KR20220058309A - Apparatus for converting power employing active snubber for improvement the reverse recovery characteristics of DC-DC boost bonverter - Google Patents

Apparatus for converting power employing active snubber for improvement the reverse recovery characteristics of DC-DC boost bonverter Download PDF

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Abstract

An embodiment relates to a power conversion device including an active snubber circuit for improving a diode reverse recovery characteristic of a DC-DC boost converter. In detail, the power conversion device proposes an active snubber capable of zero voltage switching (ZVS). In detail, the proposed active snubber includes two capacitors, one inductor, one auxiliary switch, and one diode. In addition, the inductor connected in series to a main switch enables the main switch and the auxiliary switch to perform the ZVS. Further, a switching turn-on loss caused by a reverse recovery current occurring in an output diode is removed. Additionally, in this case, the two capacitors form a charge pump path connected to the one diode together with the auxiliary switch so as to lower turn-off voltages of the main switch and the auxiliary switch, thereby improving a switching turn-off loss. Therefore, when a power suitable for a load is converted through the above configuration, high-speed switching is performed from a circuit of the proposed active snubber, so that power density of the circuit is increased.

Description

DC-DC 부스트 컨버터의 다이오드 역회복 특성을 개선하기 위한 능동형 스너버 회로를 구비한 전력변환장치{Apparatus for converting power employing active snubber for improvement the reverse recovery characteristics of DC-DC boost bonverter}Apparatus for converting power employing active snubber for improvement the reverse recovery characteristics of DC-DC boost bonverter

본 명세서에 개시된 내용은 DC-DC 부스트 컨버터 기술 분야에 관한 것으로, 보다 상세하게는 전력변환을 할 경우, 스너버 회로로부터 스위칭 손실을 줄여 고속 스위칭을 통해 회로의 전력밀도를 높이는 기술에 관한 것이다.The present disclosure relates to the field of DC-DC boost converter technology, and more particularly, to a technology for increasing the power density of a circuit through high-speed switching by reducing switching loss from a snubber circuit when power is converted.

본 명세서에서 달리 표시되지 않는 한, 이 섹션에 설명되는 내용들은 이 출원의 청구항들에 대한 종래 기술이 아니며, 이 섹션에 포함된다고 하여 종래 기술이라고 인정되는 것은 아니다.Unless otherwise indicated herein, the material described in this section is not prior art to the claims of this application, and inclusion in this section is not an admission that it is prior art.

일반적으로, DC-DC 컨버터는 DC 입력 전압을 DC 출력 전압으로 변환하여 출력하는 장치로, 입력 전압을 승압 변환하여 출력하는 부스트 컨버터(boost converter)가 있다. 그리고, 이 외에도 입력 전압을 강압 변환하여 출력하는 벅(buck) 컨버터와, 및 입력 전압을 승압 또는 강압 변환하여 출력하는 벅/부스트 컨버터 등으로 구분될 수 있다.In general, a DC-DC converter is a device that converts and outputs a DC input voltage into a DC output voltage, and there is a boost converter that converts the input voltage and outputs the boost converter. In addition, it may be divided into a buck converter for outputting an input voltage by step-down conversion, and a buck/boost converter for outputting an input voltage by step-up or step-down conversion.

이러한 다양한 DC-DC 컨버터들은 스위칭 소자의 듀티비를 조절하여 출력 전압을 조절하는데, 최근의 제품 소형화, 경량화 요구 추세에 따라 구조가 단순하고 제어가 용이하며 소형화가 가능한 PWM 방식의 스위칭 소자 제어 방식이 널리 이용되고 있다.These various DC-DC converters control the output voltage by adjusting the duty ratio of the switching element. According to the recent demand for product miniaturization and weight reduction, a PWM-type switching element control method that is simple in structure, easy to control and miniaturized has been adopted. It is widely used.

여기에서, 특히 부스트 컨버터는 구성과 제어가 간편하여 다양한 전력변환 시스템에 활용되고 있다. 하지만 hard-switching 조건에서 발생하는 switching turn-on/off 손실은 스위치 소자의 발열을 증가시키고, 회로 전체 효율을 저하시킨다. 또한, 부스트 컨버터의 스위치가 턴-온(turn-on) 되는 순간, 출력 다이오드의 역 회복 전류(reverse recovery current)가 스위치로 유입되면서 스위치의 turn-on 손실을 증가시킨다. 그래서, 이러한 스위치에서 발생하는 손실은 스위칭 동작 주파수에 비례하여 증가하기 때문에 회로의 전력밀도를 높이기 위한 고속 스위칭에 한계가 존재한다.Here, in particular, the boost converter is used in various power conversion systems because it is easy to configure and control. However, the switching turn-on/off loss that occurs under hard-switching conditions increases heat generation of the switch element and lowers the overall efficiency of the circuit. In addition, when the switch of the boost converter is turned on, the reverse recovery current of the output diode flows into the switch, increasing the turn-on loss of the switch. Therefore, since the loss occurring in such a switch increases in proportion to the switching operating frequency, there is a limit to high-speed switching for increasing the power density of the circuit.

