KR101053289B1 - 전류형 푸쉬-풀 ｄｃ/ｄｃ 컨버터 - Google Patents

Abstract

본 발명은 전류형 푸쉬-풀 DC/DC 컨버터에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 제3스위칭 소자를 이용하여 전압 변환폭을 확장한 전류형 푸쉬-풀 DC/DC 컨버터에 관한 것이다. 본 발명은, 두 개의 변압기와 직류 전압원과 두 개의 변압기 사이에 연결되는 두 개의 인덕터와, 두 개의 인덕터에 연결되는 두 개의 스위칭 소자와, 복수의 다이오드, 출력 전압 맥동을 완충하는 커패시터 외에 제3의 스위칭 소자를 더 포함하여 구성된다. 이와 같은 전류형 푸쉬-풀 DC/DC 컨버터에 의하면, 스위칭 소자의 턴 온 시간 듀티 비율을 폭넓게 하여 가변되는 전압폭을 넓힐 수 있고, 그에 따라 변동폭이 큰 입력 전압을 안정적인 출력 전압으로 변환하는 것이 가능해지고, 컨버터에 사용되는 스위칭 소자의 양단 최대전압과 전류의 최대값을 낮추어 낮은 정격의 스위칭 소자를 이용하여 컨버터를 구현할 수 있다는 이점이 있다.

푸쉬-풀(Push-Pull), 컨버터, 스위칭 소자

Description

전류형 푸쉬-풀 ＤＣ/ＤＣ 컨버터{Current Fed Push-Pull DC/DC Converter}

본 발명은 전류형 푸쉬-풀 DC/DC 컨버터에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 제3스위칭 소자를 이용하여 전압 변환폭을 확장한 전류형 푸쉬-풀 DC/DC 컨버터에 관한 것이다.

전류형 푸쉬-풀 컨버터(Current Fed Push-Pull Converter)는 DC 전력 공급 전압을 변환하는 변압기를 사용하는 DC/DC 컨버터로서, 변압기의 비율은 임의의 고정값이 된다. 이와 같은 푸쉬-풀 컨버터의 주된 장점은 단순하고, 높은 전력 처리량까지 스케일이 가능하다는 것이다.

전류형 푸쉬-풀 DC/DC 컨버터는 일반적으로 도 1에 도시된 바와 같은 구성을 갖는다. 도 1은 종래기술에 의한 전류형 푸쉬-풀 DC/DC 컨버터의 구성을 도시한 회로도이고, 도 2는 종래기술에 의한 전류형 푸쉬-풀 DC/DC 컨버터의 동작 파형을 나타낸 그래프이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 종래기술에 의한 전류형 푸쉬-풀 DC/DC 컨버터는 하나의 인덕터(L)와 두 개의 전력용 반도체 스위칭 소자(S1, S2), 변압기, 두 개의 다이오드(D1, D2)와 출력 커패시터(C0)로 구성된다.

이와 같은 전류형 푸쉬-풀 DC/DC 컨버터에서 두 개의 반도체 스위칭 소자(S1, S2)는 도 2에 도시된 동작 파형에서 보는 바와 같이 서로 반주기의 위상차로 스위칭된다. 그리고 각 스위칭 소자(S1, S2)는 스위칭 주기의 50% 이상의 턴 온(Turn On) 시간을 갖는다. 전류형 푸쉬-풀 DC/DC 컨버터는 두 개의 스위칭 소자가 동시에 턴 온된 시간 동안 인덕터(L)에 에너지를 저장하고 각 스위칭 소자(S1, S2)의 턴 오프(Turn Off) 시간에 인덕터에 저장된 에너지를 방출하여 변압기에서 전압의 승압이 이루어지도록 한다.

출력측 전압을 Vo, 입력측 전압을 Vi라고 하고, 주기에 대한 각 스위칭 소자(S1, S2)의 턴 온 시간 듀티 비율을 D, 변압기의 1차 코일의 권선수를 Np, 2차 코일의 권선수를 Ns라고 하면, 출력측 전압 Vo는 다음과 같은 식으로 나타낼 수 있다.

그리고 각 스위칭 소자(S1, S2)의 양단 최대 전압 Vsw-max는 다음과 같다.

또한 출력전압의 맥동 △Vo는 다음과 같다.

