KR100986183B1 - Device for converting dc/dc - Google Patents
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Abstract
본 발명은 직류/직류 변환 장치에 관한 것이다. The present invention relates to a DC / DC converter.
본 발명의 실시예는 입력 인덕터, 상기 입력 인덕터에 연결되는 공진 인덕터와, 상기 입력 인덕터에 연결되는 제 1 공진 커패시터와, 상기 공진 인덕터에 연결되는 제 2 공진 커패시터를 포함하는 공진부, 상기 공진 인덕터에 연결되는 제 1 스위칭 소자와, 상기 제 1 스위칭 소자에 역방향으로 병렬 연결되는 제 1 역방향 다이오드를 포함하는 제 1 스위칭부, 상기 제 1 공진 커패시터와 상기 제 1 스위칭 소자 사이에 연결되는 제 1 다이오드, 상기 제 1 공진 커패시터와 상기 공진 인덕터 사이에 연결되는 제 2 다이오드, 상기 제 1 공진 커패시터에 연결되는 제 2 스위칭 소자와, 상기 제 2 스위칭 소자에 역방향으로 병렬 연결되는 제 2 역방향 다이오드를 포함하는 제 2 스위칭부 및 상기 제 2 스위칭 소자에 연결되는 평활 커패시터를 포함하여 된 것이다.An embodiment of the present invention includes a resonator including an input inductor, a resonant inductor connected to the input inductor, a first resonant capacitor connected to the input inductor, and a second resonant capacitor connected to the resonant inductor. A first switching element including a first switching element connected to the first switching element, and a first reverse diode connected in parallel to the first switching element in parallel to the first switching element, and a first diode connected between the first resonant capacitor and the first switching element. And a second diode connected between the first resonant capacitor and the resonant inductor, a second switching device connected to the first resonant capacitor, and a second reverse diode connected in parallel to the second switching device in a reverse direction. And a smoothing capacitor connected to the second switching unit and the second switching element.
직류/직류, 소프트 스위칭, 3상 DC / DC, soft switching, three phase
Description
본 발명은 직류/직류 변환 장치에 관한 것이다.The present invention relates to a DC / DC converter.
일반적으로, 직류/직류 변환 장치는 직류 전압의 레벨을 조정하며, 대표적인 직류/직류 변환 장치로는 부스터 컨버터가 있다.In general, the DC / DC converter adjusts the level of the DC voltage, and a representative DC / DC converter includes a booster converter.
부스터 컨버터는 작은 직류 전압을 입력받아 보다 큰 전압 레벨로 승압하여 출력 전압을 제공한다.The booster converter accepts a small DC voltage and boosts it to a higher voltage level to provide the output voltage.
이러한 부스터 컨버터는 태양광 발전의 전력 조절 시스템(Power Conditioning System; PCS)에 사용되고 있다.Such booster converters are used in power conditioning systems (PCS) of solar power generation.
그런데 상술한 부스터 컨버터는 스위칭 소자를 포함하고 있으며, 이러한 스위칭 소자의 턴온과 턴오프시 전력 손실을 발생되며, 전자파 장해(Electro Magnetic Interference; EMI) 노이즈가 유발되는 문제점이 있었다.However, the above-mentioned booster converter includes a switching element, and there is a problem that power loss occurs during turn-on and turn-off of the switching element, and electromagnetic interference (EMI) noise is caused.
본 발명의 일 실시예에 따른 직류/직류 변환 장치는 전력 손실과 전자파 장해(Electro Magnetic Interference; EMI) 노이즈를 효과적으로 감소시킬 수 있다.The DC / DC converter according to the embodiment of the present invention can effectively reduce power loss and electromagnetic interference (EMI) noise.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자(이하 당업자)에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.Technical problems to be achieved by the present invention are not limited to the above-mentioned technical problems, and other technical problems not mentioned above are provided to those skilled in the art (hereinafter, those skilled in the art) from the following description. It will be clearly understood.
