KR100231478B1 - 부분공진 소프트 스위칭모드의 교류/직류 승압형전력변환장치 - Google Patents

부분공진 소프트 스위칭모드의 교류/직류 승압형전력변환장치 Download PDF

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Abstract

입력전압을 승압하는 인덕터와, 소정듀티율의 펄스신호를 인가받아 승압용 인덕터에서 승압된 전압을 스위칭하도록 상기 승압용 인덕터에 직렬 연결된 제1 스위칭소자 및 제2 스위칭소자와, 제1 스위칭소자 및 제2 스위칭소자에 병렬 연결되어 상기 제1 스위칭소자 및 상기 제2 스위칭소자가 턴-오프되었을 때 부분공진회로의 경로를 형성하는 제1 다이오드 및 제2 다이오드와, 승압용 인덕터에 병렬 연결된 공진용 컨덴서를 포함하며, 제1 스위칭소자 및 제2 스위칭소자가 온-오프될 때에만 공진회로가 형성되도록 하여 공진순화 전류에 의한 손실을 경감시키며, 입력전류를 불연속적으로 제어한다.
따라서, 스위칭소자들이 소프트 스위칭모드로 동작되므로 스위칭손실이 감소되고, 입력전류를 불연속적으로 제어하여 단위역률로 만들어 제어함으로써, 효율과 역률을 향상시킬 수 있다.

Description

부분공진 소프트 스위칭모드의 교류/직류 승압형 전력변환장치
본 발명은 부분공진(PRSM: Partial Resonant Switch Method) 소프트 스위칭모드(Soft Switching Mode)의 교류/직류 승압형 전력변환장치(AC/DC Boost Converter)에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 스위칭소자의 턴-온 및 턴-오프시에만 공진회로가 형성되도록 부분공진회로를 적용하고, 입력전류의 불연속제어를 통해 입력전류를 정현파상으로 발생되도록 하여 입력역률을 단위역률로 만들고, 스위칭소자를 보호하기 위한 별도의 스너버회로를 부가할 필요가 없어 간단한 회로구조를 갖는 부분공진 소프트 스위칭모드의 교류/직류 승압형 전력변환장치에 관한 것이다.
최근, 반도체 제조기술의 발달은 전력용 스위칭소자의 고속 스위칭을 가능하게 하였다. 이에 따라, 전력변환기(Power Converter)들은 스위칭주파수를 높임으로써, 변환기의 소형화, 경량화 및 저잡음화를 실현하였다.
한편, 종래의 교류/직류 승압형 전력변환장치는, 입력전류에 대하여 연속적으로 제어되는 하드 스위칭회로가 채용된다. 즉, 입력전압을 정류 및 평활하여 직류전압으로 변환된 후, 승압형 인덕터에 의해 적정레벨로 승압된다. 이때, 스위칭소자가 장착되어 스위칭소자의 온-오프에 따라 입력전압을 승압하는 과정과, 승압된 전압을 부하에 공급하는 과정이 연속적으로 수행된다.
그런데, 이와 같은 종래의 전력변환기는 다음과 같은 문제점을 발생시킨다.
(1) 종래의 변환기에 사용된 스위칭소자는 높은 스위칭주파수에 의해 스위칭손실(Switching Loss)이 크며, 전력용 반도체소자가 많은 스트레스(Stress)를 받게 되어 변환기의 효율이 감소된다.
(2) 종래의 변환기는 하드 스위칭(Hard Switching)동작으로부터 스위칭소자를 보호하기 위하여 스위칭소자 주변에 스너버회로(Snubber Circuit)를 이용하여 보완하지만, 출력전류가 증가할 경우, 이 스너버회로의 손실이 증가되어 변환기의 효율은 더욱 감소된다.
따라서, 본 발명은 이와 같은 문제점들을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 제1 목적은 스위칭소자의 턴-온 및 턴-오프시에만 공진회로를 형성하도록 부분공진회로를 채용함으로써, 스위칭손실을 제거한 고효율의 부분공진 소프트 스위칭모드의 교류/직류 승압형 전력변환장치를 제공함에 있다.
