KR101377121B1 - 비절연 고승압 공진형 컨버터 - Google Patents

비절연 고승압 공진형 컨버터 Download PDF

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Abstract

비절연 고승압 공진형 컨버터가 개시된다. 이 비절연 고승압 공진형 컨버터는: 포지티브 입력 단자를 통해 입력되는 직류 전압을 승압-변환하는 부스트 컨버터; 상기 부스트 컨버터에 의하여 승압-변환된 전압을 적어도 2배 이상 승압하기 위한 배전압셀; 및 상기 부스트 컨버터 및 상기 배전압셀의 사이에 접속되어, 상기 배전압셀에서의 서저 전압의 발생을 억제하고 상기 배전압셀의 승압 동작을 지원하는 공진 탱크를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

비절연 고승압 공진형 컨버터{Non-isolated high step-up resonant converter}
본 발명은 비절연 고승압 공진형 컨버터에 관한 것이다.
최근, 연료전지 또는 태양 광 전지와 같은 신 재생 에너지원으로부터 전력을 공급하기 위한 기술이 활발하게 개발되고 있다. 이를 위하여, 신 재생 에너지원으로부터의 에너지를 전력으로 변환하는 전력 변환 시스템이 사용되고 있다. 전력 변환 시스템은 낮은 리플(Ripple)의 입력 전류 특성, 낮고 넓은 범위의 입력 전압 특성 및 높은 전력 밀도를 가지는 승압형 직류-직류 컨버터(Direct Current to Direct Current (DC-DC) Converter)를 요구한다.
그러나, 기존의 승압형 DC-DC 컨버터들은 구성이 복잡하거나 구성 소자들의 정격 전압이 높다. 이에 더하여, 기존의 승압형 DC-DC 컨버터들은 입력측의 전류 리플이 크고 서지 전압을 발생시킬 수 있다. 그런 만큼, 기존의 컨버터들은 부피 및 효율면에서 단점을 노출하고 있다.
전술한 종래기술이 언급된 선행기술문헌은 이하와 같다.
1. 선행문헌 1. 대한민국 등록특허공보 제10-0547290호(2006.01.20) 2. 선행문헌 2. 대한민국 등록특허공보 제10-0897399호(2009.05.06) 3. 선행문헌 3. 대한민국 공개특허공보 제10-2012-0035078호(2012.04.13)
본 발명의 실시 예들은 상기한 문제점을 해결하기 위한 비절연 고승압 공진형 컨버터에 관한 것이다.
본 실시 예들은 간단한 구성의 비절연 고승압 공진형 컨버터를 제공하는 것이다.
또한, 본 실시 예들은 입력측 전류 리플을 줄이고 구성 소자들의 전압 정격을 낮추기에 적합한 비절연 고승압 공진형 컨버터를 제공하는 것이다.
게다가, 본 실시 예들은 전압 서지를 최소화하여 효율을 한계 이상으로 향상시킬 수 있는 비절연 고승압 공진형 컨버터를 제공하는 것이다.
나아가, 본 실시 예들은 효율을 향상시키기에 적합한 비절연 고승압 공진형 컨버터를 이용한 전력 변환 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 비절연 고승압 공진형 컨버터는: 포지티브 입력 단자를 통해 입력되는 직류 전압을 승압-변환하는 부스트 컨버터; 상기 부스트 컨버터에 의하여 승압-변환된 전압을 적어도 2배 이상 승압되게 하는 배전압셀; 및 상기 부스트 컨버터 및 상기 배전압셀의 사이에 접속되어, 상기 배전압셀에서의 서지 전압의 발생을 억제하고 상기 배전압셀의 승압 동작을 지원하는 공진 탱크를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 실시 예에 따른 전력 변환 시스템은: 직류 전압원; 상기 직류 전압원으로부터의 직류 전압을 요구된 레벨의 직류 전압을 변환하기 위하여, 포지티브 입력 단자를 통해 입력되는 직류 전압을 승압-변환하는 부스트 컨버터, 상기 부스트 컨버터에 의하여 승압-변환된 전압을 적어도 2배 이상 승압되게 하는 배전압셀, 및 상기 부스트 컨버터 및 상기 배전압셀의 사이에 접속되어 상기 배전압셀에서의 서지 전압의 발생을 억제하고 상기 배전압셀의 승압 동작을 지원하는 공진 탱크를 포함하는 비절연 고승압 공진형 컨버터; 및 상기 비절연 고승압 공진형 컨버터의 배전압셀로부터의 직류 전압을 교류 전압으로 변환하는 인버터를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 실시 예의 비절연 고승압 공진형 컨버터에 따르면, 공진 탱크(24)를 이용하여 배전압셀에서의 서지 전압의 발생을 억제할 수 있다. 그런 만큼, 에너지 손실이 최소화될 수 있다. 따라서, 전력 밀도 및 변환 효율이 한계 이상으로 향상될 수 있다. 나아가, 이러한 비절연 고승압 공진형 컨버터를 이용하는 전력 변환 시스템의 전력 밀도 및 효율도 향상될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 전력 변환 시스템의 구성을 도시하는 블럭도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 비절연 고승압 공진형 컨버터의 구성을 개략적으로 도시하는 블럭도이다.
