KR101030411B1 - 소프트 스위칭 컨버터를 이용한 소프트 스위칭 인버터 - Google Patents

소프트 스위칭 컨버터를 이용한 소프트 스위칭 인버터 Download PDF

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Abstract

본 발명은 스위칭 손실을 줄이기 위한 소프트 스위칭 컨버터를 이용한 소프트 스위칭 인버터에 관한 것으로, 직류 전압을 공급하는 전원부, 제1, 제2 공진 커패시터, 공진 인덕터, 제1, 제2 스위칭 소자, 제1, 제2 다이오드를 포함하고 상기 제1, 제2 스위칭 소자를 영전압 또는 영전류 순간에 온/오프 구동하여 상기 전원부로부터 공급된 직류 전압을 승압된 전압으로 변환하는 DC/DC 컨버터부, 및 제3 내지 제6 스위칭 소자와 부하를 포함하고 상기 제3 내지 제6 스위칭 소자를 영전압 순간에 온/오프 구동하여 상기 승압된 전압을 교류 전압으로 변환하는 DC/AC 인버터부를 포함한다.
인버터, 컨버터, 소프트 스위칭, 하드 스위칭, ZCS(Zero Current Switching), ZVS(Zero Voltage Switching)

Description

소프트 스위칭 컨버터를 이용한 소프트 스위칭 인버터{Soft Switching Inverter Using Soft Switching Converter}
본 발명은 소프트 스위칭 컨버터를 이용한 소프트 스위칭 인버터에 관한 것으로, 스위칭 소자의 온/오프 동작시 전압과 전류가 동시에 인가될 경우 발생되는 스위칭 손실을 줄이기 위하여 ZCS 또는 ZVS 방식으로 구동되도록 제어하는 소프트 스위칭 컨버터를 이용한 소프트 스위칭 인버터에 관한 것이다.
최근 전력전자 기술을 이용한 전력변환 장치의 연구 방향은 고효율화를 추구하고 있다. 시스템의 고효율화를 위해서는 동작 시 발생하는 각종 손실을 줄여야 한다.
일반적으로 금속 산화막 반도체 전계효과 트랜지스터(MOSFET: Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)나 절연 게이트 양극성 트랜지스터(IGBT: Insulated Gate Bipolar Transistor)와 같은 전력용 반도체 소자가 사용되는데 이러한 파워 스위치가 동작 시 발생하는 손실은 크게 도통 손실과 스위칭 손실로 나눌 수 있다.
도통 손실은 스위치 ON 시 스위치를 통해 흐르는 전류와 스위치 내부 고유 저항에 의해 결정되며, 스위칭 손실은 스위치 ON/OFF 시 스위치 양단 전압과 스위치를 통해 흐르는 전류가 중첩될 때 발생한다.
이러한 손실들은 결국 열로 변하여 방열판과 팬(FAN)을 이용하여 방열해야 하므로 효율을 저하시키는 문제가 있다.
상기의 손실을 줄이기 위하여 고효율 소자를 사용하여 도통 손실을 줄일 수 있으며, 소프트 스위칭 토폴로지를 이용하여 스위치 ON/OFF 시 전압, 전류가 중첩되는 면적을 줄임으로써 스위칭 손실은 줄일 수 있다.
일반적인 소프트 스위칭 기법은 반도체 스위치가 ON/OFF 시 전압/전류의 상태에 따라 ZCS(Zero Current Switching) 방법과 ZVS(Zero Voltage Switching) 방법으로 나누어진다.
ZCS 방법은 스위치에 흐르는 전류를 스위치에 직렬 연결한 공진 인덕터를 이용하여 지연 시킴으로써 전압/전류가 중첩되는 구간을 최소화하고, ZVS 방법은 스위치 양단에 걸리는 전압을 순간적으로 역병렬 다이오드나 스위치에 병렬로 연결된 공진 캐패시터를 이용하여 스위치 양단 전압을 "0[V]"로 만들어서 스위치가 켜지거나 꺼지게 만들어서 전압/전류 중첩 구간을 최소화하여 스위칭 손실을 줄이게 된다.
도 1은 종래의 하드 스위칭 부스트 컨버터를 이용한 DC/AC 단상 인버터 회로도를 도시한 도면이다.
