KR101761571B1 - Current injection resonant converter - Google Patents

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Abstract

본 발명은 무선전력전송을 위한 공진형 컨버터에서 공진탱크의 변화 또는 입출력 전압이득의 가변에 따른 출력전압의 변화에 대응하기 위해 공진탱크의 커패시터에 전류를 주입 또는 방출하여 출력전압을 일정하게 제어하도록 하는 전류 주입형 공진형 컨버터에 관한 것이다.
본 발명에 따른 전류 주입형 공진형 컨버터는, 공진탱크를 포함하는 공진형 컨버터; 상기 공진탱크의 공진커패시터(Cr)로 주입하는 전류주입회로; 상기 공진형 컨버터로부터 공급된 전압을 1차측 송신코일에서 2차측 수신코일로 전달하는 트랜스포머; 및 상기 공진형 컨버터 및 전류주입회로의 동작을 제어하는 제어부를 포함한다.
The present invention relates to a resonance type converter for wireless power transmission in which a current is injected into or discharged from a capacitor of a resonance tank so as to correspond to a change in resonance tank or a change in output voltage according to a change in input / To a current injection type resonance type converter.
A current injection type resonance type converter according to the present invention includes: a resonance type converter including a resonance tank; A current injection circuit for injecting the current to the resonance capacitor (Cr) of the resonance tank; A transformer for transmitting the voltage supplied from the resonant converter to the secondary-side receiving coil from the primary-side transmitting coil; And a control unit for controlling operations of the resonant converter and the current injection circuit.

Description

전류 주입형 공진형 컨버터{Current injection resonant converter}Current injection resonant converter < RTI ID = 0.0 >

본 발명은 공진형 컨버터에 관한 것으로서, 특히 무선전력전송을 위한 공진형 컨버터에서 공진탱크 변화에 따른 출력전압의 변화 또는 입출력 전압이득의 가변에 대응하기 위해 공진탱크의 커패시터에 전류를 주입 또는 방출하여 출력전압을 일정하게 제어하도록 하는 전류 주입형 공진형 컨버터에 관한 것이다.The present invention relates to a resonance type converter, and in particular, in a resonance type converter for wireless power transmission, a current is injected into or discharged from a capacitor of a resonance tank in order to cope with a change in output voltage or a change in input / To a current injection type resonance type converter which controls the output voltage to be constant.

일반적으로 무선전력 전송을 위해 넓은 부하범위에서 고효율 획득에 유리한 하프 브릿지(half bridge) LLC 공진형 컨버터가 주로 사용되고 있다. 이러한 종래의 하프 브릿지 LLC 공진형 컨버터에서는 공진 인덕터(Lr)와 공진 커패시터(Cr) 간에 공진을 발생시켜 트랜스포머의 1,2차측 코일에 해당하는 송수신코일(Tx,Rx)을 통해 무선 전력 전송을 수행한다.Generally, a half bridge LLC resonant converter is favored for high efficiency acquisition over a wide load range for wireless power transmission. In this conventional half bridge LLC resonant converter, resonance is generated between the resonant inductor Lr and the resonant capacitor Cr to perform wireless power transmission through the transmission / reception coils Tx and Rx corresponding to the first and second coils of the transformer do.

이때, 송수신 코일(Tx,Rx) 간 전송거리가 멀수록 송수신 코일(Tx,Rx) 간 자기결합도가 감소하게 되어 트랜스포머의 자화인덕턴스(Lm) 대비 공진인덕턴스(Lr)의 비율(=Lr/Lm)이 증가하게 된다. 이러한 인덕턴스의 변화에 따라 공진탱크의 변화가 불가피하고 이로 인해 컨버터의 입출력 전압이득이 감소하여 부하에서 요구하는 출력전압을 맞추기 어렵게 되는 문제점이 있다.At this time, as the transmission distance between the transmission and reception coils Tx and Rx becomes longer, the magnetic coupling between the transmission and reception coils Tx and Rx decreases, and the ratio of the resonance inductance Lr to the magnetization inductance Lm of the transformer ) Is increased. As the inductance changes, resonance tanks are inevitably changed. As a result, the input / output voltage gain of the converter is reduced, making it difficult to match the output voltage required by the load.

도 1은 종래의 케스케이드 부스트-LLC 공진형 컨버터의 회로도이고, 도 2는 도 1의 컨버터에서 일례에 따른 입출력 이득을 도시한 그래프이다.FIG. 1 is a circuit diagram of a conventional cascade boost-LLC resonant converter, and FIG. 2 is a graph showing an input / output gain according to an example of the converter of FIG.

도 1과 같이 종래의 cascaded boost-LLC 공진형 컨버터는 부스트(boost) 컨버터(1)와 LLC 공진형 컨버터(2)가 직렬 연결된 2단 전력단으로 구성된다. 여기서, 설명의 편의상 입력전압(Vi), 출력전압(Vo), 출력전력(Po)을 일례로 12V, 12V, 10W로 각각 설정하고 LLC 공진형 컨버터(2)의 주파수를 약 130㎑로 설정한 실험 예의 경우, 도 2에서와 같이 송수신코일(Tx,Rx)의 거리에 따라 트랜스포머(3)의 1차측 송신코일(Tx)의 누설인덕턴스(Lr)와 자화인덕턴스(Lm)가 도 2와 같이 변화할 때 최소 0.21에서 1의 입출력 전압 이득(gain)을 가진다. 이때, 2차측의 최종 수신단의 출력전압(Vo)를 일정한 12V로 제어하기 위해서 앞 단에 설치된 부스트 컨버터(1)는 12V의 입력전압(Vi)를 승압하여 링크전압을 가변하여 출력전압(Vo)를 간접적으로 제어하는 원리로 동작한다.As shown in FIG. 1, a conventional cascaded boost-LLC resonant converter comprises a boost converter 1 and an LLC resonant converter 2 connected in series. Here, for convenience of explanation, the input voltage Vi, the output voltage Vo, and the output power Po are set to 12V, 12V, and 10W, respectively, and the frequency of the LLC resonant converter 2 is set to about 130 kHz 2, the leakage inductance Lr and the magnetizing inductance Lm of the primary-side transmission coil Tx of the transformer 3 change according to the distance between the transmission and reception coils Tx and Rx as shown in Fig. Output voltage gain of at least 0.21 to 1. At this time, in order to control the output voltage Vo of the final receiving end of the secondary side to 12V, the boost converter 1 provided at the front stage boosts the input voltage Vi of 12V to vary the link voltage, As shown in FIG.

이러한 종래의 컨버터는 구조와 동작원리가 단순하여 설계와 구현이 용이한 장점은 있으나 송수신 코일의 거리에 따라 LLC 공진형 컨버터의 전압 이득(gain)이 0.21~1로 큰 폭으로 변동하므로 출력전압(Vo)를 12V로 일정하게 제어하기 위해서는 링크전압(Vlink)은 산술적으로 12V~75V로 매우 넓게 가변해야 하는 문제점이 있으며, 실제 동작 마진을 고려할 경우 링크전압은 최대 76V까지 증가해야 한다. 따라서, 입력전압(Vi)이 12V로 낮음에도 불구하고 송수신코일 간의 충전거리가 멀 경우 링크전압과 반도체 소자의 전압 스트레스는 매우 높아지므로 제작단가의 상승이 불가피하고 소자의 내압 상승으로 우수한 성능의 소자 사용이 어려워 고효율 획득에 불리한 단점이 있다. 특히, 도 1에 보인 회로도와 같이 종래에는 부스트 컨버터(1)와 LLC 공진형 컨버터(2)가 직렬 연결된 2단 전력단으로 구성되어 있어 전체 회로 사이즈가 증가하고 가격적으로 불리하며 전력단의 직렬 접속으로 인해 고효율 획득에 불리한 단점을 가진다.However, since the voltage gain of the LLC resonant converter varies greatly from 0.21 to 1 depending on the distance of the transmitting and receiving coils, the output voltage Vo) to 12V, the link voltage (Vlink) has to be varied from 12V to 75V in a very wide range. Considering the actual operation margin, the link voltage should be increased up to 76V. Therefore, even if the input voltage Vi is as low as 12V, when the charging distance between the transmitting and receiving coils is long, the link voltage and the voltage stress of the semiconductor device become very high. Therefore, the manufacturing cost is inevitably increased, It is disadvantageous to obtain high efficiency because it is difficult to use. In particular, as shown in the circuit diagram of FIG. 1, since the boost converter 1 and the LLC resonant converter 2 are composed of a two-stage power stage connected in series, the overall circuit size increases and is disadvantageous in price. Which is disadvantageous for high efficiency acquisition due to connection.

