KR102238311B1 - Llc 공진 컨버터 - Google Patents

Llc 공진 컨버터 Download PDF

Info

Publication number
KR102238311B1
KR102238311B1 KR1020197021583A KR20197021583A KR102238311B1 KR 102238311 B1 KR102238311 B1 KR 102238311B1 KR 1020197021583 A KR1020197021583 A KR 1020197021583A KR 20197021583 A KR20197021583 A KR 20197021583A KR 102238311 B1 KR102238311 B1 KR 102238311B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
switching
circuit
frequency
output
detection result
Prior art date
Application number
KR1020197021583A
Other languages
English (en)
Other versions
KR20190098230A (ko
Inventor
미츠루 사토
신고 나가오카
히로유키 오니시
Original Assignee
오므론 가부시키가이샤
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 오므론 가부시키가이샤 filed Critical 오므론 가부시키가이샤
Publication of KR20190098230A publication Critical patent/KR20190098230A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR102238311B1 publication Critical patent/KR102238311B1/ko

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M1/00—Details of apparatus for conversion
    • H02M1/32—Means for protecting converters other than automatic disconnection
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M3/00—Conversion of dc power input into dc power output
    • H02M3/22—Conversion of dc power input into dc power output with intermediate conversion into ac
    • H02M3/24—Conversion of dc power input into dc power output with intermediate conversion into ac by static converters
    • H02M3/28—Conversion of dc power input into dc power output with intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode to produce the intermediate ac
    • H02M3/325—Conversion of dc power input into dc power output with intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode to produce the intermediate ac using devices of a triode or a transistor type requiring continuous application of a control signal
    • H02M3/335—Conversion of dc power input into dc power output with intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode to produce the intermediate ac using devices of a triode or a transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only
    • H02M3/33507—Conversion of dc power input into dc power output with intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode to produce the intermediate ac using devices of a triode or a transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only with automatic control of the output voltage or current, e.g. flyback converters
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M1/00—Details of apparatus for conversion
    • H02M1/0003—Details of control, feedback or regulation circuits
    • H02M1/0009—Devices or circuits for detecting current in a converter
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M1/00—Details of apparatus for conversion
    • H02M1/08—Circuits specially adapted for the generation of control voltages for semiconductor devices incorporated in static converters
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M1/00—Details of apparatus for conversion
    • H02M1/36—Means for starting or stopping converters
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M3/00—Conversion of dc power input into dc power output
    • H02M3/01—Resonant DC/DC converters
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M3/00—Conversion of dc power input into dc power output
    • H02M3/22—Conversion of dc power input into dc power output with intermediate conversion into ac
    • H02M3/24—Conversion of dc power input into dc power output with intermediate conversion into ac by static converters
    • H02M3/28—Conversion of dc power input into dc power output with intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode to produce the intermediate ac
    • H02M3/325—Conversion of dc power input into dc power output with intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode to produce the intermediate ac using devices of a triode or a transistor type requiring continuous application of a control signal
    • H02M3/335—Conversion of dc power input into dc power output with intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode to produce the intermediate ac using devices of a triode or a transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only
    • H02M3/33569—Conversion of dc power input into dc power output with intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode to produce the intermediate ac using devices of a triode or a transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only having several active switching elements
    • H02M3/33571—Half-bridge at primary side of an isolation transformer
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M1/00—Details of apparatus for conversion
    • H02M1/0048—Circuits or arrangements for reducing losses
    • H02M1/0054—Transistor switching losses
    • H02M1/0058—Transistor switching losses by employing soft switching techniques, i.e. commutation of transistors when applied voltage is zero or when current flow is zero
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M1/00—Details of apparatus for conversion
    • H02M1/32—Means for protecting converters other than automatic disconnection
    • H02M1/325—Means for protecting converters other than automatic disconnection with means for allowing continuous operation despite a fault, i.e. fault tolerant converters
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M1/00—Details of apparatus for conversion
    • H02M1/42—Circuits or arrangements for compensating for or adjusting power factor in converters or inverters
    • H02M1/4208—Arrangements for improving power factor of AC input
    • H02M2001/0009—
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M7/00—Conversion of ac power input into dc power output; Conversion of dc power input into ac power output
    • H02M7/42—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal
    • H02M7/44—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters
    • H02M7/48—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode
    • H02M7/4815—Resonant converters
    • H02M7/4818—Resonant converters with means for adaptation of resonance frequency, e.g. by modification of capacitance or inductance of resonance circuits
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02B—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO BUILDINGS, e.g. HOUSING, HOUSE APPLIANCES OR RELATED END-USER APPLICATIONS
    • Y02B70/00—Technologies for an efficient end-user side electric power management and consumption
    • Y02B70/10—Technologies improving the efficiency by using switched-mode power supplies [SMPS], i.e. efficient power electronics conversion e.g. power factor correction or reduction of losses in power supplies or efficient standby modes
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P80/00—Climate change mitigation technologies for sector-wide applications
    • Y02P80/10—Efficient use of energy, e.g. using compressed air or pressurized fluid as energy carrier

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Dc-Dc Converters (AREA)

Abstract

LLC 공진 컨버터(100)는, 직류의 입력 전압(Vin)이 인가되는 브리지 회로(10)와, 이 브리지 회로(10)에 접속된 LLC 공진 회로(20)와, 이 LLC 공진 회로(20)에 접속된 트랜스(30)와, 이 트랜스(30)에 접속되어 변환 후의 직류 전압을 출력하는 정류 회로(40)와, 공진 콘덴서 전환 회로(50)와, 브리지 회로 제어부(64)와, 공진 콘덴서 전환 제어부(65)를 구비한다. 입력 전압(Vin)이 전환 전압을 상회하면, 공진 주파수보다 높은 주파수까지 동작 주파수를 높이고 나서, 스위치(Q3)를 턴오프한다.