본 발명의 일 실시예에 따른 직류/직류 변환 장치는 입력 인덕터, 상기 입력 인덕터에 연결되는 공진 인덕터와, 상기 입력 인덕터에 연결되는 제 1 공진 커패시터와, 상기 공진 인덕터에 연결되는 제 2 공진 커패시터를 포함하는 공진부, 상기 공진 인덕터에 연결되는 제 1 스위칭 소자와, 상기 제 1 스위칭 소자에 역방향으로 병렬 연결되는 제 1 역방향 다이오드를 포함하는 제 1 스위칭부, 상기 제 1 공진 커패시터와 상기 제 1 스위칭 소자 사이에 연결되는 제 1 다이오드, 상기 제 1 공진 커패시터와 상기 공진 인덕터 사이에 연결되는 제 2 다이오드, 상기 제 1 공진 커패시터에 연결되는 제 2 스위칭 소자와, 상기 제 2 스위칭 소자에 역방향으로 병렬 연결되는 제 2 역방향 다이오드를 포함하는 제 2 스위칭부 및 상기 제 2 스위칭 소자에 연결되는 평활 커패시터를 포함한다.According to an embodiment of the present invention, a DC / DC converter includes an input inductor, a resonant inductor connected to the input inductor, a first resonant capacitor connected to the input inductor, and a second resonant capacitor connected to the resonant inductor. A first switching unit including a resonator, a first switching element connected to the resonant inductor, and a first reverse diode connected in parallel to the first switching element in parallel with the first switching element; A first diode connected between the elements, a second diode connected between the first resonant capacitor and the resonant inductor, a second switching element connected to the first resonant capacitor, and a reverse connection in parallel to the second switching element A second switching unit including a second reverse diode and a smooth capacitance connected to the second switching element It includes.
본 발명의 실시예들은 모든 스위칭 소자가 소프트 스위칭하므로, 전력 손실과 전자파 장해(Electro Magnetic Interference; EMI) 노이즈를 효과적으로 감소시킬 수 있다.According to the embodiments of the present invention, since all switching elements are soft switched, power loss and electromagnetic interference (EMI) noise may be effectively reduced.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 첨부도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다. 기타 실시예들의 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다. 본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. Specific details of other embodiments are included in the detailed description and the drawings. Advantages and features of the present invention and methods for achieving them will be apparent with reference to the embodiments described below in detail with the accompanying drawings. Like reference numerals refer to like elements throughout.
도 1은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 직류/직류 변환 장치의 회로도이고, 도 2은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 직류/직류 변환 장치의 회로도이며, 도 3은 도 1 및 도 2의 공통 등가 회로도이고, 도 4는 도 3의 회로도의 신호 파형도이며, 도 5a 내지 도 5i는 각 동작 모드에 대한 전류의 흐름을 도시한 회로도이다.1 is a circuit diagram of a DC / DC converter according to a first embodiment of the present invention, FIG. 2 is a circuit diagram of a DC / DC converter according to a second embodiment of the present invention, and FIG. 3 is FIGS. 1 and 2. 4 is a signal waveform diagram of the circuit diagram of FIG. 3, and FIGS. 5A to 5I are circuit diagrams showing the flow of current for each operation mode.
