KR102009351B1 - High Efficiency LLC Resonant Converter with Balanced Secondary Currents using the Two Transformer Structure - Google Patents

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Abstract

본 발명은 2개의 변압기 구조를 사용해 균형있는 2차측 전류를 갖는 고효율 LLC 공진 컨버터에 관한 것으로서, 본 발명의 고효율 LLC 공진 컨버터에 따르면, 직렬/병렬로 연결된 2 개의 변압기와 함께 하프-브리지 전력 토폴로지를 사용하므로 2차측 전류의 불평형 문제를 해결할 수 있다. 본 발명의 LLC 공진 컨버터에서 변압기는 동작 모드에 따라 에너지 전달을 위한 자화 인덕턴스를 포함하는 실제 변압기와 공진을 위한 공진 인덕턴스로써 교대로 기능한다. 본 발명의 LLC 공진 컨버터는 출력 전압을 효과적으로 가변 및 조정할 수 있으며 광범위한 부하에서 ZVS로 작동한다. 본 발명의 LLC 공진 컨버터는 균형있는 2차측 전류를 갖는 고효율 LLC 하프-브리지 공진 컨버터로서 우수한 성능을 갖는다.The present invention relates to a high efficiency LLC resonant converter having balanced secondary currents using two transformer structures. According to the high efficiency LLC resonant converter of the present invention, a half-bridge power topology with two transformers connected in series / parallel is provided. This solves the problem of unbalance of secondary currents. In the LLC resonant converter of the present invention, the transformer alternately functions as a real transformer including a magnetizing inductance for energy transfer and a resonant inductance for resonance according to an operation mode. The LLC resonant converter of the present invention can effectively vary and adjust the output voltage and operates with ZVS over a wide range of loads. The LLC resonant converter of the present invention has excellent performance as a high efficiency LLC half-bridge resonant converter with balanced secondary side currents.

Description

2개의 변압기 구조를 사용해 균형있는 2차측 전류를 갖는 고효율 LLC 공진 컨버터 {High Efficiency LLC Resonant Converter with Balanced Secondary Currents using the Two Transformer Structure}High Efficiency LLC Resonant Converter with Balanced Secondary Currents using the Two Transformer Structure}

본 발명은 LLC(inductance-inductance-capacitance) 공진 컨버터에 관한 것으로서, 특히, 2개의 변압기 구조를 사용해 균형있는 2차측 전류를 갖도록 한 고효율 LLC 공진 컨버터에 관한 것이다. The present invention relates to an inductance-inductance-capacitance (LLC) resonant converter, and more particularly, to a high efficiency LLC resonant converter having a balanced secondary current using two transformer structures.

고전력 밀도 및 고효율 DC-DC(Direct Current- Direct Current) 컨버터를 얻으려는 많은 노력으로 높은 스위칭 주파수에서 동작할 수 있는 공진 컨버터가 개발되었다. 공진 컨버터를 위한 다양한 유형의 토폴로지 중에서 가장 간단하고 가장 널리 사용되는 것은 LC(inductance-capacitance) 하프-브리지 직렬 공진 컨버터(HB-SRC, half-bridge series resonant converter)이다. HB-SRC의 경우, 정류기 부하 네트워크는 LC 공진 네트워크와 직렬로 배치된다. 공진 네트워크와 HB-SRC의 부하는 DC 입력 전압이 공진 네트워크 임피던스와 변압기의 1차측으로 반영된 부하(primary-reflected load) 사이에서 분배되는 전압 분배기 역할을 한다. HB-SRC의 하프-브리지 스위치의 스위칭 주파수를 변화시킴으로써, 공진 네트워크의 임피던스가 변한다. 따라서, HB-SRC의 DC 전압 이득은 항상 1보다 작다. 경부하에서 부하 임피던스는 공진 네트워크 임피던스에 비해 매우 크다. 따라서 대부분의 직류 입력 전압이 1차측으로 반영된 부하에 인가되므로, 경부하 시의 출력 전압의 조절이 어렵다.Many efforts have been made to achieve high power density and high efficiency direct current-direct current (DC-DC) converters and have developed resonant converters capable of operating at high switching frequencies. Among the various types of topologies for resonant converters, the simplest and most widely used is an inductance-capacitance half-bridge series resonant converter (HB-SRC). In the case of HB-SRC, the rectifier load network is arranged in series with the LC resonant network. The load of the resonant network and the HB-SRC acts as a voltage divider where the DC input voltage is distributed between the resonant network impedance and the primary-reflected load to the primary side of the transformer. By varying the switching frequency of the half-bridge switch of the HB-SRC, the impedance of the resonant network changes. Thus, the DC voltage gain of the HB-SRC is always less than one. At light loads, the load impedance is very large compared to the resonant network impedance. Therefore, since most of the DC input voltage is applied to the load reflected to the primary side, it is difficult to adjust the output voltage at light load.

경부하에서 HB-SRC의 한계를 극복하기 위해 LLC 공진 컨버터가 사용된다. LLC 공진 컨버터는 공진을 위해 변압기의 1차측 권선에 션트-연결된(shunt-connected) 자화 인덕턴스(magnetizing inductance)를 사용하는 수정된 LC 공진 컨버터이다. LLC 공진 컨버터는 다음과 같은 특성으로 인해 널리 선호되어 사용된다. 1) 스텝-업(step-up) 및 스텝-다운(step-down) 기능 모두가 가능하므로, 출력 전압 조절(regulation)이 동작 주파수의 좁은 변동만으로도 광범위한 부하에서 달성된다. 2) 1차측 MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) 스위치의 제로 전압 스위칭(ZVS, zero-voltage switching)과 2차측 다이오드 정류기의 제로 전류 스위칭(ZCS, zero-current switching)이 최대 부하(full load) 범위에서 출력 필터 인덕터없이 달성된다. 3) 다중공진네트워크의 자기 요소들(magnetic components)이 단일 자기 코어(magnetic core)에 쉽게 통합될 수 있다. At light loads, LLC resonant converters are used to overcome the limitations of HB-SRC. The LLC resonant converter is a modified LC resonant converter that uses shunt-connected magnetizing inductance in the primary winding of the transformer for resonance. LLC resonant converters are widely used due to the following characteristics. 1) Since both step-up and step-down functions are possible, output voltage regulation is achieved over a wide load with only a small change in operating frequency. 2) Zero-voltage switching (ZVS) of the primary-side MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) switch and zero-current switching (ZCS) of the secondary-side diode rectifier are full load. In the range is achieved without an output filter inductor. 3) The magnetic components of a multi-resonant network can be easily integrated into a single magnetic core.

통합 변압기를 갖춘 LLC 컨버터 토폴로지는 FHA(fundamental harmonic approach)를 사용하여 제안되고 분석되었다. 이론적 분석을 통해 소프트 스위칭 조건과 최적 설계 방법론이 제안되었다. 한 논문에서는 벅-모드에서 LLC-SRC의 공진 동작이 연구되었다. LLC 공진 컨버터의 부스트 특성과 좁은 주파수 범위에서의 출력 전압의 조절을 위한 요구 사항이 한 논문에서 제안되었다. LLC 컨버터의 다중 토폴로지, 최적 성능 및 기본 분석에 대한 논의가 이루어진 논문도 있다.LLC converter topologies with integrated transformers have been proposed and analyzed using a fundamental harmonic approach (FHA). Theoretical analysis suggests soft switching conditions and optimal design methodology. In one paper, the resonant behavior of LLC-SRC in buck mode is studied. The boost characteristics of the LLC resonant converter and the requirements for regulating the output voltage over a narrow frequency range have been proposed in one paper. There are also papers discussing the multiple topologies, optimal performance and basic analysis of LLC converters.

일반적으로, LLC 컨버터는 누설 인덕턴스를 변압기에 통합하여 공진 인덕턴스를 포함하는 변압기를 사용한다. 공진 인덕턴스 또는 누설 인덕턴스는 변압기 코어에 삽입되는 적절한 에어 갭(air-gap)으로 실현된다. 따라서 추가적인 인덕터가 제거될 수 있고 구현 비용이 감소된다. 그러나 제조 과정에서 누설 인덕턴스의 양을 정확하게 제어하기는 어렵다. 또한 누설 인덕턴스가 높으면 변압기가 저효율 및 고온에서 작동하게 된다. In general, LLC converters incorporate a leakage inductance into the transformer to use a transformer that includes a resonant inductance. Resonant inductance or leakage inductance is realized with a suitable air gap inserted into the transformer core. Thus additional inductors can be eliminated and implementation costs are reduced. However, it is difficult to accurately control the amount of leakage inductance in the manufacturing process. High leakage inductance also allows the transformer to operate at low efficiency and high temperatures.

2차측 센터탭형(center-tapped) 변압기는 상업용 LLC 공진 컨버터를 구현하는 데 널리 사용된다. 2차측 센터탭형 변압기는 풀-브리지 구조에서보다 전도 손실이 적으며 필요한 2차측 정류기의 개수가 작은 이점이 있다. 그러나, 이러한 이점에도 불구하고, 변압기 내의 2차측 도체 사이의 물리적 위치의 불균형은 누설 인덕턴스의 불균형을 초래하고, 공진 회로에서 불균형을 야기한다. 결과적으로, 정류기 전류 및 정류기 스트레스에 불균형이 발생하고, 따라서 작동 효율 또한 감소된다.Secondary center-tapped transformers are widely used to implement commercial LLC resonant converters. Secondary center-tapped transformers have the advantage of lower conduction losses and a smaller number of secondary rectifiers required than in full-bridge construction. However, in spite of these advantages, the unbalance of the physical position between the secondary conductors in the transformer leads to an unbalance of the leakage inductance and an imbalance in the resonant circuit. As a result, an imbalance occurs in the rectifier current and the rectifier stress, and thus the operating efficiency is also reduced.

따라서, 본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은, 직렬/병렬로 연결된 2 개의 변압기와 함께 하프-브리지 전력 토폴로지를 사용하므로 2차측 전류 불평형 문제를 해결할 수 있는, 고효율 LLC 공진 컨버터를 제공하는 데 있다. Accordingly, the present invention has been made to solve the above-described problem, an object of the present invention is to use a half-bridge power topology with two transformers connected in series / parallel, which can solve the secondary current unbalance problem, To provide a high efficiency LLC resonant converter.

