KR102020648B1 - 변압기 및 이를 가지는 llc 공진형 컨버터 - Google Patents

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Abstract

변압기 및 LLC 공진형 컨버터가 개시된다.
본 발명의 변압기는, 한 쌍의 외족 및 외족 사이에 위치하는 중족을 가지며, 자계 형성을 유도하도록 제공되는 제1 및 제2 코어와 제1 코어의 한 쌍의 외족 각각의 둘레를 감싸는 도전체를 포함하며, 서로 직렬 연결되는 제1 및 제2 인덕터 권선부와 제2 코어의 한 쌍의 외족 각각의 둘레를 감싸는 도전체를 포함하는 제1 및 제2 변압기 권선부를 포함하고, 제1 코어의 한 쌍의 외족은 제2 코어의 한 쌍의 외족과 마주보고, 제1 코어의 중족은 제2 코어의 중족과 마주보며, 제1 코어 및 제2 코어는 이격되어 배치된다.

Description

변압기 및 이를 가지는 LLC 공진형 컨버터 {Transformer and LLC Resonant Converter having the same}
본 발명은 변압기 및 LLC 공진형 컨버터에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 LLC 공진형 컨버터에서 공진을 위한 외부 소자의 추가 없이 하나의 자기소자만으로 이루어진 LLC 공진형 컨버터에 관한 것이다.
고전력밀도 전원을 구현하기 위해 전 부하영역에서 영전압스위칭(ZVS : Zero Volatage Switching)동작이 가능하고, 고주파수 구동에 유리한 LLC 공진형 컨버터를 이용하고 있다. LLC 공진형 컨버터의 경우 변압기의 턴수 비와 공진동작에 필수요소인 공진 커패시터, 공진인덕터 및 자화인덕터의 적절한 설계를 통하여 스위칭 주파수와 공진주파수가 동일한 지점에서 동작하도록 하여 넓은 부하변동에 대해 동작주파수의 변동을 최소화하여 안정적인 동작과 제어를 보장하고 있다. 공진인덕터는 변압기의 누설 인덕터로 구현되는 것이 일반적이다.
변압기의 사이즈를 줄이고 고전력밀도 전력변환장치를 구현하기 위한 소자의 집적화가 되면서, 공진인덕터로 이용될 수 있는 누설 인덕턴스가 충분히 확보되지 않는 경우가 발생하였다. 특히 변압기의 물리적인 크기를 더욱 줄이기 위해 일반 권선형 변압기가 아닌 평면변압기가 적용되는 경우, 누설 인덕턴스는 약 수십~수백nH 수준으로 작기 때문에, 공진인덕터를 확보를 위해서 별도의 외부 인덕터가 필요하였다. 이에 따라서 시스템 사이즈가 증가되고 부품 수의 증가로 고전력밀도 전력변환장치의 구현이 어려웠다.
상기 문제점을 해결하기 위하여, 별도의 외부 인덕터가 필요 없는 변압기 및 이를 가지는 LLC 공진형 컨버터를 제안한다.
본 발명은 상기 목적을 달성하기 위해, 한 쌍의 외족 및 상기 외족 사이에 위치하는 중족을 가지며, 자계 형성을 유도하도록 제공되는 제1 및 제2 코어와, 상기 제1 코어의 한 쌍의 외족 각각의 둘레를 감싸는 도전체를 포함하며, 서로 직렬 연결되는 제1 및 제2 인덕터 권선부와, 상기 제2 코어의 한 쌍의 외족 각각의 둘레를 감싸는 도전체를 포함하는 제1 및 제2 변압기 권선부를 포함하며, 상기 제1 코어의 한 쌍의 외족은 상기 제2 코어의 한 쌍의 외족과 마주보고, 상기 제1 코어의 중족은 상기 제2 코어의 중족과 마주보며, 상기 제1 코어 및 상기 제2 코어는 이격되어 배치되는 변압기를 제공한다.
상기 제1 및 제2 인덕터 권선부는, 전류가 인가될 때, 상기 제1 및 제2 코어의 중족에서 형성된 자속에 의해 중족 인덕턴스(L_c)를 발생시키고, 상기 제1 및 제2 코어의 외족에서 형성된 자속에 의해 제1 및 제2 외족인덕턴스(L_o1, L_o2)를 발생시킨다.