본 발명의 제 1 실시예에 따른 직류/직류 변환 장치는 첨부 도면 도 1에 도시된 것처럼, 입력 인덕터(L), 공진부(300), 제 1 스위칭부(100), 제 1 다이오드(D10), 제 2 다이오드(D20), 제 2 스위칭부(200) 및 평활 커패시터(Co)를 포함하여 구성될 수 있다.In the DC / DC converter according to the first embodiment of the present invention, the input inductor L, the
입력 인덕터(L)에는 입력 전압(Vin)이 인가되고, 공진부(300)는 입력 인덕터(L)에 연결되는 공진 인덕터(Lr)와, 이후에 진술할 제 2 스위칭 소자(S2)에 연결되는 제 1 공진 커패시터(Cr1)와, 공진 인덕터(Lr)에 연결되는 제 2 공진 커패시터(Cr2)를 포함한다.An input voltage Vin is applied to the input inductor L, and the
또한, 제 1 스위칭부(100)는 공진 인덕터(Lr)에 연결되는 제 1 스위칭 소자(S1)와, 제 1 스위칭 소자(S1)에 역방향으로 병렬 연결되는 제 1 역방향 다이오드(D1)를 포함한다.In addition, the
여기에서, 제 1 스위칭 소자(S1)는 IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor) 또는 모스 트랜지스터(MOS FET; Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)로 구성될 수 있고, 제 1 역방향 다이오드(D1)는 제 1 스위칭 소자(S1)가 IGBT인 경우에는 별도로 다이오드를 도 1에 도시된 것처럼 제 1 스위칭 소자(S1)에 역방향으로 병렬 연결하며, 제 1 스위칭 소자(S1)가 모스 트랜지스터인 경우에는 모스 트랜지스터에 기생하는 바디 다이오드를 이용할 수 있다.Here, the first switching element S1 may be configured as an Insulated Gate Bipolar Transistor (IGBT) or a metal oxide semiconductor field effect transistor (MOS FET), and the first reverse diode D1 may be a first switching element. When (S1) is an IGBT, a separate diode is connected in parallel to the first switching element S1 in a reverse direction as shown in FIG. 1, and when the first switching element S1 is a MOS transistor, a body parasitic to the MOS transistor. Diodes can be used.
한편, 제 1 다이오드(D10)는 제 2 공진 커패시터(Cr2)와 제 1 스위칭 소자(S1) 사이에 연결되며, 제 2 다이오드(D20)는 제 1 공진 커패시터(Cr1)와 제 2 공진 커패시터(Cr2) 및 공진 인덕터(Lr)에 연결된다.Meanwhile, the first diode D10 is connected between the second resonant capacitor Cr2 and the first switching element S1, and the second diode D20 is connected to the first resonant capacitor Cr1 and the second resonant capacitor Cr2. ) And a resonant inductor Lr.
또한, 제 2 스위칭부(200)는 제 1 공진 커패시터(Cr1)에 연결되는 제 2 스위칭 소자(S2)와, 제 2 스위칭 소자(S2)에 역방향으로 병렬 연결되는 제 2 역방향 다이오드(D2)를 포함하며, 평활 커패시터(Co)는 제 2 스위칭 소자(S2)에 연결된다.In addition, the
여기에서, 제 2 스위칭 소자(S2)는 IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor) 또는 모스 트랜지스터(MOS FET; Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)로 구성될 수 있고, 제 2 역방향 다이오드(D2)는 제 2 스위칭 소자(S2)가 IGBT인 경우에는 별도로 다이오드를 도 1에 도시된 것처럼 제 2 스위칭 소자(S2)에 역방향으로 병렬 연결하며, 제 2 스위칭 소자(S2)가 모스 트랜지스터인 경우에는 모스 트랜지스터에 기생하는 바디 다이오드를 이용할 수 있다.Here, the second switching element S2 may be composed of an Insulated Gate Bipolar Transistor (IGBT) or a Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor (MOS FET), and the second reverse diode D2 is the second switching element. When (S2) is an IGBT, a separate diode is connected in parallel to the second switching element (S2) in a reverse direction as shown in FIG. Diodes can be used.
제 1 실시예에는 인버터 스위칭 소자(S11, S12, S13, S14)와 역방향 다이오드(D11, D12, D13, D14)를 포함하는 단상 인버터(1100)와, 인덕터(Lf)와 커패시터(Cf)를 포함하는 출력 필터(1200)가 연결된다.The first embodiment includes a
제 2 실시예는 제 1 실시예와 다른 점에 대해서 설명한다.The second embodiment will be described with respect to the difference from the first embodiment.