먼저, 본 발명의 특징을 요약하면, 상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의일면에 따른 LLC 공진 컨버터는, 입력 전압의 양극 단자와 음극 단자 사이에 직렬 연결된, 제1스위치, 공진 커패시터, 제1변압기의 1차측 코일, 제2변압기의 1차측 코일 및 1차측 총누설 인덕터; 상기 제1변압기의 1차측 코일에 병렬 연결된 제1자화 인덕터; 상기 제2변압기의 1차측 코일에 병렬 연결된 제2자화 인덕터; 상기 제1스위치와 상기 공진 커패시터의 접점과 상기 입력 전압의 음극 단자 사이에 연결된 제2스위치; 및 직렬 연결되어 폐회로를 구성하는, 서로 반대 방향의 제1다이오드와 제2다이오드, 2차측 제1누설 인덕터, 상기 제1변압기의 2차측 코일, 상기 제2변압기의 2차측 코일, 및 2차측 제2누설 인덕터를 포함하고, 상기 제1다이오드와 상기 제2다이오드의 접점 및 상기 제1변압기의 2차측 코일과 상기 제2변압기의 2차측 코일의 접점 사이의 DC 전압을 출력하기 위한 것을 특징으로 한다. First, to summarize the features of the present invention, the LLC resonant converter according to an aspect of the present invention for achieving the above object, the first switch, the resonant capacitor, the first connection in series between the positive terminal and the negative terminal of the input voltage A primary coil of the transformer, a primary coil of the second transformer and a primary total leakage inductor; A first magnetizing inductor connected in parallel to the primary coil of the first transformer; A second magnetization inductor connected in parallel to the primary coil of the second transformer; A second switch connected between the contact point of the first switch and the resonance capacitor and the negative terminal of the input voltage; And a first diode and a second diode in opposite directions, connected in series to form a closed circuit, a first leakage inductor of a secondary side, a secondary coil of the first transformer, a secondary coil of the second transformer, and a secondary side agent. And a second leakage inductor, for outputting a DC voltage between the contacts of the first diode and the second diode and the contacts of the secondary coil of the first transformer and the secondary coil of the second transformer. .

상기 제1스위치와 상기 제2스위치가 턴온과 턴오프를 교번 스위칭하되, 교번 스위칭 사이에 상기 제1스위치와 상기 제2스위치가 모두 턴오프되는 데드타임이 존재하며 이때 각 스위치의 ZVS 조건이 제공된다.The first switch and the second switch alternately switches on and off, but there is a dead time in which both the first switch and the second switch are turned off between alternating switching, and the ZVS condition of each switch is provided. do.

상기 제1스위치와 상기 제2스위치가 교번적인 1회의 스위칭 주기 동안, 상기 제1변압기와 상기 제2변압기는, 해당 변압기 1차측의 에너지를 2차측으로 전달하는 본래의 역할과 상기 공진 커패시터와 공진을 위한 공진 인덕턴스 역할을 번갈아 전환한다. During one switching period in which the first switch and the second switch are alternated, the first transformer and the second transformer have an original role of transferring energy of the transformer primary side to the secondary side, and resonating with the resonant capacitor. Alternately switch the resonant inductance role.

상기 제1변압기와 상기 제2변압기의 권선비는 동일한 것이 바람직하다. 상기 제1자화 인덕터와 상기 제2자화 인덕터의 인덕턴스도 동일한 것이 바람직하다. Preferably, the turns ratio of the first transformer and the second transformer is the same. Preferably, the inductance of the first magnetized inductor and the second magnetized inductor is also the same.

상기 제1자화 인덕터의 인덕턴스(Lm1)와 상기 제2자화 인덕터의 인덕턴스(Lm2)는 각각 제1등가 누설 인덕턴스(Lkp+n2 2Lks2) 및 제2등가 누설 인덕턴스(Lkp+n1 2Lks1) 보다 10배 이상이며, 여기서, n1은 제1변압기의 권선비, n2는 제2변압기의 권선비, Lkp는 상기 1차측 총누설 인덕터의 인덕턴스, Lks1은 상기 2차측 제1누설 인덕터의 인덕턴스, Lks2는 상기 2차측 제2누설 인덕터의 인덕턴스이다.The inductance L m1 of the first magnetized inductor and the inductance L m2 of the second magnetized inductor are respectively the first equivalent leakage inductance L kp + n 2 2 L ks2 and the second equivalent leakage inductance L kp + n 1 2 L ks1 ) 10 times or more, where n 1 is the winding ratio of the first transformer, n 2 is the winding ratio of the second transformer, L kp is the inductance of the primary side total leakage inductor, and L ks1 is the secondary side The inductance of the first leakage inductor, L ks2, is the inductance of the secondary leakage second inductor.

상기 제1변압기와 상기 제2변압기의 2차측 누설 인덕턴스의 차이로 인한 2차측 전류의 불평형을 제거할 수 있다. Unbalance of the secondary current due to the difference between the secondary leakage inductance of the first transformer and the second transformer can be eliminated.

상기 제1변압기와 상기 제2변압기의 1 차측 권선수는 최소값 Np,min 이상이며, The number of primary windings of the first transformer and the second transformer is at least N p, min ,

Figure 112017125624811-pat00001
Figure 112017125624811-pat00001

여기서, fs,min은 상기 제1스위치와 상기 제2스위치의 최소 스위칭 주파수, ΔB는 상기 제1변압기와 상기 제2변압기의 코어의 최대 자속 밀도 스윙이고, Ae는 상기 제1변압기와 상기 제2변압기 코어의 유효 단면적, Vin은 입력 전압이다.Here, f s, min is the minimum switching frequency of the first switch and the second switch, ΔB is the maximum magnetic flux density swing of the core of the first transformer and the second transformer, A e is the first transformer and the The effective cross-sectional area, V in , of the second transformer core is the input voltage.

상기 공진 커패시터를 통하여 흐르는 최대 1차측 전류 Ip,max는 다음 수학식을 만족하며,The maximum primary current I p, max flowing through the resonant capacitor satisfies the following equation,

Figure 112017125624811-pat00002
Figure 112017125624811-pat00002

여기서, CS는 상기 제1스위치와 상기 제2스위치의 기생 커패시턴스의 최대값, tdead는 데드타임, Vin은 입력 전압이다.Here, C S is a maximum value of parasitic capacitance of the first switch and the second switch, t dead is a dead time, and V in is an input voltage.

상기 제1자화 인덕터와 상기 제2자화 인덕터의 인덕턴스 Lm은 다음의 수학식을 만족하며,The inductance L m of the first magnetized inductor and the second magnetized inductor satisfies the following equation,

Figure 112017125624811-pat00003
Figure 112017125624811-pat00003

여기서, CS는 상기 제1스위치와 상기 제2스위치의 기생 커패시턴스의 최대값, fs,max는 상기 제1스위치와 상기 제2스위치의 최대 스위칭 주파수, tdead는 데드타임이다.Here, C S is the maximum value of the parasitic capacitance of the first switch and the second switch, f s, max is the maximum switching frequency of the first switch and the second switch, t dead is the dead time.

본 발명에 따른 고효율 LLC 공진 컨버터에 따르면, 직렬/병렬로 연결된 2 개의 변압기와 함께 하프-브리지 전력 토폴로지를 사용하므로 2차측 전류 불평형 문제를 해결할 수 있다. 본 발명의 LLC 공진 컨버터에서 변압기는 동작 모드에 따라 에너지 전달을 위한 자화 인덕턴스를 포함하는 실제 변압기와 공진을 위한 공진 인덕턴스로써 교대로 기능한다. 본 발명의 LLC 공진 컨버터는 출력 전압을 효과적으로 가변 및 조정할 수 있으며 광범위한 부하에서 ZVS로 작동한다. 본 발명의 LLC 공진 컨버터는 균형있는 2차측 전류를 갖는 고효율 LLC 하프-브리지 공진 컨버터로서 우수한 성능을 갖는다.According to the high-efficiency LLC resonant converter according to the present invention, the half-bridge power topology is used together with two transformers connected in series / parallel to solve the secondary current unbalance problem. In the LLC resonant converter of the present invention, the transformer alternately functions as a real transformer including a magnetizing inductance for energy transfer and a resonant inductance for resonance according to an operation mode. The LLC resonant converter of the present invention can effectively vary and adjust the output voltage and operates with ZVS over a wide range of loads. The LLC resonant converter of the present invention has excellent performance as a high efficiency LLC half-bridge resonant converter with balanced secondary side currents.

본 발명에 관한 이해를 돕기 위해 상세한 설명의 일부로 포함되는 첨부도면은, 본 발명에 대한 실시예를 제공하고 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술적 사상을 설명한다.
도 1은 일반적인 LLC 하프-브리지 공진 컨버터의 회로도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 직렬/병렬로 연결된 2개의 변압기를 사용하는 고효율 LLC 하프 브리지 공진 컨버터의 회로도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 고효율 LLC 하프 브리지 공진 컨버터의 6 가지 동작 모드의 각 등가 회로이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 고효율 LLC 하프 브리지 공진 컨버터의 핵심 부분들의 이론적인 동작 파형이다.
도 5는 본 발명의 컨버터의 FHA 회로 모델을 보여준다.
도 6은 본 발명의 컨버터의 각각의 1차측 스위치의 게이트-소스 전압과 드레인-소스 전압의 실험 파형이다.
도 7은 본 발명의 컨버터의 2차측 다이오드들의 애노드-캐소드 전압과 애노드 전류의 실험 파형이다.
도 8은 본 발명의 컨버터의 최대 부하 조건에서의 출력 전압 조정에 따른 각 출력 전압, 1차측 전류 및 2차측 다이오드 전류의 실험 파형이다.
도 9는 최대 출력 전압에서 각 부하 조건에서 1 차 스위치 전압, 1 차 전류, 출력 전압 및 2 차 전류의 실험 파형이다.
도 10은 본 발명의 컨버터의 효율에 대한 그래프이다.
BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS The accompanying drawings, which are included as part of the detailed description in order to provide a thorough understanding of the present invention, provide examples of the present invention and together with the description, describe the technical idea of the present invention.
1 is a circuit diagram of a typical LLC half-bridge resonant converter.
2 is a circuit diagram of a high efficiency LLC half bridge resonant converter using two transformers connected in series / parallel in accordance with one embodiment of the present invention.
3 is an equivalent circuit of six operating modes of the high efficiency LLC half bridge resonant converter according to an embodiment of the present invention.
4 is a theoretical operating waveform of key portions of a high efficiency LLC half bridge resonant converter in accordance with an embodiment of the present invention.
5 shows an FHA circuit model of the converter of the present invention.
6 is an experimental waveform of a gate-source voltage and a drain-source voltage of each primary side switch of the converter of the present invention.
7 is an experimental waveform of anode-cathode voltage and anode current of secondary side diodes of the converter of the present invention.
8 is an experimental waveform of each output voltage, the primary side current and the secondary side diode current according to the output voltage adjustment at the maximum load condition of the converter of the present invention.
9 is an experimental waveform of primary switch voltage, primary current, output voltage and secondary current at each load condition at maximum output voltage.
10 is a graph of the efficiency of the converter of the present invention.