상기 중족 인덕턴스는, 상기 제1 및 제2 코어의 상기 중족간 이격거리, 상기 중족의 단면적과 상기 제1 코어의 외족을 감싸는 제1 및 제2 인덕터 권선부의 권선수에 따라 결정되고, 상기 제1 및 제2 외족인덕턴스는, 상기 제1 및 제2 코어의 상기 외족간 이격거리, 상기 외족의 단면적과 상기 제1 코어의 외족을 감싸는 제1 및 제2 인덕터 권선부의 권선수에 따라 결정된다.
제1 인덕터 권선부의 권선수와 제2 인덕터 권선부의 권선수 동일할 수 있다.
상기 제1 외족인덕턴스는, 상기 제1 및 제2 인덕터 권선부에 전압이 인가되어 상기 제2 외족인덕턴스와 상기 중족 인덕턴스가 공진인덕터로 동작하는 경우, 자화인덕터로 동작하고, 상기 제2 외족인덕턴스는, 상기 제1 및 제2 인덕터 권선부에 전압이 인가되지 않아 상기 제1 외족인덕턴스와 상기 중족 인덕턴스가 공진인덕터로 동작하는 경우, 자화인덕터로 동작한다.
본 발명은 스위칭 제어 신호에 따라 전원을 공급하는 스위칭부와 상기 스위칭부에 연결되는 공진 커패시터에 직렬 연결되는 변압기와 상기 변압기에 연결되는 정류부로 구성되고, 상기 변압기는 한 쌍의 외족 및 상기 외족 사이에 위치하는 중족을 가지며, 자계 형성을 유도하도록 제공되는 제1 및 제2 코어와 상기 제1 코어의 한 쌍의 외족 각각의 둘레를 감싸는 도전체를 포함하며, 서로 직렬 연결되는 제1 및 제2 인덕터 권선부와, 상기 제2 코어의 한 쌍의 외족 각각의 둘레를 감싸는 도전체를 포함하는 제1 및 제2 변압기 권선부로 구성되고, 상기 제1 코어의 한 쌍의 외족은 상기 제2 코어의 한 쌍의 외족과 마주보고, 상기 제1 코어의 중족은 상기 제2 코어의 중족과 마주보며, 상기 제1 코어 및 상기 제2 코어는 이격되어 배치되는 LLC 공진형 컨버터를 제공한다.
제1 인덕터 권선부의 권선수와 제2 인덕터 권선부의 권선수는 동일할 수 있다.
상기 스위칭부는 하프-브리지 또는 풀-브리지로 구성될 수 있다.
본 발명은 고전력밀도 전력변환장치의 구현을 할 때, 누설 인덕턴스가 발생하지 않아 공진인덕터의 확보가 어려운 경우, 별도의 외부 인덕터 추가 없이 하나의 자기소자만으로 모든 공진형 LLC 동작을 가능하게 할 수 있는 변압기 및 공진형 LLC 컨버터를 제공할 수 있다.
또한, 공진 동작에 직접적으로 관여하는 등가적인 공진 인덕턴스와 자화 인덕턴스를 설계자가 설정 가능하므로 입출력 사양에 관계없이 영전압스위칭을 보장하여 고주파 구동이 가능하고 충복한 이득확보가 가능하여 안정적인 출력전력 제어가 용이하다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 변압기의 철심과 권선부의 결합관계를 나타낸 회로도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 변압기가 평면 변압기로 적용되는 경우를 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 변압기를 포함하여 LLC 공진형 컨버터를 구현되는 것을 나타낸 회로도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 변압기에 전압이 인가된 경우, LLC 공진형 컨버터의 전류 흐름을 나타낸 회로도와 등가회로이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 변압기에 전압이 인가되지 않는 경우, LLC 공진형 컨버터의 전류 흐름을 나타낸 회로도와 등가회로이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 LLC 공진형 컨버터의 작동모드에 따른 입력 전압과 1차회로의 전류 2차회로의 전류의 양을 나타내는 그래프이다.
