KR100984827B1 - 최소 리액터를 이용한 다중레벨 ｄｃ/ｄｃ컨버터 - Google Patents

최소 리액터를 이용한 다중레벨 ｄｃ/ｄｃ컨버터 Download PDF

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Abstract

본 발명은 DC/DC컨버터에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 입력되는 DC전압에 직렬로 연결되는 전류 평활용 리액터를 최소의 개수만을 사용하여 철손으로 인한 효율 저하를 방지하고 제작단가를 낮출 수 있는 한편, 상기 리액터의 흐르는 전류가 불연속이 되게 하여 영전류 스위칭을 할 수 있는 최소 리액터를 이용한 DC/DC컨버터에 관한 것이다.
컨버터, ZCS, 리액터, 공심 리액터, 다중 레벨 컨버터

Description

최소 리액터를 이용한 다중레벨 ＤＣ/ＤＣ컨버터{DC/DC converter using minimized reactor}
본 발명은 DC/DC컨버터에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 입력되는 DC전압에 직렬로 연결되는 전류 평활용 리액터를 최소의 개수만을 사용하여 철손으로 인한 효율 저하를 방지하고 제작단가를 낮출 수 있는 한편, 상기 리액터의 흐르는 전류가 불연속이 되게 하여 영전류 스위칭을 할 수 있는 최소 리액터를 이용한 DC/DC컨버터에 관한 것이다.
DC/DC컨버터는 전기, 전자 및 제어기기의 직류 안정화 전원으로 널리 이용되는 컨버터로써 반도체 소자의 발전에 따라 고효율, 소형 및 경량화로 발전하고 있다.
한편, 상기 DC/DC 컨버터는 전류 평활용 철심 리액터 및 콘덴서가 필수적으로 존재하여야 하는데, 상기 전류 평활용 철심 리액터는 철손으로 인한 컨버터효율 저하의 원인이 된다.
더욱 자세하게는, 상기 리액터의 개수 당 약 1~2[%]의 컨버터효율 저하를 초래한다.
따라서, 고효율 DC/DC 컨버터를 제작하기 위해서는 상기 리액터의 최소화하는 것이 관건이다.
특히, 내부에 복수 개의 컨버터 모듈을 포함하여 입력전압을 승압 또는 강압하는 다중레벨 DC/DC 컨버터의 경우 컨버터 모듈마다 전류 평활용 철심 리액터가 구비되어야 하므로 컨버터의 효율이 매우 저하되는 문제점이 있다.
또한, 종래의 DC/DC 컨버터는 일반적으로 하드 스위칭(hard-switching) 방식을 사용하므로 스위칭 손실이 심해 컨버터의 효율을 저하되는 문제점이 있다.
본 발명자들은 최소 개수의 전류 평활용 리액터를 사용하여 DC/DC 컨버터를 제작하고, DC전압 충전시에 피크성 전류가 흐르지 않도록 소프트 스위칭을 구현할수 있는 방법을 연구 노력한 결과, 하나의 리액터를 이용하여 다중레벨 DC/DC 컨버터를 제작함으로써 컨버터의 효율을 높일 수 있는 기술적 구성을 개발하게 되어 본 발명을 완성하게 되었다.
따라서, 본 발명의 목적은 최소 개수의 리액터를 사용하여 컨버터의 효율을 높일 수 있는 최소 리액터를 이용한 다중레벨 DC/DC컨버터를 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 다른 목적은 상기 리액터에 흐르는 전류가 불연속이 되게 함으로써 영전류 스위칭(ZCS:Zero Current Switchig)이 가능하게 함으로써 스위칭 손실을 최소화할 수 있는 최소 리액터를 이용한 다중레벨 DC/DC컨버터를 제공하는 것이다.
본 발명의 목적들은 이상에서 언급한 목적들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 DC입력전압, 상기 DC입력전압과 연결되는 전류 평활용 리액터, 상기 리액터에 각각 직렬로 연결되어 상기 DC입력전압이 충전되는 복수 개의 콘덴서 및 상기 리액터와 상기 콘덴서들 사이에 연결되며 상기 콘덴서들에 상기 DC입력전압을 교번적으로 인가하는 스위치를 포함하는 최소 리액터를 이용한 다중레벨 DC/DC 컨버터를 제공한다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 스위치는 상기 각 콘덴서와 병렬로 연결되는 스위칭 소자들을 포함하고, 상기 각 스위칭 소자들은 교번적으로 '오프'되며, 상기 각 스위칭 소자가 '오프'될 때, 상기 '오프'된 스위칭 소자와 병렬로 연결된 콘덴서에 상기 DC입력전압이 충전된다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 리액터는 상기 각 콘덴서에 충전되는 충전전류의 공진 주파수가 상기 각 콘덴서를 충전하는 스위칭 소자의 스위칭 주파수보다 크도록, 일정한 값을 갖는 리액터로 구비되어, 상기 리액터에 흐르는 전류가 불연속이 된다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 리액터에 흐르는 전류는 상기 각 스위칭 소자가 '온'될 때, 흐르기 시작하여 상기 각 스위칭 소자가 '오프'되기 전에 중단됨으로써, 영전류 스위칭(ZCS:Zero Currunt Switching)동작을 한다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 리액터는 철심이 없는 공심 리액터로 구비된다.