또한, 본 발명의 제2 목적은 입력전류의 불연속제어에 의해 입력전압의 크기에 비례해서 입력전류가 정현파상으로 발생되도록 하여 입력역률을 단위역률로 만듦으로써, 고역률의 부분공진 소프트 스위칭모드의 교류/직류 승압형 전력변환장치를 제공함에 있다.
또한, 본 발명의 제3 목적은, 부분공진 소프트 스위칭회로를 채용함으로써, 스위칭소자를 보호하기 위한 스너버회로를 제거하여, 간단한 회로구조를 갖는 부분공진 소프트 스위칭모드의 교류/직류 승압형 전력변환장치를 제공함에 있다.
도 1a는 본 발명에 적용된 부분공진회로도,
도 1b는 스위치-온 상태에서의 동작상태도,
도 1c는 스위치-오프 상태에서의 동작상태도,
도 2a는 도 1b의 조건에서의 각부 파형도,
도 2b는 도 1c의 조건에서의 각부 파형도,
도 3은 도 1a에 도시된 부분공진회로가 적용된 본 발명의 교류/직류 승압형 전력변환장치의 상세회로도,
도 4는 본 발명에 의한 교류/직류 승압형 전력변환장치의 스위칭동작에 대한 각부 동작파형도,
도 5a는 부분공진기법이 적용되지 않은 종래의 교류/직류 승압형 전력변환장치의 스위칭손실을 나타내는 도면,
도 5b는 부분공진기법이 적용된 본 발명의 교류/직류 승압형 전력변환장치의 스위칭손실을 나타내는 도면,
도 6은 본 발명의 교류/직류 승압형 전력변환장치에 대입되는 각 회로들의 회로정수,
도 7a는 승압형 인덕터(Lr)의 전류(IL)와 공진용 컨덴서(Cr)의 전압(VC)과의 관계를 나타내는 파형도,
도 7b는 입력전압(Vin)과 출력전압(VCd)과의 관계를 나타내는 파형도,
도 8a는 스위칭소자(S1)의 제어신호와 스위칭소자(S2)의 제어신호를 나타내는 도면,
도 8b는 승압형 인덕터(Lr)의 전류(IL)와 공진용 컨덴서(Cr)의 전압(VC)과의 관계를 나타내는 도면,
도 8c는 스위치전류(IS)와 양단전압(VS)과의 관계를 나타내는 도면,
도 9a는 듀티율 20[％]에서의 입력전압(Vin)과 입력전류(Iin)에 대한 파형도,
도 9b는 듀티율 20[％]에서의 입력전류(Iin)의 주파수 스펙트럼을 나타내는 도면,
도 10a는 듀티율 30[％]에서의 입력전압(Vin)과 입력전류(Iin)에 대한 파형도,
도 10b는 듀티율 30[％]에서의 입력전류(Iin)의 주파수 스펙트럼을 나타내는 도면,
도 11a는 듀티율 40[％]에서의 입력전압(Vin)과 입력전류(Iin)에 대한 파형도,
도 11b는 듀티율 40[％]에서의 입력전류(Iin)의 주파수 스펙트럼을 나타내는 도면,
도 12는 듀티율 DC의 변화에 대한 고조파율(THD: Total Harmonic Distortion Factor)의 변화를 하드 스위칭회로와 소프트 스위칭회로에 대하여 각각 비교한 도면,
도 13은 듀티율 DC의 변화에 대한 입력전류(Iin) 기본파성분의 실효치(rms)변화를 하드 스위칭회로와 소프트 스위칭회로에 대하여 각각 비교한 도면,
도 14는 듀티율 변화에 대한 입력역률(PF: Power Factor)을 나타내는 도면,
도 15는 본 발명에서 제시한 부분공진기법이 적용된 소프트 스위칭모드의 교류/직류 승압형 전력변환장치와, 부분공진기법이 적용되지 않은 하드 스위칭모드의 교류/직류 승압형 전력변환장치의 효율을 측정하여 비교한 결과를 나타내는 도면이다.
