KR102674726B1 - Gate driver and resonant converter - Google Patents
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Abstract
게이트 드라이버 장치 및 이를 포함하는 공진형 컨버터가 개시된다. 공진형 컨버터에 포함되어 각 스위치의 동작을 제어하는 게이트 드라이버 장치에 있어서-상기 스위치(S1)는 부하로의 출력 전류를 제한하는 스너버 커패시터가 병렬로 연결됨, 상기 스위치(S1)로 턴-온 신호를 인가하는 턴-온 스위치(Son); 상기 턴-온 스위치(Son)과 병렬 연결되는 딜레이 커패시터(C1); 및 제1 극성을 가지는 전압 신호(V1)의 인가에 따라 상기 딜레이 커패시터(C1)를 충전시키는 초기 시동부를 포함하되, 상기 턴-온 스위치(Son)은 상기 초기 시동부에 의해 상기 딜레이 커패시터(C1)의 전압이 상기 턴-온 스위치(Son)의 문턱 전압보다 크게 충전되는 경우 도통되어 상기 스위치(S1)로 턴-온 신호를 인가할 수 있다. A gate driver device and a resonant converter including the same are disclosed. In the gate driver device included in the resonant converter and controlling the operation of each switch, the switch (S1) is connected in parallel with a snubber capacitor that limits the output current to the load, and the switch (S1) is turned on. Turn-on switch (Son) for applying a signal; A delay capacitor (C1) connected in parallel with the turn-on switch (Son); and an initial starting unit that charges the delay capacitor (C1) according to the application of a voltage signal (V1) having a first polarity, wherein the turn-on switch (Son) is configured to turn on the delay capacitor (C1) by the initial starting unit. ) When the voltage is greater than the threshold voltage of the turn-on switch (Son), it is conducted and a turn-on signal can be applied to the switch (S1).
Description
본 발명은 게이트 드라이버 장치 및 이를 포함하는 공진형 컨버터에 관한 것이다. The present invention relates to a gate driver device and a resonant converter including the same.
풀브리지(FB) 또는 하프브리지(HB) 구조 기반 컨버터의 스위칭 손실을 저감하기 위한 구현 방법 중 하나는 인덕터와 커패시터간의 공진을 활용한 공진형 컨버터이다. 이 중 턴-온(turn on)시 영전압 스위칭(Zero voltage switching, 이하 ZVS라 칭하기로 함)되는 FB/HB 공진형 컨버터는 공진에 의해 공진 전류가 스위치의 턴-온 이전에 역병렬 다이오드로 흐르고 스위치 양단 전압이 0인 구간에서 스위칭을 함으로써 턴-온시 발생하는 스위칭 손실이 거의 0에 수렴한다.One of the implementation methods to reduce the switching loss of a converter based on a full bridge (FB) or half bridge (HB) structure is a resonant converter that utilizes resonance between an inductor and a capacitor. Among these, the FB/HB resonant converter, which performs zero voltage switching (hereinafter referred to as ZVS) when turned on, causes the resonance current to flow into the anti-parallel diode before the turn-on of the switch. By switching in the section where the voltage across the switch is 0, the switching loss that occurs during turn-on converges to almost 0.
그러나, 컨버터는 턴-오프 손실을 저감하기 위해 각 스위치에 병렬로 스너버 커패시터를 연결하는데, 스너버 커패시터에 충전된 전압은 앞서 기술한 ZVS 조건을 만족시키기 위해 스위치가 턴-온되기 전에 공진 전류에 의해 방전되어야한다. 공진형 컨버터의 출력 전압이 커질수록 턴오프 시점의 공진 전류의 크기는 작아진다. 즉, 스너버 커패시터의 방전을 위한 에너지가 줄어든다. 따라서 출력 전압이 커질수록 스너버 커패시터의 방전에 소요되는 시간이 길어지며, 일정 전압 이상에 도달하면 스위치의 턴온 시점까지 방전을 완료하지 못하게 된다. 스너버 커패시터에 충전된 전압을 모두 방전시키지 못한 채로 턴-온될 경우, 잔존 전압에 의해 단락 전류가 흐르며 스위치 혹은 스너버 커패시터가 손상되는 문제점이 있다. However, the converter connects a snubber capacitor in parallel to each switch to reduce turn-off losses. The voltage charged in the snubber capacitor is the resonance current before the switch is turned on to satisfy the ZVS condition described above. must be discharged by As the output voltage of the resonant converter increases, the size of the resonance current at the turn-off point decreases. In other words, the energy for discharging the snubber capacitor is reduced. Therefore, as the output voltage increases, the time required for discharging the snubber capacitor increases, and when the voltage exceeds a certain level, discharging cannot be completed until the switch turns on. If the snubber capacitor is turned on without discharging all of the voltage charged in it, a short-circuit current flows due to the remaining voltage, causing damage to the switch or snubber capacitor.
본 발명은 컨버터의 출력 전압을 제어할 수 있는 게이트 드라이버 장치 및 이를 포함하는 공진형 컨버터를 제공하기 위한 것이다. The present invention is intended to provide a gate driver device capable of controlling the output voltage of a converter and a resonant converter including the same.
또한, 본 발명은 공진형 컨버터의 출력 전압이 일정 전압 도달시, 스너버 커패시터 전압이 모두 방전되어야만 게이트 신호를 인가함으로써 출력 전압을 제어할 수 있는 게이트 드라이버 장치 및 이를 포함하는 공진형 컨버터를 제공하기 위한 것이다. In addition, the present invention provides a gate driver device capable of controlling the output voltage by applying a gate signal only when the snubber capacitor voltage is discharged when the output voltage of the resonant converter reaches a certain voltage, and a resonant converter including the same. It is for.
또한, 본 발명은 별도의 센싱 및 제어 회로 없이 컨버터의 출력 전압 제한이 가능하여 제조 비용 및 구조 복잡성을 줄일 수 있는 게이트 드라이버 장치 및 이를 포함하는 공진형 컨버터를 제공하기 위한 것이다. In addition, the present invention is intended to provide a gate driver device that can limit the output voltage of the converter without a separate sensing and control circuit, thereby reducing manufacturing cost and structural complexity, and a resonant converter including the same.
