KR101310551B1

KR101310551B1 - 컨버터, 컨버터 제어방법 및 인버터

Info

Publication number: KR101310551B1
Application number: KR1020110117766A
Authority: KR
Inventors: 류동균; 이태원; 김영호; 원충연; 지용혁
Original assignee: 성균관대학교산학협력단; 삼성전기주식회사
Priority date: 2011-11-11
Filing date: 2011-11-11
Publication date: 2013-09-23
Also published as: US20130121038A1; KR20130052362A

Abstract

본 발명은 컨버터, 컨버터 제어방법 및 인버터에 관한 것으로, 전원이 입력되는 입력단; 상기 입력단으로 입력된 전원을 컨버팅하여 출력단으로 출력하는 제1컨버터부; 및 상기 제1컨버터부와 병렬을 이루면서 상기 입력단과 출력단 사이에 연결되는 제2컨버터부;를 포함하며, 상기 제1컨버터부 및 제2컨버터부 각각의 1차측에는 능동클램프부가 구비되고, 상기 제1컨버터부 및 제2컨버터부 각각의 2차측에는 동기정류부가 구비되는 것이다.

Description

컨버터, 컨버터 제어방법 및 인버터{CONVERTER, INVERTER AND CONTROLLING METHOD FOR CONVERTER}

본 발명은 컨버터, 컨버터 제어방법 및 인버터에 관한 것이다.

컨버터는 교류전원을 소정의 직류전원으로 변환하거나 저전압 입력전원을 승압하여 출력하기 위하여 널리 사용되고 있다.

특히, 저전압을 승압하는 용도로 플라이백 컨버터(Flyback converter)가 주로 사용되고 있다.

그런데, 종래의 일반적인 플라이백 컨버터는 출력 전류의 리플(Ripple)이 크고 이차측 정류 다이오드의 내압 및 용량이 높아야 한다는 문제가 있었다.

한편, 특허문헌1에는 인터리브드 플라이백 LED 구동장치가 소개되어 있는데, 특허문헌1에서는 전술한 종래의 일반적인 플라이백 컨버터의 문제점을 해결하기 위하여 트랜스포머를 2개 구비하는 기술이 제안되어 있다.

그러나, 특허문헌1에 기재된 컨버터는 2차측에 유도된 전류를 다이오드를 통해서만 출력캐패시터로 전달하게 되는데, 2차측에 유도되는 전압 또는 전류가 커질수록 내압이 큰 다이오드를 사용해야 하므로 컨버터 전체의 제조원가가 상승하게 되며, 다이오드에 부과되는 스트레스가 커지므로 다이오드의 수명이 저하된다는 문제가 있었다.

또한, 플라이백 컨버터의 주요 구성요소 가운데 하나인 트랜스포머에서는 누설자속(Leakage flux)이 발생하는데, 이 누설자속에 의하여 형성되는 가상의 누설 인덕터(Leakage inductor)는 트랜스포머에 연결되는 스위치의 기생 캐패시터와 공진하면서 스위칭 동작시 전압스파이크를 유발하여 컨버터 등에 부과되는 스트레스를 증가시킬 뿐만 아니라, 이차측으로 전달되지 못하므로 전력전달의 효율을 감소시키는 문제가 있지만, 특허문헌1에 기재된 컨버터를 포함하는 종래의 컨버터는 이러한 문제를 효율적으로 해결하지 못하고 있었다.

특허문헌1 : 대한민국 공개특허공보 제10-2009-0006667호

상기와 같은 문제점들을 해결하기 위하여 창안된 본 발명은 누설자속으로 인한 전력손실과 스위치에 야기되는 전압 스파이크가 감소되고, 이차측 다이오드 및 출력캐패시터에 부과되는 스트레스를 저감시킬 수 있으며, 스위칭 도전손실을 감소시킬 수 있는 컨버터, 컨버터 제어방법 및 인버터를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 창안된 본 발명의 일실시예에 따른 컨버터는, 전원이 입력되는 입력단; 상기 입력단으로 입력된 전원을 컨버팅하여 출력단으로 출력하는 제1컨버터부; 및 상기 제1컨버터부와 병렬을 이루면서 상기 입력단과 출력단 사이에 연결되는 제2컨버터부;를 포함하며, 상기 제1컨버터부 및 제2컨버터부 각각의 1차측에는 능동클램프부가 구비되고, 상기 제1컨버터부 및 제2컨버터부 각각의 2차측에는 동기정류부가 구비되는 것일 수 있다.

이때, 상기 제1컨버터부 및 제2컨버터부는, 상기 입력단에 일단이 연결되는 일차코일; 상기 일차코일의 타단에 제1단자가 연결되고, 제2단자는 상기 입력단에 연결되는 메인스위치; 및 상기 일차코일과 자기적으로 커플링되며, 일단이 출력단에 연결되는 이차코일;을 각각 포함할 수 있다.

또한, 상기 능동클램프부는, 상기 입력단과 상기 일차코일 사이에 제1단자가 연결되는 서브스위치; 및 상기 서브스위치의 제2단자에 일단이 연결되고, 상기 일차코일과 상기 메인스위치 사이에 타단이 연결되는 클램프캐패시터;를 포함할 수 있다.

또한, 상기 메인스위치와 서브스위치에는 역병렬 다이오드가 구비될 수 있다.

