KR20190118047A - Apparatus for power conversion - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 전력변환장치에 관한 것으로, 서로 다른 두개의 모드로 동작하여 직류-직류 전력변환을 수행할 수 있는 전력변환장치에 관한 것이다.The present invention relates to a power converter, and to a power converter capable of performing DC-DC power conversion by operating in two different modes.
상대적으로 높은 전압을 요구하는 전자회로에 에너지를 공급하거나, 계통에 연계하여 응용 분야에 사용하기 위해서는 입력 전압을 높은 전압으로 승압해 주어야 한다. 뿐만 아니라 전자회로에 따라서는 높은 전압을 이용하여 낮은 전압으로 강압해 줄 필요도 있다. 이를 위한 다양한 강압형 및 승압형 컨버터 중의 하나로 직류-직류(DC-DC) 컨버터(converter)에 대한 모델링 및 분석이 연구되었다.In order to supply energy to electronic circuits that require relatively high voltages or to use them in applications with the grid, the input voltage must be boosted to a higher voltage. In addition, some electronic circuits need to be stepped down to a low voltage using a high voltage. One of the various step-down and step-up converters for this purpose was modeling and analysis of DC-DC converters.
직류-직류 컨버터(converter)의 종류로 벅 타입(Buck type)은 포워드(forward), 하프 브릿지(half bridge), 풀브릿지(full bridge) 컨버터 등이 있고, 벅-부스트 타입(Buck-boost type)은 플라이백 컨버터(flyback converter) 등이 있다.Buck type includes forward, half bridge, and full bridge converters. Buck-boost type is a type of DC-DC converter. And a flyback converter.
한편, 전력 변환 장치의 효율을 증대 시키기 위한 방법으로는 소프트 스위칭(soft switching) 기법이 있다. 전력 변환 장치는 전력용 반도체의 온-오프(on-off) 시퀀스 제어를 통하여 전압 변조를 가능하게 하는데, 전력 변환 장치의 고효율화를 위해서는 전력용 반도체의 온-오프 시 발생하는 스위칭 손실(switching loss)를 저감시킬수 있도록 영 전압 스위칭(zero voltage switching), 영 전류 스위칭(zero current switching)과 같은 소프트 스위칭 기법이 사용된다.On the other hand, a method for increasing the efficiency of the power conversion device is a soft switching (soft switching) technique. The power conversion device enables voltage modulation through the on-off sequence control of the power semiconductor. In order to increase the efficiency of the power conversion device, switching loss generated when the power semiconductor is turned on or off. Soft switching techniques such as zero voltage switching and zero current switching are used to reduce the voltage.
본 출원은, 서로 다른 두개의 모드로 동작하여, 직류-직류 전력변환을 수행할 수 있는 전력변환장치를 제공하고자 한다. The present application, to operate in two different modes, to provide a power conversion apparatus capable of performing DC-DC power conversion.
본 출원은, 넓은 입력전압범위를 지원하면서, 스위치 전압 스트레스를 최소화할 수 있는 전력변환장치를 제공하고자 한다. The present application, to support a wide input voltage range, to provide a power converter that can minimize the switch voltage stress.
본 발명의 일 실시예에 의한 전력변환장치는, 복수의 스위치를 포함하며, 상기 스위치들의 스위칭 동작에 따라 입력부로부터 인가되는 직류의 입력 전압을 제1 교류 전압으로 변환하는 제1 컨버터부; 권선비에 따라, 상기 제1 교류 전압을 제2 교류 전압으로 변압하는 변압부; 상기 제2 교류 전압을 정류하여 직류의 출력 전압을 생성하고, 출력부를 통하여 상기 출력 전압을 출력하는 제2 컨버터부; 및 상기 스위치들의 동작을 제어하여, 상기 제1 컨버터부를 제1 모드 또는 제2 모드로 동작하도록 설정하는 제어부를 포함할 수 있다. According to an embodiment of the present invention, a power converter includes a first converter unit including a plurality of switches and converting an input voltage of a direct current applied from an input unit into a first AC voltage according to a switching operation of the switches; A transformer for transforming the first AC voltage into a second AC voltage according to a turns ratio; A second converter unit rectifying the second AC voltage to generate an output voltage of DC, and outputting the output voltage through an output unit; And a controller configured to control the operation of the switches to set the first converter unit to operate in the first mode or the second mode.
여기서 상기 제어부는, 상기 제1 모드에서는 DEACF(Double Ended Active Clamp Foreward) 컨버터로 동작하도록 설정하고, 상기 제2 모드에서는 AHB(Asymmetric Half Bridge) 컨버터로 동작하도록 설정할 수 있다. The control unit may be configured to operate as a double ended active clamp forward (DEACF) converter in the first mode, and to operate as an symmetric half bridge (AHB) converter in the second mode.