또한, 본 발명은 공진형 컨버터의 각 스위치가 턴-온시 ZVS 범위에서만 동작하도록 하여 고효율 동작이 가능한 게이트 드라이버 장치 및 이를 포함하는 공진형 컨버터를 제공하기 위한 것이다. In addition, the present invention is intended to provide a gate driver device capable of high-efficiency operation by allowing each switch of the resonant converter to operate only in the ZVS range when turned on, and a resonant converter including the same.
본 발명의 일 측면에 따르면 컨버터의 출력 전압을 제어할 수 있는 게이트 드라이버 장치 및 이를 포함하는 공진형 컨버터가 제공된다.According to one aspect of the present invention, a gate driver device capable of controlling the output voltage of a converter and a resonant converter including the same are provided.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 공진형 컨버터에 포함되어 각 스위치의 동작을 제어하는 게이트 드라이버 장치에 있어서-상기 스위치(S1)는 부하로의 출력 전류를 제한하는 스너버 커패시터가 병렬로 연결됨, 상기 스위치(S1)로 턴-온 신호를 인가하는 턴-온 스위치(Son); 상기 턴-온 스위치(Son)과 병렬 연결되는 딜레이 커패시터(C1); 및 제1 극성을 가지는 전압 신호(V1)의 인가에 따라 상기 딜레이 커패시터(C1)를 충전시키는 초기 시동부를 포함하되, 상기 턴-온 스위치(Son)은 상기 초기 시동부에 의해 상기 딜레이 커패시터(C1)의 전압이 상기 턴-온 스위치(Son)의 문턱 전압보다 크게 충전되는 경우 도통되어 상기 스위치(S1)로 턴-온 신호를 인가하는 것을 특징으로 하는 게이트 드라이버 장치가 제공될 수 있다. According to an embodiment of the present invention, in a gate driver device included in a resonant converter and controlling the operation of each switch, the switch (S1) is connected in parallel with a snubber capacitor that limits the output current to the load, a turn-on switch (Son) that applies a turn-on signal to the switch (S1); A delay capacitor (C1) connected in parallel with the turn-on switch (Son); and an initial starting unit that charges the delay capacitor (C1) according to the application of a voltage signal (V1) having a first polarity, wherein the turn-on switch (Son) is configured to turn on the delay capacitor (C1) by the initial starting unit. When the voltage of ) is charged greater than the threshold voltage of the turn-on switch (Son), the gate driver device is conducted and applies a turn-on signal to the switch (S1).
상기 초기 시동부는 R9 저항과 C2 커패시터를 포함하되, 상기 전압 신호(V1)에 의해 상기 C2 커패시터가 충전될 수 있다. The initial startup unit includes a resistor R9 and a capacitor C2, and the capacitor C2 may be charged by the voltage signal V1.
상기 초기 시동부는 최초 시동시 상기 공진형 컨버터의 동작 전에 충전된 스너버 커패시터 방전 여부와 무관하게 상기 스위치(S1)로 턴-온 신호를 인가하기 위해 최초 1회만 동작될 수 있다. The initial startup unit may be operated only once to apply a turn-on signal to the switch S1 regardless of whether the snubber capacitor charged before the operation of the resonant converter is discharged during initial startup.
상기 C2 커패시터와 상기 R9 저항의 시정수는 상기 공진형 컨버터 동작 시간보다 길게 설정될 수 있다. The time constant of the C2 capacitor and the R9 resistor may be set longer than the operation time of the resonant converter.
상기 스너버 커패시터의 방전을 감지하는 방전 감지회로부를 더 포함하되, It further includes a discharge detection circuit that detects discharge of the snubber capacitor,
상기 방전 감지회로부는 일단이 상기 딜레이 커패시터와 연결되며, 타단이 스위치(S1)의 드레인 또는 컬렉터단과 스너버 커패시터의 연결부와 연결되며, 상기 스너버 커패시터가 방전된 상태에서 상기 제1 극성을 가지는 전압 신호(V1)에 의해 도통될 수 있다.One end of the discharge detection circuit is connected to the delay capacitor, and the other end is connected to the connection between the drain or collector terminal of the switch S1 and the snubber capacitor, and a voltage having the first polarity when the snubber capacitor is discharged. It can be conducted by signal (V1).
상기 방전 감지회로부의 도통에 의해 영전압 감지 모드로 동작되며, 상기 방전 감지회로부의 도통에 의해 상기 딜레이 커패시터(C1)이 충전되어 상기 딜레이 커패시터(C1)의 전압이 상기 턴-온 스위치(Son)의 문턱 전압보다 커지면 상기 턴-온 스위치(Son)이 도통되어 상기 스위치에 턴-온 신호가 인가될 수 있다.It operates in a zero voltage detection mode due to conduction of the discharge detection circuit, and the delay capacitor (C1) is charged due to conduction of the discharge detection circuit, so that the voltage of the delay capacitor (C1) increases with the turn-on switch (Son). When the voltage becomes greater than the threshold voltage, the turn-on switch (Son) is turned on and a turn-on signal can be applied to the switch.
상기 방전 감지회로부는 상기 스너버 커패시터가 방전되지 않은 상태에서 상기 제1 극성을 갖는 전압 신호(V1)이 인가되는 경우 상기 딜레이 커패시터(C1)이 충전되지 않도록 개방될 수 있다. The discharge detection circuit may be opened to prevent the delay capacitor C1 from being charged when the voltage signal V1 having the first polarity is applied while the snubber capacitor is not discharged.
