KR100732612B1 - High efficiency dc-dc converter for hybrid car - Google Patents
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Abstract
Description
도 1은 종래기술에 의한 상전이(phase-shifted) 풀-브릿지(full-bridge) 강압형 직류-직류(dc-dc) 컨버터의 구성도. 1 is a block diagram of a phase-shifted full-bridge step-down DC-DC converter according to the prior art.
도 2는 본 발명에 따른 dc-dc 컨버터 회로 구성도. Figure 2 is a circuit diagram of a dc-dc converter circuit in accordance with the present invention.
도 3은 본 발명에 따른 다른 실시예의 dc-dc 컨버터 회로 구성도. Figure 3 is a schematic diagram of a dc-dc converter circuit of another embodiment according to the present invention.
도 4는 본 발명에 따른 dc-dc 컨버터의 작용을 설명하기 위한 타이밍 도면. 4 is a timing diagram for explaining the operation of the dc-dc converter according to the present invention.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명><Description of the symbols for the main parts of the drawings>
100...1차측 스위칭 회로부100 ... primary switching circuit
110...능동 클램프 회로부110 ... active clamp circuit
210...전류-더블러(current-doubler) 정류기 회로부210 ... current-doubler rectifier circuit section
본 발명은 하이브리드 자동차용 고효율 강압형 직류-직류(dc-dc) 컨버터에 관한 것으로서, 더 상세하게는 예를 들어 입력고압-출력저압의 특성을 갖는 하이브리드 자동차용 1kW급 고효율 강압형 dc-dc 컨버터에 있어서 일차측에는 변압기의 누설인덕턴스에 의해서 영전압스위칭을 하는 두 스위치를 가지는 능동-클램프 회로가 구비되게 하고, 이차측에는 출력전압 리플을 줄이기 위한 느슨한 결합으로 이루어진 전류-더블러(current-doubler) 정류기 회로가 구비되게 하고, 도통손실을 줄이기 위해 상기 전류-더블러 정류기 회로가 동기정류기를 사용할 수 있게 함으로써, dc-dc 컨버터의 제어방식을 간단하게 하고 컨버터의 고효율을 달성할 수 있게 한 dc-dc 컨버터에 관한 것이다. The present invention relates to a high efficiency step-down DC-DC (dc-dc) converter for a hybrid vehicle, and more particularly, a 1 kW class high efficiency step-down dc-dc converter for a hybrid vehicle having characteristics of input high voltage and output low voltage. On the primary side, an active-clamp circuit with two switches with zero voltage switching by the leakage inductance of the transformer is provided, and a current-doubler rectifier with a loose coupling to reduce the output voltage ripple on the secondary side. Dc-dc, which allows the current-doubler rectifier circuit to use a synchronous rectifier to reduce the conduction loss, thereby simplifying the control scheme of the dc-dc converter and achieving the converter's high efficiency. It is about a converter.
당업자에게 잘 알려져 있는 바와 같이, 예를 들어 1kW급 하이브리드 (hybrid) 자동차용 강압형 dc-dc 컨버터에는 고효율을 내기 위하여 주로 도 1의 상전이(phase-shifted) 풀-브릿지(full-bridge) 강압형 dc-dc 컨버터가 주로 사용되고 있다. As is well known to those skilled in the art, for example, a 1 kW hybrid automotive step-down dc-dc converter is mainly a phase-shifted full-bridge step-down type of FIG. 1 for high efficiency. The dc-dc converter is mainly used.
도 1에 도시된 상전이 풀-브릿지 강압형 dc-dc 컨버터는 일차측의 모든 스위치(S11, S22, S33, S44)들이 스위칭손실(switching loss)을 최소화하도록 영전압스위칭 (zero-voltage switching)을 하는 특징을 가지고 있다. 그러나 이러한 상전이 풀-브릿지 강압형 dc-dc 컨버터는 상전이를 통한 제어방식이 복잡하고 제어특성상 이차측 권선에 전압이 유기되지 않는 구간이 존재하므로 이차측 다이오드의 도통손실 (conduction loss)을 줄이기 위한 방법인 동기정류기(synchronous rectifier)의 사용이 어려운 단점을 지닌다. 또한 일차측 스위치가 영전압스위칭을 하도록 변압기(T1)와 직렬로 추가되는 인덕터는 전체 전력효율을 감소시키고 기생공진에 의한 컨버터의 노이즈를 증가시키는 문제점이 있다.The phase-transition full-bridge step-down dc-dc converter shown in FIG. 1 has zero-zero switching such that all the switches S 11 , S 22 , S 33 , and S 44 on the primary side minimize switching losses. voltage switching). However, this phase-transition full-bridge step-down dc-dc converter is a method for reducing the conduction loss of the secondary-side diode because the control method through the phase transition is complicated and there is no voltage induced in the secondary winding due to the control characteristics. The use of an synchronous rectifier has the disadvantage of being difficult. In addition, the inductor added in series with the transformer T1 such that the primary side switch performs zero voltage switching has a problem of reducing overall power efficiency and increasing noise of the converter due to parasitic resonance.
