KR101293220B1 - An isolated boost converter using coupled inductor - Google Patents

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KR101293220B1
KR101293220B1 KR1020120033507A KR20120033507A KR101293220B1 KR 101293220 B1 KR101293220 B1 KR 101293220B1 KR 1020120033507 A KR1020120033507 A KR 1020120033507A KR 20120033507 A KR20120033507 A KR 20120033507A KR 101293220 B1 KR101293220 B1 KR 101293220B1
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inductor
transformer
primary
energy
switching circuit
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KR1020120033507A
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차헌녕
최병조
최영호
김수한
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경북대학교 산학협력단
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Abstract

PURPOSE: An isolated boost converter using a coupled inductor is provided to considerably reduce the size of a main power stage by delivering divided energy through a coupled inductor and a transformer to an output stage. CONSTITUTION: A switching circuit (200) is connected to an inductor of a primary side. A transformer (300) includes a first coil and a second coil. The first and second coils receive current input from the switching circuit, A doubler circuit (400) is connected to the secondary coil of the transformer. The doubler circuit is connected to an inductor of the secondary side.

Description

결합인덕터를 이용한 절연형 부스트 컨버터{An Isolated Boost Converter Using Coupled Inductor}Isolated Boost Converter Using Coupled Inductor

본 발명은 절연형 부스트 컨버터에 관한 것이다.
The present invention relates to an isolated boost converter.

입력전압보다 출력전압이 높은 특성을 갖는 부스트 컨버터에서는 시비율이 높아질수록 출력측으로 에너지가 넘어가지 않고, 입력측에서만 전류가 흐르는 시간이 길어지게 된다. 입력측에서만 전류가 흐르게 되면, 인덕터의 권선저항 등에 따라 불필요한 손실이 발생할 수 있기 때문에 입력측에서만 전류가 흐르는 시간을 최소화하는, 즉 시비율을 낮게 하는 것이 부스트 컨버터의 전체 효율에 있어서 유리하다.
In a boost converter having a higher output voltage than the input voltage, as the ratio increases, energy does not flow to the output side, and a current flows only on the input side. If the current flows only at the input side, unnecessary loss may occur depending on the winding resistance of the inductor. Therefore, it is advantageous in terms of the overall efficiency of the boost converter to minimize the time that the current flows only at the input side, that is, lower the ratio.

본 발명은 기존의 절연형 부스트 컨버터에 비해 상대적으로 낮은 시비율로 높은 입출력 전압이득을 얻고 불필요한 에너지 손실을 줄일 수 있도록 개선하고, 기존의 절연형 부스트 컨버터에서 변압기를 통해서만 입력측의 에너지가 출력측으로 넘어가는 단점을 개선하기 위해서 개발되었다.
The present invention is improved to obtain a high input and output voltage gain and reduce unnecessary energy loss at a relatively low ratio compared to the conventional isolated boost converter, the energy of the input side is passed to the output side only through the transformer in the conventional isolated boost converter. Was developed to improve the shortcomings.

상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 측면에 따른 부스트 컨버터는 전원에 연결된 1차측 인덕터; 상기 1차측 인덕터로부터 출력되는 전류를 선택적으로 스위칭하기 위해 상기 1차측 인덕터에 연결된 스위칭 회로; 1차 코일 및 2차 코일을 포함하는 변압기; 상기 변압기 2차 코일과 연결된 2차측 인덕터; 를 포함하고, 상기 1차측 인덕터와 상기 2차측 인덕터는 동작적으로 결합된 결합 인덕터인 것을 특징으로 하는 부스트 컨버터일 수 있다.According to an aspect of the present invention, a boost converter includes a primary side inductor connected to a power supply; A switching circuit coupled to the primary inductor for selectively switching the current output from the primary inductor; A transformer comprising a primary coil and a secondary coil; A secondary inductor connected to the transformer secondary coil; The primary side inductor and the secondary side inductor may be a boost converter, characterized in that the coupling inductor operatively coupled.

다른 실시 예로, 전원에 연결된 1차측 인덕터; 상기 1차측 인덕터로부터 출력되는 전류를 선택적으로 스위칭하기 위해 상기 1차측 인덕터에 연결된 스위칭 회로; 1차 코일 및 2차 코일을 포함하는 변압기; 상기 변압기 2차 코일과 연결되고 2차측 인덕터를 포함한 전압 더블러 회로; 를 포함하고, 상기 1차측 인덕터와 상기 2차측 인덕터는 동작적으로 결합된 결합 인덕터인 것을 특징으로 하는 부스트 컨버터일 수 있다.In another embodiment, a primary inductor connected to a power supply; A switching circuit coupled to the primary inductor for selectively switching the current output from the primary inductor; A transformer comprising a primary coil and a secondary coil; A voltage doubler circuit connected to the transformer secondary coil and including a secondary inductor; The primary side inductor and the secondary side inductor may be a boost converter, characterized in that the coupling inductor operatively coupled.

다른 실시 예로, 상기 스위칭 회로는 스위치의 상태에 따라 상기 변압기의 1차 코일에 흐르는 전류의 방향을 제어하는 스위칭 회로인 것을 특징으로 하는 부스트 컨버터일 수 있다.In another embodiment, the switching circuit may be a boost converter characterized in that the switching circuit for controlling the direction of the current flowing in the primary coil of the transformer according to the state of the switch.

다른 실시 예로, 상기 스위칭 회로는 4개의 스위치와 상기 변압기의 1차 코일을 포함하는 풀브릿지 스위칭 회로인 것을 특징으로 하는 부스트 컨버터일 수 있다.In another embodiment, the switching circuit may be a boost converter, which is a full bridge switching circuit including four switches and a primary coil of the transformer.

다른 실시 예로, 상기 2차측 인덕터는 2개의 인덕터를 포함하고, 상기 전압 더블러 회로는, 상기 변압기 2차 코일의 제 1단자와 첫 번째 2차측 인덕터 사이에 연결되는 제 1다이오드, 및 상기 변압기 2차 코일의 제 2단자와 상기 첫 번째 2차측 인덕터 사이에 연결되는 제 1캐패시터를 포함하는 제 1회로; 및 상기 변압기 2차 코일의 제 2단자와 두 번째 2차측 인덕터 사이에 연결되는 제 2캐패시터, 및 상기 변압기 2차 코일의 제 1단자와 상기 두 번째 2차측 인덕터 사이에 연결되는 제 2다이오드를 포함하는 제 2회로; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 부스트 컨버터일 수 있다.In another embodiment, the secondary inductor includes two inductors, and the voltage doubler circuit includes: a first diode connected between the first terminal of the transformer secondary coil and the first secondary inductor; and the transformer 2 A first circuit comprising a first capacitor connected between a second terminal of the difference coil and the first secondary inductor; And a second capacitor connected between the second terminal of the transformer secondary coil and the second secondary side inductor, and a second diode connected between the first terminal of the transformer secondary coil and the second secondary side inductor. A second circuit; It may be a boost converter comprising a.

다른 실시 예로, 상기 스위칭 회로의 4개의 스위치가 모두 도통되는 동안에는, 상기 1차측 인덕터의 자화인덕턴스에 에너지가 충전되고 전류는 상기 4개의 스위치로만 흐르게 되어 상기 변압기 1차 코일에 흐르지 않아 상기 변압기를 통해 에너지를 전달하지 않으며, 상기 다이오드로 인해 상기 결합 인덕터를 통해서도 에너지를 전달하지 않는 상태가 되는 것을 특징으로 하는 부스트 컨버터일 수 있다.In another embodiment, while all four switches of the switching circuit are conducting, energy is charged in the magnetization inductance of the primary inductor and the current flows only through the four switches so that the transformer does not flow in the transformer primary coil. It may be a boost converter, characterized in that it does not transfer energy, and the diode does not transfer energy even through the coupling inductor.

다른 실시 예로, 상기 스위칭 회로의 4개의 스위치 중 2개의 스위치만 도통되는 동안에는, 상기 변압기 2차 코일에 유도되는 전류의 방향에 따라 상기 전류는 상기 제 1회로 또는 상기 2회로 중 어느 하나로 흐르게 되어 상기 변압기 및 상기 결합 인덕터를 통해서 에너지가 분산되어 전달 되는 것을 특징으로 하는 부스트 컨버터일 수 있다.In another embodiment, while only two of the four switches of the switching circuit are conducted, the current flows to either the first circuit or the second circuit according to the direction of the current induced in the transformer secondary coil. It may be a boost converter characterized in that the energy is distributed and transmitted through a transformer and the coupling inductor.

다른 실시 예로, 상기 스위칭 회로의 4개의 스위치가 모두 도통되는 시간과 2개의 스위치가 도통되는 시간을 시비율에 따라 조절함으로써, 에너지를 전달함에 있어 상기 변압기와 상기 결합 인덕터로 분산하여 에너지를 전달 하는 것을 특징으로 하는 부스트 컨버터일 수 있다.In another embodiment, by adjusting the time that all four switches of the switching circuit and the time the two switches are conducted according to the ratio of the ratio, in the energy transfer to distribute the energy to the transformer and the coupling inductor It may be a boost converter characterized in that.