도 3은 종래의 공진탱크 가변형 LLC 공진형 컨버터의 회로도이고, 도 4는 도 3의 컨버터에서 일례에 따른 입출력 이득을 도시한 그래프이다.FIG. 3 is a circuit diagram of a conventional resonant tank variable LLC resonant converter, and FIG. 4 is a graph showing an input / output gain according to an example of the converter of FIG.

도 3에서와 같이 종래의 공진탱크 가변형 LLC 공진형 컨버터의 경우 공지의 부스트 컨버터(4)와 LLC 공진형 컨버터(5)가 직렬 연결된 2단 전력단으로 구성되고 트랜스포머(6)의 송신코일(Tx)에 보조 커패시터와 스위치의 직렬 쌍이 서로 병렬로 다수 개가 접속된 가변 커패시터 뱅크(variable capacitor bank)(7)를 연결하여 실질적으로 공진 커패시터(Cr)의 개수를 가변함으로써 전압 이득을 상승시키도록 한다. 즉, 커플링 계수에 따라 공진커패시터(Cr)와 병렬 접속되는 커패시터의 개수를 가감함으로써 커플링 계수가 낮은 경우 가변 커패시터 뱅크(6)의 보조 커패시터와 직렬 연결된 스위치를 오프시킴으로써 등가 공진커패시터를 감소시켜 도 4의 일례와 같이 LLC 공진형 컨버터의 전압 이득을 가변할 수 있다. 이에, 도 1에 도시된 컨버터에 비해 높은 전압 이득을 확보하기 용이하여 링크전압(Vlink)이 높지 않아 소자의 전압 스트레스 측면에서는 우수한 장점이 있다.3, in the case of the conventional resonant tank variable LLC resonant converter, the conventional boost converter 4 and the LLC resonant converter 5 are constituted by a two-stage power stage connected in series and the transmission coil Tx of the transformer 6 The voltage gain is increased by connecting the variable capacitor bank 7 in which a plurality of series pairs of the auxiliary capacitor and the switch are connected in parallel to each other to vary the number of the resonance capacitors Cr substantially. That is, by decreasing or increasing the number of capacitors connected in parallel with the resonance capacitor Cr according to the coupling coefficient, the equivalent resonance capacitor is reduced by turning off the switch in series with the auxiliary capacitor of the variable capacitor bank 6 when the coupling coefficient is low The voltage gain of the LLC resonant converter can be varied as shown in FIG. 1, it is easy to ensure a high voltage gain, and the link voltage (Vlink) is not high, which is advantageous in terms of voltage stress of the device.

하지만, 이러한 방식의 경우 커플링 계수에 따라 다수의 보조 커패시터와 직렬 연결된 각각의 스위치를 온/오프 해야 하므로 연속동작이 불가하므로 커플링 계수의 급격한 변동과 부하의 급변 시 심각한 과도상태가 발생할 수 있는 문제점이 있다. 또한, 뿐만 아니라 도 1과 마찬가지로 2단 전력단으로 구성되어 있어 전력변환 효율이 낮다는 단점이 있다.However, in such a case, it is necessary to turn on / off each of the switches connected in series with the plurality of auxiliary capacitors according to the coupling coefficient, so that the continuous operation is not possible, so that a sudden change in the coupling coefficient and a serious transient state There is a problem. In addition, as shown in Fig. 1, the power conversion efficiency is low due to the two-stage power stage.

이와 같이, 무선충전기에 적용되는 무선전력 전송용 공진형 컨버터의 경우 종래에는 송신단 컨버터로 LLC 공진형 토폴로지가 일반적으로 사용되고 있으며, 송신코일(Tx)과 수신코일(Rx) 간의 거리가 멀수록 코일 간 결합계수가 감소하여 이에 따라 송신코일의 누설인덕턴스는 증가하고 자화인덕턴스는 감소한다. 또한, 코일 간 거리변화로 변동하는 인덕턴스 성분은 LLC 공진형 컨버터의 공진탱크 변동을 유발하여 최종적으로 송신단과 수신단 간의 입출력 전압 이득을 감소시켜 전송되는 전력량을 감소시키며 이로 인해 충전거리에 한계가 존재한다는 문제점이 있다.As described above, in the case of a resonant converter for wireless power transmission applied to a wireless charger, an LLC resonant type topology is generally used as a transmitter converter in the related art. As the distance between the transmission coil Tx and the reception coil Rx becomes longer, The coupling coefficient is decreased, so that the leakage inductance of the transmitting coil increases and the magnetizing inductance decreases. Also, the inductance component fluctuating due to the change in the distance between the coils causes resonant tank fluctuation of the LLC resonant converter, thereby reducing the input / output voltage gain between the transmitting end and the receiving end and reducing the amount of transmitted power. There is a problem.

대한민국 등록특허공보 제10-0691854호Korean Patent Publication No. 10-0691854 대한민국 등록특허공보 제10-1377121호Korean Patent Publication No. 10-1377121

본 발명은 상기한 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 무선전력 전송을 위한 공진형 컨버터에서 공진탱크 변화의 또는 입출력 전압이득의 가변에 따른 출력전압의 변화에 대응하기 위해 공진탱크의 커패시터에 전류를 주입 또는 방출하여 출력전압을 일정하게 제어하도록 하는 전류 주입형 공진형 컨버터를 제공하는데 목적이 있다.SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made in view of the above problems, and it is an object of the present invention to provide a resonance type converter for wireless power transmission, in which a capacitor of a resonance tank has a current And the output voltage is controlled to be constant by injecting or discharging the current-injection type resonance type converter.

또한, 본 발명은 전체 회로가 풀 브릿지 형태의 토폴로지를 사용하고 하나의 전력단만으로 구성되어 전력변환 효율이 높고 회로의 구성이 간단한 전류 주입형 공진형 컨버터를 제공하는데 추가적인 목적이 있다.It is a further object of the present invention to provide a current injection type resonance type converter in which the entire circuit uses a full bridge type topology and is composed of only one power stage and has a high power conversion efficiency and a simple circuit configuration.

본 발명에 따른 전류 주입형 공진형 컨버터는, 입력전압에 병렬연결되며 서로 직렬연결된 제1스위치(M1)와 제2스위치(M2)를 포함하고 입출력 전압이득의 가변을 위해 후술하는 공진탱크의 공진커패시터(Cr)에 전류를 주입 또는 방출하는 전류주입회로; 상기 공진탱크를 포함하고 서로 직렬연결된 제3스위치(M3)와 제4스위치(M4)를 포함하는 공진형 컨버터; 상기 공진형 컨버터로부터 공급된 전압을 1차측 송신코일에서 2차측 수신코일로 전달하는 트랜스포머; 및 상기 공진형 컨버터 및 전류주입회로의 동작을 제어하는 제어부를 포함하고, 상기 제어부는, 기설정된 기준치보다 큰 입출력 전압 이득이 요구되는 경우에는 상기 공진탱크의 공진커패시터(Cr)에 전류가 주입되도록 상기 제1 내지 제4 스위치(M1~M4)의 스위칭 동작을 제어하고, 상기 기준치보다 작은 입출력 전압 이득이 요구되는 경우에는 상기 공진커패시터(Cr)에 전류주입량이 감소하도록 상기 제1 내지 제4 스위치(M1~M4)의 스위칭 동작을 제어한다.The current injection type resonance type converter according to the present invention includes a first switch M 1 and a second switch M 2 connected in parallel to an input voltage and connected in series to each other, A current injection circuit for injecting or discharging a current into the capacitor Cr; A resonant converter including the resonant tank and including a third switch M3 and a fourth switch M4 serially connected to each other; A transformer for transmitting the voltage supplied from the resonant converter to the secondary-side receiving coil from the primary-side transmitting coil; And a control unit for controlling operation of the resonant converter and the current injection circuit, wherein when the input / output voltage gain is greater than a preset reference value, the control unit controls the resonant capacitor Cr so that the current is injected into the resonant capacitor Cr of the resonant tank And controls the switching operation of the first to fourth switches (M1 to M4). When an input / output voltage gain smaller than the reference value is required, the first to fourth switches (M1 to M4).

본 발명에서, 상기 전류주입회로는 상기 제1,2 스위치의 제1중간점은 서로 직렬로 연결된 인덕터(La)와 커패시터(Ca)를 통해 상기 트랜스포머의 1차측 송신코일의 일측에 연결된다.In the present invention, the current injection circuit is connected to one side of the primary coil of the transformer through an inductor La and a capacitor Ca connected in series to each other at a first midpoint of the first and second switches.

본 발명에서, 상기 공진형 컨버터는 상기 제3,4 스위치의 제2중간점은 상기 공진탱크의 공진인덕터(Lr)를 통해 상기 트랜스포머의 1차측 송신코일의 타측에 연결된다.In the resonant converter of the present invention, the second midpoint of the third and fourth switches is connected to the other side of the primary coil of the transformer through the resonant inductor (Lr) of the resonant tank.