도 7 및 도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 변압기를 하프-브리지 및 풀-브리지 LLC 공진형 컨버터에 적용한 것을 나타내는 도면이다.
이하, 본 문서의 다양한 실시예가 첨부된 도면을 참조하여 기재된다. 그러나 이는 본 문서에 기재된 기술을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 문서의 실시예의 다양한 변경(modifications), 균등물(equivalents), 및/또는 대체물(alternatives)을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 도면의 설명과 관련하여, 유사한 구성요소에 대해서는 유사한 참조 부호가 사용될 수 있다.
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본 문서에서 사용된 용어들은 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 다른 실시예의 범위를 한정하려는 의도가 아닐 수 있다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함할 수 있다. 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 용어들은 본 문서에 기재된 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가질 수 있다. 본 문서에 사용된 용어들 중 일반적인 사전에 정의된 용어들은, 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 동일 또는 유사한 의미로 해석될 수 있으며, 본 문서에서 명백하게 정의되지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다. 경우에 따라서, 본 문서에서 정의된 용어일지라도 본 문서의 실시예들을 배제하도록 해석될 수 없다.
이하에서, 본 발명에 따른 실시예들을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
일반적인 LLC 공진형 컨버터는 자화인덕터(Lp)와 공진인덕터(Lr)는 별도의 인덕터를 부가하지 않고, 공진인덕터(Lr)는 변압기의 누설인덕터로 구현되는 것이 일반적이다. 공진인덕터(Lr)는 공진커패시터(Cr)와 함께 공진된다.
평면 변압기의 경우에는, 권선형 변압기보다 1차 측 권선과 2차 측 권선간의 자기적 결합도가 2 내지 3배 가량 높아 공진인덕터(Lr)의 역할을 하는 누설 인덕턴스가 약 수십 내지 수백nH 수준으로 매우 작다. 따라서 LLC 공진형 컨버터에서 요구되는 전압이득을 보장할 수 있는 충분한 크기의 공진인덕터(Lr)를 확보하기 위해서는 외부에 별도의 인덕터를 이용하여야 한다. 이하, 별도의 외부 인덕터 추가없이, 공진인덕터(Lr)를 확보하는 변압기 및 LLC 공진형 컨버터에 대하여 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 변압기의 코어와 권선부의 결합관계를 나타낸 회로도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 변압기가 평면 변압기인 경우를 나타내는 도면이다.
공진인덕터(Lr)와 자화인덕터(Lp)는 LLC 공진형 컨버터에서 필수 요소이다. 본 발명의 변압기의 자화인덕터(Lp)는 LLC 공진형 컨버터의 자화인덕터(Lp)로 그대로 이용될 수 있고, 공진인덕터(Lr)에 활용될 수 있다. 따라서, 누설 인덕턴스가 거의 발생하지 않는 경우에도, 별도의 외부 인덕터가 필요 없다.
도 1을 참조하면, 변압기(100)는 자계 형성을 유도하도록 제공되는 제1 및 제2 코어(110,120)와 제1 코어(110)의 한 쌍의 외족에 권선되는 제1 및 제2 인덕터 권선부(111,112)와, 제2 코어(120)의 한 쌍의 외족에 권선되는 제1 및 제2 변압기 권선부(121,122)를 포함할 수 있다.
도 2를 참조하면, 평면변압기(200)에 적용된 실시예가 도시되어 있다. 제1 및 제2 코어(210,220)는 평면형 코어로 이루어져 있으며, 제1 및 제2 인덕터 권선부(211,212)는 제1 코어(210)의 외족에 적층된다. 제1 및 제2 인덕터 권선부(211,212)는 구리박판이나 PCB 패턴 등으로 이루어 질 수 있다. 제1 및 제2 인덕터 권선부(211,212)는 나선형의 구리 패턴이 포함된 PCB 패턴이나 구리박판을 적층한 후 자기 코어를 중심으로 형성된다. 제1 코어(210)를 감싸는 1차 권선수를 확보하기 위하여, 제1 및 제2 인덕터 권선부(211,212)는 복수개의 구리박판이나 PCB기판을 적층하여 형성될 수 있다.
