KR100609138B1

KR100609138B1 - Dc to dc converter of parallel resonance type

Info

Publication number: KR100609138B1
Application number: KR1020040110985A
Authority: KR
Inventors: 한무호; 이왕하; 박태준; 이성희
Original assignee: 재단법인 포항산업과학연구원
Priority date: 2004-12-23
Filing date: 2004-12-23
Publication date: 2006-08-08
Also published as: KR20060072384A

Abstract

본 발명은 SMPS 등의 전원장치에 적용되는 병렬 공진형 DC/DC 컨버터를 제공하는데 그 목적이 있다.SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a parallel resonant DC / DC converter applied to a power supply device such as an SMPS.

본 발명의 병렬 공진형 DC/DC 컨버터는, 직류 전류원; 승압을 위한 파워링 동작모드와 강압을 위한 자유공진 동작모드에서의 각 스위칭을 제어하는 제어부; 풀-브리지타입의 제1 내지 제4 스위치를 포함하는 스위치부; 상기 스위치부의 제1 및 제2 스위치의 접속노드와, 상기 제3 및 제4 스위치의 접속노드 사이에 연결된 1차 코일 및 2차 코일을 포함하는 트랜스; 상기 트랜스의 1차코일에 병렬로 접속되어 사전에 설정된 공진주기를 갖는 병렬 공진부; 상기 트랜스에서 출력되는 전압을 정류하는 정류부; 및 상기 정류부에 의해 정류된 전압에 포함된 노이즈를 제거하는 필터부를 구비한다.Parallel resonant DC / DC converter of the present invention, a direct current source; A control unit controlling each switching in a powering operation mode for boosting and a free resonance operation mode for stepping-down; A switch unit including first to fourth switches of a full bridge type; A transformer including a primary coil and a secondary coil connected between a connection node of the first and second switches of the switch unit and a connection node of the third and fourth switches; A parallel resonator having a preset resonant period connected in parallel to the primary coil of the transformer; A rectifier for rectifying the voltage output from the transformer; And a filter unit for removing noise included in the voltage rectified by the rectifier.

전원장치, DC/DC 컨버터, 풀브리지, 병렬공진, 영전압 스위칭(ZVS)Power Supply, DC / DC Converter, Full Bridge, Parallel Resonance, Zero Voltage Switching (ZVS)

Description

Parallel Resonant DC / DC Converters {DC TO DC CONVERTER OF PARALLEL RESONANCE TYPE}

도 1은 종래의 DC/DC 컨버터의 구성도이다.1 is a block diagram of a conventional DC / DC converter.

도 2는 본 발명에 따른 병렬공진형 DC/DC 컨버터의 구성도이다.2 is a block diagram of a parallel resonant DC / DC converter according to the present invention.

도 3a 및 도 3b는 파워링 동작모드시 전류 흐름도이다.3A and 3B are a flow chart of current in a powering operation mode.

도 4a 및 도 4b는 자유공진 동작모드시 전류 흐름도이다.4A and 4B are current flow charts in the free resonance mode of operation.

도 5는 본 발명에 따른 스위칭 주기 및 공진 주기 설명도이다.5 is an explanatory diagram of a switching period and a resonance period according to the present invention.

도 6은 본 발명에 따른 주요 전류 및 전압 파형도이다.6 is a main current and voltage waveform diagram according to the present invention.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *Explanation of symbols on the main parts of the drawings

110 : 직류 전류원 120 : 제어부110: DC current source 120: control unit

130 : 스위치 140 : 트랜스130: switch 140: transformer

150 : 병렬 공진부 160 : 정류부150: parallel resonator 160: rectifier

170 : 필터부 PM : 파워링 동작모드170: filter unit PM: powering operation mode

RM : 자유공진 동작모드 pt : 파워링 동작모드의 실행시간RM: Free Resonance Operation Mode pt: Execution Time of Powering Operation Mode

rt : 자유공진 동작모드의 실행시간 S1~S4 : 제1 내지 제4 스위치rt: Execution time of free resonant operation mode S1 to S4: First to fourth switches

본 발명은 SMPS 등의 전원장치에 적용되는 병렬 공진형 DC/DC 컨버터에 관한 것으로, 특히 출력전압 상승을 위한 파워링 동작모드와 출력전압 하강을 위한 자유공진 동작모드를 주기적으로 수행하는데, 상기 파워링 동작모드와 자유공진 동작모드의 실행시간 비율을 조절하여 출력전압을 승압 및 강압시킬 수 있고, 병렬 공진회로를 이용하여 보다 확실한 영전압 스위칭(ZVS)을 수행할 수 있는 병렬 공진형 DC/DC 컨버터에 관한 것이다.The present invention relates to a parallel resonant DC / DC converter applied to a power supply device such as SMPS, and more particularly, periodically performing a powering operation mode for increasing the output voltage and a free resonance operation mode for decreasing the output voltage. Parallel resonant DC / DC capable of stepping up and down the output voltage by adjusting the run time ratio between the ring and free resonant operating modes, and performing more reliable zero voltage switching (ZVS) using a parallel resonant circuit. It is about a converter.