다른 실시 예로, 전원에 연결된 1차측 인덕터; 상기 1차측 인덕터로부터 출력되는 전류를 선택적으로 스위칭하기 위해 상기 1차측 인덕터에 연결된 스위칭 회로; 1차 코일 및 2차 코일을 포함하는 변압기; 상기 변압기 2차 코일에 연결된 정류회로; 상기 정류회로에 병렬로 연결된 캐패시터와 상기 정류회로 사이에 연결되는 2차측 인덕터; 를 포함하고, 상기 1차측 인덕터와 상기 2차측 인덕터는 동작적으로 결합된 결합 인덕터인 것을 특징으로 하는 부스트 컨버터일 수 있다.In another embodiment, a primary inductor connected to a power supply; A switching circuit coupled to the primary inductor for selectively switching the current output from the primary inductor; A transformer comprising a primary coil and a secondary coil; A rectifier circuit connected to said transformer secondary coil; A secondary side inductor connected between a capacitor connected in parallel to the rectifier circuit and the rectifier circuit; The primary side inductor and the secondary side inductor may be a boost converter, characterized in that the coupling inductor operatively coupled.

다른 실시 예로, 상기 스위칭 회로는 스위치의 상태에 따라 상기 변압기의 1차 코일에 흐르는 전류의 방향을 제어하는 스위칭 회로인 것을 특징으로 하는 부스트 컨버터일 수 있다.In another embodiment, the switching circuit may be a boost converter characterized in that the switching circuit for controlling the direction of the current flowing in the primary coil of the transformer according to the state of the switch.

다른 실시 예로, 상기 스위칭 회로는 4개의 스위치와 상기 변압기의 1차 코일을 포함하는 풀브릿지 스위칭 회로인 것을 특징으로 하는 부스트 컨버터일 수 있다.In another embodiment, the switching circuit may be a boost converter, which is a full bridge switching circuit including four switches and a primary coil of the transformer.

다른 실시 예로, 상기 브릿지 정류 회로는, 상기 변압기의 2차 코일을 브릿지로 한 정류회로 인 것을 특징으로 하는 부스트 컨버터일 수 있다.According to another embodiment, the bridge rectifier circuit may be a boost converter, characterized in that the rectifier circuit using the secondary coil of the transformer as a bridge.

다른 실시 예로, 상기 정류회로의 출력측 단자와 상기 정류회로와 병렬로 연결된 캐패시터 사이에 상기 2차측 인덕터를 직렬로 연결한 것을 특징으로 하는 부스트 컨버터일 수 있다.In another embodiment, the secondary converter may be connected in series between an output terminal of the rectifier circuit and a capacitor connected in parallel with the rectifier circuit.

다른 실시 예로, 상기 스위칭 회로의 4개의 스위치가 모두 도통되는 동안에는, 상기 1차측 인덕터의 자화인덕턴스에 에너지가 충전되고 전류는 상기 4개의 스위치로만 흐르게 되어 상기 변압기 1차 코일에 흐르지 않아 상기 변압기를 통해 에너지를 전달하지 않으며, 상기 다이오드로 인해 상기 결합 인덕터를 통해서도 에너지를 전달하지 않는 상태가 되는 것을 특징으로 하는 부스트 컨버터일 수 있다.In another embodiment, while all four switches of the switching circuit are conducting, energy is charged in the magnetization inductance of the primary inductor and the current flows only through the four switches so that the transformer does not flow in the transformer primary coil. It may be a boost converter, characterized in that it does not transfer energy, and the diode does not transfer energy even through the coupling inductor.

다른 실시 예로, 상기 스위칭 회로의 4개의 스위치 중 2개의 스위치만 도통되는 동안에는, 상기 변압기 2차 코일에 유도되는 전류의 방향에 따라 상기 변압기 및 상기 결합 인덕터를 통해서 에너지가 분산되어 전달 되는 것을 특징으로 하는 부스트 컨버터일 수 있다.In another embodiment, while only two of the four switches of the switching circuit are conducted, energy is distributed and transmitted through the transformer and the coupling inductor according to the direction of the current induced in the transformer secondary coil. May be a boost converter.

다른 실시 예로, 상기 스위칭 회로의 4개의 스위치가 모두 도통되는 시간과 2개의 스위치가 도통되는 시간을 시비율에 따라 조절함으로써, 에너지를 전달함에 있어 상기 변압기와 상기 결합 인덕터로 분산하여 에너지를 전달 하는 것을 특징으로 하는 부스트 컨버터일 수 있다.
In another embodiment, by adjusting the time that all four switches of the switching circuit and the time the two switches are conducted according to the ratio of the ratio, in the energy transfer to distribute the energy to the transformer and the coupling inductor It may be a boost converter characterized in that.

본 발명의 일 측면에 따른 결합인덕터를 이용한 절연형 고승압 부스트 컨버터는 다음과 같은 장점이 있다.Isolated high boost boost converter using a coupling inductor according to an aspect of the present invention has the following advantages.

기존의 절연형 부스트 컨버터에 비해 전압이득을 더 높일 수 있고, 결합인덕터와 변압기를 통해 에너지가 나누어져 출력측으로 넘어가기 때문에 메인 전력단의 사이즈를 많이 줄일 수 있다.
Compared to the conventional isolated boost converter, the voltage gain can be increased, and the size of the main power stage can be greatly reduced because energy is divided and transferred to the output side through the coupling inductor and the transformer.

도 1은 본 발명의 제1 실시예인 결합 인덕터를 이용한 부스트 컨버터의 회로도.
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 있어 스위치에 따른 Mode 변환을 보여주는 도면.
도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 부스트 컨버터의 Mode1을 나타낸 회로도.
도 4는 본 발명의 제1 실시예에 따른 부스트 컨버터의 Mode2를 나타낸 회로도.
도 5는 본 발명의 제1 실시예에 따른 부스트 컨버터의 Mode3을 나타낸 회로도
도 6은 본 발명의 제1 실시예에 따른 부스트 컨버터의 Mode4를 나타낸 회로도
도 7은 본 발명의 제1 실시예에 따른 부스트 컨버터의 전력 전달 경로를 나타낸 도면.
도 8은 본 발명의 제1 실시예에 따른 이론적 파형.
도 9는 본 발명의 제1 실시예에 따른 시뮬레이션 파형1.
도 10은 본 발명의 제1 실시예에 따른 시뮬레이션 파형2.
도 11은 본발명의 제2 실시예인 결합 인덕터를 이용한 부스트 컨버터의 회로도.
도 12는 본 발명의 제2 실시예에 따른 부스트 컨버터의 Mode1을 나타낸 회로도.
도 13은 본 발명의 제2 실시예에 따른 부스트 컨버터의 Mode2를 나타낸 회로도.
도 14는 본 발명의 제2 실시예에 따른 부스트 컨버터의 Mode3을 나타낸 회로도
도 15는 본 발명의 제1 실시예에 따른 부스트 컨버터의 Mode4를 나타낸 회로도
도 16은 본 발명의 제2 실시예에 따른 이론적 파형.1 is a circuit diagram of a boost converter using a coupled inductor according to a first embodiment of the present invention.
2 is a view showing a mode conversion according to a switch in the first embodiment of the present invention.
3 is a circuit diagram showing Mode1 of a boost converter according to a first embodiment of the present invention.
4 is a circuit diagram showing Mode2 of a boost converter according to a first embodiment of the present invention.
5 is a circuit diagram showing Mode3 of a boost converter according to a first embodiment of the present invention.
6 is a circuit diagram showing Mode4 of a boost converter according to a first embodiment of the present invention.
7 is a diagram illustrating a power transmission path of a boost converter according to a first embodiment of the present invention.
8 is a theoretical waveform according to a first embodiment of the present invention.
9 is a simulation waveform according to a first embodiment of the present invention.
10 is a simulation waveform according to a first embodiment of the present invention.
11 is a circuit diagram of a boost converter using a coupled inductor according to a second embodiment of the present invention.
12 is a circuit diagram showing Mode1 of a boost converter according to a second embodiment of the present invention.
13 is a circuit diagram showing Mode2 of a boost converter according to a second embodiment of the present invention.
14 is a circuit diagram showing Mode3 of a boost converter according to a second embodiment of the present invention.
15 is a circuit diagram showing Mode 4 of a boost converter according to a first embodiment of the present invention.
16 is a theoretical waveform according to a second embodiment of the present invention.

본 발명의 다른 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술 되는 실시 예를 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시 예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시 예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.Other advantages and features of the present invention and methods of achieving them will become apparent with reference to the embodiments described below in detail with reference to the accompanying drawings. The present invention may, however, be embodied in many different forms and should not be construed as being limited to the embodiments set forth herein. Rather, these embodiments are provided so that this disclosure will be thorough and complete, and will fully convey the concept of the invention to those skilled in the art. Is provided to fully convey the scope of the invention to those skilled in the art, and the invention is only defined by the scope of the claims.

