KR102128327B1 - Llc resonant converter and operation method thereof - Google Patents
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Abstract
본 실시예는, 직류 입력전압 Vin을 소정 레벨의 교류전압으로 변환하는 1차측 회로 및 상기 변환된 교류전압을 정류하여 직류 출력전압 Vo을 공급하는 2차측 회로를 포함하는 LLC 공진컨버터(resonant converter)에 있어서, 상기 1차측 회로는, 변압기 T1, 공진 인덕터 Lpl1 및 공진 커패시터 Cr1을 포함하는 제1 공진회로부; 변압기 T2, 공진 인덕터 Lpl2 및 공진 커패시터 Cr2를 포함하는 제2 공진회로부; 스위칭 동작을 통해 상기 직류 입력전압 Vin을 교류전압으로 변환하여 상기 제1 공진회로부 및 상기 제2 공진회로부에 인가하는 복수의 스위칭소자를 포함하고, 상기 2차측 회로는, 상기 변압기 T1 및 상기 변압기 T2의 2차측 코일에 접속되어 상기 1차측 회로에 의해 변환된 교류전압을 정류하는 복수의 다이오드를 포함하는 정류부를 포함하되, 상기 공진 커패시터 Cr1 및 상기 공진 커패시터 Cr2는 공진요소의 허용오차(Tolerance)로 인한 상기 2차측 회로의 전류불평형을 방지하기 위하여 일단 및 타단이 각각 공통 연결되는 LLC 공진 컨버터를 제공한다.This embodiment is an LLC resonant converter including a primary side circuit for converting a DC input voltage Vin to an AC voltage of a predetermined level and a secondary side circuit for rectifying the converted AC voltage to supply a DC output voltage Vo. The method of claim 1, wherein the primary circuit includes: a first resonant circuit unit including a transformer T1, a resonant inductor Lpl1 and a resonant capacitor Cr1; A second resonant circuit unit including a transformer T2, a resonant inductor Lpl2, and a resonant capacitor Cr2; And a plurality of switching elements that convert the DC input voltage Vin to an AC voltage through a switching operation and apply it to the first resonant circuit unit and the second resonant circuit unit, wherein the secondary-side circuit includes the transformer T1 and the transformer T2 It includes a rectifying unit including a plurality of diodes that are connected to the secondary coil of the rectifying the AC voltage converted by the primary circuit, the resonance capacitor Cr1 and the resonance capacitor Cr2 is the tolerance of the resonance element (Tolerance) In order to prevent the current imbalance of the secondary-side circuit, an LLC resonant converter having one end and the other end in common connection is provided.
Description
본 발명은 LLC 공진컨버터에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 넓은 입출력전압 제어범위를 갖는 LLC 공진컨버터 및 그 동작 방법에 관한 것이다.The present invention relates to an LLC resonant converter, and more particularly, to an LLC resonant converter having a wide input/output voltage control range and a method for operating the same.
이 부분에 기술된 내용은 단순히 본 실시예에 대한 배경정보를 제공할 뿐 종래 기술을 구성하는 것은 아니다.The contents described in this section merely provide background information for this embodiment, and do not constitute a prior art.
최근 마이크로그리드, 에너지저장시스템(ESS), 전기자동차(EV Charger) 및 지게차 충전시스템 등 다양한 응용분야에서 넓은 입출력 제어범위를 갖는 전력변환장치에 대한 수요가 증가하고 있다.2. Description of the Related Art Recently, demand for a power conversion device having a wide input/output control range is increasing in various application fields such as a microgrid, an energy storage system (ESS), an electric vehicle (EV charger), and a forklift charging system.
이에 따라, E-mobility 관련 충전시스템의 경우, 다양한 차종의 배터리를 충전시킬 수 있도록 2배 이상의 넓은 입출력 제어범위를 갖는 DC-DC 컨버터 전력변환장치에 대한 연구개발이 활발히 진행되고 있다.Accordingly, in the case of an E-mobility-related charging system, research and development of a DC-DC converter power converter having a wide input/output control range of 2 times or more to charge various types of batteries has been actively conducted.
특히, 고집적화 및 고효율을 달성하기 위하여, 고주파 스위칭과 모든 출력전압 및 부하조건에서 영전압스위칭(Zero Voltage Switching: ZVS)이 가능한 LLC 공진컨버터(LLC resonant converter)에 대한 연구개발이 활발히 진행되고 있다.In particular, in order to achieve high integration and high efficiency, research and development of an LLC resonant converter capable of high-frequency switching and zero voltage switching (ZVS) under all output voltage and load conditions has been actively conducted.
도 1은 종래 기술에 따른 풀-브리지 LLC 공진컨버터를 나타내는 도면이고, 도 2는 도 1의 풀-브리지 LLC 공진컨버터의 이득특성을 나타내는 도면이다.1 is a view showing a full-bridge LLC resonant converter according to the prior art, and FIG. 2 is a view showing the gain characteristics of the full-bridge LLC resonant converter of FIG. 1.
도 2에서 가로축은 스위칭 주파수를 나타내고, 세로축은 DC 입출력 전압비(즉, 이득(gain))를 나타내며, 저항 R1 내지 R8의 부하 저항값은 'R8<R7<R6 ··· <R1'이다.In FIG. 2, the horizontal axis represents the switching frequency, the vertical axis represents the DC input/output voltage ratio (ie, gain), and the load resistance values of the resistors R1 to R8 are'R8<R7<R6...<R1'.
도 1를 참조하면, 풀-브리지(Full-Bridge) LLC 공진컨버터(100)는, 1차측 회로(110)의 스위치 Q1 및 Q2와, 스위치 Q3 및 Q4가 50%의 듀티비(duty ratio)로 상호 교번하여 스위칭 동작함으로써, 단자 a와 b 사이에 입력전압(Vin)과 동일한 크기의 전압이 인가되어 2차측 회로(130)로 전달된다. 구체적으로, 스위치 Q1 및 Q4가 턴-온되고 스위치 Q2 및 Q3가 턴-오프된 경우, 단자 a와 b 사이에 +Vin의 전압이 인가된다. 반대로, 스위치 Q1 및 Q4가 턴-오프되고 스위치 Q2 및 Q3가 턴-온된 경우, 단자 a와 b 사이에 -Vin의 전압이 인가된다.Referring to FIG. 1, the full-bridge LLC
도 2를 참조하면, 풀-브리지 LLC 공진 컨버터(100)는 스위칭 주파수 변조 방식으로 스위치 Q1 내지 Q4를 제어하여 이득(gain)을 조절할 수 있다. 구체적으로, 풀-브리지 LLC 공진 컨버터(100)의 이득특성은, 공진주파수(fr)를 기준으로, 스위칭 주파수가 최소제어주파수(fmin)까지 낮아질수록 높아지고, 스위칭 주파수가 높아질수록 낮아진다. 풀-브리지 LLC 공진 컨버터(100)는 이와 같은 이득특성을 이용하여 입출력전압을 넓은 범위에서 제어할 수 있다.Referring to FIG. 2, the full-bridge LLC
LLC 공진컨버터(100)의 이득특성은 부하의존성이 강하여 부하의 크기에 따라 이득특성이 다르게 나타난다. 구체적으로, LLC 공진컨버터(100)가 경부하(Light Load) 동작하는 경우(예컨대, 도 2의 V(f,R1)), 스위칭 주파수에 따른 이득특성 변화가 크므로 입출력전압의 제어범위가 넓어지게 된다. 그러나, LLC 공진컨버터(100)가 중부하(Heavy Load) 동작하는 경우(예컨대, V(f,R7)), 스위칭 주파수에 따른 이득특성 변화가 작으므로 입출력전압의 제어범위가 좁아지게 된다.The gain characteristic of the
변압기(T1)의 자화 인덕턴스(Lpm1)를 아주 작게 설계하여 이득특성을 개선시킬 수 있으나, 이 경우 자화전류가 증가하여 도통손실(conduction loss)이 증가하고 효율이 감소한다는 문제가 있다.The magnetization inductance (Lpm1) of the transformer (T1) is designed to be very small to improve the gain characteristics, but in this case, there is a problem that the conduction loss increases and the efficiency decreases as the magnetizing current increases.
또한, 이득특성의 부하의존성을 줄이기 위하여 병렬 동작하는 LLC 공진컨버터가 제안되었으나, 이 경우 개별 컨버터의 공진요소(예: 변압기 누설 인덕턴스 및 자화 인덕턴스, 공진 커패시터 등)의 허용오차(Tolerance)에 따른 이득차이로 인해 2차측 회로에 전류불평형이 발생할 수 있다는 문제가 있다.In addition, in order to reduce the load dependence of the gain characteristics, an LLC resonant converter that operates in parallel has been proposed, but in this case, the gain according to the tolerance of the resonant elements of individual converters (eg, transformer leakage inductance and magnetization inductance, resonant capacitor, etc.) There is a problem that current imbalance may occur in the secondary circuit due to the difference.
도 3은 종래 기술에 따른 6-스위치 LLC 공진컨버터를 나타내는 도면이고, 도 4는 도 3의 6-스위치 LLC 공진컨버터의 이득특성을 나타내는 도면이다.3 is a view showing a 6-switch LLC resonant converter according to the prior art, and FIG. 4 is a view showing a gain characteristic of the 6-switch LLC resonant converter of FIG. 3.
도 3의 6-스위치 LLC 공진컨버터는 한국등록 제10-1837603호(등록일: 2018.03.06)에서 개시된다.The 6-switch LLC resonant converter of FIG. 3 is disclosed in Korean Registration No. 10-1837603 (Registration Date: 2018.03.06).
또한, 도 4에서 가로축은 스위칭 주파수를 나타내고, 세로축은 DC 입출력 전압비(즉, 이득(gain))를 나타낸다.In addition, in Figure 4, the horizontal axis represents the switching frequency, and the vertical axis represents the DC input/output voltage ratio (ie, gain).