본 발명은 다음과 같은 우수한 효과를 가진다.
먼저, 본 발명의 DC/DC 컨버터에 의하면, 하나의 리액터만으로 다중레벨 DC/DC 컨버터를 구성할 수 있으므로 리액터에 의한 효율저하를 방지할 수 있다.
또한, 본 발명의 DC/DC 컨버터에 의하면, 상기 리액터는 철심이 없는 공심리액터로 구비되므로 철손에 의한 효율저하를 방지할 수 있다.
또한, 본 발명의 DC/DC 컨버터에 의하면, 상기 리액터에 흐르는 전류가 불연속이 되게 함으로써 영전류 스위칭(ZCS:Zero Current Switchig)이 가능하므로 충전시 피크성 전류의 흐름을 방지할 수 있어 컨버터의 수명을 연장할 수 있고, 콘덴서에 안정적으로 DC전압을 충전할 수 있다.
또한, 본 발명의 DC/DC 컨버터에 의하면, 출력전압의 리플이 작아 안정적인 출력전압을 출력할 수 있다.
또한, 또한, 본 발명의 DC/DC 컨버터에 의하면, 스위칭 소자에 의한 손실이 도통 손실만이 나타나므로 효율이 높은 DC/DC 컨버터를 제공할 수 있다.
본 발명에서 사용되는 용어는 가능한 현재 널리 사용되는 일반적인 용어를 선택하였으나, 특정한 경우는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있는데 이 경우에는 단순한 용어의 명칭이 아닌 발명의 상세한 설명 부분에 기재되거나 사용된 의미를 고려하여 그 의미가 파악되어야 할 것이다.
이하, 첨부한 도면에 도시된 바람직한 실시예들을 참조하여 본 발명의 기술적 구성을 상세하게 설명한다.
그러나, 본 발명은 여기서 설명되는 실시예에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화 될 수도 있다. 명세서 전체에 걸쳐 동일한 참조번호는 동일한 구성요소를 나타낸다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 DC/DC컨버터를 보여주는 도면이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 DC/DC컨버터의 동작을 설명하기 위한 도면이고, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 DC/DC컨버터의 스위칭 주파수와 리액터 전류파형을 보여주는 도면이다.
도면들을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 DC/DC컨버터(100)는 DC입력전압(110), 리액터(120), 복수 개의 콘덴서(130,131) 및 스위치(140)를 포함하여 이루어진다.
상기 DC입력전압은(110)은 상기 콘덴서들(130,131)에 전력을 충전하기 위한 소스로 사용된다.
상기 리액터(120)는 상기 DC입력전압(110)에 직렬로 연결되며, 상기 DC/DC컨버터(100)에 흐르는 전류를 평활하는 역할을 한다.
또한, 상기 리액터(120)는 용량이 매우 적은 철심이 없는 공심 리액터로 구비하여 충전시 공진형 타입이 되도록 하였다.
또한, 상기 리액터(120)의 용량은 아래에서 설명할 콘덴서들(130,131)에 충전되는 충전전류의 공진 공진주파수가 아래에서 설명할 스위칭 소자들(141,142)의 스위칭 주파수보다 크도록 결정된다.
한편, 상기 충전전류의 공진 주파수(f0)는 아래의 수학식 1과 같다.
Figure 112008068901589-pat00001
여기서, 상기 공진 주파수(f0)가 상기 스위칭 소자들(141,142)의 스위칭 주파수보다 크다면 상기 리액터(120)에 흐르는 전류(iL)는 불연속이 되며, 이 조건을 만족하는 리액터(120)의 용량은 아래의 수학식 2로 표현될 수 있다.
Figure 112008068901589-pat00002
즉, 상기 리액터(120)의 용량은 상기 수학식 2에 의해 결정되므로 상기 리액터(120)의 흐르는 전류(iL)가 불연속이 된다.
상기 복수 개의 콘덴서들(130,131)은 서로 직렬로 연결되고, 상기 리액터(120)와 직렬로 연결된다.
따라서, 상기 복수 개의 콘덴서들(130,131) 상기 리액터(120) 및 상기 DC입력전압(110)과 폐루프를 형성한다.
즉, 본 발명의 일 실시예에 따른 DC/DC컨버터는 복수 개의 콘덴서들(130,131)이 상기 DC입력전압(110)에 직렬로 연결되는 다중레벨 DC/DC 컨버 터(100)이다.
상기 스위치(120)는 상기 리액터(120)와 상기 콘덴서들(130,131) 사이에서 상기 콘덴서들(130,131)과 병렬로 연결되며, 상기 DC입력전압(110)을 상기 각 콘덴서(130,131)에 교번적으로 인가해준다.