도 1에 도시한 바와 같이, 종래의 하드 스위칭 부스트 컨버터를 이용한 DC/AC 단상 인버터 회로는 전원부(11), DC/DC 컨버터부(12)와 DC/AC 인버터부(13) 를 포함하며, DC/DC 컨버터부(12)는 스위칭 소자, 다이오드, 인덕터로 구성될 수 있고, DC/AC 인버터부(13)는 4개의 스위칭 소자로 구성된다.
DC/DC 컨버터부(12)는 입력 직류 전압을 미리 설정된 전압으로 승압하고 DC/AC 인버터부(12)는 승압된 직류 전압을 교류 전압으로 변환하는 2단계 전력변환 동작을 수행한다.
종래의 DC/DC 컨버터부(12)는 일반적인 하드 스위칭 부스트 컨버터로 동작하도록 구성되어 있으며, 하드 스위칭 부스트 방식인 인버터 풀-브릿지 방식으로 연결될 수 있다.
도 2는 종래의 하드 스위칭 부스트 컨버터를 이용한 DC/AC 단상 인버터 회로의 스위치 ON/OFF 시의 전압, 전류특성곡선을 도시한 도면이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 종래의 하드 스위칭 방식은 스위치의 ON/OFF 시 전류와 전압의 중첩되는 면적에 비례하여 스위칭 손실이 증가하게 된다.
이러한 하드 스위칭 방식을 사용하는 경우 스위칭 소자의 효율이 저하되고, 방열판 크기가 증가되는 문제점이 있다.
본 발명은 적어도 하나의 공진 인덕터, 공진 커패시터, 다이오드 및 스위칭 소자를 사용하여 회로를 구성함으로써 스위칭 소자의 온/오프 동작 시 ZCS 또는 ZVS 방식으로 스위칭되도록 제어하는 소프트 스위칭 컨버터를 이용한 소프트 스위칭 인버터를 제공한다.
본 발명의 한 특징에 따르면, 직류 전압을 공급하는 전원부, 제1, 제2 공진 커패시터, 공진 인덕터, 제1, 제2 스위칭 소자, 제1, 제2 다이오드를 포함하고 상기 제1, 제2 스위칭 소자를 영전압 또는 영전류 순간에 온/오프 구동하여 상기 전원부로부터 공급된 직류 전압을 승압된 전압으로 변환하는 DC/DC 컨버터부, 및 제3 내지 제6 스위칭 소자와 부하를 포함하고 상기 제3 내지 제6 스위칭 소자를 영전압 순간에 온/오프 구동하여 상기 승압된 전압을 교류 전압으로 변환하는 DC/AC 인버터부를 포함한다.
또한, 본 발명에 따른 소프트 스위칭 컨버터를 이용한 소프트 스위칭 인버터의 상기 DC/DC 컨버터부는 상기 전원부와 직렬 연결된 인덕터, 및 상기 승압된 전압을 출력하는 커패시터를 더 포함하는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명에 따른 소프트 스위칭 컨버터를 이용한 소프트 스위칭 인버터는 상기 제1, 제2 공진 커패시터 및 공진 인덕터에 따라 영전류 또는 영전압 시 상기 제1 내지 제6 스위칭 소자가 온/오프 되도록 ON/OFF 구동 신호를 생성하는 제어 부를 더 포함하는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명에 따른 소프트 스위칭 컨버터를 이용한 소프트 스위칭 인버터의 상기 제1 스위칭 소자 내지 제6 스위칭 소자는 역방향(환류, freewheeling) 다이오드가 연결된 스위칭 소자로 구성되는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명에 따른 소프트 스위칭 컨버터를 이용한 소프트 스위칭 인버터의 상기 제1 스위칭 소자는 공진 인덕터와 직렬 연결되고 상기 제1 다이오드는 상기 제2 다이오드와 직렬 연결되고, 상기 제1 스위칭 소자와 공진 인덕터의 중간 노드 및 상기 제1 다이오드와 제2 다이오드의 중간 노드 사이에 제2 공진 커패시터가 연결되는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명에 따른 소프트 스위칭 컨버터를 이용한 소프트 스위칭 인버터의 상기 전원부와 직렬 연결된 인덕터는 상기 제1 공진 커패시터와 병렬 연결되고, 상기 제2 스위칭 소자의 일단은 상기 인버터부의 입력단과 연결되고 상기 제2 스위칭 소자의 타단은 상기 승압된 전압을 출력하는 