KR101137494B1 - 입력 전류-더블러 및 출력 전압-더블러를 갖는 양방향 충방전기 회로 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 양방향 충방전기 회로에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 변압기의 일차측에는 전류-더블러 회로를 구성하고 이차측에는 전압-더블러 회로를 사용한 양방향 충방전기 회로에 관한 것이다.
본 발명에 따른 입력 전류-더블러 및 출력 전압-더블러를 갖는 양방향 충방전기 회로는, 변압기와, 상기 변압기의 일차측에 형성되며, 제1 및 제2 입력인덕터와, 병렬 스위칭되는 제1 및 제2 다이오드를 각각 갖는 제1 및 제2 트랜지스터로 이루어지는 전류-더블러 회로와, 상기 변압기 이차측에 형성되며, 상기 변압기의 누설인덕턴스와 콘덴서로 이루어지는 직렬공진 회로와, 병렬 스위칭되는 제3 및 제4 다이오드를 각각 갖는 제3 및 제4 트랜지스터로 구성되는 전압-더블러 회로를 포함하여 이루어진다.

Description

입력 전류-더블러 및 출력 전압-더블러를 갖는 양방향 충방전기 회로 {Bidirectional charger/discharger with input-current doubler and output-voltage doubler}
본 발명은 양방향 충방전기 회로에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 변압기의 일차측에는 전류-더블러 회로를 구성하고 이차측에는 전압-더블러 회로를 사용한 양방향 충방전기 회로에 관한 것이다.
도 1은 종래의 양방향 충방전기 회로를 도시한 것이다.
도시된 바와 같이, 종래의 양방향 충방전기 회로는 저전압측인 일차측과 고전압측인 이차측에 하프-브리지 회로가 사용된 듀얼 하프-브리지 (Dual Half-bridge) 양방향 충방전기 회로가 사용되었다.
이 회로는 일차측에 인덕터 (L dc )가 있고 각각의 하프-브리지 회로가 변압기 (Ｔ)로 연결된 회로이다.
변압기는 전기적 절연과 전압 매칭을 위하여 사용되고, 변압기의 누설인덕턴스 성분은 일차측과 이차측 사이에서 에너지를 전달하는데 활용된다.
여기서 변압기의 일차측 권선수는 N 1 이고 변압기의 이차측 권선수는 N 2 이다. 일차측과 이차측 각각의 하프-브리지 컨버터는 구형파의 전압을 발생시키고 전력이 전달되는 방향은 두 구형파 전압의 위상변이 (phase shift)에 의해 결정된다.
일차측의 위상이 이차측보다 앞설 때 전류가 일차측에서 이차측으로 흐르고 배터리는 방전된다. 반대로 이차측의 위상이 일차측보다 앞설 때 전류가 이차측에서 일차측으로 흐르고 배터리는 충전된다.
이러한 하프-브리지 양방향 충방전기 회로는 별도의 스위칭소자의 추가 없이 영전압스위칭 (Zero voltage switching)이 가능하고, 소자수가 적기 때문에 제어가 쉽고 비용이 절감되고, 또한 일차측 전류의 리플 (ripple)이 작고 일차측의 전류스트레스 (current stress)가 작은 장점을 가지나, 일차측의 전압이 작고 전류가 크기 때문에 소프트스위칭의 효과가 작고, 변압기의 일차측과 이차측의 전압차가 크기 때문에 높은 권선비의 변압기가 필요하다. 이로 인하여 누설인덕턴스가 크고 전력손실이 크다는 문제점을 가지고 있다.
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 전류-더블러(Current-doubler) 회로로 변압기 일차측 전류를 반으로 낮추어 도통 손실을 감소시키고, 전압-더블러(Voltage-doubler) 회로로 변압기 이차측의 다이오드 역회복 손실을 줄이는 데 그 목적이 있다.
상술한 과제를 해결하기 위한 본 발명에 따른 입력 전류-더블러 및 출력 전압-더블러를 갖는 양방향 충방전기 회로는, 변압기와, 상기 변압기의 일차측에 형성되며, 제1 및 제2 입력인덕터와, 병렬 스위칭되는 제1 및 제2 다이오드를 각각 갖는 제1 및 제2 트랜지스터로 이루어지는 전류-더블러 회로와, 상기 변압기 이차측에 형성되며, 상기 변압기의 누설인덕턴스와 콘덴서로 이루어지는 직렬공진 회로와, 병렬 스위칭되는 제3 및 제4 다이오드를 각각 갖는 제3 및 제4 트랜지스터로 구성되는 전압-더블러 회로를 포함하여 이루어진다.
여기서, 상기 제1 및 제2 입력인덕터의 일단은 입력전원전압측에 각각 연결되고, 타단은 상기 변압기 일차측의 일단과 상기 변압기 일차측의 타단에 각각 연결되며, 상기 제1 및 제2 트랜지스터의 일단은 입력접지전원측에 각각 연결되고 타단은 상기 제1 및 제2 입력인덕터에 각각 연결되도록 구현될 수 있다.
여기서, 상기 누설인덕턴스는 상기 변압기 이차측의 일단과 출력전원전압측에 연결되고, 상기 콘덴서는 상기 변압기 이차측의 타단과 상기 제3 트랜지스터와 제4 트랜지스터가 연결되는 노드에 연결되며, 상기 제3 트랜지스터 일단은 출력전원전압측에 연결되고 타단은 상기 제4 트랜지스터와 연결되고, 상기 제4 트랜지스터 일단은 상기 제3 트랜지스터와 연결되고 타단은 출력접지전원측에 연결되도록 구현될 수 있다.
상술한 본 발명의 구성에 따르면, 전류-더블러 회로를 결합한 전류원 회로를 이용하여 변압기 일차측인 저전압측 전류를 반으로 나누어 전류부담을 줄이고 이차측인 고전압측은 전압-더블러 회로를 결합하여 다이오드의 역회복 손실을 줄일 수 있게 된다.
도 1은 종래의 양방향 충방전기 회로를 도시한 것이다.
도 2는 본 발명에 따른 입력 전류-더블러 및 출력 전압-더블러를 갖는 양방향 충방전기 회로를 도시한 것이다.
도 3은 본 발명에 따른 입력 전류-더블러 및 출력 전압-더블러를 갖는 양방향 충방전기 회로의 승압모드에서 주요부의 동작을 나타내는 파형도를 도시한 것이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 입력 전류-더블러 및 출력 전압-더블러를 갖는 양방향 충방전기 회로에 대해 살펴본다.
도 2는 본 발명에 따른 입력 전류-더블러 및 출력 전압-더블러를 갖는 양방향 충방전기 회로를 도시한 것이다.
본 발명에 따른 양방향 충방전기 회로는 일차측인 저전압측과 이차측인 고전압측이 변압기(220)로 연결된다.
일차측인 저전압측은 전류-더블러 회로부(210)로 구성되며, 전류-더블러 회로부(210)는 입력전원전압(V in + )과 변압기(220) 일차측의 일단 사이에 제1 인덕터(L 1 )가 연결되고, 입력전원전압(V in + )과 변압기(220) 일차측의 타단 사이에 제2 인덕터(L 2 )가 연결되며, 변압기(220) 일차측의 일단과 입력접지전원(V in - ) 사이에는 제1 다이오드(D S1 )를 포함하는 제1 트랜지스터(S 1 )가 연결되고, 변압기(220) 이차측의 타단과 입력접지전원(V in - ) 사이에는 제2 다이오드(D S2 )를 포함하는 제2 트랜지스터(S 2 )가 연결된다.
이차측인 고전압측은 전압-더블러 회로부(230)으로 구성되며, 전압-더블러 회로부(230)는 변압기(220) 이차측의 일단과 출력전원전압(V out + )에 누설인덕터(L lk )가 연결되어 이차측의 타단과 노드(Nd 1 )에 콘덴서(C r )가 연결되어 직렬 공진회로부(240)를 구성하고, 출력전원전압(V out + )와 노드(Nd 1 ) 사이에는 제3 다이오드(D S3 )를 포함하는 제3 트랜지스터(S 3 )가 연결되며, 노드(Nd 1 )와 출력접지전압(V out - ) 사이에는 제4 다이오드(D S4 )를 포함하는 제4 트랜지스터(S 4 )가 연결된다. 제1 내지 제4 트랜지스터(S1 내지 S4)는 제1 내지 제4 스위치(S1 내지 S4)로 표현될 수 있다.
양방향 충방전기 회로는 변압기(220)와, 변압기(220)의 일차측에 제1 및 제2 입력 인덕터 (L 1 , L 2 )와 제1 및 제2 스위치 (S 1 , S 2 )로 이루어지는 전류-더블러 회로(210)와, 변압기(220)의 이차측에 변압기의 누설인덕턴스(L lk )와 콘덴서(C r )로 이루어지는 직렬공진 회로(240) 및 제3 및 제4 스위치(S 3 , S 4 )로 구성된 전압-더블러 회로(230)를 포함하여 이루어진다. 적절한 비로 권선된 변압기를 통해 일차측과 이차측은 전기적으로 절연되어 있다.
전류가 변압기(220)의 일차측에서 이차측으로 흐를 때 회로는 승압모드로 동작되며 배터리는 방전된다.
이때 출력측인 변압기(220) 이차측의 제3 및 제4 스위치(S 3 , S 4 )는 소거되어 출력 다이오드로 동작한다.
따라서 승압모드일 때, 이차측은 변압기의 누설인덕턴스 (L lk )와 콘덴서 (C r )로 이루어지는 직렬공진 회로(240) 및 제3 및 제4 스위치(S 3 , S 4 )와 각각 병렬 연결된 제3 및 제4 다이오드 (D S3 , D S4 )로 구성된 전압-더블러 회로(230)가 된다. 이러한 승압모드에서 출력전압을 피드백시켜 제1 및 제2 스위치(S 1 , S 2 )의 시비율을 조절함으로써 출력전압이 조절될 수 있다.
도 3은 본 발명에 따른 입력 전류-더블러 및 출력 전압-더블러를 갖는 양방향 충방전기 회로의 승압모드에서 주요부의 동작을 나타내는 파형도를 도시한 것이다.
제1 및 제2 스위치(S 1 , S 2 )는 서로 동일한 0.5 이상의 시비율을 가지며 반 주기만큼의 위상차를 갖는다. S 1 , S 2 는 두 개의 스위치의 구동신호를 나타낸다.
제1 및 제2 스위치(S 1 , S 2 )가 동시에 도통하는 동안에는 제1 및 제2 입력 인덕터(L 1 , L 2 )에 에너지가 충전되며, 인덕터 전류(i L1 )는 제1 스위치(S 1 )에 흐르며 인덕터 전류(i L2 )는 제2 스위치(S 2 )에 각각 흐르게 되고, 이때에는 변압기(220)의 일차측에서 이차측으로 에너지가 전달되지 않는다.
제1 및 제2 스위치(S 1 , S 2 ) 중에 하나만 도통하고 나머지 하나는 소거되는 구간에서는 변압기의 누설인덕턴스(L lk )와 콘덴서(C r )는 서로 직렬공진하면서 변압기(220)의 이차측으로 에너지가 전달된다.
직렬공진의 공진주파수는 누설인덕턴스(L lk )와 콘덴서(C r )로써 결정되며, 입력인덕터의 전류(i L1 , i L2 )는 스위칭 주파수에 해당하는 주파수의 리플 전류를 가지나 제1 및 제2 입력 인덕터 전류가 합성되는 입력전류(i L1 + i L2 )는 각각의 입력인덕터의 전류 (i L1 , i L2 ) 보다 2배의 스위칭 주파수를 가지며 전류 리플도 반으로 줄어든다.
변압기(220) 이차측의 전류(i S3 , i S4 )는 스위치가 소거되기 전 직렬공진에 의해 낮은 전류에 도달하며(공진 주파수가 높을 경우 영전류가 될 수 있음) 이는 출력다이오드의 역회복 손실이 줄어들거나 제거될 수 있음을 보여준다.
다만, 누설인덕턴스(L lk )가 증가할수록 출력 다이오드의 역회복 현상에 의한 손실을 감소시킬 수 있으나 누설인덕턴스(L lk )의 증가는 콘덴서(C r )의 값과 공진주기를 증가시켜 도통 손실을 증가시키게 되므로 누설인덕턴스(L lk )의 값은 트래이드-오프(Trade-off)에 의해 결정되는 것이 바람직할 것이다.
전류-더블러 회로(210)에서 제1 및 제2 입력인덕터(L 1 , L 2 )는 하나의 인덕터로 서로 결합된 결합인덕터로 구현될 수 있으며, 변압기(220)의 누설인덕턴스(L lk )는 외부에 추가로 인덕터를 사용하여 공진 인덕턴스로 사용될 수 있다.
이러한 본 발명의 입력 전류-더블러 및 출력 전압-더블러를 갖는 양방향 충방전기 회로는 이차측에 직렬공진 회로로 구성된 전압-더블러 회로(230)를 사용하여 이차측의 다이오드의 역회복 손실을 줄여 전력변환효율이 높으며 스위치의 전압스트레스는 종래의 듀얼 하프-브리지 양방향 충방전기 회로보다 작다.
일차측의 전류-더블러 회로(210)는 변압기의 일차측 전류를 반으로 나누어 도통 손실을 감소시키며, 이는 작은 전류로 큰 전류를 제어하는 것을 가능하게 하여 일차측에서 고전류를 제어하는데 높은 효율을 얻을 수 있다.
또한 높은 권선비의 변압기 없이도 높은 전압 변환 비를 얻을 수 있어서 변압기의 누설인덕턴스가 작고 손실을 줄일 수 있다.
이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하였지만, 상술한 본 발명의 기술적 구성은 본 발명이 속하는 기술 분야의 당업자가 본 발명의 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해되어야 하고, 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
210 : 전류-더블러 회로 220 : 변압기
230 : 전압-더블러 회로 240 : 직렬 공진회로

Claims (3)

  1. 변압기와,
    상기 변압기의 일차측에 형성되며, 제1 및 제2 입력인덕터와, 병렬 스위칭되는 제1 및 제2 다이오드를 각각 갖는 제1 및 제2 트랜지스터로 이루어지는 전류-더블러 회로와,
    상기 변압기 이차측에 형성되며, 상기 변압기의 누설인덕턴스와 콘덴서로 이루어지는 직렬공진 회로와, 병렬 스위칭되는 제3 및 제4 다이오드를 각각 갖는 제3 및 제4 트랜지스터로 구성되는 전압-더블러 회로를 포함하고,
    상기 제1 및 제2 입력인덕터의 일단은 입력전원전압측에 각각 연결되고, 타단은 상기 변압기 일차측의 일단과 상기 변압기 일차측의 타단에 각각 연결되며,
    상기 제1 및 제2 트랜지스터의 일단은 입력접지전원측에 각각 연결되고 타단은 상기 제1 및 제2 입력인덕터에 각각 연결되고,
    상기 누설인덕턴스는 상기 변압기 이차측의 일단과 출력전원전압측에 연결되고, 상기 콘덴서는 상기 변압기 이차측의 타단과 상기 제3 트랜지스터와 제4 트랜지스터가 연결되는 노드에 연결되며,
    상기 제3 트랜지스터 일단은 출력전원전압측에 연결되고 타단은 상기 제4 트랜지스터와 연결되고, 상기 제4 트랜지스터 일단은 상기 제3 트랜지스터와 연결되고 타단은 출력접지전원측에 연결되는, 입력 전류-더블러 및 출력 전압-더블러를 갖는 양방향 충방전기 회로.
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