＜도면의 주요부분에 대한 부호의 설명＞
Lr: 승압용 인덕터 Cr: 공진용 컨덴서
S1, S2: 부분공진회로용 스위칭소자
BD: 브리지다이오드 Vin: 입력전압
Iin: 입력전류
이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징은, 입력전압의 서지성분을 필터링하고 정류하는 필터/정류부와, 부하에 출력되는 출력전압을 평활하는 평활부를 포함하는 전력변환장치에 있어서: 상기 필터/정류부와 상기 평활부 사이에, 상기 필터/정류부에 의해 필터링 및 정류된 직류전압을 소정레벨로 승압함과 동시에, 부분공진을 수행하는 부분공진회로를 포함하는 부분공진 소프트 스위칭모드의 교류/직류 승압형 전력변환장치에 있다.
바람직하게, 상기 부분공진회로는, 상기 필터/정류부에서 변환된 상기 직류전압을 승압하는 승압용 인덕터; 소정듀티율의 펄스신호를 인가받아, 상기 승압용 인덕터에서 승압된 전압을 스위칭하도록 상기 승압용 인덕터에 직렬 연결된 제1 스위칭소자 및 제2 스위칭소자; 상기 제1 스위칭소자 및 상기 제2 스위칭소자에 병렬 연결되어 상기 제1 스위칭소자 및 상기 제2 스위칭소자가 턴-오프되었을 때, 부분공진회로의 경로를 형성하는 제1 다이오드 및 제2 다이오드; 및 상기 승압용 인덕터에 병렬 연결된 공진용 컨덴서를 포함하며; 상기 제1 스위칭소자 및 상기 제2 스위칭소자가 턴-온되면, 상기 승압용 인덕터에 의해 승압된 상기 전압이 상기 제1 스위칭소자와 상기 공진용 컨덴서 및 상기 제2 스위칭소자를 통하여 도통되도록 경로가 형성되고; 상기 제1 스위칭소자 및 상기 제2 스위칭소자가 턴-오프되면, 상기 승압용 인덕터에 의해 승압된 상기 전압이 상기 제1 다이오드와 상기 공진용 컨덴서 및 상기 제2 다이오드를 통하여 도통되도록 경로가 형성된다.
바람직하게, 상기 제1 스위칭소자와 상기 제2 스위칭소자가 턴-온시에 제로전류 스위칭동작을 수행하도록 상기 승압용 인덕터의 전류가 모두 방전되며, 상기 제1 스위칭소자와 상기 제2 스위칭소자가 턴-오프시에 제로전압 스위칭동작을 수행하도록 상기 공진용 컨덴서의 전압이 모두 방전된다.
바람직하게, 상기 부분공진회로는, 상기 제1 스위칭소자와 상기 제2 스위칭소자가 턴-온되었을 때와 턴-오프되었을 때에만 부분공진회로의 경로가 형성된다.
바람직하게, 상기 공진용 컨덴서는, 상기 제1 스위칭소자와 상기 제2 스위칭소자가 턴-온되면, 축적된 에너지를 전원으로 공급하여 상기 전원을 회생한다.
이하, 본 발명에 의한 부분공진 소프트 스위칭모드의 교류/직류 승압형 전력변환장치의 바람직한 실시예에 대하여 첨부도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다.
도 1a 내지 도 1c에는 본 발명에 적용된 부분공진회로와 그에 따른 동작상태도가 도시되어 있다.
도 1a에 도시된 바와 같은 부분공진회로는, 한 쌍의 스위칭소자(S1, S2)와, 각각의 스위칭소자(S1, S2)에 병렬 연결된 컨덴서(Cr)와, 각각의 스위칭소자(S1, S2)에 직렬 연결된 공진용 인턱터(Lr)와, 각각의 스위칭소자(S1, S2)에 직렬 연결된 프리휠링 다이오드(Free-Wheeling Diode)(D1, D2)로 구성되어 있다.
이와 같은 구성을 갖는 부분공진회로의 동작을 보면 다음과 같다.
