KR101353899B1 - Ｄｃ／ｄｃ 컨버터용 고주파 변압기 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 일실시 예에 따른 DC/DC 컨버터용 고주파 변압기는 제1 전압이 입력되는 입력 단자부, 입력 단자부로부터 공급되는 제1 전압을 스위칭하는 스위칭부, 1차측 권선이 분할되고, 분할된 1차측 권선 사이에 2차측 권선이 배치되며, 스위칭부를 통해 스위칭된 제1 전압을 제2 전압으로 변환하는 전압 변환부, 입력단자부와 스위칭부 사이에 배치되어 전압 변환부에서 발생되는 누설 인덕턴스에 의해 축적된 에너지를 저장하는 분할저장부, 전압 변환부로부터 공급되는 제2 전압을 정류하는 정류부, 정류부로부터 정류된 제2 전압을 필터링하는 필터링부 및 필터링부로부터 필터링된 제2 전압을 출력하는 출력 단자부를 포함한다.

Description

ＤＣ／ＤＣ 컨버터용 고주파 변압기{HIGH FREQUENCY TRANSFORMER FOR DC/DC CONVERTER}
본 발명은 DC/DC 컨버터용 고주파 변압기에 관한 것으로, 더욱 자세하게는 변압기의 1차측 권선을 분할하고, 분할된 1차측 권선 사이에 2차측 권선이 배치되도록 형성하여 누설자속을 현저하게 줄일 수 있는 DC/DC 컨버터용 고주파 변압기에 관한 것이다.
도 1은 종래의 DC/DC 컨버터용 고주파 변압기에 와인딩되는 1차측 권선과 2차측 권선을 설명하기 위한 것이다.
도 1을 살펴보면, 일반적으로 누설 인덕턴스의 원인은 누설 자속에 의한 것이다. 즉, 1차측 권선에 의해 발생한 자속은 2차측 권선과 쇄교하는 상호자속과 2차측 권선과 쇄교하지 못하고 손실되는 누설자속으로 구분된다.
종래의 DC/DC 컨버터용 고주파 변압기에 와인딩되는 1차측 권선과 2차측 권선은 도 1에 도시된 바와 같이, 여러 차례 적층하여 권선됨으로써, 1차(2차)측 권선 간에 자속방향이 일치할 수 있다. 이에 따라, 누설 자속이 발생되어 누설 인덕턴스가 증가될 수 있다.
이와 같이, 누설 인덕턴스가 증가되면, 대용량 시스템에서는 적용할 수 없고 소용량 시스템에 대해서만 적용되는 문제점이 있었다.
또한 스프릿 캐패시터를 이용하는 DC/DC 컨버터를 대용량 시스템으로 구현하는 경우 대용량 고주파 변압기의 높은 스트레이 인덕턴스에 의해 스프릿 캐패시터에 충전전압이 상승하므로 스프릿 캐패시터를 이용하는 DC/DC 컨버터는 소용량 시스템에만 적용가능 하였다.
특허공개 10-2010-0123241
본 발명은 상술한 바와 같은 종래기술의 문제점들을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 변압기의 1차측 권선을 분할하고, 분할된 1차측 권선 사이에 2차측 권선이 배치되도록 형성하여 누설자속을 현저하게 줄여 대용량 시스템에 적용할 수 있는 DC/DC 컨버터용 고주파 변압기를 제공하는 것이다.
본 발명의 일실시 예에 따른 DC/DC 컨버터용 고주파 변압기는 제1 전압이 입력되는 입력 단자부, 입력 단자부로부터 공급되는 제1 전압을 스위칭하는 스위칭부, 1차측 권선이 분할되고, 분할된 1차측 권선 사이에 2차측 권선이 배치되며, 스위칭부를 통해 스위칭된 제1 전압을 제2 전압으로 변환하는 전압 변환부, 입력단자부와 스위칭부 사이에 배치되어 전압 변환부에서 발생되는 누설 인덕턴스에 의해 축적된 에너지를 저장하는 분할저장부, 전압 변환부로부터 공급되는 제2 전압을 정류하는 정류부, 정류부로부터 정류된 제2 전압을 필터링하는 필터링부 및 필터링부로부터 필터링된 제2 전압을 출력하는 출력 단자부를 포함한다.