이러한 배경의 선행기술문헌은 아래의 특허문헌 등이다.Prior art documents in this background are the following patent documents and the like.

(특허문헌 0001) KR100638484 Y1(Patent Document 0001) KR100638484 Y1

참고적으로, 위의 특허문헌 1의 기술은 제안한 스너버 회로 형태와 유사한 스너버 회로를 가지는데, 이는 부스트 컨버터 회로의 정류용 브리지 다이오드들의 역회복 특성에 따른 스위칭 손실을 줄인다.For reference, the technology of Patent Document 1 has a snubber circuit similar to the proposed snubber circuit type, which reduces switching loss due to reverse recovery characteristics of rectification bridge diodes of the boost converter circuit.

그러나, 이러한 종래 기술은 정류용 브리지 다이오드의 동작과 역률 개선 회로의 동작을 동시에 처리하고, 입력 전압을 일정 전압으로 승압할 때 스너버 회로에 의하여 스위칭 손실을 감소시키는 것으로 차이점이 있다.However, this prior art has a difference in that the operation of the rectification bridge diode and the operation of the power factor correction circuit are simultaneously processed, and the switching loss is reduced by the snubber circuit when the input voltage is boosted to a constant voltage.

개시된 내용은, 부하에 맞는 전력을 변환할 경우, 제안한 능동형 스너버 회로로부터 고속 스위칭을 수행함으로써, 회로의 전력밀도를 높일 수 있도록 하는 DC-DC 부스터 컨버터의 다이오드 역회복 특성을 개선하기 위한 능동형 스너버 회로를 구비한 전력변환장치를 제공하고자 한다.The disclosed content is an active switch to improve the diode reverse recovery characteristic of a DC-DC booster converter that can increase the power density of the circuit by performing high-speed switching from the proposed active snubber circuit when converting power suitable for the load. An object of the present invention is to provide a power converter having a null circuit.

실시예에 따른 DC-DC 부스터 컨버터의 다이오드 역회복 특성을 개선하기 위한 능동형 스너버 회로를 구비한 전력변환장치는,A power conversion device having an active snubber circuit for improving diode reverse recovery characteristics of a DC-DC booster converter according to an embodiment,

영 전압 스위칭(zero voltage switching : ZVS)이 가능한 능동형 스너버(active snubber)를 제안하는 것을 특징으로 한다.It is characterized by proposing an active snubber capable of zero voltage switching (ZVS).

구체적으로는, 제안한 능동형 스너버는 커패시터 2개와, 인덕터 1개, 보조 스위치 1개, 다이오드 1개로 구성된다. 그리고, 메인 스위치에 직렬로 연결된 인덕터는 메인 스위치와 보조 스위치가 ZVS가 가능하도록 한다. 또한, 이에 더하여 출력 다이오드에서 발생하는 역 회복 전류(reverse recovery current)로 인한 switching turn-on 손실을 제거한다. 추가적으로, 이러한 경우 상기 커패시터 2개는 보조 스위치와, 상기 1개의 다이오드로 연결된 전하 펌프 경로(charge pump path)를 형성하여 메인 스위치와 보조 스위치의 턴-오프 전압을 낮추어 switching turn-off 손실을 개선하는 역할을 하는 것을 특징으로 한다.Specifically, the proposed active snubber consists of two capacitors, one inductor, one auxiliary switch, and one diode. And, the inductor connected in series to the main switch enables ZVS between the main switch and the auxiliary switch. In addition, the switching turn-on loss due to the reverse recovery current generated in the output diode is eliminated. Additionally, in this case, the two capacitors form a charge pump path connected to the auxiliary switch and the one diode to lower the turn-off voltage of the main switch and the auxiliary switch to improve the switching turn-off loss. It is characterized in that it plays a role.

보다 상세하게, 이러한 전력변환장치는,More specifically, this power conversion device,

기준 구동 전원을 입력받는 인덕터;an inductor receiving reference driving power;

상기 인덕터에 의한 기준 구동 전원출력을 제어부의 제어신호에 따라 스위칭하여 직류 전원으로 변환하는 메인 스위치;a main switch for converting the reference driving power output by the inductor into DC power by switching it according to a control signal from a control unit;

상기 메인 스위치에 의해 변환된 직류 전원을 정류하여 부하 측으로 출력하는 다이오드; 및a diode rectifying the DC power converted by the main switch and outputting it to the load side; and

상기 다이오드에 의해 정류될 경우에 해당 직류 전원을 평활화하는 커패시터; 를 포함하고 있으며,a capacitor for smoothing the corresponding DC power when rectified by the diode; contains,

