KR101464478B1 - 다중 입력 ｌｌｃ 공진형 ｄｃ―ｄｃ 컨버터 - Google Patents

다중 입력 ｌｌｃ 공진형 ｄｃ―ｄｃ 컨버터 Download PDF

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Abstract

종래 기술에 의한 다중 입력 공진형 DC-DC 컨버터에서는 트랜스포머의 2차 측에 유도성 부하를 사용할 수 없기 때문에 효율을 증대시키기 어려우며 스위칭 손실이 발생하게 되는 문제점이 있었다.
본 발명은 이러한 문제점을 해결하여, 트랜스포머의 2차측에 도트가 서로 상이한 공통 모드 인덕터를 연결하여 배전류 정류를 함으로써, LLC 직렬 공진 특성에는 영향을 주지 않으면서도 전류량을 반으로 감소시킬 수 있어 트랜스포머의 스트레스를 감소시켜 효율 개선을 증대시킬 수 있으며, 또한, 하나의 트랜스포머를 사용하여 여러 개의 입력을 수용할 수 있고, 서로 다른 도트의 공통 모드 인덕터를 사용하여, 제조가 용이하며 효율을 개선할 수 있다.

Description

다중 입력 ＬＬＣ 공진형 ＤＣ―ＤＣ 컨버터{MULTI INPUT LLC RESONANT TYPE DC-DC CONVERTER}
본 발명은 다중 입력 LLC 공진형 DC-DC 컨버터에 관한 것으로서, 구체적으로 멀티 입력 트랜스포머와 도트 (dot) 가 다른 인덕터를 이용한 배전류 정류 회로를 적용하여 전류의 불평형을 방지하고, 트랜스포머의 스트레스를 줄일 수 있는 다중 입력 LLC 공진 DC-DC 컨버터에 관한 것이다.
먼저, 본 발명에 관한 선행 문헌으로는 다음을 들 수 있다.
- 미국 특허 제 5,684,683 호
최근 통신 시스템에서는 수 kW 이상의 대용량 전원이 요구되고 있다. 이러한 대용량 전원에서는 보통 AC-DC 와 DC-DC 의 2-스테이지 (2-stage) 로 구성되며, AC-DC의 입력은 3상의 전원이 인가된다. 3상 입력의 AC-DC 컨버터의 경우 600 V 이상의 고압의 출력이 생성되며, 고압의 DC-DC 컨버터는 높은 전압 변환비율로 인하여 변압기 손실이 발생하게 된다. 이를 방지하기 위하여 DC-DC 컨버터의 입력을 3-레벨 (3-level) 로 구성하여 두 개의 컨버터의 입력을 직렬로 연결하는 방식을 사용한다.
그러나, 이러한 경우 두 개의 컨버터의 입력 전압은 불평형을 이룰 수 밖에 없고, 이는 출력에도 영향을 주어 큰 리플이 생성되고, 소자의 파손이 발생할 수 있는 문제점이 있다.
이러한 문제점을 해결하기 위해, 두 개의 컨버터의 트랜스포머를, 인덕턴스가 동일하게 되도록 하기 위해, 하나로 사용하는 방식을 사용하게 된다. 이와 관련하여, 미국 특허 제 5,684,683 호에서는, 대전류에서 사용하는 컨버터로서, 두 개의 입력을 갖는 하나의 트랜스포머를 사용한 컨버터를 개시하고 있다.
한편, 컨버터 방식 중 공진 컨버터는 대전류 출력 특성을 만족시키면서 높은 효율을 달성할 수 있기 때문에 최근 많이 사용하고 있으나, 일반적인 공진 컨버터에서 출력 측에 유도성 부하를 사용하는 경우, 회로 특성이 바뀌게 되어 LLC 공진 컨버터의 특성을 가질 수 없으므로 출력 측에 유도성 부하를 사용할 수 없다.
전술한 미국 특허 제 5,684,683 호에서는 일반적인 풀브릿지 (Full Bridge) 방식의 회로를 개시하고 있고, 공진 컨버터로 사용하는 경우 2차 측에 유도성 부하를 사용할 수 없기 때문에 출력 리플이 크며 대전류로 인한 스위칭 손실이 발생하게 되어 효율을 증대시키기 어려운 문제점을 갖는다.