일반적으로, 직류 전압을 다른 크기의 직류 전압으로 변환시키는 DC/DC 컨버터는 다양한 분야에 이용되는데, 예를 들어, 컴퓨터의 제어보드에 전원을 공급하는 전원장치에 DC/DC컨버터가 내장되어 있다. 이와 같이, 통상 제어기에는 DC/DC변환기가 이용된다.In general, a DC / DC converter for converting a DC voltage into a DC voltage of a different size is used in various fields. For example, a DC / DC converter is embedded in a power supply unit for supplying power to a control board of a computer. As such, a DC / DC converter is usually used for the controller.

직류 전압원(VS)에서의 전압으로 동작상태로 되는 풀 브리지 스위치부(11)에 포함된 제1 내지 제4 스위치(S1~S4)는 미도시된 제어부의 제1 내지 제4 스위칭 신호(SS1~SS4)에 따라 스위칭 동작하고, 이러한 스위칭 동작에 의해 상기 직류 전압은 펄스성 직류 전압으로 변환된다.The first to fourth switches S1 to S4 included in the full bridge switch unit 11, which is operated at a voltage from the DC voltage source VS, are the first to fourth switching signals SS1 to A switching operation is performed according to SS4), and by this switching operation, the DC voltage is converted into a pulsed DC voltage.

즉, 상기 제1 내지 제4 스위치(S1~S4)중에서, 제1 및 제4 스위치(S1,S4)가 쌍으로 온/오프 동작하고, 또한 제2 및 제3 스위치(S2,S3)가 쌍으로 오프/온 동작하여 상기 직류 전압원(VS)의 직류전압이 펄스성 직류 전압으로 변환된다.That is, among the first to fourth switches S1 to S4, the first and fourth switches S1 and S4 are turned on and off in pairs, and the second and third switches S2 and S3 are paired. The DC voltage of the DC voltage source VS is converted into a pulsed DC voltage by performing the on / off operation.

이후, 상기 펄스성 직류 전압은 트랜스(12)의 1차 및 2차 코일의 권선비율에 따라 2차 교류 전압으로 변환된 후, 정류부(13)에 의해 직류 전압으로 정류되고 평활 커패시터(CO)에 의해 평활되어 출력된다. 이러한 동작 과정을 통해서, 상기 직류 전압원(VS)의 직류 전압은 설정된 크기의 직류 전압으로 변환된다.Thereafter, the pulsed DC voltage is converted into a secondary AC voltage according to the winding ratios of the primary and secondary coils of the transformer 12, and then rectified to the DC voltage by the rectifying unit 13 to the smoothing capacitor CO. Is smoothed and output. Through such an operation process, the DC voltage of the DC voltage source VS is converted into a DC voltage having a predetermined size.

그러나, 이와 같은 종래 DC/DC 컨버터는, 트랜스의 권선비율에 따라 정해진 직류 출력을 제공할 수 있지만, 이 전압 이외의 전압으로 승압 또는/ 및 강압시킬 수 없다는 문제점이 있으며, 이에 따라 제작된 이후에는 그 사용 및 적용 범위가 극히 제한될 수 밖에 없다는 문제점이 있다.However, such a conventional DC / DC converter can provide a DC output determined according to the winding ratio of the transformer, but has a problem in that it cannot be stepped up and / or stepped down to a voltage other than this voltage. There is a problem that its use and application range is inevitably limited.

또한, 영전압 스위칭 또는/ 및 영전류 스위칭이 불안정하여 스위칭시에 발생하는 손실로 인하여 효율이 나쁘다는 문제점이 있다. In addition, there is a problem that the efficiency is poor due to the loss generated during switching due to unstable zero voltage switching and / and zero current switching.

본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위해 제안된 것으로, 그 목적은 출력전압 상승을 위한 파워링 동작모드와 출력전압 하강을 위한 자유공진 동작모드를 주기적으로 수행하는데, 상기 파워링 동작모드와 자유공진 동작모드의 실행시간 비율을 조절하여 출력전압을 승압 및 강압시킬 수 있고, 병렬 공진회로를 이용하여 보 다 확실한 영전압 스위칭(ZVS)을 수행할 수 있는 병렬 공진형 DC/DC 컨버터를 제공하는데 있다.
The present invention has been proposed to solve the above problems, and its object is to periodically perform a powering operation mode for increasing the output voltage and a free resonance operation mode for decreasing the output voltage, wherein the powering operation mode and the free resonance The present invention provides a parallel resonant DC / DC converter capable of stepping up and down the output voltage by adjusting the execution time ratio of the operation mode, and performing more reliable zero voltage switching (ZVS) using a parallel resonant circuit. .