여기서 상기 제1 컨버터부는, 상기 입력부의 일단과 제1 노드 사이에 연결되는 제1 스위치; 상기 입력부의 타단과 제2 노드 사이에 연결되는 제1 다이오드; 상기 제1 노드와 제2 노드 사이에 연결되는 제2 스위치; 상기 제2 노드와 제3 노드 사이에 연결되는 제1 커패시터; 및 상기 제3 노드와 상기 입력부의 타단 사이에 연결되는 제3 스위치를 포함하고, 상기 제1 노드 및 제3 노드는 상기 변압부의 입력단자에 각각 연결되며, 상기 다이오드는 전류의 방향을 상기 입력부의 타단으로 유입되는 방향으로 제한할 수 있다. The first converter unit may include a first switch connected between one end of the input unit and a first node; A first diode connected between the other end of the input unit and a second node; A second switch connected between the first node and a second node; A first capacitor connected between the second node and a third node; And a third switch connected between the third node and the other end of the input unit, wherein the first node and the third node are respectively connected to the input terminal of the transformer part, and the diode is configured to change the direction of the current. It can be limited to the direction flowing into the other end.
여기서 상기 제어부는, 상기 제1 모드로 동작하는 경우에는, 상기 제3 스위치를 상기 제1 스위치와 동시에 온-오프하도록 동기화하고, 상기 제1 스위치와 제2 스위치는 서로 반대로 온-오프하도록 설정할 수 있다. Herein, when the controller operates in the first mode, the controller may be configured to synchronize the third switch on and off simultaneously with the first switch, and the first switch and the second switch may be turned on and off oppositely to each other. have.
여기서 상기 제어부는, 상기 제2 모드로 동작하는 경우에는, 상기 제3 스위치를 오픈한 상태로 유지하고, 상기 제1 스위치와 제2 스위치는 서로 반대로 온-오프하도록 설정할 수 있다. The controller may be configured to maintain the third switch in an open state and to operate the first switch and the second switch on and off in opposite directions when operating in the second mode.
여기서 상기 제어부는, 상기 제1 스위치와 제2 스위치가 온-오프하는 스위칭 동작을, 스위칭 주파수에 따라 반복하여 수행하도록 설정할 수 있다. Here, the controller may be configured to repeatedly perform the switching operation of the first switch and the second switch on-off according to the switching frequency.
여기서 상기 제어부는, 상기 입력 전압의 크기에 따라, 상기 제1 컨버터부를 상기 제1 모드 또는 제2 모드로 동작하도록 제어할 수 있다. The controller may control the first converter to operate in the first mode or the second mode according to the magnitude of the input voltage.
여기서 상기 제2 컨버터부는, 상기 변압부의 출력단자와 제4 노드 사이에 연결되는 제2 다이오드; 상기 제4 노드와 상기 출력부 사이에 연결되는 제2 인덕터; 및 상기 출력부의 양단을 병렬로 연결하는 제2 커패시터를 포함할 수 있다. The second converter unit may include a second diode connected between an output terminal of the transformer unit and a fourth node; A second inductor connected between the fourth node and the output unit; And a second capacitor connecting both ends of the output unit in parallel.
덧붙여 상기한 과제의 해결수단은, 본 발명의 특징을 모두 열거한 것이 아니다. 본 발명의 다양한 특징과 그에 따른 장점과 효과는 아래의 구체적인 실시형태를 참조하여 보다 상세하게 이해될 수 있을 것이다.In addition, the solution of the said subject does not enumerate all the characteristics of this invention. Various features of the present invention and the advantages and effects thereof may be understood in more detail with reference to the following specific embodiments.
본 발명의 일 실시예에 의한 전력변환장치는, 서로 다른 두개의 모드로 동작할 수 있으므로, 넓은 입력전압범위를 지원하는 동시에, 스위치 전압 스트레스를 최소화하는 것이 가능하다. Since the power converter according to an embodiment of the present invention can operate in two different modes, it is possible to support a wide input voltage range and minimize switch voltage stress.
본 발명의 일 실시예에 의한 전력변환장치에 의하면, 스위치들의 동작을 제어하여, 간단하게 AHB(Asymmetric Half Bridge) 컨버터 또는 DEACF(Double-Ended Active Clamp Forward) 컨버터로 동작하는 것이 가능하다. According to the power converter according to an embodiment of the present invention, by controlling the operation of the switch, it is possible to simply operate as an Asymmetric Half Bridge (AHB) converter or a double-ended active clamp forward (DEACF) converter.
본 발명의 일 실시예에 의한 전력변환장치에 의하면, 영 전압 스위칭이 가능하므로, 고효율의 전력변환이 가능하다. According to the power converter according to an embodiment of the present invention, since zero voltage switching is possible, high efficiency power conversion is possible.
도1은 본 발명의 일 실시예에 의한 전력변환장치를 나타내는 개략도이다.
도2는 본 발명의 일 실시예에 의한 전력변환장치의 제1 모드 동작을 나타내는 개략도이다.
도3은 본 발명의 일 실시예에 의한 전력변환장치의 제1 모드에서의 측정결과를 나타내는 그래프이다.
도4는 본 발명의 일 실시예에 의한 전력변환장치의 제2 모드 동작을 나타내는 개략도이다.
도5는 본 발명의 일 실시예에 의한 전력변환장치의 제2 모드에서의 측정결과를 나타내는 그래프이다.
도6은 본 발명의 일 실시예에 의한 전력변환장치를 나타내는 회로도이다. 1 is a schematic diagram showing a power conversion apparatus according to an embodiment of the present invention.