이하에서는 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명에 대해서 자세히 설명한다. 이때, 각각의 도면에서 동일한 구성 요소는 가능한 동일한 부호로 나타낸다. 또한, 이미 공지된 기능 및/또는 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다. 이하에 개시된 내용은, 다양한 실시 예에 따른 동작을 이해하는데 필요한 부분을 중점적으로 설명하며, 그 설명의 요지를 흐릴 수 있는 요소들에 대한 설명은 생략한다. 또한 도면의 일부 구성요소는 과장되거나 생략되거나 또는 개략적으로 도시될 수 있다. 각 구성요소의 크기는 실제 크기를 전적으로 반영하는 것이 아니며, 따라서 각각의 도면에 그려진 구성요소들의 상대적인 크기나 간격에 의해 여기에 기재되는 내용들이 제한되는 것은 아니다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings will be described in detail with respect to the present invention. In this case, the same components in each drawing are represented by the same reference numerals as much as possible. In addition, detailed descriptions of already known functions and / or configurations are omitted. The following description focuses on parts necessary for understanding the operation according to various embodiments, and descriptions of elements that may obscure the gist of the description are omitted. In addition, some components of the drawings may be exaggerated, omitted, or schematically illustrated. The size of each component does not entirely reflect the actual size, and thus the contents described herein are not limited by the relative size or spacing of the components drawn in the respective drawings.

본 발명의 실시예들을 설명함에 있어서, 본 발명과 관련된 공지기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략하기로 한다. 그리고, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다. 상세한 설명에서 사용되는 용어는 단지 본 발명의 실시 예들을 기술하기 위한 것이며, 결코 제한적이어서는 안 된다. 명확하게 달리 사용되지 않는 한, 단수 형태의 표현은 복수 형태의 의미를 포함한다. 본 설명에서, "포함" 또는 "구비"와 같은 표현은 어떤 특성들, 숫자들, 단계들, 동작들, 요소들, 이들의 일부 또는 조합을 가리키기 위한 것이며, 기술된 것 이외에 하나 또는 그 이상의 다른 특성, 숫자, 단계, 동작, 요소, 이들의 일부 또는 조합의 존재 또는 가능성을 배제하도록 해석되어서는 안 된다. In describing the embodiments of the present invention, when it is determined that the detailed description of the known technology related to the present invention may unnecessarily obscure the gist of the present invention, the detailed description thereof will be omitted. In addition, terms to be described below are terms defined in consideration of functions in the present invention, which may vary according to the intention or custom of a user or an operator. Therefore, the definition should be made based on the contents throughout the specification. The terminology used in the description is for the purpose of describing particular embodiments only and should not be limiting. Unless expressly used otherwise, the singular forms “a,” “an,” and “the” include plural forms of meaning. In this description, expressions such as "comprises" or "equipment" are intended to indicate certain features, numbers, steps, actions, elements, portions or combinations thereof, and one or more than those described. It should not be construed to exclude the presence or possibility of other features, numbers, steps, actions, elements, portions or combinations thereof.

또한, 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되는 것은 아니며, 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.In addition, terms such as first and second may be used to describe various components, but the components are not limited by the terms, and the terms are used to distinguish one component from another component. Used only as

도 1은 일반적인 LLC 하프-브리지 공진 컨버터의 회로도이다.1 is a circuit diagram of a typical LLC half-bridge resonant converter.

도 1을 참조하면, 2차측 센터탭형 변압기를 사용하는 일반적인 LLC 하프-브리지 공진 컨버터는, HB-SRC와는 다른 공진을 위해 변압기의 자화 인덕턴스(Lm)를 이용한다. 따라서, LLC 공진 컨버터의 전압 이득 특성은 HB-SRC의 전압 이득 특성에 비해 수정되므로 HB-SRC와는 상이해진다. HB-SRC는 벅 모드에서만 작동할 수 있지만 LLC 공진 컨버터는 벅 모드와 부스트 모드에서 모두 작동할 수 있다. 스위칭 주파수가 공진 주파수보다 높으면 LLC 공진 컨버터의 전압 이득은 항상 1보다 작으며 ZVS가 달성된 HB-SRC처럼 동작한다. 그러나 스위칭 주파수가 공진 주파수보다 낮으면 전압 이득이 1보다 커질 수 있으며 ZVS와 ZCS가 모두 달성된다. ZVS 및 ZCS 동작의 경계에서 컨버터 전압 이득이 최대가 된다.Referring to Figure 1, a typical LLC half-bridge resonant converter using a secondary side center-tapped transformer uses the magnetizing inductance (L m ) of the transformer for a different resonance than the HB-SRC. Therefore, the voltage gain characteristic of the LLC resonant converter is different from the HB-SRC since it is modified compared to the voltage gain characteristic of the HB-SRC. The HB-SRC can only operate in buck mode, while the LLC resonant converter can operate in both buck and boost modes. If the switching frequency is higher than the resonant frequency, the voltage gain of the LLC resonant converter is always less than 1 and behaves like HB-SRC with ZVS achieved. However, if the switching frequency is lower than the resonant frequency, the voltage gain can be greater than 1 and both ZVS and ZCS are achieved. The converter voltage gain is maximized at the boundary of ZVS and ZCS operation.

공진 주파수에서의 공진 탱크(tank)의 임피던스가 0이 되기 때문에, 입출력 측은 사실상 서로 연결된다. 일반적으로 DC-DC 단의 입력 전압은 역률 보정(PFC, power factor correction) 회로에서 생성되며 기준 전압으로 조정된다. 이러한 조건에서, 컨버터는 적절한 변압기 권선비를 선택함으로써 항상 공진 주파수에서 작동할 수 있다. 따라서 전도 손실(conduction loss) 및 스위칭 손실(switching loss)을 최소화할 수 있다. 또한, 홀드업(holdup) 동안, 에너지는 부피가 큰 출력 홀드업 커패시터로부터 부하로 전달된다. 이때 DC 입력 전압이 낮아지면 컨버터는 스위칭 주파수를 낮추어 부스트 모드에서 작동하므로 컨버터가 출력 전압을 조정한다.Since the impedance of the resonant tank at the resonant frequency becomes zero, the input and output sides are virtually connected to each other. In general, the input voltage of the DC-DC stage is generated by a power factor correction (PFC) circuit and adjusted to a reference voltage. Under these conditions, the converter can always operate at the resonant frequency by selecting the appropriate transformer turns ratio. Therefore, conduction loss and switching loss can be minimized. In addition, during holdup, energy is transferred from the bulky output holdup capacitor to the load. At this time, when the DC input voltage is lowered, the converter lowers the switching frequency to operate in boost mode, so the converter adjusts the output voltage.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 직렬/병렬로 연결된 2개의 변압기를 사용하는 고효율 LLC 하프 브리지 공진 컨버터의 회로도이다.2 is a circuit diagram of a high efficiency LLC half bridge resonant converter using two transformers connected in series / parallel in accordance with one embodiment of the present invention.

도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 고효율 LLC 하프 브리지 공진 컨버터는, 제1변압기(T1), 제2변압기(T2), 제1MOSFET 스위치(Q1), 제2MOSFET 스위치(Q2), 공진 커패시터의 커패시턴스(Cr), 변압기(T1, T2)의 1차측 총누설 인덕터의 인덕턴스(Lkp), 제1자화 인덕터의 인덕턴스(Lm1), 제2자화 인덕터의 인덕턴스(Lm2), 변압기(T1, T2)의 2차측 제1누설 인덕터의 인덕턴스(Lks1), 변압기(T1, T2)의 2차측 제2누설 인덕터의 인덕턴스(Lks2), 제1다이오드(Do1), 제2다이오드(Do2), 출력 커패시터의 커패시턴스(Co), 출력 부하 저항(Ro)을 포함한다. 2, a high efficiency LLC half bridge resonant converter according to an embodiment of the present invention may include a first transformer T 1 , a second transformer T 2 , a first MOSFET switch Q 1 , and a second MOSFET switch ( Q 2 ), the capacitance (C r ) of the resonant capacitor, the inductance (L kp ) of the primary total leakage inductor of the transformer (T 1 , T 2 ), the inductance (L m1 ) of the first magnetizing inductor, inductance (L m2), the transformer (T 1, T 2) second inductance (L ks1) of the primary side first leakage inductor of the transformer inductance (L ks2) of the secondary-side second leakage inductor of (T 1, T 2), The first diode D o1 , the second diode D o2 , the capacitance C o of the output capacitor, and the output load resistor Ro are included.

도 2와 같이, 제1변압기(T1)의 1차측 코일과 제2변압기(T2)의 1차측 코일이 직렬 연결되며, 제1변압기(T1)의 1차측 코일에 제1자화 인덕터(Lm1)가 병렬 연결되고, 제2변압기(T2)의 1차측 코일에 제2자화 인덕터(Lm2)가 병렬 연결된다. As shown in FIG. 2, the primary coil of the first transformer T 1 and the primary coil of the second transformer T 2 are connected in series, and the first magnetizing inductor (T) is connected to the primary coil of the first transformer T 1 . L m1 ) is connected in parallel, and the second magnetization inductor L m2 is connected in parallel to the primary coil of the second transformer T 2 .

입력 전압(Vin)의 양극 단자와 음극 단자 사이에 제1스위치(Q1), 공진 커패시터(Cr), 제1변압기(T1)의 1차측 코일, 제2변압기(T2)의 1차측 코일, 1차측 총누설 인덕터(Lkp)가 직렬 연결되어 폐회로를 구성하며, 제1스위치(Q1)와 공진 커패시터(Cr)의 접점과 입력 전압(Vin)의 음극 단자 사이에 제2스위치(Q2)가 연결된다. 제1스위치(Q1)와 제2스위치(Q2)는 N형 MOSFET 구조인 것으로 예를 들어 설명한다. 다만, 제1스위치(Q1)와 제2스위치(Q2)를 P형 구조로 바꾸고 동작 조건을 일부 변경함으로써 같은 기능을 수행할 수 있음은 자명한 사실이다. Between the positive and negative terminals of the input voltage (V in ), the first switch (Q 1 ), the resonant capacitor (C r ), the primary coil of the first transformer (T 1 ), 1 of the second transformer (T 2 ) claim the primary coil, between the primary total leakage inductor (L kp) is a serial connection configuring the closed loop, and the first switch (Q 1) and the resonant capacitor (C r) of the negative terminal of the contact and the input voltage (V in) 2 switch (Q 2 ) is connected. The first switch Q 1 and the second switch Q 2 are described as an N-type MOSFET structure by way of example. However, it is obvious that the same function can be performed by changing the first switch Q 1 and the second switch Q 2 into a P-type structure and partially changing the operating conditions.

또한, 서로 반대 방향의 제1다이오드(Do1)와 제2다이오드(Do2), 2차측 제1누설 인덕터(Lks1), 제1변압기(T1)의 2차측 코일, 제2변압기(T2)의 2차측 코일, 2차측 제2누설 인덕터(Lks2)가 직렬로 연결되어 폐회로를 구성하며, 제1다이오드(Do1)와 제2다이오드(Do2)의 접점 및 제1변압기(T1)의 2차측 코일과 제2변압기(T2)의 2차측 코일의 접점 사이의 DC 전압을, 부하 즉, 병렬 연결된 출력 커패시터(Co)와 출력 부하 저항(Ro)으로 제공한다. In addition, the first diode (D o1 ) and the second diode (D o2 ) in the opposite directions, the secondary leakage first inductor (L ks1 ), the secondary coil of the first transformer (T 1 ), the second transformer (T) 2 ) the secondary coil of the secondary side, the secondary leakage inductor (L ks2 ) of the secondary side is connected in series to form a closed circuit, the contact of the first diode (D o1 ) and the second diode (D o2 ) and the first transformer (T) 1) providing a secondary coil and a second transformer (T 2, the DC voltage between the secondary side coil and contacts, i.e. the load, parallel-connected output capacitor (C o) and the output load resistance (R o in)).

