KR101779924B1 - Dc-dc converter - Google Patents

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김태웅
조춘호
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경상대학교산학협력단
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Abstract

DC-DC 컨버터가 개시된다. 본 DC-DC 컨버터는 인덕터를 통해 입력 측과 연결되며, 서로 병렬로 연결된 복수의 클램프 스위치 및 복수의 클램프 스위치에 연결된 클램프 캐패시터를 포함하는 클램프부, 클램프부와 병렬로 연결되며, 제1 내지 제 4 스위치를 포함하는 제1 스위칭부, 제1 스위칭부와 연결된 변압기 및 변압기와 출력 측 사이에 연결되며, 제5 내지 제 8 스위치를 포함하는 제2 스위칭부를 포함하며, 제1 및 제2 스위칭부는, 상기 입력 측의 입력 전압을 승압하여 출력 측으로 제공하거나 상기 출력 측의 출력 전압을 강압하여 상기 입력 측으로 제공하기 위해, 모드에 따른 스위칭 동작을 수행한다.A DC-DC converter is disclosed. The DC-DC converter includes a clamp unit connected to an input side through an inductor and including a plurality of clamp switches connected in parallel to each other and a clamp capacitor connected to a plurality of clamp switches, 4 switch, a transformer connected to the first switching unit, and a second switching unit connected between the transformer and the output side and including fifth to eighth switches, wherein the first and second switching units And performs a switching operation according to the mode in order to increase the input voltage on the input side and provide the output voltage to the output side or to reduce the output voltage on the output side and provide the input voltage to the input side.

Description

DC-DC 컨버터 { DC-DC CONVERTER }[0001] DC-DC CONVERTER [0001]

본 발명은 DC-DC(직류-직류) 컨버터에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 풀 브릿지 형태의 DC-DC 컨버터에 관한 것이다.The present invention relates to a DC-DC (DC-DC) converter, and more particularly, to a DC-DC converter of a full bridge type.

최근 들어, 하이브리드 차량, 연료전지 차량, 연료전지 하이브리드 차량 등과 같은 전기를 이용하는 전기 자동차에 대한 수요가 급증하고 있다.2. Description of the Related Art In recent years, demand for electric vehicles such as hybrid vehicles, fuel cell vehicles, and fuel cell hybrid vehicles has been rapidly increasing.

하지만, 아직까지 국내에서는 전기 자동차에 대한 충전소가 제한적이라는 점에서, 전기 자동차의 운행 중에 배터리가 방전되는 등의 문제가 발행할 수 있다.However, since charging stations for electric vehicles are limited in Korea, problems such as discharging of batteries during operation of electric vehicles can be issued.

이에 따라, 배터리에 대한 충전 시 이용되며, 효율이 높고 소형화가 가능한 DC-DC 컨버터에 대한 방안의 모색이 요청된다.Accordingly, there is a demand for a method for a DC-DC converter that is used for charging the battery and has high efficiency and miniaturization.

본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 소형화 가능하며 효율이 높은 DC-DC 컨버터를 제공함에 있다.SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made to solve the above problems, and it is an object of the present invention to provide a DC-DC converter which can be miniaturized and has high efficiency.

이상과 같은 목적을 달성하기 위한 일 실시 예에 따른 DC-DC 컨버터는 인덕터를 통해 입력 측과 연결되며, 서로 병렬로 연결된 복수의 클램프 스위치 및 상기 복수의 클램프 스위치에 연결된 클램프 캐패시터를 포함하는 클램프부, 상기 클램프부와 병렬로 연결되며, 제1 내지 제 4 스위치를 포함하는 제1 스위칭부, 상기 제1 스위칭부와 연결된 변압기 및 상기 변압기와 출력 측 사이에 연결되며, 제5 내지 제 8 스위치를 포함하는 제2 스위칭부를 포함하며, 상기 제1 내지 제2 스위칭부는 상기 입력 측의 입력 전압을 승압하여 출력 측으로 제공하거나 상기 출력 측의 출력 전압을 강압하여 상기 입력 측으로 제공하기 위해, 모드에 따른 스위칭 동작을 수행한다.According to an aspect of the present invention, there is provided a DC-DC converter including a clamp unit including a plurality of clamp switches connected to an input side through an inductor and connected in parallel to each other, and a clamp capacitor connected to the plurality of clamp switches, A first switching unit connected in parallel to the clamp unit and including first through fourth switches, a transformer connected to the first switching unit, and a fifth switch connected between the transformer and the output side, Wherein the first and second switching units boost the input voltage on the input side to provide the output voltage to the output side or reduce the output voltage on the output side to provide the input voltage to the input side, And performs an operation.

여기에서, 상기 복수의 클램프 스위치는 제1 단이 스위칭 동작을 위한 제어 신호를 입력받는 제1 클램프 스위치 및 제1 단이 스위칭 동작을 위한 제어 신호를 입력받고, 제2 단이 상기 제1 클램프 스위치의 제2 단과 연결되는 제2 클램프 스위치를 포함하고, 상기 클램프 캐패시터는 상기 제1 클램프 스위치의 제2 단 및 상기 제2 클램프 스위치의 제2 단과 공통 연결될 수 있다.The plurality of clamp switches may include a first clamp switch having a first end receiving a control signal for switching operation and a first end receiving a control signal for switching operation and a second end receiving the control signal for switching operation, And the clamp capacitor may be connected in common with the second end of the first clamp switch and the second end of the second clamp switch.

또한, 상기 제1 내지 제4 스위치는 풀 브릿지 형태로 상기 클램프부와 상기 변압기 사이에 연결되며, 상기 제5 내지 제8 스위치는 풀 브릿지 형태로 상기 변압기와 상기 출력 측 사이에 연결될 수 있다.The first to fourth switches may be connected between the clamp unit and the transformer in the form of a full bridge, and the fifth to eighth switches may be connected between the transformer and the output side in the form of a full bridge.

여기에서, 상기 복수의 클램프 스위치는 상기 입력 측의 입력 전압을 승압하여 출력 측으로 제공하는 승압 모드인 경우, 상기 제1 내지 제4 스위치의 영전압 스위칭(zero voltage switching)을 위해 턴온될 수 있다.Here, the plurality of clamp switches may be turned on for zero voltage switching of the first to fourth switches in the step-up mode in which the input voltage on the input side is stepped up and provided to the output side.

그리고, 상기 제1 및 제2 클램프 스위치 및 상기 제1 내지 제8 스위치는 상기 승압 모드인 경우, 제어 신호에 따라 제1 내지 제8 모드로 구분되어 스위칭 동작이 이루어지며, 상기 제1 모드에서, 상기 제1 내지 제4 스위치는 턴온되고, 상기 제1 및 제2 클램프 스위치는 턴오프되고, 상기 제2 모드에서, 상기 제1 및 제2 스위치는 턴온되고, 상기 제1 및 제2 클램프 스위치 및 상기 제3 및 제4 스위치는 턴오프되고, 상기 제3 모드에서, 상기 제1 클램프 스위치 및 상기 제1 및 제2 스위치는 턴온되고, 상기 제2 클램프 스위치 및 상기 제3 및 제4 스위치는 턴오프되고, 상기 제4 모드에서, 상기 제1 및 제2 스위치는 턴온되고, 상기 제1 및 제2 클램프 스위치 및 상기 제3 및 제4 스위치는 턴오프되고, 상기 제5 모드에서, 상기 제1 내지 제4 스위치는 턴온되고, 상기 제1 및 제2 클램프 스위치는 턴오프되고, 상기 제6 모드에서, 상기 제3 및 제4 스위치는 턴온되고, 상기 제1 및 제2 클램프 스위치 및 상기 제1 및 제2 스위치는 턴오프되고, 상기 제7 모드에서, 상기 제2 클램프 스위치 및 상기 제3 및 제4 스위치는 턴온되고, 상기 제1 클램프 스위치 및 상기 제1 및 제2 스위치는 턴오프되고, 상기 제8 모드에서, 상기 제3 및 제4 스위치는 턴온되고, 상기 제1 및 제2 클램프 스위치 및 상기 제1 및 제2 스위치는 턴오프되고, 상기 제5 내지 제8 스위치는, 상기 제1 모드 내지 제8 모드에서 턴오프될 수 있다.When the first and second clamp switches and the first to eighth switches are in the step-up mode, the switching operation is divided into the first to eighth modes according to a control signal, and in the first mode, The first and second switches are turned on and the first and second clamp switches are turned off and in the second mode the first and second switches are turned on and the first and second clamp switches and the second clamp switch are turned on, The third and fourth switches are turned off, and in the third mode, the first clamp switch and the first and second switches are turned on, and the second clamp switch and the third and fourth switches are turned In the fourth mode, the first and second switches are turned on, the first and second clamp switches and the third and fourth switches are turned off, and in the fifth mode, the first and second switches are turned off, To fourth switches are turned on, and the first and second The lamp switch is turned off, and in the sixth mode, the third and fourth switches are turned on, the first and second clamp switches and the first and second switches are turned off, and in the seventh mode , The second clamp switch and the third and fourth switches are turned on, the first clamp switch and the first and second switches are turned off, and in the eighth mode, the third and fourth switches The first and second clamp switches and the first and second switches are turned off, and the fifth to eighth switches can be turned off in the first to eighth modes.

또한, 상기 제1 모드에서, 상기 입력 전압을 통해 제공되는 에너지가 상기 인덕터에 충전되고, 상기 제2 모드에서, 상기 인덕터에 충전된 에너지에 의해 상기 클램프 캐패시터가 충전되고, 상기 제3 모드에서, 상기 제1 클램프 스위치가 턴온되어, 상기 클램프 캐패시터에 충전된 에너지를 상기 변압기의 2 차 측으로 전달하고, 상기 제5 모드에서, 상기 입력 전압을 통해 제공되는 에너지가 상기 인덕터에 충전되고, 상기 제6 모드에서, 상기 인덕터에 충전된 에너지에 의해 상기 클램프 캐패시터가 충전되고, 상기 제7 모드에서, 상기 제2 클램프 스위치가 턴온되어, 상기 클램프 캐패시터에 충전된 에너지를 상기 변압기의 2 차 측으로 전달할 수 있다. In addition, in the first mode, the energy supplied through the input voltage is charged into the inductor, and in the second mode, the clamp capacitor is charged by the energy charged in the inductor, and in the third mode, The first clamp switch is turned on to transfer the energy charged in the clamp capacitor to the secondary side of the transformer and in the fifth mode the energy provided through the input voltage is charged into the inductor, Mode, the clamp capacitor is charged by the energy charged in the inductor, and in the seventh mode, the second clamp switch is turned on to transfer the energy charged in the clamp capacitor to the secondary side of the transformer .

한편, 상기 제1 및 제2 클램프 스위치 및 상기 제1 내지 제8 스위치는, 상기 출력 측의 출력 전압을 강압하여 상기 입력 측으로 제공하는 강압 모드인 경우, 제어 신호에 따라 제1 내지 제4 모드로 구분되어 스위칭 동작이 이루어지며, 상기 제1 모드에서, 상기 제5 및 제6 스위치는 턴온되고, 상기 제7 및 제8 스위치는 턴오프되고, 상기 제2 모드에서, 상기 제5 내지 제8 스위치는 턴오프되고, 상기 제3 모드에서, 상기 제7 및 제8 스위치는 턴온되고, 상기 제5 및 제6 스위치는 턴오프되고, 상기 제4 모드에서, 상기 제5 내지 제8 스위치는 턴오프되고, 상기 제1 내지 제4 모드에서, 상기 제1 및 제2 클램프 스위치는 턴온되고, 상기 제1 내지 제4 스위치는 턴오프될 수 있다.On the other hand, when the first and second clamp switches and the first to eighth switches are in the step-down mode in which the output voltage on the output side is stepped down and provided to the input side, the first to fourth switches Wherein in the first mode, the fifth and sixth switches are turned on, the seventh and eighth switches are turned off, and in the second mode, the fifth to eighth switches In the third mode, the seventh and eighth switches are turned on, the fifth and sixth switches are turned off, and in the fourth mode, the fifth to eighth switches are turned off And in the first to fourth modes, the first and second clamp switches are turned on, and the first to fourth switches are turned off.

여기에서, 상기 제1 및 제3 모드에서, 상기 출력 전압이 상기 입력 측으로 전달될 수 있다.Here, in the first and third modes, the output voltage may be transmitted to the input side.

이상과 같은 본 발명의 다양한 실시 예에 따르면, 전기 자동차의 배터리에 대한 급속 충전 시 이용되며, 소형화 가능하며 효율이 높은 DC-DC 컨버터를 구현할 수 있다.According to various embodiments of the present invention as described above, it is possible to realize a DC-DC converter which is used for rapid charging of a battery of an electric vehicle, can be miniaturized, and is highly efficient.

도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 DC-DC 컨버터의 구성을 설명하기 위한 블록도,
도 2 내지 도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따라, 각 모드에서 스위치에 인가되는 제어 신호 및 그에 따라 DC-DC 컨버터의 전류 및 전압에 대한 파형을 나타내는 도면,
도 6 내지 도 11은 본 발명의 일 실시 예에 따른 DC-DC 컨버터에 대한 시뮬레이션을 나타내는 도면들이다.1 is a block diagram illustrating a configuration of a DC-DC converter according to an embodiment of the present invention.
Figures 2 to 5 show waveforms for the control signal applied to the switch in each mode and accordingly the current and voltage of the DC-DC converter, in accordance with an embodiment of the present invention;
6 to 11 are diagrams illustrating a simulation of a DC-DC converter according to an embodiment of the present invention.

이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 보다 상세하게 설명하도록 한다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to the accompanying drawings.

도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 DC-DC(직류-직류) 컨버터의 구성을 설명하기 위한 블록도이다.1 is a block diagram illustrating a configuration of a DC-DC (direct-current) converter according to an embodiment of the present invention.

먼저, 도 1에 도시된 DC-DC 컨버터(100)는 절연형 고효율 DC-DC 컨버터로서, 배터리 방전 등의 긴급 구난 상태에 있는 20kW 급 전기 자동차의 긴급 구난용 충전 시스템에 이용될 수 있다.First, the DC-DC converter 100 shown in FIG. 1 is an insulation type high efficiency DC-DC converter and can be used for an emergency rescue charging system of an electric vehicle of 20 kW in an emergency rescue state such as a battery discharge.

도 1을 참조하면, DC-DC 컨버터(100)는 클램프부(110), 제1 스위칭부(120), 변압기(130), 제2 스위칭부(140) 및 제어 회로부(150)를 포함한다. Referring to FIG. 1, the DC-DC converter 100 includes a clamp unit 110, a first switching unit 120, a transformer 130, a second switching unit 140, and a control circuit unit 150.

클램프부(110)는 인덕터(Lin, 20)를 통해 입력 측과 연결되며, 서로 병렬로 연결된 복수의 클램프 스위치(gsc1, gsc2)(111, 112) 및 복수의 클램프 스위치(111, 112)에 연결된 클램프 캐패시터(Csc, 113)를 포함한다.The clamp unit 110 is connected to the input side through an inductor Lin and connected to a plurality of clamp switches gsc1 and gsc2 111 and 112 and a plurality of clamp switches 111 and 112 connected in parallel with each other And a clamp capacitor (Csc, 113).

이 경우, 제1 및 제2 클램프 스위치(111, 112)는 반도체 스위칭 소자로서, IGBT로 구현될 수 있다.In this case, the first and second clamp switches 111 and 112 may be implemented as IGBTs as semiconductor switching elements.

구체적으로, 제1 클램프 스위치(111)는 제1 단이 스위칭 동작을 위한 제어 신호를 입력받고, 제2 단이 제2 클램프 스위치(112)의 제2 단에 연결되고, 제3 단이 제2 클램프 스위치(112)의 제3 단에 연결된다.Specifically, the first clamp switch 111 is configured such that the first stage receives the control signal for the switching operation, the second stage is connected to the second stage of the second clamp switch 112, And is connected to the third end of the clamp switch 112.

그리고, 제2 클램프 스위치(112)는 제1 단이 스위칭 동작을 위한 제어 신호를 입력받고, 제2 단이 제1 클램프 스위치(111)의 제2 단에 연결되고, 제3 단이 제1 클램프 스위치(111)의 제3 단에 연결된다.The second clamp switch 112 has a first end receiving a control signal for switching operation, a second end connected to a second end of the first clamp switch 111, a third end connected to a first clamp And is connected to the third end of the switch 111.

이 경우, 제1 및 제2 클램프 스위치(111, 112) 각각은 서로 병렬로 연결된 다이오드 및 캐패시터(Cgsc)와 병렬로 연결된다. 즉, 제1 클램프 스위치(111)의 제2 단 및 제3 단에는 서로 병렬로 연결된 다이오드 및 캐패시터가 연결되고, 제2 클램프 스위치(112)의 제2 단 및 제3 단에는 서로 병렬로 연결된 다이오드 및 캐패시터가 연결된다.In this case, each of the first and second clamp switches 111 and 112 is connected in parallel with a diode and a capacitor Cgsc connected in parallel with each other. In other words, diodes and capacitors connected in parallel to each other are connected to the second and third ends of the first clamp switch 111, and diodes and capacitors connected in parallel to the second and third ends of the second clamp switch 112 And a capacitor are connected.

클램프 캐패시터(113)는 일 단이 제1 클램프 스위치(111)의 제2 단 및 제2 클램프 스위치(112)의 제2 단과 공통 연결되고, 타 단은 접지된다.One end of the clamp capacitor 113 is commonly connected to the second end of the first clamp switch 111 and the second end of the second clamp switch 112, and the other end is grounded.

한편, 인덕터(20)는 일 단이 입력 측에 연결되고, 타 단이 제1 클램프 스위치(111)의 제3 단 및 제2 클램프 스위치(112)의 제3 단에 공통 연결된다. One end of the inductor 20 is connected to the input side and the other end is commonly connected to the third end of the first clamp switch 111 and the third end of the second clamp switch 112.

제1 스위칭부(120)는 클램프부(110)와 병렬로 연결되며, 제1 내지 제4 스위치(g1, g2, g3, g4)(121, 122, 123, 124)를 포함한다. The first switching unit 120 is connected in parallel with the clamp unit 110 and includes first to fourth switches g1, g2, g3 and g4 121, 122, 123 and 124.