도 3 및 4를 참조하면, 6-스위치 LLC 공진컨버터(300)는, 2차측 회로(330)의 전류불평형을 방지하기 위하여, 제0 모드(Mode 0) 및 제1 모드(Mode 1)에서, 제1 공진회로부(311)와 제2 공진회로부(313)는 직렬 동작하고, 2차측 회로(330)의 각 변압기의 2차측 권선 NS11과 NS22, NS12과 NS21은 각각 병렬 동작하며 정류 다이오드(D1과 D3, D4와 D6)를 통해 정류된 공진전류를 부하에 공급함으로써 전력을 전달한다.3 and 4, the 6-switch
또한, 6-스위치 LLC 공진컨버터(300)는, 제2 모드(Mode 2)와 제3 모드(Mode 3)에서, 제1 공진회로부(311)와 제2 공진회로부(313)는 병렬 동작하고, 2차측 회로(330)의 정류부의 각 변압기의 2차측 권선 NS11과 NS21, NS12와 NS22는 각각 직렬 동작하며 정류 다이오드(D2와 D5)를 통해 정류된 공진전류를 부하에 공급함으로써 전력을 전달한다.In addition, the 6-switch
따라서, 공진회로부(311, 313)의 공진요소에 허용오차가 있더라도, 다이오드 출력정류부는 각 모드에서 전류불평형없이 안정적으로 동작하며, LLC 공진컨버터(300)는 넓은 입출력 제어범위(입력전압 : Vin/16 ~ Vin, 출력전압 : Vo ~ 16Vo)를 갖게 된다.Therefore, even if there are tolerances in the resonant elements of the
그러나, 공진회로부(311, 313)의 각 모드에서 변압기(T1, T2)의 1차측 또는 2차측은 직렬 동작하므로, 스위칭 주파수 변조 제어를 하는 경우 누설인덕턴스(Lpl1, Lpl2) 및 자화인덕턴스(Lpm1, Lpm2)로 인해 원하는 이득특성을 얻기 어렵다는 문제가 있다.However, in each mode of the
또한, 출력이 저전압 대전류의 경우 2차측 정류부에 필요한 다이오드의 개수가 많아지고, 제2 모드(Mode 2) 및 제3 모드(Mode 3)의 경우 2차측 직렬 동작에 따라 일부 다이오드(D2, D5)가 대전류를 모두 부담해야 하는 문제가 있다.In addition, in the case of low-voltage large-current output, the number of diodes required for the secondary-side rectifier increases, and in the case of the second mode (Mode 2) and the third mode (Mode 3), some diodes D2 and D5 according to the secondary-side series operation There is a problem in that it must bear all the large currents.
이와 같은 문제를 해결하기 위하여, 1차측 스위칭 패턴 및 변압기(T1, T2)의 1,2차측 권선극성을 바꾸어 공진회로부(311, 313)의 1차측 및 2차측 정류부가 각각 병렬로 동작하도록 할 수 있지만, 이 경우 공진요소의 허용오차에 따라 2차측 회로에 전류불평형이 크게 발생할 수 있다는 문제가 있다.To solve this problem, the primary and secondary rectifiers of the
본 실시예는 2차측 회로의 전류불평형없이 넓은 범위에서 입출력을 제어할 수 있는 LLC 공진컨버터 및 그 동작 방법을 제공하고자 한다.This embodiment is to provide an LLC resonant converter capable of controlling input and output in a wide range without current imbalance in the secondary circuit and a method of operating the same.
본 실시예의 일 측면에 의하면, 직류 입력전압 Vin을 소정 레벨의 교류전압으로 변환하는 1차측 회로 및 상기 변환된 교류전압을 정류하여 직류 출력전압 Vo을 공급하는 2차측 회로를 포함하는 LLC 공진컨버터(resonant converter)에 있어서, 상기 1차측 회로는, 변압기 T1, 공진 인덕터 Lpl1 및 공진 커패시터 Cr1을 포함하는 제1 공진회로부; 변압기 T2, 공진 인덕터 Lpl2 및 공진 커패시터 Cr2를 포함하는 제2 공진회로부; 스위칭 동작을 통해 상기 직류 입력전압 Vin을 교류전압으로 변환하여 상기 제1 공진회로부 및 상기 제2 공진회로부에 인가하는 복수의 스위칭소자를 포함하고, 상기 2차측 회로는, 상기 변압기 T1 및 상기 변압기 T2의 2차측 코일에 접속되어 상기 1차측 회로에 의해 변환된 교류전압을 정류하는 복수의 다이오드를 포함하는 정류부를 포함하되, 상기 공진 커패시터 Cr1 및 상기 공진 커패시터 Cr2는 공진요소의 허용오차(Tolerance)로 인한 상기 2차측 회로의 전류불평형을 방지하기 위하여 일단 및 타단이 각각 공통 연결되는 LLC 공진 컨버터를 제공한다. According to an aspect of this embodiment, the LLC resonant converter including a primary side circuit for converting a DC input voltage Vin to an AC voltage of a predetermined level and a secondary side circuit for rectifying the converted AC voltage to supply a DC output voltage Vo ( In the resonant converter), the primary circuit includes: a first resonant circuit unit including a transformer T1, a resonant inductor Lpl1 and a resonant capacitor Cr1; A second resonant circuit unit including a transformer T2, a resonant inductor Lpl2, and a resonant capacitor Cr2; And a plurality of switching elements that convert the DC input voltage Vin to an AC voltage through a switching operation and apply it to the first resonant circuit unit and the second resonant circuit unit, wherein the secondary-side circuit includes the transformer T1 and the transformer T2. It includes a rectifying unit including a plurality of diodes that are connected to the secondary coil of the rectifying the AC voltage converted by the primary circuit, the resonance capacitor Cr1 and the resonance capacitor Cr2 is the tolerance of the resonance element (Tolerance) In order to prevent the current imbalance of the secondary-side circuit, an LLC resonant converter having one end and the other end in common connection is provided.
본 실시예의 다른 측면에 의하면, 직류 입력전압 Vin을 소정 레벨의 교류전압으로 변환하는 1차측 회로 및 상기 변환된 교류전압을 정류하여 직류 출력전압 Vo을 출력하는 2차측 회로를 포함하는 LLC 공진컨버터(resonant converter)에 있어서, 상기 1차측 회로는, 변압기 T1, 공진 인덕터 Lpl1 및 공진 커패시터 Cr1을 포함하는 제1 공진회로부; 변압기 T2, 공진 인덕터 Lpl2 및 공진 커패시터 Cr2를 포함하는 제2 공진회로부; 스위칭 동작을 통해 상기 직류 입력전압 Vin을 교류전압으로 변환하여 상기 제1 공진회로부 및 상기 제2 공진회로부에 인가하는 복수의 주 스위칭소자 및 적어도 하나의 보조 스위칭소자를 포함하고, 상기 2차측 회로는, 상기 변압기 T1 및 상기 변압기 T2의 2차측 코일에 접속되어 상기 1차측 회로에 의해 변환된 교류전압을 정류하는 복수의 다이오드를 포함하는 정류부를 포함하되, 상기 공진 커패시터 Cr1 및 상기 공진 커패시터 Cr2는 공진요소의 허용오차(Tolerance)로 인한 상기 2차측 회로의 전류불평형을 방지하기 위하여 일단 및 타단이 각각 공통 연결되는 LLC 공진 컨버터를 제공한다.According to another aspect of this embodiment, the LLC resonant converter including a primary side circuit for converting a DC input voltage Vin into an AC voltage of a predetermined level and a secondary side circuit for rectifying the converted AC voltage to output a DC output voltage Vo ( In the resonant converter), the primary circuit includes: a first resonant circuit unit including a transformer T1, a resonant inductor Lpl1 and a resonant capacitor Cr1; A second resonant circuit unit including a transformer T2, a resonant inductor Lpl2, and a resonant capacitor Cr2; And a plurality of main switching elements and at least one auxiliary switching element applied to the first resonant circuit unit and the second resonant circuit unit by converting the DC input voltage Vin into an AC voltage through a switching operation. , A rectifying unit including a plurality of diodes connected to the secondary coils of the transformer T1 and the transformer T2 to rectify the AC voltage converted by the primary circuit, wherein the resonant capacitor Cr1 and the resonant capacitor Cr2 resonate An LLC resonant converter in which one end and the other end are commonly connected to each other is provided to prevent current imbalance of the secondary circuit due to element tolerance.
본 실시예에 따른 LLC 공진컨버터는 1차측 및 2차측 전류분담을 통해 컨버터 용량을 증대시키고, 일정한 스위칭 주파수에서 출력전압을 제어함으로써 컨버터 효율을 개선시킬 수 있는 효과가 있다.The LLC resonant converter according to this embodiment has an effect of improving converter efficiency by increasing converter capacity through primary and secondary current sharing and controlling the output voltage at a constant switching frequency.
도 1은 종래 기술에 따른 풀-브리지 LLC 공진컨버터를 나타내는 도면이다.
도 2는 도 1의 풀-브리지 LLC 공진컨버터의 이득특성을 나타내는 도면이다.
도 3은 종래 기술에 따른 6-스위치 LLC 공진컨버터를 나타내는 도면이다.
도 4는 도 3의 6-스위치 LLC 공진컨버터의 이득특성을 나타내는 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 LLC 공진컨버터를 나타내는 도면이다.
도 6은 도 5의 LLC 공진컨버터의 이득특성을 나타내는 도면이다.
도 7은 도 5의 LLC 공진컨버터의 2차측 정류부를 예시적으로 나타내는 도면이다.
도 8a는 도 5의 LLC 공진컨버터가 제1 모드의 일 예로 동작하는 경우 동작파형을 나타내는 도면이다.
도 8b 내지 8e는 도 5의 LLC 공진컨버터가 제1 모드의 일 예로 동작하는 경우 전류패스를 나타내는 도면이다.
도 9a는 도 5의 LLC 공진컨버터가 제1 모드의 다른 예로 동작하는 경우 동작파형을 나타내는 도면이다.
도 9b 내지 9e는 도 5의 LLC 공진컨버터가 제1 모드의 다른 예로 동작하는 경우 전류패스를 나타내는 도면이다.
도 10a는 도 5의 LLC 공진컨버터가 제2 모드의 일 예로 동작하는 경우 동작파형을 나타내는 도면이다.
도 10b 내지 10e는 도 5의 LLC 공진컨버터가 제2 모드의 일 예로 동작하는 경우 전류패스를 나타내는 도면이다.
도 11은 도 5의 LLC 공진컨버터의 응용예를 나타내는 도면이다.