각각의 변압기(T1, T2)는, 1차측에 병렬 연결된 자화 인덕턴스(Lm1, Lm2)와 더불어, 제1스위치(Q1)와 제2스위치(Q2)의 교번적인 1회의 스위칭 주기 동안, 변압기 1 차측의 에너지를 2 차측으로 전달하는 변압기(T1, T2)의 본래의 역할과 공진 커패시터의 커패시턴스(Cr)와 공진을 위한 공진 인덕턴스의 또 다른 역할을 번갈아가며 전환한다. 제1스위치(Q1)와 제2스위치(Q2)의 스위칭 제어는 소정의 제어장치에 의해 이루어질 수 있다. 제어장치는 하기하는 바와 같이 데드타임(dead time) 등을 위한 ZVS 조건에 맞는 스위칭 제어 등을 제공할 수 있다.Each of the transformers T 1 and T 2 alternates one switching of the first switch Q 1 and the second switch Q 2 together with the magnetizing inductances L m1 and L m2 connected in parallel to the primary side. During the cycle, it alternates between the original role of the transformer (T 1 , T 2 ), which transfers the energy of the transformer primary to the secondary side, and the other role of the resonant inductance for resonance and the capacitance (C r ) of the resonant capacitor. . Switching control of the first switch Q 1 and the second switch Q 2 may be performed by a predetermined control device. The controller may provide switching control or the like that is suitable for ZVS conditions for dead time and the like as described below.

각 변압기(T1, T2)의 코일 권선비는 n1(= Np1/Ns1)과 n2(= Np2/Ns2)이다. Np1, Np2 및 Ns1, Ns2는 각 변압기(T1, T2)의 1차측 및 2차측 권선수이다. Lm1, Lm2 및 Lks1, Lks2는 각각 각 변압기(T1, T2)의 자화 인덕턴스 및 2차측 누설 인덕턴스이며, Lkp는 총 1 차측 등가 누설 인덕턴스이다. Cr은 공진 커패시턴스, C1, C2 및 D1, D2는 각각 전력 반도체 스위치인 제1MOSFET 스위치(Q1) 및 제2MOSFET 스위치(Q2)의 기생 커패시턴스 및 바디 다이오드이다. 두 개의 스위치 Q1과 Q2는 가변 스위칭 주파수 및 50 %의 듀티비로 동작한다.The coil turns ratio of each transformer T 1 , T 2 is n 1 (= N p1 / N s1 ) and n 2 (= N p2 / N s2 ). N p1 , N p2 and N s1 , N s2 are the primary and secondary windings of each transformer T 1 , T 2 . L m1 , L m2 and L ks1 , L ks2 are magnetization inductances and secondary leakage inductances of the transformers T 1 and T 2 , respectively, and L kp is the total primary equivalent leakage inductance. C r is the resonant capacitance, C 1 , C 2 and D 1 , D 2 are the parasitic capacitance and the body diode of the first MOSFET switch Q 1 and the second MOSFET switch Q 2 , respectively, which are power semiconductor switches. The two switches Q 1 and Q 2 operate with variable switching frequency and 50% duty ratio.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 고효율 LLC 하프 브리지 공진 컨버터의 6 가지 동작 모드의 각 등가 회로이다. 3 is an equivalent circuit of six operating modes of the high efficiency LLC half bridge resonant converter according to an embodiment of the present invention.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 고효율 LLC 하프 브리지 공진 컨버터의 핵심 부분들의 이론적인 동작 파형이다. 4 is a theoretical operating waveform of key portions of a high efficiency LLC half bridge resonant converter in accordance with an embodiment of the present invention.

먼저, 제1모드의 동작에 대하여 도 3의 (a)와 도 4의 시각 t0~t1 구간을 참조한다. First, referring to FIGS. 3A and 4, the time t 0 to t 1 section of the operation of the first mode.

변압기(T1, T2)의 1차측 전류 ip의 방향이 변경되기 전에 MOSFET 스위치 Q1은 시간 t=t0에서 ZVS로 켜진다. 2차측 다이오드 Do1도 켜지고 전류 iDo1이 흐른다. 1차측 에너지는 변압기 T1을 통해 2차측으로 전달된다. 이 모드가 끝나면 2차측 다이오드 전류 iDo1은 0이 된다. 제1모드의 총 1차측 등가 직렬공진인덕턴스 Lr1 (=Lm2+Lkp+n1 2Lks1)은 공진 커패시턴스 Cr과 공진한다. 이 때, 변압기(T2)의 자화 인덕턴스 Lm2는 다른 직렬공진인덕턴스(=Lkp+n1 2Lks1)와 더불어 공진 인덕턴스로써 동작한다. 자화 전류 iLm1은 선형적으로 증가하고, 1차측 전류 ip (=iLm2)는 정현파 형상으로 흐른다. 1차측 전류 ip, 자화 전류 iLm1 및 공진 커패시터의 전압 vCr은 다음과 같이 표현된다.MOSFET switch Q 1 turns on to ZVS at time t = t 0 before the direction of primary current i p of transformer T 1 , T 2 is changed. Secondary diode D o1 is also turned on and current i Do1 flows. The primary side energy is transferred to the secondary side via transformer T 1 . At the end of this mode, the secondary diode current i Do1 is zero. The total primary side equivalent series resonant inductance L r1 (= L m2 + L kp + n 1 2 L ks1 ) in the first mode resonates with the resonant capacitance C r . At this time, the magnetizing inductance L m2 of the transformer T 2 operates as a resonant inductance together with another series resonant inductance (= L kp + n 1 2 L ks1 ). The magnetization current i Lm1 increases linearly, and the primary side current i p (= i Lm2 ) flows in a sinusoidal shape. The primary current i p , the magnetization current i Lm1, and the voltage v Cr of the resonant capacitor are expressed as follows.

[수학식1][Equation 1]

Figure 112017125624811-pat00004
Figure 112017125624811-pat00004

[수학식2][Equation 2]

Figure 112017125624811-pat00005
Figure 112017125624811-pat00005

[수학식3][Equation 3]

Figure 112017125624811-pat00006
Figure 112017125624811-pat00006

여기서,

Figure 112017125624811-pat00007
,
Figure 112017125624811-pat00008
은 각각 제1모드에서의 공진 각 주파수 및 특성 임피던스이다. here,
Figure 112017125624811-pat00007
,
Figure 112017125624811-pat00008
Are the resonant angular frequencies and characteristic impedances in the first mode, respectively.

다음에, 제2모드의 동작에 대하여 도 3의 (b)와 도 4의 시각 t1~t2 구간을 참조한다. Next, referring to FIG. 3B and the time interval t 1 to t 2 in FIG. 4 for the operation of the second mode.

시각 t = t1에서, 1차측 전류 ip와 자화 전류 iLm1은 동일해진다. 이 모드는 프리휠링(freewheeling) 모드이다. 2차측 다이오드 전류 iDo1이 0이 되고 ZCS로 다이오드 Do1이 꺼지므로 다이오드 Do1의 역방향 회복 손실(reverse recovery loss)이 최소화된다. 2차측 출력 다이오드 Do1 및 Do2가 꺼지므로 출력은 변압기(T1, T2)와 분리되고, 이 모드의 총 1차측 등가직렬공진인덕턴스 Lrf (=Lm1+Lm2+Lkp)는 공진 커패시턴스 Cr과 공진한다. 따라서 1차측 전류 ip는 다음과 같이 계산된다.At time t = t 1, the primary current i 1 p i and the magnetizing current is Lm1 is equal. This mode is a freewheeling mode. Secondary diode current i Do1 goes to zero and diode D o1 is turned off by ZCS to minimize reverse recovery loss of diode D o1 . Since the secondary side output diodes D o1 and D o2 are turned off, the output is separated from the transformers (T 1 , T 2 ), and the total primary side equivalent series resonant inductance L rf (= L m1 + L m2 + L kp ) in this mode Resonance with the resonance capacitance C r . Therefore, the primary current i p is calculated as follows.

[수학식4][Equation 4]

Figure 112017125624811-pat00009
Figure 112017125624811-pat00009

여기서,

Figure 112017125624811-pat00010
,
Figure 112017125624811-pat00011
는 각각 각각 제2모드에서의 공진 각 주파수 및 특성 임피던스이다. here,
Figure 112017125624811-pat00010
,
Figure 112017125624811-pat00011
Are respectively the resonant angular frequency and characteristic impedance in the second mode.

다음에, 제3모드의 동작에 대하여 도 3의 (c)와 도 4의 시각 t2~t3 구간을 참조한다. Next, referring to (c) of FIG. 3 and the time t 2 to t 3 section in FIG. 4 for the operation of the third mode.

시간 t = t2에서, MOSFET 스위치 Q1은 턴오프되지만, 1차측 전류 (ip)는 양의 방향으로 계속 흐른다. 이때, 1차측 전류 (ip)는 MOSFET 스위치 (Q1, Q2)의 기생 커패시턴스 (C1, C2)을 각각 충전 및 방전한다. 그러면 스위치 (Q2)의 바디 다이오드 (D2)가 턴온되고, 1차측 전류 (ip)가 다이오드 (D2)를 통해 흐르게 되어 스위치 (Q2)에 대한 ZVS 조건을 만든다. 1차측 전류 (ip)의 방향이 변경되기 전에 스위치 (Q2)의 게이트 신호 vQ2,gs가 인가되어야 한다. 이 모드는 데드 타임(dead-time) 모드이다.At time t = t 2 , MOSFET switch Q 1 is turned off, but primary side current i p continues to flow in the positive direction. At this time, the primary current i p charges and discharges the parasitic capacitances C 1 and C 2 of the MOSFET switches Q 1 and Q 2 , respectively. The body diode D 2 of the switch Q 2 is then turned on and the primary current i p flows through the diode D 2 to create a ZVS condition for the switch Q 2 . The gate signal v Q2, gs of the switch Q 2 must be applied before the direction of the primary current i p is changed. This mode is a dead-time mode.

다음에, 제4모드의 동작에 대하여 도 3의 (d)와 도 4의 시각 t3~t4 구간을 참조한다. Next, referring to FIG. 3 (d) and time t 3 to t 4 in FIG. 4 for the operation in the fourth mode.