Description

LLC 공진 컨버터
본 발명은, 직류 전압을 별도의 직류 전압으로 변환하는 직류 전압 변환기(DC-DC 컨버터)에 관한 것으로, 특히, 절연형 DC-DC 컨버터의 대표적 회로의 일례인 LLC 공진 컨버터의 공진 콘덴서를 입력 전압에 따라 스위치에 의해 전환하는 제어에 관한 것이다.
도 5는 종래의 LLC 공진 컨버터의 일례인 LLC 전류 공진형 컨버터(1)의 개략 구성을 도시하는 회로도이다.
이 도 5에 도시한 바와 같이, LLC 전류 공진형 컨버터(1)는, 직류의 입력 전압(Vin)이 인가되는 브리지 회로(10)와, 이 브리지 회로(10)에 접속된 LLC 공진 회로(20)와, 이 LLC 공진 회로(20)에 접속된 트랜스(30)와, 이 트랜스(30)에 접속되어 변환 후의 직류 전압을 출력하는 정류 회로(40)를 구비하고 있다.
브리지 회로(10)는 직렬 접속된 스위치(Q1) 및 스위치(Q2)를 갖고 있고, 이들 각 상태가 소정 타이밍에서 시계열적으로 전환되는 스위칭 동작에 의해, 스위치(Q1) 및 스위치(Q2)의 접속점(10a)과 GND(10b) 사이에 직사각형 파상의 전압을 출력한다.
LLC 공진 회로(20)는 일단이 브리지 회로(10)의 GND(10b)에 접속된 공진 콘덴서(Cr)를 갖고 있고, 후술하는 여자 인덕턴스(Lm) 및 누설 인덕턴스(Lr) 0005를 합쳐서 공진 회로를 구성한다.
트랜스(30)는 1차측 권선(31) 및 2차측 권선(32)을 갖고 있고, 이들은 서로 절연되어 있다. 1차측 권선(31)의 양단과 병렬로 여자 인덕턴스(Lm)가 존재함과 함께, 1차측 권선(31)의 일단과 직렬로 누설 인덕턴스(Lr)가 존재한다. 1차측 권선(31)의 그 일단이 누설 인덕턴스(Lr)를 통해 스위치(Q1) 및 스위치(Q2)의 접속점(10a)에 접속됨과 함께, 1차측 권선(31)의 타단이 공진 콘덴서(Cr)를 통해 브리지 회로(10)의 GND(10b)에 접속되어 있다. 또한, 2차측 권선(32)에는 중간 탭(32m)이 마련되어 있다.
정류 회로(40)는 2차측 권선(32)의 양단에 애노드(양극)측이 각각 접속된 정류 소자(D1) 및 정류 소자(D2)와, 이들 캐소드(음극)측이 모두 접속된 플러스측의 출력 단자(42a)와, 2차측 권선(32)의 중간 탭(32m)에 접속된 마이너스측의 출력 단자(42b)와, 출력 단자쌍(42a, 42b) 사이에 접속되어 전류를 평활화하는 전류 평활 콘덴서(41)를 갖고 있다. 이에 의해, 출력 단자쌍(42a, 42b)에 직류의 출력 전압(Vo)이 생성된다.
이와 같은 LLC 전류 공진형 컨버터(1)는, 1개의 커패시턴스(Cr)와 2개의 인덕턴스(Lm)와 Lr의 공진 현상을 이용함으로써, 1차측과 2차측의 반도체 소자에서 발생하는 스위칭 손실 및 노이즈를 저감시킬 수 있는 절연형 DC-DC 컨버터이다. 또한, 트랜스(30)의 누설 인덕턴스(Lr) 및 여자 인덕턴스(Lm)를 사용하는 점에서, 회로 구성에 필요한 소자수가 적다.
도 6은 LLC 전류 공진형 컨버터(1)의 주파수-게인 특성을 예시하는 그래프이다.
LLC 전류 공진형 컨버터(1)는, 스위치(Q1) 및 스위치(Q2)를 PFM(펄스 주파수 변조)함으로써, 입력 전압(Vin)을 원하는 출력 전압(Vo)으로 변환한다. 또한, LLC 전류 공진형 컨버터(1)는 PFM의 주파수를 변화시킴으로써 입력 전압(Vin)과 출력 전압(Vo)의 변환비인 게인을 제어할 수 있고, 입력 전압(Vin)이 변화된 경우라도 원하는 출력 전압(Vo)을 얻을 수 있다. 도 5에 도시한 LLC 전류 공진형 컨버터(1)의 경우에는
출력 전압(Vo)＝(입력 전압(Vin)×게인)/트랜스 권취수 비 N
의 관계를 갖는다. 또한, N은 정수에 한정되지 않고, 1 이상 또는 1 미만의 어느 것이어도 된다. 또한, 도 6에 도시한 바와 같이, 게인이 1로 되는 공진 주파수를 fsr이라고 하고, 최대 게인 Gainmax로 되는 공진 주파수를 fpr이라고 한다.
이와 같은 LLC 공진 컨버터는, Gainmax로부터 게인 1까지의 변동이 클(고게인)수록, 낮은 입력 전압(Vin)으로 원하는 출력 전압(Vo)을 얻을 수 있다.
도 7은 LLC 공진 컨버터를 전원 회로에 사용하는 경우의 구성예를 도시하는 개략도이다.
이 도 7에 도시한 전원 회로(3)에서는, 교류의 상용 전원(CP)이 인가되는 PFC(Power Factor Correction: 역률 개선 회로)(2)의 출력이 절연 DC-DC 컨버터(1A)에 입력되고, 절연 DC-DC 컨버터(1A)로부터 직류의 출력 전압(Vo)이 얻어진다. 또한, PFC(2)와 절연 DC-DC 컨버터(1A) 사이의 2개의 접속선 사이에는, 블록 콘덴서(Cin)가 접속되어 있다. 본 발명의 LLC 전류 공진형 컨버터(1)는 절연 DC-DC 컨버터(1A)에 적용할 수 있다.
이와 같은 전원 회로(3)에서는, 상용 전원(CP)으로부터의 전력 공급이 정지한 경우라도 소정 시간(예를 들어, 20ms, 이하에는 「유지 시간 t」라고 함) 사이는 출력 전압을 저하시키지 않고 유지할 필요가 있다. 그때의 전력 공급은 블록 콘덴서(Cin)로부터 행해진다. 블록 콘덴서(Cin)의 최저 용량 Cinmin은 하기 식으로부터 구할 수 있다.
[수 1]
Figure 112019075458610-pct00001
여기서, P, Vc_start, Vin_min의 정의는 다음과 같다.
P: 절연 DC-DC 컨버터의 최대 출력 전력
Vc_start: 전력 공급 정지 시의 Cin 충전 전압
Vin_min: 절연 DC-DC 컨버터가 동작 가능한 최저 입력 전압
따라서, 최저 입력 전압 Vin_min이 낮을수록 최저 용량 Cinmin을 작게 할 수 있는 것을 알 수 있다. 최저 입력 전압 Vin_min은 절연 DC-DC 컨버터(1A)를 고게인화할수록 낮게 할 수 있는 점에서, 고게인화하면 유지 시간 t를 유지한 채로 블록 콘덴서(Cin)의 소형화가 가능해진다.
