KR101594303B1 - Phase-Shifted Dual Full-Bridge Converter - Google Patents

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KR101594303B1
KR101594303B1 KR1020140127454A KR20140127454A KR101594303B1 KR 101594303 B1 KR101594303 B1 KR 101594303B1 KR 1020140127454 A KR1020140127454 A KR 1020140127454A KR 20140127454 A KR20140127454 A KR 20140127454A KR 101594303 B1 KR101594303 B1 KR 101594303B1
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transformer
converter
full bridge
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KR1020140127454A
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이일운
채수용
송유진
오세승
박석인
성윤동
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한국에너지기술연구원
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    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
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    • H02M3/00Conversion of dc power input into dc power output
    • H02M3/02Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac
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Abstract

The present invention relates to a phase-shifted dual full-bridge converter which comprises: a pair of transformers; a first stage including first and second legs composed of a pair of switches connected in series, a lagging full-bridge inverter including a first transformer from the pair of transformers, third and fourth legs, and a leading full-bridge inverter including a second transformer from the pair of transformers; and a second stage including fifth, sixth, and seventh legs composed of a pair of diodes connected in series, a first full-bridge rectifying circuit including the first transformer, a second full-bridge rectifying unit including the sixth and seventh legs and the second transformer. Accordingly, the phase-shifted dual full-bridge converter has a small power loss and high conversion efficiency during the total charging process.

Description

상전이 듀얼 풀브리지 컨버터{Phase-Shifted Dual Full-Bridge Converter}Phase-Shifted Dual Full-Bridge Converter < RTI ID = 0.0 >

본 발명은 상전이 듀얼 풀브리지 컨버터에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 정류단의 구조를 간단화하고 저전압 정격의 다이오드를 사용함으로써, 전력 손실을 감소시키고 컨버전 효율을 향상시킬 수 있는 상전이 듀얼 풀브리지 컨버터에 관한 것이다. BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a phase-shift dual full bridge converter, and more particularly, to a phase-change dual full bridge converter capable of reducing power loss and improving conversion efficiency by simplifying a structure of a rectification stage and using a diode of a low- .

가속화되는 지구 온난화, 천연 자원의 감소, 증가하는 연료 가격 및 경제적인 문제들로 인해, 하이브리드 전기 자동차, 플러그인 하이브리드 전기 자동차(Plug-in Hybrid Electric Vehicle, PHEV), 배터리 전기 자동차 및 연료 전지 자동차 등의 전기 추진 자동차가 점진적으로 증가하고 있다.Due to accelerated global warming, the reduction of natural resources, increased fuel prices, and economic problems, hybrid electric vehicles, plug-in hybrid electric vehicles (PHEVs), battery electric vehicles and fuel cell vehicles Electric propulsion vehicles are gradually increasing.

이들 차량은 에너지원으로서 일반적으로 재충전 가능한 배터리가 필요하다. 그 중에서도 플러그인 하이브리드 전기 자동차 혹은 배터리 전기 자동차는 배터리가 차량의 주 에너지원이기 때문에 다른 차량에 비해 높은 용량과 더 큰 크기의 배터리 팩을 필요로 한다.These vehicles generally require a rechargeable battery as an energy source. Among them, a plug-in hybrid electric vehicle or a battery electric vehicle requires a higher capacity and larger size battery pack than other vehicles because the battery is the main energy source of the vehicle.

이러한 고에너지밀도 배터리 팩은 일반적으로 배터리 충전기로 명명된 AC-DC 변환기를 통해 교류 전력망으로부터 충전된다. 교류 전력망에 대한 낮은 하모닉 및 높은 효율을 가지기 위해, 배터리 충전기의 대부분은 일반적으로 절연 DC-DC 컨버터 및 역률 보정 회로(Power Factor Corrector, PFC)를 포함하는 AC-DC 컨버터의 기본적인 형태를 가지고 있다.These high energy density battery packs are charged from the AC power grid through an AC-to-DC converter, commonly referred to as a battery charger. In order to have low harmonics and high efficiency for the AC grid, most of the battery chargers have a basic form of an AC-DC converter that generally includes an isolated DC-DC converter and a power factor corrector (PFC).

이러한 배터리 충전기의 개발에 핵심 요구 사항이 몇가지 있다. 첫째, 패키징을 용이하게 하고 에너지의 이용률을 높이기 위해 그 크기와 무게가 필수적으로 줄어들어야 한다. 즉, 높은 파워 밀도와 낮은 무게의 설계가 필요하다. 또한, 연료 절약 및 배출 감소를 최대화하기 위해, 배터리 재충전 프로세스 전체에서 또는 모든 출력 조건에서 변환 효율이 최대화되어야 한다.There are several key requirements for the development of these battery chargers. First, its size and weight must be essentially reduced to facilitate packaging and increase energy utilization. That is, high power density and low weight design are required. In addition, to maximize fuel economy and emission reduction, conversion efficiency must be maximized throughout the battery recharging process or at all output conditions.

이러한 요구 사항을 달성하기 위해서는, 높은 스위칭 주파수와 소프트 스위칭 기술을 채택하는 것이 필요하다. 여기서, 높은 스위칭 주파수는 고전력 애플리케이션에서 사용되는 트랜스포머, 인덕터, 커패시터 등의 수동 구성 요소의 크기 및 중량을 감소시키는 데 핵심이 된다. 그리고, 소프트 스위칭 기술은 스위칭 손실을 낮추는 데 핵심이 된다.In order to achieve these requirements, it is necessary to adopt a high switching frequency and a soft switching technique. Here, the high switching frequency is key to reducing the size and weight of passive components such as transformers, inductors, capacitors, etc. used in high power applications. And soft switching technology is key to lower switching losses.

한편, PFC에서는, 브리지 다이오드에서의 순방향 전압 강하에 의한 과도한 전도 손실을 줄이기 위해 브리지리스(bridgeless) 디자인이 요구된다. 특히, 저전압에서는 전류가 상승하여 이러한 전도손실이 더 커지는데, 이러한 전도손실은 전체 효율을 나쁘게 하고, 히드싱크의 크기와 무게를 증가시키는 문제를 초래한다.PFC, on the other hand, requires a bridgeless design to reduce excessive conduction losses due to forward voltage drop across the bridge diodes. Particularly, at low voltage, the current rises and the conduction loss becomes larger. This conduction loss deteriorates the overall efficiency and increases the size and weight of the heatsink.

또한, 더 높은 변환 효율을 얻기 위해서, 특히 높은 전력레벨에서는, 전도 손실을 감소시켜주는 인터리빙 또는 병렬 방식이 고려될 필요가 있다.Also, in order to obtain higher conversion efficiency, especially at high power levels, an interleaving or parallel scheme that reduces conduction losses needs to be considered.

또한, 배터리 충전기의 출력 전압이 높은 경우에, DC-DC 컨버터의 정류 다이오드는 심각한 전압 스파이크 및 발진을 경험할 수 있다. 이에 따라, 손실을 초래하는 스너버 회로들과 더 높은 전압 정격의 다이오드가 요구되고, 이런 것들은 전력 손실 및 크기의 증가를 야기하게 된다. 따라서, DC-DC 컨버터의 정류단에서는, 이러한 문제를 방지할 수 있는 디자인이 또한 고려되어야한다. Also, when the output voltage of the battery charger is high, the rectifier diode of the DC-DC converter can experience severe voltage spikes and oscillations. This requires lossy snubber circuits and higher voltage rated diodes, which cause power loss and increase in size. Therefore, at the rectification stage of the DC-DC converter, a design that can prevent this problem should also be considered.

본 발명은, 정류단의 구조를 간단화하고 저전압 정격의 다이오드를 사용함으로써, 전력 손실을 감소시키고 컨버전 효율을 향상시킬 수 있는 상전이 듀얼 풀브리지 컨버터를 제안한다. The present invention proposes a phase-change dual full-bridge converter capable of reducing power loss and improving conversion efficiency by simplifying the structure of a rectification stage and using a diode of a low voltage rating.

상기 목적은, 한 쌍의 트랜스포머; 직렬 연결되는 한 쌍의 스위치로 구성되는 제1레그, 제2레그 및 상기 한 쌍의 트랜스포머 중 제1트랜스포머를 포함하는 레깅 풀브리지 인버터와, 제3레그, 제4레그 및 상기 한 쌍의 트랜스포머 중 제2트랜스포머를 포함하는 리딩 풀브리지 인버터를 포함하는 제1스테이지; 직렬 연결되는 한 쌍의 다이오드로 구성되는 제5레그, 제6레그 및 제7레그를 포함하며, 상기 제5레그, 제6레그 및 상기 제1트랜스포머를 포함하는 제1풀브리지 정류회로와, 상기 제6레그, 제7레그 및 상기 제2트랜스포머를 포함하는 제2풀브리지 정류회로로 구성되는 제2스테이지;를 포함하는 것을 특징으로 하는 풀브리지 컨버터에 의해 달성될 수 있다. This object is achieved by a transformer comprising: a pair of transformers; A legged full bridge inverter comprising a first leg, a second leg and a first transformer of a pair of transformers, each of the legs comprising a pair of series-connected switches; and a third leg, a fourth leg, and a pair of transformers A first stage including a leading full bridge inverter including a second transformer; A first full bridge rectifying circuit including a fifth leg, a sixth leg and a seventh leg composed of a pair of diodes connected in series, the fifth leg, the sixth leg, and the first transformer; And a second stage composed of a first full bridge rectifier circuit including first, sixth, seventh, and second transformers.