이와 같은 종래 기술에 의한 전류형 푸쉬-풀 DC/DC 컨버터에서는 승압을 위하여 각 스위칭 소자(S1, S2)의 턴 온 시간이 스위칭 소자(S1, S2)의 스위칭 주기의 50% 이상이 되어 동작하여야 하고, 소자의 기생저항성분에 의해 손실되는 듀티 비율 구간을 감안하면 전압 변환폭이 넓지 않다는 문제점이 있었다.

또한 턴 온 시간 듀티 비율이 커서 전력용 반도체 스위칭 소자(S1, S2)의 양단의 최대전압과 전류의 최대값이 높음에 따라 높은 정격의 스위칭 소자를 이용하여 구현해야 한다는 문제점이 있었다. 나아가 출력 전압의 변동 또한 매우 커서 큰 용량의 출력 커패시터를 사용해야 한다는 문제점이 있었다. 그리고 높은 전압, 전류 정격의 고주파 변압기를 사용해야 한다는 문제점이 있었다.

따라서 본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 전류형 푸쉬-풀 DC/DC 컨버터에서 스위칭 소자의 턴 온 시간 듀티 비율을 폭넓게 하여 가변되는 전압폭을 넓힐 수 있는 전류형 푸쉬-풀 DC/DC 컨버터를 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 전류형 푸쉬-풀 DC/DC 컨버터에 사용되는 스위칭 소자의 양단 최대전압과 전류의 최대값을 낮추어 낮은 정격의 스위칭 소자를 이용하여 구현 가능한 전류형 푸쉬-풀 DC/DC 컨버터를 제공하는 것이다.

또한 출력 전압의 변동폭을 제한하여 작은 용량의 출력 커패시터를 이용하여 구현 가능한 전류형 푸쉬-풀 DC/DC 컨버터를 제공하는 것이다.

나아가 낮은 정격의 변압기로 구현 가능한 전류형 푸쉬-풀 DC/DC 컨버터를 제공하는 것이다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징에 따르면, 본 발명은 제1변압기 및 제2변압기와; 직류 전압원과 상기 제1변압기 사이에 연결되는 제1인덕터 및 상기 직류 전압원과 상기 제2변압기 사이에 연결되는 제2인덕터와; 상기 제1인덕터에 연결되는 제1스위칭 소자 및 상기 제2인덕터에 연결되는 제2스위칭 소자와; 상기 제1변압기와 상기 제2변압기 사이에 일단이 연결되는 제3스위칭 소자와; 상기 제1변압기 및 상기 제2변압기의 2차 코일 측에 연결되는 복수의 다이오드 와; 출력 측에 구비되어 스위칭에 의하여 발생되는 출력 전압 맥동을 완충하는 커패시터; 그리고 상기 제1스위칭 소자, 제2스위칭 소자 및 제3스위칭 소자의 턴 온/오프를 제어하는 스위칭 제어부를 포함하여 구성된다.

여기서 상기 스위칭 제어부는, 상기 제1스위칭 소자와 상기 제2스위칭 소자를 서로 반주기 위상차를 갖고 동작하도록 제어하고, 상기 제1스위칭 소자와 상기 제2스위칭 소자의 턴 온 시간 듀티 비율을 50% 이상으로 조절하는 경우 상기 제1스위칭 소자와 상기 제2스위칭 소자 중 어느 하나가 턴 오프 된 시간 동안에 상기 제3스위칭 소자가 턴 온 되도록 제어할 수 있다.

또한 상기 스위칭 제어부는, 상기 제1스위칭 소자와 상기 제2스위칭 소자의 턴 온 시간 듀티 비율을 50% 미만으로 조절하는 경우 상기 제1스위칭 소자와 상기 제2스위칭 소자가 모두 턴 오프 된 시간 동안에 상기 제3스위칭 소자가 턴 온 되도록 제어할 수 있다.

이상에서 상세히 설명한 바와 같이 본 발명에 의한 전류형 푸쉬-풀 DC/DC 컨버터에 의하면 다음과 같은 효과를 기대할 수 있다.

즉, 전류형 푸쉬-풀 DC/DC 컨버터에서 스위칭 소자의 턴 온 시간 듀티 비율을 폭넓게 하여 가변되는 전압폭을 넓힐 수 있고, 그에 따라 변동폭이 큰 입력 전압을 안정적인 출력 전압으로 변환하는 것이 가능해진다는 이점이 있다.

또한 본 발명에 의한 전류형 푸쉬-풀 DC/DC 컨버터에 의하면, 컨버터에 사용되는 스위칭 소자의 양단 최대전압과 전류의 최대값을 낮추어 낮은 정격의 스위칭 소자를 이용하여 컨버터를 구현할 수 있다는 이점이 있다.