도 3는 본 발명의 일 실시 예에 따른 비절연 고승압 공진형 컨버터의 구성을 상세하게 도시하는 회로도이다.
도 4a 내지 도 4f는 본 발명의 일 실시 예에 따른 비절연 고승압 공진형 컨버터의 동작 원리를 설명하는 동작 상태도들이다.
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 비절연 고승압 공진형 컨버터의 동작 원리를 설명하는 구간별 파형도이다.
도 6은 주파수에 따른 본 발명의 일 실시 예의 비절연 고승압 공진형 컨버터의 전력 이득 특성을 설명하는 데이터 시트이다.
도 7a 내지 도 7c는 비교 예의 승압형 DC-DC 컨버터들을 도시하는 회로도들이다.
도 8a 내지 도 8c는 도 2에서의 공진 탱크의 다른 예들을 도시하는 회로도들이다.
도 9a 및 도 9b는 도 2에 도시된 배전압셀의 다른 예들을 도시하는 회로도들이다.
이하, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있을 정도로, 본 발명의 바람직한 실시 예들에 따른 공진형 컨버터 및 그를 이용한 전력 변환 시스템이 첨부된 도면들을 참조하여 상세하게 설명될 것이다. 본 발명의 실시 예들의 상세한 설명에 있어서, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 구체적인 설명은 생략될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 전력 변환 시스템의 구성을 도시한 블록도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시 예에 따른 전력 변환 시스템은 직류 전압원(10), 비절연 고승압 공진형 컨버터(20), 인버터(30), 필터(40) 및 부하(50)를 포함한다.
상기 직류 전압원(10)은 직류 전압을 발생한다. 이러한 직류 전압원(10)은 연료 전지(Fuel cell) 및 광기전성 패널(Photovoltaic panel) 중 어느 하나를 포함할 수 있으나, 이에 한정되지 않는다.
상기 비절연 고승압 공진형 컨버터(20)는, 서지 전압의 발생을 최소화하면서도, 상기 직류 전압원(10)으로부터의 직류 전압을 요구된 레벨을 가지는 다른 직류 전압이 되도록 변환한다. 이러한 비절연 고승압 공진형 컨버터(20)의 구성 및 동작은 추후에 상세하게 설명될 것이다. 상기 비절연 고승압 공진형 컨버터(20)에 의해 변환된 전압은 대략 350V의 직류 레벨을 가질 수 있으나, 이에 한정되지 않는다.
상기 인버터(30)는 상기 비절연 고승압 공진형 컨버터(20)로부터의 변환된 직류 전압으로부터 교류 전압을 생성한다. 상기 인버터(30)에 의해 변환된 교류 전압은 대략 311V의 피크 전압(220V의 rms 전압) 및 대략 60Hz의 주파수를 가질 수 있으나, 이들에 한정되지 않는다.
상기 필터(40)는 인버터(30)로부터의 교류 전압을 필터링하여 상기 교류 전압에 포함된 고조파 성분의 잡음 및 저주파 성분의 잡음을 제거한다. 그런 만큼, 상기 필터(40)에 의해 필터링된 교류 전압은 요구된 피크 전압(예를 들면, 311V의 피크 전압(220V의 rms 전압))을 가지게 된다. 이를 위하여, 상기 필터(40)는 대역 필터를 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 상기 필터(40)에 의해 필터링된 교류 전압은 부하(50)에 공급되어 상기 부하(50)가 구동되게 한다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 비절연 고승압 공진형 컨버터의 구성을 개략적으로 도시하는 블럭도이다. 도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 비절연 고승압 공진형 컨버터의 구성을 상세하게 도시하는 회로도이다.
도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 비절연 고승압 공진형 컨버터(20)는 공통 라인(GL)에 공통적으로 접속된 부스트 컨버터(22), 공진 탱크(24) 및 배전압셀(26)을 포함한다. 상기 공통 라인(GL)은 도 1에 도시된 직류 전압원(10)의 음극에 접속될 수 있다.