도 12는 도 5의 LLC 공진컨버터와 종래 기술에 따른 LLC 공진 컨버터의 동작 성능을 비교한 실험결과를 나타내는 그래프이다.
도 13은 본 발명의 다른 실시예에 따른 LLC 공진컨버터를 나타내는 도면이다.
도 14는 도 13의 LLC 공진컨버터의 이득특성을 나타내는 도면이다.
도 15a는 도 13의 LLC 공진컨버터가 제1 모드의 일 예로 동작하는 경우 동작파형을 나타내는 도면이다.
도 15b 내지 15g는 도 13의 LLC 공진컨버터가 제1 모드의 일 예로 동작하는 경우 전류패스를 나타내는 도면이다.
도 16a는 도 13의 LLC 공진컨버터가 제2 모드의 일 예로 동작하는 경우 동작파형을 나타내는 도면이다.
도 16b 내지 16e는 도 13의 LLC 공진컨버터가 제2 모드의 일 예로 동작하는 경우 전류패스를 나타내는 도면이다.
도 17은 도 13의 LLC 공진컨버터의 응용예를 나타내는 도면이다.
도 18은 도 13의 LLC 공진컨버터와 종래 기술에 따른 LLC 공진 컨버터의 동작 성능을 비교한 실험결과를 나타내는 그래프이다.1 is a view showing a full-bridge LLC resonant converter according to the prior art.
FIG. 2 is a diagram showing the gain characteristics of the full-bridge LLC resonant converter of FIG. 1.
3 is a view showing a 6-switch LLC resonant converter according to the prior art.
FIG. 4 is a diagram showing gain characteristics of the 6-switch LLC resonant converter of FIG. 3.
5 is a view showing an LLC resonant converter according to an embodiment of the present invention.
FIG. 6 is a view showing gain characteristics of the LLC resonant converter of FIG. 5.
7 is a view exemplarily showing a secondary side rectifying part of the LLC resonant converter of FIG. 5.
FIG. 8A is a diagram illustrating an operation waveform when the LLC resonant converter of FIG. 5 operates as an example of the first mode.
8B to 8E are diagrams showing a current path when the LLC resonant converter of FIG. 5 operates as an example of the first mode.
9A is a diagram illustrating an operation waveform when the LLC resonant converter of FIG. 5 operates as another example of the first mode.
9B to 9E are diagrams showing a current path when the LLC resonant converter of FIG. 5 operates as another example of the first mode.
FIG. 10A is a diagram illustrating an operation waveform when the LLC resonant converter of FIG. 5 operates as an example of the second mode.
10B to 10E are diagrams showing a current path when the LLC resonant converter of FIG. 5 operates as an example of the second mode.
11 is a view showing an application example of the LLC resonant converter of FIG. 5.
12 is a graph showing the experimental results of comparing the operating performance of the LLC resonant converter of FIG. 5 and the LLC resonant converter according to the prior art.
13 is a view showing an LLC resonant converter according to another embodiment of the present invention.
14 is a view showing gain characteristics of the LLC resonant converter of FIG. 13.
15A is a diagram illustrating an operation waveform when the LLC resonant converter of FIG. 13 operates as an example of the first mode.
15B to 15G are diagrams showing a current path when the LLC resonant converter of FIG. 13 operates as an example of the first mode.
FIG. 16A is a diagram illustrating an operation waveform when the LLC resonant converter of FIG. 13 operates as an example of the second mode.
16B to 16E are diagrams showing a current path when the LLC resonant converter of FIG. 13 operates as an example of the second mode.
17 is a diagram illustrating an application example of the LLC resonant converter of FIG. 13.
18 is a graph showing experimental results comparing the performance of the LLC resonant converter of FIG. 13 and the LLC resonant converter according to the prior art.
이하, 본 발명의 일부 실시예들을 예시적인 도면을 통해 상세하게 설명한다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의하여야 한다. 또한, 본 발명의 실시예를 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.Hereinafter, some embodiments of the present invention will be described in detail through exemplary drawings. It should be noted that in adding reference numerals to the components of each drawing, the same components have the same reference numerals as possible, even if they are displayed on different drawings. In addition, in describing the embodiments of the present invention, when it is determined that detailed descriptions of related well-known structures or functions may obscure the subject matter of the present invention, detailed descriptions thereof will be omitted.
또한, 본 발명의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제 1, 제 2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다. 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 '포함', '구비'한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 또한, 명세서에 기재된 '…부,' '모듈' 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.In addition, in describing the components of the present invention, terms such as first, second, A, B, (a), and (b) may be used. These terms are only for distinguishing the component from other components, and the nature, order, or order of the component is not limited by the term. Throughout the specification, when a part is'included' or'equipped' a component, this means that other components may be further included rather than excluded other components unless specifically stated to the contrary. . In addition,'… The terms "unit" and "unit" mean a unit that processes at least one function or operation, which may be implemented by hardware or software or a combination of hardware and software.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 일 실시예들에 대해서 보다 상세하게 설명하기로 한다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 LLC 공진컨버터를 나타내는 도면이고, 도 6은 도 5의 LLC 공진컨버터의 이득특성을 나타내는 도면이다.5 is a view showing an LLC resonant converter according to an embodiment of the present invention, and FIG. 6 is a view showing a gain characteristic of the LLC resonant converter of FIG. 5.
도 7은 도 5의 LLC 공진컨버터의 2차측 정류부를 예시적으로 나타내는 도면이다.7 is a view exemplarily showing a secondary side rectifying part of the LLC resonant converter of FIG. 5.
우선 도 5를 참조하면, LLC 공진컨버터(500)는 1차측 회로(510)로서 6개의 스위칭소자(Q1 내지 Q6), 제1 공진회로부(511) 및 제2 공진회로부(513)를 포함할 수 있다. 또한, LLC 공진컨버터(500)는 2차측 회로(530)로서 정류부를 포함할 수 있다.First, referring to FIG. 5, the LLC
1차측 회로(510)에서, 스위칭소자 Q1 및 Q2가 직렬 연결된 제1 브리지암(Br1), 스위칭소자 Q3 및 Q4가 직렬 연결된 제2 브리지암(Br2) 및, 스위칭소자 Q5 및 Q6가 직렬 연결된 제3 브리지암(Br3)은, 입력전원(Vin)의 +단자와 -단자 사이에 병렬 연결된다.In the primary-
6개의 스위칭소자(Q1 내지 Q6)는 스위칭 동작을 통해 DC 입력전압을 AC 전압으로 변환하여 공진회로부에 인가하는 기능을 수행하며, 트랜지스터 등으로 구현될 수 있다.The six switching elements Q1 to Q6 convert a DC input voltage into an AC voltage through a switching operation and apply a function to the resonant circuit, and may be implemented as a transistor.
제1 공진회로부(511)는, 스위칭소자 Q1의 소스(source)와 Q2의 드레인(drain) 사이의 노드 a와, 스위칭소자 Q3의 소스와 Q4의 드레인 사이의 노드 b 사이에 연결된다.The first
또한, 제2 공진회로부(513)는, 스위칭소자 Q3의 소스와 Q4의 드레인 사이의 노드 b와, 스위칭소자 Q5의 소스와 Q6의 드레인 사이의 노드 c 사이에 연결된다.Further, the second
제1 공진회로부(511)는 제1 변압기 T1의 1차측 코일, 공진 인덕터 Lpl1 및 공진 커패시터 Cr1를 포함할 수 있다. 본 실시예의 일 측면에 따르면, 공진 인덕터 Lpl1은 제1 변압기 T1의 누설 인덕터(leakage inductor)일 수 있다.The first
제2 공진회로부(513)는 제2 변압기 T2의 1차측, 공진 인덕터 Lpl2 및 공진 커패시터 Cr2를 포함할 수 있다. 본 실시예의 일 측면에 따르면, 공진 인덕터 Lpl2는 제2 변압기 T2의 누설 인덕터일 수 있다.The second
제1 및 제2 공진회로부(511,513)은 각 변압기(T1, T2)의 1,2차 권선비에 따라 변압된 AC 전압을 2차측 회로(530)에 전달하는 기능을 수행한다.The first and second
도 5에서 LLC 공진컨버터(500)는 각 변압기(T1, T2)를 개별적으로 사용하는 것을 도시하고 있으나, 이는 예시적인 것이고, LLC 공진컨버터(500)는 하나의 변압기를 이용하여 구현될 수도 있다.In FIG. 5, the LLC
제1 및 제2 공진 커패시터(Cr1, Cr2)의 일단은 스위칭소자 Q3의 소스와 Q4의 드레인 사이의 노드 b에 공통 접속되며, 제1 및 제2 공진 커패시터(Cr1, Cr2)의 타단은 공통 연결된다. 여기서, 제1 및 제2 공진 커패시터(Cr1, Cr2) 각각의 정전용량(capacitance)은 서로 같을 수 있다(즉, Cr1=Cr2=C).One end of the first and second resonant capacitors Cr1 and Cr2 is commonly connected to the node b between the source of the switching element Q3 and the drain of Q4, and the other ends of the first and second resonant capacitors Cr1 and Cr2 are connected in common. do. Here, the capacitances of the first and second resonant capacitors Cr1 and Cr2 may be the same (ie, Cr1=Cr2=C).