또한, 상기 동기정류부는, 상기 이차코일의 타단과 상기 출력단 사이에 연결되는 동기스위치; 및 상기 동기스위치에 연결되는 역병렬 다이오드를 포함할 수 있다.

또한, 상기 메인스위치가 온 상태에서 오프 상태로 변경된 후에 상기 동기스위치가 오프 상태에서 온 상태로 변경되고, 상기 동기스위치가 온 상태에서 오프상태로 변경된 후 상기 서브스위치가 오프 상태에서 온 상태로 변경되며, 상기 상기 서브스위치가 온 상태에서 오프 상태로 변경된 후에 상기 메인스위치가 오프 상태에서 온 상태로 변경되는 것일 수 있다.

이때, 상기 제1컨버터부의 메인스위치가 오프 상태인 경우에만 상기 제2컨버터부의 메인스위치가 온 상태가 되는 것일 수 있다.

또한, 상기 제1컨버터부의 동기스위치가 온 되는 시점은 상기 제2컨버터부의 메인스위치가 온 되는 시점보다 앞서고, 상기 제1컨버터부의 동기스위치가 오프 되는 시점은 상기 제2컨버터부의 메인스위치가 온 되는 시점과 상기 제1컨버터부의 서브 스위치가 온 되는 시점 사이인 것일 수 있다.

본 발명의 일실시예에 따른 컨버터는, 전원이 입력되는 입력단; 상기 입력단에 일단이 연결되는 제1일차코일; 상기 제1일차코일의 타단에 제1단자가 연결되고, 제2단자는 상기 입력단에 연결되는 제1메인스위치; 상기 제1일차코일에 병렬로 연결되는 제1능동클램프부; 상기 제1일차코일과 자기적으로 커플링되며, 일단이 출력단에 연결되는 제1이차코일; 상기 제1이차코일의 타단에 제1단자가 연결되고, 제2단자는 출력단에 연결되는 제1동기스위치; 상기 입력단에 일단이 연결되는 제2일차코일; 상기 제2일차코일의 타단에 제1단자가 연결되고, 제2단자는 상기 입력단에 연결되는 제2메인스위치; 상기 제2일차코일에 병렬로 연결되는 제2능동클램프부; 상기 제2일차코일과 자기적으로 커플링되며, 일단이 출력단에 연결되는 제2이차코일; 및 상기 제2이차코일의 타단에 제1단자가 연결되고, 제2단자는 상기 출력단에 연결되는 제2동기스위치;를 포함할 수 있다.

이때, 상기 제1능동클램프부는, 상기 제1일차코일과 상기 입력단 사이에 제1단자가 연결되는 제1서브스위치 및 상기 제1서브스위치의 제2단자에 일단이 연결되며, 타단은 상기 제1일차코일과 상기 제1메인스위치 사이에 연결되는 제1클램프캐패시터를 포함하고, 상기 제2능동클램프부는, 상기 제2일차코일과 상기 입력단 사이에 제1단자가 연결되는 제2서브스위치 및 상기 제2서브스위치의 제2단자에 일단이 연결되며, 타단은 상기 제2일차코일과 상기 제2메인스위치 사이에 연결되는 제2클램프캐패시터를 포함할 수 있다.

또한, 상기 제1메인스위치, 제1서브스위치, 제2메인스위치 및 제2서브스위치 각각에 연결되는 역병렬 다이오드가 더 구비될 수 있다.

또한, 상기 제1동기스위치 및 제2동기스위치 각각에 연결되는 역병렬 다이오드가 더 구비될 수 있다.

이때, 상기 제1메인스위치와 제2서브스위치가 온 상태에서 오프 상태로 변경된 후에 상기 제1동기스위치가 오프 상태에서 온 상태로 변경되고, 상기 제1동기스위치가 온 된 상태에서 상기 제2메인스위치가 오프 상태에서 온 상태로 변경되며, 상기 제1동기스위치가 온 상태에서 오프 상태로 변경된 후에 상기 제1서브스위치가 오프 상태에서 온 상태로 변경되고, 상기 제1서브스위치와 제2메인스위치가 온 상태에서 오프 상태로 변경된 후에 상기 제2동기스위치가 오프 상태에서 온 상태로 변경되며, 상기 제2동기스위치가 온 된 상태에서 상기 제1메인스위치가 오프 상태에서 온 상태로 변경될 수 있다.

본 발명의 일실시예에 따른 인버터는, 전술한 바에 따른 컨버터; 상기 출력단에 연결되는 출력캐패시터; 및 상기 출력캐패시터에 병렬로 연결되어 직류를 교류로 변환하는 인버터부;를 포함할 수 있다.

또한, 상기 인버터부에 연결되어 노이즈를 제거하는 필터부를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 일실시예에 따른 컨버터 제어방법은, (A) 상기 제1메인스위치를 턴온하여 상기 제1일차코일에 전류를 공급하는 단계; (B) 상기 제1메인스위치를 턴오프한 후 상기 제1동기스위치를 턴온하여 제1일차코일에 유도된 전류를 출력단으로 전달하는 단계; (C) 상기 제1동기스위치를 턴오프한 후 상기 제1서브스위치를 턴온하는 단계; 및 (D) 상기 제1서브스위치를 턴오프하는 단계;를 순차적으로 수행하는 것일 수 있다.