적층되는 권선부의 PCB 패턴이나 구리박판 사이에 절연체가 포함될 수 있다. PCB 기판은 구리 패턴의 폭과 구리 패턴 사이 간격을 일정하게 유지하도록 형성될 수 있고, 구리박판은 구리 선의 두께와 구리선 사이 간격을 일정하게 유지하도록 형성될 수 있습니다. 이로 인하여 평면 변압기는 고주파 영역에서의 근접효과와 표피효과가 작아 도통 손실을 감소시킬 수 있고, 누설 인덕턴스와 같은 기생 인덕턴스를 최소화 시킬 수 있어, 컨버터의 전력 손실을 최소화 시킬 수 있다.
제1 코어(210)와 마찬가지로, 제1 및 제2 변압기 권선부(221,222)는 제2 코어(220)의 외족에 적층된다. 즉, 상술한 바와 같이, 제1 및 제2 인덕터 권선부는 제1 코어의 한 쌍의 외족 각각의 둘레를 감싸는 도전체를 포함한다. 그리고, 제1 및 제2 변압기 권선부는 제2 코어의 한 쌍의 외족 각각의 둘레를 감싸는 도전체를 포함한다
도 1을 참조하면, 본 발명의 변압기의 제1 코어(110)와 제2 코어(120)는 서로 대칭되게 마주보며, 소정의 거리를 두고 이격되어 배치된다. 각각의 코어는 이격되어 배치되어 중족간에 공극(gc)을 가지고, 외족간에도 공극(go)을 가진다.
평면 변압기의 경우, PCB기판이나 구리박판에 적층되는 절연체의 두께는 제1 및 제2 코어(210, 220)의 간격을 형성할 수 있다. 따라서, 제1 및 제2 코어(210, 220)은 중족의 공극(gc)과 외족의 공극(go)을 가질 수 있다.
제1 및 제2 인덕터 권선부(111,112)의 끝단은 서로 연결되어 LLC 공진형 컨버터의 1차측 회로를 형성한다.
여기에서, 일반적인 공진형 컨버터에서는 제1 및 제2 인덕터 권선부(111,112)의 권선수(Np1, Np2)는 Np로 동일하고, 제1 및 제2 변압기 권선부(121,122)의 권선수(Ns1, Ns2)는 Ns로 동일하다.
본 발명의 일 실시예에 따른 변압기를 적용한 LLC 공진형 컨버터는 제1 및 제2 인덕터 권선부(111,112)의 점(Dot)에 양의 전압이 인가될 때 제1 변압기 권선부(121)를 통해 출력 측으로 전력전달 된다. 이 경우, 제1 및 제2 인덕터 권선부(111,112)는 변압기로서 작동을 하는 동시에 제1 인덕터 권선부(111)는 자화인덕터(Lp), 제2 인덕터 권선부(112)는 공진형 인덕터(Lr)로 동작한다. 따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 변압기를 적용한 LLC 공진형 컨버터는 공진동작을 위한 별도의 외부 인덕터나 큰 누설 인덕터를 가지지 않을 수 있다. 또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 LLC 공진형 컨버터는 영전압스위칭이나 출력전력제어와 같은 모든 동작이 가능하므로, 변압기(100)는 소형화 가능하다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 변압기를 포함하여 LLC 공진형 컨버터를 구현되는 것을 나타낸 회로도이다.
도 3을 참조하면, 변압기(100)와 정류부(300)가 포함된 LLC 공진형 컨버터 등가 회로가 도시되어 있다.
변압기(100)는 도 1 및 도 2의 등가 회로를 나타낸다. 변압기의 자기적 결합도가 높은 경우나 평면변압기의 경우, 변압기는 누설인덕턴스의 확보가 어렵다. 도 3의 등가 회로는 누설인덕턴스가 무시할 만큼 적게 발생한다고 가정하고, 본 발명의 일 실시예에 따른 변압기(100)의 자기회로를 등가적인 전기적 인덕턴스모델로 나타낸 것이다.
제1 및 제2 인덕터 권선부(111,112)에 전류가 인가될 때, 제1 및 제2 인덕터 권선부(111,112)는 제1 및 제2 코어의 중족에서 형성된 자속에 의해 중족 인덕턴스(Lc)를 발생시키고, 제1 및 제2 코어의 외족에 형성된 자속으로 제1 및 제2 외족인덕턴스(Lo1, Lo2)가 발생한다.