상기 부스트 컨버터(22)는 포지티브 입력 단자(PIT)을 통해 직류 전압을 입력한다. 포지티브 입력 단자들(PIT)은 도 1에 도시된 직류 전압원(10)의 양극에 연결될 수 있다. 상기 부스트 컨버터(22)는 입력되는 직류 전압을 승압한다. 이를 위하여, 상기 부스트 컨버터(22)는 필터 인덕터(Lf), 제1 및 제2 스위치 소자(S1, S2), 및 제1 필터 캐패시터(Cf)를 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 필터 인덕터(Lf)는 상기 포지티브 입력 단자(PIT) 및 제1 노드(N1) 사이에 접속된다. 상기 제1 스위치 소자(S1)는 제1 노드(N1)와 상기 공통 라인(GL) 사이에 접속된다. 이 제1 스위치 소자(S1)는 도시하지 않은 스위치 제어기로부터 자신의 게이트 전극에 공급되는 제1 스위치 제어 신호의 논리 상태에 따라 턴-온/오프(Turn-on/off)될 수 있다. 상기 제2 스위치 소자(S2) 및 제1 필터 캐패시터(Cf)는 상기 제1 노드(N1) 및 상기 공통 라인(GL) 사이에 직렬 접속된다. 상기 제2 스위치 소자(S2)는 스위치 제어기로부터 자신의 게이트 전극에 공급되는 제2 스위치 제어 신호의 논리 상태에 따라 턴-온/오프될 수 있다. 상기 제1 및 제2 스위치 소자(S1, S2)의 예로서, 메탈 산화 반도체 전계 효과 트랜지스터들(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistors; MOSFET)이 사용될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 공진 탱크(24)는 상기 부스트 컨버터(22) 및 상기 배전압셀(26) 사이에 접속된다. 이러한 공진 탱크(24)는 상기 배전압셀(26)에서의 서지 전압의 발생을 억제한다. 다시 말하여, 상기 공진 탱크(24)는 상기 부스트 컨버터(22) 내의 제1 및 제2 스위치 소자(S1, S2)의 제로 전압 턴-온 및 턴-오프 시의 전류를 줄여 에너지 손실을 감소시킨다. 또한, 상기 공진 탱크(24)는 상기 배전압셀(26)에 포함된 다이오드들이 제로 전류 턴-오프되게 하여 서지 전압의 발생을 방지 또는 최소화한다. 게다가, 공진 탱크(24)는 배전압셀(26)의 승압 동작을 지원한다. 이를 위하여, 공진탱크(24)는 공진 인덕터(Lr) 및 공진 캐패시터(Cr)를 포함할 수 있으나, 이에 제한되지는 않는다.
상기 공진 인덕터(Lr)는 상기 제1 노드(N1) 및 제2 노드(N2) 사이에 접속된다. 상기 공진 캐패시터(Cr)는 상기 제2 노드(N2) 및 상기 공통 라인(GL) 사이에 접속된다.
상기 배전압셀(26)은 상기 부스트 컨버터(22)에 의하여 승압되어진 전압을 상기 공진 탱크(24)의 공진 동작에 힘입어 적어도 2배 승압시킨다. 이러한 배전압셀(26)의 일 예로서, 2단 배전압셀이 사용될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 도 3에 도시된 바와 같이, 2단 배전압셀(26)은 제1 및 제2 다이오드(Dm1, Dm2)와 제2 및 제3 필터 캐패시터(Cm1, Cm2)를 포함한다.
제2 필터 캐패시터(Cm1)는 상기 제2 노드(N2) 및 제3 노드(N3) 사이에 접속된다. 제 3 필터 캐패시터(Cm2)는 상기 공통 라인(GL) 및 포지티브 출력 단자(POT) 사이에 접속된다. 제1 다이오드(Dm1)는 상기 제3 노드(N3) 및 상기 포지티브 출력 단자(POT) 사이에 접속된다. 제2 다이오드(Dm2)는 상기 제3 노드(N3) 및 상기 공통 라인(GL) 사이에 접속된다. 다시 말하여, 상기 제3 필터 캐패시터(Cm2)는 상기 제1 및 제2 다이오드(Dm1, Dm2)의 직렬 회로에 병렬 접속된다.
도 4a 내지 도 4f는 본 발명의 일 실시 예에 따른 비절연 고승압 공진형 컨버터(20)의 동작 원리를 설명하기 위한 회로도들이고, 도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 비절연 고승압 공진형 컨버터(20)의 동작 원리를 설명하기 위한 구간별 파형들을 도시하는 파형도이다.