2 is a schematic diagram illustrating a first mode operation of a power conversion apparatus according to an embodiment of the present invention.
3 is a graph showing a measurement result in the first mode of the power conversion apparatus according to an embodiment of the present invention.
4 is a schematic diagram illustrating a second mode operation of a power conversion apparatus according to an embodiment of the present invention.
5 is a graph showing a measurement result in a second mode of the power conversion apparatus according to an embodiment of the present invention.
6 is a circuit diagram illustrating a power conversion apparatus according to an embodiment of the present invention.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 명세서에 개시된 실시 예를 상세히 설명하되, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 유사한 구성요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 이하의 설명에서 사용되는 구성요소에 대한 접미사 "모듈" 및 "부"는 명세서 작성의 용이함만이 고려되어 부여되거나 혼용되는 것으로서, 그 자체로 서로 구별되는 의미 또는 역할을 갖는 것은 아니다. 즉, 본 발명에서 사용되는 '부'라는 용어는 소프트웨어, FPGA 또는 ASIC과 같은 하드웨어 구성요소를 의미하며, '부'는 어떤 역할들을 수행한다. 그렇지만 '부'는 소프트웨어 또는 하드웨어에 한정되는 의미는 아니다. '부'는 어드레싱할 수 있는 저장 매체에 있도록 구성될 수도 있고 하나 또는 그 이상의 프로세서들을 재생시키도록 구성될 수도 있다. 따라서, 일 예로서 '부'는 소프트웨어 구성요소들, 객체지향 소프트웨어 구성요소들, 클래스 구성요소들 및 태스크 구성요소들과 같은 구성요소들과, 프로세스들, 함수들, 속성들, 프로시저들, 서브루틴들, 프로그램 코드의 세그먼트들, 드라이버들, 펌웨어, 마이크로 코드, 회로, 데이터, 데이터베이스, 데이터 구조들, 테이블들, 어레이들 및 변수들을 포함한다. 구성요소들과 '부'들 안에서 제공되는 기능은 더 작은 수의 구성요소들 및 '부'들로 결합되거나 추가적인 구성요소들과 '부'들로 더 분리될 수 있다.Hereinafter, embodiments of the present disclosure will be described in detail with reference to the accompanying drawings, and the same or similar components are denoted by the same reference numerals regardless of the reference numerals, and redundant description thereof will be omitted. The suffixes "module" and "unit" for components used in the following description are given or used in consideration of ease of specification, and do not have distinct meanings or roles from each other. In other words, the term 'part' used in the present invention refers to a hardware component such as software, FPGA or ASIC, and 'part' plays a role. But wealth is not limited to software or hardware. The 'unit' may be configured to be in an addressable storage medium or may be configured to play one or more processors. Thus, as an example, a 'part' may include components such as software components, object-oriented software components, class components, and task components, processes, functions, properties, procedures, Subroutines, segments of program code, drivers, firmware, microcode, circuits, data, databases, data structures, tables, arrays and variables. The functionality provided within the components and 'parts' may be combined into a smaller number of components and 'parts' or further separated into additional components and 'parts'.
또한, 본 명세서에 개시된 실시 예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 명세서에 개시된 실시 예의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 첨부된 도면은 본 명세서에 개시된 실시 예를 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐, 첨부된 도면에 의해 본 명세서에 개시된 기술적 사상이 제한되지 않으며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.In addition, in describing the embodiments disclosed herein, when it is determined that the detailed description of the related known technology may obscure the gist of the embodiments disclosed herein, the detailed description thereof will be omitted. In addition, the accompanying drawings are intended to facilitate understanding of the embodiments disclosed herein, but are not limited to the technical spirit disclosed herein by the accompanying drawings, all changes included in the spirit and scope of the present invention. It should be understood to include equivalents and substitutes.
도1은 본 발명의 일 실시예에 의한 전력변환장치를 나타내는 회로도이다. 1 is a circuit diagram showing a power conversion apparatus according to an embodiment of the present invention.
도1을 참조하면 본 발명의 일 실시예에 의한 전력변환장치(100)는, 제1 컨버터부(10), 변압부(20), 제2 컨버터부(30) 및 제어부(40)를 포함할 수 있다. Referring to FIG. 1, the
이하, 도1을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 의한 전력변환장치를 설명한다. Hereinafter, a power conversion apparatus according to an embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. 1.