따라서, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 예를 들어 하이브리드 자동차용 1kW급 고효율 강압형 dc-dc 컨버터에 있어서 일차측에는 변압기의 누설인덕턴스와 미약하나마 전류-더블러의 인덕턴스에 의해서 영전압스위칭을 하는 두 스위치를 가지는 능동-클램프 회로가 구비되게 하고, 이차측에는 출력전압 리플을 줄이이고 기존의 필터인덕터의 개수를 줄이기위한 일환으로 느슨한 결합방식을 이용하여 하나의 코어에 구현한 결합형 전류-더블러(current-doubler) 정류기 회로가 구비되게 하고, 도통손실을 줄이기 위해 상기 전류-더블러 정류기 회로가 동기정류기를 사용할 수 있게 함으로써, dc-dc 컨버터의 제어방식을 간단하게 하고 작은 사이즈로 고효율을 가질 수 있는 dc-dc 컨버터를 제공하는 데 있다. 여기서, 작은 사이즈라 함은, 하나의 코어에 두개의 권선을 한꺼번에 구현함으로써 인덕터 개수를 줄였음을 의미한다. Therefore, the technical problem to be achieved by the present invention, for example, in the 1kW high-efficiency step-down type dc-dc converter for a hybrid vehicle, the zero voltage switching by the leakage inductance of the transformer and the inductance of the current-doubler on the primary side Combined current-double implemented in one core using loose coupling method to reduce output voltage ripple and reduce the number of conventional filter inductors on the secondary side. By providing a current-doubler rectifier circuit and allowing the current-doubler rectifier circuit to use a synchronous rectifier to reduce the conduction loss, simplifying the control method of the dc-dc converter and improving efficiency at a small size. To provide a dc-dc converter that can have. Here, the small size means that the number of inductors is reduced by implementing two windings in one core at a time.
본 발명은 상기한 기술적 과제를 달성하기 위하여, 직류-직류(dc-dc) 컨버터에 있어서, 일차측에 포함되며 하나의 스위치와 하나의 콘덴서를 구비하는 능동-클램프 회로부; 상기 일차측에 포함되며 상기 능동-클램프 회로부의 클램프 스위치와 상보적으로 구동되며 트랜스포머의 누설인덕턴스와 이차측에 포함되는 필터 인덕턱스에 의해서 영전압 스위칭을 하는 주스위치; 두개의 다이오드 또는 두개의 동기정류 스위치와 결합도 결합인덕터에 의해서 구현된 전류-더블러(current-doubler) 회로부; 및 상기 일차측과 이차측을 연결하고 전기적 절연을 수행하며, 누설인덕턴스 특성의 턴비(turn ratio)가 4:1 이상인 변압기를 포함하는 것을 특징으로 하는 직류-직류 컨버터가 제공된다.
바람직하게는, 상기 능동-클램프 회로부의 상기 스위치와 콘덴서는 상기 변압기의 누설인덕턴스에 저장된 에너지가 전달되고 재활용될 수 있는 경로를 제공할 뿐만 아니라, 상기 누설인덕턴스에 저장된 에너지에 의한 상기 스위치의 기생콘덴서에 인가된 전압을 방전시켜 영전압 스위칭을 제공할 수 있다.
바람직하게는, 상기 변압기 자체에서 발생되는 누설인덕턴스를 이용하여 상기 영전압 스위칭을 하는 것을 특징으로 한다. 여기서, 상기 영전압 스위칭의 조건은 턴온 전에 누설인덕턴스에 저장된 에너지가 스위치의 기생커패시터에 저장된 에너지보다 크게끔 설계함으로써 구현할 수 있는데, 이 누설인덕턴스는 변압기의 턴비 및 권선방법에 따라서 틀려질수 있다. 그러나, 본 발명에서는 입력고압-출력저압의 경우에는 턴비가 매우 커져서 큰 누설인덕턴스를 쉽게 구현할 수 있다.
