KR100334694B1 - 버크전력변환기의특성을가진전파버크부스트전력변환기 - Google Patents

버크전력변환기의특성을가진전파버크부스트전력변환기 Download PDF

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Abstract

버크-부스트(플라이백) 및 버크 변환기의 특성을 집적한 연속모드 전파 전력 변환기의 토폴로지.
전압 전달 함수는 M=(D/(1-D))이며, 이는 버스-부스트(플라이백) 변환기의 특성이다. 전파 버크 변환기의 특성으로서, 인덕터 전류는 교대(D)간격동안 소스연속이고 동시 (1-D)간격동안 소스 불연속이며 D 및 (1-D)간격동안 로드 연속이다.
버스-부스트(플라이백) 및 버크 변환기 특성을 집적한 연속모드 전파 전력 변환기의 토플로지. 전압 전달 함수는 Eout=Ein(D/(1-D))이며, 이는 버스-부스트(플라이백)변환기의 특성이다. 버크 변환기의 특성으로서, 인덕터 전류는 교대(D)간격동안 소스연속이고 동시(1-D)간격동안 소스 불연속이며 D 및 (1-D)간격 동안 로드연속이다.

Description

버크 전력 변환기의 특성을 가진 전파 버크 부스트 전력 변환기{FULL WAVE BUCK BOOST POWER CONVERTER WITH BUCK POWER CONVERTER PROPERTIES}
발명의 상세한 설명과 바람직한 실시예는 도면을 참조하므로써 이해가 깊어질 것이다.
제1도는 본 발명의 표준 형태를 도시하는 도,
제2A도는 제3A도, 제4A도, 제5A도, 제7A도, 제8A도와 제9A도에 있는 자심구조의 실체를 도시하는 도,
제2B도는 제2A도의 A-A선에서 취한 제2A도의 단면도,
제3도는 종래의 버크 변환기를 그에 따르는 전류와 전압 그리고 전달함수의 실체와 함께 개략적으로 표시하는 도,
제3A도는 제3도의 자심구조를 그에 따르는 전류와 전압의 실체와 함께 개략적으로 표시하는 도,
제4도는 본 발명의 실시예로서 비고립 단일 자심구조의 변환기를 그에 따르는 전압, 전류와 전달 함수의 실체와 함께 개략적으로 표시하는 도,
제4A도는 제4도의 자심구조를 그에 따르는 전압과 전류의 실체와 함께 도시하는 도,
제5도는 본 발명의 실시예로서 고립된 단일 자심구조의 복수 출력 변환기를 그에 따르는 전압, 전류와 전달 함수의 실체와 함께 개략적으로 표시하는 도,
제5A도는 제5도의 자심구조를 그에 따르는 전압과 전류의 실체와 함께 도시하는 도,
제6도는 제2A도, 제2B도, 제3도, 제3A도, 제4도, 제4A도, 제5도, 제5A도,제7도, 제7A도, 제8도, 제8A도, 제9도 및 제9A도의 타이밍, 전압, 전류의 실체를 그에 따르는 타이밍, 전압, 전류의 합산식과 함께 도시하는 복수의 그래프,
제7도는 본 발명의 실시예로서 고립된 3개의 자심구조의 변환기를 그에 따르는 전압, 전류와 전달함수의 실체와 함께 개략적으로 표시하는 도,
제7A도는 제7도의 자심구조를 그에 따르는 전압과 전류의 실체와 함께 도시하는 도,
제8도는 본 발명의 실시예로서 고립된 2개의 자심구조의 변환기를 그에 따르는 전압, 전류와 전달함수의 실체와 함께 개략적으로 표시하는 도,
제8A도는 제8도의 자심구조를 그에 따르는 전압과 전류의 실체와 함께 도시하는 도,
제9도는 본 발명의 실시예로서 고립된 단일 자심구조의 변환기를 그에 따르는 전압, 전류와 전달함수의 실체와 함께 개략적으로 표시하는 도,
제9A도는 제9도의 자심구조를 그에 따르는 전압과 전류의 실체와 함께 도시하는 도.