그리고 본 발명에 의한 전류형 푸쉬-풀 DC/DC 컨버터에 의하면, 출력 전압의 변동폭이 제한되어 작은 용량의 출력 커패시터를 이용하여 컨버터를 구현할 수 있다는 이점이 있다. 나아가 낮은 정격의 변압기로 컨버터의 구현이 가능하다는 이점이 있다.

이하에서는 상기한 바와 같은 본 발명에 의한 전류형 푸쉬-풀 DC/DC 컨버터의 구체적인 실시예를 첨부된 도면을 참고하여 상세하게 설명한다.

도 3은 본 발명의 실시예에 의한 전류형 푸쉬-풀 DC/DC 컨버터의 구성을 도시한 회로도이고, 도 4 및 도 5는 본 발명의 실시예에 의한 전류형 푸쉬-풀 DC/DC 컨버터의 동작 파형을 나타낸 그래프이다.

도 3에 도시된 바와 같이 본 발명의 실시예에 의한 전류형 푸쉬-풀 DC/DC 컨버터는, 두 개의 인덕터(L1, L2)와, 세 개의 스위칭 소자(S1, S2, S3), 자기적으로 분리된 독립된 2개의 변압기, 다이오드, 출력 커패시터(Co)로 구성된다.

두 개의 인덕터(L1, L2)는 입력 전압(Vi)을 갖는 입력 전원과 두 개의 변압기 중 제1변압기(도면의 상측에 도시된 변압기)의 1차 코일의 일측 사이에 연결되는 제1인덕터(L1)와, 입력 전원과 제2변압기(도면의 하측에 도시된 변압기)의 1차 코일의 타측 사이에 연결되는 제2인덕터(L2)를 포함한다.

그리고 세 개의 스위칭 소자(S1, S2, S3)는 상기 제1인덕터(L1)에 연결되는 제1스위칭 소자(S1)와 상기 제2인덕터(L2)에 연결되는 제2스위칭 소자(S2), 그리고 일단이 상기 두 개의 변압기 사이에 연결되는 제3스위칭 소자(S3)를 포함한다.

이와 같은 구성을 갖는 전류형 푸쉬-풀 DC/DC 컨버터의 각 부는 도 4와 도 5에 도시된 바와 같은 동작 파형을 갖는다.

여기서 도 4는 스위칭 소자(S1, S2)의 턴 온 듀티 비율이 50% 미만인 경우를 도시하고 있으며, 도 5는 스위칭 소자(S1, S2)의 턴 온 듀티 비율이 50% 이상인 경우를 도시하고 있다.

우선 듀티 비율이 50% 미만인 경우를 도 4를 참조하여 살펴보면, 각 인덕터(L1, L2)에 연결된 제1스위칭 소자(S1)와 제2스위칭 소자(S2)가 동시에 턴 오프되는 시간에 제3스위칭 소자(S3)를 턴 온 시킴으로써 각 인덕터(L1, L2)에 충전된 에너지를 방출할 수 있는 경로를 제공한다.

여기서 제1스위칭 소자(S1)과 제2스위칭 소자(S2)는 종래와 마찬가지로 서로 반주기 위상차로 동작하되 각 스위칭 소자의 턴 온 듀티 비율(D)은 50% 미만이 된다.

한편 도 5에 도시된 바와 같이 스위칭 소자의 턴 온 듀티 비율이 50% 이상인 경우에는, 제1스위칭 소자(S1)와 제2스위칭 소자(S2) 중 어느 하나가 턴 오프되는 시간에 제3스위칭 소자(S3)를 턴 온 시킴으로서 각 인덕터(L1, L2) 전류의 방전 경로를 형성함으로써, 인덕터 충전전류와 방전전류가 상충되어 스위칭 소자(S1, S2)에 흐르는 전류의 최대값이 커지는 단점이 보완된다.

이와 같은 본 발명의 실시예에 의한 전류형 푸쉬-풀 DC/DC 컨버터에서 출력 전압 Vo는 다음과 같다.

여기서 D는 스위칭 소자(S1, S2)의 턴 온 시간 듀티 비율이고, Vi는 입력 전원의 전압, Np는 변압기의 1차 코일 권선수, Ns는 변압기의 2차 코일 권선수이다.

