KR100352804B1

KR100352804B1 - 영 전압 영 전류 스위칭 풀 브릿지 직류-직류 컨버터

Info

Publication number: KR100352804B1
Application number: KR1019990047523A
Authority: KR
Inventors: 전성즙
Original assignee: 전성즙
Priority date: 1999-10-29
Filing date: 1999-10-29
Publication date: 2002-09-16
Also published as: KR20010039221A

Abstract

본 발명은 영 전압 영 전류 스위칭(Zero Voltage and Zero Current Switching)을 이용하는 풀 브릿지 직류-직류 컨버터(full bridge DC-DC converter)에 관한 것으로서, 역병렬 다이오드가 각각 연결된 두 개의 스위치로 구성되는 진상 레그 및 지상 레그가 주변압기의 일차측에 형성되고, 주변압기의 이차측에는 두 개의 제 1 및 제 2 다이오드가 두 개의 탭을 통하여 연결되며, 지상 레그의 스위치들 및 주변압기사이에 보조 변압기가 연결되고, 지상 레그의 스위치들과 보조 변압기 사이에 제 3 및 제 4 다이오드가 병렬로 연결된다.

본 발명은 상기와 같이 구성하므로써 그 단순성 및 견고성으로 저전력 및 고전력 장치에 널리 이용될 수 있다는 효과가 있다.

Description

영 전압 영 전류 스위칭 풀 브릿지 직류-직류 컨버터{ZERO VOLTAGE AND ZERO CURRENT SWITCHING FULL BRIDGE DC-DC CONVERTER}

본 발명은 풀 브릿지 직류-직류 컨버터(full bridge DC-DC converter)에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 영 전압 영 전류 스위칭(Zero Voltage and Zero Current Switching)을 이용하는 풀 브릿지 직류-직류 컨버터에 관한 것이다.

용접기는 생산 가공업에서 아주 중요한 위치를 차지하고 있으며, 활용 범위가 아주 넓고 그 종류가 매우 다양하다. 초기의 전기 용접기는 누설 변압기를 중심으로 이루어졌고 최근에는 전력용 반도체 소자를 이용하는 방식이 대부분을 차지하고 있다. 널리 이용되던 전력용 반도체 소자는 다이리스터로 그 견고성으로 인해 아직도 대전력 부분에서는 많이 쓰이고 있다. 그러나, 다이리스터를 사용하는 용접기는 기본적으로 60Hz에서 동작하므로 크고 무거운 절연 번압기를 내장하여야 하는 단점이 있다. 절연 변압기는 동작 주파수를 높일수록 작게 만들 수 있다. 그래서 트랜지스터나 IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)로 동작하는 풀 브릿지 직류-직류 컨버터(full bridge DC-DC converter : 이하, FB 컨버터라 함) 방식이 많이 연구되었고 널리 쓰이고 있다. 최근에는 대체로 IGBT를 사용하는 경향이다. IGBT FB 컨버터 용접기에서 사용되는 주파수는 대략 10-20 KHz이다. 주파수를 높이면 변압기의 무게를 줄일 수 있어 유리하나, 스위칭 손실의 증가로 인해 그 이상 올리는 것은 바람직하지 못하다. 스위칭 손실을 줄일 수 있다면 가격을 상승시키지 않고 대략 30-50 KHz까지의 동작하는 것이 적절하다. 그 이상은 변압기의 코어 손실의 증가와 표피 효과에 따라 동손이 증가하여 전체적인 가격이 상승하므로 바람직하지 못하다. 영 전압 스위칭(Zero Voltage Switching : ZVS) 기법을 사용하면스위칭 손실을 크게 줄일 수 있다. 그러나, ZVS는 매우 한정된 범위 내에서만 만족될 수 있어 부하 상태가 크게 변하는 용접기에는 적합하지 못하며 도통 손실이 증가하는 단점을 가지고 있다. 특히, 용접기는 정상 운전중의 온 듀티가 30∼60 %이므로 스위칭 소자의 도통 손실뿐만 아니라 변압기의 동손도 크게 증가한다. ZVS의 이러한 단점은 한 쪽 레그(지상 레그(leading leg))에 영 전류 스위칭(Zero Current Switching : ZCS)을 도입한 영 전압 영 전류 스위칭(Zero Voltage and Zero Current Switching : 이하, ZVZCS라 함)으로 극복될 수 있다. ZVZCS 풀 브릿지 직류-직류 컨버터(full bridge DC-DC converter)에서는 일측 지상 레그(lagging leg)가 ZVS모드로 동작하고, 다른 일측의 진상 레그(leading leg)는 ZCS 모드로 동작한다. ZCS 조건은 변압기의 일차측에 보조 회로(auxillary circuit)를 도입하거나 변압기의 이차측에 보조 회로를 도입하므로써 얻어진다. 변압기의 이차측에 보조 회로를 도입한 형에서는 스너버 회로(snubber circuit) 또는 능동 클램프 회로(clamp circuit)를 사용하므로서 변압기로부터의 부하 전류를 억제하고 보조 회로로 바이패스시켜 ZCS를 제공한다. 이러한 형에서는 부하에 제공되는 온-듀티(on-duty)가 증가하여 단락이 빈번히 발생하는 용접기와 같은 시스템에서는 부적합하다. 변압기의 일차측에 보조 회로를 도입한 형에서는 일차측에 리세팅 전압을 제공하여 누설 인덕턴스에 저장된 리액턴스 에너지를 흡수하여 ZCS 조건을 제공한다. 이러한 형에서는 변압기의 주전류가 매 반사이클마다 리셋되어 0로 되므로 회로의 비대칭성에 의한 자기 포화(magnetic saturation)나 과도기 때에 생길 수 있는 편자 현상이 발생하지 않는다.