본 발명은, 상술한 문제점을 해결하기 위해, 효율을 높일 수 있는 공진형 컨버터로 회로의 불평형을 방지하고 트랜스포머의 스트레스를 줄여 대용량 전원에 사용할 수 있는 다중 입력 LLC 공진 DC-DC 컨버터 시스템과 방법을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 출력 전류를 절반으로 줄이면서 전류 스트레스를 줄일 수 있는 공진 컨버터 동작이 가능한 LLC 공진 DC-DC 컨버터를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
전술한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의한 다중 입력 LLC 공진 DC-DC 컨버터는, 멀티-입력 트랜스포머 (Multi-input Transformer), 상기 멀티-입력 트랜스포머의 1차측에 연결되는 2 이상의 직렬 공진 회로, 및 상기 멀티-입력 트랜스포머의 2차측에 연결되는 배전류 정류 회로를 포함할 수 있다.
본 발명에 의한 다중 입력 LLC 공진 DC-DC 컨버터에서, 상기 배전류 정류 회로는, 서로 상이한 도트 (dot) 를 가진 공통 모드 인덕터 (inductor) 를 포함할 수 있다.
본 발명에 의한 다중 입력 LLC 공진 DC-DC 컨버터에서, 상기 공통 모드 인덕터는, 동일한 코일 (Coil) 과 권선수를 갖도록 할 수 있다.
본 발명에 의한 다중 입력 LLC 공진 DC-DC 컨버터에서, 상기 직렬 공진 회로는, 하프-브릿지 (Half-Bridge) LLC 공진 회로 또는 풀-브릿지 (Full-Bridge) LLC 공진 회로일 수 있다.
본 발명에 의한 다중 입력 LLC 공진 DC-DC 컨버터에서, 상기 2 이상의 직렬 공진 회로는 상기 멀티-입력 트랜스포머의 1차측에 직렬로 연결되거나, 또는 병렬로 연결될 수 있다.
본 발명에서 개시된 기술은 다음과 같은 효과를 가질 수 있다. 다만, 특정 실시예가 다음의 효과를 전부 포함하여야 한다거나 다음의 효과만을 포함하여야 한다는 의미는 아니므로, 개시된 기술의 권리범위는 이에 의하여 제한되는 것으로 이해되어서는 아니 될 것이다.
일 실시예에 따른 본 발명에 의한 다중 입력 LLC 공진 DC-DC 컨버터는, 출력에 부담되는 전류를 반으로 줄일 수 있어 대용량 방식에 적합하다.
일 실시예에 따른 본 발명에 의한 다중 입력 LLC 공진 DC-DC 컨버터는, 입력 전압 또는 전류의 불평형을 개선하면서 트랜스포머의 스트레스를 감소시켜 효율 개선을 증대시킨다.
일 실시예에 따른 본 발명에 의한 다중 입력 LLC 공진 DC-DC 컨버터는, 하나의 트랜스포머를 사용하여 여러 개의 입력을 수용할 수 있고, 서로 다른 도트의 공통 모드 인덕터를 사용하여, 제조가 용이하며 효율을 개선할 수 있다.
일 실시예에 따른 본 발명에 의한 다중 입력 LLC 공진 DC-DC 컨버터는, 트랜스포머의 2차측의 인덕터로 인하여 트랜스포머의 피크 전류를 감소시키는 효과가 있다.
일 실시예에 따른 본 발명에 의한 다중 입력 LLC 공진 DC-DC 컨버터는, 서로 다른 도트의 공통 모드 인덕터를 사용함으로써, 효율이 높은 LLC 공진 컨버터에 유도성 부하가 있어도 공진에 영향을 주지 않고 사용할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 다중 입력 LLC 공진 DC-DC 컨버터로서, 트랜스포머의 입력이 직렬 연결인 경우의 회로도이다.
도 2는 멀티-입력 트랜스포머 (TM) 의 1차측에 연결된 LLC 공진 회로의 동작 파형이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 다중 입력 LLC 공진 DC-DC 컨버터에서의 멀티-입력 트랜스포머 (TM) 의 2차측의 전류 파형이다.