만일 정의되지 않더라도, 여기서 사용되는 모든 용어들(기술 혹은 과학 용어들을 포함)은 이 발명이 속한 종래 기술에서 보편적 기술에 의해 일반적으로 수용되는 것과 동일한 의미를 가진다. 일반적인 사전들에 의해 정의된 용어들은 관련된 기술 그리고/혹은 본 출원의 본문에 의미하는 것과 동일한 의미를 갖는 것으로 해석될 수 있고, 그리고 여기서 명확하게 정의된 표현이 아니더라도 개념화되거나 혹은 과도하게 형식적으로 해석되지 않을 것이다.Unless defined otherwise, all terms (including technical or scientific terms) used herein have the same meaning as commonly accepted by the generic art in the prior art to which this invention belongs. Terms defined by generic dictionaries may be interpreted to have the same meaning as in the related art and / or in the text of this application, and may be conceptualized or overly formalized, even if not expressly defined herein I will not.

본 명세서에서 사용된 용어는 실시 예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 '포함한다' 및/또는 이 동사의 다양한 활용형들 예를 들어, '포함', '포함하는', '포함하고', '포함하며' 등은 언급된 조성, 성분, 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자는 하나 이상의 다른 조성, 성분, 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.The terminology used herein is for the purpose of illustrating embodiments and is not intended to be limiting of the present invention. In the present specification, the singular form includes plural forms unless otherwise specified in the specification. As used herein, the terms' comprise 'and / or various forms of use of the verb include, for example,' including, '' including, '' including, '' including, Steps, operations, and / or elements do not preclude the presence or addition of one or more other compositions, components, components, steps, operations, and / or components.

본 명세서에서 '및/또는' 이라는 용어는 나열된 구성들 각각 또는 이들의 다양한 조합을 가리킨다.The term 'and / or' as used herein refers to each of the listed configurations or various combinations thereof.

본 명세서에서 동작상 결합되었다고 하는 것은 두 개의 인덕터가 물리적, 자기적 또는 그 외의 방법 등으로 결합되어 하나의 동작이 다른 하나의 동작에 영향을 미칠 수 있도록 결합되었음을 의미한다.
Operationally coupled in this specification means that two inductors are coupled such that physically, magnetically, or other methods are combined to allow one operation to affect the other.

본 발명의 일 실시예에 따른 절연형 부스트 컨버터는, 1차측 인덕터와 2차측 인덕터가 동작상 결합된 결합인덕터를 포함하는 부스트 컨버터이다. 변압기와 결합인덕터로 에너지를 분산하여 전달함으로써 기존의 절연형 부스트 컨버터에 비해 전압이득을 높일 수 있고, 메인 전력단의 사이즈를 줄일 수 있다.An isolated boost converter according to an embodiment of the present invention is a boost converter including a coupling inductor in which a primary side inductor and a secondary side inductor are operatively coupled. By distributing and transferring energy to transformers and coupling inductors, it is possible to increase the voltage gain and reduce the size of the main power stage compared to the conventional isolated boost converter.

이하, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세히 설명하기 위하여, 본 발명의 실시 예를 첨부된 도면을 참조하여 설명한다.
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings, so that those skilled in the art can easily carry out the technical idea of the present invention.

도 1은 본 발명의 제 1 실시 예에 따른 결합 인덕터를 이용한 절연형 부스트 컨버터(1000)를 보여주는 회로도이다. 도 1을 참조하면 결합 인덕터를 이용한 절연형 부스트 컨버터(1000)는 스위칭 회로(200), 변압기(300), 전압 더블러회로(400), 및 결합 인덕터(500)를 포함한다. 스위칭 회로(200)는 전원을 변압기(300)로 공급함에 있어 전류의 방향을 조절할 수 있도록 전원과 변압기(300) 사이에 연결되고, 전압 더블러 회로는(400) 부하와 변압기(300) 사이에 연결되어 부하에 걸리는 전압을 승압해주는 역할을 한다. 결합 인덕터(500)는 1차측 인덕터(LC)와 2차측 인덕터(LC1, LC2)를 포함하고 1차측 인덕터는 전원과 스위칭 회로(200) 사이에 연결되고 2차측 인덕터(LC1, LC2)는 변압기(300)와 부하사이에 연결되어 전력을 전달하는 역할을 한다. 도 1의 부하(RL)에는 부스트 컨버터(1000)를 필요로 하는 다양한 제품들이 연결될 수 있다.1 is a circuit diagram illustrating an insulated boost converter 1000 using a coupled inductor according to a first embodiment of the present invention. Referring to FIG. 1, an isolated boost converter 1000 using a coupled inductor includes a switching circuit 200, a transformer 300, a voltage doubler circuit 400, and a coupled inductor 500. The switching circuit 200 is connected between the power supply and the transformer 300 to control the direction of the current in supplying power to the transformer 300, the voltage doubler circuit 400 is between the load and the transformer 300 Connected to increase the voltage on the load. Coupling inductor 500 includes a primary side inductor (L C ) and a secondary side inductor (L C1 , L C2 ), the primary side inductor is connected between the power supply and the switching circuit 200 and the secondary side inductor (L C1 , L) C2 ) is connected between the transformer 300 and the load serves to deliver power. Various products requiring the boost converter 1000 may be connected to the load R L of FIG. 1.

결합 인덕터(500)의 1차측 인덕터(LC)는 내부적으로 자화 인덕턴스(Lm)를 포함하고, 전원(VS)으로부터 전류를 입력받도록 연결된다. 스위칭 회로(200)는 변압기 1차 코일에 흐르는 전류의 방향을 선택할 수 있는 기능을 가진다. 본 발명의 제 1 실시예에서 스위칭 회로(200)는 4개의 스위치(S1, S2, S3, S4)와 변압기 1차 코일(310)을 이용하여 풀브릿지 스위칭 회로를 이룬다. 각 스위치의 상태에 따라 1차측 인덕터(LC)가 전원(VS)으로부터 전류를 입력받도록 혹은 자화 인덕턴스(Lm)에 축적된 전류가 스위칭 회로(200)를 통해 변압기 1차 코일(310)에 출력되도록 제어하는 역할을 하며, 1차측 인덕터(LC)와 변압기 1차 코일(310) 사이에 연결된다. 스위칭 회로(200)는 변압기 1차 코일(310)에 흐르는 전류의 방향을 제어할 수 있는 기능을 가진 것이라면 본 발명에서 이용될 수 있는바 도 1에서 나타나는 스위칭 회로로만 한정하고 있는 것은 아니다.The primary inductor L C of the coupling inductor 500 includes a magnetizing inductance L m internally and is connected to receive a current from the power supply V S. The switching circuit 200 has a function of selecting the direction of the current flowing in the transformer primary coil. In the first embodiment of the present invention, the switching circuit 200 forms a full bridge switching circuit using four switches S 1 , S 2 , S 3 , and S 4 and a transformer primary coil 310. According to the state of each switch, the primary inductor (L C ) receives the current from the power supply (V S ) or the current accumulated in the magnetizing inductance (L m ) through the switching circuit 200 through the transformer primary coil 310 It serves to control the output to, and is connected between the primary side inductor (L C ) and the transformer primary coil (310). The switching circuit 200 is not limited to the switching circuit shown in FIG. 1 as long as it can be used in the present invention as long as it has a function of controlling the direction of the current flowing in the transformer primary coil 310.

변압기(300)는 권선비가 1:n 인 변압기 1차 코일(310) 및 변압기 2차 코일(320)을 포함하고, 전원(VS)과 부하(RL)를 서로 절연시킨다. 변압기 2차 코일(320)은 전압 더블러 회로(400)와 연결된다. 전압 더블러 회로(400)는 변압기 2차 코일(320)의 제 1단자(321)와 첫 번째 2차측 인덕터(LC1) 사이에 연결되는 제 1다이오드(D1) 및 변압기 2차 코일의 제 2단자(322)와 첫 번째 2차측 인덕터(LC1) 사이에 연결되는 제 1캐패시터(C1)를 포함하는 제 1회로와, 변압기 2차 코일의 제 2단자(322)와 두 번째 2차측 인덕터(LC2) 사이에 연결되는 제 2캐패시터(C2) 및 변압기 2차 코일의 제 1단자(321)와 두 번째 2차측 인덕터 사이(LC2)에 연결되는 제 2다이오드(D2)를 포함하는 제 2회로로 이루어진다.Transformer 300 has a turns ratio 1: n of the transformer to include a primary coil 310 and the transformer secondary coil 320 and insulating the power (V S) and load (R L) from each other. The transformer secondary coil 320 is connected with the voltage doubler circuit 400. The voltage doubler circuit 400 includes a first diode D 1 and a transformer secondary coil connected between the first terminal 321 of the transformer secondary coil 320 and the first secondary inductor L C1 . A first circuit comprising a first capacitor C 1 connected between a second terminal 322 and a first secondary inductor L C1 , and a second terminal 322 and a second secondary side of the transformer secondary coil The second capacitor C 2 connected between the inductor L C2 and the second diode D 2 connected between the first terminal 321 of the transformer secondary coil and the second secondary inductor L C2 are connected to each other. It consists of a second circuit comprising.

