KR102122651B1 - 센터탭과 연결된 클램프 회로를 이용한 새로운 위상천이 풀-브릿지 컨버터 - Google Patents

센터탭과 연결된 클램프 회로를 이용한 새로운 위상천이 풀-브릿지 컨버터 Download PDF

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Abstract

센터탭과 연결된 클램프 회로를 이용한 새로운 위상천이 풀-브릿지 컨버터 및 그 동작 방법이 제시된다. 본 발명에서 제안하는 센터탭과 연결된 클램프 회로를 이용한 새로운 위상천이 풀-브릿지 컨버터는 직렬 연결된 제1 스위치 및 제2 스위치 사이의 한 단과 직렬 연결된 제3 스위치 및 제4 스위치 사이의 한 단에 연결된 복수의 인덕터들을 포함하는 1차측 회로 및 상기 1차측 회로로부터 인가된 전압을 이용하고, 제1 정류기 다이오드, 제2 정류기 다이오드, 제3 정류기 다이오드, 제4 정류기 다이오드, 제1 클램핑 다이오드, 제2 클램핑 다이오드 및 캐패시터로 구성된 클램핑 회로를 센터탭에 포함하는 2차측 회로를 포함한다.

Description

센터탭과 연결된 클램프 회로를 이용한 새로운 위상천이 풀-브릿지 컨버터{New Phase-Shifted Full-Bridge DC-DC Converter Using Center-Tapped Clamp Circuit}
본 발명은 센터탭과 연결된 클램프 회로를 이용한 새로운 위상천이 풀-브릿지 컨버터 및 그 동작 방법에 관한 것이다.
위상 변조(Pulse With Modulation; PWM) 풀 브릿지 컨버터(Phase Shift Full Bridge; PSFB)은 배터리 충전기를 위한 수 kW급 파워 범위에서 많이 적용되고 있다. 1차측 스위치들이 영전압 스위칭 턴 온 동작을 달성하며, 공진형 컨버터에 비해 간단하게 제어할 수 있다는 장점이 있다. 하지만 전기 자동차용 배터리 충전기에 적용되었을 때 다음과 같은 단점들이 있다. 첫 번째로, 출력 전압의 범위가 매우 넓기 때문에 큰 순환 전류로 인해 도통 손실을 증가시킨다. 2차측에서는 출력 전압이 크고 역회복 전류가 흐르기 때문에 정류단의 전압 스트레스가 심각하게 커지며 정류단에서 발생하는 스위칭 손실도 매우 커진다. 마지막으로, 출력 전압이 크기 때문에 출력 필터단이 커진다는 한계점을 가진다.
PSFB의 단점을 개선하기 위해 많은 연구가 진행되어 왔다. 우선, 순환 전류를 없애고 출력 인덕터의 크기를 줄이기 위해 주파수를 변동시키는 풀 브릿지 컨버터가 제안되었다. 하지만 넓은 출력 전압 범위에 대해서 동작 주파수가 매우 넓게 변하기 때문에 자성체나 축전기의 최적 설계가 어려워지는 한계를 가진다. 2차측 정류단의 전압 스트레스를 줄이기 위해서는 능동 클램프 기법들이 많이 소개 되어 왔다. 하지만 추가적으로 스위치를 사용하기 때문에 전력 밀도를 떨어뜨리고 회로의 신뢰성을 저하시킨다는 한계점을 지닌다. 2차측 정류단에서의 스위칭 손실을 줄이기 위한 연구도 진행되었지만, 전력이 전달되는 경로에 스위치가 위치함으로써 추가적인 도통 손실과 스위칭 손실이 발생하는 문제를 여전히 지닌다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 기존 위상 변조 PWM 풀 브릿지 컨버터들의 단점인 큰 순환 전류, 심각한 2차측 전압 스트레스 및 스위칭 손실, 및 큰 출력 필터 문제를 개선할 수 있는 컨버터를 제공하는데 있다. 제안하는 컨버터는 변압기의 2차측 센터탭에 축전기와 정류기로 구성된 클램핑 회로를 연결한 구조를 통해 순환 전류를 제거하고 2차측 전압 스트레스를 낮출 수 있으며, 정류단의 스위칭 손실을 줄이고자 한다.