또한, 분할된 1차측 권선에 의한 자속방향과 2차측 권선에 의한 자속방향이 서로 상반되는 것을 포함할 수 있다.
또한, 분할된 1차측 권선의 두께는 동일하게 형성되는 것을 포함할 수 있다.
또한, 분할저장부는 제1 분할저장부와 제2 분할저장부를 포함하고, 제1 분할저장부와 제2 분할저장부는 직렬로 연결되고, 전압 변환부는 제1 분할저장부와 제2 분할저장부 사이에 연결되는 것을 포함할 수 있다.
본 발명의 일실시 예에 따른 DC/DC 컨버터용 고주파 변압기는 변압기의 1차측 권선을 분할하고, 분할된 1차측 권선 사이에 2차측 권선이 배치되도록 형성하여 누설자속을 현저하게 줄일 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명의 일실시 예에 따른 DC/DC 컨버터용 고주파 변압기는 변압기의 1차측 권선을 분할하고, 분할된 1차측 권선 사이에 2차측 권선이 배치되도록 형성하여 누설자속을 현저하게 줄일 수 있어 대용량의 시스템을 간소화시킬 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명의 일실시 예에 따른 DC/DC 컨버터용 고주파 변압기는 변압기의 1차측 권선을 분할하고, 분할된 1차측 권선 사이에 2차측 권선이 배치되도록 형성하여 대용량의 시스템이 간소화됨으로써, 철도차량의 보조전원장치에 적용하는 경우 고주파 스위칭에 의한 시스템을 경량화시킬 수 있는 효과가 있다.
도 1은 종래의 DC/DC 컨버터용 고주파 변압기에 와인딩되는 1차측 권선과 2차측 권선을 설명하기 위한 것이다.
도 2는 본 발명의 일실시 예에 따른 DC/DC 컨버터용 고주파 변압기에 대한 회로를 설명하기 위한 것이다.
도 3은 본 발명의 일실시 예에 따른 DC/DC 컨버터용 고주파 변압기에 와인딩되는 1차측 권선과 2차측 권선을 설명하기 위한 것이다.
이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시 예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하되, 본 발명에 따른 동작 및 작용을 이해하는데 필요한 부분을 중심으로 설명한다.
도 2는 본 발명의 일실시 예에 따른 DC/DC 컨버터용 고주파 변압기에 대한 회로를 설명하기 위한 것이고, 도 3은 본 발명의 일실시 예에 따른 DC/DC 컨버터용 고주파 변압기에 와인딩되는 1차측 권선과 2차측 권선을 설명하기 위한 것이다.
도 2 및 도 3을 살펴보면, 본 발명의 일실시 예에 따른 DC/DC 컨버터용 고주파 변압기(100)는 입력 단자부(110), 스위칭부(130), 전압 변환부(140), 분할저장부(120), 정류부(150), 필터링부(160) 및 출력 단자부(170)를 포함하여 구성된다.
입력 단자부(110, Input DC Power)는 제1 전압이 입력된다. 이러한 입력 단자부(110)는 외부 또는 전압을 생성할 수 있는 전압발생장치(미도시)로부터 제1 전압을 공급받는다.
스위칭부(130)는 입력 단자부(110)로부터 공급되는 제1 전압을 스위칭한다. 이러한 스위칭부(130)는 제1 스위칭부(130,Q1)와 제2 스위칭부(130,Q2)로 형성될 수 있다. 스위칭부(130)는 제1 전압이 공급되면, 제1 스위칭부(130,Q1)와 제2 스위칭부(130,Q2) 중 적어도 하나가 턴 온되어 제1 전압을 후술할 전압 변환부(140)에 공급하거나 차단할 수 있다.
이때, 제1 스위칭부(130,Q1) 및 제2 스위칭부(130,Q2)는 IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)를 포함할 수 있다.