다시 말해서, 상기 스위치(120)는 한번에 상기 콘덴서들(130,131) 중 어느 하나의 콘덴서에 상기 DC입력전압(110)이 충전되게 한다.
또한, 상기 스위치(120)는 상기 콘덴서들(130,131)과 각각 병렬로 연결되는 스위칭 소자들(141,142)을 포함한다. 바람직하게는, 상기 스위칭 소자들(141,142)의 개수는 상기 콘덴서들(130,131)의 개수와 동일한 개수로 구비된다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 DC/DC컨버터(100)의 스위칭 소자들(141,142)이 제1 스위칭 소자(141) 및 제2 스위칭 소자(142)로 구비되고, 상기 콘덴서들(130,131)은 제1 콘덴서(130) 및 제2 콘덴서(131)로 구비되는 것을 상정하여 상기 콘덴서들(130,131)에 DC입력전압(100)이 충전되는 과정을 간단히 설명하면, 먼저 상기 제1 스위칭 소자(141)가 '온'되고 상기 제2 스위칭 소자(142)는 '오프'되며, 상기 DC입력전압(110)이 상기 제2 콘덴서(131)에 충전된다(a).
다음, 상기 제1 스위칭 소자(141)는 '오프'되고 상기 제2 스위칭 소자(142)가 '온'되어, 상기 DC입력전압(110)이 상기 제1 콘덴서(130)에 충전된다(b).
다음, 상기 단계들이 반복되면서 상기 콘덴서들(130,131)에 각각 상기 DC입력전압(110)이 충전되고, 출력(Vout)이 상기 DC입력전압(110)에 두 배 승압된 DC전 압이 출력된다.
즉, 하나의 리액터(120)만을 이용하여 다중레벨의 콘덴서들(130,131)을 충전할 수 있는 것이다.
또한, 도 3에서도 알 수 있듯이 상기 리액터(120)에 흐르는 전류(iL)는 상기 리액터(120)의 용량이 상기 수학식 2에 의해 결정되므로 불연속이 되고, 상기 스위칭 소자들(141,142)은 각각 상기 리액터(120)에 흐르는 전류(iL)가 0일 때 '온' 및 '오프'되어, 상기 각 스위칭 소자들(141,142)이 '온','오프'될 때 모두 영전류 스위칭(ZCS)이 이루어지게 된다.
따라서 종래의 하드 스위칭과 비교하여 피크성 전류의 흐름을 방지할 수 있다.
도 4 내지 도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 DC/DC 컨버터의 시뮬레이션 결과를 보여주는 그래프이다.
도면들을 참조하면 도 4에 도시한 바와 같이 상기 리액터(120)에 흐르는 전류(iL)는 연속적이지 않고 불연속적인 것을 알 수 있다.
또한, 도 5 내지 도 6은 상기 스위칭 소자들(141,142)중 어느 하나의 스위칭 소자에 흐르는 전류(isw1) 및 전압(vsw1)을 보여준다.
즉, 도 4 내지 도 6의 그래프들을 비교해 보았을 때, 본 발명의 일 실시예에 따른 DC/DC 컨버터(100)는 양호한 영전류 스위칭(ZCS)동작을 하고 있는 것을 알 수 있다.
또한, 상기 도 6은 출력전압(Vout)을 보여주는 그래프인데, 리플전압(VR)이 약 25[V]이다.
즉, 상기 출력전압(Vout)이 안정적으로 출력되고 있는 것을 알 수 있다.
또한, 도 7은 상기 스위칭 소자들(141,142)중 어느 하나의 스위칭 소자에 의한 전력손실(Ploss)을 보여주는 도면이다.
도 7에서도 알 수 있듯이 스위칭 소자에 의한 도통 손실만이 나타나므로 효율이 매우 높은 것을 알 수 있다.
이상에서 살펴본 바와 같이 본 발명은 바람직한 실시예를 들어 도시하고 설명하였으나, 상기한 실시예에 한정되지 아니하며 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변경과 수정이 가능할 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 DC/DC컨버터를 보여주는 도면이고,
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 DC/DC컨버터의 동작을 설명하기 위한 도면이고,
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 DC/DC컨버터의 스위칭 주파수와 리액터 전류파형을 보여주는 도면이다.
도 4 내지 도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 DC/DC 컨버터의 시뮬레이션 결과를 보여주는 그래프이다.
본 발명에 따른 도면들에서 실질적으로 동일한 구성과 기능을 가진 구성요소들에 대하여는 동일한 참조부호를 사용한다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
100:DC/DC컨버터 110:DC입력전압
120:리액터 130,131:콘덴서
140:스위치 141,142:스위칭 소자