첫째, 각각의 스위칭소자(S1, S2)가 스위치-온 상태일 때는, 초기조건으로 공진용 인덕터(Lr)의 전류(IL)는 제로(Zero)이며 컨덴서(Cr)는 전압 VC로 충전되어 있다고 가정하면, 스위치-온 직전에는 인덕터(Lr)에 흐르는 전류(IL)는 제로이므로, 스위칭소자(S1, S2)의 턴-온 동작은 제로전류 스위칭(ZCS: Zero Current Switching)을 이룬다.
이후, 스위치-온 동작에 의해서 도 1b에 도시된 바와 같이, LC 직렬공진회로가 형성되어 인턱터에 흐르는 전류(IL)는 아래의 수학식 1과 같이 증가하고, 컨덴서(Cr)의 전압(VC)은 수학식 2에서와 같이 제로로 감소한다.
Figure 1019970036000_B1_M0001
VC=(2V+VC)cosωt-2V
여기서,
Figure 1019970036000_B1_M0003
이고,
Figure 1019970036000_B1_M0004
이다.
따라서, 부분공진회로의 각 구성부에는 도 2a에 도시된 바와 같은 파형이 발생한다.
둘째, 각각의 스위칭소자(S1, S2)가 스위치-오프 상태일 때는, 스위치-오프 직전의 조건으로 컨덴서(Cr)의 전압(VC)은 제로이며 인덕터(Lr)에는 전류 Ia가 흐른다고 가정하면, 스위치-오프 직전의 컨덴서(Cr)에 흐르는 전압은 제로이므로 스위칭소자(S1, S2)의 오프동작은 제로전압스위칭(ZVS: Zero Voltage Switching)을 이룬다.
이후, 스위치-오프동작에 의해서 도 1c에 도시된 바와 같이, 다이오드(D1, D2)가 도통되고, LC 직렬공진회로가 다시 형성되어 컨덴서(Cr)의 전압(VC)은 아래의 수학식 3과 같이 증가하고, 인덕터 전류(IL)는 수학식 4에서와 같이 에너지를 방출한다.
Figure 1019970036000_B1_M0002
IL=Iacos(ωt+θ)
여기서,
Figure 1019970036000_B1_M0005
이다.
따라서, 부분공진회로의 각 구성부에는 도 2b에 도시된 바와 같은 파형이 발생한다.
이상에서와 같이 공진회로는 공진 한주기동안 지속적으로 이루어지지 않고, 스위치-온 및 스위치-오프 상태에서의 공진주기 일부분에서 부분적으로 형성되므로, 부분공진기법이 수행된다. 이것은 공진소자들의 용량분담과 스트레스를 감소시키고, 출력전류가 증가하는 경우에도 공진손실을 감소시킨다. 그리고, 부분공진기법에 의해 사용된 스위칭소자(S1, S2)들은 소프트 스위칭상태로 동작되므로, 시스템의 효율을 증대시키고,
Figure 1019970036000_B1_M0006
,
Figure 1019970036000_B1_M0007
에 의한 전자유도잡음 등을 줄일 수 있다.
이러한 구성을 갖는 부분공진회로를 교류/직류 승압형 전력변환장치에 적용한 상태가 도 3에 도시되어 있다.