상기한 본 발명의 목적을 달성하기 위해서, 본 발명의 병렬 공진형 DC/DC 컨버터는,In order to achieve the above object of the present invention, the parallel resonant DC / DC converter of the present invention,

직류 전류원;DC current source;

승압을 위한 파워링 동작모드와 강압을 위한 자유공진 동작모드를 주기적으로 반복 수행하고, 사전에 설정된 출력전압에 따라 상기 파워링 동작모드의 실행시간 및 상기 자유공진 동작모드의 실행시간과의 비율을 제어하며, 각 동작모드별로 사전에 정해진 스위칭을 제어하는 제어부;The powering operation mode for step-up and the free resonance operation mode for step-down are periodically repeated, and the ratio between the execution time of the powering operation mode and the execution time of the free resonance operation mode is set according to a preset output voltage. A control unit for controlling a predetermined switching for each operation mode;

풀-브리지타입의 제1 내지 제4 스위치를 포함하고, 서로 직렬 접속된 상기 제1 및 제2 스위치, 상기 제3 및 제4 스위치는 상기 직류 전류원의 양단에 각각 병렬로 접속되며, 상기 제어부의 스위칭 제어에 따라 스위칭되는 스위치부;The first and second switches, the third and fourth switches connected in series with each other, are connected in parallel to both ends of the DC current source, respectively. A switch unit switched according to the switching control;

상기 스위치부의 제1 및 제2 스위치의 접속노드와, 상기 제3 및 제4 스위치의 접속노드 사이에 연결된 1차 코일 및 2차 코일을 포함하는 트랜스;A transformer including a primary coil and a secondary coil connected between a connection node of the first and second switches of the switch unit and a connection node of the third and fourth switches;

상기 트랜스의 1차코일에 병렬로 접속되어 사전에 설정된 공진주기를 갖는 병렬 공진부;A parallel resonator having a preset resonant period connected in parallel to the primary coil of the transformer;

상기 트랜스에서 출력되는 전압을 정류하는 정류부; 및A rectifier for rectifying the voltage output from the transformer; And

상기 정류부에 의해 정류된 전압에 포함된 노이즈를 제거하는 필터부Filter unit for removing noise contained in the voltage rectified by the rectifier

를 구비함을 특징으로 한다.Characterized in having a.

이하, 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다. Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

본 발명에 참조된 도면에서 실질적으로 동일한 구성과 기능을 가진 구성요소들은 동일한 부호를 사용할 것이다.In the drawings referred to in the present invention, components having substantially the same configuration and function will use the same reference numerals.

도 2를 참조하면, 본 발명의 병렬공진형 DC/DC 컨버터는, 직류 전류원(110), 제어부(120), 스위치부(130), 트랜스(140), 병렬 공진부(150), 정류부(160) 및 필터부(170)를 포함한다.Referring to FIG. 2, the parallel resonant DC / DC converter of the present invention includes a DC current source 110, a control unit 120, a switch unit 130, a transformer 140, a parallel resonator unit 150, and a rectifier unit 160. ) And a filter unit 170.

상기 직류 전류원(110)은 직류 전압원(Vs)과 큰 인덕턴스를 갖는 인덕터(L1)로 구현될 수 있다.The DC current source 110 may be implemented as an inductor L1 having a large inductance with a DC voltage source Vs.

상기 제어부(120)는 승압을 위한 파워링 동작모드(PM)와 강압을 위한 자유공진 동작모드(RM)를 주기적으로 반복 수행하고, 사전에 설정된 출력전압(즉,목표전압)에 따라 상기 파워링 동작모드(PM)의 실행시간(pt) 및 상기 자유공진 동작모드(RM)의 실행시간(rt)과의 비율을 제어하며, 각 동작모드별로 사전에 정해진 스위칭을 제1 내지 제4 스위칭 신호(SS1~SS4)를 이용하여 제어하도록 이루어진다.
예를 들어, 상기 파워링 동작모드(PM)는 출력전압을 상승시키기 위한 동작모드이고, 자유공진모드(RM)는 출력전압을 하강하기 위한 동작모드이며, 이에 따라, 희망하는 출력전압이 결정되면, 이에 해당되는 파워링 동작모드의 실행시간(pt)과 자유공진 동작모드의 실행시간(rt)의 비율이 정해지고, 이와 같이 정해진 비율로 스위칭이 수행된다.The controller 120 periodically repeats the powering operation mode PM for step-up and the free resonance operation mode RM for step-down and performs the powering according to a preset output voltage (ie, a target voltage). The ratio between the execution time pt of the operation mode PM and the execution time rt of the free resonant operation mode RM is controlled, and predetermined switching for each operation mode is performed by the first to fourth switching signals ( SS1 ~ SS4) to control.
For example, the powering operation mode PM is an operation mode for increasing the output voltage, and the free resonance mode RM is an operation mode for lowering the output voltage. Accordingly, when the desired output voltage is determined, The ratio of the execution time pt of the powering operation mode and the execution time rt of the free resonant operation mode corresponding thereto is determined, and switching is performed at the predetermined ratio.

상기 스위치부(130)는 풀-브리지(full-bridge)타입의 제1 내지 제4 스위치(S1~S4)를 포함하고, 서로 직렬 접속된 상기 제1 및 제2 스위치(S1,S2), 상기 제3 및 제4 스위치(S3,S4)는 상기 직류 전류원(110)의 양단에 각각 병렬로 접속되며, 상기 제어부(120)의 스위칭 제어에 따라 스위칭되도록 이루어진다.The switch unit 130 includes full-bridge type first to fourth switches S1 to S4, the first and second switches S1 and S2 connected in series with each other, and The third and fourth switches S3 and S4 are connected to both ends of the DC current source 110 in parallel, and are configured to be switched according to the switching control of the controller 120.