본 발명에서, 상기 제어부는 상기 트랜스포머의 수신코일의 출력전압이 기설정된 전압으로 일정하게 제어되도록 상기 전류주입회로의 제1 및 제2 스위치의 스위칭 동작을 제어하여 상기 공진형 컨버터의 공진탱크 내 공진커패시터에 전류가 주입 또는 방출되도록 한다.In the present invention, the controller may control the switching operation of the first and second switches of the current injection circuit so that the output voltage of the receiving coil of the transformer is controlled to be a predetermined voltage, Causing the current to be injected or discharged into the capacitor.

삭제delete

본 발명에서, 상기 제어부는 상기 제1스위치와 제3스위치를 온(on)시키고 상기 제2스위치와 제4스위치를 오프시켜 상기 입력전압에 의한 전류가 상기 제1스위치, 인덕터(La) 및 커패시터(Ca)를 통해 공진커패시터로 공급됨과 동시에 상기 전류가 상기 제3스위치, 공진인덕터(Lr), 트랜스포머의 1차측 송신코일을 통해 상기 공진커패시터로 공급되도록 함으로써 상기 전류주입회로에서 발생된 전류와 상기 공진형 컨버터에 의해 발생된 전류가 서로 더해져 상기 공진커패시터로 함께 흘러들어가도록 하여 상기 공진커패시터의 전류주입량을 증가시키도록 한다.In the present invention, the control unit turns on the first switch and the third switch and turns off the second switch and the fourth switch so that the current based on the input voltage is applied to the first switch, the inductor La, Is supplied to the resonant capacitor through the first switch (Ca) and the current is supplied to the resonant capacitor through the third switch, the resonant inductor (Lr), and the primary coil of the transformer, The currents generated by the resonant converter are added to each other to flow together into the resonant capacitor to increase the current injection amount of the resonant capacitor.

본 발명에서, 상기 제어부는 상기 제1스위치와 제3스위치를 오프(off)시키고 상기 제2스위치 및 제4스위치를 온(on)시켜 상기 공진커패시터에 저장된 전압에 의한 전류가 상기 인덕터(La), 커패시터(Ca), 제2스위치를 통해 흘러 방전이 이루어짐과 동시에 상기 전류는 상기 트랜스포머의 1차측 송신코일, 공진인덕터(Lr), 제4스위치를 통해 흘러 방전이 이루어지도록 한다.In the present invention, the controller turns off the first switch and the third switch, turns on the second switch and the fourth switch, and the current based on the voltage stored in the resonance capacitor is applied to the inductor La. The capacitor Ca, and the second switch, and at the same time, the current flows through the primary coil, the resonant inductor Lr, and the fourth switch of the transformer.

본 발명에서, 상기 제어부는 상기 제2스위치와 제3스위치를 온(on)시키고 상기 제1스위치와 제4스위치를 오프(off)시켜 상기 입력전압에 의한 전류가 상기 제3스위치, 공진인덕터(Lr), 트랜스포머의 송신코일을 통해 공진커패시터로 공급됨과 동시에 상기 공진커패시터에 충전된 전압에 의한 전류가 인덕터(La), 커패시터(Ca), 제2스위치를 통해 흘러 방전이 일어나도록 함으로써 상기 전류주입회로에서 발생된 전류와 상기 공진형 컨버터에 의해 발생된 전류가 서로 상쇄되어 상기 공진커패시터로 흘러들어가도록 하여 공진커패시터의 전류주입량을 감소시키도록 한다.In the present invention, the control unit turns on the second switch and the third switch and turns off the first switch and the fourth switch so that the current due to the input voltage flows through the third switch, the resonant inductor Lr) is supplied to the resonance capacitor through the transmission coil of the transformer, and a current due to the voltage charged in the resonance capacitor flows through the inductor La, the capacitor Ca and the second switch to cause the discharge, The current generated in the circuit and the current generated by the resonant converter cancel each other and flow into the resonant capacitor to reduce the current injection amount of the resonant capacitor.

본 발명에서, 상기 제어부는 상기 제2스위치와 제3스위치를 오프(off)시키고 상기 제1스위치와 제4스위치를 온(on)시켜 상기 입력전압에 의한 전류는 상기 제1스위치, 인덕터(La), 커패시터(Ca)를 통해 공진커패시터로 공급됨과 동시에 상기 공진커패시터에 저장된 전압에 의한 전류가 상기 트랜스포머의 1차측 송신코일, 공진인덕터(Lr), 제4스위치를 통해 흘러 방전이 일어나도록 한다.In the present invention, the controller turns off the second switch and the third switch, turns on the first switch and the fourth switch, and the current based on the input voltage is supplied to the first switch, the inductor La ), And is supplied to the resonance capacitor through the capacitor Ca, and at the same time, the current due to the voltage stored in the resonance capacitor flows through the primary coil, the resonance inductor Lr, and the fourth switch of the transformer.

본 발명에서, 상기 제1 내지 제4 스위치의 스위칭은 듀티비 50%로 설정되고, 상기 제어부는 상기 전류 주입형 공진형 컨버터의 각각의 레그(Leg)를 서로 위상천이하도록 상기 제1 내지 제4 스위치의 스위칭 동작을 제어한다.In the present invention, the switching of the first to fourth switches is set to a duty ratio of 50%, and the control unit controls the first to fourth switches so that each of the legs of the current- And controls the switching operation of the switch.

본 발명에 따른 전류 주입형 공진형 컨버터는 공진탱크의 변화 또는 입출력 전압이득의 가변에 따른 출력전압의 변화에 대응하기 위하여 공진탱크의 커패시터에 적절한 전류를 주입 또는 방출하여 송수신코일 간의 전송거리 변화에 따른 자기결합도가 변동하여 출력전압을 일정하게 제어할 수 있다.The current injection type resonance type converter according to the present invention injects or discharges an appropriate current into the capacitor of the resonance tank in order to cope with the change of the resonance tank or the output voltage according to the variation of the input / The output voltage can be controlled to be constant.

또한, 본 발명에 따른 전류 주입형 공진형 컨버터에서는 전체 회로가 풀 브릿지 형태의 토폴로지를 사용하고 있으므로 위상천이 구동을 통해 모든 스위치의 영전압 스위칭이 가능하여 스위칭 시 발생하는 손실을 최소화할 수 있다Further, in the current injection type resonance type converter according to the present invention, since the entire circuit uses the full bridge type topology, the zero voltage switching of all the switches can be performed through the phase shift driving, thereby minimizing the loss occurring in switching

또한, 본 발명에 따른 전류 주입형 공진형 컨버터의 경우 한 개의 전력단만으로 구성되므로 전력변환 효율이 높고 회로의 구성이 간단하여 제작단가가 낮다는 장점이 있다.In addition, the current injection type resonance type converter according to the present invention is advantageous in that the power conversion efficiency is high, the circuit configuration is simple, and the manufacturing cost is low because it is constituted by only one power terminal.

또한, 본 발명에 따른 전류 주입형 공진형 컨버터는 무선전력 전송뿐만 아니라 일반적인 전원회로용 전력변환 컨버터에도 적용이 가능하다.Also, the current injection type resonance type converter according to the present invention can be applied not only to wireless power transmission, but also to a power conversion converter for a general power circuit.