공진 커패시터(Cr1, Cr2)를 공통 연결함으로써, 공진요소(예: 누설 인덕턴스(Lpl1, Lpl2), 자화 인덕턴스(Lpm1, Lpm2) 및 공진 커패시터(Cr1, Cr2) 등)에 허용오차(5% 이내)가 있더라도 2차측 회로(530)는 큰 전류불평형없이 전류분담 동작을 수행할 수 있다.By connecting the resonant capacitors (Cr1, Cr2) in common, the tolerance to the resonant elements (e.g., leakage inductances (Lpl1, Lpl2), magnetization inductances (Lpm1, Lpm2), and resonant capacitors (Cr1, Cr2), etc.) (within 5%) Even if the
2차측 회로(530)의 정류부(다이오드 Dr1 내지 Dr4)는 각 변압기(T1, T2)의 2차측 권선을 통해 각각 병렬 연결로 구성된다. 본 실시예의 일 측면에 따르면, 2차측 정류부는, 도 5에 도시된 바와 같이, 각 변압기(T1, T2)의 2차측 권선 각각의 센터탭(center tap)을 이용한 병렬 연결로 구성될 수 있다. 본 실시예의 다른 측면에 따르면, 2차측 정류부는 각 변압기(T1, T2)의 2차측 권선 각각의 풀-브리지(full-bridge)를 이용한 병렬 연결로 구성될 수도 있다. 다만, 이는 예시적인 것이고, 본 실시예가 이에 한정되는 것은 아님에 유의하여야 한다.The rectifiers (diodes Dr1 to Dr4) of the secondary-
이와 같은 정류부를 포함하여, 2차측 회로(530)는 도 7의 (a)에 도시된 3-브리지 정류회로 또는 도 7의 (b)에 도시된 병렬 브리지 정류회로 등 다양한 형태로 구현될 수 있다.Including such a rectifying unit, the secondary-
도 6를 참조하면, LLC 공진컨버터(500)는 1차측 회로(510)의 스위칭 패턴에 따라 2가지 모드(즉, 제1 모드 및 제2 모드)로 동작하며, 스위칭 주파수 변조 제어를 통해 입력전압을 '1/4Vin ~ Vin' 범위에서 또는 출력전압을 'Vo ~ 4Vo' 범위에서 폭넓게 제어할 수 있다.Referring to FIG. 6, the LLC
LLC 공진컨버터(500)의 모드별 입출력전압 제어범위를 정리하면 아래와 같다.The input/output voltage control range for each mode of the LLC
1. 제1 모드(Mode 1)1.
1차측 하프-브리지 스위칭 동작 중 스위칭 주파수 변조 제어를 통해 입력전압을 '1/2Vin ~ Vin' 범위에서 또는 출력전압을 'Vo ~ 2Vo' 범위에서 제어할 수 있다.During the primary half-bridge switching operation, the input voltage can be controlled in the '1/2Vin to Vin' range or the output voltage in the'Vo to 2Vo' range through switching frequency modulation control.
2. 제2 모드(Mode 2)2.
1차측 풀-브리지 스위칭 동작 중 스위칭 주파수 변조 제어를 통해 입력전압을 '1/4Vin ~ 1/2Vin' 범위에서 또는 출력전압을 '2Vo ~ 4Vo' 범위에서 제어할 수 있다.During the primary full-bridge switching operation, the input voltage can be controlled in the '1/4Vin to 1/2Vin' range or the output voltage in the '2Vo to 4Vo' range through switching frequency modulation control.
이하, 도 5 및 도 8a 내지 도 8e를 참조하여, 본 실시예의 일 측면에 따른 LLC 공진컨버터(500)의 모드에 대해 상세하게 설명하기로 한다.Hereinafter, a mode of the LLC
제1 The first 모드mode (Mode 1) - 예시 1(Mode 1)-Example 1
도 8a는 도 5의 LLC 공진컨버터가 제1 모드의 일 예로 동작하는 경우 동작파형을 나타내는 도면이고, 도 8b 내지 8e는 도 5의 LLC 공진컨버터가 제1 모드의 일 예로 동작하는 경우 전류패스를 나타내는 도면이다.8A is a diagram illustrating an operating waveform when the LLC resonant converter of FIG. 5 operates as an example of the first mode, and FIGS. 8B to 8E illustrate current paths when the LLC resonant converter of FIG. 5 operates as an example of the first mode. It is a figure to show.
도 8a를 참조하면, LLC 공진컨버터(500)는, 제1 모드(Mode 1)에서, 스위칭소자 Q2/Q6 및 Q1/Q5가 50%의 듀티비(duty ratio)로 교번하여 스위칭 동작을 수행하고, 스위칭소자 Q3는 턴-온되고 Q4는 턴-오프 상태(또는, 그 반대도 가능)이므로, 1차측 스위칭소자들(Q1 내지 Q6)은 하프-브리지 스위칭 동작을 수행한다.Referring to Figure 8a, LLC
1차측 회로(510)의 하프-브리지 스위칭 동작 중, LLC 공진컨버터(500)의 시구간별 전류패스(current path)는 도 8b 내지 8e에 도시된 바와 같다. 구체적으로, 도 8b는 't0 ~ t1 구간', 도 8c는 't1 ~ t2 구간', 도 8d는 't2 ~ t3 구간' 및 도 8e는 't3 ~ t4 구간'에서 LLC 공진컨버터(500)의 전류패스를 나타낸다.During the half-bridge switching operation of the primary-
LLC 공진컨버터(500)는, 1차측 스위치소자들(Q1 내지 Q6)을, 하프-브리지 스위칭 동작 하에서 스위칭 주파수 변조 방식으로 제어하여 이득(gain)을 조절함으로써, 출력전압을 'Vo ~ 2Vo' 범위에서 폭넓게 제어할 수 있다.The LLC
제1 The first 모드mode (Mode 1) - 예시 2(Mode 1)-Example 2
도 9a는 도 5의 LLC 공진컨버터가 제1 모드의 다른 예로 동작하는 경우 동작파형을 나타내는 도면이고, 도 9b 내지 9e는 도 5의 LLC 공진컨버터가 제1 모드의 다른 예로 동작하는 경우 전류패스를 나타내는 도면이다.9A is a diagram showing an operating waveform when the LLC resonant converter of FIG. 5 operates as another example of the first mode, and FIGS. 9B to 9E show current paths when the LLC resonant converter of FIG. 5 operates as another example of the first mode. It is a figure to show.
도 9a를 참조하면, LLC 공진컨버터(500)의 제1 모드(Mode 1)에서, 스위칭소자 Q3 및 Q4는 50%의 듀티비로 교번하여 스위칭 동작을 수행하고, 스위칭소자 Q2 및 Q6는 턴-온되고 Q1 및 Q5는 턴-오프된 상태인 경우, 1차측 스위칭소자들(Q1 내지 Q6)은 하프-브리지 스위칭 동작을 수행한다.Referring to FIG. 9A, in the first mode (Mode 1) of the LLC
또는, LLC 공진컨버터(500)의 제1 모드(Mode 1)에서, 스위칭소자 Q3 및 Q4는 50%의 듀티비로 교번하여 스위칭 동작을 수행하고, 스위칭소자 Q2 및 Q6는 턴-오프되고 Q1 및 Q5는 턴-온된 상태인 경우, 1차측 스위칭소자들(Q1 내지 Q6)은 하프-브리지 스위칭 동작을 수행한다.Alternatively, in the first mode (Mode 1) of the LLC
1차측 회로(510)의 하프-브리지 스위칭 동작 중, LLC 공진컨버터(500)의 시구간별 전류패스는 도 9b 내지 9e에 도시된 바와 같다. 구체적으로, 도 9b는 't0 ~ t1 구간', 도 9c는 't1 ~ t2 구간', 도 9d는 't2 ~ t3 구간' 및 도 9e는 't3 ~ t4 구간'에서 LLC 공진컨버터(500)의 전류패스를 나타낸다.During the half-bridge switching operation of the primary-
LLC 공진컨버터(500)는, 1차측 스위치소자들(Q1 내지 Q6)을, 하프-브리지 스위칭 동작 하에서 스위칭 주파수 변조 방식으로 제어하여 이득(gain)을 조절함으로써, 출력전압을 'Vo ~ 2Vo' 범위에서 폭넓게 제어할 수 있다.The LLC
제2 2nd 모드mode (Mode 2)(Mode 2)
도 10a는 도 5의 LLC 공진컨버터가 제2 모드의 일 예로 동작하는 경우 동작파형을 나타내는 도면이고, 도 10b 내지 10e는 도 5의 LLC 공진컨버터가 제2 모드의 일 예로 동작하는 경우 전류패스를 나타내는 도면이다.FIG. 10A is a diagram showing an operating waveform when the LLC resonant converter of FIG. 5 operates as an example of the second mode, and FIGS. 10B to 10E show current paths when the LLC resonant converter of FIG. 5 operates as an example of the second mode. It is a figure to show.
도 10a를 참조하면, LLC 공진컨버터(500)의 제2 모드(Mode 2)에서, 스위칭소자 Q2/Q3/Q6 및 Q1/Q4/Q5는 50%의 듀티비로 교번하여 스위칭 동작을 수행하므로, 1차측 스위칭소자들(Q1 내지 Q6)은 풀-브리지 스위칭 동작을 수행한다.10A, in the second mode (Mode 2) of the LLC
1차측 회로(510)의 풀-브리지 스위칭 동작 중, LLC 공진컨버터(500)의 시구간별 전류패스는 도 10b 내지 10e에 도시된 바와 같다. 구체적으로, 도 10b는 't0 ~ t1 구간', 도 10c는 't1 ~ t2 구간', 도 10d는 't2 ~ t3 구간' 및 도 10e는 't3 ~ t4 구간'에서 LLC 공진컨버터(500)의 전류패스를 나타낸다.During the full-bridge switching operation of the
LLC 공진컨버터(500)는, 1차측 스위치소자들(Q1 내지 Q6)을, 풀-브리지 스위칭 동작 하에서 스위칭 주파수 변조 방식으로 제어하여 이득(gain)을 조절함으로써, 출력전압을 '2Vo ~ 4Vo' 범위에서 폭넓게 제어할 수 있다.The LLC
도 11은 도 5의 LLC 공진컨버터의 응용예를 나타내는 도면이다.11 is a view showing an application example of the LLC resonant converter of FIG. 5.
도 11을 참조하면, LLC 공진컨버터 응용회로(1100)는, 입력단에 3상 AC/DC 컨버터(예: 비엔나정류기, 승압컨버터, PWM 정류기 등)를 적용하여 VLINK 전압을 일정하게 제어하고, LLC 공진컨버터 2대를 병렬 연결하여 구현된다. 이 때, LLC 공진컨버터는 각각 병렬 동작하여 각각의 입출력전압을 넓은 범위(입력전압 : 1/4 Vin ~ Vin, 출력전압 : Vo ~ 4Vo)에서 제어할 수 있다.Referring to FIG. 11, the LLC resonant
도 12는 도 5의 LLC 공진컨버터와 종래 기술에 따른 LLC 공진 컨버터의 동작 성능을 비교한 실험결과를 나타내는 그래프이다.12 is a graph showing the experimental results of comparing the operating performance of the LLC resonant converter of FIG. 5 and the LLC resonant converter according to the prior art.