도 8의 (a)는 LLC 공진 컨버터의 부하로서 출력 부하 저항을 접속한 회로를, 트랜스(30)의 1차측에서 본 때의 등가 회로로서 표현한 것이다. 도 8의 (b)는 도 8의 (a)의 병렬 접속 부분을 ZL이라고 하고, ZL 인덕턴스와 저항의 직렬 접속 형식으로 표현한 등가 회로(1C)이다. 또한, Vsq는 브리지 회로(10)를 구형파 전압원으로서 표현한 때의 출력 전압이고, Req는 트랜스 2차측의 출력 부하 저항을 1차측의 교류 저항으로 변환한 하기 식으로 구해진다.
여기서, 도 8의 (b)의 ZL(Re), ZL(Im)은 각각 ZL의 실수부, 허수부를 의미한다.
[수 2]
Figure 112019075458610-pct00002
여기서, Ro는 출력 부하 저항, N은 실제의 트랜스 권취수 비(1차:2차)를 나타내고 있다.
또한, 공진 주파수(fsr)는 이하의 식으로 구해진다.
[수 3]
Figure 112019075458610-pct00003
또한, 공진 주파수(fpr)는 도 8의 (b)의 등가 회로(1C)로부터 이하의 식으로부터 얻어진다.
[수 4]
Figure 112019075458610-pct00004
도 9는 LLC 공진 컨버터의 주파수-게인 특성 및 2개의 동작 영역을 예시하는 그래프이다.
이 도 9에 도시한 바와 같이, LLC 공진 컨버터의 동작은 그 공진 주파수(fpr)를 경계로 하는 캐패시티브 영역(좌측)과 인덕티브 영역(우측)의 2개의 영역으로 나뉘어진다. 이하에 각각의 영역에서의 LLC 공진 컨버터의 동작에 대하여 설명을 나타낸다.
<캐패시티브 영역>
· 하드 스위칭(스위칭손 대)
· 목표값 게인이 높은 경우, 주파수를 높게 한다
· 브리지 회로에 관통 전류가 흐른다
<인덕티브 영역>
· 소프트 스위칭(스위칭손 소)
· 목표값 게인이 높은 경우, 주파수를 낮게 한다
· 브리지 회로에 관통 전류가 흐르지 않는다
즉, LLC 공진 컨버터를 인덕티브 영역에서 동작시킴으로써 고주파 동작 시의 스위칭손을 억제할 수 있기 때문에, 고주파 동작에 의한 트랜스 소형화가 가능해진다. 그 때문에, LLC 공진 컨버터는 인덕티브 영역에서 제어하는 쪽이 장점이 크고 일반적이다.
도 10은 LLC 공진 컨버터의 공진 콘덴서(Cr)를 변화시킨 때의 주파수-게인 특성을 예시하는 그래프이다. 도 11은 LLC 공진 컨버터의 여자 인덕턴스(Lm)를 변화시킨 때의 주파수-게인 특성을 예시하는 그래프이다.
여자 인덕턴스(Lm) 및 공진 콘덴서(Cr)는 설계 가능한 파라미터이고, 고게인을 실현하기 위해서는 Lm 소, 혹은 Cr 대로 설계하면 된다.
그러나, 도 10 및 도 11에 도시한 바와 같이, Lm 소에 의해 대전류가 흐르는 것에 의한 손실 증가(효율 저하), Cr 대에 의한 동작 주파수 저하에 의해 트랜스 소형화의 방해가 되는 등의 과제가 발생한다. 반대로, Lm 대나 Cr 소로 하면 고게인이 얻어지지 않게 되어 버리는 점에서, 고주파화와 고게인화, 고효율 동작과 고게인화는 각각 트레이드오프의 관계로 되어 있다.
그래서, LLC 공진 컨버터의 고게인화와 고효율 동작을 양립하기 위해, 입력 전압(Vin)에 따라 스위치(Q3)를 온/오프함으로써 공진 콘덴서 용량을 변화시키는 것이 가능한 LLC 공진 컨버터가 제안되어 있다(예를 들어, 특허문헌 1 참조).
도 12는 특허문헌 1에 개시된 LLC 공진 컨버터와 마찬가지로, 공진 콘덴서 용량을 변화시키는 것이 가능한 LLC 공진 컨버터(1D)의 개략 구성을 도시하는 회로도이다. 도 13은 LLC 공진 컨버터(1D)의 주파수-게인 특성을 예시하는 그래프이다.
또한, 이 LLC 공진 컨버터(1D)와 도 5에 도시한 LLC 전류 공진형 컨버터(1)의 상위점은, 직렬 접속된 스위치(Q3) 및 콘덴서(Crsw)를 갖는 공진 콘덴서 전환 회로(50)가 LLC 공진 회로(20)의 공진 콘덴서(Cr)에 병렬로 접속되어 있는 것이다.
정상 시에는, 도 12에 도시한 바와 같이, 스위치(Q3)를 턴오프하여 콘덴서(Crsw)를 LLC 공진 회로(20)로부터 분리하고, 공진 콘덴서 용량을 Cr로 하는 고주파의 특성(도 13의 「Q3 오프일 때」)으로 LLC 공진 컨버터(1D)를 동작시킨다.
한편, 입력 전압(Vin)의 저하 시에는, 스위치(Q3)를 턴온하여 공진 콘덴서 용량을 Cr＋Crsw로 하는 저주파의 특성(도 13의 「Q3 온일 때」)으로 LLC 공진 컨버터(1D)를 동작시켜 큰 게인을 얻는다.
그 후, 입력 전압(Vin)의 재상승 시에는, 스위치(Q3)를 턴오프하여 콘덴서(Crsw)를 다시 LLC 공진 회로(20)로부터 분리하고, 공진 콘덴서 용량을 Cr로 하는 고주파의 특성(도 13의 「Q3 오프일 때」)으로 다시 동작시킨다.
이와 같은 동작에 의해, 도 12에 도시한 LLC 공진 컨버터(1D)는 큰 여자 인덕턴스(Lm)에서의 설계가 가능해지는 점에서, 고주파화, 고효율 동작을 달성한 후에 고게인화를 달성할 수 있다. 단, 그 실현에는, 저주파의 특성에 의한 동작으로부터 고주파의 특성에 의한 동작으로 적절하게 천이시키는 제어가 필요해진다.
도 14는 LLC 공진 컨버터(1D)에 있어서 저주파의 특성으로부터 고주파의 특성으로 천이할 때의 제어예의 개략 설명도이다.
특허문헌 1에 개시된 LLC 공진 컨버터에서는, 도 12와 동일한 회로 구성으로 스위치(M1)(도 12의 Q3에 대응)를 온/오프함으로써 LLC 공진 컨버터의 전력 피크를 변화시키는 제어를 행하고 있다.
공진 콘덴서 용량을 작은 값으로 전환하여 저주파의 특성으로부터 고주파의 특성으로 천이시키는 제어에서는, 「입력 전압이 전환을 행하는 전압에 도달하거나, 혹은 동작 주파수가 공진 주파수(fpr)에 도달하면, 전환 스위치를 턴오프한다」라는 수단으로 행하고 있다. 여기서, 공진 주파수(fpr)는 고주파의 특성으로 게인 피크를 취하는 주파수이고, 부하에 의해 변화된다.
단, 이 수단에서는, 저주파의 특성으로부터 고주파의 특성으로 천이한 때에 이하에 2개의 과제가 발생한다.
과제 1) 브리지 회로를 구성하는 스위치(Q1, Q2)가 관통 전류나 서지 전압에 의해 파괴된다.
과제 2) 캐패시티브 영역에서의 제어가 가능하지 않으면, 출력 전압(Vo)이 제어 불능으로 된다.
과제 1)은 캐패시티브 영역에서 동작함으로써 발생한다. 또한, 과제 2)는 일반적인 LLC 공진 컨버터의 제어가 인덕티브 영역에서 행해짐으로써 발생하는 것이다.