상기 목적은, 한 쌍의 트랜스포머; 직렬 연결되는 한 쌍의 스위치로 구성되는 제1레그, 제2레그 및 상기 한 쌍의 트랜스포머 중 제1트랜스포머의 1차측을 포함하는 레깅 풀브리지 인버터와, 제3레그, 제4레그 및 상기 한 쌍의 트랜스포머 중 제2트랜스포머의 1차측을 포함하는 리딩 풀브리지 인버터를 포함하는 제1스테이지; 직렬 연결되는 한 쌍의 다이오드로 구성되는 제5레그, 제6레그 및 제7레그를 중, 상기 제5레그, 제6레그 및 상기 제1트랜스포머의 2차측을 포함하는 제1풀브리지 정류회로와, 상기 제6레그, 제7레그 및 상기 제2트랜스포머의 2차측을 포함하는 제2풀브리지 정류회로로 구성되며, 상기 제6레그는 저전압 정격 다이오드로 구성되는 제2스테이지;를 포함하는 것을 특징으로 하는 풀브리지 컨버터에 의해 달성될 수 있다. This object is achieved by a transformer comprising: a pair of transformers; A legged full bridge inverter comprising a first leg, a second leg and a pair of transformers, the leg comprising a pair of series-connected switches and a primary side of a first transformer; and a third leg, a fourth leg, A first stage including a leading full bridge inverter including a primary side of a second transformer of the transformers of the first stage; A first full bridge rectifying circuit including a fifth leg, a sixth leg and a seventh leg composed of a pair of diodes connected in series, the fifth leg, the sixth leg and the secondary side of the first transformer, , A second full bridge rectifier circuit including the sixth leg, the seventh leg, and the secondary side of the second transformer, and the sixth leg comprises a low-voltage rated diode To-peak converter.

본 발명에 따른 풀브리지 컨버터는, 트랜스포머의 1차측 및 2차측 전도 손실을 감소시킬 수 있으며, 순환전류가 없고, 듀티 사이클의 손실이 적고, ZVS 범위를 최대화할 수 있다. 또한, 출력 인덕터의 사이즈를 보다 작게 할 수 있고, 파워 핸들링 용량을 용이하게 증가시킬 수 있다. 이에 따라, 본 컨버터는 전체 충전 과정에서 작은 파워 손실과 높은 컨버전 효율을 가지므로, 6.6kW 이상의 파워 용량을 갖는 고 파워 배터리 충전기의 DC-DC 컨버터로 사용할 수 있다. The full bridge converter according to the present invention can reduce the primary and secondary side conduction losses of the transformer, has no circulating current, has less duty cycle loss, and can maximize the ZVS range. In addition, the size of the output inductor can be made smaller, and the power handling capacity can be easily increased. As a result, this converter has a small power loss and high conversion efficiency during the entire charging process, so it can be used as a DC-DC converter of a high power battery charger with a power capacity of 6.6 kW or more.

도 1은 본 발명에 따른 풀브리지 컨버터의 회로구성도,
도 2는 도 1의 풀브리지 컨버터의 주요 동작 파형도,
도 3(a) 내지 도 3(h)는 도 1의 컨버터 회로의 모드 1 내지 8을 나타내기 위한 회로도,
도 4(a)는 본 발명에 따른 컨버터에서 단순화된 정류기 파형도,
도 4(b)는 종래의 컨버터에서의 정류기 출력 전압 파형도
도 5은 본 발명에 따른 컨버터의 정규화한 DC 컨버전 비율과 듀티사이클과의 관계를 보인 그래프,
도 6은 듀티 사이클의 기능에서 요구되는 출력 인덕터의 값을 보인 그래프,
도 7은 6.6 kW 배터리 충전기에 의한 충전을 분석한 그래프,
도 8(a)는 본 발명에 따른 풀브리지 컨버터의 프리차징 모드에서의 동작회로도,
도 8(b)는 본 발명에 따른 풀브리지 컨버터의 포인트 B에서의 출력전압과 배터리 전압을 보인 그래프 및 등가회로도,
도 8(c)는 본 발명에 따른 풀브리지 컨버터의 포인트 C에서의 출력전압과 배터리 전압을 보인 그래프 및 등가회로도,
도 9(a)는 종래의 단일 PSFB 컨버터의 회로도,
도 9(b)는 종래의 병렬 동작 PSFB 컨버터의 회로도,
도 10은 파워링 모드에서 정류단의 등가회로도,
도 11(a) 내지 (d)는 각각 1차측 전도 손실, 1차측 스위칭 손실, 2차측 전도 손실, 전체 손실을 나타낸 그래프,
도 12는 본 발명에 따른 풀브리지 컨버터에 스너버 회로를 적용한 회로도,
도 13은 본 발명의 컨버터가 도 7에 도시된 포인트 B에서 포인트 C로 이동할때 생성되는 주요 동작 파형을 나타낸 그래프,
도 14는 각기 다른 동작 조건에서 측정한 본 발명의 풀브리지 컨버터의 효율성을 보인 그래프이다.
1 is a circuit diagram of a full bridge converter according to the present invention,
FIG. 2 is a main operation waveform diagram of the full bridge converter of FIG. 1,
3 (a) to 3 (h) are circuit diagrams showing modes 1 to 8 of the converter circuit of Fig. 1,
Figure 4 (a) is a simplified rectifier waveform in the converter according to the invention,
4 (b) is a waveform diagram of the rectifier output voltage in the conventional converter
5 is a graph showing the relationship between the normalized DC conversion ratio and the duty cycle of the converter according to the present invention,
6 is a graph showing the value of the output inductor required in the duty cycle function,
7 is a graph showing a charge analysis by a 6.6 kW battery charger,
8 (a) is an operational circuit diagram of the full-bridge converter in the pre-charging mode according to the present invention,
FIG. 8 (b) is a graph showing the output voltage and the battery voltage at point B of the full bridge converter according to the present invention,
8 (c) is a graph and an equivalent circuit diagram showing the output voltage and the battery voltage at point C of the full bridge converter according to the present invention,
9A is a circuit diagram of a conventional single PSFB converter,
9 (b) is a circuit diagram of a conventional parallel operation PSFB converter,
10 is an equivalent circuit diagram of a rectifying stage in the power ring mode,
11 (a) to 11 (d) are graphs showing the primary side conduction loss, the primary side switching loss, the secondary side conduction loss, and the total loss,
12 is a circuit diagram showing a snubber circuit applied to a full bridge converter according to the present invention,
13 is a graph showing the main operating waveforms generated when the converter of the present invention moves from point B to point C shown in Fig. 7,
14 is a graph showing the efficiency of the full bridge converter of the present invention measured under different operating conditions.

이하, 본 발명의 일부 실시예들을 예시적인 도면을 통해 상세하게 설명한다. 각 도면의 구성 요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.Hereinafter, some embodiments of the present invention will be described in detail with reference to exemplary drawings. It should be noted that, in adding reference numerals to the constituent elements of the drawings, the same constituent elements are denoted by the same reference symbols as possible even if they are shown in different drawings. In the following description of the present invention, a detailed description of known functions and configurations incorporated herein will be omitted when it may make the subject matter of the present invention rather unclear.

또한, 본 발명의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제 1, 제 2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다. 어떤 구성 요소가 다른 구성요소에 "연결", "결합" 또는 "접속"된다고 기재된 경우, 그 구성 요소는 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되거나 또는 접속될 수 있지만, 각 구성 요소 사이에 또 다른 구성 요소가 "연결", "결합" 또는 "접속"될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.In describing the components of the present invention, terms such as first, second, A, B, (a), and (b) may be used. These terms are intended to distinguish the constituent elements from other constituent elements, and the terms do not limit the nature, order or order of the constituent elements. When a component is described as being "connected", "coupled", or "connected" to another component, the component may be directly connected to or connected to the other component, It should be understood that an element may be "connected," "coupled," or "connected."

도 1은 본 발명에 따른 풀브리지 컨버터의 회로구성도이고, 도 2는 도 1의 풀브리지 컨버터의 주요 동작 파형도이다. FIG. 1 is a circuit diagram of a full bridge converter according to the present invention, and FIG. 2 is a main operation waveform diagram of the full bridge converter of FIG.

본 발명에 따른 풀브리지 컨버터는, 전원과 연결되는 제1트랜스포머T1 및 제2트랜스포머T2의 1차측을 포함하는 제1스테이지와, 부하와 연결되며 변압기의 2차측을 포함하는 제2스테이지를 포함할 수 있다. The full bridge converter according to the present invention includes a first stage including a primary side of a first transformer T 1 and a second transformer T 2 connected to a power source and a second stage connected to the load and including a secondary side of the transformer .

제1스테이지는 리딩 풀브리지 인버터(Leading full-bridge inverter)와 레깅 풀브리지 인버터(Lagging full-bridge inverter)를 포함할 수 있다. The first stage may include a leading full-bridge inverter and a full-bridge inverter.

레깅 풀브리지 인버터는 제1레그, 제2레그 및 제1트랜스포머T1를 포함할 수 있다. 여기서, 제1레그는 제1스위치Q1 및 제2스위치Q2의 직렬연결로 구성되고, 제2레그는 제3스위치Q3 및 제4스위치Q4의 직렬연결로 구성된다. The legged full bridge inverter may include a first leg, a second leg, and a first transformer T 1 . Here, the first leg is constituted by the series connection of the first switch Q 1 and the second switch Q 2 , and the second leg is constituted by the series connection of the third switch Q 3 and the fourth switch Q 4 .

제1레그에서 제1스위치Q1와 제2스위치Q2의 접점은 제1트랜스포머T1의 1차측의 일단과 직간접으로 연결될 수 있고, 제2레그에서 제3스위치Q3와 제4스위치Q4의 접점은 제1트랜스포머T1 1차측의 다른 일단과 직간접으로 연결될 수 있다. The contacts of the first switch Q 1 and the second switch Q 2 in the first leg may be connected directly or indirectly to one end of the primary side of the first transformer T 1 and the third switch Q 3 and the fourth switch Q 4 May be directly or indirectly connected to the other end of the primary side of the first transformer T 1 .

리딩 풀브리지 인버터는 제3레그, 제4레그 및 제2트랜스포머T2를 포함할 수 있다. 여기서, 제3레그는 제5스위치Q5 및 제6스위치Q6의 직렬연결로 구성되고, 제4레그는 제7스위치Q7 및 제8스위치Q8의 직렬연결로 구성된다. The leading full bridge inverter may include a third leg, a fourth leg, and a second transformer T 2 . Here, the third leg is constituted by the series connection of the fifth switch Q 5 and the sixth switch Q 6 , and the fourth leg is constituted by the series connection of the seventh switch Q 7 and the eighth switch Q 8 .