일 측면에 있어서, 본 발명에서 제안하는 센터탭과 연결된 클램프 회로를 이용한 새로운 위상천이 풀-브릿지 컨버터는 직렬 연결된 제1 스위치 및 제2 스위치 사이의 한 단과 직렬 연결된 제3 스위치 및 제4 스위치 사이의 한 단에 연결된 복수의 인덕터들을 포함하는 1차측 회로 및 상기 1차측 회로로부터 인가된 전압을 이용하고, 제1 정류기 다이오드, 제2 정류기 다이오드, 제3 정류기 다이오드, 제4 정류기 다이오드, 제1 클램핑 다이오드, 제2 클램핑 다이오드 및 캐패시터로 구성된 클램핑 회로를 센터탭에 포함하는 2차측 회로를 포함한다.
상기 2차측 회로는 클램핑 회로를 연결한 구조를 통해 순환 전류를 제거하고 2차측 회로의 전압 스트레스를 낮추며, 상기 2차측 회로의 스위칭 손실 및 출력 필터의 크기를 감소시킨다.
상기 2차측 회로는 상기 제2 클램핑 다이오드를 통해 흐르던 전류가 제1 정류기 다이오드 및 제3 정류기 다이오드로 커뮤테이션이 완료된 직후 제1 클램핑 다이오드가 도통되므로 제2 정류기 다이오드 및 제4 정류기 다이오드가 클램핑 전압의 2배의 크기로 클램핑된다.
상기 2차측 회로는 제1 정류기 다이오드 및 제3 정류기 다이오드를 통해 흐르던 전류가 제2 클램핑 다이오드로 커뮤테이션을 시작하고, 상기 2차측 회로에 인가된 클램핑 전압에 의해 상기 1차측 회로의 기생 인덕턴스에 음의 전압이 걸림으로써 환류 전류가 제거된다.
상기 2차측 회로는 제1 정류기 다이오드 및 제3 정류기 다이오드로부터 제2 클램핑 다이오드로 커뮤테이션이 완료된 직후 출력 인덕터의 리셋 동작이 시작되고, 출력 인덕터에 인가되는 전압이 클램핑 전압만큼 감소되어 출력 인덕터의 부담이 감소되고, 모든 출력 전류가 제2 클램핑 다이오드를 통해서만 흐르므로 제1 정류기 다이오드 및 제3 정류기 다이오드는 오프되고 역전압이 클램핑 전압만큼 인가되므로 정류기 다이오드의 스위칭 손실을 감소시킨다.
상기 2차측 회로는 래깅 레그의 스위치와 2차측 회로의 정류기 다이오드들의 기생 캐패시터들이 공진에 참여하고, 자화 인덕턴스에 저장되어 있던 전류 에너지로 영전압 스위칭이 진행된다.
상기 2차측 회로는 2차측 회로의 전압이 클램핑 전압으로 클램핑이 되면서부터 자화 인덕턴스가 공진에 참여하지 못함으로 기생 인덕턴스의 전류 에너지만으로 영전압 스위칭한다.
또 다른 일 측면에 있어서, 본 발명에서 제안하는 1차측 회로 및 상기 1차측 회로로부터 인가된 전압을 이용하고, 제1 정류기 다이오드, 제2 정류기 다이오드, 제3 정류기 다이오드, 제4 정류기 다이오드, 제1 클램핑 다이오드, 제2 클램핑 다이오드 및 캐패시터로 구성된 클램핑 회로를 센터탭에 포함하는 2차측 회로를 포함하는 위상천이 풀-브릿지 컨버터의 동작 방법에 있어서, 제2 클램핑 다이오드를 통해 흐르던 전류가 제1 정류기 다이오드 및 제3 정류기 다이오드로 커뮤테이션이 완료된 직후 제1 클램핑 다이오드가 도통되는 단계, 제1 정류기 다이오드 및 제3 정류기 다이오드를 통해 흐르던 전류가 제2 클램핑 다이오드로 커뮤테이션을 시작하는 단계, 제1 정류기 다이오드 및 제3 정류기 다이오드로부터 제2 클램핑 다이오드로 커뮤테이션이 완료된 직후 출력 인덕터가 리셋되는 단계, 래깅 레그의 스위치와 2차측 회로의 정류기 다이오드들의 기생 캐패시터들이 공진에 참여하고, 자화 인덕턴스에 저장되어 있던 전류 에너지로 영전압 스위칭이 진행되는 단계 및 2차측 회로의 전압이 클램핑 전압으로 클램핑이 되면서부터 자화 인덕턴스가 공진에 참여하지 못함으로 기생 인덕턴스의 전류 에너지만으로 영전압 스위칭하는 단계를 포함한다.