본 발명의 관련분야
본 발명은 스위칭방식 전력 변환기에 관한 것으로, 특히 기본적 버크 변환기 방식 또는 기본적 부스트 변환기 방식의 특성과 특징이 유용하게 집적된 스위칭방식 전력 변환기에 관한 것이다. 더욱 상세히는, 본 발명은 기존의 집적된 버크-부스트 변환기에 기본적인 버크 변환기 방식을 유용하게 집적한 변환기에 관한 것이다.
종래의 기술
스위칭방식 전력공급장치에는 3가지 기본 회로계열이 공연히 실시되고 있다.
즉 버크, 부스트와 버크-부스트 [일반적으로 플라이백(flyback)으로 알려짐]방식의 회로이다. 버크-부스트(플라이백) 변환기는 아마도 기본적인 버크와 부스트 변환기 방식을 유용하게 집적시킨 가장 초창기의 예일 것이다. 비록 어떤 전문가는버크-부스트 변환기를 일종의 기본적 방식이라고 취급할지라도, 버크-부스트 변환기는 집적된 방식의 일종이라는 다른 의견이 있다.
버크-부스트 변환기 방식의 출발점이 무엇이든 간에, 연속모드의 제어-대-출력의 전달함수에 있어서 버크-부스트 변환기 방식[M=D/(1-D)]과 부스트 변환기방식[M=1/(1-D)]의 위상적인 특성을 고려하는데는 전문가들이 의견을 일치한다. 그 의견은 모든 연속모드의 PWM제어, 고정주파수, 스위칭방식 부스트와 버크-부스트 변환기 방식에는 최소값이 없는 (non-minimum)위상특성 즉 S-평면의 우반면상에 영점이 존재한다는 것이다. RHP 영점이라 불리는 이러한 일차특성은 (1-D)식에 의해 일어나는 인덕터 전류 부하전류의 불연속성 때문이다. 이러한 RHP 영점은 버크계열의 회로에서는 절대로 발생하지 않는다. 이러한 RHP 영점은 "우반면의 영점은 아무런 대가도 없이 모든 부스트 디라이브된 변환기 전달함수에 포함된다"라는 왜곡된 유우머나, "매우 불쾌한 우반면의 영점"이라고 하는 험담이나 "보상하기는 불가능하다"라고 하는 자포자기성의 말들로 불려져 왔다. 전파(full-wave) 버크(순방향)변환기와 동등한 방식의 버크-부스트 변환기는 존재하지 않는다고 주장되어 왔다.
이러한 RHP 영점의 문제점을 완화시키기 위한 다양한 노력에는 불연속모드동작, 리딩에지변조, 전력과 제어성분값의 조절과 평균전류모드제어의 기술들이 포함된다.
변환기 제어루프 보상법의 현재의 강의에서 RHP 영점효과를 효과적으로 억제해야 하는 필요성에 대한 광범위한 강연이 있다.
1967년에 가설이 나온후 1972년에 해석학적으로 확인된 RHP 영점의 효과는 20년 이상 계속적으로 격렬한 연구의 주제가 되어 왔다. 이러한 노력의 정당성은 버크-부스트 변환기 방식의 많은 유용한 특성들에서 찾을 수 있다. 그 유용한 특성중에는 단순성, 복수출력 실현의 용이성, 복합적 전압전달함수, 넓은 입력선의 범위, 축소된 반도체응력, 부하의 보호, 순방향(버크) 변환기의 전력밀도 및 효율과 동등한 전력밀도와 효율등이 있다.
RHP 영점 효과에도 불구하고, 버크-부스트 변환기 방식(플라이백)은 전력변환의 응용분야에서 단일-종단(single-ended)와 전파(full wave)구성에서의 적절한 작업 뿐만 아니라 광범위한 일반적 영역에서의 노력과 함께 넓은 이용분야가 발견되고 있다.
상기한 논의는 이미 잘 정착된 응용기준과 함께 이미 매우 인기있는 버크-부스트 변환기 방식이 만약 이 RHP 영점 효과가 제거된다면 실질적으로 대단히 유용해 질것이라는 것을 충분히 밝힌다.
발명의 요약
본 발명은 표준 버크-부스트 변환기 전압 전달함수 (M=D/(1-D)와 교대간격(D)동안에의 전원의 연속성과 동시간격(1-D)동안에의 전원의 불연속성과 교대간격(D)과 동시간격(1-D)동안에의 부하의 연속성을 갖는 특성적인 전파 버크 인덕터 전류를 동시에제공하기 위하여 단일 플럭스 퍼뮤테이션 매개수단(에너지 저장 인덕터)이 얼터내이팅(변환된) 전원-부하스위칭수단들 간에 삽입된(결합된) 연속모드의 전파, 버크-부스트(플라이백), PWM제어, 고정주파수, 스위칭방식 전력변환기이다.