제3레그에서 제5스위치Q5와 제6스위치Q6의 접점은 제1트랜스포머T1의 1차측의 일단과 직간접으로 연결될 수 있고, 제4레그에서 제7스위치Q7와 제8스위치Q8의 접점은 제1트랜스포머 1차측의 다른 일단과 직간접으로 연결될 수 있다. The contacts of the fifth switch Q 5 and the sixth switch Q 6 in the third leg may be directly or indirectly connected to one end of the primary side of the first transformer T 1 and the seventh switch Q 7 and the eighth switch Q 8 May be directly or indirectly connected to the other end of the primary side of the first transformer.

제1트랜스포머T1 및 제2트랜스포머T2는 각각 리키지(leakage) 인덕턴스Lm1, Lm2를 포함할 수 있다. The first transformer T 1 and the second transformer T 2 may each include a leakage inductance L m1 , L m2 .

제2스테이지는 2개의 풀브리지 정류회로를 포함할 수 있다.The second stage may include two full bridge rectifier circuits.

제1풀브리지 정류회로는 제5레그, 제6레그 및 제1트랜스포머T1를 포함할 수 있다. 여기서, 제5레그는 제1다이오드D1 및 제2다이오드D2의 직렬연결로 구성되고, 제6레그는 제3다이오드Da1 및 제4다이오드Da2의 직렬연결로 구성될 수 있다.The first full bridge rectifier circuit may include a fifth leg, a sixth leg, and a first transformer T 1 . Here, the fifth leg is constituted by the series connection of the first diode D 1 and the second diode D 2 , and the sixth leg may be constituted by the series connection of the third diode D a1 and the fourth diode D a2 .

제5레그에서 제1다이오드D1과 제2다이오드D2의 접점은 제1트랜스포머T1 2차측의 일단과 직간접으로 연결될 수 있다. 그리고, 제6레그에서 제3다이오드Da1와 제4다이오드Da2의 접점은 제1트랜스포머T1 2차측의 다른 일단과 직간접으로 연결될 수 있다.In the fifth leg, the contacts of the first diode D 1 and the second diode D 2 may be directly or indirectly connected to one end of the first transformer T 1 secondary side. In the sixth leg, the contact point of the third diode D a1 and the fourth diode D a2 may be directly or indirectly connected to another end of the first transformer T 1 secondary side.

제2풀브리지 정류회로는 제6레그, 제7레그 및 제2트랜스포머T2를 포함할 수 있다. 여기서, 제7레그는 제5다이오드D3 및 제6다이오드D4의 직렬연결로 구성될 수 있다.The second full bridge rectifier circuit may include a sixth leg, a seventh leg, and a second transformer T 2 . Here, the seventh leg may be constituted by a series connection of a fifth diode D 3 and a sixth diode D 4 .

제6레그에서 제3다이오드Da1와 제4다이오드Da2의 접점은 제2트랜스포머T1 2차측의 일단과 직간접으로 연결될 수 있다. 그리고, 제7레그에서 제5다이오드D3와 제6다이오드D4의 접점은 제2트랜스포머T2 2차측의 다른 일단과 직간접으로 연결될 수 있다. 또한, 제2플브리지 정류회로와 배터리 사이에는 출력 인덕터 L0가 연결되어 있다. In the sixth leg, the contacts of the third diode D a1 and the fourth diode D a2 may be directly or indirectly connected to one end of the secondary side of the second transformer T 1 . In the seventh leg, the contacts of the fifth diode D 3 and the sixth diode D 4 may be directly or indirectly connected to the other end of the second transformer T 2 secondary side. An output inductor L 0 is connected between the second bridge rectifier circuit and the battery.

도 1에 도시된 컨버터 회로의 모든 스위치는, 데드타임을 무시한 상태에서 일정한 튜티비를 가지고 구동된다. 리딩 풀브리지 인버터의 스위치들의 구동신호는, 레깅 풀브리지 인버터의 스위치들의 구동신호에 선행된다. All the switches in the converter circuit shown in Fig. 1 are driven with a constant ratio in a state in which the dead time is ignored. The driving signals of the switches of the leading full bridge inverter are preceded by the driving signals of the switches of the legged full bridge inverter.

이하에서는 리딩 풀브리지 인버터의 스위치들은 리딩 스위치들이라 하고, 레깅 풀브리지 인버터의 스위치들은 레깅 스위치들이라 한다. TFBI (Two Full-Bridge Inverter) 들은 출력 전압과 전류를 조절하기 위해서 상전이 시간을 조절하는 것에 의해 구동된다. In the following, the switches of the leading full bridge inverter are called the leading switches, and the switches of the legged full bridge inverter are called the legging switches. Two Full-Bridge Inverters (TFBIs) are driven by regulating the phase transition time to regulate the output voltage and current.

각 스위칭 주기는 두 개의 반 사이클인 t0-t8 과 t8-t16로 나뉘어져 있다. 두 개의 반 사이클들의 동작 원칙들이 대칭되기 때문에, 이하에서는 첫번째 반 사이클만이 설명된다. 이 반 사이클은 다시 8개의 모드로 나뉘어질 수 있다. 도 3에는 8개의 모드에 대한 동작 회로들이 개시되어 있다. Each switching cycle is divided into two half cycles, t 0 -t 8 and t 8 -t 16 . Since the operating principles of the two half cycles are symmetric, only the first half cycle is described below. This half cycle can be divided into eight modes again. In Fig. 3, operation circuits for eight modes are disclosed.

먼저, 분석을 단순화하기 위해 다음의 5가지 가정이 설정된다. First, the following five assumptions are set to simplify the analysis.

1) 출력 인덕터 L0는 스위칭 주기 동안 정전류 소스로 간주될 정도로 충분히 크다. 1) The output inductor L 0 is large enough to be considered a constant current source during the switching period.

2) 제1트랜스포머T1과 제2트랜스포머T2는 각각 n=NS1/NP1, n=NS2/NP2의 턴비과 Llk1 과 Llk2의 누설 인덕턴스를 갖는다. 2) The first transformer T 1 and the second transformer T 2 have a leakage inductance of L lk1 and L lk2 , respectively, and a turn ratio of n = N S1 / N P1 , n = N S2 / N P2 .

3) 제2트랜스포머T2의 여자 인덕터Lm2는 스위칭 주기동안 발생하는 여자 전류의 효과를 무시할 수 있을 정도로 충분히 크다. 3) The excitation inductor L m2 of the second transformer T 2 is large enough to ignore the effect of the excitation current occurring during the switching period.

4) 주요 능동 스위치들은 모두 기생 다이오드 Db1, Db2, Db3, Db4, Db5, Db6, Db7, Db8를 갖는 MOSFET으로 형성된다. 4) The main active switches are all formed of MOSFETs with parasitic diodes D b1 , D b2 , D b3 , D b4 , D b5 , D b6 , D b7 , D b8 .

5) 모든 MOSFET의 출력 커패시턴스는 동일한 커패시턴스Coss를 갖는다. 5) The output capacitances of all MOSFETs have the same capacitance C oss .

도 3(a) 내지 도 3(h)는 도 1의 컨버터 회로의 모드 1 내지 8을 나타내기 위한 회로도이다. 3 (a) to 3 (h) are circuit diagrams showing modes 1 to 8 of the converter circuit of Fig.

[모드 1(t0-t1)][Mode 1 (t 0 -t 1)]

도 3(a)에 도시된 모드 1은 리딩 스위치 중 제5 및 제7스위치Q5, Q7과, 레깅 스위칭 중 제1 및 제3스위치Q1, Q3가 온상태이고, 제1 및 제5다이오드 D1, D3에 전류가 흐를때 시작된다. 모드 1 동안, 1차측 전압 Vp1(t), Vp2(t)는 각각 입력전압의 (-)값과 (+)값을 갖는다. 그리고 여자 전류iLm1(t)는 초기값으로부터 선형적으로 증가하는 반면, 제2트랜스포머T2의 여자 인덕터Lm2가 매우 큰 값을 갖기 때문에 여자 전류 iLm2(t)는 거의 0의 값을 갖는다. 2차측 전압 Vs1(t), Vs2(t)은 각각 n의 턴비를 갖는 입력전압의 (+)값과 (-)값을 갖는다. 정류기의 출력전압 Vrec(t)은 2차측 전압 Vs1(t)와 -Vs2(t)의 합에 의해 2nVIN이 된다. 모드 1에서 파워는 제1 및 제2트랜스포머T1, T2와 제1 및 제5다이오드D1, D3를 통해 입력포트로부터 출력 포트로 전달되며, 인버터 단의 1차측 전류는 다음과 같이 나타낼 수 있다. In mode 1 shown in FIG. 3A, the fifth and seventh switches Q 5 and Q 7 of the reading switches and the first and third switches Q 1 and Q 3 of the legging switch are on, 5 Starts when current flows to diodes D 1 , D 3 . During mode 1, the primary voltages V p1 (t) and V p2 (t) have (-) and (-) values of the input voltage, respectively. Since the excitation current i Lm1 (t) linearly increases from the initial value, whereas the excitation inductor L m2 of the second transformer T 2 has a very large value, the excitation current i Lm2 (t) has a value of almost zero . The secondary voltages V s1 (t) and V s2 (t) each have (+) and (-) values of the input voltage having a turn ratio of n. The output voltage V rec (t) of the rectifier becomes 2nV IN by the sum of the secondary voltages V s1 (t) and -V s2 (t). In mode 1, power is transferred from the input port to the output port via the first and second transformers T 1 , T 2 and the first and fifth diodes D 1 , D 3 , and the primary current of the inverter stage is expressed as .