도 12의 (a)는 공진 커패시터가 공통으로 연결되지 않은 LLC 공진컨버터의 동작파형을 나타내고, 도 12의 (b)는 본 실시예에 따른 공진 커패시터가 공통으로 연결된 LLC 공진컨버터의 동작파형을 나타낸다.12(a) shows the operating waveform of the LLC resonant converter to which the resonant capacitor is not commonly connected, and FIG. 12(b) shows the operating waveform of the LLC resonant converter to which the resonant capacitor is commonly connected according to the present embodiment. .
도 12의 실험은, (1) 제1 공진회로, 제2 공진회로 및 2차측 정류부가 병렬 동작하도록 하였고, (2) 공진회로에 적용된 공진 커패시터(Cr1, Cr2)는 동일한 값을 사용하였고, (3) 입력은 DC 400V이고 출력은 DC 36V / 700W이며, (4) 변압기(T1, T2)의 자화 인덕턴스(Lpm1, Lpm2)가 허용오차(5%) 이상인 6% 차이가 있다는 가정 하에 수행된다.In the experiment of FIG. 12, (1) the first resonant circuit, the second resonant circuit, and the secondary-side rectifier were operated in parallel, and (2) the resonant capacitors Cr1 and Cr2 applied to the resonant circuit used the same value, ( 3) The input is DC 400V and the output is DC 36V / 700W, (4) It is performed under the assumption that the magnetization inductances (Lpm1, Lpm2) of the transformers (T1, T2) differ by more than the tolerance (5%) by 6%.
도 12의 (a)를 참조하면, 공진 커패시터(Cr1, Cr2)가 공통 연결되지 않은 LLC 공진컨버터는, 2차측 회로의 전류 IDr2과 IDr4 간의 전류불평형이 크게 나타남을 확인할 수 있다.Referring to (a) of FIG. 12, it can be confirmed that, in the LLC resonant converter in which the resonant capacitors Cr1 and Cr2 are not commonly connected, the current imbalance between the currents I Dr2 and I Dr4 of the secondary circuit is large.
이에 반해, 도 12의 (b)를 참조하면, 공진 커패시터(Cr1, Cr2)가 공통 연결된 LLC 공진컨버터는, 2차측 회로의 전류 IDr2과 IDr4 간의 전류불평형이 거의 나타나지 않음을 확인할 수 있다.On the other hand, referring to (b) of FIG. 12, it can be seen that the LLC resonant converters to which the resonant capacitors Cr1 and Cr2 are commonly connected show little current imbalance between the currents I Dr2 and I Dr4 of the secondary circuit.
이상을 정리하면, 본 실시예에 따른 LLC 공진컨버터(500)는 공통연결된 공진 커패시터(Cr1, Cr2)를 포함하며, 2가지 모드(제1 모드에서 하프-브리지 스위칭 동작 및 제2 모드에서 풀-브리지 스위칭 동작)에서 스위칭 주파수 변조 제어 방식으로 스위칭소자를 제어함으로써, 입출력전압을 폭넓게 제어할 수 있는 효과가 있다.In summary, the LLC
도 13은 본 발명의 다른 실시예에 따른 LLC 공진컨버터를 나타내는 도면이고, 도 14는 도 13의 LLC 공진컨버터의 이득특성을 나타내는 도면이다.13 is a view showing an LLC resonant converter according to another embodiment of the present invention, and FIG. 14 is a view showing the gain characteristics of the LLC resonant converter of FIG. 13.
도 13을 참조하면, LLC 공진컨버터(1300)는 1차측 회로(1310)로서 2개의 커패시터(C1 및 C2), 6개의 주 스위칭소자(Q1 내지 Q6), 2개의 보조 스위칭소자(SA1 및 SA2), 제1 공진회로부(1311) 및 제2 공진회로부(1313)를 포함할 수 있다. 또한, LLC 공진컨버터(1300)는 2차측 회로(1330)로서 정류부를 포함할 수 있다.Referring to FIG. 13, the LLC
이하, 도 5를 참조하여 전술한 LLC 공진컨버터(500)와 중복되는 내용에 대한 설명은 생략하거나 간략히 하기로 한다.Hereinafter, a description of contents overlapping with the LLC
1차측 회로(1310)에서, 커패시터 C1 및 C2가 직렬 연결된 제1 브리지암(Br1), 주 스위칭소자 Q1 및 Q2가 직렬 연결된 제2 브리지암(Br2), 주 스위칭소자 Q3 및 Q4가 직렬 연결된 제3 브리지암(Br3) 및 주 스위칭소자 Q5 및 Q6가 직렬 연결된 제4 브리지암(Br4)이, 입력전원(Vin)의 +단자와 -단자 사이에 병렬 연결된다.In the primary-
또한, 보조 스위칭소자 SA1 및 SA2는 커패시터 C1 및 C2의 접속단과, 주 스위칭소자 Q3의 소스(Source)와 Q4의 드레인(Drain) 사이의 노드 b 사이에 직렬 연결된다.Further, the auxiliary switching elements SA1 and SA2 are connected in series between the connection terminals of the capacitors C1 and C2 and the node b between the source of the main switching element Q3 and the drain of Q4.
2차측 회로(1330)의 정류부(다이오드 Dr1 내지 Dr4)는 각 변압기(T1, T2)의 2차측 권선을 통해 각각 병렬 연결로 구성된다. 본 실시예의 일 측면에 따르면, 2차측 정류부는, 도 5에 도시된 바와 같이, 각 변압기(T1, T2)의 2차측 권선 각각의 센터탭(center tap)을 이용한 병렬 연결로 구성될 수 있다. 본 실시예의 다른 측면에 따르면, 2차측 정류부는 각 변압기(T1, T2)의 2차측 권선 각각의 풀-브리지(full-bridge)를 이용한 병렬 연결로 구성될 수도 있다. 다만, 이는 예시적인 것이고, 본 실시예가 이에 한정되는 것은 아님에 유의하여야 한다.The rectifiers (diodes Dr1 to Dr4) of the secondary-
이와 같은 정류부를 포함하여, 2차측 회로(1330)는 도 7를 참조하여 전술한 3-브리지 정류회로 또는 병렬 브리지 정류회로 등 다양한 정류회로 등 다양한 형태로 구현될 수 있다.Including such a rectifying unit, the secondary-
도 14를 참조하면, LLC 공진컨버터(1300)는, 1차측 회로(1310)의 스위칭 패턴에 따라 2가지 모드(즉, 제1 모드 및 제2 모드)로 동작하며, 입력전압을 '1/3Vin ~ Vin' 범위에서 또는 출력전압을 'Vo ~ 3Vo' 이상의 범위에서 폭넓게 제어할 수 있다. 이하, LLC 공진컨버터(1300)의 각 모드에 대해 상세하게 설명하기로 한다.Referring to FIG. 14, the LLC
제1 The first 모드mode (Mode-1)(Mode-1)
LLC 공진컨버터(1300)의 제1 모드(Mode-1)에서, (1) 1차측 스위칭소자 Q2/Q6 및 Q1/Q5는 일정한 스위칭 주파수 및 50%의 듀티비(duty ratio)로 교변하여 스위칭 동작을 수행하고, (2) 1차측 스위칭소자 Q3 및 Q4와 보조 스위칭소자 SA1 및 SA2는 펄스 폭 변조(Pulse Width Modulation: PWM) 제어방식으로 스위칭 동작을 수행한다.In the first mode (Mode-1) of the LLC
LLC 공진컨버터(1300)는, 제1 모드(Mode-1)에서, 스위칭 주파수 변조 제어 방식을 이용하지 않고, 공진주파수(resonant frequency, fr) 부근의 고정된 스위칭 주파수에서 1차측 스위칭소자들(Q3 및 Q4, SA1 및 SA2)을 펄스 폭 변조 방식으로 제어하여 이득(gain)을 조절함으로써, 자화 인덕턴스(Lpm1, Lpm2)를 크게 저감시키지 않고 적용할 수 있게 되어 자화전류 증가 및 이로 인한 도통손실(conduction loss)을 방지할 수 있다.The LLC
또한, LLC 공진컨버터(1300)는, 제1 모드(Mode-1)에서, 공진주파수(fr) 부근의 고정된 스위칭 주파수에서 1차측 스위칭소자들(Q3 및 Q4, SA1 및 SA2)을 펄스 폭 변조 방식으로 제어하여 이득을 조절함으로써, 입력전압을 '1/2Vin ~ Vin' 범위에서 또는 출력전압을 'Vo ~ 2Vo' 범위에서 폭넓게 제어할 수 있다.In addition, the LLC
제2 2nd 모드mode (Mode-2)(Mode-2)
LLC 공진컨버터(1300)의 제2 모드(Mode-2)에서, (1) 1차측 보조 스위칭소자(SA1 및 SA2)는 턴-오프된 상태에서, 스위칭소자 Q2/Q3/Q6 및 Q1/Q4/Q5가 50%의 듀티비로 교번하여 스위칭 동작을 수행하고, (2) 1차측 스위칭소자 Q2/Q3/Q6 및 Q1/Q4/Q5는 스위칭 주파수 변조 제어방식으로 스위칭 동작을 수행한다.In the second mode (Mode-2) of the LLC
LLC 공진컨버터(1300)는, 제2 모드(Mode-2)에서, 1차측 스위치소자들(Q2/Q3/Q6 및 Q1/Q4/Q5)를 스위칭 주파수 변조방식으로 제어하여 이득(gain)을 조절함으로써, 출력전압(Vo)이 일정한 경우 입력전압을 '1/4Vin ~ 1/2Vin' 범위에서 또는 입력전압(Vin)이 일정한 경우 출력전압을 '2Vo ~ 4Vo' 범위에서 폭넓게 제어할 수 있다.The LLC
이하, 도 15a 내지 도 16e를 참조하여, 본 실시예의 다른 측면에 따른 LLC 공진커버터(1300)의 모드에 대해 상세하게 설명하기로 한다.Hereinafter, with reference to FIGS. 15A to 16E, the mode of the LLC
도 15a는 도 13의 LLC 공진컨버터가 제1 모드의 일 예로 동작하는 경우 동작파형을 나타내는 도면이고, 도 15b 내지 15g는 도 13의 LLC 공진컨버터가 제1 모드의 일 예로 동작하는 경우 전류패스를 나타내는 도면이다.15A is a diagram showing an operating waveform when the LLC resonant converter of FIG. 13 operates as an example of the first mode, and FIGS. 15B to 15G show a current path when the LLC resonant converter of FIG. 13 operates as an example of the first mode. It is a figure to show.