버크 계열의 회로에서 RHP 영점은 결코 일어나지 않으므로, 이 변환기의 토폴로지는 종래의 기술에서 설명한 특성적인 부스트-디라이브된 RHP 영점을 나타내지 않는다.
한편 그외의 모든 전파 버크-부스트의 고유한 특성을 보유한다. 종래의 제어수단에 응답하는 루프 대역폭은 이론적인 샘플링 속도 최고치(sampling rate maxima)에 의해서만 제한된다.
전체의 전력 자기적 기능 즉 인덕턴스와 트랜스포메이션(고립)은 단일의 자기 구성요소 즉 단일 변압기 코어를 갖는 전파 순방향 변환기와 등가인 플라이백에 의해 얻어질 수 있다.
발명의 상세한 설명
본 발명을 설명하기 위하여 이상적인 스위치, 단방향 전도장치와 자기장치(magnetics)를 가정한다. 이상적인 자기장치특성은 변압기(T11과 T12)에 대한 종래의 릴럭턴스 자심구조 이후에 설명되는, 필요한 암페어턴(자기력)의 실체를 얻기 위하여 구현된 L에 대한 종래의 비교적 고 릴럭턴스 자심구조를 포함한다.
식(M)은 식(D)으로 표현되는 이상적인 전압 전달비이다. 식(D)은 (T)의 함수로 표현되는 스위치 폐쇄시간(tON)이다. 식(T)은 임의의 단위시간으로 표현되는 하나의 전파 동작사이클이다.
1. 제3도와 제3A도를 참조하면, 타이밍, 전압과 전류의 실체는 제6도의 (T)(A)(E)(F)와 (H)에서 그에 따르는 타이밍, 전압과 전류의 식으로 표현되어 있다.
주어진 n=0.5에서, 제3도에 도시된 종래기술로서의 버크-디라이브된 회로의전압 전달함수에 대한 교류(전파)스위치 수단을 대체하는 응용이 2D식으로서 즉, M=n2D/{1+2D (n-1)} = 0.5(2D)/1+2D(-0.5) = D/(1-D)를 표현할 것이라는 것을 보여준다.
이 식은 종래의 전파 버크 변환기에 대한 것과 매우 유사하다. 종래의 전파버크 변환기에서는 각 스위치에 적용되는 D항은 전파 버크 인덕터의 Et등가 특성에 의해 효과적으로 2배로 된다. 즉 정상상태동작에서 각각의 스위칭 사이클 동안의 평균값으로서 인덕터 양단의 전압은 영이 될 것이다.
[(Ein-Eout)2D] + [-Eout(1-2D)] = 0, 2DEin-Eout = 0, Eout = 2DEin, M = 2D.
2. 제7도와 제7a도를 참조하면, 타이밍, 전압과 전류의 실체가 제6도의 (T),(A),(B),(C),(D),(E),(F),(G),(H),(I),(J),(K),(L)과 (M)에서 그에 따르는 타이밍, 전압과 전류의 식으로 표현되어 있다.
스위치(S11 또는 S12)의 교대 폐쇄시간(tON)은 대응 변압기(T11 또는 T12)의 NP, NT와 NS에 걸치는 Ein을 나타낼 것이다. 대응 단방향 전도수단(D11 또는 D12)은 비전도상태일 것이다. 결합된 변압기와 인덕터의 동작은 도전적으로 상호 대응되지 않은 단방향 전도수단(D11 또는 D12)을 통하여 상호 대응되지 않은 변압기(T11 또는 T12)의 NP, NT와 NS에 걸친 Eout을 나타낼 것이다. T11의 NP와 T12의 NT의 직렬결합과 T11의 NT와 T12의 NP의 직렬결합은 두 tON시간중의 어느 한 시간동안의 전압(A)의 전압(Ein-Eout)을 표현하기 위하여 구성되고 극성을 갖는다(polarized). 이들직렬결합은 인덕터(L)와 병렬로 연결되어 있어서, 도전적으로 상호 대응되지 않은 단방향 전도수단(D11 또는 D12)을 통하여 Ein과 Eout간에 인덕터(L)를 직렬로 삽입한다. 인덕터(L)의 전류(G)는 두 tON중 어느 하나의 시간동안에 전원전류(E)와 스위치전류(I) 또는 (J)중의 어느 하나, 단방향 전도수단의 전류(L) 또는 (M)중의 어느 하나, 및 출력전류(H)와 함께 연속적이다.
