(130)는 애노드가 상기 출력측 코일(122)의 일단에 연결되는 제1 다이오드(131) 및 캐소드가 상기 출력측 코일의 일단에 연결되는 제2 다이오드(132)를 포함한다.
상기 출력부(140)는 상기 정류부(130)에서 정류된 승압전원을 충전하여 출력직류전원을 형성하며, 일단은 상기 제1 다이오드(131)의 캐소드에 연결되고 타단은 상기 출력측 코일(122)의 타단에 연결되는 제1 커패시터(141) 및 일단은 상기 제1 다이오드(131)의 타단에 연결되고 타단은 상기 제2 다이오드(132)의 애노드에 연결되는 제2 커패시터(142)를 포함하여 이루어진다.
즉, 상기 정류부(130) 및 상기 출력부(140)는 상기 변압기부(120)에서 출력되는 승압전원을 배압하여 출력하므로 본 발명의 일 실시예에 따른 DC/DC컨버터(100)는 고승압에 유리한 장점이 있다.
또한, 상기 출력부(140)에는 상기 출력직류전원을 평활하는 LC필터부(150)가 연결될수 있고, 상기 LC필터부(150)는 일단이 상기 제1 커패시터(141)의 일단에 연결되는 평활용 인덕터(151) 및 일단이 상기 평활용 인덕터(151)에 연결되고, 타단이 상기 제2 커패시터의 타단에 연결되는 평활용 커패시터(152)를 포함할 수 있다.
또한, 상기 평활용 커패시터(152)는 상기 커패시터들(141,142)과 함께 상기 출력직류전원을 평활하므로 용량이 작아지는 장점이 있다.
도 2 및 도 3를 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 DC/DC컨버터(100)의 동작을 설명하면, 먼저, 상기 제1 스위치(111) 및 제4 스위치(114)가 '온'되고, 상기 입력직류전원(Vin), 상기 제1 스위치(111), 상기 입력측 코일(121) 및 상기 제4 스위치(114)가 하나의 폐루프를 형성하며, 상기 입력측 코일(121)에는 일 측 방향(ⓐ)으로 전류가 흐르게 된다.
그러나, 상기 제2 스위치(112) 및 상기 제3 스위치(113)가 먼저 '온'될 수 있음은 물론이다.
다음, 상기 출력측 코일(122)에 상기 입력측 코일(121)의 전류방향(ⓐ)에 대응하는 방향(ⓑ)으로 전류가 유도되고, 상기 출력측 코일(122), 상기 제2 다이오드(132) 및 상기 제2 커패시터(142)가 하나의 폐루프를 형성하여, 상기 제2 커패시터(142)는 상기 변압기부(120)에서 승압된 승압전원을 충전한다.
이때, 본 발명의 일 실시예에 따른 DC/DC컨버터(100)는 상기 변압기부(120)의 누설리액턴스(Ll)와 상기 제2 커패시터(142)의 커패시턴스(Cs)에 의해 공진을 하게 된다.
또한, 상기 누설리액턴스(Ll)의 값은 아래의 수학식 1과 같이 상기 변압기부(120)의 입력측 코일(121)의 누설리액턴스(Ll1)에 출력측 코일(122)의 누설리액턴스(Ll2)를 입력측으로 환원하여 합한 값으로 표현할 수 있다.
Figure 112009057027284-pat00001
여기서, a는 상기 변압기부(120)의 권수비이다.
또한, 상기 제2 커패시터(142)의 커패시턴스(Cs) 역시 아래의 수학식2와 같이 상기 변압기부(120)의 입력측으로 환원하여 계산된다.
Figure 112009057027284-pat00002
여기서, a는 상기 변압기부(120)의 권수비이다.
또한, 공진주파수(fo)는 아래의 수학식 3과 같다.
Figure 112009057027284-pat00003
또한, 상기 공진주파수(fo)가 상기 제1 스위치(111) 및 제4 스위치(114)의 스위칭 주파수보다 크다면, 상기 제1 스위치(111) 및 제4 스위치(114)에 흐르는 전류는 불연속이 되며, 상기 제1 스위치(111) 및 상기 제4 스위치(114)는 각 스위치들에서 흐르는 전류가 0[A]인 상태에서 '온'되어, 영전류 스위칭(ZCS:Zero current swiching)동작을 하고, 상기 제1 스위치(111) 및 상기 제4 스위치(114)가 '오프'되기 전 공진이 종료되어 상기 제1 스위치(111) 및 상기 제4 스위치(114)에 흐르는 전류는 0[A]이 되므로, 상기 제1 스위치(111) 및 상기 제4 스위치(114)는 '온' 및 '오프'시에 모두 소프트 스위칭이 이루어져 스위칭 손실이 없게 된다.
또한, 별도의 공진용 리액터를 구비하지 않고도 소프트 스위칭을 구현할 수 있으므로 수동소자가 추가되는 것을 줄일 수 있다.