커패시터와 연결되는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명에 따른 소프트 스위칭 컨버터를 이용한 소프트 스위칭 인버터의 상기 제2 스위칭 소자는 상기 DC/AC 인버터부의 제3 내지 제6 스위칭 소자가 영전압에서 온/오프 구동되도록 구동 제어 신호를 생성하는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명에 따른 소프트 스위칭 컨버터를 이용한 소프트 스위칭 인버터의 상기 DC/AC 인버터부의 제3 스위칭 소자는 제6 스위칭 소자와 연동하여 온/오프 제어되고, 제4 스위칭 소자는 제5 스위칭 소자와 연동하여 온/오프 제어되는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명에 따른 소프트 스위칭 컨버터를 이용한 소프트 스위칭 인버터의 상기 공진 인덕터는 상기 제1 스위칭 소자가 영전류에서 온 되도록 전류를 제어하는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명에 따른 소프트 스위칭 컨버터를 이용한 소프트 스위칭 인버터는 상기 제2 스위칭 소자가 영전압에서 오프 되도록 제어하는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명에 따른 소프트 스위칭 컨버터를 이용한 소프트 스위칭 인버터의 상기 제어부는 상기 승압된 전압을 출력하는 상기 DC/AC 인버터부 입력 전압이 "0"일 때, 구동 제어 신호 패턴을 전환하는 것이 바람직하다.
본 발명의 실시 예에서는 공진 인덕터와 공진 커패시터의 공진을 이용하여 영전압(zero-voltage) 또는 영전류(zero-current) 시 스위칭 소자가 온/오프 되도록 제어함으로써 스위칭 소자의 전압과 전류의 중첩되는 면적을 최소화하여 스위칭 손실을 최소화 할 수 있는 효과가 있다.
또한, 스위칭 소자가 소프트 스위칭되도록 제어하여 스위칭 손실을 최소화함으로써 더 높은 주파수 영역에서 컨버터와 인버터 회로를 사용할 수 있으므로 수동소자(인덕터, 커패시터)의 크기와 무게를 줄일 수 있고, 전체적인 효율을 개선할 수 있다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시 예를 가질 수 있는 바, 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
이제 본 발명의 실시 예에 따른 소프트 스위칭 컨버터를 이용한 소프트 스위칭 인버터에 대하여 도면을 참고하여 상세하게 설명하고, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 소프트 스위칭 컨버터를 이용한 소프트 스위칭 인버터의 회로도를 도시한 도면이다.
본 발명의 실시 예에 따른 소프트 스위칭 컨버터를 이용한 소프트 스위칭 인버터는 전원부(110), DC/DC 컨버터부(120), DC/AC 인버터부(130) 및 제어부(미도시)를 포함한다.
전원부(110)는 직류 전압을 공급하며, DC/DC 컨버터부(120)는 제1, 제2 공진 커패시터(Cr1, Cr2), 공진 인덕터(Lr), 제1, 제2 스위칭 소자(S1, S2), 제1, 제2 다이오드(D1, D2)를 포함한다.
DC/DC 컨버터부(120)는 제1, 제2 스위칭 소자(S1, S2)를 영전압 또는 영전류 순간에 온/오프 구동하여 전원부(110)로부터 공급된 직류 전압을 승압된 전압으로 변환한다.
DC/DC 컨버터부(120)는 전원부(110)와 직렬 연결된 인덕터(L1) 및 승압된 전압을 출력하는 DC-Link 커패시터(C3)를 더 포함한다.
제1 스위칭 소자(S1)는 공진 인덕터(Lr)와 직렬 연결되고 제1 다이오드(D1)는 제2 다이오드(D2)와 직렬 연결되고, 제1 스위칭 소자(S1)와 공진 인덕터(Lr)를 연결하는 노드 및 제1 다이오드(D1)와 제2 다이오드(D2)를 연결하는 노드 사이에 제2 공진 커패시터(Cr2)가 연결되어 H-Bridge를 구성할 수 있다.