제2 극성을 가지는 전압 신호에 의해 도통되는 D4 다이오드에 의해 상기 딜레이 커패시터가 방전되며, 상기 딜레이 커패시터의 방전에 의해 상기 턴-온 스위치가 오프되고, 상기 제2 극성을 가지는 전압 신호 인가에 의해 도통되는 턴-오프 스위칭 회로부를 더 포함할 수 있다. The delay capacitor is discharged by the D4 diode conducted by a voltage signal having a second polarity, the turn-on switch is turned off by discharge of the delay capacitor, and conducted by applying a voltage signal having the second polarity. It may further include a turn-off switching circuit.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 부하로 전류를 공급하는 변압기; 상기 부하로 전류를 공급하는 변압기 1차측 코일로 전류를 공급 또는 차단하는 스위치(S1); 상기 스위치(S1)과 병렬로 연결되며, 상기 부하로의 출력 전류를 제한하는 스너버 커패시터; 및 상기 스위치(S1)의 턴-온 또는 턴-오프를 제어하되, 상기 스너버 커패시터가 방전된 경우에만 상기 스위치(S1)로 턴-온 신호를 인가하는 게이트 드라이버 회로부를 포함하는 공진형 컨버터가 제공될 수 있다. According to another embodiment of the present invention, a transformer that supplies current to a load; A switch (S1) that supplies or blocks current to the primary coil of the transformer that supplies current to the load; A snubber capacitor connected in parallel with the switch (S1) and limiting output current to the load; And a resonant converter including a gate driver circuit that controls the turn-on or turn-off of the switch (S1) and applies a turn-on signal to the switch (S1) only when the snubber capacitor is discharged. can be provided.
본 발명의 일 실시예에 게이트 드라이버 장치 및 이를 포함하는 공진형 컨버터를 제공함으로써, 컨버터의 출력 전압을 제어할 수 있다. 즉, 공진형 컨버터의 출력 전압이 일정 전압 도달시, 스너버 커패시터 전압이 모두 방전되어야만 게이트 신호를 인가함으로써 출력 전압을 제어할 수 있으며, 공진형 컨버터의 각 스위치가 턴-온시 ZVS 범위에서만 동작하도록 하여 고효율 동작이 가능케 할 수 있다.By providing a gate driver device and a resonant converter including the same in an embodiment of the present invention, the output voltage of the converter can be controlled. In other words, when the output voltage of the resonant converter reaches a certain voltage, the output voltage can be controlled by applying the gate signal only when all snubber capacitor voltages are discharged, and each switch of the resonant converter operates only in the ZVS range when turned on. This can enable high-efficiency operation.
또한, 본 발명은 별도의 센싱 및 제어 회로 없이 컨버터의 출력 전압 제한이 가능하여 제조 비용 및 구조 복잡성을 줄일 수 있다. Additionally, the present invention can limit the output voltage of the converter without a separate sensing and control circuit, thereby reducing manufacturing costs and structural complexity.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 공진형 컨버터를 개략적으로 도시한 도면.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 드라이버 회로부의 상세 구조를 도시한 도면.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 초기 시동 모드의 동작을 설명하기 위해 도시한 도면.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 영전압 감지 모드의 동작을 설명하기 위해 도시한 도면.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 동작 제한 모드의 동작을 설명하기 위해 도시한 도면.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 턴-오프 모드의 동작을 설명하기 위해 도시한 도면.
도 7 내지 도 9는 시동 시점, 출력 전압이 제한 값보다 낮은 경우, 출력 전압이 제한 전압에 도달한 경우에 대한 시뮬레이션 결과 중 공진 전류, 하나의 스위치(S1)의 스위치의 게이트 전압과 게이트 드라이버 상의 주요 소자 전압과 구동 신호 전압을 나타낸 도면.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 4kV의 출력 전압 조건에서 동작이 제한되도록 게이트 드라이버를 구성시 전압 제한 동작시 주요 파형을 나타낸 도면.1 is a diagram schematically showing a resonant converter according to an embodiment of the present invention.
Figure 2 is a diagram showing the detailed structure of a driver circuit unit according to an embodiment of the present invention.
Figure 3 is a diagram illustrating the operation of the initial startup mode according to an embodiment of the present invention.
Figure 4 is a diagram illustrating the operation of the zero voltage detection mode according to an embodiment of the present invention.
Figure 5 is a diagram illustrating the operation of an operation restriction mode according to an embodiment of the present invention.
Figure 6 is a diagram to explain the operation of the turn-off mode according to an embodiment of the present invention.
7 to 9 show the resonance current, the gate voltage of the switch of one switch (S1), and the gate driver on the simulation results for the starting time, when the output voltage is lower than the limit value, and when the output voltage reaches the limit voltage. Drawing showing main device voltages and driving signal voltages.
Figure 10 is a diagram showing main waveforms during voltage limiting operation when configuring a gate driver to limit operation under an output voltage condition of 4kV according to an embodiment of the present invention.
본 명세서에서 사용되는 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "구성된다" 또는 "포함한다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 여러 구성 요소들, 또는 여러 단계들을 반드시 모두 포함하는 것으로 해석되지 않아야 하며, 그 중 일부 구성 요소들 또는 일부 단계들은 포함되지 않을 수도 있고, 또는 추가적인 구성 요소 또는 단계들을 더 포함할 수 있는 것으로 해석되어야 한다. 또한, 명세서에 기재된 "...부", "모듈" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어 또는 소프트웨어로 구현되거나 하드웨어와 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.As used herein, singular expressions include plural expressions unless the context clearly dictates otherwise. In this specification, terms such as “consists of” or “comprises” should not be construed as necessarily including all of the various components or steps described in the specification, and some of the components or steps may be included in the specification. It may not be included, or it should be interpreted as including additional components or steps. In addition, terms such as "... unit" and "module" used in the specification refer to a unit that processes at least one function or operation, which may be implemented as hardware or software, or as a combination of hardware and software. .
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the attached drawings.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 공진형 컨버터를 개략적으로 도시한 도면이다. 1 is a diagram schematically showing a resonant converter according to an embodiment of the present invention.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 공진형 컨버터(100)는 제1 스위칭부(110a) 내지 제4 스위칭부(110d) 및 게이트 드라이버 회로부(120)를 포함하여 구성된다. Referring to FIG. 1, the resonant converter 100 according to an embodiment of the present invention includes first switching units 110a to fourth switching units 110d and a gate driver circuit unit 120.