시간 t = t3에서 MOSFET 스위치 Q2는 ZVS로 켜진다. 2차측 정류 다이오드 Do2도 켜진다. 1차측 에너지는 변압기 T2를 통해 2차측으로 전달된다. 제4모드의 1차측 등가 직렬 공진 인덕턴스 Lr4 (=Lm1+Lkp+n2 2Lks2)는 공진 커패시턴스 Cr과 공진한다. 이 때, 변압기 T1의 자화 인덕턴스 Lm1은 다른 직렬공진인덕턴스 (=Lkp+n2 2Lks2)와 더불어 공진 인덕턴스로써 동작한다. 자화 전류 iLm2는 선형적으로 감소한다. 그러나, 1 차측 인덕턴스 Lr4와 공진 커패시턴스 Cr의 공진으로 인해 1 차 전류 ip (=iLm1)는 방향을 바꾸고 이 모드 동안 정현파 형태로 흐른다. 1차측 전류 ip 및 자화 전류 iLm2는 다음과 같이 주어진다.At time t = t 3 , MOSFET switch Q 2 turns on to ZVS. The secondary rectifier diode DO2 also turns on. The primary side energy is transferred to the secondary side via transformer T 2 . The primary side equivalent series resonant inductance L r4 (= L m1 + L kp + n 2 2 L ks2 ) in the fourth mode resonates with the resonant capacitance C r . At this time, the magnetizing inductance L m1 of the transformer T 1 operates as a resonant inductance together with another series resonant inductance (= L kp + n 2 2 L ks2 ). The magnetization current i Lm2 decreases linearly. However, due to the resonance of the primary inductance L r4 and the resonant capacitance C r, the primary current i p (= i Lm1 ) changes direction and flows in sinusoidal form during this mode. The primary side current i p and the magnetizing current i Lm2 are given by

[수학식5][Equation 5]

Figure 112017125624811-pat00012
Figure 112017125624811-pat00012

[수학식6][Equation 6]

Figure 112017125624811-pat00013
Figure 112017125624811-pat00013

여기서,

Figure 112017125624811-pat00014
,
Figure 112017125624811-pat00015
는 각각 제4모드에서의 공진 각 주파수 및 특성 임피던스이다. here,
Figure 112017125624811-pat00014
,
Figure 112017125624811-pat00015
Are the resonant angular frequencies and characteristic impedances in the fourth mode, respectively.

다음에, 제5모드의 동작에 대하여 도 3의 (e)와 도 4의 시각 t4~t5 구간을 참조한다. Next, referring to FIG. 3E and the periods t 4 to t 5 of FIG. 4 for the operation of the fifth mode.

이 모드는 제2모드와 유사하다. 시간 t = t4에서, 2차측 출력 다이오드 전류 iDo2는 0이 되고, 다이오드 Do2는 ZCS로 턴오프되며, 전압 스트레스 및 다이오드 Do2의 역방향 회복 손실도 최소화된다. 두 자화 전류 (iLm1, iLm2)는 동일해진다. 2차측 출력 다이오드 Do1 및 Do2는 모두 턴오프되므로 출력은 변압기와 분리되고, 이 모드의 전체 1차측 등가직렬공진인덕턴스 Lrf는 제2모드의 직렬 공진 인덕턴스와 동일한 값으로 공진 커패시턴스 Cr과 공진한다. 따라서, 1차측 전류 ip는 다음과 같이 계산된다.This mode is similar to the second mode. At time t = t 4 , the secondary output diode current i Do2 is zero, diode D o2 is turned off to ZCS, and voltage stress and reverse recovery loss of diode D o2 are also minimized. The two magnetizing currents i Lm1 , i Lm2 become equal. Since the secondary side output diodes D o1 and D o2 are both turned off, the output is separated from the transformer and the overall primary side equivalent series resonant inductance L rf in this mode is equal to the series resonant inductance in the second mode, with the resonance capacitance C r and Resonates. Therefore, the primary side current i p is calculated as follows.

[수학식7][Equation 7]

Figure 112017125624811-pat00016
Figure 112017125624811-pat00016

여기서, ωrf, Zrf는 각각 제5모드에서의 공진 각 주파수 및 특성 임피던스로서, 제2모드에서의 값과 같다. Here, ω rf and Z rf are resonance angular frequencies and characteristic impedances in the fifth mode, respectively, and are equal to the values in the second mode.

다음에, 제6모드의 동작에 대하여 도 3의 (f)와 도 4의 시각 t5~t6 구간을 참조한다. Next, referring to FIG. 3 (f) and the time t 5 to t 6 section of FIG. 4 for the operation of the sixth mode.

시간 t = t5에서, MOSFET 스위치 Q2는 턴오프된다. 1차측 전류 ip는 MOSFET 스위치 Q1의 기생 커패시턴스 C1을 방전시키고 스위치 Q2의 기생 커패시턴스 C2를 충전한다. 그러면 1차측 전류 ip가 스위치 Q1의 바디 다이오드 D1을 통해 흐르게 되어 스위치 Q1에 대한 ZVS 조건을 만든다. 1차측 전류 ip의 방향이 변경되기 전에 스위치 Q1의 게이트 신호 vQ1,gs가 인가되어야 한다. 이 모드는 제3모드와 유사하다. At time t = t 5 , MOSFET switch Q 2 is turned off. Primary current i p is the discharge of the parasitic capacitance C 1 of the MOSFET switches Q 1 and charge the parasitic capacitance C 2 of the switch Q 2. Then, the primary current i p is caused to flow through the body diode D 1 of the switch Q 1 makes the ZVS condition for switch Q 1. The gate signal v Q1, gs of the switch Q 1 must be applied before the direction of the primary current i p is changed. This mode is similar to the third mode.

그리고, 스위치 Q1이 턴온 되면, 하나의 동작 주기가 종료되고 다음 동작 주기가 다시 시작된다.When the switch Q 1 is turned on, one operation cycle ends and the next operation cycle starts again.

<본 발명의 고효율 LLC 하프 브리지 공진 컨버터의 개념>Concept of High Efficiency LLC Half Bridge Resonant Converter of the Present Invention

종래의 LLC 공진 컨버터의 변압기 2차측의 센터탭 구조는 풀-브리지 구조에 비해 전도 손실이 적고 소요되는 출력 정류기의 개수가 적어가 제작비용이 저렴하다. 그러나, 변압기의 2차측 권선 도체 간에는 물리적 위치의 불균형이 존재하기 때문에, 누설 인덕턴스 사이의 불균형이 야기되어, 공진회로의 불균형이 발생한다. 결과적으로, 이러한 차이는 정류 전류와 정류기 스트레스의 불균형을 야기할 수 있으며, 이는 컨버터 효율을 감소시킨다. 따라서, 이러한 단점들을 극복하기 위해서는 LLC 공진 컨버터에 대한 새로운 개념이 요구된다. 이를 위해 제안된 컨버터는 컨버터 전원 회로에서 직렬/병렬로 연결된 두 개의 변압기(T1, T2)를 사용한다.The center tap structure of the transformer secondary side of the conventional LLC resonant converter has less conduction loss and fewer output rectifiers than the full-bridge structure, resulting in low manufacturing cost. However, because there is an imbalance in the physical position between the secondary winding conductors of the transformer, an imbalance between leakage inductances is caused, resulting in an imbalance of the resonant circuit. As a result, this difference can lead to an imbalance of rectifier current and rectifier stress, which reduces converter efficiency. Thus, to overcome these drawbacks, a new concept for LLC resonant converters is required. The proposed converter uses two transformers (T 1 , T 2 ) connected in series / parallel in the converter power circuit.

각 변압기(T1, T2)는 동일한 권선비(n=n1=n2)를 갖는 권선을 가지며(n1은 T1의 권선비, n2는 T2의 권선비), 변압기(T1, T2)의 각 자화 인덕턴스(Lm1, Lm12)는 서로 거의 같게(Lm=Lm1=Lm2) 그리고 다른 등가 누설 인덕턴스 보다 훨씬 더 크게(Lm1≫Lkp+n2 2Lks2 and Lm2≫Lkp+n1 2Lks1) 설계되고 구현된다(예, 각 자화 인덕턴스는 해당 다른 등가 누설 인덕턴스 보다 10배 이상이다). 그리고 본 발명의 컨버터는 동작 모드에 따라 에너지 전달을 위한 자화 인덕턴스를 포함하는 실제 변압기와 공진을 위한 공진 인덕턴스로써 교대로 동작하는 2개의 변압기를 사용한다. 따라서, 제1모드 및 제4모드의 1차측 및 2차측 전류 ip1, ip4는 각각 다음과 같이 근사화될 수 있다.Each transformer T 1 , T 2 has a winding with the same turns ratio (n = n 1 = n 2 ) (n 1 is the turns ratio of T 1 , n 2 is the turns ratio of T 2 ), and transformers T 1 , T 2) each of the magnetizing inductance (L m1, m12 L) are substantially equal to each other (L = L m L = m1 m2) and much larger than the other equivalent leakage inductance (L m1 »L kp + n 2 L 2 and L ks2 m2 »L kp + n 1 2 L ks1 ) Designed and implemented (eg, each magnetizing inductance is 10 times greater than its other equivalent leakage inductance). In addition, the converter of the present invention uses an actual transformer including a magnetizing inductance for energy transfer and two transformers alternately operating as resonance inductances for resonance according to an operation mode. Therefore, the primary side and secondary side currents i p1 and i p4 of the first mode and the fourth mode can be approximated as follows, respectively.

[수학식8][Equation 8]

Figure 112017125624811-pat00017
Figure 112017125624811-pat00017

[수학식9][Equation 9]

Figure 112017125624811-pat00018
Figure 112017125624811-pat00018

여기서,

Figure 112017125624811-pat00019
,
Figure 112017125624811-pat00020
은 각각 근사화되고 수정된 공진 각 주파수 및 특성 임피던스이다. here,
Figure 112017125624811-pat00019
,
Figure 112017125624811-pat00020
Are approximated and modified resonant angular frequencies and characteristic impedances, respectively.

그러나 도 4에 따르면 2차측 정류기인 제1다이오드(Do1), 제2다이오드(Do2)의 전류는 제1모드 또는 제4모드에서만 흐른다. 제1모드 및 제4모드의 정류기 전류 iDo1 및 iDo2는, 근사화된 1차측 전류(수학식8, 또는 수학식9)와 에너지 전달 변압기의 자화 전류 사이의 차이가, 변압기 권선비(n)에 의해 다음과 같이 각각 변환된 전류에 해당한다.However, according to FIG. 4, the currents of the first diode D o1 and the second diode Do o2 , the secondary rectifiers, flow only in the first mode or the fourth mode. In the rectifier currents i Do1 and i Do2 of the first mode and the fourth mode, the difference between the approximated primary side current (Equation 8 or Equation 9) and the magnetization current of the energy transfer transformer is equal to the transformer turns ratio n. Corresponding to each converted current as follows.

[수학식10][Equation 10]

Figure 112017125624811-pat00021
Figure 112017125624811-pat00021

[수학식11][Equation 11]

Figure 112017125624811-pat00022
Figure 112017125624811-pat00022

여기서, 자화 전류(iLm1, iLm2)는 [수학식2], [수학식6]으로부터 수정되어 다음과 같이 주어진다. Here, the magnetization currents i Lm1 and i Lm2 are modified from Equations 2 and 6 and given as follows.