Figure 112014090627283-pat00001
Figure 112014090627283-pat00001

[모드 2(t1-t2)][Mode 2 (t 1 -t 2 )]

도 3(b)에 도시된 모드 2는 t1에서 리딩 스위치 중 제5 및 제7스위치 Q5, Q7가 턴오프되면 시작된다. 그러면, 출력 인덕터LO에 저장된 에너지에 의해 커패시턴스 COSS5와 COSS7를 흐르는 전압이 선형적으로 충전되고, 커패시턴스 COSS6와 COSS8를 흐르는 전압이 방전된다. 1차측 전압 Vp2(t)은 -VIN에서 0으로 증가하고, 1차측 전압 Vp1(t)은 지속적으로 VIN을 유지함으로써, 여자 전류 iLm1(t)를 지속적으로 증가시킨다. 또한 2차측 전압 Vs2(t)는 -nVIN에서 0으로 증가하고, 2차측 전압 Vs1(t)은 nVIN을 유지함에 따라, 정류기의 출력전압 Vrec(t)은 2nVIN에서 nVIN으로 떨어진다. 모드 2의 1차측 전류는 모드 1의 1차측 전류와 동일하다. The mode 2 shown in FIG. 3 (b) starts when the fifth and seventh switches Q 5 and Q 7 of the reading switches at t 1 are turned off. Then, the energy stored in the output inductor L O charges the capacitors C OSS5 and C OSS7 linearly, and the capacitances C OSS6 and C OSS8 are discharged. The primary voltage V p2 (t) increases from -V IN to zero, and the primary voltage V p1 (t) continues to increase V IN , thereby continuously increasing the excitation current i Lm1 (t). As the secondary voltage V s2 (t) increases from -nV IN to zero and the secondary voltage V s1 (t) maintains nV IN , the rectifier output voltage V rec (t) is increased from 2nV IN to nV IN . The primary current in mode 2 is the same as the primary current in mode 1.

[모드 3(t2-t3)][Mode 3 (t 2 -t 3 )]

도 3(c)에 도시된 모드 3은 모드 2에서 1차측 전압 Vp2(t)가 0에 도달하면 시작된다. 이와 동시에, 2차측 전압 Vs2(t)는 0이 되고 제4다이오드Da2에 전류가 흐른다. 제4다이오드Da2에 전류가 흐르는 상태에 있기 때문에, 모드 3 동안, 2차측 전압 Vs2(t)는 지속적으로 0을 유지하고, 리딩 풀브리지 인버터의 모든 리딩 스위치들의 출력 커패시턴스와 누설 인덕턴스 Llk2간에 공명이 발생한다. 이러한 공명에 의해, 커패시턴스 COSS5와 COSS7를 흐르는 전압은 지속적으로 충전되고, 커패시턴스 COSS6와 COSS8를 흐르는 전압은 지속적으로 방전된다. 1차측 전압 Vp2(t)은 0에서 VIN으로 사인파 형태로 증가되고 1차측 전압 Vp1(t)은 지속적으로 VIN을 유지한다. The mode 3 shown in Fig. 3 (c) starts when the primary voltage V p2 (t) reaches 0 in mode 2. At the same time, the secondary voltage V s2 (t) becomes zero and a current flows through the fourth diode D a2 . The fourth diode D, because the state in which a current flows to a2, mode 3 while, the secondary-side voltage V s2 (t) continues to maintain a zero, reading the full-bridge output capacitance of all the reading switches of the inverter and leakage inductance L lk2 Resonance occurs between the two. With this resonance, the voltage across the capacitances C OSS5 and C OSS7 is constantly charged, and the voltage across the capacitances C OSS6 and C OSS8 is continuously discharged. The primary voltage V p2 (t) is increased from zero to V IN in a sinusoidal fashion and the primary voltage V p1 (t) continues to maintain V IN .

[모드 4(t3-t4)] [Mode 4 (t 3 -t 4 )]

도 3(d)에 도시된 모드 4는 모드 3에서 1차측 전압 Vp2(t)가 VIN에 도달하면 시작된다. 그러면, 리딩 스위치 중 제6 및 제8스위치Q6, Q8의 기생 다이오드 Db6, Db8에 전류가 흐르기 시작하고, 리딩 스위치 제6 및 제8스위치Q6, Q8는 영전압스위칭 (ZVS: Zero Voltage Switching)에 의해 턴온된다. 모드 4 동안, 2차측 전압 Vs2(t)은 0을 유지하고, 이에 의해, 입력 전압 VIN은 누설 인덕턴스 Llk2를 갖는 누설 인덕터로 제공된다. 입력 전압 VIN이 누설 인덕터로 제공됨에 따라, 제5 및 제4다이오드 D3와 Da2간의 커뮤테이션(Commutation)이 향상된다. 1차측 전압 Vp1(t)과 정류기의 출력전압 Vrec(t)가 각각 지속적으로 VIN과 nVIN을 유지한다. 이와 같이, 모드 4에서 파워는 제1 및 제2트랜스포머T1, T2와 제1, 제4, 제5다이오드D1, Da2, D3를 통해 입력포트로부터 출력 포트로 전달됨에 따라, 1차측 전류는 다음과 같이 나타낼 수 있다.The mode 4 shown in Fig. 3 (d) starts in mode 3 when the primary voltage V p2 (t) reaches V IN . Then, the reading switches of the sixth and the eighth switch Q 6, the parasitic diode D b6, D b8 of Q 8, a current starts flowing, and the reading switch sixth and eighth switches Q 6, Q 8 is a zero voltage switching (ZVS : Zero Voltage Switching). During mode 4, the secondary voltage V s2 (t) remains at zero, whereby the input voltage V IN is provided to a leakage inductor having a leakage inductance L lk2 . As the input voltage V IN is provided to the leakage inductor, the commutation between the fifth and fourth diodes D 3 and D a2 is improved. The primary side voltage V p1 (t) and the rectifier output voltage V rec (t) maintain V IN and nV IN , respectively. Thus, in mode 4, power is transferred from the input port to the output port through the first and second transformers T 1 and T 2 and the first, fourth, and fifth diodes D 1 , D a2 , and D 3 , The side current can be expressed as follows.

Figure 112014090627283-pat00002
Figure 112014090627283-pat00002

[모드 5(t4-t5)] [Mode 5 (t 4 -t 5 )]

도 3(e)에 도시된 모드 5는 제5다이오드D3와 제4다이오드Da2간의 커뮤테이션이 t4에서 완료되고, 제1다이오드D1와 제4다이오드Da2에 전류가 흐를때 시작된다. 예를 들어, 모드 5에서 1차측 전류가 0이면, 파워는 단지 제1트랜스포머T1와 제1 및 제4다이오드 D1, Da2를 통해 입력포트에서 출력포트로 이동한다. The mode 5 shown in FIG. 3 (e) is started when the commutation between the fifth diode D 3 and the fourth diode D a2 is completed at t 4 and a current flows through the first diode D 1 and the fourth diode D a2 . For example, in mode 5, if the primary current is zero, the power only moves from the input port to the output port via the first transformer T 1 and the first and fourth diodes D 1 , D a2 .

[모드 6(t5-t6)] [Mode 6 (t 5 -t 6 )]

도 3(f)에 도시된 모드 6은 레깅 스위치인 제1 및 제3스위치Q1, Q3가 t5에서 턴오프되면 시작된다. 이와 동시에 제6다이오드 D4에는 전류가 흐르기 시작하고, 모든 레깅 스위치들의 출력 커패시턴스와 누설 인덕턴스 Llk2를 갖는 두 개의 누설 인덕터로 이루어지는 다른 공진이 레깅 풀브리지 인버터에 발생한다. 이러한 공명에 의해, 커패시턴스 COSS1와 COSS3를 흐르는 전압은 지속적으로 방전되고, 커패시턴스 COSS2와 COSS4를 흐르는 전압은 지속적으로 충전된다. 1차측 전압 Vp1(t)은 VIN에서 -VIN으로 감소하고, 정류기의 출력전압 Vrec(t)은 0으로 떨어진다. 또한, 제1다이오드D1와 제6다이오드D4간의 커뮤테이션이 향상된다. The mode 6 shown in FIG. 3 (f) starts when the first and third switches Q 1 and Q 3 , which are the legging switches, are turned off at t 5 . At the same time, a current starts to flow in the sixth diode D 4 , and another resonance occurs in the legged full bridge inverter consisting of two leakage inductors having the output capacitance of all the legging switches and the leakage inductance L lk2 . With this resonance, the voltage across the capacitances C OSS1 and C OSS3 is continuously discharged, and the voltage across the capacitances C OSS2 and C OSS4 is constantly charged. The primary voltage V p1 (t) decreases from V IN to -V IN and the rectifier output voltage V rec (t) drops to zero. Also, the commutation between the first diode D 1 and the sixth diode D 4 is improved.

[모드 7(t6-t7)] [Mode 7 (t 6 -t 7 )]

도 3(g)에 도시된 모드 7은 모드 6에서 1차측 전압 Vp1(t)가 -VIN에 도달하면 시작된다. 그러면, 레깅 스위치 제2 및 제4스위치Q2, Q4의 기생 다이오드 Db2, Db4에 전류가 흐르기 시작하고, 제2 및 제4스위치Q2, Q4는 영전압스위칭 (ZVS: Zero Voltage Switching)에 의해 턴온된다. 모드 7에서 2차측 전압 Vs1(t), Vs2(t)는 모두 0이고, 이에 따라, 정류기의 출력전압 Vrec(t)도 0이 된다. 정류기의 출력전압 Vrec(t)이 0이기 때문에, 부하 전원은 t6에서 출력 인덕터L0에 저장된 에너지로부터 공급된다. 1차측 전압 Vp1(t)은 -VIN이고, 1차측 전압 Vp2(t)가 VIN이며, 2차측 전압 Vs1(t), Vs2(t)는 모두 0이기 때문에, 인덕턴스 Llk1 와 Llk2 를 갖는 2개의 누설 인덕터를 흐르는 전압은 각각 -VIN, VIN과 같다. 2개의 누설 인덕터의 전압에 의해, 1차측 전류 ip1(t)와 iD1(t)는 선형적으로 감소하고, 1차측 전류 ip2(t)와 iD4(t)는 선형적으로 증가한다. 1차측 전류 ip1(t)와 iD1(t)는 다음과 같이 나타낼 수 있다. The mode 7 shown in Fig. 3 (g) starts in mode 6 when the primary voltage V p1 (t) reaches -V IN . Then, leggings switch the second and fourth switches Q 2, parasitic Q 4, a diode D b2, D for a current starts flowing b4, the second and fourth switches Q 2, and Q 4 is a zero-voltage switching (ZVS: Zero Voltage Switching). In mode 7, the secondary voltages V s1 (t) and V s2 (t) are all zero, and accordingly, the output voltage V rec (t) of the rectifier also becomes zero. Since the output voltage V rec (t) is zero for the rectifier, the load power is supplied from t 6 from the stored energy in the output inductor L 0. Since the primary side voltage V p1 (t) is -V IN and the primary side voltage V p2 (t) is V IN and the secondary side voltages V s1 (t) and V s2 (t) are all 0, the inductance L lk1 And two leakage inductors with L lk2 are equal to -V IN and V IN , respectively. Due to the voltage of the two leakage inductors, the primary currents i p1 (t) and i D1 (t) decrease linearly and the primary currents i p2 (t) and i D4 (t) increase linearly . The primary currents i p1 (t) and i D1 (t) can be expressed as:

Figure 112014090627283-pat00003
Figure 112014090627283-pat00003

[모드 8(t7-t8)] [Mode 8 (t 7 -t 8 )]

도 3(h)에 도시된 모드 8은 제6다이오드 D4를 흐르는 전류 iD4(t)가 출력 전류 IO에 도달하고 제1다이오드 D1가 자연적으로 턴오프되면 시작된다. 이와 동시에, 2차측 전압 Vs1(t)은 0이 되고, 2차측 전압 Vs2(t)가 nVIN과 같아진다. 모드 8의 전류는 다음과 같다. The mode 8 shown in FIG. 3 (h) starts when the current i D4 (t) flowing through the sixth diode D 4 reaches the output current I 0 and the first diode D 1 is naturally turned off. At the same time, the secondary voltage V s1 (t) becomes zero and the secondary voltage V s2 (t) becomes equal to nV IN . The current in mode 8 is as follows.