본 발명의 일실시예에 따른 컨버터 제어방법은, (a) 상기 제2동기스위치가 온 된 상태에서 상기 제1메인스위치를 턴온하는 단계; (b) 상기 제2동기스위치를 턴오프한 후 상기 제2서브스위치를 턴온하는 단계; (c) 상기 제1메인스위치와 상기 제2서브스위치를 턴오프한 후 상기 제1동기스위치를 턴온하는 단계; (d) 상기 제1동기스위치가 온 된 상태에서 상기 제2메인스위치를 턴온하는 단계; (e) 상기 제1동기스위치를 턴오프한 후 상기 제1서브스위치를 턴온하는 단계; 및 (f) 상기 제2메인스위치와 상기 제1서브스위치를 턴오프한 후 상기 제2동기스위치를 턴온하는 단계;를 순차적으로 수행하는 것일 수 있다.

상기와 같이 구성된 본 발명의 일실시예에 따른 컨버터, 컨버터 제어방법 및 인버터는 누설자속으로 인한 전력손실과 스위치에 야기되는 전압 스파이크가 감소되고, 이차측 다이오드 및 출력캐패시터에 부과되는 스트레스를 저감시킬 수 있으며, 스위칭 도전손실을 감소시킬 수 있다는 유용한 효과를 제공한다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 인버터를 예시한 도면이다.
도 2a 내지 도 2j는 본 발명의 일실시예에 따른 컨버터의 동작원리를 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 구간별 스위치 제어신호와 주요 소자에서의 전류 및 전압의 관계를 개략적으로 예시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 인버터의 주요 소자에서 정상상태의 동작파형을 개략적으로 예시한 도면이다.
도 5a 내지 도 5d는 본 발명의 일실시예에 따른 컨버터의 동기정류부 동작모드 설명을 위한 도면이다.
도 6은 계통 전압 주파수 동안의 동기정류기의 스위칭 가변 영역을 개략적으로 예시한 도면이다.
도 7a는 단일 플라이백 인버터의 누설 인덕터가 충전되는 과정에서 동기스위치의 전압파형을 개략적으로 예시한 도면이다.
도 7b는 인터리브드 플라이백 인버터의 누설 인덕터가 충전되는 과정에서 동기스위치의 전압파형을 개략적으로 예시한 도면이다.
도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 컨버터의 주요 소자에서 스위칭 주기 동안의 동작파형을 시뮬레이션한 결과를 개략적으로 예시한 도면이다.
도 9는 본 발명의 일실시예에 따른 인버터의 주요 소자에서 계통 주기 동안의 동작파형을 시뮬레이션한 결과를 개략적으로 예시한 도면이다.

본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 기술 등은 첨부되는 도면들과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예를 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있다. 본 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 함과 더불어, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공될 수 있다. 명세서 전문에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.

본 명세서에서 사용된 용어들은 실시예를 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 '포함한다(comprise)' 및/또는 '포함하는(comprising)'은 언급된 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자는 하나 이상의 다른 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.

이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 구성 및 작용효과를 더욱 상세하게 설명한다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 인버터(100)를 예시한 도면이다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 인버터(100)는 입력단, 출력단, 컨버터, 인버터부(130) 및 필터부(140)를 포함할 수 있다.

상기 입력단에는 직류전원이 인가될 수 있는데, 도면에서는 태양광 전지(Photovoltaic cell)에서 생성된 전원이 입력캐패시터(Cin)에 충전되었다가 상기 입력단에 인가되는 경우를 예시하였다. 다만, 도면은 본 발명의 일실시예에 따른 인버터(100)가 적용되는 일 예를 예시한 것이므로 본 발명의 권리범위를 제한하는 것은 아니다.

일반적으로 태양광 모듈에서는 45V 이하의 직류전압이 출력되는데, 태양광 발전을 상용전원으로 사용하기 위해서는 220V로 승압하고 교류로 변환해야만 계통(Grid)에 연결할 수 있다.

따라서, 태양광 전지를 계통에 연결하여 전력으로 사용하기 위한 인버터(100)에는 고승압, 고효율 특성이 요구되고 있으며, 입력전류의 리플이 작을 수록 유리하다.

한편, 컨버터는 크게 절연형 전압원 컨버터와 절연형 전류원 컨버터로 구분될 수 있다.

절연형 전압원 컨버터는 전압 강압형의 회로 특성을 가지며 입력전류의 리플이 크고, 출력 다이오드에 큰 스트레스가 부과된다.

절연형 전류원 컨버터는 저전압을 고전압으로 변환하는 시스템에서 전압원 컨버터에 비하여 입력전류의 리플이 작다는 장점이 있으며, 대표적인 예로 플라이백 컨버터를 들 수 있다.

도 1에 예시한 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 인버터(100) 역시 플라이백 컨버터를 기본 구조로 하여, 컨버터 내부의 전압 스파이크, 스위칭 손실, 다이오드의 도전손실 등의 문제점들을 개선하고 리플 전류를 감소시킬 수 있는 컨버터 구조를 개발하게 된 것이다.

출력단에는 컨버터에서 출력되는 전압과 전류에 의하여 충전되는 출력캐패시터(C_o)가 구비될 수 있으며, 상기 출력캐패시터(C_o)에 충전되는 직류전원은 다양한 방식으로 구현될 수 있는 인버터부(130)를 통해 교류전원으로 변환되어 계통(Grid)에 연결된다.

이때, 인버터부(130)를 통과한 전원의 노이즈를 제거하기 위한 필터부(140)가 더 구비될 수 있다.