이 경우, 제1 내지 제4 스위치(121, 122, 123, 124)는 반도체 스위칭 소자로서, IGBT로 구현될 수 있다. In this case, the first to fourth switches 121, 122, 123 and 124 may be implemented as IGBTs as semiconductor switching elements.

구체적으로, 제1 스위치(121)는 제1 단이 스위칭 동작을 위한 제어 신호를 입력받고, 제2 단이 제3 스위치(123)의 제2 단에 연결되고, 제3 단이 제4 스위치(124)의 제2 단에 연결된다.Specifically, the first switch 121 receives the control signal for the switching operation in the first stage, the second stage is connected to the second stage of the third switch 123, and the third stage is connected to the fourth switch 124, respectively.

그리고, 제2 스위치(122)는 제1 단이 스위칭 동작을 위한 제어 신호를 입력받고, 제2 단이 제3 스위치(123)의 제3 단에 연결되고, 제3 단이 제4 스위치(1214)의 제3 단에 연결된다.The second switch 122 receives the control signal for the first switching operation, the second terminal connected to the third terminal of the third switch 123, and the third terminal connected to the fourth switch 1214 ).

또한, 제3 스위치(123)는 제1 단이 스위칭 동작을 위한 제어 신호를 입력받고, 제2 단이 제1 스위치(121)의 제2 단에 연결되고, 제3 단이 제2 스위치(122)의 제2 단에 연결된다. The third switch 123 receives the control signal for the switching operation in the first stage, the second stage is connected to the second stage of the first switch 121, the third stage is connected to the second switch 122 To the second stage of the second stage.

그리고, 제4 스위치(124)는 제1 단이 스위칭 동작을 위한 제어 신호를 입력받고, 제2 단이 제1 스위치(121)의 제3 단에 연결되고, 제3 단이 제2 스위치(122)의 제3 단에 연결된다.The second switch 122 is connected to the third terminal of the first switch 121. The third terminal of the fourth switch 124 is connected to the second switch 122 ).

여기에서, 제1 스위치(121)의 제2 단 및 제3 스위치(123)의 제2 단은 인덕터(20)의 타 단, 제1 클램프 스위치(111)의 제3 단 및 제2 클램프 스위치(112)의 제3 단에 공통 연결된다. 그리고, 제2 스위치(122)의 제3 단 및 제4 스위치(124)의 제3 단은 클램프 캐패시터(113)의 타 단에 공통 연결된다.Here, the second end of the first switch 121 and the second end of the third switch 123 are connected to the other end of the inductor 20, the third end of the first clamp switch 111 and the second end of the second clamp switch 112). The third end of the second switch 122 and the third end of the fourth switch 124 are commonly connected to the other end of the clamp capacitor 113.

또한, 제3 스위치(123)의 제3 단 및 제2 스위치(122)의 제2 단은 변압기(130)의 1 차 측의 일 단에 연결되고, 제1 스위치(121)의 제3 단 및 제4 스위치(124)의 제2 단은 변압기(130)의 1 차 측의 타 단에 연결된다.The third end of the third switch 123 and the second end of the second switch 122 are connected to one end of the primary side of the transformer 130 and the third end of the first switch 121, The second end of the fourth switch 124 is connected to the other end of the primary side of the transformer 130.

이와 같이, 제1 내지 제4 스위치(121, 122, 123, 124)는 풀 브릿지 형태로, 클램프부(110)와 변압기(130) 사이에 연결된다.Thus, the first to fourth switches 121, 122, 123 and 124 are connected between the clamp unit 110 and the transformer 130 in the form of a full bridge.

한편, 제1 내지 제4 스위치(121, 122, 123, 124) 각각은 서로 병렬로 연결된 다이오드 및 캐패시터와 병렬로 연결된다. Each of the first to fourth switches 121, 122, 123 and 124 is connected in parallel with a diode and a capacitor connected in parallel to each other.

즉, 제1 스위치(121)의 제2 단 및 제3 단에는 서로 병렬로 연결된 다이오드 및 캐패시터(Cg1)가 연결되고, 제2 스위치(122)의 제2 단 및 제3 단에는 서로 병렬로 연결된 다이오드 및 캐패시터(Cg2)가 연결된다. 또한, 제3 스위치(123)의 제2 단 및 제3 단에는 서로 병렬로 연결된 다이오드 및 캐패시터(Cg3)가 연결되고, 제4 스위치(124)의 제2 단 및 제3 단에는 서로 병렬로 연결된 다이오드 및 캐패시터(Cg4)가 연결된다.That is, a diode and a capacitor Cg1 connected in parallel to each other are connected to the second and third ends of the first switch 121, and the second and third ends of the second switch 122 are connected in parallel to each other A diode and a capacitor Cg2 are connected. A diode and a capacitor Cg3 connected in parallel to each other are connected to the second and third ends of the third switch 123 and the second and third ends of the fourth switch 124 are connected in parallel to each other A diode and a capacitor Cg4 are connected.

변압기(130)는 제1 스위칭부(120)에 연결된다. 구체적으로, 변압기(130)의 1 차 측의 일 단은 제3 스위치(123)의 제3 단 및 제2 스위치(122)의 제2 단에 공통 연결되고, 1 차 측의 타 단은 제1 스위치(121)의 제3 단 및 제4 스위치(124)의 제2 단에 공통 연결된다. 이 경우, 변압기(130)의 2차 측은 제2 스위칭부(140)에 연결된다.The transformer 130 is connected to the first switching unit 120. Specifically, one end of the primary side of the transformer 130 is commonly connected to the third end of the third switch 123 and the second end of the second switch 122, and the other end of the primary side is connected to the first end And is commonly connected to the third stage of the switch 121 and the second stage of the fourth switch 124. [ In this case, the secondary side of the transformer 130 is connected to the second switching unit 140.

제2 스위칭부(140)는 변압기(130)와 출력 측 사이에 연결되며, 제5 내지 제8 스위치(g21, g22, g23, g24)(141, 142, 143, 144)를 포함한다.The second switching unit 140 is connected between the transformer 130 and the output side and includes fifth to eighth switches g21, g22, g23 and g24 141, 142, 143 and 144.

이 경우, 제5 내지 제8 스위치(141, 142, 143, 144)는 반도체 스위칭 소자로서, IGBT로 구현될 수 있다. In this case, the fifth to eighth switches 141, 142, 143 and 144 may be implemented as IGBTs as semiconductor switching elements.

구체적으로, 제5 스위치(141)는 제1 단이 스위칭 동작을 위한 제어 신호를 입력받고, 제2 단은 제7 스위치(143)의 제2 단에 연결되고, 제3 단은 제8 스위치(144)의 제2 단에 연결된다.Specifically, the fifth switch 141 receives the control signal for the switching operation in the first stage, the second stage is connected to the second stage of the seventh switch 143, and the third stage is connected to the eighth switch 144, respectively.

그리고, 제6 스위치(142)는 제1 단이 스위칭 동작을 위한 제어 신호를 입력받고, 제2 단이 제7 스위치(143)의 제3 단에 연결되고, 제3 단이 제8 스위치(144)의 제3 단에 연결된다.The second switch 142 is connected to the third terminal of the seventh switch 143 and the third terminal of the sixth switch 142 is connected to the eighth switch 144 ).

또한, 제7 스위치(143)는 제1 단이 스위칭 동작을 위한 제어 신호를 입력받고, 제2 단이 제5 스위치(141)의 제2 단에 연결되고, 제3 단이 제6 스위치(142)의 제2 단에 연결된다.The seventh switch 143 has a first terminal receiving the control signal for the switching operation, a second terminal connected to the second terminal of the fifth switch 141, a third terminal connected to the sixth terminal 142 To the second stage of the second stage.

그리고, 제8 스위치(144)는 제1 단이 스위칭 동작을 위한 제어 신호를 입력받고, 제2 단이 제5 스위치(141)의 제3 단에 연결되고, 제3 단이 제6 스위치(142)의 제3 단에 연결된다.The eighth switch 144 receives the control signal for the switching operation of the first stage, the second stage is connected to the third stage of the fifth switch 141, and the third stage is connected to the sixth switch 142 ).

여기에서, 제5 스위치(141)의 제3 단 및 제8 스위치(144)의 제2 단은 변압기(130)의 2 차 측의 일 단에 공통 연결되고, 제7 스위치(143)의 제3 단 및 제6 스위치(142)의 제2 단은 변압기(130)의 2 차 측의 타 단에 공통 연결된다.The third end of the fifth switch 141 and the second end of the eighth switch 144 are commonly connected to one end of the secondary side of the transformer 130 and the third end of the seventh switch 143 And the second end of the sixth switch 142 are commonly connected to the other end of the secondary side of the transformer 130. [

또한, 제5 스위치(141)의 제2 단 및 제7 스위치(143)의 제2 단은 출력 측에 연결될 수 있다. 이 경우, 제8 스위치(144)의 제3 단 및 제 6 스위치(142)의 제3 단은 접지된다.The second end of the fifth switch 141 and the second end of the seventh switch 143 may be connected to the output side. In this case, the third end of the eighth switch 144 and the third end of the sixth switch 142 are grounded.

한편, 제5 내지 제8 스위치(141, 142, 143, 144) 각각은 서로 병렬로 연결된 다이오드 및 캐패시터와 병렬로 연결된다. Each of the fifth to eighth switches 141, 142, 143 and 144 is connected in parallel with a diode and a capacitor connected in parallel with each other.