상기 제2 클램핑 다이오드를 통해 흐르던 전류가 제1 정류기 다이오드 및 제3 정류기 다이오드로 커뮤테이션이 완료된 직후 제1 클램핑 다이오드가 도통되는 단계는 제2 정류기 다이오드 및 제4 정류기 다이오드가 클램핑 전압의 2배의 크기로 클램핑된다.
상기 제1 정류기 다이오드 및 제3 정류기 다이오드를 통해 흐르던 전류가 제2 클램핑 다이오드로 커뮤테이션을 시작하는 단계는 상기 2차측 회로에 인가된 클램핑 전압에 의해 상기 1차측 회로의 기생 인덕턴스에 음의 전압이 걸림으로써 환류 전류가 제거된다.
상기 제1 정류기 다이오드 및 제3 정류기 다이오드로부터 제2 클램핑 다이오드로 커뮤테이션이 완료된 직후 출력 인덕터가 리셋되는 단계는 출력 인덕터에 인가되는 전압이 클램핑 전압만큼 감소되어 출력 인덕터의 부담이 감소되고, 모든 출력 전류가 제2 클램핑 다이오드를 통해서만 흐르므로 제1 정류기 다이오드 및 제3 정류기 다이오드는 오프되고 역전압이 클램핑 전압만큼 인가되므로 정류기 다이오드의 스위칭 손실을 감소시킨다.
본 발명의 실시예들에 따른 컨버터는 기존 위상 변조 PWM 풀 브릿지 컨버터들의 단점인 큰 순환 전류, 심각한 2차측 전압 스트레스 및 스위칭 손실, 및 큰 출력 필터 문제를 개선할 수 있다. 제안하는 컨버터는 변압기의 2차측 센터탭에 축전기와 정류기로 구성된 클램핑 회로를 연결한 구조를 통해 순환 전류를 제거하고 2차측 전압 스트레스를 낮출 수 있으며, 정류단의 스위칭 손실을 줄일 수 있고, 더불어 출력 필터의 크기 또한 줄일 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 센터탭과 연결된 클램프 회로를 이용한 새로운 위상천이 풀-브릿지 컨버터의 구조이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 위상천이 풀-브릿지 컨버터의 동작 파형을 나타낸다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 주요 구간 별 등가 회로도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 영전압 스위칭 시 등가 회로도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 센터탭과 연결된 클램프 회로를 이용한 새로운 위상천이 풀-브릿지 컨버터의 동작 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 고정 출력 전압 CV 충전 시 50% 부하에서 제안하는 회로의 주요 파형을 나타낸다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 고정 출력 전류 CC 충전 시 360V 의 출력전압에서의 주요 파형을 나타내는 도면이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 효율 그래프이다.
본 발명에서는 기존 PSFB(Phase Shift Full Bridge)의 단점들을 개선할 수 있는 새로운 풀 브릿지 컨버터를 제안한다. 이하, 본 발명의 실시 예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 센터탭과 연결된 클램프 회로를 이용한 새로운 위상천이 풀-브릿지 컨버터의 구조이다.