전원부(110)와 직렬 연결된 인덕터(L1)는 제1 공진 커패시터(Cr1)와 병렬 연결되고, 제2 스위칭 소자(S2)는 승압된 전압을 출력하는 DC-Link 커패시터(C3)와 직렬 연결될 수 있다.
따라서, 제1 공진 커패시터(Cr1), 승압된 전압을 출력하는 DC-Link 커패시터(C3)와 직렬 연결된 제2 스위칭 소자(S2) 및 H-Bridge는 병렬 연결되어, 공진주기에 따라 에너지를 교환할 수 있다.
DC/AC 인버터부(130)는 제3 내지 제6 스위칭 소자(S3~S6)와 부하(Rout)를 포함하고, 제3 내지 제6 스위칭 소자(S3~S6)를 영전압(zero-voltage) 순간에 온/오프 구동하여 승압된 전압을 교류 전압으로 변환한다.
이하, 스위칭 소자가 영전압 시 온/오프 스위칭되는 것은 ZVS(Zero Voltage Switching) On/OFF라 하고, 스위칭 소자가 영전류 시 온/오프 스위칭되는 것은 ZCS(Zero Current Switching) ON/OFF라고 한다.
제1 스위칭 소자(S1) 내지 제6 스위칭 소자(S6)는 역방향(환류, freewheeling) 다이오드가 연결된 스위칭 소자로 구성될 수 있다.
제어부는 제1, 제2 공진 커패시터(Cr1, Cr2) 및 공진 인덕터(Lr)에 따라 영전류 또는 영전압 시 제1 내지 제6 스위칭 소자(S1~S6)가 온/오프 되도록 ON/OFF 구동 신호를 생성한다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 소프트 스위칭 컨버터를 이용한 소프트 스위칭 인버터의 제1 구동 신호와 제1 스위칭 소자의 ON/OFF 구동 시 전압, 전류 특성을 도시한 도면이고, 도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 소프트 스위칭 컨버터의 DC-Link 커패시터에 직렬 연결된 제2 스위칭 소자의 구동 신호와 ON/OFF 구동 시 전압, 전류 특성을 도시한 도면이다.
본 발명의 실시 예에 따른 소프트 스위칭 컨버터를 이용한 소프트 스위칭 인버터의 제어부에서 생성된 제1 구동 신호(S1(PWM))가 OFF 구동 신호이면 제1 스위칭 소자(S1)가 ZVS OFF 되고, 제1 구동 신호(S1(PWM))가 ON 구동 신호이면 제1 스위칭 소자(S1)가 ZCS ON 된다.
또한, 제어부에서 생성된 제2 구동 신호(S2(PWM))가 ON 구동 신호이면 제2 스위칭 소자(S2)가 ZVS ON 되고, 제2 구동 신호(S2(PWM))가 OFF 구동 신호이면 제2 스위칭 소자(S2)가 ZVS OFF 된다.
따라서, 제어부의 구동 신호에 따라 DC/DC 컨버터부(120)의 제1 스위칭 소자(S1) 및 제2 스위칭 소자(S2)는 각각 ZVS 또는 ZCS ON/OFF 소프트 스위칭된다.
도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 소프트 스위칭 컨버터를 이용한 소프트 스위칭 인버터의 DC/AC 인버터부의 스위칭 소자의 전압, 전류 특성 곡선을 도시한 도면이다.
도 6에 도시한 바와 같이, DC/AC 인버터부의 제3 스위칭소자(S3) 및 제4 스위칭 소자(S4)는 각각 게이트 구동 신호(S3(PWM), S4(PWM))가 ON/OFF됨에 따라 각각ZVS ON/OFF된다.
즉, 제3/제4 스위칭소자(S3, S4)의 게이트 구동 신호(S3(PWM), S4(PWM))가 ON되면 제3/제4 스위칭소자(S3, S4)는 ZVS ON되고, 게이트 구동 신호(S3(PWM), S4(PWM))가 OFF 되면 제3/제4 스위칭소자(S3, S4)는 ZVS OFF 된다.