[수학식12][Equation 12]

Figure 112017125624811-pat00023
Figure 112017125624811-pat00023

[수학식13][Equation 13]

Figure 112017125624811-pat00024
Figure 112017125624811-pat00024

따라서, 본 발명의 컨버터는 변압기(T1, T2)의 누설 인덕턴스에 거의 영향을 받지 않으며, 종래의 LLC 공진 컨버터에서 변압기 2차측의 누설 인덕턴스의 차이로 인한 2차측 전류의 불평형 문제를 쉽게 해결한다. 또한 2개의 변압기(T1, T2)를 이용하여 본 발명의 컨버터의 1차측 총 에너지를 분할하여 전달하므로 변압기(T1, T2)의 열 문제가 완화되고 본 발명의 컨버터를 로우 프로파일 타입(low profile type)으로 구현할 수 있다.Therefore, the converter of the present invention is hardly affected by the leakage inductance of the transformers T 1 and T 2 , and easily solves the problem of unbalanced secondary currents due to the difference in leakage inductance of the transformer secondary side in the conventional LLC resonant converter. do. In addition, the two transformers (T 1, T 2) the transformer will pass by dividing the primary total energy of the converter of the invention (T 1, T 2) to be mitigating the thermal problems converters of the present invention, low-profile type of using a Can be implemented as (low profile type).

<정상 상태 분석><Steady state analysis>

FHA(fundamental harmonic approach)를 사용하면 정상 상태에서 입력 전압(Vin)과 부하 조건에 따른 컨버터 전압 이득을 쉽게 얻을 수 있다. FHA 모델은 공진 네트워크에 대한 구형파 입력 소스의 기본파 전압 성분만이 출력으로의 전력 전달에 기여한다고 가정하여 사용된다. 전압 이득은 선택된 공진 네트워크에서 공진 주파수에 대한 작동(스위칭) 주파수의 비율의 함수이다. 1차측 입력 소스의 기본 전압 성분 vinf와 그 rms(root mean square) 값인 Vinf,rms는 다음과 같이 주어진다.The fundamental harmonic approach (FHA) makes it easy to obtain the converter voltage gain under input conditions (V in ) and load conditions at steady state. The FHA model is used assuming that only the fundamental wave voltage component of the square wave input source for the resonant network contributes to the power delivery to the output. The voltage gain is a function of the ratio of the operating (switching) frequency to the resonant frequency in the selected resonant network. The fundamental voltage component v inf of the primary input source and its root mean square (rms) , V inf, rms, are given by

[수학식14][Equation 14]

Figure 112017125624811-pat00025
Figure 112017125624811-pat00025

[수학식15][Equation 15]

Figure 112017125624811-pat00026
Figure 112017125624811-pat00026

여기서, ωs=2πfs는 스위칭 각 주파수이다. Where ω s = 2πf s is the switching angular frequency.

도 5는 본 발명의 컨버터의 FHA 회로 모델을 보여준다. 1차측 회로는 정현파 전류 소스 iac로 대체할 수 있으며 2차측 정류기의 입력에 2차측 전압 vof가 나타난다. |iac|의 평균값은 출력 전류 Io와 같으므로, 정현파 전류원 iac 및 그 rms 값 Iac,rms는 다음과 같이 나타낼 수 있다.5 shows an FHA circuit model of the converter of the present invention. The primary circuit can be replaced by a sinusoidal current source i ac with a secondary voltage v of at the input of the secondary rectifier. Since the average value of | i ac | is equal to the output current I o , the sinusoidal current source i ac and its rms value I ac, rms can be expressed as follows.

[수학식16][Equation 16]

Figure 112017125624811-pat00027
Figure 112017125624811-pat00027

[수학식17][Equation 17]

Figure 112017125624811-pat00028
Figure 112017125624811-pat00028

2차측 출력의 기본 전압 성분 vof 및 그 rms 값 Vof,rms은 다음과 같이 계산 될 수 있다. The fundamental voltage component v of and its rms value V of, rms at the secondary output can be calculated as

[수학식18]Equation 18

Figure 112017125624811-pat00029
Figure 112017125624811-pat00029

[수학식19][Equation 19]

Figure 112017125624811-pat00030
Figure 112017125624811-pat00030

여기서,

Figure 112017125624811-pat00031
는 출력 전압의 지연 위상이다. 다음에, 변압기 권선비 n을 고려할 때 AC 등가 부하 저항 Rac는 다음과 같이 계산된다.here,
Figure 112017125624811-pat00031
Is the delay phase of the output voltage. Next, considering the transformer turns ratio n, the AC equivalent load resistance R ac is calculated as follows.

[수학식20][Equation 20]

Figure 112017125624811-pat00032
Figure 112017125624811-pat00032

FHA 모델의 입력-출력 전달함수 H(s)는 다음과 같이 주어진다. The input-output transfer function H (s) of the FHA model is given by

[수학식21][Equation 21]

Figure 112017125624811-pat00033
Figure 112017125624811-pat00033

이득의 크기는 [수학식21]로부터 다음과 같이 계산된다. The magnitude of the gain is calculated from Equation 21 as follows.

[수학식22][Equation 22]

Figure 112017125624811-pat00034
Figure 112017125624811-pat00034

[수학식14] 내지 [수학식21]로부터, 본 발명의 LLC 공진 컨버터의 입력-출력 관계는 다음과 같다.From Equations 14 to 21, the input-output relationship of the LLC resonant converter of the present invention is as follows.

[수학식23] [Equation 23]

Figure 112017125624811-pat00035
Figure 112017125624811-pat00035

이외에, 정규화된 주파수 팩터 fn에 의해 표현된 이득의 크기 M(fn)은 다음과 같다. In addition, the magnitude of the gain M (f n ) represented by the normalized frequency factor f n is

[수학식24][Equation 24]

Figure 112017125624811-pat00036
Figure 112017125624811-pat00036

여기서, fn =fs/fr는 공진 주파수 fr에 대한 스위칭 주파수 fs의 비율, Q=Zr/Rac 큐 팩터(quality factor), k=Lr/Lm는 공진 인덕턴스(Lr)와 자화 인덕턴스(Lm) 사이의 인덕턴스 비율이다.Where f n = f s / f r is the ratio of the switching frequency f s to the resonant frequency f r , Q = Z r / R ac quality factor, k = L r / L m is the resonance inductance (L is the ratio of inductance between r ) and the magnetizing inductance (L m ).

본 발명의 컨버터가 제1-3 모드에서 공진 주파수에서 동작한다고 가정할 때, [수학식1] 또는 [수학식8]은 대략 다음과 같이 바꿀 수 있다. Assuming that the converter of the present invention operates at the resonant frequency in the 1-3 mode, Equation 1 or Equation 8 can be approximately changed as follows.

[수학식25][Equation 25]

Figure 112017125624811-pat00037
Figure 112017125624811-pat00037

여기서,

Figure 112017125624811-pat00038
이며, Ip,rms는 1차측 전류의 rms값이다. 이외에, 1차측 전류 ip (=iLm2)와 자화 전류 iLm1의 차이가 부하로 전달되므로, 평균 출력 전류 Io는 다음과 같이 계산될 수 있다.here,
Figure 112017125624811-pat00038
Where I p, rms is the rms value of the primary current. In addition, since the difference between the primary side current i p (= i Lm2 ) and the magnetizing current i Lm1 is transferred to the load, the average output current I o can be calculated as follows.

[수학식26][Equation 26]

Figure 112017125624811-pat00039
Figure 112017125624811-pat00039

[수학식25]와 [수학식26]으로부터, 1차측 전류의 rms값 Ip,rms는 다음과 같이 획득된다. From equations (25) and (26), the rms values I p, rms of the primary side current are obtained as follows.

[수학식27][Equation 27]

Figure 112017125624811-pat00040
Figure 112017125624811-pat00040

[수학식2], [수학식26], [수학식27]로부터 2차측 다이오드 전류의 rms값 IDo,rms는 다음과 같이 유도된다. From equations (2), (26) and (27), the rms value I Do, rms of the secondary diode current is derived as follows.

[수학식28][Equation 28]

Figure 112017125624811-pat00041
Figure 112017125624811-pat00041

<설계 고려사항><Design Considerations>

일반적으로, LLC 공진 컨버터는 두 개의 공진 주파수를 가지는데, 하나는 높고 다른 하나는 낮다. 그러나 LLC 공진 컨버터는 일반적으로 최대 부하 및 최대 DC 입력 전압에 대해 두 공진 주파수 중 더 높은 공진 주파수에서 작동하도록 설계된다. 부하가 증가하거나 입력 전압이 감소하면 출력 전압을 조절하기 위해 피드백 제어 회로에 의해 동작 주파수가 감소된다.Generally, LLC resonant converters have two resonant frequencies, one high and one low. However, LLC resonant converters are typically designed to operate at the higher of the two resonant frequencies for full load and maximum DC input voltage. As the load increases or the input voltage decreases, the operating frequency is reduced by the feedback control circuit to regulate the output voltage.

1차측 MOSFET 스위치의 턴온 듀티 D가 가능한 최대 공칭 값(D = Dmominal = 0.49)으로 선택되면, 각 변압기의 권선비 n은 다음과 같이 입/출력 전압 관계에 의해 계산된다.If the turn-on duty D of the primary MOSFET switch is chosen as the maximum possible nominal value (D = D mominal = 0.49), the turns ratio n of each transformer is calculated by the input / output voltage relationship as follows.

[수학식29][Equation 29]

Figure 112017125624811-pat00042
Figure 112017125624811-pat00042

변압기 설계의 최악의 경우는, 최소 입력 전압 (Vin=Vin,min) 및 최대 부하 조건에서 발생하는 최소 스위칭 주파수 조건이다. 그러면 1 차측 권선수 최소값 Np,min은 다음과 같이 인덕턴스와 자속의 관계에 의해 계산될 수 있다.The worst case of a transformer design is the minimum switching frequency condition that occurs at minimum input voltage (V in = V in, min ) and full load conditions. The minimum number of primary turns N p, min can then be calculated by the relationship between inductance and magnetic flux as

[수학식30][Equation 30]

Figure 112017125624811-pat00043
Figure 112017125624811-pat00043

여기서, fs,min은 제1스위치(Q1)와 제2스위치(Q2)의 게이트 제어 신호의 최소 스위칭 주파수이고, ΔB는 변압기(T1, T2) 코어의 최대 자속 밀도 스윙이고, Ae는 변압기(T1, T2) 코어의 유효 단면적이다. Here, f s, min is the minimum switching frequency of the gate control signal of the first switch (Q 1 ) and the second switch (Q 2 ), ΔB is the maximum magnetic flux density swing of the transformer (T 1 , T 2 ) core, A e is the effective cross-sectional area of the transformer (T 1 , T 2 ) core.

2차측 출력 다이오드의 최대 전류 IDo,max는 다음과 같이 [수학식16], [수학식17] , [수학식26]을 사용하여 대략 계산된다.The maximum current I Do, max of the secondary output diode is roughly calculated using the following equations (16), (17) and [26].