Figure 112014090627283-pat00004
Figure 112014090627283-pat00004

모드 8의 마지막에 iD2(t)는 출력 전류 IO에 도달하고, 제4다이오드Da2는 자연적으로 턴오프된다. 그러면 파워는 제1트랜스포머T1, 제2트랜스포머T2, 제2 및 제6다이오드 D2, D4를 통해 입력포트로부터 출력포트로 이동한다. At the end of mode 8, i D2 (t) reaches the output current I o and the fourth diode D a2 is naturally turned off. The power then moves from the input port to the output port via the first transformer T 1 , the second transformer T 2 , the second and sixth diodes D 2 , D 4 .

[모드 9-16(t8-t16)] [Mode 9-16 (t 8 -t 16 )]

모드 9에서 16까지의 작동은, 전원공급 경로의 방향만을 제외하고 이전의 모드들과 동일하다. The operations from mode 9 to 16 are the same as the previous modes except for the direction of the power supply path.

도 4(a)는 본 발명에 따른 컨버터에서 단순화된 정류기 파형을 도시하고 있다. Figure 4 (a) shows a simplified rectifier waveform in a converter according to the invention.

도 2에 도시된 바와 같이, 모드 2, 6, 8의 구간은 실질적으로 매우 좁기 때문에 단순화된 정류기 출력 전압은 도 4(a)에 도시된 바와 같이 주어진다. As shown in FIG. 2, the simplified rectifier output voltage is given as shown in FIG. 4 (a) because the periods of modes 2, 6, and 8 are substantially narrow.

도 4(b)는 종래의 컨버터에서의 정류기 출력 전압 파형을 도시하고 있다. 4 (b) shows the rectifier output voltage waveform in the conventional converter.

종래의 컨버터는 단일 상전이 풀브리지 컨버터(PSFB: Phase-shift full-bridge) 또는 높은 파워 디자인을 위해 두 개의 PSFB를 병렬로 구성한 토폴로지 형태로 구성된다. 종래의 컨버터와 비교해보면, 본 발명의 컨버터에서는 타성으로 달리는 시간 구간, 즉 정류기 출력 전압 Vrec(t)이 0으로 유지되는 구간이 거의 존재하지 않는다. 이것은 본 발명에 따른 컨버터가 인버터 측에 순환 전류가 없다는 것을 뜻한다. Conventional converters are configured with a single phase-shift full-bridge (PSFB) or a topology in which two PSFBs are configured in parallel for high power design. Compared with the conventional converter, in the converter of the present invention, there is almost no time interval in which the voltage is applied to the rectifier output voltage Vrec (t). This means that the converter according to the present invention has no circulating current on the inverter side.

도 4(a)의 출력전압의 전압파형을 평균하면, 본 컨버터의 DC 컨버전 비율은 다음과 같이 주어진다. When the voltage waveform of the output voltage of Fig. 4 (a) is averaged, the DC conversion ratio of this converter is given as follows.

Figure 112014090627283-pat00005
Figure 112014090627283-pat00005

여기서, TS는 스위칭 주기이다. Where T S is the switching period.

도 5은 본 발명에 따른 컨버터의 정규화한 DC 컨버전 비율과 듀티사이클과의 관계를 보인 그래프이다. 5 is a graph showing the relationship between the normalized DC conversion ratio and the duty cycle of the converter according to the present invention.

도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 컨버터의 게인은 종래의 컨버터에 비해 아주 높음을 알 수 있다. 결과적으로, 본 발명에 따른 컨버터의 턴비 n은 종래의 컨버터에 비해 매우 작으며, 이에 따라 1차측 전도 손실과 2차측 전압 스트레스가 상당히 감소한다. As shown in FIG. 5, the gain of the converter according to the present invention is much higher than that of the conventional converter. As a result, the turn ratio n of the converter according to the present invention is much smaller than that of the conventional converter, thereby significantly reducing the primary side conduction loss and the secondary side voltage stress.

한편, 출력 인덕터LO의 값은 도 4의 정류기 출력 전압으로부터 유도할 수 있다. On the other hand, the value of the output inductor L O can be derived from the rectifier output voltage of FIG.

Figure 112014090627283-pat00006
Figure 112014090627283-pat00006

여기서, IPP는 출력 인덕터LO를 따라 흐르는 전류의 피크투피크 (Peak-to-peak) 값이고, V는 Δt동안 출력 인덕터LO에 가해지는 전압이다. Where I PP is the peak-to-peak value of the current flowing through the output inductor L O and V is the voltage applied to the output inductor L O during? T.

수학식 6은 다음의 수학식 7과 같이 변환된다. Equation (6) is transformed as shown in Equation (7).

Figure 112014090627283-pat00007
Figure 112014090627283-pat00007

정량 분석을 위해, 다음의 파라미터들이 사용된다. 각 파라미터들은 출력 전압 VO=250V, 피크투피크 전류 IPP=1A, 스위칭 주파수 fs=100kHz 이다. For quantitative analysis, the following parameters are used. The parameters are the output voltage V O = 250V, the peak current I PP = tupikeu 1A, the switching frequency f s = 100kHz.

도 6은 듀티 사이클의 기능에서 요구되는 출력 인덕터의 값을 보인 그래프이다. 6 is a graph showing the value of the output inductor required in the duty cycle function.

도 6에는 본 발명에 따른 컨버터에서 요구되는 출력 인덕터LO의 값과, 종래의 컨버터에서 요구되는 출력 인덕터의 값이 도시되어 있다. 도시된 바와 같이, 본 발명의 컨버터에서 요구되는 출력 인덕터LO의 값은 종래의 컨버터에서 요구되는 출력 인덕터의 값보다 매우 작다. 특히, 높은 파워를 공급하기 위해 두 개의 병렬 PSFB로 이루어진 컨버터 형태의 종래 컨버터의 경우, 큰 출력값을 갖는 두 개의 큰 출력 인덕터가 요구되었다. 따라서, 본 발명의 컨버터는 매우 작은 값을 갖는 출력 인덕터LO를 갖는다는 점에서 사이즈 측면에서 매우 큰 이득이 있다. FIG. 6 shows the values of the output inductor L O required in the converter according to the present invention and the values of the output inductors required in the conventional converter. As shown, the value of the output inductor L O required in the converter of the present invention is much smaller than the value of the output inductor required in a conventional converter. In particular, in the case of a conventional converter in the form of a converter consisting of two parallel PSFBs to provide high power, two large output inductors with large output values are required. Thus, the converter of the present invention has a very large size gain in that it has an output inductor L O with a very small value.

모드 2와 모드 3에서 상술한 바와 같이, 리딩 스위치들의 ZVS 동작은 두 가지의 공진 상태에서 이루어진다. 먼저, 리딩 스위치들을 흐르는 전압은 모드 2에서 출력 인덕터LO에 저장된 에너지에 의해 VIN으로부터 0.5VIN로 선형적으로 감소된다. 그리고 리딩 스위치들의 출력 커패시터에 남아있던 전압은 모드 3에서 누설 인덕터Llk2안에 저장된 에너지에 의해 완전히 방전된다. 리딩 스위치들의 ZVS 상태는 다음에 의해 얻어진다. As described above in mode 2 and mode 3, the ZVS operation of the reading switches occurs in two resonant states. First, the voltage across the reading switches is linearly reduced from V IN to 0.5V IN by the energy stored in the output inductor L O in mode 2. [ And the voltage remaining in the output capacitors of the reading switches is completely discharged by the energy stored in the leakage inductor L lk2 in mode 3. The ZVS state of the reading switches is obtained by:

Figure 112014090627283-pat00008
Figure 112014090627283-pat00008

에너지 관점에서 수학식 8은 다음의 수학식 9로 변환될 수 있다. From the energy point of view, Equation (8) can be transformed into Equation (9).

Figure 112014090627283-pat00009
Figure 112014090627283-pat00009

수학식 9에서 볼 수 있는 바와 같이, 리딩 스위치들의 출력 커패시터에 남아있던 에너지는 누설 인덕터Llk2에 의해 방전되어야 하지만, 원래 에너지의 25%가 남아있다. 이에 따라, 리딩 스위치들의 ZVS는 넓은 부하 범위를 초과하도록 작은 누설 인덕터Llk2에 의해 용이하게 달성된다. 만약 부하가 없는 상태와 같은 부하조건에서 ZVS를 달성하기 위해 여자 인덕터 Lm2의 리플 전류가 사용되면, ZVS 조건은 다음의 수학식 10와 같이 조절되고, ZVS 전체 동작이 성취된다. As can be seen in equation (9), the energy remaining in the output capacitors of the reading switches must be discharged by the leakage inductor L lk2 , but 25% of the original energy remains. Thus, the ZVS of the reading switches is easily achieved by a small leakage inductor L lk2 to exceed a wide load range. If the ripple current of the inductor L m2 is used to achieve ZVS in a load condition such as a load-free condition, then the ZVS condition is adjusted as shown in Equation 10 below and the full ZVS operation is achieved.