상기 트랜스(140)는 상기 스위치부(130)의 제1 및 제2 스위치(S1,S2)의 접속노드와, 상기 제3 및 제4 스위치(S3,S4)의 접속노드 사이에 연결된 1차 코일(TL1) 및 2차 코일(TL2)을 포함한다. 이러한 트랜스(140)는 1차 코일(TL1) 및 2차 코일(TL2)의 권선비율에 따라 1차 코일(TL1)의 전압을 2차 코일(TL2)로 전달한다.The transformer 140 is a primary coil connected between a connection node of the first and second switches S1 and S2 of the switch unit 130 and a connection node of the third and fourth switches S3 and S4. TL1 and secondary coil TL2. The transformer 140 transmits the voltage of the primary coil TL1 to the secondary coil TL2 according to the winding ratios of the primary coil TL1 and the secondary coil TL2.

상기 병렬 공진부(150)는 상기 스위치부(130)를 통해 전달받은 에너지를 축적하고, 상기 트랜스(140)의 1차코일(TL1)에 병렬로 접속되어 사전에 설정된 공진주기를 갖도록 커패시터(Co) 및 인덕터(Lo)이루어진다. The parallel resonator 150 accumulates the energy transmitted through the switch unit 130 and is connected to the primary coil TL1 of the transformer 140 in parallel to have a preset resonance period. ) And an inductor Lo.

상기 정류부(160)는 상기 트랜스(140)에서 출력되는 전압을 정류하도록 브리지 다이오드(D1~D4)로 이루어질 수 있다.The rectifier 160 may be formed of bridge diodes D1 to D4 to rectify the voltage output from the transformer 140.

상기 필터부(170)는 상기 정류부(160)에 의해 정류된 전압에 포함된 노이즈를 제거하는 저역통과필터로서, 이는 커패시터(C) 및 인덕터(L)의 조합으로 이루어질 수 있다.The filter unit 170 is a low pass filter that removes noise included in the voltage rectified by the rectifier 160, and may be formed of a combination of a capacitor C and an inductor L.

또한, 상기 제어부(120)는, 파워링 동작모드(PM)시 한 조의 제1 및 제4 스위치(S1,S4)와, 다른 한조의 제2 및 제3 스위치(S2,S3)를 각 조별로 사전에 설정된 스위칭 주기로 온/오프 스위칭을 제어하도록 이루어지고, 이때, 상기 제어부(120)는 영전압 스위칭(ZVS)을 위해, 상기 병렬 공진부(150)의 공진주기에 동기시켜 상기 스위칭 주기를 제어하도록 이루어진다.In addition, the control unit 120, in the powering operation mode (PM), a pair of first and fourth switches (S1, S4), and a pair of second and third switches (S2, S3) for each group The on / off switching is controlled by a preset switching period, wherein the controller 120 controls the switching period in synchronization with the resonance period of the parallel resonator 150 for zero voltage switching (ZVS). Is done.

그리고, 상기 제어부(120)는 자유공진 동작모드(RM)시 한 조의 제1 및 제2 스위치(S1,S2)와, 다른 한조의 제3 및 제4 스위치(S3,S4)를 사전에 설정된 스위칭 주기로 온/오프 스위칭 제어하도록 이루어지고, 이때, 상기 제어부(120)는 영전압 스위칭(ZVS)을 위해, 상기 병렬 공진부(150)의 공진주기에 동기시켜 상기 스위칭 주기를 제어하도록 이루어진다.In addition, the control unit 120 presetly switches a set of first and second switches S1 and S2 and another set of third and fourth switches S3 and S4 in the free resonant operation mode RM. The on / off switching control is performed in a cycle, and in this case, the controller 120 is configured to control the switching cycle in synchronization with the resonance cycle of the parallel resonator 150 for zero voltage switching (ZVS).

도 3a는 파워링 동작모드중 제1 및 제4 스위치(S1,S4) 온시의 전류 흐름도이고, 도 3b는 파워링 동작모드중 제2 및 제3 스위치(S2,S3) 온시의 전류 흐름도이다.FIG. 3A is a flowchart of current when the first and fourth switches S1 and S4 are turned on in the powering operation mode, and FIG. 3B is a flowchart of current when the second and third switches S2 and S3 are turned on in the powering operation mode.

도 3에 도시된 파워링 동작모드시, 상기 직류 전류원(110)의 직류 전류가 출력 부하로 전달되는 것을 알 수 있다.In the powering operation mode shown in FIG. 3, it can be seen that the DC current of the DC current source 110 is transferred to the output load.

도 4a는 자유공진 동작모드중 제1 및 제2 스위치(S1,S2) 온시의 전류 흐름도이고, 도 4b는 자유공진 동작모드중 제3 및 제4 스위치(S3,S4) 온시의 전류 흐름도이다.4A is a flow chart of current when the first and second switches S1 and S2 are turned on in the free resonant operation mode, and FIG. 4B is a flow chart of current when the third and fourth switches S3 and S4 are turned on in the free resonance mode.