도 4a는 도 5에서의 t0~t1의 구간 동안 비절연 고승압 공진형 컨버터(20)의 동작 상태를 도시한다. 도 4a에 도시된 바와 같이, 제2 스위치 소자(S2)가 턴-오프 되어 제2 스위치 소자(S2)의 내부 캐패시터에 전압이 충전된다. 한편, 제1 스위치 소자(S1)의 내부 캐패시터에 충전된 전압(VS1)이 방전되어 제1 스위치 소자(S1)의 내부 다이오드를 통해 전류(iS1)이 흐르게 된다. 그 후, 게이트 전극에 하이 논리의 제1 스위치 제어 신호에 의하여 상기 제1 스위치 소자(S1)의 내부 다이오드에 흐르는 전류(iS1)가 제1 스위치 채널(S1)의 스위치 채널을 통해 경유하게 된다. 그러므로, 상기 제1 스위치 소자(S1)가 제로 전압 스위칭(Zero Voltage Switching) 동작을 수행하게 된다. 이 때, 공진 탱크(24)의 공진 인덕터(Lr) 및 공진 캐패시터(Cr)에 의해 공진 회로가 형성된다.
도 4b는 도 5에서의 t1~t2의 구간에서의 비절연 고승압 공진형 컨버터(20)의 동작 상태를 도시한다. 상기 공진 캐패시터(Cr)의 충전 전압(VCr)이 Vo/2+Vi가 될 때, 도 4b에 도시된 바와 같이, 제1 다이오드(Dm1)이 턴-온된다. 이 때, 공진 캐패시터(Cr)은 공진 동작에 참여하지 않게 된다. 그런 만큼, 공진 인턱터(Lr)에 흐르는 전류(iLr)가 선형적으로 감소하게 된다.
도 4c는 도 5에서의 t2~t3의 구간에서의 비절연 고승압 공진형 컨버터(20)의 동작 상태를 도시한다. 상기 공진 인덕터(Lr)에 흐르는 전류(iLr)가 "0"이 될 때, 도 4c에 도시된 바와 같이, 제1 다이오드(Dm1)이 턴-오프된다. 다시 말하여, 상기 제1 다이오드(Dm1)가 제로 전류 턴-오프(Zero Current turning-off) 된다. 반면, 공진 탱크(24) 내의 상기 공진 인덕터(Lr) 및 상기 공진 캐패시터(Cr)는 공진 동작을 수행하게 된다. 그런 만큼, 상기 필터 인덕터(Lf)의 경유하는 전류(iLf) 및 상기 공진 인덕터(Lr)을 경유하는 전류(iLr)가 제1 스위치 소자(S1)에 공급되게 된다.
도 4d는 도 5에서의 t3~t4의 구간 동안 비절연 고승압 공진형 컨버터(20)의 동작 상태를 도시한다. 도 4d에 도시된 바와 같이, 제1 스위치 소자(S1)가 턴-오프 되어 제1 스위치 소자(S1)의 내부 캐패시터에 전압이 충전된다. 한편, 제2 스위치 소자(S2)의 내부 캐패시터에 충전된 전압(VS2)이 방전되어 제2 스위치 소자(S2)의 내부 다이오드를 통해 전류(iS2)이 흐르게 된다. 그 후, 게이트 전극에 공급되는 제2 스위치 제어 신호가 하이 논리로 변화할 때, 상기 제2 스위치 소자(S2)의 내부 다이오드에 흐르는 전류(iS2)가 제2 스위치 채널(S2)의 스위치 채널을 통해 경유하게 된다. 그러므로, 상기 제2 스위치 소자(S2)가 제로 전압 스위칭(Zero Voltage Switching) 동작을 수행하게 된다. 이때, 상기 공진 탱크(24)의 상기 공진 인덕터(Lr) 및 상기 공진 캐패시터(Cr)에 의해 공진 회로가 형성된다.
도 4e는 도 5에서의 t4~t5의 구간에서의 비절연 고승압 공진형 컨버터(20)의 동작 상태를 도시한다. 상기 공진 캐패시터(Cr)의 충전 전압(VCr)이 "-(Vo/2)-Vi" 될 때, 도 4e에 도시된 바와 같이, 제2 다이오드(Dm2)이 턴-온된다. 이 때, 공진 캐패시터(Cr)은 공진 동작에 참여하지 않게 된다. 그런 만큼, 공진 인턱터(Lr)에 흐르는 전류(iLr)도 선형적으로 감소하게 된다.