과제 2)에 대하여 설명하면, 전환 스위치를 턴오프한 때(도 14의 점 1→점 2), 동작 주파수가 그대로라면 고주파의 특성에 의한 게인의 쪽이 낮으므로, 입력 전압(Vin)×게인에서 얻어지는 출력 전압(Vo)이 원하는 전압 이하로 된다. 이에 비해 인덕티브 영역을 상정하고 있는 통상 제어에서는, 원하는 출력 전압(Vo)을 얻기 위해 동작 주파수를 내려 버리고(도 14의 점 2→점 3), 그 결과 게인이 더 낮아져 출력 전압(Vo)이 점점 내려가는 것이다.
일본 특허 공표 제2009-514495호 공보
종래 기술의 이와 같은 과제를 감안하여, 본 발명의 목적은, 공진 콘덴서 용량을 전환한 때에 브리지 회로의 스위치가 관통 전류나 서지 전압으로 파괴되거나 출력 전압 제어가 불능으로 되거나 하는 것을 방지 가능한 LLC 공진 컨버터를 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 LLC 공진 컨버터는, 직류의 입력 전압이 인가되고, 스위칭 소자의 스위칭 동작에 의해 직사각형 파상 전압을 출력하는 브리지 회로와, 적어도 제1 콘덴서를 갖고, 상기 직사각형 파상 전압이 인가되어 공진하는 LLC 공진 회로와, 이 LLC 공진 회로에 접속된 1차측과, 이 1차측과 절연되어 있는 2차측을 갖는 변압기와, 이 변압기의 상기 2차측으로부터의 출력을 직류의 출력 전압으로 하는 정류 소자와, 이 정류 소자로부터의 출력을 평활화하는 평활 콘덴서와, 직렬 접속된 전환 스위치와 제2 콘덴서를 갖고, 이들이 상기 제1 콘덴서에 병렬로 접속된 공진 콘덴서 전환 회로와, 상기 입력 전압을 검출하는 입력 전압 검출 회로와, 상기 출력 전압을 검출하는 출력 전압 검출 회로와, 부하로 공급되는 출력 전류를 검출하는 출력 전류 검출 회로와, 상기 입력 전압 검출 회로에 의한 입력 전압 검출 결과와, 상기 출력 전압 검출 회로에 의한 출력 전압 검출 결과와, 상기 출력 전류 검출 회로에 의한 출력 전류 검출 결과의 적어도 하나에 기초하여, 상기 공진 콘덴서 전환 회로의 상기 전환 스위치의 상태를 제어하는 공진 콘덴서 전환 제어부와, 상기 스위칭 소자의 상기 스위칭 동작을 펄스 주파수 변조에 의해 제어함과 함께, 상기 출력 전압 검출 결과가 원하는 전압으로 되도록, 또는 상기 공진 콘덴서 전환 제어부로부터의 명령을 받고, 상기 스위칭 소자의 동작 주파수를 제어하는 브리지 회로 제어부를 구비하고, 상기 공진 콘덴서 전환 제어부는, 상기 입력 전압 검출 결과가 미리 정해진 전환 전압을 하회하면, 상기 전환 스위치를 턴온하고, 상기 입력 전압 검출 결과가 상기 전환 전압을 상회하면, 상기 브리지 회로 제어부에 대하여 상기 동작 주파수를 전환 주파수까지 높이는 명령을 보내고, 그 후에 상기 전환 스위치를 턴오프하고, 상기 전환 주파수는, 상기 출력 전압 검출 결과 및 상기 출력 전류 검출 결과로부터 구해진, 상기 전환 스위치가 오프에서 상기 LLC 공진 회로의 게인이 최대로 되는 제1 공진 주파수보다 높은 주파수인 것을 특징으로 한다.
상기 공진 콘덴서 전환 제어부는 또한, 상기 입력 전압 검출 결과가 상기 전환 전압을 상회하면, 상기 브리지 회로 제어부에 대하여 상기 출력 전압 검출 결과가 상기 원하는 전압으로 되도록 행하는 상기 동작 주파수의 제어를 일시 정지 시킴과 함께 상기 동작 주파수를 전환 주파수까지 높이는 명령을 보내고, 그 후에 상기 전환 스위치를 턴오프하고 나서, 상기 브리지 회로 제어부에 대하여 상기 출력 전압 검출 결과가 상기 원하는 전압으로 되도록 행하는 상기 동작 주파수의 제어를 재개시키는 명령을 보내도록 해도 된다.
상기 전환 주파수는, 상기 전환 스위치가 오프에서 상기 LLC 공진 회로의 게인이 1로 되는 제2 공진 주파수보다 높은 주파수인 쪽이 보다 바람직하다.
또한, 상기 출력 전압 검출 결과가 상기 원하는 전압으로 되도록 행하는 상기 동작 주파수의 제어의 일시 정지로부터 재개까지의 소요 시간은, 적어도, 상기 입력 전압의 공급 정지로부터 출력을 유지 가능한 유지 시간보다 짧게 해 둘 필요가 있다.
이와 같은 구성의 LLC 공진 컨버터에 의하면, 입력 전압이 낮고 저주파의 특성에 의한 동작 중에 입력 전압이 상승한 때, 고주파의 특성으로 천이하기 때문에 공진 콘덴서 용량을 전환해도, 브리지 회로의 스위치가 관통 전류나 서지 전압으로 파괴되거나 출력 전압 제어가 불능으로 되거나 하는 일이 없다. 또한, 저주파의 특성으로부터 고주파의 특성으로 천이할 때의 게인 차가 작아짐으로써 돌입 전류가 억제되어, 브리지 회로의 스위치로의 스트레스도 완화된다. 이에 의해, LLC 공진 컨버터의 고효율 동작을 달성한 후에 고게인화를 실현할 수 있으므로, 이 LLC 공진 컨버터가 내장되는 전원 장치 등의 소형화를 실현할 수 있다.
본 발명의 LLC 공진 컨버터에 의하면, 입력 전압이 낮고 저주파의 특성에 의한 동작 중에 입력 전압이 상승한 때, 고주파의 특성으로 천이하기 위해 공진 콘덴서 용량을 전환해도, 브리지 회로의 스위치가 관통 전류나 서지 전압으로 파괴되거나 출력 전압 제어가 불능으로 되거나 하는 일이 없다. 또한, 저주파의 특성으로부터 고주파의 특성으로 천이할 때의 게인차가 작아짐으로써 돌입 전류가 억제되어, 브리지 회로의 스위치로의 스트레스도 완화된다. 이에 의해, LLC 공진 컨버터의 고효율 동작을 달성한 후에 고게인화를 실현할 수 있으므로, 이 LLC 공진 컨버터가 내장되는 전원 장치 등의 소형화를 실현할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시 형태에 관한 LLC 공진 컨버터(100)의 주요부의 개략 구성을 도시하는 회로도이다.
도 2는 LLC 공진 컨버터(100)의 제어부의 개략 구성을 도시하는 블록도이다.
도 3은 LLC 공진 컨버터(100)의 제어부에 있어서의 공진 콘덴서(Cr) 단독과 콘덴서(Crsw)의 병렬 접속의 전환 제어의 개략을 도시하는 흐름도이다.
도 4는 LLC 공진 컨버터(100)에 있어서 저주파의 특성으로부터 고주파의 특성으로 천이할 때의 제어예의 개략 설명도이다.