변압기의 일차측에 보조 회로를 도입한 형들중에는 ZVS 조건을 제공하는데 포화성 코아(saturable core)를 사용하고, ZCS 조건을 제공하는데 캐패시터를 사용하므로써 누설 인덕턴스에 저장된 자기 에너지를 흡수한다. 이러한 형의 컨버터에서는 AC 캐패시터의 사용 및 포화성 코아의 발열이 심각한 문제를 야기한다.

본 발명자는 1999년 6월 전기학회논문집 제 4 B권에 이러한 문제를 해결한 "아크 용접에 적합한 영 전압 영 전류 방식의 풀 브릿지 컨버터"를 개시하였다.

이 논문에서 본 발명자는 영 전압 영 전류 방식의 풀 브릿지 컨버터내 변압기의 일차측의 보조 회로에 보조 변압기 및 두 개의 능동 스위치를 구성하고 보조 변압기를 통하여 리세팅 전압을 제공하므로써 누설 인덕턴스내에 저장된 반발 에너지를 흡수할 수 있는 장치를 개시하였다. 그러나, 이 논문에 개시된 장치에서는 보조 회로가 하드 스위칭하며, 구성이 복잡하다는 단점이 있었다.

본 발명은 이러한 문제를 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 변압기의 일차측에 보조 회로를 도입한 영 전압 영 전류 방식의 풀 브릿지 컨버터에서 보조 회로를 보조 변압기 및 두 개의 다이오드로만 구성한 영 전압 영 전류 방식의 풀브릿지 컨버터를 제공하는데 있다.

이러한 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 역병렬 다이오드가 각각 연결된 두 개의 스위치로 구성되는 진상 레그 및 지상 레그가 주변압기의 일차측에 병렬로 형성되고, 주변압기의 이차측에는 두 개의 제 1 및 제 2 다이오드가 두 개의 탭을 통하여 연결되어 제 1및 제 2다이오드에 연결된 인덕터를 거쳐 부하에 전류를 제공하는 풀 브릿지 직류-직류 컨버터에 있어서, 지상 레그의 스위치들 및 주변압기와 연결된 보조 변압기와, 진상 레그의 스위치들과 보조 변압기 사이에 각각 병렬로 연결된 제 3 및 제 4 다이오드를 포함하는 보조 회로를 구비하는 영 전압 영 전류 스위칭 풀 브릿지 직류-직류 컨버터를 구비한다.

도 1은 본 발명에 따른 영 전압 영 전류 스위칭 풀 브릿지 직류-직류 컨버터의 회로도,

도 2는 본 발명에 따른 영 전압 영 전류 스위칭 풀 브릿지 직류-직류 컨버터의 주요 부분 파형도,

도 3은 본 발명에 따른 영 전압 영 전류 스위칭 풀 브릿지 직류-직류 컨버터의 작동 상태를 설명하기 위한 도면,

도 4 내지 도 7은 본 발명에 따른 영 전압 영 전류 스위칭 풀 브릿지 직류-직류 컨버터의 실험 상태를 도시한 도면.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