상기 인덕터와 상기 다이오드의 사이에 설치된 제 1 커패시터와, 상기 인덕터와 상기 제 1 커패시터의 연결된 일단과 상기 메인 스위치의 사이에 설치된 서브 인덕터, 상기 서브 인덕터와 상기 메인 스위치의 사이로부터 연결된 보조 스위치, 상기 보조 스위치와 상기 다이오드의 사이로부터 연결된 제 2 커패시터와 서브 다이오드를 구비한 능동형 스너버; 를 포함하고,a first capacitor installed between the inductor and the diode, a sub-inductor installed between one end of the inductor and the first capacitor and the main switch, an auxiliary switch connected between the sub-inductor and the main switch; an active snubber having a second capacitor and a sub-diode connected between the auxiliary switch and the diode; including,

상기 능동형 스너버는,The active snubber,

a) 상기 메인 스위치에 직렬로 연결되어 상기 메인 스위치와 상기 보조 스위치에 의해 턴-온이 될 경우, 영 전압 스위칭(ZVS : Zero Voltage Switching)을 하면서, 상기 다이오드로부터의 역 회복 전류(reverse recovery current) 차단을 하고,a) when connected in series to the main switch and turned on by the main switch and the auxiliary switch, while performing Zero Voltage Switching (ZVS), a reverse recovery current from the diode ) to block

b) 상기 제 1 커패시터와 상기 제 2 커패시터는 상기 보조 스위치와 상기 서브 다이오드로 연결된 전하 펌프 경로(chagre pump path)를 형성하여 상기 메인 스위치와 상기 보조 스위치의 턴-오프 전압을 낮추는 것; 을 특징으로 한다.b) the first capacitor and the second capacitor form a charge pump path connected to the auxiliary switch and the sub-diode to lower turn-off voltages of the main switch and the auxiliary switch; is characterized by

실시예들에 의하면, 부하에 맞는 전력을 변환할 경우, 제안한 능동형 스너버 회로로부터 고속 스위칭을 수행함으로써, 회로의 전력밀도를 높인다.According to the embodiments, when converting power suitable for a load, high-speed switching is performed from the proposed active snubber circuit, thereby increasing the power density of the circuit.

도 1과 도 2는 일실시예에 따른 DC-DC 부스터 컨버터의 다이오드 역회복 특성을 개선하기 위한 능동형 스너버 회로를 구비한 전력변환장치를 설명하기 위한 도면
도 3은 일실시예에 따른 DC-DC 부스터 컨버터의 다이오드 역회복 특성을 개선하기 위한 능동형 스너버 회로를 구비한 전력변환장치의 동작 모드와 전류 흐름을 보여주는 도면
도 4는 일실시예에 따른 DC-DC 부스터 컨버터의 다이오드 역회복 특성을 개선하기 위한 능동형 스너버 회로를 구비한 전력변환장치의 시뮬레이션 결과를 보여주는 도면1 and 2 are views for explaining a power conversion device having an active snubber circuit for improving the diode reverse recovery characteristics of the DC-DC booster converter according to an embodiment
3 is a view showing an operation mode and current flow of a power converter having an active snubber circuit for improving diode reverse recovery characteristics of a DC-DC booster converter according to an embodiment;
4 is a view showing a simulation result of a power conversion device having an active snubber circuit for improving diode reverse recovery characteristics of a DC-DC booster converter according to an embodiment;

도 1과 도 2는 일실시예에 따른 DC-DC 부스터 컨버터의 다이오드 역회복 특성을 개선하기 위한 능동형 스너버 회로를 구비한 전력변환장치를 설명하기 위한 도면이다.1 and 2 are views for explaining a power conversion device having an active snubber circuit for improving the diode reverse recovery characteristics of the DC-DC booster converter according to an embodiment.

구체적으로는, 도 1은 일실시예에 따른 DC-DC 부스터 컨버터의 다이오드 역회복 특성을 개선하기 위한 능동형 스너버 회로를 구비한 전력변환장치의 구성을 도시한 회로도이다. 그리고, 도 2는 이러한 전력변환장치의 등가 회로이다.Specifically, FIG. 1 is a circuit diagram illustrating a configuration of a power conversion device having an active snubber circuit for improving diode reverse recovery characteristics of a DC-DC booster converter according to an embodiment. And, Figure 2 is an equivalent circuit of such a power conversion device.

도 1과 도 2에 도시된 바와 같이, 일실시예에 따른 전력변환장치는 기존과 같이, 미리 설정된 구동 전원을 여러 부하의 구동 전원에 맞게 변환하는 DC-DC 부스터 컨버터와, 이러한 변환시의 스위칭 손실을 줄이는 스너버 회로(110)를 포함한다.As shown in FIGS. 1 and 2 , the power conversion device according to an embodiment includes a DC-DC booster converter that converts a preset driving power to match the driving power of several loads, as in the prior art, and a switching loss during such conversion It includes a snubber circuit 110 that reduces .

부연하면, 상기 DC-DC 부스터 컨버터는 기본적으로 이를 위해 기준 구동 전원을 입력받는 인덕터(101)와, 상기 인덕터(101)에 의한 기준 구동 전원출력을 제어부의 제어신호에 따라 스위칭하여 직류 전원으로 변환하는 메인 스위치(102)를 포함한다. 그리고, 이러한 경우, 상기 메인 스위치(102)에 의해 변환된 직류 전원을 정류하여 부하 측으로 출력하는 다이오드(103)와, 상기 다이오드(103)에 의해 정류될 경우에 해당 직류 전원을 평활화하는 커패시터(104)를 포함한다.In other words, the DC-DC booster converter basically converts the inductor 101 that receives the reference driving power for this purpose, and the reference driving power output by the inductor 101 is switched according to the control signal of the controller to convert it into DC power. and a main switch 102 that In this case, the diode 103 rectifies the DC power converted by the main switch 102 and outputs it to the load side, and the capacitor 104 smoothes the DC power when rectified by the diode 103 . ) is included.

이러한 상태에서, 일실시예에 따라 이러한 전력변환장치는 상기 스너버 회로(110)가 커패시터 2개(111, 114), 인덕터 1개(112), 보조 스위치 1개(113), 다이오드 1개(115)로 구성된다.In this state, according to one embodiment, such a power conversion device is the snubber circuit 110 is two capacitors (111, 114), one inductor 112, one auxiliary switch 113, one diode ( 115).

그리고, 이러한 경우, 상기 메인 스위치(102)에 직렬로 연결된 인덕터, 즉 서브 인덕터(112)는 메인 스위치(102)와 보조 스위치(113)가 영 전압 스위칭(zero voltage switching : ZVS)이 가능하도록 한다. 그리고, 또한 출력 다이오드(103)에서 발생하는 역 회복 전류로 인한 switching turn-on 손실을 제거한다. 이에 더하여, 제 1 커패시터(111)와 제 2 커패시터(114)는 보조 스위치(113)와, 서브 다이오드(115)로 연결된 전하 펌프 경로(charge pump path)를 형성하여 메인 스위치(102)와 보조 스위치(103)의 turn-off 전압을 낮추어 switching turn-off 손실을 개선하는 역할을 한다.And, in this case, the inductor connected in series to the main switch 102, that is, the sub-inductor 112 enables the main switch 102 and the auxiliary switch 113 to perform zero voltage switching (ZVS). . Also, the switching turn-on loss due to the reverse recovery current generated in the output diode 103 is eliminated. In addition, the first capacitor 111 and the second capacitor 114 form a charge pump path connected to the auxiliary switch 113 and the sub-diode 115 to form the main switch 102 and the auxiliary switch. It serves to improve the switching turn-off loss by lowering the turn-off voltage of (103).

구체적으로는, 상기 스너버 회로(110)는 아래의 구성을 구비한다.Specifically, the snubber circuit 110 has the following configuration.

즉, 상기 스너버 회로(110)는,That is, the snubber circuit 110 is

상기 인덕터(101)와 상기 다이오드(103)의 사이에 설치된 제 1 커패시터(111)와;a first capacitor (111) installed between the inductor (101) and the diode (103);

상기 인덕터(101)와 상기 제 1 커패시터(111)의 연결된 일단과 상기 메인 스위치(102)의 사이에 설치된 서브 인덕터(112);a sub-inductor (112) installed between one end of the inductor (101) and the first capacitor (111) and the main switch (102);

상기 서브 인덕터(112)와 상기 메인 스위치(102)의 사이로부터 연결된 보조 스위치(113);an auxiliary switch 113 connected from between the sub-inductor 112 and the main switch 102;

상기 보조 스위치(113)와 상기 다이오드(103)의 사이로부터 연결된 제 2 커패시터(114)와 서브 다이오드(115); 를 구비한다.a second capacitor 114 and a sub-diode 115 connected between the auxiliary switch 113 and the diode 103; to provide

이러한 일실시예에 따른 전력변환장치의 동작을 설명한다.The operation of the power conversion device according to this embodiment will be described.

먼저, 이러한 전력변환장치는 기본적으로 기존과 같이, 부하에 전력을 공급할 경우에 메인 스위치(102)에서 기준 구동 전원을 제어신호에 따라 스위칭하여 부하에 맞는 직류 전원으로 변환해서 다이오드(103)를 통해 공급함으로써, 전력변환이 이루어진다.First, such a power converter basically converts the reference driving power to a DC power suitable for the load by switching the reference driving power in the main switch 102 according to the control signal when power is supplied to the load, as in the conventional one, and then through the diode 103. By supplying, power conversion is made.

이러한 상태에서, 일실시예에 따른 전력변환장치는 전술한 능동형 스너버(110)가 아래의 동작을 수행한다.In this state, in the power conversion device according to an embodiment, the active snubber 110 described above performs the following operation.

a) 즉, 상기 능동형 스너버(110)는 상기 메인 스위치(102)에 직렬로 연결되어 상기 메인 스위치(102)와 상기 보조 스위치(113)에 의해 턴-온이 될 경우, 영 전압 스위칭(ZVS)을 하면서, 상기 다이오드(103)로부터의 역 회복 전류 차단을 한다.a) That is, when the active snubber 110 is connected in series to the main switch 102 and turned on by the main switch 102 and the auxiliary switch 113, zero voltage switching (ZVS) ) while blocking the reverse recovery current from the diode 103 .

b) 그리고, 상기 제 1 커패시터(111)와 상기 제 2 커패시터(114)는 상기 보조 스위치(113)와 상기 서브 다이오드(115)로 연결된 chagre pump path를 형성하여 상기 메인 스위치(102)와 상기 보조 스위치(113)의 턴-오프 전압을 낮춘다.b) The first capacitor 111 and the second capacitor 114 form a chagre pump path connected to the auxiliary switch 113 and the sub-diode 115 to form the main switch 102 and the auxiliary The turn-off voltage of the switch 113 is lowered.

따라서, 이를 통해 부하에 맞는 전력을 변환할 경우, 이러한 능동형 스너버 회로로부터 고속 스위칭을 수행함으로써, 회로의 전력밀도를 높인다. Therefore, when converting power suitable for the load through this, by performing high-speed switching from such an active snubber circuit, the power density of the circuit is increased.

추가적으로, 상기 전력변환장치의 동작 분석을 도 2의 등가 회로를 통해 간편하게 상세히 설명한다. 이에 대한 구체적인 설명은 아래의 도 3을 통해 설명한다.Additionally, the operation analysis of the power conversion device will be conveniently described in detail through the equivalent circuit of FIG. 2 . A detailed description thereof will be described with reference to FIG. 3 below.

먼저, 여기에서는 다음의 가정을 사용하여 제안한 회로의 등가회로를 구성하였다.First, here, the equivalent circuit of the proposed circuit was constructed using the following assumptions.

1) 모든 소자는 기생성분을 무시할 수 있는 이상적인 소자이다.1) All devices are ideal devices that can ignore parasitic components.

2) L m 은 전류 ripple을 무시할 수 있을 만큼 큰 값을 가지기 때문에 V IN 과 L m 을 ideal current source (I IN )으로 근사한다.2) Since L m has a value large enough to ignore the current ripple, V IN and L m are approximated as an ideal current source ( I IN ).

3) C 1, C 2, C O는 전압 ripple을 무시할 수 있을 정도로 충분히 큰 값을 가지기 때문에 각 capacitor의 전압을 ideal voltage source (V C 1, V C 2, V O )로 근사한다.3) Since C 1 , C 2 , and C O have sufficiently large values to allow negligible voltage ripple, the voltage of each capacitor is approximated by an ideal voltage source ( V C 1 , V C 2 , V O ).

제안한 회로는 정상상태 조건에서 한 주기 (Ts) 동안 6개의 모드로 구분되어 동작하며, 각 동작 모드에 대한 등가회로와 전류 흐름은 아래의 도 3에 나타내었다. Mode 1이 시작되기 직전에 SW 1, D 1은 off, SW 2, D O 는 on 상태이며 I IN 은 D O 를 통해 출력으로 전달되고 있다.The proposed circuit operates in six modes for one cycle (Ts) under steady-state conditions, and the equivalent circuit and current flow for each operation mode are shown in FIG. 3 below. Just before Mode 1 starts, SW 1 , D 1 are off, SW 2 , D O are on, and I IN is being delivered to the output through DO .

도 3은 일실시예에 따른 DC-DC 부스터 컨버터의 다이오드 역회복 특성을 개선하기 위한 능동형 스너버 회로를 구비한 전력변환장치의 동작 모드와 전류 흐름을 보여주는 도면이다.3 is a view showing an operation mode and current flow of a power converter having an active snubber circuit for improving diode reverse recovery characteristics of a DC-DC booster converter according to an embodiment.

도 3에 도시된 바와 같이, 일실시예에 따른 전력변환장치는 먼저 모드 1을 구동한다.As shown in Figure 3, the power conversion device according to an embodiment drives the first mode.

모드 1 : 보조 스위치(SW 2)가 턴-오프 되고 메인 스위치(SW 1)의 body diode가 턴-온 되면서 시작된다. 이때 서브 다이오드(D 1)는 오프, 다이오드(D O )는 온 상태를 유지한다. SW 1의 body diode를 통해 SW 1의 전류가 증가하면서 ZVS가 시작된다. 이므로 SW 1의 전류는 의 기울기로 증가한다. 모드 1은 SW 1의 전류가 0이 되는 순간 종료한다.Mode 1: The auxiliary switch ( SW 2 ) is turned off and the body diode of the main switch ( SW 1 ) is turned on and started. At this time, the sub-diode ( D 1 ) is off, and the diode ( D O ) is maintained in an on state. As the current of SW 1 increases through the body diode of SW 1 , ZVS starts. Therefore, the current of SW 1 increases with the slope of . Mode 1 ends as soon as the current of SW 1 becomes 0.

모드 2: 모드 2에서 SW 1은 완전히 turn-on 된다. 을 유지하기 때문에 SW 1의 전류 기울기는 모드 1과 동일하다. 모드 2는 SW 1의 전류가 I IN 에 도달하고 D O 가 trun-off 되는 순간 종료된다.Mode 2: In Mode 2, SW 1 is completely turned on. , so the current slope of SW 1 is the same as in mode 1. Mode 2 is terminated as soon as the current of SW 1 reaches I IN and DO is trun -off.

모드 3: 모드 3은 D O 가 turn-off되고 D 1이 turn-on 되며 SW 1은 on, SW 2는 off 상태를 유지한다. 이므로 SW 1의 전류는 기울기로 증가한다.Mode 3: In mode 3, D O is turned off, D 1 is turned on, SW 1 is on, SW 2 is off. Therefore, the current of SW 1 increases with a slope.

모드 4: 모드 4에서는 SW 1이 turn-on 되고 SW 2의 body diode가 turn-on 되어 SW 2의 ZVS가 시간되는 구간이다. 이 되므로 SW2의 전류는 의 기울기로 증가한다. 모드 4는 D 1이 turn-off되고, D O 가 turn-on 되는 순간 종료된다.Mode 4: In mode 4, SW 1 is turned on and SW 2 's body diode is turned on, so ZVS of SW 2 is timed. Therefore, the current of SW2 increases with the slope of . Mode 4 ends when D 1 turns off and D O turns on.

모드 5: 모드 5는 D 1이 turn-off 되고, D O 가 turn-on 되는 순간 시작되며 SW 1은 off, SW 2의 body diode는 on 상태를 유지한다. D O 가 turn-on 되어 입력에서 출력으로 전력 전달을 시작한다. 이때 가 되므로 SW 2의 전류는 의 기울기로 증가한다. Mode 5는 SW 2의 전류가 0이 되는 순간 종료된다.Mode 5: Mode 5 starts the moment D 1 is turned off and D O is turned on, SW 1 is off, and the body diode of SW 2 remains on. D O turns on and starts transferring power from input to output. At this time, since becomes , the current of SW 2 increases with the slope of . Mode 5 is terminated as soon as the current of SW 2 becomes 0.

모드 6: 모드 6은 SW 2가 온전히 turn-on 되고, SW 1, D 1은 off, D O 는 on 상태를 유지한다. 가 되므로 SW 2의 전류는 모드 5의 기울기와 동일하다. D O 를 통해 입력에서 출력으로 전력전달을 유지하며 SW 2가 turn-off, SW 1의 body diode가 turn-on 되는 순간 모드 6은 종료된다.Mode 6: In mode 6, SW 2 is completely turned on, SW 1 , D 1 are off, and D O remains on. Therefore, the current of SW 2 is the same as the slope of mode 5. Power transfer is maintained from the input to the output through D O , and the moment SW 2 turns off and the body diode of SW 1 turns on, mode 6 ends.

도 4와 표 1은 일실시예에 따른 DC-DC 부스터 컨버터의 다이오드 역회복 특성을 개선하기 위한 능동형 스너버 회로를 구비한 전력변환장치의 시뮬레이션 결과를 설명하기 위한 도면이다.4 and Table 1 are diagrams for explaining simulation results of a power conversion device having an active snubber circuit for improving diode reverse recovery characteristics of a DC-DC booster converter according to an embodiment.

구체적으로는, 도 4는 이러한 전력변환장치의 PSIM 시뮬레이션 결과를 보여주는 도면이고, 표 1은 이러한 경우의 시뮬레이션 파라미터와 결과를 수치적으로 보여주는 도면이다.Specifically, FIG. 4 is a view showing the PSIM simulation result of such a power converter, and Table 1 is a view showing the simulation parameters and results in this case numerically.

도 4에 도시된 바와 같이, 일실시예에 따른 DC-DC 부스터 컨버터의 다이오드 역회복 특성을 개선하기 위한 능동형 스너버 회로를 구비한 전력변환장치는 PSIM 시뮬레이션을 통해 출력 다이오드의 역회복 특성이 개선됨이 검증되었다.As shown in FIG. 4 , the power conversion device having an active snubber circuit for improving the diode reverse recovery characteristic of the DC-DC booster converter according to an embodiment improves the reverse recovery characteristic of the output diode through PSIM simulation This has been verified.

구체적으로는 아래와 같다.Specifically, it is as follows.

먼저, 여기에서의 회로를 검증하기 위해 아래의 표 1의 파라메터를 사용하여 기본 부스트 컨버터와 제안한 부스트 컨버터의 PSIM 시뮬레이션을 진행하였다. 시뮬레이션에 사용된 출력 다이오드는 역 회복 전류 특성이 포함된 다이오드로 모델링하였으며 입력전압 12 V, 출력전압 40 V, 출력 전력 20 W, 스위칭 주파수 150 kHz, 정상상태 조건에서 메인스위치, 출력 diode의 전압, 전류 파형을 비교하였다. 각 소자의 전압, 전류 파형을 표시하기 위해 도 4의 전압 파형은 실제 값의 1/10로 나타내었다.First, to verify the circuit here, PSIM simulations of the basic boost converter and the proposed boost converter were performed using the parameters in Table 1 below. The output diode used in the simulation was modeled as a diode with reverse recovery current characteristics. Input voltage 12 V, output voltage 40 V, output power 20 W, switching frequency 150 kHz, voltage of the main switch and output diode under steady-state conditions, Current waveforms were compared. In order to display the voltage and current waveforms of each device, the voltage waveform of FIG. 4 is expressed as 1/10 of the actual value.