도 5는 종래의 LLC 공진 컨버터의 일례인 LLC 전류 공진형 컨버터(1)의 개략 구성을 도시하는 회로도이다.
도 6은 LLC 전류 공진형 컨버터(1)의 주파수-게인 특성을 예시하는 그래프이다.
도 7은 LLC 공진 컨버터를 전원 회로에 사용하는 경우의 구성예를 도시하는 개략도이다.
도 8의 (a)는 LLC 공진 컨버터의 부하로서 출력 부하 저항을 접속한 회로를, 트랜스(30)의 1차측에서 본 때의 등가 회로로서 표현한 것이다. 도 8의 (b)는 도 8의 (a)의 병렬 접속 부분을 ZL이라고 하고, ZL 인덕턴스와 저항의 직렬 접속 형식으로 표현한 등가 회로(1C)이다.
도 9는 LLC 공진 컨버터의 주파수-게인 특성 및 2개의 동작 영역을 예시하는 그래프이다.
도 10은 LLC 공진 컨버터의 공진 콘덴서(Cr)를 변화시킨 때의 주파수-게인 특성을 예시하는 그래프이다.
도 11은 LLC 공진 컨버터의 여자 인덕턴스(Lm)를 변화시킨 때의 주파수-게인 특성을 예시하는 그래프이다.
도 12는 특허문헌 1에 개시된 전력 컨버터와 마찬가지로, 공진 콘덴서 용량을 변화시키는 것이 가능한 LLC 공진 컨버터(1D)의 개략 구성을 도시하는 회로도이다.
도 13은 LLC 공진 컨버터(1D)의 주파수-게인 특성을 예시하는 그래프이다.
도 14는 LLC 공진 컨버터(1D)에 있어서 저주파의 특성으로부터 고주파의 특성으로 천이할 때의 제어예의 설명도이다.
이하, 본 발명에 관한 실시 형태를, 도면을 참조하여 설명한다.
<실시 형태의 개략 구성>
도 1은 본 발명의 일 실시 형태에 관한 LLC 공진 컨버터(100)의 주요부의 개략 구성을 도시하는 회로도이다. 도 2는 LLC 공진 컨버터(100)의 제어부의 개략 구성을 도시하는 블록도이다.
도 1에 도시한 바와 같이, LLC 공진 컨버터(100)는 직류의 입력 전압(Vin)이 인가되는 브리지 회로(10)와, 이 브리지 회로(10)에 접속된 LLC 공진 회로(20)와, 이 LLC 공진 회로(20)에 접속된 트랜스(30)와, 이 트랜스(30)에 접속되어 변환 후의 직류 전압을 출력하는 정류 회로(40)와, 공진 콘덴서 전환 회로(50)와, 브리지 회로 제어부(64)와, 공진 콘덴서 전환 제어부(65)를 구비하고 있다.
브리지 회로(10)는 직렬 접속된 스위치(Q1) 및 스위치(Q2)를 갖고 있고, 이들 각 상태가 브리지 회로 제어부(64)에 의한 제어에 의해 동작 주파수 f에서 시계열적으로 전환되는, 즉 스위칭 동작함으로써, 스위치(Q1) 및 스위치(Q2)의 접속점(10a)과 GND(10b) 사이에 직사각형 파상의 전압을 출력한다.
또한, 이와 같은 하프 브리지형 대신에 풀 브리지형의 브리지 회로를 사용해도 된다. 스위치(Q1, Q2)로서는, 예를 들어 전계 효과 트랜지스터(FET)나 IGBT 등의 스위칭 소자를 들 수 있지만, 이들에 한정되지 않는다.
LLC 공진 회로(20)는 일단이 브리지 회로(10)의 GND(10b)에 접속된 공진 콘덴서(Cr)를 갖고 있고, 후술하는 여자 인덕턴스(Lm) 및 누설 인덕턴스(Lr)를 합쳐서 공진 회로를 구성한다.
트랜스(30)는 1차측 권선(31) 및 2차측 권선(32)을 갖고 있고, 이들은 서로 절연되어 있다. 트랜스(30)는 이상 변압기이고, 1차측 권선(31)의 양단과 병렬로 접속되어 있는 여자 인덕턴스(Lm) 및 1차측 권선(31)의 일단과 직렬로 접속되어 있는 누설 인덕턴스(Lr)와 합하여, 실제의 트랜스의 등가 회로를 표현하고 있다. 1차측 권선(31)의 그 일단이 누설 인덕턴스(Lr)를 통해 스위치(Q1) 및 스위치(Q2)의 접속점(10a)에 접속됨과 함께, 1차측 권선(31)의 타단이 공진 콘덴서(Cr)를 통해 브리지 회로(10)의 GND(10b)에 접속되어 있다. 또한, 2차측 권선(32)에는 중간 탭(32m)이 마련되어 있다. 또한, 도 5에 도시한 LLC 전류 공진형 컨버터(1)와 마찬가지로, 여자 인덕턴스(Lm) 및 누설 인덕턴스(Lr)가 트랜스(30)에 포함된다고 생각해도 된다.
정류 회로(40)는 2차측 권선(32)의 양단에 애노드(양극)측이 각각 접속된 정류 소자(D1) 및 정류 소자(D2)와, 이들 캐소드(음극)측이 모두 접속된 플러스측의 출력 단자(42a)와, 2차측 권선(32)의 중간 탭(32m)에 접속된 마이너스측의 출력 단자(42b)와, 출력 단자쌍(42a, 42b) 사이에 접속되어 전류를 평활화하는 전류 평활 콘덴서(41)를 갖고 있다. 이에 의해, 출력 단자쌍(42a, 42b) 사이에 직류의 출력 전압(Vo)이 생성된다. 또한, 정류 회로(40)는 이와 같은 센터-탭 전파 정류 회로에 한정되지 않고, 반파 정류 회로나 브리지 정류 회로 등을 사용해도 된다.
공진 콘덴서 전환 회로(50)는 직렬 접속된 스위치(Q3) 및 콘덴서(Crsw)를 갖고 있고, 이들이 LLC 공진 회로(20)의 공진 콘덴서(Cr)에 병렬로 접속되어 있다. 스위치(Q3)는 공진 콘덴서 전환 제어부(65)로부터의 제어 신호에 의해 온/오프된다.
또한, 스위치(Q3)로서는, 스위치(Q1, Q2)와 마찬가지로, 예를 들어 전계 효과 트랜지스터(FET) 등의 스위칭 소자를 들 수 있지만, 이것에 한정되지 않는다.
또한, 도 2에 도시한 바와 같이, LLC 공진 컨버터(100)는 그 제어부로서, 브리지 회로 제어부(64) 및 공진 콘덴서 전환 제어부(65)에 더하여, 입력 전압(Vin)(도 1 참조)을 검출하는 입력 전압 검출 회로(61)와, 출력 전압(Vo)(도 1 참조)을 검출하는 출력 전압 검출 회로(62)와, 출력 부하(OL)(도 1 참조)로 공급되는 출력 전류(Io)(도 1 참조)를 검출하는 출력 전류 검출 회로(63)를 구비하고 있다.
브리지 회로 제어부(64)는 출력 전압 검출 회로(62)에 접속되어 있고, 이 출력 전압 검출 회로(62)에 의한 출력 전압(Vo)의 검출 결과에 기초하여 스위치(Q1) 및 스위치(Q2)로에 각각 출력하는 제어 신호의 주파수(동작 주파수 f)를 제어하고, 입력 전압(Vin)에 대하여 펄스 주파수 변조를 행한다.