제1 컨버터부(10)는 입력부로부터 인가되는 직류의 입력 전압(Vin)을 제1 교류 전압으로 변환할 수 있다. 제1 컨버터부(10)는 복수의 스위치(SW1, SW2, SW3)들을 포함하며, 스위치들(SW1, SW2, SW3)의 스위칭 동작에 의하여 직류의 입력 전압(Vin)이 제1 교류 전압으로 변환될 수 있다. 변환된 제1 교류 전압은 변압부(20)의 입력단자로 인가될 수 있다. The
구체적으로, 제1 컨버터부(10)에는 입력부의 일단과 제1 노드(n1) 사이에 연결되는 제1 스위치(SW1)와, 입력부의 타단과 제2 노드(n2) 사이에 연결되는 제1 다이오드(D1)가 포함될 수 있다. 또한, 제1 노드(n1)와 제2 노드(n2) 사이에 제2 스위치(SW2)가 연결될 수 있으며, 제2 노드(n2)와 제3 노드(n3) 사이에는 제1 커패시터(C1)가 연결될 수 있다. 추가적으로, 제3 노드(n3)와 입력부의 타단 사이에 연결되는 제3 스위치(SW1)를 더 포함할 수 있다. 여기서, 제1 다이오드(D1)는 전류가 입력부의 타단으로 유입되는 방향으로 흐르도록 전류의 방향을 제한할 수 있으며, 제1 노드(n1)와 제3 노드(n3)는 변압부(20)의 입력단자와 각각 연결될 수 있다. Specifically, the
한편, 도6에 도시한 바와 같이, 스위치들(SW1, SW2, SW3)은 싸이리스터(Thyristor) 또는 절연 게이트 양극성 트랜지스터(Insulated Gate Bippolar Transistor) 등 반도체 스위치와, 병렬 연결된 프리휠링(freewheeling) 다이오드를 포함하는 것일 수 있다.On the other hand, as shown in Figure 6, the switches (SW1, SW2, SW3) is a freewheeling diode connected in parallel with a semiconductor switch, such as a thyristor or an insulated gate bipolar transistor (Insulated Gate Bippolar Transistor) It may be to include.
변압부(20)는 권선비에 따라, 제1 교류 전압을 제2 교류 전압으로 변압할 수 있다. 변압부(20)는 입력단자를 통하여 제1 컨버터부(10)에서 변환된 제1 교류 전압을 입력받을 수 있으며, 변압된 제2 교류 전압을 출력단자로 공급할 수 있다. 여기서, 변압부(20)는 권선비에 따라 제2 교류 전압의 크기를 결정할 수 있으며, 권선비에 따라 제1 교류 전압을 강압 또는 승압할 수 있다. 예를들어 권선비가 14:1인 경우에는, 제1 교류 전압을 1/14로 강압하여 제2 교류 전압으로 출력할 수 있다. 한편, 도6에 도시한 바와 같이, 변압부(20)는 센터 탭(center tap) 구조를 포함할 수 있으며, 내부에 인덕터(Lm)를 더 포함할 수 있다. The
제2 컨버터부(30)는 제2 교류 전압을 정류하여 직류의 출력 전압(Vout)을 생성할 수 있다. 구체적으로, 제2 컨버터부(30)는 변압부(20)의 출력단자와 제4 노드(n4) 사이에 연결되는 제2 다이오드(D2)를 포함할 수 있으며, 제4 노드(n4)와 출력부 사이에 연결되는 제2 인덕터(L2)와 출력부의 양단을 병렬로 연결하는 제2 커패시터(C2)를 포함할 수 있다.The
제어부(40)는 제1 컨버터부(10)에 포함된 스위치들(SW1, SW2, SW3)의 동작을 제어할 수 있으며, 스위치들(SW1, SW2, SW3)의 동작방식에 따라 제1 컨버터부(10)는 제1 모드 또는 제2 모드로 동작할 수 있다. 여기서, 제1 모드로 동작하는 경우에는 전력변환장치(100)가 DEACF(Double-Ended Active Clamp Forward) 컨버터로 동작하고, 제2 모드로 동작하는 경우에는 전력변환장치(100)가 AHB(Asymmetric Half Bridge) 컨버터로 동작할 수 있다. The
구체적으로, 제1 모드에서는, 제어부(40)가 제3 스위치(SW1)를 제1 스위치(SW1)와 동시에 온-오프하도록 동기화시킬 수 있으며, 제1 스위치(SW1)와 제2 스위치(SW2)는 서로 반대로 온-오프하도록 설정할 수 있다. 즉, 제1 스위치(SW1)와 제3 스위치(SW3)는 동시에 온-오프하고, 제2 스위치(SW2)는 제1 스위치(SW1) 및 제3 스위치(SW3)와 상호보완적으로(complementary) 스위칭하도록 제어할 수 있다. 이때, 제1 스위치(SW1), 제2 스위치(SW2) 및 제3 스위치(SW3)는 미리 설정된 스위칭 주파수에 따라, 온-오프하는 스위칭 동작을 반복하여 수행할 수 있다. 즉, 스위치들(SW1, SW2, SW3)의 반복적인 온-오프 동작에 따라, 제1 커패시터(C1)와 변압부(20) 내의 인덕터에 전기에너지와 자기에너지가 충전 또는 방전되면서, 제1 교류 전압을 생성할 수 있다. Specifically, in the first mode, the
제1 모드로 동작하는 경우에는, 도2(a)에 도시한 바와 같이, 먼저 제1 스위치(SW1) 및 제3 스위치(SW3)가 온(on)되고, 제2 스위치(SW2)는 오프(off)될 수 있다. 이 경우, 과도상태(transient state)에서 입력전압(Vin)에 의하여 변압부(20)의 인덕터에 전류가 흐를 수 있으며, 인덕터에는 자기 에너지가 축적되고 제1 커패시터(C1)에는 전기 에너지가 축적될 수 있다. 이후, 도2(b)에 도시한 바와 같이, 제1 스위치(SW1) 및 제3 스위치(SW3)가 동시에 오프되고 제2 스위치(SW2)가 온되면, 입력전압(Vin)의 공급은 차단되고 인덕터와 제1 커패시터(C1)를 포함하는 폐회로가 생성될 수 있다. 이 경우, 인덕터와 제1 커패시터(C1)에 저장된 자기 에너지와 전기에너지에 의하여 폐회로 내에 전류가 흐르게 되며, 이때 전류는 도2(a)와는 반대방향으로 흐를 수 있다. 여기서, 스위치들(SW1, SW2, SW3)의 온-오프 동작을 반복하므로, 전류의 방향이 주기적으로 변화하면서 교류 전류를 형성하게 된다. When operating in the first mode, as shown in Fig. 2A, first switch SW1 and third switch SW3 are first turned on, and second switch SW2 is turned off. can be off). In this case, a current may flow in the inductor of the
