KR102028480B1 - 고효율 저가격 다중 출력 컨버터 - Google Patents

고효율 저가격 다중 출력 컨버터 Download PDF

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Abstract

본 발명은 고효율 저가격 다중 출력 컨버터에 관한 것으로서, 변압기의 2차측 출력 회로를 병렬로 구성하여 출력 인덕터의 수를 기존 2개에서 1개로 줄이고, 또한 인덕터에 흐르는 RMS 전류를 기존에 비해 줄일 수 있는 효과를 얻을 수 있다.

Description

고효율 저가격 다중 출력 컨버터{High Efficiency and Low Cost Multi-Output Converter}
본 발명은 고효율 저가격 다중 출력 컨버터에 관한 것으로서, 변압기의 2차측의 각 출력을 병렬 회로로 구성하여 다중 전압을 동시에 출력하는 더블 엔디드 액티브 클램프 포워드 컨버터(double-ended active clamp forward converter)에 관한 것이다.
최근 차량 안전과 자율주행 기술의 발전으로 차량에서 소모하는 전력은 해마다 증가하고 있다. 또한 CO2 배출 규제로 연비 개선을 위한 Mild hybrid 차량 개발이 진행 중이다. 커져가는 전력공급을 위해 차량 전기시스템에 대한 관심이 커져가고 있으며 관련 업계에서는 48V 전기 시스템을 대안으로 제시하고 있다. 이에 기존 14V 차량 납 배터리와 새로운 48V 차량용 리튬이온 배터리를 동시에 충전하는 DC/DC converter가 주목받고 있다. 이에 따라, LDC 출력 전압 14V와 새로운 출력전압 48V를 모두 얻기 위해 14V 출력과 48V를 직렬로 연결한 컨버터를 많이 사용하고 있다.
도 1은 14V와 48V 전압을 출력하는 기존 컨버터의 회로이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 회로의 14V 출력 구성은 변압기와 연결된 정류 다이오드(rectifier diode)와 변압기의 센터탭(centertap) 양단에 출력 인덕터(Lo1)와 출력 커패시터 (Co1)가 연결되고, 이에 부하(Ro1)가 병렬로 연결되어 있다. 또한, 48V 출력 구성은 첫번째 출력 커패시터(Co1) 양단에 출력 인덕터(Lo2)와 출력 커패시터(Co2)가 연결되고, 이에 부하(Ro2)가 병렬로 연결되어 있다. 즉, 기존 컨버터 회로의 첫번째 14V 출력과 두번째 48V 출력은 2차측 변압기를 기준으로 직렬로 연결되어, 출력 인덕터(Lo1)에는 48V 부하 전류까지 흐르게 되고 이로 인해 인덕터(Lo1)의 부담이 가중되는 문제점이 있다.
대한민국 등록특허공보 10-0967031(등록일자 2010년06월22일)
본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 변압기의 2차측 출력 회로를 병렬로 구성하여 출력 인덕터의 수를 기존 2개에서 1개로 줄이고, 또한 인덕터에 흐르는 RMS 전류를 기존에 비해 줄일 수 있는 고효율 저가격 다중 출력 컨버터를 제공하는 데 그 목적이 있는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 고효율 저가격 다중 출력 컨버터는, 다중 출력 컨버터로서, 코일의 권선비에 따라 입력 전압에 대해 변환된 출력 전압을 제공하는 변압기(10); 복수의 스위치(S1, S2)를 포함하고, 상기 변압기(10)의 1차측 코일에 접속되는 변압기의 1차측 회로(20); 및 서로 병렬로 연결된 제 1 출력 회로(32)와 제 2 출력 회로(34)를 포함하고, 상기 변압기(10)의 2차측 코일에 접속되는 변압기의 2차측 회로(30);를 포함한다.
상기 제 1 출력 회로(32)는, 상기 변압기(10) 센터탭과 상기 변압기(10) 출력에 연결된 정류 다이오드(D1, D2) 양단에 출력 인덕터(Lo1)와 제 1 출력 커패시터(Co1)가 연결되고, 이에 제 1 부하(Ro1)가 병렬로 연결되어 제 1 출력 전압(Vo1)을 출력한다.
상기 제 2 출력 회로(34)는, 상기 변압기(10) 센터탭과 상기 정류 다이오드(D1, D2) 양단에 제 1 스위치(S3)가 연결되고, 이에 제 2 스위치(S4)와 제 2 출력 커패시터(Co2)가 병렬로 연결되며, 이에 제 2 부하(Ro2)가 병렬로 연결되어 제 2 출력 전압(Vo2)를 출력한다.
이때, 상기 변압기의 2차측 회로(30)는 하나의 인덕터를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 변압기의 2차측 출력 회로를 병렬로 구성하여 출력 인덕터의 수를 기존 2개에서 1개로 줄이고, 또한 인덕터에 흐르는 RMS 전류를 기존에 비해 줄일 수 있는 효과를 얻을 수 있다.
도 1은 기존의 다중 출력 컨버터의 회로이다.
도 2는 본 발명에 따른 고효율 저가격 다중 출력 컨버터의 회로이다.
도 3 내지 도 5는 도 2에 도시된 고효율 저가격 다중 출력 컨버터 회로의 모드별 동작 파형도이다.
이하에서 첨부한 도면을 참조하여 본 발명에 따른 고효율 저가격 다중 출력 컨버터의 바람직한 실시예에 대해 상세하게 설명한다.
먼저, 도 2를 참조하여, 본 발명에 따른 고효율 저가격 다중 출력 컨버터에 대하여 설명한다.
도 2는 본 발명에 따른 고효율 저가격 다중 출력 컨버터의 회로이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 고효율 저가격 다중 출력 컨버터(이하 '다중 출력 컨버터'라 한다)는 변압기(10)와 변압기의 1차측 회로(20) 및 변압기의 2차측 회로(30)로 구성된다.
변압기(10)는 코일의 권선비에 따라 입력 전압을 변환하여 출력 전압을 제공한다.