본 발명의 일실시예에 따른 컨버터는 제1컨버터부(110)와 제2컨버터부(120)를 포함할 수 있다.

이때, 제1컨버터부(110)와 제2컨버터부(120)는 동일한 구조로 이루어질 수 있고, 입력단과 출력단 사이에서 서로 병렬을 이루며 연결되어, 소위 인터리브드 구조를 이룰수 있다.

제1컨버터부(110)는 일반적인 플라이백 컨버터의 기본적인 구성과 유사하게 제1일차코일(L1) 및 제1이차코일(L1')로 이루어지는 제1트랜스포머(T1) 및 제1메인스위치(S_p1)를 포함한다.

여기서 더 나아가, 제1일차코일(L1)에는 제1능동클램프부(111)가 병렬로 연결되며, 제1이차코일(L1')과 출력단 사이에는 일반적인 출력다이오드 대신 제1동기스위치(S_r1)와 역병렬 다이오드(D_r1)로 이루어지는 제1동기정류부(112)가 연결된다.

제1능동클램프부(111)는 제1서브스위치(S_a1)와 역병렬 다이오드(D_a1), 제1클램프캐패시터(C_c1)를 포함할 수 있다.

제1서브스위치(S_a1)의 제1단자는 제1일차코일(L1)과 입력단 사이에 연결되고, 제1서브스위치(S_a1)의 제2단자는 제1클램프캐패시터(C_c1)의 일단에 연결된다.

제1클램프캐패시터(C_c1)의 타단은 제1일차코일(L1)과 제1메인스위치(S_p1) 사이에 연결된다.

제2컨버터부(120) 역시 제2일차코일(L2) 및 제2이차코일(L2')로 이루어지는 제2트랜스포머(T2) 및 제2메인스위치(Sp2)를 포함한다.

또한, 제2일차코일(L2)에는 제2능동클램프부(121)가 병렬로 연결되며, 제2이차코일(L2)과 출력단 사이에는 일반적인 출력다이오드 대신 제2동기스위치(S_r2)와 역병렬 다이오드(D_r2)로 이루어지는 제2동기정류부(122)가 연결된다.

제2능동클램프부(121)는 제2서브스위치(S_a2)와 역병렬 다이오드(D_a2), 제2클램프캐패시터(C_c2)를 포함할 수 있다.

제2서브스위치(S_a2)의 제1단자는 제2일차코일(L2)과 입력단 사이에 연결되고, 제2서브스위치(S_a2)의 제2단자는 제2클램프캐패시터(C_c2)의 일단에 연결된다.

제2클램프캐패시터(C_c2)의 타단은 제2일차코일(L2)과 제2메인스위치(S_p2) 사이에 연결된다.

한편, 도면에서는 제1자화인덕터(L_m1), 제1누설인덕터(L_LK1), 제1메인스위치(S_p1) 기생캐패시터(C_p1), 제2자화인덕터(L_m2), 제2누설인덕터(L_LK2) 및 제2메인스위치(S_p2) 기생캐패시터(C_p2)를 표시하였다.

자화인덕터와 누설인덕터는 트랜스포머의 누설자속으로 인한 특성을 반영하여 설명을 하기 위한 가상의 구성요소이며, 메인스위치 기생캐패시터(C_p1, C_p2) 또한 스위치에 존재하는 기생성분을 설명하기 위한 가상의 구성요소임을 통상의 기술자라면 쉽게 이해할 수 있을 것이다.

또한, 전술한 제1메인스위치(S_p1), 제2메인스위치(S_p2), 제1서브스위치(S_a1), 제2서브스위치(S_a2), 제1동기스위치(S_r1), 제2동기스위치(S_r2) 들은 별도로 구비되는 제어부(도시되지 않음)로 부터 인가되는 제어신호에 따라 온 또는 오프 될 수 있다.

도 2a 내지 도 2j는 본 발명의 일실시예에 따른 컨버터의 동작원리를 설명하기 위한 도면이고, 도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 구간별 스위치 제어신호와 주요 소자에서의 전류 및 전압의 관계를 개략적으로 예시한 도면이다.

이하에서는 도 2a 내지 도 3을 참조하여 본 발명의 일실시예에 따른 컨버터의 동작원리를 상세하게 설명하도록 한다.

이해를 돕기 위하여 도 3의 t₀ ~ t₁구간을 모드 1(도 2a), t₁ ~ t₂구간을 모드 2(도 2b), t₂ ~ t₃구간을 모드 3(도 2c), t₃ ~ t₄구간을 모드 4(도 2d), t₄ ~ t₅구간을 모드 5(도 2e)로 구분하여 설명하도록 한다.

<모드 1>

제1컨버터부(110)의 제1메인스위치(S_p1)가 턴온 되어 온 상태를 유지하며, 제1서브스위치(S_a1)는 오프 상태에 있다. 이에 따라 입력캐패시터(C_in)에 충전되어 있던 전원이 제1자화인덕터(L_m1)에 축적되면서 제1자화인덕터(L_m1)의 전류는 선형적으로 증가한다.

한편, 제2컨버터부(120)의 제2메인스위치(S_p2)는 오프 상태이며, 제2동기스위치(S_r2)가 온 상태를 유지함에 따라, 제2자화인덕터(L_m2)에 축적되어 있던 에너지가 제2이차코일(L₂')로 유도되어 제2동기스위치(S_r2)를 통과하여 출력캐패시터(C_o)에 충전된다. 이때, 제2자화인덕터(L_m2)의 전류는 선형적으로 감소하여 0이 된다. 또한, 출력캐패시터(C_o)에 축적된 에너지는 인버터부(130)로 전달되어 교류로 변환된다.