도 4는 도 3의 멀티-입력 트랜스포머 (TM) 의 2차측 전류 파형을 확대한 그래프이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 다중 입력 LLC 공진 DC-DC 컨버터로서, 트랜스포머의 입력이 병렬 연결인 경우의 회로도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 다중 입력 LLC 공진 DC-DC 컨버터로서, 트랜스포머의 2차측의 배전류 정류 회로가 다중인 경우의 회로도이다.
본문에 개시되어 있는 본 발명의 실시예들에 대해서, 특정한 구조적 내지 기능적 설명들은 단지 본 발명의 실시예를 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로, 본 발명의 실시예들은 다양한 형태로 실시될 수 있으며 본문에 설명된 실시예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 아니 된다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로 사용될 수 있다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위로부터 이탈되지 않은 채 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 구성요소들 간의 관계를 설명하는 다른 표현들, 즉 "~사이에"와 "바로 ~사이에" 또는 "~에 이웃하는"과 "~에 직접 이웃하는" 등도 마찬가지로 해석되어야 한다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 설시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미이다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미인 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명하고자 한다. 도면상의 동일한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 사용하고 동일한 구성요소에 대해서 중복된 설명은 생략한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 다중 입력 LLC 공진 DC-DC 컨버터의 회로도이다. 도 1의 실시예에서는 대용량의 입력 전원을 변환하기 위한 것으로서, 입력 전압 (Vdc) 이 분압되어(VOUT-H, VOUT-L), 각각 2 개의 하프 브릿지 (Half bridge) LLC 공진 회로에 입력되고, 이러한 2 개의 LLC 공진 회로는 멀티-입력 트랜스포머 (Multi-input Transformer) (TM) 의 1차측에 연결된다. 그리고, 멀티-입력 트랜스포머 (TM) 의 2차측에는 배전류 정류 회로가 연결된다. 이러한 멀티-입력 트랜스포머 (TM) 의 2차측의 배전류 정류 회로는, 서로 상이한 도트 (dot) 를 가진 공통 모드 (Common Mode) 인덕터 (inductor) 를 포함한다.
이러한 공통 모드 인덕터는 도트가 서로 상이하여 차동 결합하므로 그 값이 상쇄되며, 이에 따라 유도성 부하로 작용하지 않아 LLC 직렬 공진 컨버터 동작에 아무런 영향을 미치지 않으면서, 스위칭 손실이 저감되고 효율을 증대시킬 수 있다.
이와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 컨버터에서는, 멀티-입력 트랜스포머 (TM) 의 2차측에 인덕터가 있으나, 이는 유도성 부하로 작용하지 않으며, 이는 도 2에 도시된, 멀티-입력 트랜스포머 (TM) 의 1차측에 연결된 LLC 공진 회로의 동작 파형을 보면 알 수 있다.
즉, 도 2의 LLC 공진 회로의 전류 파형으로부터, 본 발명의 일 실시예에 따른 컨버터에서는 멀티-입력 트랜스포머 (TM) 의 2차측에 연결된 인덕터에도 불구하고 일반적인 하프 브릿지 LLC 컨버터 (Half-Bridge LLC Converter) 와 동일하게 동작함을 알 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 컨버터에서의 멀티-입력 트랜스포머 (TM) 의 2차측의 전류 파형이다. 도 3에서 Io 는 출력 커패시터를 거치지 않아 평활되기 이전의 전류이다. IS1 과 IS2 는 Io 의 1/2의 전류가 흐르게 되고, 이에 따라 피크 전류가 감소하여 멀티-입력 트랜스포머 (TM) 의 전류 스트레스가 감소하게 된다.
한편, 도 3에서의 전류 파형, 즉, IS1 과 IS2 는 동일한 위상을 갖지만 정확히 일치하는 전류 파형을 나타내지는 않는다. 각각의 인덕터에 흐르는 전류 파형이 일치하지 않는 이유는 공통 모드 인덕터의 인덕턴스의 영향을 받기 때문이다. 실제로 공통 모드 인덕터의 전체 인덕턴스 L1 + L2 + 2M 에 의해 생성된 삼각파 형태의 전류와 출력 전류의 1/2 배의 전류의 합인 전류가 흐르게 된다.