도 1은 종래의 케스케이드 부스트-LLC 공진형 컨버터의 회로도,
도 2는 도 1의 컨버터에서 일례에 따른 입출력 이득을 도시한 그래프,
도 3은 종래의 공진탱크 가변형 LLC 공진형 컨버터의 회로도,
도 4는 도 3의 컨버터에서 일례에 따른 입출력 이득을 도시한 그래프,
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 전류 주입형 공진형 컨버터의 전체 회로도,
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 전류 주입형 공진형 컨버터의 각 스위치의 스위칭 동작신호를 도시한 도면,
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 전류 주입형 공진형 컨버터를 위상천이 방식으로 동작시킬 경우 리딩 레그와 래깅 레그의 위상차에 따른 출력전압 그래프,
도 8은 본 발명의 실시 예에 따른 전류주입량 증가를 위한 전류 주입형 공진형 컨버터의 동작에 따른 전류 흐름도,
도 9는 본 발명의 실시 예에 따른 전류주입량 감소를 위한 전류 주입형 공진형 컨버터의 동작에 따른 전류 흐름도,
도 10은 본 발명의 실시예에 따른 공진커패시터의 커패시턴스 변화에 따른 공진전압과 고정된 공진커패시터에 전류주입 크기에 따른 공진전압의 비교그래프,
도 11은 본 발명의 실시예에 따라 공진형 컨버터의 공진커패시터에 외부 전류원에 의한 전류를 주입 및 방출시 공진커패시터의 충방전 개념도,
도 12는 도 11의 충방전에 따른 공진커패시터에서의 공진전압 그래프,
도 13은 본 발명에 따른 전류 주입형 공진형 컨버터를 검증하기 위한 모의실험에 대한 결과 그래프.
1 is a circuit diagram of a conventional cascade boost-LLC resonance type converter,
FIG. 2 is a graph illustrating input and output gains according to one example in the converter of FIG. 1;
3 is a circuit diagram of a conventional resonant tank variable LLC resonant converter,
4 is a graph illustrating input and output gains according to one example in the converter of FIG. 3;
5 is an overall circuit diagram of a current injection type resonance type converter according to an embodiment of the present invention,
6 is a diagram showing a switching operation signal of each switch of the current injection type resonance type converter according to the embodiment of the present invention,
FIG. 7 is a graph showing an output voltage graph according to a phase difference between a leading leg and a lagging leg when the current injection type resonant converter according to the embodiment of the present invention is operated by a phase shift method,
8 is a current flow diagram according to the operation of the current injection type resonance converter for increasing the current injection amount according to the embodiment of the present invention,
9 is a current flow diagram according to an operation of a current injection type resonance type converter for reducing a current injection amount according to an embodiment of the present invention,
10 is a graph showing a comparison between a resonance voltage according to a capacitance change of a resonance capacitor and a resonance voltage according to a current injection size in a fixed resonance capacitor according to an embodiment of the present invention,
FIG. 11 is a conceptual diagram of charging / discharging of a resonant capacitor when injecting and discharging a current by an external current source into a resonant capacitor of a resonant converter according to an embodiment of the present invention;
12 is a graph showing the resonance voltage in the resonance capacitor according to charge / discharge of FIG. 11,
13 is a graph of simulation results for verifying a current injection type resonant converter according to the present invention.

이하, 본 발명의 일부 실시 예들을 예시적인 도면을 통해 상세히 설명한다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명의 실시 예를 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 실시 예에 대한 이해를 방해한다고 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 embodiments of the present invention, a detailed description of known functions and configurations incorporated herein will be omitted when it may make the difference that the embodiments of the present invention are not conclusive.

또한, 본 발명의 실시 예의 구성요소를 설명하는 데 있어서, 제 1, 제 2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다. 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결", "결합" 또는 "접속"된다고 기재된 경우, 그 구성요소는 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되거나 접속될 수 있지만, 각 구성요소 사이에 또 다른 구성요소가 "연결", "결합" 또는 "접속"될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.In describing the components of the embodiment 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 or connected to the other component, Quot; may be "connected," "coupled," or "connected. &Quot;

도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 전류 주입형 공진형 컨버터의 회로도이다.5 is a circuit diagram of a current injection type resonance type converter according to an embodiment of the present invention.

도 5를 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 전류 주입형 공진형 컨버터는 입력전압(Vi)에 병렬 접속된 전류주입회로(110), 전류주입회로(110)에 병렬 접속된 공진형 컨버터(120), 공진형 컨버터(120)의 출력단에 1차측 코일이 연결되어 2차측으로 전압을 전달하는 트랜스포머(130) 및 트랜스포머(130)의 2차측 출력전압(Vo)에 따라 전류주입회로(110) 및 공진형 컨버터(120)의 내부 스위치의 스위칭을 제어하는 제어부(140)를 포함하여 구성된다.5, the current injection type resonance type converter according to the embodiment of the present invention includes a current injection circuit 110 connected in parallel to an input voltage Vi, a resonance type converter A transformer 130 connected to an output terminal of the resonant converter 120 to transmit a voltage to a secondary side and a current injection circuit 110 according to a secondary output voltage Vo of the transformer 130. [ And a control unit 140 for controlling the switching of the internal switches of the resonant converter 120.

전류주입회로(110)는 서로 직렬로 연결된 제1스위치(M1) 및 제2스위치(M2)를 포함하고, 이들 제1스위치(M1)과 제2스위치(M2)는 각각 입력전압(Vi)에 병렬로 연결된다. 또한, 이들 제1 및 제2 스위치(M1,M2)의 제1중간점(N1)은 서로 직렬로 연결된 인덕터(La)와 커패시터(Ca)를 통해 트랜스포머(130)의 1차측 코일, 즉 송신코일(Tx)의 일측과 연결된다. 이러한 제1스위치(M1) 및 제2스위치(M2)의 스위칭 동작에 의해 트랜스포머(130)의 송신코일(Tx)로 전류를 인가하게 된다.The current injection circuit 110 includes a first switch M 1 and a second switch M 2 that are connected in series to each other and the first switch M 1 and the second switch M 2 are connected to the input voltage Vi They are connected in parallel. The first intermediate point N1 of the first and second switches M1 and M2 is connected to the primary coil of the transformer 130 via the inductor La and the capacitor Ca connected in series to each other, (Tx). Current is applied to the transmission coil Tx of the transformer 130 by the switching operation of the first switch M1 and the second switch M2.

공진형 컨버터(120)는 전류주입회로(110)에 병렬로 각각 연결되며 서로 직렬로 연결된 제3스위치(M3) 및 제4스위치(M4)를 포함하고, 이들 제3스위치(M3)와 제4 위치(M4)의 제2중간점(N2)은 공진인덕터(Lr)를 통하여 트랜스포머(130)의 1차측 코일, 즉 송신코일(Tx)의 타측과 연결된다. 이러한 제3 및 제4 스위치(M3,M4)의 스위칭 동작에 의해 트랜스포머(130)의 송신코일(Tx)의 타측으로 전류가 인가된다. 공진형 컨버터(120)의 공진커패시터(Cr)는 송신코일(Tx)의 일측에 연결되어 공진인덕터(Lr)과 함께 공진탱크(121)를 구성하여 공진을 발생시킨다. 본 발명의 실시 예에서 공진형 컨버터(120)는 예컨대 LLC 공진형 컨버터로 구현될 수 있다. 하지만, 본 발명은 이에 한정되지 않고 공진탱크를 포함하여 내부의 하프브릿지 회로의 각 스위치에서의 스위칭 동작에 의해 공진을 발생하는 공진형 컨버터라면 어떤 회로라도 적용이 가능하다.The resonant converter 120 includes a third switch M3 and a fourth switch M4 which are connected in parallel to the current injection circuit 110 and are connected in series to each other. The second midpoint N2 of the position M4 is connected to the other side of the primary coil of the transformer 130, that is, the transmission coil Tx, through the resonant inductor Lr. Current is applied to the other side of the transmission coil Tx of the transformer 130 by the switching operation of the third and fourth switches M3 and M4. The resonant capacitor Cr of the resonant converter 120 is connected to one side of the transmission coil Tx to constitute the resonant tank 121 together with the resonant inductor Lr to generate resonance. In an embodiment of the present invention, the resonant converter 120 may be implemented, for example, with an LLC resonant converter. However, the present invention is not limited to this, and any circuit can be applied as long as it is a resonant converter that generates resonance by a switching operation in each switch of the internal half bridge circuit including the resonance tank.

트랜스포머(130)는 공진형 컨버터(120)로부터 인가되는 전류에 의한 전압을 1차측 전압으로 하여 2차측으로 전달한다. 이러한 트랜스포머(130)의 2차측 부하전압 출력단에는 출력전압(Vo)이 출력된다. 1차측에서 2차측으로 전달되는 전압은 트랜스포머(130)의 권선비에 의해 결정된다.The transformer 130 transfers the voltage due to the current applied from the resonant converter 120 to the secondary side as the primary voltage. The output voltage Vo is output to the secondary side load voltage output terminal of the transformer 130. The voltage delivered from the primary to the secondary is determined by the turns ratio of the transformer 130.