즉, 도2(a) 및 도2(b)를 참조하면, 변압기로 공급되는 전류인 I(Llkg)는 반복된 스위칭 동작에 의하여 주기적으로 방향이 바뀌므로, 변압부(20)의 입력단자에 제1 교류 전압을 입력하는 것으로 볼 수 있다. 이후, 변압부(20)는 권선비에 따라 변압을 수행하여 제2 교류 전압을 출력단자로 출력할 수 있다. That is, referring to FIGS. 2A and 2B, since the current I (Llkg), which is supplied to the transformer, is periodically changed in response to the repeated switching operation, the input terminal of the
한편, 도2(a)에 도시한 바와 같이, 제3 스위치(SW3)에 의하여 형성되는 단락회로에 의하여, 제1 다이오드(D1) 방향으로는 전류가 흐르지 않을 수 있으며, 이 경우, 제2 스위치(SW2)와 제1 커패시터(C1)는 실질적으로 직렬로 연결된 것으로 볼 수 있다. 또한, 제1 스위치(SW1) 및 제3 스위치(SW3)의 동작에 의하여 입력전압(Vin)과의 연결이 제어되므로, 이는 일반적인 DEACF 컨버터의 구조에 대응한다. 따라서, 제1 모드로 동작하는 경우에는 전력변환장치(100)가 DEACF 컨버터와 같이 동작할 수 있으며, DEACF 컨버터의 특성을 나타낼 수 있다. On the other hand, as shown in Figure 2 (a), due to the short circuit formed by the third switch (SW3), the current may not flow in the direction of the first diode (D1), in this case, the second switch SW2 and the first capacitor C1 may be regarded as being substantially connected in series. In addition, since the connection to the input voltage Vin is controlled by the operations of the first switch SW1 and the third switch SW3, this corresponds to the structure of a general DEACF converter. Therefore, when operating in the first mode, the
도3은 본 발명의 일 실시예에 의한 전력변환장치(100)가 제1 모드로 동작할 때의 측정결과를 나타내는 그래프이다. 여기서, 도3(a)는 입력전압(Vin)이 240V, 스위칭 주파수가 100kHz, 출력전압(Vout)이 14V, 제1 커패시터(C1)가 450nF, 인덕터(Lm)이 800uH, 제2 인덕터(L2)가 0.7uH, 제2 커패시터(C2)가 100uF, 권선비가 14:1인 경우에 측정한 결과이고, 도3(b)는 동일한 조건에서 입력전압(Vin)이 460V인 경우의 측정결과이다. 여기서, PWM_SW1, PWM_SW2, PWM_SW3는 각각의 스위치(SW1, SW2, SW3)의 게이트에 인가하는 전압이고, V_SW1, V_SW2, V_SW3는 각각의 스위치(SW1, SW2, SW3)의 양단에 인가되는 전압에 해당한다. 또한, I(Llkg)는 변압부(20)로 공급되는 전류, Vout은 전력변환장치(100)에서 출력되는 출력전압에 해당한다. 3 is a graph showing a measurement result when the
여기서, 도3(a)에 도시한 바와 같이, 제1 모드로 동작하는 경우에는, PWM_SW1과 PWM_SW3가 동일하게 동작하도록 제어되는 것을 확인할 수 있으며, 각각의 스위치(SW1, SW2, SW3)가 온(on)될 때에는, 영전압 스위칭(ZVS: Zero Voltage Switching)하는 것을 확인할 수 있다. 또한, 입력전압(Vin)은 240V이지만, 제1 스위치(SW1)에 인가되는 전압의 최대값이 470V로, 스위치 전압 스트레스가 470V로 높게 설정됨을 확인할 수 있다. 즉, 240V의 상대적으로 낮은 입력전압(Vin)이 인가되는 경우에도 동작하여 14V의 출력전압을 제공하는 것이 가능하지만, 상대적으로 높은 스위치 전압 스트레스가 발생함을 확인할 수 있다. Here, as shown in Fig. 3A, when operating in the first mode, it can be seen that PWM_SW1 and PWM_SW3 are controlled to operate in the same manner, and each switch SW1, SW2, SW3 is turned on ( When turned on, it can be seen that zero voltage switching (ZVS) is performed. In addition, although the input voltage Vin is 240V, it can be seen that the maximum value of the voltage applied to the first switch SW1 is set to 470V and the switch voltage stress is set to 470V high. That is, it is possible to operate even when a relatively low input voltage Vin of 240V is applied to provide an output voltage of 14V, but it can be seen that relatively high switch voltage stress occurs.