바람직하게는, 상기 전류-더블러 회로부는 MOSFET를 포함하고, 상기 MOSFET는 드레인과 소스사이에 기생커패시터와 바디다이오드를 포함할 수 있다.
바람직하게는, 상기 전류-더블러 회로부에 구비되는 상기 결합인덕터는 하나의 싱글코어(EE 또는 EI 코어) 결합과 코어 포화(Saturation) 방지를 위한 에어갭(Air-gap)에 의해 구현된다.
바람직하게는, 상기 능동-클램프 회로부의 상기 스위치와 콘덴서는 상기 변압기의 누설인덕턴스에 저장된 에너지가 전달되고 재활용될 수 있는 경로를 제공할 뿐만아니라, 스위치의 기생콘덴서에 저장되어있는 에너지보다 크도록 누설인덕턴스를 구현함으로써 영전압 스위칭을 이루어 낼 수 있다.
바람직하게는, 상기 일차측과 이차측은 상기 변압기에 의해 전기적으로 절연되며 높은 턴비에 의해서 영전압 스위칭을 제공할 수 있을 만큼의 누설인덕턴스의 특성을 갖는다. The present invention, in order to achieve the above technical problem, a DC-DC converter, comprising: an active-clamp circuit unit included on the primary side and having one switch and one capacitor; A main switch included in the primary side and driven complementarily with the clamp switch of the active-clamp circuit portion, and configured to perform zero voltage switching by a leakage inductance of the transformer and a filter inductance included in the secondary side; A current-doubler circuit portion implemented by two diodes or two synchronous rectification switches and a coupling coupling inductor; And a transformer connecting the primary side and the secondary side and performing electrical insulation, and having a turn ratio of leakage inductance characteristic of 4: 1 or more.
Advantageously, said switch and capacitor of said active-clamp circuitry not only provide a path through which energy stored in the leakage inductance of said transformer can be transferred and recycled, but also a parasitic capacitor of said switch by energy stored in said leakage inductance. Zero voltage switching can be provided by discharging the voltage applied to the.
Preferably, the zero voltage switching is performed using the leakage inductance generated by the transformer itself. The zero voltage switching condition may be implemented by designing the energy stored in the leakage inductance before turning on to be larger than the energy stored in the parasitic capacitor of the switch. The leakage inductance may be different according to the turn ratio and winding method of the transformer. However, in the present invention, in the case of the input high voltage and the output low pressure, the turn ratio is very large, so that a large leakage inductance can be easily realized.
Advantageously, said current-doubler circuit portion comprises a MOSFET, said MOSFET comprising a parasitic capacitor and a body diode between a drain and a source.
Preferably, the coupling inductor provided in the current-doubler circuit unit is implemented by one single core (EE or EI core) coupling and an air gap for preventing core saturation.
Advantageously, said switches and capacitors in said active-clamp circuitry provide a path through which energy stored in the leakage inductance of said transformer can be transferred and recycled, as well as leakage greater than the energy stored in the parasitic capacitor of the switch. Zero-voltage switching can be achieved by implementing inductance.
Preferably, the primary side and the secondary side are electrically insulated by the transformer and have a characteristic of leakage inductance sufficient to provide zero voltage switching by a high turn ratio.
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그리고, 본 발명은 다른 기술적 과제를 달성하기 위하여, 직류-직류(dc-dc) 컨버터에 있어서, 일차측에 포함되며 하나의 스위치와 하나의 콘덴서를 구비하는 능동-클램프 회로부; 상기 일차측에 포함되며 상기 능동-클램프 회로부의 스위치와 상보적으로 구동되어 변압기의 누설인덕턴스에 의해 영전압스위칭을 하는 주스위치; 2개의 다이오드와 낮은 결합도를 가지며 하나의 코어에 두개의 인덕터를 구현하여 이루어지는 이차측의 결합 전류-더블러(current-doubler) 회로부; 및 상기 일차측과 이차측을 연결하며 높은 턴비를 가지고 큰 누설인덕턴스 특성을 갖는 변압기를 포함하는 것을 특징으로 하는 직류-직류 컨버터가 제공된다.