스위치(S11)과 (S12)를 동시에 개방하면 인덕터(L)에서의 종래의 암페어턴(기자력)의 보존성의 결과로서 전압(A)의 극성반전이 일어난다. 단방향 전도수단(D11)과 (D12)은 모두 전도 상태가 되고 T11의 Ns와 T12의 Ns양단의 전압(Eout)을 표현하며, 전압(Eout)은 T11과 T12의 변압비(NP+ NT)/NS즉 2:1로 인덕터(L)의 양단에서 나타난다.
전압(A)은 두(T/2-tON)중 어느 하나의 시간동안에 -2Eout이다.
제7A도의 전파 플라이백 인덕터(L)의 Et 등가는 [Ein-Eout)2D]+[-2Eout(1-2D)]=0, 2DEin-2DEout-2Eout+4DEout=0, DEin=Eout+DEout=0, DEin+DEout=Eout, DEin=Eout-DEout, EinD=Eout(1-D), Eout=Ein[D/(1-D)], M=D/(1-D)로서 표현되며, D항은 스위칭 수단에 따라 다르게 취할 수 있다. 인덕터(L)의 전류(G)는 변압비(NS/(NP+NT) 즉 1:2로서 출력 전류(H)로 페러랠(parallel) 변환될 수 있다. 각각의 단방향 전도수단은 전류(K)를 흐르게 하고, 각 전류의 합은 전류(F)이다.
인덕터(L)의 전류(G)는 두(T/2-tON)시간중 어느 한시간 동안에 각각의 단방향전도 수단의 전류(K) 및 출력전류(H)에 동시적으로 연속이다. 인덕터(L)의 전류(G)는 두 스위칭 수단(S11 또는 S12)중 어느하나의 tON시간의 ON동안에 소스(source)연속적이고, 스위칭 수단(S11과 S12)의 (T/2-tON)시간의 동시적 off동안에 소스 불연속적이며, tON과 (T/2tON)시간 동안에는 출력 불연속적이다. 따라서, IL=IM, IR(부하)=2DIM+(1-2D)2IM, IR(부하)=2IM[D+(1-2D)], IR(부하)=2IM(1-D), IM= .5IR(부하)/(1-D)이다.
캐패시터(C2)에 의해서 인티그레이트된(integrated) 연속적 인덕터(L)의 전류(G)/출력전류(H)는 IR(부하)로서 나온다. 그래서 이용(untilization)부하 R(부하) 양단에 걸치는 Eout을 표현한다.
3. 제8도와 제8A도를 참조하면, 타이밍, 전압과 전류의 실체는 제6도의 (T),(A),(B),(C),(D),(E),(F),(G),(H),(I),(J),(K),(L) 그리고 (M)에서 그에 따르는 타이밍, 전압과 전류의 식으로 표현된다. 이 회로는 기능적으로 인덕터(L)양단에 표시되는 전압(A)이 T11과 T12의 통합에 의해서 단일의 저 릴럭턴스를 갖는 자심구조로 된다는 점을 제외하곤 제7도와 제7A도의 그것과 동등하다. 인덕터(L)는 분리되어진 비교적 고릴럭턴스의 자심구조를 지닌다. 두 NP중 하나의 양단에 표시되는 Ein과 상호 대응하지 않는 두 NS중 하나의 양단에 표시되는 Eout의 플럭스-합계(flux-summing)는 tON시간 동안에 NT전압(S) Ein-Eout을 나타낸다.(T/2-tON)시간 동안에 각 Ns의 양단에의 Eout의 동시적 표현식의 플럭스-합계는 NT전압(S) 즉 -2Eout을 나타낸다. 자기 집적과 플럭스-합계의 기술은 전력 전환분야에서 잘 확립되어 있다.