제안하는 센터탭과 연결된 클램프 회로를 이용한 새로운 위상천이 풀-브릿지 컨버터는 변압기의 2차측 회로의 센터탭에 축전기와 정류기로 구성된 클램핑 회로를 연결한 구조이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 위상천이 풀-브릿지 컨버터는 직렬 연결된 제1 스위치(Q 1 ) 및 제2 스위치(Q 2 ) 사이의 한 단과 직렬 연결된 제3 스위치(Q 3 ) 및 제4 스위치(Q 4 ) 사이의 한 단에 연결된 복수의 인덕터들을 포함하는 1차측 회로(110) 및 상기 1차측 회로(110)로부터 인가된 전압을 이용하고, 제1 정류기 다이오드(D 1 ), 제2 정류기 다이오드(D 2 ), 제3 정류기 다이오드(D 3 ), 제4 정류기 다이오드(D 4 ), 제1 클램핑 다이오드(D c1 ), 제2 클램핑 다이오드(D c2 ) 및 캐패시터(C c )로 구성된 클램핑 회로를 센터탭에 포함하는 2차측 회로(120)를 포함한다.
2차측 회로(120)는 클램핑 회로를 연결한 구조를 통해 순환 전류를 제거하고 2차측 회로(120)의 전압 스트레스를 낮추며, 2차측 회로(120)의 스위칭 손실 및 출력 필터의 크기를 감소시킨다.
또한, 제2 클램핑 다이오드(D c2 )를 통해 흐르던 전류가 제1 정류기 다이오드(D 1 ) 및 제3 정류기 다이오드(D 3 )로 커뮤테이션이 완료된 직후 제1 클램핑 다이오드(D c1 )가 도통되므로 제2 정류기 다이오드(D 2 ) 및 제4 정류기 다이오드(D 4 )가 클램핑 전압(V C )의 2배의 크기로 클램핑된다.
2차측 회로(120)는 제1 정류기 다이오드(D 1 ) 및 제3 정류기 다이오드(D 3 )를 통해 흐르던 전류가 제2 클램핑 다이오드(D c2 )로 커뮤테이션을 시작하고, 상기 2차측 회로(120)에 인가된 클램핑 전압(V C )에 의해 상기 1차측 회로(110)의 기생 인덕턴스에 음의 전압이 걸림으로써 환류 전류가 제거된다.
2차측 회로(120)는 제1 정류기 다이오드(D 1 ) 및 제3 정류기 다이오드(D 3 )로부터 제2 클램핑 다이오드(D c2 )로 커뮤테이션이 완료된 직후 출력 인덕터가 리셋되기 시작하고, 출력 인덕터에 인가되는 전압이 클램핑 전압(V C )만큼 감소되어 출력 인덕터의 부담이 감소된다. 또한, 모든 출력 전류가 제2 클램핑 다이오드(D c2 )를 통해서만 흐르므로 제1 정류기 다이오드(D 1 ) 및 제3 정류기 다이오드(D 3 )는 오프되고 역전압이 클램핑 전압만큼 인가되므로 정류기 다이오드의 스위칭 손실을 감소시킨다.
2차측 회로(120)는 래깅 레그의 스위치와 2차측 회로의 정류기 다이오드들(D 1, D 2, D 3, D 4 )의 기생 캐패시터들이 공진에 참여하고, 자화 인덕턴스에 저장되어 있던 전류 에너지로 영전압 스위칭이 진행된다.
2차측 회로(120)는 2차측 회로의 전압이 클램핑 전압으로 클램핑이 되면서부터 자화 인덕턴스가 공진에 참여하지 못함으로 기생 인덕턴스의 전류 에너지만으로 영전압 스위칭한다. 도 2, 도 3 및 도 4를 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 센터탭과 연결된 클램프 회로를 이용한 새로운 위상천이 풀-브릿지 컨버터 구조를 더욱 상세히 설명한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 위상천이 풀-브릿지 컨버터의 동작 파형을 나타낸다.