공진 콘덴서 전환 제어부(65)는 입력 전압 검출 회로(61), 출력 전압 검출 회로(62) 및 출력 전류 검출 회로(63)에 접속되어 있고, 이들에 의한 입력 전압(Vin), 출력 전압(Vo) 및 출력 전류(Io)의 각 검출 결과에 기초하여 스위치(Q3)의 온/오프 제어 신호를 출력한다.
또한, 공진 콘덴서 전환 제어부(65)는 브리지 회로 제어부(64)와도 접속되어 있어, 브리지 회로 제어부(64)에 대한 명령을 보낼 수 있다.
또한, 브리지 회로 제어부(64) 및 공진 콘덴서 전환 제어부(65)는 1개의 제어부로서 구성해도 되고, 예를 들어 LLC 공진 컨버터(100)가 내장되는 장치 전체용의 제어 유닛으로 이들 기능을 겸용해도 된다. 예를 들어, 고속 동작 가능한 범용 CPU 등에 적절한 프로그램을 내장함으로써도 실현할 수 있다.
도 3은 LLC 공진 컨버터(100)의 제어부에 있어서의 공진 콘덴서(Cr) 단독과 콘덴서(Crsw)의 병렬 접속의 전환 제어의 개략을 도시하는 흐름도이다. 도 4는 LLC 공진 컨버터(100)에 있어서 저주파의 특성으로부터 고주파의 특성으로 천이할 때의 제어예의 개략 설명도이다.
공진 콘덴서 전환 제어부(65)는 입력 전압 검출 회로(61)에 의한 입력 전압(Vin)의 검출 결과에 기초하여, 입력 전압(Vin)이 미리 정해진 전환 전압보다 낮을 때에는, 가능한 한 큰 게인을 얻기 위해 스위치(Q3)를 온으로 하고 있다. 이에 의해, LLC 공진 컨버터(100)는 공진 콘덴서 용량을 Cr＋Crsw로 하는 저주파의 특성으로 동작하고 있다.
이 상태에서는, 도 3에 도시한 바와 같이, 공진 콘덴서 전환 제어부(65)는 입력 전압 검출 회로(61)에 의한 입력 전압(Vin)의 검출 결과(스텝 S1)와 전환 전압의 대소 비교(스텝 S2)를 반복해서 행하고 있다(스텝 S2에서의 아니오).
공진 콘덴서 전환 제어부(65)는 입력 전압(Vin)이 상승하여 전환 전압을 상회한 것을 확인하면(스텝 S2에서의 예, 도 4의 점 1), 출력 전압 검출 회로(62) 및 출력 전류 검출 회로(63)에 의한 출력 전압(Vo) 및 출력 전류(Io)의 각 검출 결과(스텝 S3)로부터 스위치(Q3)가 오프 시(고주파의 특성)에 게인이 최대(게인 피크)로 되는 공진 주파수(fpr)를 연산에 의해 구한다(스텝 S4).
공진 콘덴서 전환 제어부(65)는 브리지 회로 제어부(64)에 대하여, 먼저, 출력 전압(Vo)의 검출 결과에 기초하는 동작 주파수의 제어를 일시 정지시킴과 함께, 공진 주파수(fpr)보다 높은 전환 주파수에 도달할 때까지 동작 주파수 f를 고주파측으로 점프시켜 한번에 높이는 명령을 보낸다. 바람직하게는, 스위치(Q3)가 오프 시(고주파의 특성)에 게인이 1로 되는 공진 주파수(fsr)보다 높아질 때까지 동작 주파수 f를 다시 고주파측으로 점프시켜 한번에 높이는 명령을 보낸다(스텝 S5, 도 4의 점 1→점 2).
그 후, 공진 콘덴서 전환 제어부(65)는 스위치(Q3)를 턴오프하고(스텝 S6, 도 4의 점 2→점 3), 이어서, 브리지 회로 제어부(64)에 대하여, 출력 전압(Vo)의 검출 결과에 기초하는 정상 시의 동작 주파수의 제어를 재개시키는 명령을 보낸다(스텝 S7). 이에 의해, LLC 공진 컨버터(100)는 공진 콘덴서 용량을 Cr만으로 하는 고주파의 특성에 의해 고효율로 동작하도록 복귀하고, 동작 주파수 f는 저주파측으로 저하되어 간다(도 4의 점 3→점 4).
또한, 브리지 회로 제어부(64)에 있어서 출력 전압(Vo)의 검출 결과에 기초하는 동작 주파수의 제어가 일시 정지하고 재개할 때까지의 기간에서는, 동작 주파수 f를 고주파측으로 높임으로써 게인이 저하되므로, LLC 공진 컨버터(100) 단체에서는 원하는 출력 전압(Vo)이 얻어지지 않게 된다. 그 때문에, 브리지 회로(10)의 입력측에 접속되는 블록 콘덴서(Cin)의 용량 등으로부터 구해지는 유지 시간 t(도 7의 설명을 참조)를 고려하여, 출력 전압(Vo)의 검출 결과에 기초하는 동작 주파수의 제어의 일시 정지로부터 재개까지의 소요 시간을 적어도 유지 시간 t보다 짧게 정할 필요가 있다.
본 발명은 그 주지 또는 주요한 특징으로부터 일탈하지 않고, 다른 다양한 형태로 실시할 수 있다. 그 때문에, 상술한 실시 형태는 모든 점에서 단순한 예시에 지나지 않고, 한정적으로 해석하면 안된다. 본 발명의 범위는 특허 청구범위에 의해 나타내는 것이며, 명세서 본문에는 전혀 구속되지 않는다. 또한, 특허 청구범위의 균등 범위에 속하는 변형이나 변경은 모두 본 발명의 범위 내의 것이다.
이 출원은 일본에서 2017년 3월 31일에 출원된 일본 특허 출원 제2017-071185호에 기초하는 우선권을 청구한다. 그 내용은 이것에 언급함으로써, 본 출원에 포함되는 것이다. 또한, 본 명세서에 인용된 문헌은 이것에 언급함으로써, 그 전부가 구체적으로 포함되는 것이다.
본 발명은 상기에서 설명한 바와 같은 스위칭 전원에 한정되지 않고, 예를 들어 인버터, 무선 전력 전송의 기술 등에도 적합하다.
1 : LLC 전류 공진형 컨버터
1A : 절연 DC-DC 컨버터
1B : 등가 회로
1C : 등가 회로
1D : LLC 공진 컨버터
2 : PFC
3 : 전원 회로
10 : 브리지 회로
20 : LLC 공진 회로
30 : 트랜스
31 : 1차측 권선
32 : 2차측 권선
40 : 정류 회로
41 : 전류 평활 콘덴서
50 : 공진 콘덴서 전환 회로
61 : 입력 전압 검출 회로
62 : 출력 전압 검출 회로
63 : 출력 전류 검출 회로
64 : 브리지 회로 제어부
65 : 공진 콘덴서 전환 제어부
100 : LLC 공진 컨버터
CP : 상용 전원
Cr : 공진 콘덴서(제1 콘덴서)
Crsw : 콘덴서(제2 콘덴서)
D1 : 정류 소자
D2 : 정류 소자
f : 동작 주파수
fpr : 공진 주파수(제1 공진 주파수)
fsr : 공진 주파수(제2 공진 주파수)
Io : 출력 전류
Lm : 여자 인덕턴스
Lr : 누설 인덕턴스
OL : 출력 부하
Q1 : 스위치
Q2 : 스위치
Q3 : 스위치(전환 스위치)
t : 유지 시간
Vin : 입력 전압
Vo : 출력 전압