도 3에 도시된 바와 같은 교류/직류 승압형 전력변환장치는, 교류입력전원(Vin)의 서지(Surge)성분을 필터링하는 필터링 인덕터(Lf) 및 필터링 컨덴서(Cf)와, 필터링된 교류입력전원(Vin)을 정류하도록 다수개의 다이오드(D3∼D6)로 구성된 브리지다이오드(BD)와, 브리지다이오드(BD)에서 정류된 직류전압을 승압하는 승압용(혹은 공진용) 인덕터(Lr)와, 승압용 인덕터(Lr)에서 승압된 전압을 스위칭하는 한 쌍의 스위칭소자(S1, S2)와, 각각의 스위칭소자(S1, S2)가 스위치-오프되었을 때 승압용 인덕터(Lr)에서 승압된 전압을 부하(LOAD)측에 전달하는 한 쌍의 프리휠링 다이오드(D1, D2)와, 스위칭소자(S1, S2)를 보호하기 위한 공진용 컨덴서(Cr)와, 증폭된 전압을 정류 및 평활하여 부하(LOAD)에 최종 출력하는 정류다이오드(D7) 및 평활 컨덴서(Cd)로 구성되어 있으며, 공진용 컨덴서(Cr)에 축적된 에너지는 스위칭소자(S1, S2)가 턴-온될 때 전원측으로 회생되는 모드를 가진다. 스위칭소자(S1, S2)의 턴-온상태는 증폭용 인덕터(Lr)의 전류가 불연속적으로 제어되므로 제로전류 스위칭모드(ZCS)로 동작되고, 스위칭소자(S1, S2)의 턴-오프상태는 공진용 컨덴서(Cr)의 전압이 제로로 될 때 동작하므로 제로전압 스위칭모드(ZVS)가 된다.
여기서, 승압용 인덕터(Lr)와, 한 쌍의 프리휠링 다이오드(D1, D2)와, 한 쌍의 스위칭소자(S1, S2)와, 공진용 컨덴서(Cr)는 앞서 언급한 부분공진회로에 해당한다.
이와 같은 구성을 갖는 본 발명의 동작에 대하여 도 4 내지 도 15를 참조하여 상세히 설명한다.
도 4에는 본 발명에 의한 교류/직류 승압형 전력변환장치의 스위칭동작에 대한 각부 동작파형도가 도시되어 있다.
도 4를 보면, 시각 t0에서 스위칭소자(S1,S2)가 턴-온되면, LC 직렬공진회로에 의하여 공진용 컨덴서(Cr)가 방전을 시작하고, 증폭용 인덕터(Lr)는 에너지를 축적하게 된다. 이 시점에서 스위칭소자(S1, S2)를 통하는 전류(IS)는 승압용 인덕터(Lr)의 전류(IL)와 같고, 스위칭소자(S1, S2)는 제로전류 스위칭모드(ZCS)로 동작한다.
시각 t1에서 공진용 컨덴서(Cr)의 전압(VC)이 제로가 되면, 스위칭소자(S1, S2)들에 의한 단락회로가 형성되어 승압용 인덕터(Lr)의 전류(IL)는 직선적으로 증가하며 에너지를 축적한다. 이 시점에서 승압용 인덕터(Lr)의 전류(IL)는 스위칭소자(S1)와 스위칭소자(S2)로 분류되므로, 스위칭소자(S1, S2)에 의한 도통손실이 절반으로 감소된다. 이것은, 하나의 스위칭소자를 사용한 종래의 승압형 전력변환장치와 비교하여 스위칭소자의 수가 하나 더 늘었지만, 도통손실은 동일하다.
시각 t2에서 스위칭소자(S1, S2)를 턴-오프하면, 다시 LC 직렬공진회로에 의하여 공진용 컨덴서(Cr)가 충전을 개시한다. 그리고, 이 시점에서 스위칭소자(S1, S2)의 양단전압은 공진용 컨덴서(Cr)의 전압(VC)과 같고, 스위칭소자(S1, S2)는 제로전압 스위칭모드(ZVS)로 동작한다.
시각 t3에서 공진용 컨덴서(Cr)의 전압(VC)은 출력전압(VCd)으로 되고, 승압용 인덕터(Lr)의 전류(IL)는 부하측으로 유입되어 직선적으로 감소한다.
시각 t4는 승압용 인덕터(Lr)의 전류(IL)가 제로로 되는 시점이다. 그리고, 구간 TC는 스위칭동작이 발생하는 한 주기를 나타낸다.