4. 제9도와 제9A도를 참조하면, 타이밍, 전압과 전류의 실체는 제6도의 (T),(A),(B),(C),(D),(E),(F),(H),(I),(J),(K),(L) 그리고 (M)에서 그에 따르는 타이밍, 전압과 전류의 식으로 표현된다. 이 회로는 기능적으로 가상적인 권선(imaginary winding)(NEMF)양단에 걸쳐 표시되는 전압(A)가 다시 암페어턴(기자력)의 실체와 유사한 것을 제외하고는 제7도와 제7A도의 그것과 동등하다. 권선(NL과 NT)은 T11과 T12에 집적되어 있다. 자심구조체의 외부 렉은 상대적으로 저 릴럭턴스 특성을 보유한다. 인덕터(L)의 비교적 고 릴럭턴스를 갖는 자심구조의 특성은 자심구조체의 중앙 렉에 집적되어 있다. 인덕터전류(G)의 평균값은 현재 IM이며, 이는 전류(I),(J)와 (K)의 합성값으로서 고 릴럭턴스를 갖는 자기적 전류이다.
자기집적과 플럭스-합계의 기술은 단락3의 그것과 유래를 같이하며 또한 두-보빈(bobbin)의 파생물을 공유한다.
5. 제4도와 제4A도를 참조하면, 타이밍, 전압과 전류의 실체는 제6도의 (T),(A),(B),(C),(D),(E),(F),(H),(I),(J),(K),(L) 그리고 (M)에서 그에 따르는 타이밍, 전압, 전류의 식으로 표현된다. 이 회로는 제9도와 제9A도의 회로와 기능면에서 동등하며, 이 비고립적인 복수 출력을 갖는 실시예에서 권선(NS)을 갖지 않는다.
6. 제5도와 제5A도를 참조하면, 타이밍, 전압과 전류의 실체는 제6도의 (T),(A),(B),(C),(D),(E),(F),(H),(I),(J),(K),(L) 그리고 (M)에서 그에 따르는 타이밍, 전압 전류의 식으로 표현된다. 이 회로는 제9도와 제9A도의 회로와 기능면에서 동등하며, 부가적으로 이 고립적인 복수 출력을 갖는 실시예에서는 권선(NY)을 갖는다.
7. 제1도를 참조하면, 이 회로는 본 발명의 규준적인 형태를 구현한 것이고, 기능적인 면에서 전압의 극성과 전원/부하의 방향성에 독립적이다. 단일, 이중, 삼중 및 사중의 4분(quadrant)모드의 기능을 분명히 나타낸다.
8. (발명의 요약항에서 인용된 바와 같은) 본 발명의 상기한 특징 및 다른 특성들은 이 개시문헌을 읽는 당해 기술분야의 전문가에게 분명할 것이다. 어떠한 모드의 동작에 대해서도 제어수단 CM이 다양한 방법으로 실현될 수 있다는 것 또한 분명할 것이다.
그리고 또 자명한 것은, 본 발명의 토폴로지가 기존의 모든 반-브릿지, 전-브릿지 등의 전파와 다상 회로의 기하학적 형태를 형성하기 위하여 재배치되거나 추가될 수 있다는 것이다.
본 발명의 다른 응용이나 변형이나 파생물은 이 개시문헌을 읽는 당해 기술분야의 전문가에게 분명할 것이다. 이러한 인식은 첨부된 특허청구의 범위에서 정의된 바와 같이 본 발명의 범위내에 포함되는 것으로 의도된다.