<모드 2>

제1컨버터부(110)의 제1메인스위치(S_p1)는 온 상태를 유지하면서 제1자화인덕터(L_m1)에 에너지가 계속 축적되고, 제1자화인덕터(L_m1)의 전류는 선형적으로 증가한다.

한편, 제2컨버터부(120)의 제2동기스위치(S_r2)는 턴오프 되어 오프 상태를 유지하며, 제2자화인덕터(L_m2)와 제2메인스위치(S_p2)의 기생 캐패시터 사이에 기생공진이 발생한다.

<모드 3>

제1컨버터부(110)는 이전 모드와 동일하게 동작한다.

한편, 제2컨버터부(120)의 제2서브스위치(S_a2)가 턴온 되어 온 상태를 유지하며, 제2누설인덕터(L_LK2)에 축적된 에너지가 제2클램프캐패시터(C_c2)와 제2일차코일을 거쳐 제2이차코일로 유도된다. 또한, 제2이차코일에 유도된 전류는 제2동기스위치(S_r2)의 역병렬 다이오드(D_r2)를 통과하여 출력캐패시터(C_o)에 충전되고 최종적으로는 인버터부(130)로 전달된다.

이때, 제2자화인덕터(L_m2)의 전류는 역방향으로 증가하지만 그 크기는 누설전류보다 작을 수 있다.

<모드 4>

제1컨버터부(110)의 제1메인스위치(S_p1)는 턴오프되며, 제1메인스위치(S_p1)의 기생캐패시터(C_p1)는 제1자화인덕터(L_m1)의 전류에 의하여 충전되고, 제1메인스위치(S_p1) 양단의 전압 V_sp1은 선형적으로 증가한다.

이때, V_sp1는 입력캐패시터(C_in)의 전압 V_in과 제1클램프캐패시터(C_c1)의 전압 V_c1의 합이 된다.

제1클램프캐패시터(C_c1)에 의하여 제1누설인덕터(L_LK1)와 제1메인스위치(S_p1)의 기생캐패시터(C_p1) 사이에 발생하는 공진에 따른 전압 스파이크가 종래보다 감소될 수 있다.

한편, 제2컨버터부(120)의 제2서브스위치(S_a2)는 턴오프 되어 오프 상태를 유지하고, 제2메인스위치(S_p2)의 전류가 음인 상태이므로 제2메인스위치(S_p2)의 기생캐패시터(C_p2)가 방전된다.

여기서, 제2트랜스포머(T₂)의 누설에너지가 제2메인스위치(S_p2)의 기생캐패시터(C_p2)에 충전된 에너지보다 클 경우, 제2동기스위치(S_r2)의 역병렬 다이오드(D_r2)로 계속 전류가 흐르게 되며, 제2메인스위치(S_p2)의 전류와 제1자화인덕터(L_m1)의 전류의 차이 만큼이 출력캐패시터(C_o)에 공급되어 최종적으로 인버터부(130)로 전달된다.

반대로, 제2트랜스포머(T₂)의 누설에너지가 제2메인스위치(S_p2)의 기생캐패시터(C_p2)에 충전된 에너지보다 작을 경우, 제2자화인덕터(L_m2)도 제2메인스위치(S_p2)의 소프트 스위칭 동작에 기여할 수 있다.

마지막으로, 제2메인스위치(S_p2)의 전류가 제2자화인덕터(L_m2)의 전류와 동일해지면 제2이차측으로의 전류유도가 발생하지 않게 된다.

<모드 5>

제1컨버터부(110)의 제1동기스위치(S_r1)가 턴온 되어 온 상태를 유지한다.

이에 따라, 제1자화인덕터(L_m1)에 축적된 에너지는 제1이차코일로 유기되고, 유기된 전류는 제1동기스위치(Sr1)를 통하여 출력캐패시터(Co)에 충전됨으로써 종국적으로는 인버터부(130)로 전달된다. 이때, 제1자화인덕터(L_m1)의 전류와 제1메인스위치(S_p1)의 전류의 차이 만큼이 제1이차코일로 유기된다.

또한, 제1트랜스포머(T₁)의 누설에너지, 즉 제1누설인덕터(L_LK1)에 축적된 에너지는 제1클램프캐패시터(C_c1)로 흡수된다.

한편, 제2컨버터부(120)에서는 제2메인스위치(S_p2)의 기생캐패시터(C_p2)가 모두 방전되어 0이 되며, 이에 따라, 제2메인스위치(S_p2)가 턴온 될 시점에서 소프트 스위칭 동작이 이루어질 수 있다.

모드 5 이후에는 전술한 모드 1 내지 모드 5 까지의 과정이 제1컨버터부(110)와 제2컨버터부(120)에서 작동과정이 반전되어 진행된다. 다시 말해서, 전술한 제1컨버터부(110)의 동작이 제2컨버터부(120)에서 수행되고, 제2컨버터부(120)의 동작이 제1컨버터부(110)에서 수행된다. 따라서, 중복적인 설명은 생략하도록 한다.

