KR101452461B1 - 위상천이 풀브릿지 컨버터 - Google Patents

위상천이 풀브릿지 컨버터 Download PDF

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박준우
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Abstract

본 발명은 컨버터의 초기 구동 시에 발생되는 큰 공진에너지를 저항을 통해 소모시킴으로써 보조 DC/DC 컨버터가 부담하는 에너지를 줄이도록 하는 위상천이 풀브릿지 컨버터에 관한 것이다.
본 발명에 따른 위상천이 풀브릿지 컨버터는, 풀브릿지 형태의 다수의 스위치로 입력전압을 스위칭시키는 스위칭부; 상기 입력전압을 1차측에서 2차측으로 전달하는 트랜스포머; 상기 트랜스포머의 2차측에 연결된 제1커패시터, 제1스위치 및 저항을 포함하는 보조회로부; 상기 보조회로부에 연결된 정류부; 및 상기 보조회로부의 전압을 변환하는 DC/DC 컨버터를 포함하고, 상기 보조회로부는, 상기 제1커패시터는 상기 트랜스포머의 2차측에 병렬연결되고, 직렬연결된 상기 제1스위치 및 저항이 상기 제1커패시터에 병렬연결된다.

Description

위상천이 풀브릿지 컨버터{PHASE-SHIFT FULL-BRIDGE CONVERTER}
본 발명은 위상천이 풀브릿지 컨버터에 관한 것으로서, 상세하게는 비동기식 능동형 클램프 회로를 적용한 위상천이 풀브릿지 컨버터(Phase-Shift Full-Bridge Converter)에서 초기 구동시에 발생되는 큰 공진에너지를 저항을 통해 소모시킴으로써 보조 DC/DC 컨버터가 부담하는 에너지를 줄일 수 있는 위상천이 풀브릿지 컨버터에 관한 것이다.
일반적으로 대용량급 전력변환 회로는 고 전력밀도, 고 효율, 전자차폐(EMI: ElectroMagnetic Interference) 특성이 좋은 영 전압 스위칭 위상천이 풀브릿지 컨버터가 많이 사용되고 있다.
종래의 위상천이 풀브릿지 컨버터는 변압기의 누설 인덕턴스와 2차측 정류기의 기생 출력 커패시턴스 사이의 공진으로 인하여 2차측 정류기의 공진전압이 증가하며, 이는 EMI 문제 및 도통 손실 증가 등의 문제점이 존재한다.
최근 이런 문제를 해결하기 위해 2차측 정류기의 공진에너지를 보조 DC/DC 컨버터를 사용하여 부하로 회귀시키는 비동기식 능동형 클램프 회로가 사용되고 있다. 그러나, 공진에너지를 출력으로 회귀시키는 위상천이 풀브릿지 DC/DC 컨버터는 초기 기동시에 출력 커패시터의 전압을 정상상태로 충전시키는 전류로 인하여 공진 에너지가 증가하게 된다.
이로 인하여, 초기에 보조 DC/DC 컨버터가 동작할 경우 보조 DC/DC 컨버터가 다루어야 할 공진 에너지가 정상상태보다 커지기 때문에 보조 DC/DC 컨버터의 자성소자가 필요 이상이로 커지게 된다.
또한, 초기 기동시 위상천이 풀브릿지 컨버터 및 클램프하기 위한 보조 DC/DC 컨버터의 출력전압이 제어 IC의 소프트 스타트(soft start) 기능 및 부가적인 소트프 스타트 회로를 통하여 정상상태까지 도알하지 못한 상태이기 때문에, 보조 DC/DC 컨버터의 인덕터 전류 첨두치가 증가하게 되어 자성 소자의 포화, 반도체 소자의 파괴 등과 같은 문제가 발생한다.
한국등록특허 제10-0940227호
이에, 본 발명은 초기 구동시 발생되는 큰 공진에너지를 히스테리시스 회로를 이용하여 저항을 통해 소모시킴으로써 보조 DC/DC 컨버터가 부담해야 하는 에너지를 감소시키는 위상천이 풀브릿지 컨버터를 제공하는데 목적이 있다.
또한, 본 발명은 보조 DC/DC 컨버터의 자성소자의 크기를 줄일 수 있도록 하는 위상천이 풀브릿지 컨버터를 제공하는데 추가적인 목적이 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 위상천이 풀브릿지 컨버터는,
풀브릿지 형태의 다수의 스위치로 입력전압을 스위칭시키는 스위칭부; 상기 입력전압을 1차측에서 2차측으로 전달하는 트랜스포머; 상기 트랜스포머의 2차측에 연결된 제1커패시터, 제1스위치 및 저항을 포함하는 보조회로부; 상기 보조회로부에 연결된 정류부; 및 상기 보조회로부의 전압을 변환하는 DC/DC 컨버터를 포함하고, 상기 보조회로부는, 상기 제1커패시터는 상기 트랜스포머의 2차측에 병렬연결되고, 직렬연결된 상기 제1스위치 및 저항이 상기 제1커패시터에 병렬연결된다.
본 발명에서, 상기 DC/DC 컨버터는 상기 2차측에서 발생한 공진전압을 부하측으로 회귀시킨다.
본 발명에서, 상기 트랜스포머의 2차측에 발생한 공진전압을 상기 제1스위치의 동작에 따라 상기 저항에서 소모시킨다.
본 발명에서, 초기 구동시 상기 제1커패시터에 충전된 전압(Vcl)이 기설정된 히스테리시스 전압의 상한값 이상으로 상승하면 상기 제1스위치가 턴온(turn-on)되어 상기 제1커패시터에 충전된 전압이 상기 저항를 통해 방전된다.