제 2 실시예는 인버터 스위칭 소자(S21, S22, S23, S24, S25, S26)와 역방향 다이오드(D21, D22, D23, D24, D25, D26)를 포함하는 3상 인버터(2100)와, 인덕터(La, Lb, Lc)와 커패시터(Ca, Cb, Cc)를 포함하는 출력 필터(2200)가 연결된다.The second embodiment includes a three-
제 1 실시예와 제 2 실시예는 도 3에 도시된 것처럼, 인버터 스위칭 소자(Sinv)와, 역방향 다이오드(Dinv)와, 전류원(Io)을 포함하는 것으로 등가될 수 있다.As shown in FIG. 3, the first and second embodiments may be equivalent to include an inverter switching element Sinv, a reverse diode DINv, and a current source Io.
구체적인 동작은 도 4 및 도 5a 내지 도 5i를 참조하여 설명한다.Specific operations will be described with reference to FIGS. 4 and 5A to 5I.
모드 1에서는 제 1 스위칭 소자(S1)가 영전류 조건으로 턴온되어 도 5a에 도시된 것과 같은 전류 경로가 형성되며, 공진 인덕터(Lr)의 전류(iLr)는 선형적으로 증가한다.In
모드 2에서는 공진 인덕터(Lr)의 전류(iL)와 입력 인덕터(L)의 전류(iLr)가 같아지며, 도 5b에 도시된 것과 같은 전류 경로가 형성되고, 공진 인덕터(Lr)와 제 1 공진 커패시터(Cr1)가 공진하여 제 1 공진 커패시터(Cr1)의 전압(Vcr1)이 출력 전압(Vo)에서 0으로 감소된다.In mode 2, the current iL of the resonant inductor Lr and the current iLr of the input inductor L are equal, and a current path as shown in FIG. 5B is formed, and the resonant inductor Lr and the first resonance are formed. The capacitor Cr1 resonates so that the voltage Vcr1 of the first resonant capacitor Cr1 is reduced to zero at the output voltage Vo.
모드 3에서는 입력 인덕터(L)의 전류(iL)는 선형적으로 상승하고, 도 5c에 도시된 것과 같은 전류 경로가 형성되며, 공진 인덕터(Lr)의 전류(iLr)는 제 1 다이오드(D10)와 제 2 다이오드(D20)를 통해서 환류되고, 인버터 스위칭 소자(Sinv)가 영전압 조건으로 턴온된다.In mode 3, the current iL of the input inductor L linearly rises, a current path as shown in FIG. 5C is formed, and the current iLr of the resonant inductor Lr is the first diode D10. And a reflux through the second diode D20, and the inverter switching element Sinv is turned on under a zero voltage condition.
모드 4에서는 제 1 스위칭 소자(S1)가 턴오프되고, 도 5d에 도시된 것과 같은 전류 경로가 형성되며, 공진 인덕터(Lr)와 제 2 공진 커패시터(Cr2)가 공진한다. 제 2 공진 커패시터(Cr2)의 전압(Vcr2)은 피크로 증가된다.In mode 4, the first switching element S1 is turned off, a current path as shown in FIG. 5D is formed, and the resonant inductor Lr and the second resonant capacitor Cr2 resonate. The voltage Vcr2 of the second resonant capacitor Cr2 is increased to the peak.
모드 5에서는 공진 인덕터(Lr)의 전류(iLr)의 방향이 바뀌면 공진은 도 5e에 도시된 것처럼, 제 1 다이오드(D10), 제 2 공진 커패시터(Cr2), 공진 인덕터(Lr) 및 인버터 스위칭 소자(Sinv)의 경로로 진행된다. 제 2 공진 커패시터(Cr2)의 전압(Vcr2)은 0으로 감소된다.In the mode 5, when the direction of the current iLr of the resonant inductor Lr is changed, the resonance is performed as shown in FIG. 5E. The first diode D10, the second resonant capacitor Cr2, the resonant inductor Lr, and the inverter switching element are shown in FIG. Proceed to the path of (Sinv). The voltage Vcr2 of the second resonant capacitor Cr2 is reduced to zero.