Claims (5)

  1. 직류의 입력 전압이 인가되고, 스위칭 소자의 스위칭 동작에 의해 직사각형 파상 전압을 출력하는 브리지 회로와,
    적어도 제1 콘덴서를 갖고, 상기 직사각형 파상 전압이 인가되어 공진하는 LLC 공진 회로와,
    이 LLC 공진 회로에 접속된 1차측과, 이 1차측과 절연되어 있는 2차측을 갖는 변압기와,
    이 변압기의 상기 2차측으로부터의 출력을 직류의 출력 전압으로 하는 정류 소자와,
    이 정류 소자로부터의 출력을 평활화하는 평활 콘덴서와,
    직렬 접속된 전환 스위치와 제2 콘덴서를 갖고, 이들이 상기 제1 콘덴서에 병렬로 접속된 공진 콘덴서 전환 회로와,
    상기 입력 전압을 검출하는 입력 전압 검출 회로와,
    상기 출력 전압을 검출하는 출력 전압 검출 회로와,
    부하로 공급되는 출력 전류를 검출하는 출력 전류 검출 회로와,
    상기 입력 전압 검출 회로에 의한 입력 전압 검출 결과와, 상기 출력 전압 검출 회로에 의한 출력 전압 검출 결과와, 상기 출력 전류 검출 회로에 의한 출력 전류 검출 결과의 적어도 하나에 기초하여, 상기 공진 콘덴서 전환 회로의 상기 전환 스위치의 상태를 제어하는 공진 콘덴서 전환 제어부와,
    상기 스위칭 소자의 상기 스위칭 동작을 펄스 주파수 변조에 의해 제어함과 함께, 상기 출력 전압 검출 결과가 원하는 전압으로 되도록, 또는 상기 공진 콘덴서 전환 제어부로부터의 명령을 받고, 상기 스위칭 소자의 동작 주파수를 제어하는 브리지 회로 제어부를 구비하고,
    상기 공진 콘덴서 전환 제어부는,
    상기 입력 전압 검출 결과가 미리 정해진 전환 전압을 하회하면, 상기 전환 스위치를 턴온하고,
    상기 입력 전압 검출 결과가 상기 전환 전압을 상회하면, 상기 브리지 회로 제어부에 대하여 상기 동작 주파수를 전환 주파수까지 높이는 명령을 보내고, 그 후에 상기 전환 스위치를 턴오프하고,
    상기 전환 주파수는, 상기 출력 전압 검출 결과 및 상기 출력 전류 검출 결과로부터 구해진, 상기 전환 스위치가 오프에서 상기 LLC 공진 회로의 게인이 최대로 되는 제1 공진 주파수보다 높은 주파수인 것을 특징으로 하는 LLC 공진 컨버터.
  2. 제1항에 있어서, 상기 공진 콘덴서 전환 제어부는,
    상기 입력 전압 검출 결과가 상기 전환 전압을 상회하면, 상기 브리지 회로 제어부에 대하여 상기 출력 전압 검출 결과가 상기 원하는 전압으로 되도록 행하는 상기 동작 주파수의 제어를 일시 정지시킴과 함께 상기 동작 주파수를 전환 주파수까지 높이는 명령을 보내고, 그 후에 상기 전환 스위치를 턴오프하고 나서, 상기 브리지 회로 제어부에 대하여 상기 출력 전압 검출 결과가 상기 원하는 전압으로 되도록 행하는 상기 동작 주파수의 제어를 재개시키는 명령을 보내는 것을 특징으로 하는 LLC 공진 컨버터.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 전환 주파수는, 상기 전환 스위치가 오프에서 상기 LLC 공진 회로의 게인이 1로 되는 제2 공진 주파수보다 높은 주파수인 것을 특징으로 하는 LLC 공진 컨버터.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 출력 전압 검출 결과가 상기 원하는 전압으로 되도록 행하는 상기 동작 주파수의 제어의 일시 정지로부터 재개까지의 소요 시간은, 적어도, 상기 입력 전압의 공급 정지로부터 출력을 유지 가능한 유지 시간보다 짧은 것을 특징으로 하는 LLC 공진 컨버터.
  5. 제3항에 있어서, 상기 출력 전압 검출 결과가 상기 원하는 전압으로 되도록 행하는 상기 동작 주파수의 제어의 일시 정지로부터 재개까지의 소요 시간은, 적어도, 상기 입력 전압의 공급 정지로부터 출력을 유지 가능한 유지 시간보다 짧은 것을 특징으로 하는 LLC 공진 컨버터.
KR1020197021583A 2017-03-31 2017-11-20 Llc 공진 컨버터 KR102238311B1 (ko)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2017071185A JP2018174648A (ja) 2017-03-31 2017-03-31 Ｌｌｃ共振コンバータ
JPJP-P-2017-071185 2017-03-31
PCT/JP2017/041705 WO2018179576A1 (ja) 2017-03-31 2017-11-20 Ｌｌｃ共振コンバータ