여기서, 공진형 컨버터(100)는 공진 컨버터인 것을 가정하기로 한다. Here, it is assumed that the resonant converter 100 is a resonant converter.
제1 스위칭부(110a) 내지 제4 스위칭부(110d)는 각각 게이트 드라이버 회로부(120)에 의해 스위칭 동작이 제어될 수 있다. 또한, 제1 스위칭부(110a) 내지 제4 스위칭부(110d)는 도 1에 도시된 바와 같이, 스위치와 스너버 커패시터를 포함할 수 있다. The switching operations of the first switching units 110a to 4th switching units 110d may be controlled by the gate driver circuit unit 120, respectively. Additionally, the first switching unit 110a to the fourth switching unit 110d may include a switch and a snubber capacitor, as shown in FIG. 1 .
도 1의 공진형 컨버터(100)는 제1 스위칭부(110a)와 제3 스위칭부(110c)가 함께 동작하며, 제2 스위칭부(110b)와 제4 스위칭부(110d)가 함께 동작하는 구조로 상보적으로 동작되도록 구현될 수 있다. The resonant converter 100 of FIG. 1 has a structure in which the first switching unit 110a and the third switching unit 110c operate together, and the second switching unit 110b and the fourth switching unit 110d operate together. It can be implemented to operate complementary.
본 발명의 일 실시예에 따른 게이트 드라이버 회로부(120)는 각 스위칭부(제1 내지 제4 스위칭부(110d))에 포함된 스너버 커패시터 전압이 모두 방전된 경우에만 스위치로 게이트 신호를 인가할 수 있다. 이를 통해, 본 발명의 일 실시예에 따른 게이트 드라이버 회로부(120)는 각 스위칭부의 각 스위치가 턴-온시 ZVS 범우에서만 동작하도록 할 수 있다. The gate driver circuit unit 120 according to an embodiment of the present invention applies a gate signal to the switch only when the snubber capacitor voltage included in each switching unit (first to fourth switching units 110d) is discharged. You can. Through this, the gate driver circuit unit 120 according to an embodiment of the present invention can enable each switch of each switching unit to operate only in the ZVS range when turned on.
이를 위한 게이트 드라이버 회로부(120)의 상세 구조에 대해 도 2를 참조하여 보다 상세히 설명하기로 한다. The detailed structure of the gate driver circuit unit 120 for this purpose will be described in more detail with reference to FIG. 2.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 드라이버 회로부의 상세 구조를 도시한 도면이고 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 초기 시동 모드의 동작을 설명하기 위해 도시한 도면이고, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 영전압 감지 모드의 동작을 설명하기 위해 도시한 도면이며, 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 동작 제한 모드의 동작을 설명하기 위해 도시한 도면이며, 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 턴-오프 모드의 동작을 설명하기 위해 도시한 도면이고, 도 7 내지 도 9는 시동 시점, 출력 전압이 제한 값보다 낮은 경우, 출력 전압이 제한 전압에 도달한 경우에 대한 시뮬레이션 결과 중 공진 전류, 하나의 스위치(S1)의 스위치의 게이트 전압과 게이트 드라이버 상의 주요 소자 전압과 구동 신호 전압을 나타낸 도면이며, 도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 4kV의 출력 전압 조건에서 동작이 제한되도록 게이트 드라이버를 구성시 전압 제한 동작시 주요 파형을 나타낸 도면이다. Figure 2 is a diagram showing the detailed structure of the driver circuit unit according to an embodiment of the present invention, Figure 3 is a diagram showing the operation of the initial startup mode according to an embodiment of the present invention, and Figure 4 is a diagram showing the present invention. This is a diagram shown to explain the operation of the zero voltage detection mode according to an embodiment of the invention, Figure 5 is a diagram shown to explain the operation of the operation limiting mode according to an embodiment of the invention, and Figure 6 is a diagram shown to explain the operation of the operation limit mode according to an embodiment of the invention. A diagram is shown to explain the operation of the turn-off mode according to an embodiment of the present invention, and Figures 7 to 9 show the starting point, when the output voltage is lower than the limit value, and when the output voltage reaches the limit voltage. Among the simulation results for This diagram shows the main waveforms during voltage-limited operation when configuring the gate driver to limit operation under certain conditions.
스위치(210)는 변압기의 1차 코일에 전류를 공급 또는 차단하는 역할을 한다. 여기서, 스위치(210)는 트랜지스터로 구현될 수 있다. 즉, 스위치(210)는 MOSFET 또는 IGBT로 구현될 수 있다. The switch 210 serves to supply or block current to the primary coil of the transformer. Here, the switch 210 may be implemented as a transistor. That is, the switch 210 may be implemented as a MOSFET or IGBT.
스너버 커패시터(215)는 스위치(210)와 병렬로 연결되며, 스위치의 턴 오프 손실을 저감하는 역할을 한다. The snubber capacitor 215 is connected in parallel with the switch 210 and serves to reduce the turn-off loss of the switch.
이러한, 스너버 커패시터(215)는 공진형 컨버터를 동작시키기 전에 입력 전압에 의해 충전되어 있다. 스너버 커패시터(215)는 입력 전압의 절반에 해당하는 전압이 충전되어 있다. This snubber capacitor 215 is charged by the input voltage before operating the resonant converter. The snubber capacitor 215 is charged with a voltage corresponding to half of the input voltage.
시동 회로부(220)는 초기 시동시에 동작하며 스너버 커패시터(215)의 방전 여부와 무관하게 스위치(S1)(210)로 게이트 신호(턴-온 신호)를 인가하기 위해 동작한다. The starting circuit unit 220 operates during initial startup and operates to apply a gate signal (turn-on signal) to the switch (S1) 210 regardless of whether the snubber capacitor 215 is discharged.