Figure pat00001
Figure pat00001

그래서, 시뮬레이션 결과 기본 부스트 컨버터는 메인 스위치가 turn-on 되는 순간 출력 다이오드에서 발생한 역 회복 전류(peak: 3.73 A)가 스위치로 유입되어 스위치의 peak 전류가 5.20 A 까지 상승하였으며, 메인 스위치의 turn-off 전압은 출력전압과 동일한 40 V를 유지하였다. 그러나, 제안한 부스트 컨버터는 L r 에 의해 출력 다이오드의 역 회복 전류(peak: 0.54 A)가 제한되었으며, C 1과 C 2의 charge pump 구조에 의해 스위치의 turn-off 전압은 23.2 V로 감소하였다.So, as a result of the simulation, in the basic boost converter, the reverse recovery current (peak: 3.73 A) generated from the output diode at the moment the main switch is turned on flows into the switch, and the peak current of the switch rises to 5.20 A, and the turn-on of the main switch The off voltage maintained the same 40 V as the output voltage. However, in the proposed boost converter, the reverse recovery current (peak: 0.54 A) of the output diode was limited by L r , and the turn-off voltage of the switch was reduced to 23.2 V by the charge pump structure of C 1 and C 2 .

따라서, 이를 통해 일실시예에 따른 전력변환장치는 PSIM 시뮬레이션을 통해 출력 다이오드의 역회복 특성이 개선됨을 확인할 수 있다.Accordingly, it can be confirmed that the power conversion device according to an embodiment improves the reverse recovery characteristic of the output diode through the PSIM simulation.

한편, 추가적으로 이러한 실시예에 따른 전력변환장치가 전술한 바에 따른 스위칭을 할 경우, 아래의 실시예에 따른 구성으로부터 스위칭 출력 전압을 안정화함으로써, 보다 향상된 회로의 전력밀도를 높일 수 있도록 하는 효과 등을 얻는다.On the other hand, when the power conversion device according to this embodiment additionally performs the switching as described above, by stabilizing the switching output voltage from the configuration according to the embodiment below, the effect of increasing the power density of the improved circuit, etc. get

이를 위해, 상기 구성은 아래와 같이 이루어진다.To this end, the configuration is made as follows.

즉, 상기 구성은 상기 메인 스위치의 입력 측에 목적 온도에 따라 상이한 개수의 부성특성(-)을 가진 제 2 서브 다이오드를 연결해서, 상이한 목적 온도별로 출력전압을 안정화한다.That is, in the above configuration, the second sub-diode having a different number of negative characteristics (-) according to the target temperature is connected to the input side of the main switch to stabilize the output voltage for each target temperature.

부연하면, 이러한 구성은 전력변환을 위한 스위칭을 할 경우, 온도가 증가함에 따라 저항값이 감소하게 되는 온도 보상용 수단으로부터 전압 안정도를 구현함으로써, 향상된 전압 안정도를 구현한다.In other words, this configuration implements improved voltage stability by implementing voltage stability from the means for temperature compensation in which the resistance value decreases as the temperature increases when switching for power conversion is performed.

그리고, 이에 더하여 이렇게 출력전압을 안정화할 경우, 상기 제 2 서브 다이오드에 저항을 추가적으로 연결해서, 향상된 출력전압의 안정화를 이루도록 한다.In addition, when stabilizing the output voltage in this way, a resistor is additionally connected to the second sub-diode to achieve improved stabilization of the output voltage.

또한, 이러한 경우에 상기 저항은 다수개가 직렬로 연결되어 이루어지며, 이러한 다수개의 저항은 동일한 저항값으로 이루어짐으로써, 보다 향상된 출력전압의 안정화를 이루도록 한다.In addition, in this case, a plurality of the resistors are connected in series, and the plurality of resistors have the same resistance value, thereby achieving more improved output voltage stabilization.