PSFB(Phase Shift Full Bridge)와 동일하게 위상을 조절함으로 출력 전압을 제어한다. 더욱 상세하게는, 1차측 회로의 제1 스위치(Q 1 ) 및 제2 스위치(Q 2 ) 사이의 한 단과 직렬 연결된 제3 스위치(Q 3 ) 및 제4 스위치(Q 4 ) 사이의 한 단에 연결된 복수의 인덕터들과 2차측 회로의 제1 정류기 다이오드(D 1 ), 제2 정류기 다이오드(D 2 ), 제3 정류기 다이오드(D 3 ), 제4 정류기 다이오드(D 4 ), 제1 클램핑 다이오드(D c1 ), 제2 클램핑 다이오드(D c2 ) 및 캐패시터(C c )에 흐르는 전류 및 전압의 파형을 나타낸다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 주요 구간 별 등가 회로도이다.
도 3(a) 은 D C2 를 통해 흐르던 전류가 정류기 다이오드 D 1 과 D 3 로 커뮤테이션이 완료된 직후 시작되는 t 0 -t 1 구간이다. 이 때, D C1 이 도통되기 때문에 반대쪽 정류기 다이오드 D 2 와 D 4 는 클램핑 전압 V C 의 2배의 크기로 클램핑 된다. 도 3(b) 은 리딩 레그의 영전압 스위칭 턴 온 후 Q 2 와 Q 4 가 켜져 있는 t 2 -t 3 구간이다. D 1 와 D 3 을 통해 흐르던 전류가 D C2 로 커뮤테이션을 시작하며, 변압기의 2차측에 V C 전압이 걸려 있기 때문에 1차측 회로의 기생 인덕턴스에 음의 전압이 걸림으로써 환류 전류가 없어진다.
도 3(c) 은 D 1 과 D 3 로부터 D C2 로 커뮤테이션이 완료된 직후 시작되는 t 3 -t 4 구간이다. 출력 인덕터가 리셋을 시작하는 구간이며, 출력 인덕터에 출력 전압 V O 가 그대로 걸리던 기존 PSFB 와 달리 V O -V C 가 걸리기 때문에 출력 인덕터의 부담이 줄어들게 된다. 또한 모든 출력 전류가 D C2 를 통해서만 흐르기 때문에 D 1 과 D 3 는 꺼지게 되고 역전압이 V C 로 작게 걸리기 때문에 정류기 다이오드에서 발생하는 스위칭 손실을 줄일 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 영전압 스위칭 시 등가 회로도이다.
도 4은 보다 악조건인 래깅 레그쪽 스위치의 영전압 스위칭시 등가 회로를 보여준다. 두 개의 구간에 걸쳐서 영전압 스위칭이 이루어진다. 도 4(a)는 Q 3 가 꺼지면서 시작되는 t 4 -t 5 구간이다. 래깅 레그의 스위치와 2차측 회로의 정류단의 기생 캐패시터들이 공진에 참여하며 이 구간에서는 자화 인덕턴스에 저장되어 있던 전류 에너지로 영전압 스위칭이 진행된다. 도 4(b)는 2차측 회로의 변압기의 전압이 V C 로 클램핑이 되면서 시작되는 t 5 -t 6 구간이다. 이 시점부터는 자화 인덕턴스가 공진에 참여하지 못하게 되기 때문에 기생 인덕턴스의 전류 에너지 만으로 영전압 스위칭을 이루게 된다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 센터탭과 연결된 클램프 회로를 이용한 새로운 위상천이 풀-브릿지 컨버터의 동작 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
1차측 회로 및 상기 1차측 회로로부터 인가된 전압을 이용하고, 제1 정류기 다이오드, 제2 정류기 다이오드, 제3 정류기 다이오드, 제4 정류기 다이오드, 제1 클램핑 다이오드, 제2 클램핑 다이오드 및 캐패시터로 구성된 클램핑 회로를 센터탭에 포함하는 2차측 회로를 포함하는 위상천이 풀-브릿지 컨버터의 동작 방법은 제2 클램핑 다이오드를 통해 흐르던 전류가 제1 정류기 다이오드 및 제3 정류기 다이오드로 커뮤테이션이 완료된 직후 제1 클램핑 다이오드가 도통되는 단계(510), 제1 정류기 다이오드 및 제3 정류기 다이오드를 통해 흐르던 전류가 제2 클램핑 다이오드로 커뮤테이션을 시작하는 단계(520), 제1 정류기 다이오드 및 제3 정류기 다이오드로부터 제2 클램핑 다이오드로 커뮤테이션이 완료된 직후 출력 인덕터가 리셋되는 단계(530), 래깅 레그의 스위치와 2차측 회로의 정류기 다이오드들의 기생 캐패시터들이 공진에 참여하고, 자화 인덕턴스에 저장되어 있던 전류 에너지로 영전압 스위칭이 진행되는 단계(540) 및 2차측 회로의 전압이 클램핑 전압으로 클램핑이 되면서부터 자화 인덕턴스가 공진에 참여하지 못함으로 기생 인덕턴스의 전류 에너지만으로 영전압 스위칭하는 단계(550)를 포함한다.