제2 스위칭 소자(S2)는 DC/AC 인버터부(130)의 제3 내지 제6 스위칭 소자(S3~S6)가 영전압에서 온/오프 구동되도록 구동 제어 신호를 생성하고, DC/AC 인버터부(130)의 제3 스위칭 소자(S3)와 제6 스위칭 소자(S6)는 서로 연동하며, 제4 스위칭 소자(S4)와 제5 스위칭 소자(S5)는 서로 연동하여 온/오프된다.
공진 인덕터(Lr)는 제1 스위칭 소자(S1)가 영전류에서 온 되도록 전류의 흐름을 지연시키고 전원부와 DC/DC 컨버터부 사이에 연결된 인덕터(L1, 이하 '메인 인덕터(L1)'라고 함)의 전류가 공진 인덕터(Lr)쪽으로 모두 흐를 때 DC-Link단(컨버터 출력단) 전압이 영이 되어 제2 스위칭 소자(S2)가 영전압에서 턴 오프(ZVS Turn Off) 되도록 한다.
도 7은 본 발명의 실시 예에 따른 소프트 스위칭 컨버터를 이용한 소프트 스위칭 인버터의 공진 커패시터 또는 공진 인덕터의 전압, 전류 특성에 따른 스위칭 소자의 전압, 전류 특성을 비교한 도면이고, 도 8은 본 발명의 소프트 스위칭 컨버터를 이용한 소프트 스위칭 인버터 회로의 동작모드를 도시한 도면이고, 도 9는 본 발명의 소프트 스위칭 컨버터를 이용한 소프트 스위칭 인버터 회로를 구성하는 소자의 동작상태 및 전압/전류 특성 곡선을 도시한 도면이다.
이하, S1은 DC/DC 컨버터부의 제1 스위칭 소자이고, S2는 DC/DC 컨버터부의 제2 스위칭 소자이고, S3~S6은 DC/AC 인버터부의 제1~제4 스위칭 소자이고, Lr은 공진 인덕터, Cr1은 제1 공진 커패시터, Cr2는 제2 공진 커패시터, L1은 전원부와 DC/DC 컨버터를 연결하는 인덕터, C3는 DC/DC 컨버터부와 DC/AC 인버터부를 연결하는 DC-Link 커패시터, D1 및 D2는 제1, 제2 다이오드를 의미한다.
본 발명의 소프트 스위칭 컨버터를 이용한 소프트 스위칭 인버터 회로의 동작모드는 10가지 모드로 구분할 수 있다(도 7 내지 도 9 참조).
Ⅰ. Mode 1 (t0≤t≤t1)
S1과 직렬 연결된 공진 인덕터(Lr)에 의해 전류 흐름에 지연을 이용하여 S1이 ZCS Turn On되면서 Mode 1이 시작된다. DC/AC 인버터부의 4개의 스위치 중 S4, S5만 Turn On 된 상태이고, S4, S5를 통해서 부하(Load)단에 에너지가 공급된다.
메인 인덕터(L1)의 전류는 선형적으로 감소하고 메인 인덕터(L1)에 흐르는 전류가 모두 공진 인덕터(Lr)로 흐르기 시작하는 시점에서 DC-Link단 전압은 영 상태가 되므로 이 때 S2가 ZVS Turn Off 되고 Mode 1이 종료된다.
Ⅱ. Mode 2 (t1≤t≤t2)
S2가 Turn Off 되면서 Mode 2가 시작된다. 제1 공진 커패시터(Cr1)에 축적된 에너지는 공진경로(Cr1-Lr)를 통해 방전되고 제1 공진 커패시터(Cr1)의 전압이 "0"이 되면 Mode 2가 종료된다. Mode 2 동안 전원부와 DC/DC 컨버터부 사이에 연결된 인덕터(L1)의 전류는 감소하다 증가하게 된다.
Ⅲ. Mode 3 (t2≤t≤t3)
제1 공진 커패시터(Cr1)가 완전히 방전되면 Mode 3이 시작된다. 제1 및 제2 다이오드(D1, D2)은 Turn On 되고 공진 인덕터(Lr)에 축적되어 있던 에너지가 제1 및 제2 다이오드(D1, D2)를 통해 환류하게 된다.