제어부(140)는 트랜스포머(130)의 2차측 코일, 즉 수신코일(Rx)에 유기된 출력전압(Vo)에 따라 전류주입회로(110)의 제1 및 제2 스위치(M1,M2)와 공진형 컨버터(120)의 제3 및 제4 스위치(M3,M4)의 스위칭 동작을 각각 제어한다. 특히, 본 발명에 따른 제어부(140)는 트랜스포머(130)의 출력전압(Vo)이 일정하게 제어되도록 전류주입회로(110)의 제1 및 제2 스위치(M1,M2)의 스위칭 동작을 제어하여 공진형 컨버터(120) 내부의 공진커패시터(Cr)에 전류를 주입하도록 한다. 바람직하게는 제어부(140)는 트랜스포머(130)의 2차측에 연결된 부하의 크기에 따라 제1 내지 제4 스위치(M1~M4)의 스위칭 동작을 제어하도록 한다. 보다 바람직하게는 부하에서 요구하는 출력전압(Vo)에 따른 컨버터(100)의 입출력 전압 이득(gain)의 요구에 따라 적절하게 제1~4스위치(M1~M4)의 스위칭 동작을 제어하도록 한다. 구체적으로, 이러한 제어부(140)는 기설정된 기준치보다 큰 입출력 전압 이득이 요구될 때에는 입력전압(Vi)에 의해 공진커패시터(Cr)에 전류가 주입되도록 제1~4스위치(M1~M4)를 동작시켜 공진커패시터(Cr)에 전류주입량이 증가하도록 하고, 반대로 상기 기준치보다 작은 입출력 이득이 요구될 때는 공진커패시터(Cr)에 전류주입량이 감소하도록 제1~4 스위치(M1~M4)를 동작시키게 된다.The control unit 140 controls the first and second switches M1 and M2 of the current injection circuit 110 to resonate with the secondary coil of the transformer 130 according to the output voltage Vo induced in the receiving coil Rx. Type converter 120 and the third and fourth switches M3 and M4, respectively. In particular, the controller 140 controls the switching operation of the first and second switches M1 and M2 of the current injection circuit 110 so that the output voltage Vo of the transformer 130 is controlled to be constant And a current is injected into the resonance capacitor (Cr) in the resonance type converter (120). Preferably, the controller 140 controls the switching operations of the first to fourth switches M1 to M4 according to the magnitude of the load connected to the secondary side of the transformer 130. [ More preferably, the switching operation of the first to fourth switches M1 to M4 is appropriately controlled in accordance with the request of the input / output voltage gain of the converter 100 according to the output voltage Vo required in the load. Specifically, when an input / output voltage gain greater than a predetermined reference value is requested, the controller 140 operates the first to fourth switches M1 to M4 so that the current is injected into the resonance capacitor Cr by the input voltage Vi. The first to fourth switches M1 to M4 are operated so that the amount of current injection is increased in the resonance capacitor Cr and conversely when the input / output gain is smaller than the reference value, the amount of current injection is reduced in the resonance capacitor Cr .

한편, 상기한 본 발명에 따른 전류 주입형 공진형 컨버터(100)에서 제1 내지 제4 스위치(M1~M4)의 스위칭 구동신호를 도 6과 같이 듀티비를 50%로 고정하고 상기 컨버터(100)의 각 레그(Leg)를 서로 위상천이 함으로써 제1스위치(M1) 내지 제4 스위치(M4)의 스위칭 동작을 구현할 수 있도록 한다. 이 경우 모든 스위치(M1~M4)의 영전압 스위칭을 보장할 수 있는 부가적인 장점을 얻을 수 있다. 즉, 도 7에서와 같이 본 발명에 따른 컨버터(100)의 회로를 위상천이 방식으로 동작시킬 경우 리딩 레그(leading leg)와 래깅 레그(lagging leg)의 위상차가 커질수록 주입되는 전류의 크기가 감소하므로 입출력 전압 이득이 감소하며, 위상차가 0°일 때 최고치를 보이고 위상차가 180°일 때 최저치를 보이고 있음을 알 수 있다.In the current injection type resonant converter 100 according to the present invention, the duty ratio of the switching driving signals of the first to fourth switches M1 to M4 is fixed at 50% as shown in FIG. 6, So that the switching operation of the first switch Ml through the fourth switch M4 can be realized. In this case, it is possible to obtain an additional advantage of ensuring zero voltage switching of all the switches M1 to M4. That is, as shown in FIG. 7, when the circuit of the converter 100 according to the present invention is operated by the phase shift method, the larger the phase difference between the leading leg and the lagging leg is, The input / output voltage gain is decreased. When the phase difference is 0 °, the maximum value is shown. When the phase difference is 180 °, the minimum value is shown.

도 8은 본 발명의 실시 예에 따른 전류주입량 증가를 위한 전류 주입형 공진형 컨버터의 동작에 따른 전류 흐름도이고, 도 9는 본 발명의 실시 예에 따른 전류주입량 감소를 위한 전류 주입형 공진형 컨버터의 동작에 따른 전류 흐름도이다.FIG. 8 is a current flow diagram according to the operation of the current injection type resonance type converter for increasing the current injection amount according to the embodiment of the present invention, and FIG. 9 is a graph showing a current injection type resonance type converter for reducing the amount of current injection according to the embodiment of the present invention. Fig.

이하, 도 8 및 도 9를 참조하여, 본 발명의 실시 예에 따른 전류 주입형 공진형 컨버터(100)의 동작과정을 상세히 설명한다.Hereinafter, the operation of the current injection type resonance converter 100 according to the embodiment of the present invention will be described in detail with reference to FIGS. 8 and 9. FIG.

도 8에는 부하에 따라 큰 입출력 전압 이득이 요구될 경우 공진커패시터(Cr)에 전류주입량을 증가시키기 위한 동작회로도가 도시된다. 도 8의 (a)에 도시된 바와 같이 충전모드는 제어부(140)가 제1스위치(M1)와 제3스위치(M3)를 온(on)시키고 제2스위치(M2)와 제4스위치(M4)를 오프(off)시킨다. 이로써, 입력전압(Vi)에 의한 전류가 제1스위치(M1), 인덕터(La), 커패시터(Ca)를 통해 공진커패시터(Cr)로 공급됨과 동시에 상기 전류는 또한 제3스위치(M3), 공진인덕터(Lr), 트랜스포머(130)의 1차측 코일(Tx)를 통해 공진커패시터(Cr)로 공급된다. 이는 전류주입회로(110)에서 발생된 전류와 공진형 컨버터(120)에 의해 발생된 전류가 서로 더해져 공진커패시터(Cr)로 함께 흘러들어가도록 함으로써 공진커패시터(Cr)의 전류주입량을 증가시키도록 하는 것이다. 이로써, 공진커패시터(Cr)의 전압 및 최종 입출력 전압 이득을 증가시킬 수 있도록 한다. 도 8의 (b)에 도시된 바와 같이 방전모드에서는 제어부(140)가 제1스위치(M1)와 제3스위치(M3)를 오프(off)시키고 제2스위치(M2) 및 제4스위치(M4)를 온(on)시킨다. 이로써, 공진커패시터(Cr)에 저장된 전전전압에 의한 전류가 인덕터(La), 커패시터(Ca), 제2스위치(M2)를 통해 흘러 방전이 이루어짐과 동시에 상기 전류는 트랜스포머(130)의 1차측 코일(Tx), 공진인덕터(Lr), 제4스위치(M4)를 통해 흘러 역시 방전이 이루어진다.FIG. 8 shows an operation circuit diagram for increasing the amount of current injected into the resonance capacitor Cr when a large input / output voltage gain is required depending on the load. 8A, the charging mode is a mode in which the controller 140 turns on the first switch M1 and the third switch M3 and turns on the second switch M2 and the fourth switch M4 Is turned off. Thereby, a current by the input voltage Vi is supplied to the resonance capacitor Cr through the first switch Ml, the inductor La and the capacitor Ca, and at the same time, the current also flows through the third switch M3, And is supplied to the resonance capacitor Cr through the inductor Lr and the primary coil Tx of the transformer 130. [ This increases the current injection amount of the resonant capacitor Cr by causing the current generated in the current injection circuit 110 and the current generated by the resonant converter 120 to be added together and flow into the resonant capacitor Cr will be. Thus, the voltage of the resonant capacitor Cr and the final input / output voltage gain can be increased. 8 (b), in the discharge mode, the controller 140 turns off the first switch M1 and the third switch M3 and turns off the second switch M2 and the fourth switch M4 On. Thus, a current due to the electrostatic voltage stored in the resonance capacitor Cr flows through the inductor La, the capacitor Ca, and the second switch M2 to discharge the current. At the same time, the current flows through the primary coil of the transformer 130 (Tx), the resonance inductor (Lr), and the fourth switch (M4).

도 9는 부하에 따라 작은 입출력 이득이 요구될 경우 공진커패시터(Cr)에 전류주입량을 감소시키기 위한 동작회로도가 도시된다. 도 9의 (a)에 도시된 바와 같이 충전모드는 제어부(140)가 제2스위치(M2)와 제3스위치(M3)를 온(on)시키고 제1스위치(M1)와 제4스위치(M4)를 오프(off)시킨다. 이로써, 입력전압(Vi)에 의한 전류가 제3스위치(M3), 공진인덕터(Lr), 트랜스포머(130)의 1차측 코일(Tx)를 통해 공진커패시터(Cr)로 공급되지만, 동시에 공진커패시터(Cr)에 충전된 전압에 의한 전류가 인덕터(La), 커패시터(Ca), 제2스위치(M2)를 통해 흘러 방전이 일어난다. 이는 전류주입회로(110)에서 발생된 전류와 공진형 컨버터(120)에 의해 발생된 전류가 서로 상쇄되어 공진커패시터(Cr)로 흘러들어가도록 하여 공진커패시터(Cr)의 전류주입량을 감소시키도록 하는 것이다. 이로써, 공진커패시터(Cr)의 전압 및 최종 입출력 전압 이득을 감소시킬 수 있게 된다. 도 9의 (b)에 도시된 바와 같이 방전모드에서는 제어부(140)가 제2스위치(M2)와 제3스위치(M3)를 오프(off)시키고 제1스위치(M1)와 제4스위치(M4)를 온(on)시킨다. 이로써, 입력전압(Vi)에 의한 전류는 제1스위치(M1), 인덕터(La), 커패시터(Ca)를 통해 공진커패시터(Cr)로 공급됨과 동시에 공진커패시터(Cr)에 저장된 전압에 의한 전류가 트랜스포머(130)의 1차측 코일(Tx), 공진인덕터(Lr), 제4스위치(M4)를 통해 흘러 방전이 일어난다.9 is an operational circuit diagram for reducing the amount of current injection into the resonant capacitor Cr when a small input / output gain is required depending on the load. 9A, the charging mode is a mode in which the controller 140 turns on the second switch M2 and the third switch M3 and turns on the first switch Ml and the fourth switch M4 Is turned off. As a result, the current due to the input voltage Vi is supplied to the resonance capacitor Cr through the third switch M3, the resonance inductor Lr, and the primary coil Tx of the transformer 130, Cr flows through the inductor La, the capacitor Ca, and the second switch M2 to generate a discharge. This causes the current generated in the current injection circuit 110 and the current generated by the resonant converter 120 to cancel each other and flow into the resonant capacitor Cr to reduce the current injection amount of the resonant capacitor Cr will be. Thus, the voltage of the resonant capacitor Cr and the final input / output voltage gain can be reduced. 9 (b), in the discharge mode, the controller 140 turns off the second switch M2 and the third switch M3 and turns off the first switch M1 and the fourth switch M4 On. As a result, the current due to the input voltage Vi is supplied to the resonance capacitor Cr through the first switch Ml, the inductor La and the capacitor Ca, and at the same time, the current due to the voltage stored in the resonance capacitor Cr The primary coil Tx of the transformer 130, the resonant inductor Lr, and the fourth switch M4.

상기와 같이 공진형 컨버터(120)의 공진커패시터(Cr)에 전류를 주입하는 효과는 등가 커패시턴스를 증가하는 효과와 유사하게 나타난다. 이를 하기에서 시뮬레이션 결과를 통해 설명하기로 한다.As described above, the effect of injecting a current into the resonant capacitor Cr of the resonant converter 120 appears similar to the effect of increasing the equivalent capacitance. Hereinafter, the simulation results will be described.

도 10은 본 발명의 실시 예에 따른 공진커패시터의 커패시턴스 변화에 따른 공진전압과 고정된 공진커패시터에 주입되는 전류의 크기에 따른 공진전압의 비교 그래프이다. 도 10에 도시된 바와 같이 공진커패시터(Cr)의 커패시턴스가 작을수록 공진전압 점두치는 증가함을 알 수 있으며, 이와 유사하게 공진커패시터(Cr)는 고정한 상태에서 주입되는 전류를 가변하는 경우 주파수 변동은 없으나 커패시턴스의 변동에 따른 전압 변동과 유사한 효과를 얻음을 알 수 있다.10 is a graph showing a comparison of resonance voltages according to a capacitance change of a resonance capacitor according to an embodiment of the present invention and a magnitude of a current injected into a fixed resonance capacitor. As shown in FIG. 10, the smaller the capacitance of the resonant capacitor Cr is, the more the resonant voltage point is increased. Similarly, when the resonant capacitor Cr varies the current injected in a fixed state, However, it can be seen that the effect similar to the voltage fluctuation due to the variation of the capacitance is obtained.

이는 도 11 및 도 12와 같이 공진커패시터(Cr)에 전류를 주입하는 시뮬레이션 결과에서도 알 수 있다. 도 11은 본 발명의 실시 예에 따라 하프브릿지 공진형 컨버터의 공진커패시터에 외부의 전류원에 의해 전류를 주입 및 방출하는 경우에 대한 공진커패시터의 충방전 개념도이고, 도 12는 도 11의 시뮬레이션 결과에 따른 공진커패시터(Cr)에서의 공진전압을 나타낸 그래프이다.This is also seen from simulation results of injecting a current into the resonant capacitor Cr as shown in Figs. 11 and 12. Fig. FIG. 11 is a conceptual diagram illustrating charging / discharging of a resonant capacitor when a current is injected and discharged by an external current source into a resonant capacitor of a half bridge resonant converter according to an embodiment of the present invention. FIG. 4 is a graph showing the resonance voltage of the resonance capacitor Cr according to the first embodiment of the present invention. FIG.

즉, 도 11에는 본 발명에 따른 전류 주입형 공진형 컨버터(100)에서 전류주입회로(110)를 대신하여 외부의 전류원(10)을 이용하여 공진형 컨버터(120)의 공진커패시터(Cr)에 전류를 주입하는 시뮬레이션 회로도가 도시된다. 도 11의 (a)에서는 전류원(10)이 공진커패시터(Cr)로 전류를 인가하도록 연결되고, 도 11의 (b)에서는 전류원(10)이 공진커패시터(Cr)로부터 전류를 방출하도록 연결된다. 11 shows a circuit diagram of a current injection type resonance type converter 100 according to the present invention in which a current source 10 is used in place of the current injection circuit 110 to apply a voltage to a resonance capacitor Cr of the resonance type converter 120 A simulation circuit diagram for injecting a current is shown. In FIG. 11A, the current source 10 is connected to apply a current to the resonant capacitor Cr, and in FIG. 11B, the current source 10 is connected to emit a current from the resonant capacitor Cr.

먼저, 도 11의 (a)에 도시된 충전모드의 경우 공진형 컨버터(120)에 의해 발생된 전류와 전류원(10)에서 발생된 전류가 더해져 공진커패시터(Cr)로 더 많은 전류가 주입되고, 도 11의 (b)에 도시된 방전모드의 경우 공진커패시터(Cr)에 저장된 전압은 폐회로와 반대방향으로 연결된 전류원(10)에 의해 방전된다.11 (a), the current generated by the resonant converter 120 and the current generated by the current source 10 are added to inject more current into the resonant capacitor Cr, In the discharge mode shown in FIG. 11 (b), the voltage stored in the resonant capacitor Cr is discharged by the current source 10 connected in the opposite direction to the closed circuit.

이 경우, 도 12에서와 같이 외부 전류원(10)을 이용하여 공진커패시터(Cr)에 큰 전류를 주입하는 경우 공진커패시터(Cr)의 전압이 상승하여 등가 커패시턴스가 감소하는 효과와 유사하고, 작은 전류를 주입하는 경우 공진커패시터(Cr)의 전압이 감소하여 등가 커패시턴스가 증가하는 효과와 유사함을 알 수 있다.In this case, when a large current is injected into the resonant capacitor Cr using the external current source 10 as shown in FIG. 12, the effect of reducing the equivalent capacitance by increasing the voltage of the resonant capacitor Cr is obtained. The voltage of the resonance capacitor Cr is decreased and the equivalent capacitance is increased.

이러한 원리에 따라 본 발명에서는 공진형 컨버터(120)의 전단에 공진커패시터(Cr)에 전류를 주입 및 방출하기 위한 전류주입회로(110)를 연결하여 입출력 전압 이득에 따라 공진형 컨버터(120)의 공진커패시터(Cr)에 전류를 주입하여 충전하거나 방출하여 방전하도록 함으로써 출력전압(Vo)을 일정하게 제어하도록 한다.According to this principle, in the present invention, a current injection circuit 110 for injecting and discharging a current into and from the resonance capacitor Cr is connected to the front end of the resonance type converter 120, A current is injected into the resonance capacitor Cr to be charged or discharged to be discharged, so that the output voltage Vo is controlled to be constant.

<< 실험예Experimental Example >>

본 발명의 실험 예에 따른 전류 주입형 공진형 컨버터(100)의 타당성을 검증하기 위해 PSIM 시뮬레이션 툴을 이용하여 모의실험을 실시하였다. 이러한 모의실험에 사용된 입출력 사양 및 조건은 하기 표 1과 같다.In order to verify the validity of the current injection type resonance converter 100 according to the experimental example of the present invention, a simulation was performed using a PSIM simulation tool. The input and output specifications and conditions used in these simulations are shown in Table 1 below.

항목Item 사양(조건)Specifications (Conditions) 입력전압(Vi)Input voltage (Vi) 12V12V 출력전압(Vo)Output voltage (Vo) 12V12V 출력전력(Po)Output power (Po) 10W10W 스위칭 주파수Switching frequency 130㎑130 kHz 공진커패시터(Cr)The resonant capacitor (Cr) 500㎋500 ㎋ 송수신 코일(Tx,Rx) 턴비Transmission coil (Tx, Rx) 10:1210:12 송수신 코일 간의 거리가 상대적으로 가까운 경우If the distance between the sending and receiving coils is relatively close 공진인덕터(Lr)Resonant inductor Lr, 1μH1 μH 자화인덕터(Lm)The magnetizing inductor (Lm) 5μH5 μH 송수신코일 간의 거리가 상대적으로 먼 경우If the distance between the transmitting and receiving coils is relatively long 공진인덕터(Lr)Resonant inductor Lr, 5μH5 μH 자화인덕터(Lm)The magnetizing inductor (Lm) 1μH1 μH

도 13은 상기 모의실험 결과를 도시한다. 도 13의 (a)는 송수신 코일(Tx,Rx) 간의 거리가 가까워 두 코일(Tx,Rx) 간 자기결합계수가 커져 공진인덕터(Lr)의 누설인덕턴스가 작고 자화인덕터(Lm)의 자화인덕턴스가 큰 경우에 대한 모의실험 결과를 도시한다. 도면에서와 같이 LLC 공진이 매우 안정적인 파형을 보이고 있으며, 위상천이 동작으로 인해 모든 스위치(M1~M4)의 영전압 스위칭이 보장됨을 알 수 있다. 도 13의 (b)는 송수신 코일(Tx,Rx) 간의 거리가 멀어 두 코일(Tx,Rx) 간 자기결합계수가 작아 공진인덕터(Lr)의 누설인덕턴스가 크고 자화인덕터(Lm)의 자화인덕턴스가 작은 경우에 대한 모의실험 결과를 도시한다. 도면에서와 같이 이 경우에도 역시 LLC 공진이 매우 안정적인 파형을 보이고 있으며, 위상천이 동작으로 인해 모든 스위치(M1~M4)의 영전압 스위칭이 보장됨을 알 수 있다.13 shows the simulation result. 13A shows a case where the distance between the transmitting and receiving coils Tx and Rx is short and the magnetic coupling coefficient between the two coils Tx and Rx becomes large so that the leakage inductance of the resonance inductor Lr is small and the magnetizing inductance of the magnetizing inductor Lm is And the simulation results for the large case are shown. As shown in the figure, the LLC resonance shows a very stable waveform, and the zero-voltage switching of all the switches M1 to M4 is guaranteed due to the phase shift operation. 13B shows a case where the distance between the transmitting and receiving coils Tx and Rx is large and the magnetic coupling coefficient between the coils Tx and Rx is small and the resonance inductor Lr has a large leakage inductance and the magnetizing inductance of the magnetizing inductor Lm is The simulation results for the small case are shown. As shown in the figure, also in this case, the LLC resonance shows a very stable waveform, and the zero voltage switching of all the switches M1 to M4 is guaranteed due to the phase shift operation.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 실시 예에 따른 전류 주입형 공진형 컨버터(100)는 공진형 컨버터(120)의 공진커패시터(Cr)에 전류를 주입 및 방출할 수 있도록 그 전단에 전류주입회로(110)를 연결함으로써 공진형 컨버터(120)의 공진탱크(121)의 변화에 따른 출력전압 변화에 대응하기 위하여 공진탱크(121)의 공진커패시터(Cr)에 적절한 전류를 주입 또는 방출하도록 한다. 이로써, 무선충전기와 같은 무선전력전송장치에서 송수신 코일(Tx,Rx) 간의 전송거리 변화에 따른 자기결합도가 변동하여도 출력전압을 일정하게 제어할 수 있으며, 전체적인 회로가 풀브릿지 형태의 토폴로지를 사용하고 있으므로 위상천이 구동을 통해 전류주입회로(110) 및 공진형 컨버터(120)의 모든 스위치(M1~M4)의 영전압 스위칭이 가능하여 스위칭 시 발생하는 손실을 최소화할 수도 있다. 뿐만 아니라 본 발명에 따른 컨버터(100)는 한 개의 전력단만으로 구성되므로 전력변환효율이 높고 회로의 구성이 간단하다는 장점이 있다. 특히, 본 발명은 무선전력전송뿐만 아니라 일방적인 전원회로용 전력변환 컨버터에도 적용이 가능하므로, 고성능 및 고 신뢰성의 무선전력 전송 관련 독자기술 획득 및 관련분야에서 기술우위를 점할 수 있다.As described above, the current injection type resonance type converter 100 according to the embodiment of the present invention includes a current injection circuit (not shown) in front of the resonance type converter 120 so that the current can be injected into and discharged from the resonance capacitor Cr of the resonance type converter 120. [ A suitable current is injected or discharged to the resonance capacitor Cr of the resonance tank 121 in order to cope with a change in the output voltage according to the change of the resonance tank 121 of the resonance type converter 120. [ Thus, the output voltage can be controlled constantly even when the magnetic coupling degree according to the transmission distance change between the transmission and reception coils (Tx, Rx) varies in the wireless power transmission device such as the wireless charger, and the whole circuit is configured as a full bridge type topology The zero voltage switching of all of the switches M1 to M4 of the current injection circuit 110 and the resonant converter 120 can be performed through the phase shift driving, thereby minimizing the loss occurring during switching. In addition, since the converter 100 according to the present invention is composed of only one power terminal, there is an advantage that the power conversion efficiency is high and the circuit configuration is simple. In particular, since the present invention can be applied not only to wireless power transmission but also to a power conversion converter for a one-sided power supply circuit, it can acquire a technology superior in the field of acquiring proprietary technology related to wireless power transmission of high performance and high reliability.

이상에서, 본 발명의 실시 예를 구성하는 모든 구성 요소들이 하나로 결합하거나 결합하여 동작하는 것으로 설명되었다고 해서, 본 발명이 반드시 이러한 실시 예에 한정되는 것은 아니다. 즉, 본 발명의 목적 범위 안에서라면, 그 모든 구성 요소들이 하나 이상으로 선택적으로 결합하여 동작할 수도 있다. 또한, 이상에서 기재된 "포함하다", "구성하다" 또는 "가지다" 등의 용어는, 특별히 반대되는 기재가 없는 한, 해당 구성 요소가 내재할 수 있음을 의미하는 것이므로, 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것으로 해석되어야 한다. 기술적이거나 과학적인 용어를 포함한 모든 용어들은, 다르게 정의되지 않는 한, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미가 있다. 사전에 정의된 용어와 같이 일반적으로 사용되는 용어들은 관련 기술의 문맥상의 의미와 일치하는 것으로 해석되어야 하며, 본 발명에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.While the present invention has been described in connection with what is presently considered to be the most practical and preferred embodiment, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed embodiments. That is, within the scope of the present invention, all of the components may be selectively coupled to one or more of them. Furthermore, the terms "comprises", "comprising", or "having" described above mean that a component can be implanted unless otherwise specifically stated, But should be construed as including other elements. All terms, including technical and scientific terms, have the same meaning as commonly understood by one of ordinary skill in the art to which this invention belongs, unless otherwise defined. Commonly used terms, such as predefined terms, should be interpreted to be consistent with the contextual meanings of the related art, and are not to be construed as ideal or overly formal, unless expressly defined to the contrary.

이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시 예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시 예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 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.

110 : 전류주입회로 120 : 공진형 컨버터
121 : 공진탱크 130 : 트랜스포머
140 : 제어부 Cr : 공진커패시터
Lr : 공진인덕터 Lm : 자화인덕터
110: current injection circuit 120: resonant converter
121: Resonant tank 130: Transformer
140: Control part Cr: Resonant capacitor
Lr: resonant inductor Lm: magnetizing inductor

Claims (10)