첫 번째 2차측 인덕터(LC1)와 제 1캐패시터(C1)의 접촉점과 두 번째 2차측 인덕터(LC2)와 제 2캐패시터(C2)의 접촉점 사이에 부하(RL)가 연결될 수 있다.The load R L may be connected between the contact point of the first secondary inductor L C1 and the first capacitor C 1 and the contact point of the second secondary inductor L C2 and the second capacitor C 2 . .

1차측 인덕터(LC)와 2개의 2차측 인덕터는 각각 동작상 결합되어 결합인덕터(500)를 이루고 있고, 1차측 인덕터(LC)와 2차측 인덕터(LC1,LC2)의 권선비는 1:N이다. 변압기의 1차 코일(310)과 2차 코일(320) 간의 권선비(n)와 결합 인덕터(500)의 권선비(N)는 원하는 입출력 전압이득에 따라 설계 시 변경될 수 있다.
The primary inductor (L C ) and the two secondary inductors are operatively coupled to each other to form a coupling inductor 500, and the turns ratio of the primary inductor (L C ) and the secondary inductor (L C1 , L C2 ) is 1: N. The winding ratio n between the primary coil 310 and the secondary coil 320 of the transformer and the winding ratio N of the coupling inductor 500 may be changed in design according to a desired input / output voltage gain.

도 2는 각 스위치의 상태에 따른 Mode 변화를 알려준다. 시비율(D) 에 따라 각 스위치들의 상태가 바뀐다. 시비율(D)은 원하는 출력 전압에 따라 변경할 수 있다. 4개의 스위치가 모두 도통되는 상태가 Mode1, S1 및 S4 가 도통되는 상태가 Mode2, Mode2 이후에 4개의 스위치가 다시 모두 도통되는 상태가 Mode3, S2 및 S3 가 도통되는 상태가 Mode4라 칭한다. Mode1 및 Mode3에서는 1차 인덕터에 에너지가 축적되고, Mode2 및 Mode4에서는 변압기 및 결합인덕터를 통해 에너지가 출력측으로 전달된다.
2 shows the change in mode according to the state of each switch. The state of each switch changes according to the application rate (D). The fertilization rate D can be changed according to the desired output voltage. The four switches the state both being conductive Mode1, S 1 and S 4 is that the conductive state the Mode2, the condition is four switches after the Mode2 is both re-conduction is a condition that Mode3, S 2 and S 3 conductive Mode4 La It is called. In Mode1 and Mode3, energy is accumulated in the primary inductor. In Mode2 and Mode4, energy is transferred to the output through the transformer and coupling inductor.

도 3은 도 1의 회로에서 4개의 스위치가 모두 도통되는 경우에 있어(Mode1) 전류의 흐름을 보여주는 회로도이다. S1, S2, S3 및 S4이 모두 도통되면 전원(VS)으로부터 전류가 1차측 인덕터(LC)를 통하게 되고 이 때 1차측 인덕터의 자화 인덕턴스(Lm)에 에너지가 축적된다. 인덕터를 통과한 전류는 상대적으로 높은 임피던스를 가지는 변압기 1차 코일(310)로는 전류가 흐르지 않게 되고 4개의 스위치로만 전류가 흐르게 된다. 변압기 1차 코일(310)로 전류가 흐르지 않기 때문에 변압기 1차 코일(310)에 걸리는 전압은 없게 된다. 결합 인덕터(500)의 1차측 인덕터(LC)에 걸리는 전압은 전압원과 변압기 1차 코일(310)의 전압 차이만큼 걸리게 된다. 그러나 변압기 1차 코일(310)에 걸리는 전압이 없으므로, 전원(VS)의 전압이 그대로 1차측 인덕터(LC)에 걸리게 된다. 결합 인덕터의 첫 번째 2차측 인덕터(LC1)에 걸리는 전압의 극성은 결합 인덕터의 1차측 인덕터(LC)의 극성과 동일한 방향으로 걸리게 된다. 따라서, 결합 인덕터의 2차측 인덕터(LC1)의 전류의 방향은 제 1다이오드(D1)의 역방향이 되어 제 1다이오드(D1)에 막혀 전류는 흐를 수 없게 된다. 두 번째 2차측 인덕터(LC2)의 전류의 방향 역시 제 2다이오드(D2)의 역방향이 되어 제 2다이오드(D2)에 막혀 전류는 흐를 수 없게 된다. 그러므로, 결합 인덕터의 1차측 인덕터(LC)로부터 2차측 인덕터(LC1,LC2)로 넘어가는 에너지도 없게 된다. 따라서 변압기 1차 코일(310)과 결합 인덕터(LC, LC1, LC2)를 통해서 넘어가는 에너지가 없게 되고, 1차측 인덕터(LC)의 자화 인덕턴스(Lm)에 에너지게 축적되게 된다.
FIG. 3 is a circuit diagram showing the flow of current in the case where all four switches in the circuit of FIG. 1 are conducting (Mode1). When S 1 , S 2 , S 3, and S 4 are all conducted, current flows from the power supply V S to the primary inductor L C , where energy is accumulated in the magnetizing inductance L m of the primary inductor. . The current passing through the inductor does not flow to the transformer primary coil 310 having a relatively high impedance, and the current flows through only four switches. Since no current flows into the transformer primary coil 310, there is no voltage applied to the transformer primary coil 310. The voltage applied to the primary inductor L C of the coupling inductor 500 is applied by the voltage difference between the voltage source and the transformer primary coil 310. However, since there is no voltage applied to the transformer primary coil 310, the voltage of the power supply V S is applied to the primary inductor L C as it is. The polarity of the voltage across the first secondary inductor L C1 of the coupling inductor is in the same direction as the polarity of the primary inductor L C of the coupling inductor. Thus, the direction of the current in the secondary winding (L C1) of the coupled inductor is a reverse of the first diode (D 1) is blocked in the first diode (D 1) the current is not to flow. Two is the reverse of the second diode (D 2) is also the direction of the current in the second secondary winding (L C2) is blocked with a second diode (D 2) current is not to flow. Therefore, there is no energy from the primary inductor L C of the coupled inductor to the secondary inductors L C1 , L C2 . Therefore, no energy is passed through the transformer primary coil 310 and the coupling inductors L C , L C1 , L C2 , and energy is accumulated in the magnetizing inductance L m of the primary inductor L C. .

도 4는 4개의 스위치 중에서 S1 및 S4가 도통되는 경우에 있어(Mode2) 전류의 흐름을 보여주는 회로도이다. S1 및 S4가 도통되면 전원(VS)으로부터의 전류(Is)와 제1 실시예의 Mode1에서 1차측 인덕터의 자화 인덕턴스(Lm)에 축적되어 있던 에너지에 의한 전류가 합쳐져 도통되는 스위치인 S1 및 S4와 변압기 1차 코일(310)로 전류가 흐르게 된다. 이 때, 변압기 1차 코일(310)에서 변압기 2차 코일(320)로 권선비(n)만큼 곱해진 값의 전압이 변압기 2차 코일(320)에 걸리게 된다. 변압기 1차 코일(310)의 전압(VPN)과 변압기 2차 코일(320)의 전압(Vsec)은 수학식 1과 수학식 2로 나타낼 수 있다.FIG. 4 is a circuit diagram showing the flow of current in the case where S 1 and S 4 are conductive (Mode2) among four switches. When S 1 and S 4 are conducted, a switch in which the current Is s from the power supply V S and the current caused by the energy accumulated in the magnetizing inductance L m of the primary inductor in Mode 1 of the first embodiment are added together. The current flows to S 1 and S 4 and the transformer primary coil 310. At this time, the voltage of the value multiplied by the turns ratio n from the transformer primary coil 310 to the transformer secondary coil 320 is applied to the transformer secondary coil 320. The voltage V PN of the transformer primary coil 310 and the voltage V sec of the transformer secondary coil 320 may be represented by equations (1) and (2).

Figure 112012025939285-pat00001
Figure 112012025939285-pat00001

Figure 112012025939285-pat00002
Figure 112012025939285-pat00002

제1 실시예의 Mode2 에서의 결합 인덕터의 1차측 인덕터(LC)의 전압(VL)은 전원(VS)의 전압과 변압기 1차 코일(310)의 전압차만큼 걸리게 되는데 수학식 3으로 나타낼 수 있다.The voltage V L of the primary side inductor L C of the coupling inductor in Mode 2 of the first embodiment is equal to the voltage difference between the voltage of the power supply V S and the voltage of the transformer primary coil 310, which is represented by Equation 3 below. Can be.

Figure 112012025939285-pat00003
Figure 112012025939285-pat00003

제1 실시예의 Mode2 에서는 1차측 인덕터의 자화 인덕턴스(Lm)에 축적된 에너지로 인해 입력전압보다 변압기 1차 코일(310)에 걸리는 전압이 높으므로 결합 인덕터의 1차측 인덕터(LC)에 걸리는 전압의 극성은 제1 실시예의 Mode1에서 보는 바와 같다. 결합 인덕터의 2차측 인덕터(LC1,LC2)의 전압은 1차측 인덕터(LC)에 걸리는 전압에 결합 인덕터의 권선비(N)가 곱해진 값만큼 걸리게 되는데 수학식 4와 같이 나타낼 수 있다.In Mode2 of the first embodiment, since the voltage applied to the transformer primary coil 310 is higher than the input voltage due to the energy accumulated in the magnetizing inductance L m of the primary inductor, it is applied to the primary inductor L C of the coupled inductor. The polarity of the voltage is as shown in Mode1 of the first embodiment. The voltages of the secondary inductors L C1 and L C2 of the coupled inductor may be equal to the voltage applied to the primary inductor L C by a value obtained by multiplying the winding ratio N of the coupled inductor by Equation 4.

Figure 112012025939285-pat00004
Figure 112012025939285-pat00004

이 때 결합 인덕터의 첫 번째 2차측 인덕터(LC1)의 극성은 제1 실시예의 Mode1에서의 극성과 같이 걸리게 된다. 따라서 첫 번째 2차측 인덕터(LC1)의 전류의 방향은 부하(RL)로 향하므로 전류가 흐를 수 있게 된다. 이 때, 도 7에서 보는 바와 같이 입력측 에너지의 일부는 변압기를 통하고(Ptran) 일부는 결합 인덕터를 통해(PCL) 출력 측으로 넘어가게 된다. 변압기를 통해 넘어가는 에너지(Ptran)은 수학식 5로 나타낼 수 있고, 결합 인덕터를 통해 넘어가는 에너지(PCL)은 수학식 6으로 나타낼 수 있다.At this time, the polarity of the first secondary side inductor L C1 of the coupling inductor is applied as in the polarity of Mode1 of the first embodiment. Therefore, the current of the first secondary inductor (L C1 ) is directed to the load (R L ) so that the current can flow. In this case, as shown in FIG. 7, some of the input energy passes through the transformer (P tran ) and some passes through the coupling inductor (P CL ) to the output side. The energy P tran passing through the transformer may be represented by Equation 5, and the energy P CL passing through the coupling inductor may be represented by Equation 6.

Figure 112012025939285-pat00005
Figure 112012025939285-pat00005

Figure 112012025939285-pat00006
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도 5는 제1 실시예의 Mode2 이후 다시 4개의 스위치가 도통되는 경우(Mode3) 전류의 흐름을 보여주는 회로도이다. 도 3에서 보는 바와 같이 4개의 스위치가 모두 도통되면, 제1 실시예의 Mode1과 같은 특성을 보이며, 입력측에서 변압기(300)와 결합 인덕터(LC, LC1, LC2)를 통해서 넘어가는 에너지는 없게 되고 1차측 인덕터(LC)의 자화 인덕턴스(Lm)에 에너지를 축적하게 된다.
FIG. 5 is a circuit diagram illustrating a current flow when four switches are turned on again (Mode3) after Mode2 of the first embodiment. As shown in FIG. 3, when all four switches are conducted, the same characteristics as Mode1 of the first embodiment are shown, and energy passing through the transformer 300 and the coupling inductors L C , L C1 , and L C2 on the input side is Energy is accumulated in the magnetizing inductance L m of the primary inductor L C.

도 6는 제1 실시예의 Mode3 이후, S2(S2) 및 S3(S3) 이 도통되는 경우(Mode4) 전류의 흐름을 보여주는 회로도이다. 제1 실시예의 Mode 2에서의 전류가 흐르는 스위치, 다이오드, 및 캐피시터의 차이가 있고 전류가 흐르는 순서에 있어서 차이가 있으나, 제1 실시예의 Mode 2에서와 같은 특성을 나타내게 된다. 즉, 변압기(300) 및 결합 인덕터(LC, LC1, LC2)를 통해 에너지가 분산되어 입력측에서 출력측으로 전달되게 된다.
FIG. 6 is a circuit diagram showing the flow of current when Mode 2 of Mode 1 and S 2 (S2) and S 3 (S3) are conducted (Mode 4). Although there is a difference between a switch, a diode, and a capacitor in which current flows in Mode 2 of the first embodiment, and a difference in the order in which the current flows, the same characteristics as in Mode 2 of the first embodiment. That is, energy is distributed through the transformer 300 and the coupling inductors L C , L C1 , L C2 and transferred from the input side to the output side.

도 7은 제안한 결합 인덕터를 이용한 절연형 부스트 컨버터의 에너지 전달 경로를 보여주는 것으로, 제1 실시예의 Mode2 및 제1 실시예의 Mode4에서 캐패시터(C1, C2)가 충전되고 제1 실시예의 Mode1 및 제1 실시예의 Mode3에서 부하(RL)에 전압을 입력측의 전압보다 승압하여 공급하게 된다.
7 shows the energy transfer path of the insulated boost converter using the proposed coupling inductor. In the mode 2 of the first embodiment and the mode 4 of the first embodiment, the capacitors C 1 and C 2 are charged and the mode 1 and the first embodiment of the first embodiment. In Mode3 of the first embodiment, the voltage is boosted and supplied to the load R L than the voltage at the input side.

도 8은 본 발명의 제1 실시예인 도 1의 결합 인덕터를 이용한 절연형 부스트 컨버터에서 각 스위치의 상태에 따른 결합 인덕터의 1차측 인덕터(LC) 전압(VL)과 결합 인덕터의 2차측 인덕터 전압(VL1, VL2) 및 변압기 1차 코일의 전압(VPN) 및 변압기 2차 코일의 전압(Vsec)를 이론적 파형으로 나타낸 것이다.
FIG. 8 illustrates the primary side inductor (L C ) voltage V L of the coupled inductor and the secondary inductor of the coupled inductor according to the state of each switch in the insulated boost converter using the coupled inductor of FIG. 1 according to the first embodiment of the present invention. Voltage (V L1 , V L2 ) and voltage of transformer primary coil (V PN ) and voltage of transformer secondary coil (V sec ) are shown as theoretical waveforms.

도 9 및 도 10은 본 발명의 제1 실시예인 도 1의 결합 인덕터를 이용한 절연형 부스트 컨버터에서 각 스위치의 상태에 따른 결합 인덕터의 1차측 인덕터(LC) 전압(VL)과 결합 인덕터의 2차측 인덕터 전압(VL1, VL2) 및 변압기 1차 코일의 전압(VPN) 및 변압기 2차 코일의 전압(Vsec)를 시뮬레이션 한 파형을 나타낸 것이다.9 and 10 are diagrams illustrating a primary side inductor (L C ) voltage V L of a coupling inductor according to a state of each switch in an insulated boost converter using the coupling inductor of FIG. 1 according to the first embodiment of the present invention. The waveforms simulate the secondary inductor voltage (V L1 , V L2 ), the voltage of the transformer primary coil (V PN ), and the voltage of the transformer secondary coil (V sec ).

본 발명의 검증을 위해 PSIM 시뮬레이션 프로그램을 이용하여 스위치의 상태에 따른 변압기 1차 코일의 전압(VPN), 변압기 2차 코일의 전압(Vsec), 결합 인덕터의 1차측 인덕터 전압(VL), 결합 인덕터의 첫 번째 2차측 인덕터 전압(VL1), 결합 인덕터의 두 번째 2차측 인덕터 전압(VL2) 및 출력전압(VO) 을 나타내었다.For the verification of the present invention, the voltage of the transformer primary coil (V PN ), the voltage of the transformer secondary coil (V sec ), and the primary inductor voltage of the coupling inductor (V L ) according to the state of the switch using the PSIM simulation program. The first secondary side inductor voltage (V L1 ) of the coupled inductor, the second secondary side inductor voltage (V L2 ) and the output voltage (V O ) of the coupled inductor are shown.

도 8에서는 조건을 출력 전압을 500V로 맞추기 위해 시비율 0.4와 입력 전압을 50V로 설정하여 검증하였다. 도 9에서는 조건을 출력 전압을 500V로 맞추기 위해 시비율 0.2와 입력전압 100V로 설정하여 검증하였다. 도 8 및 도 9 모두 변압기의 권선비(n)는 1로 설정하였으며, 결합 인덕터의 1차와 2차간 권선비(N)를 5로 설정하여 검증하였다.In FIG. 8, the condition was verified by setting the ratio 0.4 and the input voltage to 50V to adjust the output voltage to 500V. In FIG. 9, the condition was verified by setting a ratio of 0.2 and an input voltage of 100V to adjust the output voltage to 500V. In FIG. 8 and FIG. 9, the winding ratio n of the transformer was set to 1, and the first and second winding ratios N of the coupling inductor were set to 5 and verified.

본 발명은 4개의 스위치가 도통되는 제1 실시예의 Mode1 또는 제1 실시예의 Mode3 에서는 입력측에서만 전류가 흐르게 되어 1차측 인덕터의 자화 인덕턴스(Lm)에 에너지를 축적하게 되고, 2개의 스위치만 도통되는 제1 실시예의 Mode2 또는 제1 실시예의 Mode4 에서는 제1 실시예의 Mode1 또는 제1 실시예의 Mode4에서 자화 인덕턴스(Lm)에 축적해둔 에너지와 전원(VS)의 전류가 합쳐져 결합 인덕터와 변압기를 통해 출력측으로 넘어가는 구조이다. 결합 인덕터를 이용한 절연현 고승압 부스트 컨버터의 입출력간 전압이득은 수학식 7로 나타낼 수 있다.According to the present invention, in the mode 1 of the first embodiment or the mode 3 of the first embodiment in which four switches are conducted, current flows only at the input side, so that energy is accumulated in the magnetization inductance L m of the primary inductor, and only two switches are conducted. In Mode 2 of the first embodiment or Mode 4 of the first embodiment, the energy accumulated in the magnetization inductance L m in the Mode 1 of the first embodiment or the Mode 4 of the first embodiment is combined with the current of the power supply V S , through a coupling inductor and a transformer. It is a structure that goes to the output side. The voltage gain between the input and output of the insulated string high boost boost converter using a coupled inductor can be expressed by Equation (7).