1 : 부하 2 : 보조 회로

S₁-S₄: 스위치 소자 T_M: 주 변압기

T_A: 보조 변압기

이하, 본 발명의 일실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도 1에는 본 발명의 회로도가 도시되어 있다. 도시된 바와 같이 컨버터 회로는 IGBT를 이용한 4개의 스위치 소자(S₁-S₄)로 구성되어 있으며, 이 스위치 소자(S₁-S₄)들은 도시하지 않은 전류 제어부에 의하여 그 구동이 제어된다. 전류 제어부는 후술하는 바와 같이 스위치 소자(S₁-S₄)들을 순차적으로 턴온시키므로써 스위치 소자(S₁-S₄)들에 연결된 주 변압기(T_M)의 일차측에 전류를 제공한다. 스위치 소자(S₁-S₄)들의 에미터와 컬렉터 사이에는 역병렬 다이오드(D₁-D₄)들이 각각 연결되어 있으며, 스위치 소자(S₂, S₄)의 에미터와 컬렉터 사이에는 충방전용 캐패시터(C₂, C₄)가 연결되어 있다. 여기서, 스위치 소자(S₁, S₃)를 포함하는 부분을 진상 레그라 하고, 스위치(S₂, S₄)를 포함하는 부분을 지상 레그라 구분한다.

주 변압기(T_M)의 이차측은 도시된 바와 같이 두 개의 탭으로 구성되고, 이들은 각각 정류용 다이오드(D_f1, D_f2)에 연결되어 있으며, 정류용 다이오드(D_f1, D_f2)에 의하여 정류된 전압은 필터용 인덕터(L_f)를 통하여 부하(1)에 제공된다.

한편, 본 발명에서의 보조 회로(2)는 보조 변압기(T_A) 및 다이오드(D_A1, D_A2)로 구성되며, 보조 회로(2)의 일차측은 주 변압기(T_M)의 일차측과 병렬로 연결되어 있으며, 보조 변압기(T_A)의 이차측은 수동 레그(passive leg) 및 지상 레그 사이에 연결되어 있다. 즉, 보조 변압기(T_A)의 이차측은 지상 레그를 구성하는 스위치 소자(S₂, S₄) 사이에 일단이 연결되고, 다른 일단은 수동 레그를 구성하는 다이오드(D_A1, D_A3) 사이에 연결되어 있다.

진상 레그는 보조 회로(2)에 의하여 ZCS 조건으로 작동하며, 지상 레그는 캐패시터(C₂, C₄,) 및 인덕터(L_lk, L_f)에 의하여 ZVS 조건으로 작동하고, 수동 레그는 전류(i₁)의 상태에 따라 작동한다. 인덕터(L_lk)는 주 변압기(T_M) 및 보조 변압기(T_A)의 전체 누설 인덕턴스를 의미하는 것으로서 실재 인덕터 소자를 의미하는 것은 아니며, 캐패시터(C₂, C₄)는 스위치 소자(S₂및 S₄) 및 스위치 소자(S₂, S₄)와 병렬 상태로 ZVS 효과를 증가시키는 부가적 캐패시터들의 합값을 의미하는 것으로 실제 캐패시터 소자를 의미하는 것은 아니다.

도 2에 도시된 바와 같이 본 발명의 컨버터는 하나의 사이클이 다섯 개의 모드로 구성된다. 도 3에는 모드별 작동 상태도가 도시되어 있다.

모드 1에서 스위치 소자(S₁및 S₂)가 온되며 전원 전력은 도 3a에 도시된 바와 같이 주 변압기(T_M) 및 다이오드(D_f1)를 거쳐 부하(1)에 제공된다. 도 3a 내지 도3f에서는 도면의 간략화를 위하여 보조 회로(2)는 생략하였다. 보조 변압기(T_A)의 이차측 단자는 다이오드(D_A3) 및 스위치 소자(S₄)에 의하여 단락된다. 스위치 소자(S₄)를 통하여 흐르는 전류는 다음 수학식 1과 같다.

모드 2는 스위치 소자(S₄)를 오프시키므로써 개시되며, 캐패시터(C₂, C₄) 및 인덕터(L_lk, L_f)에 의하여 공진 회로가 구성된다. 이때의 상세한 등가 회로는 도 4f에 도시되어 있다. 캐패시터(C₄)에 제공되는 전압은 수학식 2와 같다.

또한 주전류(i₁)은 수학식 3으로 주어진다.

여기서,는 수학식 4, Z₀는 수학식 5와 같다.