도 4는 도 3의 멀티-입력 트랜스포머 (TM) 의 2차측 전류 파형을 확대한 그래프이다. 전술한 바와 같이 IS1 과 IS2 는 정확히 Io 의 1/2이 되지는 않는다. IS1 과 IS2 각각의 전류를 수식으로 나타내면 다음과 같다.
Figure 112013063523108-pat00001
Figure 112013063523108-pat00002
상기 수식에서 보는 바와 같이 공통 모드 인덕터의 인덕턴스는 그 값이 클수록 IS1 과 IS2 는 동일해지지만, 코어 (Core) 의 크기를 고려하여 인덕턴스는 컨버터의 용량이 클수록 그 값이 작아야 한다.
일반적인 배전류 정류 방식의 회로는 IS1 과 IS2 가 번갈아 가면서 전류가 흐르지만, 공통 모드 인덕터를 사용하는 경우, L1 으로 전류가 흐르면 L2 에 동일한 방향으로 전류가 유도되기 때문에 동일한 위상의 전류 파형이 보이게 된다.
멀티-입력 트랜스포머 (TM) 에서 바라본 공통 모드 인덕터의 인덕턴스는 L1 + L2 + 2M 이 되지만, 실제 회로가 동작하는 입장에서 루프를 따라 해석하면 차동 결합하여 L1 + L2 - 2M 이 되어 L1 과 L2 가 동일하다면 그 값은 0 (Zero) 이 되어 멀티-입력 트랜스포머 (TM) 의 2차측에는 인덕터가 없는 것처럼 동작하게 된다. 그래서 이 인덕터는 일반적인 인덕터처럼 필터 역할을 하지는 못한다. 그러나, 배전류 정류를 하여 멀티-입력 트랜스포머 (TM) 의 2차측에 부담되는 전류를 반으로 줄일 수 있어 대용량에 적합한 방식이다.
대용량의 회로에 본 발명에 따른 컨버터를 적용하는 경우, 멀티-입력 트랜스포머와 공통 모드 인덕터를 제외한 모든 소자는 일반적인 하프-브릿지 (Half-Bridge) LLC 공진 컨버터 또는 풀-브릿지 (Full-Bridge) LLC 공진 컨버터와 동일하게 설계하여야 하며, 멀티-입력 트랜스포머는 배전류 정류 방식에 맞추어 설계해야 한다. 또한, 공통 모드 인덕터는 용량을 고려하여 적당한 크기의 코어 (Core) 를 선정하여야 한다.
한편, 본 발명에 따른 컨버터에서, 멀티-입력 트랜스포머의 2차측에 연결되는 정류 회로의 다이오드 (D1, D2) 는 전계효과트랜지스터 (FET) 로 치환될 수 있으며, 이로써 1차측의 스위칭 소자와 동기화할 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 컨버터는 대용량의 회로에서 멀티-입력 트랜스포머의 1차측에 LLC 공진 회로들을 직렬로 연결하여 사용하는 것도 가능하지만, 예를 들어, 도 5에 도시한 회로와 같이, LLC 공진 회로들을 병렬로 연결하여 사용하는 데에도 적용할 수 있다.
도 5의 회로와 같이 병렬로 연결하여 사용하는 경우에도, 도트 (dot) 가 서로 상이한 공통 모드 인덕터를 멀티-입력 트랜스포머의 2차측에 연결하여 배전류 정류를 하므로, 멀티-입력 트랜스포머 (TM) 의 2차측에 부담되는 전류를 반으로 줄일 수 있어 트랜스포머의 전류 스트레스를 감소시킬 수 있다.
게다가, 직렬로 연결하여 사용하는 경우와 마찬가지로, 멀티-입력 트랜스포머를 사용할 수 있으므로, 입력 전압 또는 전류의 불평형을 개선하면서 트랜스포머의 스트레스를 감소시켜 효율 개선을 증대시킬 수 있다. 그리고, 하나의 트랜스포머를 사용하여 여러 개의 입력을 수용할 수 있고, 서로 다른 도트의 공통 모드 인덕터를 사용하여, 제조가 용이하며 효율을 개선할 수 있게 된다.
또한, 이러한 멀티-입력 트랜스포머를 사용하는 것과 동일한 이유로, 멀티-입력 트랜스포머의 1차측에 입력되는 LLC 공진 회로의 공진 인덕터를 하나로 권선하여 사용할 수 있다.