즉, 제5 스위치(141)의 제2 단 및 제3 단에는 서로 병렬로 연결된 다이오드 및 캐패시터가 연결되고, 제6 스위치(142)의 제2 단 및 제3 단에는 서로 병렬로 연결된 다이오드 및 캐패시터가 연결된다. 또한, 제7 스위치(143)의 제2 단 및 제3 단에는 서로 병렬로 연결된 다이오드 및 캐패시터가 연결되고, 제8 스위치(144)의 제2 단 및 제3 단에는 서로 병렬로 연결된 다이오드 및 캐패시터가 연결된다.That is, a diode and a capacitor connected in parallel to each other are connected to the second and third ends of the fifth switch 141, and a diode and a capacitor connected to the second and third ends of the sixth switch 142, Respectively. A diode and a capacitor connected in parallel to each other are connected to the second and third ends of the seventh switch 143. A diode and a capacitor connected in parallel to the second and third ends of the eighth switch 144, Respectively.

한편, 본 발명의 일 실시 예에 따른 DC-DC 컨버터(100)는 스위치들의 스위칭 동작을 통해, 입력 측의 입력 전압(또는, 1차 전압)을 승압하여 출력 측으로 전달하거나(승압 모드), 출력 측의 출력 전압(또는, 2차 전압)을 강압하여 입력 측으로 제공할 수 있다(강압 모드).Meanwhile, the DC-DC converter 100 according to the embodiment of the present invention boosts the input voltage (or the primary voltage) on the input side and transfers it to the output side (switching mode) through the switching operation of the switches (Or the secondary voltage) of the output side can be supplied to the input side (step-down mode).

예를 들어, 출력 측에는 부하 가령, 모터가 연결되고, 입력 측에는 모터를 구동하기 위한 입력 전원이 연결된 경우를 가정한다.For example, assume that a load is connected to the output side, and a motor is connected to the output side, and an input power source for driving the motor is connected to the input side.

이 경우, DC-DC 컨버터(100)는 모터 구동을 위해, 스위치들의 스위칭 동작을 통해 입력 측에서 제공받는 입력 전원을 승압하여 출력 측으로 제공할 수 있다. 또한, DC-DC 컨버터(100)는 스위치들의 스위칭 동작을 통해, 출력 측에 연결된 모터 구동 시 발생되는 전기 에너지를 회생시켜 입력 측으로 제공할 수 있다.In this case, the DC-DC converter 100 may step up the input power supplied from the input side through the switching operation of the switches for driving the motor, and provide the output power to the output side. Also, the DC-DC converter 100 can regenerate the electric energy generated when the motor connected to the output side is connected to the input side through the switching operation of the switches.

이와 같이, DC-DC 컨버터(100)는 스위칭 동작을 통해 양방향 전력 제어가 가능하도록 구현되는데, 이하에서는 스위칭 동작에 대해 보다 구체적으로 설명하도록 한다. As described above, the DC-DC converter 100 is implemented so as to enable bidirectional power control through a switching operation. Hereinafter, the switching operation will be described in more detail.

제어 회로부(150)는 제1 및 제2 클램프 스위치(111, 112), 제1 내지 제4 스위치(121, 122, 123, 124) 및 제5 내지 제8 스위치(141, 142, 143, 144)의 스위칭 동작을 제어하기 위한 제어 신호(즉, 게이트 신호)를 생성하여, 제1 및 제2 클램프 스위치(111, 112), 제1 내지 제4 스위치(121, 122, 123, 124) 및 제5 내지 제8 스위치(141, 142, 143, 144)로 출력한다.The control circuit part 150 includes first and second clamp switches 111 and 112, first to fourth switches 121 to 122 and 123 and 124 and fifth to eighth switches 141, 142, 143 and 144, (I.e., a gate signal) for controlling the switching operation of the first and second clamp switches 111 and 112, the first to fourth switches 121, 122, 123 and 124, and the fifth To eighth switches (141, 142, 143, 144).

예를 들어, 제어 회로부(150)는 각 스위치의 듀티비에 따른 게이트 신호를 발생시키기 위한 게이트펄스 발생기(미도시)를 포함할 수 있다. 이 경우, 제어 회로부(150)는 입력 전류(Iin) 및 출력 전압(Vout)을 검출하여 PI 제어를 통해 입력 전류(즉, 직류리액터 전류)의 크기를 제한하고 부하의 변동에도 일정한 출력 전압을 갖도록 하는 게이트 신호를 생성할 수 있다. For example, the control circuit unit 150 may include a gate pulse generator (not shown) for generating a gate signal according to a duty ratio of each switch. In this case, the control circuit unit 150 detects the input current Iin and the output voltage Vout to limit the magnitude of the input current (that is, the DC reactor current) through the PI control and to have a constant output voltage The gate signal can be generated.

한편, 이하에서는 각 스위치에 인가되는 제어 신호 및 그에 따른 시스템 동작 파형을 설명하도록 한다.Hereinafter, the control signals applied to the switches and the system operation waveforms corresponding thereto will be described.

먼저, 입력 전압을 승압하여 출력 측으로 제공하는 승압 모드인 경우, 제1 및 제2 클램프 스위치(111, 112), 제1 내지 제4 스위치(121, 122, 123, 124) 및 제5 내지 제8 스위치(141, 142, 143, 144)는 제어 신호에 따라 8 개의 모드로 구분되어 스위칭 동작이 이루어진다.First, in the step-up mode in which the input voltage is boosted and provided to the output side, the first and second clamp switches 111 and 112, the first to fourth switches 121, 122, 123 and 124, The switches 141, 142, 143, and 144 are divided into eight modes according to the control signals to perform the switching operation.

이 경우, 각 모드 별, 제1 및 제2 클램프 스위치(111, 112), 제1 내지 제4 스위치(121, 122, 123, 124) 및 제5 내지 제8 스위치(141, 142, 143, 144)의 동작 상태는 하기의 표 1과 같다. In this case, the first to fourth switches 121, 122, 123, and 124 and the fifth to eighth switches 141, 142, 143, and 144 are used for each mode, the first and second clamp switches 111 and 112, ) Are shown in Table 1 below.

모드 1Mode 1 모드 2Mode 2 모드 3Mode 3 모드 4Mode 4 모드 5Mode 5 모드 6Mode 6 모드 7Mode 7 모드 8Mode 8 g1, g2g1, g2 onon onon onon onon onon offoff offoff offoff g3, g4g3, g4 onon offoff offoff offoff onon onon onon onon gsc1gsc1 offoff offoff onon offoff offoff offoff offoff offoff gsc2gsc2 offoff offoff offoff offoff offoff offoff onon offoff g21, g22
g23, g24g21, g22
g23, g24 offoff offoff offoff offoff offoff offoff offoff offoff

여기에서, g1은 제1 스위치(121), g2는 제2 스위치(122), g3는 제3 스위치(123), g4는 제4 스위치(124), g21은 제5 스위치(141), g22는 제6 스위치(142), g23는 제7 스위치(143), g24는 제8 스위치(144), gsc1은 제1 클램프 스위치(111), gsc2는 제2 클램프 스위치(112)를 나타낸다.Here, g1 is the first switch 121, g2 is the second switch 122, g3 is the third switch 123, g4 is the fourth switch 124, g21 is the fifth switch 141, G23 denotes the seventh switch 143, g24 denotes the eighth switch 144, gsc1 denotes the first clamp switch 111, and gsc2 denotes the second clamp switch 112. The sixth switch 142,

표 1을 참조하면, 승압 모드인 경우, 각 모드 별 스위치의 스위칭 동작은 다음과 같이 나타낼 수 있다.Referring to Table 1, in the step-up mode, the switching operation of each mode switch can be expressed as follows.

제1 모드에서, 제1 내지 제4 스위치(121, 122, 123, 124)는 턴온되고, 제1 및 제2 클램프 스위치(111, 112)는 턴오프되고, 제2 모드에서, 제1 및 제2 스위치(121, 122)는 턴온되고, 제1 및 제2 클램프 스위치(111, 112) 및 제3 및 제4 스위치(123, 124)는 턴오프되고, 제3 모드에서, 제1 클램프 스위치(111) 및 제1 및 제2 스위치(121, 122)는 턴온되고, 제2 클램프 스위치(112) 및 제3 및 제4 스위치(123, 124)는 턴오프되고, 제4 모드에서, 제1 및 제2 스위치(121, 122)는 턴온되고, 제1 및 제2 클램프 스위치(111, 112) 및 제3 및 제4 스위치(123, 124)는 턴오프된다.In the first mode, the first to fourth switches 121, 122, 123 and 124 are turned on and the first and second clamp switches 111 and 112 are turned off. In the second mode, 2 switches 121 and 122 are turned on and the first and second clamp switches 111 and 112 and the third and fourth switches 123 and 124 are turned off and in the third mode the first clamp switch 111 and the first and second switches 121 and 122 are turned on and the second clamp switch 112 and the third and fourth switches 123 and 124 are turned off. In the fourth mode, The second switches 121 and 122 are turned on and the first and second clamp switches 111 and 112 and the third and fourth switches 123 and 124 are turned off.

그리고, 제5 모드에서, 제1 내지 제4 스위치(121, 122, 123, 124)는 턴온되고, 제1 및 제2 클램프 스위치(111, 112)는 턴오프되고, 제6 모드에서, 제3 및 제4 스위치(123, 124)는 턴온되고, 제1 및 제2 클램프 스위치(111, 112) 및 제1 및 제2 스위치(121, 122)는 턴오프되고, 제7 모드에서, 제2 클램프 스위치(112) 및 제3 및 제4 스위치(123, 124)는 턴온되고, 제1 클램프 스위치(111) 및 제1 및 제2 스위치(121, 122)는 턴오프되고, 제8 모드에서, 제3 및 제4 스위치(123, 124)는 턴온되고, 제1 및 제2 클램프 스위치(111, 112) 및 제1 및 제2 스위치(121, 122)는 턴오프된다.In the fifth mode, the first to fourth switches 121, 122, 123 and 124 are turned on and the first and second clamp switches 111 and 112 are turned off. In the sixth mode, And the fourth switches 123 and 124 are turned on and the first and second clamp switches 111 and 112 and the first and second switches 121 and 122 are turned off. In the seventh mode, The switch 112 and the third and fourth switches 123 and 124 are turned on and the first clamp switch 111 and the first and second switches 121 and 122 are turned off. In the eighth mode, The third and fourth switches 123 and 124 are turned on and the first and second clamp switches 111 and 112 and the first and second switches 121 and 122 are turned off.

이 경우, 제5 내지 제8 스위치(141, 142, 143, 144)는 제1 모드 내지 제8 모드에서 턴오프된다.In this case, the fifth to eighth switches 141, 142, 143 and 144 are turned off in the first mode to the eighth mode.

한편, 승압 모드인 경우, 각 모드 별 전류의 흐름은 도 2와 같고, 전류/전압 파형은 도 3과 같다. 여기에서, 도 2(a) 내지 도 2(h)는 각각 제1 모드 내지 제8 모드에서의 전류의 흐름을 나타낸다.On the other hand, in the step-up mode, the current flow for each mode is as shown in FIG. 2, and the current / voltage waveform is as shown in FIG. Here, Figs. 2 (a) to 2 (h) show the flow of current in the first mode to the eighth mode, respectively.

구체적으로, 도 2 및 도 3을 참조하면, 제1 모드에서 제1 내지 제4 스위치(121, 122, 123, 124)가 턴온되고 제1 및 제2 클램프 스위치(111, 112)는 턴오프되어, 입력 측 인덕터(20)는 입력 전원으로부터 에너지를 저장하고 IL의 크기는 증가하게 된다. 즉, 인덕터(20)는 입력 전원을 승압하는 승압용 직류 리액터로서 기능을 수행하게 된다.2 and 3, the first to fourth switches 121, 122, 123 and 124 are turned on and the first and second clamp switches 111 and 112 are turned off in the first mode , The input side inductor 20 stores energy from the input power source and the magnitude of IL increases. That is, the inductor 20 functions as a step-up DC reactor for stepping up the input power.

이와 같이, 제1 모드에서는 입력 전원(10)에서 제공되는 에너지가 인덕터(20)에 충전된다.In this manner, in the first mode, the energy provided by the input power source 10 is charged into the inductor 20.

그리고, 제2 모드에서 제3 스위치(123) 및 제4 스위치(124)는 턴오프되어, 제1 및 제2 클램프 스위치(111, 112) 각각에 연결된 캐패시터 Cgsc, 제3 스위치(123)에 연결된 캐패시터 Cg3 및 제4 스위치(124)에 연결된 캐패시터 Cg4가 충전되고, Vpn이 증가하게 된다. In the second mode, the third switch 123 and the fourth switch 124 are turned off and connected to the capacitor Cgsc connected to the first and second clamp switches 111 and 112, respectively, and to the third switch 123 The capacitor Cg3 connected to the capacitor Cg3 and the fourth switch 124 is charged and Vpn is increased.

이에 따라, Vpn=Vcsc(여기에서, Vcsc는 캐패시터 Cgsc에 걸리는 전압을 의미한다)가 되어, 제1 및 제2 클램프 스위치(111, 112) 각각에 연결된 다이오드로 Ic의 전류가 흐르고, 캐패시터 Cgsc, Cg3 및 Cg4로는 전류가 흐르지 않게 된다. 그리고, IL은 감소하면서, Ic의 방향이 반대로 바뀌어 흐르게 된다. Thus, Vpn = Vcsc (where Vcsc denotes the voltage across the capacitor Cgsc), and the current Ic flows through the diodes connected to the first and second clamp switches 111 and 112, and the capacitors Cgsc, No current flows in Cg3 and Cg4. Then, while IL is decreasing, the direction of Ic is reversed and flowing.

이와 같이, 제2 모드에서는 인덕터(20)에 충전된 에너지에 의해 클램프 캐패시터(113)가 충전된다.As described above, in the second mode, the clamp capacitor 113 is charged by the energy charged in the inductor 20.

그리고, 제3 모드에서는 제1 클램프 스위치(111)가 영전압 스위칭 동작(zero voltage switching, ZVS)을 위해 턴온되고, 제2 모드에서부터 계속적으로 IL이 감소하면서 변압기(130)의 2차 측으로 에너지를 전달하게 된다. 즉, 제1 클램프 스위치(111)가 턴온되어, 클램프 캐패시터(113)에 충전된 에너지를 변압기(130)의 2 차 측으로 전달하게 된다.In the third mode, the first clamp switch 111 is turned on for zero voltage switching (ZVS), and the IL is continuously decreased from the second mode to the secondary side of the transformer 130 . That is, the first clamp switch 111 is turned on, and the energy stored in the clamp capacitor 113 is transmitted to the secondary side of the transformer 130.

한편, 제4 모드에서는 제1 클램프 스위치(111)가 턴오프되어 Ic가 급격히 감소하게 된다. 이 경우, 누설 인덕터 Llk 및 캐패시터 Cgsc, Cg3 및 Cg4에는 공진에 의한 전류가 흐르게 되고, 캐패시터 Cgsc, Cg3 및 Cg4는 방전되어 Vpn이 0이 되고, 제3 스위치(123) 및 제4 스위치(124)에 연결된 다이오드에 전류가 흐르게 되어, ZVS이 가능하게 된다. 즉, 제3 모드에서 제1 클램프 스위치(111)가 턴온됨으로써, 제4 모드에서는 Vpn이 0이 되고 제3 스위치(123) 및 제4 스위치(124)의 영전압 스위칭이 가능해진다. On the other hand, in the fourth mode, the first clamp switch 111 is turned off, and Ic is rapidly reduced. In this case, a resonance current flows in the leakage inductor Llk and the capacitors Cgsc, Cg3, and Cg4, and the capacitors Cgsc, Cg3, and Cg4 are discharged to make Vpn 0, and the third switch 123 and the fourth switch 124, So that the ZVS is enabled. That is, when the first clamp switch 111 is turned on in the third mode, Vpn becomes 0 in the fourth mode, and zero voltage switching of the third switch 123 and the fourth switch 124 becomes possible.

한편, 제5 모드에서는 제3 스위치(123) 및 제4 스위치(124)는 ZVS 턴온된다. 이때, Vpn은 일정하고 누설 인덕터 Llkk에 흐르는 전류(즉, Ilk)는 감소하다가 일정해진다. 그리고, 입력 측 인덕터(20)는 입력 전원으로부터 에너지를 저장하고 IL의 크기는 증가하게 된다. On the other hand, in the fifth mode, the third switch 123 and the fourth switch 124 are turned on by ZVS. At this time, Vpn is constant and the current (i.e., Ilk) flowing in the leakage inductor Llkk decreases and becomes constant. Then, the input side inductor 20 stores energy from the input power source and the size of the IL increases.

이와 같이, 제5 모드에서는 입력 전원(10)에서 제공되는 에너지가 인덕터(20)에 충전된다.In this manner, in the fifth mode, the energy provided by the input power source 10 is charged into the inductor 20.

그리고, 제6 모드에서 제1 및 제2 스위치(121, 122)는 턴오프되고, 캐패시터 Cgsc, 제1 스위치(121)에 연결된 캐패시터 Cg1 및 제2 스위치(122)에 연결된 캐패시터 Cg2는 충전되어 Vpn의 크기가 증가하게 된다. 이에 따라, Vpn=Vcsc이 되어, 제1 및 제2 클램프 스위치(111, 112)의 다이오드로 Ic의 전류가 흐르게 되고, 캐패시터 Cgsc, Cg1 및 Cg2로는 전류가 흐르지 않게 된다. 그리고, IL은 감소하면서 Ic의 방향이 반대로 바뀌어 흐르게 된다.In the sixth mode, the first and second switches 121 and 122 are turned off, and the capacitor Cgsc, the capacitor Cg1 connected to the first switch 121, and the capacitor Cg2 connected to the second switch 122 are charged to Vpn As shown in FIG. As a result, Vpn = Vcsc, a current Ic flows through the diodes of the first and second clamp switches 111 and 112, and no current flows through the capacitors Cgsc, Cg1, and Cg2. Then, as the IL decreases, the direction of the Ic is reversed and flows.

이와 같이, 제2 모드에서는 인덕터(20)에 충전된 에너지에 의해 클램프 캐패시터(113)가 충전된다.As described above, in the second mode, the clamp capacitor 113 is charged by the energy charged in the inductor 20.