도 4f는 도 5에서의 t5~t6의 구간에서의 비절연 고승압 공진형 컨버터(20)의 동작 상태를 도시한다. 상기 공진 인덕터(Lr)에 흐르는 전류(iLr)가 다시 "0"이 될 때, 도 4f에 도시된 바와 같이, 제2 다이오드(Dm2)이 턴-오프된다. 다시 말하여, 상기 제2 다이오드(Dm2)가 제로 전류 턴-오프(Zero Current turning-off) 된다. 반면, 공진 탱크(24) 내의 상기 공진 인덕터(Lr) 및 상기 공진 캐패시터(Cr)는 공진 동작을 수행하게 된다. 그런 만큼, 상기 필터 인덕터(Lf)의 경유하는 전류(iLf) 및 상기 공진 인덕터(Lr)을 경유하는 전류(iLr)가 제1 스위치 소자(S1)에 공급되게 된다. 이러한 상태는 상기 제2 스위치 소자(S2)가 턴-오프(Turning-off)될 때까지 지속되게 된다.
이러한 방식으로 구동되는 본 발명의 일 실시 예에 따른 비절연 고승압 공진형 컨버터에서는, 공진 탱크(24)를 이용하여 제1 및 제2 스위치 소자(S1, S2)의 제로 전압 턴-온 및 턴-오프 전류를 줄여 스위칭으로 인한 에너지 손실을 감소시킬 수 있다. 또한, 배전압셀(26)에 포함된 다이오드들이 제로 전류 턴-오프되게 하여 다이오드들의 역 회복 특성으로 인한 서지 전압의 발생을 방지 또는 최소화 할 수 있다. 따라서, 본 발명의 일 실시 예에 따른 비절연 고승압 공진형 컨버터는 전력 밀도 및 효율을 한계 이상으로 향상시킬 수 있다.
도 6은 스위칭 주파수에 따른 본 발명의 일 실시 예의 비절연 고승압 공진형 컨버터의 전력 이득 특성을 설명하는 데이터 시트이다. 도 6에 도시된 전력 이득 곡선들에 따르면, 제1 및 제2 스위치 소자(S1, S2)의 스위칭 주파수는 세 개의 영역들(Three regions)로 구분될 수 있다.
제1 스위칭 주파수 영역(region 1)에서는, 제1 및 제2 스위치 소자(S1, S2)가 제로 전압 턴-오프되는 것이 바람직하다. 제2 스위치 주파수 영역(region 2)에서는, 제1 스위치 소자(S1)는 하드 스위칭 턴-온 및 턴-오프되고 제2 스위치 소자(S2)는 제로 전압 턴-온 및 턴-오프되는 것이 바람직하다. 마지막으로, 제3 스위칭 주파수 영역(region 3)에서는, 제1 및 제2 스위치 소자(S1, S2) 모두가 제로 전압 턴-온되는 것이 바람직하다. 상기 제1 및 제2 스위치 소자(S1, S2)로서, MOSFET가 사용될 경우, 상기 제1 및 제2 스위치 소자(S1, S2)는 제로 전압 턴-오프되기 보다 제로 전압 턴-온되는 것이 비절연 고승압 공진형 컨버터(20)의 전력 이득 특성을 향상시킬 수 있다. 따라서, 제1 및 제2 스위치 소자(S1, S2)의 스위치 주파수를 대략 40KHz 내지 50KHz의 제3 주파수 영역(region 3) 내에 포함되도록 설정하여, 입력 전류 리플을 줄일 수 있다. 상기 주파수 영역(40KHz 내지 50KHz)은 단지 예시용으로 기재된 것일 뿐, 상황에 따라 변경될 수 있으므로 특별히 한정될 필요는 없다.
도 7a 내지 도 7c는 비교 예의 승압형 DC-DC 컨버터들을 도시하는 회로들이다.
도 7a는 종래의 2단 부스트 컨버터의 구성을 도시하는 회로도이다. 종래의 2단 부스트 컨버터는 적은 수의 소자들을 포함하는 만큼 구현이 용이하고 또한 높은 승압비을 얻을 수 있다. 그러나, 종래의 2단 부스트 컨버터는 2단계의 전력 변환으로 인하여 효율이 낮을 수밖에 없음은 물론 후단의 위치한 스위치(S2)의 전압 정격이 높을 수밖에 없다.
도 7b는 커플링 인덕터를 이용한 종래의 비절연 컨버터의 구성을 도시하는 회로도이다. 도 7b의 비절연 컨버터는 커플링 인덕터를 이용하는 만큼 높은 승압비를 얻을 수 있을 뿐만아니라 소자들의 수가 적은 간단한 구성을 가질 수 있다. 그러나, 도 7b의 종래의 비절연 컨버터는 입력 전류 리플이 클 수밖에 없고, 또한 커플링 인덕터의 누설 인덕턴스로 인하여 스위치 소자들의 스위칭 동작 시 서지 전압이 발생될 수밖에 없다.