Figure 112012025939285-pat00007
Figure 112012025939285-pat00007

전압이득이 시비율, 변압기의 권선비(n), 결합 인덕터의 권선비(N)에 의해 결정되므로 시비율을 낮추더라도 결합 인덕터의 권선비(N)와 변압기의 권선비(n)를 통해 원하는 입출력간 전압이득을 얻을 수 있다.
Since the voltage gain is determined by the ratio of the ratio, winding ratio (n) of the transformer, and winding ratio (N) of the coupling inductor, the voltage gain between the desired input and output is obtained through the winding ratio (N) of the coupling inductor and the winding ratio (n) of the transformer even if the ratio is lowered. Can be obtained.

도 11은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 결합 인덕터를 이용한 절연형 부스트 컨버터(1000)를 보여주는 회로도이다. 도 11을 참조하면 결합 인덕터를 이용한 절연현 부스트 컨버터는 스위칭 회로(200), 변압기(300), 정류회로(600), 캐패시터(C0) 및 결합 인덕터(500)를 포함한다. 도 11의 부하(RL)에는 부스트 컨버터(1000)를 필요로 하는 다양한 제품들이 연결될 수 있다.11 is a circuit diagram illustrating an isolated boost converter 1000 using a coupled inductor according to a second exemplary embodiment of the present invention. Referring to FIG. 11, an insulation string boost converter using a coupling inductor includes a switching circuit 200, a transformer 300, a rectifier circuit 600, a capacitor C 0 , and a coupling inductor 500. Various products requiring the boost converter 1000 may be connected to the load R L of FIG. 11.

결합 인덕터의 1차측 인덕터(LC)는 내부적으로 자화 인덕턴스(Lm)를 포함하고, 전원(VS)으로부터 전류를 입력받도록 연결된다. 스위칭 회로(200)는 전원을 변압기(300)로 공급함에 있어 전류의 방향을 조절할 수 있도록 전원과 변압기(300) 사이에 연결되고, 정류회로(600)는 부하와 변압기(300) 사이에 연결되어 변압기 2차 코일에 유도되는 전류를 정류하여 부하로 흘려보낸다. 결합 인덕터(500)는 1차측 인덕터(LC)와 2차측 인덕터(LC1)를 포함하고 1차측 인덕터는 전원과 스위칭 회로(200) 사이에 연결되고 2차측 인덕터(LC1)는 변압기(300)와 부하 사이에 연결되어 전력을 전달하는 역할을 한다. 스위칭 회로(200)는 4개의 스위치(S1, S2, S3, S4)와 변압기 1차 코일(310)을 이용하여 풀브릿지 스위칭 회로를 이루고 각 스위치의 상태에 따라 1차측 인덕터(LC)가 전원(VS)으로부터 전류를 입력받도록 혹은 자화 인덕턴스(Lm)에 축적된 전류가 스위칭 회로(200)를 통해 변압기 1차 코일(310)에 출력되도록 제어하는 역할을 하며, 1차측 인덕터(LC)와 변압기 1차 코일(310) 사이에 연결된다. 스위칭 회로(200)는 변압기 1차 코일(310)에 흐르는 전류의 방향을 제어할 수 있는 기능을 가진 것이라면 본 발명에서 이용될 수 있는바 도 11에서 나타나는 스위칭 회로로만 한정하고 있는 것은 아니다.The primary inductor L C of the coupled inductor includes a magnetizing inductance L m internally and is connected to receive a current from the power supply V S. The switching circuit 200 is connected between the power supply and the transformer 300 to control the direction of the current in supplying power to the transformer 300, the rectifier circuit 600 is connected between the load and the transformer 300 The current induced in the transformer secondary coil is rectified and sent to the load. Coupling inductor 500 includes a primary side inductor (L C ) and a secondary side inductor (L C1 ), the primary side inductor is connected between the power supply and the switching circuit 200 and the secondary side inductor (L C1 ) is a transformer 300 ) And load to transfer power. The switching circuit 200 forms a full bridge switching circuit using four switches S 1 , S 2 , S 3 , and S 4 and a transformer primary coil 310, and the primary inductor L according to the state of each switch. C ) controls to receive the current from the power supply (V S ) or the current accumulated in the magnetizing inductance (L m ) is output to the transformer primary coil 310 through the switching circuit 200, the primary side It is connected between the inductor L C and the transformer primary coil 310. If the switching circuit 200 has a function of controlling the direction of the current flowing in the transformer primary coil 310, it is not limited to only the switching circuit shown in FIG.

변압기(300)는 권선비가 1:n 인 변압기 1차 코일(310) 및 변압기 2차 코일(320)을 포함하고, 전원(VS)과 부하(RL)를 서로 절연시킨다. 변압기 2차 코일(320)은 정류회로(600)와 연결되고, 캐패시터(C0)는 정류회로(600)와 병렬로 연결된다. 정류회로(600)는 4개의 다이오드(D1, D2, D3, D4)와 변압기 2차 코일(320)을 이용하여 이루어진다. 정류회로(600) 의 출력단과 캐패시터(C0) 사이에 2차측 인덕터(LC1)가 직렬로 연결되고, 캐패시터(C0)와 병렬로 부하(RL)가 연결될 수 있다.Transformer 300 has a turns ratio 1: n of the transformer to include a primary coil 310 and the transformer secondary coil 320 and insulating the power (V S) and load (R L) from each other. The transformer secondary coil 320 is connected to the rectifier circuit 600, the capacitor C 0 is connected in parallel with the rectifier circuit 600. The rectifier circuit 600 uses four diodes D 1 , D 2 , D 3 , and D 4 and a transformer secondary coil 320. Can be coupled to the output terminal and a capacitor (C 0) and the secondary winding (L C1) it is connected in series between a load (R L) in parallel with the capacitor (C 0) of the rectifier circuit 600.

1차측 인덕터(LC)와 2차측 인덕터(LC1)는 동작상 결합되어 결합인덕터(500)를 이루고 있고, 1차측 인덕터(LC)와 2차측 인덕터(LC1)의 권선비 1:N이다. 변압기의 1차 코일(310)과 2차 코일(320) 간의 권선비(n)와 결합 인덕터(500)의 권선비는 원하는 입출력 전압이득에 따라 설계 시 변경될 수 있다.The primary inductor L C and the secondary inductor L C1 are operatively coupled to form a coupling inductor 500, and the winding ratio of the primary inductor L C and the secondary inductor L C1 is 1: N. The winding ratio n between the primary coil 310 and the secondary coil 320 of the transformer and the winding ratio of the coupling inductor 500 may be changed at design time according to a desired input / output voltage gain.

본 발명의 제2 실시예에서도 도 2에서 설명한 것처럼 스위치의 상태가 변함에 따라 Mode가 바뀌게 된다.
In the second embodiment of the present invention, as described in FIG. 2, the mode changes as the state of the switch changes.

도 12는 본 발명의 제2 실시예에서 4개의 스위치가 모두 도통되는 경우(Mode 1)의 전류의 흐름을 나타내는 회로도이다. 이 구간에서는 앞서 제1 실시예의 Mode1과 유사하게 모든 스위치가 닫히게 되고, 1차측 인덕터(LC)와 4개의 스위치(S1, S2, S3, S4)로만 전류가 흐르게 된다. 따라서, 2차측 인덕터(LC1)의 전류의 방향은, 다이오드(D1, D3)의 역방향이 되어, 전류는 흐르지 못하게 되고, 결합 인덕터의 1차측 인덕터(LC)에서 2차측 인덕터(LC1)로 넘어가는 에너지는 없다. 이 때 1 차측 인덕터의 자화 인덕턴스(Lm)에 에너지가 축적된다. 또한 변압기 1차 코일의 전류(Ipri)가 흐르지 않아 변압기를 통해서 넘어가는 에너지도 없게 된다.
FIG. 12 is a circuit diagram showing the flow of current in the case where all four switches are conducting (Mode 1) in the second embodiment of the present invention. In this section, similar to Mode1 of the first embodiment, all switches are closed, and current flows only through the primary inductor L C and the four switches S 1 , S 2 , S 3 , and S 4 . Accordingly, the direction of the current of the secondary side inductor L C1 becomes the reverse direction of the diodes D 1 and D 3 , so that the current does not flow, and the secondary side inductor L from the primary side inductor L C of the coupling inductor. There is no energy going to C1 ). At this time, energy is accumulated in the magnetizing inductance L m of the primary inductor. In addition, since the current I pri of the transformer primary coil does not flow, there is no energy passing through the transformer.