그리고, 제7 모드에서 제2 클램프 스위치(112)는 ZVS 턴온하여 제6 모드에서부터 계속적으로 IL이 감소하면 2 차 측으로 에너지를 전달한다. 즉, 제2 클램프 스위치(112)가 턴온되어, 클램프 캐패시터(113)에 충전된 에너지를 변압기(130)의 2 차 측으로 전달하게 된다.In the seventh mode, the second clamp switch 112 turns on the ZVS and transfers energy from the sixth mode to the secondary side when the IL decreases continuously. That is, the second clamp switch 112 is turned on to transfer the energy stored in the clamp capacitor 113 to the secondary side of the transformer 130.

그리고, 제8 모드에서는 제2 클램프 스위치(112)가 턴오프되어 Ic 가 급격히 감소된다. 이 경우, 누설 인덕터 Llk 및 캐패시터 Cgsc, Cg1 및 Cg2에는 공진에 의한 전류가 흐르며 캐패시터 Cgsc, Cg1 및 Cg2가 방전하여 Vpn=0이 되고, 제1 스위치(121) 및 제2 스위치(122)에 연결된 다이오드에 전류가 흘러, ZVS이 가능하게 된다. 즉, 제7 모드에서 제2 클램프 스위치(112)가 턴온됨으로써, 제8 모드에서는 Vpn이 0이 되고 제1 스위치(121) 및 제2 스위치(122)의 영전압 스위칭이 가능해진다.In the eighth mode, the second clamp switch 112 is turned off, and Ic is sharply reduced. In this case, a resonance current flows in the leakage inductor Llk and the capacitors Cgsc, Cg1, and Cg2, and the capacitors Cgsc, Cg1, and Cg2 are discharged to become Vpn = 0 and are connected to the first switch 121 and the second switch 122 Current flows through the diode, enabling ZVS. That is, when the second clamp switch 112 is turned on in the seventh mode, Vpn becomes 0 in the eighth mode and zero voltage switching of the first switch 121 and the second switch 122 becomes possible.

이와 같이, 복수의 클램프 스위치(111, 112)는 승압 모드인 경우 제1 내지 제4 스위치(121, 122, 123, 124)의 영전압 스위칭을 위해 턴온될 수 있다.As described above, the plurality of clamp switches 111 and 112 can be turned on for zero voltage switching of the first to fourth switches 121, 122, 123 and 124 in the step-up mode.

이러한 과정을 통해, 입력 측의 입력 전압이 출력 측에 연결된 부하로 제공될 수 있다. Through this process, the input voltage on the input side can be provided to the load connected to the output side.

한편, 출력 전압을 강압하여 입력 측으로 제공하는 강압 모드인 경우, 제1 및 제2 클램프 스위치(111, 112), 제1 내지 제4 스위치(121, 122, 123, 124) 및 제5 내지 제8 스위치(141, 142, 143, 144)는 제어 신호에 따라 4 개의 모드로 구분되어 스위칭 동작이 이루어진다.On the other hand, in the step-down mode in which the output voltage is stepped down and provided to the input side, the first and second clamp switches 111 and 112, the first to fourth switches 121, 122, 123 and 124, The switches 141, 142, 143, and 144 are divided into four modes according to the control signal, and the switching operation is performed.

이 경우, 각 모드 별, 제1 및 제2 클램프 스위치(111, 112), 제1 내지 제4 스위치(121, 122, 123, 124125) 및 제5 내지 제8 스위치(141, 142, 143, 144)의 동작 상태는 하기의 표 2와 같다. In this case, the first to fourth switches 121, 122, 123, and 124125 and the fifth to eighth switches 141, 142, 143, and 144, respectively, for each mode, the first and second clamp switches 111 and 112, ) Is shown in Table 2 below.

모드 1Mode 1 모드 2Mode 2 모드 3Mode 3 모드 4Mode 4 g21, g22g21, g22 onon offoff offoff offoff g23, g24g23, g24 offoff offoff onon offoff gsc1gsc1 onon onon onon onon gsc2gsc2 onon onon onon onon g1, g2, g3, f4g1, g2, g3, f4 offoff offoff offoff offoff

여기에서, g1은 제1 스위치(121), g2는 제2 스위치(122), g3는 제3 스위치(123), g4는 제4 스위치(124), g21은 제5 스위치(141), g22는 제6 스위치(142), g23는 제7 스위치(143), g24는 제8 스위치(144), gsc1은 제1 클램프 스위치(111), gsc2는 제2 클램프 스위치(112)를 나타낸다.Here, g1 is the first switch 121, g2 is the second switch 122, g3 is the third switch 123, g4 is the fourth switch 124, g21 is the fifth switch 141, G23 denotes the seventh switch 143, g24 denotes the eighth switch 144, gsc1 denotes the first clamp switch 111, and gsc2 denotes the second clamp switch 112. The sixth switch 142,

표 2를 참조하면, 강압 모드인 경우, 각 모드 별 스위치의 스위칭 동작은 다음과 같이 나타낼 수 있다.Referring to Table 2, in the step-down mode, the switching operation of each mode switch can be expressed as follows.

제1 모드에서, 제1 및 제2 클램프 스위치(111, 112), 제5 및 제6 스위치(141, 142)는 턴온되고, 제7 및 제8 스위치(143, 144)는 턴오프되고, 제2 모드에서, 제1 및 제2 클램프 스위치(111, 112)는 턴온되고, 제5 내지 제8 스위치(141, 142, 143, 144)는 턴오프된다. 그리고, 제3 모드에서, 제1 및 제2 클램프 스위치(111, 112) 및 제7 및 제8 스위치(143, 144)는 턴온되고, 제5 및 제6 스위치(141, 142)는 턴오프되고, 제4 모드에서, 제1 및 제2 클램프 스위치(111, 112)는 턴온되고, 제5 내지 제8 스위치(141, 142, 143, 144)는 턴오프된다.In the first mode, the first and second clamp switches 111 and 112, the fifth and sixth switches 141 and 142 are turned on, the seventh and eighth switches 143 and 144 are turned off, 2 mode, the first and second clamp switches 111 and 112 are turned on and the fifth to eighth switches 141, 142, 143, and 144 are turned off. In the third mode, the first and second clamp switches 111 and 112 and the seventh and eighth switches 143 and 144 are turned on and the fifth and sixth switches 141 and 142 are turned off , The first and second clamp switches 111 and 112 are turned on and the fifth to eighth switches 141, 142, 143 and 144 are turned off in the fourth mode.

이 경우, 제1 내지 제4 스위치(121, 122, 123, 124)는 제1 모드 내지 제4 모드에서 턴오프된다.In this case, the first to fourth switches 121, 122, 123 and 124 are turned off in the first mode to the fourth mode.

한편, 강압 모드인 경우, 각 모드 별 전류의 흐름은 도 4와 같고, 전류/전압 파형은 도 5와 같다. 여기에서, 도 4(a) 내지 도 4(d)는 각각 제1 모드 내지 제4 모드에서의 전류의 흐름을 나타낸다.On the other hand, in the step-down mode, the current flow for each mode is as shown in Fig. 4, and the current / voltage waveform is as shown in Fig. Here, Figs. 4 (a) to 4 (d) show the flow of current in the first mode to the fourth mode, respectively.

구체적으로, 도 4 및 도 5를 참조하면, 제1 모드에서 제5 스위치(141) 및 제6 스위치(142)가 턴온되어 Ilk와 Ic는 (+) 극성으로 서서히 증가한다. 그리고, 제2 모드에서는 제5 스위치(141) 및 제6 스위치(142)가 턴오프되고, Ilk와 Ic는 급격히 감소한다. Specifically, referring to FIGS. 4 and 5, in the first mode, the fifth switch 141 and the sixth switch 142 are turned on, and Ilk and Ic gradually increase in the (+) polarity. In the second mode, the fifth switch 141 and the sixth switch 142 are turned off, and Ilk and Ic decrease sharply.

제3 모드에서는 제7 스위치(143) 및 제8 스위치(144)가 턴온되어 Ilk는 (-) 극성으로 서서히 감소하며, Ic는 변압기(130)의 1차 측의 반도체 스위칭소자에 연결된 다이오드(즉, 역병렬 다이오드)에 의해 정류되어 (+) 극성으로 서서히 증가한다. 그리고, 제4 모드에서는 제7 스위치(143) 및 제8 스위치(144)가 턴오프되며, Ilk는 급격하게 증가하며 Ic는 급격히 감소하게 된다.In the third mode, the seventh switch 143 and the eighth switch 144 are turned on so that Ilk is gradually reduced to the negative polarity, and Ic is a diode connected to the semiconductor switching element on the primary side of the transformer 130 , Antiparallel diode) and gradually increases to (+) polarity. In the fourth mode, the seventh switch 143 and the eighth switch 144 are turned off, Ilk is abruptly increased, and Ic is abruptly decreased.

이와 같이, 제2 및 제4 모드에서는 제1 내지 제4 스위치(121, 122, 123, 124)가 턴오프되므로, 제1 및 제3 모드에서 출력 전압이 입력 측으로 전달되고, 결과적으로, DC-DC 컨버터(100)는 출력 측의 출력 전압을 강압하여 입력 측으로 전달할 수 있게 된다. Thus, in the second and fourth modes, since the first to fourth switches 121, 122, 123 and 124 are turned off, the output voltage is transmitted to the input side in the first and third modes, DC converter 100 can lower the output voltage on the output side and transmit it to the input side.