또한, DC/AC 인버터부의 S3~S6과 연결된 역병렬(환류, freewheeling) 다이오드로 환류전류가 흐르며, S1이 Turn Off 되는 순간 Mode 3이 종료된다.
DC/AC 인버터부의 S3~S6과 연결된 역병렬(환류, freewheeling) 다이오드를 통해 전류가 흐르기 때문에 스위칭 소자 S3~S6의 양단 전압은 "0"인 상태로 유지되며, 이 때 S3 ~ S6에 Turn On 신호가 인가하여 ZVS Turn On 한다.
Ⅳ. Mode 4 (t3≤t≤t4)
Mode 4는 S1이 Turn Off 되면서 시작되고, S1이 Turn Off 되면 S1을 통해 흐르던 공진 인덕터(Lr)의 전류는 S1이 Turn Off됨과 동시에 제2 공진 커패시터(Cr2)와 공진하여 Lr-Cr2-D2의 전류 경로(path)를 형성한다. 이 때, 제2 공진 커패시터(Cr2)의 오른쪽 단은 제1 다이오드(D1) -> S3 ~ S6로 경로를 형성하므로 그라운드와 단락된 상태와 같이 동작한다.
따라서, 제2 공진 커패시터(Cr2)에 걸리는 양단 전압이 S1에 걸리는 양단 전압과 같아지며, S1은 ZVS Turn Off 된다. 공진 인덕터(Lr)에 저장된 자기에너지는 모두 제2 공진 커패시터(Cr2)로 전달되고 공진 인덕터(Lr)의 전류가 "0"이 되면 Mode 4가 종료된다.
Ⅴ. Mode 5 (t4≤t≤t5)
Mode 5에서 제2 공진 커패시터(Cr2)는 공진 인덕터(Lr)에서 전달된 에너지로 완전히 충전된 상태에서 시작되고, Mode 5가 시작되면 제2 공진 커패시터(Cr2)는 공진 인덕터(Lr)로 에너지를 공급한다.
이 때, 공진경로는 제2 다이오드(D2) -> 제2 공진 커패시터(Cr2) -> 공진 인덕터(Lr)-> DC/AC 인버터부의 스위칭 소자 S3, S4-> DC/AC 인버터부의 스위칭 소자 S5, S6로 형성되며 제2 공진 커패시터(Cr2) 양단 전압이 "0"이 되면 Mode 5가 종료된다.
Ⅵ. Mode 6 (t5≤t≤t6)
공진 인덕터(Lr)의 전류는 S1에 연결된 역병렬(환류, freewheeling) 다이오드를 통해 흐르고, DC/AC 인버터부의 스위칭 소자 S4, S5는 제1 공진 커패시터(Cr1)을 이용하여 ZVS Turn Off를 위해 Turn Off 한다.
Ⅶ. Mode 7 (t6≤t≤t7)
DC/AC 인버터부의 스위칭 소자 S4, S5가 Turn Off 하면 스위칭 소자 S4, S5를 통해 흐르던 전류는 스위칭 소자 S4, S5에 병렬로 연결되어 방전상태로 있던 제1 공 진 커패시터(Cr1)를 통해 충전전류로 흐르게 되고, 이 때 스위칭 소자 S4, S5의 양단전압은 "0" 상태가 되어 ZVS Turn Off가 구현된다.
또한, 제1 공진 커패시터(Cr1)는 공진 인덕터(Lr)와의 공진을 통해서 충전되며 제1 공진 커패시터(Cr1)가 완전히 충전되면 Mode 7이 종료된다.
Ⅷ. Mode 8 (t7≤t≤t8)
제1 공진 커패시터(Cr1)의 충전이 끝나면 Mode 8이 시작된다. DC/DC 컨버터부와 DC/AC 인버터부 사이에 연결된 DC-Link 커패시터(C3)가 S2에 연결된 역병렬(환류, freewheeling) 다이오드를 통해 충전되고 공진 인덕터(Lr)는 에너지를 완전히 방출하게 된다.
공진 인덕터(Lr)의 전류가 "0"이 되면 Mode 8이 종료되며, 부하(Load)는 전원부로부터 에너지를 전달받는다.
Ⅸ. Mode 9-1 (t8≤t≤t9/2)
공진 인덕터(Lr)의 유도성 에너지가 완전히 소진되면 Mode 9-1이 시작된다.
