KR101043402B1 - 개선된 양방향 플라이백 컨버터 - Google Patents

개선된 양방향 플라이백 컨버터 Download PDF

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Abstract

본 발명은 개선된 양방향 플라이백 컨버터에 관한 것이다. 본 발명은 제 1권선(100a) 및 제 2권선(100b)으로 이루어진 변압기(100)와, 상기 제 1권선(100a)에 다이오드 및 스위치의 병렬 구성과 직렬로 커플링된 1차측 주 스위치(110)와, 상기 제 2권선(100b)에 다이오드 및 스위칭의 병렬 구성과 직렬로 커플링된 2차측 주 스위치(120)와, 상기 제 1권선(100a)과 상기 1차측 주 스위치(110) 사이에 병렬 연결된 1차측 보조 스위치(112)와 상기 제 2권선(100b)과 상기 2차측 주 스위치(120) 사이에 병렬 연결된 2차측 보조 스위치(122)와, 상기 1차측 보조 스위치(112)와 2차측 보조 스위치(122) 사이에 병렬 연결되어 능동 클램프 방식을 제공하는 클램프 커패시터(130)와, 상기 제 1권선(100a)과 병렬로 커플링된 제 1커패시터(114) 및 상기 제 2권선(100b)과 병렬로 커플링된 제 2커패시터(124)를 포함하여 구성되고 있다. 그와 같은 본 발명에 따르면 주 스위치와 보조 스위치의 상호 연동 동작에 의해 능동클램프 기능이 적용되어, 스위치 소자들의 스트레스를 저감시킬 수 있을뿐만 아니라 소프트 스위칭 구현이 가능하고, 또 전기적으로 비절연을 요구하는 시스템 등에도 적용 가능한 이점이 있다.
플라이백, 양방향 컨버터, 클램프 커패시터, 능동 클램프, 비 절연

Description

개선된 양방향 플라이백 컨버터{Improved Bi-directional Flyback Converter}
본 발명은 플라이백 컨버터(Fly Back Converter)에 관한 것으로, 특히 전기적으로 비 절연이 요구되는 시스템에 적용하고 능동 클램프 방식을 이용하여 스위치의 스트레스를 저감하기 위한 비절연 능동클램프 방식의 개선된 양방향 플라이백 컨버터에 관한 것이다.
양방향 플라이백 컨버터는 SMPS(Switched-mode power supply)의 여러 형태 중 한가지로, 소형 SMPS에 많이 사용된다.
도 1에는 종래기술에 따른 양방향 플라이백 컨버터의 회로 구성도가 도시되어 있다.
도 1을 보면, 양방향 플라이백 컨버터는 1차측의 제 1권선(10a) 및 2차측의 제 2권선(10b)을 구비하는 변압기(10), 제 1권선(10a)과 직렬로 커플링된 제 1스위칭 디바이스(20), 및 제 2권선(10b)과 직렬로 커플링된 제 2스위칭 디바이스(30)를 포함한다. 그리고 상기 제 1권선(10a)과 병렬로 커플링된 제 1 커패시터(22), 및 상기 제 2권선(10b)과 병렬로 커플링된 제 2 커패시터(32)가 구비된다. 아울러 상 기 제 1권선(10a)측에는 전원공급부(24)가 연결되고, 상기 제 2권선(10b)측에는 전원을 저장하는 저장부(34)가 연결된다.
도 1의 구성을 가지는 양방향 플라이백 컨버터의 동작을 살펴보면, 상기 제 1스위칭 디바이스(20)가 온(on) 동작하면 상기 제 2스위칭 디바이스(30)는 오프(off)되고, 이때 상기 제 2스위칭 디바이스(30)의 정류 동작에 의해 전력변환이 이루어진다. 또 상기 제 2스위칭 디바이스(30)가 온 동작하면 상기 제 1스위칭 디바이스(20)는 오프되고, 이때 상기 제 1스위칭 디바이스(20)의 정류 동작에 의해 전력변환이 이루어진다.
따라서 플라이백 컨버터는 전력이 1차 측에서 2차 측으로 공급되는 것뿐만 아니라 그 반대 방향으로 흐를 수 있는 양방향 전력 공급이 가능하다.
하지만, 종래 양방향 플라이백 컨버터는 전기적으로 분리되어 절연(isolated)이 요구되는 시스템에만 적용되고 있다. 다시 말해 비 절연을 요구하는 양방향 시스템에는 적용할 수 없는 문제가 있다.