한편, 도 5a 및 도 5b에는 본 발명에 의하여 부분공진기법이 적용된 교류/직류 승압형 전력변환장치와, 부분공진기법이 적용되지 않은 종래의 교류/직류 승압형 전력변환장치의 스위칭손실을 비교한 도면이 도시되어 있다. 여기서, 도 5a는 부분공진기법이 적용되지 않은 종래의 교류/직류 승압형 전력변환장치의 스위칭손실을 나타내는 도면이고, 도 5b는 부분공진기법이 적용된 본 발명의 교류/직류 승압형 전력변환장치의 스위칭손실을 나타내는 도면이다. 도 5a 및 도 5b에 도시된 바와 같이, V-I 특성곡선에 둘러싸인 면적이 스위칭손실과 비례하므로, 부분공진기법이 적용된 교류/직류 승압형 전력변환장치의 손실이 매우 적다는 것을 알 수 있다.
다음으로, 본 발명에서 제시한 부분공진 소프트 스위칭모드의 교류/직류 승압형 전력변환장치에 대하여 임의의 회로정수를 대입한 실험치와 실험결과를 제시한다.
도 6에 도시된 바와 같은 회로정수를 본 발명의 교류/직류 승압형 전력변환장치에 대입하여 실험한 결과는 다음과 같다. 즉, 도 7a에서 승압형 인덕터(Lr)의 전류(IL)는 도 7b에 도시된 입력전압의 반주기에 대하여 정현파 입력전압의 크기에 비례한 정현파상의 펄스열로 나타남을 알 수 있다. 여기서, 도 7a는 승압형 인덕터(Lr)의 전류(IL)와 공진용 컨덴서(Cr)의 전압(VC)과의 관계를 나타내는 파형도이고, 도 7b는 입력전압(Vin)과 출력전압(VCd)과의 관계를 나타내는 파형도이다.
도 8a 내지 도 8c는 부분공진과 그에 따른 소프트 스위칭동작을 확인하기 위하여, 스위칭주파수 200[㎑], 듀티율 20[％]인 스위칭 한 주기에 대한 각부 실험파형을 나타낸다. 여기서, 도 8a는 스위칭소자(S1)의 제어신호와 스위칭소자(S2)의 제어신호를 나타내는 도면이고, 도 8b는 승압형 인덕터(Lr)의 전류(IL)와 공진용 컨덴서(Cr)의 전압(VC)과의 관계를 나타내는 도면이며, 도 8c는 스위치전류(IS)와 양단전압(VS)과의 관계를 나타내는 도면이다.
도 8a 내지 도 8c에서 알 수 있듯이, 본 발명에 적용된 스위칭소자(S1, S2)는 부분공진동작에 의해 제로전류에서 턴-온되며, 제로전압에서 턴-오프되는 소프트 스위칭동작을 보인다. 이것은 기존의 교류/직류 승압형 전력변환장치와 비교하여 스너버회로가 필요 없으며, 그에 따른 스위칭손실이 존재하지 않으므로, 교류/직류 승압형 전력변환장치의 효율이 증대된다. 또한, 스위칭소자(S1, S2)들은
Figure 1019970036000_B1_M0006
,
Figure 1019970036000_B1_M0007
의 영향이 없으므로, 전자기 방해(EMI: Electromagnetic Interference) 등의 전자유도잡음이 발생하지 않으며, 스위칭소자(S1, S2)의 파괴되거나 스트레스가 발생하는 것을 방지할 수 있고, 소자과열에 따른 소자 방열기구를 축소시킬 수 있다.
한편, 입력전류(Iin)를 분석하기 위하여 도 9a 및 도 9b는 듀티율 20[％]에 대한 입력전원 전압(Vin)과 입력전류(Iin)의 파형을 나타낸다. 이 실험파형에서 승압형 인덕터(Lr)의 전류(IL)는 정현파 입력전압(Vin)의 크기에 비례해서 정현 펄스상으로 되며(도 7a 참조), 입력단의 교류필터(평활 인덕터(Lf)와 평활 컨덴서(Cf) 및 브리지다이오드(BD))를 통한 입력전류(Iin)는 거의 단위역률의 정현파로 됨을 알 수 있다. 여기서, 도 9a는 입력전압(Vin)과 입력전류(Iin)에 대한 파형도이고, 도 9b는 입력전류(Iin)의 주파수 스펙트럼을 나타낸다.