다음, 상기 제1 스위치(111) 및 상기 제4 스위치(114)가 '오프'되고, 상기 제2 스위치(112) 및 제3 스위치(113)가 '온'되며, 상기 입력직류전원(Vin), 상기 제3 스위치(113), 상기 입력측 코일(121) 및 상기 제2 스위치(112)가 하나의 폐루프를 형성하고, 상기 입력측 코일(121)에 타 측 방향(ⓒ)으로 전류가 흐르게 된다.
다음, 상기 출력측 코일(121)에 상기 타 측 방향(ⓒ)에 대응하는 방향(ⓓ)으로 전류가 유도되고, 상기 출력측 코일(121), 상기 제1 다이오드(133) 및 상기 제1 커패시터(141)가 하나의 폐루프를 형성하여, 상기 제1 커패시터(141)는 상기 변압기부(120)에서 승압된 승압전원을 충전한다.
또한, 상기 제2 스위치(112) 및 상기 제3 스위치(113)의 영전류 스위칭 동작은 상기 제1 스위치(111) 및 상기 제4 스위치(114)의 영전류 스위칭 동작과 동일하므로 설명을 생략하기로 한다.
따라서, 상기 스위치들(111,112,113,114)은 모두 소프트 스위칭이 가능하다.
이상에서 살펴본 바와 같이 본 발명은 바람직한 실시예를 들어 도시하고 설명하였으나, 상기한 실시예에 한정되지 아니하며 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변경과 수정이 가능할 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 DC/DC컨버터를 보여주는 도면이고,
도 2 및 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 DC/DC컨버터의 동작을 설명하는 도면이다.
본 발명에 따른 도면들에서 실질적으로 동일한 구성과 기능을 가진 구성요소들에 대하여는 동일한 참조부호를 사용한다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
100:DC/DC컨버터 110:풀-브릿지 스위칭부
111:제1 스위치 112:제2 스위치
113:제3 스위치 114:제4 스위치
120:변압기부 121:입력측 코일
122:출력측 코일 130:정류부
131:제1 다이오드 132:제2 다이오드
140:출력부 141:제1 커패시터
142:제2 커패시터 150:필터부
151:평활용 인덕터 152:평활용 커패시터

Claims (3)

  1. 입력직류전원을 하기 변압기부의 입력측 코일의 양측으로 교대로 공급되게 하며, 브릿지 형태로 연결되는 네 개의 스위치를 포함하되, 수동소자인 공진용 리액터를 구비하지 않는 풀-브릿지 스위칭부;
    상기 입력직류전원을 승압하여 승압전원을 출력하며, 입력측 코일 및 출력측 코일을 구비하는 변압기부;
    상기 출력측 코일에 연결되고, 상기 승압전원을 정류하며, 애노드가 상기 출력측 코일의 일단에 연결되는 제1 다이오드 및 캐소드가 상기 출력측 코일의 일단에 연결되는 제2 다이오드를 구비하는 정류부;
    상기 정류부에서 정류된 승압전원을 충전하여 출력직류전원을 형성하며, 일단은 상기 제1 다이오드의 캐소드에 연결되고 타단은 상기 출력측 코일의 타단에 연결되는 제1 커패시터 및 일단은 상기 제1 다이오드의 타단에 연결되고 타단은 상기 제2 다이오드의 애노드에 연결되는 제2 커패시터를 구비하는 출력부;를 포함하며,
    상기 스위칭부의 스위칭주파수를 상기 변압기부의 누설리액턴스와 상기 제1 커패시터 또는 상기 변압기부의 누설리액턴스와 상기 제2 커패시터의 커패시턴스에 의한 공진주파수보다 낮게 하여 소프트 스위칭이 이루어지게 하며, 상기 공진주파수는 아래의 수학식을 이용하여 계산되는 것을 특징으로 하는 DC/DC컨버터.
    [수학식]
    Figure 112011022090199-pat00007
    ;
    Figure 112011022090199-pat00008
    ;
    Figure 112011022090199-pat00009
    여기서, f0는 상기 공진주파수이고, Ll은 상기 변압기부의 누설리액턴스이고, Ll1은 상기 변압기부의 입력측 누설리액턴스이고, Ll2은 상기 변압기부의 출력측 누설리액턴스이고, Cs는 상기 제1 커패시터 또는 상기 제2 커패시터를 상기 변압기부의 입력측으로 환원한 커패시턴스이고, C는 상기 제1 커패시터 또는 상기 제2 커패시터의 용량이다.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 출력부에 연결되며, 상기 출력직류전원을 평활하는 LC필터부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 DC/DC컨버터.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 LC필터부는 일단이 상기 제1 커패시터의 일단에 연결되는 평활용 인덕터 및 일단이 상기 평활용 인덕터에 연결되고, 타단이 상기 제2 커패시터의 타단에 연결되는 평활용 커패시터를 포함하는 것을 특징으로 하는 DC/DC컨버터.
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