모드 6에서는 제 1 역방향 다이오드(D1)가 턴온되고, 도 5f에 도시된 것과 같은 전류 경로가 형성되며, 공진 인덕터(Lr)의 전류가 제 1 역방향 다이오드(D1), 공진 인덕터(Lr) 및 인버터 스위칭 소자(Sinv)의 경로로 환류된다.In mode 6, the first reverse diode D1 is turned on, a current path as shown in FIG. 5F is formed, and the current of the resonant inductor Lr is the first reverse diode D1, the resonant inductor Lr, and the inverter. It is refluxed in the path of the switching element Sinv.
모드 7에서는 도 5g에 도시된 것과 같은 전류 경로가 형성되며, 인버터 스위칭 소자(Sinv)의 전압이 0에서 출력 전압(Vo)으로 상승한다.In mode 7, a current path as shown in FIG. 5G is formed, and the voltage of the inverter switching element Sinv rises from zero to the output voltage Vo.
모드 8에서는 도 5h에 도시된 것과 같은 전류 경로가 형성되며, 제 1 공진 커패시터(Cr1)의 전압(Vcr1)이 출력 전압(Vo)과 같아지면 제 2 역방향 다이오드(D2)를 통해서 전류가 흐르고 공진 인덕터(Lr)의 전류(iLr)는 선형적으로 감소한 다. 제 2 스위칭 소자(S2)는 영전압 조건으로 턴온된다.In mode 8, a current path as shown in FIG. 5H is formed. When the voltage Vcr1 of the first resonant capacitor Cr1 is equal to the output voltage Vo, current flows through the second reverse diode D2 and resonates. The current iLr of the inductor Lr decreases linearly. The second switching element S2 is turned on under the zero voltage condition.
모드 0에서는 도 5i에 도시된 것과 같은 전류 경로가 형성되며, 부하로 에너지가 전달된다.In mode 0, a current path as shown in FIG. 5I is formed and energy is transferred to the load.
이상, 본 발명을 본 발명의 원리를 예시하기 위한 바람직한 실시예와 관련하여 설명하고 도시하였지만, 본 발명은 그와 같이 도시되고 설명된 그대로의 구성 및 작용으로 한정되는 것이 아니다. While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed exemplary embodiments.
오히려, 첨부된 청구범위의 사상 및 범주를 일탈함이 없이 본 발명에 대한 다수의 변경 및 수정이 가능함을 당업자들은 잘 이해할 수 있을 것이다. Rather, it will be apparent to those skilled in the art that many changes and modifications to the present invention are possible without departing from the spirit and scope of the appended claims.
따라서, 그러한 모든 적절한 변경 및 수정과 균등물들도 본 발명의 범위에 속하는 것으로 간주되어야 할 것이다.Accordingly, all such suitable changes and modifications and equivalents should be considered to be within the scope of the present invention.
도 1은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 직류/직류 변환 장치의 회로도.1 is a circuit diagram of a DC / DC converter according to a first embodiment of the present invention.
도 2은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 직류/직류 변환 장치의 회로도.2 is a circuit diagram of a DC / DC converter according to a second embodiment of the present invention.
도 3은 도 1 및 도 2의 공통 등가 회로도.3 is a common equivalent circuit diagram of FIGS. 1 and 2.
도 4는 도 3의 회로도의 신호 파형도.4 is a signal waveform diagram of the circuit diagram of FIG.
도 5a 내지 도 5i는 각 동작 모드에 대한 전류의 흐름을 도시한 회로도.5A-5I are circuit diagrams showing the flow of current for each mode of operation.
<도면의 주요부분에 대한 부호 설명><Description of Signs of Major Parts of Drawings>
100: 제 1 스위칭부100: first switching unit
200: 제 2 스위칭부200: second switching unit
300: 공진부300: resonator
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