전원부와 DC/DC 컨버터부 사이에 연결된 인덕(L1)의 전류는 선형적으로 감소된다. 또한, S2에 연결된 역병렬(환류, freewheeling) 다이오드를 통해 DC/DC 컨버터부와 DC/AC 인버터부 사이에 연결된 DC-Link 커패시터(C3)로 에너지가 공급되고, S2에 연결된 역병렬(환류, freewheeling) 다이오드가 도통되고 있는 동안 스위칭 소자 S2의 양단전압은 "0" 상태이므로, 이때 스위칭 소자 S2가 ZVS Turn On 된다.
Ⅹ. Mode 9-2 (t8/2≤t≤t9)
S2가 ZVS Turn On 되면 DC/DC 컨버터부와 DC/AC 인버터부 사이에 연결된 DC-Link 커패시터(C3)에 저장된 에너지가 부하(Load)를 통해 방전된다.
따라서, 본 발명에 따른 소프트 스위칭 컨버터를 이용한 소프트 스위칭 인버터는 공진 커패시터 및 공진 인덕터의 에너지 교환을 이용하여 스위칭 소자 S1 내지 S6의 온/오프 주기를 제어함으로써 스위칭 소자가 ZCS 또는 ZVS ON/OFF 소프트 스위칭되어 전압 및 전류가 중첩되는 구간이 최소화되므로 스위칭 손실을 줄일 수 있는 효과가 있다.
이상에서 본 발명의 실시 예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.
도 1은 종래의 하드 스위칭 부스트 컨버터를 이용한 DC/AC 단상 인버터 회로도를 도시한 도면이다.
도 2는 종래의 하드 스위칭 부스트 컨버터를 이용한 DC/AC 단상 인버터 회로의 스위치 ON/OFF 시의 전압, 전류특성곡선을 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 소프트 스위칭 컨버터를 이용한 소프트 스위칭 인버터의 회로도를 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 소프트 스위칭 컨버터를 이용한 소프트 스위칭 인버터의 제1 구동 신호와 제1 스위칭 소자의 ON/OFF 구동 시 전압, 전류 특성을 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 소프트 스위칭 컨버터의 DC-Link 커패시터에 직렬 연결된 제2 스위칭 소자의 구동 신호와 ON/OFF 구동 시 전압, 전류 특성을 도시한 도면이다.
도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 소프트 스위칭 컨버터를 이용한 소프트 스위칭 인버터의 DC/AC 인버터부의 스위칭 소자의 전압, 전류 특성 곡선을 도시한 도면이다.
도 7은 본 발명의 실시 예에 따른 소프트 스위칭 컨버터를 이용한 소프트 스위칭 인버터의 공진 커패시터 또는 공진 인덕터의 전압, 전류 특성에 따른 스위칭 소자의 전압, 전류 특성을 비교한 도면이다.
도 8은 본 발명의 소프트 스위칭 컨버터를 이용한 소프트 스위칭 인버터 회 로의 동작모드를 도시한 도면이다.
도 9는 본 발명의 소프트 스위칭 컨버터를 이용한 소프트 스위칭 인버터 회로를 구성하는 소자의 동작상태 및 전압/전류 특성 곡선을 도시한 도면이다.