본 발명에서, 상기 제1커패시터의 전압(Vcl)이 방전되어 기설정된 히스테리시스 전압의 하한값 이하로 떨어지면 상기 제1스위치가 턴오프(turn-off)되어 상기 제1커패시터에 전압이 재충전된다.
본 발명에서, 상기 2차측의 출력전압(Vo)이 정상상태로 상승한 이후에 상기 제1스위치는 오프상태를 유지한다.
본 발명에 의하면, 2차측 정류기의 공진 에너지를 보조 DC/DC 컨버터를 사용하여 부하로 회귀시키는 비동기식 능동형 클램프 회로가 적용되는 위상천이 풀브릿지 컨버터에서 초기 기동 시 출력전압을 정상상태로 충전시키는 전류로 인해 큰 공진에너지가 발생되어 초기에 보조 DC/DC 컨버터가 동작할 경우 보조 DC/DC 컨버터가 다루어야 하는 에너지가 정상상태보다 커지기 때문에 자성소자가 필요이상으로 커지게 되는 문제점을 해결할 수 있다.
또한, 본 발명에 의하면 초기 기동시 출력전압이 정상상태에 도달한 후 보조 DC/DC 컨버터가 동작하기 때문에 큰 전류 첨두치로 인한 자화소자의 포화, 반도체 소자의 파괴 등의 문제가 발생되지 않이 시스템의 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 위상천이 풀브릿지 컨버터의 회로도.
도 2는 본 발명에 따른 제1스위치 및 DC/DC 컨버터의 구동을 위한 회로도.
도 3은 도 2의 회로의 입력전압 생성을 위한 플라이백 컨버터의 예시도.
도 4는 본 발명에 따른 제1스위치 및 보조 DC/DC 컨버터의 파형도이다.
도 5는 본 발명에 따른 위상천이 풀브릿지 컨버터의 초기 구동시에 대한 실험결과를 나타낸 도면.
이하에서, 본 발명의 바람직한 실시 예가 첨부된 도면들을 참조하여 설명할 것이다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 위상천이 풀브릿지 컨버터의 회로도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 위상천이 풀브릿지 컨버터는 스위칭부(110), 트랜스포머(200), 보조회로부(300), 정류부(400) 및 보조 DC/DC 컨버터(500)를 포함하여 구성된다.
스위칭부(110)는 다수의 스위치(M1,M2,M3,M4)(111,112,113,114)가 풀 브릿지 형태로 구성되고 이들 스위치(M1~M4)(111~114)를 이용하여 입력전압(Vin)을 스위칭한다. 이와 같이 스위칭된 입력전압은 트랜스포머(200)의 1차측으로 전달된다.
트랜스포머(200)는 1차측의 에너지를 설정된 권선비에 따라 2차측으로 전달한다. 이러한 트랜스포머(200)는 누설 인덕터(Lk) 및 자화 인턱터(Lm)을 갖는다.
보조회로부(300)는 트랜스포머(200)의 2차측에 연결되며 제1커패시터(310), 제1스위치(320) 및 저항(330)을 포함한다. 구체적으로 보조회로부(300)에서 제1커패시터(310)는 트랜스포머(200)의 2차측에 병렬연결되고, 서로 직렬연결된 상기 제1스위치(320) 및 저항(330)이 제1커패시터(310)에 병렬연결된다. 또한, 이러한 보조회로부(300)는 2차측에 병렬연결되는 제2 및 제3 스위치(340,350)를 포함한다. 이러한 제2,3스위치(340,350)는 제1커패시터(310), 제1스위치(320) 및 저항(330)으로 전원을 공급하도록 스위칭된다.
정류부(400)는 보조회로부(300)에 연결되며 2개의 스위치(Ms1,Ms2)(411,412)와 하나의 출력 커패시터(Co)를 포함하며 보조회로부(300)에서 출력되는 전압을 평활시킨다.
보조 DC/DC 컨버터(500)는 보호회로부(300)에 연결되고 보조회로부(300)에서의 전압을 DC-DC 변환한다.
이와 같이 구성된 본 발명에 따른 위상천이 풀브릿지 컨버터의 경우 초기 구동시에 트랜스포머(200)의 누설 인덕턴스와 정류부(400)의 턴온된 스위치(Ms1 또는 Ms2) 내의 기생 출력 커패시턴스 사이의 공진으로 인해 해당 스위치(Ms1 또는 Ms2)의 공진전압이 증가하게 된다. 이는 EMI 문제 및 스위치(Ms1,Ms2)(411,412)의 도통손실의 증가를 초래한다. 따라서, 본 발명에서는 이러한 문제를 해결하기 위해 2차측 스위치(Ms1,Ms2)(411,412)의 과도한 공진전압을 보조 DC/DC 컨버터(500)를 이용하여 부하(Ro)로 회귀시킨다.
또한, 상기한 본 발명의 위상천이 풀브릿지 컨버터의 경우 초기 기동시 출력 커패시터(Co)의 전압을 정상상태로 충전시키는 전류로 인해 트랜스포머(200)의 누설 인덕턴스와 스위치(Ms1 또는 Ms2) 내의 기생 출력 커패시턴스 사이에 공진이 발생하게 되고 이로 인해 공진전압이 증가하게 된다. 이처럼 증가한 공진전압이 보조 DC/DC 컨버터(500)로 인가될 경우 보조 DC/DC 컨버터(500)가 부담해야 하는 에너지가 커지게 되는 문제점이 있으므로, 이를 해결하기 위해 보조회로부(300) 내의 제1커패시터(310)에 병렬로 제1스위치(320) 및 저항(330)의 직렬연결이 설치된다. 이로써 제1스위치(320)의 동작에 따라 상기한 공진전압이 저항(330)에서 소모시킴으로써 보조 DC/DC 컨버터(500)의 부담을 줄이도록 한다.