단계(510)는 D C2 를 통해 흐르던 전류가 정류기 다이오드 D 1 과 D 3 로 커뮤테이션이 완료된 직후 시작되는 t 0 -t 1 구간이다. 이 때, D C1 이 도통되기 때문에 반대쪽 정류기 다이오드 D 2 와 D 4 는 클램핑 전압 V C 의 2배의 크기로 클램핑 된다.
단계(520)는 리딩 레그의 영전압 스위칭 턴 온 후 Q 2 와 Q 4 가 켜져 있는 t 2 -t 3 구간이다. D 1 와 D 3 을 통해 흐르던 전류가 D C2 로 커뮤테이션을 시작하며, 변압기의 2차측에 V C 전압이 걸려 있기 때문에 1차측 회로의 기생 인덕턴스에 음의 전압이 걸림으로써 환류 전류가 없어진다.
단계(530)는 D 1 과 D 3 로부터 D C2 로 커뮤테이션이 완료된 직후 시작되는 t 3 -t 4 구간이다. 출력 인덕터가 리셋되기 시작하는 구간이며, 출력 인덕터에 출력 전압 V O 가 그대로 걸리던 기존 PSFB 와 달리 V O -V C 가 걸리기 때문에 출력 인덕터의 부담이 줄어들게 된다. 또한 모든 출력 전류가 D C2 를 통해서만 흐르기 때문에 D 1 과 D 3 는 꺼지게 되고 역전압이 V C 로 작게 걸리기 때문에 정류기 다이오드에서 발생하는 스위칭 손실을 줄일 수 있다.
단계(540)는 Q 3 가 꺼지면서 시작되는 t 4 -t 5 구간이다. 래깅 레그의 스위치와 2차측 회로의 정류단의 기생 캐패시터들이 공진에 참여하며 이 구간에서는 자화 인덕턴스에 저장되어 있던 전류 에너지로 영전압 스위칭이 진행된다.
단계(540)는 2차측 회로의 변압기의 전압이 V C 로 클램핑이 되면서 시작되는 t 5 -t 6 구간이다. 이 시점부터는 자화 인덕턴스가 공진에 참여하지 못하게 되기 때문에 기생 인덕턴스의 전류 에너지 만으로 영전압 스위칭을 이루게 된다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 고정 출력 전압 CV 충전 시 50% 부하에서 제안하는 회로의 주요 파형을 나타낸다.
제안된 컨버터의 성능을 검증하기 위해 385V 입력, 270~420V/7.85A 출력의 사양으로 프로토 타입 컨버터를 제작하고 실험하였다.
도 6(a) 에서는 1차측 회로의 환류 전류가 제거된 것을 확인할 수 있다. 도 6(b) 에서는 정류기 다이오드의 전압 스트레스가 2V C 로 클램핑 되는 것을 확인할 수 있으며, 다이오드가 꺼진 직후에는 역전압이 V C 로 작게 걸려 스위칭 손실이 줄어드는 것을 확인할 수 있다. 또한 2차측 회로의 정류단을 통해 출력 인덕터에 인가되는 전압 파형으로부터, 출력 인덕터의 리셋 때에도 V C 의 전압이 걸림으로써 출력 필터의 부담을 줄여주는 것을 확인할 수 있다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 고정 출력 전류 CC 충전 시 360V 의 출력전압에서의 주요 파형을 나타내는 도면이다.