도 7c는 캐패시터 셀들을 이용한 종래의 비절연 컨버터의 구성을 도시한다. 도 7c의 비절연 컨버터는 캐패시터 셀들을 점층 방식으로 연결하여 높은 승압비를 얻을 수 있다. 그러나, 캐패시터 셀들이 점층 방식으로 연결되기 때문에, 입력 전류 리플이 클 수밖에 없을 뿐만아니라, 승압비가 높아질수록 소자들의 수가 증가하게 된다.
이와 같은 비교 예의 승압용 DC-DC 컨버터들은 입력 전류 리플 및 서지 전압 문제을 해소하기 위해 별도의 회로들 필요로 한다. 그런 만큼, 비교 예의 승압용 DC-DC 컨버터들의 구성은 복잡할 수밖에 없다. 다시 말하여, 비교 예의 승압용 DC-DC 컨버터들은 변환 효율 및 부피(즉, 구성) 면에서 단점들을 노출하고 있다.
반면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 비절연 고승압 공진형 컨버터(20)는 부스트 컨버터(22), 공진 탱크(24) 및 배전압셀(26)을 포함하기 때문에 간소한 구성을 가질 수 있다. 이에 더하여, 공진 탱크(24)를 이용하여 부스트 컨버터(22) 내의 스위치 소자들이 제로 전압 턴-온 및 턴-오프 전류를 줄여 스위치 동작 시의 에너지 손실(입력 전류 리플)을 최소화할 수 있다. 또한, 배전압셀(26)에 포함된 다이오드들이 제로 전류 턴-오프되게 하여 다이오드의 역 회복 특성으로 인한 서지 전압의 발생을 방지 또는 최소화할 수 있다. 따라서, 본 발명의 일 실시 예에 따른 비절연 고승압 공진형 컨버터(20)는, 종래의 승압용 DC-DC 컨버터들에 비하여, 간소한 구성 및 향상된 효율을 제공할 수 있다. 나아가, 도 2 및 도 3에 도시된 비절연 고승압 공진형 컨버터를 이용하는 본 발명의 실시 예에 따른 전력 변환 시스템도 효율을 한계 이상으로 향상시킬 수 있다.
도 8a 내지 도 8c는 도 2에서의 공진 탱크의 다른 예들을 도시하는 회로도들이다.
도 8a는 직렬 인덕터-캐패시터(SLC) 방식의 공진 탱크의 구성을 도시한다. 도 8a의 공진 탱크는 상기 제1 및 제2 노드(N1, N2) 사이에 직렬 접속된 공진 인덕턱(Lr) 및 공진 캐패시터(Cr)를 포함한다. 이러한 SLC 방식의 공진 탱크는 강압 전력 이득 특성을 가지기 때문에 강압형 응용에 적합하다.
도 8b는 인덕터-인덕터-캐패시터(LLC) 방식의 공진 탱크의 구성을 도시한다. 도 8b의 공진 탱크는 상기 제1 및 제2 노드(N1, N2) 사이에 직렬 접속된 제1 공진 인덕터(Lr1) 및 공진 캐패시터(Cr)와 그리고 상기 제2 노드(N2) 및 상기 공통 라인(GL) 사이에 접속된 제2 공진 인덕터(Lr2)를 포함한다.
도 8c는 인덕터-캐패시터-캐패시터(LCC) 방식의 공진 탱크를 도시한다. 도 8c의 공진 탱크는 상기 제1 및 제2 노드(N1, N2) 사이에 직렬 접속된 공진 인덕터(Lr) 및 제1 공진 캐패시터(Cr1)와 그리고 상기 제2 노드(N2) 및 상기 공통 라인(GL) 사이에 접속된 제2 공진 캐패시터(Cr2)를 포함한다.
상기 LLC 방식 및 LCC 방식의 공진 탱크들은 강압 및 승압형 응용 모두에서 최적 설계될 수 있다. 따라서, 상기 LLC 방식 및 LCC 방식의 공진 탱크들은 강압 및 승압형 응용 모두 사용될 수 있다.
도 9a 및 도 9b는 도 2에 도시된 배전압셀(26)의 다른 예들을 도시한다. 도 9a는 3단 배전압셀의 구성을 도시하는 회로도이고, 도 9b는 4단 배전압셀의 구성을 도시하는 회로도이다.