또한, 도3(b)에 도시한 바와 같이, 460V의 입력전압(Vin)이 인가되는 경우에는, 제2 스위치(SW2)를 온(on)하는 시간을 증가시켜 동일하게 출력전압(Vout) 14V를 출력할 수 있다. 다만, 이때 제1 스위치(SW1)에 인가되는 전압이 610V에 해당하므로, 상대적으로 높은 스위치 전압 스트레스가 설정됨을 확인할 수 있다. 즉, 제1 컨버터(10)가 제1 모드로 동작하는 경우에는, 전력변환장치(100)가 DEACF 컨버터와 같이 넓은 입력전압 범위에 적용가능하지만, 스위칭 전압 스트레스가 상대적으로 높게 설정될 수 있다. In addition, as shown in Fig. 3B, when an input voltage Vin of 460V is applied, the time for turning on the second switch SW2 is increased to equally output voltage Vout 14V. You can output However, at this time, since the voltage applied to the first switch SW1 corresponds to 610V, it can be confirmed that a relatively high switch voltage stress is set. That is, when the
한편, 제2 모드에서는 제어부(40)가 제3 스위치(SW1)를 오프(off) 상태로 유지할 수 있으며, 제1 스위치(SW1)와 제2 스위치(SW2)는 서로 반대로 온-오프할 수 있다. 즉, 제3 스위치(SW3)를 오프한 상태에서, 제1 스위치(SW1)와 제2 스위치(SW2)만을 반복하여 상호보완적으로(complementary) 스위칭하도록 제어할 수 있다. 이때, 제1 스위치(SW1)와 제2 스위치(SW2)는, 미리 설정된 스위칭 주파수에 따라 스위칭 동작을 반복 수행할 수 있다. 이 경우, 제1 커패시터(C1)와 변압부(20) 내의 인덕터에 전기에너지와 자기에너지가 반복하여 충전 또는 방전되면서, 직류의 입력전압(Vin)을 제1 교류 전압으로 변환할 수 있다. In the second mode, the
제2 모드로 동작하는 경우에는, 도4(a)에 도시한 바와 같이, 먼저 제1 스위치(SW1)가 온되고, 제2 스위치(SW2)는 오프될 수 있으며, 제3 스위치(SW3)는 오프된 상태를 유지하고 있을 수 있다. 이 경우, 과도상태에서 입력전압(Vin)에 의하여 변압부(20)의 인덕터와 제1 커패시터(C1)에는 전류가 흐를 수 있으며, 인덕터에는 자기 에너지가 축적되고 제1 커패시터(C1)에는 전기 에너지가 축적될 수 있다. 이후, 도4(b)에 도시한 바와 같이, 제1 스위치(SW1)가 오프되고 제2 스위치(SW2)가 온되며, 제3 스위치(SW3)는 오프된 상태를 유지하는 경우, 입력전압(Vin)의 공급은 차단되고, 인덕터와 제1 커패시터(C1)를 포함하는 폐회로가 생성될 수 있다. 이 경우, 인덕터와 제1 커패시터(C1)에 저장된 자기 에너지와 전기 에너지에 의하여, 폐회로 내에 전류가 흐르게 된다. 이때, 폐회로 내의 전류는 도4(a)와는 반대방향으로 흐를 수 있다. 따라서, 스위치들(SW1, SW2)의 온-오프 동작을 반복하게 되면, 흐르는 전류의 방향이 순차적으로 변화하면서 교류 전류를 형성하게 된다. When operating in the second mode, as shown in FIG. 4A, first switch SW1 may be turned on first, second switch SW2 may be turned off, and third switch SW3 may be turned off. It may remain off. In this case, current may flow in the inductor and the first capacitor C1 of the
즉, 도4(a)와 도4(b)를 참조하면, 변압기로 공급되는 전류인 I(Llkg)는 반복된 스위칭 동작에 의하여 주기적으로 방향이 바뀌므로, 변압부(20)의 입력단자에 제1 교류 전압을 입력하는 것으로 볼 수 있다. 이후, 변압부(20)는 권선비에 따라 변압을 수행하여 제2 교류 전압을 출력단자로 출력할 수 있다. That is, referring to FIGS. 4 (a) and 4 (b), since the current I (Llkg), which is supplied to the transformer, is periodically changed in response to repeated switching operations, the input terminal of the
한편, 도4(a) 및 도4(b)에 도시한 바와 같이, 제3 스위치(SW3)는 항상 오프된 상태이므로 제3 스위치(SW3) 부분은 생략가능하며, 이 경우 일반적인 AHB 컨버터의 구조에 대응한다. 따라서, 제2 모드로 동작하는 경우에는 전력변환장치(100)가 AHB 컨버터와 같이 동작할 수 있으며, AHB 컨버터의 특성을 나타낼 수 있다. On the other hand, as shown in Figure 4 (a) and 4 (b), since the third switch (SW3) is always turned off, the third switch (SW3) portion can be omitted, in this case the structure of a general AHB converter Corresponds to. Therefore, when operating in the second mode, the
도5는 본 발명의 일 실시예에 의한 전력변환장치(100)가 제2 모드로 동작할 때의 측정결과를 나타내는 그래프이다. 여기서, 도5는 입력전압(Vin)이 820V, 스위칭 주파수가 100kHz, 출력전압(Vout)이 14V, 제1 커패시터(C1)가 450nF, 인덕터(Lm)가 800uH, 제2 인덕터가 0.7uH, 제2 커패시터(C2)가 100uF, 권선비가 14:1인 경우에 측정한 결과에 해당한다. 여기서, PWM_SW1, PWM_SW2, PWM_SW3는 각각의 스위치(SW1, SW2, SW3)의 게이트에 인가하는 전압이고, V_SW1, V_SW2, V_SW3는 각각의 스위치(SW1, SW2, SW3)의 양단에 인가되는 전압에 해당한다. 또한, I(Llkg)는 변압부(20)로 공급되는 전류, Vout은 전력변환장치(100)에서 출력되는 출력전압에 해당한다.5 is a graph showing a measurement result when the