[수학식31]Equation 31

Figure 112017125624811-pat00044
Figure 112017125624811-pat00044

또한, 1차측 최대 전류 Ip,max는 [수학식31]과 변압기 권선비 n을 사용하여 다음과 같이 계산된다.In addition, the primary maximum current I p, max is calculated as follows using Equation 31 and the transformer turns ratio n.

[수학식32][Equation 32]

Figure 112017125624811-pat00045
Figure 112017125624811-pat00045

따라서 1차측 MOSFET 스위치들 및 2차측 정류 다이오드들의 전류 정격은 [수학식31]과 [수학식32]를 사용하여 결정된다.Therefore, the current ratings of the primary MOSFET switches and the secondary rectifier diodes are determined using Equations 31 and 32.

1차측 전류 ip는 시간 t = t2 및 t5에서 항상 양의 값을 가지며 1차측 MOSFET 스위치 Q1 및 Q2가 ZVS로 동작하게 한다. 1차측 스위치들의 커뮤테이션 기간(commutation period) 동안, 큰 자화 인덕턴스 때문에 자화 전류 iLm1과 iLm2는 일정하다고 가정할 수 있다. 각 스위치의 ZVS를 보장하기 위해서는, 다음과 같이 나타낼 수 있는 최대 자화 전류 또는 최대 1차측 전류 Ip,max(공진 커패시터의 커패시턴스(Cr)를 통하여 흐르는 전류의 최대값)가 1차측 스위치의 기생 커패시턴스를 완전히 방전할 수 있어야 한다.The primary current i p is always positive at times t = t 2 and t 5 and causes primary MOSFET switches Q 1 and Q 2 to operate with ZVS. During the commutation period of the primary switches, it can be assumed that the magnetizing currents i Lm1 and i Lm2 are constant because of the large magnetizing inductance. To ensure the ZVS of each switch , the parasitic nature of the primary switch is the maximum magnetizing current or maximum primary current I p, max (the maximum value of the current flowing through the capacitance C r of the resonant capacitor) It must be possible to discharge the capacitance completely.

[수학식33][Equation 33]

Figure 112017125624811-pat00046
Figure 112017125624811-pat00046

여기서, CS는 1차측 스위치들의 기생 커패시턴스 C1, C2의 최대값(C1, C2는 동일할 수 있고 그 최대값도 동일할 수 있음), tdead는 데드타임(dead time)으로서, 제3모드와 제6모드 같이, Q1, Q2의 게이트의 교번 스위칭 사이에 Q1, Q2 게이트에 로직-로우(logical low) 전압이 인가되어 모두 턴오프되고 ZVS 조건이 제공되는 시간이다. Ts는 제1스위치(Q1)와 제2스위치(Q2)의 게이트 제어 신호의 스위칭 주기이다. Where C S is the maximum value of the parasitic capacitances C 1 , C 2 of the primary switches (C 1 , C 2 may be the same and the maximum may be the same), and t dead is the dead time. Of the gates of Q 1 and Q 2 , Between alternating switching times, a logic-low voltage is applied to the Q 1 and Q 2 gates to turn them all off and provide a ZVS condition. T s is a switching period of the gate control signal of the first switch Q 1 and the second switch Q 2 .

최소 스위칭 손실을 보장하기 위해, 자화 인덕턴스는 ZVS를 달성하도록 충분히 작아야 하고, [수학식27], [수학식28]로부터 더 작은 턴오프(turn off) 전류를 전도할 만큼 충분히 커야 한다. 따라서 자화 인덕턴스는 1차측의 턴오프 전류가 ZVS 요건에 충족되고 스위칭 주파수가 높은 공진 주파수보다 낮을 때, 정류 다이오드가 ZCS로 동작할 수 있도록 다음의 조건을 만족해야 한다. To ensure minimal switching losses, the magnetizing inductance must be small enough to achieve ZVS and large enough to conduct smaller turn off currents from Eqs. Therefore, the magnetizing inductance must meet the following conditions so that the rectifier diode can operate as ZCS when the primary turn-off current meets the ZVS requirements and the switching frequency is lower than the high resonant frequency.

[수학식34][Equation 34]

Figure 112017125624811-pat00047
Figure 112017125624811-pat00047

여기서, fs,max는 최대 스위칭 주파수이다. Where f s, max is the maximum switching frequency.

공진 커패시턴스 Cr은 다음과 같이 유도된다.The resonance capacitance C r is derived as follows.

[수학식35][Equation 35]

Figure 112017125624811-pat00048
Figure 112017125624811-pat00048

여기서, fr, Zr은 각각 공진 주파수와 특성 임피던스이다.Here, f r and Z r are resonance frequencies and characteristic impedances, respectively.

<실험 결과><Experiment Result>

본 발명의 컨버터의 유효성을 보여주기 위해 프로토타입 컨버터의 회로 파라미터는 위와 같은 본 발명의 원리와 설계 고려사항들을 기초로 다음의 사양으로 설계되었다. 즉, 입력 전압 Vin=380VDC, 스위칭 주파수 fs=85-170kHz, 출력 전압 Vo=15-35VDC, 출력 전력 Po=280W로 하였다. In order to show the effectiveness of the converter of the present invention, the circuit parameters of the prototype converter are designed with the following specifications based on the principles and design considerations of the present invention as described above. In other words, the input voltage V in = 380 V DC , the switching frequency f s = 85-170 kHz, the output voltage V o = 15-35 V DC , and the output power P o = 280 W.

여기서, 입력 전압은 PFC 회로에 의해 공급되고 기준 전압 Vin=380VDC로 조절된다. 설계된 회로 파라미터들은 [표 1]에 나와있다. 프로토타입 컨버터는 [표 1]의 회로 파라미터들을 사용하여 구현되고 실험이 수행되었다.Here, the input voltage is supplied by the PFC circuit and regulated to the reference voltage V in = 380V DC . The designed circuit parameters are shown in [Table 1]. The prototype converter was implemented using the circuit parameters shown in Table 1 and the experiment was performed.

[표 1] 프로토타입의 설계된 회로 파라미터들Table 1. Designed Circuit Parameters of Prototype

Figure 112017125624811-pat00049
Figure 112017125624811-pat00049

도 6은 본 발명의 컨버터의 각각의 1 차측 스위치의 게이트-소스 전압과 드레인-소스 전압의 실험 파형이다. 도 7은 본 발명의 컨버터의 2차측 다이오드들의 애노드-캐소드 전압과 애노드 전류의 실험 파형이다.6 is an experimental waveform of the gate-source voltage and drain-source voltage of each primary side switch of the converter of the present invention. 7 is an experimental waveform of anode-cathode voltage and anode current of secondary side diodes of the converter of the present invention.

도 6에서, 본 발명의 컨버터의 각 1차측 스위치의 게이트-소스 전압 vQ1,gs, vQ2,gs 및 드레인-소스 전압 vC1, vC2의 실험 파형을 참조하면, 1차측 스위치 전류 iQ1,iQ2는 스위치가 켜지기 전에 바디 다이오드 (D1, D2)를 통해 짧은 시간 동안 역방향으로 흐른다. 이는 주 스위치가 ZVS로 스위칭됨을 의미한다.6, the gate of the primary switch, each of the converter of the present invention to source voltage v Q1, gs, v Q2, gs and the drain-source voltage v C1, v Referring to experiment waveform of C2, the primary side switch current i Q1 , i Q2 flows backward through the body diodes (D 1 , D 2 ) for a short time before switching on. This means that the main switch is switched to ZVS.

도 7에서, 본 발명의 컨버터의 2차측 다이오드의 애노드-캐소드 전압 vDo1과 vDo2 및 애노드 전류 iDo1과 iDo2의 실험 파형을 참조하면, 2차측 다이오드는 ZCS로 스위칭되고 각 변압기의 2차측 누설 인덕턴스들 사이에 10배의 차이가 있지만 거의 동일하게 전류가 흐른다. 도 6 및 7은 본 발명의 컨버터가 ZVS 및 ZCS로 작동하여 전체 효율을 향상시키며 2차측 전류의 불평형 현상을 해결함으로 보인다.Referring to the experimental waveforms of the anode-cathode voltages v Do1 and v Do2 and the anode currents i Do1 and i Do2 of the secondary side diode of the converter of FIG. 7, the secondary side diode is switched to ZCS and the secondary side of each transformer. There is a 10-fold difference between leakage inductances, but the current flows about the same. 6 and 7 show that the converter of the present invention operates with ZVS and ZCS to improve the overall efficiency and solve the unbalance of secondary currents.

도 8은 본 발명의 컨버터의 최대 부하 조건에서의 출력 전압 조정에 따른 각 출력 전압, 1차측 전류 및 2차측 다이오드 전류의 실험 파형이다. 도 8에서, 최대 부하에서 출력 전압의 변화에 따른 각 조정 전압에서의 출력 전압 Vo, 1차측 전류 ip 및 2차측 다이오드 전류 iDo1의 실험 파형을 나타낸다. 8 is an experimental waveform of each output voltage, the primary side current and the secondary side diode current according to the output voltage adjustment at the maximum load condition of the converter of the present invention. 8 shows experimental waveforms of the output voltage V o , the primary side current i p and the secondary side diode current i Do1 at each adjustment voltage according to the change of the output voltage at full load.

도 9는 최대 출력 전압에서 각 부하 조건에서 1 차 스위치 전압, 1 차 전류, 출력 전압 및 2 차 전류의 실험 파형이다. 도 9에서, 최대 출력 전압 Vo=35V에서의 각 부하에서의 제1스위치 전압 vC1, 1차측 전류 ip, 출력 전압 Vo 및 2 차측 전류 iDo2를 나타내고 있다. 9 is an experimental waveform of primary switch voltage, primary current, output voltage and secondary current at each load condition at maximum output voltage. In Fig. 9, the first switch voltage v C1 , the primary side current i p , the output voltage V o and the secondary side current i Do2 at each load at the maximum output voltage V o = 35V are shown.

도 8 및 9는 본 발명의 컨버터가 모든 부하 조건에서 정확하게 출력 전압을 조정할 수 있음을 나타낸다.8 and 9 show that the converter of the present invention can adjust the output voltage accurately under all load conditions.

도 10은 본 발명의 컨버터의 효율에 대한 그래프이다. 도 10의 (a)는 최대 부하시의 출력 전압 조정에 따른 효율을 나타내고, 도 10의 (b)는 최대 출력 전압에서의 부하 변동에 따른 효율을 나타낸다. 도 10의 (a)와 (b)의 최대 부하 조건에서의 출력 전압 조정과 최대 출력 전압에서의 부하 변동에 따른 효율 그래프를 참조하면, 본 발명의 컨버터가 모든 출력 전압 및 부하 조건 하에서 높은 효율로 작동함을 알 수 있다. 10 is a graph of the efficiency of the converter of the present invention. Fig. 10A shows the efficiency according to the output voltage adjustment at maximum load, and Fig. 10B shows the efficiency according to the load variation at the maximum output voltage. Referring to the efficiency graph according to the output voltage adjustment at the maximum load condition and the load variation at the maximum output voltage of FIGS. 10A and 10B, the converter of the present invention has a high efficiency under all the output voltage and the load condition. You can see it works.