도 4에 도시된 자유공진 모드시, 상기 직류 전류원(110)의 직류 전류는 출력 부하로 전달되지 않고, 상기 병렬 공진부(150)에 의한 에너지가 출력 부하로 전달되는 것을 알 수 있다.In the free resonant mode illustrated in FIG. 4, the DC current of the DC current source 110 is not transmitted to the output load, but the energy by the parallel resonator 150 is transmitted to the output load.

도 5에서, 파워링 동작모드시, 상기 제어부에 의한 스위칭 주기와 상기 병렬 공진부의 공진주기가 서로 동기됨을 보이고 있다.In FIG. 5, the switching period by the controller and the resonance period of the parallel resonator are synchronized with each other in the powering operation mode.

도 6에서, i1은 상기 트랜스(140)의 1차 코일(TL1)에 흐르는 전류이고, Vc는 상기 트랜스(140)의 2차 코일(TL2)의 양단 전압이며, Vb는 상기 정류부(160)의 출력전압이다.In FIG. 6, i1 is a current flowing in the primary coil TL1 of the transformer 140, Vc is a voltage at both ends of the secondary coil TL2 of the transformer 140, and Vb is a voltage of the rectifier 160. Output voltage.

이하, 본 발명의 작용 및 효과를 첨부한 도면에 의거하여 상세히 설명한다. Hereinafter, the operation and effects of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

도 2 내지 도 6을 참조하면, 본 발명의 직류 전류원(110)은 직류 전류를 생성하여 출력한다. 이때, 본 발명의 제어부(120)는 승압을 위한 파워링 동작모드(PM)와 강압을 위한 자유공진 동작모드(RM)를 도 6에 도시한 바와 같이 주기적으로 반복 수행하는데, 이때, 상기 제어부(120)는 사전에 설정된 출력전압에 따라 상기 파워링 동작모드(PM)의 실행시간(pt) 및 상기 자유공진 동작모드(RM)의 실행시간(rt)과의 비율을 제어한다. 2 to 6, the DC current source 110 of the present invention generates and outputs a DC current. At this time, the control unit 120 of the present invention periodically repeats the powering operation mode PM for boosting and the free resonance operation mode RM for stepping down as shown in FIG. The control unit 120 controls a ratio between the execution time pt of the powering operation mode PM and the execution time rt of the free resonant operation mode RM according to a preset output voltage.

이하, 상기 제어부(120)의 제어에 따른 파워링 동작모드(PM) 및 자유공진 동작모드(RM)별로 사전에 정해진 스위칭 동작을 설명한다.Hereinafter, a predetermined switching operation for each of the powering operation mode PM and the free resonant operation mode RM under the control of the controller 120 will be described.

먼저, 파워링 동작모드(PM)에 대해서 설명한다.First, the powering operation mode PM will be described.

도 2 및 도 3을 참조하면, 파워링 동작모드(PM)에서, 상기 제어부(120)는 스위치부(130)의 제1 및 제4 스위치(S1,S4)를 한조로 하고, 상기 스위치부(130)의 제2 및 제3 스위치(S2,S3)를 한조로 하여, 제1 및 제4 스위칭 신호(SS1,SS4)를 통해 상기 제1 및 제4 스위치(S1,S4)를 온/오프 제어하고, 이와 동시에 제2 및 제3 스위칭신호(SS2,SS3)를 통해 상기 제2 및 제3 스위치(S2,S3)를 오프/온 제어한다. 이때, 도 5에 도시한 바와 같이, 상기 제어부(120)의 스위칭 주기는 병렬 공진부(150)의 공진주기와 동일하게 설정된다.2 and 3, in the powering operation mode PM, the controller 120 sets the first and fourth switches S1 and S4 of the switch unit 130 as a pair, and the switch unit ( On / off control of the first and fourth switches S1 and S4 through the first and fourth switching signals SS1 and SS4 as a set of the second and third switches S2 and S3 of 130. At the same time, the second and third switches S2 and S3 are turned on / off through the second and third switching signals SS2 and SS3. In this case, as shown in FIG. 5, the switching period of the controller 120 is set to be the same as the resonance period of the parallel resonator 150.

예를 들어, 상기 제1 및 제4 스위치(S1,S4)가 온됨과 동시에 상기 제2 및 제3 스위치(S2,S3)가 오프된 경우에는, 도 3a에 도시한 바와 같이, 상기 직류 전원부(110)의 직류 전류는 상기 스위치부(130), 트랜스(140), 정류부(160) 및 필터부(170)를 통해 출력으로 전달된다. 또한, 상기 제1 및 제4 스위치(S2,S3)가 오프됨과 동시에, 상기 제2 및 제3 스위치(S2,S3)가 온된 경우에는, 도 3b에 도시한 바와 같이, 상기 직류 전원부(110)의 직류 전류는 상기 스위치부(130), 트랜스(140), 정류부(160) 및 필터부(170)를 통해 출력으로 전달된다.For example, when the first and fourth switches S1 and S4 are turned on and the second and third switches S2 and S3 are turned off, as illustrated in FIG. 3A, the DC power supply unit ( DC current of the 110 is transmitted to the output through the switch unit 130, transformer 140, rectifier 160 and filter unit 170. In addition, when the first and fourth switches S2 and S3 are turned off and the second and third switches S2 and S3 are turned on, as illustrated in FIG. 3B, the DC power supply unit 110 may be used. The direct current of the is transmitted to the output through the switch unit 130, transformer 140, rectifier 160 and filter unit 170.