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20190098230A KR20190098230A (ko) 2019-08-21
KR102238311B1 true KR102238311B1 (ko) 2021-04-09

Family

ID=63674776

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020197021583A KR102238311B1 (ko) 2017-03-31 2017-11-20 Llc 공진 컨버터

Country Status (6)

Country Link
US (1) US10770979B2 (ko)
EP (1) EP3565100B1 (ko)
JP (1) JP2018174648A (ko)
KR (1) KR102238311B1 (ko)
CN (1) CN110226282B (ko)
WO (1) WO2018179576A1 (ko)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR102569138B1 (ko) 2022-06-22 2023-08-23 (주)아이엠피 전압이득 가변제어 기반의 D-Class 앰프용 LLC 공진형 컨버터

Families Citing this family (16)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CA3089660C (en) * 2018-01-29 2023-05-16 Queen's University At Kingston Resonant power converters and control methods for wide input and output voltage ranges
JP7311371B2 (ja) * 2019-09-19 2023-07-19 コーセル株式会社 スイッチング電源装置
US11005379B1 (en) * 2019-10-17 2021-05-11 Infineon Technologies Austria Ag Dynamic regulation resonant power converter
US11509228B2 (en) 2019-10-17 2022-11-22 Infineon Technologies Austria Ag Dynamic regulation resonant power converter
KR102273763B1 (ko) * 2019-11-25 2021-07-06 영남대학교 산학협력단 Llc 공진 컨버터
CN111277145B (zh) * 2020-03-03 2021-10-29 合肥阳光电动力科技有限公司 一种dc-dc变换电路的控制装置和控制方法
CN114696620A (zh) * 2020-12-31 2022-07-01 华为技术有限公司 谐振电源、原边反馈励磁供电控制器及方法、控制装置
JP7387663B2 (ja) 2021-03-02 2023-11-28 株式会社東芝 電力変換回路及び電力変換装置
TWI746387B (zh) 2021-03-08 2021-11-11 群光電能科技股份有限公司 電源供應器及其操作方法
CN113806884B (zh) * 2021-09-02 2023-04-07 广东泰坦智能动力有限公司 基于遗传算法的谐振变换器设计参数选定方法
CN114204817A (zh) * 2021-09-03 2022-03-18 杰华特微电子股份有限公司 不对称半桥反激变换器及其尖峰电流抑制方法
JP7391920B2 (ja) 2021-09-13 2023-12-05 株式会社東芝 電子回路及び方法
CN113938020A (zh) * 2021-09-18 2022-01-14 广州金升阳科技有限公司 一种半桥llc谐振变换器
KR102490976B1 (ko) 2021-10-26 2023-01-27 주식회사 에코니티 고효율의 고용량 카트리지형 산기 장치
US11777487B1 (en) * 2022-04-07 2023-10-03 GE Precision Healthcare LLC Gate driver coreless transformers for magnetic resonance imaging power electronics
CN116780910B (zh) * 2023-08-22 2023-12-05 合肥蓝点数字电源有限公司 测试电源电路及控制方法

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2011217566A (ja) 2010-04-01 2011-10-27 Minebea Co Ltd スイッチング電源装置
US20130194831A1 (en) 2012-01-13 2013-08-01 Power-One, Inc. Resonant converter with auxiliary resonant components and holdup time control circuitry
US20150349627A1 (en) 2014-05-30 2015-12-03 Wistron Corporation Llc resonant power converter
JP2016100989A (ja) 2014-11-21 2016-05-30 三菱電機株式会社 直流変換装置

Family Cites Families (14)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP4617025B2 (ja) * 2001-05-29 2011-01-19 キヤノン株式会社 共振型電源装置
TW200733523A (en) 2005-10-25 2007-09-01 Koninkl Philips Electronics Nv Power converter
TWI340528B (en) * 2007-04-03 2011-04-11 Delta Electronics Inc Resonant converter system and controlling method thereof having relatively better efficiency
TWI338996B (en) * 2007-10-16 2011-03-11 Delta Electronics Inc Resonant converter system having synchronous rectifier control circuit and controlling method thereof
CA2775832A1 (en) * 2008-10-01 2010-04-08 Restech Limited Circuit and method for coupling electrical energy to a resonated inductive load
US7660133B1 (en) * 2008-11-04 2010-02-09 Champion Microelectronic Corporation Resonant switching converter having operating modes above and below resonant frequency
US8587963B2 (en) * 2009-01-21 2013-11-19 Fsp Technology Inc. Resonant converter equipped with multiple output circuits to provide multiple power outlets
JP5906418B2 (ja) * 2012-06-15 2016-04-20 パナソニックＩｐマネジメント株式会社 電力変換装置
JP6213318B2 (ja) * 2014-03-13 2017-10-18 オムロン株式会社 電流共振型直流電圧変換器、制御用集積回路および電流共振型直流電圧変換方法
CN105896986B (zh) * 2014-12-11 2018-11-13 南京航空航天大学 一种谐振变换器及其控制方法
CN105207487B (zh) * 2015-09-24 2017-11-21 成都芯源系统有限公司 一种谐振变换器的控制方法、电路及谐振变换器
JP2017071185A (ja) 2015-10-09 2017-04-13 キヤノン株式会社 画像形成装置およびその制御方法
CN205408211U (zh) * 2016-01-14 2016-07-27 华南理工大学 基于scc的可均流独立调光多路led驱动电路
US10686382B2 (en) * 2017-01-05 2020-06-16 Stmicroelectronics S.R.L. Symmetric time shift control for resonant converters

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2011217566A (ja) 2010-04-01 2011-10-27 Minebea Co Ltd スイッチング電源装置
US20130194831A1 (en) 2012-01-13 2013-08-01 Power-One, Inc. Resonant converter with auxiliary resonant components and holdup time control circuitry
US20150349627A1 (en) 2014-05-30 2015-12-03 Wistron Corporation Llc resonant power converter
JP2016100989A (ja) 2014-11-21 2016-05-30 三菱電機株式会社 直流変換装置

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR102569138B1 (ko) 2022-06-22 2023-08-23 (주)아이엠피 전압이득 가변제어 기반의 D-Class 앰프용 LLC 공진형 컨버터

Also Published As

Publication number Publication date
CN110226282B (zh) 2020-11-27
US20200007044A1 (en) 2020-01-02
US10770979B2 (en) 2020-09-08
EP3565100A4 (en) 2020-03-25
EP3565100A1 (en) 2019-11-06
KR20190098230A (ko) 2019-08-21
EP3565100B1 (en) 2021-03-10
CN110226282A (zh) 2019-09-10
WO2018179576A1 (ja) 2018-10-04
JP2018174648A (ja) 2018-11-08

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR102238311B1 (ko) Llc 공진 컨버터
US7423887B2 (en) Switching power supply circuit
US7778048B2 (en) Switching power supply apparatus
JP6593707B2 (ja) 電圧変換装置
US8054653B2 (en) DC power supply for varying output voltage according to load current variation
JP6485198B2 (ja) 共振インバータおよび共振型電源装置
JP5050874B2 (ja) スイッチング電源装置
JP4099593B2 (ja) スイッチング電源回路
CN107820669B (zh) 双桥dc/dc功率变换器
JP2006191746A (ja) スイッチング電源回路
JP5563425B2 (ja) 電源装置
KR102009351B1 (ko) ２개의 변압기 구조를 사용해 균형있는 ２차측 전류를 갖는 고효율 ｌｌｃ 공진 컨버터
KR101245520B1 (ko) 대칭형 양방향 공진형 컨버터
JP5554591B2 (ja) 電源装置
JP6981212B2 (ja) 非接触送電装置及び電力伝送システム
JP6406330B2 (ja) 電源装置
JP2006050689A (ja) スイッチング電源回路
JP2002262568A (ja) スイッチング電源回路
JP2015154525A (ja) 双方向フライバックコンバータ
JP4635584B2 (ja) スイッチング電源装置
WO2024100430A1 (ja) 電力変換装置及びその制御方法
JPH07284271A (ja) スイッチング電源装置
JP6994580B2 (ja) 電力変換装置および電力変換装置の制御方法
JP2006149016A (ja) スイッチング電源回路
WO2017175722A1 (ja) 電源装置

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant