KR101220880B1 - 영 전류 스위칭 방식의 ｄｃ／ｄｃ 컨버터 - Google Patents

영 전류 스위칭 방식의 ｄｃ／ｄｃ 컨버터 Download PDF

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Abstract

본 발명은 비용을 절감하면서, 스위칭 손실을 줄일 수 있는 고효율의 영 전류 스위칭 방식의 DC/DC 컨버터에 관한 것이다.
본 발명에 의한 영 전류 스위칭 방식의 DC-DC 컨버터는 DC 입력전압을 인가하는 전압원 및 전압원에서 인가되는 DC 전압을 영전류 스위칭 제어하는 스위치 소자를 포함하는 DC 전압 입력부; 코일 및 코일의 누설 인덕턴스 성분과 공진하는 제 1 커패시터를 포함하는 고주파 변압부; 코일에 연결되어 상기 고주파 변압부의 전압을 출력하는 DC 전압 출력부;를 구비한다.

Description

영 전류 스위칭 방식의 ＤＣ／ＤＣ 컨버터{ZCS DC-DC Converter}
본 발명은 DC/DC 컨버터에 관한 것으로, 특히 효율을 높이고 크기를 줄일 수 있는 영 전류 스위칭 방식의 DC/DC 컨버터에 관한 것이다.
현대의 전원장치에서는 전력용 반도체 소자의 고속화와 고밀도화에 의해서 고출력 고주파 스위칭 레귤레이터가 극소화되는 추세에 있다. 그리고 고효율의 안정된 전원을 요구함에 따라서 고효율 DC/DC 컨버터의 중요성이 더욱 커지고 있다. DC/DC 컨버터의 효율을 높이기 위해서는 다수의 소자들이 필요하고, 이에 따라서 컨버터 제작 비용의 상승이 야기된다.
본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점 및 기술 개발의 필요성을 해결하기 위해 안출된 것으로, 제작 비용을 줄일 수 있는 고효율 컨버터를 제공하는 데에 그 목적이 있다.
상기의 목적을 달성하기 위해서 본 발명에 의한 영 전류 스위칭 방식의 DC-DC 컨버터는 DC 입력전압을 인가하는 전압원 및 전압원에서 인가되는 DC 전압을 영전류 스위칭 제어하는 스위치 소자를 포함하는 DC 전압 입력부; 코일 및 코일의 누설 인덕턴스 성분과 공진하는 제 1 커패시터를 포함하는 고주파 변압부; 코일에 연결되어 상기 고주파 변압부의 전압을 출력하는 DC 전압 출력부;를 구비한다.
코일의 누설 인덕턴스 성분은 커패시터와 공진하여 영 전류 스위칭용의 인덕터로 사용된다.
DC 전압 출력부는 LC 필터를 더 포함할 수 있다.
DC 전압 입력부는 전압원과 코일에 각각 직렬로 연결되는 저항 및 다른 커패시터를 더 구비하고, 저항 및 다른 커패시터는 각각 병렬로 연결될 수 있다.
저항 및 다른 커패시터와 코일 사이에는 제 1 정류 소자가 더 형성될 수 있다.
커패시터는 스위치의 턴-온시 코일의 누설 인덕턴스와 공진을 하는 것을 특징으로 하는 영 전류 스위칭 방식의 DC-DC 컨버터.
상술한 바와 같이 본 발명에 의한 영 전류 스위칭 방식의 DC/DC 컨버터에 의하면 공진을 위한 별도의 리엑터를 요구하지 않기 때문에 컨버터 제작 비용을 줄일 수 있다. 또한, 본 발명에 의한 영 전류 스위칭 방식의 DC/DC 컨버터에 의하면 영 전류 스위칭 방식을 이용함으로써 스위칭 손실을 줄여서 고효율의 컨번터를 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명에 의한 영 전류 스위칭 방식의 DC/DC 컨버터를 나타내는 회로도.
도 2는 도 1에 도시된 회로도의 등가회로도.
도 3은 도 1에 도시된 회로도의 시뮬레시션 회로도.
도 4는 본 발명에 의한 영 전류 스위칭 방식의 DC/DC 컨버터의 동 특성을 분석하기 위한 파형도.
도 5는 본 발명에 의한 영 전류 스위칭 방식의 DC/DC 컨버터의 영 전류 스위칭을 조사하기 위한 파형도.
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, 본 발명에 따른 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 구체적으로 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명에 의한 영 전류 스위칭 방식의 DC-DC 컨버터를 나타내는 회로도이다. 도 2는 도 1에 도시된 영 전류 스위칭 방식의 DC-DC 컨버터의 등가회로도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명에 의한 영 전류 스위칭 방식의 DC-DC 컨버터는 스위치 소자(110)를 포함하는 DC 전압 입력부(100), 코일(120)과 코일(120)의 누설 인덕턴스와 공진하는 제 1 커패시터(134)를 포함하는 고주파 변압부(200) 및 DC 전압 출력부(300)를 구비한다.
DC 전압 입력부(100)는 전압원(114) 및 스위치 소자(110)를 포함할 수 있다. 전압원(114)은 DC 전압을 인가하는 전압원이다. 그리고 스위치 소자(110)는 전압원(114)으로부터 코일(120)에 유기전류를 인가하기 위한 공진용 스위치 소자(110)이다. 즉, 스위치 소자(110)는 턴-온 동작에 의해서 코일(120)의 누설 인덕턴스 성분과 제 1 커패시터(134)는 공진한다. 그리고, DC 전압 입력부(100)는 전압원(114)과 코일(120)에 각각 직렬로 연결되는 저항(124) 및 제 2 커패시터(122)를 더 구비할 수 있다. 제 1 저항(124) 및 제 2 커패시터(122)는 각각 병렬로 연결될 수 있다. 제 1 저항(124) 및 제 2 커패시터(122)는 초기구동시 코일의 과도전류를 회생키기기 위한 것이다.
제 3 캐패시터(112)는 전압원(114)과 병렬로 접속되어, 노이즈나 맥류 또는 출력 직류 전원의 불안정등으로부터 회로를 보호한다.
고주파 변압부(200)는 코일(120) 및 코일(120)의 누설 인덕턴스 성분과 LC 공진을 하는 제 1 커패시터(134)를 포함할 수 있다. 즉, 본 발명에 의한 영 전류 스위칭 방식의 DC-DC 컨버터는 공진을 위한 별도의 인덕터(L)를 필요로 하지 않는다.
그리고, 고주파 변압부(200)의 LC 공진은 코일(120)의 공진 리액터와 제 1 커패시터(134)의 용량에 따라서 공진 주파수가 변화한다. 이때 스위칭 주파수가 정해지고 이에 따른 공진주파수가 정해지면 그에 따른 공진 리액터와 공진 커패시터인 제 1 커패시터(134)의 용량을 결정할 수 있다. 그리고 공진 리액터는 별도의 추가적인 구성이 없이 코일(120)의 누설 리액턴스를 사용하고, 이는 공진 주파수 및 공진을 위한 리액턴스 값에 따라서 누설 리액턴스를 갖는 코일(120)을 설정할 수 있다.
DC 전압 출력부(300)는 코일(120)에 연결되며, LC 필터를 포함할 수 있다.
이와 같이, 본 발명에 의한 영 전류 스위칭 방식의 DC-DC 컨버터는 종래의 L-C 공진을 위한 추가적인 인덕터(L)를 필요로 하지 않는다. 다시 말해서 도 2의 누설 인덕턴스(La) 성분과 코일(120)의 2차측의 제 1 커패시터(134)를 이용하여 직렬 L-C 공진하여 스위치 소자(110)의 온-오프(on-off) 동작시 스위칭 손실을 줄일 수 있다.
이때 누설 인덕턴스 성분(La)과 2차측의 제 1 커패시터 성분 CS1을 변압기 1차측으로 환원한 등가회로로 고주파 변압기가 이상적이라고 가정하면 아래의 수학식으로 정의될 수 있다.
[수학식 1]
Cs = Cs1
[수학식 2]
Vs = VCs1
그리고 [수학식 1] 및 [수학식 2]의 등가화 된 회로의 전압, 전류식은 다음과 같이 표현될 수 있다.
[수학식 3]
Figure 112011000883173-pat00001
[수학식 4]
Figure 112011000883173-pat00002
이때, 초기조건은 T0 : on time 이고, iL(T0)=0 이며, Vs(T0)=VS0 이다
그리고, 누설 인덕턴스 La는 스위치가 턴-온 되면 Cs와 함께 공진을 시작한다. 상술한 [수학식 3] 및 [수학식 4]와 같으 초기조건으로 공진시 누설 인덕턴스 전류는 다음의 [수학식 5]로 나타낼 수 있다.
[수학식 5]
Figure 112011000883173-pat00003
단,
Figure 112011000883173-pat00004
이고,
Figure 112011000883173-pat00005
이다.
도 3은 도 1 및 도 2에 도시된 영 전류 스위칭 방식의 DC-DC 컨버터의 특성을 살펴보기 위해서 PSIM을 이용한 시뮬레이션 회로도이다. 이때 시뮬레이션에서 스위칭 주파수는 40[kHz], 입력전압12[V], 출력전압은 250[V] 그리고, 출려전력은 3[kW]로 설정하였다.
그리고 도 4는 본 발명에 의한 영 전류 스위칭 방식의 DC-DC 컨버터의 동 트성을 분석하기 위한 파형도들이다.
도 4를 참조하면, 초기 기동시에 에너지 회수용 콘덴서에 큰 과도전류가 흐르지만 정상상태에서는 '0'이 됨을 알 수 있다. 그리고 이러한 과도전류는 제어기의 시정수를 높이는 방법으로 줄일 수 있다. 또한, 출력전압은 2m[sec]안에 정상상태로 되는 것을 알 수 있다.
도 5는 본 발명에 의한 영 전류 스위칭 방식의 DC-DC 컨버터에서 영 전류 스위칭을 조사하기 위한 파형을 나타내는 도면이다.
도 5를 참조하면, 스위치 신호인 Q1의 온-오프(on-off) 동작시에 스위치 전류 Itr이 '0'이 되는 것을 알 수 있다. 즉, 시뮬레이션의 결과에서와 같이 누설 인덕턴스와 2차측 커패시터의 공진에 의해서 스위치 온-오프 시에 영 전류 스위칭의 형태가 나타나는 것을 알 수 있다.
본 발명은 이상에서 살펴본 바와 같이 바람직한 실시 예를 들어 설명하였으나, 상기한 실시 예에 한정되지 아니하며 본 발명의 요지를 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변경과 수정이 가능할 것이다.