이러한 시동 회로부(220)는 D5 다이오드(220-1), R9 저항(220-2) 및 C2 커패시터(220-3)를 포함하여 구성된다. R9 저항(220-2)과 C2 커패시터(220-3)는 병렬 연결되며, D5 다이오드(220-1)는 제1 극성을 가지는 전압 신호(V1)에 의해 도통될 수 있다. D5 다이오드(220-1)가 도통됨에 따라 딜레이 커패시터(225)와 C2 커패시터(220-3)가 충전될 수 있다. This starting circuit unit 220 includes a D5 diode 220-1, an R9 resistor 220-2, and a C2 capacitor 220-3. The R9 resistor 220-2 and the C2 capacitor 220-3 are connected in parallel, and the D5 diode 220-1 may be conducted by the voltage signal V1 having the first polarity. As the D5 diode 220-1 conducts, the delay capacitor 225 and the C2 capacitor 220-3 can be charged.
또한, R9 저항(220-2)은 C2 커패시터(220-3)와 병렬로 연결되며, 시동 회로부(220)에 포함된 C2 커패시터(220-3)에 충전된 전압은 R9 저항(220-2)에 의해서만 방전될 수 있다. In addition, the R9 resistor (220-2) is connected in parallel with the C2 capacitor (220-3), and the voltage charged in the C2 capacitor (220-3) included in the starting circuit unit 220 is connected to the R9 resistor (220-2). It can be discharged only by
시동 회로부(220)에 포함된 C2 커패시터(220-3)와 R9 저항(220-2)의 시정수는 양극성 신호(V1)의 주기보다 충분히 길게 설정되어야 안정적으로 영전압 감지 모드 및 동작 제한 모드를 활용할 수 있다. 따라서, 시동 회로부(220)에 포함된 C2 커패시터(220-3)와 R9 저항(220-2)의 시정수는 공진형 컨버터의 동작 시간보다 길게 설정되어야 한다. The time constants of the C2 capacitor 220-3 and the R9 resistor 220-2 included in the starting circuit unit 220 must be set sufficiently longer than the period of the bipolar signal V1 to stably operate the zero voltage detection mode and operation limit mode. You can utilize it. Therefore, the time constants of the C2 capacitor 220-3 and the R9 resistor 220-2 included in the starting circuit unit 220 must be set longer than the operation time of the resonant converter.
시동 회로부(220)에 포함된 C2 커패시터(220-3)와 R9 저항(220-2)의 시정수를 통해 동작 제한 이후 리셋까지 소요되는 시간을 조절할 수 있다. The time required from operation limitation to reset can be adjusted through the time constants of the C2 capacitor 220-3 and the R9 resistor 220-2 included in the starting circuit unit 220.
턴-온 스위치(230)는 스위치(S1)(210)로 턴-온 신호를 인가하기 위한 수단이다. The turn-on switch 230 is a means for applying a turn-on signal to the switch (S1) 210.
턴-온 스위치(230)는 딜레이 커패시터(225)의 전압이 턴-온 스위치(230)의 문턱전압보다 커지는 경우 도통되며, 턴-온 스위치(230)에 직렬로 연결된 D3 다이오드(231)와 R3 저항(232)을 통해 스위치(210)로 턴-온 신호를 인가할 수 있다. The turn-on switch 230 is turned on when the voltage of the delay capacitor 225 becomes greater than the threshold voltage of the turn-on switch 230, and the D3 diode 231 and R3 connected in series to the turn-on switch 230 A turn-on signal can be applied to the switch 210 through the resistor 232.
방전 감지회로부(235)는 스너버 커패시터(215)의 방전 상태를 감지하며, 스너버 커패시터(215)의 방전시 양단이 도통되어 영전압 모드로 게이트 드라이버 회로부(120)를 동작시킬 수 있다. 즉, 방전 감지회로부(235)는 일단이 딜레이 커패시터와 연결되고 타단이 스위치(S1)의 드레인 또는 컬렉터 단과 스너버 커패시트의 연결부와 연결되며, 스너버 커패시터가 방전된 상태에서 제1 극성을 가지는 전압 신호에 의해 도통될 수 있다.The discharge detection circuit 235 detects the discharge state of the snubber capacitor 215, and when the snubber capacitor 215 is discharged, both ends are conducted, allowing the gate driver circuit 120 to operate in zero voltage mode. That is, the discharge detection circuit 235 has one end connected to the delay capacitor and the other end connected to the connection between the drain or collector end of the switch S1 and the snubber capacitor, and has a first polarity when the snubber capacitor is discharged. It can be conducted by a voltage signal.
방전 감지회로부(235)는 스너버 커패시터(215)가 방전되지 않은 상태에서 제1 극성을 가지는 전압 신호가 인가되는 경우 딜레이 커패시터(C1)이 충전되지 않도록 개방되며, 동작 제한 모드로 게이트 드라이버 회로부(120)가 동작될 수 있다. The discharge detection circuit 235 is opened so that the delay capacitor C1 is not charged when a voltage signal having the first polarity is applied while the snubber capacitor 215 is not discharged, and the gate driver circuit ( 120) can be operated.
이에 대해서는 하기에서 관련 도면을 참조하여 보다 상세히 설명하기로 한다. This will be described in more detail below with reference to the related drawings.
턴-오프 스위칭 회로부(240)는 제2 극성을 가지는 전압 신호 인가시 도통되어 스위치(S1)(210)로 턴-오프 신호를 인가한다. 이러한 턴-오프 모드에 대해서는 하기에서 관련 도면을 참조하여 보다 상세히 설명하기로 한다. The turn-off switching circuit unit 240 is turned on when a voltage signal having the second polarity is applied and applies a turn-off signal to the switch (S1) 210. This turn-off mode will be described in more detail below with reference to the related drawings.
도 3 내지 도 6을 참조하여 초기 시동 모드, 영전압 모드, 동작 제한 모드, 턴-오프 모드시 게이트 드라이버 회로부(120)의 동작에 대해 각각 설명하기로 한다. The operation of the gate driver circuit unit 120 in the initial startup mode, zero voltage mode, operation limit mode, and turn-off mode will be described with reference to FIGS. 3 to 6, respectively.