전압 변환부(140,T1)는 1차측 권선이 분할되고, 분할된 1차측 권선 사이에 2차측 권선이 배치되며, 스위칭부(130)를 통해 스위칭된 제1 전압을 제2 전압으로 변환한다. 즉, 전압 변환부(140,T1)는 철심에 1차측 권선을 와인딩하되, 한번에 전부 와인딩을 하지 않고 1차측 권선의 일부를 남겨둔 후 2차측 권선을 와인딩한다. 이후 2차측 권선에 대한 와인딩이 끝나면 와인딩을 하지 않았던 1차측 권선을 와인딩된 2차측 권선위로 다시 와인딩할 수 있다. 다시 말해, 도 3에 도시된 바와 같이, 전압 변환부(140,T1)는 1차측 권선, 2차측 권선, 1차측 권선 순으로 와인딩되는 것이다. 이와 같이, 전압 변환부(140,T1)가 1차측 권선을 분할하고 분할된 1차측 권선 사이에 2차측 권선을 배치되도록 형성함으로써, 분할된 1차측 권선에 의한 자속방향과 2차측 권선에 의한 자속방향이 서로 상반될 수 있다. 이에 따라 누설 자속이 발생되지 않아 누설 인덕턴스를 최소화할 수 있다.
이때, 분할된 1차측 권선의 두께는 실적적으로 동일하게 형성될 수 있다. 즉, 2차측 권선을 중심으로 양쪽으로 분할되어 와인딩된 1차측 권선의 두께는 실질적으로 동일하게 형성될 수 있다. 이에 따라, 상반되는 분할된 1차측 권선에 의한 자속방향과 2차측 권선에 의한 자속방향 간의 균형이 용이하게 이루어질 수 있다. 따라서, 누설 자속이 발생되지 않아 누설 인덕턴스를 최소화할 수 있다.
분할저장부(120)는 입력단자부와 스위칭부(130) 사이에 배치되어 전압 변환부(140)에서 발생되는 누설 인덕턴스에 의해 축적된 에너지를 저장한다. 이러한 분할저장부(120)는 캐패시터를 포함할 수 있다.
여기서 분할저장부(120)는 제1 분할저장부(120,C1)와 제2 분할저장부(120,C1)를 포함할 수 있다. 이때 제1 분할저장부(120,C1)와 제2 분할저장부(120,C2)는 서로 직렬로 연결될 수 있다. 이에 따라, 전압 변환부(140)는 제1 분할저장부(120,C1)와 제2 분할저장부(120,C2) 사이에 전기적으로 연결된다. 즉, 전압 변환부(140)는 제1 분할저장부(120,C1)의 타단과 제2 분할저장부(120,C2)의 일단과 전기적으로 연결될 수 있다.
정류부(150)는 전압 변환부(140)로부터 공급되는 제2 전압을 정류한다. 이러한 정류부(150)는 제1 다이오드(D1) 내지 제4 다이오드(D2)를 포함할 수 있다.
필터링부(160,C3)는 정류부(150)로부터 정류된 제2 전압을 필터링한다. 이러한 필터링부(160,C3)는 캐패시터를 포함할 수 있다. 이와 같이 정류부(150)와 필터링부(160)가 형성됨으로써, 전압 변환부(140)로부터 공급되는 제2 전압의 노이즈를 현저하게 절감시킬 수 있다.
출력 단자부(170)는 필터링부(160,C3)로부터 필터링된 제2 전압을 출력한다. 즉, 출력 단자부(170)는 정류부(150)와 필터링부(160,C3)를 경류하여 노이즈가 현저하게 절감된 제2 전압을 외부로 출력할 수 있다.
지금까지 설명한 본 발명의 일실시 예에 따른 DC/DC 컨버터용 고주파 변압기(100)에서 전압 변환부(140,T1)의 1차측 제1 입력단자는 제1 스위칭부(130,Q1)와 제2 스위칭부(130,Q2)의 사이에 전기적에 연결되고, 전압 변환부(140,T1)의 1차측 제2 입력단자는 제1 분할저장부(120,C1)와 제2 분할저장부(120,C2) 사이에 전기적으로 연결되고, 전압 변환부(140,T1)의 2차측 제1 출력단자는 제1 다이오드(D1)와 제2 다이오드(D2) 사이에 전기적으로 연결되고, 전압 변환부(140,T1)의 2차측 제2 출력단자는 제3 다이오드(D3)와 제4 다이오드(D4) 사이에 전기적으로 연결된다.