또한, 상기 제 1스위칭 디바이스(20) 및 제 2스위칭 디바이스(30)의 스위칭 손실이 높다. 통상 전력변환기에는 누설성분이 존재하는데, 그 누설성분에 의해 발생한 서지에 의하여 스위칭 동작에 악영향을 미친다. 이를 해결하기 위해 스너버 회로를 설치하지만, 이러한 수동 클램프는 저가인 장점이 있는 반면 최적 설계가 어렵기 때문에, 전체적인 전력변환동작의 효율이 최적으로 제공하기가 쉽지 않다.
그래서 능동 클램프 방식을 적용하고 있지만, 이 경우 상기 양방향 플라이백 컨버터에서는 2개의 클램프 커패시터가 필요하게 된다.
따라서 본 발명의 목적은 상기한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 비 절연이 요구되는 전력제어시스템에 적용할 수 있는 양방향 플라이백 컨버터를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 1개의 클램프 커패시터로서 능동 클램프 동작을 구현하여 스위칭 소자의 스트레스를 저감시켜 소프트 스위칭이 가능하도록 한 양방향 플라이백 컨버터를 제공하는 것이다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징에 따르면, 제 1권선 및 제 2권선으로 이루어진 변압기; 상기 변압기의 제 1권선에 다이오드 및 스위치의 병렬 구성과 직렬로 커플링된 1차측 제 1 스위치; 상기 변압기의 제 2권선에 다이오드 및 스위칭의 병렬 구성과 직렬로 커플링된 2차측 제 1 스위치; 상기 변압기의 제 1권선과 상기 1차측 제 1 스위치 사이에 병렬 연결된 1차측 제 2 스위치; 상기 변압기의 제 2권선과 상기 2차측 제 1 스위치 사이에 병렬 연결된 2차측 제 2 스위치; 상기 1차측 제 2 스위치와 2차측 제 2 스위치 사이에 병렬 연결되어 능동 클램프 방식을 제공하는 클램프 커패시터; 그리고 상기 제 1권선과 병렬로 커플링된 제 1커패시터 및 상기 제 2권선과 병렬로 커플링된 제 2커패시터를 포함하여 구성된다.
상기 1차측 및 2차측 제 1 스위치는 전력변환을 위한 스위치이고, 상기 1차측 및 2차측 제 2 스위치는 상기 전력변환시의 누설 성분에 의해 축적된 에너지를 상기 클램프 커패시터에 저장하기 위한 스위치임을 특징으로 한다.
상기 개선된 양방향 플라이백 컨버터는 충전모드 및 방전모드를 제공하며, 상기 충전모드는 상기 1차측 제 1스위치 및 제 2 스위치는 온 상태이면서 상기 2차측 제 1 스위치 및 제 2 스위치는 오프 상태이고, 상기 방전모드는 상기 1차측 제 1스위치 및 제 2 스위치는 오프 상태이면서 상기 2차측 제 1 스위치 및 제 2 스위치가 온 상태임을 특징으로 한다.
본 발명에서는 기존의 양방향 플라이백 컨버터에 보조 스위치 및 클램프 커패시터를 추가하여 회로 구성을 개선하고 있다. 즉 보조 스위치는 변압기의 1차측 및 2차측에 기 구성된 스위치(주 스위치)와 연결되게 하고, 그 보조 스위치 사이에 클램프 커패시터를 연결하고 있다.
그에 따라 주 스위치와 보조 스위치의 상호 연동 동작에 의해 능동클램프 기능이 적용되어, 스위치 소자들의 스트레스를 저감시킬 수 있고, 소프트 스위칭 구현이 가능하다.
아울러, 본 발명과 같은 구성에 따르면 제어시스템이 공통 그라운드를 요구하는 전력제어시스템과 같이 전기적으로 비절연을 요구하는 충방전 시스템, 연료전지 발전시스템 등에도 적용가능하다.
이하 본 발명의 개선된 양방향 플라이백 컨버터 장치의 바람직한 실시 예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
도 2에는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 개선된 양방향 플라이백 컨버터의 회로 구성도가 도시되어 있다.
도 2를 보면, 제 1권선(100a) 및 제 2권선(100b)으로 이루어진 변압기(100)가 구비된다.
상기 변압기(100)의 제 1권선(100a)에는 다이오드 및 스위치의 병렬 구성과 직렬로 커플링된 1차측 제 1 스위치(110)가 구비되고, 상기 변압기(100)의 제 2권선(100b)에는 다이오드 및 스위칭의 병렬 구성과 직렬로 커플링된 2차측 제 1 스위치(120)가 구비된다.