제1 코어의 외족 및 중족의 권선수와, 제1 코어 및 제2 코어의 공극에 따른 인덕턴스 (Lc, Lo)는 다음의 식에 의해서 결정된다.
Figure 112017050611803-pat00001
Figure 112017050611803-pat00002
제1 및 제2 인덕터 권선부(111, 112)의 권선수(Np1, Np2)는 동일하다고 가정한다. 중족 인덕턴스(Lc)는, 제1 및 제2 코어(110,120)의 중족간 이격거리, 즉 중족의 공극(gc)과 중족의 단면적(Ac)과 제1 코어(110)의 외족을 감싸는 제1 및 제2 인덕터 권선부(111,112)의 권선수(Np1, Np2)와 공기의 투자율(μ)에 따라 결정된다.
외족인덕턴스(Lo)는, 제1 및 제2 코어(110, 120)의 외족의 공극(go), 외족의 단면적(Ao)에 따라 결정된다.
변압기(100)의 제1 및 제2 인덕터 권선부(111,112)는 공진 커패시터(Cr)와 구형파 전원(Vin)에 직렬 연결되고, 변압기(100)의 제1 및 제2 변압기 권선부(121, 122)는 정류부에 연결된다.
구형파 전원(Vin)의 입력전압은 양의 극성을 가질 때 변압기(100)의 점(Dot)으로 전류가 들어가고, 제1 외족인덕턴스(Lo1)는 자화인덕터(Lp)로 동작하고, 제2 외족인덕턴스(Lo2)와 중족 인덕턴스(Lc)의 병렬연결부분이 공진인덕터(Lr)로 동작한다. 또한, 구형파 전원(Vin)의 입력전압이 음의 극성을 가질 때 변압기(100)의 점(Dot)에서 전류가 나오고, 제2 외족인덕턴스(Lo2)는 자화인덕터(Lp)로 동작하고, 제1 외족인덕턴스(Lo1)와 중족 인덕턴스(Lc)의 병렬연결부분이 공진인덕터(Lr)의 역할을 한다.
따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 LLC 공진형 컨버터는 종래의 변압기와 달리 공진동작을 위한 별도의 외부인덕터나 큰 누설 인덕터가 전혀 필요 없이 중족 인덕턴스(Lc), 제1 및 제2 외족인덕턴스(Lo1, Lo2)에 의해 종래의 LLC 공진형 컨버터와 그 동작이 동일하며 출력전력제어 가능하다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 변압기에 전압이 인가된 경우, 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 변압기에 전압이 인가되지 않는 경우, LLC 공진형 컨버터의 전류 흐름을 나타낸 회로도와 등가회로이다.
도 4, 도 5를 참조하면, 스위칭부(500), 공진커패시터(Cr)는 변압기(100)의 1차측 회로와 직렬연결되고, 변압기(100)의 2차측 회로는 정류부(300)와 연결된다.
스위칭부(500)는 입력전원과 MOSFET과 같은 반도체 소자로 이루어진 스위치 M1, M2로 구성될 수 있다. 스위칭부의 스위치 M1, M2사이 노드(a)와 전압부와 M2 스위치 사이 노드(b)에 변압기와 커패시터가 연결된다. M1과 M2의 온오프는 번갈아가면서 작동한다. 정류부(300)는 변압기의 2차측 회로에 연결되고, 정류부의 끝단에는 부하가 걸린다. 출력전압(Vo)은 부하에 걸리는 전압이다.
제1 코어(110) 외족에 감긴 제1 인덕터 권선부(111)의 권선수와 제2 인덕터 권선부(112)의 권선수가 같으면, 제1 및 제2 외족인덕턴스(Lo1, Lo2)는 동일하다.
이하, 상기와 같이 구성된 본 발명의 일 실시예에 따른 변압기(100) 및 LCC 공진형 컨버터는 하기 과정을 따라 동작한다.