도5를 참조하면, 제2 모드로 동작하는 경우에는, PWM_SW3이 오프 상태로 유지되는 것을 확인할 수 있으며, 각각의 스위치(SW1, SW2)가 온(on)될 때에는, 영전압 스위칭을 수행하는 것을 확인할 수 있다. 또한, 입력전압(Vin)이 820V로 상대적으로 높게 설정되지만, 제1 스위치(SW1)와 제2 스위치(SW2)에 인가되는 전압은 820V로 스위치 전압 스트레스가 상대적으로 높지 않음을 확인할 수 있다. 다만, 제2 모드로 동작하는 경우에는, 240V 등 낮은 전압 범위에서는 제대로 동작하지 못할 수 있다. 즉, 제1 컨버터(10)가 제2 모드로 동작하는 경우에는, 전력변환장치(100)가 AHB 컨버터와 같이 입력전압 범위가 좁을 수 있으나, 스위칭 전압 스트레스가 상대적으로 낮게 설정될 수 있다. Referring to FIG. 5, when operating in the second mode, it can be seen that PWM_SW3 is maintained in an off state. When each of the switches SW1 and SW2 is on, performing zero voltage switching is performed. You can check it. In addition, although the input voltage Vin is set to be relatively high at 820V, the voltage applied to the first switch SW1 and the second switch SW2 is 820V, so that the switch voltage stress is relatively high. However, when operating in the second mode, it may not operate properly in a low voltage range such as 240V. That is, when the
여기서, 제어부(40)는 제1 컨버터(10)를 제1 모드 또는 제2 모드로 동작하도록 제어할 수 있으므로, 전력변환장치(100)의 용도와 상황에 맞게 각각의 모드를 선택하는 것이 가능하다. 즉, 제어부(40)는 제1 컨버터(10)의 모드를 선택함으로써, 넓은 입력전압범위 내에서 스위치 전압 스트레스를 최소화하도록 제어할 수 있다. Here, since the
구체적으로, 제어부(40)는 설정된 입력전압(Vin)의 크기에 따라, 제1 모드 또는 제2 모드를 선택하여 전원변환을 수행하도록 할 수 있다. 예를들어, 입력전압(Vin)이 240V 이상 460V 이하의 낮은 전압으로 설정되는 경우에는, 제1 모드의 DEACF 컨버터로 동작하도록 할 수 있다. 이 경우, DEACF 컨버터는 넓은 입력전압 범위를 지원하므로, 낮은 입력전압에서도 전력변환을 수행하는 것이 가능하다. In detail, the
반면에, 470V 이상 820V 이하의 높은 입력전압(Vin)이 설정된 경우에는, 제2 모드를 선택하여 AHB 컨버터로 동작하도록 할 수 있다. 이 경우, AHB 컨버터는 높은 입력전압에도 각각의 스위치(SW1, SW2, SW3)에 인가되는 전압은 상대적으로 낮게 설정되므로, 스위칭 전압 스트레스를 줄이는 것이 가능하다. 따라서, 470V 이상 820V 이하의 높은 입력전압(Vin)에서는 제2 모드로 동작하도록 하여, 스위치들에 대한 스위칭 전압 스트레스를 감소시킬 수 있다.On the other hand, when a high input voltage Vin of 470V or more and 820V or less is set, the second mode may be selected to operate as an AHB converter. In this case, since the voltage applied to each of the switches SW1, SW2, and SW3 is set relatively low even at a high input voltage, the AHB converter can reduce the switching voltage stress. Therefore, the switching voltage stress on the switches can be reduced by operating in the second mode at a high input voltage Vin of 470V or more and 820V or less.
이와 같이, 전력변환장치(100)는 제1 모드와 제2 모드를 상황에 따라 선택할 수 있으므로, 넓은 입력전압 범위 내에서 동작하는 동시에 스위치들에 대한 스위칭 전압 스트레스를 감소시키는 것이 가능하다. 추가적으로, 본 발명의 일 실시예에 의한 전력변환장치(100)의 회로도는 도6과 같이 구현할 수 있다. As such, since the
본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니다. 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명에 에 따른 구성요소를 치환, 변형 및 변경할 수 있다는 것이 명백할 것이다.The present invention is not limited by the above-described embodiment and the accompanying drawings. It will be apparent to those skilled in the art that the present invention may be substituted, modified, and changed in accordance with the present invention without departing from the technical spirit of the present invention.