이와 같이, 본 발명의 일 실시 예에 따른 DC-DC 컨버터(100)는 영전압스위칭기반 소프트스위칭이 가능한 능동클램프 회로를 적용하여 스위칭손실을 저감하고 능동클램프 회로에 저장된 에너지를 재활용함으로써 시스템효율을 향상 시킬 수 있다. 또한, 능동클램프 스위치를 병렬로 연결함으로써 각 능동클램프 스위치의 역병렬 다이오드에 흐르는 전류를 분배하고, 스위칭주파수가 주 스위치와 동일한 스위칭주파수로 동작한다. 이에 따라, 고용량 시스템의 능동클램프 스위치의 스위칭주파수를 2배 증가할 수 있으며 시스템 안정성 및 스위치의 손실에 의한 방열문제에서의 장점도 가지게 되어 시스템의 소형화가 가능해질 수 있다.In this way, the DC-DC converter 100 according to an embodiment of the present invention reduces the switching loss by applying an active clamp circuit capable of soft switching based on zero voltage switching and recovers the energy stored in the active clamp circuit, Can be improved. Also, by connecting the active clamp switches in parallel, the current flowing through the anti-parallel diodes of each active clamp switch is distributed, and the switching frequency operates at the same switching frequency as the main switch. As a result, the switching frequency of the active clamp switch of the high capacity system can be doubled, and the system can be miniaturized because it has advantages in terms of system stability and heat dissipation due to the loss of the switch.

한편, 이하에서는 본 발명의 일 실시 예에 따른 DC-DC 컨버터에 대한 시뮬레이션 결과를 설명하도록 한다. 시뮬레이션을 위한 시스템 구성은 도 6과 같으며, 시뮬레이션에 이용된 파리미터는 하기의 표 3과 같다. Hereinafter, simulation results of a DC-DC converter according to an embodiment of the present invention will be described. The system configuration for the simulation is shown in FIG. 6, and the parameters used in the simulation are shown in Table 3 below.

itemitem valuevalue input sourceinput source 340V340V output source출력 소스 400V400V switching frequencyswitching frequency 10kHz10 kHz input inductanceinput inductance 1mH1mH leakeage inductanceleakeage inductance 20uH20uH magnetizing inductance마그네그izing inductance 1mH1mH clamp capacitor클패시터 47uF47uF output capacitor출력 capacitor 47uF47uF loadload 8Ω8Ω

시뮬레이션을 통해, 시스템 동작에 있어 스위치 턴온 시 ZVS 동작이 이루어지는 확인하였으며, 시스템 동작 중 부하의 변경을 주어 부하 변동 시에도 시스템이 제어되는지를 확인하였다.Through the simulation, we confirmed that ZVS operation is performed when the switch turns on the system operation, and it is confirmed that the system is controlled even when the load is changed by changing the load during system operation.

본 발명의 일 실시 예에 따른 DC/DC컨버터(100)는 20kW급 긴급 구난 전기자동차 급속충전을 위한 병렬클램프 고효율 절연형 DC/DC컨버터로서 시뮬레이션을 실시하였다. 주스위치의 게이트 신호와 클램프 스위치의 게이트 신호는 도 7과 같다.The DC / DC converter 100 according to an embodiment of the present invention is a parallel clamp high efficiency insulation type DC / DC converter for rapid charging of a 20 kW emergency rescue vehicle. The gate signal of the main switch and the gate signal of the clamp switch are shown in Fig.

이 경우, DC-DC 컨버터(100)에서 입력 전류, 각 클램프스위치 전류, 터미널 전압과의 관계는 도 8(a) 내지 (c)와 같고, 변압기 1,2차 측의 전압과 전류는 도 8(d),(e)와 같고, 출력 전류는 도 8(f)와 같다.In this case, the relationship between the input current, the clamp switch current, and the terminal voltage in the DC-DC converter 100 is as shown in Figs. 8A to 8C, (d) and (e), and the output current is as shown in FIG. 8 (f).

시스템의 전체적인 동작은 도 9에 도시된 것과 같이 주스위치와 각 클램프 스위치의 스위칭 주파수는 동일하고 제1 및 제2 스위치(g1,g2)가 오프되는 시간 안에 제2 클램프 스위치(gsc2)가 턴온되었다가 턴오프되고 제3 및 제4 스위치(g3,g4)가 오프되었을 때 제1 클램프 스위치(gsc1)가 턴온되었다가 턴오프된다. 이에 따라, 입력 인덕터에 흐르는 전류 IL이 증가할 때 에너지는 저장되고 IL이 감소하면서 클램프 스위치를 통해 흐르는 전류의 방향이 바뀌는 것을 확인할 수 있다. 이때, 변압기를 통해 부하에 에너지를 전달하게 된다.The overall operation of the system is such that the second clamp switch gsc2 is turned on within the time when the switching frequency of the main switch and each clamp switch is the same and the first and second switches g1 and g2 are off as shown in Fig. The first clamp switch gsc1 is turned on and turned off when the third and fourth switches g3 and g4 are turned off. Thus, when the current IL flowing through the input inductor is increased, the energy is stored and the direction of the current flowing through the clamp switch changes as IL decreases. At this time, energy is transferred to the load through the transformer.

한편, DC-DC 컨버터(100)는 모든 스위치가 턴온시 ZVS동작에 의해 스위칭손실이 저감된다. 스위치 턴온시 ZVS동작을 하는지 시뮬레이션으로 확인하기 위해, 주스위치와 클램프 스위치의 게이트신호, 터미널 전압, 클램프 스위치의 양단전압을 측정하였으며, 이는 도 10과 같다. On the other hand, in the DC-DC converter 100, the switching loss is reduced by the ZVS operation when all the switches are turned on. The gate signal, the terminal voltage, and the voltage across the clamp switch of the main switch and the clamp switch were measured in order to confirm whether the ZVS operation was performed when the switch was turned on, as shown in FIG.

클램프 스위치의 ZVS동작은 제1 클램프 스위치(gsc1)와 제2 클램프 스위치(gsc2)가 턴온동작할 때 터미널 전압이 클램프되고 클램프 스위치의 다이오드로 전류가 흐르게 되며, 이때 스위치의 양단전압이 0이 되고, 주 스위치의ZVS동작은 제1 및 제3 스위치(g1,g3)와 제2 및 제4 스위치(g2,g4)의 턴온 동작 시 누설 인덕턴스에 의한 주 스위치의 출력 캐패시터의 방전에 의해 주 스위치 양단전압은 0이 된다.In the ZVS operation of the clamp switch, when the first clamp switch gsc1 and the second clamp switch gsc2 are turned on, the terminal voltage is clamped and a current flows to the diode of the clamp switch. At this time, the voltage across the switch becomes zero , The ZVS operation of the main switch is performed by discharging the output capacitor of the main switch due to the leakage inductance during the turn-on operation of the first and third switches g1 and g3 and the second and fourth switches g2 and g4, The voltage becomes zero.

한편, 게이트 신호를 통한 스위칭 동작의 제어하는 제어기는 출력전압 및 입력전류의 크기를 제어하기 위해 입력전류, 출력전압 센싱을 통해 이루어진다.Meanwhile, a controller for controlling the switching operation through the gate signal is performed through input current and output voltage sensing to control the magnitude of the output voltage and the input current.

부하 변동에도 일정한 출력전압을 가지는지를 확인하기 위해 50%의 부하로 시스템을 동작시키고 시스템 동작 중 부하를 100%로 변화시키고 다시 50%로 변화를 주었을 때의 출력전압과 출력전류를 통한 제어기의 성능을 확인하였으며, 이와 관련된 출력전압과 출력전압 파형은 도 11과 같다.In order to check whether the output voltage is constant even with load fluctuation, the system is operated with a load of 50%, the load is changed to 100% during system operation, and the performance of the controller through the output voltage and output current And the output voltage and the output voltage waveform related thereto are shown in FIG.

최초 부하 50% 조건에서 출력은 400V에 25A이며 부하조건을 100%로 변화하면 출력전압은 순간 떨어지다가 400V로 제어되는 것을 확인할 수 있으며 출력전류는 50A가 된다. 다시 부하조건을 50%로 감소시키자 출력전압이 순간적으로 증가하였다가 400V에 25A의 출력으로 제어됨을 알 수 있다.Under the initial load condition of 50%, the output is 25A at 400V. When the load condition is changed to 100%, the output voltage is instantaneously dropped and then it is controlled to 400V, and the output current is 50A. When the load condition is reduced to 50%, the output voltage instantaneously increases, and it is seen that the output voltage is controlled to 25 A at 400V.

한편, 상술한 예에서는 스위칭 소자가 IGBT로 구현되는 것으로 설명하였으나 이는 일 예에 불과하며, 스위칭 소자는 MOSFET으로 구현될 수도 있다.In the example described above, the switching device is implemented as an IGBT, but this is merely an example, and the switching device may be implemented as a MOSFET.

이상에서는 본 발명의 바람직한 실시 예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시 예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에 의해 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어져서는 안될 것이다.While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it is clearly understood that the same is by way of illustration and example only and is not to be construed as limiting the scope of the invention as defined by the appended claims. It will be understood by those skilled in the art that various changes in form and details may be made therein without departing from the spirit and scope of the invention.