도 3은 초기 시동 모드시 게이트 드라이버 회로부(120)의 전류 흐름을 설명하기 위해 도시한 도면이다. FIG. 3 is a diagram illustrating the current flow of the gate driver circuit unit 120 during the initial startup mode.
공진형 컨버터를 동작시키기 전에는 입력 전압에 의해 스너버 커패시터(215)에 입력 전압의 절반에 해당하는 전압이 충전되어 있다. 따라서, 초기 시동시, 스너버 커패시터(215)의 방전 여부에 상관없이 스위치(210)로 게이트 신호를 인가해야만 한다. Before operating the resonant converter, the snubber capacitor 215 is charged with a voltage corresponding to half of the input voltage. Therefore, at initial startup, a gate signal must be applied to the switch 210 regardless of whether the snubber capacitor 215 is discharged.
따라서, 공진형 컨버터 스위치에 단 한번 턴-온 신호를 인가하여 공진 전류가 흐르도록 기능시킨 후 정상적인 영전압 모드가 활성화되도록 시동 회로부(220)가 구성될 수 있다. Accordingly, the starting circuit unit 220 may be configured to activate the normal zero voltage mode after applying a turn-on signal to the resonant converter switch only once to allow the resonant current to flow.
도 3을 참조하여 초기 시동 모드의 동작에 대해 상세히 설명하기로 한다. The operation of the initial startup mode will be described in detail with reference to FIG. 3.
제1 극성을 가지는 전압 신호(V1)가 인가되면 D5 다이오드(220-1)가 도통되며, 해당 D5 다이오드(220-1)의 도통에 의해 도통되는 초기 충전 경로를 통해 딜레이 커패시터(225)와 C2 커패시터(220-3)가 각각 충전된다. 여기서, 제1 극성은 (+) 극성이다. When the voltage signal V1 having the first polarity is applied, the D5 diode 220-1 is conducted, and the delay capacitor 225 and C2 are connected through the initial charging path conducted by the D5 diode 220-1. The capacitors 220-3 are each charged. Here, the first polarity is (+) polarity.
D5 다이오드(220-1)의 도통에 의해 생긴 초기 충전 경로를 따라 딜레이 커패시터(225)가 지속적으로 충전되어 해당 딜레이 커패시터(225)의 전압이 턴-온 스위치(230)의 문턱 전압보다 커지면 턴-온 스위치(230)가 도통되어 스위치(S1)(210)로 턴-온 신호를 인가한다. 이로 인해, 스위치(S1)이 턴-온 되어 부하로 전류를 공급할 수 있다. When the delay capacitor 225 is continuously charged along the initial charging path created by conduction of the D5 diode 220-1 and the voltage of the delay capacitor 225 becomes greater than the threshold voltage of the turn-on switch 230, the turn-on switch 230 is turned on. The on switch 230 is turned on and a turn-on signal is applied to the switch (S1) 210. Because of this, the switch S1 is turned on and can supply current to the load.
이러한, 시동 회로부(220)는 공진형 컨버터(100)의 최소 시동시에 최초 1회 동작되어 딜레이 커패시터(225)를 충전시킬 수 있다. The starting circuit unit 220 may initially operate once at the minimum start-up of the resonant converter 100 to charge the delay capacitor 225.
또한, 시동 회로부(220)에 포함되는 C2 커패시터(220-3)는 R9 저항(220-2)에 의해서만 방전되며, 정상 동작 구간에서는 제1 극성을 가지는 전압 신호가 인가될 때마다 재충전되나 C2 커패시터(220-3)와 R9 저항(220-2)의 시정수를 공진형 컨버터의 동작 시간 보다 길게 설정함으로써 안정적으로 영전압 모드 및 동작 제한 모드를 활용할 수 있다. In addition, the C2 capacitor 220-3 included in the starting circuit unit 220 is discharged only by the R9 resistor 220-2, and is recharged whenever a voltage signal with the first polarity is applied in the normal operating section, but the C2 capacitor By setting the time constants of (220-3) and R9 resistor (220-2) to be longer than the operation time of the resonant converter, the zero voltage mode and operation limit mode can be stably utilized.
C2 커패시터(220-3)와 R9 저항(220-2)의 시정수를 통해 동작 제한 이후 리셋까지 소요되는 시간을 조절할 수 있다. The time required to reset after limiting the operation can be adjusted through the time constants of the C2 capacitor (220-3) and the R9 resistor (220-2).
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 영전압 모드시 게이트 드라이버 회로부(120)의 전류 흐름을 설명하기 위해 도시한 도면이다. 도 4를 참조하여 영전압 모드시 게이트 드라이버 회로부(120)의 동작에 대해 설명하기로 한다. FIG. 4 is a diagram illustrating the current flow of the gate driver circuit unit 120 in the zero voltage mode according to an embodiment of the present invention. The operation of the gate driver circuit unit 120 in the zero voltage mode will be described with reference to FIG. 4.
도 3과 같은 초기 시동 모드로의 동작 이후 제1 극성을 가지는 전압 신호가 인가되는 경우 스너버 커패시터(215)의 방전 여부에 따라 영전압 모드(도 4)와 동작 제한 모드(도 5)로 동작될 수 있다. After operating in the initial startup mode as shown in FIG. 3, when a voltage signal with the first polarity is applied, the operation is performed in zero voltage mode (FIG. 4) and operation limit mode (FIG. 5) depending on whether the snubber capacitor 215 is discharged. It can be.
스너버 커패시터(215)의 전압이 모두 방전된 후에 제1 극성을 가지는 전압 신호가 인가되면 영전압 감지 모드로 동작된다. When a voltage signal having the first polarity is applied after the voltage of the snubber capacitor 215 is fully discharged, the device operates in a zero voltage detection mode.