변압기의 1차측 회로(20)는 복수의 스위치들(S1, S2)을 포함하고 변압기(10)의 1차측 코일에 접속되어, 외부로부터 인가받은 전원을 복수의 스위치들(S1, S2)을 이용하여 변압기(10)로 전달한다.
변압기의 2차측 회로(30)는 변압기(10)의 2차측 코일에 접속되어, 변압기의 1차측 회로(20)로부터 인가되어 권선비에 따라 변환된 직류 전압을 출력할 수 있다.
이때, 변압기의 2차측 회로(30)는 제 1 출력 회로(32)와 제 2 출력 회로(34)를 포함한다.
제 1 출력 회로(32)는 변압기(10) 센터탭과, 변압기(10) 출력에 연결된 정류 다이오드(D1, D2) 양단에 출력 인덕터(Lo1)와 제 1 출력 커패시터(Co1)가 연결되고, 이에 제 1 부하(Ro1)가 병렬로 연결되어 제 1 출력 전압(Vo1)인 14V를 출력한다.
제 2 출력 회로(34)는 변압기(10) 센터탭과 정류 다이오드(D1, D2) 양단에 제 1 스위치(S3)가 연결되고, 이에 제 2 스위치(S4)와 제 2 출력 커패시터(Co2)가 병렬로 연결되며, 이에 제 2 부하(Ro2)가 병렬로 연결되어 제 2 출력 전압(Vo2)인 48V를 출력한다.
이때, 제 1 출력 회로(32)와 제 2 출력 회로(34)는 병렬로 연결되어 제 1 출력 전압(Vo1)과 제 2 출력 전압(Vo2)이 동시에 출력되고, 이에 따라 변압기의 2차측 회로(30)에 포함된 하나의 인덕터에 흐르는 RMS 전류가 감소되며, 또한 스위치(S3, S4)를 이용하여 제 1 출력 전압(Vo1)과 제 2 출력 전압(Vo2) 간에 양방향(Bi-directional) 동작이 가능하다.
본 발명에 따른 다중 출력 컨버터 회로의 동작원리는 3가지 모드(mode)로 나뉜다.
모드 1은 1차측 입력 전압(Vs)으로부터 1차측 스위치(S1, S2)의 제어를 통해 2차측 제 1 출력 전압(Vo1)을 출력하며, 이때 2차측 스위치(S3, S4)는 turn off 되어있다.
모드 2는 제 1 출력 전압(Vo1)으로부터 2차측 스위치(S3, S4)의 제어를 통해 제 2 출력 전압(Vo2)을 출력하는 경우이며, 이 모드에서는 1차측 스위치(S1, S2)는 turn off 되어있다.
모드 3은 제 2 출력 전압(Vo2)으로부터 2차측 스위치(S3, S4)의 제어를 통해 제 1 출력 전압(Vo1)을 출력하는 경우이며 모드 2와 마찬가지로 1차측 회로에 영향을 받지 않는다.
도 3 내지 도 5는 도 2에 도시된 고효율 저가격 다중 출력 컨버터 회로의 모드별 동작 파형도이다. 동작의 스펙은 입력 전압 360V, 제 1 출력 전압(Vo1) 14 V/1.2 kW, 제 2 출력 전압(Vo2) 48 V/600W 이다.
[모드 1. 동작 파형]
도 3을 참조하면, Vg_S1, Vg_S2는 각각 Main 스위치(S1), Auxiliary 스위치(S2)의 gate 전압 파형이며, Vg_S3/2, Vg_S4/2는 2차측 스위치(S3, S4)의 gate 전압을 1/2의 배율로 변경한 파형이다. V_S1, V_S2는 스위치(S1, S2)의 drain-source 전압 파형이며, 본 발명에 따른 다중 출력 컨버터 회로의 전압 stress는 기존의 Double-ended active clamp forward converter 와 같이 입력 전압(Vs)와 Clamp-capacitor의 전압(V_Cc)의 합으로 클램핑되는 것을 볼 수 있다.
또한, I(Lr), I(Lm)는 변압기의 누설 전류(leakage current)와 자화 전류(Magnetizing Current)를 나타낸 파형으로 1차측 스위치(S1, S2)가 on/off 동작을 할 때 전류의 기울기가 달라지는 것을 알 수 있다.
다음으로, I(Lo1)은 출력 인덕터의 전류 파형을 나타낸 것이다. 본 발명에 따른 다중 출력 컨버터 회로의 경우, 출력 인덕터(Lo1)의 전류인 I(Lo1)의 RMS 전류가 기존 파형에 비해 크게 줄어든 것을 알 수 있다. 따라서 인덕터에서 발생하는 손실을 줄일 수 있고 인덕터의 포화 문제를 개선시킬 수 있다.
[모드 2. 동작 파형]
도 4를 참조하면, 모드 2는 제 1 출력 전압(Vo1)으로부터 제 2 출력 전압(Vo2)을 출력하는 경우이며, 1차측 스위치(S1, S2)가 off 되어있고 제 1 출력 전압(Vo1)이 입력 전압이며 제 2 출력 전압(Vo2)이 출력인 부스트 컨버터(Boost converter)로 볼 수 있다.
Vg_S1, Vg_S2는 각각 Main 스위치(S1), Auxiliary 스위치(S2)의 gate 전압 파형이며, Vg_S3/2, Vg_S4/2는 2차측 스위치(S3, S4)의 gate 전압을 1/2의 배율로 변경한 파형이다.
I(Lo1)는 인덕터 전류 파형이며, I_S3, I_S4는 스위치(S3, S4)의 전류 파형이다. 파형의 값의 부호는 회로도의 전류 방향을 기준으로 하였다. Vo1, Vo2 는 각각 제 1 출력 전압과 제 2 출력 전압을 의미하며 Vo1은 14V로 Vo2는 48V로 출력되는 것을 나타내었다.
[모드 3. 동작 파형]
도 5를 참조하면, 모드 3은 제 2 출력 전압(Vo2)으로부터 제 1 출력 전압(Vo1)을 출력하는 경우이며, 제 2 출력 전압(Vo2)이 입력 전압이며 제 1 출력 전압(Vo1)이 출력인 벅 컨버터(Buck converter)로 볼 수 있다. 각 기호의 표기는 모드 2와 동일하다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 수정, 변경, 및 치환이 가능할 것이다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구 범위에 의해서 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
10 : 변압기 20 : 변압기의 1차측 회로
30 : 변압기의 2차측 회로 32 : 제 1 출력 회로
34 : 제 2 출력 회로