입력전압에 병렬연결되며 서로 직렬연결된 제1스위치(M1)와 제2스위치(M2)를 포함하고 입출력 전압이득의 가변을 위해 후술하는 공진탱크의 공진커패시터(Cr)에 전류를 주입 또는 방출하는 전류주입회로;
상기 공진탱크를 포함하고 서로 직렬연결된 제3스위치(M3)와 제4스위치(M4)를 포함하는 공진형 컨버터;
상기 공진형 컨버터로부터 공급된 전압을 1차측 송신코일에서 2차측 수신코일로 전달하는 트랜스포머; 및
상기 공진형 컨버터 및 전류주입회로의 동작을 제어하는 제어부를 포함하고,
상기 제어부는,
기설정된 기준치보다 큰 입출력 전압 이득이 요구되는 경우에는 상기 공진탱크의 공진커패시터(Cr)에 전류가 주입되도록 상기 제1 내지 제4 스위치(M1~M4)의 스위칭 동작을 제어하고, 상기 기준치보다 작은 입출력 전압 이득이 요구되는 경우에는 상기 공진커패시터(Cr)에 전류주입량이 감소하도록 상기 제1 내지 제4 스위치(M1~M4)의 스위칭 동작을 제어하는 전류 주입형 공진형 컨버터.
A first switch M1 and a second switch M2 which are connected in parallel to the input voltage and are connected in series to each other and are connected to the resonance capacitor Cr of the resonance tank to vary the input / Injection circuit;
A resonant converter including the resonant tank and including a third switch M3 and a fourth switch M4 serially connected to each other;
A transformer for transmitting the voltage supplied from the resonant converter to the secondary-side receiving coil from the primary-side transmitting coil; And
And a control unit for controlling operations of the resonant converter and the current injection circuit,
Wherein,
And controls the switching operations of the first to fourth switches (M1 to M4) so that a current is injected into the resonance capacitor (Cr) of the resonance tank when an input / output voltage gain greater than a predetermined reference value is required, And controls the switching operations of the first to fourth switches (M1 to M4) so that the amount of current injection is reduced in the resonance capacitor (Cr) when an input / output voltage gain is required.
제1항에 있어서, 상기 전류주입회로는,
상기 제1스위치(M1) 및 제2스위치(M2)의 제1중간점(N1)은 서로 직렬연결된 인덕터(La)와 커패시터(Ca)를 통해 상기 트랜스포머의 1차측 송신코일의 일측에 연결되는 전류 주입형 공진형 컨버터.
The semiconductor integrated circuit according to claim 1,
The first intermediate point N1 of the first switch M1 and the second switch M2 is connected to one side of the transmission coil of the primary side of the transformer through an inductor La and a capacitor Ca connected in series to each other. Injection type resonant converter.
제2항에 있어서, 상기 공진형 컨버터는,
상기 제3스위치(M3) 및 제4스위치(M4)의 제2중간점(N2)은 상기 공진탱크의 공진인덕터(Lr)를 통해 상기 트랜스포머의 1차측 송신코일의 타측에 연결되는 전류 주입형 공진형 컨버터.
The resonance type converter according to claim 2,
The second intermediate point N2 of the third switch M3 and the fourth switch M4 is connected to the other side of the primary coil of the transformer through the resonant inductor Lr of the resonant tank, Type converter.
제3항 있어서, 상기 제어부는,
상기 트랜스포머의 수신코일의 출력전압이 기설정된 전압으로 일정하게 제어되도록 상기 전류주입회로의 제1 및 제2 스위치(M1,M2)의 스위칭 동작을 제어하여 상기 공진형 컨버터의 공진탱크 내 공진커패시터(Cr)에 전류가 주입 또는 방출되도록 하는 전류 주입형 공진형 컨버터.
4. The apparatus of claim 3,
The switching operation of the first and second switches (M1, M2) of the current injection circuit is controlled so that the output voltage of the receiving coil of the transformer is constantly controlled to a predetermined voltage, thereby generating a resonance capacitor in the resonance tank Cr), the current is injected or discharged.
삭제delete 제3항에 있어서,
상기 제어부는 상기 제1스위치(M1)와 제3스위치(M3)를 온(on)시키고 상기 제2스위치(M2)와 제4스위치(M4)를 오프(off)시켜 상기 입력전압에 의한 전류가 상기 제1스위치(M1), 인덕터(La) 및 커패시터(Ca)를 통해 공진커패시터(Cr)로 공급됨과 동시에 상기 전류가 상기 제3스위치(M3), 공진인덕터(Lr) 및 트랜스포머의 1차측 송신코일을 통해 상기 공진커패시터(Cr)로 공급되도록 함으로써 상기 전류주입회로에서 발생된 전류와 상기 공진형 컨버터에 의해 발생된 전류가 서로 더해져 상기 공진커패시터(Cr)로 함께 흘러들어가도록 하여 상기 공진커패시터의 전류주입량을 증가시키도록 하는 전류 주입형 공진형 컨버터.
The method of claim 3,
The control unit turns on the first switch M1 and the third switch M3 and turns off the second switch M2 and the fourth switch M4 so that the current by the input voltage Is supplied to the resonance capacitor (Cr) through the first switch (M1), the inductor (La), and the capacitor (Ca), and the current is supplied to the third switch (M3), the resonance inductor (Lr) The current generated in the current injection circuit and the current generated by the resonant converter are added to each other to flow together into the resonant capacitor Cr so as to be supplied to the resonant capacitor Cr, Current injection type resonance type converter.
제6항에 있어서,
상기 제어부는 상기 제1스위치(M1)와 제3스위치(M3)를 오프(off)시키고 상기 제2스위치(M2) 및 제4스위치(M4)를 온(on)시켜 상기 공진커패시터(Cr)에 저장된 전압에 의한 전류가 상기 인덕터(La), 커패시터(Ca) 및 제2스위치(M2)를 통해 흘러 방전이 이루어짐과 동시에 상기 전류는 상기 트랜스포머의 1차측 송신코일, 공진인덕터(Lr) 및 제4스위치(M4)를 통해 흘러 방전이 이루어지도록 하는 전류 주입형 공진형 컨버터.
The method according to claim 6,
The control unit turns off the first switch Ml and the third switch M3 and turns on the second switch M2 and the fourth switch M4 to turn on the resonance capacitor Cr A current due to the stored voltage flows through the inductor La, the capacitor Ca and the second switch M2 to discharge the current, and the current flows through the primary coil, the resonant inductor Lr, And flows through the switch M4 to discharge the current.
제3항에 있어서,
상기 제어부는 상기 제2스위치(M2)와 제3스위치(M3)를 온(on)시키고 상기 제1스위치(M1)와 제4스위치(M4)를 오프(off)시켜 상기 입력전압에 의한 전류가 상기 제3스위치(M3), 공진인덕터(Lr) 및 트랜스포머의 1차측 송신코일을 통해 상기 공진커패시터(Cr)로 공급됨과 동시에 상기 공진커패시터(Cr)에 충전된 전압에 의한 전류가 인덕터(La), 커패시터(Ca) 및 제2스위치(M2)를 통해 흘러 방전이 일어나도록 함으로써 상기 전류주입회로에서 발생된 전류와 상기 공진형 컨버터에 의해 발생된 전류가 서로 상쇄되어 상기 공진커패시터(Cr)로 흘러들어가도록 하여 상기 공진커패시터(Cr)의 전류주입량을 감소시키도록 하는 전류 주입형 공진형 컨버터.
The method of claim 3,
The control unit turns on the second switch M2 and the third switch M3 and turns off the first switch Ml and the fourth switch M4 so that the current by the input voltage A current due to the voltage charged in the resonance capacitor Cr is supplied to the resonance capacitor Cr through the third switch M3, the resonance inductor Lr and the primary side transmission coil of the transformer, The capacitor Ca and the second switch M2 so that the current generated in the current injection circuit and the current generated by the resonant converter cancel each other and flow into the resonant capacitor Cr So as to reduce the current injection amount of the resonance capacitor (Cr).
제8항에 있어서,
상기 제어부는 상기 제2스위치(M2)와 제3스위치(M3)를 오프(off)시키고 상기 제1스위치(M1)와 제4스위치(M4)를 온(on)시켜 상기 입력전압에 의한 전류는 상기 제1스위치(M1), 인덕터(La) 및 커패시터(Ca)를 통해 상기 공진커패시터(Cr)로 공급됨과 동시에 상기 공진커패시터(Cr)에 저장된 전압에 의한 전류가 상기 트랜스포머의 1차측 송신코일, 공진인덕터(Lr) 및 제4스위치(M4)를 통해 흘러 방전이 일어나도록 하는 전류 주입형 공진형 컨버터.
9. The method of claim 8,
The control unit turns off the second switch M2 and the third switch M3 and turns on the first switch Ml and the fourth switch M4 so that the current due to the input voltage The current supplied to the resonant capacitor Cr through the first switch M1, the inductor La and the capacitor Ca and the current due to the voltage stored in the resonant capacitor Cr is supplied to the primary coil of the transformer, The resonance inductor Lr and the fourth switch M4 to cause a discharge to occur.
제1항에 있어서,
상기 제1 내지 제4 스위치(M1~M4)의 스위칭은 듀티비 50%로 설정되고, 상기 제어부는 상기 전류 주입형 공진형 컨버터의 각각의 레그(Leg)를 서로 위상천이하도록 상기 제1 내지 제4 스위치(M1~M4)의 스위칭 동작을 제어하는 전류 주입형 공진형 컨버터.
The method according to claim 1,
Wherein the switching of the first to fourth switches (M1 to M4) is set to a duty ratio of 50%, and the control unit controls the first to the fourth switches (M1 to M4) so that each of the legs 4 resonance type converter for controlling the switching operation of the switches (M1 to M4).
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