도 9a를 참조하면, 3단 배전압셀은 도 2 및 도 3에서의 부스트 컨터터(22)에 의하여 승압된 전압을 다시 3배로 승압할 수 있다. 이를 위하여, 3단 배전압셀은 제2 내지 제4 필터 캐패시터(Cml~Cm3) 및 제1 내지 제3 다이오드(Dm1~Dm3)를 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
제2 필터 캐패시터(Cm1)는 상기 제2 노드(N2) 및 제3 노드(N3) 사이에 접속된다. 제 3 필터 캐패시터(Cm2)는 상기 포지티브 출력 단자(POT) 및 제 3 노드(N3) 사이에 접속된다. 제4 필터 캐패시터(Cm3)는 상기 공통 라인(GL) 및 제4 노드(N4) 사이에 접속된다. 제1 다이오드(Dm1)는 상기 공통 라인(GL) 및 상기 제3 노드(N3) 사이에 접속된다. 제2 다이오드(Dm2)는 상기 제3 노드(N3) 및 상기 제4 노드(N4) 사이에 접속된다. 제3 다이오드(Dm3)는 상기 제4 노드(N4) 및 상기 포지티브 출력 단자(POT) 사이에 접속된다. 다시 말하여, 상기 제3 필터 캐패시터(Cm2)는 상기 제2 및 제3 다이오드(Dm2, Dm3)의 직렬 회로에 병렬 접속되고, 상기 제4 필터 캐패시터(Cm3)는 상기 제1 및 제2 다이오드(Dm1, Dm2)의 직렬 회로에 병렬 접속된다.
도 9b를 참조하면, 4단 배전압셀은 도 2 및 도 3에서의 부스트 컨터터(22)에 의하여 승압된 전압을 다시 4배로 승압할 수 있다. 이를 위하여, 4단 배전압셀은 제2 내지 제5 필터 캐패시터(Cml~Cm4) 및 제1 내지 제4 다이오드(Dm1~Dm4)를 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
제2 필터 캐패시터(Cm1)는 상기 제2 노드(N2) 및 제3 노드(N3) 사이에 접속된다. 제 3 필터 캐패시터(Cm2)는 상기 제 3 노드(N3) 및 제5 노드(N5) 사이에 접속된다. 제4 필터 캐패시터(Cm3)는 상기 공통 라인(GL) 및 제4 노드(N4) 사이에 접속된다. 제5 필터 캐패시터(Cm4)는 상기 제4 노드(N4) 및 상기 포지티브 출력 단자(POT) 사이에 접속된다. 제1 다이오드(Dm1)는 상기 공통 라인(GL) 및 상기 제3 노드(N3) 사이에 접속된다. 제2 다이오드(Dm2)는 상기 제3 노드(N3) 및 상기 제4 노드(N4) 사이에 접속된다. 제3 다이오드(Dm3)는 상기 제4 노드(N4) 및 제5 노드(N5) 사이에 접속된다. 제4 다이오드(Dm4)는 상기 제5 노드(N5) 및 상기 포지티브 출력 단자(POT) 사이에 접속된다. 다시 말하여, 상기 제3 필터 캐패시터(Cm2)는 상기 제2 및 제3 다이오드(Dm2, Dm3)의 직렬 회로에 병렬 접속되고, 상기 제4 필터 캐패시터(Cm3)는 상기 제1 및 제2 다이오드(Dm1, Dm2)의 직렬 회로에 병렬 접속되고, 그리고 제5 필터 캐패시터(Cm4)는 제3 및 제4 다이오드(Dm3, Dm4)의 직렬 회로에 병렬 접속된다.
이상에서 설명한 것은 본 발명에 따른 비절연 고승압 공진형 컨버터 및 그를 이용한 전력 변환 시스템을 실시하기 위한 실시 예들에 불과하다. 그런 만큼, 본 발명은 상기한 실시 예들에 한정되지 않고, 이하의 특허청구범위에 기재된 바와 같이 본 발명의 요지 및 기술적 정신를 벗어남 없이 당해 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변경 실시가 가능한 범위까지 포함하는 것으로 보호되어야 할 것이다.