Figure 112014090627283-pat00010
Figure 112014090627283-pat00010

여기서, ΔI'ripple는 여자 인덕터 Lm2의 리플 전류이다. 리플 전류 ΔI'ripple에 의해 방전된 에너지는 수학식 10에 나타난 바와 같이, 원래 에너지의 25%이기 때문에, 리플 전류 ΔI'ripple는 매우 작은 값으로 설계될 수 있다. Here,? I ' ripple is the ripple current of the inductor L m2 . Since the energy discharged by the ripple current ΔI ' ripple is 25% of the original energy, as shown in Equation 10, the ripple current ΔI' ripple can be designed to a very small value.

레깅 스위치의 ZVS 조건은 다음과 같이 획득된다. The ZVS condition of the legging switch is obtained as follows.

Figure 112014090627283-pat00011
Figure 112014090627283-pat00011

에너지 차원에서 수학식 11은 다음의 수학식 12로 변환된다. In the energy dimension, Equation (11) is transformed into Equation (12).

Figure 112014090627283-pat00012
Figure 112014090627283-pat00012

수학식 11 또는 12의 Llk1+Llk2 항목과 여자 전류iLml(t)의 리플 전류ΔIripple 항목에 의해, 레깅 스위치들의 ZVS는 넓은 부하 범위에 걸쳐 용이하게 수행될 수 있음을 알 수 있다. 전형적으로, 큰 누설 인덕터들은 듀티 사이클 손실을 증가시키므로, 본 컨버터를 최적으로 설계하기 위해, 누설 인덕터의 값들 간의 트레이드오프(Trade-off)를 향상시키고, 리플 전류ΔIripple의 크기는 수학식 12에서 처리되어야 한다. By the ripple current ΔI ripple item in the equation (11) or 12 L lk1 + L lk2 items and exciting current i Lml (t), ZVS of leggings switch can know that it can be easily carried out over a wide load range. Typically, because a large leakage inductors increases the duty cycle loss, to design the converter at best, to improve the trade-off (Trade-off) between the leakage inductor values, ripple current magnitude of ΔI ripple is in equation (12) Should be processed.

ZVS 범위를 적정한 누설 인덕터 값들을 갖는 무부하 상태로 확장하기 위해서, 본 컨버터는 제1트랜스포머T1의 여자 인덕터Lm1 (또는 리플 전류 ΔIripple)를 사용한다. 제1트랜스포머T1의 작은 여자 인덕턴스의 사용에도 불구하고, 레깅 풀 브리지 인버터의 실효 전류 스트레스는 증가하지 아니한다. 이는 반 스위칭 주기내에서 제1트랜스포머T1안의 여자 전류의 평균이 0이고, 과부하 상태에서 전체 실효 전류에 대한 그 기여가 무시할 수 있을 만큼 작기 때문이다. To extend the ZVS range to a no-load state with proper leakage inductor values, this converter uses the excitation inductor L m1 (or ripple current ΔI ripple ) of the first transformer T 1 . Despite the use of the small excitation inductance of the first transformer T 1 , the effective current stress of the legged full bridge inverter does not increase. This is because the average of the excitation current in the first transformer T 1 in the half-switching period is zero and its contribution to the total effective current in the overload state is negligibly small.

일반적으로 ZVS 범위를 확장하기 위해, 트랜스포머에 직렬로 큰 공진 인덕터를 추가하면, 유효한 듀티 사이클이 감소하거나 듀티 사이클 손실이 증가한다. 이를 보상하기 위해, 트랜스포머의 턴비 n을 크게 설계하며, 이에 의해 1차측 전도(Conduction) 손실과 2차측 전압 스트레스가 증가한다. 그러나 본 컨버터의 ZVS 범위는, 특히 레깅 풀브리지 인덕터 측에서 파워가 공급되는 경로에 병렬인 제1트랜스포머T1의 여자 인덕턴스를 사용하여 확장된다. 그 결과, 확장된 ZVS 범위는 듀티 사이클 손실에 영향을 주지 아니한다. Generally, to extend the ZVS range, adding a large resonant inductor in series with the transformer reduces the effective duty cycle or increases the duty cycle loss. To compensate for this, the turn ratio n of the transformer is designed to be large, thereby increasing the primary side conduction loss and the secondary side voltage stress. However, the ZVS range of this converter is extended using the excitation inductance of the first transformer T 1 , in particular parallel to the path powered by the leggings full-bridge inductor. As a result, the extended ZVS range does not affect the duty cycle loss.

도 7은 6.6 kW 배터리 충전기에 의한 충전을 분석한 그래프이다. FIG. 7 is a graph showing an analysis of charging by a 6.6 kW battery charger.

초기에, DC-DC 컨버터는 배터리의 손상을 방지하기 위해 계단파 형태로 충전 전류를 점진적으로 상승시키며, 충전전류는 각 배터리 셀 전압이 임계 전압에 도달하거나 배터리 전압이 포인트 A에 도달할 때까지 상승시킨다. 이러한 초기 충전 단계를 프리차징 모드(Pre-charging mode)라 지칭한다. Initially, the DC-DC converter gradually increases the charging current in a step-wise fashion to prevent damage to the battery, and the charging current is maintained until each battery cell voltage reaches a threshold voltage or the battery voltage reaches point A . This initial charging step is referred to as a pre-charging mode.

프리차징 모드 후, DC-DC 컨버터는 정전류 모드(Constant Current mode)로 전환되고, 배터리 전압은 선형적으로 충전된다. 이때, 최대 배터리 전압이 450V 또는 포인트 C에 도달할 때까지 충전된다. 배터리 전압이 포인트 C에 도달하면, DC-DC 컨버터는 정전압(Constant Voltage mode) 모드에 놓이게 되고, 충전 전류는 점진적으로 감소한다. 이 모드는 충전전류가 미리 설정된 종결 전류에 도달하면 종료된다. After the precharging mode, the DC-DC converter is switched to a constant current mode and the battery voltage is charged linearly. At this time, the maximum battery voltage is charged until it reaches 450V or point C. When the battery voltage reaches point C, the DC-DC converter is placed in a constant voltage mode, and the charging current gradually decreases. This mode is terminated when the charge current reaches a preset settling current.

프리차징 모드에서는 파워가 작기 때문에, 리딩 풀브리지 인버터는 동작하지 않도록 하고, 도 8(a)에 도시된 바와 같이, 레깅 풀브리지 인버터의 두 개의 레그 사이의 상전이 시간Tα을 조절하여 레깅 풀브리지 인버터만이 배터리를 충전하도록 한다. 프리차징 모드에서 레깅 풀브리지 인버터는, 도 9(a)에 도시된 종래의 단일 PSFB 컨버터처럼 동작한다. 출력 전압 또는 배터리 전압이 프리차징 모드 동안 증가함에 따라, 상전이 시간Tα은 감소한다. 배터리 전압이 포인트 A에 도달하면, 상전이 시간Tα은 0이 되고, 게이트 시그널 Q1은 Q3와 동일해지거나, 게이트 시그널 Q2은 Q4와 동일해진다. Since the power is small in the precharging mode, the leading full bridge inverter is not operated and the phase transition time T alpha between the two legs of the legged full bridge inverter is adjusted as shown in Fig. 8 (a) Only the inverter should charge the battery. In the precharging mode, the leggings full bridge inverter operates like a conventional single PSFB converter shown in Fig. 9 (a). As the output voltage or the battery voltage increases during the pre-charging mode, the phase transition time T alpha decreases. When the battery voltage reaches point A, the phase transition time T α becomes zero, the gate signal Q 1 becomes equal to Q 3 , or the gate signal Q 2 becomes equal to Q 4 .

이와 동시에, 리딩 풀브리지 인버터가 동작되면, 컨버터는 도 2에 도시된 두 개의 인버터 간의 상전이 시간Tφ를 조절하여 본 컨버터가 동작하도록 한다. 포인트 B에서 대부분의 파워는, 배터리 전압이 여전히 낮고 상전이 시간Tφ이 작기 때문에, 도 8(b)에 도시된 바와 같이, 레깅 풀브리지 인버터를 통해 배터리로 이동한다. 충전 포인트가 포인트 A에서 포인트 C로 이동함에 따라, 배터리 전압 또는 충전 파워는 증가하고, 상전이 시간Tφ도 증가한다. 그러면, 도 8(c)에 도시된 바와 같이, 리딩 풀브리지 인버터에 의해 처리되는 파워가 점진적으로 증가하고, 각 인버터는 자연스럽게 최대 파워 포인트 C에서 전체 파워의 반을 처리한다. 이들 동작은 본 컨버터가 전체 배터리 충전 과정을 통해 높은 효율성을 달성하도록 한다. At the same time, when the leading full bridge inverter is operated, the converter adjusts the phase transition time T ? Between the two inverters shown in FIG. 2 so that the present converter operates. Most of the power at point B moves to the battery through the legged full bridge inverter as shown in Fig. 8 (b) because the battery voltage is still low and the phase transition time T ? Is small. As the charging point moves from point A to point C, the battery voltage or charging power increases and the phase transition time T ? Also increases. Then, as shown in Fig. 8 (c), the power processed by the leading full bridge inverter gradually increases, and each inverter naturally processes half of the total power at the maximum power point C. [ These operations allow the converter to achieve high efficiency through the entire battery charging process.

이하에서는 손실 분포를 분석하여 본 컨버터의 높은 효율성의 근본을 설명하도록 한다. The loss distribution is analyzed below to illustrate the fundamentals of high efficiency of this converter.

본 컨버터의 실행능력을 도 9에 도시된 종래 컨버터와 비교한다. The performance of this converter is compared with the conventional converter shown in Fig.

도 10은 두 파워링 모드에서 정류단의 등가회로도이다. 도 10을 참조하여 정류 다이오드의 전압 스트레스를 비교하면 다음과 같다. 10 is an equivalent circuit diagram of a rectifying stage in two powering modes. Referring to FIG. 10, the voltage stress of the rectifier diode is compared as follows.

등가회로로부터 정류 다이오드의 스트레스는 표 1과 같이 얻어질 수 있다. 두 가지 종래 컨버터들의 정류 다이오드 전압 스트레스도 표 1에 표시되어 있다. The stress of the rectifier diode from the equivalent circuit can be obtained as shown in Table 1. The rectifier diode voltage stresses of the two conventional converters are also shown in Table 1.