또 상기 변압기의 제 1권선(100a)과 상기 1차측 제 1 스위치(110) 사이에는 1차측 제 2 스위치(112)가 병렬 연결되고, 상기 변압기(100)의 제 2권선(100b)과 상기 2차측 제 1 스위치(120) 사이에는 2차측 제 2 스위치(122)가 병렬 연결된다.
참고로, 이후 설명부터는 상기 1차측 제 1 스위치(110)를 1차측 주 스위치, 상기 2차측 제 1 스위치(112)를 2차측 주 스위치라 하고, 또한 상기 1차측 제 2 스위치(120)는 1차측 보조스위치, 상기 2차측 제 2 스위치(122)는 2차측 보조스위치라 하여 설명한다. 본 실시 예에서 상기 주 스위치(110)(120)는 전력을 변환시키는 역할을 하고, 상기 보조 스위치(112)(122)는 누설 성분에 의해 축적된 에너지를 아래에서 설명될 클램프 커패시터에 저장시키는 역할을 수행한다.
상기 1차측 보조스위치(112)와 2차측 보조스위치(122) 사이에는 클램프 커패시터(130)가 병렬 연결되어 능동 클램프(Active Clamp) 방식을 제공한다. 상기 능동 클램프 방식은 상기 주 스위치(110)(120) 및 보조 스위치(112)(122)의 상호 연 동동작에 의해 구현되어 스위치의 스트레스를 저감시키도록 하는 기능이다.
상기 제 1권선(100a)과 병렬로 커플링된 제 1 커패시터(114) 및 상기 제 2권선(100b)과 병렬로 커플링된 제 2 커패시터(123)가 구비된다. 상기 제 1 커패시터 (114) 및 제 2 커패시터(124)는 변환된 전력을 평활화하는 역할을 제공한다. 즉, 상기 제 1 커패시터(114)는 상기 변압기(100)의 1차측을 통해 전력이 출력될 때 필요한 구성이고, 상기 제 2 커패시터(124)는 상기 변압기(100)의 2차측을 통해 전력이 출력될 때 필요한 구성이다.
상기 변압기(100)의 1차측에는 고전압단(140)이 연결되며, 2차측에는 저전압단(150)이 연결된다. 예컨대 상기 고전압단(140)은 태양열이나 연료전지로부터 에너지를 공급하는 공급모듈에 해당하고, 상기 저전압단(150)은 상기 공급모듈에서 공급된 에너지의 잉여전력을 저장하는 저장모듈(즉 배터리)에 해당한다.
그와 같은 구성을 가지는 본 실시 예의 개선된 양방향 플라이백 컨버터의 동작을 설명한다.
본 실시 예의 플라이백 컨버터는 양방향으로 전력 공급이 가능하기 때문에, 이의 동작을 먼저 살펴보기로 한다.
먼저, 고전압단(140)에서 저전압단(150)으로 전력을 공급하는 경우이다.
1차측 주 스위치(110)가 온 동작한다. 반면 2차측 주 스위치(120)는 오프 동작한다. 그러면 상기 변압기(100)의 권선비에 의해 전력변환이 이루어지고, 이는 상기 2차측 주 스위치(120)에 구비된 다이오드의 정류 동작에 의해 저전압단(150)으로 전력이 전달된다.
이때, 상기 1차측 주 스위치(110)가 온 동작하면 상기 1차측 보조 스위치(112)도 온 동작한다. 그래서 전력변환시 발생한 누설성분에 의해 축적된 에너지를 상기 클램프 커패시터(130)에 저장한다. 따라서 상기 1차측 주 스위치(110) 및 1차측 보조 스위치(112)의 스위칭 스트레스가 저감되어 소프트 스위칭 구현이 가능하다.
반면, 저전압단(150)에서 고전압단(140)으로 전력을 공급하는 경우이다.
2차측 주 스위치(120)가 온 동작한다. 반면 1차측 주 스위치(110)는 오프 동작한다. 그러면 상기 변압기(100)의 권선비에 의해 전력변환이 이루어지고, 이는 상기 1차측 주 스위치(110)에 구비된 다이오드의 정류 동작에 의해 고전압단(140)으로 전력이 전달된다.