상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 2개의 변압기 구조를 사용하여 균형있는 2차측 전류를 갖는 고효율 LLC 공진 컨버터는, 2차측 전류 불평형 문제를 해결하기 위해 직렬/병렬로 연결된 2개의 변압기와 함께 하프-브리지 전력 토폴로지를 사용한다. 2개의 변압기는 각 동작 모드에 따라 에너지 전달을 위한 자화 인덕턴스를 포함하는 실제 변압기와 공진을 위한 공진 인덕턴스로써 번갈아 사용된다. 본 발명의 컨버터는 가변 출력 전압 기능뿐만 아니라 넓은 부하 범위에서 ZVS 동작 특성을 갖는다. 본 발명의 컨버터가 2차측 전류 평형을 갖는 고효율 LLC 하프-브리지 공진 컨버터로써 양호한 성능을 갖는다는 것을 확인하였다.As described above, a high efficiency LLC resonant converter with balanced secondary currents using two transformer structures according to the present invention is a half-coiler with two transformers connected in series / parallel to solve the secondary current unbalance problem. Use a bridge power topology. The two transformers are used alternately as resonant inductances for resonance and real transformers, including magnetizing inductances for energy transfer, depending on each mode of operation. The converter of the present invention has ZVS operating characteristics over a wide load range as well as a variable output voltage function. It was found that the converter of the present invention has good performance as a high efficiency LLC half-bridge resonant converter with secondary side current balance.

이상과 같이 본 발명에서는 구체적인 구성 요소 등과 같은 특정 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상적인 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명의 사상은 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.In the present invention as described above has been described by the specific embodiments, such as specific components and limited embodiments and drawings, but this is provided to help a more general understanding of the present invention, the present invention is not limited to the above embodiments. For those skilled in the art, various modifications and variations may be made without departing from the essential features of the present invention. Accordingly, the spirit of the present invention should not be limited to the described embodiments, and all technical ideas having equivalent or equivalent modifications to the claims as well as the following claims are included in the scope of the present invention. Should be interpreted as.

변압기(T1, T2)
MOSFET 스위치(Q1, Q2)
공진 커패시터의 커패시턴스(Cr),
1차측 총누설 인덕터의 인덕턴스(Lkp),
자화 인덕터의 인덕턴스(Lm1, Lm2)
2차측 누설 인덕터의 인덕턴스(Lks1, Lks2)
다이오드(Do1, Do2)
출력 커패시터의 커패시턴스(Co)
출력 부하 저항(Ro)
Transformer (T 1 , T 2 )
MOSFET switches (Q 1 , Q 2 )
Capacitance of the resonant capacitor (C r ),
Inductance of the primary leakage total inductor (L kp ),
Inductance of the magnetized inductor (L m1 , L m2 )
Inductance of the secondary side leakage inductor (L ks1 , L ks2 )
Diode (D o1 , D o2 )
Capacitance of Output Capacitor (C o )
Output load resistance (R o )

Claims (10)

입력 전압의 양극 단자와 음극 단자 사이에 직렬 연결된, 제1스위치, 공진 커패시터, 제1변압기의 1차측 코일, 제2변압기의 1차측 코일 및 1차측 총누설 인덕터; 상기 제1변압기의 1차측 코일에 병렬 연결된 제1자화 인덕터; 상기 제2변압기의 1차측 코일에 병렬 연결된 제2자화 인덕터;
상기 제1스위치와 상기 공진 커패시터의 접점과 상기 입력 전압의 음극 단자 사이에 연결된 제2스위치; 및 직렬 연결되어 폐회로를 구성하는, 서로 반대 방향의 제1다이오드와 제2다이오드, 2차측 제1누설 인덕터, 상기 제1변압기의 2차측 코일, 상기 제2변압기의 2차측 코일, 및 2차측 제2누설 인덕터를 포함하고, 상기 제1다이오드와 상기 제2다이오드의 접점 및 상기 제1변압기의 2차측 코일과 상기 제2변압기의 2차측 코일의 접점 사이의 DC 전압을 출력하기 위한 2차측 센터탭 구조로서,
상기 제1변압기와 상기 제2변압기의 2차측 코일의 물리적 불균형에 의한 2차측 누설 인덕턴스들 간의 차이에 의한 2차측 전류의 불평형을 제거하기 위하여,
상기 제1변압기와 상기 제2변압기의 1 차측 권선수는 최소값 Np,min 이상이며, 여기서
Figure 112019024935388-pat00063
이고,
상기 공진 커패시터를 통하여 흐르는 최대 1차측 전류 Ip,max는 수학식
Figure 112019024935388-pat00064
을 만족하고,
비대칭 펄스폭 변조 방식이 아닌 상기 제1 및 제2 스위치의 턴온 듀티비를 설정 가능한 최대 공칭값으로 하여, 상기 제1 및 제2 스위치의 교번 스위칭 사이에 상기 제1 및 제2 스위치가 모두 턴오프되는 데드타임이 존재하며 이때 각 스위치의 ZVS 조건이 제공됨으로써, 상기 2차측 누설 인덕턴스들 간의 차이로 발생하는 상기 2차측 전류의 불평형의 제거에 의해 2차측 정류 다이오드들의 스트레스의 불균형을 제거해, 컨버터 효율을 향상시키기 위한 것으로서,
여기서, fs,min은 상기 제1스위치와 상기 제2스위치의 최소 스위칭 주파수, ΔB는 상기 제1변압기와 상기 제2변압기의 코어의 최대 자속 밀도 스윙이고, Ae는 상기 제1변압기와 상기 제2변압기 코어의 유효 단면적, Vin은 입력 전압이며, 그리고, CS는 상기 제1스위치와 상기 제2스위치의 기생 커패시턴스의 최대값, tdead는 데드타임인 LLC 공진 컨버터.
A first switch, a resonant capacitor, a primary coil of the first transformer, a primary coil of the second transformer, and a primary total leakage inductor connected in series between the positive terminal and the negative terminal of the input voltage; A first magnetizing inductor connected in parallel to the primary coil of the first transformer; A second magnetization inductor connected in parallel to the primary coil of the second transformer;
A second switch connected between the contact point of the first switch and the resonance capacitor and the negative terminal of the input voltage; And a first diode and a second diode in opposite directions, connected in series to form a closed circuit, a first leakage inductor of a secondary side, a secondary coil of the first transformer, a secondary coil of the second transformer, and a secondary side agent. A secondary leakage center tap for outputting a DC voltage between a contact of the first diode and the second diode and a contact of the secondary coil of the first transformer and the secondary coil of the second transformer; As a structure,
In order to eliminate the unbalance of the secondary current due to the difference between the secondary leakage inductances due to the physical imbalance of the secondary transformer of the first transformer and the second transformer,
The number of primary turns of the first transformer and the second transformer is equal to or greater than the minimum value N p, min , where
Figure 112019024935388-pat00063
ego,
The maximum primary current I p, max flowing through the resonant capacitor is
Figure 112019024935388-pat00064
Satisfying,
The first and second switches are all turned off between the alternating switching of the first and second switches by setting the turn-on duty ratio of the first and second switches as the maximum nominal value, rather than the asymmetric pulse width modulation scheme. There is a dead time at which the ZVS condition of each switch is provided, thereby eliminating the unbalance of the stress of the secondary rectifier diodes by eliminating the unbalance of the secondary current caused by the difference between the secondary leakage inductances, resulting in converter efficiency. As to improve
Here, f s, min is the minimum switching frequency of the first switch and the second switch, ΔB is the maximum magnetic flux density swing of the core of the first transformer and the second transformer, A e is the first transformer and the The effective cross-sectional area of the second transformer core, V in is the input voltage, C S is the maximum value of the parasitic capacitance of the first switch and the second switch, and t dead is the dead time.
삭제delete 제1항에 있어서,
상기 제1스위치와 상기 제2스위치가 교번적인 1회의 스위칭 주기 동안, 상기 제1변압기와 상기 제2변압기는,
해당 변압기 1차측의 에너지를 2차측으로 전달하는 본래의 역할과 상기 공진 커패시터와 공진을 위한 공진 인덕턴스 역할을 번갈아 전환하는 LLC 공진 컨버터.
The method of claim 1,
During the first switching period in which the first switch and the second switch are alternated, the first transformer and the second transformer are:
LLC resonant converter to switch between the original role of transmitting the energy of the primary side of the transformer to the secondary side and the resonant inductance role for the resonance with the resonant capacitor.
제1항에 있어서,
상기 제1변압기와 상기 제2변압기의 권선비는 동일한 LLC 공진 컨버터.
The method of claim 1,
The LLC resonant converter of which the turns ratio of the first transformer and the second transformer is the same.
제1항에 있어서,
상기 제1자화 인덕터와 상기 제2자화 인덕터의 인덕턴스는 동일한 LLC 공진 컨버터.
The method of claim 1,
And an inductance of the first magnetized inductor and the second magnetized inductor is the same.
제1항에 있어서,
상기 제1자화 인덕터의 인덕턴스(Lm1)와 상기 제2자화 인덕터의 인덕턴스(Lm2)는 각각 제1등가 누설 인덕턴스(Lkp+n2 2Lks2) 및 제2등가 누설 인덕턴스(Lkp+n1 2Lks1) 보다 10배 이상이며, 여기서, n1은 제1변압기의 권선비, n2는 제2변압기의 권선비, Lkp는 상기 1차측 총누설 인덕터의 인덕턴스, Lks1은 상기 2차측 제1누설 인덕터의 인덕턴스, Lks2는 상기 2차측 제2누설 인덕터의 인덕턴스인 LLC 공진 컨버터.
The method of claim 1,
The inductance L m1 of the first magnetized inductor and the inductance L m2 of the second magnetized inductor are respectively the first equivalent leakage inductance L kp + n 2 2 L ks2 and the second equivalent leakage inductance L kp + n 1 2 L ks1 ) 10 times or more, where n 1 is the winding ratio of the first transformer, n 2 is the winding ratio of the second transformer, L kp is the inductance of the primary side total leakage inductor, and L ks1 is the secondary side LLC inductance of the first leakage inductor, L ks2 is the inductance of the second leakage inductor secondary LLC.
삭제delete 삭제delete 삭제delete 제5항에 있어서,
상기 제1자화 인덕터와 상기 제2자화 인덕터의 인덕턴스 Lm은 다음의 수학식을 만족하며,
Figure 112019024935388-pat00052

여기서, CS는 상기 제1스위치와 상기 제2스위치의 기생 커패시턴스의 최대값, fs,max는 상기 제1스위치와 상기 제2스위치의 최대 스위칭 주파수, tdead는 데드타임인 LLC 공진 컨버터.
The method of claim 5,
The inductance L m of the first magnetized inductor and the second magnetized inductor satisfies the following equation,
Figure 112019024935388-pat00052

Where, C S is the maximum value of the parasitic capacitance of the first switch and the second switch, f s, max is the maximum switching frequency of the first switch and the second switch, t dead is the dead time LLC LLC converter.
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