도 4 (a)를 참조하면, 모드 1은 발명의 일 실시 예에 따른 LLC 공진형 컨버터의 스위치 M1이 턴온되고, 변압기 인덕턴스 모델에 양(+)의 AC 구형파 입력전압이 인가된 상태를 의미한다. 모드 1의 경우 LLC 공진형 컨버터 회로 내의 전류흐름 및 등가모델은 도 4(b) 와 같다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 LLC 공진형 컨버터의 작동모드에 따른 입력 전압과 1차회로의 전류 2차회로의 전류의 양을 나타내는 그래프이다.
모드 1의 경우 스위치 M1이 턴온되어 a와 b사이의 전압에 양의 입력전압이 인가됨에 따라 변압기(100) 1차측 권선의 점(Dot)에 양의 전압이 인가되고 정류부(300)의 제1 다이오드(D_o1)를 통해 출력부하로 전력전달이 이루어진다. 이 때 출력전압은 변압기(100)의 턴비를 고려하여 제1 외족인덕턴스(Lo1)에 인가되게 된다. 따라서, 제1 외족인덕턴스(Lo1)에 흐르는 전류는 출력전압에 따라 선형적으로 전류가 증가하게 되며, 공진동작에는 관여하지 않는다.
도 6의 모드 1(M1)영역을 참조하면, 제1 외족인덕턴스(Lo1)에 흐르는 전류(ilo1)는 선형적으로 증가하게 됨을 알 수 있다.
한편 정류부(300)의 제2 다이오드(Do2)는 도통하지 않으며 중족 인덕턴스(Lc)와 제2 외족인덕턴스(Lo2)는 병렬로써 공진 커패시터(Cr)와 공진동작을 시작하며, 공진주파수는 공진 커패시터(Cr)와 제2 외족인덕턴스(Lo2)와 중족 인덕턴스(Lc)의 병렬 연결된 Lo2//Lc에 의하여 결정된다. 따라서, 모드 1에서 제1 외족인덕턴스(Lo1)는 일반적인 LLC 공진형 컨버터의 자화인덕터(Lp)역할을 하며, 제2 외족인덕턴스(Lo2)와 중족 인던턱스(Lc)의 병렬연결된 Lo2//Lc는 일반적인 LLC 공진형 컨버터의 공진인덕터(Lr) 또는 누설인덕터로 동작한다. 모드 1은 공진 커패시터(Cr)와중족 인덕턴스(Lc)와 제2 외족인덕턴스(Lo2)의 공진동작이 끝나고 스위치 M1이 오프되고 스위치 M2가 온되면 종료된다.
도 5(a) 를 참조하면, 모드 2는 스위치 M2가 턴온 되었을 때 시작되며 모드 1과 달리 a와 b사이에 0V 전압이 인가되는 경우에 해당한다. 이때 회로내의 전류흐름 및 등가모델은 도 5(b)와 같다. 모드 2에서는 스위치 M2가 턴온 되어 a와 b사이의 전압은 0이 인가된다.
모드 1에서 공진커패시터(Cr)에 저장되었던 전압이 변압기(100) 1차측으로 인가된다. 이로 인하여 변압기 점이 없는 부분(Non-Dot)에 양의 전압이 인가된다. 정류부의 제2 다이오드(Do2)를 통해 출력부하로 전력전달이 일어난다.
이때 출력전압은 변압기의 턴비를 고려하여 제2 외족인덕턴스(Lo2)에 인가되고, 변압기의 점이 없는 부분(Non-Dot)에 양의 전압이 인가되기 때문에 제2 외족인덕턴스(Lo2)에 흐르는 전류는 출력전압에 따라 선형적으로 감소하게 된다.
도 6의 모드 2(M2)영역을 참조하면, 제2 외족인덕턴스(Lo2)에 흐르는 전류(ilo2)는 선형적으로 감소하게 됨을 알 수 있다.