10: 제1 컨버터
20: 변압부
30: 제2 컨버터
40: 제어부
100: 전력변환장치10: first converter 20: transformer
30: second converter 40: control unit
100: power inverter
Claims (8)
권선비에 따라, 상기 제1 교류 전압을 제2 교류 전압으로 변압하는 변압부;
상기 제2 교류 전압을 정류하여 직류의 출력 전압을 생성하고, 출력부를 통하여 상기 출력 전압을 출력하는 제2 컨버터부; 및
상기 스위치들의 동작을 제어하여, 상기 제1 컨버터부를 제1 모드 또는 제2 모드로 동작하도록 설정하는 제어부를 포함하는 전력변환장치.
A first converter unit including a plurality of switches, and converting an input voltage of a DC applied from an input unit into a first AC voltage according to a switching operation of the switches;
A transformer for transforming the first AC voltage into a second AC voltage according to a turns ratio;
A second converter unit rectifying the second AC voltage to generate an output voltage of DC, and outputting the output voltage through an output unit; And
And a controller configured to control an operation of the switches to set the first converter unit to operate in a first mode or a second mode.
상기 제1 모드에서는 DEACF(Double Ended Active Clamp Foreward) 컨버터로 동작하도록 설정하고, 상기 제2 모드에서는 AHB(Asymmetric Half Bridge) 컨버터로 동작하도록 설정하는 것을 특징으로 하는 전력변환장치.
The method of claim 1, wherein the control unit
And set to operate as a double ended active clamp forward (DEACF) converter in the first mode, and to operate as an symmetric half bridge (AHB) converter in the second mode.
상기 입력부의 일단과 제1 노드 사이에 연결되는 제1 스위치;
상기 입력부의 타단과 제2 노드 사이에 연결되는 제1 다이오드;
상기 제1 노드와 제2 노드 사이에 연결되는 제2 스위치;
상기 제2 노드와 제3 노드 사이에 연결되는 제1 커패시터; 및
상기 제3 노드와 상기 입력부의 타단 사이에 연결되는 제3 스위치를 포함하고,
상기 제1 노드 및 제3 노드는 상기 변압부의 입력단자에 각각 연결되며,
상기 다이오드는 전류의 방향을 상기 입력부의 타단으로 유입되는 방향으로 제한하는 것을 특징으로 하는 전력변환장치.
The method of claim 1, wherein the first converter unit
A first switch connected between one end of the input unit and a first node;
A first diode connected between the other end of the input unit and a second node;
A second switch connected between the first node and a second node;
A first capacitor connected between the second node and a third node; And
A third switch connected between the third node and the other end of the input unit;
The first node and the third node are respectively connected to the input terminal of the transformer,
The diode is a power converter, characterized in that for limiting the direction of the current flows into the other end of the input portion.
상기 제1 모드로 동작하는 경우에는, 상기 제3 스위치를 상기 제1 스위치와 동시에 온-오프하도록 동기화하고, 상기 제1 스위치와 제2 스위치는 서로 반대로 온-오프하도록 설정하는 것을 특징으로 하는 전력변환장치.
The method of claim 3, wherein the control unit
In case of operating in the first mode, the third switch is synchronized with the first switch to be on-off simultaneously, and the first switch and the second switch are configured to be turned on and off oppositely to each other. Inverter.
상기 제2 모드로 동작하는 경우에는, 상기 제3 스위치를 오픈한 상태로 유지하고, 상기 제1 스위치와 제2 스위치는 서로 반대로 온-오프하도록 설정하는 것을 특징으로 하는 전력변환장치.
The method of claim 3, wherein the control unit
In the case of operating in the second mode, the third switch is maintained in an open state, and the first switch and the second switch characterized in that the setting to be turned on and off opposite to each other.
상기 제1 스위치와 제2 스위치가 온-오프하는 스위칭 동작을, 스위칭 주파수에 따라 반복하여 수행하도록 설정하는 것을 특징으로 하는 전력변환장치.
The method of claim 4 or 5, wherein the control unit
And setting the switching operation in which the first switch and the second switch are turned on and off repeatedly according to a switching frequency.
상기 입력 전압의 크기에 따라, 상기 제1 컨버터부를 상기 제1 모드 또는 제2 모드로 동작하도록 제어하는 것을 특징으로 하는 전력변환장치.
The method of claim 1, wherein the control unit
And controlling the first converter to operate in the first mode or the second mode according to the magnitude of the input voltage.
상기 변압부의 출력단자와 제4 노드 사이에 연결되는 제2 다이오드;
상기 제4 노드와 상기 출력부 사이에 연결되는 제2 인덕터; 및
상기 출력부의 양단을 병렬로 연결하는 제2 커패시터를 포함하는 것을 특징으로 하는 전력변환장치.
The method of claim 2, wherein the second converter unit
A second diode connected between the output terminal of the transformer and a fourth node;
A second inductor connected between the fourth node and the output unit; And
And a second capacitor connecting both ends of the output unit in parallel.
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