도 2는 본 발명에 따른 제1스위치 및 보조 DC/DC 컨버터의 구동을 위한 회로도이다.
도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 제1스위치(320)를 구동하기 위한 게이트 신호를 생성하기 위해 제1커패시터(310)의 전압(Vcl)과, 소정의 회로에서 센싱받은 입력전압(Vin-sense)을 이용하여 히스테리시스(hysteresis) 회로를 구성한다. 구체적으로 이러한 구동회로는 제1커패시터(310)의 전압(Vcl), 센싱받은 입력전압(Vin-sense), IC동작전원(Vcc)를 입력으로 하고 다수의 저항소자 및 커패시터와, OP앰프, AND게이터로 간단히 구성할 수 있으며, 이는 공지기술이므로 상세한 설명은 생략한다. 여기서, 상기의 센싱받은 입력전압(Vin-sense)은 예컨대 도 3과 같은 IC의 동작전원을 생성하기 위한 플라이백 컨버터를 이용하여 센싱받을 수 있다.
본 발명에 따른 위상천이 풀브릿지 컨버터의 초기 구동 시 제1커패시터(310)의 전압(Vcl)이 기설정된 히스테리시스 전압 이상으로 상승하게 되는 순간 제1스위치(320)가 턴온되어 제1커패시터(310)의 에너지는 저항(330)를 통해 방전된다. 반대로 제1커패시터(310)의 전압(Vcl)이 기설정된 히스테리시스 전압 이하으로 내려가는 순간 제1스위치(320)가 턴오프되어 제1커패시터(310)에 에너지가 축적된다.
이러한 충전 및 방전 과정은 초기 구동시에 반복되며 출력전압(Vo)이 정상상태로 상승하게 되는 시간을 고려해서 도 2의 R5와 C2의 시정수 이후 히스테리시스 회로를 통한 제1스위치(320)의 게이트 신호는 오프(off)를 유지하게 되며, 이와 공시에 보조 DC/DC 컨버터(500)가 동작하기 시작한다. 따라서, 초기에 보조 DC/DC 컨버터(500)가 동작할 경우 큰 전류 첨두치로 인한 자성소자의 포화 및 반도체 소자의 파괴 등의 문제없이 정상동작을 시작할 수 있는 것이다.
도 4는 본 발명에 따른 제1스위치 및 보조 DC/DC 컨버터의 파형도이다.
도 4를 참조하면, 맨 아래의 전류파형은 보조 DC/DC 컨버터(500)로 벅(buck) 컨버터를 사용하였을 때의 전류파형을 나타낸다. 초기 구동 시 외부 스위치가 턴온되는 순간 출력전압(Vo)을 정상상태로 충전시키는 전류로 인하여 공진전압이 증가하게 되어 제1커패시터(310)의 전압(Vcl)은 상승하게 된다. 이와 같이 상승한 제1커패시터(310)의 전압(Vcl)이 기설정된 히스테리시스 전압의 상한값 이상으로 상승하는 순간 제1스위치(320)가 턴온되어 제1커패시터(310)의 전압(Vcl)은 저항(330)을 통해 방전되도록 한다. 이로써 제1커패시터(310)의 전압(Vcl)은 감소하며 그 감소된 전압이 기설정된 히스테리시스 전압의 하한값 이하로 떨어지는 순간 제1스위치(320)가 턴오프되어 제1커패시터(310)에 다시 전압(Vcl)이 충전된다.
이후에, 출력전압(Vo)이 정상상태로 상승한 이후에 히스테리시스 회로를 통한 제1스위치(320)의 게이트 신호는 오프를 유지하며, 이와 동시에 보조 DC/DC 컨버터(500)가 동작되어 큰 전류 첨두치 없이 정상동작을 시작하도록 할 수 있다.
도 5는 본 발명에 따른 위상천이 풀브릿지 컨버터의 초기 구동시에 대한 실험 결과를 나타낸 도면이다.
도 5를 참조하면, 본 발명에 따른 위상천이 풀브릿지 컨버터에서 초기 구동시의 실험 결과를 살펴보면, 상기의 제어기술을 적용하여 제1커패시터(310)의 전압(Vcl)의 히스테리시스 동작이 정상적으로 구동되는 것을 확인할 수 있으며, 이때 출력전압(Vo)이 정상상태로 도달되는 시점 이후에 히스테리시스 동작은 종료되며, 큰 전류 첨두치 없이 보조 DC/DC 컨버터(500)가 정상동작하는 것을 확인할 수 있다.
상술한 본 발명은 바람직한 실시 예들을 통하여 상세하게 설명되었지만, 본 발명은 이러한 실시 예들의 내용에 한정되는 것이 아님을 밝혀둔다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면, 비록 실시 예에 제시되지 않았지만 첨부된 청구항의 기재 범위 내에서 다양한 본 발명에 대한 모조나 개량이 가능하며, 이들 모두 본 발명의 기술적 범위에 속함은 너무나 자명하다 할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.
100 : 스위칭부 200 : 트랜스포머
300 : 보조회로부 310 : 제1커패시터
320 : 제1스위치 330 : 저항
400 : 정류부 500 : DC/DC 컨버터