이때 정류부의 제1 다이오드(Do1)는 도통하지 않으므로, 제1 외족인덕턴스(Lo1)와 중족 인덕턴스(Lc)는 병렬 연결되어 공진 커패시터(Cr)와 공진동작을 시작하며, 이 때 공진주파수는 제1 외족인덕턴스(Lo1)와 중족 인덕턴스(Lc)는 병렬 연결된 Lo1//Lc와 공진 커패시터(Cr)에 의하여 결정된다. 모드 2에서 제2 외족인덕턴스(Lo2)는 일반적인 LLC공진형 컨버터의 자화인덕터(Lp)로 동작하며, 제1 외족인덕턴스(Lo1)와 중족 인덕턴스(Lc)는 병렬 연결된 Lo1//Lc는 일반적인 LLC공진형 컨버터의 공진인덕터(Lr) 또는 누설인덕터로 동작한다. 모드 2 동작은 제1 외족인덕턴스(Lo1)와 중족 인덕턴스(Lc)는 병렬 연결된 Lo1//Lc와 공진 커패시터(Cr)의 공진동작이 끝나고 스위치 M2가 턴오프 되고 스위치 M1이 턴온 되면 종료되며, 이후 모드 1 을 반복한다.
실제 동작 시 제1 외족인덕턴스(Lo1)와 제2 외족인덕턴스(Lo2)는 서로 동일한 값을 가지도록 제1 및 제2 인덕터 권선부(111,112)의 권선수(Np1, Np2)를 동일하게 설정하기 때문에 모드 1과 모드 2에서의 공진주파수는 서로 동일하도록 설정된다.
도 7과 도8은 본 발명의 일 실시예에 따른 변압기를 하프-브리지 및 풀-브리지 LLC 공진형 컨버터에 적용한 것을 나타내는 도면이다.
도 7과 같이 공진 커패시터(Cr)와 변압기(100)는 하프-브릿지로 구성된 스위칭부(500)에 연결될 수도 있고, 도 8과 같이 스위칭부(500)는 풀-브릿지로 구성될 수 있다. 또한, 스위칭부(500)는 AC 구형파를 출력하는 모든 인버터에 적용 가능하다.
이상과 같이, 본 발명의 일 실시예 따른 변압기는, 평면변압기에도 적용 가능할 뿐만 아니라, 인덕터간에 자기적 결합도가 높아 누설 인덕턴스가 거의 발생하지 않는 경우에도 적용 가능하다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 변압기와 LLC 공진형 컨버터는 별도의 외부인덕터나 큰 누설인덕터를 사용하지 않고, 종래의 LLC 공진형 컨버터와 동일한 동작이 가능하다. 평면변압기의 경우에 필수적으로 사용했던 외부인덕터와 변압기가 하나의 자성체만으로 동작이 가능하므로 전력변환장치의 고전력밀도 구현에 매우 유리하다.
공진 인덕턴스의 값과 자화 인덕턴스의 값은 코어의 외족의 공극(go), 중족의 공극(gc), 외족 및 중족의 단면적(Ao, Ac), 제1 및 제2 인덕터 권선부의 권선수(Np1)에 의해서 결정할 수 있다. 따라서, 공진 인덕턴스의 값과 자화 인덕턴스의 값을 설계자가 의도한대로 설계를 할 수 있으므로, 필요한 입출력 사용에 따라 전력 변환장치의 설계 가능하다.
이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술 사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형 가능함은 물론이다.