이러한 과정은 제1메인스위치(S_p1), 제1서브스위치(S_a1), 제1동기스위치(S_r1), 제2메인스위치(S_p2), 제2서브스위치(S_a2) 및 제2동기스위치(S_r2)의 온 또는 오프를 제어하는 제어신호에 의하여 구현될 수 있으며, 이러한 제어신호는 별도로 구비된 제어부(도시되지 않음)를 통해 발생되어 각각의 스위치에 인가될 수 있다.

한편, 본 발명의 일실시예에 따른 컨버터 제어방법은, (a) 상기 제2동기스위치(S_r2)가 온 된 상태에서 상기 제1메인스위치(S_p1)를 턴온하는 단계; (b) 상기 제2동기스위치(S_r2)를 턴오프한 후 상기 제2서브스위치를 턴온하는 단계; (c) 상기 제1메인스위치(S_p1)와 상기 제2서브스위치를 턴오프한 후 상기 제1동기스위치(S_r1)를 턴온하는 단계; (d) 상기 제1동기스위치(S_r1)가 온 된 상태에서 상기 제2메인스위치(S_p2)를 턴온하는 단계; (e) 상기 제1동기스위치(S_r1)를 턴오프한 후 상기 제1서브스위치를 턴온하는 단계; 및 (f) 상기 제2메인스위치(S_p2)와 상기 제1서브스위치를 턴오프한 후 상기 제2동기스위치(S_r2)를 턴온하는 단계;를 순차적으로 수행하는 것일 수 있다.

여기서 (a) 단계는 전술한 모드 1에 해당하고, (b) 단계는 전술한 모드 3에 해당하며, (c) 단계는 전술한 모드 4에 해당하고, (d) 단계는 전술한 모드 5에 해당하며, (e) 단계는 전술한 모드 2의 제1컨버터부(110)의 동작을 제2컨버터부(120)가 수행하고, 제2컨버터부(120)의 동작을 제1컨버터부(110)가 수행하는 경우에 해당하며, (f) 단계는 전술한 모드 4의 제1컨버터부(110)의 동작을 제2컨버터부(120)가 수행하고, 제2컨버터부(120)의 동작을 제1컨버터부(110)가 수행하는 경우에 해당하는 것이다.

전술한 과정을 통하여 제1컨버터부(110)와 제2컨버터부(120)가 교대로 컨버팅 과정을 수행함으로써 입력전류의 리플이 감소되고 컨버터에 구비되는 각종 소자들의 내압이 감소될 수 있다.

또한, 제1능동클램프부(111)와 제1동기정류부(112), 제2능동클램프부(121)와 제2동기정류부(122)가 구비되어 전술한 방식으로 동작됨으로써 제1누설인덕터(L_LK1)와 제1메인스위치(S_p1)의 기생캐패시터(C_p1) 사이 및 제2누설인덕터(L_LK2)와 제2메인스위치(S_p2)의 기생캐패시터(C_p2) 사이에 발생하는 기생공진현상에 따른 제1메인스위치(S_p1)와 제2메인스위치(S_p2)의 전압스파이크가 감소될 수 있다.

또한, 제1누설인덕터(L_LK1) 및 제2누설인덕터(L_LK2)에 축적되는 누설에너지가 제1동기스위치(S_r1)의 역병렬 다이오드(D_r1) 및 제2동기스위치(S_r2)의 역병렬 다이오드(D_r2)를 통해 출력캐패시터(C_o)로 전달될 수 있으므로 에너지 효율이 최소 1 내지 2% 이상 향상된다.

또한, 상대적으로 큰 에너지인 제1자화인덕터(L_m1) 및 제2자화인덕터(L_m2)에 축적된 에너지는 제1동기스위치(Sr1) 및 제2동기스위치(Sr2)를 통해 출력캐패시터(C_o)로 전달되며, 상대적으로 적은 에너지인 제1누설인덕터(L_LK1) 및 제2누설인덕터(L_LK2)에 축적되는 누설에너지가 제1동기스위치(S_r1)의 역병렬 다이오드(D_r1) 및 제2동기스위치(S_r2)의 역병렬 다이오드(D)를 통해 출력캐패시터(C_o)로 전달된다.

따라서, 종래의 이차측에 출력다이오드만 구비한 경우에 비하여 다이오드에 부과되는 스트레스가 감소하며, 내압이 낮은 다이오드를 사용할 수 있게 된다.

이때, 일반적으로 스위치의 손실이 다이오드의 손실보다 크기 때문에 상대적으로 적은 에너지인 누설에너지를 전달하는 과정에서는 다이오드를 이용할 수 있도록 함으로써 에너지 손실을 감소시킬 수 있게 된다.

도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 인버터(100)의 주요 소자에서 정상상태의 동작파형을 개략적으로 예시한 도면이다.

도 4를 참조하면, 계통 주기 동안, 제1메인스위치(Sp1)의 게이트 신호 V_{g_Sp1}와 제1서브스위치(Sa1)의 게이트 신호 V_{g_Sa1}가 생성된다. 제1메인스위치(Sp1)가 켜졌을 때, 제1메인스위치(S_p1)의 전류는 정류된 계통 전압과 유사한 형태를 갖는 지령전류 파형까지 선형적으로 증가한다. 그리고, 제1메인스위치(S_p1)의 전류가 지령전류의 파형과 같아지면 제1메인스위치(S_p1)는 턴오프 되고, 제1메인스위치(S_p1)의 전압은 기 설정된 전압까지 상승하게 된다. 여기서, 기 설정된 전압은 클램프된 전압 스파이크, 입력전압 및 피드백 전압의 합과 같다.