스너버 커패시터(215)의 전압이 모두 방전되는 경우, 제1 극성을 가지는 전압 신호가 인가되는 경우, 방전 감지회로부(235)의 양단이 도통된다. 방전 감지회로부(235)가 도통됨에 따라 딜레이 커패시터(225)가 충전된다. 해당 방전 감지회로부(235)의 도통에 의해 딜레이 커패시터(225)가 지속적으로 충전되며, 해당 딜레이 커패시터(225)의 전압이 턴-온 스위치(230)의 문턱 전압보다 커지는 경우 턴-온 스위치(230)가 도통되어 턴-온 신호를 스위치(S1)(210)으로 인가한다. When all of the voltage of the snubber capacitor 215 is discharged and a voltage signal having the first polarity is applied, both ends of the discharge detection circuit 235 are conducted. As the discharge detection circuit 235 conducts, the delay capacitor 225 is charged. The delay capacitor 225 is continuously charged by conduction of the discharge detection circuit 235, and when the voltage of the delay capacitor 225 becomes greater than the threshold voltage of the turn-on switch 230, the turn-on switch 230 ) is conducted and a turn-on signal is applied to the switch (S1) (210).
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 동작 제한 모드시 게이트 드라이버 회로부의 동작을 설명하기 위해 도시한 도면이다. FIG. 5 is a diagram illustrating the operation of the gate driver circuit unit in an operation limitation mode according to an embodiment of the present invention.
도 5를 참조하면, 스너버 커패시터(215)가 방전되지 않은 상태에서 제1 극성을 가지는 전압 신호가 인가되더라도 방전 감지회로부(235)는 딜레이 커패시터(C1)이 충전되지 않도록 개방된 상태로 도통되지 않아 전류가 흐를 경로가 존재하지 않는다. Referring to FIG. 5, even if a voltage signal having the first polarity is applied while the snubber capacitor 215 is not discharged, the discharge detection circuit 235 is not conducted in an open state so that the delay capacitor C1 is not charged. Therefore, there is no path for current to flow.
이로 인해, 딜레이 커패시터(225)는 충전되지 않고 스위치(S1)로 턴-온 신호가 인가되지 않는다. Because of this, the delay capacitor 225 is not charged and the turn-on signal is not applied to the switch S1.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 턴-오프 모드시, 게이트 드라이버 회로부의 동작을 설명하기 위해 도시한 도면이다. FIG. 6 is a diagram illustrating the operation of the gate driver circuit unit in turn-off mode according to an embodiment of the present invention.
제2 극성을 가지는 전압 신호(V1)가 인가되는 경우 턴-오프 스위칭 회로부(240)가 도통된다. 이에 대해 보다 상세히 설명하기로 한다. 즉, 제2 극성을 가지는 전압 신호에 의해 D4 다이오드(240-1)가 도통되며, 해당 D4 다이오드(240-1)의 도통에 의해 딜레이 커패시터(225)에 역전압이 걸리며 방전된다. 딜레이 커패시터(225)의 방전에 의해 턴-온 스위치(230)가 오프된다. 또한, 턴-오프 스위치(240-2)와 병렬로 연결된 R5 저항(240-4)에 인가된 전압에 의해 턴-오프 스위치(240-2)가 도통되며, 턴-오프 스위치(240-2)와 직렬 연결된 R6 저항(240-3)을 통해 스위치(S1)(210)의 게이트 전압이 방전되어 턴-오프된다. When the voltage signal V1 having the second polarity is applied, the turn-off switching circuit unit 240 is turned on. Let us explain this in more detail. That is, the D4 diode 240-1 is conducted by a voltage signal having the second polarity, and a reverse voltage is applied to the delay capacitor 225 due to the conduction of the D4 diode 240-1, and the delay capacitor 225 is discharged. The turn-on switch 230 is turned off by discharge of the delay capacitor 225. In addition, the turn-off switch 240-2 is turned on by the voltage applied to the R5 resistor 240-4 connected in parallel with the turn-off switch 240-2, and the turn-off switch 240-2 The gate voltage of the switch (S1) 210 is discharged and turned off through the R6 resistor 240-3 connected in series.
도 7 내지 도 9는 시동 시점, 출력 전압이 제한 값보다 낮은 경우, 출력 전압이 제한 전압에 도달한 경우에 대한 시뮬레이션 결과 중 공진 전류, 하나의 스위치(S1)의 스위치의 게이트 전압과 게이트 드라이버 상의 주요 소자 전압과 구동 신호 전압을 나타낸 도면이다. 7 to 9 show the resonance current, the gate voltage of the switch of one switch (S1), and the gate driver on the simulation results for the starting time, when the output voltage is lower than the limit value, and when the output voltage reaches the limit voltage. This diagram shows the main device voltage and driving signal voltage.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 4kV의 출력 전압 조건에서 동작이 제한되도록 게이트 드라이버를 구성시 실험 결과를 나타내며, 전압 제한 동작시 주요 파형을 나타낸 도면이다. 도 7 내지 도 10에서 보여지는 바와 같이, 컨버터의 출력 전압 제한을 통해 각 스위치가 턴-온시 ZVS 범위에서만 동작하도록 할 수 있음을 알 수 있다. Figure 10 shows experimental results when configuring a gate driver to limit operation under an output voltage condition of 4kV according to an embodiment of the present invention, and is a diagram showing main waveforms during voltage limiting operation. As shown in Figures 7 to 10, it can be seen that each switch can be operated only in the ZVS range when turned on by limiting the output voltage of the converter.
이제까지 본 발명에 대하여 그 실시 예들을 중심으로 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시 예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.So far, the present invention has been examined focusing on its embodiments. A person skilled in the art to which the present invention pertains will understand that the present invention may be implemented in a modified form without departing from the essential characteristics of the present invention. Therefore, the disclosed embodiments should be considered from an illustrative rather than a restrictive perspective. The scope of the present invention is indicated in the claims rather than the foregoing description, and all differences within the equivalent scope should be construed as being included in the present invention.