101 : 인덕터 102 : 메인 스위치
103 : 다이오드 104 : 커패시터
110 : 능동형 스너버 회로 111 : 제 1 커패시터
112 : 서브 인덕터 113 : 보조 스위치
114 : 제 2 커패시터 115 : 서브 다이오드101: inductor 102: main switch
103: diode 104: capacitor
110: active snubber circuit 111: first capacitor
112: sub-inductor 113: auxiliary switch
114: second capacitor 115: sub-diode

Claims (5)

기준 구동 전원을 입력받는 인덕터;
상기 인덕터에 의한 기준 구동 전원출력을 제어부의 제어신호에 따라 스위칭하여 직류 전원으로 변환하는 메인 스위치;
상기 메인 스위치에 의해 변환된 직류 전원을 정류하여 부하 측으로 출력하는 다이오드; 및
상기 다이오드에 의해 정류될 경우에 해당 직류 전원을 평활화하는 커패시터; 를 포함하고 있으며,
상기 인덕터와 상기 다이오드의 사이에 설치된 제 1 커패시터와, 상기 인덕터와 상기 제 1 커패시터의 연결된 일단과 상기 메인 스위치의 사이에 설치된 서브 인덕터, 상기 서브 인덕터와 상기 메인 스위치의 사이로부터 연결된 보조 스위치, 상기 보조 스위치와 상기 다이오드의 사이로부터 연결된 제 2 커패시터와 서브 다이오드를 구비한 능동형 스너버; 를 포함하고,
상기 능동형 스너버는,
a) 상기 메인 스위치에 직렬로 연결되어 상기 메인 스위치와 상기 보조 스위치에 의해 턴-온이 될 경우, 영 전압 스위칭(ZVS : Zero Voltage Switching)을 하면서, 상기 다이오드로부터의 역 회복 전류(reverse recovery current) 차단을 하고,
b) 상기 제 1 커패시터와 상기 제 2 커패시터는 상기 보조 스위치와 상기 서브 다이오드로 연결된 전하 펌프 경로(chagre pump path)를 형성하여 상기 메인 스위치와 상기 보조 스위치의 턴-오프 전압을 낮추는 것; 을 특징으로 하는 DC-DC 부스터 컨버터의 다이오드 역회복 특성을 개선하기 위한 능동형 스너버 회로를 구비한 전력변환장치.an inductor receiving reference driving power;
a main switch for converting the reference driving power output by the inductor into DC power by switching it according to a control signal from a control unit;
a diode rectifying the DC power converted by the main switch and outputting it to the load side; and
a capacitor for smoothing the corresponding DC power when rectified by the diode; contains,
a first capacitor installed between the inductor and the diode, a sub-inductor installed between one end of the inductor and the first capacitor and the main switch, an auxiliary switch connected between the sub-inductor and the main switch; an active snubber having a second capacitor and a sub-diode connected between the auxiliary switch and the diode; including,
The active snubber,
a) when connected in series to the main switch and turned on by the main switch and the auxiliary switch, while performing Zero Voltage Switching (ZVS), a reverse recovery current from the diode ) to block
b) the first capacitor and the second capacitor form a charge pump path connected to the auxiliary switch and the sub-diode to lower turn-off voltages of the main switch and the auxiliary switch; A power conversion device having an active snubber circuit for improving the diode reverse recovery characteristics of a DC-DC booster converter, characterized in that. 청구항 1에 있어서,
상기 메인 스위치의 입력 측에 목적 온도에 따라 상이한 개수의 부성특성(-)을 가진 제 2 서브 다이오드를 연결해서, 상이한 목적 온도별로 출력전압을 안정화하는 것; 을 특징으로 하는 DC-DC 부스터 컨버터의 다이오드 역회복 특성을 개선하기 위한 능동형 스너버 회로를 구비한 전력변환장치.The method according to claim 1,
stabilizing the output voltage for different target temperatures by connecting second sub-diodes having a different number of negative characteristics (-) according to the target temperature to the input side of the main switch; A power conversion device having an active snubber circuit for improving the diode reverse recovery characteristics of a DC-DC booster converter, characterized in that. 청구항 2에 있어서,
상기 출력전압을 안정화할 경우, 상기 제 2 서브 다이오드에 저항을 추가적으로 연결해서, 향상된 출력전압의 안정화를 이루는 것; 을 특징으로 하는 DC-DC 부스터 컨버터의 다이오드 역회복 특성을 개선하기 위한 능동형 스너버 회로를 구비한 전력변환장치.3. The method according to claim 2,
when stabilizing the output voltage, further connecting a resistor to the second sub-diode to achieve improved stabilization of the output voltage; A power conversion device having an active snubber circuit for improving the diode reverse recovery characteristics of a DC-DC booster converter, characterized in that. 청구항 3에 있어서,
상기 저항은 다수개가 직렬로 연결되어 이루어진 것; 을 특징으로 하는 DC-DC 부스터 컨버터의 다이오드 역회복 특성을 개선하기 위한 능동형 스너버 회로를 구비한 전력변환장치.4. The method according to claim 3,
A plurality of the resistors are connected in series; A power conversion device having an active snubber circuit for improving the diode reverse recovery characteristics of a DC-DC booster converter, characterized in that. 청구항 4에 있어서,
상기 다수개의 저항은 동일한 저항값으로 된 것; 을 특징으로 하는 DC-DC 부스터 컨버터의 다이오드 역회복 특성을 개선하기 위한 능동형 스너버 회로를 구비한 전력변환장치.5. The method according to claim 4,
the plurality of resistors have the same resistance value; A power conversion device having an active snubber circuit for improving the diode reverse recovery characteristics of a DC-DC booster converter, characterized in that.
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