Claims (6)

  1. DC 입력전압을 인가하는 전압원 및 상기 전압원에서 인가되는 DC 전압을 영전류 스위칭 제어하는 스위치 소자를 포함하는 DC 전압 입력부;
    코일 및 상기 코일의 누설 인덕턴스 성분과 공진하는 제 1 커패시터를 포함하는 고주파 변압부;
    상기 코일에 연결되어 상기 고주파 변압부의 전압을 출력하는 DC 전압 출력부;를 포함하고,
    상기 제 1 커패시터는 상기 코일 중 출력 측 코일과 서로 병렬로 연결되고, 상기 출력 측 코일과 상기 제1 커패시터 사이에는 정류 소자가 연결되며,
    상기 제 1 커패시터는 상기 스위치의 턴-온시 상기 코일의 누설 인덕턴스와 공진하고,
    상기 출력 측 코일의 전류는 공진 동작시 상기 정류 소자에 의해 한 방향으로 흘러 불연속이 되고,
    상기 스위치 소자는 상기 코일에 전류가 '0'일 때 스위칭되어 영 전류 스위칭동작을 하는 것을 특징으로 하는 영 전류 스위칭 방식의 DC-DC 컨버터.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 DC 전압 출력부는 LC 필터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 영 전류 스위칭 방식의 DC-DC 컨버터.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 DC 전압 입력부는
    상기 코일의 입력단 양 단에 각각 병렬로 연결되는 저항 및 커패시터를 더 구비하고, 상기 저항 및 코일이 연결되는 제 1 노드는 상기 전압원과 연결되는 것을 특징으로 하는 영 전류 스위칭 방식의 DC-DC 컨버터.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 저항 및 상기 커패시터가 연결되는 제 2 노드와 상기 고주파 변압부의 일단 사이에는 제 1 정류 소자가 더 형성되는 것을 특징으로 하는 영 전류 스위칭 방식의 DC-DC 컨버터.
  6. 삭제
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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US4785387A (en) * 1986-04-28 1988-11-15 Virginia Tech Intellectual Properties, Inc. Resonant converters with secondary-side resonance
US20030147264A1 (en) * 2002-02-01 2003-08-07 Masahito Jinno Circuit configuration combining synchronous rectifier circuit for converter with LC snubber circuit

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