Claims (6)

  1. 풀브릿지 형태의 다수의 스위치로 입력전압을 스위칭시키는 스위칭부(100);
    상기 입력전압을 1차측에서 2차측으로 전달하는 트랜스포머(200);
    상기 트랜스포머(200)의 2차측에 연결된 제1커패시터(310), 제1스위치(320) 및 저항(330)을 포함하는 보조회로부(300);
    상기 보조회로부(300)에 연결된 정류부(400); 및
    상기 보조회로부(300)의 전압을 변환하는 DC/DC 컨버터(500); 를 포함하고,
    상기 보조회로부(300)는,
    상기 제1커패시터(310)는 상기 트랜스포머(200)의 2차측에 병렬연결되고, 서로 직렬연결된 상기 제1스위치(320) 및 저항(330)이 상기 제1커패시터(310)에 병렬연결되는 위상천이 풀브릿지 컨버터.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 DC/DC 컨버터(500)는 상기 2차측에서 발생한 공진전압을 부하측으로 회귀시키는 위상천이 풀브릿지 컨버터.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 트랜스포머(200)의 2차측에 발생한 공진전압을 상기 제1스위치(320)의 동작에 따라 상기 저항(330)에서 소모시키는 위상천이 풀브릿지 컨버터.
  4. 제3항에 있어서,
    초기 구동시 상기 제1커패시터(310)에 충전된 전압(Vcl)이 기설정된 히스테리시스 전압의 상한값 이상으로 상승하면 상기 제1스위치(320)가 턴온(turn-on)되어 상기 제1커패시터(310)에 충전된 전압이 상기 저항(330)를 통해 방전되는 위상천이 풀브릿지 컨버터.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제1커패시터(310)의 전압(Vcl)이 방전되어 기설정된 히스테리시스 전압의 하한값 이하로 떨어지면 상기 제1스위치(320)가 턴오프(turn-off)되어 상기 제1커패시터(310)에 전압이 재충전되는 위상천이 풀브릿지 컨버터.
  6. 제4항 또는 제5항에 있어서,
    상기 2차측의 출력전압(Vo)이 정상상태에 도달하면 상기 제1스위치(320)는 오프상태를 유지하는 위상천이 풀브릿지 컨버터.
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