바람직하게는, 상기 2개의 트랜지스터는 드레이과 소스사이에 병렬로 연결된 바디다이오드와 기생콘덴서의 특성을 갖는 MOSFET이다. In addition, the present invention, in order to achieve another technical problem, a DC-DC converter, comprising: an active-clamp circuit unit included on the primary side and having one switch and one capacitor; A main switch included on the primary side and driven complementarily with a switch of the active-clamp circuit unit to perform zero voltage switching by a leakage inductance of a transformer; A secondary current coupled double-circuit circuit unit having two diodes and a low coupling degree, and implementing two inductors in one core; And a transformer connecting the primary side and the secondary side and having a high turn ratio and having a large leakage inductance characteristic.
Preferably, the two transistors are MOSFETs having the characteristics of body diodes and parasitic capacitors connected in parallel between the drain and the source.
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이하, 첨부한 도면을 참조하면서 본 발명에 따른 dc-dc 컨버터의 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지기술 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략할 것이다. 그리고, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다. Hereinafter, with reference to the accompanying drawings will be described in detail a preferred embodiment of the dc-dc converter according to the present invention. In the following description of the present invention, when it is determined that detailed descriptions of related well-known technologies or configurations may unnecessarily obscure the subject matter of the present invention, the detailed description will be omitted. In addition, terms to be described below are terms defined in consideration of functions in the present invention, which may vary according to the intention or custom of a user or an operator. Therefore, the definition should be made based on the contents throughout the specification.
한편, 이하의 설명에 있어서, 종래기술에 따른 구성부재와 본 발명에 의한 구성부재가 동일한 경우에는 종래기술에서 사용하였던 도면 부호를 그대로 사용하고, 이에 대한 상세한 설명은 생략한다. In the following description, when the member according to the prior art and the member according to the present invention are the same, the same reference numerals used in the prior art are used as they are, and detailed description thereof will be omitted.
도 2는 본 발명에 따른 dc-dc 컨버터 회로의 구성도이고, 도 3은 본 발명에 따른 다른 실시예의 dc-dc 컨버터 회로의 구성도, 도 4는 본 발명에 따른 dc-dc 컨버터의 작용을 설명하기 위한 타이밍 도면이다. 도 5a,b는 본 발명에 따른 결합 전류-더블러 권선방법을 도시한 도면이고, 도 6은 본 발명에 따라 실제 제작한 프로토 타입 사진 도면, 도 7a,b는 본 발명에 따른 실제 측정 파형도이다. Figure 2 is a schematic diagram of a dc-dc converter circuit according to the present invention, Figure 3 is a schematic diagram of a dc-dc converter circuit of another embodiment according to the present invention, Figure 4 shows the operation of the dc-dc converter according to the present invention It is a timing diagram for demonstrating. Figure 5a, b is a view showing a coupled current-doubler winding method according to the present invention, Figure 6 is a prototype picture actually produced according to the present invention, Figures 7a, b is an actual measurement waveform diagram according to the present invention to be.
도 2 및 도 3을 참조하면, 본 발명은 상기한 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 일환으로 일차측에 능동-클램프(active-clamp) 회로를 이용한다. 하나의 스위치(S2)와 하나의 콘덴서(Cc)로 구성된 능동-클램프 회로부(110)는 주스위치(S1) 소거 시 동작하여 누설인덕턴스(leakage inductance) 또는 자화인덕턴스(magnetizing inductance)에 저장된 에너지로 인한 스위칭 소자의 과전압을 방지하고 에너지를 재활용함으로써 전력변환 효율의 향상을 꾀할 수 있다. 2 and 3, the present invention uses an active-clamp circuit on the primary side as part of solving the problems of the prior art. The active-
또한 상기 능동-클램프 회로부(110)는 제어방식이 간단할 뿐만 아니라 이차측 권선에 항상 전압이 발생될 수 있는 구조로 간단한 보조권선의 사용만으로 동기정류기의 구동 파형을 만들어줄 수 있는 장점을 가진다. 도 2에 도시한 바와 같은 이차측의 정류기 회로부(210)는 전류-더블러(current-doubler) 정류기이며 이러한 정류기는 두 인덕터의 전류 리플(ripple)을 상쇄하는 효과로 인해 출력전압 리플이 작은 특징을 지니고 있다. 또한, 도 5에 도시한 바와 같이 하나의 EE코어 또는 EI코어에 느슨한 결합권선 방법을 통하여 구현함으로써 필터인덕터를 줄이고 전력밀도를 높이 구현 할 수 있다. 여기서, 느슨한 결합권선이란 권선구조를 말하는 것으로, 통상적으로 권선을 할 때는 높은 결합도를 위하여 최대한 권선간에 가깝게 권선을 하게 되지만, 본 발명에서는 도 5에 도시한 바와 같이 권선이 EE 코어 또는 EI 코어에서 최대한 권선간에 간섭이 없도록 멀리 권선이 된 구조를 일컫는다. 따라서, 이러한 느슨한 결합권선에 의해 낮은 결합도가 생기게 될 것이고, 이러한 것은 당업자에게 자명할 것이다. In addition, the active-
본 발명에 따른 전류-더블러를 사용한 능동-클램프 dc-dc 컨버터에 대해 더 구체적으로 살펴보면 다음과 같다. Looking at the active-clamp dc-dc converter using a current-doubler according to the present invention in more detail as follows.