여기에서도 동일하게 제안하는 회로의 장점들을 확인할 수 있다. 본 발명의 실시예들에 따른 컨버터는 기존 위상 변조 PWM 풀 브릿지 컨버터들의 단점인 큰 순환 전류, 심각한 2차측 전압 스트레스 및 스위칭 손실, 및 큰 출력 필터 문제를 개선할 수 있다. 제안하는 컨버터는 변압기의 2차측 센터탭에 축전기와 정류기로 구성된 클램핑 회로를 연결한 구조를 통해 순환 전류를 제거하고 2차측 전압 스트레스를 낮출 수 있으며, 정류단의 스위칭 손실을 줄일 수 있고, 더불어 출력 필터의 크기 또한 줄일 수 있다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 효율 그래프이다.
도 8은 CV 충전과 CC 충전 시 제안하는 회로와 기존의 위상 변조 PWM 풀 브릿지 컨버터의 효율을 비교한 그래프이다. 전부하 영역과 전 출력전압 영역에서 높은 효율을 달성하는 것을 확인할 수 있다.
이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기의 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다.　 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 시스템, 구조, 장치, 회로 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.
그러므로, 다른 구현들, 다른 실시예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 특허청구범위의 범위에 속한다.

Claims (11)

  1. 직렬 연결된 제1 스위치 및 제2 스위치 사이의 한 단과 직렬 연결된 제3 스위치 및 제4 스위치 사이의 한 단에 연결된 복수의 인덕터들을 포함하는 1차측 회로; 및
    상기 1차측 회로로부터 인가된 전압을 이용하고, 제1 정류기 다이오드, 제2 정류기 다이오드, 제3 정류기 다이오드, 제4 정류기 다이오드, 제1 클램핑 다이오드, 제2 클램핑 다이오드 및 캐패시터로 구성된 클램핑 회로를 센터탭에 포함하는 2차측 회로
    를 포함하고,
    상기 2차측 회로는,
    위상을 조절함으로 출력 전압을 제어하고, 클램핑 회로를 연결한 구조를 통해 순환 전류를 제거하고 2차측 회로의 전압 스트레스를 낮추며, 상기 2차측 회로의 스위칭 손실 및 출력 필터의 크기를 감소시키고,
    상기 제2 클램핑 다이오드를 통해 흐르던 전류가 제1 정류기 다이오드 및 제3 정류기 다이오드로 커뮤테이션이 완료된 직후 제1 클램핑 다이오드가 도통되므로 제2 정류기 다이오드 및 제4 정류기 다이오드가 클램핑 전압의 2배의 크기로 클램핑되고,
    리딩 레그의 영전압 스위칭 턴 온 후 제2 스위치와 제4 스위치가 켜지고, 제1 정류기 다이오드 및 제3 정류기 다이오드를 통해 흐르던 전류가 제2 클램핑 다이오드로 커뮤테이션을 시작하고, 상기 2차측 회로에 인가된 클램핑 전압에 의해 상기 1차측 회로의 기생 인덕턴스에 음의 전압이 걸림으로써 환류 전류가 제거되고,
    제1 정류기 다이오드 및 제3 정류기 다이오드로부터 제2 클램핑 다이오드로 커뮤테이션이 완료된 직후 출력 인덕터가 리셋되기 시작하고, 출력 인덕터에 인가되는 전압이 클램핑 전압만큼 감소되어 출력 인덕터의 부담이 감소되고,
    모든 출력 전류가 제2 클램핑 다이오드를 통해서만 흐르므로 제1 정류기 다이오드 및 제3 정류기 다이오드는 오프되고 역전압이 클램핑 전압만큼 인가되므로 정류기 다이오드의 스위칭 손실을 감소시키고,
    래깅 레그의 스위치와 2차측 회로의 정류기 다이오드들의 기생 캐패시터들이 공진에 참여하고, 자화 인덕턴스에 저장되어 있던 전류 에너지로 영전압 스위칭이 진행되고,
    2차측 회로의 전압이 클램핑 전압으로 클램핑이 되면서부터 자화 인덕턴스가 공진에 참여하지 못함으로 기생 인덕턴스의 전류 에너지만으로 영전압 스위칭하는
    위상천이 풀-브릿지 컨버터.