그리고, 도 10a 및 도 10b와 도 11a 및 도 11b는 듀티율 30[％]와 40[％]에 대한 입력전압(Vin) 및 입력전류(Iin)와 그에 따른 입력전류(Iin)의 주파수 스펙트럼 분석결과를 각각 나타낸다. 앞서 언급한 주파수 스펙트럼의 결과들에서 알 수 있듯이, 듀티율 증가와 더불어 입력전류(Iin)의 고조파 성분이 감소되고 기본파성분이 증가됨을 알 수 있다.
한편, 도 12와 도 13은 듀티율 DC의 변화에 대한 고조파율(THD: Total Harmonic Distortion Factor)의 변화와 입력전류(Iin) 기본파성분의 실효치(rms)변화를 하드 스위칭회로와 소프트 스위칭회로에 대하여 각각 나타낸다. 도 12와 도 13에서 알 수 있듯이, 듀티율이 증가됨에 따라 입력전류(Iin)의 고조파성분은 소프트 스위칭회로가 하드 스위칭회로보다 낮게 나타나고, 입력전류(Iin)의 기본파성분은 소프트 스위칭회로가 하드 스위칭회로보다 높게 나타나므로, 소프트 스위칭회로가 하드 스위칭회로보다 효율적이라 말할 수 잇다.
또한, 도 14는 듀티율 변화에 대한 입력역률(PF: Power Factor)을 나타낸다. 도 14에 도시된 바와 같이, 소프트 스위칭회로에서 입력역률이 상승되는 주요원인은 하드 스위칭회로와 동일 조건에서 승압율이 높기 때문이다. 즉, 본 발명에서 제시한 소프트 스위칭회로에 사용한 공진용 컨덴서(Cr)가 손실이 발생하지 않는(로스레스: Lossless) 공진용 컨덴서로 동작하기 때문이다.
도 15에는 본 발명에서 제시한 부분공진기법이 적용된 소프트 스위칭모드의 교류/직류 승압형 전력변환장치와, 부분공진기법이 적용되지 않은 하드 스위칭모드의 교류/직류 승압형 전력변환장치의 효율을 측정하여 비교한 결과를 나타내며, 스위칭소자(S1, S2)의 턴-온, 턴-오프시의 손실이 크게 감소되어 효율이 크게 개선되었다. 이들 실험결과에서 알 수 있듯이, 본 발명에서 적용한 부분공진 소프트 스위칭모드의 교류/직류 승압형 전력변환장치는, 동일한 전력용량 하에서 기존의 하드 스위칭 전력변환장치와 비교하여 스위칭의 듀티율을 다소 적게 하더라도 동일한 출력을 얻을 수 있다. 이것은, 스위칭소자(S1, S2)의 턴-온동작에 의해 공진용 컨덴서(Cr)의 축적된 에너지가 입력측으로 회생되어 승압용 소자인 인덕터(IL)에 부가되기 때문이다.
한편, 본 발명에서 제시된 부분공진회로에 있어서, 공진용 인덕터는 일반적인 승압형 전력변환장치에 사용되는 에너지 축적용 인덕터로 대치할 수 있으며, 공진용 컨덴서는 스위칭모드 전력변환기에 이용되는 스너버회로의 스너버 컨덴서로 대치할 수 있다.
결국, 본 발명에 의한 부분공진 소프트 스위칭모드의 교류/직류 승압형 전력변환장치에 따르면, 다음과 같은 이점이 발생한다.
(1) 스위칭소자들의 동작상태가 스위치-온 및 스위치-오프시에만 공진회로를 형성시키는 부분공진기법이 적용됨으로써, 스위치들이 소프트 스위칭모드로 동작되므로 스위칭손실이 감소된다.
(2) 부분공진이 적용됨에 따라, 공진회로의 손실이 감소되고, 공진용 소자들의 스트레스가 감소되며, 결과적으로 시스템의 효율이 증대된다.
(3) 입력전류의 불연속제어에 의해 입력전압의 크기에 비례해서 입력전류가 정현파상으로 생성되므로, 입력역률을 단위역률로 만들 수 있다. 따라서, 고역률의 전력변환장치를 실현할 수 있다.