한편, 제1자화인덕터(L_m1)에 저장된 에너지는 제1동기스위치(S_r1)가 켜지면 계통으로 전달된다.

또한, 제1동기스위치(S_r1)가 턴오프 된 후 제1클램프캐패시터(C_c1)에 의해 제1누설인덕터(L_LK1)에 축적된 에너지를 계통으로 전달하기 위하여 제1서브스위치(S_a1)가 턴온 된다.

이러한 과정은 위상이 180도 지연된 상태에서 제2컨버터부(120)에서 동일하게 반복 수행된다.

도 5a 내지 도 5d는 본 발명의 일실시예에 따른 컨버터의 동기정류부 동작모드 설명을 위한 도면이다.

도 5a 내지 도 5d를 참조하면, 도 5a는 스위치의 기생캐패시터(Cp)는 라인을 통해 흐르는 에너지에 의하여 충전될 경우를 예시하고 있고, 도 5b는 스위치의 역병렬 다이오드(D)가 소프트 스위칭을 위해 도통되는 과정을 예시하고 있다. 도 5c에서 예시한 바와 같이 스위치가 영전압 스위칭 동작을 한다.

도 6은 계통 전압 주파수 동안의 동기정류기의 스위칭 가변 영역을 개략적으로 예시한 도면이다.

도 6을 참조하면, 스위치 동작(Switch operation) 구간에서는 역병렬 다이오드(D)의 손실의 손실이 스위치의 손실보다 크고, 역병렬 다이오드(D) 동작 구간(Anti-parallel diode operation)에서는 스위치의 손실이 역병렬 다이오드(D)의 손실보다 크다.

따라서, 손실이 작은 경로를 통하여 에너지가 전달될 수 있도록 함으로써 에너지 손실을 감소시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

또한, 단일 플라이백 인버터(100)의 경우 스위치의 손실이 역병렬 다이오드(D)의 손실보다 낮은 구간이 인터리브드 플라이백 인버터(100)의 경우보다 좁기 때문에, 단일 플라이백 인버터(100)에서 스위치 작동구간 및 역병렬 다이오드(D) 작동구간을 구분하여 작동함에 있어서 효율 개선 효과가 낮다.

도 7a는 단일 플라이백 인버터(100)의 누설 인덕터가 충전되는 과정에서 동기스위치의 전압파형을 개략적으로 예시한 도면이고, 도 7b는 인터리브드 플라이백 인버터(100)의 누설 인덕터가 충전되는 과정에서 동기스위치의 전압파형을 개략적으로 예시한 도면이다.

도 7a 및 도 7b를 참조하면, 인터리브드 플라이백 인버터(100)는 단일 플라이백 인버터(100)에 비하여 동기스위치에 인가되는 전압 피크 성분이 작다.

따라서, 본 발명의 일실시예에 따른 컨버터 및 인버터(100)에서는 종래의 일반적인 단일 플라이백 인버터(100)에 비하여 저전압 특성을 갖는 모스트랜지스터 등을 동기스위치로 사용할 수 있게 되는 것이다.

도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 컨버터의 주요 소자에서 스위칭 주기 동안의 동작파형을 시뮬레이션한 결과를 개략적으로 예시한 도면이고, 도 9는 본 발명의 일실시예에 따른 인버터(100)의 주요 소자에서 계통 주기 동안의 동작파형을 시뮬레이션한 결과를 개략적으로 예시한 도면이다.

도 8 및 도 9를 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 컨버터의 동작원리를 설명하기 위하여 참조한 도 3 및 그 효과를 설명하기 위한 도 4가 실제 시뮬레이션 결과와 합치되고 있음을 확인할 수 있다.

이상의 상세한 설명은 본 발명을 예시하는 것이다. 또한 전술한 내용은 본 발명의 바람직한 실시 형태를 나타내고 설명하는 것에 불과하며, 본 발명은 다양한 다른 조합, 변경 및 환경에서 사용할 수 있다. 즉, 본 명세서에 개시된 발명의 개념의 범위, 저술한 개시 내용과 균등한 범위 및/또는 당업계의 기술 또는 지식의 범위 내에서 변경 또는 수정이 가능하다. 전술한 실시예들은 본 발명을 실시하는데 있어 최선의 상태를 설명하기 위한 것이며, 본 발명과 같은 다른 발명을 이용하는데 당업계에 알려진 다른 상태로의 실시, 그리고 발명의 구체적인 적용 분야 및 용도에서 요구되는 다양한 변경도 가능하다. 따라서, 이상의 발명의 상세한 설명은 개시된 실시 상태로 본 발명을 제한하려는 의도가 아니다. 또한 첨부된 청구범위는 다른 실시 상태도 포함하는 것으로 해석되어야 한다.