도 15a를 참조하면, LLC 공진컨버터(1300)의 제1 모드(Mode-1)에서, (1) 1차측 스위칭소자 Q2/Q6 및 Q1/Q5는 공진주파수(fr) 부근의 고정된 스위칭 주파수 및 50%의 듀티비(duty ratio)로 교변하여 스위칭 동작을 수행하고, (2) 1차측 스위칭소자 Q3 및 Q4와 보조 스위칭소자 SA1 및 SA2는 펄스 폭 변조(Pulse Width Modulation: PWM) 제어방식으로 스위칭 동작을 수행한다.15A, in the first mode (Mode-1) of the LLC
LLC 공진컨버터(1300)의 시구간별 전류패스는 도 15b 내지 도 15g에 도시된 바와 같다.The current path for each time period of the LLC
1. t0-t1 구간1.t0-t1 section
도 15b를 참조하면, 이 구간 동안 1차측 스위칭소자 Q1, Q4, Q5가 턴-오프되어 있어 이들 스위칭소자의 기생 커패시터(Cp)는 입력전압(Vin)으로 대전되어 충전된 상태이다.Referring to FIG. 15B, the primary-side switching elements Q1, Q4, and Q5 are turned off during this period, so that the parasitic capacitors Cp of these switching elements are charged and charged with the input voltage Vin.
1차측 스위칭소자 Q3, Q2, Q6가 턴-온되어 있어 입력전압(Vin)이 제1 공진회로 및 제2 공진회로에 병렬로 인가되고 각각에 공진전류(IP1, IP2)가 흐른다.Since the primary switching elements Q3, Q2, and Q6 are turned on, the input voltage Vin is applied in parallel to the first resonant circuit and the second resonant circuit, and resonant currents IP1 and IP2 flow respectively.
제1 공진회로 및 제2 공진회로는 공진을 위한 변압기(T1, T2), 누설 인덕턴스(Lpl1, Lpl2), 자화 인덕턴스(Lpm1, Lpm2) 및 공진 커패시터(Cr1, Cr2)로 구성되어 있다.The first resonant circuit and the second resonant circuit are composed of transformers T1 and T2 for resonance, leakage inductances Lpl1 and Lpl2, magnetization inductances Lpm1 and Lpm2, and resonant capacitors Cr1 and Cr2.
2차측 정류부에는 각 변압기(T1, T2) 권선의 극성에 따라 2차측 턴-비 및 이득에 의한 전압이 인가되고, 각 센터탭 정류다이오드(Dr1, Dr3)를 통해 정류된 공진전류가 부하로 흘러 전력이 전달된다.The secondary side rectification part is applied with a voltage by the secondary turn-ratio and gain according to the polarity of each transformer (T1, T2) winding, and the resonant current rectified through each center tap rectifying diode (Dr1, Dr3) flows into the load. Power is delivered.
이 구간 동안, 1차측 보조 스위칭소자 SA2는 턴-온되어 있고, SA1은 턴-오프되어 있으므로, 보조 스위칭소자 SA1의 기생 커패시터(Cp) 양단전압은 입력전압(Vin)의 1/2만큼 충전되어 있다.During this period, since the primary secondary switching element SA2 is turned on and SA1 is turned off, the voltage across the parasitic capacitor Cp of the secondary switching element SA1 is charged by 1/2 of the input voltage Vin. have.
2. t1-t2 구간2. t1-t2 section
도 15c를 참조하면, t1 시점에 1차측 스위칭소자 Q3이 턴-오프되면 Q3의 기생 커패시터(Cp)가 충전을 시작하고, 입력전압(Vin)으로 충전되어 있던 Q4의 기생 커패시터(Cp)의 전압은 방전을 개시한다. 또한, 1차측 보조 스위칭소자 SA1의 기생 커패시터(Cp)에 충전된 전압(Vin/2)은 제1 공진회로와 제2 공진회로를 통해 1차측 스위칭소자 Q2 및 Q6를 통해 '0' 전압으로 방전된다. 스위칭소자 Q3의 기생 커패시터(Cp)의 전압이 입력전압(Vin)의 1/2만큼 충전되고, 스위칭소자 Q4의 기생 커패시터(Cp)의 전압이 입력전압(Vin)의 1/2만큼 방전되며, 1차측 보조 스위칭소자 SA1의 기생 커패시터(Cp)의 전압이 0 전압으로 방전되면, 이 구간 동작은 끝나게 된다.Referring to FIG. 15C, when the primary switching element Q3 is turned off at a time t1, the parasitic capacitor Cp of Q3 starts charging, and the voltage of the parasitic capacitor Cp of Q4 charged with the input voltage Vin Starts discharging. In addition, the voltage (Vin/2) charged in the parasitic capacitor Cp of the primary-side auxiliary switching element SA1 is discharged to a '0' voltage through the primary-side switching elements Q2 and Q6 through the first and second resonant circuits. do. The voltage of the parasitic capacitor Cp of the switching element Q3 is charged by 1/2 of the input voltage Vin, and the voltage of the parasitic capacitor Cp of the switching element Q4 is discharged by 1/2 of the input voltage Vin, When the voltage of the parasitic capacitor Cp of the primary-side auxiliary switching element SA1 is discharged to a voltage of 0, this section operation ends.
1차측 보조 스위칭소자 SA1의 기생 커패시터(Cp)의 전압이 '0' 전압으로 방전된 후 턴-온되면, 영전압스위칭(Zero Voltage Switching: ZVS) 턴-온이 되므로 스위칭손실을 저감할 수 있다.When the voltage of the parasitic capacitor Cp of the primary-side auxiliary switching element SA1 is discharged to a voltage of '0' and then turned on, the zero-voltage switching (ZVS) turns-on, thereby reducing switching loss. .
3. t2-t3 구간3. t2-t3 section
도 15d를 참조하면, t2 시점 이전에 1차측 보조 스위칭소자 SA1의 기생 커패시터(Cp)의 전압이 0 전압으로 방전된 후 영전압스위칭 턴-온되어 있으므로, t2-t3 구간에는 2차측 보조 스위칭소자 SA1 및 SA2가 모두 턴-온되어 입력전압(Vin)의 1/2이 제1 공진회로와 제2 공진회로에 각각 병렬로 인가되며 1차측 스위칭소자 Q2 및 Q6 각각을 통해 공진전류(IP1, IP2)가 계속해서 흐르게 된다.Referring to FIG. 15D, since the voltage of the parasitic capacitor Cp of the primary-side auxiliary switching element SA1 is discharged to a voltage of 0 before time t2, the zero-voltage switching is turned on, so the secondary-side auxiliary switching element is in the t2-t3 section. SA1 and SA2 are both turned on so that half of the input voltage Vin is applied in parallel to the first resonant circuit and the second resonant circuit, respectively, and the resonant currents (IP1, IP2) through the primary switching elements Q2 and Q6 respectively. ) Will continue to flow.
2차측 정류부는 입력전압(Vin)의 1/2이 제1 공진회로와 제2 공진회로에 인가되기 때문에 각 변압기(T1, T2) 1,2차측 턴-비 및 1/2 이득에 의한 전압이 인가되고, 각 센터탭 정류다이오드(Dr1, Dr3)를 통해 정류된 공진전류가 부하로 흘러 전력이 전달된다.Since the secondary side rectifying part is applied to the first resonant circuit and the second resonant circuit, 1/2 of the input voltage Vin is applied to the voltage of the primary and secondary turn-ratios and 1/2 gain of each transformer T1 and T2 It is applied, and the resonant current rectified through each center tap rectifying diode (Dr1, Dr3) flows to the load to transfer power.
4. t3-t4 구간4. t3-t4 section
도 15e를 참조하면, 이전 구간(t2-t3)과 마찬가지로 2차측 보조 스위칭소자(SA1 및 SA2)가 모두 턴-온되어 입력전압(Vin)의 1/2이 제1 공진회로와 제2 공진회로에 인가되어 전류가 흐르지만, 이 구간(t3-t4)은 1차측 변압기(T1, T2) 각각의 자화 인덕턴스(Lpm1, Lpm2)를 통해 자화전류만이 흐르는 구간으로 부하에는 공진전류가 흐르지 않는다.Referring to FIG. 15E, as in the previous section t2-t3, the secondary auxiliary switching elements SA1 and SA2 are both turned on, so that half of the input voltage Vin is the first resonant circuit and the second resonant circuit. Is applied, and current flows, but this section (t3-t4) is a section where only the magnetizing current flows through the magnetizing inductances (Lpm1, Lpm2) of the primary transformers T1 and T2, and the resonance current does not flow to the load.