Claims (3)

  1. 코일의 권선비에 따라 입력 전압에 대해 변환된 출력 전압을 제공하는 변압기(10);
    복수의 스위치(S1, S2)를 포함하고, 상기 변압기(10)의 1차측 코일에 접속되는 변압기의 1차측 회로(20); 및
    서로 병렬로 연결된 제 1 출력 회로(32)와 제 2 출력 회로(34)를 포함하고, 상기 변압기(10)의 2차측 코일에 접속되는 변압기의 2차측 회로(30);
    를 포함하며,
    상기 제 1 출력 회로(32)는, 상기 변압기(10) 센터탭과 상기 변압기(10) 출력에 연결된 정류 다이오드(D1, D2) 양단에 출력 인덕터(Lo1)와 제 1 출력 커패시터(Co1)가 연결되고, 이에 제 1 부하(Ro1)가 병렬로 연결되어 제 1 출력 전압(Vo1)을 출력하고,
    상기 제 2 출력 회로(34)는, 상기 변압기(10) 센터탭과 상기 정류 다이오드(D1, D2) 양단에 제 1 스위치(S3)가 연결되고, 이에 제 2 스위치(S4)와 제 2 출력 커패시터(Co2)가 병렬로 연결되며, 이에 제 2 부하(Ro2)가 병렬로 연결되어 제 2 출력 전압(Vo2)를 출력하는 다중 출력 컨버터.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 변압기의 2차측 회로(30)는 하나의 인덕터를 포함하는 것을 특징으로 하는, 다중 출력 컨버터.





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