또한, 지금까지 설명한 본 발명의 일실시 예에 따른 DC/DC 컨버터용 고주파 변압기(100)는 분할저장부(120)와 전압 변환부(140)에서 발생하는 누설 인덕턴스 간의 공진을 이용할 수 있다. 여기서 공진 발생을 위하여 다음과 같은 수학식 1이 적용될 수 있다.
Figure 112012098333867-pat00001
상기한 수학식 1에 따라, 전압 변환부(140)의 크기를 축소하기 위해서는 f의 증가가 필요하다. 이를 위해서는 전압 변환부(140)의 누설 인덕턴스(L) 또는 분할저장부(120)의 C값이 최소가 되는 것이 바람직하다. 따라서, 공진주파수가 특정 주파수로 결정되면, 전압 변환부(140)의 누설 인덕턴스가 큰 경우 분할저장부(120)의 C값이 작아지는 것이 바람직하며, 이와 반대로, 전압 변환부(140)의 누설 인덕턴스가 작은 경우 분할저장부(120)의 C값이 커지는 것이 바람직할 수 있다.
이상에서 설명된 본 발명의 일실시 예에 따른 DC/DC 컨버터용 고주파 변압기의 실시 예는 예시적인 것에 불과하며, 본 발명이 속한 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시 예가 가능하다는 점을 잘 알 수 있을 것이다. 그러므로 본 발명은 상기의 상세한 설명에서 언급되는 형태로만 한정되는 것은 아님을 잘 이해할 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다. 또한, 본 발명은 첨부된 청구범위에 의해 정의되는 본 발명의 정신과 그 범위 내에 있는 모든 변형물과 균등물 및 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
110: 입력 단자부 120: 분할저장부
130: 스위칭부 140: 전압 변환부
150: 정류부 160: 필터링부
170: 출력 단자부

Claims (4)

  1. 제1 전압이 입력되는 입력 단자부;
    상기 입력 단자부로부터 공급되는 상기 제1 전압을 스위칭하는 스위칭부;
    1차측 권선이 분할되고, 분할된 상기 1차측 권선 사이에 2차측 권선이 배치되며, 상기 스위칭부를 통해 스위칭된 상기 제1 전압을 제2 전압으로 변환하는 전압 변환부;
    상기 입력단자부와 상기 스위칭부 사이에 배치되어 상기 전압 변환부에서 발생되는 누설 인덕턴스에 의해 축적된 에너지를 저장하는 분할저장부;
    상기 전압 변환부로부터 공급되는 상기 제2 전압을 정류하는 정류부;
    상기 정류부로부터 정류된 상기 제2 전압을 필터링하는 필터링부; 및
    상기 필터링부로부터 필터링된 상기 제2 전압을 출력하는 출력 단자부;를 포함하는 DC/DC 컨버터용 고주파 변압기.
  2. 제1 항에 있어서,
    분할된 상기 1차측 권선에 의한 자속방향과 상기 2차측 권선에 의한 자속방향이 서로 상반되는 것을 특징으로 하는 DC/DC 컨버터용 고주파 변압기.
  3. 제1 항에 있어서,
    분할된 상기 1차측 권선의 두께는 동일하게 형성되는 것을 특징으로 하는 DC/DC 컨버터용 고주파 변압기.
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 분할저장부는 제1 분할저장부와 제2 분할저장부를 포함하고,
    상기 제1 분할저장부와 상기 제2 분할저장부는 직렬로 연결되고, 상기 전압 변환부는 상기 제1 분할저장부와 상기 제2 분할저장부 사이에 연결되는 것을 특징으로 하는 DC/DC 컨버터용 고주파 변압기.
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