이때, 상기 2차측 주 스위치(120)가 온 동작하면 상기 2차측 보조 스위치(122)도 온 동작한다. 그래서 전력변환시 발생한 누설성분에 의해 축적된 에너지를 상기 클램프 커패시터(130)에 저장한다. 따라서 상기 2차측 주 스위치(120) 및 2차측 보조 스위치(122)의 스위칭 스트레스가 저감되어 소프트 스위칭 구현이 가능하다.
상기한 전력 공급시, 상기 변압기(100)의 권선비에 의해 승압 및 강압이 가능하다. 결국 본 실시 예는 양방향으로 전력제어가 가능한 것이다.
한편, 상기한 본 실시 예에 따른 양방향 플라이백 컨버터는 비절연이 필요한 시스템에 적용할 수 있음은 전술한 바 있다.
일 예로 충방전 시스템이 있다. 통상 충방전 시스템의 경우 1차 및 2차의 전 압차가 크기 때문에 승압 및 강압이 필요한 전력변환기가 필요하며, 본 실시 예의 양방향 플라이백 컨버터가 적용 가능하다. 충방전 시스템에 적용될 경우, 양방향 플라이백 컨버터는 충전모드 및 방전모드로 동작한다. 이를 도 3을 참조하여 설명하면 다음과 같다. 도 3은 본 발명의 양방향 플라이백 컨버터가 채용된 전력변환시스템의 회로 구성도이다.
도 3을 보면, 본 실시 예의 양방향 플라이백 컨버터(A)가 구비된다. 상기 양방향 플라이백 컨버터(A)의 구성 및 도면부호는 도 2를 그대로 참조하기로 한다.
충방전 모드를 위해서 상기 양방향 플라이백 컨버터(A)의 고전압단(140)의 DC 링크 전압과 상기 저전압단(150)의 배터리 전압을 검출하는 검출부(160)가 구비되어야 한다.
상기 검출부(160)의 검출결과에 따라 상기 양방향 플라이백 컨버터(A)의 모드를 선택하는 모드 선택부(170)가 구비된다. 상기 모드는 충전모드와 방전모드로 구분된다. 상기 충전모드는 상기 고전압단(140)측에서 발생한 에너지를 상기 양방향 플라이백 컨버터(A)를 통해 상기 저전압단(150)에 충전하는 모드이고, 상기 방전모드는 전력 부족시에 상기 저전압단(150)에 저장된 전력을 상기 양방향 플라이백 컨버터(A)를 통해 부하(도면 미도시)단에 공급하는 모드이다.
상기 모드 선택부(170)의 선택 결과에 따라 상기 양방향 플라이백 컨버터(A)를 충전모드 또는 방전모드로 동작시키기 위해 상기 스위치(110)(112)(120)(122)들의 온/오프를 제어하는 스위칭 제어부(180)가 구비된다. 상기 스위칭 제어부(180)는 상기 1차측 주 스위치(110) 및 보조 스위치(112), 상기 2차측 주 스위치(120) 및 보조 스위치(122)의 동작을 제어한다. 제어동작은 상기 1차측 주 스위치(110)와 보조 스위치(112)는 함께 온 동작하고, 이때 상기 2차측 주 스위치(120)와 보조 스위치(122)는 함께 오프 동작하도록 한다. 반대인 경우로서, 상기 2차측 주 스위치(120)와 보조 스위치(122)가 온 동작시, 상기 1차측 주 스위치(110)와 보조 스위치(112)는 오프 동작하도록 한다.
상기한 구성에서의 동작은 다음과 같다.
먼저, 상기 검출부(160)는 DC 링크 전압과 배터리 전압을 검출한다. 검출된 배터리 전압이 기 설정된 기준전압보다 낮을 경우, 또는 상기 고전압단(140)에서 잉여 전력이 발생한 경우, 상기 검출 신호는 상기 모드 선택부(170)로 전달된다.
이 경우, 상기 모드 선택부(170)는 충전모드가 선택되게 한다.
상기 모드 선택부(170)의 충전모드 선택에 따른 신호가 상기 스위칭 제어부(180)로 전달된다.
상기 스위칭 제어부(180)는 상기 양방향 플라이백 컨버터(A)를 충전모드로 동작시키기 위해 상기 스위치의 제어를 행한다. 즉, 앞서 설명한 바 있는 고전압단(140)에서 저전압단(150)으로 전력을 공급하는 경우와 같이, 1차측 주 스위치(110) 및 보조 스위치(112)는 온(on), 2차측 주 스위치(120) 및 보조 스위치(122)는 오프(off)시켜, 상기 고전압단(140)에서 발생한 전력이 양방향 플라이백 컨버터(A)를 통해 상기 저전압단(150)에 충전되게 한다.