도 2는 전류-더블러를 사용한 능동-클램프 dc-dc 컨버터이다. 일차측은 변압기(T)의 누설인덕턴스에 저장된 에너지가 전달되고 재활용될 수 있는 경로를 제공하는 보조스위치(S2)와 콘덴서(Cc)로 구성된 능동-클램프 회로부(110)를 포함하는 스위칭 회로부(100)이고, 이차측은 다이오드(D1, D2)와 인덕터(L1, L2)를 포함하는 전류-더블러 정류기(210)이다. 두 인덕터(L1, L2)는 낮은 결합도를 가지고 하나의 코어에 구현되었고 입력고압-출력저압의 관계로 인하여 큰 비율로 권선되어 큰 누설인덕턴스를 특징으로 하는 변압기(T)를 통해 일차측과 이차측은 전기적으로 절연되며, 출력전압(Vo)을 궤환(feedback)받아 주스위치(S1)의 시비율(duty ratio)을 조절함으로써 출력전압(Vo)이 조절된다. 바람직하게 드레인과 소스사이에 바디다이오드와 기생콘덴서를 특징으로하는 MOSFET으로 구현되는 두 스위치(S1, S2)는 모두가 소거되는 구간인 짧은 시간의 데드타임(dead time)을 갖고 주어진 스위칭주파수(switching frequency)하에서 상보적(asymmetrical)으로 구동된다. 주스위치(S1) 도통 시 변압기(T)의 누설인덕턴스에 의해 주스위치(S1)의 전류는 음에서 양으로 흐르며, 즉 영전압스위칭을 하며, 이차측 정류기의 인덕터(L2)를 충전시켜서 이차측으로 에너지를 전달한다. 이 과정에서 주스위치(S1) 및 다이오드(D1)에 흐르는 전류는 구형파형과 유사한 형태로 흐르며 이는 스위치 및 다이오드의 피크전류를 최소화하고 도통손실을 줄인다. 영전압스위칭은 고속 스위칭으로 인한 스위치의 스위칭손실을 줄이며 전력변환효율 향상을 꾀한다. 주스위치(S1) 소거 시 보조스위치(S2)는 도통하게 되고 변압기(T)의 자화인덕턴스 및 누설인덕턴스에 흐르는 전류에 의해 보조스위치(S2)의 전류는 음에서 양으로 흐르며, 즉 영전압스위칭을 하며, 이차측 정류기의 인덕터(L1)을 충전시켜서 이차측으로 에너지를 전달한다. 보조스위치(S2)가 도통하는 동안 누설인덕턴스에 흐르는 전류는 콘덴서(Cc)를 충전과 방전시키며 이 과정에서 누설인덕턴스에 저장된 에너지가 재활용된다. 2 is an active-clamp dc-dc converter using a current-doubler. The primary side has a switching circuit section including an active-
도 3은 본 발명에 따른 dc-dc 컨버터의 다른 실시예의 회로도로서, 도 2의 두 다이오드(D1, D2)를 두 MOSFET(Q1, Q2)로 교체한 구성이다. 도 2의 다이오드(D1)이 도통할 때 도 3의 MOSFET(Q1)이 도통하며, 마찬가지로 다이오드(D2)가 도통할 때 MOSFET(Q2)가 도통한다. 따라서 도 3의 모든 소자의 전류 및 전압 파형은 도 2와 동일하다. 예를 들어, 1kW급 하이브리드 자동차용 dc-dc 컨버터에 있어서 출력전류가 매우 크므로 이차측 정류기에 흐르는 전류는 매우 크고, 도 2의 회로는 다이오드의 순방향 전압강하(drop voltage)에 의한 도통손실이 매우 크다. 이러한 손실을 줄이기 위해 동기정류기를 사용한 회로가 도 3의 회로이다. 3 is a circuit diagram of another embodiment of a dc-dc converter according to the present invention, in which two diodes D 1 and D 2 of FIG. 2 are replaced with two MOSFETs Q 1 and Q 2 . When the diode D 1 of FIG. 2 conducts, the MOSFET Q 1 of FIG. 3 conducts, and likewise, the MOSFET Q 2 conducts when the diode D 2 conducts. Therefore, the current and voltage waveforms of all the devices of FIG. 3 are the same as those of FIG. 2. For example, in the dc-dc converter for a 1 kW hybrid vehicle, the output current is very large, so the current flowing in the secondary rectifier is very large. In the circuit of FIG. 2, the conduction loss due to the forward voltage drop of the diode is reduced. very big. The circuit using the synchronous rectifier to reduce this loss is the circuit of FIG.