변압기: 100
제1 코어: 110, 210
제1 인덕터 권선부: 111, 211
제2 인덕터 권선부: 112, 212
제2 코어: 120, 220
제1 변압기 권선부: 121, 221
제2 변압기 권선부: 122, 222
정류부: 300
스위칭부: 500

Claims (10)

  1. 한 쌍의 외족 및 상기 외족 사이에 위치하는 중족을 가지며, 자계 형성을 유도하도록 제공되는 제1 및 제2 코어;
    상기 제1 코어의 한 쌍의 외족 각각의 둘레를 감싸는 도전체를 포함하며, 서로 직렬 연결되는 제1 및 제2 인덕터 권선부; 및
    상기 제2 코어의 한 쌍의 외족 각각의 둘레를 감싸는 도전체를 포함하는 제1 및 제2 변압기 권선부;를 포함하며,
    상기 제1 코어의 한 쌍의 외족은 상기 제2 코어의 한 쌍의 외족과 마주보고, 상기 제1 코어의 중족은 상기 제2 코어의 중족과 마주보며, 상기 제1 코어 및 상기 제2 코어는 이격되어 배치되고,
    상기 제1 및 제2 인덕터 권선부는,
    전류가 인가될 때, 상기 제1 및 제2 코어의 중족에서 형성된 자속에 의해 중족인덕턴스를 발생시키고, 상기 제1 및 제2 코어의 외족에서 형성된 자속에 의해 제1 및 제2 외족인덕턴스를 발생시키며,
    상기 제1 외족인덕턴스는,
    상기 제1 및 제2 인덕터 권선부에 전압이 인가되어 상기 제2 외족인덕턴스와 상기 중족 인덕턴스가 공진인덕터로 동작하는 경우, 자화인덕터로 동작하고,
    상기 제2 외족인덕턴스는,
    상기 제1 및 제2 인덕터 권선부에 전압이 인가되지 않아 상기 제1 외족인덕턴스와 상기 중족 인덕턴스가 공진인덕터로 동작하는 경우, 자화인덕터로 동작하는, 변압기.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 중족 인덕턴스는,
    상기 제1 및 제2 코어의 상기 중족 간 이격거리, 상기 중족의 단면적과 상기 제1 코어의 외족을 감싸는 제1 및 제2 인덕터 권선부의 권선수에 따라 결정되고,
    상기 제1 및 제2 외족인덕턴스는,
    상기 제1 및 제2 코어의 상기 외족 간 이격거리, 상기 외족의 단면적과 상기 제1 코어의 외족을 감싸는 제1 및 제2 인덕터 권선부의 권선수에 따라 결정되는, 변압기.
  4. 제3항에 있어서,
    제1 인덕터 권선부의 권선수와 제2 인덕터 권선부의 권선수는 동일한, 변압기.
  5. 삭제
  6. 스위칭 제어 신호에 따라 전원을 공급하는 스위칭부;
    상기 스위칭부에 연결되는 공진 커패시터에 직렬 연결되는 변압기; 및
    상기 변압기에 연결되는 정류부로 구성되고,
    상기 변압기는, 한 쌍의 외족 및 상기 외족 사이에 위치하는 중족을 가지며, 자계 형성을 유도하도록 제공되는 제1 및 제2 코어; 상기 제1 코어의 한 쌍의 외족 각각의 둘레를 감싸는 도전체를 포함하며, 서로 직렬 연결되는 제1 및 제2 인덕터 권선부; 및 상기 제2 코어의 한 쌍의 외족 각각의 둘레를 감싸는 도전체를 포함하는 제1 및 제2 변압기 권선부;를 포함하며,상기 제1 코어의 한 쌍의 외족은 상기 제2 코어의 한 쌍의 외족과 마주보고, 상기 제1 코어의 중족은 상기 제2 코어의 중족과 마주보며, 상기 제1 코어 및 상기 제2 코어는 이격되어 배치되며,
    상기 제1 및 제2 인덕터 권선부는,
    전류가 인가될 때, 상기 제1 및 제2 코어의 중족에서 형성된 자속에 의해 중족 인덕턴스를 발생시키고, 상기 제1 및 제2 코어의 외족에서 형성된 자속에 의해 제1 및 제2 외족인덕턴스를 발생시키며,
    상기 제1 외족인덕턴스는,
    상기 제1 및 제2 인덕터 권선부에 전압이 인가되어 상기 제2 외족인덕턴스와 상기 중족 인덕턴스가 공진인덕터로 동작하는 경우, 자화인덕터로 동작하고,
    상기 제2 외족인덕턴스는,
    상기 제1 및 제2 인덕터 권선부에 전압이 인가되지 않아 상기 제1 외족인덕턴스와 상기 중족 인덕턴스가 공진인덕터로 동작하는 경우, 자화인덕터로 동작하는, LLC 공진형 컨버터.
  7. 삭제
  8. 제6항에 있어서,
    제1 인덕터 권선부의 권선수와 제2 인덕터 권선부의 권선수는 동일한, LLC 공진형 컨버터.
  9. 삭제
  10. 제6항에 있어서,
    상기 스위칭부는 하프-브리지 또는 풀-브리지로 구성되는, LLC 공진형 컨버터.
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