100: 공진형 컨버터
110a 내지 110d: 제1 스위칭부 내지 제4 스위칭부
120: 게이트 드라이버 회로부
210: 스위치(S1)
215: 스너버 커패시터
220: 시동 회로부
225: 딜레이 커패시터
230: 턴-온 스위치
235: 방전 감지회로부
240: 턴-오프 스위칭 회로부100: Resonant converter
110a to 110d: first to fourth switching units
120: Gate driver circuit part
210: switch (S1)
215: snubber capacitor
220: Starting circuit part
225: delay capacitor
230: Turn-on switch
235: Discharge detection circuit
240: Turn-off switching circuit unit
Claims (10)
상기 스위치(S1)로 턴-온 신호를 인가하는 턴-온 스위치(Son);
상기 턴-온 스위치(Son)과 병렬 연결되는 딜레이 커패시터(C1); 및
제1 극성을 가지는 전압 신호(V1)의 인가에 따라 상기 딜레이 커패시터(C1)를 충전시키는 초기 시동부를 포함하되,
상기 턴-온 스위치(Son)은 상기 초기 시동부에 의해 상기 딜레이 커패시터(C1)의 전압이 상기 턴-온 스위치(Son)의 문턱 전압보다 크게 충전되는 경우 도통되어 상기 스위치(S1)로 턴-온 신호를 인가하되,
상기 초기 시동부는 R9 저항과 C2 커패시터를 포함하되,
상기 전압 신호(V1)에 의해 상기 C2 커패시터가 충전되는 것을 특징으로 하는 게이트 드라이버 장치.
In the gate driver device included in the resonant converter and controlling the operation of the switch (S1), the switch (S1) is connected in parallel with a snubber capacitor that limits the output current to the load,
a turn-on switch (Son) that applies a turn-on signal to the switch (S1);
A delay capacitor (C1) connected in parallel with the turn-on switch (Son); and
An initial starting unit that charges the delay capacitor (C1) according to the application of a voltage signal (V1) having a first polarity,
The turn-on switch (Son) is conducted when the voltage of the delay capacitor (C1) is charged to be greater than the threshold voltage of the turn-on switch (Son) by the initial starting unit, and the turn-on switch (S1) is turned on. Accept the signal,
The initial starting unit includes a resistor R9 and a capacitor C2,
A gate driver device, wherein the C2 capacitor is charged by the voltage signal (V1).
상기 초기 시동부는 최초 시동시 상기 공진형 컨버터의 동작 전에 충전된 스너버 커패시터 방전 여부와 무관하게 상기 스위치(S1)로 턴-온 신호를 인가하기 위해 최초 1회만 동작되는 것을 특징으로 하는 게이트 드라이버 장치.
According to claim 1,
The initial starting unit is a gate driver device characterized in that it is operated only once to apply a turn-on signal to the switch (S1) regardless of whether the snubber capacitor charged before the operation of the resonant converter is discharged at the time of initial starting. .
상기 C2 커패시터와 상기 R9 저항의 시정수는 상기 공진형 컨버터의 동작 시간보다 긴 것을 특징으로 하는 게이트 드라이버 장치.
According to claim 1,
A gate driver device, wherein the time constant of the C2 capacitor and the R9 resistor is longer than the operation time of the resonant converter.
상기 스너버 커패시터의 방전을 감지하는 방전 감지회로부를 더 포함하는 게이트 드라이버 장치.
According to claim 1,
A gate driver device further comprising a discharge detection circuit that detects discharge of the snubber capacitor.
상기 방전 감지회로부는 일단이 상기 딜레이 커패시터와 연결되며, 타단이 상기 스위치(S1)의 드레인 또는 컬렉터단과 스너버 커패시터의 연결부와 연결되며, 상기 스너버 커패시터가 방전된 상태에서 상기 제1 극성을 가지는 전압 신호(V1)에 의해 도통되는 것을 특징으로 하는 게이트 드라이버 장치.
According to clause 5,
The discharge detection circuit unit has one end connected to the delay capacitor, the other end connected to the connection between the drain or collector terminal of the switch S1 and the snubber capacitor, and having the first polarity when the snubber capacitor is discharged. A gate driver device characterized in that it is conducted by a voltage signal (V1).
상기 방전 감지회로부의 도통에 의해 영전압 감지 모드로 동작되며, 상기 방전 감지회로부의 도통에 의해 상기 딜레이 커패시터(C1)이 충전되어 상기 딜레이 커패시터(C1)의 전압이 상기 턴-온 스위치(Son)의 문턱 전압보다 커지면 상기 턴-온 스위치(Son)이 도통되어 상기 스위치에 턴-온 신호가 인가되는 것을 특징으로 하는 게이트 드라이버 장치.
According to clause 6,
It operates in a zero voltage detection mode due to conduction of the discharge detection circuit, and the delay capacitor (C1) is charged due to conduction of the discharge detection circuit, so that the voltage of the delay capacitor (C1) increases with the turn-on switch (Son). A gate driver device characterized in that when the threshold voltage becomes greater than , the turn-on switch (Son) is conducted and a turn-on signal is applied to the switch.
상기 방전 감지회로부는 상기 스너버 커패시터가 방전되지 않은 상태에서 상기 제1 극성을 갖는 전압 신호(V1)이 인가되는 경우 상기 딜레이 커패시터(C1)이 충전되지 않도록 개방되는 것을 특징으로 하는 게이트 드라이버 장치.
According to clause 7,
The discharge detection circuit is a gate driver device characterized in that when the voltage signal (V1) having the first polarity is applied while the snubber capacitor is not discharged, the delay capacitor (C1) is opened so that the delay capacitor (C1) is not charged.
제2 극성을 가지는 전압 신호에 의해 도통되는 D4 다이오드에 의해 상기 딜레이 커패시터가 방전되며, 상기 딜레이 커패시터의 방전에 의해 상기 턴-온 스위치가 오프되되, 상기 제2 극성을 가지는 전압 신호에 인가에 의해 도통되는 턴-오프 스위칭 회로부를 더 포함하는 게이트 드라이버 장치.
According to claim 1,
The delay capacitor is discharged by the D4 diode conducted by the voltage signal having the second polarity, and the turn-on switch is turned off by the discharge of the delay capacitor, and the turn-on switch is turned off by applying the voltage signal having the second polarity. A gate driver device further comprising a turn-off switching circuit that is turned on.
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2022
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Patent Citations (2)
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