100 : 인버터 110 : 제1컨버터부
111 : 제1능동클램프부 112 : 제1동기정류부
120 : 제2컨버터부 121 : 제2능동클램프부
122 : 제2동기정류부 130 : 인버터부
140 : 필터부 C_in : 입력캐패시터
C_o : 출력캐패시터 T₁ : 제1트랜스포머
L1 : 제1일차코일 L1' : 제1이차코일
L_LK1 : 제1누설인덕터 L_m1 : 제1자화인덕터
S_p1 : 제1메인스위치 S_a1 : 제1서브스위치
S_r1 : 제1동기스위치 C_p1 : 제1메인스위치의 기생캐패시터
C_c1 : 제1클램프캐패시터
D_a1, D_p1,D_r1, D_a2, D_p2,D_r2 : 역병렬 다이오드
T₂ : 제2트랜스포머 L2 : 제2일차코일
L2' : 제2이차코일 L_LK2 : 제2누설인덕터
L_m2 : 제2자화인덕터 S_p2 : 제2메인스위치
S_a2 : 제2서브스위치 S_r2 : 제2동기스위치
C_p2 : 제2메인스위치의 기생캐패시터
C_c2 : 제2클램프캐패시터

Claims

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전원이 입력되는 입력단;
상기 입력단에 일단이 연결되는 제1일차코일;
상기 제1일차코일의 타단에 제1단자가 연결되고, 제2단자는 상기 입력단에 연결되는 제1메인스위치;
상기 제1일차코일에 병렬로 연결되며, 상기 제1일차코일과 상기 입력단 사이에 제1단자가 연결되는 제1서브스위치 및 상기 제1서브스위치의 제2단자에 일단이 연결되며, 타단은 상기 제1일차코일과 상기 제1메인스위치 사이에 연결되는 제1클램프캐패시터를 포함하는 제1능동클램프부;
상기 제1일차코일과 자기적으로 커플링되며, 일단이 출력단에 연결되는 제1이차코일;
상기 제1이차코일의 타단에 제1단자가 연결되고, 제2단자는 출력단에 연결되는 제1동기스위치;
상기 입력단에 일단이 연결되는 제2일차코일;
상기 제2일차코일의 타단에 제1단자가 연결되고, 제2단자는 상기 입력단에 연결되는 제2메인스위치;
상기 제2일차코일에 병렬로 연결되며, 상기 제2일차코일과 상기 입력단 사이에 제1단자가 연결되는 제2서브스위치 및 상기 제2서브스위치의 제2단자에 일단이 연결되며, 타단은 상기 제2일차코일과 상기 제2메인스위치 사이에 연결되는 제2클램프캐패시터를 포함하는 제2능동클램프부;
상기 제2일차코일과 자기적으로 커플링되며, 일단이 출력단에 연결되는 제2이차코일; 및
상기 제2이차코일의 타단에 제1단자가 연결되고, 제2단자는 상기 출력단에 연결되는 제2동기스위치;
를 포함하되,
상기 제1메인스위치, 상기 제1서브스위치, 상기 제2메인스위치, 상기 제2서브스위치, 상기 제1동기스위치 및 상기 제2동기스위치 각각에는 역병렬 다이오드가 연결되며,
상기 제1메인스위치와 상기 제2서브스위치가 온 상태에서 오프 상태로 변경된 후에 상기 제1동기스위치가 오프 상태에서 온 상태로 변경되고,
상기 제1동기스위치가 온 된 상태에서 상기 제2메인스위치가 오프 상태에서 온 상태로 변경되며,
상기 제1동기스위치가 온 상태에서 오프 상태로 변경된 후에 상기 제1서브스위치가 오프 상태에서 온 상태로 변경되고,
상기 제1서브스위치와 제2메인스위치가 온 상태에서 오프 상태로 변경된 후에 상기 제2동기스위치가 오프 상태에서 온 상태로 변경되며,
상기 제2동기스위치가 온 된 상태에서 상기 제1메인스위치가 오프 상태에서 온 상태로 변경되는 것을 특징으로 하는
컨버터.
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제10항에 따른 컨버터;
상기 출력단에 연결되는 출력캐패시터; 및
상기 출력캐패시터에 병렬로 연결되어 직류를 교류로 변환하는 인버터부;
를 포함하는
인버터.
제15항에 있어서,
상기 인버터부에 연결되어 노이즈를 제거하는 필터부를 더 포함하는
인버터.
제10항에 따른 컨버터를 제어하는 컨버터 제어방법에 있어서,
(A) 상기 제1메인스위치를 턴온하여 상기 제1일차코일에 전류를 공급하는 단계;
(B) 상기 제1메인스위치를 턴오프한 후 상기 제1동기스위치를 턴온하여 제1일차코일에 유도된 전류를 출력단으로 전달하는 단계;
(C) 상기 제1동기스위치를 턴오프한 후 상기 제1서브스위치를 턴온하는 단계; 및
(D) 상기 제1서브스위치를 턴오프하는 단계;
를 순차적으로 수행하는
컨버터 제어방법.
제10항에 따른 컨버터를 제어하는 컨버터 제어방법에 있어서,
(a) 상기 제2동기스위치가 온 된 상태에서 상기 제1메인스위치를 턴온하는 단계;
(b) 상기 제2동기스위치를 턴오프한 후 상기 제2서브스위치를 턴온하는 단계;
(c) 상기 제1메인스위치와 상기 제2서브스위치를 턴오프한 후 상기 제1동기스위치를 턴온하는 단계;
(d) 상기 제1동기스위치가 온 된 상태에서 상기 제2메인스위치를 턴온하는 단계;
(e) 상기 제1동기스위치를 턴오프한 후 상기 제1서브스위치를 턴온하는 단계; 및
(f) 상기 제2메인스위치와 상기 제1서브스위치를 턴오프한 후 상기 제2동기스위치를 턴온하는 단계;
를 순차적으로 수행하는
컨버터 제어방법.