5. t4-t5 구간5. t4-t5 section
도 15f를 참조하면, t4-t5 데드타임(Dead Time) 구간에는 t4시점에서 1차측 스위칭소자 Q2 및 Q6과 보조 스위칭소자 SA2가 턴-오프된다. 따라서, 입력전압(Vin)의 1/2로 충전되어 있던 1차측 스위칭소자 Q4의 기생 커패시터(Cp)의 전압과 입력전압(Vin)으로 충전되어 있던 1차측 스위칭소자 Q1 및 Q5의 기생 커패시터(Cp)의 전압은 방전을 개시하고, 1차측 보조 스위칭소자 SA2와 1차측 스위칭소자 Q2 및 Q6의 기생 커패시터(Cp)는 충전을 시작한다. t4-t5 데드타임 구간 동안 1차측 스위칭소자 및 보조 스위칭소자의 기생 커패시터(Cp)는 변압기(T1, T2) 각각의 자화전류에 의해 충/방전되고, 1차측 스위칭소자 Q2, Q6 및 Q3는 입력전압(Vin)으로 충전되고, 1차측 스위칭소자 Q1, Q5 및 Q4가 '0' 전압으로 방전된 후 역병렬 다이오드를 통해 전류가 흐를 때 1차측 스위칭소자 Q1, Q5 및 Q4가 턴-온된다. 이 때, 1차측 스위칭소자 Q1, Q5 및 Q4는 영전압스위칭(Zero Voltage Switching: ZVS)이 되어 스위칭손실을 저감할 수 있다. 또한, t4-t5 데드타임 구간동안 1차측 보조 스위칭소자 SA2의 기생 커패시터(Cp)는 입력전압(Vin)의 1/2로 충전된다.Referring to FIG. 15F, in the t4-t5 dead time period, the primary switching elements Q2 and Q6 and the auxiliary switching elements SA2 are turned off at time t4. Therefore, the voltage of the parasitic capacitor Cp of the primary-side switching element Q4, which was charged at half of the input voltage Vin, and the parasitic capacitor Cp of the primary-side switching elements Q1 and Q5, which were charged at the input voltage Vin. The voltage of) starts discharging, and the parasitic capacitor Cp of the primary-side auxiliary switching elements SA2 and the primary-side switching elements Q2 and Q6 starts charging. During the t4-t5 dead time period, the parasitic capacitors Cp of the primary switching element and the secondary switching element are charged/discharged by the magnetizing currents of the transformers T1 and T2, and the primary switching elements Q2, Q6 and Q3 are input. It is charged with the voltage Vin and the primary switching devices Q1, Q5 and Q4 are turned on when current flows through the anti-parallel diode after the primary switching devices Q1, Q5 and Q4 are discharged to the '0' voltage. At this time, the primary-side switching elements Q1, Q5 and Q4 become zero voltage switching (ZVS) to reduce switching loss. In addition, during the dead time period t4-t5, the parasitic capacitor Cp of the primary secondary switching element SA2 is charged to 1/2 of the input voltage Vin.
6. t5-t6 구간6. t5-t6 section
도 15g를 참조하면, t5시점에서 1차측 스위칭소자 Q1, Q5 및 Q4는 영전압에서 턴-온되고, 입력전압(Vin)이 제1 공진회로와 제2 공진회로에 각각 병렬로 인가되며 각 공진회로부에는 공진전류(IP1, IP2)가 흐른다. 이 때, 변압기(T1, T2) 각각의 1,2차측 턴-비 및 공진회로의 이득에 의한 전압이 인가된다.Referring to FIG. 15G, at t5, the primary switching elements Q1, Q5 and Q4 are turned on at zero voltage, and the input voltage Vin is applied in parallel to the first resonant circuit and the second resonant circuit, respectively. Resonant currents IP1 and IP2 flow through the circuit. At this time, voltages according to the primary and secondary turn-ratios of the transformers T1 and T2 and the gain of the resonance circuit are applied.
2차측 정류부는 각 변압기(T1, T2) 권선의 극성에 따라 2차측 턴-비 및 이득에 의한 전압이 인가되고, 각 센터탭 2차측 정류다이오드(Dr2, Dr4)를 통해 정류되어 병렬로 부하공진전류가 흘러 전력이 전달된다.The secondary side rectifier is applied with voltage by the secondary turn-ratio and gain according to the polarity of each transformer (T1, T2) winding, and is rectified through each center tap secondary side rectifying diode (Dr2, Dr4) to resonate the load in parallel Electric current flows and power is transferred.
이후 나머지 반주기에서, LLC 공진컨버터(1300)는 전술한 이전 반주기(즉, t0-t6 구간)의 동작을 반복하여 수행하게 된다.Subsequently, in the remaining half period, the LLC
이상에서 설명한 바와 같이, LLC 공진컨버터(1300)는, 제1 모드에서, 1차측 주 스위칭소자(Q3, Q4) 및 보조 스위칭소자(SA1, SA2)의 펄스 폭 변조(PWM) 제어에 따라, 제1 공진회로 및 제2 공진회로 각각에 인가되는 전압을 입력전압(Vin)과 입력전압(Vin)의 1/2전압으로 인가하며, 출력전압(Vo)을 'Vo~2Vo' 범위에서 제어할 수 있다.As described above, the LLC
도 16a는 도 13의 LLC 공진컨버터가 제2 모드의 일 예로 동작하는 경우 동작파형을 나타내는 도면이고, 도 16b 내지 16e는 도 13의 LLC 공진컨버터가 제2 모드의 일 예로 동작하는 경우 전류패스를 나타내는 도면이다.FIG. 16A is a diagram showing an operating waveform when the LLC resonant converter of FIG. 13 operates as an example of the second mode, and FIGS. 16B to 16E show current paths when the LLC resonant converter of FIG. 13 operates as an example of the second mode. It is a figure to show.
도 16a를 참조하면, LLC 공진컨버터(1300)의 제2 모드(Mode-2)에서, (1) 1차측 보조 스위칭소자(SA1 및 SA2)는 턴-오프된 상태에서, 스위칭소자 Q2/Q3/Q6 및 Q1/Q4/Q5가 50%의 듀티비로 교번하여 스위칭 동작을 수행하고, (2) 1차측 스위칭소자 Q2/Q3/Q6 및 Q1/Q4/Q5는 스위칭 주파수 변조(Switching-Frequency Modulation) 제어방식으로 풀-브리지 스위칭 동작을 수행한다.Referring to FIG. 16A, in the second mode (Mode-2) of the LLC
풀-브리지 스위칭 동작 하에서, LLC 공진컨버터(1300)의 제1 공진회로와 제2 공진회로에 각각 병렬로 입력전압(Vin)이 인가되어 공진전류가 흐르고, 2차측 정류부는 변압기(T1, T2) 각각의 권선의 극성에 따라 2차측 턴-비 및 이득에 의한 전압이 인가되고, 각 센터탭 2차측 정류다이오드(Dr1, Dr3)를 통해 정류되어 병렬로 부하공진전류가 흘러 전력이 전달된다.Under the full-bridge switching operation, the input voltage Vin is applied in parallel to the first resonant circuit and the second resonant circuit of the LLC
풀-브리지 스위칭 동작 하에서, LLC 공진컨버터(1300)의 시구간별 전류패스는 도 16b 내지 16e에 도시된 바와 같다. 구체적으로, 도 16b는 't0 ~ t1 구간', 도 16c는 't1 ~ t2 구간', 도 16d는 't2 ~ t3 구간' 및 도 16e는 't3 ~ t4 구간'에서의 LLC 공진컨버터(1300)의 전류패스를 나타낸다.Under the full-bridge switching operation, the current path for each time period of the LLC
이와 같이, LLC 공진컨버터(1300)는, 풀-브리지 스위칭 동작 하에서, 1차측 스위치소자들(Q1 내지 Q6)을 스위칭 주파수 변조방식으로 제어하여 이득(gain)을 조절함으로써, 출력전압을 '2Vo ~ 4Vo' 범위에서 폭넓게 제어할 수 있다. 이는 공진주파수(fr)에서 제2 모드(Mode-2)의 출력전압이 제1 모드(Mode-1)의 경우보다 2배가 되기 때문에 1차측으로 유도되는 자화전류가 증가하여 이득이 개선되기 때문이다.As described above, the LLC
도 17은 도 13의 LLC 공진컨버터의 응용예를 나타내는 도면이다.FIG. 17 is a diagram showing an application example of the LLC resonant converter of FIG. 13.
도 17을 참조하면, LLC 공진컨버터 응용회로(1700)는, 입력단에 3상 AC/DC 컨버터(예: 비엔나정류기, 승압컨버터, PWM 정류기 등)를 적용하여 VLINK 전압을 일정하게 제어하고, LLC 공진컨버터 2대를 병렬 연결하여 구현된다. 이 때, 각각의 LLC 공진컨버터는 제1 모드(Mode-1) 및 제2 모드(Mode-2)에서 1차측 스위칭소자 Q3 및 Q4와 보조 스위칭소자 SA1 및 SA2를 개별적으로 펄스 폭 변조 또는 스위칭 주파수 변조방식으로 제어하여, 각각의 입출력 전압범위를 폭넓게 제어(입력전압 : 1/4 Vin ~ Vin, 출력전압 : Vo ~ 4Vo)할 수 있다.Referring to FIG. 17, the LLC resonant
도 18은 도 13의 LLC 공진컨버터와 종래 기술에 따른 LLC 공진 컨버터의 동작 성능을 비교한 실험결과를 나타내는 그래프이다.18 is a graph showing experimental results comparing the performance of the LLC resonant converter of FIG. 13 and the LLC resonant converter according to the prior art.
도 18의 실험은 보조 스위칭소자(SA1, SA2) 및 스위칭소자(Q3, Q4)가 펄스 폭 변조방식으로 스위칭 동작하는 환경에서 출력전압을 DC 48V로 제어할 때의 실험파형으로 출력용량 2kW에 대해 나타낸다.The experiment in FIG. 18 is an experimental waveform when the output voltage is controlled to DC 48V in an environment in which the auxiliary switching elements SA1 and SA2 and the switching elements Q3 and Q4 are switched by a pulse width modulation method, and the output capacity is 2 kW. Shows.
도 18의 (a)는 1,2차측 단자전압(Vab, VS11) 및 전류(IP1, IS11)인 경우 제1 모드(Mode-1)로 동작하는 LLC 공진컨버터의 동작파형을 나타내고, 도 18의 (b)는 1차측 단자전압(Vab), 2차측 전류(IS11, IS21)/전압(VS11)인 경우 제1 모드(Mode-1)로 동작하는 LLC 공진컨버터의 동작파형을 나타낸다.18(a) shows the operating waveforms of the LLC resonant converter operating in the first mode (Mode-1) in the case of the primary and secondary terminal voltages (Vab, VS11) and currents (IP1, IS11). (b) shows the operating waveform of the LLC resonant converter operating in the first mode (Mode-1) in the case of the primary terminal voltage (Vab) and secondary current (IS11, IS21)/voltage (VS11).
제1 모드(Mode-1)에서 펄스 폭 변조에 따라 하프브리지(Half-Bridge)와 풀브리지(Full-Bridge) 모드가 공존하고, 보조 스위칭소자(SA1 및 SA2) 및 스위칭소자(Q3 및 Q4)의 펄스 폭 변조 제어방식의 스위칭 동작을 통해 모드 변환이 가능하다. In the first mode (Mode-1), the half-bridge and full-bridge modes coexist in accordance with pulse width modulation, and the auxiliary switching elements SA1 and SA2 and the switching elements Q3 and Q4 Mode switching is possible through the switching operation of the pulse width modulation control method.