반면, 상기 DC 링크 전압이 기준전압보다 감소한 경우, 상기 고전압단(140)은 상기 부하로 충분하게 전력을 공급할 수 없다.
이 경우 상기 검출부(160)의 검출결과에 따라 상기 모드 선택부(170)는 방전모드가 선택되게 한다.
상기 모드 선택부(170)에 의해 방전모드가 선택되면 상기 스위칭 제어부(180)은 상기 양방향 플라이백 컨버터(A)를 방전모드로 동작시키기 위해 상기 스위치의 제어를 행한다. 즉, 상기 저전압단(150)에 저장된 전력을 공급하기 위해, 2차측 주 스위치(120) 및 보조 스위치(122)는 온(on), 1차측 주 스위치(110) 및 보조 스위치(112)는 오프(off)시켜, 상기 저전압단(150)에 저장된 전력이 상기 부하로 공급되게 한다.
상기한 충전모드 및 방전모드시, 상기 보조 스위치(112)(122)는 주 스위치(110)(120)와 연동되어 온 동작하기 때문에 능동클램프 방식이 적용된다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 개선된 양방향 플라이백 컨버터는 비 절연이 요구되는 시스템에 적용 가능하고, 변압기의 권선비를 조절하여 승압 및 강압이 가능하다. 아울러 양방향 전력 공급도 가능하다. 뿐만 아니라 능동 클램프 방식이 적용되어 스위치의 스트레스가 저감된다.
본 발명의 권리범위는 위에서 설명된 실시 예에 한정되지 않고 청구범위에 기재된 바에 의해 정의되며, 본 발명의 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 청구범위에 기재된 권리범위 내에서 다양한 변형과 개작을 할 수 있다는 것은 자명하다.
도 1은 종래기술에 따른 양방향 플라이백 컨버터의 회로 구성도
도 2는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 개선된 양방향 플라이백 컨버터의 회로 구성도
도 3은 본 발명의 양방향 플라이백 컨버터가 채용된 전력변환시스템의 회로 구성도
*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*
100 : 변압기 110 : 1차측 주 스위치
112 : 1차측 보조 스위치 120 : 2차측 주 스위치
122 : 2차측 보조 스위치 130 : 클램프 커패시터
140 : 고전압단 150 : 저전압단

Claims (3)

  1. 제 1권선 및 제 2권선으로 이루어진 변압기;
    상기 변압기의 제 1권선에 다이오드 및 스위치의 병렬 구성과 직렬로 커플링된 1차측 제 1 스위치;
    상기 변압기의 제 2권선에 다이오드 및 스위칭의 병렬 구성과 직렬로 커플링된 2차측 제 1 스위치;
    상기 변압기의 제 1권선과 상기 1차측 제 1 스위치 사이에 병렬 연결된 1차측 제 2 스위치;
    상기 변압기의 제 2권선과 상기 2차측 제 1 스위치 사이에 병렬 연결된 2차측 제 2 스위치;
    상기 1차측 제 2 스위치와 2차측 제 2 스위치 사이에 병렬 연결되어 능동 클램프 방식을 제공하는 클램프 커패시터; 그리고
    상기 제 1권선과 병렬로 커플링된 제 1커패시터 및 상기 제 2권선과 병렬로 커플링된 제 2커패시터를 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 개선된 양방향 플라이백 컨버터.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 1차측 및 2차측 제 1 스위치는 전력변환을 위한 스위치이고,
    상기 1차측 및 2차측 제 2 스위치는 전력변환시의 누설 성분에 의해 축적된 에너지를 상기 클램프 커패시터에 저장하기 위한 스위치임을 특징으로 하는 개선된 양방향 플라이백 컨버터.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 개선된 양방향 플라이백 컨버터는 충전모드 및 방전모드를 제공하며,
    상기 충전모드는 상기 1차측 제 1스위치 및 제 2 스위치는 온 상태이면서 상기 2차측 제 1 스위치 및 제 2 스위치는 오프 상태이고,
    상기 방전모드는 상기 1차측 제 1스위치 및 제 2 스위치는 오프 상태이면서 상기 2차측 제 1 스위치 및 제 2 스위치가 온 상태임을 특징으로 하는 개선된 양방향 플라이백 컨버터.
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