Claims (4)

  1. 불연속적인 전원 전류를 갖는 DC 전원 전압과;
    상기 불연속적인 전원 전류를 집적하기 위하여 지향된 상기 DC 전원 전압의 양단에 병렬로 연결된 제1캐패시터와;
    이용 부하와;
    상기 이용부하 양단에 표시되는 DC 출력전압과;
    저 릴릭턴스 자심구조를 가지며 제1, 제2 및 제3권선을 포함하는 제1전력 변압기와;
    저 릴럭턴스 자심구조를 가지며 제1, 제2 및 제3권선을 포함하는 제2전력 변압기와;
    상기 제1전력 변압기의 제1권선의 양단에서 상기 DC 전원 전압과 상기 제1캐패시터를 선택적으로 결합시키기 위한 제1스위칭 수단과;
    상기 제2전력 변압기의 제1권선의 양단에서 상기 DC 전원 전압과 상기 제1캐패시터를 선택적으로 결합시키기 위한 제2스위칭 수단과;
    상기 이용부하와 함께 상기 제1전력 변압기의 제2권선에 직렬 연결되고, 상기 제1스위칭수단의 비-전도 시간동안 전도되도록 지향되는 제1 단방향 전도수단과;
    상기 이용부하와 함께 상기 제2전력 변압기의 제2권선에 직렬 연결되고, 상기 제2스 위칭수단의 비-전도 시간동안 전도되도록 지향되는 제2단방향 전도수단과;
    상기 제1전력 변압기의 제1권선과 상기 제2전력 변압기의 제3권선의 직렬결합 뿐만아니라 상기 제2전력 변압기의 제1권선과 상기 제1전력 변압기의 제3권선의 직렬결합의 양단이 병렬연결된 비교적 고 릴럭턴스 자심구조를 가지며, 병렬연결된 직렬 권선의 결합이 상기 제1 및 제2의 스위칭수단의 교대 전도시간동안에 상기 DC 전원 전압의 차를 표현하도록 구성되고 극성화되며, 한편 전압은 상기 제1과 제2스위칭수단의 동시적 비-전도 시간동안에 상기 DC 출력 전압의 2배를 나타내는 인덕터와;
    상기 이용부하의 양단에 병렬연결되고, 상기 제1캐패시터, 상기 제1 과 제2전력 변압기, 상기 제1 과 제2스위칭수단, 상기 제1 과 제2단방향 전도수단과 상기 인덕터의 연속적인 출력전류 프로덕트를 집적하기 위하여 지향된 제2캐패시터와;
    상기 DC 전압 전원으로부터 상기 이용부하로의 전파 전류 전달을 상기 제1캐패시터, 상기 제1 과 제2전력 변압기, 상기 제1 과 제2단방향 전도수단, 상기 인덕터와 상기 제2캐패시터를 통하여 실현하기 위하여 상기 제1 및 제2스위칭수단을 선택적으로 개방 및 폐쇄하며, 임의의 단위시간으로 표시되는 전파 동작사이클의 부분으로서 표시되는 스위치의 폐쇄주기를 표현하는 D와 이상적인 전압 전달비를 표현하는 M으로서 표시된, 전파 모드에서의 임의의 전압전달함수 M=D/(1-D)에 완전히 응답하는 제어 수단으로 이루어지고, 상기 제1스위칭수단과 제1스위칭수단은 동시에 작동하는 것을 특징으로 하는 전파 버크-부스트 변환기 토폴로지.
  2. 제1항에 있어서, 상기 제1 및 제2전력 변압기는 단일의 저 릴럭턴스를 갖는 자심구조에 집적되어 있고, 상기 인덕터는 별개의 비교적 고 릴럭턴스를 갖는 자심구조를 보유하는 것을 특징으로 하는 변환기.
  3. 제1항에 있어서, 상기 제1 및 제2전력 변압기와 상기 인덕터가 각각 단일 자심구조에 집적되어 있고, 상기 전력 변압기는 비교적 저 릴럭턴스의 특성을 상기 인덕터는 비교적 고 릴럭턴스의 특성을 갖고 집적된 것을 특징으로 하는 변환기.
  4. 불연속 전원전류를 가진 DC 전원 전압과;
    이용 부하와;
    얼터내이팅 DC 전원 전압에서 이용부하로의 스위칭수단들간에 삽입되어 표준 버크 부스트 변환기 전압전달함수 M=D/(1-D)와, 교대(D)간격동안 전원전압의 연속성과, 동시(1-D) 간격동안 전원의 불연속성과, 교대(D)간격과 동시(1-D) 간격동안 이용부하의 연속성인, 특성적인 전파 버크 변환기의 인덕터 전류 결합 특성을 동시에 제공하는, 단일 플럭스 퍼뮤테이션 매개수단으로 이루어지며,
    여기서 M은 이상적인 전압전달비를, D는 임의의 단위시간으로 표현된 전파동작 사 이클의 일부로 표현된 스위칭수단의 폐쇄주기를 표현하는 것을 특징으로 하는 연속모 드의 전파, 버크-부스트, PWM제어, 고정주파수, 스위칭방식 전력 변환기의 토폴로지.
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