이러한 동작제어에 따라, LLC 공진컨버터(1300)는 오버슈트(Overshoot) 및 언더슈트(Undershoot)를 발생시키지 않고 전류분담된 안정적인 'Vo ~ 2Vo'의 출력전압 제어범위를 갖게 된다.In accordance with such operation control, the LLC
이상의 설명은 본 실시예의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 실시예가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 실시예의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 실시예들은 본 실시예의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 실시예의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 실시예의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 실시예의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.The above description is merely illustrative of the technical idea of the present embodiment, and those skilled in the art to which this embodiment belongs may be capable of various modifications and variations without departing from the essential characteristics of the present embodiment. Therefore, the present embodiments are not intended to limit the technical spirit of the present embodiment, but to explain, and the scope of the technical spirit of the present embodiment is not limited by these embodiments. The protection scope of the present embodiment should be interpreted by the claims below, and all technical spirits within the equivalent range should be interpreted as being included in the scope of the present embodiment.
Claims (14)
상기 1차측 회로는,
변압기 T1, 공진 인덕터 Lpl1 및 공진 커패시터 Cr1을 포함하는 제1 공진회로부;
변압기 T2, 공진 인덕터 Lpl2 및 공진 커패시터 Cr2를 포함하는 제2 공진회로부;
스위칭 동작을 통해 상기 직류 입력전압 Vin을 교류전압으로 변환하여 상기 제1 공진회로부 및 상기 제2 공진회로부에 인가하는 복수의 스위칭소자를 포함하고,
상기 2차측 회로는,
상기 변압기 T1 및 상기 변압기 T2의 2차측 코일에 접속되어 상기 1차측 회로에 의해 변환된 교류전압을 정류하는 복수의 다이오드(Dr1, Dr2, Dr3 및 Dr4)를 포함하는 정류부를 포함하되,
상기 공진 커패시터 Cr1 및 상기 공진 커패시터 Cr2는 공진요소의 허용오차(Tolerance)로 인한 상기 2차측 회로의 전류불평형을 방지하기 위하여 일단 및 타단이 각각 공통 연결되며,
상기 스위칭소자는,
제1 브리지암에 직렬로 연결되는 제1 스위칭소자 Q1 및 제2 스위칭소자 Q2, 제2 브리지암에 직렬로 연결되는 제3 스위칭소자 Q3 및 제4 스위칭소자 Q4 및 제3 브리지암에 직렬로 연결된 제5 스위칭소자 Q5 및 제6 스위칭소자 Q6를 포함하되,
상기 제1 내지 제3 브리지암은 입력단자에 병렬로 연결되고,
상기 제1 공진회로부는,
상기 스위칭소자 Q1의 소스(source)와 상기 스위칭소자 Q2의 드레인(drain) 사이의 노드와, 상기 스위칭소자 Q3의 소스와 상기 스위칭소자 Q4의 드레인 사이의 노드 사이에 연결되고,
상기 제2 공진회로부는,
상기 스위칭소자 Q3의 소스(source)와 상기 스위칭소자 Q4의 드레인(drain) 사이의 노드와, 상기 스위칭소자 Q5의 소스와 Q6의 드레인 사이의 노드 사이에 연결되고,
상기 1차측 회로는,
상기 스위칭소자를 스위칭 주파수 변조 방식으로 제어하여 하프-브리지(half-bridge) 동작 및 풀-브리지(full-bridge) 동작 중 어느 한 동작을 수행함으로써, 상기 직류 입력전압 및 직류 출력전압 중 적어도 하나를 소정의 레벨로 제어하며,
상기 변압기 T1 및 상기 변압기 T2의 1차측 코일의 극성 방향이 모두 상기 스위칭소자 Q3의 소스와 상기 스위칭소자 Q4의 드레인 사이의 노드를 향하고, 상기 극성 방향에 의해 상기 제1 공진회로부 및 상기 제2 공진회로부가 각각 병렬 동작하고, 상기 정류부가 상기 변압기 T1 및 상기 변압기 T2 각각의 2차측 권선에 대해 병렬 동작하며,
상기 하프-브리지(half-bridge) 동작은,
상기 스위칭소자 Q3 및 상기 스위칭소자 Q4가 각각 턴-온(turn-on) 및 턴-오프(turn-off)되거나 각각 턴-오프 및 턴-온된 상태인 경우, 상기 스위칭소자 Q2 및 상기 스위칭소자 Q6와, 상기 스위칭소자 Q1 및 상기 스위칭소자 Q5가 50%의 듀티비(duty ratio)로 교번하여 스위칭하는 동작이고,
상기 스위칭소자 Q2 및 상기 스위칭소자 Q6는 턴-온(turn-on)되고 상기 스위칭소자 Q1 및 상기 스위칭소자 Q5는 턴-오프(turn-off) 되거나, 상기 스위칭소자 Q2 및 상기 스위칭소자 Q6는 턴-오프(turn-off)되고 상기 스위칭소자 Q1 및 상기 스위칭소자 Q5는 턴-온(turn-on) 되는 경우, 상기 스위칭소자 Q3 및 상기 스위칭소자 Q4는 50%의 듀티비(duty ratio)로 교번하여 스위칭하는 동작이고,
상기 풀-브리지(full-bridge) 동작은,
상기 스위칭소자 Q2, 상기 스위칭소자 Q3 및 상기 스위칭소자 Q6과, 상기 스위칭소자 Q1, 상기 스위칭소자 Q4 및 상기 스위칭소자 Q5가 50%의 듀티비로 교번하여 스위칭하는 동작인
LLC 공진 컨버터.In the LLC resonant converter comprising a primary side circuit for converting the DC input voltage Vin to an AC voltage of a predetermined level and a secondary side circuit for rectifying the converted AC voltage to supply the DC output voltage Vo,
The primary circuit,
A first resonant circuit unit including a transformer T1, a resonant inductor Lpl1, and a resonant capacitor Cr1;
A second resonant circuit unit including a transformer T2, a resonant inductor Lpl2, and a resonant capacitor Cr2;
And a plurality of switching elements that convert the DC input voltage Vin to an AC voltage through a switching operation and apply it to the first resonant circuit unit and the second resonant circuit unit,
The secondary circuit,
It includes a rectifying unit including a plurality of diodes (Dr1, Dr2, Dr3 and Dr4) rectifying the AC voltage converted by the primary-side circuit by being connected to the secondary coil of the transformer T1 and the transformer T2,
The resonant capacitor Cr1 and the resonant capacitor Cr2 are respectively connected to one end and the other end in common to prevent current imbalance of the secondary circuit due to tolerance of the resonant element,
The switching element,
The first switching element Q1 and the second switching element Q2 connected in series to the first bridge arm, the third switching element Q3 and the fourth switching element Q4 and the third bridge arm connected in series to the second bridge arm are connected in series. A fifth switching element Q5 and a sixth switching element Q6,
The first to third bridge arms are connected in parallel to the input terminal,
The first resonant circuit unit,
It is connected between a node between the source of the switching element Q1 and the drain of the switching element Q2, and a node between the source of the switching element Q3 and the drain of the switching element Q4,
The second resonant circuit unit,
It is connected between a node between the source of the switching element Q3 and the drain of the switching element Q4, and a node between the source of the switching element Q5 and the drain of Q6,
The primary circuit,
By controlling the switching element by a switching frequency modulation method to perform any one of the half-bridge (half-bridge) operation and full-bridge (full-bridge) operation, at least one of the DC input voltage and DC output voltage Control to a certain level,
The polarity directions of the primary coils of the transformer T1 and the transformer T2 are both directed to a node between the source of the switching element Q3 and the drain of the switching element Q4, and the first resonant circuit part and the second resonant circuit are driven by the polarity direction. Each furnace part operates in parallel, and the rectifier operates in parallel with respect to the secondary winding of each of the transformer T1 and the transformer T2,
The half-bridge (half-bridge) operation,
When the switching element Q3 and the switching element Q4 are turn-on and turn-off or turn-off and turn-on, respectively, the switching element Q2 and the switching element Q6 And, the switching element Q1 and the switching element Q5 alternately switch at a duty ratio of 50%,
The switching element Q2 and the switching element Q6 are turned on and the switching element Q1 and the switching element Q5 are turned off, or the switching element Q2 and the switching element Q6 are turned on. -When turned off and the switching element Q1 and the switching element Q5 are turned on, the switching element Q3 and the switching element Q4 alternate with a duty ratio of 50%. Is switching operation,
The full-bridge (full-bridge) operation,
The switching element Q2, the switching element Q3 and the switching element Q6, and the switching element Q1, the switching element Q4 and the switching element Q5 alternately switch at a duty ratio of 50%.
LLC resonant converter.
상기 공진 인덕터 Lpl1은,
상기 변압기 T1의 누설 인덕터(leakage inductor)인
LLC 공진컨버터.According to claim 1,
The resonant inductor Lpl1,
Leakage inductor of the transformer T1
LLC resonant converter.
상기 공진 인덕터 Lpl2는,
상기 변압기 T2의 누설 인덕터(leakage inductor)인
LLC 공진컨버터.According to claim 1,
The resonant inductor Lpl2,
Leakage inductor of the transformer T2
LLC resonant converter.
상기 정류부는,
상기 변압기 T1 및 상기 변압기 T2 각각의 2차측 권선에 대한 병렬 센터탭(center tap) 정류회로로 구현되는
LLC 공진컨버터.According to claim 1,
The rectifying unit,
The transformer T1 and the transformer T2 are implemented as parallel center tap rectifier circuits for the secondary winding of each.
LLC resonant converter.
상기 정류부는,
상기 변압기 T1 및 상기 변압기 T2 각각의 2차측 권선에 대한 병렬 풀-브리지(full-bridge) 정류회로로 구현되는
LLC 공진컨버터.According to claim 1,
The rectifying unit,
The transformer T1 and the transformer T2 are implemented as parallel full-bridge rectifier circuits for the secondary winding of each.
LLC resonant converter.
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주종성 외, 넓은 입력 또는 출력전압 제어 LLC 공진컨버터, 전력전자학회 추계학술대회 논문집 2016, pp.153-154.(2016.11.)* |
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