도 3의 동기정류기 MOSFET(Q1, Q2)의 아주 작은 도통-저항(on-resistance)에 걸리는 전압은 도 2의 다이오드(D1, D2)에 걸리는 순방향 전압강하(drop voltage) 보다 작고 전력 손실은 줄어든다. 도 1에 도시한 종래의 상전이 풀-브릿지 회로와는 달리 본 발명의 dc-dc 컨버터의 회로는 동기정류기의 구동 신호를 변압기(T)의 보조권선을 이용하여 간단하게 구현할 수 있다.
도 5는 본 발명에 따른 전류-더블러의 코어구조와 권선방법을 도시한 도면이다. 도 5a는 EI모양의 페라이트 코아의 외각 레그에 각각의 인덕터를 위한 권선들을 감아줌으로써 중앙래그로 인한 느슨한 결합이 이루어지고 높은 직류전류와 리플로 인한 코어 포화방지를 위하여 에어겝(air-gap)을 구현한 것이다. 도 5b는 EE모양의 페라이트 코어에 도 4a와 같은 방식으로 구현한 전류-더블러이다. 구조가 간단하고 권선방법이 어렵지 않아 쉽게 구현할수 있는 장점을 갖는다.The voltage across the very small on-resistance of the synchronous rectifier MOSFETs Q 1 and Q 2 of FIG. 3 is less than the forward drop voltage across diodes D 1 and D 2 of FIG. Power loss is reduced. Unlike the conventional phase-transition full-bridge circuit shown in FIG. 1, the circuit of the dc-dc converter of the present invention can simply implement the drive signal of the synchronous rectifier by using the auxiliary winding of the transformer T.
5 is a diagram illustrating a core structure and a winding method of a current-doubler according to the present invention. FIG. 5A shows an air-gap to prevent core saturation due to high DC current and reflow by loose winding due to the center lag by winding the windings for each inductor to the outer leg of the EI-shaped ferrite core. It is an implementation. Figure 5b is a current-doubler implemented in the same manner as Figure 4a in the EE-shaped ferrite core. The structure is simple and the winding method is not difficult.
도 4는 본 발명에 따른 dc-dc 컨버터의 회로에서 주요부의 동작을 나타내는 파형도이다. Figure 4 is a waveform diagram showing the operation of the main part in the circuit of the dc-dc converter according to the present invention.