즉, 도 3a 및 도 3b에 도시한 바와 같이, 상기 스위치부(130)의 스위칭 동작에 따라, 상기 직류 전원부(110)의 직류 전류는 펄스성 직류 전압으로 변환되고, 이 변환된 펄스성 직류 전압으로 인해, 상기 트랜스(140)의 1차 코일(TL1)에 도 6 에 도시한 바와 같은 교류 전류(i1)를 흐르게 한다.That is, as shown in FIGS. 3A and 3B, according to the switching operation of the switch unit 130, the DC current of the DC power supply unit 110 is converted into a pulsed DC voltage, and the converted pulsed DC voltage Therefore, the alternating current i1 as shown in FIG. 6 flows through the primary coil TL1 of the transformer 140.

이러한 과정에서, 상기 병렬 공진부(150)는 상기 스위치부(130)를 통해 제공되는 에너지를 축적함과 동시에, 상기 스위치부(130)의 스위칭 주기와 동기되어 공진을 수행하는데, 이러한 공진으로 인해 상기 트랜스(140)를 통해 전달되는 에너지는 증가하게 되므로, 결국 본 발명의 파워링 동작모드에서는 출력 전압은 점차 승압된다. In this process, the parallel resonator 150 accumulates energy provided through the switch unit 130 and performs resonance in synchronization with the switching period of the switch unit 130. Since the energy transmitted through the transformer 140 is increased, the output voltage is gradually increased in the powering operation mode of the present invention.

게다가, 상기 스위치부(130)의 스위칭 동작과 동기되어, 상기 트랜스(140)의 1차 코일(TL1)에 병렬로 연결된 병렬 공진부(150)가 공진함에 따라, 상기 트랜스(140)에 걸리는 (+) 전압 및 (-) 전압은 그 크기가 증가됨과 동시에, 제로 크로싱되는 부분은 보다 확실하게 영점으로 조정된다.In addition, in synchronization with the switching operation of the switch unit 130, the parallel resonator unit 150 connected in parallel to the primary coil (TL1) of the transformer 140 is resonated, and is caught on the transformer 140 ( The positive and negative voltages are increased in magnitude while the zero crossing portion is more reliably adjusted to zero.

이러한 병렬 공진부의 공진동작에 따라, 상기 스위치부(130)는 항상 공진 전압이 영이 되는 시점에서 온/오프를 하게 되므로, 본 발명의 DC/DC 컨버터는 영전압 스위칭(ZVS: Zero Voltage Switching)을 보다 확실하게 수행할 수 있다.According to the resonant operation of the parallel resonator, the switch unit 130 always turns on / off when the resonance voltage becomes zero, so that the DC / DC converter of the present invention performs zero voltage switching (ZVS). This can be done more reliably.

다음, 자유공진 동작모드(RM)에 대해서 설명한다.Next, the free resonant operation mode RM will be described.

도 2 및 도 4를 참조하면, 자유공진 동작모드(RM)에서, 상기 제어부(120)는 상기 스위치부(130)의 제1 및 제2 스위치(S1,S2)를 한조로 하고, 상기 스위치부(130)의 제3 및 제4 스위치(S3,S4)를 한조로 하여, 제1 및 제2 스위칭 신호 (SS1,SS2)를 통해 상기 제1 및 제2 스위치(S1,S2)를 온/오프 제어하고, 이와 동시에 제3 및 제4 스위칭신호(SS3,SS4)를 통해 상기 제3 및 제4 스위치(S3,S4)를 오프/온 제어한다. 이때, 상기 제어부(120)의 스위칭 주기는 병렬 공진부(150)의 공진주기와 동일하다.2 and 4, in the free resonant operation mode RM, the controller 120 combines the first and second switches S1 and S2 of the switch unit 130 and the switch unit. Using the third and fourth switches S3 and S4 of 130 as a pair, the first and second switches S1 and S2 are turned on / off through the first and second switching signals SS1 and SS2. At the same time, the third and fourth switches S3 and S4 are turned on / off through the third and fourth switching signals SS3 and SS4. In this case, the switching period of the controller 120 is the same as the resonance period of the parallel resonator 150.