여기서, C_eq는 수학식 6과 같으며 수학식 6에서의 C는 수학식 7과 같다.

여기서가 매우 크므로 전류(i₁)는 일정하다고 볼 수 있다. 스위치 소자(S₄) 양단의 전압은 서서히 상단의 전압까지 상승하고 이에 따라 모드 3이 개시된다. 도 3c에 도시된 바와 같이 보조 변압기(T_A)의 일차측 권선에서 직류 전압이 나타난다. 인덕터에 저장된 반발 에너지는 직류로 회복된다. 따라서 주전류(i₁)는 수학식 8에서와 같이 0로 떨어진다.

여기서, V_aux는 보조 권선을 통하여 발생된 직류 전압이며 수학식 9와 같다.

모드 3의 수행중에 다이오드(D₂)가 온되고 이에 따라 스위치 소자(S₂)는 ZVS 조건에서 턴온된다. 따라서, 모드 4가 개시된다.

모드 4의 수행중에 주전류(i₁)는 0로 남아있고, 부하 전류는 도 3d에 도시된 바와 같이 다이오드(D_f1및 D_f2)를 통하여 일정하게 제공된다. 모드 4에서 스위치 소자(S₁)는 ZCS 조건에서 턴오프되고 변압기의 두 개의 이차측 권선을 통하여 부하(1) 전류가 흐르게 된다.

ZCS조건으로 스위치 소자(S₃)를 턴온시키므로써 모드 5가 개시된다. 주전류(i₁)는 스위치 소자(S₂및 S₃)를 통하여 흐르게 된다. 보조 변압기(T_A)의 이차측 단자는 다이오드(D_A1) 및 스위치 소자(S₂)를 통하여 단락된다. 주전류(i₁)는 수학식 10으로 검출된다.

주전류(i₁)의 증가에 따라 다이오드(D_f1)를 통하던 부하 전류는 다이오드(D_f2)로 변경된다. 모드 5는 다이오드(D_f1)를 통한 전류가 0가 됨에 따라 종료한다. 이러한 방법으로 하나의 스위칭 사이클이 종료된다.

다음으로 상술한 구성에서의 ZVZCS 조건을 설명하면 다음과 같다.

스위치 소자(S₄)의 ZVS-오프는 상술한 바와 같이 캐패시터(C_eq)가 스위치 소자(S₄)와 병렬로 접속되어 있는 것과 같기 때문에 자연적이다. 스위치 소자(S₂)의 ZVS-온을 수행하기 위해서는 캐패시터(C_eq)의 전압(v_c)은 상단 전압에 도달하여야 한다. 일반적으로는 전압(v_C)까지 상승할 정도로 충분히 크기 때문에 ZVS동작은 항상 가능하다.

일반적으로가 크고 시간 간격이 짧기 때문에 모드 2에서 전류(i₁)는 일정하다. ZVS 동작을 위해 스위치 소자(S₂) 및 (S₄)에 할당되는 시간 간격(T_ZVS)은 수학식 11에 의하여 주어지며, 적당한 캐패시터(C_eq)를 선택하므로써 용이하게 선택할 수 있다.

모드 3에서 진상 레그내의 ZCS-오프동작은 스위치 소자(S₂)의 게이트 펄스가 제거되기 전에 주전류(i₁)를 제거하므로써 수행된다. 주전류(i₁)를 제거하는데 필요한 적절한 시간(T_ZCS)은 수학식 12로 주어진다.

여기서, T_ZCS는 전류가 최소일 때에 최소이며 최소 T_ZCS는 수학식 13으로 주어진다.

여기서 i_1min는 최소 전류이다. 일반적으로 최소 전류는 주 변압기(T_M)의 자화 전류로 주어진다. T_ZCS는 전류가 최대일 때에 최대이며 최대 T_ZCS는 수학식 14로 주어진다.

여기서, i_1max는 최대 전류이다.

바람직한 ZCS 동작 조건은 수학식 15로 주어진다.

여기서 D_max는 최대 듀티 사이클이며, T_S는 스위칭 기간이다. 일반적으로 듀티 사이클의 범위는 0.6에서 0.9이다. 특별한 경우 예컨데 용접기의 경우에는 그 범위가 0.3에서 0.6이다. ZCS 조건은 적절한 V_aux를 선택하므로써 이루어진다. 낮는 듀티 사이클에서는 낮은 V_aux로서 이루어진다. 더 낮은 V_aux가 사용되면 더 적은 보조 변압기(T_A)가 요구된다.