100 : DC-DC 컨버터100: DC-DC converter

Claims (8)

DC-DC 컨버터에 있어서,
인덕터를 통해 입력 측과 연결되며, 서로 병렬로 연결된 복수의 클램프 스위치 및 상기 복수의 클램프 스위치에 연결된 클램프 캐패시터를 포함하는 클램프부;
상기 클램프부와 병렬로 연결되며, 제1 내지 제 4 스위치를 포함하는 제1 스위칭부;
상기 제1 스위칭부와 연결된 변압기; 및
상기 변압기와 출력 측 사이에 연결되며, 제5 내지 제8 스위치를 포함하는 제2 스위칭부;를 포함하며,
상기 제1 및 제2 스위칭부는, 상기 입력 측의 입력 전압을 승압하여 출력 측으로 제공하거나 상기 출력 측의 출력 전압을 강압하여 상기 입력 측으로 제공하기 위해, 모드에 따른 스위칭 동작을 수행하고,
상기 클램프부는,
제1 클램프 스위치 및 제2 클램프 스위치를 포함하고,
상기 제1 및 제2 클램프 스위치 및 상기 제1 내지 제8 스위치는, 상기 승압 모드인 경우, 제어 신호에 따라 제1 내지 제8 모드로 구분되어 스위칭 동작이 이루어지며,
상기 제1 모드에서, 상기 제1 내지 제4 스위치는 턴온되고, 상기 제1 및 제2 클램프 스위치는 턴오프되고,
상기 제2 모드에서, 상기 제1 및 제2 스위치는 턴온되고, 상기 제1 및 제2 클램프 스위치 및 상기 제3 및 제4 스위치는 턴오프되고,
상기 제3 모드에서, 상기 제1 클램프 스위치 및 상기 제1 및 제2 스위치는 턴온되고, 상기 제2 클램프 스위치 및 상기 제3 및 제4 스위치는 턴오프되고,
상기 제4 모드에서, 상기 제1 및 제2 스위치는 턴온되고, 상기 제1 및 제2 클램프 스위치 및 상기 제3 및 제4 스위치는 턴오프되고,
상기 제5 모드에서, 상기 제1 내지 제4 스위치는 턴온되고, 상기 제1 및 제2 클램프 스위치는 턴오프되고,
상기 제6 모드에서, 상기 제3 및 제4 스위치는 턴온되고, 상기 제1 및 제2 클램프 스위치 및 상기 제1 및 제2 스위치는 턴오프되고,
상기 제7 모드에서, 상기 제2 클램프 스위치 및 상기 제3 및 제4 스위치는 턴온되고, 상기 제1 클램프 스위치 및 상기 제1 및 제2 스위치는 턴오프되고,
상기 제8 모드에서, 상기 제3 및 제4 스위치는 턴온되고, 상기 제1 및 제2 클램프 스위치 및 상기 제1 및 제2 스위치는 턴오프되는, DC-DC 컨버터.In the DC-DC converter,
A clamp unit including a plurality of clamp switches connected to an input side through an inductor and connected in parallel to each other, and a clamp capacitor connected to the plurality of clamp switches;
A first switching unit connected in parallel to the clamp unit and including first to fourth switches;
A transformer connected to the first switching unit; And
And a second switching unit connected between the transformer and the output side and including fifth to eighth switches,
Wherein the first and second switching units perform a switching operation according to a mode in order to step up the input voltage on the input side and provide the output voltage to the output side or step down the output voltage on the output side to provide the input voltage to the input side,
The clamp unit includes:
A first clamp switch and a second clamp switch,
The first and second clamp switches and the first to eighth switches are divided into first to eighth modes according to a control signal to perform a switching operation in the step-up mode,
In the first mode, the first to fourth switches are turned on, the first and second clamp switches are turned off,
In the second mode, the first and second switches are turned on, the first and second clamp switches and the third and fourth switches are turned off,
In the third mode, the first clamp switch and the first and second switches are turned on, the second clamp switch and the third and fourth switches are turned off,
In the fourth mode, the first and second switches are turned on, the first and second clamp switches and the third and fourth switches are turned off,
In the fifth mode, the first to fourth switches are turned on, the first and second clamp switches are turned off,
In the sixth mode, the third and fourth switches are turned on, the first and second clamp switches and the first and second switches are turned off,
In the seventh mode, the second clamp switch and the third and fourth switches are turned on, the first clamp switch and the first and second switches are turned off,
In the eighth mode, the third and fourth switches are turned on, and the first and second clamp switches and the first and second switches are turned off. 삭제delete 제1항에 있어서,
상기 제1 내지 제4 스위치는, 풀 브릿지 형태로 상기 클램프부와 상기 변압기 사이에 연결되며,
상기 제5 내지 제8 스위치는, 풀 브릿지 형태로 상기 변압기와 상기 출력 측 사이에 연결되는, DC-DC 컨버터.The method according to claim 1,
Wherein the first to fourth switches are connected between the clamp unit and the transformer in the form of a full bridge,
And the fifth to eighth switches are connected between the transformer and the output side in the form of a full bridge. 제3항에 있어서,
상기 복수의 클램프 스위치는,
상기 입력 측의 입력 전압을 승압하여 출력 측으로 제공하는 승압 모드인 경우, 상기 제1 내지 제4 스위치의 영전압 스위칭(zero voltage switching)을 위해 턴온되는, DC-DC 컨버터.The method of claim 3,
Wherein the plurality of clamp switches comprise:
Wherein the first switch is turned on for zero voltage switching of the first to fourth switches when the input voltage on the input side is stepped up and provided to the output side. 제4항에 있어서,
상기 제5 내지 제8 스위치는, 상기 제1 모드 내지 제8 모드에서 턴오프되는, DC-DC 컨버터.5. The method of claim 4,
And the fifth to eighth switches are turned off in the first mode to the eighth mode. 제5항에 있어서,
상기 제1 모드에서, 상기 입력 전압을 통해 제공되는 에너지가 상기 인덕터에 충전되고,
상기 제2 모드에서, 상기 인덕터에 충전된 에너지에 의해 상기 클램프 캐패시터가 충전되고,
상기 제3 모드에서, 상기 제1 클램프 스위치가 턴온되어, 상기 클램프 캐패시터에 충전된 에너지를 상기 변압기의 2 차 측으로 전달하고,
상기 제5 모드에서, 상기 입력 전압을 통해 제공되는 에너지가 상기 인덕터에 충전되고,
상기 제6 모드에서, 상기 인덕터에 충전된 에너지에 의해 상기 클램프 캐패시터가 충전되고,
상기 제7 모드에서, 상기 제2 클램프 스위치가 턴온되어, 상기 클램프 캐패시터에 충전된 에너지를 상기 변압기의 2 차 측으로 전달하는, DC-DC 컨버터.6. The method of claim 5,
In the first mode, the energy provided through the input voltage is charged into the inductor,
In the second mode, the clamp capacitor is charged by the energy charged in the inductor,
In the third mode, the first clamp switch is turned on to transfer the energy charged in the clamp capacitor to the secondary side of the transformer,
In the fifth mode, the energy provided through the input voltage is charged into the inductor,
In the sixth mode, the clamp capacitor is charged by the energy charged in the inductor,
And in the seventh mode, the second clamp switch is turned on to transfer the energy charged in the clamp capacitor to the secondary side of the transformer. 제3항에 있어서,
상기 제1 및 제2 클램프 스위치 및 상기 제1 내지 제8 스위치는, 상기 출력 측의 출력 전압을 강압하여 상기 입력 측으로 제공하는 강압 모드인 경우, 제어 신호에 따라 제1 내지 제4 모드로 구분되어 스위칭 동작이 이루어지며,
상기 제1 모드에서, 상기 제5 및 제6 스위치는 턴온되고, 상기 제7 및 제8 스위치는 턴오프되고,
상기 제2 모드에서, 상기 제5 내지 제8 스위치는 턴오프되고,
상기 제3 모드에서, 상기 제7 및 제8 스위치는 턴온되고, 상기 제5 및 제6 스위치는 턴오프되고,
상기 제4 모드에서, 상기 제5 내지 제8 스위치는 턴오프되고,
상기 제1 내지 제4 모드에서, 상기 제1 및 제2 클램프 스위치는 턴온되고, 상기 제1 내지 제4 스위치는 턴오프되는, DC-DC 컨버터.The method of claim 3,
The first and second clamp switches and the first to eighth switches are divided into first to fourth modes in accordance with a control signal in a step-down mode in which the output voltage on the output side is stepped down and provided to the input side A switching operation is performed,
In the first mode, the fifth and sixth switches are turned on, the seventh and eighth switches are turned off,
In the second mode, the fifth to eighth switches are turned off,
In the third mode, the seventh and eighth switches are turned on, the fifth and sixth switches are turned off,
In the fourth mode, the fifth to eighth switches are turned off,
In the first to fourth modes, the first and second clamp switches are turned on, and the first to fourth switches are turned off. 제7항에 있어서,
상기 제1 및 제3 모드에서, 상기 출력 전압이 상기 입력 측으로 전달되는, DC-DC 컨버터.
8. The method of claim 7,
And in the first and third modes, the output voltage is transferred to the input side.
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