예를 들어, 상기 제1 및 제2 스위치(S1,S2)가 온됨과 동시에, 상기 제3 및 제4 스위치(S3,S4)가 오프된 경우에는, 도 4a에 도시한 바와 같이, 상기 직류 전원부(110)의 직류 전류는 상기 스위치부(130) 및 트랜스(140)를 통해 출력으로 전달되지 않는다. 또한, 상기 제1 및 제4 스위치(S2,S3)가 오프됨과 동시에, 상기 제2 및 제3 스위치(S2,S3)가 온된 경우에는, 도 4b에 도시한 바와 같이, 상기 직류 전원부(110)의 직류 전류는 상기 스위치부(130) 및 트랜스(140)를 통해 출력으로 전달되지 않는다.For example, when the first and second switches S1 and S2 are turned on and the third and fourth switches S3 and S4 are turned off, as illustrated in FIG. 4A, the DC power supply unit is illustrated. DC current of the 110 is not transmitted to the output through the switch unit 130 and the transformer 140. In addition, when the first and fourth switches S2 and S3 are turned off and the second and third switches S2 and S3 are turned on, as illustrated in FIG. 4B, the DC power supply unit 110 may be used. DC current is not transmitted to the output through the switch unit 130 and the transformer 140.

즉, 도 4a 및 도 4b에 도시한 바와 같이, 상기 스위치부(130)의 스위칭 동작에 따라, 상기 직류 전원부(110)의 직류 전류는 출력으로 전달되지 않고, 상기 병렬 공진부(150)에 축적된 에너지만이 상기 트랜스(140), 정류부(160) 및 필터부(170)를 통해 출력으로 전달되므로, 결국 본 발명의 자유공진 동작모드에서는, 상기 병렬 공진부(150)에 축적된 에너지가 출력으로 전달되면서 출력 전압은 점차 강압된다.That is, as shown in FIGS. 4A and 4B, according to the switching operation of the switch unit 130, the DC current of the DC power supply unit 110 is not transmitted to the output, but is accumulated in the parallel resonator unit 150. Since only the accumulated energy is transmitted to the output through the transformer 140, the rectifier 160, and the filter 170, the energy accumulated in the parallel resonator 150 is output in the free resonance mode of the present invention. As it passes through, the output voltage gradually drops.

전술한 바와 같이, 본 발명의 파워링 동작모드(PM)에서는 출력전압이 점차 승압되고, 본 발명의 자유공진 동작모드(RM)에서는 출력전압이 점차 강압되는데, 이러한 파워링 동작모드(PM)와 자유공진 동작모드(RM)의 실행시간을 조절하면, 원하는 전압으로 승압 또는 강압할 수 있음을 알 수 있다.As described above, the output voltage is gradually stepped up in the powering operation mode PM of the present invention, and the output voltage is stepped down gradually in the free resonant operation mode RM of the present invention. By adjusting the execution time of the free resonant operation mode (RM), it can be seen that it can be stepped up or down to a desired voltage.

즉, 본 발명의 DC/DC 컨버터에서, 상기 파워링 동작모드(PM)와 자유공진 동작모드(RM)의 한주기 전체 실행시간(T)은 일정한 시간으로 설정되어질 수 있으나, 이 전체 실행시간(T) 안에서 파워링 동작모드(PM)의 실행시간(pt)과 자유공진 동작모드(RM)의 실행시간(rt)의 비를 조절하면, 출력전압을 조절할 수 있다. That is, in the DC / DC converter of the present invention, the entire execution time T of one cycle of the powering operation mode PM and the free resonant operation mode RM may be set to a constant time, but this entire execution time ( By adjusting the ratio of the execution time pt of the powering operation mode PM and the execution time rt of the free resonant operation mode RM within T), the output voltage can be adjusted.

예를 들어, 상기 파워링 동작모드(PM)의 실행시간(pt)과 자유공진 동작모드(RM)의 실행시간(rt)의 비는 하기 수학식 1과 같이 정의되는 듀티비로 표현될 수 있다.For example, the ratio of the execution time pt of the powering operation mode PM and the execution time rt of the free resonant operation mode RM may be expressed as a duty ratio defined as in Equation 1 below.

상기 수학식 1에서, 전술한 바와 같이, T는 한주기 전체 실행시간이고, pt는 파워링 동작모드(PM)의 실행시간이며, rt는 자유공진 동작모드(RM)의 실행시간이다.In Equation 1, as described above, T is an entire execution time of one cycle, pt is an execution time of the powering operation mode PM, and rt is an execution time of the free resonant operation mode RM.

상기 수학식 1을 참조하면, 상기 듀티비를 50%로 하는 경우에는 출력전압은 상기 트랜스(140)의 권선비에 따라 결정되고, 상기 듀티비를 50% 이상으로 하는 경우에는 상기 트랜스(140)의 권선비에 의해 결정된 출력전압보다 상승하게 되고, 이에 반해, 상기 듀티비를 50% 이하로 하는 경우에는 상기 트랜스(140)의 권선비에 의해 결정된 출력전압보다 하강하게 될 것이다.
예를 들어, 상기 출력전압의 크기가 결정되기만 하면, 듀티비에 해당되는 비율이 결정되며, 이와 같이 비율이 20%로 결정되면, 적용 시스템에서, 상기 파워링 동작모드의 실행시간(pt)과 자유공진 동작모드 실행시간(rt)의 전체 시간이 예로서 1초로 정해진 경우에는 파워링 동작모드의 실행시간(pt)는 0.2초로 결정되고, 자유공진 동작모드 실행시간(rt)는 0.8초로 결정될 수 있다.
이와 같이 파워링 동작모드의 실행시간(pt)과 자유공진 동작모드 실행시간(rt)는 각 적용 시스템의 사용환경에 따라 각기 서로 다르게 설정될 수 있다.Referring to Equation 1, when the duty ratio is 50%, the output voltage is determined according to the winding ratio of the transformer 140, and when the duty ratio is 50% or more, When the duty ratio is 50% or less, the output voltage determined by the turns ratio will be lower than the output voltage determined by the turns ratio of the transformer 140.
For example, once the magnitude of the output voltage is determined, a ratio corresponding to the duty ratio is determined. When the ratio is determined as 20%, in the applied system, the execution time (pt) of the powering operation mode and When the total time of the free resonant operation mode execution time rt is set to 1 second as an example, the execution time pt of the powering operation mode may be determined as 0.2 seconds, and the free resonant operation mode execution time rt may be determined as 0.8 seconds. have.
As such, the execution time pt of the powering operation mode and the free resonant operation mode execution time rt may be set differently according to the use environment of each application system.