다음으로 스위치들의 데드 타임에 대하여 설명하면 다음과 같다.

바람직한 ZVS를 위한 스위치들의 데드 타임은 수학식 16을 만족하여야 한다.

좌측의 제한 조건은 T_ZVS에 의하여 한정되며 전류(i₁)의 감소 함수이며, 우측의 제한 조건은 T_ZVS및 T_ZCS의 합으로 주어지며 전류(i₁)의 증가 함수이다. 따라서, 수학식 17에 의하여 T_2-4를 선택한다면 지상 레그의 ZVS 전이는 모든 경우에 수행된다.

진상 레그의 데드 타임은 수학식 18로 주어지며, 그 범위는 매우 넓다.

t₅- t₄의 최소치는 듀티가 가장 크고 전류가 가장 많이 흐를 때 주어지므로 데드 타임은 수학식 19에 의하여 선택할 수 있으면 스위치들은 모든 경우에 정확하게 스위칭된다.

본 발명자는 12.5KW의 용접기 시제품을 제작하여 테스트하였다. 그 결과가 도 4 내지 도 7에 도시되어 있다. 도 4에서 상부 파형은 본 발명의 컨버터의 출력 파형이며 가운데 파형은 주 변압기(T_M)의 주 전압이며, 하단의 파형은 주 변압기(T_M)의 주 전류이다. 주 전압내의 작은 펄스들은 변압기의 누설 인덕턴스에 부여되는 리세팅 전압이다. 보조 변압기(T_A)의 일차측에 반영된 리세팅 전압은 주 변압기(T_M) 및 보조 변압기(T_A)의 인덕턴스에 따라 분할되는 누설 인덕턴스에 부여된다.

도 5의 상부 파형은 본 발명의 컨버터의 출력 전압이며, 가운데 파형은 보조 변압기(T_A)의 이차측 권선의 전압이며 하단의 파형은 보조 변압기의 이차측 전류이다. 도 4 및 도 5는 안정된 즉, 적절한 ZVZCS 동작 상태를 보여준다. 도 6에서 상단 파형은 부하 전류이며, 가운데 파형은 정류된 전압을 그리고 하단 파형은 정류용 다이오드(D_f1)를 통한 전류이다. 도 7은 전류 명령에 의한 부하 전류 파형이 도시되어 있다. 상단 파형은 회로가 단락 회로의 부하용이며, 하단 파형은 정격 부하용이다. 이와 같은 부하 조건에서 바람직한 부하 전류가 얻어진다.

이와 같이 본 발명에서는 절연 변압기를 갖는 새로운 ZVZCS 풀 브릿지 직류-직류 컨버터를 개시하였다. 본 발명에서는 부가적인 보조 변압기를 사용하므로써 진상 레그의 ZCS 조건을 얻는다. 보조 변압기를 포함하는 보조 회로는 충분히 작으며, 무부하 상태 및 단락 회로 부하에 이르는 넓은 범위의 부하 조건에서 적절히 작동한다. 따라서, 본 발명은 그 간단성 및 견고성으로 저전력 및 고전력 장치에 널리 이용될 수 있다는 효과가 있다.

Claims

역병렬 다이오드가 각각 연결된 두 개의 스위치로 구성되는 진상 레그 및 지상 레그가 주변압기의 일차측에 병렬로 형성되고, 상기 주변압기의 이차측에는 두 개의 제 1 및 제 2 다이오드가 두 개의 탭을 통하여 연결되고 상기 제 1및 제 2다이오드에 연결된 인덕터를 거쳐 부하에 전류를 제공하는 풀 브릿지 직류-직류 컨버터에 있어서,

상기 지상 레그의 스위치들 및 주변압기와 연결된 보조 변압기와;

상기 진상 레그의 스위치들과 보조 변압기 사이에 각각 병렬로 연결된 제 3 및 제 4 다이오드를 포함하는 보조 회로를 구비하는 영 전압 영 전류 스위칭 풀 브릿지 직류-직류 컨버터.
제 1 항에 있어서,

상기 보조 변압기의 일차측은 상기 주변압기의 일차측과 상기 지상 레그의 두개 스위치의 노드 사이에 연결되며, 그 이차측은 상기 제 3 및 제 4 다이오드와 상기 지상 레그의 두개 스위치의 노드 사이에 연결되는 영 전압 영 전류 스위칭 풀 브릿지 직류-직류 컨버터.