위의 수학식 4를 배경기술의 수학식 1과 비교하면, 본 발명의 실시예에 의한 전류형 푸쉬-풀 DC/DC 컨버터의 출력 전압의 폭이 종래기술에 의한 전류형 푸쉬-풀 DC/DC 컨버터의 출력 전압 폭보다 2배 넓음을 확인할 수 있다. 즉 스위칭 소자의 턴 온 시간의 듀티 비율의 제한이 없어 보다 넓은 입력 전압의 변동에 대비하여 안정적인 출력전압을 얻을 수 있다. 따라서 연료전지나 태양광 시스템과 같이 입력 전압의 변동이 큰 시스템 내에서 안정적으로 사용 가능하다.

또한 이와 같은 본 발명의 실시예에 의한 전류형 푸쉬-풀 DC/DC 컨버터에 의하면 듀티 비율의 제한이 없어 스위칭 소자의 양단 전압을 종래 대비 50% 감소시킬 수 있으며, 각 스위칭 소자의 최대 전류값도 종래대비 50%로 감소시킬 수 있어 낮은 전압, 전류 정격의 스위칭 소자로 전류형 푸쉬-풀 DC/DC 컨버터의 구현이 가능해짐을 알 수 있다. 또한 출력 전압의 변동분도 종래와 대비하여 감소되므로 적은 출력 커패시터를 사용하여 전류형 푸쉬-풀 DC/DC 컨버터를 구현할 수 있고, 고주파 변압기의 전압-전류 비율도 낮아져 고주파 변압기 제작시 부피를 감소시킬 수 있다.

본 발명의 권리는 위에서 설명된 실시예에 한정되지 않고 청구범위에 기재된 바에 의해 정의되며, 본 발명의 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 청구범위에 기재된 권리범위 내에서 다양한 변형과 개작을 할 수 있다는 것은 자명하다.

도 1은 종래기술에 의한 전류형 푸쉬-풀 DC/DC 컨버터의 구성을 도시한 회로도.

도 2는 종래기술에 의한 전류형 푸쉬-풀 DC/DC 컨버터의 동작 파형을 나타낸 그래프.

도 3은 본 발명의 실시예에 의한 전류형 푸쉬-풀 DC/DC 컨버터의 구성을 도시한 회로도.

도 4 및 도 5는 본 발명의 실시예에 의한 전류형 푸쉬-풀 DC/DC 컨버터의 동작 파형을 나타낸 그래프.

Claims (3)

1. 제1변압기 및 제2변압기와;

   직류 전압원과 상기 제1변압기 사이에 연결되는 제1인덕터 및 상기 직류 전압원과 상기 제2변압기 사이에 연결되는 제2인덕터와;

   상기 제1인덕터에 연결되는 제1스위칭 소자 및 상기 제2인덕터에 연결되는 제2스위칭 소자와;

   상기 제1변압기와 상기 제2변압기 사이에 일단이 연결되는 제3스위칭 소자와;

   상기 제1변압기 및 상기 제2변압기의 2차 코일 측에 연결되는 복수의 다이오드와;

   출력 측에 구비되어 스위칭에 의하여 발생되는 출력 전압 맥동을 완충하는 커패시터; 그리고

   상기 제1스위칭 소자, 제2스위칭 소자 및 제3스위칭 소자의 턴 온/오프를 제어하는 스위칭 제어부를 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 전류형 푸쉬-풀 DC/DC 컨버터.
2. 제1항에 있어서,

   상기 스위칭 제어부는,

   상기 제1스위칭 소자와 상기 제2스위칭 소자를 서로 반주기 위상차를 갖고 동작하도록 제어하고, 상기 제1스위칭 소자와 상기 제2스위칭 소자의 턴 온 시간 듀티 비율을 50% 이상으로 조절하는 경우 상기 제1스위칭 소자와 상기 제2스위칭 소자 중 어느 하나가 턴 오프 된 시간 동안에 상기 제3스위칭 소자가 턴 온 되도록 제어함을 특징으로 하는 전류형 푸쉬-풀 DC/DC 컨버터.
3. 제2항에 있어서,

   상기 스위칭 제어부는,

   상기 제1스위칭 소자와 상기 제2스위칭 소자의 턴 온 시간 듀티 비율을 50% 미만으로 조절하는 경우 상기 제1스위칭 소자와 상기 제2스위칭 소자가 모두 턴 오프 된 시간 동안에 상기 제3스위칭 소자가 턴 온 되도록 제어함을 특징으로 하는 전류형 푸쉬-풀 DC/DC 컨버터.

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