도 4에 도시된 각각의 파형은 한 주기(Ts)에서 시비율이 D일 때 스위치(S1, S2)의 구동 신호(Vgs1, Vgs2) 및 스위치 전류(is1, is2)와 다이오드 전류(id1, id2)이다. 주스위치(S1)는 전류(is1)가 음일 때, 즉 주스위치의 드레인과 소스 사이의 전압이 영전압일 때, 주스위치의 게이트 신호(Vgs1)에 의해 도통이 되어 영전압스위칭을 하고 전류의 형태가 구형파형으로 도통손실이 작은 특징을 가진다. 보조스위치(S2)는 영전압스위칭을 할 뿐만 아니라 전류(is2)가 매우 작아서 도통손실이 매우 작다. 이차측 정류기의 다이오드(D1, D2)의 전류(id1, id2)는 정류기의 인덕터(L1, L2)의 사용으로 인해 구형파 모양이며 두 개의 다이오드 전류(id1, id2)를 상쇄하는 효과로 인해 비교적 작은 출력콘덴서(Co)를 가지고 출력전압 리플은 매우 작으며 전체 전력효율은 매우 높은 특징을 가진다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 프로토 타입(proto-type)을 나타낸 사진이다. 실시예로서 입력전압 200V, 출력전압 14V에서 종래의 상전이 풀-브릿지 dc-dc 컨버터는 그 효율이 약 89%이나, 본 발명에 따른 전류-더블러 동기정류기를 사용한 강압형 능동-클램프 dc-dc 컨버터는 약 94.5%에 이르며 또한 전력회로가 보다 단순화되는 특징을 갖고 있다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따라 실제 측정된 전류, 전압 파형도이다. 도 4에서 나타낸 타이밍도와 유사하게 나타나고 있음을 알 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따라 적절하게 튜닝된 주요 파라미터들을 예시로서 나타내 보면 아래 표와 같다.
6 is a photograph showing a prototype (proto-type) according to an embodiment of the present invention. As an example, the conventional phase-transition full-bridge dc-dc converter has an efficiency of about 89% at an input voltage of 200 V and an output voltage of 14 V, but a step-down active-clamp dc-dc using a current-doubler synchronous rectifier according to the present invention is used. The converter is around 94.5% and features a more simplified power circuit.
7 is a waveform diagram of actual measured current and voltage according to an embodiment of the present invention. It can be seen that it is similar to the timing diagram shown in FIG.
Main parameters properly tuned according to an embodiment of the present invention are shown as examples below.
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이상에서 살펴본 바와 같은 본 발명에 따른 dc-dc 컨버터에 있어서, 일차측에는 변압기의 누설인덕턴스를 이용하여 영전압스위칭을 하는 두 스위치를 가지는 능동-클램프 회로가 구비되게 하고, 이차측에는 출력전압 리플을 줄이고 느슨한 권선방법을 이용하여 하나의 코어에 두 개의 필터인덕터를 구현함으로써 인덕터성분을 줄인 결합 전류-더블러(current-doubler) 정류기 회로가 구비되게 하고, 도통손실을 줄이기 위해 간단히 변압기에 보조권선을 이용한 자려식 방식을 이용하여 상기 전류-더블러 정류기 회로가 동기정류기를 사용할 수 있게 함으로써, dc-dc 컨버터의 제어방식을 간단하게 하고 컨버터의 고효율을 달성할 수 있게 하는 이점을 제공한다. 또한, 입력고압-출력저압의 특성을 갖는 바람직한 실시예에 있어서, 높은 입력권선과 출력권선간의 턴비에 의해서 스위치의 기생콘덴서에 저장된 에너지보다 큰 누설인덕턴스특성을 갖는 변압기를 구현할 수 있어 영전압을 위해서 추가의 인덕턴스가 필요없게 된다. In the dc-dc converter according to the present invention as described above, the primary side is provided with an active-clamp circuit having two switches for zero voltage switching using the leakage inductance of the transformer, the secondary side to reduce the output voltage ripple By implementing two filter inductors in one core using a loose winding method, a combined current-doubler rectifier circuit with reduced inductor component is provided, and simply using an auxiliary winding in the transformer to reduce the conduction loss. The self-contained approach allows the current-doubler rectifier circuit to use a synchronous rectifier, thereby simplifying the control scheme of the dc-dc converter and providing the advantage of achieving high efficiency of the converter. In addition, in a preferred embodiment having the characteristics of input high voltage and output low voltage, a transformer having a leakage inductance characteristic larger than the energy stored in the parasitic capacitor of the switch can be realized by the turn ratio between the high input winding and the output winding. No additional inductance is needed.
이상 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 상세히 기술하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에 있어서 통상의 지식을 가진 사람이라면, 첨부된 청구 범위에 정의된 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 본 발명을 여러 가지로 변형 또는 변경하여 실시할 수 있음을 알 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 앞으로의 실시예들의 변경은 본 발명의 기술을 벗어날 수 없을 것이다.Although a preferred embodiment of the present invention has been described in detail above, those skilled in the art to which the present invention pertains may make various changes without departing from the spirit and scope of the invention as defined in the appended claims. It will be appreciated that modifications or variations may be made. Therefore, changes in the future embodiments of the present invention will not be able to escape the technology of the present invention.