다이오드 전압 스트레스Diode voltage stress 본 발명의 컨버터The converter 단일 PSFB 컨버터Single PSFB Converter 병렬 작동 PSFB 컨버터Parallel Operation PSFB Converter 다이오드 D1 ~ D4Diodes D1 to D4 2nVIN (488V)2nV IN (488V) nc1VIN (560V)n c1 V IN (560V) nc2VIN (488V)n c2 V IN (488V) 다이오드 D5 ~ D8Diodes D5 to D8 -- -- nc2VIN (488V)n c2 V IN (488V) 다이오드 Da1 ~ Da2Diodes Da1 to Da2 nVIN (244V)nV IN (244V) -- --

여기서, n은 본 컨버터의 턴비이고, nc1과 nc2은 각각 두 가지 종래 컨버터의 턴비이다. 정량적 분석을 위해, 입력 전압이 400V이고, 컨버터들이 도 7에 도시된 충전 분석과 같이 동작한다고 가정한다. 그러면 트랜스포머들의 턴비는 수학식 8과 9를 이용하여 산출할 수 있다. 그러나 실질적인 변수, 예를 들면, 누설 인덕터에 의한 구동신호들과 듀티 사이클 손실 사이의 데드타임(Dead-time) 때문에, 턴비는 실제로는 수학식 5에서 산출된 값보다 약간 커야 한다. 그래서 이를 고려하면, 턴비들은 각각 n=0.61, nc1=1.4, nc2=1.22로 결정된다. 결과적으로, 본 컨버터는 4개의 고전압 정격 다이오드와 2개의 저전압 정격 다이오드를 필요로 함을 알 수 있다. Where n is the turn ratio of the present converter, and n c1 and n c2 are the turn ratio of two conventional converters, respectively. For quantitative analysis, it is assumed that the input voltage is 400V and the converters operate as the charge analysis shown in FIG. The turn ratio of the transformers can then be calculated using Equations 8 and 9. However, due to the dead time between the actual parameters, for example, the drive signals by the leakage inductors and the duty cycle loss, the turn ratio should actually be slightly larger than the value calculated in equation (5). Considering this, the turn ratios are determined as n = 0.61, n c1 = 1.4, and n c2 = 1.22, respectively. As a result, it can be seen that this converter requires four high voltage rated diodes and two low voltage rated diodes.

반면, 두 가지 종래의 컨버터들은 모두 고전압 정격 다이오드만을 필요로 한다. 저전압 정격 다이오드는 고전압 정격 다이오드와 비교해보면, 휠씬 낮은 온상태(ON-State) 전압과 더 나은 역회복(Reverse Recovery) 특성을 갖는다. 이로 인해, 본 컨버터의 정류단의 중심 레그에 두 개의 저전압 정격 다이오드의 사용함으로써, 프리차징 모드와 정전류 모드의 정류단에서 발생하는 파워 손실을 감소시키고, 그 컨버터 효율을 향상시킨다. 정전압 모드에서의 파워링도 두 개의 저전압 정격 다이오드를 사용하여 실행되기 때문에, 정전압 모드하에서 손실도 감소될 수 있다. On the other hand, both conventional converters only require high-voltage rated diodes. The low-voltage rated diode has much lower on-state voltage and better reverse recovery characteristics than the high-voltage rated diode. The use of two low-voltage-rated diodes in the center leg of the rectifier end of the converter thereby reduces the power loss occurring in the rectification stages of the pre-charging mode and the constant current mode and improves the converter efficiency. Since the powering in the constant voltage mode is also performed using two low voltage rated diodes, the loss can also be reduced under the constant voltage mode.

본 컨버터와 종래의 컨버터 간의 손실 비교는 도 7의 포인트 B, C, D 에서 각각 실행되었다. 먼저, 도 11에 나타난 바와 같이, 본 컨버터의 1차측 전도 손실은 종래의 컨버터보다 매우 낮다. 이것은 본 컨버터에서는 레깅 풀브리지 인버터는 포인트 B에서의 대부분의 파워를 처리하고, 최대 파워 포인트 C의 파워는 양 인버터에 의해 병렬적으로 처리되기 때문이다. 더 적은 턴비는 1차측 전도 손실의 감소에 기여한다. 본 컨버터의 1차측 스위칭 손실은 출력 파워가 감소되는 것과 같은 장점으로 작용한다. 그것은 넓은 ZVS 범위 때문이다. 종래의 컨버터와 비교하면, 본 컨버터의 2차측 전도 손실은 두 개의 저전압 정격 다이오드의 배치에 의해 향상되었다. Comparisons of losses between this converter and a conventional converter were performed at points B, C, and D, respectively, in Fig. First, as shown in Fig. 11, the primary side conduction loss of the present converter is much lower than that of the conventional converter. This is because the legged full bridge inverter handles most of the power at point B in this converter, and the power of maximum power point C is processed in parallel by both inverters. A lower turn ratio contributes to a reduction in primary side conduction losses. The primary side switching loss of this converter has the advantage of reducing the output power. It is due to the wide ZVS range. Compared to conventional converters, the secondary side conduction losses of this converter have been improved by the placement of two low-voltage rated diodes.

도 11(d)는 1차측 전도 손실, 1차측 스위칭 손실, 2차측 전도 손실의 합을 나타낸 그래프이다. 도 11(d)에 나타난 바와 같은 파워 손실의 향상 때문에, 본 컨버터는 전체 배터리 충전 과정동안 종래의 컨버터에 비해서 높은 컨버전 효율을 달성하는 것이 가능하다. 11 (d) is a graph showing the sum of the primary side conduction loss, the primary side switching loss, and the secondary side conduction loss. Because of the improvement in power loss as shown in Figure 11 (d), this converter is capable of achieving a higher conversion efficiency over conventional converters during the entire battery charging process.

표 2에는 본 컨버터와 종래의 컨버터들 간의 구성소자들의 개수가 비교되어 있다. Table 2 compares the number of components between this converter and conventional converters.

본 발명의 컨버터The converter 단일 PSFB 컨버터Single PSFB Converter 병렬 작동 PSFB 컨버터Parallel Operation PSFB Converter 스위치switch 88 44 88 다이오드diode 66 44 88 트래스포머Tracer 22 1One 22 공명 인덕터Resonance inductor 00 1One 22 출력 인덕터Output inductor 1One 1One 22 총계sum 1717 1111 2222

표 2에 나타난 바와 같이, 비록 본 컨버터가 6.6kW의 높은 파워를 처리하기는 하나, 구성소자의 개수는 종래의 병렬 작동 PSFB 컨버터보다 작다. As shown in Table 2, although the present converter processes a high power of 6.6 kW, the number of components is smaller than a conventional parallel-operated PSFB converter.

요약하면, 도 11에 파워 손실 항목과 구성소자의 개수에 따라, 본 컨버터는 종래의 컨버터보다 6.6kW가 넘는 고파워 용량을 갖는 배터리 충전기에 사용하기 적합하다고 할 수 있다. In summary, depending on the power loss and the number of components in FIG. 11, this converter is said to be suitable for use with battery chargers having a high power capacity greater than 6.6 kW over conventional converters.

본 컨버터의 효율성을 증명하기 위해, 3.3kW 파워 용량의 크기의 견본 컨버터를 다음 조건을 갖는 배터리 충전기에 구현하였다. To demonstrate the efficiency of this converter, a specimen converter of 3.3kW power capacity was implemented in a battery charger with the following conditions.

여기서, 배터리 충전기는 입력전압 VIN=400V, 출력전압 VO=250-450V, 최대 출력 전류 IO(MAX)=7.33A, 스위칭 주파수 fS=100kHz 이다. Here, the battery charger has an input voltage V IN = 400 V, an output voltage V O = 250-450 V, a maximum output current I O (MAX) = 7.33 A, and a switching frequency f S = 100 kHz.

견본 컨버터는 표 3에 나열된 구성요소를 이용하여 제작되었다. The sample converter was fabricated using the components listed in Table 3.

스위치 (Q1 ~ Q8)Switch (Q 1 ~ Q 8) IPW65R080CFDA(650V)IPW65R080CFDA (650V) 정류 다이오드 (D1 ~ D4)The rectifying diodes (D 1 to D 4 ) IDH15S120(1200V, 15A, Vf=2.5V)IDH15S120 (1200 V, 15 A, V f = 2.5 V) 보조 다이오드 (Da1, Da2)The auxiliary diodes ( Da1 , Da2 ) FEP16GTA(400V, 16A, Vf=1.3V)FEP16GTA (400 V, 16 A, V f = 1.3 V) 트랜스포머 (T1, T2)Transformers (T 1 , T 2 ) 코어: EE7072, 턴비: 0.61
제1트랜스포머 제2트랜스포머
Lm: 855.8μH Lm: 845.2μH
Llk: 8.46μH Llk: 8.32μH
Core: EE7072, turn ratio: 0.61
The first transformer second transformer
L m : 855.8 μH L m : 845.2 μH
L lk: 8.46μH L lk: 8.32μH
출력 인덕터 (LO)Output inductor (L O ) 200μH, MPP 코어 200 μH, MPP core 출력 캐패시터 (Co)Output capacitor (C o ) 47μF/650V 47μF / 650V 컨트롤러controller TMS320F28027TMS320F28027

전압 오버슛(Overshoot)과 발진 문제를 저하시키기 위해, 도 12에 도시된 바와 같이, 두 개의 스너버 회로를 정류단에 채용하였다. In order to reduce the voltage overshoot and the oscillation problem, two snubber circuits are employed in the rectification stage, as shown in Fig.

도 13은 본 발명의 컨버터가 도 7에 도시된 포인트 B에서 포인트 C로 이동할때 생성되는 주요 동작 파형을 나타낸 그래프이다. 13 is a graph showing the main operation waveforms generated when the converter of the present invention moves from point B to point C shown in Fig.