이후, 상기 트랜스(140)를 통한 전압은 정류부(160)에서 전파 정류된 후 필터부(170)에서 리플성분이나 노이즈가 제거되어, 보다 안정된 출력전압(Vo)을 제공할 수 있다.Subsequently, the voltage through the transformer 140 is full-wave rectified by the rectifier 160, and then a ripple component or noise is removed from the filter 170, thereby providing a more stable output voltage Vo.

전술한 바와 같이, 본 발명에 의하면, 출력전압을 상승시키기 위해서는 파워링 동작모드의 실행시간을 자유공진 동작모드의 시행시간보다 상대적으로 길게 하여 출력전압을 승압시킬 수 있고, 이와 달리, 출력전압을 하강시키기 위해서는 파워링 동작모드의 실행시간을 자유공진 동작모드의 시행시간보다 상대적으로 짧게 하여 출력전압을 강압시킬 수 있다. 또한, 스위칭 주기와 공진주기를 동기시켜, 보다 확실한 영전압 스위칭을 보장할 수 있다.As described above, according to the present invention, in order to increase the output voltage, the output voltage can be boosted by making the execution time of the powering operation mode relatively longer than the execution time of the free resonant operation mode. To lower, the output voltage can be stepped down by making the execution time of the powering operation mode relatively shorter than the execution time of the free resonance mode. In addition, more reliable zero voltage switching can be ensured by synchronizing the switching period and the resonance period.

이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고 특허청구범위에 의해 한정되며, 본 발명의 장치는 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것 이 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백하다.The present invention described above is not limited to the above-described embodiment and the accompanying drawings, but is defined by the claims, and the apparatus of the present invention may be substituted, modified, and modified in various ways without departing from the spirit of the present invention. It is apparent to those skilled in the art that modifications are possible.

상술한 바와 같은 본 발명에 따르면, SMPS 등의 전원장치에 적용되는 병렬 공진형 DC/DC 컨버터에서, 출력전압 상승을 위한 파워링 동작모드와 출력전압 하강을 위한 자유공진 동작모드를 주기적으로 수행하는데, 상기 파워링 동작모드와 자유공진 동작모드의 실행시간 비율을 조절하여 출력전압을 승압 및 강압시킬 수 있고, 병렬 공진회로를 이용하여 보다 확실한 영전압 스위칭(ZVS)을 수행할 수 있는 효과가 있다.According to the present invention as described above, in the parallel resonant DC / DC converter applied to a power supply such as SMPS, periodically performing a powering operation mode for increasing the output voltage and a free resonant operation mode for decreasing the output voltage In addition, the output voltage can be boosted and stepped down by adjusting the execution time ratio of the powering operation mode and the free resonance operation mode, and more effective zero voltage switching (ZVS) can be performed by using a parallel resonance circuit. .

Claims

DC current source;

The powering operation mode for step-up and the free resonance operation mode for step-down are periodically repeated, and the ratio between the execution time of the powering operation mode and the execution time of the free resonance operation mode is set according to a preset output voltage. A control unit for controlling a predetermined switching for each operation mode;

The first and second switches, the third and fourth switches connected in series with each other, are connected in parallel to both ends of the DC current source, respectively. A switch unit switched according to the switching control;

A transformer including a primary coil and a secondary coil connected between a connection node of the first and second switches of the switch unit and a connection node of the third and fourth switches;

A parallel resonator having a preset resonant period connected in parallel to the primary coil of the transformer;

A rectifier for rectifying the voltage output from the transformer; And

Filter unit for removing noise contained in the voltage rectified by the rectifier

Parallel resonant DC / DC converter with.

The method of claim 1, wherein the control unit

In a powering operation mode, a pair of first and fourth switches and a second set of second and third switches are configured to control on / off switching in a preset switching cycle for each group. DC converter.

The method of claim 2, wherein the control unit

For zero voltage switching (ZVS), the parallel resonant DC / DC converter, characterized in that for controlling the switching period in synchronization with the resonant period of the parallel resonator

The method of claim 1, wherein the control unit

And a set of first and second switches and a set of third and fourth switches in on-off switching control in a predetermined switching period in a free resonant operation mode.

The method of claim 4, wherein the control unit