<도면의 간단한 설명>
110: 전원부 120: DC/DC 컨버터부
130: DC/AC 인버터부

Claims (11)

  1. 일단이 직류전원의 양극에 연결되는 인덕터;
    상기 인덕터의 타단에 연결되는 제1노드;
    상기 제1노드에 일단이 연결되고 타단은 상기 직류전원의 음극에 연결되는 제1 공진 커패시터;
    상기 제1노드에 일단이 연결되는 공진 인덕터;
    상기 공진 인덕터의 타단에 일단이 연결되는 제2 공진 커패시터;
    상기 공진 인덕터의 타단에 일단이 연결되고 타단은 상기 직류전원의 음극에 연결되는 제1 스위칭 소자;
    상기 제1노드에 캐소드가 연결되고, 애노드는 상기 제2 공진 커패시터에 연결되는 제1 다이오드;
    상기 제1 다이오드와 제2 공진 커패시터가 연결되는 노드에 캐소드가 연결되고, 애노드는 상기 직류전원의 음극에 연결되는 제2 다이오드;
    상기 제1노드에 일단이 연결되는 제2 스위칭 소자;
    상기 제2 스위칭 소자의 타단에 일단이 연결되고, 타단은 상기 직류전원의 음극에 연결되는 DC-link 커패시터;
    상기 제1노드에 일단이 연결되는 제3 스위칭 소자;
    상기 제3 스위칭 소자의 타단에 일단이 연결되고, 타단은 상기 직류전원의 음극에 연결되는 제5 스위칭 소자;
    상기 제1노드에 일단이 연결되는 제4 스위칭 소자;
    상기 제4 스위칭 소자의 타단에 일단이 연결되고, 타단은 상기 직류전원의 음극에 연결되는 제6 스위칭 소자; 및
    상기 제3 스위칭 소자의 타단에 일단이 연결되고, 상기 제4스위칭 소자의 타단에 타단이 연결되는 부하;
    를 포함하는
    소프트 스위칭 컨버터를 이용한 소프트 스위칭 인버터.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 공진 인덕터와 제1 스위칭 소자는 직렬로 연결되고, 상기 제1 다이오드와 제2 다이오드는 직렬로 연결되며, 상기 공진 인덕터와 제1 스위칭 소자를 연결하는 노드 및 상기 제1 다이오드와 제2 다이오드를 연결하는 노드 사이에 제2 공진 커패시터가 연결되어 제1 H-Bridge를 이루는 것인
    소프트 스위칭 컨버터를 이용한 소프트 스위칭 인버터.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 제1 공진 커패시터와 제1 H-Bridge는 병렬로 연결되는 것인
    소프트 스위칭 컨버터를 이용한 소프트 스위칭 인버터.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 제2 스위칭 소자와 DC-link 커패시터의 직렬연결부는 상기 제1 공진 커패시터 및 제1 H-Bridge와 병렬로 연결되는 것인
    소프트 스위칭 컨버터를 이용한 소프트 스위칭 인버터.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 제3 스위칭 소자는 제5 스위칭 소자와 직렬로 연결되고, 상기 제4 스위칭 소자는 제 6 스위칭 소자와 직렬로 연결되며, 상기 제3 스위칭 소자와 제5 스위칭 소자가 연결되는 노드 및 제4 스위칭 소자와 제5 스위칭 소자가 연결되는 노드 사이에 상기 부하가 연결되어 제2 H-Bridge를 이루는 것인
    소프트 스위칭 컨버터를 이용한 소프트 스위칭 인버터.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 제2 H-Bridge는 상기 제1 공진 커패시터, 제1 H-Bridge 및 제 스위칭 소자와 DC-link 커패시터의 직렬연결부와 병렬로 연결되는 것인
    소프트 스위칭 컨버터를 이용한 소프트 스위칭 인버터.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1, 제2 공진 커패시터 및 공진 인덕터에 따라 영전류 또는 영전압 시 상기 제1 내지 제6 스위칭 소자가 온/오프 되도록 ON/OFF 구동 신호를 생성하는 제어부를 더 포함하는 소프트 스위칭 컨버터를 이용한 소프트 스위칭 인버터.
  8. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1 스위칭 소자 내지 제6 스위칭 소자는 역방향(환류, freewheeling) 다이오드가 연결된 스위칭 소자로 구성되는 소프트 스위칭 컨버터를 이용한 소프트 스위칭 인버터.
  9. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제3 스위칭 소자는 제6 스위칭 소자와 연동하여 온/오프 제어되고, 제4 스위칭 소자는 제5 스위칭 소자와 연동하여 온/오프 제어되는 것인 소프트 스위칭 컨버터를 이용한 소프트 스위칭 인버터.
  10. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 공진 인덕터는 상기 제1 스위칭 소자가 영전류에서 온 되도록 전류를 제어하는 것인 소프트 스위칭 컨버터를 이용한 소프트 스위칭 인버터.
  11. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제2 스위칭 소자가 영전압에서 오프 되도록 제어하는 소프트 스위칭 컨버터를 이용한 소프트 스위칭 인버터.
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