도 13은 본 발명의 제2 실시예에서 2개의 스위치(S1, S4)가 도통되는 경우(Mode2)의 전류의 흐름을 나타내는 회로도이다. 이 구간에서는 앞서 제1 실시예의 Mode2를 설명한 것과 유사하게 2개의 스위치(S1, S4)가 닫히게 되면, 전원(VS)으로부터의 전류 (Is)와 제2 실시예의 Mode1에서 1차측 인덕터의 자화 인덕턴스(Lm)에 축적되어 있던 에너지가 합쳐져, 제1 스위치(S1) 및 제4 스위치(S4)와 변압기 1차 코일(310)에 전류가 흐르게 된다. 회로의 1차측에서 흐르는 전류의 평균값과 변압기의 1차 코일(310)에서 변압기의 2차 코일(320)로 흘러 갈 때의 평균 전류값은 다음 수학식 8과 같다.FIG. 13 is a circuit diagram showing the flow of current when two switches S 1 and S 4 are conducted (Mode2) in the second embodiment of the present invention. In this section, when the two switches S 1 and S 4 are closed similarly to Mode 2 of the first embodiment, the primary side inductor in the current I s from the power supply V S and Mode 1 of the second embodiment is closed. The energy accumulated in the magnetization inductance L m of the sum adds, and current flows through the first switch S 1 and the fourth switch S 4 and the transformer primary coil 310. The average value of the current flowing in the primary side of the circuit and the average current value when flowing from the primary coil 310 of the transformer to the secondary coil 320 of the transformer is expressed by Equation 8 below.

Figure 112012025939285-pat00008
Figure 112012025939285-pat00008

출력측으로 넘어가는 에너지는 변압기(300)와 결합 인덕터(LC, LC1)로 분산되어 에너지가 넘어가게 되고, 변압기(300)와 결합 인덕터(LC, LC1)를 통해 넘어가는 각각의 에너지는 수학식 9와 수학식 10과 같이 나타낼 수 있다.Energy is passed to the output side is to go spread beyond the energy in coupled inductor (L C, L C1) and a transformer (300), each of the energy passed through the coupling inductor (L C, L C1) and a transformer (300) May be expressed as in Equations 9 and 10.

Figure 112012025939285-pat00009
Figure 112012025939285-pat00009

Figure 112012025939285-pat00010
Figure 112012025939285-pat00010

도 14는 본 발명의 제2 실시예의 Mode3으로, 제2 실시예의 Mode1과 동일하게 작동한다.
14 is Mode3 of the second embodiment of the present invention, and operates in the same manner as Mode1 of the second embodiment.

도 15는 본 발명의 제2 실시예의 Mode4로, 제2 실시예의 Mode2와 변압기의 2차 코일(320)에 유도되는 전류의 방향과 선택되는 다이오드의 차이가 있으나 넘어가는 에너지는 동일하다.
FIG. 15 shows Mode 4 of the second embodiment of the present invention, in which Mode 2 of the second embodiment differs from the direction of the current induced in the secondary coil 320 of the transformer and the diode selected, but the energy passed is the same.

도 16은 본 발명의 제2 실시예의 부스트 컨버터에서 각 스위치의 상태에 따른 결합 인덕터의 1차측 인덕터 전압(VL)과 변압기 1차 코일의 전압(Vpri), 변압기 1차 코일에서 변압기 2차코일로 흘러 갈때의 평균 전류값(Ipri) 및 회로의 1차측에 흐르는 전류의 평균값(IS)를 이론적 파형으로 나타낸 것이다.FIG. 16 shows the primary side inductor voltage V L of the coupled inductor, the voltage V pri of the transformer primary coil, and the transformer secondary in the transformer primary coil according to the state of each switch in the boost converter of the second embodiment of the present invention. The average current value I pri when flowing into the coil and the average value I S of the current flowing in the primary side of the circuit are shown in a theoretical waveform.

표 1은 본 발명의 제2 실시예의 부스트 컨버터의 실험결과를 보여준다.Table 1 shows the experimental results of the boost converter of the second embodiment of the present invention.

VS V S 50 V50 V VO V O 300 V300 V RL R L 90 Ω90 Ω FSW F SW 25 kHz25 kHz Lm L m 60 uH60 uH DD 0.3330.333 nn 33 NN 33

그리고 본 발명의 제2 실시예의 부스트 컨버터를 이용한 입출력 전압이득은 아래의 수학식 11과 같다.In addition, the input and output voltage gain using the boost converter of the second embodiment of the present invention is expressed by Equation 11 below.

Figure 112012025939285-pat00011
Figure 112012025939285-pat00011

전압이득이 시비율, 변압기의 권선비(n), 결합 인덕터의 권선비(N)에 의해 결정되므로 시비율을 낮추더라도 결합 인덕터의 권선비(N)와 변압기의 권선비(n)를 통해 원하는 입출력간 전압이득을 얻을 수 있다.
Since the voltage gain is determined by the ratio of the ratio, winding ratio (n) of the transformer, and winding ratio (N) of the coupling inductor, the voltage gain between the desired input and output is obtained through the winding ratio (N) of the coupling inductor and the winding ratio (n) of the transformer even if the ratio is lowered. Can be obtained.

이상의 실시예들은 본 발명의 이해를 돕기 위하여 제시된 것으로, 본 발명의 범위를 제한하지 않으며, 이로부터 다양한 변형 가능한 실시예들도 본 발명의 범위에 속할 수 있음을 이해하여야 한다. 예를 들어, 본 발명의 실시예에 도시된 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 반대로 여러 개로 분산된 구성 요소들은 결합되어 실시될 수 있다. 따라서, 본 발명의 기술적 보호범위는 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이며, 본 발명의 기술적 보호범위는 특허청구범위의 문언적 기재 그 자체로 한정되는 것이 아니라 실질적으로는 기술적 가치가 균등한 범주의 발명에 대하여까지 미치는 것임을 이해하여야 한다.
It is to be understood that the above-described embodiments are provided to facilitate understanding of the present invention, and do not limit the scope of the present invention, and it is to be understood that various modified embodiments may be included within the scope of the present invention. For example, each component shown in the embodiment of the present invention may be distributed and implemented, and conversely, a plurality of distributed components may be combined. Therefore, the technical protection scope of the present invention should be determined by the technical idea of the claims, and the technical protection scope of the present invention is not limited to the literary description of the claims, The invention of a category.

1000: 부스트 컨버터
200: 스위칭 회로
300: 변압기
310: 변압기 1차 코일
320: 변압기 2차 코일
400: 전압 더블러 회로
500: 결합 인덕터
600: 정류회로
LC: 결합 인덕터의 1차측 인덕터
Lm: 1차측 인덕터의 자화 인덕턴스
520: 결합 인덕터의 2차측 인덕터
LC1 , LC2: 2차측 인덕터
VPN , Vpri: 변압기 1차 코일 양단에 걸리는 전압
Vsec: 변압기 2차 코일 양단에 걸리는 전압
VL, VL1, VL2: 각 인덕터 양단에 걸리는 전압
Is: 부스트 컨버터 1차측 인덕터에 흐르는 전류
Ipri: 변압기의 1차 코일에 흐르는 전류
PIN, POUT: 입출력 전력
Ptrans: 변압기를 통해 넘어가는 전력
PCL: 결합 인덕터를 통해 넘어가는 전력
D: 스위치의 시비율1000: boost converter
200: switching circuit
300: transformer
310: transformer primary coil
320: transformer secondary coil
400: voltage doubler circuit
500: coupled inductor
600: rectifier circuit
L C : Primary inductor of coupled inductor
L m : Magnetizing inductance of the primary inductor
520: secondary inductor of coupled inductor
L C1 , L C2 : Secondary Side Inductor
V PN , V pri : Voltage across the transformer primary coil
V sec : Voltage across the transformer secondary coil
V L , V L1 , V L2 : Voltage across each inductor
I s : Current through boost converter primary side inductor
I pri : current flowing in the primary coil of the transformer
P IN , P OUT : I / O power
P trans : the power passing through a transformer
P CL : Power Exceeds Through Coupled Inductors
D: Fertilization rate of the switch

Claims (16)