트랜스포머를 하나로 권선함에 따라 트랜스포머의 1차측에는 동일한 전류가 흐르게 되고, 이에 따라, 트랜스포머의 1차측의 전류를 센싱하기 위한 전류 센싱부를 줄일 수 있게 된다.
한편, 본 발명에 따른 컨버터는 트랜스포머의 2차측에 연결된 배전류 정류 회로를 다중으로 할 수 있다. 즉, 예를 들어, 도 6에 도시된 바와 같이, 2차측의 배전류 정류 회로를 이중으로 할 수 있으며, 이중은 물론, 삼중 이상의 다중으로 할 수도 있다. 이 경우, 도 1에 도시된 회로와 같이 배전류 정류 회로가 하나인 경우에는 상술한 바와 같이 멀티-입력 트랜스포머의 2차측에 부담되는 전류를 반으로 줄일 수 있는 것과 유사하게, 배전류 정류 회로가 이중이므로 멀티-입력 트랜스포머의 2차측에 부담되는 전류를 1/4로 줄일 수 있다. 마찬가지로, 트랜스포머의 2차측에 연결된 배전류 정류 회로를 삼중 이상의 다중으로 하는 경우, 멀티-입력 트랜스포머의 2차측에 부담되는 전류를, 예를 들어, 삼중인 경우는 1/6로 줄일 수 있는 등, 추가로 줄일 수 있게 된다.
또한, 상술한 바와 같이 배전류 정류 회로를 다중으로 하여 사용하는 경우, 복수의 공통 모드 인덕터를 하나의 코어에 권선하여 사용할 수 있으며, 이로써, 각 배전류 정류 회로의 공통 모드 인덕터 간의 전압 및 전류의 불평형을 방지할 수 있다.
상기에서는 본 발명을 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 것이다.
TM: 멀티-입력 트랜스포머 (Multi-Input Transformer)
L1, L2: 공통 모드 인덕터

Claims (9)

  1. 멀티-입력 트랜스포머 (Multi-input Transformer);
    상기 멀티-입력 트랜스포머의 1차측에 연결되는 2 이상의 직렬 공진 회로; 및
    상기 멀티-입력 트랜스포머의 2차측에 연결되는 배전류 정류 회로를 포함하며,
    상기 직렬 공진 회로는, 하프-브릿지 (Half-Bridge) LLC 공진 회로 또는 풀-브릿지 (Full-Bridge) LLC 공진 회로이며,
    상기 배전류 정류 회로는, 서로 상이한 도트 (dot) 를 가진 공통 모드 인덕터 (inductor) 를 포함하는, 다중 입력 DC-DC 컨버터.
  2. 멀티-입력 트랜스포머 (Multi-input Transformer);
    상기 멀티-입력 트랜스포머의 1차측에 연결되는 2 이상의 직렬 공진 회로; 및
    상기 멀티-입력 트랜스포머의 2차측에 연결되는 2 이상의 배전류 정류 회로를 포함하며,
    상기 직렬 공진 회로는, 하프-브릿지 (Half-Bridge) LLC 공진 회로 또는 풀-브릿지 (Full-Bridge) LLC 공진 회로이며,
    상기 배전류 정류 회로는, 서로 상이한 도트 (dot) 를 가진 공통 모드 인덕터 (inductor) 를 포함하는, 다중 입력 DC-DC 컨버터.
  3. 삭제
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 공통 모드 인덕터는, 동일한 코일 (Coil) 과 권선수를 갖는, 다중 입력 DC-DC 컨버터.
  5. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 배전류 정류 회로는, 다이오드 또는 스위칭 소자를 포함하는, 다중 입력 DC-DC 컨버터.
  6. 삭제
  7. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 2 이상의 직렬 공진 회로는, 상기 멀티-입력 트랜스포머의 1차측에 직렬로 연결되는, 다중 입력 DC-DC 컨버터.
  8. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 2 이상의 직렬 공진 회로는, 상기 멀티-입력 트랜스포머의 1차측에 병렬로 연결되는, 다중 입력 DC-DC 컨버터.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 공통 모드 인덕터가 복수인 경우, 상기 공통 모드 인덕터는 동일한 코어에 권선되는, 다중 입력 DC-DC 컨버터.
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