(4) 일반적인 승압형 전력변환장치에 사용되는 인덕터를 공진 및 승압용으로 이용하고, 스너버 컨덴서를 공진용으로 이용함으로써, 전력변환장치의 회로구조가 간단하다.
(5) 부분공진회로가 동작되는 상태에서 공진용 컨덴서에 축적된 에너지가 전원측으로 귀환되어 회생전원으로 이용됨으로써, 공진용 컨덴서에 의한 손실이 발생하지 않는다,
(6) 공진용 컨덴서에 의해 회생된 에너지는 승압용 소자에 부여되어 입력전류의 왜형률(Distortion)이 개선된다.
(7) 동일한 전력용량하에서 하드 스위칭회로에 비하여 스위칭 듀티율이 감소되므로, 전력변환장치의 효율이 증대된다.

Claims (5)

  1. 입력전압의 서지성분을 필터링하고 정류하는 필터/정류부와, 부하에 출력되는 출력전압을 평활하는 평활부를 포함하는 전력변환장치에 있어서:
    상기 필터/정류부와 상기 평활부 사이에, 상기 필터/정류부에 의해 필터링 및 정류된 직류전압을 소정레벨로 승압함과 동시에, 부분공진을 수행하는 부분공진회로를 포함하는 부분공진 소프트 스위칭모드의 교류/직류 승압형 전력변환장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 부분공진회로는,
    상기 필터/정류부에서 변환된 상기 직류전압을 승압하는 승압용 인덕터;
    소정듀티율의 펄스신호를 인가받아, 상기 승압용 인덕터에서 승압된 전압을 스위칭하도록 상기 승압용 인덕터에 직렬 연결된 제1 스위칭소자 및 제2 스위칭소자;
    상기 제1 스위칭소자 및 상기 제2 스위칭소자에 병렬 연결되어 상기 제1 스위칭소자 및 상기 제2 스위칭소자가 턴-오프되었을 때, 부분공진회로의 경로를 형성하는 제1 다이오드 및 제2 다이오드; 및
    상기 승압용 인덕터에 병렬 연결된 공진용 컨덴서를 포함하며;
    상기 제1 스위칭소자 및 상기 제2 스위칭소자가 턴-온되면, 상기 승압용 인덕터에 의해 승압된 상기 전압이 상기 제1 스위칭소자와 상기 공진용 컨덴서 및 상기 제2 스위칭소자를 통하여 도통되도록 경로가 형성되고;
    상기 제1 스위칭소자 및 상기 제2 스위칭소자가 턴-오프되면, 상기 승압용 인덕터에 의해 승압된 상기 전압이 상기 제1 다이오드와 상기 공진용 컨덴서 및 상기 제2 다이오드를 통하여 도통되도록 경로가 형성되는 부분공진 소프트 스위칭모드의 교류/직류 승압형 전력변환장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 제1 스위칭소자와 상기 제2 스위칭소자가 턴-온시에 제로전류 스위칭동작을 수행하도록 상기 승압용 인덕터의 전류가 모두 방전되며, 상기 제1 스위칭소자와 상기 제2 스위칭소자가 턴-오프시에 제로전압 스위칭동작을 수행하도록 상기 공진용 컨덴서의 전압이 모두 방전되는 부분공진 소프트 스위칭모드의 교류/직류 승압형 전력변환장치.
  4. 제 2 항에 있어서, 상기 부분공진회로는,
    상기 제1 스위칭소자와 상기 제2 스위칭소자가 턴-온되었을 때와 턴-오프되었을 때에만 부분공진회로의 경로가 형성되는 부분공진 소프트 스위칭모드의 교류/직류 승압형 전력변환장치.
  5. 제 2 항에 있어서, 상기 공진용 컨덴서는,
    상기 제1 스위칭소자와 상기 제2 스위칭소자가 턴-온되면, 축적된 에너지를 전원으로 공급하여 상기 전원을 회생하는 부분공진 소프트 스위칭모드의 교류/직류 승압형 전력변환장치.
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