1차측 인덕터;
상기 1차측 인덕터로부터 출력되는 전류를 선택적으로 스위칭하기 위해 상기 1차측 인덕터에 연결된 스위칭 회로;
상기 스위칭 회로로부터 전류를 입력 받는 1차 코일 및 2차 코일을 포함하는 변압기;
상기 변압기 2차 코일과 연결되고 2차측 인덕터와 연결된 전압 더블러 회로;
를 포함하고,
상기 1차측 인덕터와 상기 2차측 인덕터는 동작상 결합된 결합 인덕터인 것을 특징으로 하는 부스트 컨버터.
Primary side inductor;
A switching circuit coupled to the primary inductor for selectively switching the current output from the primary inductor;
A transformer including a primary coil and a secondary coil receiving current from the switching circuit;
A voltage doubler circuit connected to the transformer secondary coil and connected to a secondary inductor;
Lt; / RTI >
And the primary inductor and the secondary inductor are coupled inductors operatively coupled.
제 1항에 있어서,
상기 스위칭 회로는 스위치의 상태에 따라 상기 변압기의 1차 코일에 흐르는 전류의 방향을 제어하는 스위칭 회로인 것을 특징으로 하는 부스트 컨버터
The method of claim 1,
The switching circuit is a boost converter for controlling the direction of the current flowing in the primary coil of the transformer according to the state of the switch
제 2항에 있어서,
상기 스위칭 회로는 4개의 스위치와 상기 변압기의 1차 코일을 포함하는 풀브릿지 스위칭 회로인 것을 특징으로 하는 부스트 컨버터.
The method of claim 2,
And said switching circuit is a full bridge switching circuit comprising four switches and a primary coil of said transformer.
제 3항에 있어서,
상기 2차측 인덕터는 2개의 인덕터를 포함하고,
상기 전압 더블러 회로는,
상기 변압기 2차 코일의 제 1단자와 첫 번째 2차측 인덕터 사이에 연결되는 제 1다이오드, 및 상기 변압기 2차 코일의 제 2단자와 상기 첫 번째 2차측 인덕터 사이에 연결되는 제 1캐패시터를 포함하는 제 1회로; 및
상기 변압기 2차 코일의 제 2단자와 두 번째 2차측 인덕터 사이에 연결되는 제 2캐패시터, 및 상기 변압기 2차 코일의 제 1단자와 상기 두 번째 2차측 인덕터 사이에 연결되는 제 2다이오드를 포함하는 제 2회로;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 부스트 컨버터
The method of claim 3,
The secondary side inductor includes two inductors,
The voltage doubler circuit,
A first diode connected between the first terminal of the transformer secondary coil and the first secondary side inductor, and a first capacitor connected between the second terminal of the transformer secondary coil and the first secondary side inductor. A first circuit; And
And a second capacitor connected between the second terminal of the transformer secondary coil and the second secondary side inductor, and a second diode connected between the first terminal of the transformer secondary coil and the second secondary side inductor. Second circuit;
Boost converter comprising a
제 4항에 있어서,
상기 스위칭 회로의 4개의 스위치가 모두 도통되는 동안에는,
상기 1차측 인덕터의 자화인덕턴스에 에너지가 충전되고 전류는 상기 4개의 스위치로만 흐르게 되어 상기 변압기 1차 코일에 흐르지 않아 상기 변압기를 통한 에너지의 전달이 차단되고,
상기 제 1다이오드 및 상기 제 2다이오드로 인해 상기 결합 인덕터를 통한 에너지의 전달도 차단되는 것을 특징으로 하는 부스트 컨버터.
5. The method of claim 4,
While all four switches of the switching circuit are conducting,
Energy is charged in the magnetization inductance of the primary side inductor and the current flows only through the four switches so that the transfer of energy through the transformer is blocked because it does not flow in the transformer primary coil.
And the first diode and the second diode also interrupt the transfer of energy through the coupling inductor.
제 4항에 있어서,
상기 스위칭 회로의 4개의 스위치 중 2개의 스위치만 도통되는 동안에는,
상기 변압기 2차 코일에 유도되는 전류의 방향에 따라 상기 전류는 상기 제 1회로 또는 상기 2회로 중 어느 하나로 흐르게 되어 상기 변압기 및 상기 결합 인덕터를 통해서 에너지가 분산되어 전달되는 것을 특징으로 하는 부스트 컨버터.
5. The method of claim 4,
While only two of the four switches of the switching circuit are conducting,
And the current flows in one of the first circuit and the second circuit according to a direction of the current induced in the transformer secondary coil so that energy is distributed and transmitted through the transformer and the coupling inductor.
제 4항에 있어서,
상기 스위칭 회로의 4개의 스위치가 모두 도통되는 시간과 2개의 스위치가 도통되는 시간을 시비율에 따라 조절함으로써, 에너지를 전달함에 있어 상기 변압기와 상기 결합 인덕터로 분산하여 에너지를 전달하는 것을 특징으로 하는 부스트 컨버터.
5. The method of claim 4,
By adjusting the time that all four switches of the switching circuit and the time when the two switches are connected according to the ratio of ratio, in the transfer of energy, the energy is distributed to the transformer and the coupling inductor to transfer energy. Boost converter.
삭제delete 삭제delete 1차측 인덕터;
상기 1차측 인덕터로부터 출력되는 전류를 선택적으로 스위칭하기 위해 상기 1차측 인덕터에 연결된 스위칭 회로;
상기 스위칭 회로로부터 전류를 입력 받는 1차 코일 및 2차 코일을 포함하는 변압기;
상기 변압기 2차 코일에 연결된 정류회로;
상기 정류회로에 병렬로 연결된 캐패시터와 상기 정류회로 사이에 연결되는 2차측 인덕터;
를 포함하고,
상기 스위칭 회로는 스위치의 상태에 따라 상기 변압기의 1차 코일에 흐르는 전류의 방향을 제어하고, 상기 스위칭 회로는 4개의 스위치와 상기 변압기의 1차 코일을 포함하는 풀브릿지 스위칭 회로이며,
상기 1차측 인덕터와 상기 2차측 인덕터는 동작상 결합된 결합 인덕터인 것을 특징으로 하는 부스트 컨버터.
Primary side inductor;
A switching circuit coupled to the primary inductor for selectively switching the current output from the primary inductor;
A transformer including a primary coil and a secondary coil receiving current from the switching circuit;
A rectifier circuit connected to said transformer secondary coil;
A secondary side inductor connected between a capacitor connected in parallel to the rectifier circuit and the rectifier circuit;
Lt; / RTI >
The switching circuit controls the direction of the current flowing in the primary coil of the transformer according to the state of the switch, the switching circuit is a full bridge switching circuit comprising four switches and the primary coil of the transformer,
And the primary inductor and the secondary inductor are coupled inductors operatively coupled.
제 10항에 있어서,
상기 정류 회로는, 상기 변압기의 2차 코일을 브릿지로 한 브릿지 정류회로 인 것을 특징으로 하는 부스트 컨버터
The method of claim 10,
The rectifier circuit is a boost converter, characterized in that the bridge rectifier circuit bridged by the secondary coil of the transformer
제 11항에 있어서,
상기 브릿지 정류회로의 출력측 단자와 상기 캐패시터 사이에 상기 2차측 인덕터를 직렬로 연결한 것을 특징으로 하는 부스트 컨버터.
12. The method of claim 11,
And a secondary inductor connected in series between the output terminal of the bridge rectifier circuit and the capacitor.
제 12항에 있어서,
상기 스위칭 회로의 4개의 스위치가 모두 도통되는 동안에는,
상기 1차측 인덕터의 자화인덕턴스에 에너지가 충전되고 전류는 상기 4개의 스위치로만 흐르게 되어 상기 변압기 1차 코일에 흐르지 않아 변압기를 통한 에너지의 전달이 차단되고,
상기 브릿지 정류회로의 다이오드로 인해 상기 결합 인덕터를 통한 에너지의 전달도 차단되는 것을 특징으로 하는 부스트 컨버터.
13. The method of claim 12,
While all four switches of the switching circuit are conducting,
Energy is charged in the magnetization inductance of the primary side inductor and the current flows only through the four switches so that the transfer of energy through the transformer is blocked because it does not flow in the transformer primary coil.
The diode of the bridge rectifier circuit is also boost converter, characterized in that the transfer of energy through the coupling inductor.
제 12항에 있어서,
상기 스위칭 회로의 4개의 스위치 중 2개의 스위치만 도통되는 동안에는,
상기 변압기 2차 코일에 유도되는 전류의 방향에 따라 상기 변압기 및 상기 결합 인덕터를 통해서 에너지가 분산되어 전달되는 것을 특징으로 하는 부스트 컨버터.
13. The method of claim 12,
While only two of the four switches of the switching circuit are conducting,
Boost converter characterized in that the energy is distributed and transmitted through the transformer and the coupling inductor in accordance with the direction of the current induced in the transformer secondary coil.
제 12항에 있어서,
상기 스위칭 회로의 4개의 스위치가 모두 도통되는 시간과 2개의 스위치가 도통되는 시간을 시비율에 따라 조절함으로써, 에너지를 전달함에 있어 상기 변압기와 상기 결합 인덕터로 분산하여 에너지를 전달하는 것을 특징으로 하는 부스트 컨버터.13. The method of claim 12,
By adjusting the time that all four switches of the switching circuit and the time when the two switches are connected according to the ratio of ratio, in the transfer of energy, the energy is distributed to the transformer and the coupling inductor to transfer energy. Boost converter. 삭제delete
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US6147882A (en) 1998-12-19 2000-11-14 Delta Electronics, Inc. Single-stage input current shaping technique with voltage-doubler rectifier front-end
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KAIST 박사학위논문(제목: 역률 보상과 축전지 구동 응용을 위한 새로운 자기 결합형 전력 변환 회로의 설계), 논문발표 1999년 11월 *
KAIST 박사학위논문(제목: 역률 보상과 축전지 구동 응용을 위한 새로운 자기 결합형 전력 변환 회로의 설계), 논문발표 1999년 11월*

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