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Cited By (8)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
KR20110121215A (en) * | 2010-04-30 | 2011-11-07 | 현대모비스 주식회사 | Unbalanced detection circuit of low dc/dc converter output and the detection method thereof |
RU2635364C2 (en) * | 2016-02-25 | 2017-11-13 | Закрытое акционерное общество "Связь инжиниринг" | Push-pull dc/dc converter |
KR20180004673A (en) * | 2016-07-04 | 2018-01-12 | 숭실대학교산학협력단 | Bidirectional full-bridge converter and control method thereof |
DE102019209983A1 (en) * | 2019-07-08 | 2021-01-14 | Zf Friedrichshafen Ag | Switching converter and method for converting an input voltage into an output voltage |
EP3770928A1 (en) * | 2019-07-24 | 2021-01-27 | Rockwell Collins, Inc. | Coupled output inductor and system |
CN113839563A (en) * | 2018-07-18 | 2021-12-24 | 现代摩比斯株式会社 | Method and apparatus for setting air gap and turns ratio of transformer of low voltage DC-DC converter |
US11259413B2 (en) | 2018-04-05 | 2022-02-22 | Abb Power Electronics Inc. | Inductively balanced power supply circuit and method of manufacture |
KR20230078408A (en) | 2021-11-26 | 2023-06-02 | 주식회사 뉴파워 프라즈마 | Isolated converter and its control method |
Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
KR950001294Y1 (en) * | 1992-03-23 | 1995-02-25 | 김희준 | Converter |
JP2000023455A (en) * | 1998-06-29 | 2000-01-21 | Sony Corp | Resonant switching power supply |
JP2003033016A (en) * | 2001-07-09 | 2003-01-31 | Nec Computertechno Ltd | Switching power supply |
JP2005057925A (en) * | 2003-08-06 | 2005-03-03 | Sony Corp | Switching power supply circuit |
-
2006
- 2006-02-07 KR KR1020060011749A patent/KR100732612B1/en not_active IP Right Cessation
Patent Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
KR950001294Y1 (en) * | 1992-03-23 | 1995-02-25 | 김희준 | Converter |
JP2000023455A (en) * | 1998-06-29 | 2000-01-21 | Sony Corp | Resonant switching power supply |
JP2003033016A (en) * | 2001-07-09 | 2003-01-31 | Nec Computertechno Ltd | Switching power supply |
JP2005057925A (en) * | 2003-08-06 | 2005-03-03 | Sony Corp | Switching power supply circuit |
Cited By (10)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
KR20110121215A (en) * | 2010-04-30 | 2011-11-07 | 현대모비스 주식회사 | Unbalanced detection circuit of low dc/dc converter output and the detection method thereof |
KR101580337B1 (en) | 2010-04-30 | 2015-12-28 | 현대모비스 주식회사 | Unbalanced detection circuit of low dc/dc converter output and the detection method thereof |
RU2635364C2 (en) * | 2016-02-25 | 2017-11-13 | Закрытое акционерное общество "Связь инжиниринг" | Push-pull dc/dc converter |
KR20180004673A (en) * | 2016-07-04 | 2018-01-12 | 숭실대학교산학협력단 | Bidirectional full-bridge converter and control method thereof |
US11259413B2 (en) | 2018-04-05 | 2022-02-22 | Abb Power Electronics Inc. | Inductively balanced power supply circuit and method of manufacture |
CN113839563A (en) * | 2018-07-18 | 2021-12-24 | 现代摩比斯株式会社 | Method and apparatus for setting air gap and turns ratio of transformer of low voltage DC-DC converter |
US11955273B2 (en) | 2018-07-18 | 2024-04-09 | Hyundai Mobis Co., Ltd. | Low-voltage DC-DC converter including zero voltage switching and method of driving same |
DE102019209983A1 (en) * | 2019-07-08 | 2021-01-14 | Zf Friedrichshafen Ag | Switching converter and method for converting an input voltage into an output voltage |
EP3770928A1 (en) * | 2019-07-24 | 2021-01-27 | Rockwell Collins, Inc. | Coupled output inductor and system |
KR20230078408A (en) | 2021-11-26 | 2023-06-02 | 주식회사 뉴파워 프라즈마 | Isolated converter and its control method |
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