Claims (5)

  1. DC입력전압;
    상기 DC입력전압과 연결되는 전류 평활용 리액터;
    상기 리액터에 각각 직렬로 연결되어 상기 DC입력전압이 충전되는 복수 개의 콘덴서; 및
    상기 리액터와 상기 콘덴서들 사이에 연결되며 상기 콘덴서들에 상기 DC입력전압을 교번적으로 인가하는 스위치;를 포함하며,
    상기 리액터의 용량은, 상기 각 콘덴서에 충전되는 충전전류의 공진 주파수가 상기 각 콘덴서를 충전하는 스위칭 소자의 스위칭 주파수보다 크게 하여 상기 리액터에 흐르는 전류가 불연속이 되도록, 아래의 수학식에 의해 결정되는 것을 특징으로 하는 최소 리액터를 이용한 다중레벨 DC/DC 컨버터.
    [수학식]
    Figure 112010056568331-pat00011
    여기서, L은 상기 리액터의 용량, C2는 상기 각 콘덴서의 용량, f0는 LC공진 주파수이다.
  2. 제 1 항에 있어서
    상기 스위치는 상기 각 콘덴서와 병렬로 연결되는 스위칭 소자들을 포함하고,
    상기 각 스위칭 소자들은 교번적으로 '오프'되며, 상기 각 스위칭 소자가 '오프'될 때, 상기 '오프'된 스위칭 소자와 병렬로 연결된 콘덴서에 상기 DC입력전압이 충전되는 것을 특징으로 하는 최소 리액터를 이용한 다중레벨 DC/DC 컨버터.
  3. 삭제
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 리액터에 흐르는 전류는 상기 각 스위칭 소자가 '온'될 때, 흐르기 시작하여 상기 각 스위칭 소자가 '오프'되기 전에 중단됨으로써, 영전류 스위칭(ZCS:Zero Currunt Switching)동작을 하는 것을 특징으로 하는 최소 리액터를 이용한 다중레벨 DC/DC 컨버터.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 리액터는 철심이 없는 공심 리액터인 것을 특징으로 하는 최소 리액터를 이용한 다중레벨 DC/DC 컨버터.
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