도시된 바와 같이, 측정된 모든 파형들은 도 2와 도 8에 설명된 이론적인 파형들을 잘 추종하고 있다. 게다가, 본 컨버터는 배터리 충전동안 1차측에 순환전류가 없음이 확인된다. 또한, 도 13에서 정류기 출력 전압 파형을 보면, 파워가 본 컨버터에서 포인트 B에서 포인트 C로 이동할 때 두 개의 저전압 정격 다이오드가 더 작은 온상태 전압을 사용하여 전달된다. 이 동작은 정류단의 전도 손실의 감소에 기여한다. As shown, all of the measured waveforms follow the theoretical waveforms described in FIGS. 2 and 8 well. In addition, the converter is confirmed to have no circulating current on the primary side during battery charging. Also, looking at the rectifier output voltage waveform in Figure 13, when power is shifted from point B to point C in the present converter, two low-voltage rated diodes are delivered using a smaller on-state voltage. This operation contributes to reduction of the conduction loss of the rectification stage.

도 14는 각기 다른 동작 조건에서 측정한 본 발명의 풀브리지 컨버터의 효율성을 보인 그래프이다. 14 is a graph showing the efficiency of the full bridge converter of the present invention measured under different operating conditions.

도 14에 도시된 바와 같이, 본 컨버터는 최대 부하 또는 도 7의 포인트 C에서 최대 96.65%의 효율을 가지며, 전체 배터리 충전 과정에서 높은 효율성을 유지한다. 이러한 높은 효율성은 모든 동작 조건들하에서 ZVS가 작동하고, 듀티 사이클 손실의 효과가 없고, 순환전류가 없고, 두 개의 저전압 정격 다이오드를 사용하기 때문에 달성될 수 있다. As shown in FIG. 14, the converter has a maximum load or efficiency of 96.65% at a maximum at point C in FIG. 7, and maintains high efficiency in the entire battery charging process. This high efficiency can be achieved because the ZVS operates under all operating conditions, has no duty cycle loss effect, no circulating current, and uses two low-voltage rated diodes.

이와 같이, 본 발명에 따른 소프트 스위칭 DC-DC 컨버터는 전기 자동차에서 6.6kW가 넘는 파워 용량을 갖는 온보드용 고 파워 배터리 충전기에 적용된다. 본 발명에 따른 컨버터는 다음과 같은 장점을 갖는다. Thus, the soft switching DC-DC converter according to the present invention is applied to an onboard high power battery charger having a power capacity exceeding 6.6 kW in an electric vehicle. The converter according to the present invention has the following advantages.

1) 1차측 및 2차측 전도 손실을 감소시킨다. 1) Reduce primary and secondary conduction losses.

2) 순환전류가 없고, 듀티 사이클의 손실이 적고, ZVS 범위를 최대화할 수 있다. 2) No circulating current, less loss of duty cycle, and maximized ZVS range.

3) 출력 인덕터의 사이즈를 보다 작게 할 수 있다. 3) The size of the output inductor can be made smaller.

4) 파워 핸들링 용량을 용이하게 증가시킬 수 있다. 4) Power handling capacity can be easily increased.

이러한 장점들에 의해, 본 컨버터는 전체 충전 과정에서 작은 파워 손실과 높은 컨버전 효율을 갖는다. 3kW 배터리 충전기에 구현한 본 컨버터의 실험결과에 따르면, 상술한 모든 장점들이 증명되었으며, 컨버터의 효율성과 실용가능성이 확인되었다. 이에 따라, 본 컨버터는 전기 자동차나 플러그인 하이브리드 전기 자동자에 사용되는 6.6kW 이상의 파워 용량을 갖는 고 파워 배터리 충전기의 DC-DC 컨버터로 사용하기에 적합하다고 할 수 있다. With these advantages, the converter has a small power loss and high conversion efficiency during the entire charging process. Experimental results of this converter implemented in a 3kW battery charger demonstrate all the advantages mentioned above and confirmed the efficiency and practicality of the converter. As a result, this converter is suitable for use as a DC-DC converter of a high-power battery charger with a power capacity of 6.6 kW or more, which is used in electric vehicles and plug-in hybrid electric automobiles.

전술한 실시예에서 언급한 표준내용 또는 표준문서들은 명세서의 설명을 간략하게 하기 위해 생략한 것으로 본 명세서의 일부를 구성한다. 따라서, 위 표준내용 및 표준문서들의 일부의 내용을 본 명세서에 추가하거나 청구범위에 기재하는 것은 본 발명의 범위에 해당하는 것으로 해석되어야 한다. The standard content or standard documents referred to in the above-mentioned embodiments constitute a part of this specification, for the sake of simplicity of description of the specification. Therefore, it is to be understood that the content of the above standard content and portions of the standard documents are added to or contained in the scope of the present invention.

이상의 설명은 본 발명의 기술사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야하며, 그와 동등한 범위내에 있는 모든 기술사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다. The foregoing description is merely illustrative of the technical idea of the present invention and various changes and modifications may be made by those skilled in the art without departing from the essential characteristics of the present invention. Therefore, the embodiments disclosed in the present invention are intended to illustrate rather than limit the scope of the present invention, and the scope of the technical idea of the present invention is not limited by these embodiments. The scope of protection of the present invention should be construed according to the following claims, and all technical ideas within the scope of equivalents should be construed as falling within the scope of the present invention.

Claims (9)

한 쌍의 트랜스포머;
직렬 연결되는 한 쌍의 스위치로 구성되는 제1레그, 제2레그 및 상기 한 쌍의 트랜스포머 중 제1트랜스포머를 포함하는 레깅 풀브리지 인버터와, 제3레그, 제4레그 및 상기 한 쌍의 트랜스포머 중 제2트랜스포머를 포함하는 리딩 풀브리지 인버터를 포함하는 제1스테이지; 및
직렬 연결되는 한 쌍의 다이오드로 구성되는 제5레그, 제6레그 및 제7레그를 포함하며, 상기 제5레그, 제6레그 및 상기 제1트랜스포머를 포함하는 제1풀브리지 정류회로와, 상기 제6레그, 제7레그 및 상기 제2트랜스포머를 포함하는 제2풀브리지 정류회로로 구성되는 제2스테이지;를 포함하고,
배터리 전압이 미리 설정된 임계전압에 도달할 때까지 상기 레깅 풀브리지 인버터의 제1레그와 제2레그 사이의 상전이 시간을 조절하여 상기 레깅 풀브리지 인버터만이 배터리를 충전하도록 하고,
배터리 전압이 미리 설정된 임계전압에 도달하면, 상기 리딩 풀브리지 인버터의 제3레그와 제4레그 사이의 상전이 시간을 조절하여 상기 리딩 풀브리지 인버터에서 처리되는 파워를 증가시키며,
상기 제6레그를 구성하는 한 쌍의 저전압 정격 다이오드 각각에 대해 병렬로 스너버 회로가 장착되고,
상기 제2스테이지의 출력단에 직렬로 연결되는 출력인덕터의 인덕턴스(Lo) 크기는 아래의 수학식과 같이 결정되는 것을 특징으로 하는 풀브리지 컨버터.
Figure 112015108352425-pat00037

여기서, Ipp는 상기 출력인덕터로 흐르는 전류의 피크투피크(peak-to-peak) 값이고, Vo는 출력전압이며, Ts는 스위칭 주기, D는 제1스테이지에 위치하는 스위치의 듀티임.
A pair of transformers;
A legged full bridge inverter comprising a first leg, a second leg and a first transformer of a pair of transformers, each of the legs comprising a pair of series-connected switches; and a third leg, a fourth leg, and a pair of transformers A first stage including a leading full bridge inverter including a second transformer; And
A first full bridge rectifying circuit including a fifth leg, a sixth leg and a seventh leg composed of a pair of diodes connected in series, the fifth leg, the sixth leg, and the first transformer; And a second stage comprising a second full bridge rectifier circuit including a sixth leg, a seventh leg, and the second transformer,
The legging full bridge inverter only charges the battery by adjusting the phase transition time between the first leg and the second leg of the legging full bridge inverter until the battery voltage reaches a preset threshold voltage,
Adjusting the phase transition time between the third leg and the fourth leg of the leading full bridge inverter to increase power to be processed in the leading full bridge inverter when the battery voltage reaches a preset threshold voltage,
A snubber circuit is mounted in parallel to each of the pair of low-voltage rated diodes constituting the sixth leg,
And the inductance (Lo) of the output inductor connected in series to the output stage of the second stage is determined according to the following equation.
Figure 112015108352425-pat00037

Where Ipp is the peak-to-peak value of the current flowing into the output inductor, Vo is the output voltage, Ts is the switching period, and D is the duty of the switch located in the first stage.
제1항에 있어서,
상기 제6레그를 구성하는 한 쌍의 다이오드는, 저전압 정격 다이오드인 것을 특징으로 하는 풀브리지 컨버터.
The method according to claim 1,
And the pair of diodes constituting the sixth leg are low-voltage rated diodes.
제1항에 있어서,
배터리 전압이 미리 설정된 임계전압에 도달할 때까지 충전전류를 상승시키는 프리차징 모드, 배터리 전압이 선형적으로 충전되는 정전류 모드, 배터리 전압이 미리 설정된 충전전압에 도달하면 충전전류를 감소시키는 정전압 모드를 통해 배터리를 충전하는 것을 특징으로 하는 풀브리지 컨버터.
The method according to claim 1,
A precharge mode in which the charge current is increased until the battery voltage reaches a predetermined threshold voltage, a constant current mode in which the battery voltage is linearly charged, a constant voltage mode in which the charge current is reduced when the battery voltage reaches a predetermined charge voltage And the battery is charged through the battery.
삭제delete 삭제delete 삭제delete 제1항에 있어서,
상기 제2트랜스포머의 여자 인덕터는 스위칭 주기동안 발생하는 여자 전류의 효과를 무시할 수 있을 정도로 충분히 큰 것을 특징으로 하는 풀브리지 컨버터.
The method according to claim 1,
Wherein the excitation inductor of the second transformer is sufficiently large to neglect the effect of the excitation current occurring during the switching period.
제1항에 있어서,
ZVS 범위는, 파워 경로와 평행한 상기 레깅 풀브리지 인덕터의 상기 제1트랜스포머의 여자 인덕턴스에 의해 확장되는 것을 특징으로 하는 풀브리지 컨버터.
The method according to claim 1,
Wherein the ZVS range is extended by the excitation inductance of the first transformer of the legged full bridge inductor parallel to the power path.
삭제delete
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