10 ; 직류 전압원 20 ; 비절연 고승압 공진형 컨버터
22 ; 부스터 컨버터 24 ; 공진 탱크
26 ; 배전압셀 30 ; 인버터
40 ; 인버터 50 ; 부하
Lf ; 필터 인덕터 S1, S2 ; 스위치 소자
Lr ; 공진 인덕터 Cr ; 공진 캐패시터
D1, D1 ; 다이오드 Cf, Cm1, Cm2 ; 필터 캐패시터

Claims (9)

  1. 포지티브 입력 단자를 통해 입력되는 직류 전압을 승압-변환하는 부스트 컨버터;
    상기 부스트 컨버터에 의하여 승압-변환된 전압을 적어도 2배 이상 승압되게 하는 배전압셀; 및
    상기 부스트 컨버터 및 상기 배전압셀의 사이에 접속되어, 상기 배전압셀에서의 서지 전압의 발생을 억제하고 상기 배전압셀의 승압 동작을 지원하는 공진 탱크를 포함하고,
    상기 부스트 컨버터는
    상기 포지티브 입력 단자 및 제1 노드 사이에 접속된 필터 인턱터;
    상기 제1 노드와 공통 라인 사이에 접속되어 제1 스위치 제어 신호에 의해 제어되는 제1 스위치 소자;
    제1 필터 캐패시터와 함께 상기 제1 노드 및 상기 공통 라인 사이에 직렬 접속되어 제2 스위치 제어 신호에 의하여 제어되는 제2 스위치 소자를 포함하고,
    상기 공진 탱크는
    상기 제1 노드 및 제2 노드 사이에 접속된 공진 인덕터; 및
    상기 제2 노드 및 상기 공통 라인 사이에 접속된 공진 캐패시터를 포함하고,
    상기 배전압셀은
    상기 제2 노드 및 제3 노드 사이에 접속된 제2 필터 캐패시터;
    상기 공통 라인 및 포지티브 출력 단자 사이에 접속된 제3 필터 캐패시터;
    상기 제3 노드 및 상기 공통 라인 사이에 접속된 제1 다이오드; 및
    상기 제3 노드 및 상기 포지티브 출력 단자 사이에 접속된 제2 다이오드를 포함하는 것을 특징으로 하는 비절연 고승압 공진형 컨버터.
    상기 제2 노드 및 상기 공통 라인 사이에 접속된 제2 공진 캐패시터를 포함하는 것을 특징으로 하는 비절연 고승압 공진형 컨버터.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 공진 탱크는 상기 제1 노드 및 제2 노드 사이에 직렬 접속된 공진 인덕터 및 공진 캐패시터를 포함하는 것을 특징으로 하는 비절연 고승압 공진형 컨버터.
  4. 삭제
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 공진 탱크는
    상기 제1 노드 및 제2 노드 사이에 접속된 제1 공진 인덕터 및 공진 캐패시터; 및
    상기 제2 노드 및 상기 공통 라인 사이에 접속된 제2 공진 인덕터를 포함하는 것을 특징으로 하는 비절연 고승압 공진형 컨버터.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 공진 탱크는
    상기 제1 노드 및 제2 노드 사이에 접속된 공진 인덕터 및 제1 공진 캐패시터; 및
    상기 제2 노드 및 상기 공통 라인 사이에 접속된 제2 공진 캐패시터를 포함하는 것을 특징으로 하는 비절연 고승압 공진형 컨버터.
  7. 삭제
  8. 제 1 항에 있어서, 상기 배전압셀은
    상기 제2 노드 및 제3 노드 사이에 접속된 제2 필터 캐패시터;
    상기 제3 노드 및 포지티브 출력 단자 사이에 접속된 제3 필터 캐패시터;
    상기 공통 라인 및 제4 노드 사이에 접속된 제4 필터 캐패시터;
    상기 제3 노드 및 상기 공통 라인 사이에 접속된 제1 다이오드;
    상기 제3 노드 및 상기 제4 노드 사이에 접속된 제2 다이오드; 및
    상기 제4 노드 및 상기 포지티브 출력 단자 사이에 접속된 제3 다이오드를 포함하는 것을 특징으로 하는 비절연 고승압 공진형 컨버터.
  9. 제 1 항에 있어서, 상기 배전압셀은
    상기 제2 노드 및 제3 노드 사이에 접속된 제2 필터 캐패시터;
    상기 제3 노드 및 제5 노드 사이에 접속된 제3 필터 캐패시터;
    상기 공통 라인 및 제4 노드 사이에 접속된 제4 필터 캐패시터;
    상기 제4 노드 및 포지티브 출력 단자 사이에 접속된 제5 필터 캐패시터;
    상기 제3 노드 및 상기 공통 라인 사이에 접속된 제1 다이오드;
    상기 제3 노드 및 상기 제4 노드 사이에 접속된 제2 다이오드;
    상기 제4 노드 및 상기 제5 노드 사이에 접속된 제3 다이오드; 및
    상기 제5 노드 및 상기 포지티브 출력 단자 사이에 접속된 제4 다이오드를 포함하는 것을 특징으로 하는 비절연 고승압 공진형 컨버터.
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