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  8. 1차측 회로 및 상기 1차측 회로로부터 인가된 전압을 이용하고, 제1 정류기 다이오드, 제2 정류기 다이오드, 제3 정류기 다이오드, 제4 정류기 다이오드, 제1 클램핑 다이오드, 제2 클램핑 다이오드 및 캐패시터로 구성된 클램핑 회로를 센터탭에 포함하는 2차측 회로를 포함하는 위상천이 풀-브릿지 컨버터의 동작 방법에 있어서,
    제2 클램핑 다이오드를 통해 흐르던 전류가 제1 정류기 다이오드 및 제3 정류기 다이오드로 커뮤테이션이 완료된 직후 제1 클램핑 다이오드가 도통되는 단계;
    제1 정류기 다이오드 및 제3 정류기 다이오드를 통해 흐르던 전류가 제2 클램핑 다이오드로 커뮤테이션을 시작하는 단계;
    제1 정류기 다이오드 및 제3 정류기 다이오드로부터 제2 클램핑 다이오드로 커뮤테이션이 완료된 직후 출력 인덕터가 리셋되는 단계;
    래깅 레그의 스위치와 2차측 회로의 정류기 다이오드들의 기생 캐패시터들이 공진에 참여하고, 자화 인덕턴스에 저장되어 있던 전류 에너지로 영전압 스위칭이 진행되는 단계; 및
    2차측 회로의 전압이 클램핑 전압으로 클램핑이 되면서부터 자화 인덕턴스가 공진에 참여하지 못함으로 기생 인덕턴스의 전류 에너지만으로 영전압 스위칭하는 단계
    를 포함하고,
    상기 2차측 회로는,
    위상을 조절함으로 출력 전압을 제어하고, 클램핑 회로를 연결한 구조를 통해 순환 전류를 제거하고 2차측 회로의 전압 스트레스를 낮추며, 상기 2차측 회로의 스위칭 손실 및 출력 필터의 크기를 감소시키고,
    상기 제2 클램핑 다이오드를 통해 흐르던 전류가 제1 정류기 다이오드 및 제3 정류기 다이오드로 커뮤테이션이 완료된 직후 제1 클램핑 다이오드가 도통되므로 제2 정류기 다이오드 및 제4 정류기 다이오드가 클램핑 전압의 2배의 크기로 클램핑되고,
    리딩 레그의 영전압 스위칭 턴 온 후 제2 스위치와 제4 스위치가 켜지고, 제1 정류기 다이오드 및 제3 정류기 다이오드를 통해 흐르던 전류가 제2 클램핑 다이오드로 커뮤테이션을 시작하고, 상기 2차측 회로에 인가된 클램핑 전압에 의해 상기 1차측 회로의 기생 인덕턴스에 음의 전압이 걸림으로써 환류 전류가 제거되고,
    제1 정류기 다이오드 및 제3 정류기 다이오드로부터 제2 클램핑 다이오드로 커뮤테이션이 완료된 직후 출력 인덕터가 리셋되기 시작하고, 출력 인덕터에 인가되는 전압이 클램핑 전압만큼 감소되어 출력 인덕터의 부담이 감소되고,
    모든 출력 전류가 제2 클램핑 다이오드를 통해서만 흐르므로 제1 정류기 다이오드 및 제3 정류기 다이오드는 오프되고 역전압이 클램핑 전압만큼 인가되므로 정류기 다이오드의 스위칭 손실을 감소시키고,
    래깅 레그의 스위치와 2차측 회로의 정류기 다이오드들의 기생 캐패시터들이 공진에 참여하고, 자화 인덕턴스에 저장되어 있던 전류 에너지로 영전압 스위칭이 진행되고,
    2차측 회로의 전압이 클램핑 전압으로 클램핑이 되면서부터 자화 인덕턴스가 공진에 참여하지 못함으로 기생 인덕턴스의 전류 에너지만으로 영전압 스위칭하는
    위상천이 풀-브릿지 컨버터의 동작 방법.
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